Estación robótica para ensamble

Enviado por nomelygi

RESUMEN.

En los últimos años se ha introducido el concepto robótica el cual ha venido a revolucionar la automatización de su clasificación denominada "fija" que consistía en la realización de la producción automática de piezas, elementos y productos en grandes cantidades o de manera repetitiva a su denominación actual "automatización flexible" que estriba en adaptar la producción a la demanda de un mercado en constante cambio por medio de un sistema de producción programable y adaptable como lo es un robot.

El presente trabajo propone una estación automatizada para representar de manera didáctica el proceso de ensamble que se realiza en la industria. Dicho proceso será representado mediante el diseño de un robot de cuatro grados de libertad y un dispositivo neumático mismos que formaran parte del CIM-2000 del Instituto Tecnológico de Puebla.

Este proyecto nace de la inquietud de conformar un SIM (Sistema integrado de manufactura) más completo que nos permita observar los procesos que se realizan en la industria. El actual trabajo comprende una descripción de la operación del robot dentro del CIM-2000; así como teoría cinemática y dinámica como parte importante del diseño mecánico.

INTRODUCCIÓN.

Hay una creciente necesidad en la industria de automatizar procesos para tener una variedad mas amplia de productos, con diferentes requerimientos tecnológicos, calidad mejorada, desarrollo en menor tiempo y a los mas bajos costos; esto con el único fin de satisfacer las necesidades del ser humano. El ensamble de piezas utilizando robots manipuladores es un tema que ha trascendido y se ha diversificado en áreas tales como la industria automotriz, electromecánica y la electrónica (miniaturización) entre otras. Desde hace 30 años desde la invención del robot SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm) los robots industriales han sido "caballos de trabajo" de la manufactura. El Sistema Integrado de Manufactura del ITP es una representación de carácter didáctico de los procesos que se realizan en la industria; al no contemplar el ensamble dentro de sus operaciones, se presenta este trabajo que tiene como fin diseñar un proceso, el cual comprende el diseño de un robot de cuatro grados de libertad y un dispositivo neumático mismos que posicionaran y ensamblaran las piezas respectivamente. Se realizaran cálculos de la cinemática directa e inversa del robot, así como de su dinámica. Con la ayuda de un programa CAD se comprobarán los cálculos realizados de manera grafica. En la figura 1 se observa el CIM-2000 del ITP.

Fig. 1 CIM-2000 del Instituto Tecnológico de Puebla.

CIM (Computer Integrated Manufacturing).

Un sistema CIM según la definición de Arthur Andersen & Co., 1986, es: " La aplicación integrada de conceptos y técnicas de organización y gestión de la producción, junto con las nuevas tecnologías de diseño, fabricación e información, con el objeto de diseñar, fabricar y distribuir un producto acorde a las necesidades de mercado, con una alta calidad, óptimo nivel de servicio y los menores costes".

El CIM-2000 del Instituto Tecnológico de Puebla es un sistema diseñado para la enseñanza del concepto CIM mediante el uso de diferentes equipos con principios de funcionamiento diversos (neumático, hidráulico, eléctrico) controlado por computadoras y cuya distribución es de tipo celular. El sistema cuenta con estaciones de:

Control.
Neumática de suministro.
Hidráulica de retiro.
De procesos.
Banda transportadora.
1. Robot Mitsubishi.
2. Fresadora de Control Numérico Computarizado (CNC – Computer numerical control).
3. Torno de Control Numérico Computarizado (CNC – Computer numerical control).
4. Mesa de inspección.
Sistema de Manufactura flexible (FMS), constituido por:

Para conocer la historia de la robótica que es tema central de este trabajo se mencionarán sus inicios de manera general; así como algunos conceptos fundamentales con el fin de que el lector se familiarice con ellos y comprenda más fácilmente el presente trabajo.

DESARROLLO HISTÓRICO.

La palabra robot se introdujo en la lengua inglesa en 1921 con el drama R.U.R. de Karel (Rossum Universal Robots). En este trabajo, los robots son máquinas que se asemejan con los seres humanos, pero que trabajan sin descanso. Inicialmente, los robots se fabricaron como ayudas para sustituir a los operarios humanos, pero posteriormente los robots se vuelven contra sus creadores, aniquilando a toda raza humana. La obra de Capek es en gran medida responsable de algunas de las creencias populares mantenidas acerca de los robots en nuestros tiempos incluyendo la perfección de los robots como máquinas humanoides dotadas de inteligencia y personalidades individuales. Esta imagen se reforzó aún más con la película alemana de robots Metrópolis, de 1926, con el robot andador eléctrico y su perro "sparko", representada en 1939 en la feria mundial de Nueva York, y más recientemente por el robot C3PO, protagonista en la película de 1927, "La guerra de las galaxias". Ciertamente los robots industriales modernos parecen primitivos cuando se comparan con las expectativas creadas por los medios de comunicación durante las pasadas décadas.

