UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
CONTROL DE UN BRAZO ROBÓTICO PUMA APLICADO A
SOLDADURA DE GEOMETRÍAS COMPLEJAS
TRIDIMENSIONALES
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO
MECATRÓNICO
MARCO VINICIO PASPUEL CHAMORRO
DIRECTOR: PhD DANIEL MIDEROS
DECLARACIÓN
Yo Marco Vinicio Paspuel Chamorro, declaro que el trabajo aquí descrito
es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________ Marco Paspuel
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título Control de un brazo robótico puma aplicado a soldadura de geometrías complejas
tridimensionales, que, para aspirar al título de Ingeniero Mecatrónico fue
desarrollado por Marco Paspuel, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18 y 25.
________________________ PhD. Daniel Mideros
DIRECTOR DEL TRABAJO
AGRADECIMIENTOS
Agradezco a Dios por todo lo que me ha dado, por permitirme concluir de manera exitosa mis estudios, por darme el entendimiento y el conocimiento para la realización de este proyecto además de serenidad cuando más la necesitaba.
Agradezco inmensamente a mis padres, ya que gracias a su apoyo he logrado alcanzar mis metas.
A mis profesores de la Universidad Tecnológica Equinoccial, desde el inicio de la carrera y especialmente al docente PhD. Daniel Mideros quien confío en mí para llevar a cabo este proyecto.
DEDICATORIA
A mi padre Marco.
Por los ejemplos de perseverancia y constancia que lo caracterizan y que me ha infundado siempre, por el valor mostrado para salir adelante. Gracias por haber fomentado en mí el deseo de superación y el anhelo de triunfo en la vida.
A mi madre Sandra.
Por quererme mucho, por su paciencia, por creer en mí y por haberme apoyado en todo momento.
A mis hermanos.
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
ÍNDICE DE FIGURAS ... iii
ÍNDICE DE TABLAS ... v
ÍNDICE DE ANEXOS ... vi
RESUMEN ... vii
ABSTRACT ... viii
1. INTRODUCCIÓN ...1
2. MARCO TEÓRICO ...6
2.1 ROBÓTICA ...7
2.1.1 CINEMATICA DEL ROBOT ... 11
2.1.2 ESTACIÓN DE ROBOT FESTO... 14
2.2 CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC) ... 23
2.2.1 PLC LOGO ... 24
2.2.2 LOGO!SOFT COMFORT ... 25
2.3 LA SOLDADURA ... 27
2.3.1 VENTAJAS DE LA SOLDADURA ... 28
2.3.2 CONCEPTOS BASICOS EN SOLDADURA ... 28
2.3.3 TIPOS DE UNIONES ... 30
2.3.4 TIPOS DE SOLDADURAS ... 30
2.3.5 PROCESOS DE SOLDADURA ... 32
2.3.6 METODOS DE APLICACION DE SOLDADURA ... 42
3. METODOLOGÍA ... 44
3.1 METODOLOGÍA MECATRÓNICA ... 45
3.2 INVESTIGACIÓN DEL PROBLEMA ... 46
3.3 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA ... 47
3.4 DISEÑO PARALELO DE LOS ELEMENTOS ... 49
3.4.1 DISEÑO MECÁNICO ... 50
3.4.2 DISEÑO ELECTRÓNICO ... 50
ii
3.5 SIMULACIÓN ... 52
3.6 CONSTRUCCIÓN DEL PROTOTIPO... 53
3.7 PRUEBAS ... 53
4. DISEÑO DEL SISTEMA Y DISPOSICIÓN DEL EQUIPO ... 54
4.1 DISEÑO MECÁNICO ... 55
4.1.1 BRAZO ROBÓTICO ... 55
4.1.2 DISEÑO DEL EFECTOR FINAL O GRIPPER ... 70
4.1.3 DISEÑO DE LA GEOMETRIA TRIDIMENCIONAL COMPLEJA... 79
4.2 DISEÑO ELECTRONICO ... 82
4.2.1 SISTEMA DE ALIMENTACION ... 82
4.3 DESARROLLO DEL SOFTWARE ... 85
4.3.1 PROGRAMACION DEL BRAZO ROBOTICO RV-2AJ ... 86
4.3.2 PROGRAMACION DEL PLC ... 96
5. IMPLEMENTACION Y PRUEBAS ... 98
5.1 IMPLEMENTACION ... 99
5.1.1 CONSTRUCCION Y MONTAJE DEL GRIPPER ... 99
5.1.2 IMPLEMENTACION DEL PROGRAMA EN EL RV-2AJ ... 101
5.1.3 IMPLEMENTACION DEL PROGRAMA EN EL PLC ... 101
5.2 PRUEBAS ... 102
5.2.1 CONSIDERACIONES GENERALES ... 102
5.2.2 PUESTA EN MARCHA ... 103
5.2.3 FUNCIONAMIENTO DEL GRIPPER ... 103
5.2.4 SOLDADURA DE LA GEOMETRIA TRIDIMENCIONAL COMPLEJA 105 6. CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES ... 107
6.1 CONCLUCIONES ... 108
6.2 RECOMENDACIONES ... 109
BIBLIOGRAFÍA ... 111
iii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1. Robot RV-2AJ ... 5
Figura 2. Robot Play-back... 10
Figura 3. Cinematica directa de brazo robotico... 12
Figura 4 Cinemática inversa de brazo robótico ... 13
Figura 5. Estación de robot del proyecto... 15
Figura 6. Robot Mitsubishi RV-2AJ ... 16
Figura 7. Controlador CR1-571 ... 18
Figura 8. T/B botonera o TeachBox (R28TB)... 19
Figura 9. Ambiente de trabajo del software CIROS Studio ... 22
Figura 10. Ambiente de trabajo del software COSIROP ... 23
Figura 11. PLC LOGO! de Siemens ... 25
Figura 12. Ambiente de trabajo del software LOGO!Soft Comfort ... 26
Figura 13. Tipos de uniones en soldadura ... 30
Figura 14. Procesos de soldadura ... 33
Figura 15. Soldadura por arco ... 36
Figura 16. Áreas del saber ingeniería Mecatrónica ... 45
Figura 17. Enfoque mecatrónico del diseño paralelo ... 46
Figura 18. Diseño en paralelo ... 49
Figura 19. Proceso de diseño mecánico ... 50
Figura 20. Proceso de diseño electrónico ... 51
Figura 21. Proceso de diseño del sistema de control ... 52
Figura 22. Esquema de partes y periféricos del RV-2AJ ... 58
Figura 23. Ángulos de alcance en modo JOINT ... 59
Figura 24. Ángulos de alcance en modo XYZ ... 60
Figura 25. Controlador RV-2AJ ... 61
Figura 26. TEACH ... 63
Figura 27. Rango de operación ... 65
Figura 28. Esquema de movimiento ... 66
Figura 29. Planos de desplazamiento ... 69
Figura 30. Corte transversal de la soldadura de filete ... 70
iv
Figura 32. Posición y diámetro de los rodillos del gripper ... 73
Figura 33. Base del Gripper en mm ... 74
Figura 34. Vista dimétrica de la base del gripper ... 75
Figura 35. Diseño de soporte tipo T ... 75
Figura 36. Rodillo de agarre... 76
Figura 37. Rodillo guía ... 77
Figura 38. Punta del gripper y resistencia térmica ... 77
Figura 39. Mecanismo de alimentación automática de tubos de silicona... 78
Figura 40. Ensamble del Gripper ... 79
Figura 41. Geometría compleja plano X Y ... 80
Figura 42. Geometría tridimensional compleja plano X Y Z ... 80
Figura 43. Perforación geometría tridimensional compleja ... 81
Figura 44. Vista trimétrica SolidWorks geometría tridimensional compleja .. 81
Figura 45. Motor utilizado para sistema de alimentación ... 82
Figura 46. PLC Logo! de Siemens ... 83
Figura 47. Esquema de control ... 84
Figura 48. Puente H ... 84
Figura 49. Etapa de potencia esquema electrónico ... 85
Figura 50. Jog Operation robot RV-2AJ ... 87
Figura 51. Lista de posiciones RV-2AJ COSIROP ... 88
Figura 52. Diagrama general de la programación del brazo robótico ... 90
Figura 53. Ejemplo de programa en lenguaje MELFA BASIC IV ... 91
Figura 54. CIROS Robotics parametros de simulación ... 93
Figura 55 Simulación del programa en CIROS ... 95
Figura 56. Diagrama general de la programación del PLC ... 96
Figura 57. Programa en lenguaje FDB del PLC ... 97
Figura 58. Montaje del gripper ... 99
Figura 59. Construcción del rodillo de agarre ...100
Figura 60. Construcción del gripper ...100
Figura 61. Montaje del gripper en el brazo robotico ...101
Figura 62. Funcionamiento del gripper ...104
v
