Los robots reinventan las líneas de montaje

Son las estrellas de la producción. Flexibles, individualizadas, siempre buscando una alta productividad. No dudan en utilizar sistemas de aprovisionamiento como el kitting y en hermanar máquinas con humanos. Las actuales líneas de montaje se reinventan.

Se gesta en prensas, toma forma, se ensamblan las chapas y se suelda. Después se pinta, se quitan las puertas y se monta. De ahí directo a los controles de calidad. Si los supera, ya está. Ha nacido un coche nuevo, listo para ser vendido al cliente. Este es el ejemplo más conocido de líneas de montaje, pero no solo existen en el sector de la automoción. Están presentes en la mayoría de los sectores productivos y, además, son hijas de la producción en serie creada por Ford. Se componen de un número determinado de puestos y en cada uno de ellos se efectúa una tarea asignada en un tiempo específico, que viene condicionada por la labor que se haya desempeñado en un puesto anterior en la línea.

Montaje de un automóvil
Foto: cortesía de Volkswagen

Simples, mixtas, multimodelo, en forma de U, paralelas, de dos lados… Las líneas de montaje adquieren diferentes tipologías dependiendo del producto que tratan, los tiempos de duración de las tareas, el flujo de las piezas, el tipo de operador o a la disciplina de entrada de las piezas a la línea, según las clasificaciones de Becker y Scholl, profesores de la Universidad de Jena (Alemania). Pero todas ellas tienen en común que persiguen reducir los costes y aumentar la producción, por lo que cada vez son más automatizadas.

Tendencias
En la actualidad, los consumidores deciden en el mercado. Sus demandas y la alta competitividad existente han impuesto una fabricación individualizada, y las líneas de montaje son un buen espejo de ello. “De ahí que cada vez sean más complejas y que las más grandes empiecen a desaparecer o por lo menos a ser sustituidas por pequeñas células en serie, a fin de que el proceso esté más controlado”, sostiene José Luis Hernández, de Geo Inge-Robótica, empresa dedicada al diseño y ejecución de instalaciones automatizadas.

Para Cristóbal Miralles, profesor de la Universidad Politécnica de Valencia, la tendencia es trabajar con mixtas (aquellas en las que se producen artículos diferentes), y sobre todo, con líneas en U. Estas últimas permiten una mayor flexibilidad ante cambios de la demanda. Además, “se pueden reasignar operarios a las estaciones más fácilmente que en las lineales”, describe Miralles. Precisamente la flexibilidad es un punto fundamental en las actuales líneas de producción para conseguir fabricar de un modo individualizado, pero automático al mismo tiempo. “Una misma línea debe facilitar una inmensa multitud de variantes que se fabrican bajo pedido, no por lotes. De manera que un vehículo y el que viene detrás en la producción puedan tener una ejecución diferente”, comenta Jesús Sánchez, vicepresidente de Kuka.

Líneas de montaje
Foto: cortesía de Volkswagen

El ámbito del automóvil es el que arrastra históricamente más tradición en las líneas de montaje, y uno de los que más ha adoptado técnicas propias de la filosofía de producción japonesa just in time, como por ejemplo el kanban. Este sistema de señales japonés se utiliza para aprovisionar las líneas. Define un límite de stock máximo y mínimo para que el line feeder (alimentador de la línea) reaprovisione de material cada puesto sólo cuando se alcanza cierto nivel de stock. Sin embargo, poco a poco se va más allá en la reducción de stocks implantando el kitting en las cabeceras de la línea de determinados tramos. Lo que se hace es preparar kits formados por los componentes necesarios para las estaciones del tramo, por lo que el kit viaja con el producto y en cada puesto el operario monta los componentes que necesita. “Así se logra que no haya stock en la planta, a la vez que las estaciones ganan en accesibilidad, visibilidad y eficacia”, indica Miralles.

Equilibrado de líneas
Tanto el kanban como el kitting son estrategias organizativas que se desarrollan en el diseño de las líneas. A la hora de concebir una línea de montaje hay que tener en cuenta qué tareas se van a efectuar, cuántas son y el tiempo que van a ocupar, de forma que todas las estaciones tengan un nivel de carga lo más parecido posible y el producto salga rápidamente. Esto es lo que se conoce como el problema del equilibrado de líneas.

El proyecto DELIMER y su continuación DELIPYMER, en el que intervienen miembros de los grupos de investigación Rogle, de la Universidad Politécnica de Valencia, y Eoli, de la Universidad Politécnica de Cataluña, buscan cómo gestionar las líneas de montaje desde el punto de vista de la eficiencia, minimizando los costes y aumentando la productividad. Para ello aplican procedimientos matemáticos. “La mayoría de las empresas, excepto las que son muy potentes, crean sus líneas de montaje de manera muy artesanal, porque no tienen herramientas para decidir el diseño óptimo y la mejor asignación de las tareas a los puestos de trabajo”, describe Rafael Pastor, investigador principal de los dos proyectos y responsable del grupo Eoli.

