Un robot repite un punto con una precisión de pocas centésimas de milímetro, pero solo en su propio mundo. La calibración de suelo consiste en hacer que ese mundo coincida con el real —cimentación, montaje, ajuste de ejes y sistemas BASE— para que los programas sobrevivan a un traslado y un segundo robot pueda compartir la célula.
Un robot KUKA se vende por su repetibilidad, y con razón: un brazo que vuelve a un punto enseñado con una precisión de pocas centésimas de milímetro, cientos de miles de veces, es una máquina extraordinaria. Pero la repetibilidad describe al robot hablando consigo mismo. No dice nada sobre si el punto que el robot cree que está a 500 mm de su base está realmente a 500 mm del útil que hay en el suelo. La distancia entre el mundo de coordenadas del robot y la célula física es donde desaparece la mayor parte del tiempo de puesta en marcha, y es a lo que nos referimos cuando hablamos de calibración de suelo: una cadena de pasos que va del hormigón al programa, en la que cada uno se apoya en el anterior.
Primer paso: el propio suelo
La calibración empieza antes de encender el robot, porque ningún software puede corregir una base que se mueve. Un robot industrial grande que frena bruscamente en una parada de emergencia transmite a su cimentación fuerzas muy superiores a las del movimiento normal, y la especificación del fabricante indica esas cargas precisamente por ese motivo. Las instrucciones de montaje definen cómo puede fijarse el robot: sobre una cimentación de hormigón con los anclajes especificados, o sobre un bastidor de acero diseñado para ello, con la calidad del hormigón, el espesor mínimo de la losa, el tipo de perno y el par de apriete indicados. Un suelo con una grieta bajo la placa base, una junta de dilatación que la cruza o una capa fina de solado sobre la losa estructural superará todas las pruebas estáticas y después permitirá que la base se mueva fracciones de milímetro bajo carga. Multiplicada por un alcance de dos metros, una fracción de milímetro en la base se convierte en un error visible en la herramienta.
La nivelación importa por una segunda razón. Un robot configurado para montaje en suelo supone que la gravedad actúa en vertical a través de su base, y su modelo dinámico —el cálculo que decide los pares de los motores a lo largo de una trayectoria— se basa en esa suposición. Una placa base claramente desnivelada inclina todo el mundo del robot. En trabajos en los que solo importan las posiciones relativas a un útil puede pasar desapercibido; en dosificación, apilado o cualquier otra tarea que dependa de la gravedad, no. Nivelamos y calzamos la placa base hasta la tolerancia de las instrucciones, apretamos los anclajes al par indicado, registramos los valores y los volvemos a comprobar en los intervalos que marca el plan de mantenimiento. Los robots montados en techo o en pared siguen la misma lógica con su propia configuración: la posición de montaje forma parte de los datos del robot, no es algo que el controlador descubra por sí mismo.
Segundo paso: el ajuste de ejes, el cero propio del robot
La siguiente capa es el ajuste de ejes, conocido como mastering, que a menudo se confunde con la calibración. El ajuste indica al controlador dónde está el cero mecánico de cada eje, para que una lectura de ángulo en el motor corresponda a un ángulo real del brazo. En los robots KUKA se realiza con un dispositivo electrónico de ajuste que se atornilla a un cartucho de medición en cada eje; cuando el eje pasa lentamente por una muesca, el dispositivo detecta la posición exacta y el controlador la guarda. Sin un ajuste válido, el robot no puede moverse en coordenadas cartesianas en absoluto, y un robot mal ajustado alcanzará perfectamente cada punto enseñado y ligeramente mal cada punto calculado: el tipo de error que hace poco fiables los programas offline y los desplazamientos, mientras los programas enseñados a mano parecen correctos.
El ajuste se hace en la puesta en marcha y debe repetirse siempre que haya podido cambiar la relación entre motor y brazo: tras sustituir un motor o un reductor, tras una colisión a velocidad o tras una pérdida de datos. El procedimiento de KUKA permite además realizar el ajuste con y sin la carga de la herramienta y aprender la diferencia entre ambos, de modo que el efecto de la carga útil sobre el brazo se tenga en cuenta más adelante. Merece la pena hacerlo bien, porque todas las capas superiores heredan sus errores.
Tercer paso: WORLD y ROBROOT, dónde está el robot
Un controlador KUKA describe la célula con una pequeña familia de sistemas de coordenadas. WORLD es la referencia fija de la célula. ROBROOT es la base del robot, definida como un desplazamiento respecto a WORLD. BASE es un sistema de coordenadas sobre una pieza o un útil, y TOOL es el punto de trabajo de la herramienta. En un único robot montado en suelo, WORLD y ROBROOT suelen coincidir y nadie necesita pensar en ellos. En cuanto la célula incluye un segundo robot, un eje lineal o un posicionador giratorio, se vuelven imprescindibles: el ROBROOT de cada robot se mide respecto a un WORLD común, para que ambas máquinas coincidan en dónde está un útil compartido, y un eje lineal o un posicionador se configura como una cinemática propia para que un BASE montado sobre él se desplace con él.
