ACONDICIONAMIENTO DE UN BRAZO MANIPULADOR MONITOREADO POR MEDIO DE INTERFAZ GRAFICA REALIZADA CON "INTOUCH THE WONDERWARE"

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ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ADOLFO LÓPEZ MATEOS

ACONDICIONAMIENTO DE UN BRAZO MANIPULADOR MONITOREADO POR MEDIO DE UNA INTERFAZ GRÁFICA REALIZADA CON “INTOUCH

THE WONDERWARE”

T E S I S C O L E C T I V A QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

PRESENTA:

ANTONIO ZAMORA RAFAEL

GALICIA BALÓN RICARDO

LEÓN ESPÍNDOLA LUIS MARIO

ASESORES:

M. EN C. MARTÍN ENRÍQUEZ SOBERANES

M. EN C. PEDRO FRANCISCO HUERTA GONZALEZ

(2)

UNIDAD PROFESIONAL "ADOLFO LÓPEZ

mateosセG

TEMA DE TESIS

QUE PARA OBTENER EL TITULO DE INGENIERO EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

POR LA OPCIÓN DE TITULACIÓN PROYECTO DE INVESTIGACIÓN SIP20090181

DEBERA(N) DESARROLLAR C. RAFAEL ANTONIO ZAMORA

C. RICARDO GALICIA BALÓN C. LUIS MARIO LEÓN ESPINDOLA

"DESARROLLO DE UN BRAZO MANIPULADOR MONITOREADO POR MEDIO DE INTERFAZ GRÁFICA REALIZADA CON INTOUCH THE WONDERWARE"

CONDICIONAR UN BRAZO MANIPULADOR, ASÍ COMO LA IMPLEMENTACIÓN DE UNA INTERFAZ HOMBRE-MÁQUINA REALIZADA CON EL PAQUETE SOFTWARE INTOUCH THE WONDERWARE.

>-

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL BRAZO MANIPULADOR Y GENERALIDADES

>-

ELEMENTOS QUE COMPONEN AL BRAZO MANIPULADOR FUNCIÓN Y

CARACTERÍSTICAS.

セ DISPOSITIVOS Y MODULOS DE ENTRADA Y SALIDA.

セ ACTUADORES.

>-

CONTROL LÓGICO PROGRAMABLE E INTERFAZ GRÁFICA (HMI).

MÉXICO D.F., 01 DE JUNIO 2010.

ASESOR

M. EN C. PEOR

ING. JOS Nmゥッiセ{B MEJÍA DOMÍNGUEZ JEFE DEL DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE INGENIERÍA EN CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN

F..xnUl ...A!L

(3)

Justificación

ii

Introducción

iii

INDICE

CAPÍTULO 1 DESCRIPCIÓN GENERAL DEL BRAZO

MANIPULADOR Y GENERALIDADES

1

1.1

Introducción

2

1.2

Condiciones iníciales del brazo manipulador

2

1.3

Tornillo sin fin y rueda helicoidal

4

1.4

Sistema cadena piñón

4

1.5

Fundamento de cadena

5

1.5.1 Tamaño de cadena 6

1.6 Cálculo para el largo de la cadena del brazo manipulador

1.6.1 Cadena entre piñón hombro y piñón conductor

1.6.1 Cálculo para cadena entre piñón conductor en el motor y piñón conducido en el eje principal.

1.6.2 Cálculo para cadena entre piñón conductor de eje principal y piñón conducido del codo.

1.7 Movimiento articulado de brazo y antebrazo

10

1.5.1 Desplazamiento del elemento brazo 11

1.5.2 Desplazamiento del elemento antebrazo 12

1.8 Desplazamiento giratorio del brazo manipulador

13

1.6.1

Base giratoria

13

1.6.2 Arreglo de bases 14

1.9

Implementación de elemento final o Gripper

15

1.0 Generalidades

16

(4)

1.10.5.1 Empleo 19

1.10.6 Lenguajes de programación 19

1.10.1 Protocolos de comunicación 20

1.10.7 Concepto de Interfaz 21

1.10.1 Tipos de HMI 21

1.10.7.2 Funciones de un software HMI 22

CAPÍTULO II ELEMENTOS QUE COMPONEN AL BRAZO

MANIPULADOR FUNCION Y CARACTERÍSTICAS

2.1 Introducción

24

2.2 Función de elementos principales

32

2.2.1 Base principal 32

2.2.2 Base secundaria 33

2.2.3 Base giratoria 33

2.2.4 Tronco o chasis 34

2.2.5 Eje principal 35

2.2.6 Brazo 36

2.2.7 Antebrazo 36

2.2.8 Mano (gripper) 37

CAPÍTULO III DISPOSITIVOS Y MODULOS DE ENTRADA

Y SALIDA

3.1 Introducción

40

3.2 Descripción de sensores

40

3.2.1 Sensores de contacto 40

3.2.2 Sensores de contacto para la detección de apertura 41

cierre de gripper

3.2.3 Sensores de contacto para la detección de objetos del gripper 42

3.2.4 Micro interruptor pulsador para detección de objetos 43

3.2.5 Sensores de contacto para control de giro de la cintura del robot 43

3.2.6 Potenciómetros 44

(5)

3.3.2 Selección de módulo de entradas analógicas 48

3.4 Conexión de módulos del PLC

49

CAPÍTULO IV ACTUADORES

4.1 Introducción

52

4.1.2 Características del reductor o motoreductor 53

4.1.3 Características del trabajo a realizar 53

4.2 Tipos de engranaje

53

4.2.1 Ventajas 53

4.2.2 Tipos y características 53

4.2.3 Montaje 54

4.2.4 Motores con engranaje reductor 54

4.2.5 Motores con engranaje reductor 54

4.3 Calculo para la selección de tamaño de un reductor

55

4.3.1 Motor de la base 55

4.3.2 Características de operación 56

4.3.3 Características del trabajo a realizar

4.4 Motor del hombro

58

4.4.1 Características de operación 58

4.4.2 Características del trabajo a realizar 59

4.4.3 Condiciones del ambiente 60

4.4.4 Ejecución del equipo 60

4.5 Motor del codo

61

4.5.1 Características de operación 61

4.5.2 Características del trabajo a realizar 63

4.5.3 Condiciones del ambiente 63

4.5.4 Ejecución del ambiente 63

4.6 Motor del gripper

66

4.6.1 Características de operación 66

4.6.2 Características del trabajo a realizar 66

4.6.3 Condiciones del ambiente

(6)

CAPÍTULO V CONTROL LOGICO PROGRAMABLE E

INTERFAZ GRAFICA (HMI)

5.1 Introducción

75

5.1.1 Controlador Lógico Programable 75 5.1.2 Fuente del PLC 78 5.1.3 Procesador del PLC 79

5.2 Programación

80 5.2.1 Comunicación PLC-PC 80 5.2.2 Programa del PLC para brazo manipulador 83

5.2.2.1 Explicación del programa 84

5.3 Diseño de Interfaz hombre maquina (HMI)

85

5.3.1 Características de software intouch 85 5.3.2 Requerimientos mínimos del sistema 86

5.3.3 Lógica de monitoreo 86

5.3.4 Desarrollo de la HMI 87

6.1 Anexo A prácticas

100

6.2 Práctica 1 100

6.3 Práctica 2 101

6.4 Práctica 3 102

6.2 Anexo B espacio de trabajo

103

6.4 Anexo C Ficha técnica del Elemento final o gripper Alcances 105

6.5 Anexo D Tabla de velocidad por tensión

107

Conclusiones

109

7.1 Bibliografía

110

8.1 Glosario

111

(7)

i

OBJETIVO

Acondicionar un brazo manipulador, así como la implementación de una interfaz Hombre-Máquina realizada con el paquete software INTOUCH the wonderware.

OBJETIVOS PARTICULARES

 Acondicionar un brazo manipulador.

 Desarrollar una interfaz gráfica para el brazo manipulador utilizando el software Intouch the wonderware.

 Realizar un programa en un PLC para el movimiento del manipulador.

(8)

ii

JUSTIFICACIÓN

La Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Zacatenco no cuenta con los suficientes materiales para prácticas sobre todo en la carrera de Manipuladores Industriales, lo cual es de vital importancia para la formación de los futuros ingenieros en Control y Automatización, pero en algunos casos se cuenta con equipo el cual se encuentra sin uso y abandonado lo cual representa un desperdicio de material el cual bien podría ser utilizado para el aprendizaje de los futuros ingenieros.