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1. Relación entre cinemática directa e inversa ... 15
Tabla 2. Características del brazo robótico RV-2AJ de Mitsubishi ... 17
Tabla 3. Características del controlador CR1-571 ... 19
Tabla 4. Rango de dimensiones admisibles para la pieza con geometría compleja tridimensional ... 48
Tabla 5. Requerimientos del Brazo robótico PUMA ... 49
Tabla 6. Especificaciones de la tarjeta de control para el sistema de soladura ... 49
Tabla 7. Tabla comparativa de robots industriales PUMA ... 58
Tabla 8. Especificaciones técnicas del brazo robótico RV-2AJ ... 68
vi
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo 1. Programa de soldadura del brazo robótico……….…….……116
Anexo 2. Lista de posiciones para soldadura……….…….…….119
Anexo 3. Planos base del gripper……….….……….121
Anexo 4. Planos soporte tipo T del gripper……….…….….122
Anexo 5. Planos rodillo de agarre del gripper………….…………..………...123
Anexo 6. Planos rodillo guía del gripper………….……….….….……...124
Anexo 7. Planos punta del gripper………..…………...125
vii
RESUMEN
La soldadura se utiliza prácticamente en todos los sectores productivos, y es una de las actividades industriales más peligrosas, pese a que se han logrado espectaculares avances tecnológicos, el proceso sigue basándose en el mismo principio de siempre: elevar la temperatura del punto de unión hasta conseguir el reblandecimiento o fusión del material, de manera que al enfriarse se forme una masa de unión mecánicamente homogénea.
Esto conlleva irresistiblemente a la generación de humos y gases, cuya inhalación puede conducir a trastornos de la salud, como intoxicaciones agudas y enfermedades permanentes, de muy diversa naturaleza dependiendo de las condiciones particulares de cada trabajo: tipo de soldadura, materiales soldados, continuidad de la exposición, calidad de la ventilación, etc.
El objetivo principal de este trabajo es utilizar un brazo robótico PUMA para automatizar el proceso de soldadura, donde la función del operario pasa a ser la carga de las partes y la descarga de la pieza ya soldada, no teniendo que realizar él la soldadura. El operario no es sometido entonces a la radiación de la soldadura, a altas temperaturas, ni a los gases del proceso.
Para ello se investigó sobre el funcionamiento y programación del brazo robótico. Se diseñó y construyó un gripper o efector final acoplado al robot, para realizar un proceso de soldadura.
viii
ABSTRACT
Solder is used virtually in all industries, and is one of the most dangerous industrial activities, although there have been spectacular advances in technology, the process is still based on the same principle as always: raise the temperature of the junction to achieve softening or melting the material, so that upon cooling to form a homogeneous mass mechanically bonding.
This leads irresistibly to the generation of fumes and gases, whose inhalation can lead to health disorders, such as acute poisoning and permanent diseases, varied enormously depending on the particular conditions of each job: type of welding, weld materials, continuity exposure, quality of ventilation, etc.
The main objective of this work is use a PUMA robot arm to automate the welding process, where the function becomes operator loading and unloading parts of the piece and welded, not having to perform the welding. The operator is then subjected to radiation from the welding or high temperature, or process gases.
This was investigated on the operation and programming of the robot arm. We designed and built a gripper or end effector coupled to the robot to perform a welding process.
2 En los últimos tiempos se ha llevado a cabo la automatización de diferentes procesos industriales, en los cuales se requiere sistemas sofisticados de automatización como son los brazos robóticos, esto trae varios beneficios como: llevar a cabo tareas difíciles con alto grado de exactitud, perfección o repetitividad permitiendo la reducción de tiempo, mejoras de eficiencia, y gracias al surgimiento de nuevas tecnologías se han desarrollado sistemas automáticos que han facilitado el trabajo del ser humano.
La principal aplicación de los robots tiene lugar en la industria de la construcción, donde es habitual que se elija un brazo robótico de una marca reconocida, se acople a las necesidades para realizar sobre todo tareas repetitivas como la fabricación de piezas en serie.
Actualmente en el país la mayoría de sistemas de soldadura son operados manualmente, y aunque estas aplicaciones se llevan a cabo en ambientes controlados como fábricas y talleres puede ser una práctica peligrosa y dañina para la salud ya que los gases generados en este proceso son una mescla compleja de solidos condensados, que al ser respirados por el soldador pueden presentar riesgos serios al sistema respiratorio o nervioso, y otros efectos crónicos pueden no manifestarse sino después de años de exposición, además de los riesgos a los que el operador está expuesto como lesiones y quemaduras.
La utilización de un sistema automático para soldar permitirá que se construyan piezas en menor tiempo, generando mayor productividad y se reducirá los niveles de productos defectuosos ya que el brazo robótico realizara movimientos con una precisión mayor que una persona, además de alejar a los operarios de este trabajo que es peligroso y nocivo.
3 Por estos motivos, para el presente proyecto se plantearon los siguientes objetivos:
Objetivo General
Implementar un sistema de soldadura automática de piezas con geometrías complejas tridimensionales utilizando el brazo robótico Mitsubishi Melfa RV-2AJ del laboratorio de Mecatrónica.
Objetivos Específicos
• Investigar el funcionamiento y los lenguajes de programación del brazo robótico Mitsubishi Melfa RV-2AJ.
• Diseñar una pieza con geometría compleja tridimensional que permita demostrar el funcionamiento del brazo RV-2AJ.
• Diseñar e implementar una estación de soldadura acoplada al brazo robótico.
• Desarrollar el control del brazo robótico RV-2AJ para soldar piezas con geometría compleja tridimensional.
El presente proyecto de titulación se enfoca en investigar el funcionamiento y programación del brazo robótico Mitsubishi Melfa RV-2AJ, diseñar en una herramienta CAD las piezas a ser construidas. Simular la programación del brazo robótico, e implementar una estación de soldadura automática con el brazo robótico para geometrías complejas tridimensionales.
Innegablemente se deberá tener el control total del movimiento del robot, es necesario puntualizar el tipo de recorrido espacial que debe ser ejecutado, la velocidad y la precisión con que debe llegar al sitio destino. (Braunl, 2006)
4 Para acoplar el brazo robótico a la célula de trabajo tendrá que ser programado para comunicarse con las demás unidades autónomas, que deberán trabajar de forma compacta y secuencial.
