AEI 519 - Hacia una convivencia necesaria entre los robots y el movimiento lineal

El control del movimiento (Motion control) no es referido habitualmente como una de las tecnologías habilitadores de la industria 4.0. Sin embargo, su importancia es vital para la consecución de algunos de los objetivos que suelen referirse bajo este concepto: reducción del tiempo de llegada al mercado, adaptación flexible de la producción a la demanda, mejora de la calidad del producto, aumento de la precisión y velocidad de la maquinaria, reducción de costes energéticos,…

Este informe recoge la opinión de diez especialistas en el ámbito del control de movimiento, que aportan su visión sobre la relación entre robots y movimiento lineal, el futuro de las soluciones neumáticas e hidráulicas, la aportación de los servocontroladores/servomotores y exponen la estrategia Motion 4.0 de sus compañías.

Convivencia necesaria entre robots y movimiento lineal

En un mercado donde el robot es una realidad cada vez más palpable, ¿qué espacio queda para las aplicaciones de control individual del movimiento? Los expertos consultados apuntan hacia una convivencia necesaria entre los robots y el movimiento lineal.

“La línea entre la robótica y el control de movimiento es una línea muy fina, y no se puede entender la una sin la otra”, reconocen Pere Roura, PM Delta Electronics IABG, y añade: “Nuestra experiencia con el mercado de semiconductores con los robots SCARA y antropomórficos nos ha enseñado que la aplicación no consiste únicamente en realizar una acción sobre el producto, sino transformarlo y transportarlo hasta el robot, y es ahí donde el control individual de movimiento es indispensable”. Coincide Luis Miguel Sainz Pena, director técnico de B&R España, quien responde: “El rendimiento óptimo los robots solo es alcanzable por medio de la sincronización del movimiento del propio robot con los demás elementos móviles que también intervienen en el proceso”.

Así opina también Jose Benjamin Horrillo Garcia, consultor de soluciones de diseño de Maquinaria de Rockwell Automation: “Hace años que los sistemas de control de movimiento están ampliando su implantación dentro de las soluciones industriales de forma constante y mantenida. Tanto la robótica como el control de ejes son disciplinas complementarias que han demostrado su eficacia para resolver la problemática productiva actual”.

Los robots no son una respuesta para todos, como nos recuerda desde Lenze su director técnico, Francisco Díaz: “Hay una gran cantidad de aplicaciones industriales donde el tipo de movimiento que realizan los motores o la distribución física de los accionamientos a lo largo de la máquina o instalación hace totalmente ineficiente la utilización de robots. Sectores como el packaging, corte, impresión, proceso…, seguirán teniendo al Motion control como el sistema más eficaz de control de movimiento”.

Por su parte, Jon Ander Elejaga Elorriaga, ingeniero de Aplicación y especialista en Control de Movimiento de Beckhoff, echa mano de la definición de robot industrial: Industrial robot as defined by ISO 8373:2012: An automatically controlled, reprogrammable, multipurpose manipulator programmable in three or more axes, which can be either fixed in place or mobile for use in industrial automation applications para afirmar: “Atendiendo a la definición y aunque el robot juega un papel muy importante hoy en día en los sistemas automatizados, siempre existirán aplicaciones donde será necesario el uso de un control de movimiento no robotizado. Este control de movimiento podrá ser individual, sincronizado o interpolado con otros ejes dando forma a un sistema de control automatizado pudiendo ser el robot una parte también de este sistema. Las aplicaciones de movimiento individual no hay que verlas como las aplicaciones rotativas o lineales con mecánica. Con el desarrollo de nuevas tecnologías estamos experimentando soluciones innovadoras para aplicaciones donde antes no había solución. Estamos hablando por ejemplo del sistema de transporte lineal XTS o el sistema XPlanar con el que presentamos un nuevo concepto de movimiento de levitación con 6 grados de libertad. Soluciones concretas para necesidades especiales”.

Para Yaskawa, en aquellas aplicaciones donde sea imprescindible una elevada productividad o se requiera una alta precisión, “el uso de sistemas de control de movimiento en mecánicas dedicadas seguirá siendo necesario”. Conrad Soriano, Strategic Sales Manager de la compañía, añade: “Puede darse el caso de aplicaciones híbridas, como por ejemplo una aplicación gantry con un eje lineal que mueva un brazo robótico para alcanzar todos los grados de libertad requeridos por la aplicación”.

