Automatiza operaciones de turno nocturno con un cobot de Universal Robots

Después de que Troy Ojalehto de Rapid Design Solutions (izquierda) desarrollara la aplicación inicial, el ingeniero de automatización de Toolcraft, Brian Laulainen, pudo manejar la operación diaria además de desarrollar una estación de enjuague y secado de piezas como complemento para el UR5e, un cobot de Universal Robots. Laulainen hizo la formación a través de UR Academy, complementada con unas horas de formación práctica con Ojalehto.

Toolcraft, un pequeño taller en Seattle, necesitaba automatizar una tarea de atención de máquina CNC de tres operaciones desafiante. Impresionados con el nuevo cobot insignia de Universal Robots (UR), el UR5e, y su repetibilidad de 30 micras y capacidades de detección de fuerza/par, el taller asumió la tarea y ahorró un 23% en costes de producción y aumentó el rendimiento un 43%.

El momento crítico que impulsó este movimiento llegó cuando un gran pedido obligó a Toolcraft a añadir un tercer turno para producción 24/7. "Nadie quiere trabajar en tercer turno por aquí", dice Steve Wittenberg, director de operaciones. En una zona con 3% de desempleo, el taller no recibía respuestas a su anuncio de empleo. Empezó a buscar opciones de automatización, considerando inicialmente robots industriales tradicionales.

Mirando solo el hardware, parecía que los robots tradicionales serían la solución más rentable, dice Wittenberg. "Pero al considerar el ahorro de no tener que erigir una jaula de seguridad —y el tiempo ahorrado en facilidad de uso, evitando programación compleja— Universal Robots resultó ser la solución correcta".

Este componente de dispositivo médico multi-hilo requería alta precisión y manipulación de tres pasos dentro de la máquina herramienta, lo que obligó a añadir un tercer turno. La solución de Toolcraft fue ceder la atención de la máquina a un robot colaborativo, el UR5e.

El cobot trabaja el turno nocturno

El pedido que impulsó esta inversión era para una pieza multi-hilo para un dispositivo médico. Esta pieza debía cargarse en una operación de mecanizado CNC de tres pasos que se ejecutaría durante un tercer turno. Toolcraft discutió el desafío con Rapid Design Solutions, un integrador de sistemas certificado de Universal Robots.

"Cuando haces mecanizado de precisión multi-operación, los requisitos de precisión suben mucho", dice Troy Ojalehto, propietario de Rapid Design Solutions. "Cuando oímos que la repetibilidad del UR5e bajaba a 30 micras, nos entusiasmó mucho. Eso compite en el mismo espacio que los robots industriales tradicionales, así que fue enorme para nosotros. No he visto otros cobots manejando este nivel de precisión con piezas multi-operación como esta, con materia prima entrando y piezas de precisión completadas saliendo".

Seis meses después de la implementación, Wittenberg dice que el taller vio un aumento de producción inmediato. "Pudimos cubrir ese tercer turno y pasamos de producir 255 piezas a la semana a 370 piezas por semana. Junto con eso, terminamos la producción del año siete semanas antes, liberando esa máquina para producir piezas para otros trabajos".

Añade que Toolcraft espera un ROI de unos 12 meses.

Un robot con toque humano

Una nueva característica en la línea insignia de Universal Robots es la retroalimentación de fuerza en todas las articulaciones, clave para asegurar que la pieza encaje firmemente en la fijación de la máquina herramienta. "Usando el movimiento de fuerza con libertad en los ejes X, Y y Z rotacional, podemos forzar la pieza, moverla, y programar esa compliancia muy fácilmente para permitir básicamente un toque humano con el robot", dice Ojalehto. Mientras habla, el propietario de Toolcraft, Karl Niemela, pasa y cuenta que su empresa ha decidido llamar al robot Clarence. "Es un nombre sofisticado para un robot sofisticado", dice sonriendo.

