Cuando un proveedor automotriz Tier 1 llegó a Ethos Automation con un reto, el reto no era simplemente construir una máquina más rápida. Era reemplazar un proceso que nunca se había automatizado del todo, y hacerlo con robots lo bastante flexibles para sobrevivir al programa para el que fueron construidos.
El cliente suministra componentes estructurales y de cierre a algunos de los programas automotrices más exigentes del mundo. Para un ensamble de soporte de compuerta trasera que corre en dos modelos de vehículo estrechamente relacionados, tenían un proceso manual intensivo en mano de obra: hasta doce operadores cargando componentes en prensas manuales, manejando variantes de mano izquierda y mano derecha en ambos modelos, ensamblando siete componentes por soporte a mano. La producción estaba atada directamente al número de personas. La calidad estaba atada directamente a la consistencia, y la consistencia en un proceso manual tiene límites.
El encargo que recibió Ethos era preciso: automatizar todo el proceso, desde la carga de componentes hasta el empaque de la pieza terminada. Lograr un tiempo de ciclo por debajo de catorce segundos. Manejar las variantes LH y RH de ambos modelos. Hacerlo dentro de un espacio restringido. Y hacerlo en un programa que dejaba poco margen para lo inesperado.
Había un requisito adicional que dio forma a todo el enfoque de ingeniería: el cliente quería robots, no automatización dura fija. Estaban pensando más allá de este programa. En un negocio donde los modelos de vehículo cambian y los requisitos de ensamble evolucionan, querían equipo que se pudiera reutilizar, activos que siguieran generando valor mucho después de que estos dos modelos terminaran su ciclo de vida de producción.
Esa decisión hizo el proyecto considerablemente más complejo. Y volvió el resultado considerablemente más valioso.
Construir la celda
La solución que diseñó Ethos despliega doce robots a lo largo de la celda, cada uno seleccionado por la carga, el alcance y las exigencias de precisión específicas de su estación, y cada uno con un papel claramente definido en la secuencia de ensamble.
Cuatro robots FANUC 50iD manejan los componentes pequeños y críticos en precisión que llegan de alimentadores vibratorios: bujes, anillos de conductividad y pernos. Son tomas de alta repetibilidad que exigen orientación consistente y precisión de colocación, trabajo que le queda bien a la forma compacta y el control fino de movimiento del 50iD.
Cinco robots FANUC M20iD se encargan del trabajo más pesado: cargar forjas y estampados individuales en las estaciones, y girar y orientar soportes ya ensamblados para sacarlos de la zona de carga del operador y llevarlos a las estaciones de proceso aguas abajo. Son los caballos de batalla de la celda, moviendo masa con velocidad.
Tres robots FANUC R1000iA asumen las tareas de manejo multipieza más complejas. Uno administra el empaque de pieza terminada, tomando soportes ensamblados y acomodándolos por capas en contenedores de embarque forrados de cartón, con un herramental con cambiador que le permite además tomar y colocar hojas completas de cartón entre capas. Un segundo transfiere pares de piezas entre estaciones de prensa en una secuencia coordinada de entrega de dos piezas. El tercero opera en la zona de prueba, marcado e inspección, manejando tres piezas simultáneas a través de prueba de torque, marcado de pieza verificado por visión OCR e inspección de calidad antes de que cualquier soporte se libere para empaque.
Las piezas terminadas se empacan en contenedores sin portadores fijos ni elementos de localización para la geometría específica del soporte. El robot de empaque determina la colocación de forma dinámica.
El gerente de ingeniería mecánica de Ethos encabezó al equipo de diseño en lo que se convirtió en uno de los proyectos técnicamente más estratificados de la historia de la empresa, con tres diseñadores aportando cada uno una especialidad distinta a la construcción. Cada componente de esta línea tenía que trabajar con los demás con precisión. El lado mecánico no era solo estructura y soporte, era habilitar a los equipos de controles y robótica para que hicieran lo que tenían que hacer.
