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Métodos Poka-Yoke para el apriete de pernos en líneas de montaje de piezas de automoción

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Apriete de tornillos en líneas de montaje de piezas de automoción, apriete de tornillos, sistema automático de apriete de tornillos

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En la cadena de montaje de piezas de automoción, el apriete de tornillos es un proceso crítico y una de las operaciones que requieren más mano de obra. Como hay muchos tipos de tornillos, en grandes cantidades y con un aspecto muy similar, los operarios suelen cometer errores que provocan defectos de calidad. La lista de defectos de calidad y los registros de reprocesado de una empresa muestran que a menudo se producen roscas desgastadas, tornillos que faltan o son erróneos y tornillos sueltos. Estos defectos se deben en gran medida a que los operarios repiten una operación de apriete, se saltan un tornillo o no alcanzan el par de apriete máximo. La formación y la experiencia pueden reducir los porcentajes de error, pero como el ser humano es intrínsecamente limitado, es imposible un funcionamiento 100% libre de errores. Por tanto, para resolver el problema de raíz, debemos ir más allá de una disciplina más estricta del operario y equipar la línea con funciones poka-yoke (a prueba de errores) de cobertura total.

Los equipos de apriete del mercado son variados, pero las herramientas de apriete eléctricas son las más comunes en el montaje de piezas de automoción por su alta rentabilidad. Las herramientas se presentan en dos estilos principales:

Herramientas de apriete en línea (con empuñadura de pistola): buenas para pares de apriete elevados y acceso en cualquier ángulo.

Herramientas en ángulo recto (rectas): mejores para aplicaciones de bajo par y trabajos horizontales.

Ambos estilos pueden proporcionar varios niveles de par y el programa seleccionado se cambia automáticamente mediante un selector de casquillos; cada posición de casquillo se asigna a un programa de apriete.

Las propias herramientas ya pueden medir el par, el ángulo y el recuento. Esta es la base para evitar errores. Sin embargo, dado que el proceso de producción y el comportamiento de las uniones son complejos, los límites superior e inferior de control de estos parámetros no pueden establecerse sólo con la experiencia, ni existen normas al respecto. Por lo tanto, se requiere un esfuerzo adicional para liberar todo el potencial de las pistolas a prueba de errores.

Prevención del reapriete
El ángulo de giro de un tornillo permite determinar si se ha apretado dos veces. En un apriete normal, un perno puede girar de varias a una docena de vueltas completas de principio a fin. Si un tornillo ya apretado se aprieta de nuevo con el mismo par objetivo, el ángulo adicional girado es muy pequeño, casi cero. Por tanto, controlando el ángulo de apriete podemos detectar un nuevo apriete.
En la práctica, el controlador de la herramienta dispone de un límite inferior de ángulo. Si el ángulo medido está por debajo de ese límite, se considera que el tornillo ya está apretado y el controlador emite una alarma.

Hay dos parámetros clave que afectan al cálculo del ángulo:

Par de apriete: el valor de par en el que comienza el bucle de control preciso de la pistola.

Par umbral: el valor de par en el que comienza el recuento de ángulos; debe ser ≥ par ajustado.

Dado que el perno pasa la mayor parte del tiempo de apriete por debajo del par ajustado, el ángulo de apriete calculado en condiciones normales también es muy pequeño (a menudo < 100°). Esto comprime severamente el rango utilizable para el límite inferior del ángulo. Si el límite se fija demasiado alto, la pistola emitirá una falsa alarma en cada apriete normal.

Mientras tanto, los ángulos de reapriete reales varían ampliamente debido a la fuerza de muñeca del operario, la dureza del material de la junta, la fuerza de reacción de la pistola y la presencia/ausencia y grosor/dureza de las arandelas. Los ángulos de reapriete pueden oscilar entre casi cero y 30-40° o más. En consecuencia, debe aumentarse el límite inferior del ángulo, de lo contrario el poka-yoke de reapriete se vuelve ineficaz.

Estas dos limitaciones contradictorias dificultan la fijación del límite angular. Un valor fiable no puede derivarse de la experiencia o de simples suposiciones; debe proceder de una meticulosa observación in situ y de un análisis de datos a gran escala. Tras recopilar datos de apriete, se establece el ángulo límite inferior preliminar para el reapriete. A continuación, se ajusta el límite en función de la fuerza del operario, la dureza del perno/junta, el tipo de pistola y las condiciones de la arandela.

