Automation, robotics, and the factory of the future

Automatización, robótica y la fábrica del futuro

Por Jonathan Tilley

Tecnologías más baratas, idóneas y flexibles están acelerando el desarrollo de instalaciones de producción totalmente automatizadas. El principal desafío para las compañías será identificar la manera de sacar mayor provecho de ese poder.

En una planta de Fanuc en Oshino, Japón, robots industriales producen robots industriales bajo la supervisión de apenas cuatro trabajadores por turno. En una planta de Philips en Holanda donde se fabrican afeitadoras eléctricas, los robots superan a los nueve operarios de producción en una proporción de 14 a 1. El fabricante de cámaras Canon comenzó a eliminar gradualmente la mano de obra humana en varias de sus plantas en 2013.

Este concepto de producción con “luces apagadas”, donde las actividades de fabricación y los flujos de materiales son gestionados en forma totalmente automática, se está transformando en una característica cada vez más común en la industria manufacturera moderna. En parte, la nueva ola de automatización será impulsada por los mismos factores que llevaron a la introducción de la robótica y la automatización en los procesos de producción: liberar a los trabajadores humanos de tareas peligrosas, repetitivas o “sucias”; mejorar la calidad eliminando errores y reduciendo la variabilidad; y recortar los costos de fabricación reemplazando personal (con costos crecientes) por máquinas cada vez más baratas. Los sistemas de automatización más avanzados poseen capacidades adicionales, lo que hace posible su uso en entornos que anteriormente no resultaban aptos para la automatización, además de facilitar la captura de fuentes de valor completamente nuevas.

Precios de robots en baja

El aumento de la producción de robots trajo consigo una caída de los costos. A lo largo de los últimos 30 años, el precio promedio de un robot cayó tanto en términos reales como en comparación con los costos laborales (Gráfico 1). Además, la demanda de las economías emergentes favorece el traslado de la producción de robots hacia regiones con bajos costos, lo que podría volverlos aún más accesibles.

Automation, robotics, and the factory of the future

Talento accesible

El personal capacitado para diseñar, instalar, operar y mantener sistemas de producción robóticos también es más fácil de encontrar. Tiempo atrás, los ingenieros en robótica eran especialistas escasos y costosos. Hoy día, existen numerosas instituciones en todo el mundo que forman profesionales en el área, ya sea a través de cursos específicos o en el marco de la capacitación general en tecnologías de fabricación o diseño de ingeniería de producción. La disponibilidad de software, como paquetes de simulación y sistemas de programación offline capaces de testear aplicaciones para robots, redujeron el tiempo y los riesgos asociados a la ingeniería. Y también disminuyeron la complejidad y el costo de programar los robots.

Facilidad de integración

Los adelantos en poder de cómputo, técnicas de desarrollo de software y tecnologías de trabajo en red facilitaron y aceleraron los procesos de ensamblado, instalación y mantenimiento de robots. Por ejemplo, anteriormente los sensores y actuadores debían ser conectados individualmente a controladores por medio de un cableado dedicado, con terminales, conectores y cajas de conexiones, pero ahora todo eso fue reemplazado por tecnologías “plug-and-play” más simples, donde los componentes se conectan usando simples cables de red. Así, las partes se identifican automáticamente con el sistema de control, reduciendo sensiblemente el tiempo de configuración. Estos sensores y actuadores también pueden auto-monitorearse y reportar su estado al sistema, facilitando el control de procesos y recopilando datos para mantenimiento, como también con fines de resolución de problemas y mejora continua. Otros estándares y tecnologías de red facilitan de manera similar la integración de los robots a grandes sistemas de producción.

Nuevas capacidades

Los robots también se están volviendo más inteligentes. Mientras que los primeros robots seguían ciegamente el mismo recorrido, y versiones posteriores usaban láseres o sistemas de visión para detectar la orientación de piezas y materiales, las nuevas generaciones de robots son capaces de integrar información de múltiples sensores y adecuar sus movimientos en tiempo real. Esto les permite, entre otras cosas, emplear retroalimentación de fuerza para reproducir las habilidades de un artesano para aplicaciones como esmerilado, pulido o desbarbado. También pueden hacer uso de tecnologías de computación más poderosas y análisis de tipo big data. Por ejemplo, pueden emplear análisis espectral para comprobar la calidad de una soldadura en tiempo real, reduciendo sensiblemente los requerimientos de inspección posterior.