La programación normal del robot es por aprendizaje, es decir: se toman todos los registros y las configuraciones adoptadas por la práctica para su posterior recreación de forma automática.
Existen varias soluciones para configurar al robot por sus recorridos o puntos, al deshabilitar los actuadores del robot, el programador podrá acoplar la energía suficiente para generar los desplazamientos, de esta manera se tendrá un control pasivo por parte del usuario y el programador podrá desplazarlo hasta los sitios deseados tomando las trayectorias más apropiadas. Todos estos movimientos serán registrados en el mecanismo de control del robot de forma independiente, el registro de los sensores de estado de las articulaciones en todos los puntos recorridos. (Wehner, 2010)
Utilizando el guiado pasivo se resuelve la complejidad física de desplazar la estructura del robot, es este caso, el registro de las configuraciones que adopta el robot es continuo, es decir, la unidad de control muestrea y guarda las posiciones de las articulaciones.
También tenemos la posibilidad de emplear el módulo de accionamiento del robot, manejado desde un panel de control o un dispositivo de mando para el control manual, llamado Teach, ubicado en un indicador de programación móvil para conducir las articulaciones en base a eventos.
El dispositivo de control registrara exclusivamente aquellas configuraciones del robot que sean descritas por el programador.
5 luego grabar esta configuración. De esta forma, el desplazamiento que ha empleado el robot para alcanzar la configuración designada, será añadido a los datos del recorrido del robot, desde la configuración anterior hasta la nueva.
A través del panel de programación se pueden incluir instrucciones para el control del flujo del programa (saltos, repetición de movimientos), atención a entradas y salidas binarias.
Los sistemas de programación manual no requieren coordenadas de los elementos principales del entorno de trabajo por lo cual no se producen errores de posicionamiento por una inadecuada graduación del robot o su entorno.
En la actualidad la mayoría de robots posee una plataforma estática y esta manufactura se basa en trabajos de producción industriales como montaje, acoplamiento de soldadura, paletizado, etc. Además se encuentra gran variedad de aplicaciones que han evolucionado en función de su estructura.
Figura 1. RobotRV-2AJ
7 Los robots a nivel tecnológico son los más utilizados en la industria debido a sus funcionalidades y practicidad en los procesos de manufactura, gracias al nivel de trabajo y tiempo de producción que alcanzan se ha incrementado la implementación a nivel mundial permitiendo al ser humano preocuparse de labores con más raciocinio como gestión de la producción o proyección de ventas, debido a estas razones se tienen una amplia gama de categorías y funcionalidades a nivel mundial (Ollero, 2001).
2.1 ROBÓTICA
La robótica es una rama de la tecnología, que se encarga del estudio, diseño, construcción y operación de máquinas capaces de desempeñar tareas difíciles para el ser humano, que requieren mayor fuerza, repetitividad de operaciones y el uso de inteligencia. La robótica combina varias disciplinas como son: la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia artificial, la ingeniería de control y la física. De la robótica se derivan varias ciencias y tecnológicas como: el álgebra, los autómatas programables, las máquinas de estados, la mecánica o la informática (UNSAAC Robótica, 2012).
A lo largo de la historia el hombre siempre se ha sentido atraído por las máquinas y los dispositivos capaces de imitar las funciones y los movimientos de los seres vivos. Los primeros mecanismos se movían a través de dispositivos hidráulicos, poleas y palancas; dichos mecanismo tenían fines meramente lúdicos (Barrientos, Peñin, Balaguer, & Aracil, 1999).
8 las áreas productivas y tipos de industria. En pequeñas y grandes fábricas, los robots pueden sustituir al hombre en aquellas tareas repetitivas y hostiles. Con el avance de la tecnología se apunta a aumentar la movilidad, destreza y autonomía de las decisiones de los robots. Gran cantidad de los robots se utilizan en aplicaciones industriales como ensamblado, soldadura, alimentación de máquinas herramientas, no obstante existen otro tipo de aplicaciones que han provocado un cambio en la concepción y morfología de los robots. Algunas de esas aplicaciones no industriales son (Barrientos, Peñin, Balaguer, & Aracil, 1999):
• Robots espaciales: Brazos para lanzamientos y recuperación de satélites, vehículos de exploración lunar y robots para construcción y mantenimientos de hardware en el espacio.
• Robots para aplicaciones submarinas y subterráneas: Exploración submarina, instalación y mantenimiento de cables telefónicos submarinos, limpieza e inspección de tuberías y drenajes subterráneos.
• Robots militares: Desactivación de bombas.
• Aplicaciones médicas: Prótesis robotizas y ayudas a pacientes discapacitados.
• Aplicaciones agrícolas: Sembrada y recogida de cosechas.
Los robots se pueden clasificar de manera general, en los siguientes tipos:
• 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. por ejemplo: SCARA, PUMA (RV-2AJ), STAÜBLI.
9
• Robots controlados por visión.- Donde los robots pueden manipular un objeto al utilizar información desde un sistema de visión.
• Robots controlados adaptablemente.- Donde los robots pueden automáticamente reprogramar sus acciones sobre la base de los datos obtenidos por los sensores.
• Robots con inteligencia artificial.- Donde los robots utilizan las técnicas de inteligencia artificial para hacer sus propias decisiones y resolver problemas.
• Los robots médicos son.- Fundamentalmente, prótesis para personas con capacidades diferentes, que se adaptan al cuerpo y están dotados de potentes sistemas de mando. Con ellos se logra igualar al cuerpo con precisión los movimientos y funciones de los órganos o extremidades que suplen.
• Los androides.- Son robots que se parecen y actúan como seres humanos. Los robots de hoy en día vienen en todas las formas y tamaños, pero a excepción de los que aparecen en las ferias y espectáculos, no se parecen a las personas y por tanto no son androides. Actualmente, los androides reales sólo existen en la imaginación y en las películas de ficción.
10
Figura 2. Robot Play-back
Fuente: (Robotec, 2013)
En el presente proyecto se trabaja con un robot industrial. Según la Federación Internacional de Robótica (IFR), “Por robot industrial de manipulación se entiende una máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento” (Robots Industriales, 2011).
En el caso de los robots industriales, una manera de clasificarlos es la que hace la AFRI (Asociación Francesa de Robótica industrial) en la que distingue cuatro tipos.
• Tipo A: Manipulador con control manual o telemando.
• Tipo B: Manipulador automático con ciclos pre ajustados, regulación mediante fines de carrera o topes, control por PLC, accionamiento neumático, eléctrico o hidráulico.
• Tipo C: Robot programable con trayectoria continua o punto a punto. Carece de conocimiento de su entorno.
11
2.1.1 CINEMATICA DEL ROBOT
La cinemática es la ciencia del movimiento que trata el tema sin considerar las fuerzas que lo ocasionan. En consecuencia la cinemática del robot estudia el movimiento del mismo con respecto a un sistema de referencia. Se interesa por la descripción analítica del movimiento espacial del robot como una función del tiempo y en particular por las relaciones entre la posición y la orientación del extremo final del robot con los valores que toman sus coordenadas articulares (CREUS, 1997).
Para el brazo robótico se considera la posición y la orientación, para mayor entendimiento de la geometría del brazo se ubican distancias y ángulos que permiten abordar el tema de mejor manera. En la cinemática del robot existen dos problemas fundamentales. El primero es la cinemática directa que consiste en determinar cuál es la posición y orientación del extremo final del robot y el segundo es la cinemática inversa que resuelve la configuración que debe de adoptar el robot para una posición y orientación del extremo conocidas (Bishop, 2008).
