Servopress 101:una guía básica

La automatización industrial puede parecer magia, especialmente cuando se usa en operaciones de ensamblaje. Aprenda lo que necesita sobre los conceptos básicos para ayudarlo en su próximo proyecto de automatización.

Los servomecanismos están en el corazón de la automatización del siglo XXI. Los elementos básicos son un servomotor; un dispositivo para convertir el movimiento giratorio en movimiento lineal; un conjunto de sensores para proporcionar la retroalimentación requerida; un controlador para convertir datos de retroalimentación en señales de comando; y software habilitador. Esta es la "magia" de las operaciones de ensamblaje de alta velocidad y precisión. Con los avances del siglo XXI en sus componentes básicos, las servoprensas son una tecnología revolucionaria.

No solo son rápidos y precisos, también se han hecho grandes. En las industrias de conformado y estampado de metales, las servoprensas están disponibles con capacidades de hasta 5000 toneladas (4536 toneladas métricas) y se están desarrollando unidades más grandes. Estas prensas están cambiando la forma en que los usuarios abordan el diseño de procesos al brindarles a los ingenieros un control preciso de la fuerza, la velocidad y la posición en tiempo real durante todo el recorrido de un proceso.

Hace treinta años, los pioneros de la industria combinaron un husillo de bolas de precisión con un servomotor, un codificador rotatorio y una celda de carga para producir la primera prensa de ensamblaje electromecánica (EMAP) diseñada específicamente para operaciones de ensamblaje.

Primeros usuarios exitosos

Los primeros usuarios descubrieron que la capacidad de medir los parámetros del proceso durante el ensamblaje les permitía literalmente "clonar" productos comparando la "firma" de fuerza/posición de cada operación con la de un ciclo bueno conocido y ajustando los parámetros de la prensa en tiempo real para duplicarlo. Ese concepto básico se ha utilizado en cientos de diferentes aplicaciones de ensamblaje, desde un simple remachado hasta la instalación de componentes electrónicos de alto valor. Estos son algunos ejemplos.
Ensamblaje de junta universal:una junta universal de tipo cardán tiene una cruz central o "araña" que se une a un par de brazos en forma de U presionando una copa de cojinete a través de un orificio en el brazo para capturar un diario mecanizado en la "araña". Una vez ensambladas, las copas de los cojinetes se fijan al brazo para mantenerlas en su lugar.

El desafío consiste en mantener la araña centrada en el brazo mientras se presionan y fijan las copas de los cojinetes. Esto se logra con un par de EMAP que están sincronizados para aplicar la misma fuerza a cada copa de cojinete mientras se inserta. Una vez que las copas están en su lugar, la araña se centra con precisión y los EMAP realizan simultáneamente la operación de replanteo. Dado que se aplica la misma fuerza a las patas opuestas de la araña, permanece centrada y el resultado es un buen ensamblaje cada vez.

Esta aplicación funciona porque los EMAP se monitorean durante la operación y el control ajusta la fuerza y ​​la posición en tiempo real. Los datos de todo el proceso se pueden capturar y almacenar para garantizar la calidad, lo que proporciona una trazabilidad del 100 % para cada ensamblaje. Esos datos también son útiles para identificar y corregir anomalías en las piezas que se ensamblan, lo que mejora la calidad de toda la cadena de suministro, así como el proceso de ensamblaje.

Ensamblaje del catéter médico:la operación crítica es un proceso de prensado que conecta un tubo de metal de diámetro pequeño a un tubo más grande que está conectado a la parte flexible del catéter. Si el engarce no es perfecto, se romperá cuando se tire o cerrará el tubo por completo, inutilizando el catéter. Engarzar constantemente un pequeño tubo de metal en uno que es solo un poco más grande resultó ser un desafío monumental.

La clave para mantener una calidad uniforme en la operación de engaste del catéter fue monitorear simultáneamente la cantidad de fuerza que se aplicaba y la posición exacta de la herramienta de engaste. Una vez que se capturaron ambos parámetros de una buena operación conocida, la "firma" de fuerza/posición se usó como punto de referencia para medir las operaciones posteriores.