Los robots asumen nuevos roles

En la actualidad, todos los factores mencionados están ayudando a promover la adopción de robots en todas las aplicaciones donde se destacan por su eficiencia, especialmente para actividades de producción repetitivas y de gran volumen. Y a medida que el costo y la complejidad de automatizar tareas usando robots caen, aumentan las probabilidades de las compañías que ya los utilizan incorporen más unidades. Sin embargo, esperamos que en los próximos cinco a diez años ocurra un cambio más fundamental en el tipo de tareas para las que los robots resulten técnica y económicamente viables (Gráfico 2). A continuación mostramos algunos ejemplos.

Automation, robotics, and the factory of the future

Producción de bajo volumen

La flexibilidad inherente de un dispositivo capaz de ser programado con rapidez y facilidad reducirá en gran medida la cantidad de veces que un robot debe realizar una misma tarea para justificar el costo de comprarlo e instalarlo. Esto reducirá el umbral de volumen y convertirá los robots en una alternativa económica para tareas consideradas “de nicho”, donde los volúmenes anuales son medidos en decenas o centenas en lugar de miles o cientos de miles. También los hará viables para empresas que trabajan con tamaños de lote pequeños y alta variabilidad de productos. Por ejemplo, los sistemas Flex Track usados actualmente en la industria aeroespacial pueden desplazarse por el fuselaje usando tecnología de visión para guiar su trabajo. Los ahorros de costos ofrecidos por este tipo de automatización de bajo volumen beneficiarán a varios tipos de organizaciones diferentes: las compañías pequeñas podrán acceder por primera vez a la tecnología robótica, y las de mayor tamaño podrán expandir su oferta de productos.

Y las tecnologías emergentes probablemente simplifiquen aún más la programación de los robots. Si bien ya es común programar robots guiándolos a través de una serie de movimientos, las mejoras en tecnología de reconocimiento de voz sugieren que en poco tiempo podría ser posible manejarlos por medio de instrucciones verbales.

Tareas muy variables

Los avances en inteligencia artificial y sensores permitirán a los robots soportar un grado de variabilidad entre tareas mucho más alto. La posibilidad de adaptar sus movimientos en respuesta a los cambios en el entorno generará oportunidades de automatización en áreas como procesamiento de productos agrícolas, donde la variabilidad entre ítems es muy alta. En Japón se han realizado pruebas que demostraron que los robots pueden acortar el tiempo de cosecha de fresas hasta un 40 por ciento, utilizando un sistema de imágenes estereoscópicas para identificar la localización de las frutas y medir su madurez.

Estas mismas capacidades generarán además mejoras de calidad en todos los sectores. Los robots podrán también compensar potenciales problemas de calidad durante la fabricación. Los ejemplos de esta aplicación incluyen alterar la fuerza empleada para ensamblar dos piezas en función de sus diferencias dimensionales, o seleccionar y combinar componentes de distinto tamaño para alcanzar las medidas finales deseadas.

Los datos generados por robots, y las técnicas de análisis avanzado para sacarles el máximo provecho, también serán de utilidad para identificar los factores que influyen sobre la calidad. Por ejemplo, si se establece una asociación entre mayores requerimientos de torque para el ensamblado con fallas prematuras de los productos en el terreno, será posible adaptar los procesos de fabricación para detectar y solucionar los problemas durante la producción.

Tareas complejas

La mayoría de los robots para fines generales en uso actualmente pueden controlar sus movimientos en un rango de 0,1 milímetros, pero algunas nuevas configuraciones han demostrado una precisión consistente de 0,02 milímetros. Y las generaciones futuras probablemente ofrezcan niveles aún superiores. Esas capacidades les permitirán tomar parte en tareas cada vez más sensibles, como enhebrar una aguja o ensamblar equipos eléctricos sofisticados. Los robots también han mejorado su coordinación, gracias a la disponibilidad de controladores capaces de mover al mismo tiempo decenas de ejes y que permiten el trabajo simultáneo de múltiples robots en una tarea.