2.1.1.1 Cinemática Directa
El modelo cinemático directo, permite determinar la posición y orientación que adopta el extremo del robot cuando cada una de las variables que fijan la posición u orientación de sus articulaciones toman valores determinados.
12
Figura 3. Cinematica directa de brazo robotico
Fuente: (Arrau, 2005)
Según la representación propuesta por Denavit-Hartenberg, será posible pasar de un eslabón al siguiente mediante 4 transformaciones básicas que dependen exclusivamente de las características geométricas del eslabón. Estas transformaciones básicas consisten en una sucesión de rotaciones y traslaciones que permiten relacionar el sistema de referencia del elemento i-1 con el sistema del elemento i. Estas transformaciones son:
1. Rotaciones alrededor del eje ••-1 un ángulo ••.
2. Traslación a lo largo de una ••-1 distancia ••, vector •• (0, 0, ••). 3. Traslación a lo largo de •• una distancia ••, vector •• (••, 0, 0). 4. Rotación alrededor del eje •• un ángulo••.
Los cuatro parámetros de D-H dependen únicamente de las características geométricas de cada eslabón y de las articulaciones que lo unen con el anterior y siguiente:
•• Es el ángulo que forman los ejes ••-1 y •• medido en un plano perpendicular al eje ••-1, utilizando la regla de la mano derecha. Se trata de un parámetro variable en articulaciones giratorias.
•• Es la distancia a lo largo del eje ••-1 desde el origen del sistema de coordenadas (•-1) – ésimo hasta la intersección del eje ••-1 con el eje ••. Se trata de un parámetro variable en articulaciones prismáticas.
13 articulaciones giratorias. En el caso de articulaciones prismáticas, se calcula la distancia más corta entre los ejes ••-1 y ••.
αi Es el ángulo de separación del eje ••-1 y el eje ••, medido en un plano perpendicular al eje ••, utilizando la regla de la mano derecha (Arrau, 2005).
2.1.1.2 Cinemática inversa
El objetivo del problema cinemático inverso consiste en encontrar los valores que deben adoptar las coordenadas articulares del robot •= [•1,•2,•3 … .••], para que su extremo se posicione y oriente según una determinada localización espacial. Así cómo es posible abordar el problema cinemático directo de una manera sistemática a partir de la utilización de matrices de transformación homogéneas, e independiente de la configuración del robot, no ocurre lo mismo con el problema cinemático inverso, siendo el procedimiento de obtención de las ecuaciones fuertemente dependiente de la configuración del robot.
Figura 4 Cinemática inversa de brazo robótico
Fuente: (Ditella, 2013)
14
• En muchas aplicaciones, el problema cinemático inverso ha de resolverse en tiempo real. Una solución de tipo interactivo no garantiza tener la solución en el momento adecuado.
• Al contrario de lo que ocurría en el problema cinemático directo, con cierta frecuencia la solución del problema cinemático inverso no es única; existiendo diferentes soluciones que posicionan y orientan el extremo del robot del mismo modo. En estos casos una solución cerrada permite incluir determinadas reglas o restricciones que aseguren que la solución obtenida sea la más adecuada de entre las posibles.
Los métodos geométricos permiten obtener normalmente los valores de las primeras variables articulares, que son las que consiguen posicionar el brazo robótico. Para ello se usa relaciones trigonométricas y geométricas sobre los elementos del brazo, en ocasiones se suele recurrir a la resolución de triángulos formados por elementos y articulaciones del robot (Dorf & Bishop, 2005).
Tabla 1. Relación entre cinemática directa e inversa
Diagrama entre cinemática directa e inversa
Cinemática directa ->->
Valor de las coordenadas
Articulares
(•0,•1, …••)
Posición y orientación del extremo del robot
(•,•,•,•,•,•)
<-<- Cinemática inversa
Fuente: (Arrau, 2005)
2.1.2 ESTACIÓN DE ROBOT FESTO
15 se describirá más adelante, no obstante la estación de robot adquirida por la Universidad Tecnológica Equinoccial se puede ver en la figura 5.
Figura 5. Estación de robot del proyecto
Fuente: (Festo, 2013)
2.1.2.1 Brazo robótico Mitsubishi Melfa RV-2AJ
16 eléctrico. En la tabla 2 se puede ver un resumen de las características del brazo robótico.
Figura 6. Robot Mitsubishi RV-2AJ
Fuente: El autor
Tabla 2. Características del brazo robótico RV-2AJ de Mitsubishi
Grados de Libertad 5
Motores Servomotores AC (Ejes J1, J3 y J5 con freno) Detección de posición Codificadores Absolutos
Carga Máxima (Kg) 2
Longitud del brazo (mm) 250 Alcance radial máximo (mm) 410
Limite (grados)
J1 ± 150
J2 180 (-60 a +120) J3 230 (-110 a +120)
J4 -
J5 ± 90
17 Velocidad máxima
(grados/s)
J1 180
J2 90
J3 135
J4 -
J5 180
J6 210
Velocidad máxima (mm/s) 2100 Repetitividad ± 0,02
Peso (kg) 17
Instalación Suelo, Techo o Base FESTO Controlador del Robot CR1-571
Fuente: (Pastor, 2005)
18
Figura 7. Controlador CR1-571
Tabla 3. Características del controlador CR1-571
Numero de ejes controlables 6
Tipo de procesador CPU principal: 64 bit RISC Capacidad de
memoria
# posiciones 2500
# programas 88 de 5000 líneas máximo cada uno Lenguaje de programación MELFA-BASIC IV
Entradas/salidas 16/16 pero se pude ampliar a 240/240 Parada de emergencia 1
Conexión RS-232 1 para conexión a PC Conexión RS-422 1 para Teaching Box Interfaces de extensión 3
Pinza 4/0 (con opciones: 4/4)
Tensión de alimentación
Monofásica 90-132 V AC;50/60 Hz; 0,7kVA
Monofásica 180-253 V AC;50/60 Hz; 0,7kVA
Temperatura ambiente 0 hasta 40º
19
Montaje En el suelo
Dimensiones (212x116x290)mm
Peso 8kg
Fuente: (Pastor, 2005)
Adicionalmente el brazo cuenta con una botonera que se puede ver en la figura 8, que tiene un display LC con 4 líneas x16 dígitos (con iluminación de fondo), se conecta al controlador vía RS-422. La botonera o TeachBox se utiliza para determinar y grabar posiciones del brazo del robot para ayudar en la programación, desde borrar un programa o hacerlo nuevo y modificar uno existente. También permite mover manualmente cada articulación del brazo, abrir y cerrar las pinzas entre otras cosas por lo que realmente representa una gran herramienta para la persona que esté programando u operando el robot.
Figura 8. T/B botonera o TeachBox (R28TB)
20 El controlador dispone de entradas y salidas digitales que son el equipamiento para comunicar el robot con el exterior: sensores, plc’s, cinta transportadora, entre otros, de tal forma que es capaz de recibir o enviar información a dichos elementos. Para este proyecto se utilizara una salida del controlador que es capaz de entregar 24 V en continua y una corriente máxima de 100 mA. Por este motivo es necesario adecuar salidas para que la limitación de corriente sea más elevada.
