Optimización del ensamblaje: Estudio comparativo de cuatro técnicas de pick-and-place con robots industriales

20 de mayo

Comparativa de cuatro técnicas de pick-and-place con robots industriales para ensamblaje

• Por: Brian McMorris
• Bin Picking 3D
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Boletín Simple Solutions - Mayo 2024

En el panorama industrial actual, la automatización desempeña un papel fundamental en la reducción de la demanda y el coste de mano de obra, mejorando la productividad y la eficiencia de fabricación en la mayoría de sectores y aplicaciones. Entre las numerosas técnicas de automatización disponibles para los ingenieros, las operaciones de pick-and-place con robots industriales destacan como tecnologías cruciales en procesos de fabricación y logística que pueden automatizarse, reduciendo la necesidad de mano de obra. Estas operaciones implican el movimiento de objetos o piezas de una ubicación a otra, a menudo requiriendo precisión y velocidad. En esta comparativa, analizamos cuatro técnicas destacadas de pick-and-place: alimentadores flexibles, bin picking 4D, cuencos vibratorios y seguimiento de línea de transporte.

1. Alimentadores flexibles:

Los alimentadores flexibles utilizan diversos mecanismos (neumáticos, vibratorios o robóticos) para presentar piezas a un sistema de visión artificial para operaciones robóticas de pick-and-place. Estos alimentadores se adaptan a diferentes formas y tamaños de componentes, lo que los hace versátiles en entornos de fabricación con líneas de producto diversas. Una de sus ventajas clave es la capacidad para manipular objetos de formas irregulares y piezas con geometrías complejas. Sin embargo, las piezas no pueden ser mayores de 1/3 del ancho del plato de alimentación para permitir espacio para la singularización y localización por visión artificial. Generalmente, las piezas deben medir entre 1 mm y 100 mm en su dimensión más larga y pesar menos de 1 kg (2,2 lbs) cada una.

Más allá de los límites de tamaño, los alimentadores flexibles tienen otras limitaciones potenciales. Pueden ser más lentos comparados con otras técnicas de recogida de piezas, especialmente al tratar piezas intrincadas que requieren orientación precisa. Además, la configuración y calibración inicial pueden ser laboriosas y requerir personal cualificado con experiencia en robótica y visión. Las piezas deben ser rígidas; no pueden ser blandas o gomosas, ya que no responderían a las vibraciones u oscilaciones necesarias para su singularización.

Una clave para una aplicación exitosa con alimentadores flexibles es la correcta selección, calibración e integración del sistema de visión artificial, que identifica, califica y localiza la pieza a recoger, enviando coordenadas y rotación al controlador del robot. Junto a esto, la selección adecuada de iluminación (frontal o trasera), el diseño del plato de alimentación y la extensión del tiempo de operación sin supervisión mediante opciones de alimentación a granel. Posteriormente, el robot debe programarse para moverse a la pieza y recogerla con un gripper apropiado. Una vez recogida, la pieza se coloca en un accesorio o nido personalizado para su posterior procesamiento o ensamblaje. La operación completa permite recoger, orientar y colocar entre 10 y 30 piezas por minuto.

2. Bin Picking 4D:

El bin picking 4D emplea sistemas de visión avanzados, incluyendo Inteligencia Artificial (IA) y robótica integrada, para identificar y recoger objetos de un contenedor en las tres dimensiones (ancho X, largo Y y altura Z) más la intensidad de iluminación. Esta técnica es altamente eficiente en la manipulación de materiales a granel y orientaciones aleatorias y superpuestas de piezas, incluso en contenedores profundos. Mediante sensores de visión y algoritmos sofisticados, los sistemas de bin picking 4D pueden localizar y agarrar objetos con precisión, incluso en entornos desordenados con iluminación altamente variable.

Uno de los principales retos del bin picking 4D es la complejidad computacional del procesamiento de grandes cantidades de datos visuales en tiempo real. Aquí es donde entra la IA (entrenamiento masivo de orientaciones de piezas y posibilidades de iluminación), junto con chips de procesamiento matemático avanzado en el servidor de aplicación. Lograr un reconocimiento fiable de objetos en diversas condiciones de iluminación y generación de algoritmos de planificación de agarre en tiempo real requiere recursos computacionales significativos y experiencia. En los sistemas de bin picking 4D, el coste reside en la computación GPU de alta gama, no en las cámaras.

El bin picking 4D es una excelente técnica para tasas de alimentación moderadas. Este enfoque a menudo resuelve piezas irregulares o más grandes donde un alimentador flexible sería menos efectivo o incluso imposible. Piezas más largas pueden superponerse al estilo clásico de "juego de palillos", pero la visión es capaz de discernir el mejor candidato para recoger y dirigir al robot a la pose adecuada para recoger y colocar la pieza a una tasa rápida de 10 a 30 piezas por minuto.

