La evolución de la automatización de la inserción de hardware en la fabricación de metales.

FIGURA 3. Las herramientas de una sola pieza, de cambio rápido y con alimentación por tazón, almacenadas dentro del gabinete izquierdo, manejan tanto la orientación como la singularización de los herrajes (asegurándose de que los herrajes estén alineados y espaciados correctamente). En el armario de la derecha se guardan diferentes yunques y placas de lanzadera.

En medio de la recuperación de la pandemia en 2021, Ron Boggs, gerente de ventas y servicios de Haeger en América del Norte, siguió recibiendo el mismo tipo de llamadas de los fabricantes.

“Nos seguían diciendo: 'Oye, nos faltan sujetadores'”, dijo Boggs. “Al final resultó que, eso se debió a problemas de personal”. A medida que los talleres fabulosos volvían a contratar, a menudo colocaban a personas sin experiencia y menos capacitadas al frente de la prensa de inserción de hardware. A veces les faltaban sujetadores; otras veces insertaron el sujetador equivocado. Devoluciones de clientes y retrabajos montados.

Desde una perspectiva de alto nivel, la inserción de hardware parece una aplicación madura para la robótica. Después de todo, un taller fabuloso podría tener una automatización total en el corte y el conformado, con torres, extracción de piezas y tal vez incluso doblado robótico. Toda esta tecnología alimenta luego un departamento de inserción de hardware en gran parte manual. Teniendo en cuenta todo esto, ¿por qué no simplemente colocar un robot delante de la prensa de inserción de hardware?

Durante las últimas dos décadas, Boggs ha trabajado con muchas tiendas fabulosas que han robotizado la inserción de hardware. Más recientemente, él y su equipo, incluido Sander van de Bor, ingeniero principal de Haeger, han trabajado para facilitar la integración de cobots con el proceso de inserción (consulte la Figura 1).

Dicho esto, tanto Boggs como van de Bor enfatizaron que centrarse únicamente en la robótica a veces ignora problemas más importantes con la inserción de hardware. Una operación de inserción de hardware robusta, automatizada y flexible requiere una serie de componentes básicos, incluida la coherencia y la flexibilidad del proceso.

El hierro viejo muere con dificultad. Muchos aplican el dicho a las prensas de estampado mecánicas, pero también se aplica a las prensas de inserción de hardware alimentadas manualmente, principalmente debido a su simplicidad. De pie frente a una prensa de inserción manual, el operador coloca el sujetador y la pieza en la herramienta de yunque inferior. Presiona el pedal. La herramienta de punzonado superior desciende, hace contacto con la pieza de trabajo y genera presión para insertar el hardware. Todo es bastante sencillo... hasta que, por supuesto, algo sale mal.

"Si los operadores no prestan atención, la herramienta bajará, tocará la pieza de trabajo y en realidad no generará presión", dijo van de Bor. ¿Por qué exactamente? "Los equipos más antiguos no tienen información de error, por lo que los operadores realmente no lo saben". Es posible que el operador no haya mantenido el pie en el pedal durante todo el ciclo, lo que a su vez podría haber activado el sistema de seguridad de la prensa. “La herramienta superior tiene seis voltios; la herramienta inferior está rectificada y la prensa tiene que detectar la conductividad antes de generar presión”.

Las prensas de inserción más antiguas tampoco tienen las llamadas “ventanas de tonelaje”, un rango de presión en el que se puede insertar el hardware correctamente. Las prensas modernas detectan cuando estas presiones son demasiado bajas o demasiado altas. Como explicó Boggs, debido a que las prensas más antiguas no tienen ventanas de tonelaje, los operadores a veces corrigen los problemas ajustando una válvula para marcar la presión. "Algunos lo ajustarán demasiado alto, otros demasiado bajo", dijo Boggs. “El ajuste manual abre la puerta a una gran variabilidad. Si es demasiado bajo, no estás instalando el hardware correctamente”. El resultado: el sujetador no está seguro porque no encaja con la lámina de metal como debería. "Una presión demasiado alta puede deformar la pieza o el propio sujetador".