"La función free-drive de UR reduce enormemente el tiempo para enseñar puntos al robot", dice Ojalehto. Los cobots UR se pueden programar fácilmente mediante el método de enseñanza simplemente moviendo el brazo por los waypoints deseados que se añaden al programa en el pendant de enseñanza. Cuando el cobot estaba en uso, Toolcraft usó el simulador de UR para crear todo el programa de la estación de enjuague y secado offline, insertando los waypoints al transferir el programa al pendant.

El cobot limpia

Aunque el cobot ayudó al taller a implementar producción 24/7, aún no trabajaba a su máximo potencial. El ciclo de mecanizado dura 56 minutos en total, pero el UR5e solo está ocupado atendiendo piezas durante seis minutos. "El resto del tiempo, el cobot solo esperaba el siguiente ciclo. Queríamos mantenerlo ocupado", dice Wittenberg. Para ocupar más tiempo del cobot, el taller añadió una estación de enjuague y limpieza de piezas.

Con repetibilidad de 30 micras, el UR5e insertó precisamente la pieza multi-hilo en la fijación. El ciclo CNC incluye tres operaciones en un centro de mecanizado vertical: dos en fijaciones de mordaza y una en una unidad rotativa de cuarto eje.

Mientras el UR5e saca la pieza mecanizada del CNC, la sumerge en solución de enjuague, la pasa por un chorro de aire y coloca la pieza lavada y seca en una bandeja para envío. El taller también pudo controlar la fijación neumática y los actuadores de puerta a través de las interfaces I/O del UR5e. "Esto reduce enormemente la necesidad de cableado CNC y preserva todas las funciones de seguridad estándar del CNC", explica Ojalehto.

Aprender a programar

Aunque Toolcraft contrató a un integrador de sistemas para poner en marcha la aplicación inicial, el taller pudo programar e instalar la estación de enjuague y secado por su cuenta. "Lo que realmente nos permitió hacer esto fue todo el soporte online gratuito que Universal Robots te da", dice Wittenberg. "Después de que nuestro ingeniero de automatización tomó el curso online de UR Academy, pasó unas horas con el integrador y pudo añadir esa estación al ciclo del cobot".

Toolcraft eligió la pinza PneuConnect de PHD como herramienta de extremo de brazo para el UR5e. Al ser certificado UR+, la pinza trabaja sin problemas con los cobots UR, con todo el software de programación integrado directamente en el pendant de enseñanza del cobot UR.

"Teníamos cero experiencia con robots en Toolcraft", dice Brian Laulainen, ingeniero de automatización de Toolcraft. "UR Academy fue un curso muy intuitivo, interactivo y divertido. Hizo que aprender fuera mucho más interesante que solo leer un libro".

Al principio, Wittenberg temió que la producción bajara durante la fase de programación de la estación de enjuague, ya que el cobot sería apartado de sus tareas regulares de atención de máquina. El equipo descubrió, sin embargo, que podían usar el simulador de Universal Robots y programar casi toda la adición al ciclo offline mientras el cobot seguía trabajando. El programa offline se carga simplemente vía USB directamente en el pendant de enseñanza del UR5e. "En el programa que hice en mi oficina, solo puse waypoints en blanco. Una vez junto al cobot, pude usar rápidamente el movimiento free-drive y mover el robot a las posiciones correctas y enseñar los nuevos waypoints", dice Laulainen.

Con el UR5e, Toolcraft pudo terminar su producción anual siete semanas antes que con mano de obra manual.

Otro año, otro cobot

Con la primera instalación exitosa de cobot, Toolcraft planea instalar un cobot adicional cada año. "El hecho de que nuestro propio ingeniero de automatización pueda ahora solucionar cualquier problema que surja será clave para cumplir esta meta", dice Wittenberg. La próxima tarea que espera automatizar es la atención de un centro de mecanizado horizontal. "Eso es un reto potencial, porque el fresador usa tumbas rotativas que se intercambian dentro y fuera de la máquina, lo que crea dificultades con la fijación. Pero confiamos en poder resolver esos problemas usando un Universal Robot y algo de innovación en fijación".