Diseño de un efector final de ventosa por vacío

Instituto Politécnico Nacional

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RADO DE

MAESTRO EN CIENCIAS

CON ESPECIALIDAD EN

INGENIERÍA MECÁNICA

DIRIGIDA POR: M. EN C. CANDIDO PALACIOS MONTUFAR P R E S E N T A :

JAVIER RAMÍREZ GORDILLO

DEDICATORIAS

A MIS PADRES:

Los seres más maravillosos de mi existencia, brindándome incondicionalmente su amor, cariño y confianza, compartiendo conmigo cada momento de tristeza, fracaso y éxito, enseñándome vivir los bellos instantes de esta corta vida sin remordimiento alguno y a salir adelante con él trabaja honesto, agradeciéndoles infinitamente lo que soy, siempre los llevare en mi corazón.

A MIS HERMANOS:

Las personas mas lindas, por haber soportado durante toda su vida mi carácter, compartiendo su infancia, amistad y cariño conmigo, apoyándome en esos momentos difíciles de mi vida y expresarles sinceramente que los quiero machísimo, Yessenia, Oscar, David y mi “gordita” Brenda.

A MIS AMIGOS:

Por ese apoyo incondicional en todo momento de mis amigos de siempre Tona, Change, Tania, Rosa y Héctor.

AGRADECIMIENTOS

A DIOS:

Por darme día a día la fortaleza para vivir con sentido, compartiendo el conocimiento, la convivencia y la confianza de las personas que me rodean, para vencer los obstáculos y tomar los retos que se presentan a futuro.

A MI DIRECTOR DE TESIS

A MIS PROFESORES DE LA S.E.P.I.

A LA E.S.IM.E.

DISEÑO DE UN EFECTOR

FINAL DE VENTOSA POR

Tabla de Contenido

TABLA DE CONTENIDO... i

ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS... v

SIMBOLGÍA... x

RESUMEN... xii

ABSTRACT... xii

OBJETIVO...xiii

JUSTIFICACIÓN...xiii

INTRODUCCIÓN... xiv

1. ESTADO DEL ARTE 1.1. Antecedentes Generales...2

1.1.1. Automatización y Robótica ...2

1.1.2. La Robótica en la ciencia-ficción ...5

1.1.3. Desarrollos Históricos de la Robótica...6

1.1.3.1. Cronología de Desarrollos Iniciadores y Propulsores de la Robótica ...8

1.1.4. El Mercado de la Robótica y las Perspectivas Futuras...10

1.2. Configuraciones Clásicas de Robots ...11

1.3. Efector Final (End-Of-Arm Tool)...13

1.3.1. Clasificación de los Grippers ...14

1.3.2. Interfase del Gripper para Manufactura Flexible ...15

1.3.3. Consideraciones en el Diseño de un EOAT ...16

1.3.4. Criterios Típicos de Diseño ...18

1.3.5. Criterios Avanzados ...19

1.3.6. Configuraciones de Grippers ...20

1.3.7. Gripper de Vacío ...21

1.4. Trabajos Recientes ...22

1.5. Planteamiento del Problema ...26

1.6. Referencias ...27

2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS 2.1. Cinemática de Manipuladores Robóticos ...30

2.1.2. Rotaciones en un Sistema de Coordenadas ...30

2.1.3. Propiedades de Matrices...32

2.1.4. Cambio de Coordenadas...33

2.1.5. Matrices de Transformación Homogénea...34

2.1.6. Cadenas Cinemáticas ...37

2.2. Cinemática Directa ...38

2.2.1. Convención Denavit-Hartenberg ...38

2.3. Cinemática Inversa ...42

2.3.1. Posicionamiento por el Método Geométrico para tres Grados de Libertad ...43

2.3.2. Desacoplo Cinemático...44

2.3.3. Método Iterativo...44

2.4. Cinemática de Velocidad y Aceleración ...47

2.4.1. Cinemática de Velocidad...47

2.4.2. Cinemática de Aceleración...47

2.4.3 Singularidades...47

2.4.3.1. Singularidades del Brazo ...47

2.4.3.2. Singularidad en la Muñeca...48

2.5. Dinámica de Manipuladores Robóticos ...49

2.5.1. Ecuaciones de Lagrange-Euler ...49

2.5.2. Ecuaciones de Newton-Euler ...50

2.6. Dinámica directa e inversa ...50

2.6.1. Formulación Básica ...53

2.6.2. Formulación de Lagrange-Euler ...54

2.7. Dinámica de Lagrange de Manipuladores Robóticos ...55

2.8. Tecnología de Vacío ...60

2.8.1. ¿Qué es el Vacío?...60

2.8.2. ¿Cómo se Crea el Vacío? ...61

2.8.3. Requerimiento del Aire Comprimido...62

2.8.4. Principio de Operación del Generador de Vacío ...62

2.8.5. Selección de la Ventosa de Succión ...63

2.8.5.1. Características de la Pieza de Trabajo ...63

2.8.5.2. Condiciones del Sistema ...64

2.8.5.3. Determinación de Nivel de Vacío, Selección de la Ventosa, Material y Forma...66

2.8.5.4. Selección del Conducto ...68

2.9. Consideraciones de Diseño del Sistema de Vacío...68

2.9.1. Sistema Centralizado ...69

2.9.2. Sistema Descentralizado...69

2.9.3. Requisitos del Sistema ...70

2.9.4. Ecuación General de Vacío...70

2.10. Sumario ...71

3. METODOLOGÍA QFD PARA EL DISEÑO DE UN EFECTOR FINAL DE VENTOSA POR VACÍO

3.1. Concepto del QFD ...75

3.2. Proceso del QFD...75

3.3. Bondades del QFD...78

3.4. Información del Cliente...79

3.4.1. Información Solicitada ...80

3.4.2. Información no Solicitada ...80

3.4.3. Información Estructurada ...80

3.4.4. Información Cualitativa ...81

3.4.5. Información Aleatoria...81

3.4.6. Información Cuantitativa...81

3.5. Herramientas Auxiliares del QFD...81

3.5.1. Diagrama de Afinidad ...82

3.5.2. Diagrama de Interrelaciones o Dígrafo...82

3.5.3. Diagrama de Árbol...82

3.5.4. Diagrama de Matriz ...83

3.6. Metodología para el Diseño Conceptual ...83

3.6.1. Clarificación de los Requerimientos del Cliente ...84

3.6.2. Definición del Modelo Funcional...84

3.6.3. Generación de Conceptos...84

3.6.3.1. La Tormenta de Ideas...84

3.6.3.2. La Sinéctica ...85

3.7. Evaluación de Conceptos...85

3.7.1. Evaluación con Base en la Factibilidad del Concepto ...86

3.7.2. Evaluación con Base en la Disponibilidad Tecnológica...86

3.7.3. Evaluación con Base en los Requerimientos del Cliente...86

3.7.4. Evaluación con Base en Matrices de Decisión...87

3.8. Metodología para el Diseño de Detalle ...87

3.8.1. El modelo de Manufactura...88

3.8.1. El Modelo Geométrico ...88

3.8.3. Restricciones ...88

3.9. Metodología para el Diseño en Conjunto ...89

3.10. Metodología QFD (Aplicación sobre el diseño) ...90

3.10.1. Identificación del Cliente...90

3.10.2. Determinación de los Requerimientos y Expectativas del Cliente ...91

3.10.3. Clasificación de los Requerimientos...93

3.10.4. Importancia Relativa de los Requerimientos de Calidad ...96

3.10.5. Estudio Comparativo a Productos de la Competencia ...97

3.10.7. Plan de Calidad ...104

3.10.7.1. Relación de Mejora, Argumento de Venta e Importancia Absoluta...105

3.10.8. Objetivos de diseño ...106

3.11. Sumario...107

3.12. Referencias ...108

4. METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO CONCEPTUAL 4.1. Diseño Conceptual ...110

4.1.1. Clarificación del Problema...110

4.1.2. Función Global de Servicio del Producto...110

4.1.3. Límites del Producto...111

4.1.4. Funciones de Servicio ...112

4.2. Definición del Modelo Funcional ...114

4.2.1. Análisis Funcional Descendente (Modelo Funcional) ...115

4.2.1.1. Primer Nivel de Descomposición Funcional ...115

4.2.1.2. Segundo Nivel de Descomposición Funcional ...116

4.2.1.3. Tercer Nivel de Descomposición Funcional para la Distribución de la Fuente Neumática (señal de accionamiento de la válvula) ...117