2.1.2.2 Melfa Basic IV
Melfa Basic IV fue el lenguaje que se utilizó para la elaboración del programa que corre en el controlador para este proyecto, no obstante el CR1-571 también soporta el lenguaje Movemaster Command. El potente lenguaje de programación Melfa Basic IV sirve para controlar los robots y está basado en el lenguaje BASIC estándar. Este lenguaje de programación permite la creación de programas altamente complejos y además no sólo controla secuencias sencillas de movimientos, sino que ejecuta por sí mismo cálculos de extrema complejidad sin tener que estar conectado a una PC. Esto es posible gracias a una extensa biblioteca de funciones, entre las que se cuentan también las funciones trigonométricas. También, como cualquier otro lenguaje de programación, Melfa Basic IV permite hacer ciclos, condiciones, interrupciones, declarar variable de varios tipos, por ejemplo: de posición, de articulación, variables para hacer operaciones aritméticas o bien para manejar una cadena de caracteres.
2.1.2.3 Ciros
21 para llevar a cabo el modelado, la programación y la simulación de un entorno industrial. Algunas de sus características son:
• Posee todos los entornos de aprendizaje de mecatrónica, robótica y automatización industrial en una misma plataforma.
• Nueva interface de usuario orientada a la manipulación para tareas y proyectos con un nuevo asistente didáctico en línea.
• Bibliotecas con sistemas de robots industriales y numerosos componentes de automatización.
• Soporta los lenguajes Movemaster Command y Melfa Basic IV para los robots Mitsubishi.
• Interfaz de gran alcance para el control del robot de Mitsubishi a través de Ethernet TCP/IP o el puerto serie.
• Permite descargar los programas y archivos, visualizar en línea los datos del sistema del robot.
• Ejecución y depuración del programa línea por línea.
• Simulación en 3D en tiempo real: incluye simulación de transporte, de las conexiones de la tubería y las cadenas de la energía.
• Detección de colisiones a través del cambio de color o mensajes de advertencia con y sin acuse de recibo.
• Simulación del sensor: desde el sensor inductivo para la cámara, casi todos los sensores y sus propiedades físicas pueden ser simuladas. De esta manera es posible analizar la interacción realista con el equipo periférico.
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Figura 9. Ambiente de trabajo del software CIROS Studio
2.1.2.4 Cosirop
En este proyecto se utilizó también el software COSIROP otro potente entorno de programación para todos los robots Mitsubishi. Permite crear programas para robots en pocos minutos usando los lenguajes de programación de robots MELFA BASIC IV y MOVEMATER COMMAND. Después de verificar y optimizar el programa puede ser transferido al robot con solo un par de clics, mediante una eficiente red directa o conexión en serie entre un PC y el robot.
Mientras los programas se están ejecutando COSIROP permite monitorear y visualizar el robot el control y diagnóstico. La velocidad en tiempo real de los ejes y las corrientes de motor son mostradas de forma clara, junto con el estado de las entradas y salidas del robot. Las facilidades para monitoreo permiten eliminar los errores de programación de forma rápida y fiable. COSIROP también proporciona herramientas para guardar los programas y copiar los parámetros y configuraciones del robot.
Otras funciones útiles:
• Función “teach-in online” para las posiciones del robot
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• Monitoreo de variables
• Ejecución de instrucciones online
• Diagnóstico de errores
• Editor de posiciones
• Manejo de proyectos
Figura 10. Ambiente de trabajo del software COSIROP
2.2 CONTROLADOR LOGICO PROGRAMABLE (PLC)
Los controladores lógicos programables o PLC (programmable logic controller en sus siglas en inglés) son dispositivos electrónicos ampliamente usados en automatización industrial ya que permiten programar y controlar procesos secuenciales en tiempo real (Bryan & Bryan, 1997).
24 salidas. La memoria se divide en dos, la memoria de solo lectura o ROM y la memoria de lectura y escritura o RAM (Bolton, 2006).
La memoria ROM almacena programas para el buen funcionamiento del sistema. La memoria RAM está conformada por la memoria de datos, en la que se almacena la información de las entradas y salidas y de variables internas y por la memoria de usuario, en la que se almacena el programa que maneja la lógica del PLC (Hackworth & Hackworth, 2003).
El sistema de Entradas y Salidas recopila la información del proceso (Entradas) y genera las acciones de control del mismo (salidas). Los dispositivos conectados a las entradas pueden ser: pulsadores, interruptores, finales de carrera, termostatos, presostatos, detectores de nivel, detectores de proximidad, contactos auxiliares, etc. Al igual, los dispositivos de salida son también muy variados: pilotos, relés, contactores, drives o variadores de frecuencia, válvulas, etc (Rocatek, 2011).
2.2.1 PLC LOGO
El PLC de SIEMENS LOGO, es el pequeño gigante de los autómatas para procesos sencillos. Solamente posee 6 entradas digitales (que por cierto funcionan con 1 lógico= 110Vac y 0 lógico= 0V) y cuenta con 4 poderosas salidas de Relé que manejan hasta 8A para corriente alterna y 220Vac. Como este proyecto solamente requiere de 2 entradas y 4 salidas, el LOGO es la mejor solución pues es muy económico y tiene incluso más funciones que los predecesores SIMATIC S5 (por supuesto refiriéndonos a funciones digitales). La forma de programación es FUP y además no necesita computadora para su programación.
25 una red que permite a los nuevos PLC de la SIEMENS hacer las conexiones de las salidas y entradas lo más cerca posible de la planta, lo cual evita la gran cantidad de alambres desde la planta hacia el PLC llevando toda la información de las entradas y salidas con un simple par. En el laboratorio de mecatrónica se cuenta con un programa simulador que permite estudiar la forma de programar el LOGO tal y como si se tuviera con el aparato real (CITT, 2012).
Figura 11. PLC LOGO! de Siemens
Fuente: (PLCHouse, 2010)
2.2.2 LOGO!SOFT COMFORT
26 Determinados grupos de usuarios, entre los que destacan las oficinas de proyectos y de ingeniería y los usuarios con experiencia en CAD en PCs, esperan obtener también de LOGO! para su equipo una plataforma de programación, que no necesariamente simule la operación de un equipo, sino que sobre todo aumente el confort de programación y ofrezca una buena posibilidad de ensayar y documentar los programas producidos.
LOGO!Soft Comfort proporciona al usuario de Windows una herramienta que le permita elaborar aún con más sencillez y confort en su PC programas de conmutación, así como imprimir con detalle y claridad la documentación para los elementos de los circuitos.
Peculiaridades de LOGO!Soft Comfort:
• Elaboración muy sencilla y confortable de programas de conexiones
• Extensa documentación de programas de conexiones
• Amplias funciones de impresión
• Mínima tasa de errores en programas de conexiones gracias a su simulación en el PC. (Siemens, 2012)
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2.3 LA SOLDADURA
La soldadura es un proceso de fabricación donde se realiza la unión de dos materiales, (generalmente metales o termoplásticos), usualmente logrado a través de la coalescencia (fusión), en la cual las piezas son soldadas fundiendo ambas y agregando un material de relleno fundido (metal o plástico), el cual tiene un punto de fusión menor al de la pieza a soldar, para conseguir un baño de material fundido que, al enfriarse, se convierte en una unión fija (Fernandez, 2010).
Muchas fuentes de energía diferentes pueden ser usadas para la soldadura, incluyendo la llama de gas, un arco eléctrico, un láser, un rayo de electrones, procesos de fricción y ultrasonido. La energía necesaria para formar la unión entre dos piezas de metal generalmente proviene de un arco eléctrico. La energía para soldaduras de fusión o termoplásticos generalmente del contacto directo con una herramienta o un gas caliente. Durante el proceso hay que proteger al material fundido contra los gases nocivos de la atmosfera, principalmente contra el oxígeno y el nitrógeno (García, 2011).
