Tecnología de conexión sin contacto entre el control y la herramienta para robots industriales

La robótica supuso un cambio radical en la mejora de la productividad y la calidad en la pasada revolución industrial. Las fábricas de automóviles son un claro de ejemplo de aplicación de estos elementos. Gracias a ellos se automatizaron tareas complejas que requerí­an una elevada precisión y que limitaban la capacidad de producción.

Actualmente, en una fábrica de coches encontramos cientos de robots que se encargan de tareas complejas y precisas en las áreas de soldadura y pintura, reduciendo el tiempo necesario para estos procesos y garantizando una calidad uniforme en el acabado de las autopartes.

La Cuarta Revolución Industrial o Industria 4.0 está transformando nuestros sistemas de fabricación de manera que estos sean mucho más flexibles, productivos y eficientes. Los robots seguirán teniendo un papel fundamental, ya que cada vez se utilizarán en tareas más diversas e interactuarán con los operarios durante los procesos de producción.

Generalmente un robot utiliza una herramienta o útil con una finalidad concreta, como por ejemplo una pinza de soldadura, una herramienta volteadora o una para pintar. Esta herramienta se controla desde un cuadro de control, por lo que hay que transmitir las señales, la potencia y los datos entre ambos.

En el pasado se utilizaba el conexionado paralelo (hilo a hilo) para transmitir las señales y la alimentación. Hoy en dí­a los sistemas de bus de campo han sustituido este tipo de cableado, ofreciendo múltiples ventajas. La conexión paralela implicaba utilizar un elevado número de hilos, creando un conexionado más complejo y que se incrementaba a medida que crecí­a el número de señales. Igualmente, cada herramienta requerí­a sensores y actuadores especí­ficos, y esto provocaba que el cableado de cada robot fuera diferente.

Gracias al cableado en bus de campo la mayorí­a de estos problemas quedan completamente solucionados. En este tipo de conexión, los sensores y actuadores de la herramienta se conectan a un dispositivo de bus de campo generalmente con un IP elevado. De esta forma, entre el controlador y la herramienta ya solo es necesario llevar datos y potencia. Esto simplifica enormemente el cableado, ya que con dos únicos cables está resuelta la comunicación.

Cableado de bus de campo
Hoy por hoy, los protocolos más utilizados son los basados en tecnologí­as Ethernet (Profinet, Ethernet/IP, etcétera). Los fabricantes de automóviles en conjunto con los de componentes para la automatización y diferentes asociaciones han desarrollado grupos de trabajo para la estandarización de este tipo de soluciones. Por ejemplo, el consorcio alemán de fabricantes de automóviles (AIDA), en cooperación con la asociación de Profibus, han definido que Profinet sea el sistema de bus de campo para sus aplicaciones. Además se ha estandarizado un sistema de conexionado basado en la tecnologí­a Push-Pull para la comunicación entre el control y la herramienta para robots. Mediante estos conectores y gracias a la utilización de cajas de interconexión ubicadas en los diferentes ejes del robot, es posible establecer una comunicación fiable y segura entre el control y la herramienta.

Los robots suelen estar en ambientes de trabajo complicados, con ruidos, problemas de equipotencialidad y distancias elevadas (lo cual suponí­a un problema debido al alto número de interconexiones). Por estos motivos se generó una alternativa al cableado tradicional de cobre mediante fibra óptica POF.

Gracias al cableado mediante bus de campo y las tecnologí­as mencionadas es posible solventar un gran número de problemas que existí­an en otras décadas. Entre ellas podemos citar las siguientes:

• Reducción del número de cables a únicamente dos: Potencia y Datos.
• Estandarización de los conectores y dispositivos de conexionado.
• Conexiones más robustas y fiables.
• Estandarización del cableado entre el control y la herramienta: todos los robots se conectan de la misma forma
• Puesta en marcha mucho más rápida: conexión por tramos con tecnologí­a Push-Pull.
• Tiempos de parada reducidos con reparaciones más simples.
• Diagnóstico extendido gracias a la utilización de sistemas de bus de campo como Profinet que facilitan toda esta información.
• Solución a problemas de ruidos y de equipotencialidad.

Próximos avances: transmisión sin contacto
El principal problema que sigue existiendo es el desgaste de las conexiones. Debido al alto número de tracciones al efectuar tareas repetitivas, los conectores sufren desgaste y acaban provocando errores, por lo que deben de ser sustituidos.

Aunque ya existen soluciones para mitigar este tipo de problemas, por ejemplo mediante el uso de repetidores intermedios que son capaces de analizar la calidad de la conexión y avisar con anterioridad a que esta se pierda para poder aplicar un mantenimiento preventivo, se están analizando alternativas que las solventen definitivamente.

El campo de investigación que más está progresando es el de la transmisión de energí­a y datos libres de contacto. Si se encuentra la manera de transmitirlos sin contacto fí­sico estos problemas desaparecerí­an. En lo que se refiere a la transmisión de potencia, Weidmí¼ller ya dispone de dispositivos basados en resonancia inductiva que permiten pasar 240 Wattios de potencia a 24 Voltios con un 90% de eficiencia, con un gap de 5 mm. Esta tecnologí­a es similar a la utilizada para la carga de los cepillos de dientes eléctricos y supone un verdadero paso adelante en este sentido.

Estos equipos disponen además de una señal de entrada para que el control pueda gestionar cuando se activa y desactiva la transmisión de energí­a.  Ahora ya es posible evitar problemas de desgaste en la transmisión de energí­a. 

Weidmí¼ller está actualmente centrando los esfuerzos en aplicar el mismo tipo de tecnologí­a a la transmisión de datos, de forma que sea posible realizar una comunicación Profinet con un sistema similar. Las duras condiciones de trabajo, así­ como el elevado número de equipos, dificultan que tecnologí­as tipo Wifi puedan ser una alternativa válida a dí­a de hoy.

Otra de las grandes ventajas que aporta la tecnologí­a sin contacto es la flexibilidad en la producción. Gracias a este sistema un robot puede cambiar de herramienta y realizar diferentes tareas de forma autónoma y sin necesidad de la intervención de operarios. Anteriormente, el elevado número de conexiones y desconexiones que se realizaban en estos cambios provocaban el desgaste y el ensuciamiento de los contactos, con lo que surgí­an problemas cada poco tiempo. Como se puede apreciar, esta solución abre las puertas a sistemas de fabricación mucho más flexibles y  adaptables.