Se utiliza una estación de engaste basada en EMAP, completa con transductores de posición externos, para realizar la operación de engaste en los catéteres. El EMAP proporciona una fuerza de crimpado repetible y los transductores monitorean las herramientas para asegurarse de que el crimpado no sea ni demasiado superficial ni demasiado profundo. El resultado es una certificación de prueba de esfuerzo del 100 por ciento para cada catéter producido y la eliminación virtual de las fallas de engaste en el campo.

Ensamblaje de rótula remachada:Los ensambles de rótula automotriz son componentes críticos para la seguridad que generalmente se unen a los brazos de control superior e inferior con remaches. Hay tres posibles modos de falla:1) un remache puede ser demasiado largo o demasiado corto, 2) un remache puede ser demasiado duro o demasiado blando y 3) un remache puede faltar por completo. Debido a que el ensamblaje es crítico para la seguridad, tradicionalmente se ha realizado una inspección posterior al remachado del 100 por ciento.

El uso de un sistema basado en EMAP en lugar de una prensa hidráulica tradicional elimina el requisito de inspección del 100 por ciento al monitorear el proceso mientras se realiza y comparar la "firma" con una buena operación conocida. Se montan tres celdas de carga individuales en la herramienta para medir de forma independiente la fuerza aplicada a cada remache, mientras que un transductor de posición única mide la distancia de recorrido del ariete. Los remaches que son demasiado duros o blandos, o demasiado cortos o largos, producirán un cambio distintivo en la firma, al igual que los detalles fuera de tolerancia, como los diámetros de los orificios.

El sistema proporciona:detección de remaches largos, cortos, duros, blandos y/o faltantes; certificación del 100 por ciento de cada montaje; adquisición de datos incorporada; y un registro de datos de fuerza y ​​posición para cada pieza producida, todo en tiempo real durante el ciclo del proceso. Los resultados son uniformes, precisos y trazables, lo que significa que ya no es necesario realizar inspecciones posteriores al proceso en cada pieza para garantizar la calidad.

Más allá de lo básico

Los primeros usuarios no tardaron mucho en darse cuenta de que los datos de proceso detallados generados por un sistema basado en EMAP tenían usos mucho más allá de la simple comparación de "firmas" y ensamblajes de "clonación". Los proveedores de EMAP también estaban ocupados mejorando las capacidades de hardware y software para admitir aplicaciones más avanzadas.

Una de las primeras aplicaciones que aprovechó estos avances fue el ensamblaje de brazos de control de automóviles, un producto que requiere precisión geométrica para lograr un funcionamiento adecuado, pero que está hecho de componentes que no se pueden producir económicamente con tolerancias muy estrechas. El brazo de control está hecho de estampado o fundición de alta resistencia con bujes revestidos de goma presionados en su lugar, claramente no es un candidato para una precisión dimensional extrema.

Lo que suelen hacer los ingenieros automotrices es definir la geometría requerida en el ensamblaje y dejar la parte de "cómo lograrlo" en manos del proveedor. Los proveedores llaman a esto una dimensión "fantasma" y es bastante común en una variedad de industrias.

El enfoque convencional para cumplir con la especificación de una dimensión "fantasma" es construir herramientas y accesorios precisos y luego ajustarlos continuamente para lidiar con variaciones constantes e impredecibles en las piezas. Otros proveedores optan por "presionar y esperar", luego "medir y clasificar" y aceptar costos de desecho y reelaboración. Para enfrentar este desafío con un sistema basado en EMAP, se requiere un software avanzado para manejar sensores adicionales fuera de las celdas de carga integradas en la prensa. El montaje se realiza con dos EMAPs y dos palpadores digitales. Estas sondas son necesarias porque los casquillos elásticos se flexionan durante la instalación, lo que dificulta saber su ubicación precisa. Las sondas también compensan la deflexión de la máquina y de la celda de carga.

