Un 'caso' a favor de la agilidad

Figura 1Tres sistemas de soldadura robótica idénticos se encuentran en fila, cada sistema controlado por un operador. Todos los operadores de robots de Case New Holland son soldadores certificados.

Case New Holland (CNH), el gigante mundial de equipos agrícolas y de construcción, está a punto de estallar. Su fábrica de Fargo, Dakota del Norte, continúa comprando robots y ampliando el espacio de la fábrica a medida que crece la demanda de productos agrícolas (Ag) y el volumen de equipos de construcción (CE) se mantiene fuerte. La empresa ha invertido millones a lo largo de los años, pero parece que no puede comprar suficientes robots ni contratar suficiente gente. Entonces, además de trabajar más duro, la empresa ha tenido que aprender a trabajar de manera mucho más inteligente.

Ser eficiente y competitivo no se trata de comprar robots o contratar más personas indiscriminadamente, ni siquiera de sistemas eficientes o programas de calidad, por muy necesarios que sean todas esas cosas. En última instancia, se trata de equilibrar la tecnología y la mano de obra y, a partir de ahí, desarrollar una nueva filosofía de fabricación. El objetivo de CNH Fargo es la flexibilidad; la empresa necesita responder al mercado de la manera más eficiente posible.

Como lo expresó Bill Moser, gerente de ingeniería de fabricación: "Estamos tratando de establecer la flexibilidad que permitirá que los cronogramas estadounidenses suban y bajen y las combinaciones de modelos suban y bajen para utilizar mejor nuestras inversiones".

CNH Fargo tiene cerca de 30 sistemas de soldadura robótica en producción, muchos de ellos grandes y complejos (verFigura 1 ), soldando componentes como los bastidores de los tractores agrícolas con tracción en las cuatro ruedas y 535 caballos de fuerza. Tradicionalmente, un gran sistema de soldadura, que se espera que produzca piezas durante al menos 15 años, se ha dedicado a una familia de piezas específica. Pero esa tendencia está cambiando. Con volúmenes crecientes y necesidad de flexibilidad, CNH ahora busca sistemas automatizados con una advertencia muy importante.

Deben poder soldar cualquier pieza (CE o Ag) en cualquier dispositivo, en cualquier robot, en cualquier momento para satisfacer las necesidades fluctuantes del mercado.

En CNH los sistemas robóticos son inmensos. Sus posicionadores de dos ejes manejan más de 12 000 libras y pueden proporcionar un verdadero movimiento coordinado. Se mueven junto con el robot, que está montado sobre un pórtico de tres ejes. Los sistemas mantienen velocidades de soldadura precisas incluso si los 11 ejes (seis ejes de robot, tres ejes de pórtico y dos ejes de posicionador) se mueven al mismo tiempo (consulteFigura 2 ). Están montados en fosas para que las piezas grandes que se sueldan no golpeen el suelo cuando se manipulan hasta la posición de soldadura. Debido a las importantes cargas en voladizo, los posicionadores en realidad están soldados a vigas en I fundidas en el piso de concreto.

Para proporcionar la flexibilidad necesaria, estos enormes sistemas deben configurarse de manera que los programas de robot puedan intercambiarse libremente de un sistema de soldadura robótico a otro (verfigura 3 ). CNH cuenta ahora con cinco sistemas de este tipo, cada uno con dos estaciones de soldadura y dos posicionadores, es decir, 10 posicionadores de soldadura en total.

Anteriormente, las células de soldadura robótica estaban totalmente segregadas en departamentos de Ag y CE. A medida que aumentara la producción de Ag, los productos de Ag llegarían a las celdas de soldadura CE para ayudar a cumplir con los requisitos de producción. Esto funcionó sólo durante un tiempo antes de que el flujo de materiales y la disposición de las celdas limitaran lo que se podía hacer.

El nuevo objetivo de la empresa: cualquiera de los 22 marcos diferentes debe poder fluir a través de cualquier celda robótica con una interrupción mínima.

Esto no fue fácil. Los tractores agrícolas y las cargadoras de ruedas grandes tienen bastidores articulados. Los vehículos giran en el medio, por lo que cada tipo tiene un bastidor delantero y trasero. En el pasado, la empresa dividía el departamento de soldadura de marcos en cuatro funciones según el tipo de marco que se soldaba: marco delantero Ag, marco trasero Ag, marco delantero CE y marco trasero CE.

Figura 2 Los posicionadores proporcionan un verdadero movimiento coordinado, incluso con 11 ejes moviéndose simultáneamente (seis ejes de robot, tres ejes de pórtico y dos ejes de posicionador).

