Robots cartesianos para el packaging: Automatización del embalaje

Las operaciones de empaque continúan adoptando la automatización como una forma de reducir los costos laborales y los accidentes laborales, al mismo tiempo que mejoran la eficiencia y la calidad de los productos envasados. Sin embargo, el uso de la automatización no está distribuido de manera uniforme, ya que las grandes empresas de bienes de consumo envasados suelen contar con más automatización que las empresas de envasado más pequeñas.

Una área que está lista para aumentar la automatización son las operaciones que envasan o procesan productos agrícolas. Estas instalaciones, que a menudo están cerca de las granjas o son propiedad de estas, todavía dependen en gran medida de operaciones manuales de manipulación de materiales y pueden obtener beneficios inmediatos de un tipo de automatización basada en robots cartesianos de largo recorrido con herramientas de extremo de brazo personalizadas (EOAT) y capacidades avanzadas de detección. Estos robots pueden atender una variedad de máquinas de envasado, realizando tareas que de otro modo serían manuales, como la alimentación de máquinas de embalaje de cartones y formadoras de bandejas, o la separación de contenedores de cartón anidados para su uso en líneas transportadoras. Los robots cartesianos también pueden encargarse de operaciones de paletización y despaletización.

Estos robots cartesianos, que se construyen alrededor de dos o más etapas de posicionamiento lineal coordinadas, es posible que no sean lo primero que viene a la mente si eres nuevo en la automatización. En cambio, existe una tendencia natural a equiparar los robots con modelos de brazo articulado de 6 ejes que cada vez se ven más en las plantas de fabricación. Incluso los ingenieros experimentados en automatización pueden pasar por alto los robots cartesianos, centrando su atención en los modelos de 6 ejes.

Sin embargo, en aplicaciones en las que el robot debe atender una máquina de envasado, ignorar los beneficios de un sistema cartesiano simple puede ser un error costoso.

El problema de los robots de 6 ejes

Los robots de brazo articulado han logrado una posición destacada en muchas instalaciones automatizadas de fabricación y envasado, y con razón. Este estilo de robot, cuando se dimensiona correctamente, puede manejar cargas pesadas con facilidad. También tienen la flexibilidad para realizar muchos tipos diferentes de tareas automatizadas a través de cambios de programación y herramientas de extremo de brazo. En el trabajo adecuado, somos grandes admiradores de los robots de brazo articulado, y tenemos una larga historia construyendo brazos de robot personalizados para ensamblaje de electrónica y aplicaciones médicas.

Pero las ventajas de los robots de 6 ejes tienen un precio. No solo estos robots avanzados son costosos, sino que tienen un «densidad de robots» potencialmente alta en el sentido de que es probable que necesite una unidad para cada una o dos máquinas de envasado. Y aunque hay casos en los que un robot de 6 ejes más grande y costoso tiene el alcance para servir a más de un par de máquinas, estos arreglos pueden requerir que reorganice sus máquinas alrededor de un robot muy grande.

Los robots de brazo articulado también tienen costos secundarios elevados en forma de requerimientos de protección de seguridad y espacio en el suelo, así como el gasto en empleados capacitados capaces de programar y mantener estos robots.

El caso a favor de los robots cartesianos

Para muchos casos de uso en envasado, los robots cartesianos tienen ventajas sobre los modelos de 6 ejes. Una razón se relaciona con la densidad de robots. Un solo robot de transferencia cartesiano de largo recorrido puede atender múltiples máquinas de envasado, sin necesidad de reorganizar las máquinas alrededor del robot.

Al instalar los robots de transferencia sobre las máquinas que atienden, tampoco incurrirá en una penalización de espacio en el suelo. Los requisitos de protección de seguridad también son mínimos, al menos en comparación con los modelos de 6 ejes, ya que una instalación elevada separa naturalmente a los robots de los trabajadores. Por último, los robots cartesianos tienen requisitos de mantenimiento y programación de menor costo.