Los primeros trabajos que condujeron a los robots industriales de hoy día se remontan al periodo que siguió inmediatamente a la segunda guerra mundial. Durante los años finales de la década de los cuarenta, comenzaron programas de investigación en Oak Ridge y Argonne National Laboratories para desarrollar manipuladores mecánicos controlados de forma remota para manejar materiales radiactivos. Estos sistemas eran del tipo "maestro-esclavo", diseñados para reproducir finalmente los movimientos de la mano y brazos realizados por un operario humano. El manipulador maestro era guiado por el usuario a través de una secuencia de movimientos, mientras que el manipulador esclavo duplicaba a la unidad maestra tan fidedignamente tal y como le era posible. Posteriormente se añadió la realimentación de fuerza acoplando mecánicamente el movimiento de las unidades maestro-esclavo de forma que el operador podía sentir las fuerzas que se desarrollaban entre el manipulador esclavo y su entorno. A mediados de los cincuentas, el acoplo mecánico se sustituyo por sistemas eléctricos e hidráulicos.

El trabajo sobre manipuladores maestro-esclavo fue seguido rápidamente por sistemas más sofisticados capaces de operaciones repetitivas autónomas. A mediados de los años cincuenta, George C. Devol desarrolló un dispositivo de transferencia articulada, un manipulador cuya operación podía ser programada y que podía seguir una secuencia de pasos y movimientos determinados por las instrucciones en el programa. Posteriores desarrollos de este concepto de Devol y Joseph F. Engelberger condujo al primer robot industrial, introducido por Unimation Inc. en 1959.

Aunque los robots programados ofrecían una herramienta de fabricación nueva y potente, aun podía mejorarse mediante el uso de una realimentación sensorial.

Al comienzo de los años sesenta, H. A. Ernst publicó el desarrollo de una mano mecánica controlada por computador con sensores táctiles. El sistema manipulativo consistía en un manipulador ANL, modelo 8 con 6 grados de libertad, controlado por una computadora TX-O. Este programa de investigación posteriormente evolucionó añadiéndole una cámara de televisión para comenzar la investigación sobre la percepción de la máquina.

A finales de los setenta McCarthy y sus colegas en el Stanford Artificial Intelligence Laboratory publicaron el desarrollo de una computadora con manos, ojos y oídos (es decir, manipuladores, cámaras de TV y micrófonos). Demostraron un sistema que reconocía mensajes hablados, "veía" bloques distribuidos sobre una mesa y los manipulaba de acuerdo con instrucciones. Durante los años setenta se centro un gran esfuerzo de investigación sobre el uso de sensores externos para facilitar las operaciones manipulativas. En Stanford, Bolles y Paul utilizando realimentación tanto visual como de fuerza, demostraron que un brazo Stanford controlado por computadora efectuaba el montaje de bombas de agua de automóviles. Hoy en día se ve la robótica como un trabajo mucho más amplio, que trata temas además de la investigación y el desarrollo de una serie de áreas interdisciplinarias, con la cinemática, dinámica, planificación de sistemas, control, sensores, lenguajes de programación e inteligencia de máquina.

CONCEPTOS Y DEFINICIONES.

ROBOT. La definición técnica adoptada por el Instituto Norteamericano de Robótica y aceptada internacionalmente es la siguiente: "Un robot es un manipulador multifuncional reprogramable, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales mediante movimientos programados y variables que permiten realizar diversas tareas". Suelen tener forma de brazo articulado, en cuyo extremo incorporan elementos de sujeción o herramientas. Realizan tareas repetitivas en industrias de automoción, fabricación mecánica o electrónica, en las que se emplean para montar y mover piezas o componentes, ajustarlos, soldar, pintar, etcétera.

Una vez comprendido el concepto de robot podemos avanzar hacia la definición de la ciencia que estudia este tipo de dispositivos, la cual se denomina "Robótica" y ha evolucionado rápidamente en estos últimos años.