Estos grandes bastidores de tractor tuvieron que soldarse por puntos antes de cargarlos en el dispositivo de soldadura del robot. Cada una de estas cuatro áreas también tenía su propia estación de soldadura de acabado donde un soldador manual terminaría las envolturas y los empalmes (soldaduras que el robot no puede completar adecuadamente) y agregaría piezas pequeñas como soportes y pernos que obstaculizarían el camino del robot si se añadieran. antes de la soldadura robótica.

Lo que se necesitaba era un método de fabricación que pudiera mantener las estaciones de soldadura por puntos y acabado funcionando de manera eficiente pero lo suficientemente flexible como para enviar piezas a través de células robóticas en cualquier combinación que demandara el mercado.

La solución de la empresa: si bien las células de soldadura por puntos todavía pueden manejar solo una de las cuatro familias de productos (marco delantero Ag, marco trasero Ag, marco delantero CE, marco trasero CE), las nuevas células de soldadura robóticas flexibles ahora manejan cualquier marco que se les envíe. .

Las cuatro áreas de grapado siguen siendo distintas porque es demasiado complejo construir un dispositivo de grapado capaz de ubicar todos los componentes para más de un tipo de marco. Pero al diseñar dispositivos de tachuela que pueden manejar más de un tamaño de pieza dentro de una familia de productos específica y al cambiar ubicaciones y diseños, CNH ha hecho que el proceso de tachuela sea lo más conveniente posible.

Los gerentes de taller también implementaron una nueva estrategia de soldadura por puntos. En el pasado, la soldadura por puntos estaba destinada únicamente a mantener la pieza unida hasta que el robot pudiera soldarla. El nuevo fundamento establece que si una persona va a aplicar soldaduras a la pieza, entonces debe hacer que esas soldaduras valgan algo. Los soldadores colocan estratégicamente tachuelas en áreas que pueden ayudar al robot a realizar soldaduras de calidad. Dicho de otra manera, las soldaduras por puntos no sólo mantienen las piezas en su lugar, sino que también facilitan el trabajo del robot.

Después del virado, los marcos pasan a uno de los sistemas robóticos para soldarlos. La empresa aprendió desde el principio que los robots deben instalarse de modo que las dimensiones críticas del sistema (incluida la distancia desde el pórtico del robot a los posicionadores, su paralelismo y perpendicularidad) sean idénticas dentro de unas pocas milésimas de pulgada. Esta se ha convertido en la cuestión más crucial para lograr flexibilidad en la producción.

Algunos pueden pensar que no es gran cosa configurar varios sistemas idénticos. La industria automotriz lo hace todo el tiempo. Pero esto no es una tarea fácil con equipos tan grandes que consisten en componentes que se montan de forma independiente en un piso de concreto imperfecto. El servopórtico que transporta el robot tiene tres ejes de movimiento con 50 pies de recorrido en el piso. El eje base de cada posicionador de doble eje está clasificado con una carga de placa frontal de 50.000 newtons. Aunque el trabajo concreto es profesional y de alta calidad, todavía no es perfecto. Y cada uno de estos grandes componentes está montado de forma independiente en el suelo sin ningún marco de conexión entre ellos.

Todo esto requirió un procedimiento para llevar las instalaciones de robots a un nivel de precisión mucho mayor. El proveedor de robots, Cloos Robotic Welding, implementó un instrumento de alineación láser de alta precisión durante la construcción e instalación para garantizar que todos los sistemas robóticos estuvieran configurados exactamente igual. Es cierto que había otros métodos para lidiar con sistemas robóticos que no están alineados de manera idéntica, como la detección táctil, el seguimiento de costuras y otras manipulaciones de software como sistemas de coordenadas alternativos. Sin embargo, al eliminar tantas variables como sea posible durante la instalación, los resultados serían más consistentes y más fáciles de vivir a largo plazo.

Tener cada estación de soldadura robótica físicamente idéntica hace posible que la empresa enrute un marco particular a cualquiera de varios sistemas robóticos. Los programas de robot se pueden copiar de un robot a otro sin la tediosa tarea de retocar un programa de soldadura con varios miles de líneas de código. Esta flexibilidad garantiza que las fluctuaciones de volumen en un modelo particular tendrán poco efecto en el flujo del producto. Si un distribuidor en particular pide una gran cantidad de un tipo de tractor, no hay problema en programar la producción para satisfacer esos requisitos.

CNH aún puede agrupar ciertos fotogramas. Aunque cada dispositivo de robot está diseñado para manejar cualquier marco que se le presente (verFigura 4 ), aún se puede eliminar un tiempo de cambio discreto si la empresa puede programar tres o cuatro cuadros idénticos seguidos. Aun así, CNH suele soldar piezas en cantidades tan pequeñas como una.

La simulación de la Figura 3A se utiliza para la programación fuera de línea de los cinco sistemas de soldadura robótica de CNH Fargo. En cada una, la segunda estación permite terminar de soldar, descargar y recargar, mientras el robot trabaja en la primera estación.

