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DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN GRIPPER PARA BRAZO ROBOTICO ARTICULADO DE SEIS GRADOS DE LIBERTAD
CAMILO ANDRES ENCISO PEÑA
ELKIN FABIAN BETANCOURT BASTO
UNIVERSIDAD CENTRAL FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C., COLOMBIA
2012
DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN GRIPPER PARA BRAZO ROBOTICO ARTICULADO DE SEIS GRADOS DE LIBERTAD
CAMILO ANDRES ENCISO PEÑA
ELKIN FABIAN BETANCOURT BASTO
Presentación de trabajo de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico
Director: DIEGO OSPINA LATORRE INGENIERO MECÁNICO
Codirector:
PEDRO WILLIAM PÉREZ OROZCO INGENIERO MECÁNICO
UNIVERSIDAD CENTRAL FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTA D.C., COLOMBIA
2012
3
Nota de Aceptación:
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Firma del Presidente del jurado
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Firma del jurado
_______________________________________
Firma del jurado
Bogotá, 14 de Julio de 2012
4
DEDICATORIA
Este logro lo dedicamos a todos aquellos que nos acompañaron y/o apoyaron en el
desarrollo de este, especialmente a nuestros maestros, padres y madres.
5
AGRADECIMIENTOS
Nuestro especial agradecimiento a nuestros maestros por su enseñanza y a nuestra familia por su
apoyo.
6
CONTENIDO
Pág.
DEDICATORIA ......................................................................................................................... 4
AGRADECIMIENTOS ............................................................................................................... 5
LISTA DE TABLAS .................................................................................................................... 9
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................................10
LISTA DE ANEXOS .................................................................................................................12
GLOSARIO .............................................................................................................................13
RESUMEN .............................................................................................................................14
1 INTRODUCCIÓN .........................................................................................................15
1.1 PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA. .......................................15
1.2 JUSTIFICACIÓN ...................................................................................................15
1.3 OBJETIVOS ..........................................................................................................16
1.3.1 Objetivo General ........................................................................................16
1.3.2 Objetivos específicos ..................................................................................16
1.4 METODOLOGÍA ..................................................................................................16
2 MARCO REFERENCIAL ...............................................................................................18
2.1 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE GRIPPERS .............................................18
2.1.1 Principio de cinemática de gancho en cuña ...............................................18
2.1.2 Principio de generación de vacío................................................................19
2.1.3 Principio de Iris mecánico...........................................................................21
2.1.4 Tipo piñón cremallera.................................................................................22
2.1.5 Principio de accionamiento directo, sincronizado mediante piñón
cremallera .................................................................................................................23
2.1.6 Principio de pistón doble sincronizado mediante palanca ........................24
2.1.7 Principio de fuelle con accionamiento directo neumático ........................25
7
2.1.8 Principio de pinzas accionadas mediante piñón cónico. ............................26
2.1.9 Principio de cuerdas y poleas .....................................................................27
2.1.10 Principio de pinza angular pivotada ...........................................................28
2.1.11 Principio de mecanismo sub-actuado ........................................................28
2.2 TIPOS DE SUJECIÓN ............................................................................................30
2.2.1 Sujeción por medio de bolsa con café molido ...........................................30
2.2.2 Sujeción por medio de ventosas ................................................................30
2.2.3 Sujeción por medio de pinzas de presión ..................................................31
2.2.3.1 Dedos antropomórficos ..........................................................................31
2.2.3.2 Pinza de desplazamiento angular ...........................................................32
2.2.3.3 Pinza de desplazamiento lineal ..............................................................32
2.2.4 Sujeción por electroimán ...........................................................................33
2.3 TIPOS DE ACCIONAMIENTOS .............................................................................33
2.3.1 Actuadores Neumáticos .............................................................................34
2.3.2 Actuadores Eléctricos .................................................................................35
2.3.3 Actuadores hidráulicos ...............................................................................36
3 DISEÑO CONCEPTUAL ...............................................................................................37
3.1 REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE: .......................................................................37
3.1.1 Clasificación de requerimientos .................................................................37
3.1.2 Relevancias de los requerimientos de cliente ............................................40
3.2 PROCESO DE DECISIÓN ......................................................................................43
3.2.1 Matrices de decisión...................................................................................44
3.2.2 Pruebas de funcionamiento .......................................................................47
3.2.2.1 Pruebas de Ciclaje ...................................................................................47
3.2.2.2 Pruebas de fuerza ...................................................................................48
3.2.2.3 Pruebas de concentricidad .....................................................................49
3.2.3 Manufactura y resultados de pruebas .......................................................50
3.2.3.1 Gripper con cuerdas y poleas accionado por electroimán .....................51
8
3.2.3.2 Gripper con cuerdas y poleas accionado neumáticamente (Primer
prototipo) ..............................................................................................................53
3.2.3.3 Gripper con cuerdas y poleas accionado neumáticamente (Segundo
prototipo) ..............................................................................................................54
3.2.3.4 Gripper con accionamiento neumático directo .....................................57
3.2.3.5 Gripper con accionamiento neumático directo sincronizado mediante
piñón cremallera....................................................................................................59
3.3 SELECCIÓN DE PROTOTIPO ................................................................................60
4 INGENIERÍA DE PRODUCTO .......................................................................................62
4.1 CÁLCULOS Y SELECCIÓN DE COMPONENTES .....................................................62
4.2 DISEÑO DE PRODUCTO ......................................................................................78
4.3 ESPECIFICACIONES DE PRODUCTO ....................................................................82
4.4 INTEGRACIÓN DEL GRIPPER CON EL BRAZO ROBÓTICO Y EL SIM .....................83
4.5 DESCRIPCIÓN DE ENSAYOS PARA PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO .................86
4.5.1 Ensayo de repetitividad .............................................................................86
4.5.2 Ensayo funcional .........................................................................................87
5 MANUFACTURA.........................................................................................................88
5.1 COSTOS ..............................................................................................................88
5.2 MANUFACTURA DE GRIPPER FINAL ...................................................................89
6 CONCLUSIONES .........................................................................................................92
REFERENCIAS ........................................................................................................................93
9
LISTA DE TABLAS
Tabla 1 Relevancias de requerimientos de cliente ..............................................................42
Tabla 2 Relevancias para relacionar tipos de accionamiento con principios de
funcionamiento .............................................................................................................42
Tabla 3 Relevancias para relacionar tipos de accionamiento y tipos de sujeción con
requerimientos de cliente ............................................................................................43
Tabla 4 Coeficientes de fricción µ ........................................................................................66
Tabla 5 Aceleración según tipo de accionamiento ..............................................................67
Tabla 6 Factores utilizados para determinar factor de seguridad .......................................72
Tabla 7 Deflexiones y pendientes de vigas ..........................................................................74
Tabla 8 Especificaciones de producto ..................................................................................82
Tabla 9 Costos del proyecto .................................................................................................89
Tabla 10 Piezas mecanizadas ...............................................................................................90
Tabla 11 Piezas estandarizadas ............................................................................................90
10
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 Gripper de cinemática de gancho en cuña ........................................................................ 19
Figura 2 Grippers con generador de vacío ...................................................................................... 20
Figura 3 Gripper tipo Iris ................................................................................................................. 21
Figura 4 Gripper tipo piñón cremallera ........................................................................................... 22
Figura 5 Gripper de accionamiento directo, sincronizado mediante piñón cremallera................... 23
Figura 6 Gripper de pistón doble sincronizado mediante palanca .................................................. 24
Figura 7 Gripper tipo fuelle ............................................................................................................. 25
Figura 8 Principio de pinzas accionadas mediante piñón cónico ..................................................... 26
Figura 9 Principio de cuerdas y poleas ............................................................................................ 27
Figura 10 Principio de pinza angular pivotada ................................................................................ 28
Figura 11 Gripper sub-actuado........................................................................................................ 29
Figura 12 Sujeción por medio de bolsa con café molido ................................................................. 30
Figura13 Tipos de ventosas ............................................................................................................. 30
Figura 14 Gripper de dedos antropomórficos ................................................................................. 31
Figura 15 Gripper angular concéntrico ............................................................................................ 32
Figura 16 Ejemplo de pinzas de desplazamiento lineal ................................................................... 32
Figura 17 Electroimán para manipular piezas ferromagnéticas ...................................................... 33
Figura 18 Esquema para pruebas de ciclaje .................................................................................... 48
Figura 19 Esquema de posiciones para pruebas de fuerza .............................................................. 49
Figura 20 Esquema para pruebas de concentricidad....................................................................... 50
Figura 21 Base para prototipo de gripper con cuerdas y poleas accionado por electroimán. ......... 51
Figura 22 Pinza para prototipo de gripper con cuerdas y poleas accionado por electroimán. ........ 52
Figura 23 Prototipo de gripper con solenoide ................................................................................. 53
Figura 24 Primer prototipo de cuerdas y poleas accionado neumáticamente ................................ 54
Figura 25 Base para prototipo de gripper con cuerdas y poleas accionado neumáticamente ....... 55
Figura 26 Pinzas para prototipo de gripper con cuerdas y poleas accionado neumáticamente ..... 55
Figura 27 Segundo prototipo de cuerdas y poleas con cola de milano ........................................... 56
Figura28 Piezas para el prototipo del gripper con accionamiento neumático directo ................... 58
Figura 29 Prototipo de gripper con accionamiento neumático directo........................................... 59
Figura 30 Prototipo de gripper con accionamiento neumático directo sincronizado mediante piñón
cremallera ............................................................................................................................... 60
Figura 31 Posición con pinzas en sentido horizontal ....................................................................... 63
Figura 32 Posición con pinzas en sentido vertical ........................................................................... 64
Figura 33 Posición de pinzas en sentido horizontal con sujeción por fricción ................................. 65
Figura 34 Diagrama para selección de factor de seguridad según aplicación ................................. 66
Figura 35 Diagrama de cuerpo libre de los ejes y bases del gripper ................................................ 70
Figura 36 Diagrama de cuerpo libre de las pinzas ........................................................................... 70
Figura 37 Diagrama de cuerpo libre eje de sujeción de las pinzas .................................................. 71
11
Figura 38 Diagrama de cuerpo libre eje de sujeción de las pinzas modificado ............................... 73
Figura 39 Diagramas principio de superposición ............................................................................. 74
Figura 40 Diagrama de ejes para el gripper ..................................................................................... 79
Figura 41 Modelo virtual de Gripper ............................................................................................... 81
Figura 42 Ensamble de piezas internas ........................................................................................... 81
Figura 43 Esquema de conexión del gripper con el SIM .................................................................. 83
Figura 44 Esquema electroneumático del gripper .......................................................................... 84
Figura 45 Diagrama eléctrico de conexiones ................................................................................... 85
12
LISTA DE ANEXOS
A. Anexo: Tabla de masas según densidad y dimensiones del material.
B. Anexo: Matriz de decisión: Tipos de sujeción vs Requerimientos del cliente.
C. Anexo: Matriz de decisión: Principios de funcionamiento vs Requerimientos
del cliente.
D. Anexo: Matriz de decisión: Tipos de accionamiento vs Grippers de dos pinzas
paralelas con cierre simétrico.
E. Anexo: Matriz de decisión: Requerimientos del cliente vs Principios de
Funcionamiento seleccionados.
F. Anexo: Cálculo del diámetro de los rieles.
G. Anexo: Propiedades Duraluminio.
H. Anexo: Memorias de diseño.
I. Anexo: Catálogo de selección de pinzas paralelas HGPT, HGPL de festo.
J. Anexo: Lader para señales i/o del AXV6.
13
GLOSARIO
Gripper: efector final de brazo robótico que se encarga de manipular y transportar
objetos dentro del campo de acción del brazo robótico.
Autocentrante: Que centra por si solo. Término normalmente referido a la
capacidad que tienen los tipos de gripper de centrar una pieza cilíndrica siempre
conservando el mismo centro sin importar su diámetro.
Antropomórfico: termino relacionado a diseños inspirados en la anatomía
humana.
Sub-actuado: se refiere al mecanismo que posee un número mayor de grados de
libertad que numero de actuadores.
Mordaza: Componente del gripper que se encarga de sujetar los objetos
Efector final: herramental que se adjunta al robot, para otorgar una funcionalidad
extra a este.
Teachpendant: Panel de control del brazo robótico, donde se programa todas las
variables de funcionamiento.
14
RESUMEN
Hoy en día, en la industria se están reduciendo los costos de mano de obra utilizando
máquinas automatizadas las cuales fabrican el producto a una mayor velocidad y a menor
costo. Para seguir el ritmo de la industria, en la Universidad Central, se pretende construir
un Sistema Integrado de Manufactura (SIM), para indagar sobre los comportamientos de
las máquinas trabajando conjuntamente, y así aportar mejoras a la industria por medio de
la investigación.
Dada la complejidad del SIM y la disponibilidad de los recursos en la academia, es posible
desarrollar subsistemas independientes, de tal forma que los subsistemas desarrollados
se integren progresivamente hasta conformar el sistema completo.
Actualmente, existe en el Taller de Maquinaria y Herramientas de la Universidad Central
un torno CNC didáctico, con el cual ya se realizó un proyecto de grado relacionado con el
SIM (llamado “Diseño De Un Sistema De Sujeción Para Torno Control Numérico EMCO”).
También se encuentra en el mismo taller un brazo robótico que necesita un efector final
adecuado para para transportar piezas de un determinado lugar dentro del SIM al torno
para que este efectué su tarea asignada sin necesidad de una intervención humana
directa en la máquina.
Como complemento a los adelantos anteriores, el presente proyecto consiste en diseñar y
construir un gripper (manipulador) sujetado al brazo robótico para aumentar su
funcionalidad e integrarlo al SIM. Concretamente, este dispositivo será un mecanismo de
transporte de objetos el cual se encargará de transportar piezas de un lugar determinado
al ambiente operativo del torno.
15
1 INTRODUCCIÓN
1.1 PLANTEAMIENTO Y FORMULACIÓN DEL PROBLEMA.
En la actualidad, en el ámbito industrial, se presentan tecnologías nuevas en la
automatización industrial. En la Universidad Central actualmente existe maquinaria
destinada al aprendizaje con la realización de prácticas de laboratorio, teniendo como
objetivo, lograr una mejor adquisición del conocimiento de manera práctica. Para
continuar con este objetivo, se ha planteado una propuesta que consiste en realizar un
Sistema Integrado de Manufactura (en adelante SIM). Lo que se busca con la
implementación del SIM en el taller, es crear una línea de flujo automatizada compuesta
de varias estaciones de trabajo y dispositivos que permiten transportar material entre las
mismas.
Una de las herramientas con que cuenta la universidad es un brazo robótico industrial
que tiene capacidad para realizar procesos de soldadura y de corte por plasma. Sin
embargo, el brazo robótico industrial, no posee un efector final adecuado para manipular
piezas, lo que impide su integración con los demás componentes del SIM.
La solución más apropiada para este problema, es el diseño y construcción de un gripper
(efector final) que se encargue de otorgar una funcionalidad extra al robot industrial: la
de manipular piezas con geometría especifica para trasladarlas de un punto a otro.
1.2 JUSTIFICACIÓN
Los robots industriales ocupan un lugar notorio dentro de la automatización de la
manufactura industrial, la cual se ha ido consolidando en los últimos años en Colombia.
Por su parte, Asía y particularmente Japón [1], siguen estando a la cabeza a nivel mundial
en el desarrollo de la automatización industrial.
Para continuar con este desarrollo en la industria colombiana en cuanto a tecnologías de
automatización, se debe empezar educando a los estudiantes de ingeniería en las
16
universidades con máquinas y herramientas a este nivel tecnológico, ya que son los
principales focos de investigación que tiene el país. Este desarrollo también se puede
lograr mediante la capacitación del personal profesional de las industrias ya que uno de
los problemas principales del atraso de la automatización industrial en Colombia es la
falta de personal capacitado para manipular estas máquinas.
Aprovechando los programas de investigación que posee la universidad y la adquisición
de nuevas tecnologías y maquinarias para lograr una mejor preparación profesional en los
estudiantes en el área de automatización y robótica, la universidad desea implementar
estas mejoras con el fin de lograr un desarrollo tecnológico e investigativo, para así ser
pionera en la educación de esta tecnología.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo General
Diseñar y construir un efector final, que otorgue la funcionalidad de transportar
piezas al brazo robótico disponible en el taller de maquinarias y herramientas.
1.3.2 Objetivos específicos
Seleccionar el principio de funcionamiento del gripper, que mejor se adapte a las
características requeridas en el SIM.
Realizar el diseño detallado de cada componente del gripper y construir un
prototipo funcional que otorgue al brazo robótico la capacidad de manipular
objetos.
