Propuesta de un dispositivo de sujeción que permita la fabricación de piezas complejas
Enviado por renegado_65
Este artículo esta dedicado a un tema de gran utilidad: la adaptación e implantación de un mecanismo a la máquina fresadora de control numérico (DENFORD TRI VMC) que permita la manufactura de piezas cilíndricas, esféricas y cónicas, y reduzca los efectos dinámicos al utilizar una configuración de robot paralelo.
Este trabajo propone, el movimiento de rotación y traslación del dispositivo sobre la mesa de trabajo de la fresadora de control numérico, como se muestra en fig. 1.
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Fig. 1 Máquina fresadora de control numérico DENFORD Triac VMC
Tabla1.Especifiaciones técnicas de la fresadora DENFORD Triac VMC.
El análisis de posición de los mecanismos conocidos como manipuladores paralelos es estudiado. Estos manipuladores se clasifican en planos, esféricos o espaciales de acuerdo con las características de movimiento. También la cinemática inversa y directa de varios manipuladores paralelos es analizado[1].
Un manipulador paralelo típico consiste en una plataforma móvil que está conectada a una base fija por varias patas. Generalmente el número de patas es igual al número de grados de libertad así que cada pata esta controlada por un actuador y todos los actuadores pueden ser montados en o cerca de la base fija. Por esta razón los manipuladores paralelos son a veces llamados manipuladores de plataforma, como el que se muestra a continuación en la fig. 2.
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Fig. 2 Diagrama de la plataforma móvil de Stewar-Gough.
Debido a que la carga externa puede ser compartida por los acutadores, los manipuladores paralelos tienden a tener una gran capacidad de carga. Los manipuladores paralelos se pueden usar en muchas aplicaciones como simuladores de avión, aparatos apuntadores, máquinas caminadoras de alta velocidad y precisión.
El diseño de los manipuladores paralelos data del año 1962 cuando Gough y Whitenall diseñaron un sistema universal para llantas de máquina. Stewart (1965) diseñó una plataforma manipuladora para un simulador de avión. Hunt (1983) hizó un estudio sistemático de cinemática en una estructura de manipuladores paralelos. Desde ese entonces los manipuladores paralelos han sido estudiados extensivamente por numerosos investigadores[1].
Se dice que un manipulador paralelo es simétrico si satisface las siguientes condiciones.
- El número de patas es igual al número de grados de libertad de la plataforma con movimiento.
- El tipo y número de uniones en todas las patas esta arreglado en un patrón idéntico.
- El número y la localización de las uniones en todas las patas es el mismo.
Para facilitar el análisis, un plano cartesiano esta definido en cada unión de acuerdo con Denavit-Hartenberg.
Se ha investigado la dinámica de los manipuladores paralelos y también la máquina VARIAX desarrollada por Gidding y Lewis. Este análisis es complicado debido a la existencia de múltiples cadenas cinemáticas cerradas. Varias aproximaciones se han propuesto incluyendo la fórmula de Newton-Euler. Ésta fórmula requiere de ecuaciones de movimientos, esto lleva a muchas ecuaciones y a resultados con poca eficiencia.
La fórmula Lagrangeana elimina todas las fuerzas de reacción que no se necesitan junto con momentos, es más eficiente que la fórmula de Newton-Euler. Sin embargo, debido a varias fuerzas impuestas por cadenas cinemáticas cerradas del manipulador, las ecuaciones explícitas en términos de movimiento de un conjunto de coordenadas generalizadas se vuelven una tarea prohibida.
Para simplificar el problema de coordenadas adicionales junto con un conjunto de múltiples Lagrangeanos se introducen normalmente. En algunos casos las patas son aproximadas por puntos básicos argumentando que esta aproximación introduce modelos de errores significantes. Un estudio comparativo de la cinemática inversa de manipuladores de abrazadera-cerrada puede ser encontrada en el trabajo que hicieron Lin y Song (1990)[1].
De acuerdo con su naturaleza, y singularidad los manipuladores paralelos se clasifican en tres categorías.
- Arquitectura.
- Configuración.
- Formulación.
En cuanto a su arquitectura, nos interesa la de un mecanismo de seis grados de libertad.
El análisis Jacobiano para manipuladores paralelos es mas difícil que los manipuladores seriales, por que hay muchos eslabones que forman cadenas cinemáticas cerradas.
El estudio del movimiento instantáneo de cadenas cinemáticas fue propuesto por Waldron (1966), Davis y Primrose (1971) y después por Baker (1980). Desde ese entonces varios métodos de se han propuesto. En 1981 Davis desarrollo una ley para una cadena mecánica que es análoga a la ley de kichhoff. En 1983 Mohamet desarrollo un procedimiento para la determinación de giros instantáneos asociados con las uniones con las patas usando la ecuación de velocidad. Mohamet y Duffy introdujeron una teoría de tornillo, y Sugimoto en 1987 aplico álgebra de motor par el análisis Jacobiano de manipuladores paralelos.
Una limitación importante de un manipulador paralelo es que, configuraciones singulares pueden existir en el lugar de trabajo donde el manipulador gana uno o mas grados de libertad y por lo tanto pierde completamente la dureza.
Esta propiedad atrajo la atención de diferentes investigadores. Gosselin y Angeles en 1990 estudiaron las singularidades de los mecanismos de cadenas cinemáticas cerrada y sugirieron una separación de la matriz Jacobiana en dos matrices: una asociada con la cinemática directa y la otra con la cinemática inversa[1].
Los eslabones que forman parte del mecanismo que se pretende realizar y que ira montado sobre la mesa de trabajo de la fresadora como se muestra en la fig. 3.
Fig. 3 Acoplamiento próximo de cada uno de las piernas
La propuesta que se presenta es en base en el desarrollo del mecanismo del ojo ágil, que es utilizado para la orientación de las cámaras fotograficas que abarca un espacio de trabajo muy grande y que es análogo al de un ojo humano como se muestra en la figura 4.
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Fig.4 Diseño completo del ojo ágil.
Este dispositivo se ha utilizado principalmente en el campo de la vision activa con muy buenos resultados, y es de donde se tomaría la idea principal para el desarrollo del mecanismo que iría montado en la mesa de trabajo de la frasadora de control numérico, este mecanismo nos permitiría obtener movimientos rotacionales con el objetivo de fabricar piezas complejas como cilíndricas, esféricas y cónicas.
El prototipo del ojo ágil se muestra en la fig. 5, el cual se tomara como base.
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Fig. 5 Prototipo del ojo ágil.
El presente trabajo comprende el diseño de un mecanismo que permita ser montado en la mesa de trabajo de la máquina fresadora, para la manufactura de piezas complejas, en base a los requerimientos de operación establecidos respectivamente de dicha máquina, inspirado en el ojo ágil que es un mecanismo de alto rendimiento capaz de orientar una cámara fotográfica dentro de un espacio de trabajo y con velocidad , y aceleraciones más grandes que las del ojo humano.
[1] Lung-Wen Tsai, Robot Análisis the mechanics of serial and parallel manipulators.
Ed. John Wiley and Sons. Año 1999, E.U.
[2] Generic Milling Manual, Denford Computerised Machines and Systems.
[3] Ricardo Jiménez, Ingeniería en Manufactura, Control numérico por computadora.
René Pérez Pérez
M.C. Sergio J Torres M
M.M. J. Andrés Yánez R
Av. Tecnológico No. 420 Col. Maravillas C.P. 72220
MAESTRÍA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA