Desarrollo de Dispositivos Modulares Virtuales de Arquitectura Libre para el Control de Posicionamiento Multiaxial
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(2) DESARROLLO DE DISPOSITIVOS MODULARES VIRTUALES DE ARQUITECTURA LIBRE PARA EL CONTROL DE POSICIONAMIENTO MULTIAXIAL. JULIAN CAMILO SOLANO BRAVO 20112074110 JHON EDISON LONDOÑO RODRIGUEZ 20112074123. TRABAJO PARA OPTAR AL TÍTULO DE TECNÓLOGO MECÁNICO. PRESENTADO A: PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA MECÁNICA. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C. 2015. 2.
(3) Nota de aceptación. ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________. ___________________________________ Jurado. ___________________________________ MSc.John Alejandro Forero Casallas. Bogotá D.C. ____________ de 2016. 3.
(4) RESUMEN En este proyecto se realizó la modelación y simulación para diferentes configuraciones del dispositivo modular de arquitectura libre de posicionamiento multi-axial, con el objetivo de optar al título de tecnólogo en mecánica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas; por medio de la base de datos de la Universidad y de la empresa IDCAE se recopilo y analizo la información, luego de esto se clasifico para deducir posibles soluciones a través de los objetivos planteados para culminar satisfactoriamente el desarrollo de este proyecto. Luego de reconocer los componentes que integran el dispositivo de arquitectura libre, se modelaron las piezas con su geometría correspondiente lo más semejante al dispositivo real, utilizando como plataforma base el software NX SIEMENS. Posterior a esto se realiza el ensamble para cada configuración, y con esto se define parte de la arquitectura de máquina dependiendo de las propiedades que posee cada mecanismo. Con la información obtenida a partir del diseño e implementación del dispositivo se estudió las ecuaciones de movimiento (cinemática directa e inversa) de las diferentes configuraciones del dispositivo de arquitectura libre. El desarrollo de la cinemática se enfocó principalmente en el estudio geométrico de movimiento del dispositivo para las distintas configuraciones respecto a un marco de referencia fijo. Con base en los parámetros para el análisis y solución de este tipo de mecanismos. Luego de tener el ensamble de maquina por medio del entorno ISV por sus siglas en inglés (Integration Simulation and Verification) específicamente con la herramienta Machine Tool Builder define la cinemática con un sistema de árbol que muestra la relación entre cada uno de los componentes, con esto se crea un postprocesador con la herramienta Post Builder utilizando datos de trayectoria. Definiendo este dispositivo como una fresadora de tres ejes. Posterior a esto la maquina es insertada a la librería de NX SIEMENS. Con el fin de poder ser llamada desde una pieza en la cual fueron generadas trayectorias por medio de la aplicación de manufactura. Debido a que el ISV no está diseñado para dispositivos basados en robótica paralela se optó por desarrollar la maquina por otro método Co-simulación en donde se definen la arquitectura de maquina mediante enlaces y juntas para luego exportarlo como un modelo de bloque con el propósito de controlarlo desde MATLAB con un arreglo de bloques desarrollado en Simulink.. 4.
(5) ABSTRACT In this Project was performed the modeling and simulation for different configurations of free modular device of architecture of multi axial positioning, with objetive to obtain the title of mechanical technologist at the Distrital University Francisco José de Caldas; through the data bases of the University and the company IDCAE was collected and analyzed information, after that it was classified to deduce possible solutions through the objectives to successfully complete the development of this Project. After recognizing the components that make up the device open architecture, the pieces were modeled with the geometry corresponding most similar to the actual device, using as the base platform NX SIEMENS software. Following this assembly for each configuration it is done, and with this it defined part of the machine architecture depending on the properties possessed by each mechanism. With the information obtained from the design and implementation of the device it was studied the equations of motion (direct and inverse kinematics) of the different configurations free device architecture. The development of kinematics focused primarily on the geometric study of movement of the device for different configurations with respect to a fixed reference frame. Based on the parameters for the analysis and solution of these mechanisms. After having assembly machine through the ISV environment for its acronym in English (Integration Simulation and Verification) specifically with Machine Tool Builder defines the kinematic a system tree showing the relationship between each of the components, with this postprocessor is created using the Post Builder tool path data. Defining this device as a three-axis milling machine. Following this machine it is inserted NX SIEMENS library. In order to be called from a piece in which they were generated paths through manufacturing application. Due to the ISV is not designed for devices based in parallel robotics he was chosen to develop the machine by another method Co-simulation where machine architecture are defined by links and joints and then export it as a model block in order to tell the tale from MATLAB with an array of blocks developed in Simulink. 5.
(6) Contenido RESUMEN ......................................................................................................................... 4 ABSTRACT ....................................................................................................................... 5 1.. Planteamiento del problema ..................................................................................... 11 1.1.. Estado del arte .................................................................................................. 12. 1.1.1. A Novel 3-Dof Three-Translation Parallel Mechanism and Displacement Analysis 12 1.1.2. Algoritmo para la Solución de la Cinemática Directa de Robots Paralelos Planares 3RRR Destinados a Aplicaciones en Tiempo Real..................................... 13 1.1.3.. Kinematics and Workspace Analysis of a Novel 3-DOF Spatial Parallel Robot 14. 1.1.4.. Modelo Matemático de un Robot Paralelo de seis grados de libertad ......... 15. 1.1.5. Resolución del problema cinemático inverso en un robot SCARA mediante grupos de Assur........................................................................................................ 16 1.1.6.. Diseño, Análisis y Construcción de un Robot Paralelo Translacional .......... 16. 1.1.7. Diseño óptimo de un robot paralelo con configuración Delta para aplicaciones educativas. ........................................................................................... 16 1.1.8. MCDS. Cinemática inversa de robot serial utilizando algoritmo genético basado en 17. 1.1.9. Dynamic modeling and redundant force optimization of a 2-DOF parallel kinematic machine with kinematic redundancy ......................................................... 17 1.1.10. Kinematics analysis and workspace investigation of a novel 2-DOF parallel manipulator applied in vehicle driving simulator ........................................................ 19 1.1.11. Análisis de un manipulador paralelo plano de dos grados de libertad. ........ 19 1.1.12. Modelación y simulación dinámica de un brazo robótico de 4 grados de libertad para tareas sobre un plano horizontal .......................................................... 20. 2.. 1.2.. Justificación ....................................................................................................... 21. 1.3.. Objetivos ........................................................................................................... 22. 1.3.1.. Objetivo general ......................................................................................... 22. 1.3.2.. Objetivos específicos: ................................................................................. 22. Marco teórico ............................................................................................................ 23 2.1.. Robótica Paralela .............................................................................................. 23. 2.2.. Manipuladores Seriales ..................................................................................... 23. 2.3.. Cinemática ........................................................................................................ 23. 2.3.1. 2.4.. Cinemática directa. ..................................................................................... 23. Tipos de movimiento.......................................................................................... 24. 2.4.1.. Rotación pura ............................................................................................. 24 6.