“Un robot es una máquina automática programable capaz de realizar determinadas operaciones de manera autónoma y sustituir a los seres humanos en algunas tareas, en especial las pesadas, repetitivas o peligrosas; incluso puede estar dotada de sensores, que le permiten adaptarse a nuevas situaciones”, define Pere Garriga, Motion Control business development en Schneider Electric. Para a continuación destacar una de sus carencias: “Un robot no es capaz de realizar una función tan ‘simple’ como pegar la etiqueta frontal y las dos traseras en una botella de vino en un tiempo de 2 segundos. Cuando resulta que lo que se requiere son cinco botellas por segundo. La única forma de conseguir esta producción es mediante una etiquetadora rotativa de alta velocidad, que empleará unos cuarenta servomotores y ningún robot”. Garriga introduce entonces el concepto de ‘mecatrónica’. “Al igual que en dicha máquina, en todas las máquinas 4.0 hay que hacer un uso extensivo de la mecatrónica para poder responder a las necesidades cambiantes de la producción. La mecatrónica está cambiando la forma de fabricar máquinas, se eliminan los rígidos accionamientos mecánicos y se sustituyen por accionamientos mediante servomotores para tener la mayor flexibilidad. Máquinas que funcionaban con dos o tres servomotores, ahora tienen veinticuatro para poder hacer más formatos y cambios más rápidos, a la vez que mejoran la eficiencia energética, aumentan la producción y la calidad de los fabricados y ofrecen información muy valiosa para mantenimiento predictivo. En todas estas máquinas, al igual que en el ejemplo de la etiquetadora, el número de servomotores es muy elevado y el de robots es cero”, detalla.

¿Dónde son entonces los robots son la solución adecuada? “Al final de la línea de producción para realizar operaciones de encajado, paletizado y transporte. En otros casos ninguna máquina podría realizar el trabajo que realizan los robots de pintura, los de soldadura y algunos de ensamblaje en la industria del automóvil”, contesta.

Cada opción responde pues a distintas problemáticas: “Por un lado el robot permite una amplia flexibilidad en las aplicaciones, sobre todo en las orientadas a movimientos antropomórficos, mientras que por otro, la configuración de una solución de manipulación, desde simples ejes hasta pórticos multieje, nos permite consolidar la solución que más se adapta al cliente, teniendo en cuenta costes, cinemática, precisión y performance en general”, argumenta Pedro Fonseca Market Management de Festo.

Flexibilidad vs velocidad, según se extrae de la respuesta de Jordi Solaz Marketing Coordinator / Factory Automation Division de Mitsubishi Electric Europe: “El robot es en su conjunto una solución muy flexible, aunque limitada en cuanto a implementaciones mecánicas y prestaciones. En cambio, las soluciones servo motion ofrecen prestaciones idóneas para OEM en aplicaciones de alta velocidad, largos movimientos y múltiples formatos”.

Finalmente, Josep Martí, European Product Marketing Manager de Modular Controllers, AI y Servo Systems de Omron, afirma: “La expansión de capacidad en los controladores y la necesidad de mayor flexibilidad y automatización en las máquinas se traduce frecuentemente no solo en la introducción de robots en el proceso, también en nuevos ejes añadidos con movimientos simples, pero totalmente coordinados, estos movimientos clásicos realizan automáticamente pequeños ajustes u operaciones que tradicionalmente se han realizado manualmente”.

El CNC Nativo Digital (Siemens)

Con Sinumerik One, Siemens trae el primer control CNC desarrollado desde cero para la transformación digital. Por primera vez, el gemelo digital es una parte integral del control. Los procesos de mecanizado y comportamiento de las máquinas pueden simularse de manera realista y detallada. Ha sido desarrollado especialmente para la fabricación inteligente: Siemens lo llama “el CNC nativo digital”, porque las tendencias fundamentales y los desafíos de la transformación digital ya se tienen en cuenta en el concepto básico. “Con Sinumerik One, el gemelo digital es una parte integral del control CNC ya que el control virtual y el real se fusionan y complementan entre sí”, explica Manuel Sánchez Gallizo, responsable de Producto Sinumerik en Siemens, en este artículo.

¿Qué será de las opciones neumáticas e hidráulicas?

Por otro lado, y frente a soluciones neumáticas o hidráulicas de movimiento lineal, ¿qué aportan los servocontroladores / servomotores?, ¿sustituirán en un futuro todos o gran parte de los movimiento neumáticos o hidráulicos de una máquina?