La soldadura es el método más económico de unir en forma permanente metales o termoplásticos. Para fusionar dos partes mediante pernos o remaches se requiere de orificios en ambas a efecto de acomodarlos. Estos orificios reducen el área transversal 10% la junta puede requerir también el uso de una o dos placas angulares, incrementándose así el peso del material requerido y el costo. Este gasto puede eliminarse usando un trabajo de soldadura. Cambiar de piezas fundidas a soldadas permite al diseñador disminuir el peso reduciendo el espesor del metal. La soldadura es un concepto de diseño que permite libertad y flexibilidad, que no son posibles en la construcción de piezas de fundición (Fernandez, 2010).
28 considerable para seleccionar el proceso adecuado para un trabajo específico.
Mientras que con frecuencia es un proceso industrial, la soldadura puede ser hecha en muchos ambientes diferentes, incluyendo al aire libre, debajo del agua y en el espacio. Sin importar la localización, sin embargo, la soldadura sigue siendo peligrosa, y deben tomar precauciones para evitar quemaduras, descarga eléctrica, humos venenosos, y sobre todo la exposición a la luz ultravioleta. Es por eso que en este trabajo se analizara la automatización de este proceso (MILENIUM3, 2011).
2.3.1 VENTAJAS DE LA SOLDADURA
• La soldadura es el método de unión de más bajo costo.
• Proporciona un peso más ligero por la menor utilización de los materiales.
• Puede usarse en cualquier parte.
• Proporciona flexibilidad en el diseño. Las limitaciones de la soldadura son:
• Algunos procesos de soldadura dependen del factor humano.
• Frecuentemente requieren de inspección interna.
La mayoría de limitaciones pueden superarse con la automatización del proceso (AUI, 2012).
2.3.2 CONCEPTOS BASICOS EN SOLDADURA
La American Welding Society (AWS) proporciona la mayoría de las definiciones en la especificación AWS 3.0 “Welding TEMS and DEFINITIONS”.
La Operación de Soldar
29 por medio de la aplicación de presión solamente y con o sin el uso de material de aporte. La coalescencia, significa adhiriese uno a otro o adherir a un cuerpo los materiales que se sueldan.
El Ensamble de Soldadura
Es un conjunto de pates unidos con soldadura, y puede contener materiales de diferentes composiciones, las piezas pueden estar laminadas, en hoja, placa, tubo, forjadas o fundidas.
La unión
Se define como: unión es la acción y efecto de unir o unirse (juntar, combinar, atar o acercar dos o más cosas para hacer un todo, ya sea físico o simbólico) (Fernandez, 2010).
El Soldador
Deje ejercer talento y habilidad para manipular el equipo a efecto de producir trabajos soldados.
El Operario de Soldadura
Puede controlar u operar una maquina autómata de soldadura.
El material de aporte
Es el material que deberá añadirse al hacer la unión.
El material base
Es el material que está siendo sometido a una soldadura ordinaria.
El procedimiento de soldadura
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2.3.3 TIPOS DE UNIONES
Las partes que se unen para producir la construcción soldada pueden estar en la forma de placa rolada, lámina, forma estructural, tubo, o pueden ser fundiciones, forjas o lingotes.
Figura 13. Tipos de uniones en soldadura
Fuente: (WordPress, 2009)
a) Unión a tope: Una unión entre dos miembros alineados aproximadamente en el mismo plano.
b) Unión en esquina: Una unión entre dos miembros localizados aproximadamente en ángulo recto entre sí.
c) Unión a traslape: Una unión entre dos miembros que se traslapan en planos paralelos.
d) Unión en T: Una unión entre dos miembros localizados aproximadamente a ángulo recto entre sí en la forma de una T.
e) Unión en orilla o de canto: Una unión entre orillas de dos o más miembros paralelos o casi paralelos.
2.3.4 TIPOS DE SOLDADURAS
Existen diferentes tipos básicos de soldaduras, algunos de estos tipos de soldaduras tienen muchas variantes. Además, los tipos de soldadura se pueden combinar (Fernandez, 2010).
Soldadura de filete
31 soldadura de sección transversal aproximadamente recto entre sí. Es la soldadura utilizada en este proyecto.
Soldadura de Tapón o de Ranura
El tapón y la ranura se consideran juntos porque el símbolo que los especifica es el mismo. La diferencia importante es el tipo de agujero en el miembro preparado que se va a unir. Si el agujero es redondo, se considera como una soldadura de tapón, si es alargado, como una soldadura de ranura.
Soldadura de proyección o de punto
En ambos casos se usa el mismo símbolo de soldadura. Estos tipos de soldadura se pueden aplicar por distintos procesos que cambian la soldadura real. Por ejemplo, cuando se usa el proceso de soldadura de resistencia, la soldadura está en la interface de los miembros a unir. Si se usa el proceso de haz de electrones, rayo láser o de arco, el metal se funde desde un miembro hacia el segundo.
Soldadura de Costura
Esta soldadura, en su sección transversal se asemeja a una soldadura de punto. La geometría de la soldadura está influida por el proceso de soldadura que se emplee. Con la soldadura de resistencia, la unión queda en la interface entre los miembros que se unen, pero con los procesos de soldadura de haz electrónico, de laser o de arco, la soldadura funde a través de uno de los miembros para unirlo al segundo. No hay agujeros preparados ni en la soldadura de punto ni en la de costura.
Soldadura de Bisel
32 Soldadura de respaldo
La raíz de la soldadura original se bisela y se hace surco en ella, se limpia o cincela hasta llegar a metal macizo antes de que se haga la soldadura de respaldo. Esto aumenta la calidad de la unión soldada, asegurando una penetración completa.
Soldadura de revestimiento
Este es un tipo de soldadura compuesto de uno o mas cordones depositados en el metal base, en forma de superficie ininterrumpida.
Soldadura de brida en orilla
Esta se usa principalmente para uniones de láminas o placas delgadas.
Soldadura de brida en esquina
También se usa para partes de lámina o placas delgadas. En ambas bases, se deben preparar las partes según los detalles específicos de la unión (Fernandez, 2010).
2.3.5 PROCESOS DE SOLDADURA
33 La American Welding Society (AWS) ha hecho una clasificación de los procesos de soldadura. La sociedad de soldadura formuló la definición de los procesos desde el punto de vista operativo en vez del metalúrgico. La AWS ha agrupado los procesos de acuerdo con el “modo de transferencia de energía” como consideración primaria. Un segundo factor es la “influencia de la atracción capilar al efectuar la distribución del metal de aporte” en la unión.
Figura 14. Procesos de soldadura
Fuente: (Buitrago, 2010)
2.3.5.1 Soldadura por arco
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• Diámetro del electrodo.
• Distancia del electrodo a las piezas para unir (tamaño del arco)
• Velocidad de avance del electrodo (habilidad del soldador)
• Temperatura en el proceso; de 3000 a 4000 ºC.
El calor del arco funde parcialmente el material de base y funde el material de aporte, el cual se deposita y crea el cordón de soldadura. Pueden usar tanto corriente continua (DC) como alterna (AC), y electrodos consumibles o no consumibles (Fernandez, 2010).
A veces, la región de la soldadura es protegida por un cierto tipo de gas inerte o semi inerte, conocido como gas de protección, y el material de relleno a veces es usado también. Para proveer la energía eléctrica necesaria para los procesos de la soldadura de arco, pueden ser usadas un número diferentes de fuentes de alimentación. La clasificación más común son las fuentes de alimentación de corriente constante y las fuentes de alimentación de voltaje constante. En la soldadura de arco, la longitud del arco está directamente relacionada con el voltaje, y la cantidad de entrada de calor está relacionada con la corriente. Las fuentes de alimentación de corriente constante son usadas con más frecuencia para los procesos manuales de soldadura tales como la soldadura de arco de gas tungsteno y soldadura de arco metálico blindado, porque ellas mantienen una corriente constante incluso mientras el voltaje varía. Esto es importante en la soldadura manual, ya que puede ser difícil sostener el electrodo perfectamente estable, y como resultado, la longitud del arco y el voltaje tienden a fluctuar.
