Capítulo 9: Criterios de Implantación de un Robot Industrial PDF

CAPÍTULO 9 Criterios de implantación de un robot industrial Del dicho al hecho hay gran trecho....

CAPÍTULO 9 Criterios de implantación de un robot industrial Del dicho al hecho hay gran trecho. Refranero popular Un robot industrial raramente trabaja como un elemento aislado, sino que forma parte de un proceso de fabricación que incluye muchos otros equipos. El robot, elemento destacado de la denominada célula de trabajo robotizada, debe en general interactuar con otras máquinas, for- mando parte de una estructura de fabricación superior. En este capítulo se abordarán, tanto desde un aspecto técnico como económico, aquellos temas relacionados con la implantación de un robot en un entorno industrial. El primer aspecto considerado es el diseño de la célula desde el punto de vista del lay- out (esquema de disposición de equipos, máquinas y demás elementos de la planta) y de la arquitectura de control. Es ésta una cuestión importante para poder extraer las máximas prestaciones a un robot industrial durante su explotación. También es de gran importan- cia la correcta selección del robot más adecuado para una determinada aplicación. En este capítulo se dan algunas indicaciones y se explican aquellas cuestiones a considerar para tomar dicha decisión. Como ocurre con otros sistemas, existen ciertas normas aplicables a los robots industriales manipuladores. Es conveniente para el usuario de los robots co- nocer el objeto y alcance de éstas, por lo que en este capítulo se reseñan las existentes, dejando para un Apéndice una revisión más detallada de las mismas. No obstante el con- tenido de algunas de estas normas está estrechamente relacionado con aspectos conteni- dos en éste capítulo, como es el caso de la evaluación de las prestaciones de un robot o el tema de la seguridad de la célula robotizada, que es tratado de forma especial, pues obliga a tener en cuenta consideraciones importantes en la fase de diseño, desarrollo y explotación. Se exponen también algunas indicaciones de cómo realizar la justificación económica de la implantación de una célula robotizada. Finalmente, se muestra una imagen actualizada de cuál es la situación del mercado de robots en el mundo en general y en España en particular. 9.1. DISEÑO Y CONTROL DE UNA CÉLULA ROBOTIZADA El proyecto e implantación de un sistema robotizado implica la consideración de un gran nú- mero de factores, que van desde el posible rediseño del producto, hasta la definición detallada del lay-out o plano de implantación del sistema (Figura 9.1). 401 402 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA Figura 9.1. Ejemplo de lay-out de una célula robotizada de fabricación de calzado. Junto con la selección más adecuada del robot para la aplicación, habrá que definir, e in- cluso diseñar, los elementos periféricos pasivos (mesas, alimentadores, utillajes, etc.) o acti- vos (manipuladores secuenciales, máquinas CN, etc.) que intervienen en la célula, y situarlos físicamente en el sistema. Asimismo, será preciso definir y seleccionar la arquitectura de control, tanto hardware como software, que todo sistema flexible de fabricación debe incluir. La definición del lay-out del sistema es un proceso iterativo del que debe resultar la es- pecificación del tipo y número de robots a utilizar, así como de los elementos periféricos, in- dicando la disposición relativa de los mismos. En este proceso iterativo es clave la experien- cia del equipo técnico responsable del diseño. La utilización de herramientas informáticas, como sistemas CAD, simuladores específicos para robots y simuladores de sistemas de fa- bricación flexible facilitan enormemente esta tarea. Un simulador de sistemas robotizados permite de manera rápida y eficiente evaluar las diferentes alternativas en cuanto al robot a utilizar y la disposición física de todo el sistema. Utilizando la interacción gráfica, se puede analizar qué robot de los existentes en la librería del programa se adapta mejor a la tarea programada, detectando posibles colisiones y ve- rificando el alcance (Figura 9.2). Un simulador de sistemas de fabricación flexible permite dimensionar adecuadamente la célula, informando sobre su productividad, rendimiento y comportamiento ante cambios de la demanda o situaciones imprevistas (averías, cambios en el producto, etc.). Asimismo, permite ensayar diferentes estrategias de control de la célula encaminadas a optimizar su funcionamiento [CACI-95]. CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 403 Figura 9.2. Definición del lay-out de la célula mediante simulador. (Cortesía Flow Software Technology-ROBOTNIK AUTOMATION SLL). 9.1.1. Disposición del robot en la célula de trabajo A la hora de decidir la disposición del robot en la célula, cabe plantearse cuatro situaciones básicas: Robot en el centro de la célula En esta disposición el robot se sitúa de modo que quede rodeado por el resto de elementos que intervienen en la célula. Se trata de una disposición típica para robots de estructura arti- cular, polar, cilíndrica o SCARA, en la que se puede aprovechar al máximo su campo de ac- ción, que presenta una forma básica de esfera. La disposición del robot en el centro se usa frecuentemente en aquellas aplicaciones en las que un robot sirve a una o varias máquinas (carga-descarga de máquinas herramientas), así como en las aplicaciones de soldadura al arco, paletización o ensamblado, en las que el robot debe alcanzar diversos puntos fijos dentro de su área de trabajo (Figura 9.3a y Figura 9.4). Robot en línea Cuando uno o varios robots deben trabajar sobre elementos que llegan en un sistema de trans- porte, la disposición de robots en línea es la más adecuada (Figura 9.3b). 404 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA Figura 9.3. Disposición del robot en a) el centro de la célula y b) en línea. Figura 9.4. Robot en el centro de una célula de pulido de piezas de reloj (cortesía KUKA). El ejemplo más representativo de esta disposición son las líneas de soldadura de carro- cerías de vehículos, en las que éstos pasan secuencialmente frente a sucesivos robots alinea- dos, cada uno de los cuales realiza una serie de puntos de soldadura. En este tipo de disposición cabe diferenciar que el transporte sea de tipo intermitente o continuo. En el primer caso, en un momento determinado cada robot tiene delante una pieza sobre la que realiza las operaciones establecidas. Una vez acabadas éstas, bien se espera a que todos los robots finalicen sus tareas, para que entonces el sistema de transporte avance un puesto, o bien, si el sistema lo permite, da salida a la pieza que proceda, quedando disponible para recibir una nueva. Si el transporte es continuo, esto es, si las piezas no se detienen delante del robot, éste de- berá trabajar sobre la pieza en movimiento, para lo que el transporte deberá limitar su velocidad de modo que la pieza quede dentro del alcance del robot durante al menos el tiempo de ciclo. CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 405 Robot móvil En ocasiones, es útil disponer al robot sobre una vía que permita su desplazamiento li- neal de manera controlada (Figura 9.5). Esta posibilidad permite, por ejemplo, seguir el movimiento de la pieza en el caso de que ésta se desplace sobre un sistema de transporte continuo, de modo que la posición relativa entre pieza y robot se mantenga fija durante el tiempo que dura el proceso. Para ello es necesario una precisa sincronización de los dos movimientos: transporte de la pieza y transporte del robot, lo que se puede conseguir con un acoplamiento mecánico desembragable o mediante un adecuado control en ca- dena cerrada de ambos transportes. En cualquier caso, una vez acabado el procesa- miento de la pieza, el robot debe regresar rápidamente a su posición inicial para recibir una nueva. Otra situación en la que el empleo del robot con capacidad de desplazamiento lineal es particularmente ventajosa es cuando éste debe cubrir un elevado campo de acción. Por ejemplo, en la pintura de carrocerías de coches, el dotar al robot de este grado de libertad adicional permite que dos robots de dimensiones medias (2 metros de radio de alcance apro- ximadamente) lleguen con la orientación adecuada a todos los puntos de proyección co- rrespondientes a un coche. Asimismo, esta disposición del robot puede utilizarse cuando éste tenga que dar servicio a varias máquinas (por ejemplo, para carga-descarga de máquinas herramientas), obteniendo el máximo rendimiento del robot. Figura 9.5. Disposición de robot móvil sobre rail (cortesía de KUKA). 406 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA Figura 9.6. Robot IRB 3200 proyectando cemento en disposición suspendida. (Cortesía de DISAM-Universidad Politécnica de Madrid). Robot suspendido La disposición del robot suspendido es la intrínseca de un robot tipo pórtico en la que éste queda situado sobre el área de trabajo. Pero, además, de esta estructura de robot, es posible colocar un robot articular invertido sobre la célula (Figura 9.6). Las ventajas fundamentales que se obtienen en este segundo caso son las de un mejor aprovechamiento del área de trabajo, pues de este modo el robot puede acceder a puntos si- tuados sobre su propio eje vertical. Las operaciones típicas donde se utiliza el robot suspendido son en aplicación de adhe- sivos o sellantes, proyección de material (pintura, acabado superficial, etc.), corte (chorro de agua, láser, etc.) y soldadura al arco. Algunos fabricantes incluso han desarrollado modifi- caciones sobre sus robots básicos, tanto en su estructura mecánica como en su control, para facilitar el uso del robot en esta disposición. CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 407 9.1.2. Características del sistema de control de la célula de trabajo Una vez establecidos los elementos operativos de la célula y su disposición en la planta, el segun- do factor crítico en la definición de la célula robotizada es la especificación del sistema de control. Una célula robotizada debe responder a las premisas de flexibilidad y automatización que justifican su empleo. Para ello es imprescindible el establecimiento de un buen sistema de control que deberá realizar, entre otras, las siguientes funciones. Control individual de cada una de las máquinas, transportes y demás dispositivos, in- cluidos robots, que compongan la célula. Sincronización del funcionamiento de los diferentes dispositivos entre sí. Detección, tratamiento y recuperación si es posible de las situaciones anómalas de funcionamiento que puedan presentarse. Optimización del funcionamiento conjunto de los dispositivos de la célula, distribu- yendo si es posible las funciones de manera dinámica, para así evitar paradas por espera o acciones innecesarias. Interfaz con el usuario, mostrando la información adecuada para que en todo mo- mento se conozca con el detalle necesario el estado del sistema, así como permitiendo que el operador acceda, con las restricciones pertinentes, al funcionamiento del mismo y a las utilidades de mantenimiento y ajuste del sistema. Interfaz con otras células, para permitir la sincronización entre ellas, optimizando el funcionamiento de un sistema de fabricación flexible compuesto por varias células. Interfaz con un sistema de control superior que realiza básicamente funciones de su- pervisión y actualización de programas cuando se diese un cambio en la producción. Estas funciones, que pueden ser necesarias en mayor o menor medida en el control de una célula robotizada, se implementarán en un hardware que será preciso definir y dimensionar. En aquellas ocasiones en las que la simplicidad de la célula lo permita, el propio controlador del robot podrá simultanear las funciones propias de control de sus ejes con el mando del res- to de los dispositivos. Para ello utilizará sus entradas/salidas digitales/analógicas (véase Ca- pítulo 8), o si fuera necesario la posibilidad de incorporar ejes externos servocontrolados. Si por el contrario la célula incluye un mayor número de dispositivos, algunos de los cua- les pueden disponer de su propio controlador, inclusive otros robots, será preciso disponer de una estructura jerarquizada en la que un elemento central (ordenador, PLC, etc.) mantenga una comunicación con el resto de los controladores. En este caso, las comunicaciones pueden realizarse a través de diferentes estándares que van desde comunicaciones en serie punto a punto o mediante bus, por ejemplo, Ethernet. En cualquier caso, el correcto dimensionamiento del control de la célula y las funcionalidades con que se dota a la interfase con el usuario, son tareas que no deben ser subestimadas, pues re- percutirán tanto en el coste de implantación y desarrollo de la misma como en el de explotación. 9.2. CARACTERÍSTICAS A CONSIDERAR EN LA SELECCIÓN DE UN ROBOT Cuando se desea robotizar un determinado proceso, el equipo de técnicos responsable de esta tarea debe seleccionar el robot más adecuado. Para ello recurrirá a su experiencia y buen cri- terio, escogiendo, dentro del amplio mercado de robots existente, aquel que mejor responda 408 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA a las características necesarias y buscando siempre el adecuado compromiso entre precio y prestaciones. Tabla 9.1. Características a tener en cuenta para la selección de un robot Caract. geométricas Área de trabajo Grados de libertad Errores de posicionamiento – Distancia tras emergencia – Repetividad – Resolución Errores en el seguimiento de trayectorias – Calidad de una línea recta, arco... Precisión cuando se mueve el mínimo incremento posible Caract. cinemáticas Velocidad nominal máxima Aceleración y deceleración Caract. dinámicas Fuerza – De agarre – Carga máxima – Control de fuerza-par Frecuencia de resonancia Tipo movimientos Movimientos punto a punto Movimientos coordinados Trayectorias continuas (CP) Modo programación Enseñanza (guiado) Textual Tipo accionamiento Eléctrico (c. alterna o c. continua) Neumático Hidráulico Comunicaciones E/S Digitales/Analógicas Comunicaciones línea serie Servicio proveedor Mantenimiento, Servicio Técnico, Cursos de formación Coste La selección del robot más idóneo debe hacerse valorando una gran variedad de caracte- rísticas, siendo éste un proceso de difícil sistematización. Sin embargo, en general puede ser suficiente con considerar un conjunto limitado. La norma EN ISO 9946: «1999 Robots Manipuladores Industriales. Presentación de las características», [EN-99] recomienda cuáles deben se las características de los robots a pre- CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 409 sentar por sus fabricantes, aconsejando, incluso, el modo en que éstas son recogidas en una fi- cha. Esta norma se complementa con la UNE EN ISO 9283 - 2003 «Criterios de análisis de prestaciones» [UNE-03], en la que se especifica el modo en que deben ser medidas muchas de estas características. En el Anexo I se recoge mayor información sobre estas normas. Sin embargo, no es frecuente que los fabricantes sigan esta normativa, proporcionando una información limitada y no siempre medida de acuerdo a los criterios establecidos en la norma. No obstante, el conocimiento de la norma debe ser complementado con aspectos de índole práctica para en conjunto tomar la decisión adecuada en la selección del robot. Se van a comentar a continuación las características más destacadas que deben ser consideradas a la hora de seleccionar un robot para una determinada aplicación, y que han sido recogidas de manera resumida en la Tabla 9.1. En su mayoría estas características son afines a las indicadas en la norma, recomendándose la lectura del Anexo I y de la normati- va oficial. 9.2.1. Área de trabajo El área de trabajo o campo de acción es el volumen espacial al que puede llegar el extremo del robot. Este volumen está determinado por el tamaño, forma y tipo de los eslabones que in- tegran el robot (Figura 9.7), así como por las limitaciones de movimiento impuestas por el sis- tema de control. Nunca deberá utilizarse el efector colocado en la muñeca para la obtención del espacio de trabajo, ya que se trata de un elemento añadido al robot, y en el caso de variar el efector el área de trabajo se tendría que calcular de nuevo. En los catálogos suministrados por los fabricantes se suele indicar el área de trabajo me- diante un dibujo acotado. Cuando la información es de tipo numérico, el área de trabajo se in- dica mediante el rango de recorrido de cada articulación. El robot debe elegirse de modo que su área de trabajo (o campo de acción) le permita lle- gar a todos los puntos necesarios para llevar a cabo su tarea. En este sentido, no debe olvi- darse la necesidad de incluir entre los puntos a acceder los correspondientes a puntos de re- cogida de piezas (alimentadores), mesa de trabajo, puntos de salida de piezas, etc. El que el robot pueda acceder a todo el espacio de trabajo no significa que lo pueda hacer con cualquier orientación. Existirán un conjunto de puntos, los más alejados y los más cer- canos, a los que únicamente se podrá acceder con unas orientaciones determinadas, mientras que otros puntos admitirán cualquier orientación. Se ha de tener en cuenta también la posible existencia de los denominados puntos singu- lares, que ya fueron explicados en el Epígrafe 4.3.6. Se trata de puntos con una determinada orientación en el espacio sobre los que, por ejemplo, no es posible realizar una trayectoria rec- tilínea, bien sea porque su ejecución implicará el movimiento a velocidad infinita de uno de los ejes, bien porque el valor de los ejes en ese punto con esa orientación se encuentre inde- terminado. En general las limitaciones de manipulabilidad del robot guardan una estrecha re- lación con el valor del Jacobiano, La disposición óptima de todos los elementos que compondrán la célula junto con el ro- bot, es una delicada tarea por el gran número de variables a considerar. No basta con asegu- rar que todos los puntos necesarios quedan dentro del campo de acción del robot, sino que se deberá verificar que una vez situados los demás componentes de la célula, el robot no coli- sione con ellos al efectuar sus movimientos. 410 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA 8000 3000 2500 2000 1500 1200 Figura 9.7. Configuración y sección del área de trabajo del robot ROCCO. (Cortesía DISAM-Universidad Politécnica de Madrid). Por este motivo, es de gran ayuda el empleo de programas de simulación gráfica (ROB- CAD, GRASP, WorkSpace, COSIMIR, etc.), que dotados de un sistema de diálogo interac- tivo con el usuario, permiten seleccionar mediante ensayo y error la disposición óptima de la célula, pudiéndose incluso ensayar diferentes robots almacenados para tal efecto (Figura 9.8). 9.2.2. Grados de libertad El número de grados de libertad (GDL) con que cuenta un robot determina la accesibilidad de éste y su capacidad para orientar su herramienta terminal. Es relativamente frecuente que el CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 411 Figura 9.8. Simulador de Robots WorkSpace. (Cortesía Flow Software Technology. ROBOTNIK AUTOMATION SLL). número de GDL de los robots comerciales coincida con el número de articulaciones, es decir, que cada articulación represente un GDL. La elección del número de grados de libertad necesarios viene determinada por el tipo de aplicación. Así, en muchas operaciones de manipulación (pick & place, paletizado) los objetos se recogen y depositan sobre planos horizontales. En estos casos, un robot con 3 GDL para po- sicionar, y a lo sumo uno más para orientar (giro en torno a un eje vertical), es suficiente. Sin embargo, en otras aplicaciones es preciso orientar la herramienta en el espacio o acceder a po- siciones complicadas, siendo precisos 6 o incluso más grados de libertad. Aplicaciones típicas que precisan de 6 GDL pueden ser la pintura, la soldadura al arco o la aplicación de sellantes. Con cierta frecuencia los robots disponen opcionalmente de un número de grados de li- bertad ampliables (de 1 a 3) que son controlados sincronizadamente con el resto de los grados de libertad desde la misma unidad de control del robot. Estos grados extra se añaden al robot bien en su extremo (movimientos extras del efector), en su base (robot sobre vía) o como ele- mento externo (mesas posicionadoras) En general, hay que considerar que el aumento del número de grados de libertad lleva pa- rejo un aumento del coste del robot. En ocasiones, éste puede suplirse con el empleo de un utillaje apropiado y con el rediseño de las piezas que entran a formar parte de la instalación. Así, en tareas en las que es preciso acceder a piezas