4.2.1.4. Tercer Nivel de Descomposición Funcional para el Efector Final de Ventosa por Succión ...118

4.2.1.5. Tercer Nivel de Descomposición Funcional para el Intercambiador de Herramientas ...120

4.3. Generación de Conceptos...123

4.3.1. Generación de Conceptos para la Distribución de la Fuente ...124

4.3.2. Generación de Conceptos para el Efector Final de Ventosa por Succión ...125

4.3.3. Generación de conceptos para el intercambiador de ...129

4.4. Evaluación de Conceptos...132

4.4.1. Evaluación Fundamentada en la Factibilidad del Concepto ...132

4.4.2. Evaluación Con Base en la Disponibilidad Tecnológica ...133

4.4.3. Evaluación Fundamentada en los Requerimientos del Cliente ...134

4.4.4. Evaluación Fundamentada en Matrices de Decisión...140

4.5. Modelo Funcional...149

4.6. Sumario...152

5. METODOLOGÍA PARA EL DISEÑO DE DETALLE 5.1. Memoria de Cálculos...154

5.1.1. Cálculo de la Fuerza de Levantamiento ...154

5.1.2. Cálculo del Diámetro de la Ventosa ...155

5.1.3. Cálculo de la Presión Requerida ...156

5.1.4. Selección de Elementos ...161

5.1.4.2. Selección del Filtro...162

5.1.4.3. Selección del Generador de Vacío ...162

5.1.4.4. Selección de la Válvula. ...166

5.1.4.5. Selección del Acumulador de Aire Comprimido ...167

5.1.4.6. Acondicionamiento del Aire a Presión ...167

5.1.5. Cálculo de los Componentes del Efector Final...168

5.1.5.1. Selección del Cilindro...168

5.1.5.2. Cálculo de la Masa de los Elementos del Efector Final ...168

5.1.6. Diagramas del Sistema Neumático ...172

5.2. Sumario...174

6. ANÁLISIS DE RESULTADOS 6.1. Efector Final de Ventosa por Vacío...176

6.2. Análsis cinemático y dinámico de manipuladores robóticos de revolución. ...179

6.2.1. Cinemática ...179

6.2.1.1. Cinemática directa ...180

6.2.1.2. Cinemática inversa...182

6.2.2. Cinemática de velocidad y aceleración ...185

6.2.3. Dinamica de manipuladores ...188

6.2.4. Generación de trayectorias ...189

6.3. Manipulador robótico de 5 grados de libertad ...192

CONCLUSIONES ...200

ANEXO A ANEXO B ANEXO C ANEXO D ÍNDICE DE TABLAS Y FIGURAS Figura 1.1. Revistas del 2000, publicaciones sobre la robótica, automatización y materiales para efectores finales (roboticsworld & SAS-Automation) [21,22,23]. ...5

Figura 1.2. Robots Mitsubishi, series micro-RP, Vertical RV , SCARA RH y ABB-IRB-140 [20]. ...10

Figura 1.3. a) Configuración cartesiano, b) Cilíndrico, c) Esférico o polar. ...11

Figura 1.3. d) Revolución y e) SCARA...12

Figura 1.4. Configuración de un robot paralelo con pares cinemáticos de revolución y prismáticos...12

Figura 1.6. Herramientas como Efectores finales de un robot [18]. ...14

Figura 1.7. Dispositivo RCC para el efector final o gripper, ayuda al amortiguamiento durante la colisión en ensambles de partes [16]. ...17

Figura 1.8. Grippers de herramientas [18]. ...19

Figura 1.9. Gripper de tenazas angulares y paralelos...20

Figura 1.10a. Aplicaciones de ventosas de succión por vació [15]. ...21

Figura 1.10b. Aplicaciones de ventosas de succión por vació [14]. ...21

Figura 2.1. Sistema de Coordenadas Móvil Respecto a un Marco de Referencia Fijo [3]. ...31

Figura 2.2 (a) Rotación alrededor del eje X, ∝ grados; (b) Rotación alrededor del eje Y, ϕ grados; (c) Rotación alrededor del eje Z, θ grados...32

Figura 2.3. Matriz de Transformación Homogénea. ...34

Figura 2.4 - Matrices Básicas de Rotación Homogénea. ...35

Figura 2.5. Matriz de Traslación Homogénea Básica...36

Figura 2.6. Obtención de la Matriz de Rotación Resultante. ...36

Figura 2.7. Sistema de Coordenada Móvil Respecto al Sistema de Coordenadas Fijo, Convención D-H. ...39

Figura 2.8a. Solución a la Cinemática Inversa por el Método Geométrico...43

Figura 2.8b. Solución a la Cinemática Inversa por el Método Geométrico...43

Figura 2.9a. Solución a la Cinemática Inversa por el Método de Desacoplo Cinemático. ...44

Figura 2.9b. Solución a la Cinemática Inversa por el Método de Desacoplo Cinemático. ...44

Figura 2.10. solución a la cinemática directa e inversa a partir de los parámetros D-H...46

Figura 2.11. Punto Centro de Masa en el Sistema de Coordenadas de la Articulación. ...56

Figura 2.12. Esquema del Principio de un Tubo Venturi [34]. ...63

Figura 2.13. Levantamiento Vertical y Pieza Horizontal. ...65

Figura 2.14. Levantamiento Vertical y Pieza Vertical. ...65

Figura 2.15. Fuerza de Aceleración. ...66

Figura 2.16. Estabilidad en el Centro de Gravedad. ...66

Figura 2.17. Sistema Centralizado. ...69

Figura 2.18. Sistema Descentralizado. ...69

Figura 2.19. Grafica de Respuesta en un Sistema de Vacío. ...70

Figura 3.1. Configuración Básica QFD, “la Casa de la Calidad”. ...76

Figura 3.2. Proceso de Calidad QFD para el Desarrollo. ...78

Figura 3.3. Bondades del QFD en su Aplicación...78

Figura 3.4. Técnicas para la Obtención de Información...80

Figura 3.5. Herramientas del QFD. ...82

Figura 3.6. Metodología para el Diseño Conceptual. ...83

Figura 3.7. Pasos para la Evaluación de Conceptos de Diseño...85

Figura 3.8. Estructura de la Metodología para el Diseño de Detalle. ...87

Figura 3.9. Estructura de la Metodología para el Diseño de Conjunto. ...89

Figura. 4.1. Diagrama funcional de mayor nivel en el sistema. . ...110

Figura 4.2. Límite y entorno del sistema.. ...111

Figura 4.3. Función de admisión de aire comprimido. ...112

Figura 4.5. Función de trabajo mecánico. . ...113

Figura 4.6. Función de resistencia a la corrosión. ...113

Figura 4.7. Función de fácil instalación. . ...113

Figura 4.8. Función de caber en espacio disponible. . ...113

Figura 4.9. Función de servicio. . ...114

Figura 4.10. Correlación entre el entorno del sistema y el límite. ...114

Figura 4.11. Diagrama funcional de mayor nivel para el producto. . ...115

Figura 4.12. Primer nivel de descomposición funcional. . ...115

Figura 4.13. Segundo nivel de descomposición funcional para la distribución de la fuente neumática (señal de accionamiento de la válvula). . ...116

Figura 4.14. Segundo nivel de descomposición funcional para el efector final de ventosa por succión. . ...116

Figura 4.15. Segundo nivel de descomposición funcional para el intercambiador de herramientas. ...117