(9)

iii

MARCO TEÓRICO

A lo largo de los años la automatización ha sido pieza clave para el desarrollo del hombre como un ser inteligente. El avance al desarrollar nueva tecnología, fue fundamental para la mayor producción y menos costo de los procesos de trabajo.

La automatización hoy en día es una de las herramientas industriales más importante, ya que permite que nuestros procesos sean más exactos, más rápidos, menos peligrosos para los operadores y además, mucho más viables con el tiempo.

La robótica es una rama de la tecnología, que estudia el diseño y construcción de máquinas capaces de desempeñar tareas repetitivas o peligrosas para el ser humano.

Las tendencias actuales y los trabajos de investigación señalan que los robots tendrán un enorme campo de aplicación en nuestra vida cotidiana.

Existe una urgente necesidad de vincular la academia (que desarrolla robots), con la industria nacional (que requiere procesos robotizados), pues aunque siempre hay buenas ideas, hace falta que los empresarios se arriesguen e inviertan en su desarrollo.

Resulta que muchos de los prototipos que se construyen en las escuelas terminan almacenados en museos o relegados sin una aplicación productiva, cuando por falta de recursos no se desarrollan como soluciones específicas para las empresas del país.

(10)
(11)

1

CAPÍTULO I

DESCRIPCIÓN GENERAL DEL

BRAZO MANIPULADOR Y

GENERALIDADES

(12)

2

1.1 INTRODUCCIÓN

En este trabajo se analizará un brazo manipulador de tipo articulado o de revolución como el que se muestra en la figura 1.1, el cual requiere ser acondicionado y posteriormente monitoreado para que opere dentro de un proceso de recolección de piezas y ubicación de las mismas en un punto distinto.

Fig. 1.1 Brazo articulado o de revolución

Se requiere esencialmente que un brazo manipulador tenga movimiento automático y su funcionamiento para que opere dentro de los laboratorios de la escuela con fines didácticos.

Por otra parte es indispensable tener información detallada sobre las condiciones del brazo manipulador a distancia en tiempo real, esto hará posible conocer el estado del robot en cualquier momento, sin necesidad de que algún operario este presente durante su ciclo; además es necesario conocer si el proceso para el cual fue implementado el robot opera bajo condiciones óptimas.

El brazo manipulador que se analizará en este apartado es un sistema que se encontraba fuera de operación en uno de los laboratorios de Electrónica de la especialidad de Ingeniería en Control y Automatización de la Unidad Profesional Esime Zacatenco.

Es importante señalar que este proyecto se basa en un brazo manipulador, del que se desconocen los motivos del porque quedo inconcluso. También se debe hacer mención de que muchas veces los laboratorios de la carrera carecen del equipo suficiente para poner en práctica temas vistos de manera teórica. Por lo que el acondicionamiento de este brazo manipulador monitoreado por In-touch de Wonderware servirá para el equipamiento de uno de los laboratorios de la carrera de Ingeniería en Control y Automatización, de esta manera con el aprovechamiento de este equipo no utilizado en el laboratorio, futuros alumnos de la carrera tendrán la posibilidad de conocer de manera práctica una interfaz hombre maquina o HMI y poner en práctica programación vía PLC.

(13)

3

1.2

CONDICIONES INÍCIALES DEL BRAZO

MANIPULADOR

El brazo manipulador que se desea acondicionar y monitorear cuenta como se muestra en la figura 1.2 con dos elementos conocidos como brazo y antebrazo ambos son placas de aluminio dispuestos una después de la otra, cuenta también con un eje principal el cual está formado por un perno escalonado donde se encuentran montados 2 piñones o ruedas dentadas de manera transversal, tanto el perno como los piñones son de acero; también cuenta con 3 cadenas de diferente diámetro que engranan de manera muy precisa en los piñones conductores y en los conducidos (este sistema se explicara con mayor detenimiento más adelante).

Posee también de manera independiente dos piñones o ruedas dentadas una de mayor diámetro que la otra, el piñón de mayor diámetro tiene la función de trabajar como el “hombro” del robot y el de menor diámetro hace lo propio como el “codo”. Cuenta también con un chasis o esqueleto donde están montados todos los elementos ya mencionados más 2 motoreductores que transmiten el movimiento desde los piñones conductores hacia los conducidos.

Fig. 1.2 Condición inicial del brazo manipulador

Cabe aclarar que en su condición inicial el robot no contaba con un elemento final conocido como mano o gripper que pueda ser capaz de manipular artículos o piezas desplazándolos de un punto a otro, además tampoco se contaba con el grado de libertad conocido como cintura que permite un movimiento rotatorio del robot sobre su propio eje.

(14)

4

cadena sin fin cerrada. Las coronas o piñones de menor diámetro en este caso son las conductoras y las de mayor son las conducidas.

Ambos motores tienen el mismo arreglo de “tornillo sin-fin, engrane helicoidal y piñón conductor”. Los piñones conductores como se muestra en la figura 1.3 están dispuestos sobre un eje que los conecta con el engrane helicoidal; este engrane helicoidal recibe su transmisión a través de un tornillo sin fin montado en el eje del motoreductor.

Fig. 1.3 Arreglo tornillo sin fin, engrane helicoidal y piñón conductor

1.3 TORNILLO SIN FIN Y RUEDA HELICOIDAL.

Todos los mecanismos rotatorios descritos hasta ahora transmiten movimiento entre ejes paralelos. Sin embargo, el tornillo sin fin de la rueda helicoidal transmite movimiento entre ejes que están en ángulos rectos. Un engranaje helicoidal tiene sólo un diente con forma de hilo de rosca, o helicoidal.

Cada vez que el tornillo sin fin da una vuelta completa, sólo un diente de la rueda helicoidal pasa el punto X del diagrama. Por tanto, para hacer que la rueda helicoidal dé una vuelta completa, el tornillo sin fin tiene que girar 60 veces.

Relación de transmisión = nº de dientes de la rueda helicoidal/nº de dientes del tornillo sin fin. R= 21/1

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5

1.4 SISTEMA CADENA PIÑÓN

Este sistema aporta beneficios sustanciales respecto al sistema correa polea, pues al emplear cadenas que acoplan en los dientes de los piñones se evita el deslizamiento que se produce en el sistema de correa polea.

Presenta la ventaja de mantener la relación de transmisión constante (pues no existe deslizamiento) incluso transmitiendo grandes potencias entre los ejes (caso de motos y bicicletas), lo que se traduce en mayor eficiencia mecánica (mejor rendimiento. Además no necesita estar tan tensa como las correas lo que permite reducir averías en los rodamientos.

Presenta el inconveniente de ser más costoso, más ruidoso y de funcionamiento menos flexible (en caso de que el eje conducido deje de girar por cualquier causa el conductor también lo hará lo que puede producir averías en el mecanismo del motor o la ruptura de la cadena), así como impedir la inversión del sentido de giro, ni la transmisión entre ejes cruzados y por ultimo necesita la lubricación adecuada.

Como se puede ver en la figura 1.4 el piñón conductor transmite el movimiento a través de la cadena hacia el piñón conducido, el cual a su vez mueve al brazo; ya que el brazo y el hombro están unidos mediante 4 tornillos que los sujetan.

Por lo tanto cuando el piñón conductor dispuesto en el motor el brazo rote el brazo podrá desplazarse en un ángulo de aproximadamente 200°, de manera que cuando el piñón conductor gire en sentido inverso el brazo también invertirá su movimiento.

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6

1.5 FUNDAMENTO DE CADENA

Una cadena es un componente confiable de una máquina, que transmite energía por medio de fuerzas extensibles, y se utiliza sobre todo para la transmisión y transporte de energía en los sistemas mecánicos. La función y las aplicaciones de la cadena son similares a la de una correa.

La cadena de rodillo de acero está formada por una serie de piezas de revolución que actúan como cojinetes, estando situadas cada conjunto a una distancia precisa del otro mediante otras piezas planas llamadas placas. El conjunto cojinete está formado por un pasador y un casquillo sobre el que gira el rodillo de la cadena.