Podríamos aproximarnos a una definición de Robótica como:

El diseño, fabricación y utilización de máquinas automáticas programables con el fin de realizar tareas repetitivas como el ensamble de automóviles, aparatos, etc. y otras actividades. Básicamente, la robótica se ocupa de todo lo concerniente a los robots, lo cual incluye el control de motores, mecanismos automáticos neumáticos, sensores, sistemas de cómputos, etc.

MORFOLOGÍA DEL ROBOT.

Las características básicas de la estructura de los robots están formadas por los tipos de articulaciones y configuraciones clásicas de brazos de robots industriales. Los robots manipuladores son esencialmente, brazos articulados. De forma más precisa, un manipulador industrial convencional es una cadena cinemática abierta formada por un conjunto de eslabones o elementos de la cadena interrelacionados mediante articulaciones o pares cinemáticas como lo esquematiza la figura 2. Las articulaciones permiten el movimiento relativo entre los sucesivos eslabones.

Fig. 2 Cadena cinemática abierta.

Tipos de articulaciones.

Existen diferentes tipos de articulaciones. Las más utilizadas en robótica son las que se indican en la figura 3.

Fig. 3 Tipos de articulaciones robóticas.

La articulación de rotación suministra un grado de libertad consistente en una rotación alrededor del eje de la articulación. Está articulación es, con diferencia, la más empleada.

En la articulación prismática el grado de libertad consiste en una traslación a lo largo del eje de la articulación.

En la articulación cilíndrica existen dos grados de libertad: una rotación y una traslación.

La articulación planar está caracterizada por el movimiento de desplazamiento en un plano, existiendo por lo tanto, dos grados de libertad.

Por último, la articulación esférica combina tres giros en tres direcciones perpendiculares en el espacio.

Los grados de libertad son el número de parámetros independientes que fijan la situación del órgano terminal. El número de grados de libertad suele coincidir con el número de eslabones de la cadena cinemática.

Estructuras básicas.

La estructura típica de un manipulador consiste en un brazo compuesto por elementos con articulaciones entre ellos. En el último enlace se coloca un órgano terminal o efector final tal como una pinza o un dispositivo especial para realizar operaciones.

Se consideran, en primer lugar, las estructuras más utilizadas como brazo de un robot manipulador. Estas estructuras tienen diferentes propiedades en cuanto a espacio de trabajo y accesibilidad a posiciones determinadas. En la figura 4 se muestran cuatro configuraciones básicas.

Fig. 4 Estructuras básicas de manipuladores.

El espacio de trabajo es el conjunto de puntos en los que puede situarse el efector final del manipulador. Corresponde al volumen encerrado por las superficies que determinan los puntos a los que accede el manipulador con su estructura totalmente extendida y totalmente plegada.

Por otra parte, todos los puntos del espacio de trabajo no tienen la misma accesibilidad. Los puntos de accesibilidad mínima son los que las superficies que delimitan el espacio de trabajo ya que a ellos solo puede llegarse con una única orientación.

Configuración cartesiana.

La configuración tiene tres articulaciones prismáticas (3D o estructura PPP). Esta configuración es bastante usual en estructuras industriales, tales como pórticos, empleadas para el transporte de cargas voluminosas. La especificación de posición de un punto se efectúa mediante las coordenadas cartesianas . Los valores que deben tomar las variables articulares corresponden directamente a las coordenadas que toma el extremo del brazo. Esta configuración no resulta adecuada para acceder a puntos situados en espacios relativamente cerrados y su volumen de trabajo es pequeño cuando se compara con el que puede obtenerse con otras configuraciones.

Configuración cilíndrica.

Esta configuración tiene dos articulaciones prismáticas y una de rotación (2D, 1G). La primera articulación es normalmente de rotación (estructura RPP). La posición se especifica de forma natural en coordenadas cilíndricas. Esta configuración puedes ser de interés en una célula flexible, con el robot situado en el centro de la célula sirviendo a diversas máquinas dispuestas radialmente a su alrededor. El volumen de trabajo de esta estructura RPP (o de la PRP), suponiendo un radio de giro de 360 grados y un rango de desplazamiento de L, es el de un toro de sección cuadrada de radio interior L y radio exterior 2L. Se demuestra que el volumen resultante es: .

Configuración polar o esférica.

Está configuración se caracteriza por dos articulaciones de rotación y una prismática (2G, 1D o estructura RRP). En este caso las variables articulares expresan la posición del extremo del tercer enlace en coordenadas polares.

