Resumen: El sistema transportador Power & Free (P&F) es un equipo de manipulación de materiales totalmente funcional y flexible. No solo transporta piezas de trabajo, sino que también clasifica y almacena diferentes piezas, lo que lo hace ampliamente aplicable en la producción industrial. Este artículo presenta el diseño de ingeniería de un sistema transportador P&F, tomando como ejemplo el taller de soldadura de una fábrica de automóviles.

Palabras clave: Sistema de potencia y libertad, Diseño de ingeniería, Automatización de la producción

I. Descripción general del proceso

1. Programa de producción:
La capacidad de la Línea A es de 90.000 vehículos por dos turnos. La de la Línea B es de 50.000 vehículos por dos turnos. La capacidad total del sistema de carga y descarga es de 140.000 vehículos por dos turnos. El peso máximo de una carrocería en blanco (BIW) es de 500 kg.

2. Flujo del proceso:

• Estación de carga: Los BIW calificados, habiendo completado la soldadura en el taller de soldadura, se transfieren al transportador P&F.
• Zona de almacenamiento (área de acumulación): se pueden almacenar diferentes tipos de BIW en zonas clasificadas.
• Línea transportadora: transporta los BIW almacenados en los transportadores P&F al taller de pintura.

• Estación de descarga: Los BIW se transfieren desde el transportador P&F al transportador deslizante del taller de pintura.

3. Estructura de la planta:
La planta es una estructura ligera de acero con cargas de proceso uniformemente distribuidas por todo el taller. La malla estructural consta de un punto cada 8 m a lo largo del taller y uno cada 3 m a lo ancho (perpendicular al taller). Esto da como resultado una distribución de malla de 3 m x 8 m, donde cada punto de elevación soporta una carga vertical de 4,5 t y una carga horizontal de 0,8 t.

II. Determinación de la ruta del sistema P&F y del equipo principal

Componentes del sistema: Elevador/montacargas, Línea transportadora, Zona de almacenamiento, Elevador/montacargas de descarga, Sistema de control eléctrico.

1. Elevador/Polipasto de carga (elevador):
Se instala un elevador en la posición de carga de las líneas A y B. El segmento del elevador, que incluye un transportador de rodillos, se eleva a la altura requerida y transfiere la pieza de trabajo a su posición. El tope de la línea de carga y descarga, frente a la posición de espera, se abre y la cadena arrastra el transportador vacío hasta el tope del elevador. A continuación, el transportador se posiciona y localiza mediante el dispositivo de posicionamiento del pasador. El elevador desciende, separando el transportador de rodillos de la pieza, que se deposita sobre el transportador vacío. El elevador continúa descendiendo hasta la posición de recepción. El tope del segmento del elevador se abre y la cadena arrastra el transportador cargado hacia la línea de almacenamiento.

2. Línea transportadora:
La ruta está diseñada de la manera más racional y científica, garantizando que el sistema de transporte no interfiera con otros equipos del taller. Cumple con los requisitos para el transporte y almacenamiento de materiales de construcción. La longitud total de la ruta es de aproximadamente 2000 metros, con seis estaciones de accionamiento configuradas para controlar seis cadenas transportadoras independientes.

3. Zona de almacenamiento:
Dado que el taller produce tres series principales de productos y la secuencia requerida de vehículos en el taller de pintura difiere de la secuencia de producción del taller de soldadura, es necesario considerar la secuencia y el almacenamiento de los BIW. Según las condiciones reales y el espacio disponible en el taller, se diseñaron tres líneas de almacenamiento para almacenar tres tipos diferentes de BIW, cada una con capacidad para 20 BIW. También se incluye un canal exprés adicional que permite que los BIW que entran en línea eviten el área de almacenamiento y se dirijan directamente al taller de pintura a través de la línea transportadora.

4. Elevador/Polipasto de descarga:
El transportador cargado es arrastrado por la cadena hasta el tope del elevador, donde el dispositivo de posicionamiento del pasador lo ubica. El elevador se eleva a la altura requerida, levanta el BIW y este se separa del transportador. El dispositivo de posicionamiento del pasador se desacopla, el tope del transportador se abre y el transportador vacío es retirado de la estación de descarga por la cadena. A continuación, el BIW se transfiere mediante una horquilla telescópica al patín del rodillo de pintura.

