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Un prototipo que sustituye mazos de cable estándar en salpicaderos, sugiere un nuevo rumbo en la industria de la automoción

Montaje y enrutamiento de cable conductor plano, según  una investigación, para reducir peso y coste del vehículo

Markus Michl y Christian Ziegler, Instituto para la fabricación de sistemas de automatización y producción, de la Universidad Friedrich-Alexander
14/10/2010

14 de octubre de 2010

En la batalla contra el calentamiento global, políticos y consumidores exigen ahora coches que consuman menos combustible y emitan menos CO2. Por un lado, se investiga en aras de hallar un sistema de propulsión fiable que sea una alternativa al motor de combustión interna tradicional; por otro lado, también se estudia el potencial de ahorro de costes. Una estrategia al respecto sería reducir el peso del vehículo. Los dispositivos electrónicos, tan populares hoy en día, elevan el coste y el peso del mismo. Un prototipo, fruto de una investigación, aboga por la instalación de cable conductor plano y flexible, en lugar de mazos de cable estándar, para lograr dicho objetivo. Con el uso generalizado de este prototipo, aún en fase de prueba, se pondría en marcha un nuevo rumbo en la industria de la automoción.
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La industria de la automoción estudia cómo ahorrar costes con alternativas que sustituyan a algunos dispositivos electrónicos. Foto: Gahe Cameron.

Si se parte de la idea que, hoy en día, los accesorios más populares en la compra de un vehículo son los dispositivos electrónicos, también hay que tener en cuenta que estos instrumentos encarecen el coste y peso del mismo. El peso, porque los mazos de cable convencionales han aumentado mucho de volumen; y el coste porque es casi imposible automatizar la alineación y el montaje de dichos mazos con las tecnologías existentes de montaje y conexión. Una buena alternativa sería la instalación de cable conductor plano y flexible. Así lo creen científicos del Instituto para la Fabricación de sistemas de Automatización y Producción (FAPS) de la Universidad Friedrich-Alexander de Erlangen-Nuremberg. Los expertos han basado su investigación en este propósito, así como en la automatización de la manipulación y montaje de cables planos flexibles. Su investigación ha contribuido al desarrollo de un prototipo.

Los mazos de cable han aumentado mucho de volumen y es casi imposible automatizar su alineación y montaje. Una alternativa sería la instalación de cable conductor plano y flexible

La investigación ha generado el cierre de resorte de contacto directo

El equipo de investigación del FAPS ha hecho posible el montaje y enrutamiento robotizado de cables planos multinúcleo, dentro de un módulo tridimensional, por ejemplo un panel de puerta de un vehículo. Un montaje por medio de un revestimiento de adhesivo termofusible o soldadura láser. Para la investigación ha sido esencial la forma en que se ha efectuado la conexión eléctrica entre el cable y los componentes funcionales. Ello se debe a que, una vez colocados, los cables solo son accesibles desde un lado, por lo que ha sido necesario desarrollar una nueva tecnología de conexión para esta aplicación. El equipamiento ha sido automatizado y se ha incluido el paso adicional de perforar el aislamiento del cable. El resultado de este proyecto: el cierre de resorte de contacto directo, en proceso de patente.

Para hacerse una idea del proceso, en este diseño los cables planos se colocaron en un montículo de contacto. Al aplicar al cable plano, con un movimiento lineal, el componente o componentes que se desean conectar, las cuchillas de las patas del cierre de resorte de contacto directo cortan la capa de aislante del cable plano, se deslizan sobre el conductor de cobre y también, simultáneamente, por debajo del aislamiento dando como resultado una amplia área de contacto. A continuación, es preciso aplicar una presión de cierre a la conexión, que contrarreste la presión de los cierres de resorte, hasta que el dispositivo esté montado (por ejemplo, un altavoz) en su componente funcional (panel de la puerta). Después de atornillar el bloque se elimina la presión de cierre del conector y se realiza la conexión eléctrica entre el cable plano y el dispositivo conectado.

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En la imagen, se aprecia el montaje de cierre de resorte de contacto directo por medio de un montículo de contacto. El  cierre de contacto se sitúa sobre el cable plano, corta el aislante y hace contacto con una amplia superficie en ambos lados.

La viabilidad del cierre de resorte de contacto directo se ha demostrado y evaluado en varias células de montaje del Instituto FAPS. Entre otras cosas, se ha comprobado la automatización del enrutamiento y la conexión de cable plano, así como el montaje totalmente automatizado de módulos del vehículo que contienen componentes de cable plano. Como ejemplo del uso del cierre de resorte de contacto directo para el montaje de cable plano, una de las células de producción empleó dos robots.

