• No se han encontrado resultados

UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO"

Copied!
181
0
0

Texto completo

(1)

FACULTAD DE INGENIERA

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

Diseño e implementación de un sistema robótico para el

posicionamiento efectivo de plantines de alcachofa contenidos en una bandeja multiceldas en viveros industriales de la región La Libertad

AUTOR: Br. Herrera German, Julio Cesar

ASESOR: Mg. Ing. Alva Alcántara, Josmell Henry CO-ASESOR: Dr. Ing. Prado Gardini, Sixto Ricardo

TRUJILLO – Perú

2022

TESIS PARA OBTENER EL TITULO

PROFESIONAL DE INGENIERO MECATRÓNICO

(2)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

i

AGRADECIMIENTO

A mi madre que desde el cielo me ilumina para seguir adelante con mis proyectos personales y que en vida me inculco buenos valores y me motivo a perseguir mis sueños con perseverancia.

A mi padre que siempre me apoyo incondicionalmente en momentos difíciles y ser mi inspiración de fortaleza para afrontar los nuevos retos que se avecinan.

Al Dr. Ing. Sixto Prado, investigador principal del Labinm, al que expreso mi total gratitud por el soporte brindado en el desarrollo del presente trabajo y darme la oportunidad de pertenecer a tan prestigioso grupo de investigación, donde pude desarrollar y mejorar mis capacidades profesionales.

Al Mg. Ing. Josmell Alva, asesor de tesis, por su colaboración y apoyo incondicional para el desarrollo y culminación del presente trabajo.

J. Herrera reconoce el apoyo financiero del Proyecto Concytec – Banco Mundial

“Desarrollo e implementación de un sistema robotizado para un control de calidad eficiente y continuo del crecimiento de los plantines en viveros industriales de la región La Libertad-Perú.”, a través de su unidad ejecutora Pro CIENCIA. [Contrato número 074- 2018- FONDECYT-BM-IADT-AV].

Financiado por:

(3)

ii

RESUMEN

El control de calidad del crecimiento de plantines es una tarea fundamental en los viveros industriales, para producir plantines de buena calidad que serán luego llevados a los fundos de las principales agroindustrias de la región y del país. Esta tarea requiere de operarios con experiencia que determinan de forma más precisa la calidad de cada plantín contenido en las bandejas multiceldas. El no contar con la cantidad requerida de personal especializado provoca cuellos de botella, mermando así la producción. En este trabajo se diseña e implementa de un sistema robótico para el posicionamiento efectivo de plantines de alcachofa contenidos en una bandeja multiceldas mediante una metodología de diseño recurrente, una herramienta de diseño paramétrico y un análisis de ponderación. Primero, se identifican los requerimientos técnicos y se caracteriza el sistema robótico que permiten alinear una morfología mecánica referencial y necesidades fundamentales del sistema robótico. Segundo, se diseña, simula y optimiza la estructura mecánica del sistema robótico que aseguren un correcto acoplamiento entre ellos. Tercero, se selecciona los equipos eléctricos y electrónicos que permitan automatizar de manera eficiente los actuadores eléctricos. Cuarto, se implementa mecánicamente y eléctricamente el sistema robótico. Quinto, se desarrolla e implementar un programa principal en el PLC que permita al sistema robótico realizar el proceso de repique de manera automática. Sexto, el sistema robótico se valida en largos periodo de pruebas mediante una alimentación continua de bandeja multiceldas con plantines de alcachofa traídas desde un vivero industrial y entregadas al sistema robótico para procesarlos.

Finalmente, el sistema robótico logro alcanzar una repetitividad del 100% y una precisión de 0.01mm en el posicionamiento de la herramienta, y velocidades de operación de 0.67m/s logrando desplazarse a largo de todo su recorrido en 2.98 segundos.

Palabras claves: sistema robótico, robot industrial, automatización, diseño mecánico, diseño mecatrónico, plantines, alcachofa, bandeja multiceldas, viveros industriales.

(4)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

iii

ABSTRACT

The quality control of seedling growth is a fundamental task in industrial nurseries, to produce good quality seedlings that will later be taken to the farms of the main agroindustry’s of the region and the country. This task requires experienced operators who more precisely determine the quality of each seedling contained in the multi-cell trays. Not having the required number of specialized personnel causes bottlenecks, thus reducing production. In this work, a robotic system for the effective positioning of artichoke seedlings contained in a multicell tray is designed and implemented through a recursive design methodology, a parametric design tool and a weighting analysis. First, the technical requirements are identified and the robotic system is characterized that allow aligning a referential mechanical morphology and fundamental needs of the robotic system. Second, the mechanical structure of the robotic system is designed, simulated and optimized to ensure a correct coupling between them. Third, the electrical and electronic equipment that allows the efficient automation of electrical actuators is selected. Fourth, the robotic system is mechanically and electrically implemented. Fifth, a main program is developed and implemented in the PLC that allows the robotic system to carry out the seedling pricking process automatically. Sixth, the robotic system is validated over long periods of testing by continuously feeding a multicell tray with artichoke seedlings brought from an industrial nursery and delivered to the robotic system for processing.

Finally, the robotic system managed to achieve a repeatability of 100% and a precision of 0.01mm in the positioning of the tool, and operating speeds of 0.67m/s, managing to move along its entire path in 2.98 seconds.

Keywords: robotic system, industrial robot, automation, mechanical design, mechatronic design, seedlings, artichoke, multicell tray, industrial nurseries.

(5)

iv

CONTENIDO

CÁPITULO I INTRODUCCIÓN ... 1

I.1 Realidad problemática ... 1

I.2 Antecedentes ... 2

I.3 Formulación del problema ... 9

I.4 Hipótesis ... 9

I.5 Justificación del estudio ... 10

I.5.1 Relevancia teórica ... 10

I.5.2 Relevancia Metodológica ... 10

I.5.3 Relevancia Practica-Tecnológica ... 10

I.5.4 Relevancia social o institucional ... 11

I.6 Objetivos ... 11

I.6.1 Objetivo General ... 11

I.6.2 Objetivo Específico ... 11

CÁPITULO II MATERIALES Y MÉTODOS ... 13

II.1 Fundamentos teóricos ... 13

II.1.1 Los viveros industriales ... 13

II.1.2 Sistema robótico ... 14

II.1.3 Controladores ... 16

II.1.4 Actuadores ... 18

II.1.5 Drivers de control ... 19

II.1.6 Sensores inductivos de proximidad ... 20

II.1.7 Sistema de transmisión mecánica ... 21

II.1.8 Espacio de trabajo de un robot industrial ... 25

II.1.9 Faja transportadora... 25

II.1.10 Impresoras 3D ... 25

II.1.11 Equipos eléctricos ... 26

II.1.12 Metodológico de diseño ... 27

II.1.13 Matriz de ponderación ... 30

II.1.14 Diseño paramétrico ... 31

II.2 Diseño mecánico del sistema robótico ... 31

II.2.1 Definición del problema ... 31

II.2.2 Etapa de conceptualización ... 34

II.2.3 Etapa preliminar de validación en un entorno virtual de los conceptos de diseño solución para cada módulo funcional ... 39

II.2.4 Etapa de desarrollo técnico ... 42

(6)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

v

II.2.5 Etapa Final ... 73

II.3 Diseño eléctrico del sistema robótico ... 76

II.3.1 Definición del problema ... 76

II.3.2 Etapa de conceptualización ... 78

II.3.3 Etapa de desarrollo técnico del sistema robótico ... 83

II.3.4 Etapa Final ... 90

II.4 Implementación del sistema robótico ... 90

II.4.1 Implementación mecánica ... 90

II.4.2 Implementación eléctrica ... 93

II.5 Automatización del sistema robótico ... 96

II.5.1 Estructura lógica de trabajo del sistema robótico ... 96

II.5.2 Estrategia de posicionamiento automatizado ... 96

II.5.3 Lógica de trabajo del sistema robótico ... 103

CÁPITULO III RESULTADOS ... 111

III.1 Pruebas de precisión para el posicionamiento del alimentador de bandejas multiceldas ... 111

III.2 Pruebas de precisión para el posicionamiento del trasplantador de plantines .. 114