(7) 2.4.2.. Traslación pura ........................................................................................... 24. 2.4.3.. Movimiento complejo .................................................................................. 24. 2.5.. 3.. 4.. 5.. Eslabones y cadenas cinemáticas ..................................................................... 24. 2.5.1.. Eslabón ...................................................................................................... 24. 2.5.2.. Cadena cinemática ..................................................................................... 25. 2.6.. Grados de libertad ............................................................................................. 25. 2.7.. Post building ...................................................................................................... 26. 2.8.. Espacio de Trabajo ............................................................................................ 27. 2.9.. NX SIEMENS .................................................................................................... 27. 2.11.. Integrado de Simulación y Verificación (ISV) .................................................. 28. 2.12.. Co-simulación ................................................................................................ 29. 2.13.. Matlab ............................................................................................................ 29. 2.14.. Simulink ......................................................................................................... 30. Metodología .............................................................................................................. 31 3.1.. Modelación Plataforma NX Siemens 10............................................................. 31. 3.2.. Recopilación ...................................................................................................... 33. 3.3.. Ensamble .......................................................................................................... 34. 3.4.. Diseño matemático ............................................................................................ 37. 3.5.. Control de posicionamiento y Programación ...................................................... 38. Metodología configuración cero ................................................................................ 40 4.1.. ISV .................................................................................................................... 40. 4.2.. Definición de Cinemática. .................................................................................. 40. 4.3.. Creación de Postprocesador. ............................................................................ 44. 4.4.. Diseño matemático ............................................................................................ 48. 4.4.1.. Modelación cinemática directa. ................................................................... 48. 4.4.2.. Modelamiento cinemática inversa para la configuración cero ..................... 50. Metodología Configuración 1 .................................................................................... 51 5.1. Modelación ............................................................................................................ 51 5.2. Diseño matemático ................................................................................................ 51 5.2.1. Modelación matemática cinematica directa. .................................................... 51 5.2.2. Modelación matemática cinemática inversa .................................................... 54 5.3. Control de posicionamiento y programación .......................................................... 55 5.4.. Creación de enlaces y juntas ............................................................................. 55. 5.5.. Entorno de trabajo. ............................................................................................ 56. 5.6.. Selección de Links en el dispositivo. .................................................................. 57 7.
(8) 6.. 5.7.. Selección de Joints. ........................................................................................... 57. 5.8.. Requerimientos para enlazar con Matlab ........................................................... 59. 5.8.1.. Markets....................................................................................................... 59. 5.8.2.. Sensors ...................................................................................................... 60. 5.8.3.. Matematica ................................................................................................. 61. 5.8.4.. Imput .......................................................................................................... 61. 5.8.5.. Output......................................................................................................... 62. 5.8.6.. Exportacion del modelo a Matlab ................................................................ 62. 5.8.7.. Simulink ...................................................................................................... 63. Metodología Configuracion_2 ................................................................................... 64 6.1. Piezas modeladas y ensamble de máquina. .......................................................... 64 6.2. Diseño Matemático ................................................................................................ 65 6.2.1. Modelamiento matemático cinemática directa ................................................. 65 6.2.2. Modelamiento matemático cinemática inversa ................................................ 67 6.3. Programación y control de posicionamiento .......................................................... 68. 7.. Metodología Configuración 3 .................................................................................... 69 7.1. Piezas modeladas y ensamble de máquina. .......................................................... 69 7.2. Diseño Matemático ................................................................................................ 69 7.2.1. Modelamiento matemático cinemática directa. ................................................ 69 7.2.2. Modelamiento matemático cinemática inversa. ............................................... 70 7.3. Programación y control de posicionamiento .......................................................... 71. 8.. RESULTADOS. ........................................................................................................ 72 8.1. Representación de la cinemática de la máquina herramienta ................................ 72 8.2. Mecanizado ........................................................................................................... 73 8.3. Detección de colisiones ........................................................................................ 73 8.4.. Mostrar espesor por el color .............................................................................. 74. 8.5.. Programa con códigos NC ................................................................................ 75. 8.6.. Hoja de programas ............................................................................................ 76. 8.7.. Dispositivos paralelos ........................................................................................ 76. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES ................................................................. 78 CONCLUSIONES ............................................................................................................ 79 BIBLIOGRAFÍA. ............................................................................................................... 80. 8.
(9) INDICE DE FIGURAS Figura 1. Diseño conceptual para la cinemática de un mecanismo paralelo de tres traslaciones ..................................................................................................................... 13 Figura 2. . Plataforma paralela planar 3RRR. .................................................................. 14 Figura 3. Manipulador paralelo propuesto y sus coordenadas asociadas ........................ 15 Figura 4 Robot paralelo de síes grados de libertad .......................................................... 15 Figura 5. Modelo de la estructura del robot Melfa RV-2A. ............................................... 17 Figura 6. Máquina herramienta hibrida............................................................................. 18 Figura 7. Diagrama esquemático de la maquina. ............................................................. 18 Figura 8. Manipulador paralelo construido ....................................................................... 19 Figura 9. Manipulador paralelo 2 DOF ............................................................................. 20 Figura 10 Simulación de ubicación variando las coordenadas articulares en MATLAB .... 21 Figura 11. Cadena de mecanismos ................................................................................. 25 Figura 12. Aplicaciones de NX ......................................................................................... 28 Figura 13. Representación esquemática ISV ................................................................... 29 Figura 14. Iconos para selecciónar el role advanced. ...................................................... 31 Figura 15. Ventana para selección de Templates. ........................................................... 32 Figura 16. Herramientas para dibujo en 2D. .................................................................... 32 Figura 17. Herramientas para modelación en 3D. ............................................................ 33 Figura 18. Elemento extruido visualización 3D................................................................. 33 Figura 19. Ventana de adición de elementos parte izquierda, carpeta con cada componente de máquina. ................................................................................................ 35 Figura 20. Restricciones de ensamble ............................................................................. 35 Figura 21. Piezas que fueron ensambladas pero se comportan como un solo elemento, con restricción de Unión para ensamble del dispositivo. .................................................. 36 Figura 22. Ensamble Configuracion_0 de 3 ejes. ............................................................. 36 Figura 23. Modelado NX configuración 0 ......................................................................... 37 Figura 24 software MATLAB R2015a ............................................................................... 37 Figura 25. Configuración_0, maquina basada en robótica serial de 3 ejes. ...................... 38 Figura 26. Configuración_1, maquina basada en robótica paralela. ................................. 38 Figura 27. Configuración_2, maquina basada en robótica paralela. ................................. 39 Figura 28. Configuración_3, máquina basada en robótica paralela. ................................. 39 Figura 29. Inicio a la aplicación fabricante de la máquina, que proporciona herramientas para crear y editar una máquina herramienta. ................................................................. 41 Figura 30. Inicio a navegador de la máquina-herramienta ............................................... 41 Figura 31. Cinemática para la arquitectura de máquina Configuracion_0. ....................... 42 Figura 32. Relación de (k-Componentes) para la cinemática de máquina........................ 43 Figura 33. Animación de máquina, verificación de límites de los ejes. ............................. 43 Figura 34. Entorno de generador de postprocesadores. .................................................. 45 Figura 35. Líneas de código para añadir la máquina a la librería de Siemens NX. ........... 45 Figura 36. Herramienta de trabajo (fresa para desbaste). ................................................ 46 Figura 37. Trayectorias de mecanizado ........................................................................... 47 Figura 38. Código de programación. Cinemática directa de la configuración cero ........... 49 Figura 39. Código cinemática inversa del dispositivo para la configuración cartesiana o configuración cero ........................................................................................................... 50 Figura 40. Configuracion_1 dispositivo paralelo. .............................................................. 51 9.