El pasador y el casquillo son cementados para permitir una articulación bajo presiones elevadas, y para soportar las presiones generadas por la carga y la acción de engrane impartida a través de los rodillos de cadenas, generalmente las placas exteriores e interiores se someten a un proceso de templado para obtener una mayor tenacidad

La razón entre la velocidad del eje más rápido dividido por la velocidad del eje más lento, es la relación de transmisión "i" ( * ). Se indica como "

1:i". Con este valor se obtiene el

tamaño de las catalinas a utilizar. La relación "i" debe corresponder a la razón entre la cantidad de diente del eje más lento dividida por la cantidad de dientes del eje más rápido denominada piñón. i =

Z

c

/ Z

p

Zc: cantidad de dientes del piñón conducido = 36

Zp : cantidad de dientes del piñón conductor= 11

i= 36/11= 3.27

La relación entre el piñón del motoreductor a el piñón del hombro es de 1:3.27. Con la siguiente tabla podemos determinar el paso de la cadena requerida.

Tabla T1:1 Paso de cadena

Paso de la cadena: 3/8"

Zp dientes del conductor 11 20 21 23 25 30 38 57 76 95 114 150

Zc dientes del conducido 36 42 45 42 45 45 50 50 75 100 100 100

Paso de la cadena: 1/2"

Zp dientes del conductor 11 20 21 23 25 30 38 57 76 95 114

Zc dientes del conducido 42 45 48 48 48 45 50 50 50 50 50

Paso de la cadena: 5/8"

Zp dientes del conductor 11 20 21 23 25 30 38 57 76 95 114

(17)

7

1.5.1 Tamaño de cadena

El tamaño de una cadena está representado por la separación entre ejes de los rodillos, llamada paso (P), existen en la serie BS (British Standart) los pasos:

3/8" (9,525mm), 1/2" (12,70mm), 5/8" (15,875mm), 3/4" (19,05mm), 1" (25,40mm), 1 1/4"

(31,75mm), 1 1/2" (38,10mm), 1 3/4" (44,45mm) y 2" (50,80mm) que son los de uso más

común.

Además las cadenas pueden ser de una, dos ó tres hileras de cadenas iguales en paralelo. A mayor paso y a mayor cantidad de hileras, la cadena resiste mayor carga.

Fig. 1.5 tipos de cadena

El largo de una cadena se expresa en cantidad de pasos, los cuales deben ser una cifra par con

objeto de unir los extremos usando un eslabón desmontable llamado "candado".

La fórmula para el largo de la cadena en cm."L" es:

L = (Zp + Zc) / 2 + A + X/A + Y donde: A = (2 * C) / P

Zp : cantidad de dientes del piñón.

Zc : cantidad de dientes de la corona.

P : paso de la cadena. C : distancia entre centros.

X : factor obtenido de la tabla siguiente en función de (Zc -

Zp).

(18)

8

TABLA T1:2 Tabla para el cálculo dl factor X en cadenas.

Factor X

(Zc - Zp) X (Zc - Zp) X (Zc - Zp) X (Zc - Zp) X

1 0.06 39 77.06 77 300.36 115 669.98

2 0.20 40 81.06 78 308.22 116 681.68

3 0.46 41 85.16 79 316.18 117 693.50

4 0.82 42 89.36 80 324.22 118 705.40

5 1.26 43 93.68 81 332.38 119 717.40

6 1.82 44 98.08 82 340.64 120 729.52

7 2.48 45 102.58 83 349.00 121 741.72

8 3.24 46 107.20 84 357.46 122 754.04

9 4.10 47 111.90 85 366.02 123 766.44

10 5.06 48 116.72 86 374.68 124 778.96

11 6.12 49 121.64 87 383.46 125 791.58

12 7.30 50 126.66 88 392.32 126 804.28

13 8.56 51 131.76 89 401.28 127 817.10

14 9.92 52 136.98 90 410.36 128 830.02

15 11.40 53 142.30 91 419.52 129 843.04

16 12.96 54 147.72 92 428.80 130 856.16

17 14.64 55 153.24 93 438.16 131 869.38

18 16.42 56 158.88 94 447.64 132 882.72

19 18.28 57 164.60 95 457.22 133 896.14

20 20.26 58 170.42 96 466.88 134 909.66

21 22.34 59 176.34 97 476.66 135 923.28

22 24.52 60 182.38 98 486.54 136 937.02

23 26.80 61 188.50 99 496.52 137 950.84

24 29.18 62 194.74 100 506.60 138 964.78

25 31.66 63 201.08 101 516.78 139 978.82

26 34.24 64 207.50 102 527.08 140 992.94

27 36.94 65 214.04 103 537.46 141 1007.18

28 39.72 66 220.68 104 547.94 142 1021.52

29 42.60 67 227.42 105 558.54 143 1035.96

30 45.60 68 234.26 106 569.34 144 1050.50

31 48.68 69 241.20 107 580.02 145 1065.14

32 51.88 70 248.24 108 590.90 146 1079.88

33 55.16 71 255.38 109 601.90 147 1094.72

34 58.56 72 262.62 110 613.00 148 1109.66

35 62.06 73 269.98 111 624.18 149 1124.72

(19)

9

1.6 CALCULO PARA EL LARGO DE LAS 3

CADENAS

UTILIZADAS EN EL BRAZO MANIPULADOR

1.6.1 Cadena entre piñón hombro y piñón conductor

(Zp+Zc)/2 = 23.5

A = 46.03 cm

P= 3/8” = .9552 cm

(Zp-Zc) = 25= factor X= 31.66

L = (Zp + Zc) / 2 + A + X/A + Y = 70.21 cm.

1.6.1 Cálculo para cadena entre piñón conductor en el motor y piñón

conducido en el eje principal.

(Zp+Zc)/2 = 18

A = 37.58 cm

P= 3/8” = .9552 cm

(Zp-Zc) = 14 = factor X= 9.92

L = (Zp + Zc) / 2 + A + X/A + Y = 56.94 cm.

1.6.2 Calculo para cadena entre piñón conductor de eje principal y piñón

conducido del codo.

(Zp+Zc)/2 = 26.5

A= 62.81

P= 3/8” = .9552 cm

(Zp-Zc) = 3 = factor X= .45

(20)

10

1.7 MOVIMIENTO

ARTICULADO

DEL

BRAZO

Y

ANTEBRAZO

El movimiento rotatorio del antebrazo es una combinación de 2 sistemas cadena piñón. En primer lugar tenemos un piñón conductor montado en el eje del motoreductor el cual se conecta al eje principal el cual lo conforman un par en piñones colocados transversalmente sobre un perno.

El piñón conductor del motor actúa sobre el primer piñón del eje principal el cual está montado sobre un balero y le permite un movimiento giratorio.

Por otra parte el segundo piñón del eje principal es un piñón conductor que transmite a través de la cadena un movimiento rotatorio a el codo el cual es un piñón conducido.

Por lo tanto cuando el conductor piñón del motor rote el antebrazo se desplazara en un ángulo máximo de 270°. De manera que cuando el piñón invierta su giro el antebrazo también en sentido inverso

(21)

11

1.7.1 Desplazamiento del elemento brazo

Como se aprecia en las figura 1.6 y 1.7 el desplazamiento del elemento brazo depende del sentido con el que gire el piñón conductor situado en el eje del moreductor.

Fig. 1.6 Desplazamiento rotatorio del elemento brazo hacia la derecha

(22)

12

1.7.2 Desplazamiento del elemento antebrazo

Como se aprecia en las figura 1.6 y 1.7 el desplazamiento del antebrazo depende del sentido con el que gire el piñón conductor situado en el eje del moreductor.

Fig. 1.8 Desplazamiento del antebrazo hacia abajo

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13

1.8 DESPLAZAMIENTO

GIRATORIO

DEL

RAZO

B

MANIPULADOR

1.8.1 Base giratoria

Una vez que se conoce el funcionamiento general del brazo manipulador se procede a elaborar un grado más de libertad ya que en este momento solo cuenta con dos, que son el hombro y el codo. Por lo que el siguiente grado de libertad será el elemento cintura que permite al brazo manipulador girar sobre su propio eje.

Lo que se procede a hacer es a montar el tronco o chasis sobre un engrane que le permita girar sobre su eje. Este engrane a su vez está montado sobre una chumacera de piso fija que contiene su propio balero tal como se muestra en la figura 1.9 y 1.10.