"Las máquinas más antiguas tampoco tenían contadores", añadió van de Bor, "lo que puede provocar que a los operadores les falten sujetadores".

La inserción manual de hardware parece sencilla, pero el proceso puede ser difícil de detectar errores. Peor aún, la operación del hardware a menudo ocurre en una etapa avanzada de la cadena de valor, después de que se han cortado y formado los espacios en blanco. Los problemas de hardware pueden causar estragos en el recubrimiento en polvo y el ensamblaje, a menudo porque un operador, por lo demás concienzudo y diligente, cometió algunos pequeños errores que se convirtieron en grandes dolores de cabeza.

FIGURA 1. Un cobot presenta una pieza a una prensa de inserción de hardware con cuatro tazones y cuatro placas de lanzadera separadas que alimentan el hardware a la prensa. Imágenes: Haeger

A lo largo de los años, la tecnología de inserción de hardware ha abordado esos dolores de cabeza identificando y eliminando esas fuentes de variabilidad. Los operadores de inserción de hardware no deberían ser la fuente de tantos problemas sólo porque, digamos, pierden un poco de concentración al final de su turno.

El primer paso de la inserción de herrajes en la automatización, la alimentación del tazón (consulte la Figura 2), eliminó el paso más tedioso del proceso: agarrar y colocar manualmente los herrajes en la pieza de trabajo. En una configuración convencional de alimentación superior, una prensa alimentada por cuenco envía el sujetador hacia una placa lanzadera, que presenta el hardware a la herramienta superior. Los operadores colocan la pieza de trabajo sobre la herramienta inferior (yunque) y pisan el pedal. El punzón desciende, utiliza presión de vacío para sacar los herrajes de la placa lanzadera y luego presenta los herrajes a la pieza de trabajo. La prensa aplica presión y el ciclo se completa.

Esto parece simple, pero profundizar un poco más revela algunas complejidades sutiles. En primer lugar, el hardware debe alimentarse y presentarse en el área de trabajo de forma controlada. Aquí es donde entra en juego la herramienta guía. El utillaje tiene dos componentes. Uno está dedicado a la orientación, asegurando que el hardware que sale del recipiente esté orientado de la manera correcta. El otro asegura la singularización, el alineamiento y el espaciado correcto de los herrajes. Desde allí, el hardware viaja por un tubo hasta una placa lanzadera, que presenta el hardware a la herramienta superior.

Aquí está la complicación: las herramientas de alimentación automática (las herramientas de orientación y singularización, junto con la placa de lanzadera) deben cambiarse y alinearse con cada cambio de hardware. Las diferentes formas de hardware afectan la forma en que se alimentan al área de trabajo, por lo que las herramientas específicas de hardware son simplemente una realidad que realmente no se puede eliminar de la ecuación.

Debido a que los operadores frente a una prensa alimentada por tazón ya no pierden tiempo agarrando (y tal vez soltando) y colocando herrajes, el tiempo entre inserciones se desploma. Pero con todas esas herramientas específicas para el hardware, las máquinas de alimentación por tazones también añaden cambios. Las herramientas para una tuerca autoadhesivo 832 no funcionarán para una tuerca 632.

Para cambiar herramientas antiguas de dos piezas con alimentación por tazón, los operadores debían asegurarse de que la herramienta de orientación estuviera alineada correctamente con la herramienta de singularización. "También tuvieron que comprobar la vibración de la taza, el tiempo de expulsión de aire y cómo se encaminaba la manguera", dijo Boggs. “Y tuvieron que comprobar la alineación de la lanzadera y el vacío. En resumen, los operadores tuvieron que verificar muchas alineaciones para asegurarse de que las herramientas funcionaran como deberían”.

