la palabra “robot” -...

Dept. Ingeniería Mecánica y Fabricación. E.T.S.I.I. de Madrid

La palabra “Robot”

• Del Checo Robota• Se introduce en lengua inglesa en 1921 con el drama

satírico “Rossum Universal Robots” del checo Karel Capek

• “Metrópolis”.1926


Definición de robot industrial

• Diccionario American Heritageº <<A mechanical device that sometimes resembles a human being

and is capable of performing a variety of often complex human tasks on command or by being programmed in advance>>

º “Dispositivo mecánico a veces con aspecto humano capaz de efectuar tareas complejas asignadas a los seres humanos bajo ordenes o previamente programado”

• ROBOT INSTITUTE OF AMERICAº “REPROGRAMABLE MULTIFUNCTIONAL MANIPULATOR”


Breve Historia (I)

• Manipuladores mecánicos de control remoto (maestro-esclavo) para manejo de materiales radioactivos en Argonne National Laboratories en los años 40

• Maestro-esclavo con realimentación de fuerza• En los 50 se sustituyo el accionamiento mecánico

por accionamiento eléctrico o hidráulico


Breve Historia (II)

• A mediados de los 50 se hace el primer desarrollo de manipulador programable

• El Unimation Inc. de 1959• En los sesenta empieza la preocupación por la

realimentación sensorial• 1962 mano mecánica con sensores táctiles• Pieper 1968 estudió el problema cinemático

controlado por computadora• Kahn y Roth analizan en 1971 la dinámica y control

de un brazo restringido.


Breve Historia (III)

• En 1968 Kawasaki negocia una licencia con Unimation

• En el 1969 se desarrollan el manipulador Stanford y el Boston en los que ya comienzan estudios sobre aplicaciones de manipulación

• En los 70 se produce un enorme esfuerzo de investigación en el empleo de sensores externos para operaciones manipulativas, y se desarrollan los primeros controles basados en realimentación por visión y por fuerza


La Robótica hoy

• A partir de la década de los 80 se produce una gran apertura del ámbito de influencia de la robótica

• Se comienzan a tratar como investigación y desarrollo gran número de áreas interdisciplinarias

• Cinemática, dinámica, planificación de sistemas, control, sensores, lenguajes de programación e inteligencia artificial


Parque de Robots. AER

AÑOS Nº de unidades Total acumulado % TOTAL REALhistorico > *

1994 542 4.516 13,6 3.9741995 830 5.346 18,4 4.5161996 1.133 6.479 21,2 4.9131997 1.203 7.682 18,6 5.9541998 1.810 9.492 23,6 6.9941999 2.112 11.604 22,3 8.6332000 2.941 14.545 25,3 10.4732001 3.584 18.129 24,6 16.3782002 2.420 20.549 14,8 18.3522003 2.031 22.580 11,1 19.8472004 2.826 25.406 14,2 22.2122005 2.599 28.005 11,7 24.031

EVOLUCION DEL PARQUE DE ROBOTS EN ESPAÑA

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

Nº de unidades

TOTAL REAL


Parque de automoción

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

No Auto Auto


Distribución por aplicaciones

Manipulación26%

Soldadura53%

Mecanización8%

Formacióninvestigación

2%Materiales

4%Otros1%

MediciónInspección

1%

Montaje4% Otros Procesos

1%


Distribución por sectores

Automoción59%Metal, maquinaria

y equipo eléctrico23%

Sin sector5%

Otros10%

Educación e Investigación

3%


Censo mundial


Relación Robots/10K operarios


Agentes del mercado

º Fabricantes

º Fabricantes de componentes

º Integradores

º Mantenimiento

º Reconstrucción


Elementos básicos.Control

• Memoria de almacenamiento de datos

• Soporte físico de la lógica de control (Hardware)

• Logica de control (Software)