En un manipulador con tres enlaces de longitud L, el volumen de trabajo de esta estructura, suponiendo un radio de giro de 360 grados y un rango de desplazamiento de L, es el que existe entre una esfera de radio 2L y otra concéntrica de radio L. Por consiguiente el volumen es .

Configuración angular.

Esta configuración es una estructura con tres articulaciones de rotación (3G o RRR). La posición del extremo final se especifica de forma natural en coordenadas angulares.

La estructura tiene un mejor acceso a espacios cerrados y es fácil desde el punto de vista constructivo. Es muy empleada en robots manipuladores industriales, especialmente en tareas de manipulación que tengan una cierta complejidad. La configuración angular es la más utilizada en educación y actividades de investigación y desarrollo. En esta estructura es posible conseguir un gran volumen de trabajo. Si la longitud de sus tres enlaces es de L, suponiendo un radio de giro de 360 grados, el volumen de trabajo sería el de una esfera de radio 2L, es decir .

Configuración SCARA.

Esta configuración está especialmente diseñada para realizar tareas de montaje en un plano. Está constituida por dos articulaciones de rotación con respecto a dos ejes paralelos, y una de desplazamiento en sentido perpendicular al plano. El volumen de trabajo de este robot, suponiendo segmentos de longitud L, un radio de giro de 360 grados y un rango de desplazamiento de L es de .

Para llevar a cabo los cálculos y de esta forma asegurar su correcto funcionamiento del robot en cuanto a la cinemática y dinámica se refiere, se toma en consideración la siguiente teoría que tiene por objeto crear las bases de un modelo matemático del sistema.

MODELO CINEMÁTICO DIRECTO DE LOS MANIPULADORES.

La cinemática es la ciencia del movimiento que trata a éste sin importarle las fuerzas que lo causan. Dentro de la cinemática se estudia la posición, la velocidad, aceleración y todas las derivadas de las variables de posición de mayor orden con respecto al tiempo o cualquier otra variable. El estudio de la cinemática de los manipuladores se refiere a todas las propiedades geométricas y basadas en el tiempo del movimiento.

Los robots consisten en un conjunto de eslabones conectados mediante articulaciones que permiten el movimiento relativo entre los eslabones vecinos. El número de grados de libertad que un robot posee es el número de variables de posición independientes que deberían ser especificadas para localizar todas las partes del mecanismo. En el caso de los robots industriales el número de grados de libertad suele equivaler al número de articulaciones siempre y cuando cada articulación tenga un solo grado de libertad. Al final de la cadena de eslabones del robot se encuentra el órgano terminal. Dependiendo de la aplicación del robot, el órgano terminal puede ser una pinza, un soldador, un electroimán o un gripper como en este caso.

Generalmente se describe la posición del robot dando una descripción del marco de la herramienta, la cual esta unida al órgano terminal, relativo al marco de la base, el cual está a su vez unido a la base fija del robot.

El modelo cinemático directo es el problema geométrico que calcular la posición y orientación del efector final del robot. Dados una serie de ángulos entre las articulaciones, el problema cinemática directo calcula la posición y orientación del marco de referencia del efector final con respecto al marco de la base.

MODELO CINEMÁTICO INVERSO DEL ROBOT.

Dada la posición y orientación del efector final del robot, el problema cinemático inverso consiste en calcular todos los posibles conjuntos de ángulos entre las articulaciones que podrían usarse para obtener la posición y orientación deseada.

El problema cinemático inverso es más complicado que la cinemática directa ya que las ecuaciones no son lineales, sus soluciones no son siempre fáciles o incluso posibles en una forma cerrada. También surge la existencia de una o de diversas soluciones. La existencia o no de la solución lo define el espacio de trabajo de un robot dado. La ausencia de una solución significa que el robot no puede alcanzar la posición y orientación deseada porque se encuentra fuera del espacio de trabajo del robot o fuera de los rangos permisibles de cada una de sus articulaciones.

VELOCIDADES, FUERZAS ESTÁTICAS Y SINGULARIDADES.

Además de tratar problemas de posicionamiento estáticos debemos analizar los robots en movimiento.

Cuando se analiza la velocidad de un mecanismo es conveniente definir una matriz llamada el Jacobiano del manipulador. El jacobiano establece una aplicación entre las velocidades del espacio de articulaciones y las velocidades del espacio cartesiano. En ciertos puntos (llamados singularidades) está aplicación no es invertible.