Cuarto paso: TOOL y BASE, donde ocurre el trabajo
La medición de TOOL indica al robot dónde está su punto de trabajo. El método habitual de KUKA para la posición es el método XYZ de 4 puntos: la punta de la herramienta se lleva al mismo punto de referencia fijo desde cuatro orientaciones claramente distintas, y el controlador calcula dónde debe estar la punta respecto a la brida para que las cuatro aproximaciones coincidan. La orientación de la herramienta se define después con el método ABC World o ABC de 2 puntos. La calidad del resultado depende más del operario que del software: un punto de referencia afilado y rígido, orientaciones realmente diferentes y una punta que toca en lugar de empujar. Una antorcha de soldadura o una pinza medida con descuido convierte cada reorientación en un pequeño error de posición, y se culpará al robot de una imprecisión que en realidad no tiene.
La medición de BASE es el paso que une el programa con el suelo. Con el método de 3 puntos, la herramienta ya medida toca tres puntos del útil: el origen del nuevo sistema de coordenadas, un punto sobre su eje X positivo y un punto de su plano XY en el lado de Y positivo. A partir de esos tres puntos, el controlador define un sistema que descansa sobre el útil. Cuando el origen no es accesible directamente —porque queda dentro de una pieza o bajo un amarre—, el método indirecto utiliza cuatro puntos cuyas coordenadas en la base ya se conocen. Si la posición del útil se conoce con precisión, los valores pueden introducirse sin más de forma numérica.
La razón por la que esto importa tanto es sencilla. Los puntos enseñados en un BASE pertenecen al útil, no a la nave. Si un útil se sustituye, se desplaza unos milímetros durante un mantenimiento o se traslada a una segunda célula idéntica, volver a medir ese único BASE devuelve a su sitio todos los puntos del programa. Los puntos enseñados en coordenadas WORLD hay que retocarlos uno a uno. Por norma enseñamos y programamos contra sistemas BASE, les damos el nombre del útil físico al que pertenecen y guardamos un plano con la posición de cada origen. Los datos de herramienta y de base se almacenan en los archivos de configuración del robot, de modo que una copia de seguridad del controlador tomada tras la puesta en marcha conserva toda la calibración, y esa copia se toma antes de que el robot salga de nuestras manos.
Datos de carga, temperatura y verificación
Otros dos detalles separan una calibración que se mantiene de una que deriva. El primero son los datos de carga. El controlador necesita la masa, el centro de gravedad y la inercia de la herramienta y de la carga útil para planificar los pares de los motores; con valores erróneos, la trayectoria se desvía a velocidad y los reductores se desgastan más de lo debido. KUKA ofrece un software, KUKA.LoadDataDetermination, que identifica la carga haciendo que el robot ejecute movimientos definidos, y es mucho más fiable que una estimación a partir del modelo CAD de una pinza cuyas mangueras y cables nunca se modelaron. El segundo es la temperatura. El brazo y los reductores de un robot se dilatan a medida que se calientan durante un turno, y una célula junto a un horno o a una puerta al exterior lo sufre más. Por eso los puntos de referencia críticos se comprueban después de que el robot alcance su temperatura de trabajo, no solo en la mañana fría en que se enseñaron.
Para aplicaciones en las que el robot debe alcanzar posiciones calculadas en lugar de enseñadas —programación offline, medición, taladrado según un modelo CAD—, los robots pueden pedirse con una opción de precisión absoluta en la que se mide el brazo concreto y se modelan sus desviaciones en el controlador. Es una mejora real, y aun así descansa sobre la misma cadena: un suelo estable, un ajuste de ejes correcto, sistemas TOOL y BASE medidos y datos de carga correctos. Ningún modelo compensa un anclaje que se está aflojando.
La puesta en marcha termina con una verificación, no con el último menú de calibración. Ejecutamos un breve programa de prueba que se acerca a un conjunto de puntos de referencia de los útiles desde distintas orientaciones, registramos la desviación frente a la tolerancia acordada y archivamos el resultado junto con la copia del controlador y el registro de pares de apriete. Cuando un cliente llama dos años después porque las piezas empiezan a salir mal, esa única página responde a la primera pregunta —¿ha cambiado el robot o ha cambiado la célula?— en minutos en lugar de en un día. La calibración de suelo no es un menú del controlador. Es la disciplina de asegurarse de que el mundo del robot y el mundo real son el mismo lugar, y de que sigan siéndolo.
— Equipo de ingeniería de GANI Engineering