ESTADO DEL ARTE: LA ROBÓTICA Y AUTOMATIZACIÓN EN LA INDUSTRIA

ESTADO DEL ARTE: LA ROBÓTICA Y AUTOMATIZACIÓN EN LA INDUSTRIA

Resumen

La robótica es un área de investigación y desarrollo de aplicaciones muy diversas. Su utilización masiva en la industria, y actualmente su creciente uso en aplicaciones de asistencia y servicio, hacen de ella un área de mucho interés tanto en el presente como en el futuro. Sus campos de aplicación se extienden desde la asistencia a personas minusválidas hasta sofisticadas exploraciones espaciales, pasando por un amplio rango de tareas a realizar.

Un estudio completo del área de la robótica es prácticamente imposible, por lo que es necesario centrarse en un tema muy concreto donde poder profundizar de forma eficiente. Pero antes de ello, es importante tener una visión general y conocer las diferentes ramas de la robótica.

El riesgo que es implica colocar a un hombre en los túneles más peligrosos de la mina El Teniente. La exploración de estos ductos la hacen ahora un pequeño tanque de metal, cuyos ojos son cámaras, y que transmiten la imagen a la superficie. La robótica es solo uno más de tantos que se han incorporado en la industria chilena; una tendencia que comenzó en la empresas mineras y se está expandiendo a distintos rubros. Maquinas criollas, pensadas y hechas en nuestro país.

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Introducción

La robótica como hoy en día la conocemos, tiene sus orígenes hace cientos de años. Nos basaremos en hechos registrados a través de la historia, y comenzaremos aclarando que antiguamente los robots eran conocidos con el nombre de autómatas, y la robótica no era reconocida como ciencia, es más, la palabra robot surgió mucho después del origen de los autómatas.

Existen dos grandes grupos en los que se divide la robótica: robots manipuladores y robots móviles. Los primeros están implantados de forma muy importante en la industria, y aunque aún se investiga sobre ellos dentro de áreas muy concretas como por ejemplo la cirugía teleoperada, su interés científico está siempre ligado a la tarea concreta a realizar. En cambio, los robots móviles son mucho más recientes y la investigación es mucho más activa en este segundo grupo.

Estos primeros autómatas utilizaban, principalmente, la fuerza bruta para poder realizar sus movimientos. A las primeras máquinas herramientas que ayudaron al hombre a facilitarle su trabajo no se les daba el nombre de autómata, sino más bien se les reconocía como artefactos o simples máquinas. Esta idea fue cambiando con el correr del tiempo, los autómatas fueron siendo mejorados hasta que en los comienzos del siglo XVII se crea la primera máquina de este tipo aplicada a un proceso productivo. Esta idea fue rápidamente incorporada por varios genios de la época y así comenzó una revolución en la industria que continúa creciendo hasta el presente.

La introducción de las computadoras y de la microelectrónica extiende el campo de la automatización industrial ya que permite a través del manejo de la información (alimentación, procesamiento, salida) transformar los instrumentos de producción y aún la totalidad de los procesos productivos de algunas industrias.

La automatización en los procesos Industriales, se basa en la capacidad para controlar la información necesaria en el proceso productivo, mediante la ex ancle de mecanismos de medición y evaluación de las normas de producción. A través de diversos instrumentos controlados por la información suministrada por el computadora, se regula el funcionamiento de las máquinas u otros elementos que operan el proceso productivo.

Robótica en la Industria

EI robot industrial es un manipulador multifuncional, reprogramable, de posiciones o movimientos automáticamente controlados, con varios ejes, capaz de manejar materiales, partes, herramientas o instrumentos especializados a través de movimientos variables programados para la ejecución de varias tareas. Con frecuencia tienen la apariencia de uno o varios brazos que terminan en una muñeca; su unidad de control utiliza un sistema de memoria y algunas veces puede valerse de instrumentos sensores y adaptadores que responden a estímulos del medio ambiente y sus circunstancias, así como las adaptaciones realizadas. Estas máquinas multifuncionales son generalmente diseñadas para realizar funciones repetitivas y pueden ser adaptados a otras funciones sin alteraciones permanentes en el equipo.