grandes o complejas, éstas pueden ir montadas sobre mesas posicionadoras u orientadoras, que disponen de un número finito o in- finito de posiciones alternativas, controladas de manera sincronizada con el robot. En el primer caso, el accionamiento puede ser neumático o hidráulico, siendo su coste comparati- vamente reducido. En el segundo caso (posicionamiento continuo), el precio de estos peri- féricos auxiliares es elevado, debiéndose escoger con cuidado la solución a adoptar. Para tareas muy específicas, se pueden utilizar robots con más de 6 GDL como configu- ración básica. A éstos se denomina robots redundantes, aunque esta terminología se aplica de 412 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA forma más general a aquellos robots que poseen más GDL que los que implica la tarea que re- alizan, independientemente de cuál sea el número de los mismos. La mayor parte de los ro- bots comerciales tienen un número de GDL variable entre tres y seis. 9.2.3. Precisión, repetibilidad y resolución Las ventajas del robot frente a otras máquinas en muchas de las aplicaciones actuales se ba- san, además, de en la flexibilidad y velocidad, en el bajo error de posicionamiento con el que realizan su trabajo. Para la definición de este error es necesario tener en cuenta tres concep- tos complementarios entre sí, como son: la precisión, la repetibilidad y la resolución. De en- tre los tres, el dato normalmente suministrado por los fabricantes es el de repetibilidad y éste es el utilizado a la hora de seleccionar un robot u otro por su exactitud. La Figura 9.9 presenta gráficamente estos tres conceptos. El origen de cada uno de ellos es diferente; su definición y causa se indica a continuación: Resolución: Mínimo incremento que puede aceptar la unidad de control del robot. Su valor está limitado por la resolución de los captadores de posición y convertidores A/D y D/A, por el número de bits con los que se realizan las operaciones aritméticas en la CPU, y por los elementos motrices si éstos son discretos (motores paso a paso, sis- temas neumáticos todo nada, etc.) Precisión: Distancia entre el punto programado (normalmente de manera textual) y el valor medio de los puntos realmente alcanzados al repetir el movimiento varias veces con carga y temperatura nominales. Su origen se debe a errores en la calibración del ro- bot (punto de sincronismo, por ejemplo), deformaciones permanentes por origen tér- mico y dinámico, errores de redondeo en el cálculo de la transformación cinemática (es- pecialmente en las cercanías de puntos singulares), errores entre las dimensiones reales y teóricas del robot, etc. Repetibilidad: Radio de la esfera que abarca los puntos alcanzados por el robot tras su- ficientes movimientos, al ordenarle ir desde el mismo origen al mismo punto de desti- no programado, con condiciones de velocidad, carga, temperatura, etc., iguales. Nor- malmente, se considera como repetibilidad la media de las distancias al punto medio alcanzado más tres veces la desviación estándar de dichos distancias. El error de repe- tibilidad es debido fundamentalmente a problemas en el sistema mecánico de transmi- sión como rozamientos, histéresis, zonas muertas (backlash). El error de repetibilidad tiene especial importancia en aquellos robots que son progra- mados por aprendizaje, pues entonces no afectan los debidos a la resolución ni precisión. Los valores normales de error de repetibilidad de robots industriales comerciales están entre los 0,5 y los 0,01 milímetros. En el valor total del error de posicionamiento de un robot afectan una serie de factores, como la longitud de sus brazos, carga manejada, tipo de estructura (la cartesiana no precisa transformación homogénea, evitándose errores de cálculo), que pueden dar una idea general sobre la calidad del posicionamiento final de su extremo. Así, por lo general, los robots car- tesianos y los de reducidas dimensiones son más precisos (en el sentido global) que otros como articulares o robots de gran envergadura. Otras medidas relativas a los posibles errores de posición de un robot son las relacionadas con la precisión con que un robot, que disponga de capacidad para ello, recorre una deter- minada trayectoria programada, por ejemplo, una línea recta. En este caso, los posibles CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 413 Figura 9.9. Visualización de los conceptos de resolución, precisión y repetibilidad. errores se ven afectados por las mismas causas que los anteriores más por aquellas derivadas del algoritmo interpolador de la trayectoria y de su control dinámico. Así, el número de puntos con que se interpole una trayectoria determinará la precisión con que el robot la sigue. Este número de puntos está limitado por el tiempo de cálculo de la transformación inversa (dependiente de la estructura del robot, potencia de cálculo del siste- ma de control, etc.), así como por la velocidad con que se desee recorrer la trayectoria pro- gramada (lógicamente una menor velocidad posibilitará un mayor número de puntos inter- polados). La norma UNE EN ISO 9283: 2003 «Robots Manipuladores Industriales. Criterios de análisis de prestaciones y métodos de ensayo relacionados», [UNE-03] incide de manera es- pecial el modo en que debe ser evaluada la calidad del posicionamiento y movimiento de un robot. 9.2.4. Velocidad Como ya se ha indicado, la velocidad a la que puede moverse un robot y la carga que trans- porta están inversamente relacionados. Tanto es así, que en muchas ocasiones los datos pro- porcionados en catálogo sobre la velocidad de movimiento del robot se dan para diferentes valores de la carga a transportar. De igual forma también suele existir una relación de orden inverso entre el error de posicionamiento y la velocidad del robot. La velocidad de movimiento de un robot puede darse por la velocidad de cada una de sus articulaciones o por la velocidad media de su extremo, siendo esta última más útil para el usuario, pero más imprecisa. El valor de la velocidad nominal de movimiento de un robot es un dato relevante para el cálculo de los tiempos de ciclo, sobre todo en robots destinados a ta- reas de manipulación o ensamblaje. No obstante, hay que considerar que el dato proporcio- nado normalmente corresponde a la velocidad nominal en régimen permanente. Para alcanzar este régimen es preciso que el movimiento del robot sea suficientemente largo. En otro 414 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA caso, los tiempos de arranque y parada son proporcionalmente más significativos que el co- rrespondiente al movimiento a velocidad nominal. En la práctica, en la mayoría de los casos los movimientos del robot son rápidos y cortos, con lo que la velocidad nominal es alcanzada en contadas ocasiones. Por este motivo, la me- dida del tiempo de ciclo no puede ser obtenida a partir de la velocidad, siendo ésta una va- loración cualitativa del mismo. En vez de este dato, algunos robots indican el tiempo em- pleado en realizar un movimiento típico (un pick & place, por ejemplo). Los valores habituales de velocidad del extremo oscilan entre 1 y 4 m/s con carga má- xima. 9.2.5. Capacidad de carga La capacidad de carga del robot a seleccionar para una determinada tarea está relacionada con el tamaño, la configuración y el sistema de accionamiento del propio robot. Por otra parte, al evaluar la carga a manipular por el robot debe considerarse el peso de las piezas a transportar y el propio peso de la herramienta o pinza que emplee el robot colocada sobre la muñeca (en muchas ocasiones superior al de los propios objetos). Se debe tener en cuenta, además de la carga, el momento que la pieza genera en el extremo del robot. Para ello el fabricante puede proporcionar un cuadro en el que se indica la disminución de la posible carga a transportar, sin disminuir prestaciones, a medida que el centro de gravedad de la misma se aleja del cen- tro de la muñeca. El dato que normalmente se proporciona en la hoja de características del robot corres- ponde a la carga nominal que éste puede transportar sin que por ello disminuyan sus pres- taciones dinámicas, y siempre considerando la configuración del robot más desfavorable. Sin embargo, es posible aumentar esta carga hasta un cierto límite, siempre y cuando se pueda admitir una disminución en la velocidad de los movimientos del robot e incluso en su pre- cisión. Los valores más frecuentes de capacidades de carga varían entre 5-100 kg, aunque se pue- den encontrar robots que transporten más de media tonelada. 9.2.6. Sistema de control La potencia de la unidad de control del robot determina en gran medida sus posibilidades. Las características del control del robot hacen referencia entre otros aspectos a sus posibilidades cinemáticas (tipo de trayectorias) y dinámicas (prestaciones dinámicas del robot), a su modo y capacidades de programación (guiado o textual, número de puntos o KB de memoria de usuario), a sus capacidades de comunicación (Entradas-Salidas digitales, comunicaciones de datos de acuerdo a estándares como RS232, TCPIP, etc.). En cuanto a las posibilidades cinemáticas es muy importante tener en cuenta la aplicación a realizar. Para muchas aplicaciones (pick & place, por ejemplo), es suficiente con un control del movimiento punto a punto (PTP) en el que sólo es relevante el punto final a alcanzar por el robot y no el camino seguido. En otras, por el contrario, la trayectoria continua (CP) descrita por el extremo del robot es fundamental (soldadura al arco). Casi todos los robots in- corporan la posibilidad de realizar trayectorias continuas en forma de línea recta o interpo- lación circular. Estas posibilidades vienen normalmente indicadas en las especificaciones téc- nicas del robot. CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 415 Un primer dato relativo al control dinámico de un robot es el que indica si éste se efectúa en cadena abierta o cerrada. El primer caso no es frecuente si bien se emplea cuando no se prevén grandes inercias. Su implementación se realiza, normalmente, con motores paso a paso, simplificando notablemente la complejidad de los algoritmos de control. Las características del control dinámico del robot, como velocidad de respuesta y estabi- lidad, son de particular importancia cuando éste debe manejar grandes pesos con movi- mientos rápidos. En