Línea de montaje

Con este propósito toman como referencia tanto datos y situaciones reales como elementos que hasta ahora no se habían tenido en cuenta, como por ejemplo los tiempos de ejecución. Dependiendo del operario, varía el tiempo que tarda en efectuarse la tarea. Un caso muy singular que refleja esta cuestión es el de los discapacitados. “Hemos visto que una de las herramientas más eficientes para integrarlos son las líneas de montaje porque dividen el trabajo en pequeñas tareas que resultan muy sencillas. Así es más fácil asignar trabajos de modo coherente en función de cada discapacidad, que, al final, se vuelve invisible”, argumenta Miralles.

El tiempo de cambio de herramientas también interviene. Por ejemplo, “un operario que para hacer su labor usa la herramienta A y luego la B, y después vuelve a necesitar la A, lo mejor sería que primero hiciera las de la herramienta A para luego cambiar a la B. Así perdería menos tiempo”, dice Pastor.

Asimismo, la especialización de los operarios, las diferentes rutas del montaje de las tareas, el orden de éstas, o los productos voluminosos, inciden a la hora de diseñar las líneas. Además, estos investigadores adoptan un enfoque novedoso al preguntarse cuántas líneas de montaje se van a necesitar en la planta. “Puede que nos sea más rentable poner dos o más ya que si la producción de una línea se detiene, ocasiona pérdidas de dinero y de tiempo. Tener más de una asegura seguir produciendo”, afirma Pastor.

Robots en el montaje
Rapidez, fiabilidad, seguridad, calidad, facilitar la labor de los operarios, mejoras en su salud… La industria ya no puede vivir sin los robots y aún menos la automovilística. Este sector es el que más demanda ha experimentado hasta el año 2006. Según datos de la Asociación española de robótica y automatización tecnologías de la producción (ART-ATP), por primera vez se vendieron 2.527 robots, de los que algo menos de la mitad (1.256) fueron a parar a los automóviles y sus componentes.

KR 5 arc HW

Kuka, fabricante de robots, lleva tiempo operando en este sector, además de estar presente en otras industrias: metalúrgica, alimentación, logística, construcción e incluso entretenimiento. De acuerdo a las necesidades de sus clientes, personaliza sus productos y coopera con ellos, incluso diseñando las instalaciones y poniendo en marcha las líneas de fabricación. Dentro de su oferta lo más demandado es la gama Sixx en sus modelos Scara de 4 ejes o angular de 6 ejes, de alta precisión y velocidad, con alcance muy pequeño, que mueven entre 3 y 10 kg; y el Titán, el único robot del mundo capaz de desplazar 1 t, pensado para mover paletas completas o carrocerías.

Ahora Kuka está trabajando en unos robots que pueden levantar su propio peso (mueven y pesan 15 kg) y que se aplican no solo en el ámbito industrial, sino también en la robótica de servicios o incluso en casa. “La tendencia futura de la línea de ensamblaje del automóvil lleva a construir robots que puedan ser capaces de entender lo que sucede a su alrededor. Hablamos de sensores sofisticados y software de comunicación que permitan que diferentes robots puedan determinar ellos mismos cuál es la trayectoria más adecuada”, analiza Jesús Sánchez, vicepresidente de Kuka. “También se ampliará el uso de nuevas tecnologías como son la soldadura láser o la medición en línea del 100% de la producción”, añade.

Otras industrias
Fuera del automóvil, uno de los sectores que empieza a interesarse por las líneas robotizadas es el de la alimentación. En este segmento se usan a -20º C en cámaras de congelación o se emplean para hacer cortes maestros en el despiece de cárnicos.

También algunas fábricas compran robots de componentes para explotarlos cinco o seis años más. Para instalarlos recurren a ingenierías como Wetron automation technology, que se encargan de la implantación y programación de los robots en las líneas de montaje. “Hay que ver qué tipo de trabajo se quiere hacer y elegir el robot de segunda mano que más se adapte a ello, siempre verificando si posee capacidad para efectuar la tarea”, relata Albert Sentis, responsable de desarrollo de negocio de Wetron automation technology.