Automatización de Procesos

Automatización, sistema de fabricación diseñado con el fin de usar la capacidad de las máquinas para llevar a cabo determinadas tareas anteriormente efectuadas por seres humanos, y para controlar la secuencia de las operaciones sin intervención humana. El término automatización también se ha utilizado para describir sistemas no destinados a la fabricación en los que los dispositivos programados o automáticos pueden funcionar de forma independiente o semi-independiente del control humano. En comunicaciones, aviación y astronáutica, dispositivos como los equipos automáticos de conmutación telefónica, los pilotos automáticos y los sistemas automatizados de guía y control se utilizan para efectuar diversas tareas con más rapidez o mejor de lo que podrían hacerlo un ser humano.

Clasificación de la Robótica

Resulta tremendamente difícil realizar una clasificación de los tipos de robots existentes debido a la multitud de parámetros sobre los que se puede realizar. De manera general, y basándose en su morfología, los robots se suelen dividir en los siguientes tipos:

• Robot industrial o manipulador

Son artilugios mecánicos y electrónicos destinados a realizar de forma automática determinados procesos de fabricación o manipulación. Se utilizan principalmente en la fabricación industrial.

Los robots industriales son, con diferencia, el tipo de robot más utilizado, siendo Estados Unidos y Japón los líderes tanto en su fabricación como en su consumo.

• Robots móviles

Los robots móviles están provistos de algún tipo de mecanismo que les permite desplazarse de lugar autónomamente, como pueden ser patas, ruedas u orugas y reciben la información del entorno con sus propios sistemas sensores. Son empleados en plantas industriales para el transporte de mercancías y para la exploración de lugares de difícil acceso o muy distantes, como es el caso de la exploración espacial y de las investigaciones o rescates submarinos.

• Androides o humanoides

Intentan reproducir total o parcialmente la forma y el comportamiento del ser humano. Actualmente, los androides están bastante evolucionados, sobre todo en Japón, pero aún no tienen una utilidad práctica por sus propias limitaciones y por su precio de fabricación. Básicamente están destinados a la investigación y a tareas de marketing de las propias empresas desarrolladoras.

Robots manipuladores

Los robots manipuladores o robots industriales (conocidos así porque inicialmente fueron usados masivamente en la industria) fueron los encargados de inaugurar la era de los robots en los años 60, con la herencia adquirida de los primeros teleoperadores. Por ello, es el área de la robótica donde la investigación está más avanzada. Es difícil encontrar  investigaciones que trabajen en los aspectos básicos de los robots manipuladores tradicionales y, las pocas que hay, están centradas en la inclusión de modernos sensores o actuadores. Un ejemplo de esto es la adición de cámaras para reconocimiento avanzado de imágenes que mejoren la efectividad de dichos robots.

El área más interesante, y donde sí que se investiga de manera importante es en la búsqueda de novedosas aplicaciones para los robots manipuladores, como es el caso de los robots quirúrgicos, los cuales están teniendo un gran auge en estos momentos. En este caso, la investigación no está centrada en el robot sino en adaptar éste a las necesidades propias de la aplicación.

Estructura mecánica

Se conoce también al robot industrial como brazo robótico y esto se debe a que guarda cierta similitud con la anatomía del brazo humano. También por ello, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se utilizan términos como cuerpo, brazo, codo o muñeca. Formalmente, se denomina base al punto de apoyo del robot, generalmente sujeto de forma fija al suelo. Los elementos o eslabones van unidos por medio de diferentes articulaciones, que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. En la parte final, se sitúa el elemento terminal o efector final, que son los encargados de interaccionar directamente con el entorno del robot.