estos casos, un buen control dinámico asegura que el extremo del robot no presente oscilaciones ni errores de posicionamiento. El sobrepasar el punto de destino (overshoot) por una elevada inercia, puede originar colisiones de graves consecuencias. Normalmente, las prestaciones del control dinámico no son indicadas explícitamente como una característica a conocer por un posible usuario. Algunos sistemas de control de ro- bots permiten variar, incluso en mitad de la ejecución de un programa, algunas de las carac- terísticas del control dinámico (su acción P o I en caso de que se trate de un servo). Otra importante característica relacionada con el control dinámico hace referencia a la posibilidad de realizar un control de esfuerzos de manera selectiva en alguna de las arti- culaciones o ejes cartesianos. Esta posibilidad, que implica el empleo de sensores de fuerza/par, es fundamental en aquellas aplicaciones en las que la pieza manipulada deba entrar en contacto con algún objeto durante la realización de la tarea (ensamblaje, des- barbado, pulido, etc.). En cuanto a las características relacionadas con el método de programación y las po- sibilidades que éste ofrece, puede decirse que una primera división entre programación por guiado y programación textual es suficiente como para decidirse sobre el empleo de un ro- bot u otro para una determinada aplicación. Así, una aplicación de pintura debe realizarse con un robot cuya programación se efectúe fundamentalmente mediante guiado, y más es- pecíficamente, con un sistema en el que la unidad de control memorice automáticamente el camino por el que se desplaza el extremo del robot durante la etapa de programación. Por el contrario, en un robot destinado a tareas de paletizado será aconsejable la progra- mación textual. Tabla 9.2. Características deseables en un robot según aplicación PINTURA PALETIZACIÓN Programación por guiado. Elevada capacidad de carga. Campo de acción similar al humano. Relación grande entre área de trabajo y tamaño del Estructura antropomórfica con 6 o más grados de robot. libertad. Control PTP. Buen acceso a todos los puntos con diferentes orien- taciones SOLDADURA PUNTOS SOLDADURA ARCO Elevada capacidad de carga. Buena capacidad de control de trayectoria tanto en Control PTP. posición como en velocidad Rapidez. Campo de acción similar al humano. PROCESADO ENSAMBLADO 5-6 grados de libertad. Elevada precisión y rapidez. Campo de acción similar al humano. Campo de acción similar al humano. Control de trayectoria continua Potencia del sistema de programación. Sistema sensorial (visión, fuerza). 416 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA Otras características importantes relacionadas con el modo de programación son las re- lativas al manejo de entradas salidas, posible estructuración de los programas (manejo de su- brutinas, bucles, etc.), posibilidad de atención de interrupciones y modificación de trayecto- rias atendiendo a señales externas, sistemas de programación y control desde un dispositivo externo (computador), etc. Estos aspectos ya se comentaron con más detalle en el Epígra- fe 8.2, dedicado a los sistemas de programación para robots industriales. Existen otras consideraciones, además de las meramente técnicas, a la hora de seleccionar el robot más adecuado para robotizar un proceso. Así, es importante considerar el servicio técnico que proporciona el fabricante (de postventa, mantenimiento, formación, actualización) y que lógicamente variará según la distribución geográfica del lugar de implantación y de la fábrica o delegación del fabricante del robot. También será importante considerar el costo y posibilidad de amortización del robot, pues un robot más barato, y con menos prestaciones, puede resolver correctamente la aplicación en cuestión, pero ser difícilmente adaptable a otras aplicaciones futuras. La Tabla 9.2 muestra una primera aproximación de las características a tener en cuenta para la elección de un robot en una determinada aplicación. Estas indicaciones no tienen por- qué ser válidas en todas las situaciones, pero se cumplen de forma general. En el Anexo I se incluye la recomendación dada por la norma UNE EN ISO 9283: 2003 «Robots Manipula- dores Industriales. Criterios de análisis de prestaciones y métodos de ensayo relacionados so- bre las características más relevantes a considerar en cada tipo de aplicación» [UNE-03]. En la Tabla 9.3 se proporcionan las características técnicas más relevantes de algunos ro- bots comerciales. Tabla 9.3. Características técnicas de algunos robots comerciales Veloc. Alcance Carga Máxima Repeti- Fabri- Configu- Comuni- Modelo Aplicación GDL horizon. máxima (mm) bilidad cante ración caciones (mm) (kg) (TCP mm/s (mm) o eje 1°/s) ABB IRB 2400L General Articular 6 1800 7 150°/s 0.06 Ethenet, Profibus, Interbus, otras ABB IRB 580-12 Pintura Articular 6 2558 10 112°/s 0.3 Ethenet, Profibus, Interbus, otras ABB IRB 340 Ensamblado, Paralelo 4 1130 1,2 10000 mm/s 0.1 Ethenet, FlexPicker Manipulación, Profibus, Pick&Place. Interbus, Sala Blanca otras ADEPT Adept General SCARA 4 1067 25 920°/s 0.038 Ethenet, Three XL Rs232, Devicenet, otras ADEPT Cobra S350 Ensamblado, SCARA 4 350 5,5 7200 mm/s 0.015 Ethenet, Pick&Place Rs232, Devicenet, otras CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 417 Tabla 9.3. Características técnicas de algunos robots comerciales (Continuación) Veloc. Alcance Carga Máxima Repeti- Fabri- Configu- Comuni- Modelo Aplicación GDL horizon. máxima (mm) bilidad cante ración caciones (mm) (kg) (TCP mm/s (mm) o eje 1°/s) FANUC M-16iB/20 General Articular 6 1667 20 165 °/s 0.08 Ethernet, Rs232 FANUC R-2000 Soldadura Articular 6 2483 200 90 °/s 0.2 Ethernet, iA/200F Puntos Rs232 Alta carga KAWASAKI ZZD-250S Paletizado Articular 4 3255 250 95 °/s 0.5 Ethernet, Rs232 KUKA KR 180-2CR Sala blanca Articular 6 2700 180 95 °/s 0.12 Ethenet, Profibus, Interbus, Devicenet STAÜBLI RX270 General Articular 6 2967 270 85 °/s 0.09 PTP CP STAÜBLI RS40B Manipulación, SCARA 4 400 2 350°/s 0.01 Ethernet, ensamblado 3800 mm/s Rs232, Devicenet, Profibus, Modbus, CanOpen MOTOMAN HP 20-6 Soldadura Articular 6 1915 6 170 °/s 0.06 Ethernet, Arco, Corte, Interbus, Manipulación Profibus, otras MOTOMAN HP 350-200 Soldadura Articular 6 3036 200 95 °/s 0.5 Ethernet, Puntos, Interbus, Alimentación Profibus, máquinas otras 9.3. SEGURIDAD EN INSTALACIONES ROBOTIZADAS El tema de la seguridad y prevención de accidentes en los sistemas robotizados, suele tratar- se de manera marginal en casi todos los textos y demás fuentes de información que sobre ro- bots industriales existen. Sin embargo, éste es un aspecto crítico durante el desarrollo y ex- plotación de una célula robotizada. Las consideraciones sobre la seguridad del sistema robotizado cobran especial importancia fundamentalmente por dos razones. En primer lugar, por el motivo intrínseco de que el robot, como se analizará más adelante, posee mayor índi- ce de riesgo a un accidente que otra máquina de características similares. En segundo lugar, por un aspecto de aceptación social del robot dentro de la fábrica, aceptación aún difícil por lo general hoy en día. La realidad, sin embargo, es que el número de accidentes ocasionados por los robots in- dustriales no es ni mucho menos alarmante, siendo pocos los países que cuentan con sufi- ciente información al respecto. 418 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA En Europa, la norma ISO 10218-1:2006 «Robots for industrial environments - Safety re- quirements - Part 1: Robot» [ISO-06], proporciona una guía para garantizar la seguridad en los sistemas de fabricación automatizados que incorporan robots manipuladores. En el Anexo I se comenta en detalle esta norma. 9.3.1. Causas de accidentes Para prevenir los posibles accidentes ocasionados por los robots, hay que comenzar detec- tando qué tipo de accidentes se producen, para después analizar el porqué se originan y de- terminar cómo pueden evitarse. En principio, y dado lo similar de sus características, los riesgos de accidente en un en- torno de trabajo con robots industriales deberán ser similares a los debidos al empleo de má- quinas herramientas con control numérico. Sin embargo, hay una serie de circunstancias que aumentan el nivel de riesgo en el caso de los robots. Estas causas se reflejan de manera com- parativa en la Tabla 9.4. Además, el hecho de que el robot trabaje en muchas ocasiones en ambientes de alto riesgo de accidente (forjas, prensas, pintura, etc.) contribuye a aumentar la probabilidad y gravedad del accidente. Los tipos de accidentes causados por robots industriales, además de los ocasionados por causas tradicionales (electrocuciones al instalar o reparar el equipo, quemaduras, etc.), son de- bidos a: Colisión entre robots y hombre. Aplastamiento al quedar atrapado el hombre entre el robot y algún elemento fijo. Proyección de una pieza o material (metal fundido, corrosivo) transportada por el robot. Estas causas son agravadas por la gran velocidad con la que los robots pueden realizar sus movimientos, además de su elevada energía estática y dinámica. Establecidos los tipos principales de accidentes, es preciso localizar cuáles son las causas que los originan. Los accidentes provocados por robots industriales se deben normalmente a: Un mal funcionamiento del sistema de control (software, hardware, sistemas de potencia). Acceso indebido de personal a la zona de trabajo del robot. Tabla 9.4. Comparación de un robot industrial y una maquina de control numérico en aspectos relacionados con el riesgo de accidentes Robot industrial Máquina convencional de control numérico Movimiento simultáneo de varios ejes (seis o más). Normalmente mueve simultáneamente sólo uno o dos ejes. Movimiento independiente de cada uno de los ejes. Movimientos limitados y con trayectorias simples. Trayectorias complejas. Campo de acción fuera del volumen cubierto por la Campo de acción dentro del volumen abarcado por propia máquina. Espacio de trabajo no reconocido la máquina. fácilmente. Campo de acción solapado con el de otras máquinas Normalmente sin solapamiento del campo de ac- y dispositivos. ción. CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 419 Errores humanos en las etapas de mantenimiento, programación, etc. Rotura de partes mecánicas por corrosión o fatiga. Liberación de energía almacenada (eléctrica, hidráulica, potencial, etc.). Sobrecarga del robot (manejo de cargas excesivas). Medio ambiente o herramienta peligrosa (láser, corte por chorro de agua, oxicorte, etc.). 