Figura 4.16. Tercer nivel de descomposición funcional “Admisión de aire a presión” ...117

Figura 4.17. Tercer nivel de descomposición funcional “Admisión de aire a presión”. ...118

Figura 4.18. Tercer nivel de descomposición funcional “Convertir el aire a presión en presión de vacío”. . ...118

Figura 4.19. Tercer nivel de descomposición funcional “Presión de vacío” . ...118

Figura 4.20. Tercer nivel de descomposición funcional “Ajuste de la presión de vacío”. . ...119

Figura 4.21. Tercer nivel de descomposición funcional. “Retención de las partículas sólidas” . ...110

Figura 4.22. Tercer nivel de descomposición funcional “Ventosas de succión”. . ...119

Figura 4.23. Tercer nivel de descomposición funcional “Fuerza de succión”. . ...120

Figura 4.24. Tercer nivel de descomposición funcional “Expulsar el aire a presión con velocidad supersónica” y “Silenciador” . ...120

Figura 4.25. Tercer nivel de descomposición funcional “Admisión de aire a presión”. ...120

Figura 4.26. Tercer nivel de descomposición funcional “Convertir el aire a presión en movimiento rectilíneo”. ....121

Figura 4.27. Tercer nivel de descomposición funcional “Limitar y guiar el movimiento rectilíneo”. . ...121

Figura 4.28. Tercer nivel de descomposición funcional “Transmitir el movimiento”. . ...121

Figura 4.29. Matriz de Conceptos. ...135

Figura 4.30. Matriz de Combinaciones, Variantes y Conceptos...137

Figura 4.31. Matriz de Combinaciones Variantes y Conceptos...138

Figura 5.1. Gráfica Tiempo de Evacuación. ...163

Figura 5.2. Gráfica Consumo de Aire...164

Figura 5.3.Gráfica Eficiencia de Operación...165

Figura 5.4.Gráfica Nivel de Ruido. ...165

Figura 5.5. Gráfica, Característica Principal del VADMI-45. ...166

Figura 5.6. Elementos diseñados del intercambiador y porta herramientas...169

Figura 5.7. Cálculo de Volumen para los Elementos diseñados. ...169

Figura 5.8. Resultado del Cálculo de Volumen para el Elemento Adaptador al Plato...170

Figura 5.9. Resultado del Cálculo de Volumen para los Elementos Tapa, Cuñas y Caja del Intercambiador. ...170

Figura 5.10. Resultado del Cálculo de Volumen para el Elemento Portaherramientas...170

Figura 5.11. Diagrama neumático del sistema general en reposo. ...172

Figura 5.12. Diagrama neumático. Intercambiador de herramientas en operación...172

Figura 5.13. Diagrama neumático. Generador de vacío en operación de eyección...173

Figura 6.1. Efector Final de Ventosa por Vacío...177

Figura 6.2. Casa de la Calidad...178

Figura 6.3. Corrida en Matlab. Solución numérica cinemática directa. ...180

Figura 6.4. Corrida en Matlab. Datos simbólicos...181

Figura 6.5. Corrida en Matlab. Solución simbólica cinemática directa. ...181

Figura 6.6. Corrida en Matlab. Solución simbólica, Matriz TH, M y ecuaciones de diseño. ...181

Figura 6.7. Aproximación por diferencia central. ...183

Figura 6.8. Corrida en Matlab. Solución cinemática inversa. ...187

Figura 6.9. Corrida en Matlab. Ecuaciones de Velocidad y aceleración. ...185

Figura 6.10. Corrida en Matlab. Solución a la Velocidad y aceleración. ...186

Figura 6.11 Corrida en Matlab. Generación de variable en la solución simbólica de la dinámica. ...188

Figura 6.12. Sistema de coordenadas. ...189

Figura 6.13. Rotaciones del sistema del efector final al sistema inercial [0 180 90]...190

Figura 6.14. Generación del segmento curvo en el plano 0xy, 0yz o 0xz. ...190

Figura 6.15. Generación del segmento recto entre el punto A y B...191

Figura 6.16. Cambio de orientación del sistema de coordenada del efector final con respecto al sistema inercial. ...192

Figura 6.17. Vectores de orientación y posición inicial...193

Figura 6.18. Posición inicial...193

Figura 6.19. Sistema de coordenadas ...193

Figura 6.20. Sistema de coordenadas y cambios de dirección en la trayectoria ABCDE. ...195

Figura 6.21. Valores de la Posición angular durante la trayectoria. ...196

Figura 6.22. Valores del cambio de la posición angular durante la trayectoria. ...196

Figura 6.23. Valores del cambio de la velocidad angular durante la trayectoria. ...197

Figura 6.24. Valores del torque o par en cada una de las articulaciones del manipulador. ...197

Tabla 1.1. Uso mundial de los robots...11

Tabla. 3.1. Determinación de los Requerimientos y Expectativas del Cliente...92

Tabla 3.2. Identificación de Requerimientos de Calidad, Obligatorios y Deseables...95

Tabla 3.3. Identificación de Requerimientos de Calidad Deseables. ...96

Tabla 3.4. Matriz de Importancia Relativa en los Requerimientos Deseables. ...97

Tabla 3.5. Nivel de Satisfacción. ...98

Tabla 3.6 Benchmarking Comparativo de los Requerimientos de Calidad. ...99

Tabla 3.7. Traducción de los Requerimientos de Calidad a Requerimientos de Ingeniería. ...100

Tabla 3.8. Identificación de Requerimientos de Calidad, Obligatorios y Deseables...104

Tabla 3.9. Identificación de Requerimientos de Calidad, Obligatorios y Deseables...116

Tabla 4.1.Evaluación para la Distribución de la Fuente Neumática Fundamentada en los Requerimientos del Cliente. ...134

Tabla 4.2. Evaluación del Efector Final de Ventosa Fundamentada en los Requerimientos del Cliente. ...135

Tabla 4.3. Evaluación del Intercambiador de Herramientas Fundamentada en los Requerimientos del Cliente. ..138

Tabla 4.4. Importancia Relativa de los Requerimientos. ...141

Tabla 4.5. Importancia Relativa de Requerimientos...141

Tabla 4.7. Importancia Relativa de Requerimientos...143

Tabla 4.8. Importancia Relativa de los Requerimientos. ...144

Tabla 4.9. Evaluación de Grupos. ...144

Tabla 4.10. Importancia Relativa de los Requerimientos. ...146

Tabla 4.11. Evaluación de Grupos. ...146

Tabla4.12 . Importancia Relativa de los Requerimientos. ...148

Tabla 5.1 Cálculo de la presión...157

Tabla 5.2 Presión absoluta...158

Tabla 5.3 Tipo de Elementos. ...160

Tabla 5.4 Selección de la Ventosa...161

Tabla 5.5 Aspectos de la Ventosa...161

Tabla 5.6 Características del Conector de la Ventosa. ...161

Tabla 5.7 Elemento de Filtración...162

Tabla 5.8 Características del generador de vacío...162

Tabla 5.9 dispositivos eléctricos del generador de vacío. ...162

Tabla 5.10 Dispositivos Eyector e Índice Máximo de Flujo en el Generador de Vacío. ...164

Tabla 5.11. Característica Principal del VADMI-45. ...166

Tabla 5.12. Característica Principal del Válvula. ...166

Tabla 5.13. Característica del Acumulador de Aire Comprimido...167

Tabla 5.14. Característica del Sistema de Mantenimiento. ...167

Tabla 5.15. Característica del Cilindro Neumático. ...168

Tabla 5.16. Cálculo de masa en el efector final de ventosa por vacío. ...171

Tabla 6.1 Elementos del Efector Final. ...176

Tabla 6.2. Sistema de coordenadas...194

SIMBOLOGÍA

x y z - sistema de coordenadas fijo

x0 y0 z0 - sistema de coordenadas de la base del manipulador

xi yi zi - sistema de coordenadas i-ésimo

u v w - sistema de coordenadas movil

[ ]

R, - matriz de rotación 3 x 3

[ ]

T, - matriz de transformación homogénea 4 x 4

3

I

4

I - matriz identidad 4 x 4

k

j

i

ˆ

ˆ

ˆ

φ

α

θ

i

θ

i i i i d

a, ,

α

θ

axyz - vector de posición respecto al sistema de coordenadas xyz

auvw - vector de posición respecto al sistema de coordenadas uvw

[ ]

A - matriz transpuesta

i i−1_A

- matriz de transformación homogénea para los sistemas de coordenadas ie

.