Muchas veces los robots que no se mueven en el espacio, simplemente aplican una fuerza estática sobre alguna pieza o superficie de trabajo. En este caso se nos proporciona una fuerza de contacto y un momento de aquí que la matriz Jacobiana nos ayuda a encontrar la solución

DINÁMICA.

La dinámica es un campo de las ciencias dedicado al estudio de las fuerzas requeridas para producir el movimiento. Para acelerar un robot desde el reposo y finalmente desacelerarlo hasta una completa posición de reposo, los actuadotes articulares (motores eléctricos, actuadotes hidráulicos y neumáticos, deben aplicar un conjunto complejo de funciones de par.

Un método para controlar que un robot siga un camino determinado consiste en calcular estas funciones de par usando las ecuaciones dinámicas del robot. Un segundo uso de las ecuaciones dinámicas del movimiento es en la simulación. Reformulando las ecuaciones dinámicas de forma que la aceleración se calcule como una función del par actuador, es posible simular cómo un robot se movería bajo la aplicación de un conjunto de pares del actuador.

DESCRIPCIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LA ESTACIÓN DE ENSAMBLE.

La estación de ensamble estará formada por un robot de cuatro grados de libertad de configuración SCARA. Los robots SCARA son unidades articuladas que hacen la tarea de tomar y colocar (pick and place). Este tipo de robot combina dos puntos de pivote uno que cubre el eje x-y dentro de un plano de referencia y otro que se desplaza cubriendo un área en el eje z; a diferencia de un robot SCARA comercial el robot propuesto presentará su desplazamiento del eje z en el eslabón próximo a la base ya que los robots comerciales tienen este desplazamiento en su eslabón próximo al efector final, esto con el objeto de situar la tenaza como efector final, así mismo un dispositivo auxiliar de ensamble (dos pistones neumáticos, cuatro guías mecánicas) y una mesa de trabajo serán parte complementaria de la estación. Este proceso formará parte del SIM dado que empleará el mismo sistema de alimentación el cual utiliza una banda transportadora de vagones. Los vagones transportan plantillas que contienen la materia prima a ensamblar proveniente de la estación de manufactura flexible donde las piezas se maquinan para su correcto ensamble. Las piezas a ensamblar son 3 prismáticas de aluminio o acrílico con dimensiones, 77 x 50 x 19 mm. Como se muestra en la figura 5.

Fig. 5 Pieza prismática de acrílico.

Las piezas a ensamblar presentarán un maquinado de tal manera que nos permitirán realizar un ensamble deslizando una pieza en el interior de la otra en una de sus caras frontales con la ayuda de los dispositivos neumáticos tal y como se muestra en la figura 6.

Fig. 6 Forma de las piezas a ensamblar.

Los pasos para las tareas de ensamble de la estación son:

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Fig. 7 Robot transportando la pieza No 1
El robot sujetará la pieza número 1 proveniente de la banda transportadora para situarla en el dispositivo de ensamble.
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Fig. 8 Robot colocando la pieza No 2
El manipulador sujetará la pieza 2 para situarla en las guías mecánicas las cuales estarán posicionadas en la misma dirección de uno de los pistones neumáticos.
El actuador se accionará para realizar el primer ensamble por presión, finalmente el manipulador repetirá esta operación con la pieza 3, quedando unidas de esta forma las tres piezas para ser retiradas y colocadas en el vagón que las conducirá a la estación de descarga, donde el robot de esta estación descargará la pieza ensamblada.

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Fig. 9 Actuadores neumáticos realizando ensamble de las piezas No 2 y No 3.

Las piezas unidas quedarán como se muestra en la figura 10.

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Fig. 10 Ensamble final de piezas.

CONCLUSIÓN.

El presente trabajo comprende un resumen del marco teórico, y una idea general del ensamble a realizar así como del tipo de robot a diseñar, en lo consecuente se diseñará el robot en base a los requerimientos de operación establecidos, dibujarlo en el programa Mechanical Desktop así como la comprobación de los resultados de los cálculos.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.

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http://www.isa.uma.es/personal/antonio/Robotica/Tema1%20-%20Introduccion.pdf.

Nomely Gijón Yescas

Estudiante de la maestría en Ciencias en Ingeniería Mecánica.

Instituto Tecnológico de Puebla.

M.C. Sergio Javier Torres Méndez

Instituto Tecnológico de Puebla. Av. Tecnológico No 420 Col Maravillas