Elem. Básicos. Manipulador

• Brazo mecánico• Accionamientos• Decodificadores


Elem. Básicos. Herramienta

• Extremo activo o pasivo del manipulador


Perirrobótica


Coste Robot/Periferia

Campo de aplicación Valor robot/periferia Soldadura 50%

Pintura 75%

Manipulación 65%

Mecanizado 45%

Montaje Menos de 40%


Características de un robot

• Número de ejes• Capacidad de carga• Rango de cada eje• Campo de trabajo• Repetibilidad• Velocidad de los ejes• Velocidad combinada• Diagrama de cargas• Número de E/S• Control• Programación


Grados de libertad

• Número de parámetros para determinar la posición

• Movimientos básicos independientes

• Asociados a articulaciones, rotaciones

• Asociados a guías rectas, traslaciones

C

B

A

D

EF


Zona de trabajo

• Áreas de trabajo• Dimensiones de los

elementos• Grados de libertad• Volumen de trabajo• Limites de giro y

desplazamiento


Capacidad de carga

• Carga máxima a la que se puede someter el extremo del manipulador

• Ejemplo. Peso que puede mover la pinza

• Dato del fabricante• Soldadura y mecanizado

hasta 50 daN


Precisión de repetibilidad

• Grado de exactitud en la repetición de movimientos de un manipulador al efectuar una tarea programada

• Montaje < 0.1 mm• Soldadura, pintura y paletización 1-3 mm• Mecanizado < 1 mm


Velocidad

• Velocidad de desplazamiento del maniulador• Velocidad máxima de control• Velocidad máxima del manipulador• Aumento de velocidad = Mejora rendimiento• Manipulación• Montaje o mecanizado


Coordenadas de movimientos

• Parámetros conocidos para definir la posición y orientación del elemento terminal

• Estructuras clásicas


Coordenadas robot

• Coordenadas referidas a cada una de las articulaciones del robot

• Normalmente se expresan en pasos de decodificador

• Las referencias se realizan de diferentes formas y por lo general son tomadas al inicio de la sesión

• Coordenadas máquina o físicas


Coordenadas Cartesianas

• Coordenadas respecto un triedro trirectángulo en la base del Robot

• Se expresan en dimensiones geométricas lineales o angulares

• Las referencias las fija el fabricante aunque existe un intento de normalización

• Coordenadas rectangulares


Tipos de actuadores

• Dependen de la energía puesta en juego• Actuadores hidraúlicos. Gran capacidad de carga• Actuadores neumáticos. Velocidad de respuesta y

bajo coste• Actuadores eléctricos. Gama media y baja de

potencia


Programabilidad

• Se debe a la introducción de un control basado en microprocesadores

• Formas de programación:º Programación por aprendizajeº Programación textualº Programación por macrosº Programación gráfica 3Dº Programación automática


Capacidades del control

• Las aplicaciones pueden imponer necesidades adicionales en el control del robot

• Capacidad de conexión Analógica/digitalº Sensores analógicos o digitalesº Maquinas del entornoº Autómatas del entornoº Sistemas de visiónº Otros equipos del entorno


Diseño de robots

• Problemas básicos. Cinemático y dinámico• Tecnología de elementos• Consideraciones generales• Consideraciones económicas


El problema básico

• “ Colocar una pinza o herramienta del extremo de un manipulador de n grados de libertad en una determinada posición y orientación del espacio ”

• ¿ Tipo de problema ?


El problema básico (II)

• “ Aplicar fuerzas y momentos en los accionamientos, para mover el manipulador hasta la posición buscada manteniendo la estabilidad del sistema “

• ¿ Tipo de problema ?


Tecnología de elementos

• Tipos de motores en los accionamientos• Tipos de reductores y decodificadores• Sistemas de control. Hardware y software• Lenguaje de programación• Sensores empleados• Procesado de imagenes


Antes de robotizar

• Estudio detallado del proceso. Adecuación y oportunidad

• Experiencia y visión global sobre campo de aplicaciones

• Conocimientos sobre como efectuarlas y llevar a cabo su explotación


Estudio y evaluación

• Mejoras de condiciones de trabajo aumentando seguridad y eliminando riesgos para aumentar la productividad