1

−

i

n

T 0

- matriz del robot

n - grados de libertad

F - fuerza

m - masa

i

r

v

r

&

,

a

,

i

r

&

&

j

g - restricciones del sistema

i

q

i

L - Lagrangiano del manipulador

K - energía cinética

P - energía potencial

ϖ

α

J

d

θ

d

θ

&

d

θ

&

&

μ

S

v

a

L

F - fuerza de levantamiento

a

F

g

F - fuerza de gravedad

A

F - fuerza de separación

φ

A - área

abs

P

rel

P

atm

P

V - volumen

RESUMEN

Se presenta el diseño de un efector final de ventosa por vacío intercambiable, para la tarea de transportación en sistemas de manufactura flexible. Exponiendo la aplicación de la metodología de diseño QFD, diseño Conceptual y diseño de detalle.

En la metodología QFD se plantea el problema y los requerimientos para la solución del diseño, en el diseño conceptual se especifica el modelo funcional de manera idealizado, y en el diseño de detalle la tarea es la transformación de ese modelo abstracto a un modelo concreto y físicamente viable. Además el planeamiento del modelo concreto queda explicito en planos de conjunto y memoria de cálculos que justifican su viabilidad y funcionalidad.

Por otro lado, a través de un análisis cinemático y dinámico se observa como intervienen algunos parámetros del diseño a los resultados dinámicos en un manipulador robótico, permitiendo generar trayectorias fuera de línea. Tales parámetros se conocen como vectores de posición, velocidad y aceleración angular necesarios en la configuración espacial del manipulador durante la trayectoria deseada, y vectores de fuerza que cumplen las condiciones dinámicas de movimiento.

ABSTRACT

It is presented the design of End-Of-Arm Tool of cup by interchangeable vacuum, for the transportation job in systems of it manufactures flexible. Exposing the application of the methodology of design QFD, design conceptual and design of it details.

In the methodology QFD thinks about the problem and the requirements for the solution of the design, in the conceptual design the idealized functional pattern in way is specified, and in the detail design the task is the transformation from that abstract pattern to a concrete and physically viable model. The planning of the concrete pattern is also explicit in group planes and memory of calculations that justify its viability and functionality.

JUSTIFICACIÓN

Uno de los problemas en industrias que tienen implementadas en su línea de producción

células de manufactura, es la multifuncionalidad de los robots para diversas tareas, esto implica

una variedad de herramientas y efectores finales con tal diseño que ayude a eliminar los

denominados tiempos muertos derivados de la reprogramación de un manipulador. En la

mayoría de la industria nacional, esta obligada a detener la línea de producción por espacio de

muchas horas, periodo en el cual, los técnicos identifican en un modelo físico, los puntos que

habrán de definir la trayectoria a seguir por el robot, para posteriormente programar la

secuencia de movimientos del mismo.

El diseño de un efector final debe ofrecer la facilidad de ser intercambiable para permitir la

multifuncionalidad del robot y reducir algunos lapsos de reprogramación. No basta con realizar

el diseño del efector final, sino también saber como y porque sé esta diseñando, y para esto, es

necesario apoyarse de una metodología de diseño capaz de ser clara y concisa. Un efector final

de ventosa por vacío es útil en la manipulación de piezas con un alto grado de delicadeza,

higiene y seguridad, en operaciones de transporte, ensamble y embalaje, ya que algunos

repuestos son lo suficientemente económicos y de una gran gama de variedad.

OBJETIVO

El objetivo del presente trabajo, es diseñar un efector final tipo ventosa por vacío para la tarea

INTRODUCCIÓN

Dentro del proyecto de “Diseño de efectores finales para manipuladores Robóticos”, depende

de conocimientos de varias disciplinas, un profesional que quiera desarrollarse en esta área de

robótica y diseño mecánico, necesita tener bases de ingeniería en control, ingeniería en

mecánica, ingeniería en sistemas computacionales, ingeniería en procesos de manufactura,

ingeniería en electricidad y electrónica, con el fin de comprender el problema del diseño en la

robótica.

Hoy en día la industria nacional cuenta con el 15 % de la planta total de manipuladores

instalados, dedicados a la manipulación y el transporte. Debido al desarrollo de procesos de

manufactura la industria busca nuevas herramientas que soporten el ritmo de producción

requerido a sus necesidades.

Uno de los procesos con mayor desarrollo, es por medio de la manufactura asistida por

computadora(CIM), esta requiere de una mayor diversidad de herramientas para llevar acabo

tareas con una multifuncionalidad.

El diseño de un efector final de ventosa por vacío se desarrolla utilizando las herramientas

básicas de la metodología QFD y el empleo de la tecnología de vacío que es la parte principal

del tema en este trabajo.

Por otro lado, la aplicación sistematizada de la cinemática y dinámica se desarrollada en este

trabajo a través de la programación con métodos numéricos y el objetivo es analizar resultados

tomando en cuenta algunos parámetros de diseño del efector final, además relacionarlos con

otros trabajos que se desarrollaron paralelamente.

En el primer capítulo, se ofrece un estado del arte contemporáneo, sin ignorar aquello que ha

trascendido y que es clásico en el estudio de la robótica, desde una cronología de la robótica

hasta la aplicación sobre metodología de diseño QFD, con sus nuevas herramientas de trabajo,

y el conocimiento de los efectores finales en los manipuladores robóticos. La concepción de la

metodología QFD son pare de nuevas herramientas desarrollas con las normas internacionales,

En el segundo capítulo, se describen todos los fundamentos teóricos necesarios para el

desarrollo de este trabajo: la cinemática, la dinámica, QFD y tecnología de vacío.

Para el tercer capítulo, la aplicación de la metodología QFD, la identificación del cliente y el

establecimiento de los requerimientos son desarrollados paso a paso.

En el Cuarto capítulo, el establecimiento de un modelo funcional, queda planteado de forma

idónea y abstracta.

La descripción en el quinto capítulo, es la transformación del modelo funcional en un modelo

concreto a través del planeamiento geométrico, plasmando los planos de diseño, cálculos y

especificaciones del efector final de ventosa por vacío.

El análisis de los resultados obtenidos por la aplicación de la metodología de diseño, la

cinemática y dinámica estan explícitos en el sexto capítulo. Además las conclusiones obtenidas

de este trabajo y las recomendaciones que hacen a nuevos proyectos de diseño son

1.1. Antecedentes Generales

La robótica es tan importante como la automatización, ya que afecta a la producción industrial y

a la mano de obra humana en todos los niveles. Tiene un futuro muy amplio en aplicaciones

industriales, así como en bancos, restaurantes e incluso en los hogares, además ha llegado al

campo de tecnología e informática de nuestros días.

Es imposible hablar de robótica sin mencionar sus orígenes en la ciencia-ficción, el término

robot proveniente del checo “robota”, primera vez usado por el escritor Karel Capek en 1917

para referirse en sus obras a máquinas con forma humanoide [1,2]. Tuvieron que transcurrir

cuarenta años antes de que se iniciara la moderna tecnología de la robótica industrial. Los

robots son manipuladores mecánicos automatizados controlados por computadoras, con

diseños y aplicaciones en donde existe riesgo para la mano de obra humana, el manejo de

sustancias tóxicas, radiactivas, explosivas, etc., y tareas multifuncionales como pintura,

soldadura, palletización, transportación, etc., además con nuevas técnicas de control para hacer

su desempeño lo mas óptimo posible y con mejores resultados.