III.3 Prueba de precisión para el posicionamiento del elevador de plantines... 115

III.4 Prueba de funcionamiento del sistema robótico. ... 115

CÁPITULO IV CONCLUSIONES ... 116

CÁPITULO V BIBLIOGRAFÍA ... 118

ANEXOS A. PLANOS MECÁNICOS ... 121

ANEXOS B. PLANOS ELÉCTRICOS ... 153

(7)

vi ÍNDICE DE FIGURAS

Fig. I.1 Vista frontal de la fresadora de control numérico computarizado

(Dharmawardhana et al., 2021) ... 4

Fig. I.2 Diseño del sistema automático de siembra agrícola (Lian et al, 2020) ... 5

Fig. I.3 Robot CNC tipo cartesiano de la marca Farmbot (Choque, 2018) ... 6

Fig. I.4 Implementación del robot cartesiano para el posicionamiento punto a punto (Rodriguez, 2017) ... 7

Fig. I.5 Robot cartesiano para la síntesis química (Rosas, 2017) ... 7

Fig. I.6 Implementación de Robot cartesiano basado en equipos neumáticos (Pavia, 2016) 8 Fig. I.7 Modelo Grafico del robot PPP.R (Godoy y Rodríguez, 2007) ... 9

Fig. II.1 Tipos de robots industriales (D'addario, 2016)... 14

Fig. II.2 Sistema multigripper modela CAD y modelo real (Vera, 2021) ... 15

Fig. II.3 Sistema de visión artificial (Linares y Prado, 2020) ... 16

Fig. II.4 Raspberry Pi Modelo A (Martillo y Zambrano, 2015) ... 17

Fig. II.5 PLC Delta AS320P-B y módulos de expansión (fuente propia) ... 17

Fig. II.6 Motores Paso a paso nema 17 17HS19-2004S1 (fuente propia) ... 18

Fig. II.7 Servodriver ASD-A2-0721-M y Servomotor ECMA-E2-1305-RS Delta Electronics (fuente propia) ... 18

Fig. II.8 Cilindro de doble efecto ADN-S-6-5-A-A (Festo, 2022) ... 19

Fig. II.9 Driver DM542T STEPPERONLINE (fuente propia) ... 19

Fig. II.10 Electro válvula VSNC (Festo, 2022) ... 20

Fig. II.11 Sensores inductivo de proximidad PNP-NO LJ12A3-4-Z/BY y NPN-NC LJ18A3-5-Z/AX (fuente propia) ... 20

Fig. II.12 Guías lineales HGH25CA2R900Z0C TOCO Linear TechCo y Actuador lineal V-slot (fuente propia) ... 22

Fig. II.13. Correa dentada GT2 de 6mm ancho (fuente propia) ... 22

Fig. II.14 Husillo de bolas SFYR2020A2 Toco Linear TechCo (fuente propia) ... 23

Fig. II.15 Unidad de soporte Toco Linear TechCo (fuente propia). ... 23

Fig. II.16 Acoples flexible Serie PHE con sus chavetas (fuente propia) ... 24

Fig. II.17 Servomotor CMP0M y motorreductor R17 (SEW EURODRIVER, 2020) ... 24

Fig. II.18 Espacio de Trabajo de un robot cartesiano (coparoman, 2022) ... 25

Fig. II.19 faja transportadora por cadena (PNGWING, 2020) ... 25

(8)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

vii

Fig. II.20 Impresora 3D Creality Ender-3 (fuente propia) ... 26

Fig. II.21 Breakers de dos polos Schneider Electric (Fuente propia) ... 26

Fig. II.22 Contarlos electromecánico Schneider Electric (Fuente propia) ... 27

Fig. II.23 Modelo de Pahl y Bietz (1993) adaptada por Cross (1999) (Bernal, 2004) ... 28

Fig. II.24 Metodología recurrente basado en el modelo de Pahl y Bietz para el diseño mecánico del sistema robótico ... 29

Fig. II.25 Metodología basado en el modelo de Pahl y Bietz para el diseño eléctrico del sistema robótico ... 30

Fig. II.26 Bandeja multiceldas de 72 plantines (fuente propia) ... 32

Fig. II.27 Cámara RealSense (Intel, 2021) ... 33

Fig. II.28 Levante de plantines Modelo CAD e imagen real (fuente propia) ... 34

Fig. II.29 The Mostly Printed CNC (V1 Engineering, 2022) ... 36

Fig. II.30 Actuador Lineal (Naylamp Mecatronics, 2020) ... 37

Fig. II.31 Modelo virtual preliminar de un carril ... 40

Fig. II.32 Modelo virtual (SolidWorks) del elevador de plantines de alcachofa... 41

Fig. II.33 Flujo de montaje virtual (en SolidWorks) de las estructuras del trasplantador acoplando la multigarra ... 41

Fig. II.34 Dimensionamiento del carro deslizador ... 43

Fig. II.35 Gráfica de colores de tensiones de von mises de la porta bandeja con un espesor de 1.2mm ... 45

Fig. II.36 Gráfica de colores de desplazamiento de la porta bandeja con un espesor de 1.2mm 45 Fig. II.37 Modelo virtual del carril del alimentador de bandejas multiceldas ... 48

Fig. II.38 Modelo simplificado de un carril para cada caso de estudio ... 49

Fig. II.39 Grafico de desplazamiento de los 4 casos a estudiar ... 51

Fig. II.40 Proceso de optimización aplicado al deslizador del alimentador de bandejas multiceldas ... 52

Fig. II.41 Optimización de las piezas 3D del alimentador de bandeja multiceldas ... 52

Fig. II.42 Perfil trapezoidal de velocidad ... 53

Fig. II.43 Modelo simplificado del sistema de transmisión mecánico de un carril ... 57

Fig. II.44 Diagrama de cuerpo libre del motor paso a paso y la plataforma móvil ... 58

Fig. II.45 Modelo simplificado para los dos movimientos del trasplantador en XY ... 60

Fig. II.46 Modelo virtual simplificado para los movimientos en Z del trasplantador .... 60

Fig. II.47 DCL para el cuerpo móvil y para el sistema de transmisión mecánica ... 61

(9)

viii

Fig. II.48 DCL para el cuerpo móvil y para el sistema de transmisión mecánica ... 61

Fig. II.49 Tipos de guías lineales (Toco Linear TechCo, 2020) ... 64

Fig. II.50 Tipos de husillo de bolas (fuente Toco Linear TechCo) ... 65

Fig. II.51 Distancia de montaje del husillo de bolas (Toco Linear TechCo, 2020) ... 66

Fig. II.52 Métodos de montaje (TBI Motion, 2021) ... 66

Fig. II.53 Grafica cruzada para estimar el diámetro del husillo (TBI Motion, 2021) .... 66

Fig. II.54 Grafica cruzada para estimar la velocidad de rotación del husillo de bolas (TBI Motion, 2021) ... 67

Fig. II.55 Tipos de chumaceras (fuente Toco Linear TechCo) ... 68

Fig. II.56 Curvas características de servomotores de baja inercia (Delta Electronics, 2021) 69 Fig. II.57 Tipos de acoples flexibles (SKF Couplings, 2018) ... 70

Fig. II.58 Estructura auxiliar de integración del alimentador de bandejas multiceldas y el elevador de plantines ... 74

Fig. II.59 Piezas de fijación para los servomotores X e Y ... 74

Fig. II.60 Piezas de fijación para los sensores inductivos del elevador de plantines ... 75

Fig. II.61 Piezas de soporte para las cadenas porta cables ... 75

Fig. II.62 Proceso de mecanizado virtual y montaje de los equipos de transmisión por husillo de bolas en el cuerpo Y ... 76

Fig. II.63 Computadora de escritorio del sistema de visión artificial (fuente propia) .... 78

Fig. II.64 Esquema preliminar de integración de los equipos del sistema robótico ... 79

Fig. II.65 Esquema de integración tecnológica del diseño 1 ... 80

Fig. II.66 Esquema de integración tecnológica del diseño 2 ... 81

Fig. II.67 Esquema de integración tecnológica del diseño 3 ... 82

Fig. II.68 Esquema de integración tecnológica del diseño 4 ... 82

Fig. II.69 Esquema preliminar de integración del PLC, drivers DM542T, motores paso a paso, sensores inductivos y fuente de alimentación ... 85