Integrar la operación mecánica y de control del gripper al funcionamiento del
brazo robótico y este al SIM que se encuentra en el taller de máquinas y
herramientas.
1.4 METODOLOGÍA
Para desarrollar este proyecto, se llevan a cabo seis etapas. La primera es la investigación
del estado del arte y el benchmarking, donde se buscan los diferentes modelos de
17
grippers existentes. Desde luego, en esta etapa se abarca la investigación de los
diferentes mecanismos que se pueden usar en el desarrollo de la solución del problema.
En la segunda etapa, se continúa con el pre-diseño y elaboración de prototipos, fruto de
la investigación realizada en la etapa anterior, donde se busca evaluar las diferentes
soluciones planteadas, con el fin de encontrar la mejor por medio de herramientas de
priorización.
Después de tener el prototipo seleccionado, se hacen las pruebas necesarias para
comprobar que cumple todos los requerimientos planteados en el problema. Luego de
tener el prototipo seleccionado, se continúa con un re-diseño, para satisfacer todos los
requerimientos del proyecto, y luego se hace una simulación virtual del funcionamiento
para evitar problemas al momento de montar y poner en funcionamiento el dispositivo
en el brazo robótico.
Luego de tener el diseño y la simulación, se procede con la construcción del dispositivo,
donde se abarca la fabricación y el ensamble de las diferentes piezas que lo constituyen.
Por último, en la sexta etapa, se realiza la integración y programación al SIM.
18
2 MARCO REFERENCIAL
Dentro de la amplia gama que existe de efectores finales, como lo son las antorchas de
soldadura, corte por plasma y demás, los grippers o manipuladores robóticos, son
efectores finales que se encargan de otorgar la capacidad a un robot de transportar y
manipular objetos. Para realizar esta tarea, existen múltiples soluciones diseñadas para
realizar trabajos específicos. Por esta razón, se deben tener en cuenta ciertos aspectos
como tipo de objeto a manipular, ambiente de trabajo, fuerza requerida de agarre, entre
otros.
Para simplificar la selección de un gripper para una aplicación especifica, estos tipos de
dispositivos se pueden clasificar por su principio de funcionamiento, tipo de
accionamiento o por el tipo de sujeción.
2.1 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO DE GRIPPERS
2.1.1 Principio de cinemática de gancho en cuña
Como se aprecia en la figura 1, este mecanismo es accionado por medio de un cilindro, el
cual empuja el eje central que descansa sobre las mordazas. El resorte que tiene, ayuda a
que las mordazas se devuelvan a su posición inicial. La transformación del movimiento
vertical del émbolo en movimiento horizontal de los dedos se consigue mediante planos
inclinados opuestos que guían el movimiento. Los planos inclinados hacen que los dedos
se muevan de modo sincronizado. Este mecanismo soporta dos o más pinzas de agarre
según su distribución.
Las principales ventajas y desventajas para el proyecto son las siguientes:
Ventajas:
Es autocentrante, es decir que los centros de todas las piezas cilíndricas que
manipule, coincidirán entre sí.
19
Su alta fuerza de agarre producida para agarrar la pieza, lo cual es muy bueno
teniendo en cuenta sus dimensiones reducidas.
Este gripper está diseñado para agarrar la pieza ya sea interna o externamente.
Esto es útil al momento de manipular tubos, ya que los puede manipular
tomándolos de las paredes internas.
Desventajas:
Únicamente puede manipular la pieza desde los extremos de esta en caso de
tener tres pinzas, ya que en esta acomodación, está limitada en su mayoría a
piezas cilíndricas. Esto quiere decir que solo puede agarrar la pieza si esta está
sobre una superficie que permita agarrarla desde los extremos.
Figura 1 Gripper de cinemática de gancho en cuña
Fuente: Tomado de Anexo I.
2.1.2 Principio de generación de vacío
El principio de funcionamiento de este mecanismo consiste en generar una presión de
vacío, para generar una fuerza de retención por medio del tipo de sujeción que tenga, al
hacer contacto con los objetos a manipular. La fuerza de retención se hará mayor cuando
aumente la diferencia de presión entre la presión atmosférica y la presión generada.
20
Las principales ventajas y desventajas para el proyecto son las siguientes:
Ventajas:
Sistema fácil de implementar ya que no tiene gran cantidad de componentes.
Desventajas:
No es autocentrante.
Las ventosas no pueden manipular superficies rugosas ni porosas ya que sobre
estas, no es capaz de generar el vacío necesario para manipular.
Figura 2 Grippers con generador de vacío
Fuente: Extraído el 15 de septiembre de 2011 de. http://www.microautomacion.com/catalogo/Equiposparavaco.pdf
http://img.wonderhowto.com/images/gfx/gallery/634326136412913671.jpg
21
2.1.3 Principio de Iris mecánico
Este mecanismo funciona por medio de una guía circular accionada por un motor, la cual
dirige unas aspas, haciendo que las puntas de estas se acerquen o se alejen del centro.
Entre más aspas tenga este mecanismo, mucho más exacto será.
Las principales ventajas y desventajas para el proyecto son las siguientes:
Ventajas:
Este gripper es autocentrante
Este gripper es compatible con piezas de diámetros reducidos, ya que las puntas
de las aspas tienden a unirse en el centro.
Desventajas:
Para poder manipular piezas con este gripper, la pieza debe alojarse en el centro
de este, haciendo más complicado el posicionamiento previo de la pieza.
Posee muchas piezas que lo conforma, por lo cual se puede tornar complicado de
fabricar y de mantener.
Figura 3 Gripper tipo Iris
Fuente: Extraído el 15 de septiembre de 2011 de.
http://www.foresight.org/Nanomedicine/Images/Fig03_04.gif
22
2.1.4 Tipo piñón cremallera
Este tipo de mecanismo de junta prismática corresponde a dos cremalleras empujadas
por medio de un piñón el cual es accionado por un motor. Las cremalleras están unidas
alas pinzas que manipularán los objetos. El hecho de tener estas cremalleras como se
ilustra en la figura 4, hace que el movimiento de las dos mordazas sea sincronizado.
Las principales ventajas y desventajas para el proyecto son las siguientes:
Ventajas:
Gracias a la posición de las cremalleras, es posible accionarlas por medio de un
solo motor
Es autocentrante
Desventajas:
Debido a la distribución de las cremalleras, se requiere espacio para que estas se
alojen, por lo tanto, se incrementa el volumen del gripper.
Figura 4 Gripper tipo piñón cremallera
Fuente: Autores
23
2.1.5 Principio de accionamiento directo, sincronizado mediante piñón cremallera
En este principio, se encuentra, un cilindro neumático en cada una de las pinzas, los
cuales son accionados simultáneamente para cerrar o abrir el gripper. Las pinzas también
están conectadas a unas cremalleras y estas a su vez a un piñón que se encarga de
sincronizar el movimiento de las dos pinzas.
Las principales ventajas y desventajas para el proyecto son las siguientes:
Ventajas:
Gracias a que posee un accionamiento por cada pinza, la fuerza total del gripper
se duplica el valor de la fuerza producida por cada uno de los accionamientos
Es totalmente autocentrante, gracias a su simetría.
Desventajas:
Debido a la distribución de las cremalleras, se requiere espacio para que estas se
alojen, por lo tanto, se incrementa el volumen del gripper.
Se requieren un accionamiento por cada pinza de este gripper, por lo tanto
aumenta el peso neto y se torna más complejo de fabricar.
Figura 5 Gripper de accionamiento directo, sincronizado mediante piñón cremallera
Fuente: Extraído el 15 de septiembre de 2011 de.
http://www.schunk.com
24
2.1.6 Principio de pistón doble sincronizado mediante palanca
Este principio de funcionamiento trabaja mediante un sistema neumático de doble pistón
conectado a una palanca que se encarga de sincronizar el movimiento de estos pistones,
los cuales están conectados por medio de una cuña a la guía de las pinzas. Al aplicar
presión en cualquiera de los pistones, las pinzas se ponen en movimiento al ser guiadas
por las cuñas.
Las principales ventajas y desventajas para el proyecto son las siguientes:
Ventajas:
Es totalmente autocentrante gracias al sistema de sincronización por palanca
Desventajas:
Si no esta debidamente lubricado el sistema de sincronización por palanca, se
pueden generar perdidas significativas de fuerza debido a la fricción.
Figura 6 Gripper de pistón doble sincronizado mediante palanca
Fuente: Extraído el 15 de septiembre de 2011 de.
http://www.schunk.com
25
2.1.7 Principio de fuelle con accionamiento directo neumático
Este mecanismo funciona con un fuelle accionado por medio de un cilindro neumático.
Para manipular las piezas, el gripper las aloja entre sus cavidades, y luego el cilindro
neumático se acciona para que la pieza quede atrapada en la cavidad.
Las principales ventajas y desventajas para el proyecto son las siguientes:
Ventajas:
Debido a los materiales y la cantidad reducida de componentes que este posee, el
peso es reducido.
Desventajas:
Este mecanismo solo es autocentrante en una dirección, y se necesita que sea
autocentrante en dos direcciones
Las piezas a manipular dependen del tamaño de cada una de las cavidades del
fuelle, por lo tanto, una cavidad grande no podría manipular una pieza pequeña y
viceversa.
Figura 7 Gripper tipo fuelle
Fuente: Autores.
26
2.1.8 Principio de pinzas accionadas mediante piñón cónico.
Este mecanismo funciona por medio de un motor (de cualquier tipo de accionamiento), el
cual acciona un engrane cónico que se encarga cambiar la dirección de transmisión (a
90°). Luego, al momento de transmitir esta fuerza, las pinzas se cierran simétricamente
gracias a dos eslabones curvos que se ajustan a la geometría central de este gripper.
Las principales ventajas y desventajas para el proyecto son las siguientes:
Ventajas:
Es autocentrante en ambas direcciones, si se tiene en cuenta que las pinzas deben
tener unas superficies oblicuas para que la pieza se centre.
Desventajas:
El recorrido de las pinzas se ve limitado por los eslabones. Entre más larga sea la
carrera de este gripper, el tamaño de los eslabones también deberá ser mayor.
Figura 8 Principio de pinzas accionadas mediante piñón cónico
Fuente: Extraído el 18 de septiembre de 2011 de.
http://www.imagesco.com/servo/servo-gripper.html
http://www.co.all.biz/img/co/catalog/small/16417.jpeg
27
2.1.9 Principio de cuerdas y poleas
Este mecanismo funciona por medio de un riel que se encarga de guiar dos mordazas que
están adheridas a una guaya. A cada una de estas mordazas se le coloca un resorte que se
encarga de desplazar cada una de estas al centro del riel, para sostener la pieza a
manipular. Para soltar la pieza, se acciona un cilindro neumático que hala estas mordazas
alejándolas del centro del riel. Este cilindro se debe mantener accionado mientras se
deban tener las mordazas en posición abierta. Para este mecanismo también es posible
invertir el funcionamiento, de tal forma que el cilindro se accione para manipular la pieza
(posición cerrada) y se desactive para que el gripper permanezca en posición abierta.
Las principales ventajas y desventajas para el proyecto son las siguientes:
Ventajas:
Es autocentrante
Este mecanismo también funciona de forma inversa, haciendo que la fuerza
producida por el cilindro sujete la pieza a manipular.
Desventajas:
Los resortes deben ser robustos para manipular piezas pesadas, por lo tanto, hace
que el cilindro deba ser robusto también.
Se requiere un alto grado de precisión para su fabricación.
Figura 9 Principio de cuerdas y poleas
Fuente: Autores.
28
2.1.10 Principio de pinza angular pivotada
Este mecanismo consiste de un cilindro, el cual al actuar, atrapa la pieza por medio de
una pinza que está pivotada al cuerpo del gripper por medio de una junta rotacional.
Las principales ventajas y desventajas para el proyecto son las siguientes:
Ventajas:
De bajo costo.
Mecanismo fácil de implementar
Desventajas:
No es autocentrante
Figura 10 Principio de pinza angular pivotada
Fuente: Extraído el 21 de septiembre de 2011 de. http://www.huv.com/blog/2007/05/grippers-version-2.html
2.1.11 Principio de mecanismo sub-actuado
Este mecanismo, es llamado de esta forma ya que el número de grados de libertad que
posee, es mayor al número de actuadores que tiene. Este tipo de mecanismos es
normalmente usado en grippers antropomórficos, es decir, grippers inspirados en la
mano humana.
29
Las principales ventajas y desventajas para el proyecto son las siguientes:
Ventajas:
Reduce considerablemente los actuadores necesarios para su movimiento, sin
afectar sus grados de libertad.
Es un gripper universal ya que puede manipular cualquier tipo de objeto.
Desventajas:
Al tener varias falanges, posee más componentes y por lo tanto se vuelve más
costoso y complicado de fabricar.
No es autocentrante
Figura 11 Gripper sub-actuado
Fuente: Extraído el 21 de septiembre de 2011 de. http://robotiq.com/en/products/adaptive-robot-gripper
30
2.2 TIPOS DE SUJECIÓN
2.2.1 Sujeción por medio de bolsa con café molido
Figura 12 Sujeción por medio de bolsa con café molido
Fuente: Extraído el 22 de septiembre de 2011 de. http://img.wonderhowto.com/images/gfx/gallery/634326136412913671.jpg Este tipo de sujeción funciona con un generador de vacío. El componente principal que
posee es una bolsa elástica rellena de café molido que al tener contacto con la pieza,
gracias al café toma la forma de la pieza a sujetar, y luego, se genera un vacío para que se
conserve la forma de la bolsa elástica, además de generar una fuerza de retención sobre
la pieza.
2.2.2 Sujeción por medio de ventosas
Figura13 Tipos de ventosas
Fuente: Extraído el 22 de septiembre de 2011 de. http://www.directindustry.es/prod/sapelem/ventosas-7523-351694.html
31
Este tipo de sujeción funciona con un generador de vacío. Para la construcción de este
tipo de gripper se hace necesaria la adquisición de un generador de vacío, para que al
momento que la ventosa haga contacto con la pieza, se realice la fuerza de retención
requerida. Con ello, la ventosa se convierte en un medio para crear los límites de una
zona de presión, causando una fuerza de retención capaz de manipular piezas.
2.2.3 Sujeción por medio de pinzas de presión
2.2.3.1 Dedos antropomórficos
Figura 14 Gripper de dedos antropomórficos
Fuente: Extraído el 23 de septiembre de 2011 de.
http://robotiq.com/en/applications/Robot-Gripper-fragile-parts-handling.php
Este sistema posee un mecanismo sub-actuado. Gracias a este mecanismo es posible
controlar las falanges de los dedos del gripper, con un solo accionamiento por cada uno
de los dedos, haciendo que estos dedos se acomoden a la geometría de la pieza a
manipular.
32
2.2.3.2 Pinza de desplazamiento angular
Figura 15 Gripper angular concéntrico
Fuente: Extraído el 25 de septiembre de 2011 de. http://curriculum.autodesk.com/student/public/Level2/overview/project_id/11
Este sistema funciona por medio de dos mordazas de agarre simétrico. Estas mordazas
son pivotadas desde un extremo, donde se encuentra el punto de giro de esta.
2.2.3.3 Pinza de desplazamiento lineal
Figura 16 Ejemplo de pinzas de desplazamiento lineal
Fuente: Extraído el 21 de septiembre de 2011 de. http://www.schunk.com Este sistema de sujeciónes versátil en cuanto a las geometrías que puede manipular y es
compatible con los diferentes tipos de accionamientos. La mayoría de grippers usan este
33
sistema, de forma que el movimiento de las pinzas se hace sincronizada y
simétricamente.
2.2.4 Sujeción por electroimán
Figura 17 Electroimán para manipular piezas ferromagnéticas
Fuente: Extraído el 21 de septiembre de 2011 de. http://www.motorman.es/paginas/productos.asp?id_producto=62&id_idioma=1 Este sistema de sujeción es accionado eléctricamente por medio de una bobina la cual
genera un campo magnético en el momento que pasa corriente eléctrica por ella. Este
sistema es poco versátil ya que las piezas que puede manipular deben ser
ferromagnéticas.
2.3 TIPOS DE ACCIONAMIENTOS
Los actuadores tienen como tarea, generar el movimiento de las pinzas del gripper según
las ordenes dadas por el controlador del brazo robótico Daihen AX-V6. Los actuadores
utilizados normalmente en robótica pueden emplear energía neumática, hidráulica o
eléctrica. Para determinar cual de estos tipos de accionamiento es el adecuado, se deben
tener en cuenta los siguientes aspectos para esta aplicación:
Fuerza generada
Peso y volumen
Precisión
34
Mantenimiento
Precio
Ambiente operativo
Existen varios tipos de accionamiento que sirven para esta aplicación en especial gracias a
su fiabilidad, bajo precio y la posibilidad de controlarlos fácilmente. El accionamiento de
tipo neumático, gracias a su gran fiabilidad, control y buen precio, se usa para este tipo de
aplicaciones, ya que maneja un rango de fuerzas amplio, controlable por medio de
válvulas adicionales al sistema. El accionamiento de tipo eléctrico, gracias a todos los
accesorios eléctricos y electrónicos creados en los últimos años, es posible controlar el
movimiento del gripper con gran exactitud.