Fig. 1.10 y 1.11 Engrane montado en chumacera de piso fija

Como se puede apreciar en la siguiente figura al chasis se agregaron dos piezas de ángulo que se fijaron debajo de cada uno de los prensores del eje principal. Esto es para fijar chasis al engrane base. Cada pieza ángulo soldado al chasis contiene tres barrenos de 1/8” a su vez el engrane como lo muestra la figura 1.10 contiene 6 barrenos que corresponden a los barrenos de los ángulos.

(24)

14

1.8.2 Arreglo de bases

De esta manera se logro que el brazo manipulador tuviera un grado más de libertad, y así se desplazara de manera giratoria sobre su propio eje.

Después de esto fue necesario montar a la base giratoria sobre dos bases conocidas como base principal y base secundaria como se muestra en la figura. Ambas dispuestas de manera tal que permitirán la entrada de un motoreductor, el cual permitirá la transmisión entre engranes.

Fig. 1.13 Juego de bases y motor de base

La base giratoria que comprende a los elementos engrane, balero y chumacera esta ultima se encuentra fija al elemento base secundaria mediante 2 tornillos de 1/4” de grosor y 1/2” de largo. Lo que permitirá que la base giratoria permanezca fija cuando esta opere.

Tanto la base principal como la base secundaria se encuentran fijas mediante cuatro tornillos dispuestos en medio de ambas. Estas bases brindan mayor altura al motor para un mayor alcance, además de permiten que el robot opere con un área de soporte más amplia.

(25)

15

1.9 IMPLEMENTACIÓN

DE

ELEMENTO

FIN

AL

O

GRIPPER

Por último era necesario que el brazo tenga un elemento final conocido como mano o gripper, el cual es capaz de manipular objetos o piezas desplazándolas a diferentes puntos.

El gripper que se muestra en la siguiente figura es un juego de pinzas dispuestas sobre un husillo que cuenta con 2 diferentes cuerdas sobre las que están montadas de manera independiente ambas pizas que permiten que las pinzas se desplacen en sentidos opuestos.

Cuando el husillo gira en sentido horario las pinzas se desplazan de manera longitudinal encontrándose en un punto medio. De la misma manera cuando el husillo gira en sentido anti horario ambas se separan hasta llegar a un punto límite determinado por el sujetador de todos los elementos que conforman al gripper que se muestra en la siguiente figura.

Fig. 1.14 Acoplamiento de mano o gripper en antebrazo

De esta manera el brazo manipulador cuenta con 3 grados de libertad que son:

 Hombro

 Codo

 Cintura

Ademes de un elemento final conocido como gripper o mano. De esta manera el brazo manipulador ahora es capaz de ser automatizado mediante PLC (control programable lógico) y monitoreado vía HMI (interfaz hombre maquina)

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16

1.10 GENERALIDADES

1.10.1 Clasificación de los robots

La potencia del software en el controlador determina la utilidad y flexibilidad del robot dentro de las limitantes del diseño mecánico y la capacidad de los sensores. Los robots han sido clasificados de acuerdo a su generación, a su nivel de inteligencia, a su nivel de control, y a su nivel de lenguaje de programación. Estas clasificaciones reflejan la potencia del software en el controlador, en particular, la sofisticada interacción de los sensores.

La generación de un robot se determina por el orden histórico de desarrollos en la robótica. Cinco generaciones son normalmente asignadas a los robots industriales. La tercera generación es utilizada en la industria, la cuarta se desarrolla en los laboratorios de investigación, y la quinta generación es un gran sueño.

1.- Robots Play-back, los cuales regeneran una secuencia de instrucciones grabadas, como un robot utilizado en recubrimiento por spray o soldadura por arco. Estos robots comúnmente tienen un control de lazo abierto.

2.- Robots controlados por sensores, estos tienen un control en lazo cerrado de movimientos manipulados, y hacen decisiones basados en datos obtenidos por sensores.

3.- Robots controlados por visión, donde los robots pueden manipular un objeto al utilizar información desde un sistema de visión.

4.- Robots controlados adaptablemente, donde los robots pueden automáticamente reprogramar sus acciones sobre la base de los datos obtenidos por los sensores.

5.- Robots con inteligencia artificial, donde los robots utilizan las técnicas de inteligencia artificial para hacer sus propias decisiones y resolver problemas.

La Asociación de Robots Japonesa (JIRA) ha clasificado a los robots dentro de seis clases sobre la base de su nivel de inteligencia:

1.- Dispositivos de manejo manual, controlados por una persona.

2.- Robots de secuencia arreglada.

3.- Robots de secuencia variable, donde un operador puede modificar la secuencia fácilmente.

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17

5.- Robots de control numérico, donde el operador alimenta la programación del movimiento, hasta que se enseñe manualmente la tarea.

1.10.2 Configuraciones de los robots

Con la finalidad de emular los movimientos del brazo, se han desarrollado diversas configuraciones básicas de los robots, los cuales basan su movimiento en los pares cinemáticos de revolución y prismáticos.

Cartesiano: con capacidad de movimiento a lo largo del los ejes X, Y y Z.

Fig. 1.15 Configuración cartesiana

Esférico o polar: con dos articulaciones de revolución y una prismática.

Fig. 1.16 Configuración esférica o polar

Brazo articulado o de revolución: únicamente conformado por articulaciones de revolución.

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1.10.3

Aplicaciones

Los robots son utilizados en una diversidad de aplicaciones, desde robots tortugas en los salones de clases, robots soldadores en la industria automotriz, hasta brazos teleoperados en el transbordador espacial.

Cada robot lleva consigo su problemática propia y sus soluciones afines; no obstante que mucha gente considera que la automatización de procesos a través de robots está en sus inicios, es un hecho innegable que la introducción de la tecnología robótica en la industria, ya ha causado un gran impacto. En este sentido la industria Automotriz desempeña un papel preponderante.

Es necesario hacer mención de los problemas de tipo social, económicos e incluso político, que puede generar una mala orientación de robotización de la industria. Se hace indispensable que la planificación de los recursos humanos, tecnológicos y financieros se realice de una manera inteligente.

Por el contrario la Robótica contribuirá en gran medida al incremento del empleo. ¿Pero, como se puede hacer esto? al automatizar los procesos en máquinas más flexibles, reduce el costo de maquinaria, y se produce una variedad de productos sin necesidad de realizar cambios importantes en la forma de fabricación de los mismo. Esto originara una gran cantidad de empresas familiares (Micro y pequeñas empresas) lo que provoca la descentralización de la industria.

1.10.4 Grados de libertad

Todas estas configuraciones antes mencionadas, en un principio, consideran únicamente tres grados de libertad en su representación, que permiten que el manipulador posicione su efector final en cualquier punto dentro de su espacio de trabajo.

Grados de libertad adicionales se utilizan para darle la orientación deseada o necesaria, de acuerdo con la tarea a desempeñar.

Los cuerpos rígidos con los que se forman los mecanismos se llaman eslabones: estos se unen a un sistema cinemático con una función bien definida de movimiento.

A la unión de dos eslabones que permiten un movimiento relativo, se le llama par cinemático o simplemente par.

El número de grados de libertad del robot viene dado por la suma de los GDL de las articulaciones que lo componen.

1.10.5 Concepto de PLC

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19

1.10.5.1 Empleo

La flexibilidad y capacidad en manejo de señal, así como su relativo bajo costo ha permitido que los PLC`s se hagan comunes en la industria. Al no existir un lenguaje de programación, sino una serie de reglas lógicas, aumenta su flexibilidad pudiéndose lograr desde controles simples hasta muy complejos, de ahí que su abanico de aplicaciones sea tan extenso. Es útil prácticamente en cualquier proceso industrial.

De modo básico, un PLC consiste en una ALU (unidad aritmética lógica), que se encarga de comparar el módulo de entrada y la memoria en la que se graba el programa; cuando el programa coincide con las condiciones de entrada activa las salidas especificadas en la memoria, modificando el bloque de salidas, obviamente, esté es solo un bosquejo de su arquitectura.

Los actuales PLC`s incluyen un sin número de funciones más, y aunque su arquitectura y componentes han sido sustituidos por otros de mayor potencia en cuanto a análisis, la estructura básica ha cambiado poco; por otro lado, salvo esas nuevas funciones de nivel avanzado, mucho de la programación sigue igual.

