Para esto se realizó un estudio de fuerza con ayuda de la herramienta de simulación avanzada del programa NX de Siemens®, en donde se toman piezas individuales seleccionando como material plástico de prueba el Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS por sus siglas en inglés), ya que si se quisiera prototipar en la impresora 3D que existe en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica se usaría este tipo de material; además los resultados de la simulación fueron tomados del Software de acuerdo a las variables de entrada, que son fuerza, dimensiones del tarro y masa, valores que ya se tienen.
Se escogieron dos pinzas, a las que se le realizaron la simulación puesto que cumplían en mayor parte con los requerimientos necesarios, una de estas (gripper2) está dada por un accionamiento neumático, con desplazamiento angular que tiene un uso para superficies lisas o poco porosas como nuestros contenedores, que están fabricados de material plástico, es de tipo angular puesto que permite mover los “dedos” de una manera radial de manera que estos rotan alrededor de un punto de giro, teniendo en cuenta que para que funcione de la mejor manera el gripper debe sujetar el contenedor por su centro de gravedad cerca a éste para que se anulen los momentos que se pudieran generar por el peso del contenedor.
Para el accionamiento los actuadores tienen como misión generar el movimiento de los elementos del robot según las órdenes dadas por la unidad de control, en el caso de los accionamientos neumáticos la fuente de energía es aire a presión entre 5 bar y 10 bar, en el caso de los motores neumáticos que usamos como accionamiento del primer gripper se consigue el movimiento de rotación de un eje mediante aire a
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presión además de que se pueden usar en manipuladores sencillos, en apertura y cierre de pinzas o en determinadas articulaciones de algún robot, como el movimiento vertical del tercer grado de libertad de algunos robots tipo SCARA (acrónimo que responde por sus siglas en inglés a Selective Compliant Articulated Robot Arm); así mismo en la pinza se situaron sensores para detectar el estado de la misma (abierto o cerrado) es por esto que se incorporaron a la pinza otro tipo de sensores directamente dados por la plataforma de diseñador de conceptos mecatrónicos de NX de Siemens® para controlar el estado de la pieza, sistemas de visión que incorporen datos geométricos de los objetos, detectores de proximidad y sensores fuerza.
Por otro lado, para el gripper 1 pinza se tomó un accionamiento eléctrico con desplazamiento lineal - paralelo de apertura y cierre de sus “dedos” en paralelo al contenedor, es el modelo más sencillo y permite compensar variaciones dimensionales, también se tuvo en cuenta que para que funcione de la mejor manera el gripper debe sujetar el contenedor cerca de su centro de gravedad; para que se anulen los momentos que se pudieran generar por el peso del contenedor. El actuador que se usó en este caso es el motor paso a paso de imán permanente, son los más usados en robótica, ya que tienen buenas características técnicas, especialmente en lo relativo a su control por los posicionamientos precisos. La característica principal de estos motores es el hecho de poder moverlos un paso por cada pulso que se le aplique. Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8° e incluso hasta de 0.72º, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y 200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°; de la misma forma en la pinza se situaron sensores para detectar el estado de la misma (abierto o cerrado) es por esto que se incorporaron a la pinza otro tipo de sensores directamente dados por la plataforma de diseñador de conceptos mecatrónicos de NX de Siemens® para controlar el estado de la pieza, sistemas de visión que incorporen datos geométricos de los objetos, detectores de proximidad y sensores fuerza.
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De acuerdo con los parámetros de entrada que se introducen en el programa como la magnitud de la fuerza, el tipo de malla, el material y las restricciones, este nos arroja los resultados que se presentan en las figuras 36, 37 y 39. Fueron los efectos que se obtuvieron al realizar la simulación avanzada del gripper 1 donde se puede evidenciar el comportamiento del material y la conducta de las pinzas de acuerdo con la dirección de la fuerza que se ejerce, además de la gráfica de las mismas.
FIGURA 36. Análisis de carga del gripper
Fuente: elaboración propia.
En la figura 36 se puede apreciar el análisis de la estructura de forma global usando una malla con intervalos de puntos de estudio amplios para obtener los resultados de desplazamientos y tensiones típicos de cualquier análisis estructural, la evaluación de tensiones debe realizarse con el modelo existente, pero al crear una malla muy refinada de la estructura completa pueda resultar muy “cara” y costosa en términos
de prestaciones, excesivo tamaño del modelo y requisitos de hardware (memoria RAM) elevados, especialmente en análisis no lineal.
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FIGURA 37. Análisis de comportamiento de acuerdo al exceso de carga del gripper 1.
Fuente: elaboración propia.
En la figura 37 se puede evidenciar que la pieza presentó concentración de tensiones máximas en el cambio de sección de la pieza, donde además existe un radio de acuerdo de valor muy pequeño, además que se observa que la máxima tensión nodal de Von Mises en el modelo global es de 4.58 MPa, que se genera a partir de: tipo de carga, magnitud de fuerza aplicada, y material, que para este caso de estudio se le asignó el ABS, el cual cuenta con propiedades de módulo de elasticidad a la tracción de 2030 MPa y esfuerzo de tracción a la deformación de 43.6 MPa como se muestra en la figura 38 de propiedades mecánicas de el ABS, comparando se puede demostrar que no sobre pasa el límite de esfuerzo del material.
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FIGURA 38. Tabla de propiedades mecánicas del ABS.
Fuente: Tomado de
https://ultimaker.com/download/67619/TDS%20ABS%20v3.011-spa-ES.pdf. En la figura 39 se muestra la gráfica de tensión de membrana, flexión y pico de distribución de tensiones 3-D, a partir de los resultados de un modelo de elementos finitos mallado teniendo en cuenta elementos sólidos, donde se puede observar el comportamiento del material de acuerdo a los nodos del enmallado.
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FIGURA 39. Gráfica del comportamiento del análisis de carga del gripper 1
Fuente: elaboración propia.
De la misma manera al hacer el análisis de simulación de acuerdo con los parámetros de entrada que se introducen en el programa como la magnitud de la fuerza, el tipo de malla, el material y la restricciones, este arroja los resultados que se presentan a continuación en las figuras 40 y 41, fueron los efectos que se obtuvieron al realizar la simulación avanzada del gripper 2 donde se puede evidenciar el comportamiento del material y la conducta de las pinzas de acuerdo con la dirección de la fuerza que se ejerce, además de la gráfica de las mismas.
74 FIGURA 40. Análisis de fuerza pinza gripper 2
Fuente: elaboración propia.
FIGURA 41. Gráfica de análisis de fuerza de la pinza gripper 2
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Por otro lado, con ayuda del navegador de simulación que se presentó se muestran las
relaciones de archivos y los datos de análisis en su modelo CAE como un árbol gráfico, interactivo y jerárquico, puesto que desde el navegador ser de simulación, se pudo revisar la estructura, el contenido y el estado del análisis y se crearon archivos de análisis, mallas, condiciones de contorno.
6.2 Evaluación de las características de cada diseño con ayuda de la