Aplicaciones

Los robots manipuladores tienen su principal foco de trabajo en la industria, automatizando los procesos de producción o almacenaje. Generalmente no trabajan de forma independiente sino en conjunto con otras máquinas herramientas formando células de trabajo. Se enumeran a continuación algunos ejemplos:

• Operaciones de procesamiento, como soldadura, pintura, etc. Este tipo de robots son muy comunes en la industria de la automoción.

• Operaciones de ensamblaje, donde el trabajo repetitivo facilita el uso de este tipo de robots.

• Operaciones de empaque (en tarimas o pallets), agilizando el proceso y manejando grandes pesos.

• Otro tipo de operaciones como pueden ser remachados, estampados, corte por chorro de agua, sistemas de medición, etc.

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Figura 1: Robot manipulador automatizado en la industria.

Etapas de la Automatización

La fabricación automatizada surgió de la íntima relación entre fuerzas económicas e innovación técnica como la división de trabajo, la transferencia de energía y la mecanización de las fábricas, y el desarrollo de las máquinas de transferencia y sistemas de realimentación.

La mecanización fue la siguiente etapa necesaria para la evolución hasta la automatización. La simplificación del trabajo permitida por la división de trabajo también posibilitó el diseño y construcción de máquinas que reproducían los movimientos del trabajador. A medida que evolucionó la tecnología de transferencia de energía, estas máquinas especializadas se motorizaron, aumentando así su eficacia productiva. El desarrollo de la tecnología energética también dio lugar al surgimiento del sistema fabril de producción, ya que todos los trabajadores y máquinas debían estar situados junto a la fuente de energía.

Uso en la informática

El advenimiento del ordenador o computadora ha facilitado enormemente el uso de ciclos de realimentación en los procesos de fabricación. La aparición de la combinación de microprocesadores y computadoras ha posibilitado el desarrollo de la tecnología de diseño y fabricación asistidos por computadora (CAD/CAM). Empleando estos sistemas, el diseñador traza el plano de una pieza e indica sus dimensiones con la ayuda de un ratón o Mouse, un lápiz óptico u otro dispositivo de introducción de datos. Una vez que el boceto ha sido determinado, la computadora genera automáticamente las instrucciones que dirigirán el centro de maquinado para elaborar dicha pieza.

Robótica y automatización en la industria chilena.

La mayor parte del diseño de robótica en nuestro país apunta a la automatización de procesos industriales. En el campo de la minería es donde más se ha desarrollado, precisamente, porque es un área donde es necesario reemplazar al hombre para ciertas tareas de exploración. Rambal ha creado algunos robots pequeños para la inspección de ductos, cavernas y derrumbes, que se ocupan en los pisos subterráneos de minas como El Teniente.

Uno de los robots más sofisticados que hay en chile es el que diseño hace casi 10 años Luis Cerda, del centro de investigaciones Mineras y Metalúrgicas. Es un monstruo de unos 15 metros, con forma de araña, que se mete dentro de los molinos de Chuquicamata y cambia los revestimientos desde dentro.

Otra empresa que también ha diseñado robótica para la minería es Mechanical Studio, que trabajo en asociación con Codelco para desarrollar sistemas de automatización. Hoy están asociados con la compañía suiza Macroswiss, junto a quienes trabajan en el diseño y construcción de robots para uso militar. Los chilenos los diseñan y en Suiza los construyen y comercializan en Europa.

Uno de las creaciones es el “Tankbot”, un pequeño tanque con tracción 6x6 que puede cargar distintos dispositivos como cámaras, armas automáticas o extintores.

En ambos casos, las maquinas apuntan a reemplazar al hombre en situaciones de riesgo, permitiéndoles explorar y ponerse a resguardo frente a posibles amenazas. En las mineras, evitar el riesgo de un posible derrumbe; o bien el peligro de muerte en caso de armas. En definitiva, lo que se busca es utilizar la tecnología al servicio de la necesidad. Pero la robótica chilena no se limita solo a la minería. Una de las creaciones más exitosas de  Mechanical Studio es “Sentinel”, una lámpara de vigilancia que tiene una cámara en su interior. Este aparato, de uso en lugares públicos y empresas en general, es muy útil como medida de seguridad, ya que permite que un intruso no sepa que está siendo observado.

Automatización Avanzada.

Sistemas de control en lazo abierto

Un sistema de control en lazo o bucle abierto es aquél en el que la señal de salida no influye sobre la señal de entrada. La exactitud de estos sistemas depende de su calibración, de manera que al calibrar se establece una relación entre la entrada y la salida con el fin de obtener del sistema la exactitud deseada.

El sistema se controla bien directamente, o bien mediante un transductor y un actuador. El esquema típico del sistema será, en este caso: El transductor modifica o adapta la naturaleza de la señal de entrada al sistema de control. En el caso del sistema de control de la temperatura de una habitación, para que sea un sistema abierto es necesario que no exista termostato, de manera que siga funcionando Permanentemente. La entrada del sistema sería la temperatura ideal de la habitación; la planta o proceso sería la habitación y la salida sería la temperatura real de la habitación. El transductor podría ser un dial en el que definamos el tiempo de funcionamiento y el actuador el propio foco de calefacción (caldera o radiador). El actuador o accionador modifica la entrada del sistema entregada por el transductor (Normalmente amplifica la señal). Una lavadora automática sería un claro ejemplo de sistema de control en lazo abierto. La blancura de la ropa (señal de salida) no influye en la entrada. La variable tiempo presenta una importancia fundamental: si está bien calibrada, cada proceso durará el tiempo necesario para obtener la mejor blancura. El principal inconveniente que presentan los sistemas de lazo abierto es que son extremadamente sensibles a las perturbaciones.

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Figura 2: Diagrama de flujo en un sistema de lazo abierto.

Sistema de control de lazo cerrado

Con frecuencia se llama así a los sistemas de control retroalimentado. En la práctica, se utiliza indistintamente la denominación control retroalimentado (“feedback”) o control de lazo cerrado (“closed loop”). La señal de error actuante, que es la diferencia entre la señal de entrada y la de retroalimentación (que puede ser la señal de salida o una función de la señal de salida y sus derivadas), entra al controlador para reducir el error y llevar la salida a un valor deseado. Esta retroalimentación se logra a través de la acción de un operador (control manual) o por medio de instrumentos (control automático).

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Figura 3: Diagrama de flujo en sistema de lazo cerrado.

Parte de Mando

Suele ser un autómata programable (tecnología programada), aunque hasta hace bien poco se utilizaban relés electromagnéticos, tarjetas electrónicas o módulos lógicos neumáticos (tecnología cableada). En un sistema de fabricación automatizado el autómata programable esta en el centro del sistema. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizado.

Proyecto de Automatización

Planteamiento de un proyecto automatizado (Línea de procesos de pescado)

Este proyecto surge de una necesidad industrial por parte de una empresa dedicada al procesado y envasado de pescado fresco y congelado. Para satisfacer esta necesidad, se decidió colocar una línea de proceso totalmente automatizada.

Dicha automatización, consta de 3 partes totalmente diferenciales pero relacionadas entre ellas, puesto que sin alguna de estas partes la línea no podría funcionar correctamente:

• Software de control (PLC): Se encarga de controlar y actuar sobre la máquina con los diferentes sensores, células de carga, motores…

• SCADA en Visual Basic (Pantalla táctil): Se encarga de mantener una comunicación continua con el software de control, y va almacenando todos los datos referentes a la línea y sus rendimientos.

• Software de Consultas: Se instala en un PC de oficinas y se utiliza para sacar informes con todos los datos obtenidos del SCADA en Visual Basic.

Esta línea consta de 2 partes, una primera para el fileteado manual del fletan y otra para el envase para la directa comercialización del mismo. Además de la maquinaria implantada por Palinox, esta línea está alimentada por una Badeer encargada de filetear el fletan o el rodaballo para su posterior repaso manual. En la primera parte de la línea, como se puede observar en la figura 4, se sitúan 5 operarios de la empresa para filetear y en la segunda parte de la línea se colocan 3 operarios más que se dedican a envasar. De esta forma, se consigue que el proceso sea lo más ágil posible y a su vez que la empresa se ahorre costes con lo que los beneficios son mayores, o bien el precio del mercado es menor.