El PLC compara sus entradas con su memoria (donde se guarda el programa) para alterar las salidas según corresponda. Sin embargo, no todas las entradas/salidas necesitan ser físicas; El PLC es capaz de usar salidas internas (es decir, electrónicamente presentes, pero intangibles) que a su vez, puede ser tomadas como entradas.

El PLC se encarga solo de la etapa de control, fuera del PLC debe considerarse que se requiere de una interfaz para adaptar las señales del PLC al proceso y viceversa, ya que el PLC tan solo trabaja con señales lógicas de 24 VCD.

Debe tenerse en cuenta que se requiere de una etapa de interfaz, y que las señales que se van a trabajar, son comúnmente lógicas. Así mismo, las salidas se deben trabajar de mismo modo, y deben tenerse en cuenta el número máximo de entradas y salidas que el PLC puede manejar.

Comúnmente los PLC están construidos de tal modo que se pueden agregar módulos de entradas/salidas aumentando el número máximo, sin embargo, aun el número máximo de estos módulos es finito.

El proceso de la señal del PLC es eternamente lógica, es decir, una señal puede ser procesada como una señal booleana, y no puede ser amplificada, codificada o algún otro proceso similar aunque existen módulos especiales para poder trabajar señales analógicas.

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20

Un PLC ordinario trabaja con señales de corriente continua de 24 v. Así mismo, sus entradas trabajan con el mismo voltaje; La corriente máxima no es muy alta, ya que está dedicada a control; puede, por ejemplo, activar electro válvulas o relevadores, pero no puede encender motores. Debe incluirse una etapa de interfaz a fin de proteger el PLC, y también a fin de proveer la energía necesaria para llevar a cabo el proceso.

1.10.6 Lenguajes de programación

Un PLC utiliza uno o varios lenguajes de programación. Hoy en día existen tres generales, que son listado de instrucciones, funciones lógicas y diagrama de escalera.

El sistema de listado de instrucciones es un modo de expresar porciones de programa en un lenguaje similar al ensamblador, la ventaja de este lenguaje es que permite el uso de instrucciones avanzadas para manejo de datos; sin embargo, las sintaxis cambian ligeramente entre marcas.

El sistema de funciones lógicas resulta ser cómodo para aquellos que han trabajado circuitos lógicos combinatorios, ya que las instrucciones del PLC están expresadas mediante compuertas lógicas (AND, OR, NAND, NOR, XOR, etc.).

Finalmente, el sistema por diagrama escalera es el lenguaje de PLC universal; tiene de su lado que es muy cómodo monitorear fragmentos de programa y resulta casi intuitivo en lo que a programación se refiere.

1.10.6.1 Protocolos de comunicación

En principio un protocolo de comunicación es un conjunto de reglas que permiten la transferencia e intercambio de datos entre los distintos dispositivos que conforman una red industrial. Estos han tenido un proceso de evolución gradual a medida que la tecnología electrónica ha avanzado y muy en especial en lo que se refiere a los microprocesadores. La irrupción de los microprocesadores en la industria han posibilitado su integración a redes de comunicación con importantes ventajas, entre las cuales figuran:

Los buses de datos que permiten la integración de equipos para la medición y control de variables de proceso, reciben la denominación genérica de buses de campo.

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21

1.10.7 Concepto de interfaz

La idea fundamental en el concepto de interfaz es el de mediación, entre hombre y máquina. La interfaz es lo que "media", lo que facilita la comunicación, la interacción, entre dos sistemas de diferente naturaleza, típicamente el ser humano y una máquina como el computador. Esto implica, además, que se trata de un sistema de traducción, ya que los dos "hablan" lenguajes diferentes: verbo-icónico en el caso del hombre y binario en el caso del procesador electrónico.

De una manera más técnica se define a Interfaz de usuario, como conjunto de componentes empleados por los usuarios para comunicarse con las computadoras. El usuario dirige el funcionamiento de la máquina mediante instrucciones, denominadas genéricamente entradas. Las entradas se introducen mediante diversos dispositivos, por ejemplo un teclado, y se convierten en señales electrónicas que pueden ser procesadas por la computadora.

Estas señales se transmiten a través de circuitos conocidos como bus, y son coordinadas y controladas por la unidad de proceso central y por un soporte lógico conocido como sistema operativo. Una vez que la UPC ha ejecutado las instrucciones indicadas por el usuario, puede comunicar los resultados mediante señales electrónicas, o salidas, que se transmiten por el bus a uno o más dispositivos de salida, por ejemplo una impresora o un monitor.

Un ordenador ayudado de un sistema de información consiste en tres principales componentes: hardware, software y usuario. La interacción de estos componentes es una de las más importantes partes del sistema: el interfaz hombre-máquina. Fig. 1.8.

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1.10.7.1 Tipos de HMI

 Desarrollados a la medida. Se desarrollan en un entorno de programación como VC++, Visual Vasic, Delphi, etc.

 Paquetes enlatados HMI. Son los de software que contemplan la mayoría de las funciones estándares de los sistemas SCADA. Ejemplos son Wonderware, FIX, WinCC, etc.

1.10.7.2 Funciones de un Software HMI

 Monitoreo. Es la habilidad de3 obtener y mostrar datos de la planta en tiempo real.

Estos datos se pueden mostrar como números, texto o gráficos que permitan una lectura más fácil de interpretar.

 Supervisión. Esta función permite junto con el monitoreo la posibilidad de ajustar las condiciones de trabajo del proceso directamente desde la computadora.

 Alarmas. Esta es la capacidad de reconocer eventos excepcionales dentro del proceso y reportar estos eventos. Las alarmas son reportadas basadas en límites de control preestablecidos.

 Control. Es la capacidad de aplicar algoritmos que ajustan los valores del proceso y así mantener estos valores dentro de ciertos límites. Control va mas allá del control de supervisión removiendo la necesidad de la interacción humana. Sin embargo la aplicación de esta función desde un software corriendo en una PC puede quedar limitada por la confiabilidad que quiera obtenerse del sistema.

 Históricos. Es la capacidad de muestrear y almacenar en archivos, datos del proceso

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23

CAPÍTULO II

ELEMENTOS MECÁNICOS DE

BRAZO MANIPULADOR FUNCIÓN

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2.1 INTRODUCCIÓN

El objetivo de este capítulo es el de mostrar las partes principales con las que se encontraba el brazo manipulador y con las que ahora cuenta; destacando el funcionamiento de las más importantes. En la siguiente figura se muestra el ensamble del brazo manipulador y la identificación de sus principales componentes.

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25

En la siguiente tabla se muestran los elementos que componen al brazo manipulador, su nombre. Sus dimensiones, su peso y el material con que fueron elaborados.

Cabe mencionar que al final de la tabla se mencionan las dimensiones y peso de los motores del brazo que permiten el desplazamiento de sus articulaciones; pero en el siguiente capítulo se especifican sus capacidades y su carga de trabajo requerido.

TABLA T2.1 Elementos que componen al brazo manipulador

Figura Nombre Características

Base principal

Dimensiones mm Material

Largo: 195 Ancho: 165 Alto: 52 Grosor: 2 mm Entrada de motor

Ancho: 45 Largo: 55

Lamina de fierro

Peso gr

250

Base secundaria

Dimensiones mm Material

Largo: 140 Ancho: 150 Alto: 50 Grosor: 3

Trapecio para entrada de motor

Base menor: 35 Base mayor:55

Altura: 30

Lamina de acero inoxidable

Peso gr

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TABLA T2.1 Elementos que componen al brazo manipulador (cont.)

Figura Nombre Características

Base giratoria

Dimensiones mm Material

Diámetro:124 Grosor: 4

Acero inoxidable

Numero de dientes: 96 Engrane montado sobre balero

Peso gr

650

Esqueleto

Dimensiones mm Material

Largo: 385 Ancho: 160 Alto: 15 Grosor: 3

Ángulo de Fierro

Peso gr

1550

Eje principal

Dimensiones mm Material

Largo: 140 Diámetro del perno:14

Diámetro de los engrane:56 No. De dientes: 25

Par de ruedas dentadas (piñones) montadas en

un perno.

Acero inoxidable

Peso gr

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27

TABLA T2.1 Elementos que componen al brazo manipulador (cont.)

