Reductor RV frente a accionamiento armónico en robots ABB
Cuando algunas personas entran en contacto por primera vez con robots industriales ABB, sus ojos se centran en los armarios de control, los motores servo y el dispositivo de enseñanza (teach pendant). Pero, en definitiva, el movimiento del robot —¿es estable o no?, ¿es preciso o no?, ¿es duradero o no?— depende fundamentalmente de lo que ocurre en las articulaciones: allí es donde se encuentran, ocultos, unos pocos reductores.
La mayoría de los técnicos especializados en el mantenimiento de robots ABB han experimentado este problema con los engranajes: tras varios años de funcionamiento, el robot comienza lentamente a presentar desviaciones en la trayectoria, soldaduras inestables, vibraciones, ruidos y desviaciones en la posición. Tras una revisión exhaustiva de las articulaciones, frecuentemente se identifica al reductor de velocidad como la causa principal. En la cabeza de los robots ABB, las dos clases más comunes de reductores utilizados son el reductor RV y el reductor armónico.
Los clientes suelen preguntar: «¿Cuál es la diferencia entre estos dos reductores?», «¿Por qué ABB tiene que hacer esto? ¿Por qué ABB utiliza reductores RV en algunos ejes y reductores armónicos en otros?», «¿Cuál es más duradero?», «¿Cuál es más preciso?». Hoy les hablaremos, exclusivamente desde la experiencia adquirida en el taller. 
El reductor de velocidad en el robot, al final, ¿para qué sirve?
Motores servo para robots industriales: aumentan la velocidad, lo cual es rápido, pero hay un problema fatal: una alta velocidad de giro no equivale a una elevada potencia. Durante el trabajo real, el robot requiere baja velocidad, alto par, alta precisión y, además, una salida estable. Piénselo: al soldar, al seguir la costura, el movimiento debe ser especialmente suave; al manipular piezas de cientos de libras, las articulaciones deben soportar la fuerza sin temblar. Lo que hace el reductor es disminuir la excesiva velocidad del motor, amplificar su potencia y garantizar que el eje de salida se detenga exactamente en la posición deseada. Por tanto, puede considerarse al reductor como un «amplificador de fuerza» y un «guardián de la precisión» en las articulaciones. En muchos robots ABB, tan pronto como el reductor se desgasta, ya se nota: la trayectoria se vuelve cada vez más inestable, el error de repetición de posicionamiento aumenta día tras día, el brazo comienza a temblar, y los tiempos de aceleración y desaceleración se vuelven progresivamente irregulares; la calidad de la soldadura varía entre buena y mala, y los puntos críticos provocan directamente alarmas que terminan por activarse.
Reductor RV: soporte sólido y resistente a la fabricación
¿Cuál es la función del reductor RV? Muchas personas también lo llaman reductor cicloidal. Lo mejor de este componente es, simplemente, una característica: su rigidez, especialmente su resistencia a la deformación por fabricación. Se utiliza en robots industriales de alta exigencia para soportar cargas pesadas; por ejemplo, en robots ABB grandes destinados a soldadura, manipulación y paletización, especialmente en las articulaciones más exigentes —como la base, el brazo y el antebrazo—, donde normalmente se instala el reductor RV. Piénselo: cuando todo el brazo de un gran robot ABB se mueve hacia arriba, la inercia generada ejerce una fuerza enorme sobre los rodamientos de la base. Si el reductor no es lo suficientemente rígido en ese punto, todo el robot funcionará como si estuviera borracho, con movimientos inestables y oscilantes. La parte más fuerte del reductor RV es precisamente este «hueso» tan rígido.
¿Por qué es tan resistente el reductor RV? Tiene que ver con su estructura interna. En un reductor de engranajes convencional, en un momento dado pueden estar en contacto uno o dos dientes bajo carga, pero el reductor RV no funciona así: en él, muchos dientes entran en contacto simultáneamente, distribuyendo así la fuerza. Es como un grupo de personas que levantan juntas un objeto pesado, en lugar de depender de una sola persona para cargarlo. De este modo, la fuerza se distribuye de forma uniforme, la resistencia al impacto es elevada y el riesgo de rotura de los dientes es bajo; además, puede soportar cargas pesadas durante largos periodos de forma estable. Por eso, muchos reductores RV para robots industriales pesados de ABB pueden funcionar durante muchos años. Esto resulta especialmente evidente en los talleres de soldadura automotriz: esos robots de soldadura ABB trabajan más de diez horas diarias, girando de forma continua durante varios años; lo primero que suele fallar no es normalmente el controlador, sino las articulaciones de la parte mecánica, donde poco a poco se va generando holgura por desgaste. No obstante, en general, la vida útil total del reductor RV es realmente prolongada.