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Figura 4: 1ª parte de la línea (fileteado con control de rendimientos)

Componentes del sistema automatizado

Este apartado explica con detalle los diversos elementos utilizados en la línea para el correcto funcionamiento de la manera más fiable posible. Dentro de estos elementos se diferencian los sistemas de pesaje, los autómatas programables con sus módulos y finalmente la pantalla táctil. Las básculas utilizadas en la primera parte de la línea son unas básculas de la casa UTILCELL (SMART), la misma que las células de carga (mayor fiabilidad), ya que este modelo se caracteriza por su gran estabilidad y precisión que garantiza su salida analógica utilizada en el autómata, en este caso 0-10V. También hay que destacar la gran facilidad que tiene para poder realizar una auto-tara, después de cada pesada, desde el autómata. Para poder convertir los 0-10V de la salida analógica en peso, lo que se ha hecho ha sido utilizar un módulo de entradas analógicas en el autómata para que transforme dicha señal a una cantidad de puntos entre 0 y 32768. Una vez ya está transformado, lo único que queda es utilizar dichos los puntos correspondientes a la tara y a un peso conocido para poder hacer una simple división y saber a cuanto equivale cada punto. En la figura 5 se puede observar un diagrama donde se explica gráficamente:

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Figura 5: Diagrama de tratamiento a la señal analógica para su transformación a peso.

Base de Datos del proceso automatizado.

En cuanto a la organización del programa, hay que destacar que está centrado en una base de datos relacional, donde se van almacenando todos los datos referentes a la línea y que sirven para, posteriormente, poder sacar informes con los rendimientos. También se encuentran guardados todos los datos relacionados con los procesos que hay que hacer en la línea, así como los diferentes tratamientos a aplicar y los operarios que trabajan en la línea. Todos los datos se van guardando con un nombre de partida y de orden, sea en la tabla que sea, para así poder saber en todo momento de que lote se están sacando los datos. En la figura 19 se puede observar la tabla de relaciones de la base de datos, y a continuación una explicación de cada una de las tablas que se utilizan.

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Figura 6: Diagrama de relaciones de la base de datos creada en Microsoft Access.

Conclusión de la automatización en el proceso

Todos los puntos, en cuanto a diseño de aplicaciones, que se plantean desde un principio sufren modificaciones, debido a que las soluciones aportadas inicialmente podían no ser las más adecuadas para resolver el tipo de problema al que se hacía frente sobre todo en procesos de automatización.

Conclusiones

El trabajo desarrollado pretendía proporcionar una visión general de lo que es la robótica y automatización con sus posibles aplicaciones. No se ha profundizado en aspectos como la sensórica o los actuadores, muy importantes en robótica, porque estos van a depender de la naturaleza de la aplicación sobre la que se trabaja. Tampoco se han vistos todas las posibles aplicaciones de la robótica sino sólo un pequeño conjunto representativo de ellas. Se pueden ver desde sencillos robots capaces de seguir una línea hasta complejos robots utilizados para la exploración de planetas. Por ello, el objetivo del trabajo se ha cumplido y ahora es el momento de centrar los esfuerzos en uno o dos de los temas que han surgido durante el desarrollo de esta investigación.

La automatización ha contribuido en gran medida al incremento del tiempo libre y de los salarios reales de la mayoría de los trabajadores de los países industrializados. También ha permitido incrementar la producción y reducir los costes, poniendo autos, refrigeradores, televisores, teléfonos y otros productos al alcance de más gente. Sin embargo, no todos los resultados de la automatización han sido positivos. Algunos observadores argumentan que la automatización ha llevado al exceso de producción y al derroche, que ha provocado la alienación del trabajador y ha generado desempleo. De todos estos temas, el que mayor atención ha recibido es la relación entre la automatización y mano de obra.

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