9.3.2. Medidas de seguridad Una vez vistos los tipos de accidentes y las causas que los originan, es preciso determinar las medidas de seguridad a seguir que disminuyan el riesgo y la gravedad. Es importante considerar que según estudios realizados por el Instituto de Investigaciones de Seguridad en el Trabajo de Tokyo, el 90 por ciento de los accidentes en líneas robotizadas ocurren durante las operaciones de mantenimiento, ajuste, programación, etc., mientras que sólo el 10 por ciento ocurre durante el funcionamiento normal de la línea. Este dato es de gran relevancia y pone de manifiesto la gran importancia que tiene, para lograr un nivel de seguridad adecuado, el impedir el acceso de operarios al campo de acción del robot mientras éste está en funcionamiento. La seguridad en sistemas robotizados presenta, por tanto, dos vertientes: aquella que se re- fiere a la seguridad intrínseca al robot y que es responsabilidad del fabricante; y aquella que tiene que ver con el diseño e implantación del sistema y su posterior utilización, programa- ción y mantenimiento, responsabilidad del usuario. Así, la selección de las medidas de seguridad viene definida por las siguientes considera- ciones. Medidas de seguridad a tomar en la fase de diseño del robot En el diseño del robot y de su sistema de control debe considerarse siempre el posible acci- dente, tomándose las acciones oportunas para evitarlo en la medida de lo posible. Así, el propio robot debe contar con una serie de medidas internas encaminadas a evitar posibles accidentes: Supervisión del sistema de control: El sistema de control debe realizar una continua supervisión del correcto funcionamiento de todos los subsistemas (bucles de reali- mentación, accionamientos, etc.) y de incluso él mismo (watch-dog). Paradas de emergencia: Deben disponerse paradas de emergencia que desenergicen completamente al robot. Velocidad máxima limitada: El sistema de control asegurará que la velocidad máxima de los movimientos cuando una persona se encuentra en las proximidades del robot (fase de programación, por ejemplo) sea inferior a la nominal (como referencia debe ser inferior a 0,3 m/s). Detectores de sobreesfuerzo: Se incluirán detectores de sobreesfuerzo en los accio- namientos que los desactiven cuando se sobrepase un valor excesivo (caso de colisión o de atrapar a una persona contra una parte fija). Pulsador de seguridad: Las paletas y consolas de programación dispondrán de un dis- positivo de seguridad (pulsador de hombre muerto) que impidan el movimiento acci- dental del robot. Códigos de acceso: El acceso a la unidad de control y el arranque, parada y modificación del programa, estarán limitadas mediante el empleo de llaves, códigos de seguridad etc. 420 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA Frenos mecánicos adicionales: Si el robot maneja grandes cargas, se deberán de incluir frenos mecánicos que entren en funcionamiento cuando se corte la alimentación de los accionadores. Asimismo, se dispondrán medios para desactivar estos frenos de forma manual. Comprobación de señales de autodiagnóstico en la unidad de control previamente al primer funcionamiento (niveles de tensión de las fuentes de alimentación, pilotos indi- cadores, mensajes de error, etc.). Medidas de seguridad a tomar en la fase de diseño de la célula robotizada En el establecimiento del lay-out de la célula se ha de considerar la utilización de barreras de acceso y protecciones en general que intenten minimizar el riesgo de aparición de un acci- dente. De forma general se pueden citar las siguientes: Barreras de acceso a la célula: Se dispondrán barreras en torno a la célula, que impidan el acceso a personas (parada inmediata al entrar en la zona de trabajo) (Figura 9.10). Dispositivos de intercambio de piezas: En caso de que el operador deba poner/recoger piezas situadas dentro del área de trabajo del robot, se utilizarán dispositivos que per- mitan realizar estas acciones a distancia, utilizando, por ejemplo, mesas giratorias (Fi- gura 9.11). Movimientos condicionados: En el caso de que durante el funcionamiento de la célu- la el operario deba entrar en determinados momentos dentro del campo de acción del robot (para alimentar de nuevas piezas al robot, por ejemplo), se programará a éste de manera que no efectúe movimiento alguno durante estos instantes. Figura 9.10. Célula robotizada de paletizado con vallas de protección para impedir el acceso. (Cortesía de INSER Robótica). CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 421 Zonas de reparación: Se preverá la existencia de zonas de reparación y manteni- miento. Estas zonas, dentro del campo de acción del robot, estarán fuera de su zona de trabajo. En ellas se asegurará mediante diferentes dispositivos que el robot no realizará movimientos de manera automática. Condiciones adecuadas en la instalación auxiliar: Sistema eléctrico con protecciones, aislamientos, sistemas neumáticos o hidráulicos correctos. Figura 9.11. Operario utilizando una mesa giratoria para la alimentación de piezas en una célula robotizada de soldadura (Cortesía KUKA). Medidas de seguridad a tomar en la fase de instalación y explotación del sistema Por otra parte, durante la utilización del sistema y en especial durante las fases de instalación y puesta en marcha, deben respetarse rigurosamente determinadas normas que reducirán el riesgo de accidente. Además, es importante que exista información en la propia planta de la posibilidad de esos riesgos, así como que los operarios tengan la formación adecuada. Estas consideraciones se pueden resumir de forma breve en los siguientes puntos. Abstenerse de entrar en la zona de trabajo: Durante la programación e implantación de la aplicación, se procurará permanecer, dentro de lo posible, fuera del campo de ac- ción del robot. Éste trabajará a velocidades lentas. En cualquier caso, se deberá salir fue- ra del área de trabajo cuando el robot vaya a trabajar de manera automática, aun siendo en fase de pruebas. Es también aconsejable que, siempre que sea posible, la fase de pro- gramación se realice con dos operarios, observando uno de ellos la marcha del proceso, estando dispuesto a accionar el paro de emergencia en caso de necesidad. Señalización adecuada: La célula estará dotada de una adecuada señalización del es- tado del robot o línea robotizada mediante señales luminosas y acústicas. Así, será acon- 422 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA sejable que antes de comenzar el ciclo de trabajo tras una parada se avise mediante una sirena e indicación luminosa. Del mismo modo, señales luminosas llamarán la atención sobre el hecho de que el robot está funcionando y su riesgo potencial de accidente. Prueba progresiva del programa del robot: El desarrollo y ejecución del programa del robot, y de toda la célula en sí, deberá hacerse con sumo cuidado. El programa de- berá ejecutarse primeramente a velocidad lenta y paso a paso. A continuación, se podrá ejecutar de manera continua, pudiéndose aumentar progresivamente la velocidad. Formación adecuada del personal que manejará la planta. 9.4. JUSTIFICACIÓN ECONÓMICA Es norma habitual antes de llevar a cabo cualquier proyecto de ingeniería, el realizar un aná- lisis económico del mismo; análisis que determinará de forma aproximada su viabilidad y rentabilidad. Cuando, además, el proyecto consiste en su mayor parte en la inclusión de ma- terial tecnológicamente avanzado o en la automatización de un proceso ya conocido, este aná- lisis se convierte en imprescindible. Éste es el caso de un proyecto de ingeniería en el que se utiliza como equipo principal un robot industrial. Los beneficios sociales o lo avanzado de la tecnología a utilizar, aunque se consideren cuestiones importantes, son normalmente aspectos secundarios, pues el primer objetivo de cualquier empresa que acomete un proyecto de estas características es obtener de él un ren- dimiento económico, ya sea a corto o a largo plazo. En este epígrafe se va a considerar la metodología a aplicar para la realización de este aná- lisis. 9.4.1. Factores económicos y datos básicos necesarios Para poder realizar el análisis económico de un proyecto con robot es necesario tener en cuen- ta un conjunto de factores económicos particulares, además de contar con una información previa sobre algunos datos básicos del proyecto. Como factor económico principal se consi- dera el tipo de instalación a desarrollar, y como datos básicos se pueden citar los siguientes: coste de inversión, costes de instalación y ahorros o beneficios resultantes del proyecto. Todo ello teniendo en cuenta al robot de manera directa. Tipo de instalación A la hora de realizar un proyecto con robot existen dos posibles situaciones. Primera, que la aplicación que se quiere realizar sea de marcado carácter novedoso. En este caso, la inclusión de un robot es sólo una posibilidad entre diversas alternativas. Se deberán considerar todas y seleccionar la que resulte más beneficiosa según los criterios de inversión de la compañía. En este tipo de proyectos existe una dificultad añadida, pues al tratarse de una nueva aplicación muchos datos sobre el proceso no son conocidos de manera fiable, pudiéndose llegar a de- ducir conclusiones equivocas. Puede llegar a ser ciertamente compleja la evaluación econó- mica y técnica en este tipo de proyectos si no se posee un conocimiento adecuado sobre la implantación de células robotizadas. CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 423 El segundo caso, de aplicación más frecuente, consiste en la automatización, con la in- clusión de un robot, de un método de operación que se realiza en buena medida de forma ma- nual. En esta situación el análisis resulta más sencillo, pues los parámetros y tiempos de ope- ración manual o robotizada son fácilmente comparables. Se podrá, asimismo, realizar una comparación de costes y beneficios, encontrándose todos los factores de producción perfec- tamente delimitados. Con independencia de cuál sea la situación en la que se encuentre, es necesario, para rea- lizar el análisis, utilizar lo que se denomina el análisis