Para ensamblar el brazo de control, los bujes se presionan a una posición inicial, se elimina la fuerza y ​​las sondas digitales miden la ubicación. Un buje se presiona a una dimensión relativa a la rótula. La sonda mide la posición y devuelve la información al controlador, que le dice a la prensa cuánto más debe presionar. Esta secuencia se repite hasta que el buje esté en su lugar. El otro buje usa la misma secuencia de instalación pero se presiona a una dimensión relativa al primer buje. Esta es la dimensión "fantasma" y el sistema puede lograrla de manera eficiente y repetible independientemente de las variaciones en el brazo de control y/o casquillos.

El sistema que se acaba de describir mejora significativamente la calidad funcional del brazo de control que ensambla sin cambiar las especificaciones dimensionales de las partes componentes. De hecho, es muy posible que las tolerancias en esos componentes se aflojen para reducir los costos de fabricación sin afectar la calidad funcional del producto terminado. La función es la medida de calidad del consumidor, y con el tipo de ensamblaje inteligente promovido por el sistema de brazo de control, también puede serlo para el fabricante.

Una tecnología madura

A medida que han proliferado las aplicaciones de ensamblaje inteligente, también lo han hecho los sistemas de hardware y software necesarios para habilitarlas. Actualmente, los EMAP están disponibles con salidas de fuerza que van desde 0,2 kN hasta 500 kN y pueden equiparse con una amplia gama de sensores integrales y externos. Están disponibles como componentes individuales para los constructores de sistemas, prensas de bastidor en H y estaciones de trabajo independientes flexibles para usuarios finales.

Los ingenieros innovadores han hecho que los EMAP sean lo suficientemente livianos para ser utilizados como efectores finales de robots e incluso hay disponibles modelos manuales humanos. Ambos productos están destinados a aplicaciones en las que la prensa se acerca a la pieza, lo que significa que la fuerza de reacción de la operación de prensado no se puede transmitir al robot ni al operador humano.

Una solución desarrollada por Promess para aplicaciones robóticas es su Robot Press, que incorpora un tope trasero integrado. Durante el funcionamiento, el robot coloca la prensa sobre la pieza y se acopla la herramienta. Luego, el robot entra en flotación libre en dos ejes para mantener la posición mientras se mueve en el tercer eje para acomodar el movimiento de la prensa hasta que la prensa alcanza el tope trasero integrado. Los movimientos de la prensa son totalmente programables y las prensas pueden equiparse con sensores de fuerza y ​​posición para admitir operaciones de ensamblaje inteligentes.

Combo de actuador giratorio/EMAP lineal

Otra tendencia es la combinación de un EMAP lineal con un actuador rotativo para facilitar las pruebas funcionales durante el montaje. Por ejemplo, el pestillo del capó de un automóvil se ensambla con un remache utilizando un EMAP. Mientras se martilla el remache, se acciona el pestillo y se mide continuamente la fuerza requerida hasta que alcanza un nivel específico, en cuyo punto se detiene el proceso. El proceso produce cerrojos con una fuerza de actuación uniforme independientemente de las variaciones en los remaches o estampados. Se utilizan sistemas similares para ensamblar pestillos de asientos de automóviles, alicates e incluso para verificar la holgura de los engranajes bajo carga en los diferenciales de los automóviles.

Todas estas aplicaciones dependen de controladores y software sofisticados para manejar e integrar múltiples entradas de datos en tiempo real y generar los servocomandos necesarios. Los controles ahora están disponibles con la capacidad de sincronizar múltiples EMAP que impulsan las esquinas de una prensa de platos para que cada uno genere la fuerza necesaria para mantener los platos paralelos, aunque la carga no sea uniforme.

El software de control ha evolucionado junto con el hardware, y los sistemas actuales son mucho más fáciles de programar que sus predecesores de hace unos años. Los proveedores han invertido mucho tiempo y talento en sistemas que simplifican el proceso hasta el punto en que a menudo no se requieren ingenieros de control profesionales.

A medida que la tecnología EMAP ha madurado, los conceptos de ensamblaje inteligente y ensamblaje con una especificación funcional en lugar de dimensional se han vuelto cada vez más prácticos en una amplia gama de industrias. La madurez, sin embargo, no implica estancamiento. La tecnología continúa creciendo al permitir soluciones verdaderamente innovadoras a los desafíos que han afectado a los fabricantes durante décadas y, en algunos casos, siglos.