“Hay muchos factores que entran en juego a la hora de tomar la decisión de usar una tecnología u otra. Cabe destacar que cada tecnología tiene sus ventajas y sus desventajas y dependiendo de la aplicación, estas cumplirán sus requerimientos en mayor o menor medida”, responde Elejaga Elorriaga (Beckhoff).

Sobre ello entra en detalle Soriano (Yaskawa): “La principal ventaja de los servoaccionamientos frente a soluciones tradicionales neumáticas o hidráulicas es la mayor flexibilidad que permiten respecto al cambio de formato sin necesidad de modificaciones mecánicas, la mayor precisión y suavidad de los movimientos, así como la reducción en el número de elementos necesarios y la simplificación en el mantenimiento. En cualquier caso, el coste sigue siendo un condicionante importante y por ello hay aplicaciones donde seguirá siendo necesario el uso de tecnologías neumáticas o hidráulicas como pueden ser los sistemas de rechazo o movimientos de máquina que no sea preciso su ajuste por el operario”.

Y continúa Garriga (Schneider Electric): “El servomotor ofrece un control total y preciso en todo el rango de velocidades, permite mover el eje a cualquier posición dentro de su recorrido y en un momento dado ejercer una fuerza controlada sobre la parte accionada, si fuese necesario. Además, si durante el recorrido hay algo que dificulte el movimiento, es capaz de detectarlo en cuestión de milisegundos y detenerlo, ofreciendo un extra en seguridad y protección de los activos. En relación con la transformación digital, proporciona gran cantidad de información que permitirá el mantenimiento predictivo y mejora de la eficiencia energética. También hay que considerar lo silencioso que resulta un movimiento con servomotor frente al ruido de los escapes de los movimientos neumáticos y la parte higiénica por no contaminar el ambiente con partículas de aceite para la lubricación de los circuitos neumáticos. Finalmente, el hecho de que los servomotores no requieren ningún tipo de mantenimiento, incrementa aún más sus ventajas. En el caso de movimientos hidráulicos, tengo que decir que no son directamente comparables con los neumáticos, solo se emplean cuando se requieren fuerzas elevadas. En este caso se empeora la eficiencia energética y el mantenimiento, aún más.”

Por su parte, Martín (Omron) apunta: “Comparando soluciones servo accionadas contra neumáticas e hidráulicas, los servos aportan mejores prestaciones tanto en términos de velocidad y precisión, como en flexibilidad ya que ofrecen la posibilidad de cambios al vuelo de posición, velocidad y fuerza”. Y añade: “Los servos ofrecen también la ventaja de un menor mantenimiento, unos tiempos de vida más largos y una mejor eficiencia energética. Por último, en la era del ‘Big Data’ no nos podemos olvidar de la mejora en la capacidad de diagnóstico que introducen los servos, ya que estos reportan una gran cantidad de información al controlador, que relevante e interesante para el análisis, sin necesidad de sensores adicionales”.

Por su parte, Horrillo Garcia (Rockwell Automation) recuerda como desde hace ya unos años los sistema neumáticos e hidráulicos están siendo substituidos por actuadores electromagnéticos tanto rotativos como lineales. “Esta tecnología electromagnética ha demostrado tener unas mejores prestaciones para la mayor parte de aplicaciones industriales: mejor rendimiento; sistemas más limpios; y mejores resultados en términos de precisión y calidad del control”, enumera.

“Los servocontroladores y sus servomotores asociados aportan muchísimas más ventajas”, afirma Solaz (Mitsubishi Electric Europe), que habla de los múltiples clientes que ya han migrado de la tecnología neumática/hidráulica a sistemas electrónicos. “Los servoaccionamientos tienen una gran capacidad de regulación en la velocidad/par/posición tanto de motores brushless, como de motores lineales y motores direct drive sin reductores. La capacidad de sincronizar movimientos reduce la mecánica y el coste total de la máquina”, añade.

Desde B&R, Sainz Pena recuerda la “indudable aportación” de los servoaccionamientos a la maquinaria industrial en las últimas tres décadas. Sus excelentes prestaciones en precisión y en dinámica que aportan los servoaccionamientos han desplazado a los accionamientos neumáticos e hidráulicos en muchas aplicaciones, reconoce. “Sin embargo, estos han tenido y mantienen una notable presencia en aquellas en las que, siguiendo criterios de un determinado requerimiento de potencia, coste y rendimiento, continúan siendo la opción preferida”, sostiene.