Figura Nombre Características

Brazo

Dimensiones mm Material

Largo: 347 Ancho: 50 Grosor: 40

Aluminio

Peso gr

276

Antebrazo

Dimensiones mm Material

Largo: 347 Altura: 50 Grosor: 40 Diámetro de las Circunferencias:

25

Aluminio

Peso gr

177

Mano (Gripper)

Dimensiones mm Material

Largo: 172.7 Altura: 25.4 Grosor: 10.16

Altura: 94

Pinzas y sujetador: Aluminio

Usillo: Fierro

Peso gr

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28

TABLA T2.1 Elementos que componen al brazo manipulador (cont.)

Figura Nombre Características

Abrazadera de motor de gripper

Dimensiones mm Material

Largo: 50 Altura: 32 Grosor: 2

Aluminio plastificado

Peso gr

9.5

Perno de sujeción de usillo con motor de gripper

Dimensiones mm Material

Diámetro: 15.24 Largo: 25.4

Acero

Peso gr.

40

Piñón (hombro)

Dimensiones mm Material

Diámetro: 76 Altura: 12

Grosor: 3

Acero inoxidable

No. de dientes: 36

Peso gr

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29

TABLA T2.1 Elementos que componen al brazo manipulador (cont.)

Figura Nombre Características

Piñón (codo)

Dimensiones mm Material

Diámetro: 60 Altura: 12

Grosor: 3

Acero inoxidable

Peso gr

No. de dientes: 28

66.8

Piñón tensor de cadena grande

Dimensiones mm Material

Diametro: 30

Altura: 10 Acero

No de dientes: 11

Peso gr

8.4

Engrane sin-fin

Dimensiones mm Material

Largo: 21 Diámetro: 18

Acero

1 diente

Peso gr

9.1

Engrane helicoidal

Dimensiones Material

Largo 21 Diámetro 16

Acero

21 dientes

Peso gr

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30

TABLA T2.1 Elementos que componen al brazo manipulador (cont.)

Figura Nombre Características

Engrane de transmisión de

engrane base

Dimensiones mm Material

Altura: 16 Diámetro: 11

Acero inoxidable

Peso gr

25 No. de dientes: 28

Abrazadera

Dimensiones mm Materiales

Diámetro: 5.1

Acero inoxidable

Peso gr

127.6

Cadena larga

Dimensiones Materiales

Largo: 900.8

Acero

Peso gr

97

Cadena mediana

Dimensiones Materiales

Largo: 702.1

Acero

Peso 78.5

Cadena pequeña

Dimensiones Materiales

Largo: 569.4

Acero

Peso

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31

TABLA T2.2 Motores que componen al brazo manipulador

Figura Nombre Características

Motor de hombro A

Motor tipo Material

Motoreductor a 24 V

Lamina y acero

Peso gr

620

Motor de codo B

Motor tipo Material

Motoreductor a 24 V

Lamina y acero

Peso gr

620

Motor de Base giratoria C

Motor tipo Material

Motoreductor a 24 V

Lamina y acero

Peso gr 360

Motor de Gripper D

Motor tipo Material

Motoreductor a 24 V

Lamina y acero

Peso gr

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32

2.2 FUNCION DE LOS ELEMENTOS PRINCIPALES

2.2.1 Base principal

Descripción general

Consta de 2 placas de lámina de acero de 90º unidas por medio de soldadura por arco voltaico formando un rectángulo de 195 mm de largo y 165 mm de ancho y una altura de 52 mm. Cuenta también con una apertura para motor en la parte frontal de la unión; la apertura es un rectángulo de 45 mm de ancho por 55 mm de largo. Este elemento paso como los demás por un proceso de lijado, limado y por ultimo de cromado que ofrece un acabado espejo.

Por otra parte cuenta con cuatro barrenos con cuenda estándar de 3.175 mm (1/8), sobre los cuales están atornillados la siguiente base (base secundaria). También cuenta con dos barrenos machuelados donde está montada una abrazadera para el motor C que da el movimiento de rotación del motor.

Fig. 2.3 Base principal

Función

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33

2.2.2 Base secundaria

Descripción general

Pieza de acero templado con un largo de 140 mm un ancho de 140 mm y una altura de 50 mm. Cuenta con un barreno en su centro y 2 barrenos de menor tamaño de manera lateral.

Cuenta con una apertura para el libre acceso del motor que da el movimiento giratorio al engrane base.

Este elemento tiene un proceso de limado lijado y cromado que ofrece un acabado a espejo.

Fig. 2.4 Base secundaria

Función principal

La función principal de este elemento es la sostener a la base giratoria. El cual da el movimiento giratorio de 180° al brazo manipulador

2.2.3 Base giratoria

Descripción general

Cuenta con las siguientes dimensiones 124 mm de diámetro y 4 mm de grosor. Cuenta con 100 dientes además de 6 barrenos de 1/8” de pulgada y con cuerda estándar con los que se fija el engrane el elemento esqueleto.

El engrane esta sujetado a una chumacera circular que contiene un rodamiento de 1/2” donde se monta el engrane y ofrece el movimiento giratorio.

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34

Funcionamiento

La función de este elemento es la de dar el movimiento giratorio al brazo manipulador. Esto lo logra fijando el elemento tronco al engrane de 96 dientes el cual a su vez está montado en un una chumacera de piso fija con su respectivo balero.

2.2.4 Tronco o chasis

Descripción general

Elemento conformado por ángulo de fierro y tubular. Cuenta con 4 barras de ángulo formando un rectángulo de 385 mm de largo por 160 mm de ancho y 15 mm de alto, Cuenta con 4 piezas de tubular cuadrado de 10 mm de espesor que conforman 2 triángulos montados en los extremos largos de las piezas de ángulo como se muestra en la figura.

Fig. 2.6 Tronco o chasis

Funcionamiento

La función de este elemento es la de hacer la función del tronco en el sistema, manteniendo al brazo, al antebrazo y a la mano como un conjunto.

2.2.5 Eje principal

Descripción general

Consta de las siguientes partes perno escalonado, 2 pares de engranes con las siguientes dimensiones 56 mm de diámetro y 26 dientes.

Ambos engranes como se muestra en la figura están dispuestos de manera paralela y están unidos mediante soldadura por arco voltaico.

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35

Funcionamiento

Su función principal es la de transmitir un movimiento circular usando sistema cadena-piñón; cabe destacar que durante la operación el perno y de los piñones estos siempre permanecen estáticos ya que es a través de cadena que transmiten el movimiento a otro piñón el cual si tiene movimiento.

2.2.6 Brazo

Descripción general

Pieza de aluminio que cuenta de una longitud de 347 mm, un ancho de 50 mm y un grosor de 3mm. Se encuentra redondeada por los extremos a un radio de 35 mm. Cuenta como se muestra en la figura con un perno de 10 mm de diámetro por 25 mm de largo donde se coloca el elemento piñón (codo).

En el extremo opuesto de donde se encuentra el perno se ubica un barreno principal de 3 mm de diámetro por donde pasa el eje principal y en sus cuatro puntos cardinales se ubican 4 barrenos pequeños .125mm (1/8”) con cuerda estándar donde se colocan 4 tornillos que sujetan a los elementos antebrazo y piñón (codo).

Debido a que a través de la cara lateral izquierda del brazo corre una cadena que abarca un piñón fijo del eje principal y a un piñón móvil, se coloca una apertura exactamente en el centro del brazo de 20 mm de largo por 2 mm de ancho donde se coloca un piñón tensor que se especifica más adelante.

Fig. 2.8 Brazo

Función

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36

2.2.7 Antebrazo

Descripción general

Pieza de aluminio que cuenta de una longitud de 347 mm, un ancho de 50 mm y un grosor de 3mm. Se encuentra redondeada por los extremos a un radio de 35 mm. Cuenta como se muestra en la figura con 7 circunferencias de 25 mm de diámetro cada una dispuestas a 10 mm de distancia entre cada una. Estas circunferencias existen para reducir el peso del antebrazo ya que este tenía las mismas dimensiones que el brazo.

En el extremo opuesto de la primer circunferencia se ubica un barreno principal de 3 mm de diámetro por donde pasa el perno del brazo y elemento piñón codo que se describe más adelante. En los cuatro puntos cardinales del barreno principal se ubican 4 barrenos pequeños .125mm (1/8”) con cuerda estándar donde se colocan 4 tornillos que sujetan a los elementos antebrazo y piñón (codo). Cuenta con dos barrenos con cuerda estándar de .125 mm colocados a la altura del final de la primera circunferencia, en los cuales corren 2 tornillos que sujetan una abrazadera que a su vez sujeta al motor D que opera el movimiento de la mano o gripper.