3. Cuencos vibratorios:

Los cuencos vibratorios utilizan vibraciones en un cuenco fabricado con precisión, con una pista para que las piezas sigan, orientándolas y alimentándolas a un robot para operaciones de pick-and-place. Estos cuencos son particularmente efectivos para componentes pequeños y medianos que pueden manipularse fácilmente mediante fuerzas de vibración. Se conocen por su operación de alta velocidad y fiabilidad en el mantenimiento de la orientación de las piezas durante el proceso de alimentación. Fotosensores y chorros de aire detectan piezas que circulan incorrectamente y las "soplan" fuera de la pista o las expulsan mediante aberturas estratégicas en la misma.

A pesar de su eficiencia, los cuencos vibratorios tienen limitaciones, especialmente con piezas delicadas o sensibles susceptibles a daños por vibración excesiva. Además, el diseño y personalización de cuencos para diferentes geometrías de piezas puede ser un reto y requerir ingeniería especializada y experiencia artesanal. Si hay cambios frecuentes de producto final que requieren diferentes piezas para el ensamblaje, debe diseñarse un cuenco único para esas piezas y todos los cuencos deben cambiarse y recalibrarse. Esta es una operación costosa y lenta, lo que hace que los cuencos vibratorios sean más adecuados para altas tasas de producción de productos finales fijos con volúmenes de cientos de miles o millones de piezas al año. Los cuencos vibratorios pueden colocar piezas para su recogida a una tasa de 60 a 200 piezas por minuto, realizándose la recogida habitualmente mediante "automatización dura" dedicada, ya que esta tasa supera las capacidades de la mayoría de brazos robóticos.

4. Seguimiento de línea de transporte:

El seguimiento de línea de transporte implica sincronizar el movimiento de un robot con una cinta transportadora en movimiento para recoger y colocar objetos mientras viajan por la línea de producción. Esta técnica se utiliza comúnmente en entornos de fabricación de alto volumen donde la operación continua y el rendimiento rápido son esenciales. Al seguir la línea de transporte, los robots (generalmente diseños "delta" de empresas como Fanuc y ABB) pueden posicionarse con precisión para recoger piezas cuando están disponibles.

Una de las ventajas clave del seguimiento de línea de transporte es su escalabilidad y eficiencia en el manejo de grandes volúmenes de piezas con tiempo de inactividad mínimo. Esta técnica es popular en el envasado de productos alimenticios como productos de panadería, snacks envasados o ropa envasada. Se pueden alcanzar tasas de hasta 120 piezas por minuto con un robot delta. Sin embargo, esta técnica puede no ser adecuada para aplicaciones que requieren orientación precisa de piezas o manipulación de objetos de formas irregulares. El robot delta típico de 4 ejes opera solo en un plano, no tiene mucho movimiento "Z" o vertical, por lo que es ideal para recoger objetos planos y transferirlos a una línea de envasado. Pero existen híbridos con una muñeca y gripper de 3 ejes añadidos al delta de 4 ejes, como el Fanuc M-1iA.

Resumen

Cada técnica de pick-and-place con robots industriales ofrece ventajas y limitaciones distintas según los requisitos específicos de la aplicación. Los alimentadores flexibles destacan en versatilidad pero pueden carecer de velocidad y precisión para ciertas tareas. El bin picking 4D es ideal para manipular materiales a granel pero requiere recursos computacionales significativos. Los cuencos vibratorios ofrecen operación de alta velocidad pero pueden no ser adecuados para piezas delicadas. El seguimiento de línea de transporte garantiza operación continua pero puede carecer de precisión para ciertas aplicaciones. En última instancia, los fabricantes deben evaluar cuidadosamente sus necesidades y elegir la técnica que mejor se alinee con sus objetivos y restricciones de producción.

Futura Automation proporciona componentes o soluciones completas en cada categoría de recogida y colocación para aplicaciones de ensamblaje. Futura Automation es el representante en EE. UU. de los alimentadores flexibles Flexfactory y distribuidor autorizado de robots Fanuc y Brooks Automation para sistemas completos. Para componentes de visión, están disponibles Cognex con nuestro software propietario Feedware CX para facilitar la integración, Fanuc IR Vision o sistemas de visión Keyence, integrados en sistemas existentes.

Para bin picking 4D, Futura trabaja con Apera.ai, que cuenta con un sistema altamente avanzado con procesamiento rápido y sin errores de visión y trayectoria del robot. Vibromatic es una buena fuente de cuencos vibratorios cuando esa es la técnica apropiada. Para aplicaciones de seguimiento de línea, Futura Automation puede trabajar con Apera.AI, Cognex o Keyence para resolver el problema de visión y Fanuc para los robots delta. Contacte con Futura Automation para sus problemas más difíciles de pick-and-place y le entregaremos una excelente solución. tech@futura-automation.com