Fig. II.70 Comunicación CANopen del PLC con los 5 servodrivers ... 85

Fig. II.71 Esquema eléctrico adaptada de un servoaccionamiento para integrar el PLC y los sensores inductivos ... 86

Fig. II.72 Esquema eléctrico preliminar del PLC y la multigarra ... 87

Fig. II.73 Esquema de la comunicación modbus TCP/IP del PLC... 87

Fig. II.74 Distribución eléctrica preliminar del sistema robótico ... 88

(10)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

ix Fig. II.75 Montaje virtual de los equipos eléctricos, electrónicos y accesorios sobre la

placa de montaje del tablero eléctrico ... 89

Fig. II.76 Fabricaciones de las estructuras del sistema robótico ... 91

Fig. II.77 Instalación, ensamble, montaje y nivelación del armazón, cuerpo X y sistema de transmisión mecánica en la dirección X ... 91

Fig. II.78 instalación de la cámara RealSense, caja de pasos y sensores inductivos ... 92

Fig. II.79 Instalación de una garra en el sistema robótico ... 92

Fig. II.80 Mecanizado y montaje de los equipos eléctricos y electrónicos en el tablero eléctrico ... 93

Fig. II.81 Conexiones eléctricas dentro del tablero eléctrico ... 93

Fig. II.82 Conexiones eléctricas de los motores paso a paso, sensores inductivos y servomotores al tablero eléctrico ... 94

Fig. II.83 Pruebas de funcionamiento de los sensores inductivos ... 94

Fig. II.84 Implementación final del sistema robótico ... 95

Fig. II.85 Posiciones fijas de trabaja de los carriles ... 97

Fig. II.86 Las posiciones 𝑃1 y 𝑃𝑥 ... 98

Fig. II.87 Posiciones fijas de trabajo del deslizador mini v en el actuador lineal ... 99

Fig. II.88 posiciones de trabajo del elevador de plantines... 99

Fig. II.89 vista superior del espacio de trabajo del trasplantador ... 100

Fig. II.90 Posiciones dinamico de trabajo para el carril 1 ... 101

Fig. II.91 Posiciones de trabajo para los carriles de calidad ... 102

Fig. II.92 posiciones fijas de trabajo de la garra en direccion Z... 103

Fig. II.93 Diagramad e flujo del programa principal del sistema robótico ... 104

Fig. II.94 Diagrama de flujo de la rutina Homing ... 105

Fig. II.95 Diagrama de flujo de la rutina de levante ... 106

Fig. II.96 Diagrama de flujo de la rutina de clasificación ... 107

Fig. II.97 Diagrama de flujo de la rutina de agarre ... 108

Fig. II.98 Diagrama de flujo de la rutina de transición... 109

Fig. II.99 Diagrama de flujo de la rutina de trasplante ... 109

Fig. III.1 Montaje del dial sobre la estructura del carril del alimentador de bandejas multiceldas ... 111

Fig. III.2 Posicionamiento de la garra dentro de la bandeja multiceldas... 114

Fig. A.1 Plano descriptivo del armazón del sistema robótico ... 122

Fig. A.2 Plano del marco atrás del armazón ... 123

(11)

x

Fig. A.3 Plano del marco medio del armazón ... 124

Fig. A.4 Plano del marco frontal del armazón ... 125

Fig. A.5 Plano del tubo horizontal separación de robot ... 126

Fig. A.6 Plano del tubo horizontal separación frente ... 127

Fig. A.7 Plano del tubo inclinado separación del robot ... 128

Fig. A.8 Plano del tubo de soporte ... 129

Fig. A.9 Plano de la pata del armazón ... 130

Fig. A.10 Plano detalle del marco superior del armazón... 131

Fig. A.11 Plano del cuerpo X ... 132

Fig. A.12 Plano del cuerpo Y ... 133

Fig. A.13 Plano general del alimentador de bandejas multiceldas ... 134

Fig. A.14 Plano de un carril del alimentador de bandejas ... 135

Fig. A.15 Plano de la porta bandeja ... 136

Fig. A.16 Plano del carro deslizador ... 137

Fig. A.17 Plano del soporte superior 1 ... 138

Fig. A.18 Plano del soporte superior 2 ... 139

Fig. A.19 Plano del soporte inferior ... 140

Fig. A.20 Plano de la pieza inferior del parante ... 141

Fig. A.21 Plano de la pieza superior del parante ... 142

Fig. A.22 Plano de la base principal del elevador de plantines ... 143

Fig. A.23 Plano de la porta punzones ... 144

Fig. A.24 Plano del punzón ... 145

Fig. A.25 Plano de ensamble del elevador de plantines ... 146

Fig. A.26 Plano de la guía lineal HGH25CAR2600 ... 147

Fig. A.27 Plano de la guía lineal HGH25CAR900 ... 148

Fig. A.28 Plano de la guía lineal MGN15R300 ... 149

Fig. A.29 Plano del husillo de bolas SFYR4040A2 ... 150

Fig. A.30 Plano del husillo de bolas SFYR2020A2 ... 151

Fig. A.31 Plano del husillo de bolas SFYR1616A2 ... 152

Fig. B.1 Esquema eléctrico general del sistema robótico ... 154

Fig. B.2 Plano eléctrico de la distribución eléctrica del sistema robótico ... 155

Fig. B.3 Esquema electricas del PLC y los sensores inductivos para los movimientos en direccion X e Y ... 156

Fig. B.4 Esquema eléctrico de los servomotores X e Y ... 157

(12)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

xi Fig. B.5 Esquema electricas del PLC y los sensores inductivos para los tres movimientos en direccion Z ... 158 Fig. B.6 Esquema eléctricas del PLC, dos motores paso a paso y un sensor inductivo

correspondiente a un carril del alimentador de bandejas multiceldas. Las conexiones se replica para los tres carriles restantes ... 159 Fig. B.7 Plano electrico de los motores paso a paso y los driver DM542T del alimentador

de bandejas multiceldas ... 160 Fig. B.8 Esquema eléctrico del PLC, motores paso a paso y sensores inductivos

correspondiente al elevador de plantines ... 161 Fig. B.9 Plano electrico de los motores paso a paso y los driver DM542T del elevador de

plantines ... 162 Fig. B.10 Esquema general de la comunicación modbus TCP/IP y CANopen ... 163 Fig. B.11 Esquema electrico del PLC y los equipos de mando (pulsadores, pilotos,

selector y parada de emergencia) ... 164 Fig. B.12 Distribución de los equipos eléctricos, electrónicos y accesorios en el del tablero

eléctrico del sistema robótico ... 165

(13)

xii ÍNDICE DE TABLAS

Tabla II.1 Equipos mecánicos para los tipos de transmisiones mecánica ... 21

Tabla II.2 Matriz de ponderación – Alimentador de bandejas multiceldas ... 39

Tabla II.3 Matriz de ponderación – Levantador de plantines ... 39

Tabla II.4 Matriz de ponderación - Trasplantador ... 39

Tabla II.5 Parámetros de configuración para piezas metálicas ... 46

Tabla II.6 Resultados del análisis de los diferentes piezas metálicas y espesores comerciales en SolidWorks ... 47

Tabla II.7 Resumen del análisis estático de cada caso de estudio ... 51

Tabla II.8 Reultados del analisis cinematico ... 55

Tabla II.9 Variables dependientes e independiente del análisis dinámico de alimentador de bandejas multiceldas ... 59

Tabla II.10 Resultados calculados de los actuadores eléctricos del sistema robótico .... 63

Tabla II.11 Resultados de selección de las guías lineales paso a paso ... 65

Tabla II.12 Resultados de selección de los husillos de bolas paso por paso ... 68

Tabla II.13 Resultados de selección de las chumaceras paso a paso ... 69

Tabla II.14 Lista de pasos para selección de servomotores ... 70

Tabla II.15 Factor de potencia según el tipo de material (SKF Couplings, 2018) ... 71

Tabla II.16 Factor de servicio según la aplicación de los acoples de mordaza (SKF Couplings, 2018) ... 71

Tabla II.17 Estimación de tamaño de acoples de mordaza (SKF Couplings, 2018) ... 72