Fig. 2.9 Antebrazo

Función

La función del elemento antebrazo es la de sujetar al elemento mano o gripper y desplazarlo de manera vertical por medio del elemento codo (piñón).

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2.2.8 Mano (Gripper)

Descripción general

Consta de los siguientes elementos:

2 tenazas o pinzas de aluminio de las siguientes dimensiones:

Fig. 2.10 Vista frontal y lateral de una de las pinzas

1 usillo con doble cuerda que permite con un movimiento circular de este desplazar pizas en sentidos opuestos.

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Fig. 2.11 Vista lateral y trasera del sujetador del gripper

Fig. 2.12 Gripper

Función

La función principal del elemento gripper es la de sujetar piezas de un punto transportarlas a un punto distinto. Las características de los objetos que puede manipular el gripper se analizan en el anexo C. Cabe mencionar que el gripper no cuenta con sensores que permitan detectar el color.

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CAPÍTULO III

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3.1 INTRODUCCIÓN

La clave de la adaptación de los robots a un entorno cambiante está en la utilización de captadores en su misma estructura que a su vez son los que conforman su sistema sensorial. Desde los comienzos de la robótica, los robots han ido evolucionando en su nivel de complejidad. Esta evolución en la construcción de los robots, es consecuencia directa de la necesidad cada vez mayor de adaptar uno de estos mecanismos a la realización de diversas tareas, siendo éstas cada vez más complejas. Así, los robots incluso aquellos que deben realizar tareas repetitivas y sencillas se deben de emplear captadores para la interacción con su entorno ya que siempre están sujetos a variaciones externas.

En este capítulo también nos referiremos a la selección de los módulos de entrada para los sensores, tomando en cuenta los criterios de número y tipo de entradas, voltaje de alimentación y el tipo de controlador a utilizar (SLC 500).

3.2 DESCRIPCIÓN DE LOS SENSORES

Un sensor o captador, es un dispositivo diseñado para recibir información de una magnitud del exterior y transformarla en otra magnitud, normalmente eléctrica, que seamos capaces de cuantificar y manipular.

Normalmente estos dispositivos se encuentran realizados mediante la utilización de componentes pasivos (resistencias variables, PTC, NTC, LDR etc... todos aquellos componentes que varían su magnitud en función de alguna variable), y la utilización de componentes activos, aunque también se pueden utilizar sensores de contacto para mandar señales discretas con respecto al entorno del robot.

En esta sección llevara a cabo una selección de los elementos que se utilizaran para la automatización del brazo manipulador, así como también serán señaladas sus especificaciones y se explicara el desempeño que se busca de los elementos seleccionados.

3.2.1 Sensores de contacto

Sensores de contacto: estos dispositivos, son los más simples, ya que son interruptores que se activan o desactivan si se encuentran en contacto con un objeto, por lo que de esta manera se reconoce la presencia de un objeto en un determinado lugar.

Su simplicidad de construcción añadido a su robustez, los hacen muy empleados en robótica.

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41

Se pueden situar en las pinzas de los brazos de robot para determinar cuándo se ha cogido un objeto, pueden formar parte de sondas de inspección para determinar dimensiones de objetos, o incluso pueden situarse en el exterior de las pinzas para ir tanteando un entorno. Estos sensores suelen ser interruptores de límite o micro interruptores, que son sencillos dispositivos eléctricos que cuando se contacta con ellos cambian de estado

Principio básico: Circuito abierto/cerrado (pasa corriente, no pasa).

Usos variados:

 Contacto: el robot choca con algo (Ej. detector de pared)

 Límite: un dispositivo ha alcanzado el máximo de su rango (Ej. pinza abierta)

 Contador: cada vez que se abre/cierra (Ej. contador de vueltas)

 Dependiendo de la aplicación el estado normal será abierto o cerrado

 El encapsulado depende de la aplicación

3.2.2 Sensores de contacto para la detección de apertura y cierre del

gripper.

Utilizaremos interruptores de límite para detectar si el gripper está cerrado o está abierto, la cual nos proporcionara una señal al PLC para que este mande un corte de energía al motor del gripper en cuanto detecte que este ha alcanzado su máxima apertura o bien cuando detecte que se ha cerrado por completo y no ha tomado ningún objeto, en nuestro caso se utilizara el sensor en su configuración de interruptor normalmente abierto.

El interruptor de límite utilizado se muestra en la figura 3.1 y sus especificaciones técnicas se muestran a continuación:

Especificaciones técnicas.

Marca: Matsushita FU (AV4)

Rango de operación: 0.1Amp, 30VCC y 3A a 125VCA Vida mecánica: 300000 operaciones

Vida eléctrica: 200000 operaciones Rango de temperatura: -25°C a +80°C Medidas. 7.5x4.5x2.5mm.

Fuerza de operación: 25g.

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Para el montaje se propone fijar los sensores a la pinza del gripper y colocárseles una pestaña en forma perpendicular al accionador del sensor para que al momento de llegar al cierre total o apertura total del gripper sean accionados. En la figura 3.2 se muestra la propuesta de montaje de estos sensores de límite.

Fig. 3.2 Montaje propuesto de los sensores.

3.2.3 Sensores de contacto para la detección de objetos en el gripper.

Utilizaremos micro interruptores pulsadores para detectar si en el gripper existe un objeto o no, la cual nos proporcionara una señal una señal al PLC la cual nos indicara que nuestro brazo ha tomado l objeto deseado y con ello nos mandara la señal de corte de energía al motor del gripper, elegimos este tipo se interruptor ya que tiene el tamaño idoneo para nuestro gripper, ademas de ser lo suficientemente resistente para resistir la fuerza del mismo sin dañarse. El micro interruptor se muestra en la figura 3.3 y sus especificaciones técnicas se muestran a continuación.

Especificaciones técnicas.

Micro interruptor switch de presión de 12Vcc, 50mA, a dos terminales, normalmente abierto. Está fabricado en plástico negro, sus medidas son de 6x6 mm, su vida útil es de 200000 operaciones y 100000 mecánicas.

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3.2.4 Micro interruptor pulsador para detección de objetos

Para que nuestro brazo reciba la señal de que ha tomado un objeto se necesita instalar los sensores en el área de contacto del gripper, nuestra propuesta de instalación se muestra en la figura 3.4.

Fig. 3.4 Montaje propuesto para los microinterruptores pulsadores.

3.2.5 Sensores de contacto para control de giro de la cintura del robot.

Utilizaremos interruptores de límite para controlar el giro de la base del brazo y limitarlo a 180° por medio de una señal una señal al PLC la cual nos proporcionara un corte de energía al motor de la base del robot una vez que este haya alcanzado los 180° o bien este en 0°, en nuestro caso se utilizara el sensor en su configuración de interruptor normalmente cerrado. El interruptor de límite utilizado y sus medidas se muestran en la figura 3.5 y sus especificaciones técnicas se muestran a continuación.

Especificaciones técnicas.

Marca: Matsushita F01 (VS15)

Rango de operación: 15A 1/3HP 125 o 250VAC, 0.6A 125VCC 0.3A 250VCC Vida mecánica: 300000 operaciones

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Medidas. 7.5x4.5x2.5mm. Fuerza de operación: 30g.

Fig. 3.5 Medidas de los interruptores de límite de la base.

Elegimos los finales de carrera como nuestras entradas por que son interruptores muy útiles para detectar posiciones de palancas, objetos, piezas, etc. Por que cuando todos los demás sensores pueden fallar y no detectan por alguna razón, el interruptor de límite nos da una indicación inequívoca y muy segura de que se ha producido una colisión y es hora de ejecutar alguna acción o de cambiar el rumbo. También son muy útiles como medida de seguridad en robots con movimiento para evitar daños a los elementos ya sean motores o mecanismos.

3.2.6 Potenciómetros.

Utilizaremos 2 potenciómetros de 5KΩ los cuales cumplirán con la función de mandar una

entrada analógica al PLC la cual nos proporcionara valores con el solo fin de utilizarlos en nuestra interfaz y ver la posición de nuestro brazo en determinado momento de operación mediante el paquete software InTouch. Las medidas de los 2 potenciómetros a utilizar se muestran en la figura 3.6.

Tipos de conexión

 Cables.

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Fig. 3.6 Medidas de los potenciómetros.