Cuentan, además, con programas de simulación como Robcad y Catia, que comprueban que no haya problemas antes de la ejecución del proyecto. Esta es la especialidad de la empresa Simergia, proveedora de servicios de ingeniería. A través de sus simulaciones recrean celdas en el ordenador a fin de estudiar los movimientos del operario; las condiciones de su ambiente; la productividad que van a tener; los costes y las actividades. “El problema de la simulación es que el empresario medio no sabe que existe este tipo de técnicas cuyo resultado es, por otra parte, impactante”, afirma Jorge Pampin, gerente de esta compañía. De hecho, empresas como Heineken ya han probado esta técnica para sus sistemas de carga automática.

Reforzar la seguridad
Hay accidentes. La fuerza y la velocidad de los robots, tanto si están próximos entre ellos como si lo están de seres humanos, pueden provocar choques. Para evitarlos es imprescindible un buen diseño de la instalación que aplique la normativa de seguridad. Cercar los perímetros del robot, usar cerrojos de seguridad, que cuando se abran caiga la tensión de la máquina, son algunas de las medidas que se adoptan.

Línea de montaje

Los robots de Kuka tienen opciones de bloqueo que se activan cuando éstos reconocen una zona que no está libre. En ese instante se quedan en espera hasta que deje de estar ocupada. También se pueden manejar a distancia, ya sea desde el extremo de la planta o incluso desde cualquier parte del mundo, al poder conectarse en red local. “Gracias a Internet se puede saber en qué situación se encuentran, y si se hallan en producción en qué estado están e incluso comprobar si tienen averías”, asevera Jesús Sánchez.

El futuro de los robots pasa por efectuar sus tareas con alta precisión y velocidad. Atrás quedaron tendencias como levantar el mayor peso posible, conseguir velocidad o poseer el máximo alcance. “Haciendo un símil: antes los robots realizaban tareas de la misma forma que las personas las hacemos con los brazos. En un futuro se harán con los dedos”, concluye Sánchez.

 

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Cooperación entre humanos y robots
Ni solo robots, ni solo operarios. Un mismo espacio en el que colaboren ambos con lo mejor de sus características: la creatividad, inteligencia, conocimiento, experiencia, flexibilidad y habilidad del trabajador humano unido a la potencia, velocidad y precisión de la máquina. Este es el objetivo del proyecto europeo PISA, Sistemas de Fabricación Flexible a través de la División del Espacio de Trabajo y del Tiempo en la Cooperación Humano-Máquina, del VI Marco Comunitario de Investigación y Desarrollo Tecnológico. En él colaboran 18 socios del Viejo Continente: países de la Unión Europea, grandes compañías, pymes e institutos de investigación y universidades.

El objetivo principal es introducir nuevas tecnologías en los procesos de ensamblaje. Para ello, el proyecto busca desarrollar conceptos, pautas, normas de seguridad y tecnologías que permitan la integración y cooperación entre el trabajador y la máquina de un modo eficiente y seguro. Hay dos formas de hacerlo. La primera de ellas es el contacto directo de las personas con el robot como, por ejemplo, un montaje del salpicadero de la parte frontal del coche. Y la segunda se centra en cooperar sin que se toquen. “Lo que se persigue es añadir más seguridad externamente o en el robot para que el humano pueda colaborar con él”, explica Ernesto Gambao, director del grupo de Robótica y Cibernética de la Universidad Politécnica de Madrid. Esto podría darse en el montaje de un motor de aspiradora: de tal forma que el robot sujetara el motor mientras el operario lo manipula, para volver a intervenir luego ensamblando las piezas más pequeñas o difíciles. Así se conseguiría una mayor productividad y calidad.

Mejor trabajo, mayor productividad
Uno de los puntos básicos para incrementar la productividad de una línea de montaje es la ergonomía. Es una ciencia que trata de adaptar los productos, las tareas, las herramientas, los espacios y el entorno en general a la capacidad y necesidades de las personas, con el propósito de mejorar la eficiencia, la seguridad y el bienestar de los consumidores, usuarios o trabajadores.

Con este fin, las fábricas han ido adoptando medidas para facilitar las condiciones de trabajo de los operarios. “La línea de montaje de hace unas décadas era muy dura. La visión repetitiva y rutinaria del trabajo en línea ha hecho que se hayan ido desarrollando en los últimos años mecanismos para minimizar este montaje con el objetivo de lograr más bienestar”, afirma Cristóbal Miralles, profesor de la Universidad Politécnica de Valencia. De esta forma, se trabaja en los programas de rotación para evitar que los trabajadores estén mucho tiempo en su puesto, y de paso se gana en flexibilidad. También se intenta que participen más en la compañía a través de grupos de mejora en donde hacen sugerencias para determinados puestos de trabajo.