(10) Figura 41. Esquema primera cadena cinemática configuración uno. ............................... 52 Figura 42. Esquema segunda cadena cinemática configuración uno ............................... 53 Figura 43. Crear simulación nueva. ................................................................................. 56 Figura 44. Parámetros de entrada para la Co-simulación. ............................................... 56 Figura 45. Icono de Enlace ............................................................................................. 57 Figura 46. Cuerpos rígidos definidos del dispositivo ........................................................ 57 Figura 47. Junta ............................................................................................................... 57 Figura 48. Parámetros de Joint deslizante. ...................................................................... 58 Figura 49. Juntas definidas para el dispositivo. ................................................................ 58 Figura 50. Solución sistema redundante. ......................................................................... 59 Figura 51. Marcadores de desplazamiento (azul y rojo). .................................................. 60 Figura 52 . Definicion de sensor ...................................................................................... 60 Figura 53. Insercion de cinematica entorno NX................................................................ 61 Figura 54. Planta de entrada............................................................................................ 61 Figura 55. Planta de salida. ............................................................................................. 62 Figura 56. Dispositivo listo para Enlace con Simulink ...................................................... 62 Figura 57. Bloque de conjunto de Configuracion_1 .......................................................... 63 Figura 58. Control de bloques del dispositivo en Simulink igual a entradas y salidas en NX ........................................................................................................................................ 63 Figura 59. Configuracion_2 enlaces y juntas definidas. ................................................... 64 Figura 60. Esquema primera cadena cinemática ‘configuración dos’. ............................. 65 Figura 61. Esquema segunda cadena cinemática configuración 2 ................................... 66 Figura 62. Configuracion_2 con requisitos para la Co-simulación. ................................... 68 Figura 63. Configuracion_2 enlaces y juntas definidas. ................................................... 69 Figura 64. Configuracion_3 con requisitos para la Co-simulación. ................................... 71 Figura 65. Comprobación de cinemática del dispositivo. .................................................. 72 Figura 66. Mecanización con visualización de remoción de material. .............................. 73 Figura 67. Detección de colisión ...................................................................................... 74 Figura 68. Espesor de pieza de trabajo ........................................................................... 74 Figura 69. Panel de control de la simulación. ................................................................... 75 Figura 70. Programa NC en ISO (lenguaje de programación G) ..................................... 75 Figura 71. Hoja de programas. ........................................................................................ 76. 10.
(11) 1. Planteamiento del problema Hoy en día en la industria la automatización tiene un amplio campo de aplicaciones ya que ofrece mejorías y puede reducir gastos económicos aumentando su productividad, además de realizar procesos industriales que requieran de alta precisión. La automatización viene dada por medio de un lenguaje de programación donde este lenguaje tiene facilidad de desarrollar pero sus líneas de código tienden a ser muy extensas cuando la geometría de la pieza de trabajo puede llegar a ser más compleja. Además por su gran extensión en sus líneas de códigos puede tener errores por interacción de hombre maquina lo cual puede representar inconvenientes: como daños en la máquina, o productos que no cumplan con un alto estándar de calidad. Por lo cual las máquinas virtuales son una herramienta eficaz para simular el dispositivo físico con una alta fidelidad, ya que las máquinas virtuales vienen definidas con restricciones dadas por el dispositivo real. Lo cual indica que la simulación tiene gran confiabilidad. Debido a que cada día las industrias están más obligadas a optimizar sus procesos de producción, es por ello que ha surgido la necesidad no solo de crear productos y procesos más eficientes, pues se sabe que la variable tiempo en la industria combinada con una producción de calidad puede llegar a elevar su competitividad y representar mejores ganancias. Porque al tener una máquina virtual se reemplaza el control numérico computacional manual por códigos desarrollados automáticamente por un software, otorgando mayor rapidez y exactitud con la certeza de que la programación obtenida tiene un bajo margen de error ya que se puede visualizar todo el proceso de mecanizado antes en la pantalla, y así corroborar que el proceso está bien definido. Las maquinas basadas en robótica paralela son tecnologías medianamente nuevas utilizadas en la industria que ofrecen características como mayor capacidad de carga y alta precisión, pero como desventaja tiene un reducido espacio de trabajo además tiene una cinemática de maquina compleja, por tal motivo es importante adquirir conocimiento en los espacios académicos ya que esta tecnología ha sido implementada con más rapidez en la industria. Debido a al poco tiempo en el mercado los dispositivos basados en robótica paralela no han sido ampliamente estudiados, por esta razón una máquina virtual para este tipo de dispositivos puede dar una visión más clara del funcionamiento de esta clase de mecanismos La aplicabilidad de estos dispositivos en la industria sería mayor si se pudiera garantizar la confiablidad por medio de dispositivos virtuales, y así poder definir la capacidad de procesos con el que cuenta el dispositivo. En la industria se ha tenido una gran aceptación de las máquinas virtuales ya que estas traen desarrollo tecnológico, poniendo a empresas en un alto nivel de competitividad pues 11.
(12) esta herramienta facilita la interacción entre hombre-máquina real, lo que implica desarrollo económico-social para el país, ya que actualmente en Colombia el desarrollo de estas tecnologías es bajo, debido a la limitada información relacionado con estas herramientas informáticas, obteniendo un bajo nivel de investigación a nivel nacional por lo que básicamente son importadas de otros países pagando un alto costo por la obtención de dicha tecnología.. 1.1.. Estado del arte. La obtención de información se desarrolló por medio de la biblioteca virtual de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas utilizando la base de datos de la IEEE (institute of electrical and electronics enginners) y ScienceDirect fuentes confiables a nivel mundial en la ingeniería, donde se abordaron artículos con enfoque hacia el objetivo de este proyecto. Por otro lado se tomaron otras fuentes de información como artículos encontrados en internet de desarrollo tecnológico, además una publicación de la Revista Tecnura de la universidad Distrital Francisco José de Caldas La información de Los textos científicos y de ingeniería recolectados proporciona bases para la construcción y solución al problema planteado pues ayudan a contextualizar ubicar y centralizar la información relacionada con Cinemática directa y cinemática inversa de dispositivos basados en robótica paralela.. 1.1.1. A Novel 3-Dof Three-Translation Parallel Mechanism and Displacement Analysis. Documento extraído de Facultad de Mecánica y Energía Ingeniería de la Universidad Politécnica de Jiangsu Changzhou Año de publicación: 2009 Autores: Huiping Shen, Ju Li, Shaobin Tao, Luzhong Ma, Jiaming Deng, Tingli Yang Este articulo presenta un robot tipo delta de 3 grados de libertad basado en robótica paralela en el cual se desarrolla la cinemática directa y la cinemática inversa, junto con el análisis de movimiento y movilidad que tiene este robot, además de soluciones inversas para estos casos planteado mediante un sistema de coordenadas. Tal como muestra la figura.. 12.