Los operadores de chapa a menudo tienen requisitos de hardware únicos, ya sea debido a problemas de acceso (insertar hardware en espacios difíciles de alcanzar), hardware inusual o una combinación de ambos. Estas configuraciones utilizaban herramientas de una sola pieza diseñadas a medida. De esto, dijo Boggs, eventualmente surgió el desarrollo de herramientas de una sola pieza para prensas estándar alimentadas por tazón. La herramienta incorpora elementos de orientación y singularización (ver Figura 3).

"Está diseñado para un cambio rápido", dijo van de Bor. "Y todas las variables de control, incluido el aire y la vibración, la sincronización y todo lo demás, están controlados por la computadora, por lo que no hay cambios ni ajustes que el operador deba realizar".

Los pasadores de ubicación garantizan que todo permanezca alineado (consulte la Figura 4). “Los operadores no tienen que preocuparse por la alineación cuando cambian. Siempre está alineado porque todo está fijado en su lugar”, dijo Boggs. "Las herramientas simplemente se atornillan".

Cuando un operador coloca una hoja en la prensa de hardware, alinea el orificio con una herramienta de yunque diseñada para manejar diámetros de sujetadores específicos. Un nuevo diámetro requiere una nueva herramienta de yunque, un hecho que durante años ha promovido algunos arreglos arduos de producción por lotes.

FIGURA 2. La alimentación por cuenco elimina los aspectos más tediosos de la inserción del hardware.

Imagine un taller fabuloso con la última tecnología de corte y doblado, todo con cambios de herramientas rápidos y automáticos que permiten la producción en lotes pequeños o incluso en kits. Luego, las piezas llegan a la inserción del hardware, donde, si las piezas requieren diferentes tipos de hardware, los operadores recurren a la producción por lotes. Podrían, por ejemplo, insertar un lote de 50 piezas, cambiar los yunques y luego insertar el nuevo hardware en los orificios requeridos.

Una prensa de hardware con torreta cambia el escenario. El operador ahora puede insertar un tipo de hardware, girar la torreta y luego buscar otro tipo de hardware en un contenedor codificado por colores, completando todos los requisitos de hardware en una sola configuración (consulte la Figura 5).

"Dependiendo de cuántas piezas tenga, es menos probable que no pueda insertar una pieza de hardware", dijo van de Bor. "Se completa toda la pieza con un solo manejo, por lo que no se pierde ningún paso al final".

Una combinación de torretas de alimentación por cuenco y yunque en una prensa de inserción puede hacer que el procesamiento basado en kits sea una realidad en el departamento de ferretería. En una configuración típica, los fabricantes dedican la alimentación por tazones a los herrajes comunes de mayor volumen y luego colocan los herrajes que se usan con menos frecuencia en contenedores codificados por colores cerca del área de trabajo. Cuando los operadores toman una pieza que requiere múltiples tipos de hardware, comienzan a insertarla, escuchan un "bip" de la máquina (que indica que es hora de usar hardware nuevo), giran la torreta del yunque, revisan una imagen 3D de la pieza en el controlador, luego inserte la siguiente pieza de hardware.

Imagine un escenario en el que el operador inserta una pieza de hardware tras otra, aprovechando al máximo la alimentación automática del tazón y girando la torreta del yunque según sea necesario. Luego, después de que la herramienta superior agarra un sujetador alimentado automáticamente desde la placa de lanzadera y desciende hacia la pieza de trabajo en el yunque, se detiene. El control alerta al operador que el sujetador no tiene la longitud que debería tener.

Como explicó Boggs: “En el modo de configuración, la prensa desciende lentamente el ariete y registra su posición. Entonces, cuando funciona a máxima velocidad y el sujetador toca la herramienta, el sistema garantiza que la longitud del sujetador esté dentro de un rango [de tolerancia] específico. Una medición fuera de rango, ya sea demasiado larga o demasiado corta, genera un error en la longitud del sujetador. Esto, combinado con la detección de sujetadores (sin vacío en la herramienta superior, generalmente causado por un error de alimentación del hardware), así como el monitoreo y mantenimiento de ventanas de tonelaje (en lugar de que el operador ajuste manualmente una válvula), crea un sistema robusto y maduro. para la automatización.