Para elegir el tipo de accionamiento para el gripper final, se deben tener en cuenta varios
factores de funcionamiento, el ambiente operativo del gripper y desde luego el precio.
2.3.1 Actuadores Neumáticos
Para este tipo de actuadores, siempre debe tenerse en cuenta que el empleo de algún
tipo de accionamiento neumático deberá disponer de una instalación de aire comprimido
entre 5 y 10 bar, incluyendo: compresor, sistema de distribución (tuberías, electro
válvulas), filtros, secadores, etc. No obstante, estas instalaciones neumáticas están
disponibles en el lugar de instalación del gripper robótico. Existen dos tipos de actuadores
neumáticos, los cuales son los cilindros neumáticos y los motores neumáticos.
En los cilindros neumáticos, se logra el desplazamiento de un embolo contenido en un
cilindro, como resultado del delta de presión en ambos lados de este, es decir que si este
delta de presión es igual a cero, no existiría desplazamiento. Se pueden encontrar dos
tipos de estos cilindros, de simple efecto, o de doble efecto. Los cilindros de simple
efecto, funcionan en un solo sentido al momento de que el embolo es empujado por el
aire a presión que ingresa en la cámara del cilindro, y se devuelve a su posición original
con ayuda de un resorte. Los cilindros de doble efecto funcionan de la misma manera,
35
con la única diferencia que se devuelve a su posición original con la misma acción del aire
a presión en sentido contrario.
Por otro lado, los motores neumáticos consiguen el movimiento de rotación de un eje
mediante aire a presión. Los dos tipos más utilizados son los motores de aletas rotativas y
los motores de pistones axiales [2].
En cuando la precisión de posicionamiento, los actuadores neumáticos no se caracterizan
por esta cualidad debida a la compresibilidad del aire, sin embargo, su sencillez y robustez
hacen adecuado su uso en aquellos casos en los que sean suficientes solo dos posiciones.
2.3.2 Actuadores Eléctricos
Debido a su facilidad de control, versatilidad, sencillez y precisión de los accionamientos
eléctricos han hecho que sean los más usados en los robots industriales actuales. Existen
varios tipos de motores que son usados en aplicaciones de este tipo, como lo son los
servomotores y los motores paso a paso.
Los servomotores, son los más usados en la actualidad debido a su facilidad de control. En
este caso, el propio motor incluye un sensor de posición (Encoder) para poder realizar su
control, donde las velocidades de rotación que se consiguen son del orden de 1000 a
3000 rpm con un comportamiento muy lineal. Las potencias que pueden manejar pueden
llegar a los 10KW [2].
Por otra parte, el motor paso a paso es un dispositivo electromecánico que convierte una
serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos, lo que significa es
que es capaz de avanzar una serie de grados (paso) dependiendo de sus entradas de
control [3]. Su principal ventaja con respecto a los servomotores tradicionales es su
capacidad para asegurar un posicionamiento simple y exacto, además de poder giraren
forma continua, con velocidad variable.
36
2.3.3 Actuadores hidráulicos
Estos actuadores en particular, son similares a los actuadores neumáticos, en cuanto a la
clasificación, ya que se pueden encontrar actuadores lineales como lo son los cilindros de
simple y de doble efecto, y los actuadores rotatorios como lo son los motores.
Las principales diferencias entre estos dos tipos de actuadores consisten principalmente
en el fluido que los acciona, en la forma de controlar y suministrar el fluido y en las
aplicaciones. El fluido que normalmente se usa es aceite hidráulico, ya que este posee
características especiales para la transmisión de energía, como lo son la baja
compresibilidad, buen poder lubricante, etc. Aunque también se puede usar agua como
fluido de transmisión de energía, pero todos los dispositivos del circuito tienen que estar
diseñados para tal fin, dado que el agua tiene bajo poder lubricante.
En cuanto a las aplicaciones en que son utilizados comúnmente, es donde la fuerza de
empuje del pistón es elevada y donde se requiere un control preciso de velocidad.
37
3 DISEÑO CONCEPTUAL
En este capítulo, se encuentra la información relacionada con los criterios de decisión que
se tomaron para elegir el gripper más apropiado para esta aplicación. Para realizar esta
elección de manera objetiva, se usan varias matrices de decisión evaluando los posibles
mecanismos a usar, los principios de accionamiento y los tipos de sujeción.
3.1 REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE:
A partir de estos requerimientos, se debe diseñar el gripper de tal forma, que se tomen
en cuenta todos los parámetros de funcionamiento para que este se desempeñe de
manera óptima.
3.1.1 Clasificación de requerimientos
Los requerimientos fundamentales para el proyecto son los siguientes:
Tipos de piezas: La geometría de las piezas de trabajo, se define a partir de las
características del torno EMCO y del brazo robótico Daihen AX-V6. Teniendo en
cuenta las características de estas dos máquinas, por parte del torno EMCO se
define que las piezas de trabajo deben ser cilíndricas, ya que en este tipo de torno
solo se pueden trabajar geometrías de este tipo que no sobrepasen un diámetro
de 40 mm y un largo de 280 mm. Por parte del robot, se limita el peso que este
puede soportar en la punta. Se debe tener en cuenta que en el peso límite que
soporta el robot en la punta, también debe incluirse el peso del gripper.
Diámetros de las piezas: El diámetro de las piezas depende tanto del torno EMCO
como del sistema de sujeción automático que este posee actualmente. Este
sistema de sujeción automático posee unas boquillas de acuerdo al diámetro
requerido de la pieza a trabajar. Estas boquillas se pueden fabricar de acuerdo al
requerimiento de diámetro, por lo tanto, el diámetro es limitado solo por el torno,
el cual soporta diámetros hasta 40 mm.
38
Masa máxima y mínima de las piezas: esta masa depende totalmente del límite de
masa soportada por la punta del brazo robótico, la cual es de 6 Kg. Si se hace una
estimación de la masa máxima de uno de los materiales más utilizados (acero),
teniendo en cuenta las longitudes máximas soportadas por el torno, según el
Anexo A, se estima que una barra de acero de estas dimensiones tiene una masa
aproximada de 4 kg; es decir que la masa del gripper estará limitada a
aproximadamente 2 Kg.
Entorno de trabajo: si se toman en cuenta las máquinas herramienta existentes en
el taller hoy en día, siendo más específicos si se toman en cuenta las que están
cerca del brazo robótico, se podría decir que el gripper se encontrará en un
entorno donde se usan herramientas que desprenden viruta de diferentes
materiales, donde estas virutas desprendidas pueden afectar la estética del
gripper e incluso pueden afectar su funcionamiento dependiendo la forma en
como pueda estar expuesto a estas virutas. En este entorno, posiblemente se
usarán herramientas de corte por plasma y soldadura, procesos donde es
inherente cierto desprendimiento de material a alta temperatura, el cual puede
afectar la estética del gripper y sus componentes internos. Por lo descrito
anteriormente, el gripper debe tener una cubierta resistente al calor, con una
dureza relativamente alta, donde se garantice la protección de los componentes
internos, además de evitar que su estética se vea afectada.
Fácil montaje y desmontaje: el montaje y desmontaje del gripper se hará de la
misma forma que las antorchas de plasma y soldadura, es decir que consistirá en
dos tornillos, los cuales son puestos en la escuadra que se encuentra en la punta
del robot.
A prueba de estudiantes no cuidadosos: Dado al requerimiento de fácil montaje y
desmontaje, no es posible dejar todos los terminales de conexión cubiertos de tal
forma que sean inaccesibles a personas que desconozcan el dispositivo. Por tal
motivo, las conexiones que debe tener el gripper deben ser conexiones rápidas
39
fáciles de manipular. Todos los cables de las conexiones se juntarán
completamente, haciendo un solo tronco compacto de cables evitando que los
estudiantes puedan manipular estos cables. En la parte estructural del gripper,
todos los componentes de funcionamiento deben ir protegidos con carcazas que
se puedan retirar solo con uso de herramienta. Se debe tener en cuenta, que para
el mantenimiento, todas estas conexiones y componentes deben ser de fácil
acceso, por lo cual, las protecciones mencionadas anteriormente se deben poder
retirar fácilmente con las herramientas apropiadas.
Tolerancias radiales y concéntricas: para definir este tipo de tolerancias, primero
que nada, se debe definir que el gripper sea autocentrante, para que los centros
de todas las piezas cilíndricas que se manipulen, coincidan entre sí, aprovechando
que el brazo robótico se puede configurar para que siempre llegue a la misma
posición en el torno. En la definición de las tolerancias, se debe tener en cuenta la
boquilla que se está usando en el torno, ya que estas tienen una gran limitación, y
es que cada una de estas boquillas solo sirve para un diámetro definido, además,
los diseñadores de estas boquillas, dan una tolerancia de 0,5 mm a 1 mm para que
la boquilla sujete la pieza. Otra tolerancia importante es la de rectitud, ya que al
momento de insertar la pieza en la boquilla, se debe tener en cuenta que esta
debe entrar recta para que quede debidamente asegurada.
Dimensiones reducidas que permitan al robot situar la pieza dentro del torno:
estas dimensiones se deben definir de acuerdo a las dimensiones del torno. Es
decir que el gripper no debe sobrepasar los 280 mm que hay entre la boquilla y el
centro giratorio del gripper, ya que si excede estas dimensiones, no podrá alojar la
pieza en el torno.
40
3.1.2 Relevancias de los requerimientos de cliente
Para los requerimientos del cliente, se asigna una relevancia dependiendo de qué tan
importante es dicho requerimiento para determinar la funcionalidad del gripper. Para
definir estas relevancias, se debe tener en cuenta la relación existente entre el
requerimiento de cliente y las limitantes de este proyecto. Conociendo estas limitantes,
se definen las relevancias cuantitativamente por medio de los números 1, 2 y 3, donde el
1 indica una relación baja, el 2 una relación media y 3 una relación fuerte. Los
requerimientos del cliente que son críticos para la realización del proyecto, no se le
aplicará una relevancia, ya que si cualquier tipo de gripper no cumple con estos
requerimientos, se rechazará inmediatamente. Teniendo en cuenta lo anterior se procede
a definir las relevancias de cada uno de los requerimientos de la siguiente forma:
Requerimientos críticos:
Geometría de la pieza, ya que el producto se diseña para geometrías cilíndricas
únicamente.
Las dimensiones de las piezas ya que estas están limitadas por su peso (Anexo
A)
Las dimensiones del torno CNC, ya que este requerimiento afecta al gripper
estructuralmente, por lo que el diseño se debe acomodar a las máximas
dimensiones del torno, sin sobrepasar estas por ningún motivo.
Las tolerancias, debido a que en estas se incluye el criterio de concentricidad
donde se define la alineación de las piezas con la boquilla del torno.
Requerimientos con alta relevancia:
En este tipo de requerimientos se encuentran los que definen directamente el
funcionamiento y desarrollo del gripper.
Estos requerimientos son:
41
Peso de la pieza: Este requerimiento, afecta al gripper directamente en su
estructura, dado que el brazo robótico donde este será ensamblado, tiene una
limitante de peso, por lo tanto, a medida que aumenta el peso de la pieza, se
debe disminuir el peso del gripper.
Precio: Este es un requerimiento importante porque afecta el desarrollo del
proyecto dado que está limitado por el presupuesto.
Tiempo de desarrollo: este es un requerimiento importante porque el
desarrollo del proyecto está definido por medio de una planificación que se
debe llevar a cabo en los tiempos propuestos, ya que el tiempo de desarrollo
no debe exceder los tiempos establecidos por la universidad para realizar un
proyecto de grado.
Requerimientos con relevancia media:
En este tipo de requerimientos se encuentran los que no afectan directamente el
funcionamiento y desarrollo del gripper, pero determinan variables importantes.
Entorno de trabajo: Este requerimiento afecta la decisión de la elección de los
materiales con los cuales se construirá el gripper.
A prueba de estudiantes no cuidadosos: este requerimiento afecta tanto los
materiales como las uniones a ser usadas en este gripper. Por lo tanto afecta la
durabilidad que pueda tener el producto final.
Requerimientos con baja relevancia:
En este tipo de requerimientos se encuentran los que no afectan el funcionamiento y
desarrollo del gripper, pero se debe tener en cuenta para el diseño de este.
Montaje y desmontaje: Para este caso, este requerimiento ya está definido por
la base de las antorchas de soldadura y corte por plasma del robot donde este
será sujetado, además que la forma en que este se montará y desmontará no
afecta el funcionamiento del gripper.
42
Haciendo una síntesis de lo descrito anteriormente, se define lo siguiente:
Tabla 1 Relevancias de requerimientos de cliente
Requerimientos del cliente Relevancias
Geometría de la pieza *
Dimensiones de las piezas *
Peso de la pieza 3
Entorno de trabajo 2
Montaje y desmontaje 1
A prueba de estudiantes no cuidadosos 2
Tolerancias *
Dimensiones del torno *
Precio 3
Tiempo de desarrollo 3
“ * ” requerimientos críticos
Fuente: Autores
Para definir la relación entre los requerimientos de cliente y los principios de
accionamiento, sujeción y principios de funcionamiento en cada una de las matrices, las
relevancias de relación se definen de la siguiente forma:
Relevancias de relación para las matrices 1, 2, y 4:
Tabla 2 Relevancias para relacionar tipos de accionamiento con principios de
funcionamiento
Relevancia Significado
0 El accionamiento no sirve para el mecanismo
1 El accionamiento puede servir para el mecanismo pero puede tener
ciertas limitantes
3 El accionamiento sirve pero puede no ser eficiente para el mecanismo
9 El accionamiento sirve adecuadamente para el mecanismo
43
Fuente: Autores
Relevancias de relación para la matriz 3:
Tabla 3 Relevancias para relacionar tipos de accionamiento y tipos de sujeción con
requerimientos de cliente
Relevancia Significado
-1 Es mejor la referencia
0 Igual que la referencia
1 Mejor que la referencia
Fuente: Autores
3.2 PROCESO DE DECISIÓN
Se desarrollan 4 matrices de relación para determinar cual es la mejor combinación entre
tipo de accionamiento, tipo de sujeción y principio de funcionamiento para esta
aplicación en común. En la primera matriz, se relacionan los requerimientos de cliente,
con los tipos de sujeción, donde se toma un tipo de sujeción que cumple con todos los
requerimientos de cliente, y se comparan los demás para determinar si hay uno mejor al
ya escogido. En la segunda matriz, se relacionan los requerimientos del cliente, con los
principios de funcionamiento y se procede de la misma forma que en la primera matriz.
En la tercera matriz, se comparan los posibles tipos de accionamiento con los principios
de funcionamiento y tipos de sujeción que hayan arrojado las dos primeras matrices. Se
desarrollará una última matriz, en la cual se compararán los principios de accionamiento
incluyendo el tipo de sujeción, con los requerimientos de cliente. En esta última matriz se
tiene en cuenta toda la información que se determinó en las 3 primeras matrices.
Teniendo en cuenta los resultados de las matrices se procede a la fabricación de los
prototipos seleccionados para evaluar su funcionamiento mediante pruebas de
desempeño y de esta manera descartar aquellos prototipos que no funcionen
correctamente.
44
3.2.1 Matrices de decisión
Para escoger el gripper con mayor objetividad, se recurre a estas matrices de decisión
como criterio de selección, las cuales ayudan a filtrar la información comparando los
requerimientos con los grippers a estudiar para obtener el mejor para esta aplicación.
Al hacer el cruce de información en la matriz 1 (Anexo B), teniendo en cuenta las
relevancias determinadas anteriormente, se concluye a partir de esta matriz que solo hay
un tipo de gripper compatible con todos los requerimientos del cliente. Los demás son
rechazados porque no cumplen uno de los requerimientos críticos descritos
anteriormente, ya que ninguno de estos tipos de sujeción es autocentrante. El gripper
escogido que cumple con los requerimientos, es el gripper de dos pinzas de
desplazamiento lineal, que pertenece al grupo de grippers de sujeción por pinzas de
presión.