El montaje de los potenciómetros se muestra en la figura 3.7, el potenciómetro del hombro del brazo se muestra en la figura 3.7b montado a un lado del motor Ma y el potenciómetro del codo del brazo se muestra en la figura 3.7a montado a un del codo del brazo.

Fig. 3.7a y 3.7b Montaje de los potenciómetros

3.2.6.1 Potenciómetros.

Los potenciómetros a utilizar son de 5KΩ los cuales van a ser alimentados por la fuente de

12VCC, por lo tanto tiene una señal de salida de 0 a 12VCC en su rango total de operación. El controlador que vamos a utilizar (Allen Bradley SLC 500) tiene entradas analógicas que reciben señales de 0 a 5 volts con su rango de 0 a 100% respectivamente, como podemos darnos cuenta, no podemos conectar el potenciómetro de manera directa al controlador, por lo cual se debe de disminuir la cantidad de voltaje para que el controlador y el

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La propuesta que se tiene para la disminución del voltaje de 0 a 12VCC a 0 a 5VCC, es por medio de una resistencia la cual limite el paso del voltaje con el fin de que sea adecuado para nuestro controlador.

Por ley de Ohm.

Donde: I = corriente.

V = voltaje circulación deseado en el potenciómetro. Rp = resistencia del potenciómetro.

Entonces tenemos.

Considerando que:

Donde:

R = Resistencia deseada para la disminución de voltaje I = corriente del sistema

Entonces tenemos:

Nuestra resistencia seria de 7KΩ, nuestro circuito seria como el mostrado en la figura 3.8:

(57)

47

3.3 SELECCIÓN DE LOS MÓDULOS DE ENTRADA DEL PLC

El brazo manipulador tiene 5 entradas discretas y 2 entradas analógicas las cuales deben de ser mandadas a un PLC de la familia SLC 500 por lo cual necesitaremos utilizar 2 módulos de entradas uno de entradas analógicas y otro de entradas discretas. La selección correcta de los módulos de entradas o salidas que coincidan con nuestra aplicación nos permitirá tener entradas y salidas en una sola ranura para aprovechar con eficiencia el espacio del chasis.

3.3.1 Selección de modulo de entradas discretas.

Dentro de la familia de módulos para el PLC SLC 500 encontramos diferentes modelos que varían con respecto a su voltaje y número de entradas, en nuestro caso utilizaremos 6 entradas discretas y necesitaremos 24VCC, por lo que el modulo que utilizaremos será el 1746-IB8 el cual consta de 8 entradas discretas que son más que suficientes para nuestra aplicación.

Las características de modulo de entradas discretas 1746-IB8 se muestran en la tabla T3.1 que se muestra a continuación.

Tabla T3.1. Características del modulo 1746-IB8

Especificación. 1746-IB8

Descripción del modelo Drenador de corriente

de CC

Categoría de voltaje 24VCC

Número de entradas 8

Puntos en común 8

Carga de la fuente de alimentación

24VCC 0 mA

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3.3.2 Selección de modulo de entradas analógicas.

Al utilizar solo 2 entradas analógicas En nuestro caso utilizaremos solo dos entradas analógicas las cuales corresponden a los potenciómetros P1 y P2 correspondientes al hombro y al codo de nuestro brazo es por lo que el modulo que utilizaremos será el 1746-NI4 el cual consta de 4 entradas analógicas que son más que suficientes para nuestra aplicación.

Las características de modulo de entradas analógicas 1746-NI4 se muestran en la tabla T3.2 que se muestra a continuación.

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3.4 CONEXIÓN DE SENSORES A LOS MÓDULOS DEL PLC.

Para una fácil identificación de nuestros sensores de entrada se les concederán etiquetas para su utilización las cuales se muestran a continuación.

BG1 y BG2: Micro interruptores de detección de objetos en el gripper. BC: limit switch de detección de cierre del gripper.

BA: limit switch de detección de abertura del gripper. SWB1: limit switch de la cintura del robot (0°). SWB2: limit switch de la cintura del robot (180).

PARO DE EMERGENCIA: manda a parar el brazo si es ue existe una falla.

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50

Fig. 3.9 Conexión de entradas discretas al PLC.

Para la conexión de nuestras entradas analógicas se debe considerar los cálculos de los potenciómetro y el circuito mostrado en la figura 3.8, su conexión al modulo NI4 se muestra en la figura mostrada a continuación.

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51

CAPÍTULO IV

Figure

Fig. 1.2 Condición inicial del brazo manipulador
Fig. 1.2 Condición inicial del brazo manipulador p.13
Fig. 2.10 Vista frontal y lateral de una de las pinzas
Fig. 2.10 Vista frontal y lateral de una de las pinzas p.47
Fig. 2.11  Vista lateral y trasera del sujetador del gripper
Fig. 2.11 Vista lateral y trasera del sujetador del gripper p.48
Fig. 3.3 Sensor de detección de objetos
Fig. 3.3 Sensor de detección de objetos p.52
Fig. 3.4 Montaje propuesto para los microinterruptores pulsadores.
Fig. 3.4 Montaje propuesto para los microinterruptores pulsadores. p.53
Fig. 3.5 Medidas de los interruptores de límite de la base.
Fig. 3.5 Medidas de los interruptores de límite de la base. p.54
Tabla T3.2. Características del modulo 1746-NI4

Tabla T3.2.

Características del modulo 1746-NI4 p.58
Fig. 3.10 Conexión de entradas analógicas al PLC.
Fig. 3.10 Conexión de entradas analógicas al PLC. p.60
Fig. 4.1 Esquema de un motor con engranaje reductor
Fig. 4.1 Esquema de un motor con engranaje reductor p.64
Tabla T4.2 Especificaciones del motor para base

Tabla T4.2

Especificaciones del motor para base p.68
Fig. 4.3 Dimensiones del motor en m
Fig. 4.3 Dimensiones del motor en m p.69
Tabla T4.6. Tabla de torque y velocidad del motor del hombro

Tabla T4.6.

Tabla de torque y velocidad del motor del hombro p.74
Tabla T4.8 Especificaciones del motor del codo

Tabla T4.8

Especificaciones del motor del codo p.78
Tabla T4.12 características de rendimiento  del  motor  M4

Tabla T4.12

características de rendimiento del motor M4 p.82
Fig. 4. 10
Fig. 4. 10 p.83
Fig. 4.11   Diagrama de flujo  de la conexión  al modulo de salidas  1746-OB8
Fig. 4.11 Diagrama de flujo de la conexión al modulo de salidas 1746-OB8 p.84
Fig. 4.13 Diagrama de conexión  de los cuatro motores  al PLC
Fig. 4.13 Diagrama de conexión de los cuatro motores al PLC p.86
Fig. 4.14 Diagrama de conexión al PLC para la activación de los motores
Fig. 4.14 Diagrama de conexión al PLC para la activación de los motores p.87
Tabla T5.1 Especificaciones de la familia de PLC SLC 500.

Tabla T5.1

Especificaciones de la familia de PLC SLC 500. p.91
Figura 5.2 Fuente 1746-P1

Figura 5.2

Fuente 1746-P1 p.92
Fig. 5.1 Dimensiones del chasis 1746-A7
Fig. 5.1 Dimensiones del chasis 1746-A7 p.92
Tabla 5.2 Especificaciones del procesador SLC 5/03

Tabla 5.2

Especificaciones del procesador SLC 5/03 p.93
Figura 5.3 Procesador SLC 5/3

Figura 5.3

Procesador SLC 5/3 p.93
Fig. 5.4 Configure Drivers.
Fig. 5.4 Configure Drivers. p.94
Fig. 5.6 Conexión RSLINX – PLC
Fig. 5.6 Conexión RSLINX – PLC p.95
Fig. 5.7 Selección del procesador en RSLogix.
Fig. 5.7 Selección del procesador en RSLogix. p.96
Fig. 5.8 Configuración de módulos.
Fig. 5.8 Configuración de módulos. p.96
Fig. 5.9 Programa en PLC.
Fig. 5.9 Programa en PLC. p.97
Fig. 5.10 Diagrama de funcionamiento de la HMI
Fig. 5.10 Diagrama de funcionamiento de la HMI p.100
Fig. 5.11 Ventana de animación de InTouch
Fig. 5.11 Ventana de animación de InTouch p.102

Referencias

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