Reductor armónico: nacido para la «precisión extrema».
El reductor armónico representa un enfoque completamente distinto al del reductor RV, que está diseñado para ser «robusto», mientras que el reductor armónico está concebido para lograr una «precisión extrema». El reductor armónico presenta unas características particularmente evidentes: tamaño reducido, peso ligero, juego (backlash) extremadamente bajo —tan bajo que resulta casi despreciable— y una precisión asombrosa. Por eso, si observa la muñeca de los robots ABB, especialmente en los ejes situados cerca del extremo donde se monta la herramienta —por ejemplo, en aplicaciones de pintura, ensamblaje de alta precisión o manipulación de piezas pequeñas en la industria electrónica—, dicha muñeca emplea casi exclusivamente reductores armónicos. El espacio disponible en esa zona ya es muy limitado, y, al mismo tiempo, los requisitos de precisión en el movimiento son excepcionalmente exigentes; por ello, el reductor armónico resulta perfectamente adecuado.
¿Por qué puede ser tan precisa la reductora armónica? La clave radica en el hecho de que prácticamente no tiene holgura de transmisión, lo que comúnmente denominamos «juego» o «backlash». Muchas reductoras convencionales presentan este problema: cuando el extremo del motor se desplaza ligeramente, la salida no sigue inmediatamente ese movimiento, siempre existe una holgura. Cuanto mayor sea dicha holgura, más incierta será la localización del robot. Las reductoras armónicas se basan en un conjunto de principios de transmisión flexibles que reducen el juego a un nivel muy bajo. Por eso se percibe especialmente suave el giro de la muñeca del robot ABB, sin esa sensación de holgura o flojedad. Este efecto es particularmente evidente en los robots de pintura: incluso una ligera vibración en la trayectoria de la pistola pulverizadora provoca de inmediato rayas en la superficie pintada, espesores irregulares, efecto naranja o fugas de pulverización; por tanto, la precisión de la reductora armónica en la muñeca del robot de pintura resulta especialmente crítica.
¿Por qué ABB no utiliza simplemente una sola reductora?
Entonces, ¿por qué ABB no utiliza simplemente todos ellos y tiene que instalar un reductor RV en el eje grande y uno armónico en el eje pequeño? En términos claros, los robots industriales necesitan inherentemente tanto resistencia como precisión, y cada una de estas dos características es asumida respectivamente por los reductores RV y armónicos. El enfoque de diseño habitual de ABB consiste normalmente en emplear el reductor RV en las articulaciones grandes delanteras y el reductor armónico en las articulaciones pequeñas traseras. Así, durante el funcionamiento, la rigidez general del robot permite estabilizar cargas pesadas, mientras que la precisión del extremo del brazo robótico es suficiente y el control de la trayectoria también resulta suave. De hecho, la mayoría de los robots industriales disponibles actualmente en el mercado siguen este enfoque convencional.
¿Cuál de los dos —RV o armónicos— tiene más probabilidades de fallar?
¿Cuál es más fácil de romper? Esta es también una pregunta que los clientes siempre hacen. Realísticamente hablando, no podemos afirmar simplemente quién es más delicado que quién, porque funcionan en entornos distintos. Sin embargo, según la experiencia práctica acumulada en los talleres de reparación, el reductor armónico es relativamente más «delicado», aunque sea ligeramente. Esto se debe a que su rueda flexible interna se encuentra constantemente en estado de deformación elástica; al someterla durante mucho tiempo a oscilaciones de alta frecuencia hacia adelante y hacia atrás, poco a poco se produce fatiga. En especial, las acciones de alta frecuencia y pequeña amplitud, que operan día y noche sin interrupción, o aquellas con arranques y paradas frecuentes, aceleran el desgaste del reductor armónico. Por su parte, el reductor RV teme más los impactos por cargas pesadas, como choques de robots, sobrecargas, paradas de emergencia o, en caso de envejecimiento, la dificultad para soportar inercias elevadas; en estos casos, es fácil que se produzcan daños ocultos en los engranajes y rodamientos internos.
