Módulo 5: Celdas de Manufactura Robotizadas

Esta sección contiene los siguientes apartados:

Análisis para justificar una robotización y el valor agregado del uso del robot en el proceso.
Diseño preliminar conceptual de una celda robotizada considerando relación con espacio, flujo de producto, interacción con personal, seguridad funcional y agarre del robot.
Identificación preliminar de peligros y gestión del riesgo, análisis de riesgos inicial, medidas propuestas para mitigación del riesgo y evaluación de riesgos con las medidas aplicadas utilizando el método HNR.

Procesos susceptibles de automatización

Se consideraron 5 aspectos de la planta que se podían automatizar: Transporte de piezas, posicionamiento de material en los centros de maquinado y tornos, clasificación de piezas para ensamble, almacenamiento, y ensamble; se presentan las ventajas de desventajas de automatizar cada aspecto y posteriormente la desición justificada de qué se va a automatizar junto con el diseño de la celda.

Transporte

Ventajas

Reducción de tiempos muertos y de inactividad.
Flujo más continuo para mantener el ritmo de producción.
Libera personal de tareas de carga pesada.

Desventajas

Si los tiempos de transporte son pequeños no aporta un gran beneficio.
Requiere mantenimiento especializado.
Requiere buena planificación de rutas, sincronización y coordinación con los demás procesos.

Posicionamiento

Ventajas

Aprovechamiento de tiempos de ciclo de la máquina.
Es exacto y repetible, lo que reduce errores de alineación y rechazos.

Desventajas

Si cada referencia cambia de forma, el robot necesita ajustes o sistemas de cambio rápido.
Algunos tornos no fueron diseñados para celdas robotizadas y el acceso físico puede ser un reto.
El control del CNC y el robot deben sincronizarse correctamente.

Clasificación

Ventajas

Flujo ordenado hacia el ensamble: permite que las piezas lleguen listas y en la secuencia correcta, reduciendo esperas y errores en la línea de montaje.
Reducción de intervención humana: elimina tareas repetitivas de conteo y separación manual.

Desventajas

El área de clasificación requiere contenedores o cintas de salida para cada tipo de pieza.

Almacenamiento

Ventajas

Mejor aprovechamiento del espacio.

Desventajas

Sobreautomatización si no es un volumen muy grande.

Ensamble

Ventajas

Escalabilidad si aumenta la demanda.

Desventajas

No mejora de calidad y repetibilidad.
Cada tipo de motorreductor puede necesitar su propia secuencia y herramientas; esto limita la flexibilidad si hay muchas variantes.
Requiere alta precisión en piezas (tolerancias inestables o de mucha precisión).
Tiempo de puesta en marcha largo.
Dificultad de justificación económica inicial.

Qué no automatizar

Posicionamiento y ensamble: su implementación requeriría robots de alta precisión y sistemas de sujeción muy específicos, lo que incrementaría considerablemente la complejidad y el costo sin resolver el problema central de los largos tiempos entre procesos. No se puede medir fuerza y posición de manera precisa de forma económica.
Almacenamiento: ya cumple adecuadamente con las necesidades actuales de la fábrica y tampoco reduce los tiempos entre procesos.

Qué automatizar

Transporte: únicamente para rutas largas o complicadas dentro de la fábrica, se agiliza el flujo de materiales entre estaciones, se reduce esperas y se minimiza la manipulación manual.
Clasificación: organización de las piezas para su posterior ensamble.
Ambos puntos son los que más disminuyen tiempos entre procesos.

Selección del modelo de robot

Criterios cuantitativos y cualitativos de selección.

Payload mínimo requerido: suma del peso de la pieza más el sistema de sujeción. Se consideran piezas de 130 kg.
Reach.
Capacidad de integración: Comunicación con PLC.
Disponibilidad.

Elementos de la celda robotizada

ROBOT

El robot se escogió basado principalmente en el payload estimado de la carga de cada motorreductor, el fabricante contaba con este modelo que es encontraba dentro de los rango predefinidos y que, a pesar de exceder el valor de payload, es el que menos sobrepasa dicho valor. el fabricante también lo recomendaba para este tipo de aplicación en la descripción de su página web.

CONTROLADOR

Al estar seleecionado un robot de la marca natural ABB, naturalmente se seleccionó un controlador de la misma marca debido a la facilidad de integración, esta referencia era la dedicada del fabricante para la referencia del robot seleccionado.