En este caso, se montó un altavoz en el panel de la puerta de un vehículo. Dos robots lineales Reis Robotics RL16 se situaron de forma que compartieran un área de trabajo común. A fin de ampliar el alcance de los actuadores robotizados se montó la pieza/bloque de trabajo en un hexápodo automatizado que permitió movimientos adicionales de posicionamiento. El suministro de materiales, dentro de la célula, se controló mediante un sistema transportador de doble cinta. Básicamente, las pinzas de la célula de montaje robotizada tienen acceso a varias herramientas. Así pues, se usó un sistema de destornillador con alimentación de tornillos sofisticado y una pinza especial para el cierre de resorte de contacto directo, a fin de conectar los cables del altavoz al cable plano que se iba a montar en el panel de la puerta del vehículo. Aunque las pinzas se diseñaron específicamente para esta tarea, el equipo investigador confió en la tecnología de ejes, sistemas de suministro y controladores de destornillador de Deprag Schulz, de Baviera, Alemania. El principal componente del sistema de atornillado fue un destornillador programable Minimat-E 320E27-0042, con un intervalo de par de 0,7 a 4,2 Nm, idóneo para la aplicación. “Debido a su pequeño tamaño y bajo peso, este aparato demostró ser el destornillador más adecuado para el extremo del robot”, aseguró al respecto Markus Michl, director del proyecto.

La viabilidad del cierre de resorte de contacto directo se ha demostrado y evaluado en varias células de montaje del instituto FAPS
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Robot en el proceso de montaje. Se puede apreciar el montaje de tornillo de altavoz usando el destornillador Deprag Minimat-E 320E27-0042.

Para suministrar automáticamente los tornillos 4 M4 x 12 m al destornillador Minimat -E EC, el FAPS utilizó un sistema de atornillado disponible en el catálogo estándar de Deprag, basado en tecnología vibratoria. Está compuesto por un alimentador vibrador, una cazoleta de suministro vibratoria de una espiral y un separador de tornillos. Los tornillos se introdujeron automáticamente a través de un tubo de alimentación antes de cada ciclo de montaje. El tornillo se sopló hacia la boquilla y el inyector, de manera que quedó colocado con precisión y listo para el montaje. El robot combinó destornillador, boquilla e inyector sobre el emplazamiento del tornillo. El destornillador se desplazó hacia abajo con ayuda de una guía lineal de rodamientos de bolas. La broca desciendió a través de la boquilla y el inyector hasta la cabeza del tornillo. Cuando el controlador principal dio la señal de inicio se apretó el tornillo.

Un controlador secuencial apto para sistemas de montaje automatizados y estaciones manuales

Los tornillos se montan en dos pasos. En primer lugar, se rosca el tornillo a baja velocidad y después se aprieta hasta una par predeterminado (mínimo 1,2 Nm / máximo 1,8 Nm). Una vez que se ha alcanzado el par deseado, el destornillador se detiene automáticamente. El tornillo queda asentado con seguridad, siempre con el mismo par, con una desviación estándar máxima del 3%. Su colocación se realiza en 1,3 segundos y todo el proceso está controlado y supervisado por el controlador AST10 del destornillador Deprag, integrado en el sistema central de control de la célula de montaje. “Nuestro controlador secuencial no solo se utiliza en sistemas de montaje totalmente automatizados sino también en estaciones manuales”, aseguró Bernd März, director del Centro de desarrollo mecatrónico de Deprag, al describir las versátiles opciones de aplicación del AST10. A modo de ejemplo, sirve como controlador del destornillador para motores eléctricos sin escobillas, manejo, control y supervisión a distancia de procesos de atornillado, recogida y recuperación centralizada de datos, así como para comparar datos con bases de datos externas y obtener acceso a los datos de procesamiento en todo el mundo. Las ventajas se pueden ver en la alta precisión, la ergonomía sofisticada del software, la interfaz http y el servidor web integrado. Por su parte, Markus Michl eligió el AST 10, de Deprag, por su facilidad para integrarse en su sistema de control.