económico. Datos básicos de coste Al igual que en cualquier proyecto de ingeniería, los datos básicos de coste a tener en cuen- ta se dividen en dos categorías: costes de inversión y costes de explotación. Se estudian a con- tinuación dichos costes, orientados siempre hacia el caso particular de una célula robotizada. Costes de inversión: Los costes de inversión son aquellos costes necesarios para realizar la implantación física del sistema. Como principales costes de inversión se incluyen los si- guientes. Coste de adquisición del robot: Este coste incluye el robot equipado con aquellas carac- terísticas que se consideren oportunas. No se incluirá aquí la herramienta a colocar en el extremo del robot. El coste del robot es muy variable, y depende principalmente de las prestaciones que sea capaz de suministrar. Por regla general, robots más caros podrán adaptarse a un mayor número de tareas diferentes, mientras que robots de un precio in- ferior se adaptarán peor y se tendrán que desarrollar herramientas especiales para ellos. Coste de herramientas y equipos especiales: Se incluyen en este apartado tanto la he- rramienta o efector final a utilizar por el robot, como todos aquellos equipos especiales que se hayan de utilizar debido a la inclusión del robot. Este coste va íntimamente li- gado al coste de compra del robot. Coste de ingeniería e instalación: Aquí se deben incluir en principio aquellos costes de- rivados del estudio de planificación y diseño, así como costes de desarrollo para la uti- lización del robot. Posteriormente se han de añadir aquellos costes específicos de la ins- talación del sistema. Habrá que tener en cuenta de forma especial aquellos costes generados de forma directa por la inclusión del robot, para poder así comparar, cuando sea necesario, con los costes de índole similar utilizando soluciones alternativas al robot. Costes y beneficios de explotación: Son aquellos costes derivados de la utilización di- recta de la célula. También se ha de tener en cuenta el ahorro o beneficios que la utilización del robot, o la automatización de forma general, comporte. Entre los costes de explotación y ahorro se pueden mencionar los siguientes: Mano de obra: Como costes se deberán incluir tanto la mano de obra directa de ope- ración de la planta, como la mano de obra que de forma indirecta interviene en la ex- plotación, como puede ser en la supervisión, planificación, etc. Se debe computar como un ahorro la mano de obra sustituida por la automatización, siempre teniendo en cuenta los costes sociales que pudieran generarse. Mantenimiento: Se incluyen aquí los costes derivados del mantenimiento de los equipos de la planta, exceptuando la mano de obra considerada en el factor anterior. Entre los 424 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA equipos es necesario destacar el mantenimiento del robot. Estos datos sobre reparacio- nes, repuestos, etc., han de suponerse en su mayor parte. Habrá que ser consecuente y tener en cuenta las demandas o requerimientos que el trabajo y su entorno exijan al ro- bot y a los demás equipos. Aumento de calidad e incremento de productividad: Se trata de beneficios importantes a tener en cuenta como consecuencia directa de la utilización de un robot. El aumento de calidad se debe, principalmente, a que el robot realiza su tarea de manera uniforme y consistente, sin la aparición de altibajos propios del estado de ánimo de un operario. El robot puede, en la mayoría de los casos, trabajar tan rápido como un operario, pero además puede seguir realizándolo durante varios turnos sin problema alguno. Entrenamiento: Al tratarse de una tecnología relativamente moderna, será necesario for- mar previamente a la mano de obra y al personal que de alguna manera intervenga en la célula. Este entrenamiento ha de ser continuo y por ello se incluye como gasto de ex- plotación y no como gasto de inversión. 9.4.2. El robot como elemento principal del análisis económico El robot desde el punto de vista económico presenta unas características completamente dis- tintas a los demás equipos de una planta, y como tal merece ser tratado de forma independiente. Ya se han mencionado en el epígrafe anterior algunas de esas características, como puede ser su coste, mantenimiento o el aumento de calidad y productividad que su presencia apor- ta. Sin embargo, no se ha tenido en cuenta uno de los factores que definen de por sí a un ro- bot industrial: la versatilidad o flexibilidad de su uso. Normalmente, en una aplicación industrial se considera que la vida de los equipos de fa- bricación se corresponde con la del producto que se está fabricando. Es decir, cuando se ha de cambiar de producto, ya sea por cuestiones de mercado o necesidades técnicas, las máquinas empleadas se quedan obsoletas o su reciclaje para el nuevo proceso resulta muy costoso. Su rendimiento posterior al ciclo de vida del producto es prácticamente nulo. Un robot, en cambio, es una herramienta programable y flexible y, por tanto, susceptible de adaptarse casi sin coste alguno para ser utilizado en diversas aplicaciones. Esta caracte- rística es sumamente interesante, pues implica que el robot, como equipo de fabricación, no está sujeto al ciclo de vida del producto, sino que posee un ciclo de vida propio y, por tanto, su rentabilidad puede ser mayor. Existen, sin embargo, dos matices que se deben mencionar. Primero, aunque el robot sea reprogramable nunca se asegura que tras concluir el ciclo del producto al que contribuía a fabricar, el robot pueda incluirse de forma eficiente en un nuevo proceso de fabricación. Existirán muchas más posibilidades que con cualquier otra herra- mienta, pero no la seguridad total. Segundo, se tiende a utilizar el robot, precisamente por su flexibilidad, en procesos de fabricación con ciclos de vida cortos. Lo que explica que para la primera aplicación sea complicado justificar su inversión. Esto lleva a tener que considerar un valor de recuperación o retorno del coste del robot al finalizar cada uno de los proyectos en los que se aplica. Lógicamente, este valor de retorno deberá ir disminuyendo con cada proyecto, ya sea por su deterioro o por su obsolescencia. Este valor de retorno es muy importante y se concretará en el siguiente epígrafe cuando se ha- ble de los métodos de análisis económico. Otro factor a tener en cuenta, ya mencionado en el epígrafe anterior, es el aumento de pro- ductividad que el robot aporta. Aumento que es consecuencia directa de la realización del tra- bajo de forma más rápida y con menores interrupciones (trabajo en varios turnos seguidos). Este factor se verá con más detalle en el siguiente epígrafe. CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 425 9.4.3. Métodos de análisis económico Existen diversos métodos aplicables para realizar el análisis económico de una inversión y po- der decidir si ésta va a resultar rentable o no. Se trata de métodos de aplicación general a cual- quier tipo de inversión o proyecto [MOCHÓN-90] [GROOVER-89], aunque aquí se particulari- zarán para proyectos que incluyan la utilización de robots. Los tres métodos a estudiar son: Período de Recuperación. Método del Valor Actual Neto (VAN). Método de la Tasa Interna de la Renta (TIR). Cada uno de los tres métodos es de aplicación independiente y sirven para realizar aná- lisis similares. Teóricamente, de la aplicación de los tres a un caso concreto se deberán ex- traer las mismas conclusiones. Es preciso considerar que al basar gran parte de los razona- mientos en datos supuestos, los resultados, en ocasiones pueden ser de validez limitada. Además, cada empresa suele desarrollar sus propios procedimientos, donde realiza una evaluación particular del proyecto y valora los resultados según sus propios criterios. Período de recuperación Se entiende como período de recuperación a aquel intervalo de tiempo que transcurre desde el comienzo del proyecto hasta que el flujo de caja (cash-flow) neto o acumulado sea mayor que cero. Es decir, indica cuándo se empieza a tener ingresos positivos sumando todas las en- tradas y salidas de capital desde el comienzo del proyecto. Como es lógico, se busca un pe- ríodo de recuperación lo más corto posible, pues transcurrido este tiempo es cuando realmente la inversión comienza a ser rentable. Períodos de recuperación cercanos al ciclo de vida del proyecto o mayores suponen un descarte automático de la inversión, pues en un caso los ries- gos no merecen la pena, y en el otro nunca se recuperará lo invertido. El período de recuperación se mide normalmente en años, y viene dado por el valor de n que cumple la ecuación: n ∑(R j =0 j − Cj ) = 0 [9.1] en la que Rj y Cj representan los ingresos y costes estimados durante el transcurso del año j. Lógi- camente los costes de inversión vendrán incluidos en el valor de C0 siendo R0 0. Para simplificar se supone un cash-flow constante durante la vida del proyecto y despejar n de la ecuación: − CI + n( R − C ) = 0 [9.2] en la que CI representa el coste de la inversión inicial y (R-C) el cash-flow anual. Despejan- do n resultará: CI n= [9.3] R−C 426 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA La realización de un proyecto con robot no cambia significativamente la aplicación de este método, únicamente considerar el aumento de productividad y, por tanto, de ingresos que su utilización acarreará. Se muestra a continuación un ejemplo. EJEMPLO 9.1 Supóngase un proyecto que cumpla los datos mostrados en la Tabla 9.5. La influencia de utilizar un robot se notará en los ingresos que se esperan recibir cada año, función di- recta de la productividad. Para hallar el período de recuperación bastará aplicar la Ecua- ción [9.1], y es sencillo obtener que el período de recuperación n ha de tener un valor de 3,143 años para cumplirla. 