(13) Figura 1. Diseño conceptual para la cinemática de un mecanismo paralelo de tres traslaciones 1.1.2. Algoritmo para la Solución de la Cinemática Directa de Robots Paralelos Planares 3RRR Destinados a Aplicaciones en Tiempo Real.. Documento extraído Facultad de ingeniería y C.C.N.N, Universidad de Sonsonate, Sonsonate, El Salvador C.A Año de publicación: Autor: Ing. MSc. Manuel Napoleón Cardona Gutiérrez En este documento presentan un análisis de la cinemática del mecanismo paralelo planar 3RRR. En el cual abordan una nueva metodología para la solución del problema de la cinemática directa e inversa. Donde se plantea un algoritmo iterativo y se encuentra la solución de la cinemática directa e inversa utilizando un método numérico. Por otro lado se realiza un algoritmo computacional en MATLAB para las simulaciones y cálculos, muestra como resultado una ventana grafica en la que se puede observar la evolución del movimiento del robot. En la figura 1 puede observase la configuración que conforma la plataforma. 13.
(14) Figura 2. . Plataforma paralela planar 3RRR.. 1.1.3. Kinematics and Workspace Analysis of a Novel 3-DOF Spatial Parallel Robot. Documento extraído de Departamento de Ingeniería Mecánica, KN Toosi Univ. De Tecnología, Teherán, Irán. Año de publicación: 2011 En este documento se hace el análisis de cinemática directa y cinemática inversa de un robot basado en un sistema híbrido móvil, serie-paralelo con 3(GDL), este análisis se hace para determinar el espacio de trabajo de este robot, en el cual se tiene en cuenta los criterios de maniobrabilidad y estabilidad de vuelco cuando se realiza la manipulación de objetos pesados. En la figura 3 muestra el diseño del manipulador paralelo junto con sus coordenadas asociadas. 14.
(15) Figura 3. Manipulador paralelo propuesto y sus coordenadas asociadas. 1.1.4. Modelo Matemático de un Robot Paralelo de seis grados de libertad Documento extraído de Universidad de las Américas – Puebla. Escuela de ingeniería y ciencias Departamento de computación, electrónica, física e Innovación En esta tesis se hace el análisis de cada componente del dispositivo determinando los grados de libertad del conjunto, la cinemática directa e inversa del robot fue descrita basándose en la estructura y geometría del mecanismo, con esto se determinó el espacio de trabajo en función de las limitantes mecánicas y geométricas. A partir de los limitantes se obtuvieron inecuaciones que representan solidos con lo que el dispositivo puede ser posicionado, también realizo un análisis dinámico, velocidad y aceleración entre los componentes del robot, el cual es utilizado para la generación de movimientos y trayectorias describiendo con esto la dinámica directa e inversa del dispositivo, posteriormente se simula tanto la dinámica como la cinemática en el simulador 3D basado en plataforma Java (OpenGL).. Figura 4 Robot paralelo de síes grados de libertad 15.
(16) 1.1.5. Resolución del problema cinemático inverso en un robot SCARA mediante grupos de Assur.. Documento extraído de Dpto. de Construcción e Ingeniería de Fabricación. Universidad de Oviedo En este artículo presentan un nuevo método para la solución cinemática de un robot scara con un mecanismo de 3 grados de libertad, basándose en el método “grupos de Assur RRR”; ya que este presenta una mayor eficiencia computacional al momento de realizar una simulación. A partir de formulación de la cinemática del grupo RRR, formulan la cinemática inversa para el robot scara y por medio de esta formulación permite determinar el modo de trabajo del robot en cualquier instante de la simulación debido a su gran eficiencia. 1.1.6. Diseño, Análisis y Construcción de un Robot Paralelo Translacional. Autor: Juan Antonio Briones León Documento Extraído del Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada Instituto Politécnico Nacional Querétaro, México. En este artículo diseñan y analizan un robot paralelo con dos mecanismos de 5 barras conectados por articulaciones prismáticas, el cálculo de la movilidad del mecanismo está desarrollada por la fórmula de Gogu, mientras que la cinemática directa e inversa es desarrollada de la forma más común que es el análisis geométrico del manipulador, se utiliza el jacobiano que fue desarrollado a partir del análisis de los brazos que conforman el mecanismo, por otro lado el cálculo del espacio de trabajo se desarrolla a partir de las geometrías de los eslabones.. 1.1.7. Diseño óptimo de un robot paralelo con configuración Delta para aplicaciones educativas.. Autor: Edison Martínez, Cesar Peña, Eugenio Yime. Año de publicación: 2010 Documento extraído de Asociación Colombiana de Facultades de Ingeniería (ACOFI) En este trabajo se desarrolló el cálculo del espacio de trabajo del robot Paralelo tipo Delta, donde la cinemática inversa fue desarrollada mediante el análisis geométrico y el uso de una aplicación de Matlab, luego de esto se escogido un volumen predeterminado, se toma un número de puntos equidistantes dentro de su espacio de trabajo y se evalúa la 16.
(17) cinemática inversa en cada uno de esos puntos para corroborar si el robot realmente puede llegar a un punto determinado.. 1.1.8. Cinemática inversa de robot serial utilizando algoritmo genético basado en MCDS. Autor: Juan Jairo Vaca Gonzales, Cristhian Andrés Peña Caro, Harold Vacca González Documento extraído de Revista Tecnura vol.19 no. 44 Bogotá Abril/junio 2015 Año de publicación: 2015 Este artículo desarrolla una metodología para la Solución de la cinemática inversa del Robot (Melfa RV-2A) luego de haber obtenido analíticamente por métodos matriciales la cinemática directa mediante el modelo cinemático directo screws (MCDS). Por otro lado se diseña un algoritmo genético basado en (MCDS) con el cual se soluciona la cinemática inversa de una forma fácil y eficaz en comparación a métodos tradicionales, el algoritmo genético es adaptable para cualquier tipo de mecanismo. A continuación en la figura se presenta el modelo de la estructura del robot.. Figura 5. Modelo de la estructura del robot Melfa RV-2A.. 1.1.9. Dynamic modeling and redundant force optimization of a 2-DOF parallel kinematic machine with kinematic redundancy Articulo extraido de Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Volume 32, April 2015, Pages 1-10 Autor: Yao Jiang, Tie-min Lin, Li-ping Wang En este documento proponen una maquina paralela planar con dos grados de libertad y redundancia cinemática, además estudian el modelado dinámico y utilizan un método para 17.
(18) la optimización de la fuerza redundante; ya que este método tiene como objetivo mejorar la precisión al momento de posicionarse reduciendo al mínimo los errores de posición de la plataforma manipulada en la máquina. Con esto las ventajas de añadir redundancia cinemática es evitar singularidades cinemáticas, aumentar el espacio de trabajo como también la mejora de la destreza para la máquina. El mecanismo consta de una plataforma manipulada, dos carriles verticales, tres deslizadores activos y un enlace extensible como se muestra en la figura 6.. Figura 6. Máquina herramienta hibrida.. Figura 7. Diagrama esquemático de la maquina. 18.