Y es que no se prevé una substitución directa de la tecnología actual neumática y hidráulica en todas las aplicaciones de movimiento lineal, o así se observa de lo comentado por Fonseca (Festo): “El desarrollo de soluciones tecnológicas cada vez más competitivas y que no afectan a performance, puede conllevar cierta canibalización del sector neumático o hidráulico, pero una vez más se tiene que evaluar muy bien la aplicación y considerar aspectos muy importantes relacionados, no solamente con la cinemática exigida, sino también con otros factores cada vez más importantes como la eficiencia energética y simplicidad de manejo”.

Porque, como Roura (Delta) afirma: “La tendencia en la sustitución de actuadores hidráulicos/neumáticos es algo que ha venido ocurriendo desde hace ya más de 15 años, y aunque en ambas tecnologías siguen habiendo pequeñas innovaciones, el mercado es ya lo bastante estable para ver que difícilmente un sector vaya a eliminar completamente al otro”.

Por último, en Lenze, sin ver el fin de los accionamiento hidráulicos y neumáticos, sí creen que los servomotores acabarán relegándolos a “aplicaciones residuales”. Díaz recuerda: “Los servomotores aportan mayor precisión y dinámica, así como una reducción en los costes totales de ingeniería y explotación en la mayoría de las aplicaciones”.

Las estrategias Motion 4.0

Y ante todo lo comentado hasta el momento, cómo responden las compañías consultadas.

“En nuestra empresa estamos viviendo una verdadera trasformación en lo que respecta al Motion control. Tenemos claro que estas aplicaciones van a ir a más en el futuro, y entendemos que la clave para ayudar a nuestros clientes es la flexibilidad, compatibilidad y sobretodo la customizacion. Por esta razón hemos unido a nuestra ya larga experiencia en servo accionamientos, la flexibilidad y compatibilidad de un líder de mercado mundial en Software Motion como es Codesys”, explica Pere Roura (Delta).

Desde B&R, compañía adquirida por ABB hace tres años, destacan su desarrollo de aplicaciones en el cloud. “Asset Performance Monitor es la primera aplicación de B&R en la nube y sirve para almacenar y visualizar el estado de las máquinas en producción y distribuidas por el mundo. Esta aplicación, basada en ABB Ability™, nos proporciona asimismo información del estado de todos los servoaccionamientos individualmente. Y todo ello aprovechando la seguridad, el acceso de usuarios y la capacidad de generación de informes y gráficas, que se incluyen en la propia herramienta”, apunta Luis Miguel Sainz Pena.

Por su parte, la estrategia Motion 4.0 de Lenze consiste en la utilización de módulos tecnológicos de control de movimiento predefinidos y su integración dentro de frameworks utilizando estándares de programación. “El objetivo es que las máquinas sean cada vez más configurables y menos programables”, subraya Francisco Díaz.

“Entendemos que el movimiento no se puede controlar sin una completa integración entre todas las capas de la aplicación”, expone Pedro Fonseca (Festo), por esta razón la compañía ha creado “un modelo de arquitectura de automatización que permite la conectividad entre los diferentes niveles, así como con otros sistemas de control disponibles en el mercado – con el objetivo de potenciar la simplicidad y agilidad de integración de nuestros equipamientos de motion, independientemente de sus sistemas de control”.

“Hoy en día Beckhoff está a la vanguardia de soluciones Industria 4.0 aportando numerosas soluciones a las necesidades concretas de cada cliente”, asegura Jon Ander Elejaga Elorriaga. “Teniendo en cuenta que tenemos a nuestra disposición un sistema PC, para el control en tiempo real, damos gran importancia a las soluciones software y por ello disponemos de un gran abanico de módulos que, combinándose entre sí, aportan la solución ideal en cada aplicación. Estos módulos están en constante evolución dando lugar a nuevas funcionalidades que ayudan a poner en practica conceptos como Machine Learning o Vision en tiempo real. Dando más potencial a la CPU, si mezclamos estas tecnologías con el Motion podemos dar soluciones a los más exigentes requerimientos que la automatización demanda”, destaca.