2000 (800 300) (1200 500) 1143 (500 800) 0 Método del Valor Anual Neto (VAN) El método anterior, aunque útil por su simplicidad, presenta el inconveniente de que no se considera el valor temporal del dinero. En el método del VAN este concepto sí se tiene en cuenta. Se considera que los elementos de coste de la inversión incluyen además del precio del material a adquirir, el tipo de interés a abonar por financiación externa. Se consideran ade- más los beneficios como rendimientos futuros netos que se espera obtener de la inversión ini- cial. Se considera entonces cómo VAN de la inversión al valor presente del cash-flow futuro, utilizando como tasa de descuento del coste el tipo de interés. Es decir, el VAN podrá ex- presarse mediante la siguiente fórmula: n ( Rj − C j ) VAN = ∑j =0 (1 + i ) j [9.4] donde n es el período de vida del proyecto, Rj y Cj los ingresos y gastos estimados durante el año j, e i es el tipo de interés o rentabilidad esperada. Lógicamente, un valor de VAN positi- vo indica una inversión rentable, y cuanto mayor sea aquél mayor será la rentabilidad. Por el contrario, un valor del VAN negativo supondrá una inversión no rentable. Como valor de i se elegirá aquel que la empresa considere como aceptable para asumir el riesgo. En este método sí es posible considerar el valor del retorno del robot. Si se supone que al final del proyecto el valor de retorno del robot puede considerarse como M’, el VAN que- daría: n ( Rj − C j ) M′ VAN = ∑ j =0 (1 + i ) j + (1 + i )n+1 [9.5] Se hace notar que el valor de retorno del robot se considera al final del último año del pro- yecto. Se aplica a continuación sobre un ejemplo. CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 427 Tabla 9.5. Datos económicos de un proyecto (en KEuros) Período de vida 5 años Años 0 1 2 3 4 5 Coste de inversión 2000 — — — — — Costes de explotación — 300 500 800 800 800 Ingresos — 800 1200 1500 1500 1500 Retorno (Cash-Flow) –2000 500 700 700 700 700 EJEMPLO 9.2 Se consideran los datos de un proyecto dados por la Tabla 9.5. Suponiendo que el va- lor de depreciación del robot es lineal con respecto al paso del tiempo y conociendo la vida útil del robot y su coste inicial, es posible calcular el valor de retorno del mismo tras el quinto año. Suponiendo este valor de 30 K€, y que la rentabilidad que se quiere obte- ner es del 0,2, el VAN vendrá dado por la siguiente ecuación: 800 − 300 1200 − 500 1500 − 800 1500 − 800 1500 − 800 30 VAN = −2000 + + 2 + 3 + 4 + 5 + (1 + 0, 2) (1 + 0, 2) (1 + 0, 2) (1 + 0, 2) (1 + 0, 2) (1 + 0, 2)6 y operando se obtiene un valor del VAN de -63,19, lo que indica que el proyecto no es rentable, es decir, que no llega a proporcionar el 0,2 de rentabilidad propuesto. Método de la Tasa Interna de la Renta (TIR) Este método es muy similar al del VAN, aunque su enfoque es ligeramente distinto. Lo que se trata de hallar es la tasa de rendimiento que se va a obtener del proyecto y, por tanto, de la in- versión. Si en el método del VAN se suponía una tasa de rendimiento aceptable, con el TIR se trata de ver cuál es esa tasa de rendimiento máxima posible. Para ello, se utiliza la fórmula del VAN, pero considerando que éste es nulo y que la tasa de rentabilidad i es desconocida. De esta ecuación se obtendrá i, y en base a ella se decidirá si merece la pena el riesgo que supone la inversión. En todo lo demás es similar al método del VAN. EJEMPLO 9.3. Se consideran los mismo datos de partida que en el Ejemplo anterior. Sin embargo, se desconoce ahora el valor de la rentabilidad, que es precisamente lo que se quiere obtener. Aplicando la Ecuación [9.5] y considerando el valor del VAN igual a cero, se tiene: 800 − 300 1200 − 500 1500 − 800 1500 − 800 1500 − 800 30 0 = 2000 + + + + + + (1 + i ) (1 + i )2 (1 + i )3 (1 + i ) 4 (1 + i )5 (1 + i )6 Despejando i se obtiene el valor del TIR, que en este caso es de 0.186. 428 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA 9.5. MERCADO DE ROBOTS Por muchas de las consideraciones realizadas a lo largo de este capítulo, la instalación y pos- terior explotación de un robot industrial se adapta mejor a un tipo de industria que a otro. Esto es debido principalmente a que determinadas aplicaciones propias de estas industrias permi- ten la utilización de robots de forma muy rentable. Tradicionalmente, cuando se presentan es- tadísticas sobre implantación de robots en una determinada zona, se suele contabililzar el nú- mero de robots según la aplicación. La propia Federación Internacional de Robótica (www.IFR.org) propone una serie de indicaciones sobre cómo realizar esta clasificación. La realización de este tipo de estadísticas no siempre es sencilla, pues suelen aparecer contradicciones entre los datos proporcionados por suministradores y usuarios, cada uno aten- diendo a sus propios intereses. Además, en numerosas ocasiones, la asignación de un robot a un sector o aplicación no está lo suficientemente clara. Aun así, estos datos son extremada- mente útiles para conocer tendencias y la situación aproximada del mercado. Los datos estadísticos sobre el mercado de robots son actualizados anualmente por la IFR a partir de la información suministrada por cada país socio. En España, la Asociación Espa- ñola de Robótica y Automatización Tecnologías de la Producción (www.aeratp.com), como organismo miembro de la IFR, proporciona anualmente estos datos. Las estadísticas presen- tadas en este epígrafe han sido extraídas del informe anual del IFR correspondiente al año 2005 (WORLD ROBOTICS 2005) [IFR-05]. España ocupa el séptimo lugar mundial en cuanto a número de robots instalados. Esta cir- cunstancia está en gran medida motivada por la particularidad de albergar numerosas indus- trias de automoción, lo que, como más adelante se verá, condiciona de forma importante las características de su parque de robots. Normalmente, el índice de robotización de un país se define en función del número de robots en funcionamiento por cada 10.000 trabajadores en la industria. En este sentido España ocupa igualmente un séptimo lugar, después de Japón, Ale- mania, Corea del Sur, Italia, Suecia y Finlandia (Figura 9.14). En la Figura 9.12 se muestra la evolución seguida por el parque de robots en España du- rante los últimos años. Se aprecia un crecimiento constante y sostenido, impulsado funda- mentalmente por la industria del automóvil. Figura 9.12. Evolución del parque de robots manipuladores industriales en España, hasta el año 2004 (Fuente: IFR). CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 429 Figura 9.13. Parque mundial (excepto Japón) de robots a comienzos del año 2005. (Fuente: IFR). Figura 9.14. Densidad de robots 2004 (robots por 10.000 empleados en manufactura). (Fuente: IFR). Las condiciones presentes y seguramente futuras de la economía, tienden a llevar la fa- bricación de bienes de consumo en general a países con menores costes de producción, lo que a medio plazo puede hacer que esta tasa de crecimiento en España se vea frenada. La apari- ción de otros mercados, como puede ser la introducción decidida de la robótica en la Peque- ñas y Medianas Empresas, puede en gran medida paliar esa futura situación. En total el número de robots funcionando en nuestro país durante el año 2004 alcanzó los 21.893. En el ámbito mundial el número de robots instalados a finales del año 2004 fue de 847.764, con un incremento respecto al año anterior de 47.000 unidades. Japón es con diferencia el país con un mayor número de robos instalados: 356.483 unidades a finales del año 2004. La evolución de las ventas mundiales en los últimos años muestra que tras una im- portante recesión en las mismas en el año 2000, éstas se han recuperado de manera notable. La Figura 9.15 junto con la Tabla 9.6, muestran la distribución de robots por aplicaciones en España a finales del año 2004. Destaca de forma apreciable el número de robots dedicados a la sol- dadura (en particular a la soldadura por puntos), tarea típica de la industria del automóvil. En el próximo capítulo se explican con detalle todas las aplicaciones mencionadas en la tabla y que cons- tituyen, con más o menos implantación, las aplicaciones más idóneas para la utilización de robots. 430 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA Figura 9.15. Distribución de robots en España por aplicaciones. (2004). (Fuente IFR). Tabla 9.6. Distribución de robots en España por aplicaciones (2004) (Fuente IFR) Aplicación Número de robots 0 Sin especificar 326 100 Manipulación y atención a maquinaria 7.809 111 Fundición metal 1.813 112 Moldeado plástico 1.813 113 Estampado y forja 1.335 114 Máquina y herramienta 1.180 115 Atención maquinaria otros 314 116 Manipulación para medida, inspección y test 252 117 Manipulación para paletizado 953 118 Manipulación para empaquetado y «pick & place» 119 Manipulación otros 1.206 160 Soldadura 11.490 161 Soldadura arco 3.245 162 Soldadura puntos 7.856 163 Soldadura láser 46 164 Otras soldaduras 274 165 Soldadura electrónica 69 170 Proyección 865 171 Pintura 407 172 Aplicación de sellantes y adhesivos 350 179 Otros proyección 108 190 Procesado 769 191 Corte por láser 22 192 Corte por chorro agua 140 193 Corte mecánico, pulido, desbarbado 290 194 Otros procesados 317 200 Ensamblado y desensamblado 461 201 Ajuste por presión 182 202 Ensamblado, montaje, inserción 43 203 Desensamblado 1 209 Otros 235 CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 431 Por último, en la Tabla 9.7 se muestra la distribución de robots por marcas en España en el año 2000. Tabla 9.7. Distribución de robots en España por marcas (2000) (Fuente IFR) Incremento 2000 Final 2000 ABB 1.013 5.610 KUKA 1.040 2.439 Fanuc 290 1.451 Otros 0 801 Sepro 140 627 Wittman 88 454 Motoman (Yaskawa) 121 437 Kawasaki 57 251 Yamaha 24 186 Reis 27 152 Panasonic 27 152 Staubli 24 152 Adept 25 108 Comau 20 105 Mitsubishi 18 65 Cloos 9 60 Eshed Robotec 7 46 CRS 5 37 Bosh 4 25 DEA 2 5 Total 2.941 13.163 9.6. EJERCICIOS RESUELTOS Ejercicio 9.1 Se pretende evaluar la calidad de posicionamiento de un robot planar de manera experi- mental. Para ello se le programa un movimiento desde un punto A hasta un punto B y se le hace repetir el movimiento 10 veces, midiendo y anotando las posiciones del punto de destino (Bi) mediante un sistema metrológico externo. Obtener a partir de estos datos experimentales la exactitud y la repetibilidad del robot. Datos: Coordenadas de los puntos en milímetros Punto X Y A 0,750 1,250 B 1,000 1,000 B1 1,005 0,995 B2 1,012 1,004 B3 0,998 0,995 B4 1,004 0,999 B5 1,006 1,002 B6 0,995 0,997 B7 0,995 0,995 B8 1,005 1,005 B9 1,000 1,010 B10 0,997 1,001 432 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA Solución: Para el cálculo de la precisión y repetibilidad, no tiene importancia las coordenadas del punto origen del movimiento (A), siempre que éste sea el mismo en todos los experimentos. La precisión se calcula como la distancia