(19) 1.1.10. Kinematics analysis and workspace investigation of a novel 2-DOF parallel manipulator applied in vehicle driving simulator. Autor: Chen Zhang, Liyan Zhang Documento tomado de Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, Volume 29, Issue 4, August 2013, Pages 113-120. En este artículo estudian un manipulador paralelo con dos grados de libertad el cual es aplicado en un simulador de conducción, el mecanismo que plantean cuenta con dos rotaciones y está compuesto por una plataforma interior fija, dos cilindro eléctricos, pilares de apoyo una plataforma superior y algunas articulaciones. Para el que en primer lugar analizan las características de la cinemática de dicho manipulador junto con la descripción geométrica; y con esto hacen un estudio de algunas fórmulas analíticas para la solución de la cinemática inversa y el desplazamiento del mecanismo, presentan el análisis de espacio de trabajo que tendrá dicho manipulador. 1.1.11. Análisis de un manipulador paralelo plano de dos grados de libertad. Documento extraído de la Universidad Tecnológica de Pereira, 3er Congreso Internacional de Ingeniería Mecatrónica – UNAB Autor: Clemencia Niño, Héctor Quintero, Mauricio Monroy, Marlon Herrera En este trabajo realizan el diseño y análisis de un manipulador paralelo plano de dos grados de libertad, cuya finalidad es realizar procesos de pulido. Además presentan los resultados para la cinemática directa e inversa, junto con la dinámica inversa del dispositivo, comparándolos con los resultados obtenidos en ‘working model’. En la figura 8 se puede observar el dispositivo construido junto con la pieza a la que se quiere realizar el pulido.. Figura 8. Manipulador paralelo construido 19.
(20) Además en la figura 9 se observa el análisis geométrico planteado para el manipulador paralelo de dos grados de libertad. Figura 9. Manipulador paralelo 2 DOF. 1.1.12. Modelación y simulación dinámica de un brazo robótico de 4 grados de libertad para tareas sobre un plano horizontal Documento extraído de la facultad de ciencias e ingeniería, Pontificia Universidad Católica del Perú Autor: Luis Felipe López Apostolovich En este trabajo realizan la modelación y simulación de la dinámica inversa de un robot articular de cuatro grados de libertad con el que presentan un diseño preliminar del mecanismo donde muestran el dimensionamiento de los eslabones y la definición de los pares cinemáticos, de manera que el robot sea capaz de ubicarse sin problemas dentro de un área de trabajo. Por medio de la información obtenida en el diseño preliminar estudiaron la cinemática y la dinámica del mecanismo, enfocándose principalmente en el estudio geométrico del movimiento del brazo robótico. Luego de esto finalmente con el modelo obtenido hacen la simulación numérica de la dinámica del brazo del robot mediante MATLAB calculando los valores de torque que deberían producirse en los actuadores eléctricos. 20.
(21) Figura 10 Simulación de ubicación variando las coordenadas articulares en MATLAB. 1.2.. Justificación. En la actualidad el desarrollo de nuevas tecnologías en Colombia está ligado a los recursos económicos, lo cual es un obstáculo para el avance tecnológico ligado a la robótica, esta investigación quiere ser una herramienta que brinde una solución adsequible para cualquier persona identificando las necesidades en la industria teniendo crecimiento económico y aumentando el nivel progresivo y competitivo del país. La adquisición de dispositivos de robótica paralela es difícil por su elevado costo comercial, por tal motivo se ve la necesidad de reemplazar, en los entornos académicos, el dispositivo físico por máquinas virtuales como herramienta útil por su bajo costo y facilidad de adquisición. Las máquinas virtuales desempeñan un papel importante en la industria al ser utilizadas para la disminución de errores mediante simulaciones previas al trabajo en máquinas automatizadas, aumentando su producción y evitando costos por errores de programación. Entonces las máquinas virtuales pueden simular con mucha precisión el comportamiento de cualquier dispositivo, lo que hace que la interacción de la máquina virtual al físico sea muy parecida, para lo que se requiere realizar máquinas virtuales en diferentes configuraciones con el fin de ser utilizadas como fuente de aprendizaje sobre robótica paralela. 21.
(22) 1.3.. Objetivos. 1.3.1. Objetivo general. Desarrollar dispositivos modulares virtuales de arquitectura libre para el control de posicionamiento multi-axial.. 1.3.2. Objetivos específicos:. . . Completar el montaje virtual en plataforma NX Siemens para cuatro configuraciones del dispositivo modular de arquitectura libre para el control de posicionamiento multiaxial. Desarrollar la cinemática directa de cuatro configuraciones del dispositivo modular de arquitectura libre para el control de posicionamiento multiaxial. Desarrollar la cinemática inversa de cuatro configuraciones del dispositivo modular de arquitectura libre para el control de posicionamiento multiaxial. Programar un post procesador. 22.
(23) 2. Marco teórico 2.1.. Robótica Paralela. Los robots paralelos están conformados por cadenas cinemáticas independientes, poseen varias ventajas frente a los robots tipo serie, pueden alcanzar velocidades y aceleraciones superiores manejan cargas superiores, poseen alta rigidez lo que se traducen mayores precisiones. Su desventaja es que tiene menos espacio de trabajo además de tener una cinemática más compleja. [3]. 2.2.. Manipuladores Seriales. Un manipulador serial consiste de varios enlaces conectados en serie por diferentes tipos de juntas, por lo general juntas de revolución y prismáticas. Un extremo del manipulador está fijado en el suelo y el otro extremo es libre de moverse en el espacio. Por esta razón un manipulador serial es algunas veces llamado manipulador de lazo abierto. [3]. 2.3.. Cinemática. Estudio del movimiento de sistemas mecánicos, sin tomar en cuenta las fuerzas que originan dicho movimiento. Un propósito de la cinemática es diseñar los movimientos deseados para elementos mecánicos considerados, y luego calcular matemáticamente las posiciones, velocidades y aceleraciones que tales movimientos generan sobre dichos elementos. [2]. 2.3.1. Cinemática directa. Se refiere al estudio del movimiento del robot respecto a un sistema de referencia cartesiano fijo relacionando la dependencia que existe entre las coordenadas articuladas o generalizadas, y los parámetros geométricos con coordenadas cartesianas y la orientación del extremo final del robot. Además del uso de ecuaciones cinemáticas para calcular la posición de su actuador final a partir de valores específicos denominados parámetros. Por otro lado el problema cinemático directo consiste en determinar cuál es la posición y orientación del extremo final del robot, con respecto a un sistema de coordenadas que se toma como referencia, conocidos los valores de las articulaciones y los parámetros geométricos de los elementos del robot.. 23.
(24) 2.3.2. Cinemática inversa En Robótica, la cinemática inversa (IK) es la técnica que permite determinar el movimiento de una cadena de articulaciones para lograr que un actuador lineal se ubique en una posición concreta. El cálculo de la cinemática inversa es un problema complejo que consiste en la resolución de una serie de ecuaciones cuya solución normalmente no es única. El objetivo de la cinemática inversa es encontrar los valores que deben tomar las coordenadas articulares del robot para que su extremo se posicione y oriente según una determinada localización espacial. Depende de la configuración del robot existen soluciones múltiples. [2]. 2.4.. Tipos de movimiento. 2.4.1. Rotación pura El cuerpo posee un punto (centro de rotación) que no tiene movimiento con respecto al marco de referencia “estacionario”. Todos los demás puntos del cuerpo describen arcos alrededor del centro. Una línea de referencia trazada en el cuerpo a través del centro cambia solo su orientación angular. 2.4.2. Traslación pura Es el movimiento más simple que puede hacer un cuerpo rígido. Es un cuerpo que tiene un movimiento de traslación pura si un segmento considerado sobre el cuerpo se mueve en el espacio manteniéndose paralelo a sí mismo. Todos los puntos en el dispositivo describen trayectorias paralelas (curvas o rectas). Una línea de referencia trazada en el cuerpo cambia su posición lineal pero no su orientación o posición angular.. 2.4.3. Movimiento complejo Una combinación simultanea de rotación y translación. Cualquier línea de referencia trazada en el cuerpo cambiara tanto su posición lineal como su orientación angular. Los puntos en el cuerpo recorrerán trayectorias no paralelas, y habrá, en todo instante, un centro de rotación, el cual cambiara continuamente de ubicación. 2.5.. Eslabones y cadenas cinemáticas. 2.5.1. Eslabón Cuerpo rígido (supuesto) que posee por lo menos dos nodos que son puntos de unión con otros eslabones; el número de nodos le da el nombre al eslabón por ejemplo: binario= dos nodos, terciario=tres nodos, cuaternario=cuatro nodos etc. 24.