35 base es rápidamente rectificado por un cambio grande en la corriente. Por ejemplo, si el alambre y el material base se acercan demasiado, la corriente aumentará rápidamente, lo que a su vez causa que aumente el calor y la extremidad del alambre se funda, volviéndolo a su distancia de separación original.
El tipo de corriente usado en la soldadura de arco también juega un papel importante. Los electrodos de proceso consumibles como los de la soldadura de arco de metal blindado y la soldadura de arco metálico con gas generalmente usan corriente directa, pero el electrodo puede ser cargado positiva o negativamente.
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Figura 15. Soldadura por arco
Fuente: El autor
Soldadura de arco de metal blindado
Uno de los tipos más comunes de soldadura de arco es la soldadura manual con electrodo revestido (SMAW, Shielded Metal Arc Welding), que también es conocida como soldadura manual de arco metálico (MMA) o soldadura de electrodo. La corriente eléctrica se usa para crear un arco entre el material base y la varilla de electrodo consumible, que es de acero y está cubierto con un fundente que protege el área de la soldadura contra la oxidación y la contaminación por medio de la producción del gas CO2 durante el proceso de la soldadura. El núcleo en sí mismo del electrodo actúa como material de relleno, haciendo innecesario un material de relleno adicional.
37 operador puede hacerse razonablemente competente con una modesta cantidad de entrenamiento y puede alcanzar la maestría con experiencia. Los tiempos de soldadura son algo lentos, puesto que los electrodos consumibles deben ser sustituidos con frecuencia y porque la escoria, el residuo del fundente, debe ser retirada después de soldar. Además, el proceso es generalmente limitado a materiales de soldadura ferrosos, aunque electrodos especializados han hecho posible la soldadura del hierro fundido, níquel, aluminio, cobre, y de otros metales (Lopez, 2011).
Soldadura de arco metálico con gas (GMAW)
También conocida como soldadura de gas de metal inerte o soldadura MIG, es un proceso semiautomático o automático que usa una alimentación continua de alambre como electrodo y una mezcla de gas inerte o semi-inerte para proteger la soldadura contra la contaminación. Como con la SMAW, la habilidad razonable del operador puede ser alcanzada con entrenamiento modesto. Puesto que el electrodo es continuo, las velocidades de soldado son mayores para la GMAW que para la SMAW. También, el tamaño más pequeño del arco, comparado a los procesos de soldadura de arco metálico protegido, hace más fácil hacer las soldaduras fuera de posición (ej., empalmes en lo alto, como sería soldando por debajo de una estructura) (Fernandez, 2010).
38 Soldadura de arco de gas de tungsteno (GTAW)
O la soldadura de gas inerte de tungsteno (TIG) (también a veces designada erróneamente como soldadura heliarc), es un proceso manual de soldadura que usa un electrodo de tungsteno no consumible, una mezcla de gas inerte o semi inerte, y un material de relleno separado. Especialmente útil para soldar materiales finos, este método es caracterizado por un arco estable y una soldadura de alta calidad, pero requiere una significativa habilidad del operador y solamente puede ser lograda en velocidades relativamente bajas.
La GTAW puede ser usada en casi todos los metales soldables, aunque es aplicada más a menudo a metales de acero inoxidable y livianos. Con frecuencia es usada cuando son extremadamente importantes las soldaduras de calidad, por ejemplo en bicicletas, aviones y aplicaciones navales. Un proceso relacionado, la soldadura de arco de plasma, también usa un electrodo de tungsteno pero utiliza un gas de plasma para hacer el arco. El arco es más concentrado que el arco de la GTAW, haciendo el control transversal más crítico y así generalmente restringiendo la técnica a un proceso mecanizado. Debido a su corriente estable, el método puede ser usado en una gama más amplia de materiales gruesos que el proceso GTAW, y además, es mucho más rápido. Puede ser aplicado a los mismos materiales que la GTAW excepto al magnesio, y la soldadura automatizada del acero inoxidable es una aplicación importante del proceso. Una variación del proceso es el corte por plasma, un eficiente proceso de corte de acero (Fernandez, 2010).
Soldadura de arco sumergido (SAW)
39 mejoradas sobre otros procesos de soldadura de arco, puesto que el flujo oculta el arco y casi no se produce ningún humo. El proceso es usado comúnmente en la industria, especialmente para productos grandes y en la fabricación de los recipientes de presión soldados (Fernandez, 2010).
2.3.5.2 Soldadura fuerte (latón)
La soldadura fuerte es “un grupo de procesos de soldadura que produce Coalescencia de materiales calentándolos a la temperatura de licuefacción en presencia de un metal de aporte con un punto líquido por arriba de 450°C (840°F) y por debajo del punto de solidificación del metal base. El metal de aporte se distribuye entre las superficies a empalmar de la unión, estrechamente unidas por atracción capilar”. La soldadura de latón se refiere a los procesos de soldadura que usan latón o bronce como metal de aporte, donde dicho metal no se distribuye por acción capilar (Fernandez, 2010).
2.3.5.3 Soldadura con gas oxicombustible
La soldadura con gas oxicombustible (OFW) es “un grupo de procesos de soldadura que produce la Coalescencia de las piezas de trabajo calentándolas con una flama de gas oxicombustible. Los procesos se usan con o sin la aplicación de presión y con o sin el uso de metal de aporte”. El calor de la flama se crea por reacción química o por quemado de los gases. Este proceso de soldadura normalmente usa acetileno como gas combustible (Fernandez, 2010).
2.3.5.4 Soldadura por resistencia
40
2.3.5.5 Soldadura blanda
La soldadura blanda (S) es un grupo de procesos de soldadura que produce la coalescencia de los materiales calentándolos a temperatura de fusión y usando un metal de aporte cuyo punto de licuefacción excede los 450 °C (840 °F) y por debajo del punto de solidificación de los metales base (Fernandez, 2010).
2.3.5.6 Soldadura de estado solido
La soldadura de estado sólido (SSW) es un grupo de procesos de soldadura que produce la Coalescencia de las superficies a empalmar por medio de la aplicación de presión a temperaturas por debajo del punto de fusión del metal base, sin la adición de metal de aporte de soldadura fuerte o de soldadura blanda” (Fernandez, 2010).
2.3.5.7 Soldadura por fusión
La acción del calor origina la fusión localizada de las piezas y estas se unen sin o con la aportación de otro material.
2.3.5.8 Soldadura por presión
Las piezas se calientan hasta hacerse plásticas y luego se unen mediante una presión mecánica.
2.3.5.9 Soldadura TIG
El Tugnsten Inert Gas emplea un electrodo permanente de tungsteno, aleado a veces con torio o zirconio en porcentajes no superiores a un 2%. El tungsteno (funde a 3410 ºC), acompañada de la protección del gas, la punta del electrodo apenas se desgasta tras un uso prolongado (Fernandez, 2010).
2.3.5.10 Soldadura a tope
41 bordes. El objetivo de esta soldadura es conseguir una penetración completa y que constituya una transición lo más perfecta posible entre los elementos soldados.