1.1.1. Automatización y Robótica

La automatización y la robótica son dos tecnologías estrechamente relacionadas. En un

contexto industrial podemos definir la automatización como una tecnología que está relacionada

con el empleo de sistemas mecánicos, electrónicos y basados en sistemas computacionales en

la operación y el control de la producción:

• Suministro de líneas de transferencia instrumentadas.

• Máquinas de montaje mecanizado.

• Sistemas de control de realimentación (aplicados a los procesos industriales).

• Interfase Hombre –Máquina.

• Sistemas de control distribuido (DCS).

• Sistemas de control SCADA.

En consecuencia, la robótica es una forma de automatización industrial. Hay tres amplias clases

de automatización industrial:

• Automatización fija.

• Automatización programable, y

• Automatización flexible.

La automatización fija esta aplicada cuando el volumen de producción es muy alto, y por tanto es adecuada para diseñar equipos especializados en el proceso de productos de alto

rendimiento y con elevados índices de producción, como en la industria automotriz, constituidas

por varias decenas de estaciones de trabajo que se utilizan para las operaciones de

mecanizado en componentes de motores y transmisiones, por lo que el costo de los equipos

especiales se puede dividir en un gran número de unidades y los costos unitarios resultantes

son bajos en relación con los métodos de producción alternativos, pero con un elevado costo de

inversión inicial.

La automatización programable se emplea cuando el volumen de producción es relativamente bajo y hay una diversidad de producción a obtener. En este caso, el equipo de producción está

diseñado para ser adaptable a variaciones en la configuración del producto. Esta característica

de adaptabilidad se realiza haciendo funcionar el equipo bajo el control de un programa de

instrucciones que se prepara especialmente para el producto dado.

Los términos utilizados para la automatización flexible incluyen los sistemas de fabricación

flexibles (o FMS) y los sistemas de fabricación integrados por computadoras. Los sistemas

automatizados flexibles suelen estar constituidos por una serie de estaciones de trabajo que

están interconectadas por un sistema de almacenamiento y manipulación de materiales.

Una computadora central se utiliza para controlar las diversas actividades que se producen en

el sistema, encaminando las diversas piezas a las estaciones adecuadas y manipulando las

operaciones programadas en las diferentes estaciones. De los tres tipos de automatización, la

robótica coincide más con la automatización programable. Un robot industrial es una máquina

programable de uso general que tiene algunas características antropomórficas. La característica

de similitud humana más típica de los robots actuales es la de sus brazos móviles y el efector

El robot puede programarse para desplazar sus eslabones unidos por articulaciones a través de

una secuencia de movimientos con el fin de realizar alguna tarea de utilidad en un determinado

espacio de trabajo.

La repetición de este modelo de movimientos, será hasta que se reprograma para ejecutar

alguna otra tarea. Por consiguiente, la característica de programación permite que los robots se

utilicen para una diversidad de operaciones industriales diferentes, muchas de las cuales

implican el trabajo del robot junto con otros elementos de equipos automatizados o

semiautomátizados. Estas operaciones incluyen la carga y descarga de maquinaria, la

soldadura y la pintura por pulverización mediante diseños especiales de herramientas de trabajo

(efectores finales), etc.

Existen muchas organizaciones involucradas con los robots industriales. La Robotics Industries

Association (RIA), anteriormente el Robotics Institute of America (RIA) hace una definición de la

palabra robot que es la mas aceptada en el tiempo actual [17,19].

“Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable diseñado para desplazar materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales mediante movimientos programados variables para la ejecución de una diversidad de tareas.”

Un robot industrial, al ser multifuncional, requiere de una variedad de diseños para sus

herramientas de trabajo, en algunos casos son especiales, a estos se les conoce como

efectores finales o EOAT (“End-Of-Arm Tool”), convirtiéndose en un instrumento importante al ser integrada al manipulador robótico.

A principios de los 90’s, la revolución de la robótica causa controversia con la automatización,

debido a los aspectos de fabricación por una reducción de los costos y efectividad que se

volvían una realidad. Un desafío mayor llevó a la evolución de los efectores finales, entre estos

el efector final para pintar, que también es automatización flexible y que debía garantizar la

Figura 1.1. Revistas del 2000, publicaciones sobre la robótica, automatización y materiales para efectores finales (roboticsworld & SAS-Automation) [21,22,23].

1.1.2. La Robótica en la ciencia-ficción

Una obra checoslovaca publicada en el año 1917, por el doctor en filosofía Karel Capek

[1,2,3,7], denominada Rossum’s Universal Robots, dió lugar al término robot. La palabra checa

“robota” con el significado de servidumbre-esclavo o trabajador forzado, al traducirse al inglés

se convirtió en el término Robot. Dicha narración en la obra se refiere a un brillante científico

llamado Rossum y su hijo, quienes desarrollan una sustancia química que utilizan para fabricar

robots, para que sirvan a la clase humana de forma obediente y realicen todos los trabajos

físicos, Rossum al seguir descubriendo mejoras con la eliminación de órganos y otros

elementos innecesarios, llega al desarrollo de un ser perfecto, pero su argumento, sufre un giro

desagradable cuando los robots perfectos comienzan a no cumplir con su papel de sirvientes y

se “rebelan” contra sus dueños, destruyendo toda vida humana.

Otro escritor, Isaac Asimov contribuyó en 1939 con el término “robótica”. La imagen de un robot

que aparece en su obra es de una máquina bien diseñada y con una seguridad garantizada que

actúa de acuerdo con tres principios.

Estos principios fueron denominados por Asimov [2,17], las Tres Leyes de la Robótica, y son:

1. Un robot no puede actuar contra un ser humano o, mediante la inacción, permitir que un

ser humano sufra daños.

2. Un robot debe obedecer las órdenes dadas por los seres humanos, salvo que estén en

conflicto con la primera ley.

3. Un robot debe proteger su propia existencia, a no ser que esté en conflicto con las dos

1.1.3. Desarrollos Históricos de la Robótica

Los desarrollos históricos producidos en la tecnología de la robótica hacen referencia a los

siglos XVII y XVIII, Cuando se crearon varios dispositivos mecánicos ingeniosos que tenían

algunas de las características de los robots. Por citar algunos casos, Jacques de Vaucanson

construyó varios músicos de tamaño humano a mediados del siglo XVIII. En 1805, Henri

Maillardet construyó una muñeca mecánica que era capaz de hacer dibujos con serie de levas

que se utilizaban como el programa para el dispositivo en el proceso de escribir y dibujar.

Durante la revolución industrial, el ingenio de hombres creó máquinas dirigidas al sector de la

producción textil, y como ejemplo, la hiladora giratoria de Hargreaves (1770), la hiladora

mecánica de Crompton (1779), el telar mecánico de Cartwright (1785), el telar Jacquard (1801)

entre otros. En tiempos más recientes, se puede mencionar al control numérico (CNC) y la

telequérica como dos tecnologías importantes en el desarrollo de la robótica.

El CNC se desarrolló para máquinas-herramientas a finales de los años 40’s. Como su nombre

indica, implica el registro de las acciones de una máquina-herramienta por medio de números.

Está basado en el trabajo original de John Parsons, que concibió el empleo de tarjetas

perforadas, conteniendo datos de posiciones, para manipular los ejes de una

máquina-herramienta.

J. Parsons demostró su concepción a un proyecto de investigación desarrollado en el Instituto

Tecnológico de Massachussets (MIT). El proyecto MIT utilizaba una fresadora de tres ejes que

mostraba el prototipo para control numérico en 1952 y con un trabajo posterior en dicha

institución llevó al desarrollo del APT (Automatically Programmed Tooling), un lenguaje de

programación de piezas para realizar la sistematización de la máquina-herramienta de control

numérico.