Después de conocer el tipo de sujeción más apropiado, se continúa con la matriz 2(Anexo
C), la cual define las diferentes posibilidades de principios de funcionamiento. Los
posibles principios son los siguientes:
Principio de accionamiento directo sincronizado mediante piñón cremallera
Principio de cuerdas y poleas
Tipo piñón cremallera
Principio de pistón doble sincronizado
Principio de cinemática de gancho en cuña
Principio de pinzas accionadas mediante piñón cónico
Principio de fuelle con accionamiento directo neumático
Principio de generación de vacío
Principio de pinza angular pivotada
Principio de mecanismo subactuado
Principio de iris mecánico
45
De los anteriores, se rechazan los siguientes por no cumplir con el requerimiento crítico
de ser autocentrante en dos direcciones:
Principio de fuelle con accionamiento directo neumático
Principio de generación de vacío:
Principio de pinza angular pivotada
Principio de mecanismo sub-actuado
Principio de iris mecánico.
Por lo tanto, quedan los siguientes principios de funcionamiento para ser evaluados
como la mejor solución para el problema en cuestión:
Principio de accionamiento directo sincronizado mediante piñón cremallera
Principio de cuerdas y poleas
Tipo piñón cremallera
Principio de pistón doble sincronizado
Principio de cinemática de gancho en cuña
Principio de pinzas accionadas mediante piñón cónico
Vale la pena aclarar que todos los principios de funcionamiento anteriormente descritos
como compatibles, poseen tipos de sujeción de pinzas de presión con desplazamiento
lineal.
Con la anterior información se procede a formar la tercera matriz (Anexo D.), donde se
analizan los posibles tipos de accionamiento con los principios de funcionamiento
seleccionados. Al cruzar la información en esta matriz, se obtiene que el mejor tipo de
accionamiento para la aplicación en cuestión, es el de tipo neumático, ya que este es
compatible con 4 de 6 principios de funcionamiento, además por simplicidad y
disponibilidad en el taller de la universidad. Teniendo en cuenta la decisión anterior se
descartan dos principios de funcionamiento que son: Piñón cremallera y pinzas
46
accionadas mediante piñón cónico ya que estos funcionan en la mayoría de los casos con
motores eléctricos.
De acuerdo con lo concluido en la matriz 3, se puede proceder a analizar cada uno de
estos principios de funcionamiento, con uno o dos tipos de accionamiento dependiendo
de su compatibilidad en una cuarta matriz (Anexo E.), donde se enfrentan los
requerimientos del cliente, sin tener en cuenta los requerimientos críticos (ya que si no
cumple con uno de estos, el gripper no serviría para esta aplicación), con los principios de
funcionamiento, cada uno de estos, analizado con dos tipos de accionamiento. Para
proceder con el cruce de datos en esta matriz, se hace de la misma forma que en la
segunda matriz, es decir, se toma un gripper de referencia, el cual es el principio de
accionamiento directo sincronizado mediante piñón cremallera con accionamiento
neumático, y con este, se empiezan a comparar los demás principios.
De esta matriz se obtiene que los grippers de cuerdas y poleas accionado por electroimán
y el gripper con cuerdas y poleas accionado neumáticamente, puedan ser mejores que el
de referencia. Por esta razón, se debe proceder a probar estos tres grippers de manera
física, para determinar cual de los tres es el apropiado para esta aplicación.
Después de rechazar los principios que no son adecuados para esta aplicación, se tienen
los principios de accionamientos que más se ajusten para esta necesidad. Estos principios
fueron preseleccionados, ya que no se encontraron motivos por los cuales deberían ser
rechazados. Para validar estos principios de accionamiento, se deben hacer pruebas
físicas donde se verifique el funcionamiento de estos prototipos, teniendo en cuenta
todas las variables que se deben tomar para un funcionamiento adecuado.
Los principios de accionamiento y funcionamiento seleccionados para validar físicamente
son los siguientes:
Principio de cuerdas y poleas accionado por electroimán: Este principio será validado
por medio de una guía (donde se mueven las mordazas), dos mordazas (que se
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encargan de manipular la pieza), una guaya (que se encarga de halar las mordazas),
dos resortes (que se encargan de mantener el gripper en posición cerrada) y un
solenoide (que se encarga de abrir las mordazas y mantenerlas abiertas).
Principio de cuerdas y poleas accionado neumáticamente: Este principio será validado
por medio de una guía (Donde se mueven las mordazas), dos mordazas (que se
encargan de manipular la pieza), una guaya (que se encarga de halar las mordazas),
dos resortes (que se encargan de mantener el gripper en posición cerrada) y un
cilindro neumático (que se encarga de abrir las mordazas y mantenerlas abiertas).
También se puede probar otra configuración con los mismos componentes,
cambiando dos cosas; los resortes se encargarían de mantener abierto el gripper
mientras el cilindro neumático accionado, se encarga de mantener las mordazas en
posición cerrada.
Principio de accionamiento directo neumático sincronizado mediante piñón
cremallera: Este principio será validado, por medio de dos mordazas que se deslizarán
en dos varillas de acero plata las cuales son usadas en su mayoría en los carros
deslizantes de las impresoras, con ayuda de unos bujes en bronce fosforado. A cada
una de estas mordazas irá conectado un cilindro neumático que se encargarán de
accionar cada una de las pinzas hacia el sentido que se necesite. Para sincronizar este
movimiento, a las mordazas irán atadas dos cremalleras, las cuales se sincronizarán
con un piñón. De esta forma, al momento de poner el gripper en posición cerrada, las
dos pinzas llegarán a la misma posición al mismo tiempo.
3.2.2 Pruebas de funcionamiento
3.2.2.1 Pruebas de Ciclaje
Para este tipo de prueba, se abre y se cierra el gripper 100 veces para determinar si a lo
largo de la carrera de las pinzas existe algún obstáculo que no le permita realizar la
carrera de manera correcta. Este tipo de prueba, también se hace, para determinar que
48
todos los componentes estén funcionando correctamente, de acuerdo al diseño, y por
ende, el gripper esté trabajando bien.
Figura 18 Esquema para pruebas de ciclaje
Fuente: Autores
3.2.2.2 Pruebas de fuerza
Esta prueba se realiza de forma práctica, tomando una barra de acero de 4 kg,
colocándola en el gripper, observando como se comporta en las tres diferentes posiciones
en que puede estar (horizontal, vertical y horizontal con sujeción por fricción). Con esta
prueba, también se determina si los materiales escogidos para el prototipo son los
adecuados en cuanto a la fuerza de fricción generada a la pieza, ya que esta fuerza ayuda
a mantener la pieza manipulada en el gripper.
49
Figura 19 Esquema de posiciones para pruebas de fuerza
Fuente: Autores
3.2.2.3 Pruebas de concentricidad
Esta prueba se hará para comprobar que el mecanismo del gripper es capaz de situar el
centro geométrico de la pieza cilíndrica, siempre en el mismo punto. Se colocará el
gripper en posición abierta, con la pieza cercana a una de sus mordazas sin hacerle fuerza
a la mordaza. Al hacer esto, se genera una fuerza en una de las pinzas en sentido
contrario al del cierre. Al colocar el gripper en posición cerrada, siempre debe tender a
colocar el centro geométrico de la pieza en el mismo punto.
50
Figura 20 Esquema para pruebas de concentricidad
Fuente: Autores
3.2.3 Manufactura y resultados de pruebas
Para realizar las pruebas a los prototipos seleccionados, es necesario fabricarlos para
hacer las pruebas físicas respectivas de funcionamiento, para esto se deben establecer los
ensayos para realizar en cada uno de los prototipos para compararlos en las mismas
condiciones. Para este caso, las pruebas que se realizaran serán de ciclaje, fuerza y
concentricidad.
En cuanto a la manufactura, se decide llevar a cabo la fabricación de las piezas mediante
procesos de mecanizado, ya que estos son de los procesos más ventajosos en cuanto a la
relación costo-beneficio. En esta etapa se realizará con la maquinaria disponible en el
51
taller de maquinarias y herramientas de la Universidad Central donde se toman en cuenta
los siguientes aspectos:
- Costo de los materiales.
- Herramientas disponibles en el taller.
- Compatibilidad de las herramientas con los materiales.
3.2.3.1 Gripper con cuerdas y poleas accionado por electroimán
En la construcción de este primer prototipo se fabricaron dos piezas principales, las cuales
fueron mecanizadas en el centro de mecanizado del taller de la universidad:
Base: esta pieza posee una geometría muy sencilla la cual consta de una guía en
forma de “T” por donde se deslizan las dos pinzas y allí mismo se ubican los resortes
encargados de cerrar las mordazas. El material en el que se realizó esta pieza fue
polietileno de alta densidad por costos y facilidad de mecanizado.
Figura 21 Base para prototipo de gripper con cuerdas y poleas accionado por electroimán.
Fuente: Autores
Pinzas: cuenta con una geometría un poco más compleja que la de la base, motivo
por el cual se dificulta un poco su mecanizado, ya que se deben realizar varios
montajes durante todo el proceso. De esta pieza se fabricaron dos unidades y el
material usado para este propósito fue aluminio.
52
Figura 22 Pinza para prototipo de gripper con cuerdas y poleas accionado por
electroimán.
Fuente: Autores
Al realizar las respectivas pruebas de funcionamiento de este mecanismo se encontró que
la fuerza ejercida por el solenoide (electroimán) no era suficiente para vencer la fuerza
ejercida por los resortes encargados de cerrar las mordazas del gripper. Cuando se
sostenían manualmente las mordazas en posición abierta y se activaba el solenoide, este
era capaz de sostenerlas en dicha posición.
Por otra parte, los resortes escogidos para realizar el prototipo no eran lo
suficientemente robustos para mantener una pieza de más de 1.5 kg de masa en las
mordazas, aunque si se seleccionaban resortes más robustos, el solenoide no sería capaz
de mantener las mordazas abiertas. Por lo tanto, este tipo de accionamiento es
rechazado, ya que, como se necesita una mayor fuerza, se necesitaría un solenoide de
mayor fuerza y por lo tanto sería más grande y pesado. La fuerza máxima ejercida por el
solenoide, ese presenta cuando el vástago está totalmente insertado en la bobina.
53
Figura 23 Prototipo de gripper con solenoide
Fuente: Autores
3.2.3.2 Gripper con cuerdas y poleas accionado neumáticamente (Primer prototipo)
En este prototipo no fue necesario fabricar ninguna pieza, ya que únicamente se realizó
un cambio en la base que fue un agujero para ajustar el cilindro neumático, las demás
piezas no se modificaron ya que se ajustaban correctamente al funcionamiento de este.
Al realizar las respectivas pruebas de funcionamiento del mecanismo se encontró que la
fuerza ejercida por el cilindro neumático es suficiente para abrir las mordazas del gripper.
Los problemas encontrados en el prototipo son las tolerancias de ajuste entre las piezas y
la fuerza de los resortes, ya que los resortes deben tener una fuerza mayor para poder
retener las piezas más pesadas. Para arreglar el prototipo, es posible mecanizar las piezas
con un ajuste exacto de deslizamiento, cambiar los resortes por unos más robustos con
respecto a los que se probaron en este prototipo, y colocar un material antideslizante en
54
las mordazas del gripper o volver más rugosa la superficie para que las piezas se
sostengan en el mismo sitio mientras se transportan.
Figura 24 Primer prototipo de cuerdas y poleas accionado neumáticamente
Fuente: Autores
3.2.3.3 Gripper con cuerdas y poleas accionado neumáticamente (Segundo prototipo)
En la construcción de este prototipo se fabricaron las mismas dos piezas del prototipo
anterior, pero con algunas modificaciones en su geometría:
Base: esta pieza a diferencia de la del prototipo anterior tuvo ciertas modificaciones,
la guía por donde se desplazan las pinzas se realizó con perfil en forma de cola de
milano para evitar la holgura excesiva entre la base y las pinzas. La otra modificación
fue el material en el que se fabricó ya que en el prototipo anterior el desgaste del
polímero fue significativo debido a la fricción entre las partes.
55
Figura 25 Base para prototipo de gripper con cuerdas y poleas accionado
neumáticamente
Fuente: Autores
Pinzas: para este prototipo se decidió comprobar también que tanto afecta el ancho de
las pinzas y su rugosidad superficial en la manipulación de las piezas, por esta razón se
fabricaron dos juegos de pinzas, unas de 15 mm y las otras de 30 mm de ancho.
Figura 26 Pinzas para prototipo de gripper con cuerdas y poleas accionado
neumáticamente
Fuente: Autores
56
Al hacer las pruebas respectivas, se observó que el ajuste deslizante no quedó como
debía en la fabricación, causando cierta holgura entre las mordazas y la guía, la cual
impidió el movimiento libre que las mordazas deben tener sobre la guía. Esto ocasiona
que al momento de agarrar la pieza a manipular, el gripper quede bloqueado,
necesitando una ayuda externa para abrir las mordazas.
Luego de comprobar el funcionamiento del gripper, se probaron los dos juegos de pinzas
en condiciones iguales, para determinar si son mejores las pinzas anchas (30 mm) o
delgadas (15 mm). Para probar el funcionamiento de las pinzas, se tomó una barra de 1”
de acero de 4 kg de masa y se probó el gripper en dos orientaciones, con la barra en
posición vertical y horizontal. Con las pinzas delgadas en posición horizontal, no se
observó ningún inconveniente. Con estas mismas pinzas en la otra orientación (vertical),
estas permitían que la barra se deslizara. Con las pinzas anchas, se hicieron las mismas
pruebas, y en ninguna de las dos orientaciones se observó inconveniente alguno. Ambas
pruebas se hicieron en iguales condiciones de funcionamiento.
Figura 27 Segundo prototipo de cuerdas y poleas con cola de milano
Fuente: Autores
En general se observó un buen funcionamiento con este tipo de accionamiento, excepto
por el ajuste deslizante inadecuado que se produjo en la fabricación. Cabe resaltar que se
57
observó un mejor funcionamiento con las pinzas anchas que con las delgadas, ya que
existe un área de contacto mayor con la pieza.
Por otra parte, desde un principio, se concibió este diseño como si fuera autocentrante,
pero realmente no lo era, dado que la constante k de los resortes no era totalmente igual
en los dos resortes, y debido al desgaste, este valor k es variable. Adicional a esto, en el
prototipo no es posible garantizar condiciones idénticas para las mordazas como la
fricción con la base, desalineamiento y el instante en el que se inicia el movimiento de
cierre. Por lo tanto, no era posible asegurar que este prototipo fuera totalmente
autocentrante como se requiere. Para lograr este requerimiento, es necesario adaptar
otro mecanismo que sea capaz de autocentrar la pieza y ubicarla siempre en el mismo
punto, con respecto al gripper.
3.2.3.4 Gripper con accionamiento neumático directo
En cuanto a la manufactura, este prototipo tuvo modificaciones radicales con respecto a
los anteriores. El factor principal que se tomó en cuenta a la hora de realizar estas
modificaciones fue el tiempo que podría tomar la fabricación del prototipo. Una de las
modificaciones que se realizó fue el principio de desplazamiento de las mordazas. Para
este prototipo se usaron dos varillas de acero plata de 7 mm de diámetro las cuales
cumplen la función de riel. Las mordazas se desplazan mediante bujes de bronce
fosforado insertados en la estructura de las mismas. Las pinzas también sufrieron ciertas
modificaciones en cuanto a su geometría esto con el fin de que estas se acoplaran con el
diseño y los demás componentes del prototipo.
Las razones por las cuales se escogen estas varillas es que se encuentran fácilmente en el
mercado, y porque la aplicación más común de este tipo de varillas es para rieles de
deslizamiento, debido a su superficie lisa. Por otra parte, se escogen bujes de bronce
fosforado porque es un material autolubricante, esto, para disminuir la fricción entre los
bujes y las varillas de acero plata.
58
Para este prototipo fue necesario fabricar dos piezas adicionales, estas son la base de
sostenimiento de las varillas y los cilindros neumáticos.
Figura28 Piezas para el prototipo del gripper con accionamiento neumático directo
Fuente: Autores
Como accionamiento se usaron dos cilindros neumáticos de doble efecto de 12 mm de
diámetro y 25 mm de carrera los cuales van acoplados a cada una de las pinzas.
Al momento de hacer las pruebas de ciclaje de este gripper, se observa que en la
fabricación de los bujes de bronce fosforado, estos quedaron con una tolerancia mayor a
la especificada. Lo anterior provoca que el mecanismo se trabe y por lo tanto, se pierda
fuerza de sujeción, debido a las fuerzas de fricción provocadas por este ajuste deslizante
errado.
Al hacer las pruebas de fuerza, se observó que al sujetar la pieza cilíndrica, el gripper se
bloquea con la pieza, porque los cilindros neumáticos continúan haciendo fuerza hacia la
pieza, haciendo que se desalineen las mordazas, y por lo tanto los bujes de bronce
fosforado quedaban bloqueados contra la varilla de acero plata. Este prototipo,
soportaba la pieza de 4 kg que le fue colocada, pero al accionar el pulsador para abrir el
gripper, este no funcionaba.