Tabla II.18 Rango de dimensiones de los acoples (SKF Couplings, 2018) ... 72

Tabla II.19 Lista de pasos para selección de acoples ... 72

Tabla II.20 Matriz de ponderación – Diseño Automatización ... 83

Tabla II.21 Resultados de la selección de los servomotores y los servodrivers ... 84

Tabla II.22 Resumen de equipos eléctricos y electrónicos ... 90

Tabla III.1 Resultados de precision de los carriles ... 112

Tabla III.2 Documento de registro de la prueba de repetibilidad – Resultados obtenidos del dial para el carril 1 ... 113

(14)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

1

CÁPITULO I INTRODUCCIÓN

I.1 Realidad problemática

La agroindustria es una actividad fundamental para el desarrollo sostenido de toda sociedad dado que provee de una gran diversidad de productos alimenticios asegurando en cada uno de ellos la calidad y cantidad necesaria para cubrir las necesidades de una población en continuo crecimiento. Además, la agroindustria se presenta como un excelente generador de cadenas productivas creando con ello fuentes de trabajo formal y de grandes oportunidades comerciales, incrementando la actividad económica de los países, en especial aquellos en vía de desarrollo como es el caso del Perú (Agraria, 2021).

En el Perú, la agroindustria es uno de los pilares que sostiene la economía nacional debido a su continuo crecimiento, diversidad de productos y gran potencial exportador a diferentes mercados internacionales. En boletín Agro en cifras, se indica que el PBI del sector agroindustrial creció en 13.6% (MIDAGRI, 2021). En esa línea, La Libertad es la segunda región del interior que más contribuye a la economía del país gracias a sus exportaciones con un total de USD 1,586 millones entre productos tradicionales (55%) y no tradicionales (45%) (MINCETUR, 2021). Un producto no tradicional que ha tenido gran demanda en el mercado internacional en los últimos años es la alcachofa (un crecimiento de 44% en volumen y 49% en valor en el 2020), lo que ha generado la industrialización de su producción mediante viveros industriales, permitiendo así alcanzar los estándares de calidad internacionales.

Y con ese fin antes de que los plantines sean enviados a fundo agroindustrial pasan por una etapa de control de calidad para seleccionar a los plantines cuyo desarrollo cumple con determinados parámetros que la proyectan como planta en fundo agroindustrial productora de alcachofas de exportación. Lo que ha permitido que las empresas agroindustriales más representativas del sector tengan un elevado crecimiento de producción de alcachofas (Viru S.A. en 41% y Danper Trujillo S.A.C. en 31%) (Agraria, 2021). Lo que ha permitido que en el 2021 el Perú se posicione entre los tres principales países exportadores de este producto satisfaciendo la demanda de países como estados unidos, España, Francia, entre otros (SIICEX, 2021).

(15)

2 Las semillas de alcachofa se siembran en bandejas multicelda estandarizadas de 72 agujeros, una semilla por agujero, y el control de calidad mencionado previamente clasifica la calidad de los plantines de alcachofa (20 días después de su siembra) en tres categorías: buena (los que pasan directamente a fundo agroindustrial); regular (los que pasan a un proceso de recuperación) y mala (que pasan a consumo interno) (Agro- Genesis, 2020).En cada plantín se verifica la altura y grosor de los tallos, el número de hojas del plantín, lo que implica acciones de observación visual y trasplante (coger y dejar) del plantín desde una bandeja inicial (antes del control de calidad) a otra diferente según la calidad asignada (buena, regular o mala), al final del control de calidad se tendrá bandejas de plantines con la misma calidad (Agro-Genesis, 2020). Lo descrito previamente solo puede ser ejecutado por personal especializado, lo que se convierte en un problema cuando no está disponible en la cantidad que demanda la producción, generándose con ello cuellos de botella y por lo tanto una merma en la productividad.

Por otro lado, en la última década se han desarrollado diversos sistemas automatizados para el trasplante de plantines de diversas especies (Lian et al, 2020; y Choque, 2018).

Sin embargo, todas estas propuestas tecnológicas se han validado en entornos de laboratorio mas no en entornos más reales o con plantines que se producen en regiones diferentes a la realidad nacional (plantas o frutos de una misma especie tienen características diferentes según el país donde se produzcan). En el Perú no se tiene conocimiento de un desarrollo tecnológico nacional aplicable al trasplante efectivo de plantines de producción industrial. En general, conseguir mecánicamente las acciones de coger-transportar-dejar de plantines (desde una bandeja multicelda a otra diferente) de manera estable y segura por largos periodos de trabajo implica tener un sistema mecánico (robótico) automatizado con altas prestaciones de precisión, repetibilidad y resolución para garantizar posicionar o ubicar a los plantines en los agujeros o conos de las correspondientes bandejas multiceldas estandarizadas.

I.2 Antecedentes

Aquí se describen diferentes trabajos relevantes de sistemas automatizados-robotizados que realizan funciones compatibles con las acciones necesarias para ejecutar el control de calidad de plantines de alcachofa. En cada uno de ellos se estudia características como:

morfología y movimientos del robot, mecanismos de transmisión y actuadores, sistemas

(16)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

3 de control y arquitectura de la automatización, las condiciones iniciales de trabajo y especificaciones técnicas empleadas. Todo ello con el fin obtener las bases para los criterios de diseño de la solución tecnológica desarrollada en este trabajo.

Dharmawardhana et al (2021) en su artículo “STEP-NC Compliant Intelligent CNC Milling Machine with an Open Architecture Controller”, lograron implementar una fresadora CNC (Control Numérico Computarizado, Fig. I.1) con tres movimientos lineales ortogonales entre ellas, donde dos de ellas permite mover una mesa de trabajo de hierro fundido en el plano XY para mover una pieza fija a mecanizar y el ultimo permite subir y bajar la herramienta de corte. El mecanismo de transmisión utilizado para cada movimiento lineal está conformado por: un servomotor, un acople mecánico, un husillo de bolas con dos unidades de soporte y dos guías lineales con 4 deslizadores. El sistema eléctrico de la fresadora CNC se divide en dos partes. La primera se denomina panel del operador que se sitúa en la parte delantera de la máquina y en su parte frontal se monta los controles manuales y la pantalla LCD (Liquid Cristal Display) como HMI (Interfaz Hombre-Maquina), mientras que en su interior se encuentran la Raspberry pi que es el controlador principal de la maquina y controla a los servomotores mediante tres señales PWM (Pulse Width Modulation) para accionarlos y tres señales digital convencionales para indicar la dirección de giro. La Raspberry pi no tiene muchas salidas PWM por lo que utiliza un Arduino mega 2560 como esclavo para aumentar su capacidad. Por otro lado, la segunda se denomina panel de control principal que se sitúa en la parte posterior de la maquina y en su interior se encuentran los variadores eléctricos que son los encargados de alimentar y generar el accionamiento de los servomotores. Finalmente, los resultados obtenidos validan la precisión que puede alcanzar la maquina y su compatibilidad con el lenguaje de control máquina herramienta STEP-NC (que es un lenguaje estandarizado para procesos de mecanizado).

(17)

4

Fig. I.1 Vista frontal de la fresadora de control numérico computarizado (Dharmawardhana et al., 2021)

Lian et al (2020) en su artículo “Precision Analysis of Bresenhams Algorithm on Low- power Intelligent Seeding System”, lograron implementar un sistema automatizado de siembra agrícola (Fig. I.2). La morfología mecánica del sistema tiene un diseño conceptual de las maquinas CNC e impresoras 3D, por consiguiente, tiene tres ejes de movimiento en las direcciones XYZ. Su electrónica está conformada principalmente por una Raspberry pi 3 modelo B+ y un controlador Arduino mega 2560, el primero se encarga de capturar en tiempo real las imágenes obtenidas por un módulo de cámara Raspberry pi V2 a través de una interfaz de usuario desarrollado en la web, el segundo se encarga de controlar los actuadores eléctricos. Estas placas se conectan por puertos USB con la finalidad de intercambiar información. Por otra parte, el sistema tiene la función de sembrar y regar semillas de lechugas que están contenidos en cajas semilleros que a su vez se encuentran dentro del espacio de trabajo de la máquina. Para lograr lo descrito previamente, la maquina realiza una secuencia de movimientos, ya sea para sembrar o regar las semillas de lechuga, mediante código G, código M y algoritmos mejorados de Bresebhams. Este último permite realizar una trayectoria lineal de la manera más precisa posible. Por último, el resultado relevante es la precisión del sistema en el posicionamiento cuando ejecuta un patrón de movimiento, logrando obtener un error porcentual aceptable entre 0.5% y 4.5%.