Es interesante mencionar el hecho de que el telar de Jacquard y el ejecutor de obras al piano,

desarrollados durante 1876, pueden considerarse como precursores de la máquina-herramienta

CNC moderna, ya que ambos dispositivos operaban de forma similar a través de cinta de papel

El campo de la telequérica, abarca la utilización de un manipulador remoto controlado por un

ser humano. Un empleo frecuente de un teleoperador está en la manipulación de sustancias

peligrosas, tales como materiales radioactivos. La combinación del control numérico y de la

telequérica constituye la base para el robot moderno.

Actualmente, un robot es un manipulador mecánico, cuyos movimientos se controlan mediante

técnicas de programación, muy similares a las empleadas en el control numérico. Hay dos

personas que se reconocen por la aportación a estas dos tecnologías. El primero fue un

inventor británico llamado Cyril Walter Kenward, que solicitó una patente británica para un

dispositivo robótico en marzo de 1954. Esta se emitió en 1957. La segunda persona es George

C. Devol, el inventor americano, al que deben atribuirse dos invenciones que llevaron al

desarrollo de los robots de nuestros días. La primera invención era un dispositivo para grabar

magnéticamente señales eléctricas y reproducirlas para controlar una máquina. Este se

desarrolló en 1946 y la patente de Estados Unidos correspondiente se emitió en 1952. La

segunda invención se denominaba “Transferencia de Artículos Programada”, y la patente

Norteamericana correspondiente se emitió en 1961. Aunque la patente de Devol siguió a las de

Kenward en varios años, fue el trabajo de Devol el que estableció las bases para el robot

industrial moderno.

La invención de Devol se introdujo en la industria Americana, y fue la presencia de un

catalizador en la persona de Joseph Engelberger para el desarrollo un nuevo proyecto. El se

graduó de la Universidad de Columbia en Física en 1949. A mediados de los años 50’s, era el

ingeniero jefe para una división aeroespacial en una compañía localizada en Stanford,

Connecticut. En 1956, Joseph Engelberger se reunió con George Devol y con el respaldo

financiero de la Consolidated Diesel Electric Company (ahora Condec Corp.), Engelberger y

Devol comenzaron a desarrollar planes y prototipos para el robot universal conocido como

“Unimate”.

En 1962, la Unimation Company fue fundada como un consorcio entre Consolidated Diesel

Electric y Pullman Corporation. Engelberger, como presidente, promueve la primera instalación

de un robot Unimate en la Ford Motor Company, para la descarga de una máquina de fundición.

Surgieron más aplicaciones, En los Estados Unidos, Europa y Japón. Contribuciones

significativas al campo de la robótica, señalando el trabajo pionero desarrollado en Stanford

El lenguaje experimental denominado WAVE se desarrolló en 1973, que fue seguido por el

programa AL, siendo este, otro lenguaje destinado a la investigación. El primer lenguaje de

robot comercial fue VAL, desarrollado por Víctor Scheinman y Bruce Simano para Unimation,

Inc. El lenguaje se utilizó primero para programar el robot PUMA (Programmable Universal

Machine for Assembly) de Unimation, que es un robot de brazo articulado relativamente

pequeño, cuyo diseño estaba basado en los estudios de automatización del montaje que habían

sido realizados por General Motors. Actualmente casi todos los robots introducidos en el

mercado utilizan controles informáticos. En realidad, el campo de la robótica se suele considerar

como una combinación de tecnología de máquinas-Herramienta, informática, electrónica,

instrumentación y control.

1.1.3.1. Cronología de Desarrollos Iniciadores y Propulsores de la

Robótica

• A finales de los 50´s, se introduce el primer robot comercial por Planet Corporation. Estaba controlado por interruptores de fin de carrera y levas.

• Inicios de los 60`s, el primer robot Unimate es incorporado, basado en la transferencia de artículos programada de Devol. Utilizaba los principios del control numérico para el

control del manipulador y era un robot de transmisión hidráulica.

• En 1966 Trallfa, una firma noruega, construyó e instaló un robot de pintura por

pulverización.

• Un robot móvil llamado Shakey se desarrolló en SRI (Stanford Research Institute) en

1968. Estaba provisto de una diversidad de sensores, incluyendo una cámara de visión y

sensores táctiles, y podía desplazarse por el suelo.

• El Stanford Arm, un pequeño brazo de robot de accionamiento eléctrico, se desarrolló en Stanford University en el transcurso de 1971.

• En 1973 Se desarrolló en SRI el primer lenguaje de programación de robot del tipo de computadora para la investigación con la denominación WAVE.

• Un año después, ASEA introdujo el robot IRB6 de accionamiento completamente eléctrico.

• En ese mismo año, Cincinnati Milacron introdujo el robot “T” con control por

computadora.

• La aparición del robot PUMA (Programmable Universal Machine for Assembly) para

tareas de montaje es utilizada por Unimation, basándose en diseños obtenidos en un

estudio de la General Motors en 1974.

• El robot “T”, se adaptó y programó para realizar operaciones de taladrado y circulación de materiales en componentes de aviones, patrocinado por Air Force ICAM (Integrated

Computer-Aided Manufacturing), esto durante el año de 1971.

• A finales de los 70´s, Se desarrollo del robot del tipo SCARA (Selective Compliance Arm

for Robotic Assembly) en la Universidad de Yamanashi en Japón para montaje. Varios

robots SCARA comerciales que se lanzaron al mercado en 1981.

• Al iniciar 1981, se desarrolló en la Universidad Carnegie-Mellon un robot de impulsión directa. Utilizaba motores eléctricos situados en las articulaciones del manipulador sin

las transmisiones mecánicas habituales empleadas en la mayoría de los robots y

FANUC Robotics. Además en el mismo año, un nuevo concepto en robots de ensamble

es traído desde Japón, conocido como robot SCARA (Selective Compliance Assembly

Robot Arm).

• Al siguiente año, IBM introduce el robot RS-1 para montaje, basado en varios años de desarrollo interno. Se trata de un robot de estructura de caja que utiliza un brazo

constituido por tres dispositivos de deslizamiento ortogonales. El lenguaje de robot AML,

desarrollado por IBM, se introdujo también para programar el robot RS-I.

• Un año mas tarde, Informe emitido sobre la investigación en Westinghouse Corp. bajo el patrocinio de National Science Foundation sobre un “sistema de montaje

programable-adaptable” (APAS), un proyecto piloto para una línea de montaje automatizada flexible

con el empleo de robots.

• Durante 1984 Varios sistemas de programación fuera de línea se demostraron en la 8va exposición Robots . La operación típica de estos sistemas permitía que se desarrollaran

programas de robot utilizando gráficos interactivos en una computadora personal y luego

se cargaban en el robot.

• En 1986, la instalación y aplicación de robots continua creciendo pero desde un punto de vista integral, aumentando el interés en Celdas de Manufactura, Sistemas Flexibles

de Manufactura y sistemas CAD Design), CAE

(Computer-Aided-engineering), CAM (Computer-Aided-Manufacturing), CIM

• En los 90’s, Surge un mercado global para la producción y venta de robots industriales

en casi una gran parte de los procesos en serie y la mejora de los productos debido a la

gran importancia de las certificaciones de calidad y ambiental.

•

últimos diseños: ABB con manipuladores robóticos industriales en su serie IRB140 e

IRB7600 en diseño sin paralelogramo, técnicas de control PWMSV para motores C.A.,

utilizando DSP’s y un programa cargado en CDROM. MITSUBISHI RP serie micro-robot

que permite una repetición por debajo de 5 micras con cargas hasta 5kg; La serie de RV

robots verticalmente articulados, alta velocidad, y seis grados de libertad, con cargas

que van de 1.5kg a 5kg; Los RH serie SCARA ofrecen una velocidad de ensamble más

alta con alcances de 850mm y cargas de 15kg (Figura 1.2) [17].

Figura 1.2. Robots Mitsubishi, series micro-RP, Vertical RV , SCARA RH y ABB-IRB-140 [20].