entre el punto programado (B) y el valor medio de los puntos alcanzados (baricentro). A partir de los datos del enunciado se tiene que el baricentro es Bm (1,0017, 1,0003) Por tanto, la precisión de posicionamiento (Ap) será la distancia entre el punto progra- mado B (1,000, 1,000) y el baricentro Bm (1,0017, 1,0003): Ap = ( x − xm)2 + ( y − ym)2 = (1 − 1, 0017)2 + (1 − 1, 0003)2 = 0, 0017 m = 1, 7 mm Para obtener la Repetibilidad (RP) es preciso calcular las distancias de cada punto alcanzado al baricentro (Lj) y obtener la media de éstas (Lm) y su desviación estándar (Ls), siendo en- tonces la repetibilidad RP Lm 3Ls Operando sobre los datos del enunciado, se obtiene: L j = ( x j − xm)2 + ( y j − ym)2 Σ Lj Lm = = 0, 0067 m n −1 Σ ( L j − Lm) Ls = = 0, 0025 m n −1 RP = Lm + 3 Ls = 0, 0118 m = 11,8 mm Se incluye, a continuación, el código MATLAB para el cálculo de dichos valores y su repre- sentación gráfica. En la figura se muestran el punto programado, los puntos alcanzados, su baricentro, el círculo de radio el error medio y el círculo de radio la repetibilidad. CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 433 Obsérvese que si el punto programado (B) hubiera sido otro, habría cambiado la precisión (distancia entre B y Baricentro), pero no la repetibilidad, que mide la dispersión de los pun- tos alcanzados % CÁLCULO DE LA PRECISIÓN Y REPETIBILIDAD % EN EL POSICIONAMIENTO DE UN ROBOT DE 2 gdl %Datos %Punto programado xb=1.000; yb=1.000; %Puntos alcanzados x=[1.005;1.012;0.998;1.004;1.006;0.995;0.995;1.005;1.000;0.997]; y=[0.995;1.004;0.995;0.999;1.002;0.997;0.995;1.005;1.010;1.001]; n=size(x); n=n(1); % Punto medio alcanzado xm=mean(x); ym=mean(y); %Precisión AP=sqrt((xb-xm)^2+(yb-ym)^2); disp (’Baricentro:’);disp([xm,ym]); disp (’Precisión:’);disp(AP); % Distancias al punto programado y Repetibilidad for i=1:1:n Lj(i)=sqrt((x(i)-xm)^2+(y(i)-ym)^2); end Lm=mean(Lj); Ls=std(Lj); RP=Lm+2*Ls; disp(’Repetibilidad:’);disp(RP); % Grafica los resultados % Puntos alcanzados (negro) plot(x,y,’ko’) hold grid % Baricentro (rojo) plot(xm,ym,’rd’) %Círculos de error medio (verde) y repetibilidad (cyan) for i=1:0.01:3*pi %Círculo de error medio plot(xm+Lm*cos(i),ym+Lm*sin(i),’g-’ ); %Circulo de repetibilidad plot(xm+RP*cos(i),ym+RP*sin(i),’c-’) end hold 434 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA Ejercicio 9.2 Un proceso de soldadura al arco robotizada se realiza mediante un robot articular. Las di- mensiones de la pieza han llevado a considerar el uso de un robot de tipo cartesiano, sus- pendido sobre una vía que le permite un desplazamiento lineal adicional. El proceso de sol- dadura se desarrolla según la siguiente secuencia: a) El operario sitúa y fija las piezas a soldar, notificando cuándo ha concluido este pro- ceso mediante un pulsador. b) El robot realiza el ciclo de soldadura sobre la pieza. Cuando acaba activa una salida di- gital. c) El operario retira la pieza soldada y repite la acción a). Proponer las medidas de seguridad que se considere oportuno incorporar en la fase de di- seño de la célula. Solución: Al objeto de evitar tiempos muertos conviene que el trabajo de carga y descarga del ope- rario sea simultáneo con el proceso de soldadura del robot. Para ello, es preciso disponer de dos zonas de trabajo, de modo que mientras el operario trabaja en una, el robot trabaja en la otra. Las medidas de seguridad deben garantizar que operador y robot no comparten nunca la misma zona de trabajo. La figura representa un posible lay out, en el que se han definido las dos zonas a las que el robot accede haciendo uso del grado de libertad adicional del robot del desplazamiento lineal. El operario accede a ambas zonas desde el frente, estando separadas ambas por una ba- rrera física, de modo que es necesario salir de la zona de acceso para llegar a la otra. Cada zona de acceso cuenta con una alfombra sensible, que detecta la presencia del operario en dicha zona. El pulsador que utiliza el operario para indicar que ha concluido su tarea se ha duplicado, situando uno en la salida de cada zona de acceso, de modo que el operario debe pulsarlo al sa- lir de la zona de acceso. La situación del mismo impide que se alcance el pulsador si el ope- rario está pisando la alfombra. Cada zona de trabajo del robot cuenta con una baliza luminosa que permanece parpade- ante cuando el robot está trabajando en la zona. Adicionalmente, una baliza general perma- nece parpadeante durante todo el proceso de actividad de la célula. La lógica de control del sistema debe garantizar que siempre que la alfombra sensible de un zona detecte presión, el robot deba estar trabajando en la otra zona. En caso contrario, el robot debe pararse de inmediato. Se garantiza así, entre otras cosas, que a pesar de que por al- gún motivo (otro operario) actúe sobre el pulsador de una zona estando el operario dentro, el robot no se mueva dentro de dicha zona. Toda la zona de trabajo ha sido protegida por una valla, situándose el armario de control con la parada de emergencia fuera de esta zona. Se han situado igualmente paradas de emergencia en el interior de cada zona y en el ex- terior junto al armario de control. Se propone al lector familiarizado con la especificación del funcionamiento de automa- tismos mediante el GRAFCET (Grafo de Control Etapa Transición. Normalizado en España CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 435 según norma EN 60848) que desarrolle el mismo para el control de secuencia del sistema, considerando las posibles alarmas y paradas de emergencia que puedan surgir en un funcio- namiento irregular. Ejercicio 9.3 Indicar si las siguientes afirmaciones, referidas a un robot aplicado a la soldadura al arco, son verdaderas o falsas, justificándolo. a) Es imprescindible el control de trayectoria continua. b) Es imprescindible el manejo de Entradas Salidas digitales. c) Es imprescindible la integración de sensores externos capaces de modificar la trayec- toria preprogramada. d) Es imprescindible una elevada capacidad de carga (superior a los 15 kg). Solución: a) Verdadero. El proceso de soldadura al arco se realiza aportando material fundido mientras el robot se mueve, es decir, el proceso se realiza de manera simultánea al mo- vimiento del robot. La soldadura se realiza a lo largo de la trayectoria recorrida por el electrodo manejado por el robot y la cantidad de material depositado se ve afectada por la velocidad con la que el robot se mueve. Por tanto, es imprescindible tener un buen control de trayectoria del robot que garantice que recorre los caminos prefijados a la velocidad especificada mientras. b) Verdadero. La activación y desactivación de la corriente de soldadura, debe reali- zarse de manera sincronizada con el movimiento del robot. Por tanto, es necesario que éste maneje al menos una salida digital para arrancar y parar el proceso de sol- dadura. 436 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA c) Falso. Los sensores para seguimiento del cordón, ayudan en gran medida a resolver las imprecisiones de fijación de las piezas en el proceso de soldadura, pero no son im- prescindibles, sólo una opción a considerar. d) Falso. La carga a transportar por el robot es únicamente la antorcha de soldadura. Sue- le ser suficiente con una capacidad de carga de 5 o 10 kg. Ejercicio 9.4 El suministro de una instalación llave en mano (equipos e ingeniería) de corte y soldadura robotizada, ha sido presupuestado por 700.000 euros. La instalación utiliza 5 robots, cuyo coste total, incluidos sus efectores finales y equipos de soldadura y corte) asciende a 225.000 euros, así como otra maquinaria específicamente desarrollada para la instalación (transportes, utillaje, etc.). La previsión de los ingresos que se espera conseguir con esta instalación y los costes de explotación de la misma, durante los próximos cinco años viene dada por la siguiente tabla Años 1 2 3 4 5 C: Costes de explotación 60.000 65.000 70.000 70.000 70.000 R: Ingresos 180.000 200.000 240.000 270.000 290.000 Retorno (Cash-Flow) 120.000 135.000 170.000 200.000 220.000 Se estima que los robots sufren una devaluación del 10 por ciento anual. Utilizando el método de la Tasa Interna de Renta (TIR), obtener la tasa de rendimiento que se prevé obtener del proyecto en cinco años. Solución: En el método del TIR se obtiene el rendimiento i necesario para conseguir un valor de in- versión nulo, de acuerdo a la expresión: n ( Rj − C j ) M′ 0= ∑ j =0 (1 + i ) j + (1 + i )n+1 Donde n es el número de años en los que se pretende amortizar la inversión, Rj y Cj son los ingresos y costes estimados durante el transcurso del año j y M′ es el valor que se considera tendrán los robots a los cinco años de la instalación. Si M es el valor inicial y se considera que se deprecia un d por ciento anual, a los n años el valor de los robots será de M ′ = M * (1 − d )n Con estos datos se puede evaluar el valor de i que resuelve la anterior expresión. El siguiente código MATLAB representa gráficamente el valor del VAN para diferentes va- lores de i, pudiéndose leer en la gráfica el valor que hace VAN 0, siendo éste i = 0.985. CAPÍTULO 9. CRITERIOS DE IMPLANTACIÓN DE UN ROBOT INDUSTRIAL 437 % CÁLCULO DEL VALOR DE LA RENTABILIDAD % (Tasa Interna de Renta TIR) % ==================================== % Coste de la inversión C0=700000; % Costes de explotación C=[60000; 65000; 70000; 70000; 70000]; % Ingresos R=[180000;200000;240000;270000;290000]; % Valor inicial del Robot M=225000; % Depreciación anual del Robot (en tanto por uno) d=0.10; % Años de amortización de la inversión n=5; iter=1000; for ii=1:1:iter i=ii/iter; van(ii)=-C0+M*(1-d)^n/(1+i)^(n+1); for j=1:1:n van(ii)=van(ii)+(R(j)-C(j))/(1+i)^j; end end plot(van) grid 438 FUNDAMENTOS DE ROBÓTICA 9.7. BIBLIOGRAFÍA [AGUAYO-90] Aguayo, F., Ortega, M. y Durán, M, «Estudio de Seguridad en Sistemas Ro- botizados», Revista de Robótica y Automatización Integrada, 47, pp 40-48, 1990. [CACI-95] CACI Products Company, Simulation with SIMFACTORY II.5, 1995. [EN-99] EN ISO 9946:1999. Robots manipuladores industriales. Presentación de las ca- racterísticas, ISO 1999. [ENGELBERGER-80] Engelberger, J. K., «Fundamentals and Managament», en Ro

Capítulo 9: Criterios de Implantación de un Robot Industrial PDF

Document Details

Tags

Related

Summary

Full Transcript

Upgrade to continue