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El reto del prensado

Sjoerd Bosga: sjoerd.bosga@se.abb.comp Marc Segura: marc.segura@es.abb.com19/12/2007
La servotecnología DDC de ABB acelera las líneas de prensado

Desde que Henry Ford adoptó la línea de montaje móvil hace más de un siglo hasta la utilización a gran escala de robots hoy en día, el sector del automóvil ha estado con frecuencia a la cabeza del progreso en la productividad de la fabricación. Para conseguir una mayor optimización, los fabricantes y sus proveedores están continuamente reestudiando sus procesos. Un candidato con posibilidades de mejora es el taller de prensado, el área de la fábrica que precisa más capital. La carrocería de un coche se compone de varios centenares de piezas metálicas, de las cuales las mayoría se fabrican mediante prensado. La producción de estas prensas constituye un área con potencial de mejora. Por desgracia, si se aumenta la velocidad a la que funciona una prensa, se pone en peligro la calidad. Sin embargo, se puede ganar tiempo acelerando las actividades entre prensados. Éste es el objetivo de la DDC (cadena de accionamiento dinámico) de ABB. Esta solución utiliza servomotores para reducir los ciclos de trabajo. Además, la tecnología se puede incorporar a las líneas existentes, disminuyendo el riesgo y protegiendo la inversión del cliente.

Incrementos significativos en la productividad de líneas de prensado flexibles en tándem a coste aceptable: esto es lo que busca la industria automovilística cuando invierte en talleres de prensado. Dado que el taller de prensado es el área que precisa más en capital de una fábrica automovilística, las inversiones no van dirigidas exclusivamente a nuevas líneas. La vida útil de una prensa grande puede ser de varias décadas, lo que explica el deseo de los operadores de poder mejorar las líneas existentes. ABB está desarrollando continuamente nuevas tecnologías para conseguir una mayor productividad tanto en líneas nuevas como en las existentes.

Un taller de prensado produce piezas como puertas, techos, etc., del automóvil a partir de bobinas de chapa metálica. Después de la operación de corte, en la que se cortan las bobinas en planchas, las piezas pasan a través de una secuencia de tres a cinco prensas 1. En la configuración más básica de este proceso, un descargador al principio de la línea toma la plancha y la carga en la primera prensa 2 3. A continuación, unos robots trasladan las piezas de una prensa a la siguiente, y al final de la línea un robot o unos operarios humanos las colocan en un estante.

Desde el punto de vista de la productividad de la línea, lo primero que importa es la duración de un ciclo de prensado 4. Este ciclo consta de dos partes: una parte está completamente determinada por los robots (T1), y la otra parte completamente por la prensa (T2). T1 incluye la descarga y carga de la prensa por medio de dos robots distintos. Normalmente la descarga comienza en cuanto la prensa se haya abierto lo suficiente para que el descargador pueda entrar en ella. De forma similar, la prensa arrancará normalmente su movimiento hacia abajo antes de que se haya terminado completamente la carga. En una configuración ideal, los movimientos del robot y de la prensa están sincronizados de forma óptima. El software de ABB Stampware 5 proporciona esta funcionalidad en un paquete de serie.

El movimiento de la prensa (en la parte T2 del ciclo) se puede dividir en tres fases. En la primera, la prensa se cierra, es decir, se mueve hacia abajo hasta que la denominada matriz superior toca a la pieza a prensar. El prensado real tiene lugar a partir de este punto de impacto (segunda fase). El prensado está completo cuando la prensa llega al punto más bajo de su curva de desplazamiento, el punto muerto inferior.

A partir de este punto, la prensa se abre (tercera fase).

Tradicionalmente, los esfuerzos de optimización de ABB se han centrado en la parte T1 del ciclo: el tiempo que necesitan los robots. Esta atención se ha visto premiada con el éxito: innovaciones como un robot especial de automatización de la prensa, la ubicación óptima del robot, las técnicas de sincronización de los robots y un séptimo eje especial para el robot, han producido una reducción de T1 desde más de seis segundos hace cinco años hasta menos de tres segundos hoy, incluso para grandes piezas. Sin embargo, con una disminución tan grande de T1, T2 se está convirtiendo cada vez más en el cuello de botella.