(18)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

5

Fig. I.2 Diseño del sistema automático de siembra agrícola (Lian et al, 2020)

Choque (2018) en su tesis “Desarrollo de un robot CNC tipo cartesiano de la marca Farmbot como soporte tecnológico para el proceso de control de calidad de plantines”, se implementó un robot cartesiano (Fig. I.3) para clasificar y trasplantar plantines de alcachofa contenidas en una bandeja multiceldas mediante un gripper de diseño propio.

El robot desarrollado tiene tres movimientos lineales donde dos de ellas permiten posicionar el gripper del robot en el plano XY mediante un sistema de transmisión por correa dentadas y motores paso a paso, y el último movimiento correspondiente al eje Z permite subir y bajar el gripper mediante un sistema de transmisión por husillo-tuerca y un motor paso a paso con el fin de agarrar y soltar el plantín sobre las bandejas multiceldas. Por otro lado, el sistema electrónico del robot se compone de dos tarjetas controladoras: una tarjeta Raspberry pi 3 que se encarga de ejecutar el sistema operativo, recibir información de la clasificación de los plantines, procesarlas, enviar la información a un servidor y generar la trayectoria (en código G) para el trasplante de los plantines de una bandeja a otra, y la otra es un Farmduino (Arduino repotenciado) que se encarga de interpretar las líneas de código G para mover los motores de cada eje de movimiento. Los resultados obtenidos validan el trabajo propuesto en cuanto alcanzar las acciones básicas de control de calidad, pero en un ambiente de laboratorio (no se hizo trabajo de validación en entornos reales) y sin considerar una velocidad de producción. Tampoco se da información de las características técnicas de precisión, repetibilidad, resolución, temperatura del robot propuesto durante largas jornadas de trabajo, algo fundamental para valorar su potencial en aplicaciones en entornos reales.

(19)

6

Fig. I.3 Robot CNC tipo cartesiano de la marca Farmbot (Choque, 2018)

Rodríguez (2017), en su tesis “Diseño y construcción de un robot cartesiano con control de posicionamiento punto a punto”, se implementó un robot cartesiano (Fig. I.4) cuyo diseño final fue el resultado de elegir, entre varias opciones de diseño, al que mejor respuesta presento ante sus requerimientos técnicos. Primero valido su diseño mecánico en un entorno de diseño asistido por computadora (CAD), para posteriormente realizar la implementación física y validar experimentalmente su trabajo. Aquí se empleó un sistema de transmisión tipo husillo-tuerca acoplado directamente al eje de un motor paso a paso, los que a su vez fueron seleccionados por su capacidad de generar el torque necesario para mover los ejes de movimiento. Finalmente desarrollaron el algoritmo de control (embebido en una tarjeta Arduino mega 2560) para alcanzar un posicionamiento punto a punto de la herramienta de trabajo del robot cartesiano. El resultado relevante es la construcción eficiente de la estructura mecánica que permite movimiento suaves, estables, continuos y de gran precisión en cada uno de los ejes del sistema robótico.

(20)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

7

Fig. I.4 Implementación del robot cartesiano para el posicionamiento punto a punto (Rodriguez, 2017)

Rosas (2017), en su trabajo de tesis titulado “Diseño y construcción de un robot cartesiano para síntesis químico”, se implementó un robot cartesiano (Fig. I.5) con perfiles modulares de aluminio V-slot que dan soporte a un sistema de transmisión por husillo- tuerca para generar los correspondientes movimientos lineales. Aquí se utiliza motores DC con motorreductor acoplados a uno de los extremos del husillo. El control y automatización del robot se realiza mediante una tarjeta Arduino. La validación es a nivel laboratorio demostrando un buen performance en movimientos y precisión sin embargo no se da mayores resultados con respecto a diferentes cargas a manejar ni características técnicas necesarias para una valorización en un entorno diferente al laboratorio.

Fig. I.5 Robot cartesiano para la síntesis química (Rosas, 2017)

(21)

8 Pavia (2016), en su tesis de maestría “Diseño, construcción y evaluación de un robot cartesiano XYZ electroneumático”, se diseñó e implemento un robot cartesiano (Fig. I.6) mediante la utilización de tecnología neumática y un controlador lógico programable (PLC) industrial con el fin de cumplir las especificaciones técnicas impuestas por un cliente, para ellos se estudió, evaluó y seleccionó los equipos neumáticos y electroneumáticos optimo que permita realizar los tres movimientos lineales, los cuales serán montados uno encima del otro mediante perfiles modulares de aluminio v-slot y pieza personalizadas de PLA (desarrolladas e implementadas en una impresora 3D).

Asimismo, se seleccionó, instalo y programo un PLC industrial que controla y automatiza el robot para aplicaciones de pick and place. Los resultados relevantes de la maquina implementadas es que se consiguió una buena repetitividad y un buen resultado en sus pruebas de velocidad.

Fig. I.6 Implementación de Robot cartesiano basado en equipos neumáticos (Pavia, 2016)

Godoy y Rodríguez (2007), en su tesis “Diseño y modelamiento de un robot cartesiano para el posicionamiento de piezas”, diseñaron e implementaron un robot cartesiano del tipo vertical (Fig. I.7) y para ello modelaron matemáticamente la posición y velocidad del mecanismo del robot. La estructura mecánica fue implementada mediante perfiles de aluminio V-slot y el sistema de transmisión mediante correa dentada acoplados directamente al eje de un motor paso a paso para generar el movimiento de cada eje. Por

(22)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

9 otra parte, el control y automatización de la maquina lo realiza un PLC industrial, el que fue configurado y programado con las trayectorias previamente determinadas a fin de realizar un trabajo deseado. El resultado que obtuvieron es un prototipo robótico altamente adaptable a diversas tareas que impliquen exigencias de posicionamiento o de continuos cambios de posicionamiento como por ejemplo seguir una secuencia matricial de posiciones con un alto grado de precisión.

Fig. I.7 Modelo Grafico del robot PPP.R (Godoy y Rodríguez, 2007)

I.3 Formulación del problema

¿Cómo lograr un posicionamiento efectivo de forma automática de plantines de alcachofa contenidos en bandejas multiceldas de viveros industriales de la región La Libertad?

I.4 Hipótesis

El diseño e implementación de un sistema robótico permitirá el posicionamiento efectivo de plantines de alcachofa contenidos en una bandeja multiceldas en viveros industriales de la región La Libertad.

(23)

10

I.5 Justificación del estudio

La automatización de los procesos agroindustriales altamente mecanizables y repetitivos permite a las empresas del rubro (pequeñas, medianas y grandes) mejorar la calidad de sus productos disminuyendo con ello el porcentaje de rechazos o devoluciones y a su vez incrementar su capacidad de producción (debido a la falta de operarios especializados) y de ese modo aumentar la cartera de potenciales clientes. Además, cuando la automatización o robotización es bien diseñada, dimensionada e instalada permite mejorar los parámetros productivos manteniéndola continua, estable y homogéneas en el tiempo, lo que mejora la exactitud de las proyecciones agrícolas durante un ciclo productivo, teniendo con ello un impacto positivo en la productividad y minimización de los costes de producción.

I.5.1 Relevancia teórica

La implementación de un sistema robótico implica una integración de diferentes conocimientos como de tecnologías en hardware y software de un trabajo planificado y metodológico el cual permite a los involucrados obtener un valioso “saber cómo” (know how) para desarrollar equipos de alto impacto en la sociedad. Y así se incentiva el desarrollo de nuevos sistemas robóticos para solucionar diversos problemas que están presentes en los procesos agroindustriales con la finalidad de mejorar la producción.