Para aprovechar estos beneficios, necesitará el tipo correcto de robot para el trabajo, y no todos los sistemas de robots cartesianos son iguales. De hecho, si busca robots cartesianos en línea, encontrará muchos sistemas más pequeños optimizados para operaciones de recogida y colocación en maquinaria de producción u operaciones de ensamblaje. Estos son robots muy diferentes de los robots de transferencia útiles en un entorno de envasado, que deben cumplir con algunos requisitos técnicos más desafiantes, incluyendo:

• Longitud de recorrido larga: Para que un solo robot atienda múltiples máquinas de envasado, es probable que necesite que el eje de recorrido más largo del robot alcance distancias de 50 pies o incluso más. Muchas de las etapas lineales utilizadas en los robots cartesianos de estantería simplemente no pueden alcanzar esas longitudes.
• Carriles controlados de manera independiente: Los robots de transferencia largos se vuelven aún más eficaces si varios carriles pueden desplazarse a lo largo del eje principal, cada uno realizando una tarea útil de manera independiente de otro. Esta capacidad es un gran multiplicador de fuerza para los robots cartesianos, lo que permite que una unidad haga el trabajo de muchas.
• Herramientas de extremo de brazo personalizadas (EOAT): Si bien algunas tareas de automatización de envasado pueden utilizar herramientas EOAT de estantería, como ventosas o pinzas, hemos descubierto que la construcción de herramientas específicas nos ha permitido manipular productos de manera más efectiva, lo que a su vez hace posible simplificar los sistemas de manipulación de materiales que trabajan en conjunto con el robot.
• Arquitectura de control simplificada: Una estrategia emergente para controlar robots cartesianos implica el uso de motores con accionamientos servo integrados en lugar de arquitecturas de control más tradicionales que dependen de motores, accionamientos y controladores separados, todo alojado en un costoso gabinete. Para algunos robots, que pueden tener necesidades de movimiento complejas, el enfoque tradicional puede ser una opción válida. En la mayoría de los casos, sin embargo, los motores servo integrados pueden manejar más que suficiente los requisitos de control de movimiento de punto a punto de los sistemas cartesianos. Cuando se pueden utilizar, los motores servo integrados pueden ayudar a maximizar la ventaja de costo de un sistema de automatización cartesiano.
• Uso selectivo: Dado que los robots cartesianos se pueden montar por encima o detrás de las máquinas que atienden, también permiten a los usuarios operar las máquinas manualmente cuando sea necesario, por ejemplo, para una ejecución corta de un tamaño especial. Este uso selectivo es difícil con los robots de 6 ejes en el suelo, que pueden bloquear el acceso a la máquina de envasado.

Un ejemplo de caso de aplicación del robot cartesiano en la alimentación de cajas de cartón

Un caso particular que puede interesar es la implantación de un conjunto de robots de transferencia de largo recorrido. Fueron construidos para una empresa de envasado agrícola. Cada robot atiende hasta cuatro máquinas a la vez, llenando las máquinas con láminas apiladas de cartón corrugado.

Instalados por encima de las máquinas, estos robots de puente de 3 ejes. Este diseño de etapa ofrece longitudes de recorrido ilimitadas, carros móviles independientes y la capacidad de montar la etapa en cualquier orientación. Para estos robots, el eje más largo de los tres, que se extiende sobre el grupo de formadoras de bandejas, tiene una longitud de recorrido de más de 15 metros.

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Para entregar láminas de cartón corrugado a las cuatro máquinas formadoras de bandejas, un robot primero recoge una carga de cartón de un muelle personalizado que sostiene paletas de láminas corrugadas. Luego entrega la carga de cartón a cada formadora de bandejas. Gracias al sistema de control de velocidad, que alcanza los 4 metros por segundo, los robots pueden seguir fácilmente el ritmo de cuatro formadoras de bandejas, incluso a la salida máxima de 35 bandejas por minuto.

Además del robot en sí, este sistema llave en mano cuenta con protección de seguridad elevada y disposiciones de detección que impiden que el robot llene una máquina cada vez que hay una persona presente debajo. El sistema de seguridad también permite el uso selectivo del robot: los trabajadores pueden atender manualmente una o más de las máquinas IPAK mientras el robot atiende las máquinas restantes. Esta capacidad permite ejecutar rápidamente bandejas especiales sin interrumpir las ejecuciones normales de alto volumen.

La protección de seguridad, que se basa en un arreglo simple de puertas correderas elevadas y sensores que bloquean el acceso del robot a la máquina de abajo, cuesta solo una fracción de lo que requeriría un robot de 6 ejes montado en el suelo.

También se incluyen en este sistema todos los controles y EOAT personalizados capaces de trabajar con pilas de láminas corrugadas que varían de manera impredecible en altura y peso. La herramienta es capaz de manejar cargas útiles de hasta 50 kg sin problemas.

Lo mismo no se puede decir de los operadores que solían cargar las máquinas. Recoger cargas de cartón de los palets y inclinarse para insertarlas en las máquinas formadoras era un trabajo agotador que provocaba quejas de lesiones. Automatizar estas tareas permitió que los trabajadores fueran reasignados a tareas menos físicamente exigentes.