No es difícil lograr un 90 por ciento de éxito con cualquier pieza de tecnología, pero el principio de Pareto establece que obtener ese último 10 por ciento es lo que define a un fabricante de clase mundial. CNH se esfuerza por extraer ese último 10 por ciento de sus cuantiosas inversiones. A continuación se detallan algunas de las formas en que la empresa está trabajando para lograrlo.

Para mayor flexibilidad, cada sistema de robot está equipado con una pistola de soldar tradicional de un solo alambre y una pistola de soldar en tándem, que tiene dos alambres de soldadura alimentados a través de una boquilla común para duplicar las velocidades de soldadura y las tasas de deposición. Un cambiador de herramientas cambia automáticamente entre las dos pistolas durante el programa del robot. Esto permite que el robot suelde prácticamente cualquier unión de la pieza, ya sea material pesado (de más de 1 pulgada de espesor en algunos marcos) o láminas de metal delgadas como las que se encuentran en los guardabarros.

Debido a que los programas de soldadura robótica son largos y complejos, tomó algunas semanas completar la programación de las piezas nuevas. La empresa aceleró el proceso mediante programación fuera de línea.

En la mayoría de los sistemas nuevos, los técnicos programan piezas fuera de línea utilizando un programa de simulación específico para la marca de robots que se utiliza. Los programas se pueden escribir por completo, introducir los datos de soldadura y completar toda la lógica de programación incluso antes de instalar el robot. Después de la instalación del robot, es una simple cuestión de descargar el programa y seguir el proceso para asegurarse de que todo esté listo para la producción.

Antes de que el robot comience su programa de soldadura, el operador realiza la soldadura previa. Esto ayuda al robot a hacer un mejor trabajo, por ejemplo, haciendo envolturas o atados en áreas que el robot no puede alcanzar. Cuando la presoldadura se realiza correctamente y con cierta previsión, el robot se puede programar para unirse a estas envolturas, aumentando así la calidad de la soldadura y reduciendo el tiempo de acabado de la soldadura.

Cada sistema de soldadura robótica tiene dos estaciones de soldadura con posicionadores grandes y resistentes. Esto permite al operador trabajar en una estación mientras el robot suelda en la otra. La mano de obra es cara y escasa, y como los tiempos de ciclo del robot varían desde menos de dos horas hasta cinco horas, el operador tiene tiempo para realizar algunas tareas importantes.

"Parte de nuestro objetivo es invertir en equipos que nos permitan tener una estación adicional donde realizamos el preenvoltorio, la presoldadura y el viraje estratégico", dijo Moser, "para minimizar tanto como podamos el manejo del material y tratar de ser lo más eficientes posible con nuestros procesos manuales".

El operador utiliza este tiempo para realizar la soldadura final una vez completado el ciclo del robot. Esto se hace mientras la pieza todavía está en el dispositivo del robot, lo que elimina la manipulación adicional de material. Mientras el robot suelda en la otra estación, el operador puede mover su posicionador manualmente para posicionar la pieza para soldadura manual. Otras tareas incluyen cambiar el dispositivo para la siguiente parte de la cola y descargar y recargar el dispositivo. El operador también puede realizar un mantenimiento preventivo menor, que puede incluir limpiar o cambiar la pistola de soldar o revisarla en la plantilla de la pistola.

"Con nuestro producto y la forma en que está diseñado, una automatización del 100 por ciento no es realista", afirmó Moser. "Por eso nos esforzamos por encontrar esa delgada línea en la que podamos aplicar procesos manuales con automatización".

La empresa equilibra cuidadosamente el trabajo del operador y del robot. En algunos casos, por ejemplo, es posible que se retiren las soldaduras del robot y se las entreguen al operador para equilibrar mejor la carga de trabajo y eliminar las soldaduras con las que el robot puede tener dificultades debido a limitaciones de alcance o ajuste.

Figura 4: Se pueden configurar accesorios flexibles para aceptar una variedad de marcos delanteros y traseros para productos Ag y CE. Esto ahorra dinero y reduce el tiempo de cambio.

Case no ha olvidado el elemento humano. Ambos turnos de soldadura robótica están cubiertos por técnicos experimentados en programación y mantenimiento de robots, y los operadores de robots están calificados para recuperarse de cualquier problema que el robot pueda encontrar durante la producción normal. Lo más importante es que sólo los soldadores capacitados y certificados pueden convertirse en operadores de robots en CNH.

El pensamiento estratégico sobre cómo se pueden utilizar mejor herramientas como la robótica y otras formas de automatización para optimizar el flujo y la calidad del producto ha ayudado a mantener a CNH ágil, competitiva y en crecimiento.

"Es un mundo cambiante", concluyó Moser. "Al final del día, [cuando] hablamos de flexibilidad y fabricación, tenemos que ser capaces de girar en un instante".