¿Cuáles son los síntomas previos a la falla de una caja de cambios?
En el campo, el precursor de los problemas del reductor es especialmente evidente, pero muchas personas inicialmente piensan que se trata de un servo o de un motor; sin embargo, el resultado final suele ser un problema del reductor. Si me lo pide, cuando observe los siguientes síntomas, debe considerar la posibilidad de un fallo en el reductor: la posición del robot se vuelve cada vez menos precisa; este es el síntoma más típico. En especial, en los robots de soldadura, al principio el punto de soldadura es correcto, pero luego se produce una desviación cada vez mayor; tras recalibrar el punto cero, funciona bien durante uno o dos días y luego vuelve a fallar: en nueve de cada diez casos, esto se debe al desgaste del juego del reductor. El movimiento del robot comienza a temblar, especialmente a baja velocidad; en algunos robots ABB, al mover lentamente la rueda manual, se siente una secuencia de pequeños impulsos o vibraciones, una sensación de inestabilidad o temblor, sin suavidad suficiente, lo cual muy probablemente indica desgaste interno. También aparecen ruidos en las articulaciones: clics, sonidos de fricción metálica o golpes sordos; no los ignore. En particular, cuando los rodamientos del reductor RV están dañados, el ruido es especialmente evidente, y muchas personas siguen operando el equipo a pesar de ello, hasta que finalmente se estropea toda la articulación. Asimismo, las articulaciones se calientan excesivamente: una vez que el reductor se desgasta, la fricción aumenta considerablemente, y usted notará que la temperatura del eje es claramente superior a la del resto de la estructura; en casos graves, incluso podrá percibir el olor característico de la grasa deteriorada.
¿Cómo mantenerlo para que dure más años?
El mantenimiento de esta pieza es descuidado con frecuencia por muchas fábricas, que suelen centrarse únicamente en la parte mecánica y asumen que basta con que el equipo se encienda y funcione. Sin embargo, el reductor del robot es lo más vulnerable cuando se le presta atención durante largos períodos. En especial, los robots ABB que operan en turnos rotativos de tres turnos: generalmente recordamos a los clientes unas cuantas recomendaciones: percibir los cambios de temperatura, escuchar los ruidos anormales, sentir las vibraciones y observar si las diferencias son mayores que las de un día anterior; además, la lubricación debe revisarse periódicamente según las condiciones reales. Muchos reductores no se desechan de forma repentina, sino que llevan tiempo sometidos a desgaste progresivo, simplemente nadie lo ha detectado. Un diagnóstico temprano podría limitarse a cambiar un rodamiento o realizar un cambio de aceite como solución; sin embargo, si se pospone, todo el reductor terminará convertido en chatarra.
La pérdida de precisión tiene su origen, en su mayoría, en el reductor
Muchos robots ABB pierden precisión, y la causa real no necesariamente radica en el codificador o el motor. Porque piensas: «¡Ah!, tu sistema de control y luego el software calculan nuevamente con exactitud», pero si la propia parte mecánica presenta holgura, la acción final seguirá estando desviada. Por eso, en algunos robots ABB el codificador funciona correctamente, el motor también, nadie ha modificado los parámetros, y, sin embargo, la trayectoria no es estable. Al desmontar las articulaciones, se observa que el reductor está desgastado. Esto es especialmente frecuente en robots de soldadura que llevan varios años en funcionamiento.
Decidir si reparar o sustituir el reductor
Decidir si se repara o se sustituye la caja de cambios depende de la situación real. En algunos casos, como el desgaste de los rodamientos, la falla de lubricación o un ligero juego, es posible repararla. Sin embargo, si ya están rotos los engranajes internos, la rueda flexible está fatigada y rota, o el desgaste interno es muy grave, con frecuencia resulta más rentable sustituirla directamente por una nueva. Esto se debe a que los costes derivados de la parada del robot suelen ser mucho mayores que el precio de la propia caja de cambios. Especialmente en las líneas de producción automotriz, donde un solo día de parada puede costar lo equivalente a varias cajas de engranajes.