En la fábrica de Renault, en la localidad palentina de Villamuriel de Cerrato, se adoptó el pasado año un nuevo sistema de “trineo de altura variable”. Éste cambia la altura del vehículo en la cadena de montaje, según las necesidades, con el objeto de evitar una excesiva inclinación o elevación de los brazos a los operarios. Así se reducen en una tercera parte el número de puestos de trabajo con máxima carga física o mental.

Una solución para un final de línea
Motoman Robotics es una empresa que fabrica equipos de automatización para procesos de producción industrial usando los robots Motoman. En función de lo que el cliente les solicite, la compañía elige el modelo que más se ajusta a sus necesidades. Por ejemplo, si les piden automatizar el final de una línea de montaje para paletizar un tipo de cajas con producto acabado, porque hay un operario que las manipula de forma manual, primero hacen un estudio para determinar la solución adecuada.

Modelo EPL 160

Motoman entonces, de entre toda su gama de productos, decide implantar el modelo EPL 160, un robot que alcanza un radio de 3.159 mm, tiene una repetibilidad de ±0,5 mm y soporta una carga de trabajo de 160 kg. Como es muy versátil, con la misma garra puede manipular diferentes formatos de caja, guiando varias salidas de máquina hacia un solo punto de paletizado. Para lograrlo, primero tendrán que diseñar una garra que les permita aprehender toda la gama de cajas que quiere manipular el cliente.

Seguidamente estudian la disposición del robot frente a los transportadores de rodillos donde llegan las cajas para paletizar, el punto de paletizado y la altura a la que se va a situar el robot. Una vez que colocan todos los elementos que componen la célula robotizada, analizan las medidas de seguridad de la instalación, como el vallado, la puerta de servicio, las barreras fotoeléctricas que detectan las entradas o salidas, etc. Todos esos datos se determinan mediante un dibujo en 2D. Y si lo requiere el estudio, se efectúa una simulación en 3D que establecerá los tiempos de ciclo que se desean conseguir.

La visión artificial vigila la calidad
Asegurar los procesos de calidad. Este es el fin de la visión artificial aplicada a estos procedimientos. No siempre se implantan en las líneas, ya sea por una cuestión de recursos o por falta de conocimiento. “Técnicamente es un tabú para algunos clientes. No se fían mucho porque piensan que no entenderán su mantenimiento”, afirma Albert Sentis, responsable de desarrollo de negocio de Wetron automation technology.

La empresa Wetron automation technology asegura estos procesos mediante sistemas de visión artificial y se ocupa de integrarlos en el proceso. Es el caso de la planta Gearbox, encargada de efectuar los cambios para Seat y Volkswagen, algunos de los equipos de visión artificial que tenían estaban estropeados, pero no querían deshacerse de ellos. Así que pidieron a Wetron automation technology que implantara otro sistema pero conservando el antiguo, por si fallaba, y adaptándolo al nuevo. Al final lo consiguieron y en la actualidad Gearbox cuenta con dos sistemas diferentes de visión de Wetron automation technology.

Diez conceptos básicos
1º Tarea: es una unidad de trabajo indivisible que tiene asociado un tiempo de proceso. El trabajo total requerido para manufacturar un producto en una línea se divide en un conjunto de tareas.

2º Estación: parte de la línea de montaje en donde se ejecutan las tareas. Pueden estar compuestas por un operador (humano o robotizado), cierto tipo de maquinaria y equipos o mecanismos de proceso especializados.

3º Tiempo de ciclo: periodo que se puede emplear en cada estación para completar las tareas asignadas para una unidad de producto. Puede ser el tiempo máximo o el tiempo promedio disponible para cada ciclo de trabajo.

4º Líneas de montaje simples: se procesa un solo tipo de producto y las estaciones ejecutan repetidamente las mismas tareas.

5º Líneas de montaje mixtas: se producen variantes de un producto básico, la producción no implica tiempos de puesta a punto entre una variante y otra. Se fabrican unidades de diferentes modelos en una secuencia mixta arbitraria.

6º Líneas de montaje multimodelo: se pueden elaborar diferentes clases de productos en una misma línea, pero los procesos de producción entre un tipo de producto o modelo y otro varían, por lo que se crean secuencias de lotes.

7º Líneas en U: tienen la forma de una U. Las estaciones pueden trabajar en dos segmentos de la línea de manera que se sitúen enfrente una de otra. El número de combinaciones entre tareas y estación es mayor.

8º Líneas manuales: pueden ser automatizadas o no. Cuentan con operadores humanos.

9º Líneas robotizadas: los operadores son robots y los procesos son totalmente automatizados. En ellas se planifican el procesamiento de las tareas en las estaciones y las actividades de los robots.

10º Líneas automatizadas: realizan todas las operaciones en modo automático con muy poca o ninguna intervención humana.