"Una prensa de hardware que se autoverifica puede ser una gran ventaja para una celda robótica", dijo Boggs. “En las configuraciones automatizadas, un robot mueve la hoja a su posición y envía una señal a la prensa que básicamente dice: 'Estoy en posición; adelante y haga un ciclo en la prensa'".

La prensa de hardware garantiza que el pasador del yunque (que encaja en el orificio de la pieza de trabajo de chapa) esté limpio. La presión de vacío en el punzón superior es la que debería ser, por lo que hay un sujetador presente. Sabiendo todo esto, la prensa envía una señal al robot.

Como lo expresó Boggs, “la prensa de hardware básicamente mira todo y le dice al robot: 'Está bien, estoy bien'. Inicia un ciclo de prensado, asegurando que haya un sujetador presente y que su longitud sea correcta. Luego verifica que el ciclo esté completo, asegurando que la presión utilizada para insertar el hardware fuera correcta, luego envía una señal de ciclo de prensa completo al robot. El robot lo recibe y sabe que todo está claro para mover la pieza al siguiente agujero”.

Todas esas comprobaciones de la máquina, realizadas inicialmente para el operador manual, proporcionan efectivamente una buena base para una mayor automatización. Boggs y van de Bor describieron más ajustes, como ciertos diseños que ayudan a evitar que las láminas se peguen al yunque. "A veces los sujetadores se pegan después de los ciclos de prensa", dijo Boggs. “Es un problema inherente cuando se presiona material. Cuando se atasca en la herramienta inferior, los operadores generalmente pueden girar un poco la pieza de trabajo para levantarla”.

FIGURA 4. Una placa de lanzadera se atornilla con pasadores de ubicación. Una vez configurada, la lanzadera presentará los herrajes a la herramienta superior, que utiliza presión de vacío para poder sostener y transportar los herrajes a la pieza de trabajo. Un yunque (abajo a la izquierda) se encuentra en una de las cuatro estaciones de torreta.

Desafortunadamente, los robots no tienen la delicadeza de un operador manual. "Por eso, ahora hay diseños de prensas que ayudan a facilitar la extracción de la pieza de trabajo, ayudando a empujar el sujetador fuera de la herramienta inferior, para que no se pegue después de los ciclos de prensa".

Ciertas máquinas tienen diferentes profundidades de garganta que pueden ayudar a los robots a maniobrar la pieza de trabajo dentro y fuera del espacio de trabajo. Las prensas también pueden incorporar soportes que ayudan a los robots (y a los operadores manuales, en realidad) a posicionar el trabajo de manera confiable.

En última instancia, la confiabilidad es clave. Los robots y cobots podrían ser parte de la respuesta, y su integración se ha vuelto mucho más sencilla. "En el espacio de los cobots, los proveedores han dado pasos agigantados para simplificar al máximo su integración con las máquinas", dijo Boggs, "y los fabricantes de prensas han realizado el trabajo de desarrollo para garantizar que existan los protocolos de comunicación correctos".

Pero la tecnología de la prensa y las prácticas del taller, incluidos los soportes de las piezas de trabajo, las instrucciones de trabajo claras (y documentadas) y la capacitación adecuada, también desempeñan su papel. Boggs agregó que todavía recibe llamadas sobre sujetadores faltantes y otros problemas en el departamento de hardware, muchos de los cuales utilizan máquinas confiables pero muy antiguas.

Las máquinas pueden ser confiables, pero la inserción de hardware no es para personas no calificadas ni comprometidas. Piense en la máquina que detecta un error de longitud. Esa simple verificación evitó que un pequeño error se convirtiera en un problema mayor.

FIGURA 5. Esta prensa de hardware tiene una torreta de yunque con cuatro estaciones. Este sistema también tiene una herramienta de yunque especial que ayuda a los operadores a llegar a áreas de difícil acceso. Aquí, el hardware se inserta justo debajo de una brida de retorno.