Cuando se concibió inicialmente la robótica industrial, se diseñó para utilizar actuadores hidráulicos y tubos de vacío. Aunque eran funcionales, las aplicaciones de estos robots eran limitadas. A medida que la tecnología avanzó, el uso de la hidráulica dio paso a servomotores eléctricos más rápidos y precisos. Del mismo modo, los tubos de vacío fueron sustituidos por transistores y microordenadores. Y los diversos dispositivos utilizados para registrar la posición física del robot han evolucionado hasta convertirse en resolvers y encoders.
A medida que los distintos fabricantes de robots aumentaban la producción, también seguían aumentando las mejoras en velocidad, precisión y fiabilidad. Se utilizaron piezas fundidas más ligeras y rígidas. Estas, junto con cajas de engranajes y servomotores de mayor precisión, han permitido que los robots sigan reduciendo su tamaño, manejen cargas útiles más grandes y ocupen menos espacio (footprint) en la planta de manufactura. Las aplicaciones en las que la automatización rígida solía ser la única solución ahora cuentan con soluciones robóticas.
Por ejemplo, en la industria automotriz, la automatización rígida se utilizaba exclusivamente para mover piezas del vehículo o el vehículo completo de una línea a otra o de una estación a otra. Ahora, los robots pueden levantar el vehículo completo y reposicionarlo según sea necesario. Esta solución es considerablemente más rentable que la automatización rígida y muy fácil de adaptar a los cambios de modelo o a múltiples modelos en la misma línea de producción.
Todos estos avances robóticos contribuyen a aumentar la productividad, disminuir el costo total de propiedad y reducir la inversión de capital, al tiempo que mejoran la vida útil de la máquina. Con estos avances tecnológicos, el robot industrial se está convirtiendo rápidamente en un componente común dentro de los entornos de manufactura. Estos avances no se limitan al entorno industrial. Los fabricantes han desarrollado robots humanoides que pueden correr, saltar e incluso ayudar en diversos entornos quirúrgicos.
Cada una de estas diversas áreas de aplicación se está absorbiendo en su conjunto en toda la disciplina de la automatización. Son estos diversos avances los que han permitido a los fabricantes montar un láser en un robot y realizar soldaduras o cortes con extrema precisión y versatilidad.
Avances en tecnología láser
Los láseres también han evolucionado de muchas maneras desde sus inicios. La potencia de los láseres pasó de menos de 1 W en la década de 1960 a los 2 billones de W actuales. Los nuevos láseres de fibra han tenido un gran impacto al reducir el costo y el tamaño, al tiempo que han mejorado la calidad, la confiabilidad y la eficiencia del haz.
Mediante el uso de divisores de haz (beam splitter), un solo generador láser puede utilizarse tanto para cortar como para soldar. Los divisores de haz permiten que un solo generador utilice diferentes tamaños de fibra para optimizar el proceso para diferentes materiales o espesores de material. Anteriormente, estos procesos podían requerir hardware específico para cada uno de ellos.
Además, los avances en los cabezales ópticos y las fibras ópticas han hecho que sea más posible que nunca aplicar un brazo robótico.
Junto con los avances en el hardware láser, hay algunas características igualmente impresionantes en el software. Por ejemplo, ahora es posible un mayor control sobre la potencia de salida y variar la potencia disponible en un rango más amplio. La salida también puede operarse en modo pulsado, ajustando la potencia, duración y frecuencia de los pulsos. En aplicaciones de soldadura, esto permite un mejor control de la profundidad y el perfil de penetración y minimiza la zona afectada por el calor circundante, lo que da como resultado una soldadura de mayor calidad. Todos estos parámetros no solo pueden ser controlados por el robot, sino que también pueden ser supervisados por él para el control del proceso y la calidad.
El robot también tiene la capacidad de acoplar directamente la potencia de salida del láser a la velocidad de desplazamiento del punto central de la herramienta (TCP). Esto permite una soldadura o un corte de mayor calidad al procesar superficies curvas o múltiples planos de superficies con un resultado final continuo y de aspecto uniforme.