(25) 2.5.2. Cadena cinemática Un ensamble de eslabones y juntas interconectados de modo que produzcan un movimiento controlado en respuesta a un movimiento suministrado. Elementos que componen una cadena cinemática . Manivela: Eslabón que realiza una revolución competa y esta pivotada a la bancada. Balancín: Es un eslabón que tiene rotación oscilatoria (de vaivén) y esta pivotado a la bancada Acoplador o biela: Es un eslabón que tiene movimiento complejo y no esta pivotado a la bancada Bancada: Es cualquier eslabón o eslabones que están fijos (inmóviles) con respecto al marco de referencia.. 2.6. Grados de libertad El número de grados de libertad de un sistema es el número de parámetros (mediciones) independientes que se requieren para definir de manera única su posición en el espacio en cualquier instante de tiempo. Determinación del grado de libertad Mecanismo cerrado: No tendrá nodos con apertura y puede tener uno o más grados de libertad. Mecanismo abierto con más de un eslabón: siempre tendrá mas de un grado de libertad, por lo que requiere tantos actuadores como grados de libertad tenga. Un ejemplo común de un mecanismo abierto es un robot industrial.. Figura 11. Cadena de mecanismos. 25.
(26) Diada: es una cadena cinemática abierta de dos eslabones binarios y una junta.. Ecuación de Gruebler: . M= 3L-2J-3G. M= Numero de grados de libertad L: Numero de eslabones J: Numero de juntas G: Numero e eslabones fijados Ecuación de Kutzbach . M=3(L-1)-2J1-J2. M= Numero de grados de libertad. L: Numero de eslabones. J1: Numero de juntas completas. J2: Numero de semijuntas. [1]. 2.7.. Post building. Este entorno consiste en satisfacer necesidades específicas de diseñadores, ingenieros, ingenieros de fabricación, programadores de aplicaciones, programadores NC, los administradores de CAD / CAM, y los administradores de sistemas que tienen que crear programas para implementación de máquinas virtuales.. Es una aplicación que proporciona una interfaz gráfica de usuario para la creación de puestos de trabajo. Además Permite definir muchos aspectos de la producción, incluyendo las siguientes: . Tipos de bloques de salida y direcciones de palabra. Secuencia de salida para el siguiente: - Inicio del programa. - Comienzo de operaciones. - Fin de la operación. - Fin del programa. - Cambios de herramientas. - Ciclos fijos.. 26.
(27) Uno de los resultados del programa de Post Building es una herramienta de archivo de comandos Command Lenguaje (TCL). Con el conocimiento de la lengua TCL, puede personalizar ampliamente los scripts TCL. Post Building actualmente configura post-procesadores para lo siguiente: . fresadoras de 3 ejes 3 ejes centros de fresado y torneado (XZC) centros de fresado y torneado de varios ejes fresadoras de 4 ejes con una mesa giratoria o una cabeza giratoria fresadoras de 5 ejes con cabezales giratorios dobles o mesas giratorias fresadoras de 5 ejes con cabeza giratoria y mesa giratoria tornos 2 ejes 2 y 4 ejes máquinas de electroerosión por hilo.. Se proporciona una biblioteca de controlador, con soporte para varios controladores populares, incluyendo controladores de Siemens Sinumerik. [5] 2.8.. Espacio de Trabajo. El espacio de trabajo de un manipulador es definido como el volumen de espacio que el efector final puede alanzar. El espacio de trabajo se subdivide en áreas diferenciadas entre sí: área de trabajo accesible y área de trabajo diestra. El área de trabajo accesible es definida por el conjunto entero de puntos alcanzables por el manipulador al menos en una orientación, mientras que el área de trabajo diestra consiste en los puntos que puede alcanzar con cualquier orientación del elemento final. [3] 2.9.. NX SIEMENS. NX, también conocido como Siemens NX o simplemente Unigraphics o U-G, es un paquete de software CAD/CAM/CAE desarrollado por la compañía Siemens PLM Software (una unidad de negocios de la división de Siemens Industry Automation). Sus usos, entre otros, son los siguientes: . . Diseño: modelado paramétrico y directo de sólidos/superficies) Análisis para ingeniería: estático, dinámico, electromagnético y térmico usando el método de elementos finitos, y análisis de fluidos usando el método de volúmenes finitos. Manufactura digital para la industria de la maquinaria. [5]. 27.
(28) Figura 12. Aplicaciones de NX. 2.10.. Integrado de Simulación y Verificación (ISV). El modulo (ISV) permite simular una máquina herramienta con una pieza real dando una visión general de un proceso de mecanizado. El proceso de simulación anima los movimientos de la máquina herramienta, teniendo en cuenta las funciones del controlador y las configuraciones de la herramienta de corte. ISV cuenta con control de colisiones que permite la detección de colisiones entre los componentes de la máquina, accesorios, herramientas, partes y la pieza de trabajo en proceso. Los límites de recorrido de la máquina también son verificados. También puede ver las funciones del controlador de la máquina, incluyendo macros, llamadas a subrutinas, ciclos y funciones M, G y H. Comparación de la parte diseñada para la parte que está siendo fabricada. ISV consta de los siguientes componentes: • Visualización • Simulación • Fabricante de la máquina. 28.
(29) Figura 13. Representación esquemática ISV. 2.11.. Co-simulación. Puede utilizar una Co-simulación para controlar el de movimiento de un mecanismo utilizando un diagrama de sistema de control de modelado en MATLAB® Simulink® de The MathWorks, Inc. Esta característica permite que el diseñador del mecanismo y el diseñador del sistema de control de pruebas de la interacción entre los sistemas mecánicos y electrónicos en el proceso de diseño. Esta prueba temprana puede ayudar a verificar si el diseño del sistema de control es lo suficientemente robusta como para controlar el mecanismo dinámico. Una Co-simulación esta un integrado resuelto que se ejecuta tanto en NX simulación de movimiento y Simulink. Durante una co-simulación, a una velocidad de muestreo especificada, el diagrama del sistema de control recibe información sobre el estado del mecanismo (tales como desplazamientos, velocidades o aceleraciones) en cada paso. El sistema de control responde a las instrucciones que proporcionan la entrada a un conductor común o la fuerza o carga de par en el mecanismo. [5] 2.12.. Matlab. MATLAB es un lenguaje de programación de alto nivel orientado al cálculo técnico que integra un entorno para el cálculo, la visualización de resultados y la codificación de programas. Generalmente es utilizado en: . Cálculo y Matemática Desarrollo de Algoritmos Adquisición de datos Modelamiento, simulación y prototipamiento. Análisis, exploración y visualización de datos. Gráficos científicos y de ingeniería. Desarrollo de aplicaciones con interfaces gráficas.. 29.