En una prensa mecánica tradicional, no existe una manera fácil de reducir T2: la velocidad viene marcada por un gran volante y está limitada por los requisitos del proceso de prensado. Así pues, ¿de qué medios dispone ABB para reducir más el ciclo de trabajo? Enfrentarse a este reto llevó a la aparición de la tecnología DDC (cadena de accionamiento dinámico) de ABB 6. El desarrollo de esta tecnología requirió una intensa colaboración entre distintos grupos dentro de ABB: especialmente el centro mundial líder en automatización de prensas ubicado en España y el grupo de máquinas eléctricas y movimiento inteligente situado en el centro corporativo de investigación en Västerås, Suecia. Sin embargo, el reunir tanto conocimiento interno no fue suficiente. Se precisó una intensa implicación del cliente para optimizar la productividadpde la línea de prensado.

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La servotecnología ayuda

El objetivo básico de la servotecnologíapen grandes prensas es permitir que la prensa se abra y se cierre más rápidamente, manteniendo la velocidad de prensado original. De hecho, es posible incluso comenzar el prensado a una velocidad más baja que la que se utiliza hoy y no dejar por ello de aumentar la productividad. Un prensado más lento significa una mayor calidad de las piezas, que es el segundo ingrediente a lograr después de la velocidad. Iñaki Zubiete, director de robótica y nuevas inversiones de Gestamp-Estampaciones Bizkaia, explicó al equipo de DDC depABB que, para poder alcanzar la suficiente calidad, las prensas funcionan sólo al 80–85 % de su velocidad máxima, con una disminución de la productividad del 7 al 15 %. Estas cifras fueron confirmadas por Santiago Mínguez, director de ingeniería de equipos de serie de Renault Valladolid.

Así pues, ¿cuánto aumento de la productividad puede proporcionar la servotecnología?

Mucho depende del dimensionado del accionamiento del servo.

Para investigar las posibilidades de los diseños actuales de prensas, se inició una colaboración con FAGOR. FAGOR es un fabricante de prensas de tamaño mediano ubicado en el norte de España, con el que ABB ha mantenido unas intensas relaciones de colaboración desde hace más de 10 años. Las simulaciones realizadas en colaboración con FAGOR han mostrado que incluso con un servomotor bastante pequeño, se puede obtener un aumento de la productividad entre el 10 y el 30% solamente utilizando la servotecnología. Se pueden obtener incrementos incluso mayores combinando lo anterior con los últimos desarrollos de automatización de robots.

Limitar el tamaño del accionamiento del servo ha sido un aspecto fundamental del aporte de ABB para el desarrollo de servoprensas. Al tratar de la viabilidad de las servoprensas con Gerard Lallouette, director de estructura y estampado de PSA Peugeot Citroën, ABB llegó a la conclusión de que la solución propuesta debería tener en cuenta no sólo el coste del accionamiento de la prensa, sino también el coste de la red energética de la fábrica, el coste de la energía y de la potencia punta. Si una servoprensa grande necesitara 5 MW en lugar de los 500 kW que son normales hoy, ello supondría un verdadero problema.

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igura 2. Un desapilador robótico de ABB en la fábrica de PSA en Poissy alimentando planchas de metal a una línea de prensado.
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Figura 1. Una línea de prensado en tándem: las planchas se desapilan, se lavan, se centran y se cargan en la prensa de tracción para pasar a través de una serie de operaciones de corte y perforación.
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Figura 3. Robots trasladando piezas a la línea de prensado
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Figura 4. Perfil típico de posición de una prensa mecánica clásica, en el que una parte (T2) está determinada totalmente por la prensa (cierre, prensado, apertura) y la otra parte, por el equipo de descarga y carga (T1)
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DDC montada sobre una prensa.

Una solución de baja potencia punta

ABB ofrece hoy el accionamiento de una servoprensa con una potencia punta que en la mayoría de los casos no requiere el redimensionamiento de la red eléctrica de la fábrica. ¿Cómo es posible? El secreto reside en el diseño del control y del accionamiento, que surgió de ideas aprendidas en anteriores proyectos de investigación.

Un importante aspecto de este diseño está relacionado con las inercias de las masas en movimiento de la prensa y del accionamiento. Aunque se suele considerar que las inercias limitan el rendimiento dinámico de un servoaccionador, en realidad se pueden utilizar para almacenar energía, liberándola cuando el accionamiento de la prensa más la necesita.