Por último, los avances en tecnología de sensores y en el poder de cómputo requerido para analizar los datos recogidos por esos sensores facilitarán que los robots realicen trabajos como corte de piedras preciosas, que hasta el momento requerían de personal muy capacitado. Las mismas tecnologías podrían permitir incluso la realización de actividades que hoy resultan imposibles de completar, como ajustar la composición o el espesor de revestimientos en tiempo real para compensar desviaciones en el material subyacente, o “pintar” circuitos electrónicos en la superficie de una estructura.

Trabajo en combinación con seres humanos

Las compañías gozarán de mucha más libertad para decidir qué tareas automatizar con robots y cuáles llevar a cabo manualmente. Los sistemas de seguridad avanzados permiten que los robots ocupen nuevas posiciones de trabajo lado a lado con sus colegas humanos. Si un sensor detecta el riesgo de colisión, el robot se detendrá o alterará su recorrido automáticamente para evitar el impacto. Esta tecnología hace posible el uso de robots para trabajos individuales en líneas de ensamblado manuales. Y la eliminación de cercas y enclavamientos de seguridad implica a su vez menores costos, un gran beneficio para las organizaciones más pequeñas. La posibilidad de colocar robots lado a lado y de reasignar tareas entre sí también contribuye a la productividad, ya que las compañías podrán así rebalancear sus líneas de producción en función de la demanda.

Los robots capaces de operar en forma segura en proximidad de personas también allanan el camino para aplicaciones adicionales fuera del entorno controlado de una planta de producción. Los comerciantes por Internet y las compañías de logística ya están adoptando variantes de automatización robótica en sus almacenes. Imaginen las ventajas de productividad disponibles para una empresa de courier si un robot fuera capaz de pre-clasificar los paquetes en los vehículos de reparto durante las entregas.

Sistemas de producción Agile

Los sistemas de automatización se están volviendo más flexibles e inteligentes, y pueden ajustar su comportamiento automáticamente para maximizar la producción u optimizar los costos unitarios. Los sistemas especializados utilizados en líneas de llenado de bebidas o de empaque pueden adecuar en forma automática la velocidad de una línea de producción completa para alinease con cualquier actividad que constituya el condicionamiento crítico de un lote de producción. En la producción de automóviles, los sistemas expertos realizan pequeños ajustes automáticos de velocidad para optimizar el balance general de cada línea y maximizar la efectividad del sistema de fabricación completo.

Si bien la gran mayoría de los robots actuales operan en aplicaciones de alta velocidad y gran volumen, los sistemas más avanzados permiten realizar ajustes sobre la marcha, alternando entre tipos de productos sin necesidad de detener la línea para cambiar de programa o reconfigurar las herramientas. Muchas tecnologías de producción actuales y emergentes, desde control numérico computarizado (CNC) hasta impresión 3D, permiten ajustar la geometría de los componentes sin necesidad de cambios de herramientas, posibilitando tamaños de lote de producción de una sola unidad. Un fabricante de componentes industriales, por ejemplo, emplea tecnología de comunicación en tiempo real mediante etiquetas de identificación por radio-frecuencia (RFID) para ajustar la forma de los componentes a los requerimientos de cada modelo.

El reemplazo de sistemas de cintas transportadoras fijas por vehículos guiados automáticamente (AGVs) ayuda a reconfigurar los flujos de productos y piezas en las plantas entre estaciones de trabajo, posibilitando la realización de secuencias de fabricación con pasos totalmente diferentes en forma automatizada. Este tipo de flexibilidad genera múltiples beneficios, como menores tiempos de entrega, un mejor alineamiento entre oferta y demanda, rápida introducción de nuevos productos y simplificación de la fabricación de productos altamente personalizados.

Tomar las decisiones correctas sobre automatización

Con tanto potencial tecnológico al alcance de sus manos, ¿cómo deciden las empresas sus estrategias de automatización? Puede resultar muy fácil dejarse arrastrar por la automatización por sí misma, pero un abordaje de este tipo generalmente resulta en proyectos costosos, largos de implementar o que no logran alcanzar los objetivos deseados.