III. Características estructurales y rendimiento de los equipos principales del sistema de pilotaje y frenado

El sistema de transporte utiliza un transportador aéreo de 10 cm de ancho, de una sola unidad, con cabezal de empuje y sobre riel para transportar los productos. Los componentes principales incluyen la unidad motriz, el tensor, la cadena, el carro/carro esclavo, el empujador, el riel recto, el riel curvo horizontal (curvas de rodillos), el riel curvo vertical, los desvíos, el conjunto transportador, los topes, los despachadores (decodificadores), las redes de seguridad y otras estructuras de acero para la instalación. Las formas estructurales son las siguientes:

1. Unidad de accionamiento
La unidad de accionamiento adopta una transmisión lineal. La estación de accionamiento lineal está equipada con una cadena de transmisión independiente tipo oruga para accionar la cadena de tracción. La placa guía de la cadena de transmisión tipo oruga tiene una forma de arco amplio para minimizar la fluctuación de la cadena de tracción y garantizar una conducción suave. La estación de accionamiento lineal consta de un bastidor fijo y un bastidor flotante. El motor de accionamiento utiliza control de velocidad de frecuencia variable y está equipado con un dispositivo de protección contra sobrecargas.
La unidad de accionamiento lineal tipo oruga consta de un bastidor de máquina, un bastidor flotante, un motorreductor y una cadena de transmisión. El motor acciona directamente el reductor mediante un acoplamiento y cuenta con una protección mecánica flotante lineal (rotativa) contra sobrecargas. El robusto bastidor de soporte garantiza que la unidad de accionamiento proporcione suficiente fuerza motriz. El tensor ajustable y el mecanismo de soporte de la cadena facilitan la instalación y el ajuste de la holgura de engrane de la cadena. En caso de sobrecarga, la protección mecánica flotante lineal contra sobrecargas puede avisar y cortar la alimentación de forma oportuna. Una plataforma de inspección está instalada en la unidad de accionamiento para facilitar el acceso a todos los componentes. Los puntos de engrase están convenientemente ubicados para la lubricación manual.

2. Dispositivo tensor
El transportador P&F incorpora un mecanismo tensor neumático con soportes de rodillos entre los marcos fijo y flotante. Se instalan interruptores de límite en ambos extremos del tensor para evitar una tensión insuficiente de la cadena y un recorrido excesivo. Se selecciona un tensor neumático con una carrera de s=800 mm, lo que garantiza que pueda absorber una longitud de cadena igual a un paso de empuje. Tras el ajuste, la carrera no utilizada del tensor no es inferior al 50 % de la carrera total. El tensor está equipado con una plataforma de inspección.

3. Cadena, carro (carro esclavo) y empujador
La cadena de tracción utiliza una cadena desmontable forjada estándar, fabricada en acero 45Mn₂. La cadena X-458 tiene una carga de rotura y una tensión admisible de 216 kN y 15 kN, respectivamente, con un paso teórico de 102,4 mm. La cadena debe funcionar sin arrastrarse ni saltar.
La cadena de tracción se apoya en carros de soporte. El cuerpo del carro es una pieza forjada integral de alta resistencia. El carro de soporte se ensambla mediante pernos. Los rodillos son ruedas con rodamientos integrales (juego de bolas completo sin jaula), que ofrecen holgura moderada, baja resistencia, protección mediante sello laberíntico de tres capas y una boquilla de lubricación externa a presión, lo que los hace adecuados para su uso en entornos hostiles y de alta temperatura. La disposición del carro es racional y se adapta a los giros verticales y horizontales de la cadena de tracción. Se recomienda utilizar un soporte de doble grupo a ambos lados del empujador.
Se utiliza un carro de carga de cuatro ruedas, compuesto por un carro delantero, un carro trasero, dos carros intermedios, una biela amortiguada, una biela rígida y una biela despachadora. El carro delantero del carro de carga es el carro de tracción. El carro delantero coopera con el tope y el carro trasero para realizar las funciones de parada y acumulación. Los carros intermedios se utilizan para soportar el portador. Dos juegos de pasadores de conexión pueden soportar el portador. Un juego de bielas con función de amortiguación asegura la longitud de acumulación y realiza el amortiguamiento del conjunto del portador. Los carros delantero y trasero están hechos de acero fundido de precisión. El cuerpo del carro y las placas laterales están conectados con pernos y contratuercas de alta resistencia para garantizar la seguridad y confiabilidad del carro. El carro de carga cumple con los requisitos de instalación simple, operación flexible, estructura razonable, robustez, durabilidad y mantenimiento conveniente. Tiene holgura moderada, baja resistencia, buen sellado y una boquilla de lubricación externa de tipo presión.