(30) Principales Características 1. Lenguaje de programación de alto nivel para cálculo técnico. 2. Entorno de desarrollo para la gestión de código, archivos y datos. 3. Herramientas interactivas para exploración, diseño y resolución de problemas iterativos. 4. Funciones matemáticas para álgebra lineal, estadística, análisis de Fourier, filtraje, optimización e integración numérica. 5. Funciones gráficas para visualización de datos en 2D y 3D. 6. Herramientas para crear interfaces gráficas de usuario personalizadas. 7. Funciones para integrar algoritmos basados en MATLAB con aplicaciones y lenguajes externos (C/C++, FORTRAN, Java, COM y Microsoft Excel). 8. Provee Toolboxes, herramientas orientadas a problemas específicos. [4]. 2.13.. Simulink. Simulink es una herramienta que ofrece un editor gráfico, bibliotecas de bloques personalizables y un conjunto de solvers, para modelar y simular sistemas dinámicos. Está basado en un entorno de diagramas de bloque multidominio bajo un diseño basado en modelos. Simulink permite el diseño y la simulación a nivel de sistema, la generación automática de código, así como la prueba y verificación continua de los sistemas embebidos. La capacidad de integración de Simulink con MATLAB, le permite incorporar algoritmos de este lenguaje dentro de los modelos Simulink, exportar los resultados de la simulación a MATLAB para así poder llevar a cabo más análisis. Dentro del entorno MATLAB, Simulink es un toolbox que se diferencia de los otros, tanto por su interfaz especial como por la “técnica de programación”. El código fuente del Sistema Simulink no es abierto. [4]. 30.
(31) 3. Metodología Para obtener el desarrollo de los objetivos de este proyecto se siguieron los siguientes pasos: . Modelación Recopilación Diseño matemático Control de posicionamiento y programación. 3.1. Modelación Plataforma NX Siemens 10 Por medio de la plataforma CAD/CAM que ofrece el software Siemens NX 10, se logró realizar el modelamiento de cada una de las partes físicas faltantes de cada uno de los dispositivos modulares de arquitectura libre para el control de posicionamiento multi-axial, para ello se tomaron las medidas reales de cada componente que conforma los dispositivos. Para iniciar a ejecutar el modelamiento, el software cuenta con diferentes opciones de interfaz, lo que implica varios tipos de roles de trabajo, para mayor comodidad el trabajo comenzara en el “Role Advanced” que cuenta con menús completos y con esto se generaran todas las herramientas que el software NX proporciona a todos sus usuarios.. Figura 14. Iconos para selecciónar el role advanced.. Luego procedemos a dar en File → New, por lo que aparecen varias opciones, para este caso se escogerá el tipo de entorno damos clic en Model; Allí entraremos al entorno (CAD) del software, donde la plataforma mostrará la pantalla principal donde se realizaran los nuevos modelos.. 31.
(32) Figura 15. Ventana para selección de Templates.. El primer paso es escoger la opción “croquis”, en el cual se determinara cuáles serán los ejes que conformaran el plano de trabajo.. Teniendo este plano se podrá seleccionar alguna de las herramientas del menú que ofrece el software NX para dibujar las geometrías de cada elemento en 2D;. Figura 16. Herramientas para dibujo en 2D.. Con estas herramientas se crearán las figuras que se necesitan, entonces para hacer el modelado 3D se requiere de las siguientes herramientas, las cuales fueron utilizadas convenientemente a la geometría de cada componente.. 32.
(33) Figura 17. Herramientas para modelación en 3D.. Figura 18. Elemento extruido visualización 3D.. 3.2.. Recopilación. La búsqueda y recolección de información desde el inicio se había planteado como fuente de información un ingeniero egresado de la Universidad Santo Tomas el cual realizo varios proyectos con tecnologías CAD-CAM, ideal para el suministro de información así como su asesoría para poder llevar a cabo el desarrollo de los objetivos del proyecto. Lo cual no se llegó a realizar debido a que este ingeniero ya no se encuentra erradicado en Colombia y desde luego el contacto con él no se logró. La búsqueda y recolección de información para el desarrollo de este proyecto se tomaron en consideración diferentes fuentes de consulta. Una de ellas fue la base de datos de la universidad distrital francisco José de Caldas que posee artículos especializados como fuentes de ayuda para investigación a nivel mundial, como también artículos y trabajos 33.
(34) realizados y publicados en otras universidades como (Universidad de Sonsonate (El salvador), Universidad Tecnológica de Pereira (Colombia), Universidad de Pamplona (Colombia), Universidad de las Américas (Puebla, México)) entre otras instituciones. Lo cual nos proporcionó buena fuente de información para tener como punto de inicio. Los textos científicos y de ingeniería recolectados no proporcionaron buenas bases para la construcción y solución al problema planteado pues no ayudaron en su totalidad a contextualizar y ubicar la información relacionada. Algunos de estos temas son: mecanismos con desplazamientos cinemáticos, cinemática de mecanismos basados en robótica paralela mesas de coordenadas tri-axiales, robots manipuladores de trayectorias, modelación y simulaciones en plataforma virtuales, que ayudaron para el desarrollo de este proyecto. Por otra parte la recolección de información nos hizo llegar a una empresa Colombiana llamada (IDCAE) especialistas en soluciones PLM quienes se interesaron en ayudarnos para el desarrollo del proyecto, entonces la empresa nos asignó a un ingeniero mecanico egresado de la universidad Santo Tomas de Colombia, el cual fue el encargado de asesorarnos y brindarnos información para desarrollar los objetivos del proyecto en todo lo que tiene que ver con el área de NX SIEMENS específicamente con entornos como; Manufacturing, ISV, Motion Simulation, Machine Tool Builder, Machine Configurator. El ingeniero a cargo de asesorarnos como primera instancia nos dio unas recomendaciones para iniciar a desarrollar el proyecto que fueron; utilizar el software más actualizado hasta el momento NX SIEMENS 10 que contiene nuevas y mejoradas capacidades, la última versión de NX mejora la velocidad y la eficiencia a lo largo del desarrollo de cualquiera de sus funcionalidades, cómo NX CAD, CAM y CAE donde acelera sus procesos de diseño, ingeniería y fabricación. Otra de las recomendaciones que fue dada es el uso de este software en inglés, debido a que toda la información dada estaría suministrada en este idioma, esto se hizo con el fin de prevenir posibles obstáculos ya que el software viene con algunas malas traducciones en español.. 3.3.. Ensamble. Teniendo todas la piezas terminadas el software NX tiene dentro de su entorno una función llamada Assembly, la cual contiene la opción de ensamblar y crear un solo conjunto de la máquina, para esto vamos a New → Assembly. Ahora la primera ventana entrega la opción para agregar el componente base del ensamble del dispositivo, de esta ventana se selecciona la opción “abrir” donde se desprenderá una ventana con las piezas creadas (carpeta en el ordenador donde fueron guardadas las piezas), en esta se podrá seleccionar la pieza donde se comenzara a desarrollar el conjunto, al ser la figura base la plataforma que ofrece la opción de “fijo”. 34.
(35) Figura 19. Ventana de adición de elementos parte izquierda, carpeta con cada componente de máquina.. Escogiendo esta opción se procede a seleccionar la pieza en la vista preliminar del componente, así se creara la primera restricción de ensamble que es la base del dispositivo. Luego de esto el siguiente paso es agregar la pieza que se acopla al primer componente base, con la opción “agregar componente”.. Figura 20. Restricciones de ensamble. 35.