Uno de los retos mecánicos más exigentes tuvo que ver con la estrategia de toma de dos de los robots. Ambos tenían que tomar de tres estaciones de alimentación distintas de forma simultánea, lo que significaba que las tres estaciones tenían que estar alineadas con precisión submilimétrica a una sola posición de toma programada. Los robots no ajustan su trayectoria entre estaciones. Hay una posición para tomar y una posición para soltar. Si cualquier estación se desvía, la toma falla. Diseñar esa consistencia en el diseño mecánico, y sostenerla a través de las condiciones térmicas y dinámicas de un entorno de producción, exigió un nivel de rigor por encima de la práctica estándar de construcción de máquinas.
El problema del apilamiento de tolerancias
Las tolerancias de manufactura son inevitables. Cada componente tiene una especificación, y cada especificación tiene una banda. Un solo componente en el límite de su tolerancia es aceptable. El reto en esta línea era que el ensamble del soporte involucra cuatro componentes distintos: una forja, un buje, un soporte formado y un anillo de conductividad, cada uno con su propia banda de tolerancia.
Cuando los cuatro llegan al mismo tiempo en o cerca de sus respectivos límites, el apilamiento dimensional acumulado puede empujar al ensamble fuera del rango que el herramental automatizado está diseñado para tolerar. Un gripper o una herramienta de prensa diseñados para piezas nominales pueden no funcionar correctamente sobre un conjunto armado enteramente de extremos. Y en producción de alto volumen, ese escenario no es un caso teórico de borde: pasa con regularidad.
Diseñar herramental capaz de absorber toda la envolvente de variación de los cuatro componentes, manteniendo al mismo tiempo la repetibilidad y el tiempo de ciclo que el contrato requería, fue uno de los retos centrales de ingeniería mecánica del proyecto.
El anillo de conductividad
No todo reto en un proyecto complejo de automatización se origina en la máquina. Algunos llegan en el contenedor de piezas.
Los anillos de conductividad de este ensamble son excepcionalmente delicados: componentes delgados y ligeros que se deforman con casi nada de fuerza. Se comprimen con demasiada facilidad. Se estiran con demasiada facilidad. En un proceso de ensamble manual, un operador hábil compensa esa variabilidad por instinto. Un sistema automatizado no puede.
Cuando llegaban anillos fuera de especificación, demasiado abiertos para sujetarse de forma consistente, algunos pasaban de todos modos por el nido pasa/no pasa del alimentador vibratorio y seguían su camino por el inline. Por su geometría, los anillos fuera de especificación además se traslapaban, apilándose unos sobre otros en vez de separarse limpiamente para presentarse de uno en uno al robot. El resultado era una estación de toma en la que no se podía confiar.
Antes de rediseñar el herramental de punta de brazo, el reporte del equipo de ensamble fue directo: tomar la pieza era extremadamente difícil, y los anillos son lo bastante sensibles como para que la forma de manejarlos determine si se mantienen en especificación.
Había dos problemas distintos que resolver, y requerían dos soluciones distintas.
El primero era la toma misma. El equipo de diseño mecánico rediseñó el herramental con un tope mecánico de fin de carrera ajustable con laminillas: un tope de posición regulable con precisión que fijaba la profundidad exacta de compresión de las mordazas en cada ciclo. Al comprimir el anillo ligeramente y de forma consistente durante la toma y la colocación, el herramental mantenía el anillo lo bastante circular para asentarse de manera confiable sobre el perno localizador de la prensa, sin importar la variación dimensional menor de las piezas entrantes.
El segundo problema era más sutil. La estación de toma, el "nido muerto" donde el robot recoge el anillo, resultó no estar nada muerta. El transportador inline seguía activo durante el ciclo de toma del robot, lo que introducía vibración y movimiento justo en el peor momento, provocando tomas fallidas y colocación inconsistente. El equipo de controles detuvo el inline durante la ventana de toma para eliminar esa interferencia.
Pero apagar el inline creó un problema nuevo: cuando el transportador se detenía, el anillo no siempre quedaba contra el tope en la misma posición. El punto de llegada era aleatorio, en función de dónde estuviera el anillo cuando el inline se cortaba. Para resolverlo se agregó un imán al final del inline. Cuando el transportador se apaga, el imán jala el anillo hasta dejarlo a ras contra el tope, dándole al robot una posición de toma consistente y repetible en cada ciclo.
Cada arreglo atendió una capa del problema. Juntos, convirtieron una estación poco confiable en una estable.