1.1.4. El Mercado de la Robótica y las Perspectivas Futuras

Las ventas anuales para robots industriales empezaron a crecer alrededor de 1987 a razón de

un 25% por año, debido al crecimiento de la tecnología y de su potencial. Desde esos días, la

tecnología de la robótica ha mejorado con los años, la facilidad de interconectar con otro

hardware lo hace más sencillo de instalar, y además con el crecimiento del mercado, son

previsibles que las economías de gran escala en la producción de robots, obtengan una

reducción en el precio unitario de productos, lo que hará que los proyectos de aplicaciones de

robots sean más fáciles de justificar.

La robótica integrada con la automatización es la tecnología con futuro y para el futuro. Las

tendencias actuales, y los estudios de investigación en laboratorio señalan que los robots

tendrán capacidades de sensores múltiples, con la potencia de procesamiento de datos y de

Las técnicas de control avanzado, utilizando inteligencia artificial y aprendizaje, es una

tecnología que sólo puede destinarse al beneficio de la humanidad y donde se exigirá mucho

trabajo de la ingeniería mecánica, ingeniería electrónica, informática, ingeniería industrial,

tecnología de materiales, ingeniería de sistemas de fabricación y ciencias sociales, para

vincularlas en esta área de programación y aplicación de la robótica a la industria.

La principal aportación en la actualidad que se tiene en manipuladores robóticos industriales, es

en soldadura. Según datos de ABB sistemas de México, división robótica, los principales usos

industriales de los robots a escala mundial se dan en la siguiente tabla 1.1 [19].

Tabla 1.1. Uso mundial de los robots

La mayoría de los robots es utilizada en la industria automotriz; el 20 % en las armadoras y el

30% en las proveedoras de autopartes.

1.2. Configuraciones Clásicas de Robots

Han existido una variedad de diseños y formas de robots industriales, esféricos, cilíndricos,

prismáticos, de revolución, híbridos, y las configuraciones más comunes se muestran en la

figura 1.3. y 1.4.

Figura 1.3. d) Revolución y e) SCARA.

Figura 1.4. Configuración de un robot paralelo con pares cinemáticos de revolución y prismáticos

.

Hoy en día, la ingeniería mecánica no solo analiza las configuraciones clásicas de

manipuladores robóticos, como de cadena abierta que se muestra en la figura 1.3, sino también

aquellas configuraciones de robots paralelos como la figura 1.4, en el cual, el principal problema

es determinar el modelo cinemático y dinámico en una forma sistemática, generar una

trayectoria, adaptar efectores finales para realizar tareas, análisis de colisiones, robot

cooperativos y técnicas de control avanzado, todo con el fin de que sean multifuncionales.

1.3. Efector Final (End-Of-Arm Tool)

Todo robot asignado para realizar y llevar a cabo tareas multifuncionales, necesita de

herramientas o efectores finales ( EOAT) adecuados, estos en ocasiones son tan complejos que

requieren de un dispositivo de control que interactúe con el robot, un ejemplo claro, es el

revolver de pintura, ya que este efector final necesita del control de presión de aire, arco de

aspersión, conductos que mezclen las sustancias pigmentadas para dosificar un color en ciertas

Así se tiene una variedad de diseños en los efectores finales y adaptadores para

intercambiadores de herramientas. Se conoce como efector final, a todo aquel elemento al final

del brazo manipulador utilizado como herramienta para la elaboración de una tarea sencilla ó

especializada, también es conocida como End-Of-Arm Tool (EOAT) y en conjunto con

dispositivos adaptadores al plato del robot se les conoce como gripper.

Un “gripper” al integrarse a una célula de trabajo debe contener las características siguientes:

• La herramienta debe ser capaz de agarrar, alzar y sujetar la parte o familia de partes requerido por el proceso de la manufactura.

• La Herramienta debe usar sensores en el conjunto del gripper y sensores que localicen una posición fija en la célula de trabajo.

• La herramienta debe ser lo más ligera posible, ya que de ahí se calcula la carga máxima del robot.

• El gripper debe asegurarse bajo las condiciones de aceleración máxima en el plato de herramienta y determinar la pérdida de poder por el gripper.

Normalmente los gripper más simples deben cumplir con los criterios anteriores.

Figura 1.5. Analogía de herramientas de efector final o gripper.

1.3.1. Clasificación de los Grippers

Por la multifuncionalidad de los robots para realizar tareas, existe una variedad de efectores

finales, pueden clasificarse de acuerdo a los dispositivos que les permiten cortar, agarrar,

sostener, levantar, transportar, perforar, unir y rociar pigmentaciones como decoración de

Los efectores finales pueden dividirse en dos grandes categorías: tenazas y herramientas, las

primeras se utilizarían para tomar un objeto, normalmente la pieza de trabajo, y sujetarlo

durante el ciclo de trabajo del robot.

Figura 1.6. Herramientas como Efectores finales de un robot [18].

Una herramienta se utilizara como efector final en aplicaciones en donde se exija al robot

realizar alguna operación en la pieza de trabajo, la herramienta puede estar unida a la muñeca

del robot para realizar la operación como se muestra en la figura 1.6. Al paso del tiempo se ha

llegado a clasificar los elementos terminales de sujeción, según el sistema de sujeción que

empleen.

1. Gripper que utilizan método de sostén.

a. Gripper de presión mecánico.

b. Gripper de vacío.

c. Gripper con dispositivos magnéticos.

2. Herramientas de proceso especial incorporados en el gripper.

a. Taladros.

b. Pinza soldadora por puntos y soplete de soldadura por arco.

c. Rociadores de pintura.

d. Molinos y atornilladores.

e. Fresa-lija.

f. Pistola de pintura.

g. Cañón láser.

3. La capacidad multifuncional del gripper.

a. Grippers especiales.

b. Conforme al equipo.

Grippers normal.

• Angular o paralelo.

• Neumático, hidráulico, eléctrico o muelle para cerrar y abrir.

De acuerdo con las características señaladas, el costo de un gripper llega a representar de un 4

a un 8% del costo del robot; si el efector final tiene un diseño especial puede incrementarse

hasta un 20% de los costos totales para el sistema del robot.

1.3.2. Interfase del Gripper para Manufactura Flexible

De acuerdo a la complejidad, el efector final requiere de una interfase que le permita interactuar

con la célula de trabajo y estas pueden estar clasificadas de la siguiente manera:

Interfase mecánica.

• El cambio de herramienta bajo el mando del programa.

• La integridad del eslabón mecánico.

• El registro y mando de la orientación de una herramienta a otra.

Interfase eléctrica.

• Aislamiento de señales eléctricas, usados para el mando de la herramienta o señales que provengan de los sensores montados en el gripper automáticamente cuando la

herramienta es reemplazada.

Interfase neumática.

• La misma en cuanto a la interfase eléctrica.

Reemplazable o capacidad del cambio rápido.

Ventajas de sistemas múltiples del gripper.

• Aumentan capacidad de la producción de célula de trabajo.

• Reducen tiempo del trabajo en proceso por lote; moviéndose a través de menos

estaciones de trabajo.

1.3.3. Consideraciones en el Diseño de un EOAT

En el diseño de los efectores finales se deben considerar algunos puntos:

• Cambios en piezas: tamaño, forma, peso.

• Superficie de la pieza.

• La variación del tamaño Inseparable en partes.

• ¿Cómo se sostendrá la pieza? (¿A lo largo de qué dimensión?).

• Rasgos y/o distorsión de pieza para los materiales frágiles.

• La fuerza de levantamiento:

1. Peso del objeto.

2. Centro de masa (estabilidad).

3. La velocidad y aceleración de brazo del robot.

4. Fricción entre la pieza y gripper.

5. Apoyo físico del EOAT.

6. Conexión mecánica entre el EOAT y muñeca, considerando:

• La Fuerza.- El peso de EOAT, objeto, y las fuerzas aplicadas.

• La Estabilidad.- La habilidad del EOAT de mantenerse cuando esta sujeto a una fuerza aplicada.

• Protección de la carga excesiva.- El punto de interrupción para proteger

el brazo del robot cuando se aplica fuerza excesiva al EOAT.