I.5.2 Relevancia Metodológica

El diseño, simulación en implementación de sistemas robóticos y automáticos permiten utilizar y validar el uso de metodologías mecatrónicas estandarizadas y por lo tanto su mejor entendimiento y dominio a través de la continua utilización de ellas. Esto potencia el “saber cómo” del desarrollo tecnológico propio y permite su replicabilidad, escalabilidad y continua mejora de los prototipos tecnológicos con base científica.

I.5.3 Relevancia Practica-Tecnológica

La implementación del sistema robótico integra metódicamente diversas tecnologías y conocimientos con la finalidad de obtener una maquina automatizada de gran precisión en el posicionamiento, que es una característica fundamental para trasplantar de forma segura y estable plantines desde una bandeja multicelda inicial a otra diferente. Todo ello

(24)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

11 priorizando el uso de hardware y software de libre acceso lo que permitirá desarrollar continuas mejoras o innovaciones sobre el producto inicial que pueden derivar en mejores prototipos con alto potencial para ser validados a bajo coste.

I.5.4 Relevancia social o institucional

Este tipo de proyectos robóticos que se presentan como alternativas de solución a problemas reales de la industria regional o de la propia sociedad, fomenta e incentiva la colaboración academia-empresa para desarrollar proyectos en común que deriven en prototipos mecatrónicos validados tanto en entorno de laboratorio como uno real similar al que contiene la problemática a resolver. Adicionalmente a ello, este tipo de proyectos tienen un impacto social y cultural dado que permite trasmitir los conocimientos adquiridos a través de los años por el recurso humano especializado agrícola a sistemas automáticos o robóticos con capacidad de “aprender” y replicar este aprendizaje con la misma calidad durante todo el tiempo que dure su trabajo. Y en esa línea, fomenta el interés del recurso humano en la capacitación y asimilación de la tecnología de punta.

I.6 Objetivos

I.6.1 Objetivo General

Diseñar e implementar un sistema robótico para el posicionamiento efectivo de plantines de alcachofa contenidos en bandejas multiceldas en viveros industriales de la región La Libertad

I.6.2 Objetivo Específico

• Caracterizar técnicamente el actual control (manual) de calidad del crecimiento del plantín de alcachofa para obtener criterios de diseño, morfología referencial mecánica y necesidades funcionales del sistema robótico.

• Diseñar, simular y optimizar la estructura mecánica de las diferentes partes modulares que conforman el sistema robótico mediante SolidWorks para asegurar un correcto acoplamiento entre ellos y minimizar los esfuerzos de inercia y disturbios mecánicos (vibraciones, fricciones, juegos, deslizamientos).

(25)

12

• Seleccionar los equipos mecánicos, eléctricos y electrónicos según exigencias técnicas requeridas, con el fin de obtener movimientos suaves, estables y robustos que aseguren altas prestaciones en el posicionamiento del sistema robótico.

• Implementar, calibrar, configurar e integrar la estructura mecánica-eléctrica- electrónica del sistema robótico para obtener un movimiento suave, coordinado y estable de cada uno de sus componentes modulares.

• Desarrollar los algoritmos de generación de trayectorias para obtener movimientos continuos con gran precisión, repetibilidad y resolución que aseguren el posicionamiento deseado de los plantines de alcachofa en bandeja multicelda.

• Validar el trabajo del sistema robótico durante largas jornadas de trabajo usando plantines de alcachofas en bandejas multiceldas provenientes de viveros industriales para así fortalecer las potencialidades de solución del sistema robótico con las necesidades del sector agroindustrial.

(26)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

13

CÁPITULO II MATERIALES Y MÉTODOS

II.1 Fundamentos teóricos

En esta sección se presenta los principales fundamentos teóricos que sustenta el desarrollo de este trabajo.

II.1.1 Los viveros industriales

Los viveros industriales en La Libertad son ambientes con un perímetro cercado sin techo que en su interior hay una malla traslucida que protege a los plantines de agentes externos pero que permite el ingreso de la luz solar. El proceso productivo de los plantines se basa en 5 fases:

• Sembrado, donde los operarios se encargan de colocar una semilla y el sustrato en cada agujero de la bandeja multiceldas.

• Germinación, donde los plantines logran su germinación después de 11 días aproximadamente.

• Repique, consiste en que los operarios expertos realizan la clasificación de los plantines para posteriormente trasplantarlos a otra bandeja multiceldas con una calidad homogénea.

• Almacenamiento, consiste en trasladar las bandejas homogéneas diversos ambientes donde los plantines de buena calidad son preparan para su traslado a los fundos agroindustriales, los plantines de calidad regular son fertilizados para alcanzar una calidad buena para luego ser trasladados a los fundos y los plantines de mala calidad son desechados.

• Llevado al fundo agroindustrial, consiste en el traslado de los plantines con la mejor calidad a los fundos para su siembra.

II.1.1.1 Fase de repique

Esta fase es muy importante en el proceso productivo del vivero industrial que consiste en extraer cada plantín de la bandeja multiceldas, clasificarlos según su crecimiento foliar y morfológico mediante una inspección visual, trasladarlos de manera segura y dejarlos en otra bandeja de calidad homogénea. Dicha operación mencionada es muy tediosa y

(27)

14 requiere personal calificado para llevarse a cabo, pero la demanda de personal calificado no satisface la producción del vivero provocando la contratación de personal inexperto que genera una mala clasificación y en consecuencia reduce la eficiencia en la calidad de los plantines sacados al mercado.

II.1.2 Sistema robótico

Un sistema robótico es una maquina automática compleja que está conformado principalmente por un robot industrial, al cual se le adiciona e integra una herramienta, un dispositivo y/o un sistema autónomo con el fin de realizar tareas más complejas y difíciles que no pueden ser realizados por un robot convencional.

Los sistemas robóticos dedicados al posicionamiento de objetos y su clasificación están conformados por las siguientes partes fundamentales: un robot industrial, una herramienta de sujeción o gripper y un sistema de visión artificial.

II.1.2.1 Robot industrial

Es una máquina herramienta altamente automatizada, multifuncional reprogramable con varios grados de libertad, capaz de manipular materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales según trayectorias variables programadas para realizar tareas diversas. Presentan diversas morfologías lo que permite clasificar a los robots industriales en diferentes tipos (Fig. II.1). Los robots cartesianos son los más utilizados en aplicaciones donde el espacio de trabajo es amplio y a su vez evita que el efector final o herramienta de trabajo modifique su orientación cuando el robot está en movimiento.

(D'addario, 2016)

Fig. II.1 Tipos de robots industriales (D'addario, 2016)

(28)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

15 II.1.2.2 El gripper

Es un equipo electromecánico autónomo que permite sujetar un objeto, una pieza o un material aplicando una fuerza de presión necesaria para evitar dañarlo y asimismo asegurar su posición y orientación mientras es transportado de una posición a otra mediante los movimientos del robot industrial.

En la actualidad se han desarrollado diversos grippers cuyos diseños dependen de la morfología del objeto a agarrar, de la aproximación al objeto, del tipo de contacto gripper- objeto y del modo de agarre del objeto. Por ejemplo, En Vera (2021) se implementó un multigripper mecatrónico que coge plantines de alcachofa sin dañarlos, aproximándose verticalmente a los plantines y pudiéndolos coger a estos en modo inserción o en modo abrazadera (Fig. II.2).

Fig. II.2 Sistema multigripper modela CAD y modelo real (Vera, 2021)

II.1.2.3 Sistema de visión artificial

Consta de una cámara que se encarga de capturar imágenes del mundo real, los cuales son enviados a una tarjeta embebida o una computadora que reciben dicha imagen para procesarlo mediante un algoritmo especializado con el fin de extraer la información características de las imágenes.

(29)

16 Además, son desarrollados para reconocer colores, tamaño, geometría de objetos y rostros en sistemas más avanzados. Sin embargo, los algoritmos empleados para cada caso son diferentes entre ellos, por tanto, son personalizados para un reconocimiento especifico.

Por ejemplo, en Linares y Prado (2020) se desarrolló un sistema de visión artificial mediante una cámara de profundidad y una computadora para calcular el área foliar de plantines de alcachofa con una mayor precisión respecto a otros métodos y así determinar la calidad de ellas (Fig. II.3).