En una primera versión del accionamiento de una servoprensa de ABB, el volante tradicional de la prensa 6f se mantiene para proporcionar la potencia punta necesaria durante la fase de prensado del ciclo. Sin embargo, a diferencia de una prensa mecánica, no hay frenado mecánico, ni se utiliza un embrague para llevar a la prensa a la velocidad requerida. La tecnología DDC de ABB garantiza una aceleración y deceleración suaves de la prensa, utilizando el embrague 6g después de que el servo haya controlado la prensa a su velocidad de sincronismo. En una segunda versión, se eliminan completamente el embrague y el volante tradicionales, y se dimensiona el servo de otra manera.

Una solución para las líneas de prensado existentes

Al principio del desarrollo del accionamiento de las servoprensas, ABB ya trató la idea propuesta con clientes como Gestamp y PSA. El mensaje de estos clientes fue muy claro: Debería existir una solución con servo para las líneas de prensado existentes, y debería ser posible familiarizarse con la servotecnología antes de instalar una línea de prensado completamente nueva con servo. Por lo tanto, Gestamp sugirió que el primer prototipo a escala natural debería instalarse en una de sus líneas que estaban en proceso de mejora.

Estos requisitos dirigieron los principales esfuerzos de desarrollo de ABB, centrándose primero en una solución que transforma las prensas existentes en servoprensas: el Kit de Mejora de Prensas.

Una función importante, solicitada de forma insistente por Gestamp y otros clientes, fue que esta mejora debía ser fácil de instalar, y que debería realizarse holgadamente dentro del plazo de la 3 Robots trasladando piezas a la línea de prensado parada usual de un mes en el verano.

Aunque un requisito tal podría considerarse una seria limitación, provocó que ABB diseñara una solución que no sólo cumplía dichos requisitos, sino que también constituía una solución reversible de bajo riesgo.

Una solución de bajo riesgo

Un cliente que mejora una línea de prensado lo hace normalmente por una buena razón: puede ser el inicio de la fabricación de un nuevo vehículo o, para un Tier 1, un importante contrato.

Así pues, cuando Fagor y ABB empezaron a investigar para construir el primer prototipo, una cuestión esencial fue si podría instalarse en un plazo muy limitado. La solución que diseñamos, el kit de mejora de prensas, no sólo podía instalarse con rapidez, sino que además, en caso de que surgiese un imprevisto que impidiera finalizar la instalación a tiempo, podía retirarse fácilmente de modo que la producción pudiera iniciarse sin problemas utilizando las prensas de la manera mecánica tradicional.

Mientras tanto, las conversaciones de ABB con el Sr. He, director adjunto del departamento de prensado nº 1 de Honda, en Guangzhou China, llevaron a la compañía a dar un paso más: las primeras servoprensas DDC han sido diseñadas con un interruptor que puede desactivar completamente la nueva tecnología. Cuando se desactiva, lo que queda es una prensa mecánica clásica, que se puede utilizar de la misma forma que en los últimos 50 años.

Aunque la DDC representa un salto tecnológico (las innovaciones de I+D implicadas van desde las topologías de las nuevas prensas hasta un software avanzado de control), está construida sobre productos de ABB existentes, como el accionamiento ACS800 y el controlador del robot IRC5. Esto es de gran valor para la industria automovilística, tradicionalmente conservadora, que disfrutará de las ventajas de una tecnología de última generación al tiempo que confía en productos conocidos y probados, que están bien soportados por unidades locales de ABB que ya prestan servicio al sector.

Una importante cuestión suscitada tanto por Honda como por Gestamp fue cómo afectaría la velocidad y la aceleración del servo al mecanismo de la prensa. Como Iñaki Martínez, director técnico de estampado de Fagor, se apresuró a observar, la solución servo de ABB consigue una aceleración y deceleración más suaves que el embrague y el freno para los que se diseñaron los mecanismos de la prensa actual, por lo que el servo aumentará la vida útil de la prensa. De hecho, las mayores fuerzas de aceleración que afectan a la matriz de la prensa no se producen cuando se utiliza servocontrol o durante el prensado, sino cuando arranca la prensa desde su posición de parada utilizando el embrague.