59
Por otra parte, desde un principio, se concibió este diseño como si fuera autocentrante,
pero realmente no lo era, dado que los cilindros neumáticos, no llegaban al mismo punto
al mismo tiempo, debido al ajuste deslizante errado de los bujes. Por lo tanto, no era
posible asegurar que este prototipo fuera totalmente autocentrante como se requiere.
Para lograr este requerimiento, es necesario adaptar otro mecanismo que sea capaz de
autocentrar la pieza y ubicarla siempre en el mismo punto, con respecto al gripper.
Figura 29 Prototipo de gripper con accionamiento neumático directo
Fuente: Autores
3.2.3.5 Gripper con accionamiento neumático directo sincronizado mediante piñón
cremallera
Para este gripper, se tomó el anterior prototipo (Gripper con accionamiento neumático
directo), tal cual como se fabricó. Al cuerpo de este, se adjuntó un mecanismo de piñón
cremallera, donde las cremalleras estaban unidas a cada una de las pinzas, las cuales eran
sincronizadas mediante un piñón que rotaba junto al movimiento lineal de las
cremalleras.
60
Se arreglaron los problemas de deslizamiento que se tenían en los rieles, para efectuar el
ensayo de fuerza debidamente. De esta manera, se podían trasladar las pinzas sobre el
riel sin tener ningún obstáculo, por lo tanto al hacer las pruebas de fuerza, este se
comportó como se esperaba, sin presentarse ningún bloqueo sobre los rieles.
Para el ensayo de concentricidad, se observó, que al dejar la pieza unida a cada una de las
mordazas, este siempre tendía a dejar el centro geométrico de la sección transversal de la
pieza cilíndrica siempre en el mismo punto, gracias al mecanismo de piñón cremallera
adjunto.
Figura 30 Prototipo de gripper con accionamiento neumático directo sincronizado
mediante piñón cremallera
Fuente: Autores
3.3 SELECCIÓN DE PROTOTIPO
Al observar las anomalías presentadas en los diferentes prototipos, y al arreglar estos,
problemas, se concluye que el gripper más adecuado para esta aplicación es el gripper de
accionamiento directo sincronizado mediante piñón cremallera por los siguientes
motivos:
De los prototipos ensayados, era el único donde se aseguraba totalmente la
autocentricidad.
61
En cuanto a los rieles deslizantes de todos los prototipos, este fue el único
que no presentó fallas graves de funcionamiento, ya que en este disminuyó
notablemente la holgura presentada en los prototipos anteriores.
La fuerza de sujeción en las mordazas es mayor gracias los dos cilindros
usados en este prototipo.
62
4 INGENIERÍA DE PRODUCTO
En este capítulo se busca definir las variables adecuadas de funcionamiento del gripper
por medio de un diseño pre validado en tecnología CAD y con la teoría de diseño aplicada
para definir y dimensionar correctamente el producto final. Para realizar esto, el
procedimiento a seguir, después de definir el prototipo de gripper más adecuado para
esta aplicación (Capitulo 3), es calcular las dimensiones de todos los componentes según
las fuerzas generadas al momento de manipular la pieza más pesada según los
requerimientos de cliente. Después de esto, de acuerdo a los mismos requerimientos se
diseñan virtualmente todos sus componentes para proceder con la manufactura del
gripper. Luego, se procede con las pruebas de funcionamiento, para asegurar que las
variables anteriormente calculadas, se ajusten a la realidad y que el gripper quede
funcionando de acuerdo a lo definido. Gracias a todo lo anterior, es posible resumir todas
las especificaciones de producto, en una sola ficha técnica para identificar las
características del gripper en cuestión.
4.1 CÁLCULOS Y SELECCIÓN DE COMPONENTES
El procedimiento a seguir con los cálculos es el siguiente:
Determinar la fuerza necesaria del gripper para manipular una pieza de 3.5 Kg en
las posiciones más criticas de funcionamiento
Calcular el diámetro de los rieles de deslizamiento de las pinzas según la masa de
la pieza, y la masa aproximada de las pinzas.
Seleccionar los componentes y diseñar todo el cuerpo del gripper según los datos
calculados.
Para determinar la fuerza de sujeción del gripper se tienen en cuenta los siguientes
términos y variables:
63
.
Para calcular la fuerza de sujeción necesaria se debe analizar el gripper en las tres
posiciones críticas. Las cuales corresponden a las siguientes:
Posición 1
Figura 31 Posición con pinzas en sentido horizontal
Fuente: Autores
Para determinar la fuerza requerida de sujeción en esta posición, se toma como modelo
la siguiente ecuación:
64
( )
(Ecuacion tomada del Anexo I. “catálogo de selección de pinzas paralelas HGPT, HGPL de
festo”)
Posición 2
Figura 32 Posición con pinzas en sentido vertical
Fuente: Autores
Para determinar la fuerza requerida de sujeción en esta posición, se toma como modelo
la siguiente ecuación:
( )
(Ecuacion tomada del Anexo I. “catálogo de selección de pinzas paralelas HGPT, HGPL de
festo”)
65
Posición 3
Figura 33 Posición de pinzas en sentido horizontal con sujeción por fricción
Fuente: Autores
Para determinar la fuerza requerida de sujeción en esta posición, se toma como modelo
la siguiente ecuación:
( )
(Ecuacion tomada del Anexo I. “catálogo de selección de pinzas paralelas HGPT, HGPL de
festo”)
Para el cálculo de la fuerza de sujeción en cada una de las posiciones, es necesario tener
en cuenta la siguiente información:
Coeficiente de fricción: para escoger este coeficiente se debe tener en cuenta
tanto el material de las mordazas como el de la pieza a manipular, los materiales
escogidos son goma para las mordazas y acero para las piezas a manipular. Se
escoge goma, para aumentar el coeficiente de fricción y así favorecer la fuerza de
sujeción generada por los cilindros.
66
Tabla 4 Coeficientes de fricción µ
Coeficiente de fricción µ
Superficie de la pieza
Acero Acero
lubricado Aluminio
Aluminio
lubricado Goma
Sup
erfi
cie
de
las
mo
rdaz
as Acero 0.25 0.15 0.35 0.2 0.5
Acero lubricado 0.15 0.09 0.21 0.12 0.3
Aluminio 0.35 0.21 0.49 0.28 0.7
Aluminio
lubricado 0.2 0.12 0.28 0.16 0.4
Goma 0.5 0.3 0.7 0.4 1
Fuente: catálogo de selección de pinzas paralelas HGPT, HGPL de festo.
Según la tabla 4, el coeficiente de fricción para una pieza de acero y una superficie
de goma en las pinzas corresponde a
Factor de seguridad: para seleccionar el factor de seguridad se tiene en cuenta la
siguiente información:
Figura 34 Diagrama para selección de factor de seguridad según aplicación
Fuente: catálogo de selección de pinzas paralelas HGPT, HGPL de festo.
67
Teniendo en cuenta que se tendrá un factor de fricción continúo en las pinzas, y
un bajo dinamismo, ya que para situar la pieza dentro del torno, se necesita una
baja velocidad y aceleración, se escoge el siguiente factor de seguridad (Ver figura
31):
Aceleración:
Tabla 5 Aceleración según tipo de accionamiento
Accionamiento
Neumático
Servo
neumático
Eléctrico
Con
amortiguación
fija
Con
amortiguación
regulable
Con
amortiguadores
Eje con correa
dentada
Eje con
husillo
Aceleración
máxima [m/s2] 50-300 10-300 10-300 5--15 0-15 0-6
Fuente: catálogo de selección de pinzas paralelas HGPT, HGPL de festo.
Teniendo en cuenta que el accionamiento del robot es eléctrico se procede a trabajar con
la siguiente aceleración:
Teniendo en cuenta todo lo anterior, ya se tienen todas las constantes para determinar la
fuerza necesitada en cada uno de los cilindros neumáticos:
68
Cálculos para la posición 1:
( )
( )
Cálculos para la posición 2:
( )
( )
( )
Cálculos para la posición 3:
( )
( )
( )
Teniendo en cuenta los anteriores cálculos, se procede a seleccionar la fuerza más alta, ya
que sería la condicion crítica de funcionamiento. Según lo anterior, la fuerza máxima es
148.97 N. Con este dato, se procede con la selección del cilindro apropiado de la siguiente
forma:
69
(Ecuacion tomada de [4])
Donde:
A: Area de la seccion transversal del cilindro
F: Fuerza generada por la presión adentro del cilindro
P: Presión de trabajo
Para la selección del área transversal del cilindro se toman los siguientes parámetros, una
presión de operación de 8 Bar (800000 Pa) y una fuerza de 150 N,
√
Para generar la fuerza necesaria en la condicion crítica de funcionamiento, se necesitan
dos cilindros de 16 mm de diametro en su sección transversal. Para este caso se
seleccionan cilindros grafados de doble efecto con amortiguación regulable de 16 mm de
diámetro con carrera de 25 mm marca JELPC, suministrados por la compañía P&R
Neumática.
70
Con este dato de la selección de los cilindros, es posible continuar con la selección de los
rieles donde se sostienen y se deslizan las pinzas. A continuacion se muestra el diagrama
de cuerpo de libre delos ejes encargados de sostener las pinzas del gripper:
Figura 35 Diagrama de cuerpo libre de los ejes y bases del gripper
Fuente: Autores
Figura 36 Diagrama de cuerpo libre de las pinzas
Fuente: Autores
71
Determinación del momento generado por las pinzas:
( )
Para facilitar los cálculos de la selección del diámetro para dichos ejes, se analiza
solamente uno de ellos
Figura 37 Diagrama de cuerpo libre eje de sujeción de las pinzas
Fuente: Autores
72
Se elige un factor de seguridad de acuerdo a la siguiente tabla:
Tabla 6 Factores utilizados para determinar factor de seguridad
INFORMACIÓN CALIDAD DE LA INFORMACIÓN FACTOR DE SEGURIDAD
Modelos analíticos para
cargas y esfuerzos
Los modelos han sido probados contra experimentos 1.3
Los modelos representan el sistema con precisión 2
Los modelos representan el sistema aproximadamente 3
Los modelos con una burda aproximación 5+
Fuente: Tomado de [5]
( )
Este factor de seguridad se toma como si el modelo representativo, fuera aproximado a la
realidad sin ser totalmente preciso.
( )( )
( ) (( )
)
Ya que la fuerza F1 siempre va a estar aplicada en la mitad se puede asumir que tanto las
reacciones como los momentos de reacción en los apoyos son iguales es decir,
y
73
Teniendo en cuenta que el modelo es estáticamente indeterminado las reacciones en los
apoyos se calculan a partir del metodo de superposición el cual consiste en escoger una
de las reacciones como redundante y se elimina o modifica el apoyo correspondiente. La
reacción redundante se trata como una carga desconocida que, junto con las otras debe
producir deformaciones compatibles con los apoyos originales. La pendiente o la
deflexión donde el apoyo se ha modificado o eliminado se obtiene calculando
separadamente las deformaciones causadas por las cargas dadas y la reaccion
redundante, y superponiendo los resultados obtenidos. [4]
Como los momentos generados por las pinzas son iguales y en sentido contrario, estos se
eliminan y el diagrama de cuerpo libre del modelo se reduce a:
Figura 38 Diagrama de cuerpo libre eje de sujeción de las pinzas modificado
Fuente: Autores
74
Figura 39 Diagramas principio de superposición
Fuente: Autores
En la sigiente Tabla se encuentra la pendiente y la deflexión en el punto C para cada una
de las cargas:
Tabla 7 Deflexiones y pendientes de vigas
Fuente: Tomada de [4]
75
El análisis se hace en cada uno de las cargas,
- Carga F1: Se observa que, para esta carga, la seccion BC de la viga es recta.
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( )
- Reacción R2:
( )
( )
- Momento M2:
( )
( )
Teniendo en cuenta las condiciones de frontera tenemos que en el extremo C la
pendiente y la deflexión deben ser cero.
( ) ( ) ( )
( )
( ) ( ) ( )
( )
( )
76
Resolviendo las ecuaciones (1) y (2),
( )
Teniendo en cuenta que
tenemos,
(
)
(
)
(
) (
)
El cálculo del momento se desarrolla por medio de funciones de singularidad,
∫
∫
77
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
(Ecuaciones tomadas de [5])
Donde q es la funcion de carga, V es la funcion de las fuerzas cortantes y M es la función
de momento.
Teniendo las constantes de integración y las reacciones del eje se procede a calcular el
momento máximo y el diametro permisible para esta aplicación, para este proceso es
necesario tener en cuenta los siguientes datos en cuanto al material que se va usar en
dicho eje,
( )
El material seleccionado es el que comunmente se usa en la fabricación de este tipo de
ejes.
Ya que este es un método iterativo, el cálculo de estos dos parámetros se realiza
mediante una hoja de cálculo de excel. Los resultados de este proceso se muestran en el
Anexo F.
El criterio por el cual se determina el diámetro del eje es mediante el criterio de falla bajo
carga estática o cuasiestática de un eje de Von Mises que dice,
(
)
(Ecuación tomada de [6])
Donde es el factor de seguridad, es la resistencia a la fluencia del material del eje, M
es el momento y T es el torque.
78
Según los cálculos realizados, el diámetro permisible para el eje de gripper es de 4.9 mm.
Teniendo en cuenta los cálculos anteriores y revisando la disponibilidad en el mercado de
los diferentes diámetros para estos ejes se tiene que los diámetros disponibles son de 6, 8
y 12 mm. Se deben escoger unos rodamientos lineales que sean compatibles con estos
ejes. Revisando la disponibilidad de estos rodamientos se encuentran con un diámetro
interno mínimo de 8 mm. Por esta razón se escoge un eje "60 Case LinearRace" marca
Thomson de 8 mm, suministrado por Lugo Hermanos.
4.2 DISEÑO DE PRODUCTO
Después de validar el funcionamiento en los prototipos fabricados, e identificar cuáles
fueron los problemas más comunes en su manufactura, se optó por definir el diseño,
usando componentes estandarizados, ya que con estos componentes se garantizan
dimensiones constantes, facilita la búsqueda de repuestos al momento de necesitarlos y
la reducción de costos de fabricación.
Por los ensayos exitosos efectuados en el prototipo de gripper con accionamiento
neumático directo sincronizado mediante piñón cremallera, se decide diseñar y construir
un gripper bajo los lineamientos de este, teniendo en cuenta todos los aspectos de
manufactura para evitar sobrecostos o complicaciones al momento de la fabricación.
Teniendo en cuenta cada uno de los requerimientos de cliente y haciendo un resumen de
lo descrito en el capítulo 3, se procedió con el diseño de la siguiente manera:
Geometría de la pieza: Dado que lo que se debe manipular, son principalmente
piezas cilíndricas, las mordazas del gripper se deben diseñar para tal fin, por lo
tanto, sus superficies de sujeción serán de forma angular, para que cada una de
estas superficies, sean tangentes a la pieza cuando se manipule y así lograr la
autocentricidad en el eje Z tal como se muestra en la figura 37.
79
Figura 40 Diagrama de ejes para el gripper
Fuente: Autores
Dimensiones de las piezas: se especifica que el diámetro máximo de las piezas
cilíndricas es de 40 mm, por lo tanto, el recorrido total de las mordazas debe ser
esta misma longitud. Por esta razón, cada una de las mordazas se debe trasladar
20 mm en dirección opuesta a la otra mordaza, es decir en movimientos
simétricos. Para lograr esto, se conecta un cilindro neumático de 25 mm de
carrera a cada una de las mordazas, para que el recorrido total sea mayor a 40
mm. Las mordazas tendrán dos rodamientos lineales que se deslizaran sobre dos
varillas “Thomson” normalizadas, de esta manera, se logra un recorrido
totalmente lineal.
Peso de la pieza: dadas las dimensiones de las piezas, el gripper se debe concebir
para soportar como máximo 3 Kg (según el Anexo A). Por tal motivo, la varilla
“Thomson” seleccionada, es una varilla de acero inoxidable, templado y
rectificado de 8 mm de diámetro, diseñada para este tipo de cargas (Ver sección
de cálculos del capítulo 4).
Entorno de trabajo: La carcasa debe ser de un material resistente a las
salpicaduras de soldadura, por esta razón, se decide usar duraluminio, el cual es
una aleación de aluminio con propiedades mecánicas mejoradas.(Ver Anexo G.),
además de ser un material de densidad relativamente baja.