En una aplicación como el recubrimiento por láser (laser cladding), la potencia del láser se puede utilizar para determinar la velocidad a la que se deposita el material de recubrimiento. Del mismo modo, si se realiza una soldadura fuerte por láser (laser brazing), la potencia del láser se puede vincular a un alimentador de alambre y se puede regular la velocidad a la que se introduce el alambre en el proceso.
Movimiento del cabezal
Los recientes avances en el cabezal de procesamiento láser han hecho posible que el robot controle el movimiento de trepanado en algunos cabezales. De forma similar a un cabezal de soldadura con escáner que dirige el rayo láser mediante espejos giratorios galvanométricos controlados por un microordenador, el robot controla los espejos o lentes mediante servomotores auxiliares y, por lo tanto, es programable mediante la programación estándar del robot con el teach pendant.
Esto permite al robot desplazarse a una posición fija y crear patrones únicos para diferentes diseños de soldadura. Este tipo de procesos de soldadura están sustituyendo rápidamente a las aplicaciones tradicionales de soldadura por puntos debido a su velocidad, control y capacidad para utilizarse en diversos materiales más allá del acero estándar.
A medida que avanzaban las capacidades de los robots y sus controladores, también lo hacía la disponibilidad y la implementación de dispositivos periféricos. Por ejemplo, los sensores de altura láser se han adaptado a la robótica como medio para localizar piezas en lugar de la detección táctil tradicional. Las ventajas son que es más rápido que localizar una pieza con el alambre de soldadura y tiene una mayor resolución y mejor repetibilidad que el alambre de soldadura. Además, no requiere contacto físico con la pieza, lo que permite realizar búsquedas en áreas más estrechas y más alejadas de las herramientas.
También hay láseres de baja potencia que guían al robot a lo largo de diversas costuras o patrones en el material, de modo que el robot puede ajustar su trayectoria en tiempo real para garantizar que sigue realizando soldaduras y cortes de calidad, incluso si el material base contiene una cantidad significativa de variaciones.
La visión artificial es otra área que ha crecido enormemente en la automatización robótica. Se han utilizado sistemas de cámaras industriales reforzadas en robots para identificar piezas, leer códigos de barras, realizar inspecciones, recoger objetos de sistemas de transporte en movimiento o de contenedores, y localizar objetos en el espacio 3D y guiar al robot hacia ellos.
Libertad de movimiento
En un mercado que tradicionalmente ha estado dominado por los cabezales controlados por CNC, la soldadura y el corte por láser posicionados robóticamente están empezando a ganar cuota de mercado como resultado de los avances mencionados anteriormente y, como es lógico, por la flexibilidad que ofrece un cabezal de procesamiento transportado por un robot.
Esto significa que son posibles seis grados de libertad, lo que permite al usuario romper con las limitaciones de la placa plana de una mesa X-Y y explorar el procesamiento de piezas 3D en el espacio tridimensional. Podría tratarse de tubulares circulares o cuadrados, o podría ser parte de un conjunto como el interior del chasis de un camión.
Además, si se utilizan motores auxiliares u otro robot para manipular la pieza, el acceso dentro de geometrías complejas se facilita al colocar la pieza y el robot en una ubicación óptima. Esto también favorece la capacidad de coordinar el movimiento entre la pieza y el robot, de modo que el proceso pueda continuar sin interrupciones.
Otra ventaja de utilizar un cabezal montado en un robot es la posibilidad de cambiar la herramienta del extremo del brazo entre un cabezal de soldadura y un cabezal de corte, o cambiar de un cabezal de soldadura a un dispositivo de esmerilado o pulido accionado por presión para el procesamiento posterior a la soldadura. Esto minimiza el espacio necesario en la costosa planta de producción, al no tener procesos dedicados individualmente.
Con un simple cambiador de herramientas, una celda robótica puede realizar múltiples funciones, lo que aumenta la calidad y optimiza el tiempo de ciclo por pieza. Esta solución también minimiza la cantidad de espacio dedicado y costoso que se requiere para realizar múltiples procesos.