Prevención de la pérdida de pernos
La prevención de pernos perdidos se consigue principalmente mediante el recuento.

Ejemplo: una pieza requiere el apriete de 10 pernos idénticos en una estación. La herramienta acumula el recuento. Si el recuento final es inferior a 10, la línea o el equipo asociado reaccionan, deteniendo la paleta o haciendo sonar una alarma. Una vez que el recuento llega a 10, la pistola se autobloquea; no es posible seguir apretando hasta que llegue una nueva pieza.

Deben cumplirse dos requisitos previos:
La herramienta debe permitir el intercambio de datos con la línea.

El poka-yoke de reapriete descrito anteriormente debe ser totalmente funcional.

El requisito previo 1 puede cumplirse de dos maneras:
a) Identificación automática mediante etiqueta de radiofrecuencia en el palet
- El transportador dispone de un cabezal de lectura/escritura.
- Cada vez que una pieza entra en la línea, su número de serie se escribe en una etiqueta de radiofrecuencia del palé.
- Cuando el palé llega a una estación, el cabezal de lectura/escritura borra el número de serie anterior y carga el nuevo, lo que permite a la pistola saber que ha llegado una pieza nueva.

b) Lectura manual de códigos de barras/QR
- Se coloca un escáner manual junto a la línea.
- Secuencia: llega la pieza → el operario escanea el código de barras → el controlador de la pistola actualiza los datos de la pieza → el operario aprieta → recuento OK → palé liberado → llega la siguiente pieza.
- Debido al paso manual adicional, el rendimiento es inferior al del método (a).

El requisito previo 2 es fundamental: si no se detecta el reapriete, un operario podría apretar un tornillo dos veces, alcanzar el recuento objetivo y, aun así, saltarse un tornillo. Por lo tanto, para evitar que se omitan pernos, primero debe validarse completamente el poka-yoke de reapriete.

Prevención del par de apriete fuera de especificación
El par de apriete fuera de especificación se debe principalmente a:

(1) El operario suelta el gatillo antes de que la pistola alcance el par máximo.
(2) Excesiva velocidad de la pistola → gran inercia → el par sobrepasa la ventana.
(3) En pistolas multipar, se elige el enchufe equivocado porque los enchufes parecen idénticos pero corresponden a diferentes programas de par.

Como la herramienta ya tiene un juicio de par fiable, avisa cuando el par está fuera de rango. Sin embargo, en un taller ruidoso, los operarios pueden ignorar la alarma. Para conseguir una protección del 100 %, la herramienta debe bloquear el funcionamiento hasta que el operario tome medidas correctivas.

La solución es vincular la función de alarma de la herramienta a su función de retroceso en el programa del controlador:

Si el par de apriete es bajo, la pistola no puede continuar hasta que el operario vuelva a apretar hasta el objetivo.

Si el par es alto, la pistola no puede continuar hasta que el operario afloje ligeramente el tornillo.
Esto elimina eficazmente los riesgos (1) y (2).

Para el riesgo (3) - selección incorrecta del casquillo - las herramientas apretarán felizmente al par definido por el programa seleccionado sin alarma, por lo que el enlace del programa anterior es ineficaz. En su lugar, el propio selector de casquillos debe imponer la secuencia correcta.

Pasos de implementación:

Definir la secuencia de apriete y el recuento exacto para cada encaje, según los requisitos del proceso.

La secuencia de cada herramienta es única.

Si el operario elige el casquillo equivocado, la herramienta no se pondrá en marcha.

Una vez que un encaje ha alcanzado su recuento programado, la herramienta bloquea ese encaje hasta que se cambie la pieza.

Esto refuerza la disciplina del operario y elimina los errores de par de apriete causados por la confusión de los encajes.

Verificación continua
Poka-yoke no es una instalación de una sola vez; requiere:

Un plan de control adaptado a los requisitos de calidad del producto.

Auditorías periódicas de la línea para garantizar que todas las funciones a prueba de errores siguen siendo eficaces.

Sólo institucionalizando estas prácticas podrá la línea de montaje mantener a largo plazo un rendimiento de apriete sin defectos.