En el caso de Schneider Electric, Modicon M262 es la solución Motion 4.0 para la gran mayoría de las máquinas que requieren unas ciertas prestaciones. “Cuando se trata de máquinas de muy altas prestaciones, bien sea por la complejidad en sus movimientos, control de robots Delta, u otras geometrías, bien sea por el elevado número de ciclos por minuto y/o el elevado número de ejes, subimos un escalón y pasamos a PacDrive 3. En este caso se dispone de un controlador con el que se puede sincronizar el movimiento de hasta 130 ejes. Ambos sistemas se programan con el mismo entorno de software y comparten E/S y seguridad distribuida”, detalla Pere Garriga.

Desde Yaskaca, Conrad Soriano, señala la apuesta de la empresa por todo lo relacionado con la Industria 4.0: “Con el programa Yaskawa Connected Factory y el concepto i3-Mechatronics nuestro compromiso es ofrecer al mercado la capacidad de disponer de información de mantenimiento predictivo en tiempo real de sus instalaciones productivas con ayuda de un experimentado sistema de Inteligencia Artificial. Por otra parte, también estamos involucrados en proyectos relacionados con la implementación del gemelo digital en nuestro software de simulación robótica MotoSim, que permita acelerar la transformación digital en nuestros clientes, y sobre todo realizar pruebas de viabilidad aplicativa con una drástica reducción de costes y una implementación inmediata en la celda robótica real”.

Rockwell Automation, con el objetivo de aumentar la flexibilidad de la máquina y el rendimiento para mejorar la productividad en general, ha desarrollado Independent Cart Technology (ICT). “Esta nueva tecnología de vehículos independientes, basada en motores lineales, está transformando las aplicaciones de gestión y transporte de materiales en diversos sectores industriales”, comenta Jose Benjamin Horrillo Garcia.

Por su parte, la estrategia de futuro de Omron, denominada iAutomation, se apoya en tres pilares y así los enumera Josep Martí:
- “Integrada. Es la Integración de disciplinas, entre otras incluye los robots junto al control de movimiento tradicional como una función más dentro de la automatización.

- Interactiva. Interacción máquina-humano. En nuestra visión, la máquina del futuro será totalmente colaborativa para maximizar la productividad y la colaboración con los operadores. Para conseguir la interacción se requiere añadir a la integración, nuevas funcionalidades que no solo incluyen nuevos robots o funciones de control de movimiento, también comunicaciones, visión y por supuesto seguridad, seguridad tanto para los operadores y otras instalaciones como seguridad contra intrusiones no autorizadas en los sistemas. En dicha área encajará en un futuro el nuevo servo con seguridad de movimiento integrada.

- Inteligente. Ampliar la “inteligencia” de las máquinas. Las primeras soluciones ‘Omron AI’ ya están disponibles en nuestros controladores. Los primeros objetivos están dirigidos a mejorar el control, dándole por ejemplo la capacidad de aprender a distinguir entre funcionamientos anómalos y el funcionamiento normal permitiendo mejorar y optimizar el mantenimiento de la máquina, reducir las paradas indeseadas y mejorar la calidad de la producción. En este área los servos también desarrollarán un importante papel dado que, al estar implicados en casi todos los movimientos, el análisis de su información permitirá detectar múltiples situaciones importantes para un control óptimo, muchas de ellas hoy en día son invisibles al operario y otras dependen de la experiencia de este”.

Para finalizar, Mitsubishi Electric lleva desde 2003 apostando por el concepto de transformación digital e-F@ctory (Industria 4.0). “En cuanto a las redes de comunicación para Motion control, nuestra clara apuesta se ha basado en el uso del nuevo standard abierto CC-Link IE TSN, una red ethernet industrial abierta a 1Gbps con tecnología Time Sensitive Networking. Esta nueva tecnología permite, entre otras cosas, mezclar comunicación en tiempo real para sincronizar ejes, comunicación safety y comunicación con redes de terceros dentro de la misma red física. En este aspecto hemos desarrollado módulos de comunicación genérica a modo de bus de campo y sistemas dedicados al Motion Control para la sincronización de hasta 768 ejes de forma simultánea. El otro aspecto en el que nos focalizamos en Motion 4.0 es en el del mantenimiento predictivo con la tecnología MAISART mencionada anteriormente. Esta tecnología basada en machine learning y pattern matching, la estamos aplicando ya en los servoaccionamientos, en los robots e incluso en los equipos de variación de frecuencia. La IA de Mitsubishi Electric ha llegado para quedarse y la iremos viendo, cada vez más, implementada en otros equipos”, comenta Jordi Solaz.