Fig. II.3 Sistema de visión artificial (Linares y Prado, 2020)

II.1.3 Controladores

II.1.3.1 Rasberry pi

Es una minicomputadora desarrollada en reino unido con el objetivo de estimular la enseñanza (Fig. II.4). Su arquitectura electrónica es similar a las computadoras comerciales dado que están conformadas por los siguientes componentes: un procesador central, un procesador gráfico, una memoria RAM y conector RJ45 para comunicación ethernet, pero no incluye un disco duro ni unidad de estado sólido ni fuente de alimentación; existen diversos tipos de Raspberry pi los cuales difieren en las características técnicas de sus componentes. Por otro lado, una Raspberry pi tienen pines de entradas y salidas digitales, un lector de memoria SD que puede ser utilizada como el disco duro de la tarjeta y puertos USB (Martillo y Zambrano, 2015).

(30)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

17

Fig. II.4 Raspberry Pi Modelo A (Martillo y Zambrano, 2015)

II.1.3.2 Controladores lógicos programables (PLC)

Es un equipo electrónico que opera de manera secuencial y cíclica mediante instrucciones desarrolladas en un lenguaje de programación como: diagrama Ladder, diagrama de funciones secuenciales, estructura texto y diagrama de función continua (Fig. II.5).

Los PLC’s están constituidos por los siguientes elementos: una unidad de central de proceso (CPU), módulos de entradas y salidas digitales y analógicas, y fuente de alimentación de 24VDC. Asimismo, cuentan con módulos especializados que permiten al PLC comunicarse con otros equipos mediante un protocolo de comunicación como:

Modbus TCP/IP, EtherCAT, CANopen, Profinet, etc. (Peréz et al, 2009).

Fig. II.5 PLC Delta AS320P-B y módulos de expansión (fuente propia)

(31)

18 II.1.4 Actuadores

II.1.4.1 Motores paso a paso

Es un actuador eléctrico que permite trasformar un impulso eléctrico en un movimiento angular (Fig. II.6). El desplazamiento mínimo angular se denomina paso cuyo valor normalmente es de 1.8º, pero puede variar según el diseño del fabricante del motor. Estos equipos son ampliamente utilizados en máquinas CNC e impresoras 3D por su bajo precio, alta precisión en velocidad y/o posición (Conti, 2005).

Fig. II.6 Motores Paso a paso nema 17 17HS19-2004S1 (fuente propia)

II.1.4.2 Servomotores industriales

Son actuadores eléctricos de corriente alterna sin escobillas que básicamente están conformados por un estator segmentado y un rotor de imanes permanentes construidos de neodimio, samario y cobalto que proporcionan mayor densidad de flujo, para un mejor rendimiento y obtención de mejor torque en menor tamaño (Fig. II.7). Además, en la parte trasera del servomotor se incorpora un sensor enconder que permite sensar el desplazamiento angular del eje y un freno electromecánico (la presencia de este elemento es opcional y depende de la aplicación del servomotor) (Emerson Industrial Automation, 2020).

Fig. II.7 Servodriver ASD-A2-0721-M y Servomotor ECMA-E2-1305-RS Delta Electronics (fuente propia)

(32)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

19 II.1.4.3 Cilindros cilíndricos

Son actuadores neumáticos que transforman la energía neumática en trabajo mecánico de movimiento rectilíneo y tienen un recorrido limitado. Existen diversos tipos como son los cilindros simple efecto o doble efecto que pueden tener o no amortiguación (Fig. II.8) (Guillén, 1993).

Fig. II.8 Cilindro de doble efecto ADN-S-6-5-A-A (Festo, 2022)

II.1.5 Drivers de control

II.1.5.1 Driver DM542T

Son dispositivos electrónicos (Fig. II.9) encargados de alimentar y generar el desplazamiento angular del eje del motor paso a paso mediante señales PTO (Pulse Train Output o salidas de tren de pulsos) proveniente del controlador. Este equipo internamente se divide en: la electrónica de control que tiene tres entradas digitales que se conectan al controlador y la electrónica de potencia donde se conectan las bobinas del motor paso a paso y la alimentación principal del driver. Por otra parte, el fabricante ha logrado un nivel alto de competitividad, proporcionando un torque optimo, menor calentamiento, menor ruido y un movimiento más suave (Zhongke, 2017).

Fig. II.9 Driver DM542T STEPPERONLINE (fuente propia)

(33)

20 II.1.5.2 Servodriver

Son dispositivos electrónicos industriales de potencia (ver Fig. II.7) diseñados para alimentar, monitorear y controlar el movimiento de sus servomotores por señales PTO o por protocolo de comunicación mediante un controlador. Este equipo puede realizar trabajos simples de movimientos sin necesidad de estar conectado a un controlador con la finalidad de calibrar y configurar sus parámetros de operación.

II.1.5.3 Electroválvulas

Son válvulas neumáticas con accionamiento eléctrico que permite controlar el movimiento de los cilindros neumáticos mediante la recepción de señales eléctricas proveniente de algún controlador (Fig. II.10) (Guillén, 1993).

Fig. II.10 Electro válvula VSNC (Festo, 2022)

II.1.6 Sensores inductivos de proximidad

El sensor inductivo genera un campo magnético mediante un imán o una bobina con corriente y detecta un objeto metálico cuando este se encuentre en su zona de detección que puede varias según el diseño del sensor (Fig. II.11) (Pérez et al., 2009).

Fig. II.11 Sensores inductivo de proximidad PNP-NO LJ12A3-4-Z/BY y NPN-NC LJ18A3-5-Z/AX (fuente propia)

(34)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

21 II.1.7 Sistema de transmisión mecánica

Los sistemas de transmisión mecánica son un conjunto de equipos mecánicos que están conectados entres si con el fin transmitir el movimiento generado por un actuador eléctrico hacia una mesa móvil de trabajo que puede o no tener el mismo tipo de movimiento.

Los sistemas robóticos que utilizan actuadores eléctricos usan mayormente dos tipos:

transmisión por correa dentada y transmisión por husillo-tuerca. Estas transmisiones tienen algunos equipos comunes, pero difieren en otros como se puede apreciar en la Tabla II.1.

Tabla II.1 Equipos mecánicos para los tipos de transmisiones mecánica

Equipos mecánicos

Transmisión por correa dentada

Transmisión por husillo- tuerca

Servomotor Motor paso

a paso Servomotor Motor paso a paso

Guías lineales Si

Correa dentada Si No

Poleas dentadas Si No

Husillo de bolas No Si

Unidades de soporte No Si

Acople mecánico No Si

Motoreductor Si No No

II.1.7.1 Guía lineal

Es un equipo mecánico que consta de un elemento fijo (guía o riel) y un elemento móvil (deslizador o carro) que se mueve linealmente uno respecto al otro (Fig. II.12). En el mercado existen diversos tipos de guías lineales que difieren entre ellas por su aplicación, calidad, capacidad de carga de operación, exactitud y tecnología utilizada para minimizar el rozamiento entre el elemento fijo y el elemento móvil (Hiwin, 2021).

(35)

22

Fig. II.12 Guías lineales HGH25CA2R900Z0C TOCO Linear TechCo y Actuador lineal V-slot (fuente propia)

II.1.7.2 Correa dentada

Tienen dientes en su cara interna (Fig. II.13) que generan un efecto de trasmisión por empuje al acoplase con los dientes de las correspondientes poleas. Estas correas minimizan el deslizamiento entre la correa y la polea, y suelen utilizarse en casos donde las cargas por choques y vibraciones son mínimas, de lo contrario pueden cizallarse los dientes de la correa (POGGI, 2018).

Fig. II.13. Correa dentada GT2 de 6mm ancho (fuente propia)

II.1.7.3 Poleas dentadas

Es una polea de aluminio con dientes (ver Fig. II.13) donde se conecta la correa dentada y tiene un hueco centrado a su eje de giro que se conecta al actuador eléctrico para generar la transmisión mecánica (POGGI, 2018).

(36)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

23 II.1.7.4 Husillo de bolas

Es un equipo mecánico que consta de un eje solido de acero con hilo denominado husillo y una tuerca con hilo (el mismo que del husillo), los que son montado uno sobre el otro para transformar un movimiento rotatorio a un movimiento lineal (Fig. II.14). En el mercado existe diversos husillos de bolas que difieren entre ellas por su calidad, precisión, capacidad de carga de trabajo, tecnología para minimizar el rozamiento y el backlash (juego mecánico existente entre dos elementos mecánicos en contacto) entre husillo y la tuerca (Hiwin, 2021).