Montaje y desmontaje: Se adjuntará un mecanismo externo de sujeción que sea
compatible con el brazo robótico. El cual consta de una brida de sujeción externa
80
que se acopla con el gripper y con el robot por medio de unos tornillos Bristol,
como se hace actualmente con las antorchas de soldadura y de corte del brazo
robótico.
A prueba de estudiantes no cuidadosos: Las uniones para sellar el gripper, serán
con tornillos tipo Bristol, para evitar que cualquier persona pueda acceder a los
componentes internos del gripper. Además, se construirá una carcasa adicional
para proteger el gripper completo con sus accesorios cuando no se esté utilizando.
Tolerancias: Sera totalmente autocentrante al momento de manipular la pieza por
medio de cunas en las mordazas, además, el recorrido será totalmente lineal.
Dimensiones del torno: Teniendo en cuenta estas dimensiones reducidas, se toma
la decisión de implementar unas pinzas largas para que el cuerpo del gripper no
interfiera con la ubicación de la pieza en la boquilla del torno. También teniendo
en cuenta el diámetro máximo de la pieza que es capaz de sujetar el torno que
corresponde a 40 mm, se define la carrera total de las mordazas.
Precio: Para reducir los costos de fabricación de este gripper, se optó por
fabricarlo de componentes estandarizados, donde no hay que hacer inversiones
de manufactura. Las piezas que no sean estandarizadas, se harán lo más sencillas
posibles para mecanizarlas en una fresa CNC, ya que es la manera más fácil de
fabricarlo.
Tiempo de desarrollo : en cuanto al tiempo de fabricación, depende los detalles
que tenga el diseño, y la facilidad de conseguir los componentes estandarizados.
Por esta razón el diseño es lo más sencillo posible, con una sola superficie por
cara, sin cambios de secciones para evitar, tanto el desgaste de los herramentales
como los tiempos de fabricación.
Con lo anterior, se procedió a realizar un modelo virtual, donde se involucraran todas las
variables anteriormente mencionadas, con lo cual se llegó a lo siguiente:
81
Figura 41 Modelo virtual de Gripper
Fuente: Autores
Figura 42 Ensamble de piezas internas
82
Fuente: Autores
Los detalles de diseño se encuentran adjuntos en el Anexo H.
4.3 ESPECIFICACIONES DE PRODUCTO
De acuerdo a lo calculado y diseñado, las especificaciones de producto son las siguientes:
Tabla 8 Especificaciones de producto
Carrera por mordaza 25 mm
Cantidad de mordazas del gripper 2
Construcción
Piñón cremallera
Con rodamientos lineales
Carcasa en duraluminio
Guía deslizante Varilla de acero inoxidable
Masa neta 2.3 Kg
Masa por pinza 0.2 Kg
Fuerza estática Fz máxima en la mordaza 160 N @8 Bar
Material del cuerpo Duraluminio (Aluminio T 2024)
Material de las mordazas Duraluminio (Aluminio T 2024)
Fuerza de sujeción máxima 320 N @8 Bar
Presión nominal de trabajo 6 bar
Presión máxima de trabajo 8 bar
Conexión neumática M5
Posición del montaje Indistinta
Fluido Aire comprimido
Dimensiones máximas de pieza Diam. 40 mm; largo 280 mm
Dimensiones mínimas de pieza Diam. 5 mm; largo 80 mm
Masa máxima de pieza 3 kg
Punto de sujeción de pieza desde extremo 50 mm
Fuente: Autores.
83
4.4 INTEGRACIÓN DEL GRIPPER CON EL BRAZO ROBÓTICO Y EL SIM
Para realizar esta conexión, y poner en armonía el funcionamiento de todos los
componentes, se hace necesario utilizar el PLC que trae integrado el brazo robótico, el
cual se puede configurar por medio del “teachpendant”, agregándole líneas de código
según corresponda. Para realizar estas conexiones, se deben conectar todos los
componentes de acuerdo a lo siguiente:
Figura 43 Esquema de conexión del gripper con el SIM
Fuente: Autores.
Las salidas que se aprecian en la figura, corresponden a las salidas 1, 2 y 3 del PLC del
robot. El cuarto cable que sale hacia la caja de conexiones, corresponde al común o
“COM1” de las primeras cuatro salidas del PLC. Cada uno de estos cables se conecta a un
84
terminal de fácil conexión los cuales se distribuyen de manera conveniente para una fácil
identificación. A esta caja van conectados los cables salientes de las electroválvulas, los
cuales, por medio de una señal que transportan proveniente del PLC del brazo robótico,
provocan la apertura o cierre del gripper, y la apertura de las mordazas del torno EMCO.
En caso de la electroválvula del torno EMCO, esta se activa cuando se conecta un voltaje
de 110 V, por lo cual, se debe conectar un relé de 24 V para que el robot sea capaz de
activar el relé por medio de una salida configurada, y este permita la conexión de 110 V
para activar la electroválvula con retroceso de fuelle.
Después de realizar las conexiones eléctricas, se procede a realizar las conexiones
neumáticas requeridas bajo el siguiente esquema:
Figura 44 Esquema electroneumático del gripper
Fuente: Autores.
Después de tener todas las conexiones listas, se procede con la programación del robot
(Anexo J). En el “teachpendant”, en el entorno de configuración de PLC del robot, se debe
cargar el archivo “default.stf”, el cual contiene todas las entradas y salidas
85
predeterminadas del PLC. Luego, en la programación de movimientos, se insertan las
siguientes funciones según sea el caso:
FN 525: Configura la entrada requerida del PLC
FN32: Enciende una señal salida requerida del PLC
FN 34: Apaga una señal de salida del PLC
Teniendo en cuenta que la salida 1, corresponde a la apertura del gripper, la salida 2
corresponde al cierre del gripper y la salida 3 corresponde a la apertura de la mordaza del
torno CNC.
Figura 45 Diagrama eléctrico de conexiones
Fuente: Autores
86
4.5 DESCRIPCIÓN DE ENSAYOS PARA PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO
Las pruebas de funcionamiento que se realizan para el gripper final, son las mismas que
se realizaron a los prototipos, aunque a este prototipo, se deben adicionar las pruebas de
funcionamiento en conjunto con el brazo robótico y el torno CNC EMCO. Para esto es
necesario adicionar 2 ensayos más, uno de repetitividad, y otro funcional.
4.5.1 Ensayo de repetitividad
Para este tipo de ensayo, se ensambla el gripper con el robot, conectando la
electroválvula al PLC del robot y las líneas neumáticas al gripper para que funcione como
se especifica. Luego se toma una barra de 280 mm de longitud, con una sección
transversal circular del diámetro de la boquilla disponible en el torno para que se ajuste a
esta. Luego se programara el brazo robótico, para que cumpla el ciclo de funcionamiento
normal, que se compone de lo siguiente:
Traslado de gripper hacia la pieza desde el “Home” del brazo robótico.
Sujeción de pieza.
Traslado de gripper con pieza hacia el torno EMCO.
Inserción de pieza cilíndrica en la boquilla del torno.
Sujeción de la pieza por parte de la boquilla del torno.
Apertura del gripper para soltar la pieza completamente en el torno.
Sujeción por parte del gripper a la pieza.
Apertura de la boquilla para retirar la pieza.
Traslado del gripper con la pieza hacia su destino final.
Traslado del gripper hacia el “home” del brazo robótico.
El anterior ciclo de funcionamiento, se repite cinco veces para determinar que realmente,
el gripper está ubicando siempre en un mismo punto el centro geométrico de la sección
transversal de la pieza cilíndrica. Se concluye como exitosa la prueba, si el gripper ha sido
87
capaz (después de la repetición del ciclo por cinco veces) de ubicar la pieza siempre en el
mismo punto, sin intervenciones.
4.5.2 Ensayo funcional
Este ensayo se hace para comprobar que la programación tanto del robot como del torno
CNC, están en completa armonía y solo se hace cuando el ensayo de repetitividad sea
exitoso. Para este ensayo, además de implementar el mismo montaje del ensayo de
repetitividad, se debe programar el torno CNC, para que este ejecute el programa de
fabricación de cualquier pieza, y así comprobar la armonía de funcionamiento que debe
haber entre el brazo robótico y el torno EMCO. Este ensayo funcional se hace una sola vez
y se concluye como exitoso, cuando se cumpla el ciclo completo de funcionamiento.
88
5 MANUFACTURA
Este capítulo hace referencia a las variables que se tienen en cuenta para realizar la
manufactura del prototipo final: costos; complejidad de las piezas; materia prima;
proceso de fabricación disponibles; disposición de las herramientas usadas en todo el
proceso de manufactura; precisión y acabado de las piezas a fabricar.
Teniendo en cuenta que la precisión y el acabado superficial de las piezas a fabricar en
este prototipo son de suma importancia, el proceso de mecanizado seleccionado es
arranque de viruta mediante máquinas CNC ya que este proceso en máquinas
convencionales se hace muy complicado de garantizar estos parámetros.
5.1 COSTOS
Dentro de los costos del proyecto se encuentran especificados cada uno de los
componentes normalizados usados en este, además de esto se encuentra el precio de
fabricación de cada una de las piezas, dentro de este valor se encuentra incluida la
materia prima y la mano de obra.
89
Tabla 9 Costos del proyecto
Cant. Descripción Valor unitario Total
2
Cilindro grafado diam. 16 mm, carrera 25 mm
amortiguado $ 85.728 $ 171.457
4 Racor recto M5 x 4 mm $ 4.965 $ 19.859
1 Eje rectificado referencia W 8 H6/1 Thomson $ 45.008 $ 45.008
4 Rodamiento lineal referencia KH 0824 PP INA $ 20.996 $ 83.984
4 Anillo seeger referencia I 14 SEE $ 580 $ 2.320
1 Piñón plástico $ 11.600 $ 11.600
2 Cremalleras plásticas $ 40.600 $ 81.200
1 Accesorios (tornillos, tuercas) $ 34.800 $ 34.800
1 Brida de sujeción $ 58.000 $ 58.000
2 Soporte de eje y cilindros $ 116.000 $ 232.000
1 Carcasa enteriza $ 580.000 $ 580.000
2 Pinza $ 348.000 $ 696.000
1 Riel piñón cremallera $ 174.000 $ 174.000
1 Tapa inferior $ 174.000 $ 174.000
TOTAL
$
2.364.228
Fuente: Autores.
5.2 MANUFACTURA DE GRIPPER FINAL
La manufactura del prototipo final estuvo a cargo de la empresa MECADIMOL S.A.S, ya
que en el taller de maquinarias y herramientas de la Universidad Central no fue posible
por motivos de disponibilidad en las herramientas usadas en este proceso y tiempo de
entrega de las piezas a fabricar.
90
La fabricación de todas las piezas (tabla 8.) se llevó a cabo mediante el proceso de
mecanizado por arranque de viruta en un centro de mecanizado CNC.
Tabla 10 Piezas mecanizadas
Cant. Pieza Material
2 Soporte de eje y cilindros Aleación de aluminio 2024
1 Carcasa enteriza Aleación de aluminio 2024
2 Pinza Aleación de aluminio 2024
1 Riel piñón cremallera HDPE (polietileno de alta densidad)
1 Tapa inferior Aleación de aluminio 2024
Fuente: Autores
Además delas piezas mecanizadas este prototipo cuenta con piezas estandarizadas las
cuales se relacionan en la siguiente tabla:
Tabla 11 Piezas estandarizadas
Cant. Descripción Proveedor
2 Cilindro grafado diam. 16 mm, carrera 25 mm amortiguado P & R Neumática Ltda.
4 Racor recto M5 x 4 mm P & R Neumática Ltda.
1 Eje rectificado referencia W 8 H6/1 Thomson Lugo Hermanos S.A
4 Rodamiento lineal referencia KH 0824 PP INA Lugo Hermanos S.A
4 Anillo seeger referencia I 14 SEE Lugo Hermanos S.A
Fuente: Autores
91
Figura 40. Piezas fabricadas del gripper
Fuente: Autores
92
6 CONCLUSIONES
Para aplicaciones de manipulación de piezas cilíndricas donde se requiera
autocentricidad en dos direcciones, se hace necesario usar un gripper con
apertura simétrica lineal de mordazas, donde estas poseen una geometría especial
que sitúa el centro de la sección transversal de la pieza a manipular, siempre en el
mismo punto, como la solución que se plantea en esta tesis.
El control de los dispositivos del sistema, como lo son el gripper, el torno y la
mordaza del torno CNC, se facilita con el PLC integrado del robot, ya que se
controlan todas las variables dependiendo de la posición en la cual esté el brazo
robótico, haciendo innecesario el uso de sensores externos.
En la fabricación del gripper, es más viable usar piezas estandarizadas de fácil
remplazo que fabricar piezas especiales, ya que el uso de piezas estandarizadas
facilita las futuras acciones correctivas de mantenimiento que la máquina
requiera, además de disminuir los costos de mantenimiento.
En la fabricación de los prototipos funcionales, se observó que las deficiencias en
la manufactura en cuanto a la precisión requerida, afectaron el óptimo
funcionamiento de dichos prototipos y el tiempo de desarrollo del proyecto.
93
REFERENCIAS
[1] Robótica, Hacia la automatización industrial. Extraído el 17 de mayo de 2011 de.
http://www.metalactual.com/revista/10/tecnologia_robotica.pdf
[2] ARANTXA RENTERÍA. 2000. Robótica Industrial: Fundamentos y aplicaciones. México,
McGraw Hill.
[3] Motor paso a paso. Extraído el 12 de marzo de 2012 de.
http://es.wikipedia.org/wiki/Motor_paso_a_paso
[4] FERDINAND PIERRE BEER, E. RUSSELL JOHNSTON, JOHN T. DEWOLF. 2006. Mecanica
de materiales. 4° ed. México, Mc Graw Hill.
[5] ROBERT L. NORTON. 1999. Diseño de máquinas, Prentice Hall.
[6] RICHARD G BUDYNAS, RICHARD BUDYNAS, KEITH NISBETT. Shigley's Mechanical
Engineering Design Shigley’s. 9° ed. Estados Unidos, Mc Graw Hill.