4. Pista (Vía recta)
La vía consta de tres secciones de acero perfilado, unidas mediante soldadura, y la unión entre ellas se realiza mediante pernos. La vía de cadena utiliza acero I10, y la vía de carro, acero de canal especial de 4".

5. Vía curva horizontal (curvas de rodillos)
La sección de giro horizontal del riel de cadena en la vía curva horizontal está equipada con rodillos de apoyo para asegurar la trayectoria correcta de la cadena de tracción y el engrane correcto entre el empujador y el carro. En la sección de giro horizontal, la cadena de tracción entra en contacto con los rodillos de apoyo, que presentan una dureza específica. Los rodillos están instalados en una vía con ranuras para ruedas especialmente diseñada. Los rodillos están equipados con rodamientos sellados con engrasadores externos para su lubricación regular. El ángulo de la vía curva horizontal se determina por la disposición general de la línea. El material utilizado para la fabricación de la vía curva horizontal es el mismo que el de la vía recta.

6. Pista curva vertical
La superficie de la pista curva vertical es lisa y su curvatura no afecta la tensión de la cadena. La curvatura de la pista se determina según los requisitos del proceso.

7. Cambios (Desvíos)
Los conmutadores se dividen en conmutadores desviadores e conmutadores convergentes.

• Interruptores de Desvío: Se utilizan para dividir una línea en dos. La selección de dirección cuando el carro de carga pasa por el interruptor de desvío se controla automáticamente por el PLC en la sala de control eléctrico mediante una válvula solenoide, un cilindro neumático y una lengüeta de interruptor en la unidad neumática del interruptor.
• Desvíos convergentes: Son desvíos no controlados que se utilizan para fusionar dos líneas en una. El carro de carga pasa por el desvío convergente, apoyándose en él para abrir la lengüeta del desvío.

8. Conjunto portador
El conjunto portador consta de un carro delantero, dos carros intermedios, un carro trasero, bielas delanteras y traseras y el portador (plantilla).

9. Tapón
El tope utiliza una placa de tope de rodillo accionada por un cilindro neumático. Al activarse, detiene el empujador del carro delantero del conjunto transportador tras soltarse de la varilla de empuje de la cadena de tracción, posicionándolo así. Este sistema está equipado con un dispositivo de detección de posición para el tope.

10. Redes de seguridad y otras estructuras de acero para instalación
Como parte integral del sistema, se instalan redes de seguridad en las zonas por donde pasa la línea transportadora. La estructura de acero de la instalación adopta un sistema de suspensión de cerchas independiente.

IV. Diseño del sistema de control eléctrico de la cadena P&F

El sistema de control eléctrico utiliza el PLC Siemens serie S7 como núcleo para el control a nivel de equipo, configurado con módulos de comunicación Ethernet y de bus de campo. Una alarma musical suena antes del arranque automático de la línea. El circuito principal de todos los motores del sistema está equipado con interruptores automáticos de baja tensión. El circuito de control se completa conjuntamente con el PLC y los convertidores de frecuencia para lograr el funcionamiento a alta/baja velocidad y en sentido de avance/retroceso de los motores. Al mismo tiempo, el circuito de control del convertidor de frecuencia proporciona una salida de fallo para sobrecarga, cortocircuito, pérdida de fase y otras funciones de protección para los motores.

La adquisición de señales de entrada de campo y el intercambio de información con la línea de ajuste y el taller de pintura utilizan tecnología de bus de campo. Esta tecnología ofrece una excelente apertura y un protocolo de red completo y riguroso. La estación maestra del PLC y las estaciones de operación que se encuentran debajo forman una red Profibus-DP a través del bus, lo que garantiza la lectura y escritura fiables de datos entre el PLC y las subestaciones, garantizando así la producción automatizada y el control automático de los parámetros de proceso en toda la línea mediante programación. El estado de todos los equipos de campo también se puede enviar primero al PLC y luego al ordenador central para una monitorización centralizada a través de la red de bus de campo. El esquema de control es simple, la estructura es concisa y el mantenimiento es sencillo. Además, el armario de control está equipado con una pantalla táctil para visualizar el estado operativo del equipo y facilitar la consulta rápida de fallos.

El sistema de control eléctrico de la cadena P&F consta de un Panel de Control Maestro (MCP), tres Paneles de Control Remoto (RCP) y nueve Estaciones de Operación (OS). El MCP es el Panel de Control Maestro de la Cadena P&F de Soldadura; los RCP son los Gabinetes de Control Eléctrico de la Cadena P&F RCP01, RCP02 y RCP03; y las OS son las Estaciones de Operación BS01, BS02, BS03, BS04, BS05, BS06, BS07, BS08 y BS09. Entre estas, las Estaciones de Operación BS01, BS03 y BS09 están equipadas con pantallas táctiles.

El sistema de transmisión por cadena P&F consta de 6 motores de accionamiento: M1, M2, M3, M4, M5 y M6.

Procedimiento de puesta en marcha de la línea de cadena P&F:

Cierre el disyuntor principal dentro del MCP de cadena de soldadura P&F para suministrar energía a RCP01, RCP02 y RCP03 → Cierre los disyuntores dentro de RCP01, RCP02 y RCP03 para suministrar energía a los PLC, aparatos eléctricos dentro de RCP01, RCP02 y RCP03, y a las estaciones de operación BS01 a BS09 → Cierre los disyuntores dentro de las estaciones de operación para suministrar energía a los PLC y aparatos eléctricos dentro de las estaciones de operación → Si todo está normal, la energía de control se puede cerrar con una llave y la luz indicadora de energía de control se enciende → Vaya a la estación remota RCP01, seleccione el modo de funcionamiento de la línea: "Semiautomático", "Mantenimiento" o "Automático" → Cierre los disyuntores del motor dentro de la estación remota para habilitar el arranque de los motores de accionamiento M1, M2, M3, M6, M4 y M5, que impulsan la línea de cadena → Vaya a la estación remota RCP01, presione "Inicio del sistema".

Si se selecciona el modo "Mantenimiento", se enciende el indicador de Inicio del Sistema. Si se selecciona el modo "Semiautomático" o "Automático", la línea de la cadena comenzará a funcionar automáticamente y se encenderá el indicador de Inicio del Sistema.

Procedimiento de parada de la línea de cadena P&F:

Vaya al Panel de control remoto RCP01 y presione "Detener sistema". La línea de cadena se detiene y la luz indicadora de Detener sistema se enciende.

Los modos de funcionamiento de la línea de cadena son "Semiautomático", "Mantenimiento" y "Automático". Si el modo de funcionamiento de la línea es "Mantenimiento", los elevadores LF1, LF2 y los topes pueden operarse manualmente para la depuración del personal de mantenimiento. Si el modo de funcionamiento de la línea es "Semiautomático" o "Automático", todos los despachadores y topes solo pueden operar cuando la línea de cadena está en marcha. Si la línea de cadena entra en una parada de emergencia, todos los despachadores y topes mantendrán su estado actual hasta que se reinicie la línea de cadena.
Si se produce una falla en el equipo, presione inmediatamente el botón de parada de emergencia en el panel de control remoto, la estación de operación o la caja de botones. Una vez reparada la falla, la línea de cadena solo podrá reiniciarse después de presionar el botón de "Reinicio de falla".

Prueba de indicador de producción:

Presione el botón "Indicador de prueba"; todas las luces se iluminarán y se escuchará un zumbido. Al soltar el botón, se detendrá la prueba.

Actualmente, los transportadores aéreos utilizados por los fabricantes de automóviles no se limitan al transporte de piezas y carrocerías, sino que constituyen un sistema completo de control mecánico y eléctrico con un alto grado de automatización. Permiten la producción en línea de múltiples tipos de carrocerías y permiten el transporte y almacenamiento de las carrocerías según las necesidades de producción. La estación de transferencia requiere un posicionamiento preciso y una transferencia automática. Todo el sistema transportador P&F puede transportar con precisión las piezas de trabajo terminadas en el taller de soldadura al taller de pintura sin necesidad de intervención manual.