• Norma de seguridad. UNE-EN 775 (ISO 10218)• ¿ Robots con máquinas convencionales ?• “ Gran error de servicios de tiempos y métodos es

considerar sólo tiempos máquina “º Preparaciónº Inter-operaciónº Manipulación


Aplicaciones industriales

• Procesos industriales robotizados• Automatización de procesos discontinuos en grandes

series. Líneas Transfer• Automatización de producción de series pequeñas

con gamas variables• División de procesos robotizados

º Procesadoº Manipulación


Aplicaciones. Procesado

• Soldaduraº Por puntosº Arcoº Oxiacetilénica

• Tratamiento de superficiesº Pinturaº Adhesivos

• Mecanizadoº Taladradoº Desbarbadoº Rectificadoº Pulido


Pintura


Mecanizado


Aplicaciones. Manipulación

• Montaje• Carga y descarga• Transporte• Paletización• Embalaje


Carga y descarga


Aplicaciones. Soldadura

• 50% del parque de robots instalados• Desde 1962• Por puntos y por arco• Por puntos 3 de cada 5 robots. Automoción• Calidad y uniformidad superior al hombre• 6 grados de libertad y gran capacidad de carga• Control continuo de posición y velocidad así como

ángulo de ataque y tensión de alimentación del arco


Coste soldadura robotizada

Robot55%

Instalación15%

Herramienta y accesorios

30%


Aplicaciones. Paletización (I)

• Colocación de productos elaborados sobre plataformas normalizadas

• Reducir costes, optimizando el llenado de cajas según diferentes orientaciones

• Optimización del transporte y gestión de almacenes• Computador de gestión, carretillas de transporte

dirigidas y robots de carga


Aplicaciones. Paletización (II)

• La utilización de robot-ordenador permite:º Llenado parcial de plataformasº Llenado con productos diferentesº Equilibrio uniforme durante el transporteº Galibo determinadoº Permite conocer al usuario como está la plataforma, donde está y

como se ha orientado la carga

• Ladrillos refractariosº Hasta 36 Kg. Endurecen fuera del hornoº El manejo es delicado y complicado debido a las altas

temperaturasº Empleo de robot con elemento terminal específicamente diseñado


Aplicaciones. Desbarbado

• Piezas de forja, moldeado, mecanizado y otros procesos de fabricación

• Desagradable y peligroso además de depender de las irregularidades que no son uniformes

• Adaptación del elemento terminal y movimiento para cada pieza en particular

• Sensores de fuerza u ópticos• Implica restricciónes sobre el tipo de piezas• En moldeo de plástico y calzado tan importante como

el robot son herramienta y sensores


Aplicaciones. Desbarbado

Robot45%

Instalación20%

Elemento terminal y otros

35%


Beneficios del empleo de robots

• Incremento de la productividad• Mejora de la calidad del producto• Liberación de tareas penosas y reiterativas• Adaptabilidad a funciones distintas• Flexibilidad en ciertas aplicaciones


Incremento de la productividad

• Mejoras del 10% al 70%• Sin caídas de producción 2 o 3 turnos• Rendimiento del 98%. Mejor aprovechamiento del

capital invertido• Permiten sacar el máximo provecho de las máquinas

a las que asisten


Mejora de la calidad

• Una vez programado para una tarea el robot puede realizarla de forma continua y homogénea

• Menos rechazos para reprocesos o inservibles• Mejoras del control de calidad por encima del 70%• Calidad uniforme y suficiente siempre que la

precisión de posicionamiento lo permita


Adaptabilidad y Flexibilidad

• Al contrario que la automatización “Hard” que requiere enormes modificaciones ante cambios del producto, el robot puede ser fácilmente reprogramado y reasignado a muchas y variadas tareas

• Una pinza o herramienta puede ser cambiada rápida y fácilmente

• La capacidad de cambiar de trabajo (flexibilidad) sólo se pone de manifiesto en algunas aplicaciones

• La soldadura es una de las aplicaciones de la robótica con más flexibilidad


Precisión de posicionamiento

• Los robots se mueven rápido pero la precisión de posicionamiento es inferior a la de las MHCN

• Repetibilidades de 0.1 mm son alcanzables en algunas aplicaciones e incluso un robot cartesiano puede alcanzar precisiones de 0.01 mm. De 10 a 100 veces el orden de precisión en una MHCN

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