A. Anexo. Masas según densidades y dimensiones del material
11 Aluminio 2.80E+03 2.80E-06 5 10 20 30 402 Acero 7.90E+03 7.90E-06 50 0.00274889 0.01099557 0.0439823 0.09896017 0.175929193 Bronce 8.40E+03 8.40E-06 100 0.00549779 0.02199115 0.08796459 0.19792034 0.351858384 Polietileno(BD) 9.40E+02 9.40E-07 150 0.00824668 0.03298672 0.13194689 0.29688051 0.527787575 Polietileno(AD) 1.00E+03 1.00E-06 200 0.01099557 0.0439823 0.17592919 0.39584067 0.703716756 Polipropileno 9.10E+02 9.10E-07 250 0.01374447 0.05497787 0.21991149 0.49480084 0.879645947 Poliestireno 1.10E+03 1.10E-06 300 0.01649336 0.06597345 0.26389378 0.59376101 1.055575138 PVC 1.40E+03 1.40E-069 Nylon 1.15E+03 1.15E-06
10 Madera 7.50E+02 7.50E-07 211 ABS 1.05E+03 1.05E-06 5 10 20 30 40
50 0.00775581 0.03102323 0.12409291 0.27920905 0.49637164100 0.01551161 0.06204645 0.24818582 0.55841809 0.99274328150 0.02326742 0.09306968 0.37227873 0.83762714 1.48911492200 0.03102323 0.12409291 0.49637164 1.11683619 1.98548656250 0.03877903 0.15511614 0.62046455 1.39604524 2.4818582300 0.04653484 0.18613936 0.74455746 1.67525428 2.97822984
35 10 20 30 40
50 0.00824668 0.03298672 0.13194689 0.29688051 0.52778757100 0.01649336 0.06597345 0.26389378 0.59376101 1.05557513150 0.02474004 0.09896017 0.39584067 0.89064152 1.5833627200 0.03298672 0.13194689 0.52778757 1.18752202 2.11115026250 0.0412334 0.16493361 0.65973446 1.48440253 2.63893783300 0.04948008 0.19792034 0.79168135 1.78128303 3.16672539
45 10 20 30 40
50 0.00092284 0.00369137 0.01476549 0.03322234 0.05906194100 0.00184569 0.00738274 0.02953097 0.06644468 0.11812388150 0.00276853 0.01107411 0.04429646 0.09966703 0.17718583200 0.00369137 0.01476549 0.05906194 0.13288937 0.23624777250 0.00461421 0.01845686 0.07382743 0.16611171 0.29530971300 0.00553706 0.02214823 0.08859291 0.19933405 0.35437165
55 10 20 30 40
50 0.00098175 0.00392699 0.01570796 0.03534292 0.06283185100 0.0019635 0.00785398 0.03141593 0.07068583 0.12566371150 0.00294524 0.01178097 0.04712389 0.10602875 0.18849556200 0.00392699 0.01570796 0.06283185 0.14137167 0.25132741250 0.00490874 0.01963495 0.07853982 0.17671459 0.31415927300 0.00589049 0.02356194 0.09424778 0.2120575 0.37699112
65 10 20 30 40
50 0.00089339 0.00357356 0.01429425 0.03216205 0.05717699100 0.00178678 0.00714712 0.02858849 0.06432411 0.11435397150 0.00268017 0.01072068 0.04288274 0.09648616 0.17153096200 0.00357356 0.01429425 0.05717699 0.12864822 0.22870795250 0.00446695 0.01786781 0.07147123 0.16081027 0.28588493300 0.00536034 0.02144137 0.08576548 0.19297233 0.34306192
75 10 20 30 40
50 0.00107992 0.00431969 0.01727876 0.03887721 0.06911504100 0.00215984 0.00863938 0.03455752 0.07775442 0.13823008150 0.00323977 0.01295907 0.05183628 0.11663163 0.20734512200 0.00431969 0.01727876 0.06911504 0.15550884 0.27646015250 0.00539961 0.02159845 0.0863938 0.19438605 0.34557519300 0.00647953 0.02591814 0.10367256 0.23326325 0.41469023
85 10 20 30 40
50 0.00137445 0.00549779 0.02199115 0.04948008 0.08796459100 0.00274889 0.01099557 0.0439823 0.09896017 0.17592919150 0.00412334 0.01649336 0.06597345 0.14844025 0.26389378200 0.00549779 0.02199115 0.08796459 0.19792034 0.35185838250 0.00687223 0.02748894 0.10995574 0.24740042 0.43982297300 0.00824668 0.03298672 0.13194689 0.29688051 0.52778757
95 10 20 30 40
50 0.00112901 0.00451604 0.01806416 0.04064435 0.07225663100 0.00225802 0.00903208 0.03612832 0.08128871 0.14451326150 0.00338703 0.01354812 0.05419247 0.12193306 0.21676989
Longitudes [mm]
Longitudes [mm]
Longitudes [mm]
Longitudes [mm]
Longitudes [mm]
ALUMINIO (Densidad: 2,80E-06 Kg/mm3)
Longitudes [mm]
ACERO (Densidad: 7,9E-06 Kg/mm3)
BRONCE (Densidad: 8,4E-06 Kg/mm3)
POLIETILENO BAJA DENSIDAD (Densidad: 9,40E-07 Kg/mm3)
Longitudes [mm]
Longitudes [mm]
POLIETILENO ALTA DENSIDAD (Densidad: 1,0E-06 Kg/mm3)
POLIPROPILENO (Densidad: 9,1E-07 Kg/mm3)
POLIESTIRENO (Densidad: 1,1E-06 Kg/mm3)
PVC (Densidad: 1,4E-06 Kg/mm3)
NYLON (Densidad: 1,4E-06 Kg/mm3)
Longitudes [mm]
Numero Densidad [Kg/m3]
Masa [Kg] para los diametros [mm]
Masa [Kg] para los diametros [mm]
Masa [Kg] para los diametros [mm]
Masa [Kg] para los diametros [mm]
Masa [Kg] para los diametros [mm]
Masa [Kg] para los diametros [mm]
Masa [Kg] para los diametros [mm]Materiales Densidad [Kg/mm3]
Masa [Kg] para los diametros [mm]
Masa [Kg] para los diametros [mm]
200 0.00451604 0.01806416 0.07225663 0.16257742 0.28902652250 0.00564505 0.0225802 0.09032079 0.20322177 0.36128316300 0.00677406 0.02709624 0.10838495 0.24386613 0.43353979
105 10 20 30 40
50 0.00073631 0.00294524 0.01178097 0.02650719 0.04712389100 0.00147262 0.00589049 0.02356194 0.05301438 0.09424778150 0.00220893 0.00883573 0.03534292 0.07952156 0.14137167200 0.00294524 0.01178097 0.04712389 0.10602875 0.18849556250 0.00368155 0.01472622 0.05890486 0.13253594 0.23561945300 0.00441786 0.01767146 0.07068583 0.15904313 0.28274334
115 10 20 30 40
50 0.00103084 0.00412334 0.01649336 0.03711006 0.06597345100 0.00206167 0.00824668 0.03298672 0.07422013 0.13194689150 0.00309251 0.01237002 0.04948008 0.11133019 0.19792034200 0.00412334 0.01649336 0.06597345 0.14844025 0.26389378250 0.00515418 0.0206167 0.08246681 0.18555032 0.32986723300 0.00618501 0.02474004 0.09896017 0.22266038 0.39584067
Longitudes [mm]
Longitudes [mm]
ABS (Densidad: 1,05E-06 Kg/mm3)
MADERA (Densidad: 7,5E-07 Kg/mm3)
Masa [Kg] para los diametros [mm]
Masa [Kg] para los diametros [mm]
Pinza de desplazamiento lineal
Dedos antropomórficos
Pinza de desplazamiento
Geometria de la pieza * *
Dimensiones de las piezas * *
Peso de la pieza 3 * 0 0 -1 -1 0
Entorno de trabajo 2 * 0 0 -1 -1 0
Montaje y desmontaje 1 * 0 0 0 0 0A prueba de estudiantes no cuidadosos
2 * -1 0 0 0 0
Tolerancias * *
Dimensiones del torno * *
Precio 3 * -1 0 1 0 0
Tiempo de desarrollo 3 * 0 0 1 0 0
SUMATORIA -5 0 1 -5 0
B.ANEXO. Matriz de decisión: Tipos de sujeción vs Requerimientos del cliente.
Tipo de sujeción Relevancias Sujeción por medio de pinzas de presión Sujeción por
electroimán
Sujeción por medio de ventosas
Sujeción por medio de bolsa de café molido
Principios de funcionamiento RelevanciasPrincipio de
accionamiento directo, sincronizado
Principio de cuerdas y poleas
Tipo piñon cremallera
Principio de piston doble sincronizado
Principio de cinematica de
gancho en cuña
Principio de pinzas accionadas mediante
piñon cónico
Principio de fuelle con accionamiento directo
neumático
Principio de generacion de
vacio
Principio de pinza
angular
Principio de
mecani
Principio de Iris
Geometria de la pieza * *
Dimensiones de las piezas * *
Peso de la pieza 3 * 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0
Entorno de trabajo 2 * 0 0 0 0 0 -1 -1 0 -1 0
Montaje y desmontaje 1 * 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
A prueba de estudiantes no cuidadosos 2 * 1 0 0 0 0 0 -1 0 0 -1
Tolerancias * *
Dimensiones del torno * *
Precio 3 * 1 0 -1 -1 -1 1 0 1 -1 0
Tiempo de desarrollo 3 * 0 0 0 0 -1 0 0 1 -1 -1
SUMATORIA 5 0 -3 -3 -6 1 -4 6 -5 -5
C. Anexo: Matriz de decisión: Principios de funcionamiento vs Requerimientos del cliente.
Gancho en cuña Con piñon cremallera Cuerdas y poleas
Principio de accionamiento directo, sincronizado mediante
piñón cremallera
Principio de piston doble sincronizado
Principio de pinzas accionadas mediante
piñon cónico
Solenoide (Electroiman) 3 0 3 0 0 0
Cilindro Neumatico de simple efecto 9 0 9 9 9 0
Servomotor 0 9 1 3 1 9
Cilindro Neumatico de doble efecto 9 0 9 9 9 0
Motor-reductor (DC) 0 3 1 0 0 9
Motor paso a paso 0 9 1 0 0 9
Sumatoria 21 21 24 21 19 27
Relevancia
0
1
3
9
D. Anexo: Matriz de decisión: Tipos de accionamiento vs Grippers de dos pinzas paralelas con cierre simétrico.
Gripper de dos pinzas paralelas con cierre simétrico
TIPOS DE ACCIONAMIENTOS
El accionamiento sirve adecuadamente para el mecanismo
El accionamiento sirve pero puede no ser eficiente para el mecanismo
El accionamiento puede servir para el mecanismo pero puede tener ciertas limitantes
El accionamiento no sirve para el mecanismo
Significado
Tipos de grippers RelevanciasGripper de dos pinzas paralelas con
cierre simétricoGripper de cierre simetrico de 3
pinzasIris mecánico
Gripper de una pinza con cierre paralelo
Gripper de una pinza con cierre pivotado
Mecanismo antropomórfico Gripper de café molido Tipo fuelle Ventosas
Geometria de la pieza * *
Dimensiones de las piezas * *
Peso de la pieza 3 * 0 0 0 0 1 0 0 0
Entorno de trabajo 2 * 0 0 0 0 -1 -1 -1 -1
Montaje y desmontaje 1 * 0 0 0 0 0 0 0 0
A prueba de estudiantes no cuidadosos 2 * 0 -1 1 0 0 -1 0 -1
Tolerancias * *
Dimensiones del torno * *
Precio 3 * -1 0 1 1 -1 1 1 0
Tiempo de desarrollo 3 * 0 -1 0 1 1 1 0 0
-3 -5 5 6 1 2 1 -4
E. Anexo: Matriz de decisión: Requerimientos del cliente vs Principios de Funcionamiento seleccionados.
F. Anexo: Cálculo del diámetro de los rieles.
Para realizar los cálculos del diámetro de los ejes usados en el producto, se usaron
funciones de singularidad, las cuales se desarrollan en una hoja de cálculo de Excel, ya que
es un método iterativo. Este archivo se encuentra adjunto en el CD con el nombre “Calculo
diámetro eje”.
G. Anexo: Propiedades Duraluminio.
LISTA DE PIEZAS
DESCRIPCIÓN
CTDADELEMENTO
Soporte para cilindro y rieles21
Varilla Acero plata22
Pinzas con rodamientos23
DSN - Cilindro amortiguado de
doble efecto DSN-16-25
24
Tuercas hexagonales M525
Riel piñon cremallera16
Cremallera27
Piñon18
Tornillo de cabeza cilíndrica
redondeada con hueco
cruciforme de tipo Z - producto
de clase A ISO 7045 - M3 x 4
210
Racor de acople rapido M5 411
Carcasa completa112
Tapa113
Brida de soporte114
Tornillo de cabeza cilíndrica DIN
6912 - M6 x 16
415
Tuerca hexagonal DIN 6923 - M6617
Acople para brazo robótico118
Tornillo de cabeza cilíndrica DIN
6912 - M6 x 25
219
Soporte en L120
Tornillo de cabeza cilíndrica
M8X35
221
Tuerca hexagonal-DIN 6923 - M8222
Arandelas de seguridad (Serie
métrica) Arandelas de presión
normales
424
Arandelas métricas planas426
Tornillos de cabeza plana
avellanada (cabeza común) con
hueco cruciforme tipo H o Z.
427
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
A A
B B
C C
D D
Pedro William Perez
19/06/2012
1
Revisado por Fecha
Edición
Hoja
Presentado por:
Camilo Andres Enciso Peña
Elkin Fabian Betancourt Basto
UNIVERSIDAD
CENTRAL
Escala:
3:1
1 de 11 Diseño y construcción de Gripper
Proyecto:
Descripción:
14
22 20 1819
12
17
15
11
7
21
10
8
6
35 2
4
13
1
Explosionado
24
26
27
LISTA DE PIEZAS
DESCRIPCIÓN
CTDADELEMENTO
Pinza Cola de Milano11
J 15 Anillo Seeger DIN
472
22
Rodamiento lineal de
balines, Ø 8 mm
kh_0824_0
23
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
A A
B B
C C
D D
Pedro William Perez
19/06/2012
1
Revisado por Fecha
Edición
Hoja
Presentado por:
Camilo Andres Enciso Peña
Elkin Fabian Betancourt Basto
UNIVERSIDAD
CENTRAL
Escala:
3:1
2 de 11 Diseño y construcción de Gripper
Proyecto:
Descripción:
3 21
Explosionado de pinza
1
1
2
2
A A
B B
Pedro William Perez
19/06/2012
1
Revisado por Fecha
Edición
Hoja
Presentado por:
Camilo Andres Enciso Peña
Elkin Fabian Betancourt Basto
UNIVERSIDAD
CENTRAL
Escala:
3:1
3 de 11 Diseño y construcción de Gripper
Proyecto:
Descripción:
Ensamble gripper pinzas paralelas
257,0
69,0
224,6
30,0
100,0
210,0
84,5
70,0
12,0
33,5
152,2
65,0
74,1
14,5
V ( 1.33 : 1 )
W-W ( 1 : 1.5 )
V
W
1
1
2
2
A A
B B
Pedro William Perez
19/06/2012
1
Revisado por Fecha
Edición
Hoja
Presentado por:
Camilo Andres Enciso Peña
Elkin Fabian Betancourt Basto
UNIVERSIDAD
CENTRAL
Escala:
3:1
4 de 11 Diseño y construcción de Gripper
Proyecto:
Descripción:
Pinza
0,0
5,0
20,0
35,0
38,0
45,5
53,0
75,0
85,0
95,0
129,9
15,0
8,2
13,1
0,0
2,5
10,7
20,4
0,0
12,4
3,4 (X2)
6,0
3
,
0
-
1
4
,
9
P
r
o
f
.
M
3
15,0
43,7
0,0
3,3
15,0
8,0
6,0
30,0
28,7
1
3
0
,
0
°
R
2
,
0 1
5
0
,
1
°
11,0 (X2)
0,0
10,0
40,0
50,0
50,0
23,0
23,0
6.00
M6 PASANTE
26,0
17,7
R
4
,
0
(
X
3
)
R
4
,
0
(
x
2
)
AD-AD ( 1:2 )
AE ( 1 : 1 )
AD AD
AE
1
1
2
2
A A
B B
Pedro William Perez
19/06/2012
1
Revisado por Fecha
Edición
Hoja
Presentado por:
Camilo Andres Enciso Peña
Elkin Fabian Betancourt Basto
UNIVERSIDAD
CENTRAL
Escala:
3:1
5 de 11 Diseño y construcción de Gripper
Proyecto:
Descripción:
44,0
Carcasa
149,0
69,0
69,0
96,0
35,0
32,0
12,0 (x2)
12,0 (X2)59,0
21,0
191,0
56,0
1,5
R
5
,
0
3,5
0,0
5,0
18,5
38,5
56,0
60,0
4,0 (X2)
6,0 (X2)
0,0
15,0
32,5
50,0
65,0
5,0
35,0
96,0
200,0
4,5
4,5
4,5
4,5
8,0
Chaflán 45°
AF ( 1 : 1 )
AF
1
1
2
2
A A
B B
Pedro William Perez
19/06/2012
1
Revisado por Fecha
Edición
Hoja
Presentado por:
Camilo Andres Enciso Peña
Elkin Fabian Betancourt Basto
UNIVERSIDAD
CENTRAL
Escala:
3:1
6 de 11 Diseño y construcción de Gripper
Proyecto:
Descripción:
Tapa carcasa
M
4
x
0
.