Fig. II.14 Husillo de bolas SFYR2020A2 Toco Linear TechCo (fuente propia)

II.1.7.5 Unidades de soporte

También llamado chumacera (Fig. II.15) es un equipo mecánico compuesto por una carcasa, rodamiento, tapa de fijación, sello, tuerca de seguridad y tornillos de fijación.

Estos equipos sirven para fijar un husillo de bolas hacia una estructura, permitiéndole girar libremente sobre su propio eje (Hiwin, 2021).

Fig. II.15 Unidad de soporte Toco Linear TechCo (fuente propia).

(37)

24 II.1.7.6 Acople mecánico

Dispositivo mecánico que articula (acopla) dos ejes a fin de que uno de ellos trasmita la potencia mecánica al otro (Fig. II.16). Los acoples pueden ser rígidos o flexibles, siendo estos últimos los más usados en sistemas robóticos por su capacidad de compensar la desalineación (puede ser angular, paralela o sesgada) del eje sin afectar su velocidad y aceleración (SKF Couplings, 2018).

Fig. II.16 Acoples flexible Serie PHE con sus chavetas (fuente propia)

II.1.7.7 Motoreductor

Es una unidad compacta y homogénea (Fig. II.17) conformada por un conjunto de engranajes interconectado que definen una cadena cinemática permitiendo con ello regular la velocidad y el torque de los motores eléctricos según las exigencias de trabajo en particular (SEW EURODRIVER, 2020).

Fig. II.17 Servomotor CMP0M y motorreductor R17 (SEW EURODRIVER, 2020)

(38)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

25 II.1.8 Espacio de trabajo de un robot industrial

Se define como un conjunto de puntos tridimensional en el que el efector final del robot puede llegar y está limitado por la geometría mecánica del robot (Fig. II.18).

Fig. II.18 Espacio de Trabajo de un robot cartesiano (coparoman, 2022)

II.1.9 Faja transportadora

También llamado cinta transportadora (Fig. II.19) es un mecanismo que permite el trasporte de objetos de manera continua, formado por dos o más poleas que mueven una cinta. Las poleas son movidas por un actuador eléctrico, las que giran para mover la cinta y trasportan el contenido existente sobre la misma. (Heras Lopez, 2014). Existen diversos tipos de cintas transportadora que difieren entre ellas por su morfología, el tipo de cinta utilizada, clasificación de la carga y su aplicación.

Fig. II.19 faja transportadora por cadena (PNGWING, 2020)

II.1.10 Impresoras 3D

Es una máquina automática que mediante técnicas de fabricación aditivas crea objetos generalmente de materiales del tipo PLA y ABS entre otros. La fabricación aditiva produce objetos en una sucesión de capas de la parte inferior hacia la parte arriba. Una impresora 3D simplifica y acelera el proceso de elaboración de prototipos y productos

(39)

26 terminados (Fig. II.20). En la actualidad, existen diversas impresoras comerciales que difieren entre ellas por el área de trabajo, la compatibilidad del material de trabajo y la disposición de los ejes de movimiento (Hiemenz, 2011)

Fig. II.20 Impresora 3D Creality Ender-3 (fuente propia)

II.1.11 Equipos eléctricos

II.1.11.1 Breaker o Interruptores automáticos

Son dispositivos eléctricos esenciales en el mundo moderno y uno de los mecanismos de seguridad más importantes en cualquier casa, edificio o industria. Su función principal es cortar el paso de la corriente cuando este supera un determinado umbral para proteger contra sobrecargas y cortocircuito a los cables, conductores eléctricos y equipos conectadora a la salida del breaker (Fig. II.21).

Fig. II.21 Breakers de dos polos Schneider Electric (Fuente propia)

(40)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

27 II.1.11.2 Contactor electromecánico

Son dispositivos electromecánicos de mando que permite o corta la corriente hacia un actuador eléctrico conectado aguas debajo a este. Su aplicación principal es energizar o no a motores eléctricos de mediana y altas potencia mediante la activación de una bobina de control (Fig. II.22).

Fig. II.22 Contarlos electromecánico Schneider Electric (Fuente propia)

II.1.12 Metodológico de diseño

Es un conjunto de pasos o un procedimiento estructura para diseñar un producto, herramienta, máquina o proceso que soluciona un problema previamente identificado. Se representan mediante modelos que se expresan en esquemas formales que permiten seguir la secuencia de la lógica del diseño hasta lograr la meta deseada.

Existen diversas propuestas de métodos de diseño como por ejemplo el propuesto en Pahl y Beitz (1995) y que fue adaptada por Cross (1999) en la que desarrollan el concepto de

“Embodiement Design” (diseño en conjunto, Fig. II.23), que es un desarrollo por módulos funcionales separados, que simplifica el análisis y mejora el entendimiento de la propuesta solución. Siendo por ello uno de los métodos más utilizados en el diseño mecánico (Bernal, 2004). En la Fig. II.24 y Fig. II.25 se muestran los esquemas formales lógico de los métodos usados en el presente trabajo de tesis.

(41)

28

Fig. II.23 Modelo de Pahl y Bietz (1993) adaptada por Cross (1999) (Bernal, 2004)

(42)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

29

Fig. II.24 Metodología recurrente basado en el modelo de Pahl y Bietz para el diseño mecánico del sistema robótico

(43)

30

Fig. II.25 Metodología basado en el modelo de Pahl y Bietz para el diseño eléctrico del sistema robótico

II.1.13 Matriz de ponderación

Es una herramienta de diseño cualitativa que permite seleccionar la mejor opción entre dos o más opciones mediante el desarrollo de una tabla cruzada donde se realizan operaciones aritméticas simples. La elaboración de la matriz de ponderación se realiza en 6 pasos:

• Definir el objetivo

• Identificar las opciones

(44)

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.

31

• Establecer criterios

• Ponderar los criterios

• Calificar cada criterio

• Calcular calificación final

• Seleccionar la mejor opción II.1.14 Diseño paramétrico

Es una herramienta de diseño cuantitativo (usualmente asistido por computadora) que permite dinamizar el proceso de creación de modelos y su posterior revisión, facilitando la introducción de cambios en cualquier momento del proceso de construcción o revisión del mismo; así mismo permite establecer una trazabilidad entre los parámetros de forma que un error dimensional es más sencillo de localizar y corregir, logrando reducir costo y tiempo en el proceso de diseño (Hurtado, 2010).

II.2 Diseño mecánico del sistema robótico

II.2.1 Definición del problema

El sistema robótico debe ejecutar la fase de repique de plantines de alcachofa (ver Sección II.1.1.1) lo que implica que el diseño de su estructura mecánica debe permitir realizar las distintas funcionalidades necesarias para lograr un control de calidad de crecimiento del plantín automatizado. Para ese fin se recopila y analiza la siguiente información:

II.2.1.1 Recopilar y sintetizar la información técnica

II.2.1.1.1 Consideraciones generales del proceso de control de calidad en viviros industriales

En la visita técnica realizada a Agro-Genesis (vivero industrial más importante de la región La Libertad por su nivel de producción) se obtuvo la siguiente información:

• Las semillas de alcachofa se siembran en bandejas multiceldas estandarizadas de 277mm de ancho, 546mm de largo y 50mm de alto (Fig. II.26) y cada una de ellas tienen 72 agujeros (conos) distribuidos en una representación matricial de 12x6 (12 filas y 6 columnas) siendo la distancia entre los puntos centrales de las

Referencias

Documento similar

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No comercial-Compartir bajo la misma

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.. Esta obra ha sido publicada bajo la

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.. INDICE

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. 6 Sistema Dispatch con área de cambio de

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajola misma licencia 2.5 Perú.. Para ver una copia de dicha licencia,

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comecial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú. Para ver una copia de dicha licencia,

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comecial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.. Para ver una copia de dicha licencia,

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative Commons Reconocimiento-No Comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Perú.. Para ver una copia de dicha licencia,