GRIPPER

Considerando un payload tan en consideración a las aplicaciones típicas de robots ABB, como paletizado, este fabricante no contaba con diseños de gripper de heavy-payload por lo que se recurrió a otro fabricante de grippers industriales llamado LT autotools que se especializa en end-of-arm tooling, el gripper fue escogido únicamente basado en payload y la integración con ABB se debe realizar con un acople perzonalidado de tornillos al chaflán del robot.

BANDAS TRANSPORTADORAS

Disponibles para importación desde Holanda, Jansen&Heuning fue el único fabricante con catálogo que disponía de bandas de heavy-payload que se encontró.

SENSORES

Se seleccionan sensores infrarrojos debido al reach, se consideraron sensores inductivos pero al ser piezas de gran tamaño y variable no se cumple con el rango de lectura apropiado.

ACTUADORES

Variadores de frecuencia para los motores de las bandas transportadores de la marca ABB y señalización de puesta en marcha.

Modelo 3D en simulación

Modelo de la celda en RobotStudio

Modelo celda robotica

Gripper del robot

Análisis de riesgos

Peligros presentes en la celda robotizada para motorreductores sinfín-corona

(Basado en ISO 10218-1, Anexo A)

1. Mecánicos

Atrapamiento entre el brazo del robot y estructuras fijas.
Golpes o contacto con el robot en movimiento durante mantenimiento.
Corte o cizallamiento por bordes de piezas metálicas o virutas.
Aplastamiento en mecanismos de carga/descarga o gripper defectuoso.

2. Eléctricos

Contacto directo con bornes energizados del robot o CNC durante mantenimiento.
Descargas por aislamiento dañado en motores, sensores o cables expuestos.
Arcos eléctricos en tableros de potencia o variadores de frecuencia.

3. Térmicos

Riesgo de quemaduras por contacto con piezas calientes (tras mecanizado o rectificado).
Exposición a altas temperaturas en estaciones de tratamiento térmico o pintura.

4. Por ruido

Ruido generado por las máquinas CNC, compresores y conveyors (>80 dB en operación continua).

5. Por vibraciones

Transmisión de vibraciones a operarios cercanos por equipos de corte, rectificado o bombas neumáticas.

6. Por radiaciones

Radiación infrarroja (IR) en hornos o lámparas de secado.
Posible exposición a radiación UV en cabina de pintura con curado UV (si aplica).

7. Por sustancias o materiales peligrosos

Exposición a aerosoles o gases de pintura.
Contacto con refrigerantes o aceites de corte.
Polvo metálico o virutas finas en zonas de mecanizado.

8. Ergonómicos

Posturas forzadas durante mantenimiento del robot o cambio de herramienta.
Manipulación manual de componentes pesados fuera de la celda automatizada.
Movimientos repetitivos al cargar piezas de prueba o ajustar fixtures.

9. Asociados al entorno

Riesgo de resbalones por derrames de aceite o refrigerante.
Caídas por desniveles en el área de trabajo o mala iluminación.
Interferencia entre humanos, AGVs y robots móviles.

10. Combinaciones de peligros

Atrapamiento + riesgo eléctrico durante tareas de mantenimiento.
Pérdida de control del robot por fallo eléctrico → impacto mecánico.
Calor + exposición a sustancias químicas en cabina de pintura.

Evaluación del riesgo

La celda robótica fue evaluada según la metodología HRN (Hazard Rating Number), considerando frecuencia de exposición (F); severidad de posible lesión (S); probabilidad de ocurrencia (O); Número de persona (P). De acuerdo con el puntaje obtenido, se clasifica el nivel de riesgo y las acciones requeridas según la siguiente escala:

#	Tipo de peligro	F	S	O	P	HRN
1	Mecánicos	5	15	8	1	600
2	Eléctricos	2.5	15	1	1	37.5
3	Térmicos	0.5	15	1	1	7.5
4	Ruido	5	4	15	2	600
5	Vibraciones	2.5	2	5	1	25.0
6	Radiaciones	0.5	0.5	0.1	1	0.025
7	Sustancias / Materiales peligrosos	4	0.1	2	2	1.6
8	Ergonómicos	5	2	2	2	40
9	Asociados al entorno	5	4	8	1	160
10	Combinaciones de peligros	2.5	15	2	1	75