7
-
6
H
189,8
155,9
10,0
5,1
5,1
35,0
5,0
10,0
R
4
,
9
R
5
,
0
(
X
4
)
R
8
,
0
(
X
4
)
92,0
36,0
65,0
200,0
65,0
5,1
14,5
54,0
14,5
10,0
1
1
2
2
A A
B B
Pedro William Perez
19/06/2012
1
Revisado por Fecha
Edición
Hoja
Presentado por:
Camilo Andres Enciso Peña
Elkin Fabian Betancourt Basto
UNIVERSIDAD
CENTRAL
Escala:
3:1
7 de 11 Diseño y construcción de Gripper
Proyecto:
Descripción:
150,00,20
Varilla acero plata
8,000 h7
(
-0,015
0,000+
)
AC-AC ( 1 : 1.5 )
AC AC
1
1
2
2
A A
B B
Pedro William Perez
19/06/2012
1
Revisado por Fecha
Edición
Hoja
Presentado por:
Camilo Andres Enciso Peña
Elkin Fabian Betancourt Basto
UNIVERSIDAD
CENTRAL
Escala:
3:1
8 de 11 Diseño y construcción de Gripper
Proyecto:
Descripción:
6,5
0,0
23,0
83,0
94,9
107,0
167,0
189,8
12,0
0,0
7,0
11,0
18,0
31,0
32,1
37,0
44,0
48,0
54,9
Riel piñon cremallera
4,5
4,5
3,0
9,0
20,5
1
1
2
2
A A
B B
Pedro William Perez
19/06/2012
1
Revisado por Fecha
Edición
Hoja
Presentado por:
Camilo Andres Enciso Peña
Elkin Fabian Betancourt Basto
UNIVERSIDAD
CENTRAL
Escala:
3:1
9 de 11 Diseño y construcción de Gripper
Proyecto:
Descripción:
201,0
30,0
29,0
4,5
0,0
5,5
8,5
25,5
28,5
53,0
82,0
R
1
,
0
R
3
,
5
R
3
,
5
R
4
,
0
(
X
4
)
0,0
70,0
85,0
88,0
122,0
125,0
140,0
210,0
0,0
53,0
82,0
70,0
210,0
8,56,0 x4
6,0 x2
15,0
Brida de sujeción
1
1
2
2
A A
B B
Pedro William Perez
19/06/2012
1
Revisado por Fecha
Edición
Hoja
Presentado por:
Camilo Andres Enciso Peña
Elkin Fabian Betancourt Basto
UNIVERSIDAD
CENTRAL
Escala:
3:1
10 de 11 Diseño y construcción de Gripper
Proyecto:
Descripción:
Soporte para brazo robótico
R
2
,
0
(
X
5
)
0,0
9,8
48,8
58,0
70,0
0,0
14,5
27,5
40,5
55,0
0,0
7,5
14,5
16,5
38,6
47,5
55,0
0,0
11,5
20,0
23,0
70,0
23,0
12,0
6,0 (X2)
8,0 (X2)
AG-AG ( 1 : 1 )
AH ( 2 : 1 )
AGAG
AH
1
1
2
2
A A
B B
Pedro William Perez
19/06/2012
1
Revisado por Fecha
Edición
Hoja
Presentado por:
Camilo Andres Enciso Peña
Elkin Fabian Betancourt Basto
UNIVERSIDAD
CENTRAL
Escala:
3:1
11 de 11 Diseño y construcción de Gripper
Proyecto:
Descripción:
Soporte para cilindro y rieles
0,0
8,3
14,5
44,5
50,7
59,0
0,0
9,9
22,1
38,0
43,0
48,5
0,0
7,4
23,6
59,0
7,0
5,5
48,5
R
5
,0
(
X
2
)
1,4
42,48,3 8,3
59,0
1,4
8,1 (X2)
0
,5
X
4
5
,0
°
4,08,1
R
3
,
0
T
I
P
Pinzas paralelas HGPT, HGPL y
Pinzas de tres dedos HGDT
Info 139
Pinza robusta
para mecanización
Pinzas paralelas HGPT, HGPL y
Pinzas de tres dedos HGDT
Info 139
Pinza robusta
para mecanización
Info 139 – Reservado el derecho de modificación – 2006/114
Fuerzas aplicadas por la pinzaFundamentos
Cálculo de la fuerza de sujeción
¿Qué se entiende por fuerza de sujeción?
Acción = Reacción
La fuerza de sujeción FG es la fuerza
que aplica cada dedo de una pinza.
Al elegir una pinza debe determinarse
la fuerza de sujeción necesaria para
sujetar una pieza que tiene la masa m
[kg] y, al mismo tiempo, para moverla
con una aceleración a[m/s2].
¿Cómo actúa la fuerza de sujeción en el caso de una pinza de dos dedos?
Pinzas paralelas, radiales y angulares
Unión positiva
FG= m× (g+a)× S
Unión positiva con dedos en V
1 2
FG=
m× (g+a)
2× tanα× S
FG= m× (g+a)× tanα× S
2
1
Unión por fricción
FG=
m× (g+a)
2 × �× sinα× S
¿Cómo actúa la fuerza de sujeción en el caso de una pinza de tres dedos?
Pinzas de tres dedos
Unión positiva
FG= m× (g+a)× S
Unión positiva con dedos en V
FG=
m× (g+a)
3× tanα× S
Unión por fricción
FG=
m× (g+a)
3 × �× S
FG Fuerza de sujeción [N]
necesaria por dedo
En el caso de pinzas angulares y ra-
diales, la fuerza de sujeción FG tiene
que convertirse matemáticamente
en el momento angular de sujeción
MG.
r, x Distancia entre el punto muerto
de la pinza y el punto de
sujeción (palanca)
� Datos incluidos en el
catálogo:
“Fuerza de sujeción en función
de la palanca”
m Masa de la pieza [kg]
g Aceleración de gravedad
(≈ 10 m/s2): debe considerarse
si es opuesta a la aceleración a
a Aceleración [m/s2] del
movimiento dinámico
S Factor de seguridad
α Conicidad del dedo de la pinza
µ Coeficiente de fricción entre el
dedo y la pieza
MG= F
G× r
2006/11 – Reservado el derecho de modificación – Info 139 5
Fuerzas aplicadas por la pinzaFundamentos
Aceleraciones máximas con diversos tipos de accionamiento
En los siguientes casos surgen picos
de aceleración:
• En caso de parada de emergencia
• Poco antes de la posición final
Accionamiento Neumático Servonuemático Eléctrico
Con amortigua-
ción fija
Con amortigua-
ción regulable
Con amortigua-
dores
Eje con correa
dentada
Eje con husillo Con motor lineal
Aceleración
máxima [m/s2]
50 … 300 10 … 300 10 … 300 5 … 15 0 … 15 0 … 6 0 … 30
Factor de seguridad recomendado
• Bajo dinamismo
• Factor de fricción seguro y continuo
• Ausencia de oscilaciones en la red
de aire comprimido
• Gran dinamismo
• Grandes oscilaciones del factor de fricción
• Grandes oscilaciones de la presión del
aire comprimido
• Gran superposición de aceleraciones
(lineales/rotativas)
Margen recomendado
1 1,6 2 3 4
Coeficiente de fricción µ
Superficie de la pieza
ST STg AL ALg G
Superficie Acero 0,25 0,15 0,35 0,20 0,50p
de los dedos STg 0,15 0,09 0,21 0,12 0,30
AL 0,35 0,21 0,49 0,28 0,70
ALg 0,20 0,12 0,28 0,16 0,40
G 0,50 0,30 0,70 0,40 1,00
Limitaciones del procedimiento
Excentricidad y del centro de gravedad de la masa en relación con el punto de sujeción
� Los diagramas constan en el
capítulo de pinzas del catálogo
� En el catálogo electrónico
x
y
Programa de cálculo en el catálogo electrónico del CD-ROM
Introducción óptima de los siguientes
parámetros:
• Geometría de la pieza y de los
dedos
• Sentido del movimiento,
dinamismo
• Coeficiente de fricción, presión,
temperatura y factor de seguridad
ST Acero
STg Acero lubricado
AL Aluminio
ALg Aluminio lubricado
G Goma
J. Anexo: Lader para señales i/o del AXV6. Trabajo Final, Robótica Industrial, Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad Central, Bogotá 2010
Resumen—En este informe se muestran los pasos a seguir para
poder programar correctamente el software del PLC, encargado
de controlar las diferentes señales de entrada/salida que tiene el
controlador (AX-C controller) del Almega AX, este software es el
encargado de relacionar las señales de entrada/salida del PLC
interno con las del robot.
Temas claves— PLC, controlador, grados de libertad, sensores
de proximidad, contadores, temporizadores, finales de carrera,
links.
INTRODUCCIÓN
N los robots re-programables, como el AX-V6 se tiene
una gran ventaja, la versatilidad, esta se debe a que se
pueden manejar varios efectores finales diseñados para
diversos propósitos, y además como su nombre lo indica, se
pueden programar varias veces, dependiendo de la tarea a
realizar. Teniendo en cuenta esta versatilidad no es difícil
darse cuenta que estos robots deben tener algún tipo de
sistema encargado de controlar tanto los mecanismos que
gobiernan sus diferentes grados de libertad, como también un
subsistema encargado de comunicarse con el resto de
dispositivos relacionados con los diferentes labores que se
deban realizar en la industria, como lo son: bandas
transportadoras, señores de proximidad, contadores,
temporizadores, finales de carrera, en fin cualquier dispositivo
que pueda entregar información importante para el robot,
relacionada con el proceso.
La mayoría de robots industriales cuentan con un PLC
(Programador Lógico Programable) encargado no solo de
tomar señales de posición de los links del robot, para poder
controlar los actuadores que los controlan, sino también de
recibir las señales de entrada del robot industrial y controlar
las señales de salida del mismo, con el fin de relacionar
lógicamente todos los componentes de un proceso industrial
automatizado, esto es de gran importancia, ya que no se
requiere de un sistema muy robusto de comunicación para
poder interconectar todos los componentes del proceso, lo
único que se necesita es cablear las diferentes entradas y
salidas.
Todos los robots industriales poseen además del robot, un
tablero de control, en el cual se encuentran: las diferentes
protecciones eléctricas, la electrónica (potencia y control), los
PLC y los bornes de conexión de las entradas y las salidas
entre otros, el tablero de control del AX-V6 es denominado
AX-C controller, en el se encuentra ubicado todos los
componentes antes mencionados, por su disposición mecánica
los puertos de entrada/salida, se encuentran ubicados en la
puerta, pero para poder tener acceso a ellos en necesario
apagar el equipo.
PROCEDIMIENTO PARA MANEJAR LAS SEÑALES DE
ENTRADA/SALIDA CON EL TAECH PENDANT
Es importante tener en cuenta que dentro de los diferentes
tipos de señales de entrada/salida que existen en el PLC se
encuentran dos de gran importancia (físicas y lógicas), las
físicas siempre empiezan con (X o Y) y las lógicas empiezan
con (I o O), dependiendo si son de entrada o de salida, es por
esto que en el programa que se implemente en Lader se deben
relacionaran estos dos tipos de señales, con el fin que en el
programa del AX-V6 se puedan reconocer las señales físicas a
través de las lógicas, esto quiere decir que con una entrada
física (Xxxxx) se genera una entrada lógica (Ixxxx) lógica y
con una salida lógica (Oxxxx) se genera una salida física
(Ixxxx).
Para poder mostrar cómo se manejan las señales de
entrada/salida del PLC realizaremos la simulación de un
proceso muy sencillo de interconexión de dispositivos
externos con el robot
Fig. 1. Diagrama de la simulación.
para esto utilizaremos algunos finales de carrera, que nos
simularan la posición de la pieza que el robot va a manipular y
por otra parte las señales de control de los actuadores las
simularemos con LEDs, las señales de entrada y de salida se
pueden ver en la figura 1, las de entrada son:
1. N_P = Esta le indica al robot que hay una nueva
pieza lista para desplazar hacia su área de trabajo.
2. LL_P = Esta le da la señal al robot que la pieza se
encuentra en posición y debe empezar con su rutina.
E
Lader para señales entrada/salida del AX-V6 Amir Karimi, Estudiante, U Central, y Andrés Orbegozo, Estudiante, U Central
J. Anexo: Lader para señales i/o del AXV6. Trabajo Final, Robótica Industrial, Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad Central, Bogotá 2010
3. ?_S = Esta señal depende de que si el proceso de
soldadura de puede empezar a realizar sin ningún
problema.
4. P_T = Esta señal se activa cuando la pieza la pieza ya
salió del procero y se encuentra lista para ser
transportada a otro lugar.
Y las de salida se denominaron de la siguiente forma:
1. T_P = Activa el actuador encargado de mover la
pieza y dejarla en la posición en la que el robot la
pueda manipular.
2. C_S = se encarga de dar una alarma para avisar que
empezará el proceso de soldadura.
3. F_P = Esta señal es la encargada de gobernar el
actuador que desplaza la pieza hasta el final de la
banda después de ser manipulada por el robot.
Teniendo identificadas las todas las señales de entrada/salida
involucradas en nuestro proceso, se procede a crearlas en el
AX-C controller a través del Teach pendant, para poder hacer
esto se debe seguir la siguiente secuencia:
<Constant Setting>; [6 Signals] – [7 Signal Attribute] –
[1Input Signal] o [2 Output Signal]
Dependiendo del último número se establece si es una entrada
o una salida, cuando se realizan estos pasos se pueden crear
las variables en el cuadro de se muestra en la figura 2, en esta
se pueden ver todas las posibles señales de entrada o de salida
lógicas que el controlador puede manejar, las señales que se
encuentran en gris no se pueden reescribir, ya que son
variables que el robot necesita para su funcionamiento, en el
resto de recuadros se pueden crear nuevas señales lógicas.
Fig. 2. Cuadro de declaración de señales lógicas de entrada.
Después de haber declarado todas las variables necesarias para
el proceso, se procede a diseñar el programa en Lader, para
esto se debe verificar que el Teach pendant se encuentre en
modo especialista y seguir con los siguientes pasos:
<Service Utilities>; [14 PLC Program Edit] - [Service
Utilities]-[1 PLC program edit]
Teniendo como resultado la pantalla de la figura 3, en esta se
pueden crear nuevos programas o cargar alguno de los ya
existentes, para crear un programa nuevo se debe escribir el
nombre del nuevo programa con ENABLE + EDIT en File
Name y luego f12 (Execute) para poder cargarlo.
Fig. 3. Pantalla para crear o cargar un programa de Lader
Después de crear un programa nuevo se puede ver la interfaz
de Lader que se muestra en la figura 4, en esta pantalla se
deben incluir todas las señales de entrada/salida creadas en el
paso anterior, como lo mencionamos anteriormente el
programa de Lader sirve para interconectar las señales físicas,
con las señales lógicas, en la parte inferior se muestran las
diferentes posibilidades de insertar entradas o salidas y con f6
se puede cambiar el tipo (NO, NC, Flanco, etc.).
Fig. 4. Nuevo programa de Lader en el Teach pendant.
La forma más sencilla de diseñar el programa es f1 (Change
Menu), f11 (Insert Rung) con esto se genera en ciclo cerrado
el cual se muestra en la figura 5, este puede ser editado, pero
lo único que debemos hacer es conectar lógicamente las
señales físicas con las lógicas.
J. Anexo: Lader para señales i/o del AXV6. Trabajo Final, Robótica Industrial, Facultad de Ingeniería Electrónica, Universidad Central, Bogotá 2010
Fig. 5. Ciclo cerrado generado con f11.
Para nombrar las diferentes señales se debe dar ENTER en
cada uno de los componentes y utilizar los comandos de la
parte inferior de la figura 5, las cuales se explican a
continuación:
f2: Constante booleana TRUE. (ON)
f3: Constante booleana FALSE. (OFF)
f4: Variable SINT (Ejemplo: DB010),
f5: Variable DINT (Ejemplo: D0010)
f8: Entrada Lógica (Ejemplo: I0011)
f9: Salida Lógica (Ejemplo: O0012)
f10: Entrada Física (Ejemplo: X0011)
f11: Salida Física (Ejemplo: Y0012)
f12: Variables booleanas (Ejemplo: B0013)
Cuando ya se tenga diseñado el programa en Lader, este se
deba compilar con f1 (Change Menu), f11 (Compile), si el
programa no tiene ningún error solo se deben seguir los pasos
que se indican en el Teach pendant para poder cargar el
programa en el PLC.
Fig. 6. Programa del robot con función de espera de señales de entrada.
Por último lo que se debe hacer es que en el programa del
robot es donde se deben manejar todas las señales de
entrada/salida antes creadas e implementadas en Lader, para
esto el programa cuenta con una serie de funciones encargadas
de manejar todas estas señales, las que se van a usar son las
siguientes:
1. FN 525 = Espera una señal de entrada, con esta
función el robot se queda quieto hasta que reciba una
señal de entrada.
2. FN 32 = Esta función activa una señal de salida.
3. FN 34 = Con esta se apaga una señal de salida.
Con estas funciones se diseña un programa para el robot que:
1. Ubique al robot en una posición inicial en donde
no de colisiona con la pieza.
2. Espere a N_P quien le indica que existe una nueva
pieza lista para que ingrese al proceso.
3. Active a T_P para mover la pieza al área de
trabajo del robot.
4. Espere a LL_P para poder empezar a realizar la
rutina.
5. Apague T_P para restablecerla.
6. Empiece con su rutina.
7. Antes de comenzar a soldar que active a
8. Cuando la termine que active C_S para indicar
que se iniciara el proceso de soldadura.
9. Espere a ?_S señal que se encarga de verificar que
el proceso de soldadura se puede realizar.
10. Terminar con el reto de instrucciones de
soldadura.
11. Activar a F_P parta desplazar la pieza ya
manipulada al final del proceso.
12. Esperar a P_T quien le indica que la pieza ya está
ubicada al final del proceso.
13. Apagar F_P para detener el movimiento de la
pieza terminada.
En este programa no están contemplados los actuadores
encargados de retirar las piezas terminadas ni tampoco los que
se encargan de alimentar al proceso con nuevas piezas,
tampoco se implemento el hecho de introducir el programa en
una secuencia mientras, para que este se repita dependiendo de
una condición de parada o de inicio.