También cabe observar que en la versión de DDC en la que se mantiene el volante, el prensado será exactamente como ha sido siempre, es decir, afectado sólo por el dimensionamiento de la prensa y del volante. En este caso no hay parámetros o configuraciones desconocidos: el único es la velocidad del volante. La tecnología de cadena de accionamiento dinámico (DDC) optimiza el resto del movimiento de forma automática y dinámica ( ahí su nombre).

¡No paren las prensas!

El mensaje que ABB recibió tanto de Daniel Eguia, director corporativo de equipos de Gestamp, como de Gerard Lallouette, director de estructura y estampado de PSA, fue “¡no paren las prensas!“. Las prensas de hoy en día tienen ineficiencias intrínsecas (movimientos de arranque y parada, tiempos muertos y esperas). Es necesario eliminarlas consiguiendo un sistema de movimiento continuo, óptimo y adaptable: una cadena dinámica. La DDC de ABB lo consigue integrando el control de la prensa con el control de los robots.

Futuro

Schuler, el mayor fabricante mundial de prensas, comunicó recientemente a ABB que “en el futuro inmediato, todas las nuevas prensas serán servoprensas”.

ABB está de acuerdo pero le gustaría añadir: “no sólo las nuevas prensas . . .”

La tendencia de sistemas mecánicos a sistemas accionados eléctricamente en la industria del prensado no ha hecho sino comenzar y es irreversible. ABB se está posicionando como un actor importante en este nuevo mercado con su DDC, al tiempo que aumenta significativamente su competitividad en las líneas de negocio de sistemas de automatización, motores y accionamientos.

Tanto FAGOR como ABB están deseando demostrar a sus clientes cómo funciona esta servoprensa.

Aunque la incorporación de servomotores a las prensas mecánicas existentes es un primer paso, se espera que a medio y largo plazo, las prensas con accionamiento totalmente eléctrico las sustituirán completamente. Mediante la intensa colaboración con clientes como Gestamp, Honda, Renault, PSA y Nissan,

ABB está definiendo los parámetros de la servoprensa ideal. A través de la colaboración con socios como Fagor y JIER, la compañía puede diseñar el accionamiento para adaptarse a la topología de las futuras servoprensas de estas compañías y de otras. Este desarrollo debería provocar incluso menores costes, sencillez (sin embrague ni volante) y mayor control del prensado.

ABB seguirá su estrecha colaboración con clientes y fabricantes de prensas para desarrollar las próximas generaciones de líneas automatizadas de prensado, adelantándose a las necesidades y requisitos futuros de los clientes y proporcionando tecnología que aporte más valor a sus operaciones de estampado. n

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Figura 6. Diagrama esquemático de una servoprensa en el que se muestra la clásica unidad de prensa mecánica a y el kit de mejora de las prensas i.
ABB ofrece hoy el accionamiento de una servoprensa con una potencia punta que en la mayoría de los casos no requiere el redimensionamiento de la red eléctrica de la fábrica
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Cuadro 2. Una mayor productividad con DDC.
Una importante cuestión suscitada tanto por Honda como por Gestamp fue cómo afectaría la velocidad y la aceleración del servo al mecanismo de la prensa
Los sistemas tradicionales de automatización y accionamiento de prensas constituían un caso “discreto” típico de automatización.

Las diferentes etapas del proceso de producción estaban interrelacionadas mediante una secuencia de “señales de autorización”. El embrague de la prensa se activaba cuando terminaba la tarea de carga, y la descarga comenzaba cuando se había terminado el prensado, para que pudiera comenzar el siguiente ciclo de carga.

Este método de funcionamiento provocaba muchos tiempos muertos entre las operaciones, lo que suponía un bajo rendimiento.

Además, el sistema no conseguía adaptarse a las condiciones cambiantes en la línea, lo que requería unos ajustes finos continuos para mantener un buen nivel de optimización.

Se adoptaron algunas medidas para mejorar esta situación, tales como la sincronización de ABB de robot a prensa o de robot a robot. Sin embargo, durante mucho tiempo no se pudo conseguir un sistema de control de movimiento totalmente integrado que incluyera las prensas.

En respuesta a esta situación, ABB, con su exclusiva combinación de conocimientos de robótica, de motores y de accionamientos, está introduciendo una arquitectura revolucionaria de control y accionamiento que transformará las líneas de prensado en un proceso de fabricación continuo y adaptativo: un adaptativo: una verdadera cadena de accionamiento dinámico.

Cuadro 1. DDC (cadena de accionamiento dinámico)

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