El controlador central del sistema de montaje prototipo del FAPS es un PC que se conecta por medio de varias interfaces a los controladores individuales, como el AST10, y que puede, si es necesario, ser controlado por el PC. La conexión entre el ordenador central y ambos controladores de los robots industriales se garantiza a través de Ethernet, sobre la que se pueden configurar externamente los paquetes de datos con instrucciones en formato XML. También hay una conexión de comunicaciones con el hexápodo basada en Ethernet. A través de interfaces USB se conectan dos IO-Warriors (microcontroladores para la supervisión del proceso) que permiten realizar tareas típicas de un PLC, como la configuración y procesamiento de entradas y salidas digitales. Mediante el IO-Warrior se conectan actuadores (electroválvulas de control neumático) y sensores (para el control del montaje del tornillo, reconocimiento de la posición de alimentación de la unidad lineal), mediante el cual se coordina con el ordenador central la operación del alimentador vibratorio y de los componentes del mismo. El controlador AST10 se conecta al IO-Warrior a través del puerto PLC. El programa del controlador de atornillado AST10 se selecciona por medio de esta interfaz de comunicación (señales binarias); también procesa la señal de inicio del atornillado, así como cualquier mensaje desde el controlador de atornillado (sistema OK/NOT OK, montaje del tornillo OK/NOT OK). Además hay interfaces en serie y Ethernet para el controlador de atornillado diseñadas para procesar información detallada sobre el procedimiento de montaje del tornillo a través de la interfaz de datos.

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Vista general de la célula de montaje del Centro FAPS de Investigación de la Universidad para montaje de panel de puerta para automoción.

La creación de un programa de secuencia, tarea que lleva tiempo, se vuelve innecesaria

Las cadenas de datos que contienen, por ejemplo, información sobre el par final de apriete de los tornillos o códigos de error, se comunican a través de una conexión serie. Con antelación, el contenido de las mismas se puede configurar por medio de la interfaz de configuración basada en la web del controlador AST10. Se puede presentar en pantalla un registro detallado de datos del procedimiento de montaje del tornillo a través de una solicitud http para análisis y documentación del proceso. De esta forma, el par, ángulo y número de la fase actual de atornillado, por ejemplo, están disponibles en milisegundos para su análisis en caso de error así como para la administración del proceso. En opinión de Markus Michl, estas conexiones de datos son el requisito previo óptimo para una coordinación central de toda la célula de montaje fácil de usar para el operario. A fin de facilitar su confort, funciones elementales como las acciones del robot o del hexápodo, el suministro de tornillos o el diseño de programas de atornillado se integran en un controlador secuencial en el lenguaje de programación orientado a objetos Python.

De esta forma, se libera al operario de una carga importante: no hay necesidad de crear un programa de secuencia, tarea que lleva mucho tiempo y está expuesta a errores. Su tarea consiste únicamente en especificar las instrucciones de trabajo al aparato en un formato de datos preestablecido. El esquema de datos elegido contiene siempre cinco elementos que siguen el esquema nombre del trabajo / condición previa / nombre de la máquina / instrucción / parámetro.

Así pues, los cables del módulo de la puerta se montan por medio de un proceso totalmente automatizado. El módulo de la puerta con los cables planos conectados, así como el altavoz, entran a través del sistema de transporte interno. La puerta es un componente básico que se fija a un palé que se sujeta al hexápodo. Después, el robot, equipado con pinzas, sujeta el altavoz y lo coloca en su posición de montaje predeterminada. Se produce el contacto entre el cable plano y el altavoz. En este punto, el objetivo principal es que el robot mantenga la posición durante el tiempo suficiente para fijar el altavoz a los elementos de unión y permanezca sujeto de forma adecuada.

Se libera al operario de una carga importante: no hay necesidad de crear un programa de secuencia, tarea que lleva mucho tiempo y está expuesta a errores
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Estudio concepto para diseño de mazo de cableado alternativo en panel de puerta para automoción a cargo del Centro FAPS de investigación de la universidad Friedrich-Alexander.

Tecnología aún en prueba, con vistas a su uso generalizado en la industria

Esta es la tarea del segundo robot que maneja el destornillador. El destornillador robotizado se desplaza hacia el punto en el que se aplica un tornillo y lo introduce con el par preestablecido. El proceso se repite para todas las posiciones de atornillado. Después, los robots vuelven a sus posiciones iniciales y el módulo de puerta montado sale de la célula. “Gracias al entorno de software flexible diseñado, se puede realizar sin problemas la comprobación de procedimientos complejos en los que se conectan varios componentes al módulo de la puerta”, valoró Markus Michl en cuanto al éxito de la investigación. Asimismo, se puede implantar fácilmente la producción de otras unidades modulares, así como el empleo de tecnología modificada de contacto. No obstante, todavía se deben realizar más pruebas antes de utilizar, de forma generalizada, estas nuevas tecnologías en la industria de la automoción. Los investigadores continúan con ensayos, a largo plazo, para analizar la fiabilidad de esta y otras opciones alternativas con respecto a los tipos de cableado y las piezas de contacto.

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