Controles: integrar una docena de sistemas en uno
La arquitectura de controles de esta línea es, por cualquier medida, compleja. El ingeniero líder de controles fue responsable de integrar un sistema que incluía doce robots FANUC con toma guiada por visión, prensas servo, remachadoras Baltec, equipo de prueba de torque, cámaras de visión OCR para verificación del marcado, cambiadores de herramienta, alimentadores vibratorios y una secuencia de empaque a la medida, todo coordinado por un sistema de control basado en un PLC Omron con una plantilla de HMI especificada por el cliente.
Cada uno de esos sistemas tiene su propio protocolo de comunicación, sus propios requisitos de tiempo, sus propios modos de falla. Hacerlos funcionar por separado es un problema de ingeniería. Hacerlos funcionar juntos dentro de un ciclo menor a 14 segundos, con cero tolerancia a errores de secuencia en una línea que corre variantes LH y RH al mismo tiempo, es un problema completamente distinto.
El resumen del propio equipo de controles fue que la cantidad de sistemas en esta línea que tenían que comunicarse y secuenciarse correctamente no se parecía a la de la mayoría de los proyectos. El reto no era ningún sistema en particular. Era lograr que todos confiaran entre sí.
Ocho semanas antes, en el piso del cliente
A media obra, el cliente informó a Ethos que necesitaba la línea antes de lo contratado, ocho semanas antes, para cumplir un requisito de disponibilidad de producción en su planta. La máquina no estaba completa. Trabajo de integración y puesta en marcha que normalmente ocurriría dentro de las instalaciones de Ethos en Brantford tendría que ocurrir en la planta del cliente.
El constructor líder de Ethos en el proyecto estuvo con las manos en la máquina todo el tiempo: primero en el piso de Brantford durante la construcción, después en las instalaciones del cliente durante la puesta en marcha. Cuando la fecha de embarque se adelantó ocho semanas, él ya estaba metido hasta el fondo en la máquina. Se fue con ella.
Problemas de apilamiento de tolerancias que normalmente se resolverían en un entorno de taller controlado hubo que trabajarlos en campo, junto al cliente, bajo presión de programa de producción. Problemas de calidad de pieza que aparecieron por primera vez en un contexto de producción en vivo necesitaron decisiones de ingeniería en tiempo real.
Resolver apilamientos y problemas de calidad de pieza directamente en el piso de un cliente, con su equipo observando, es otro tipo de presión. También significa resolver problemas reales con piezas reales en condiciones reales, y lo que se resuelve así se queda resuelto.
El equipo de construcción permaneció en las instalaciones del cliente hasta que la línea corrió de forma confiable. Esa presencia directa, en el piso del cliente, resolviendo en tiempo real, fue lo que finalmente llevó la línea a la meta.
El resultado
La línea está corriendo hoy en la planta del cliente. Está logrando un tiempo de ciclo de 12.8 segundos, por debajo del requisito contratado de menos de 14 segundos. Un proceso que antes requería hasta doce operadores ahora requiere uno, cuya única responsabilidad es cargar componentes en bruto al inicio de la línea. Todo lo demás, ensamble, formado, marcado, verificación y empaque, ocurre de forma automática.
A capacidad plena de producción, la línea produce 1.42 millones de ensambles de soporte de compuerta por año.
Los robots que el cliente exigió ya están cumpliendo su promesa como activos reutilizables. La arquitectura de la línea se diseñó pensando en la flexibilidad, y el cliente ya está en conversaciones tempranas sobre lo que sigue: reemplazar al único operador humano de carga con un robot guiado por visión, eliminando el último punto de contacto manual y permitiendo que la línea corra completamente en modo lights out. Sin operadores. Sin restricciones de turno. Producción continua.
Para Ethos Automation, este proyecto fue una demostración de lo que significa tomar trabajo que no se ha hecho antes. El ensamble totalmente robótico de bisagras y soportes a este nivel de complejidad y volumen no tenía un manual establecido. El equipo escribió uno.
Fue de esos proyectos en los que, en varios momentos, uno se pregunta si va a funcionar. Funcionó. Y funcionó mejor de lo que Ethos se comprometió a entregar.