(36) Al igual que la pieza base se agrega el siguiente componente, con la diferencia que la nueva restricción dependerá del primer paso, tomando la restricción que mejor se adecue al objetivo, se podrá utilizar más de una, para la pieza.. Debido a que la pieza agregada tiene cierta complejidad para ser ensamblada, se pueden utilizar varias restricciones para cumplir con la posición en la cual debe quedar este elemento. Si hay piezas que son ensambladas pero se comportan como un solo elemento se escoge la restricción “unión” la cual unirá todas las partes seleccionadas, así se comportaran como un solo elemento se observa en las siguientes figura del proyecto ensamblado.. Figura 21. Piezas que fueron ensambladas pero se comportan como un solo elemento, con restricción de Unión para ensamble del dispositivo.. Cada una de las cuatro configuraciones creadas, (carpeta en el ordenador donde fueron guardadas con sus respectivas piezas que lo conforman, así mismo está el ensamble final de cada uno de ellos).. Figura 22. Ensamble Configuracion_0 de 3 ejes. 36.
(37) 3.4. Diseño matemático El diseño matemático se centra en el estudio de la cinemática directa de las distintas configuraciones que tiene el dispositivo de arquitectura libre estudiado. Ya que esta permite determinar la posición y la orientación del efector final a partir de los valores de las coordenadas articulares. Utilizando un método analítico para el análisis de la geometría de las configuraciones estudiadas respecto a un sistema de referencia cartesiano (Xo, Yo, Zo), donde se relaciona la dependencia entre eslabones mediante una cadena cinemática. Exceptuando la primera de las configuraciones FIG. Que fue estudiada mediante el método Denavit-Hartemberg en la parte primera parte del trabajo, que consistía en el diseño y construcción del mecanismo realizada por compañeros de ingeniería.. Figura 23. Modelado NX configuración 0 En el desarrollo de los parámetros y ecuaciones planteados para las distintas configuraciones del dispositivo se utilizó el programa MATLAB R2015a para la obtención de los resultados teóricos.. Figura 24 software MATLAB R2015a. 37.
(38) 3.5. Control de posicionamiento y Programación Se seleccionó cuatro tipos de configuraciones para la implementación de las máquinas virtuales donde se cuenta que tres de ellas, su arquitectura de maquina están basadas en robótica paralela, y la configuración restante en robótica serial o convencional.. Figura 25. Configuración_0, maquina basada en robótica serial de 3 ejes.. Figura 26. Configuración_1, maquina basada en robótica paralela.. 38.
(39) Figura 27. Configuración_2, maquina basada en robótica paralela.. Figura 28. Configuración_3, máquina basada en robótica paralela.. 39.
(40) 4. Metodología configuración 0. 4.1.. ISV. Generador de máquinas herramienta: Proporciona las herramientas para crear y editar una máquina herramienta para Simulación y Verificación Integradas (ISV por sus siglas en ingles). Cuenta con características de simulación de todo movimiento de la máquina herramienta, además de detectar colisiones en la máquina y mostrar la representación exacta de la cinemática de la máquina herramienta.. 4.2.. Definición de Cinemática.. El software NX maneja diferentes módulos de definición de cinemáticas dependiendo las necesidades y propiedades de lo que se desee simular. Estos módulos son: 1. Machine Tool Builder: Proporciona las herramientas completas para el modelado de la cinemática de dispositivos. 2. Machine Tool Configurador: Proporciona las herramientas para modelar la cinemática, utilizada para movimiento complejo de desplazamiento de los sistemas mecánicos (cinemáticas más complejas con un numero de ejes mayor a 3).. Luego de tener el dispositivo ya ensamblado totalmente se procede a definir la cinemática de máquina que rige el comportamiento del mismo, para esto utilizamos la herramienta Machine Tool Builder, la cual nos permite la construcción del modelo cinemático, donde se tendrá en cuenta la arquitectura de la máquina, así como sus restricciones geométricas. Teniendo la máquina en entorno Modeling, en la barra de menú damos clic en Aplication → More → Machine Tool Builder, donde se despliega una barra con las tres funciones principales de (ISV).. 40.
(41) Figura 29. Inicio a la aplicación fabricante de la máquina, que proporciona herramientas para crear y editar una máquina herramienta. Luego de dar inicio al Machine Tool Builder (MTB) nos desplazamos a la parte mediaizquierda donde nos aparece un nuevo icono en el Resourse Bar Options y damos clic en Machine Tool Navigator.. Figura 30. Inicio a navegador de la máquina-herramienta. Aquí se definió la arquitectura de la máquina, cuando se procede en la definición de enlace el programa pide que se seleccione el modelo que se quiere crear, donde se define primero un nombre a nuestro dispositivo. 41.
(42) Luego se define la base de la máquina que tendrá una restricción fija y será el elemento base de toda la máquina. Se agruparon componentes de esta parte del ensamble para formar la cinemática, y se define las relaciones entre los componentes. Se define ejes CN (nombres de cada elemento, movimiento lineal o angular, los límites de movimiento). El modelo cinemático se guarda con el archivo de ensamblaje de instalación de fabricación. Para que el software utilice esta información, y la información proporcionada por la definición de controlador (CSE o MTD) para mover la máquina durante la simulación.. Figura 31. Cinemática para la arquitectura de máquina Configuracion_0. Se define la cinemática de la máquina herramienta. Machine tool builder utiliza un árbol. Este árbol contiene componentes de cinemática (K-Componentes), que son componentes físicos de la máquina. El árbol muestra las relaciones entre cada uno de los componentes. Un componente con otros componentes que dependen de él, es un componente padre. Cada componente dependiente se considera un hijo del padre componente. Cuando el componente principal se mueve, cada componente hijo se mueve con él.. 42.
(43) Figura 32. Relación de (k-Componentes) para la cinemática de máquina. Para comprobar que la cinemática de máquina está correctamente se procedió a animarla, para esto damos botón izquierdo en el Machine Tool Builder y seleccionamos Preview motion.. Figura 33. Animación de máquina, verificación de límites de los ejes. Se verifico mediante la animación, que la cinemática de máquina funciona bien y que los límites de los ejes están bien definidos (no se salen del rango máximo de trabajo).. 43.
(44) 4.3.. Creación de Postprocesador.. Para la creación de postprocesadores el software NX Siemens cuenta con la herramienta Post Builder que utiliza datos de la trayectoria de herramientas como entrada y salidas del controlador de máquina esto en código CNC. Se personaliza los postprocesadores de varias maneras generando la salida que se necesita. Apoyados en categorías de máquinas-herramienta que son las siguientes: • Fresadoras • Tornos • Centros de Producción • Máquinas de electroerosión por hilo Se define el postprocesador inicialmente nombrándolo igual que la máquina, se definen parámetros como sistema de unidades y numero de ejes que tiene la máquina así como el tipo de control. •Genérico •De librería •Usuario El Postprocesador se define básicamente en - Machine tool - Program y tool path - NC Date Definitions - Output Settings - Virtual NC Controller En esta sección se definió el espacio de trabajo máximo así como la posición inicial del usillo. Se proporciona una biblioteca de controlador, con soporte para varios controladores populares, incluyendo controladores Siemens Sinumerik. También se definió los códigos NC de entrada de máquina y de salida Códigos G, y se enlazo con el porta herramienta.. 44.
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