2.3.5.11 Soldadura en ángulo
Consiste en unir dos chapas situadas en distinto plano bien ortogonales o superpuestas; los tipos de cordones con relación a su posición respecto a la fuerza que van a soportar es la siguiente:
1. Cordón de ángulo; chapas ortogonales.
2. Cordón frontal, su dirección es normal a la fuerza. 3. Cordón lateral; su dirección es paralela a la fuerza. 4. Cordón oblicuo; su dirección en oblicua a la fuerza
La soldadura de ángulo nos la podemos encontrar en rincón, en solape, en esquina y por puntos.
2.3.5.12 Soldadura sin plomo
Es un tipo de soldadura en la que la aleación más apta era aquella compuesta por estaño/plata/cobre, también llamada SAC. La temperatura de fusión de la aleación SAC305 (96.5% Sn, 3.0% Ag, 0.5% Cu) es 34 ºC superior a la de SnPb.
2.3.5.13 Soldadura por rayo laser
Esta utiliza la energía aportada por un haz láser para fundir y recristalizar el material o los materiales que se desea unir, resultando así la unión entre los elementos involucrados. La soldadura se realiza por el calentamiento de la zona a soldar.
2.3.5.14 Soldadura ultrasónica
42
2.3.5.15 Soldadura GMAW
Este utiliza un electrodo consumible y continuo que es alimentado a la pistola junto con el gas inerte en soldadura MIG o gas activo en soldadura MAG que crea la atmósfera protectora (Fernandez, 2010).
2.3.6 METODOS DE APLICACION DE SOLDADURA
Hay más de un método de aplicación de los diferentes procesos de soldadura. Por definición el soldador “es aquel que ejecuta una operación de soldadura manual o semiautomática” y el operario de soldadura es “aquel que opera un equipo de soldadura de máquinas o automático”.
La American Welding Society ha establecido cuatro métodos específicos de aplicación para los múltiples procesos de soldadura.
Estos se basan en las siguientes interpretaciones: Manual:
Realizada, fabricada, operada o utilizada con una o dos manos.
Semiautomática:
Operada parcialmente de modo automático y parcialmente de modo manual.
De Máquina:
Mecanismos que sirve para transmitir y modificar la fuerza y el movimiento en la ejecución de algún tipo de trabajo.
Automática:
43 Los cuatro métodos de aplicación son los siguientes:
MA (SM) soldadura manual:
Operación de soldadura ejecutada y controlada de manera enteramente manual.
SA (SA) soldadura semiautomática:
Soldadura por arco con equipo que controla sólo la alimentación del metal de aporte. El avance de la soldadura se controla manualmente.
ME (SDM) soldadura de máquina:
Soldadura con equipo que ejecuta la operación de soldadura bajo la observación y control constantes de un operario. El equipo puede o no cargar o descargar las piezas de trabajo.
AU (SA) soldadura automática:
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3.1
METODOLOGÍA
MECATRÓNICA
“La mecatrónica está compuesta de “meca” de mecanismo y por “trónica” de electrónica” (Yasakawa, 2008)
“El termino mecatrónica se usa para describir la integración de sistemas de control basados en microprocesadores, sistemas eléctricos y sistemas mecánicos. Un sistema mecatrónico no es simplemente la unión de sistemas eléctricos y mecánicos, y es más que un simple sistema de control: es la integración completa de todo lo anterior”. (Boltón, Mecatrónica SISTEMAS DE CONTROL, 2006)
“Mecatrónica se refiere al diseño integrado de los sistemas buscando un menor costo, una mayor eficiencia y mayor confiabilidad y flexibilidad desde el punto de vista mecánico, eléctrico, electrónico, de programación y de control” (Steren, 1998).
Se han citado tres conceptos de la definición de mecatrónica con los cuales se puede afirmar que la mecatrónica en una disciplina que integra las áreas de mecánica, electrónica e informática con el objetivo de desarrollar productos que involucren sistemas de control o procesos inteligentes y para su metodología de diseño se requiere hacer un análisis integrado de todas las disciplinas para que este pueda ser flexible, rentable y confiable.
En el siguiente gráfico representa a los elementos claves de la Mecatrónica.
46
Fuente: (Wikipedia, 2013)
El proceso de diseño mecatrónico tiene la siguiente estructura.
Figura 17. Enfoque mecatrónico del diseño paralelo
Fuente: (National Instruments, 2012)
Como podemos ver en la figura 17 el primer paso es identificar las especificaciones o requerimientos del sistema (System Specification), para luego proceder con los diseños mecánico, eléctrico y software, concluyendo con el diseño del control, de esta manera procedemos al desarrollo del prototipo virtual, si este tiene éxito pasamos a construir el prototipo físico para realizar pruebas. Una vez probado el sistema pasamos a la construcción para la venta y continuamos con el soporte y servicio técnico del producto de esta manera estamos desarrollando ingeniería sustentable.
3.2 INVESTIGACIÓN DEL PROBLEMA
La soldadura realizada por personas puede llevar a generar errores debido al cansancio y la repetitividad de las operaciones lo cual produce una enorme pérdida de dinero, pero sobre todo la exposición a largo plazo a humos de soldadura puede presentar riesgos serios al sistema respiratorio y nervioso causando efectos nocivos en la salud de las personas.
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3.3 REQUERIMIENTOS DEL SISTEMA
Para cumplir con lo planteado en este proyecto se requiere lo siguiente:
• Definir la pieza con geometría compleja tridimensional
• Implementar un brazo robótico PUMA con 5 grados de libertad
• Implementar una estación de soldadura capaz de comunicarse con el brazo robótico y trabajar coordinadamente.
• Desarrollar un sistema de control para que exista un funcionamiento coordinado de todas las etapas del proceso.
Una geometría compleja es aquella cuya superficie es irregular tanto en el plano como en el espacio.
Las dimensiones requeridas que deberá cumplir esta pieza con geometría compleja tridimensional son las siguientes:
Tabla 4. Rango de dimensiones admisibles para la pieza con geometría
compleja tridimensional
Desde Hasta
Alto 50 mm 200 mm
Ancho 60 mm 300 mm
Profundidad 40 mm 190 mm
Elaborado por: Marco Paspuel
Estas dimensiones han sido tomadas teniendo en cuenta el espacio de trabajo del brazo robótico y sus grados de libertad.
Las temperaturas que deberá resistir el material a ser utilizado para construir la pieza van desde los 0 °C hasta 100 °C.
48
Tabla 5. Requerimientos del Brazo robótico PUMA
Característica / Función
Especificaciones
Grados de Libertad 5
Montaje Suelo
Rango De Movimientos
Grados
Cuerpo 200 hasta 300 Hombro 80 hasta 180 Codo 100 hasta 230 Inclinación muñeca 40 hasta 150 Giro muñeca 100 hasta 300 Velocidad
De Movimiento
grados/s
Cuerpo 40 hasta 180 Hombro 30 hasta 90 Codo 40 hasta 135 Inclinación muñeca 60 hasta 180 Giro muñeca 70 hasta 210 Temperatura Ambiente °C 0 hasta 40 Radio de alcance mm 300 hasta 410
Elaborado por: Marco Paspuel La estación de soldadura deberá trabajar a temperaturas desde 0 °C hasta 100 °C y contar con una protección para evitar daños en el brazo robótico. Deberá tener un sistema de control mecánico y electrónico capaz de controlar el flujo y la temperatura del material de aportación, para lo cual se necesitara diseñar y construir una tarjeta de control con las siguientes características:
Tabla 6. Especificaciones de la tarjeta de control para el sistema de soladura
Número de entradas digitales 2 Número de salidas digitales 4 Voltaje de trabajo 24v
Elaborado por: Marco Paspuel