Respuesta • Activa

• Pasiva

1. Activa: Las fuerzas causadas por la mala unión de las partes son moderadas

por los sensores y el grado de alineación en cada dirección (X, Y, Z) que se

transmite al controlador; el cual compensa el error manejado por el actuador y

2. Pasiva: El dispositivo mecánico se usa para ajustar la posición del robot; sin

tomar el sensado; el dispositivo común es un RCC (Acomodamiento al Centro

Remoto), corrige los errores laterales y angulares de la posición durante un

funcionamiento en la inserción (figura 1.7).

El Acomodamiento al Centro Remoto.

Típicamente construido por muelles de elastómeros; simple, pequeño, ligero, los parámetros de

RCC se han planteado como:

a) La distancia del centro remoto: Longitud entre la base del RCC y el centro

dócil de dispositivo del RCC; determina la separación máxima de la pieza

y el gripper.

b) La capacidad de fuerza axial: Fuerza máxima en la dirección axial que el

dispositivo de RCC se diseña para resistir; ensamble de componentes.

c) La rigidez del compresivo: El constante trabajo en el muelle, exigido al

comprimir el dispositivo de RCC en la dirección de inserción; afecta el

acoplamiento de partes.

d) La rigidez lateral: La fuerza exige desviar al RCC lateralmente;

dependiente de la delicadeza de las piezas.

e) La rigidez angular: La fuerza exige rodar la parte sobre su centro elástico;

dependiente de la delicadeza de las piezas.

f) La rigidez con torsión: El momento exige rodar la parte sobre su eje de

inserción; pieza orientada debido a su asimetría.

1.3.4.

Criterios Típicos de Diseño

También existen criterios que deben tomarse en cuenta al diseñar un efector final para un

manipulador robótico, algunos de estos son:

1. Un bajo peso que permite tener un manejo de una mayor carga útil; el aumento de

las aceleraciones; tiempo de proceso mínimo.

2. Dimensiones mínimas según el tamaño de la pieza de trabajo.

3. El rango más ancho en ensamble de partes usando inserciones y movimientos

ajustables.

4. Rigidez para mantener la exactitud del robot y reducir las vibraciones.

5. La fuerza máxima requerida; la seguridad y prevención de daños a los productos.

6. La fuente de alimentación debe estar disponible para el robot.

7. El mantenimiento debe ser fácil y rápido.

8. Formas de seguridad para que el material no se deje caer cuando falte la fuente de

alimentación.

1.3.5. Criterios Avanzados

Los criterios avanzados son aquellos donde interviene directamente el desempeño de la

trayectoria del robot, tareas con robots cooperativos y colisiones.

1. Asegurar alineamiento entre centros de la pieza y el robot para reducir los efectos

inerciales. Analizar el peor daño que pueda causar al producto que seguramente está

entre los puntos de contacto.

2. Dosificación de presiones y la fuerza de levantamiento.

3. La calibración puede ayudar al trabajo en las condiciones de alineación.

4. Sensores en el extremo, para verificar presencia de pieza y accionar el manipulador, etc.

5. Pueden usarse los intercambiadores de herramientas en el manipulador para la

multifuncionalidad en el robot.

6. Los cabezales múltiples permiten al robot realizar muchas tareas diferentes sin un

7. Eliminación de las esquinas afiladas, los bordes para reducir los deterioros en las

mangueras, los cables, tubos, etc.

8. Hacer conexiones holgadas y flexibles en los cables para el rango completo de

movimientos.

9. Usar materiales ligeros, y barrenar fuera de los marcos cuando sea posible.

10. Usar las capas duras, o las inserciones para proteger los materiales del manipulador.

11. Examinar las alternativas. Considerando la suciedad y el deterioro.

Figura 1.8. Grippers de herramientas [18].

1.3.6. Configuraciones de Grippers

Así como existen configuraciones de robots, también existen para los efectores finales o

grippers, cada uno para llevar óptimamente una tarea, estos son:

a. Gripper digital-mecánico

b. Gripper de recolección

c. Gripper de vacío

d. Grippers para objetos frágiles

e. Grippers electromecánicos

f. Gripper de apoyo

g. Grippers extensibles

a. Gripper digital mecánico

• Grippers de tenazas: Agarre externo o interior.

• Grippers de tenazas: Simulando acción del dedo pulgar, índice y dedo medio.

• Grippers de tenazas: Agarre de cubos y partes rectangulares fácilmente.

Figura 1.9. Gripper de tenazas angulares y paralelos.

b. Gripper de recolección

• Usado para recoger y colocar partes cilíndricas que son uniformes en tamaño.

• Redondos, cuadrados o formas hexagonales.

c. Gripper de vacío

• Utiliza copas o ventosas de succión hechas de caucho natural o sintético.

• El número de gripper (ventosas), determina el tamaño y peso del objeto a sujetar.

• Conducción de partes frágiles.

• La colocación de partes no es tan crítica como con otro grippers.

d. Grippers electromecánicos

Electroimán o de imán permanente

• Si se usa un imán permanente, se necesitará algún dispositivo para quitar el gripper.

• Las partes Férreas; son más fáciles de manejar si la superficie es lisa y limpia.

• Los manipuladores tipo grúa tienen grippers de apoyo, ganchos, cucharones grandes, etc.

e. Gripper extensible

• Dos tipos: interior o de agarre exterior.

• Caucho hueco que se extiende cuando se presuriza para recoger un objeto.

• Presión uniformemente distribuida sobre la superficie.

f. Gripper de aspersión

• Pistolas de rocío, soldadores, pulidoras, cortadoras, etc.

Se puede observar que existe una variedad de efectores finales y solo se estudiará el gripper de

vacío para interés de este trabajo.

1.3.7. Gripper de Vacío

Los grippers de vació se utilizan para transportación, principalmente en productos donde las

superficies son delicadas y no requieren del contacto directo de la mano del hombre, un ejemplo

puede ser en el transporte de cajas, partes automotrices, componentes electrónicos, discos

compactos, superficies suaves y esféricas; su función básica es mediante la generación de un

vacío en la ventosa a través de un tubo venturi o un generador de vació distribuido en las

ventosas de succión.

Figura 1.10a. Aplicaciones de ventosas de succión por vació [15].

También el vacío puede ser generado directamente por una bomba de vacío, es decir, un

tanque sometido a presión, en este caso presión negativa. Accionado por un motor eléctrico y

acoplado a una cámara de succión regido por el principio de desplazamiento rotatorio, se

transportan las partículas dentro del tanque hacia la intemperie, obteniendo como resultado

dentro del recipiente, una presión menor a la atmosférica, hasta alcanzar un valor negativo

capaz de ser utilizada para realizar un trabajo.

1.4. Trabajos Recientes

En la ingeniería mecánica, la línea de investigación en robótica, y el estudio de la cinemática

directa de manipuladores robóticos, han desarrollado métodos que no son sistemáticos y

generalizados utilizando el álgebra matricial como herramienta matemática, es decir, la

descripción de la geometría espacial de los elementos del brazo manipulador con respecto a un

marco de referencia fijo, un método fue propuesto en 1955 para el análisis de mecanismos por

Denavit y Hartenberg que es muy aplicado a la robótica [3,10,7].

Al buscar una solución a la cinemática inversa, varios textos reconocen que es más complejo

obtener una solución sistemática y mencionan dos maneras para llegar al resultado:

• Forma cerrada

• Soluciones numéricas

Se optaba por las soluciones “cerradas ” derivadas de un análisis del problema algebraico o

geométrico, ya que no se contaba con la velocidad en los procesos de cálculo de las

herramientas computacionales, buscando simplificar el problema con resultados múltiples para

una condición deseada [13].

Existen diversas fuentes de trabajo literario que describen procesos analíticos para la obtención

de un modelo cinemático inverso de manipuladores con una técnica de desacoplo. En (Ángeles,

1997), por ejemplo, se presenta un análisis general, para cualquier tipo de manipulador

desacoplado, en el que se obtienen expresiones generales de las variables articuladas en