Una estrategia de automatización exitosa requiere decisiones adecuadas en múltiples niveles. Las compañías deben seleccionar qué actividades automatizar, qué nivel de automatización aplicar (desde simples controladores lógicos programables hasta robots sofisticados guiados por sensores y algoritmos adaptativos inteligentes), y también cuáles tecnologías adoptar. En cada uno de estos niveles, las compañías deben asegurarse de que sus planes se ajusten a los siguientes criterios:

La estrategia de automatización debe estar alineada con las estrategias de operaciones y de negocios. Como mencionamos más arriba, la automatización ayuda a alcanzar cuatro objetivos clave: aumentar la seguridad de los trabajadores, reducir los costos, mejorar la calidad y aumentar la flexibilidad. Bien llevada a cabo, la automatización puede generar ventajas en todas estas áreas, pero el balance de beneficios puede variar en función del abordaje y de la tecnología. El balance correcto para cada organización dependerá de su estrategia de operaciones y de sus objetivos de negocios.

Los programas de automatización deben comenzar con una articulación clara de la situación. También es importante determinar los motivos por los que la automatización es la mejor solución. El proyecto debe identificar dónde y cómo la automatización puede ofrecer mejoras, y demostrar cómo esas mejoras se vinculan con la estrategia de la compañía.

La automatización debe establecer claramente el retorno de la inversión. Las empresas, especialmente las más grandes, deben ser cuidadosas de no excederse en las especificaciones, la complejidad o el gasto de sus inversiones en automatización. Seleccionar el nivel de complejidad correcto para satisfacer las necesidades presentes y previsibles requiere un entendimiento en profundidad de los procesos y los sistemas de producción de la organización.

Plataformas e integración

Las compañías enfrentan una creciente presión por maximizar el retorno de sus inversiones de capital y reducir el tiempo necesario para llevar sus productos a la producción a escala. Construir sistemas de automatización aptos únicamente para una línea de productos específica se contrapone con esos objetivos, y requiere ciclos de diseño, compra y puesta en marcha de equipamiento reiterados, largos y costosos. Un mejor abordaje consiste en utilizar sistemas, células, líneas y plantas de producción fáciles de adaptar y modificar.

Al igual que las estrategias de modularización y creación de plataformas han simplificado y reducido el costo de gestionar carteras de productos complejas, un abordaje de plataformas será cada vez más relevante para productores interesados en maximizar la flexibilidad y las economías de escala en sus estrategias de automatización.

Las plataformas de procesos, como un brazo robótico equipado con una pistola soldadora, alimentación eléctrica y controles electrónicos, pueden ser estandarizadas, aplicadas y reutilizadas para múltiples propósitos, simplificando la programación, el mantenimiento y el soporte de producto.

Asimismo, los sistemas de automatización deberán estar plenamente integrados con el resto de los sistemas de la organización. Esa integración comienza por la comunicación entre las máquinas en el piso de la fábrica, un aspecto facilitado en gran medida por las tecnologías modernas de networking industrial. Pero también debe extenderse al resto de la organización. La integración directa con el diseño asistido por computadora, ingeniería integrada por computadora y sistemas ERP acelerará el diseño y el despliegue de nuevas configuraciones, y dará lugar a sistemas flexibles capaces de responder en tiempo cuasi-real a variaciones en la demanda o en la disponibilidad de materiales. Los datos sobre variables de los procesos y el desempeño de fabricación que fluyan en sentido inverso serán registrados con fines de control de calidad y utilizados para informar mejoras de diseño y las nuevas generaciones de productos.

La integración también se extenderá más allá de los muros de la planta. Las compañías no requerirán solamente colaboración e intercambio de información con clientes y proveedores; también necesitarán desarrollar ese tipo de relaciones con los fabricantes de equipos de procesamiento, que poseerán una mayor proporción del know-how y los derechos de propiedad intelectual necesarios para optimizar el funcionamiento de los sistemas de automatización. La tecnología requerida para facilitar esta integración es cada vez más accesible, gracias a la disponibilidad de arquitecturas y protocolos de networking abiertos, pero también serán necesarios cambios en la cultura, los procesos de gestión y las mentalidades a efectos de poder balancear los costos, los beneficios y los riesgos.


Los sistemas de automatización más baratos, inteligentes y adaptables ya están transformando el sector de manufactura de múltiples maneras. Y si bien la tecnología será más simple de implementar, no ocurrirá lo mismo con las decisiones a tomar por las compañías. Para capturar todo el valor de las oportunidades que presentan estos nuevos sistemas, las empresas deberán utilizar un abordaje holístico y sistemático, y alinear sus estrategias de automatización con las necesidades actuales y futuras de sus negocios.

Sobre el/los autor(es)

Jonathan Tilley es experto senior de la oficina de McKinsey del Sur de California.

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