celda robotica

Alejhandro Navarro Piña

Diseño de una Celda Robótica En la industria actual hay infinidades de aplicaciones o actividades que por la complejidad o rapidez requieren ser realizadas por un Brazo robótico; normalmente se asume que el instalar un robot es simplemente pedir un cierto modelo al proveedor, instalarlo, programarlo y listo; lo cual no es cierto; cierto; existen muchas muchas variables a evaluar para seleccionar un robot y muchas más para que este interactúe de forma correcta, es por ello que intentaremos explicar todos los factores que participan en una Celda Robotica.

Factibilidad de una Celda Robótica Antes de tomar la decisión de de instalar una celda robótica hay que ser sincero con la manufactura manufactura de la planta a ver si es realmente necesaria o posible. 1. 2. 3. 4. 5.

¿Cuál es la producción anual de la pieza en particular o piezas? ¿Pueden estas piezas almacenarse? ¿Cuál es el tiempo disponible para la manipulación? ¿Puede un nuevo Layout de máquinas dar alojamiento al Robot? ¿Hay lugar disponible en la máquina o máquinas que intervienen en el alojar la mano del Robot y la pieza? 6. ¿Qué dotación de personal de operación y supervisión será necesaria? 7. ¿Es la inversión posible?

Autor: Alejhandro Navarro

proceso para

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Diseño de una Celda Robótica

Robots por Aplicaciones

Robots por S ectores

Aplic Materiales 8% Ind Manufacturera; 31

Vehiculos a motor; 60

Ind no Manufacturera; 4

Montaje 6% Otros 6%

Soldadura 55%

Otros; 5

Manipuilación 18% Mecanización 7%

Como toda decisión de adquisición de un bien industrial se debe evaluar su Costo-beneficios, Costo-beneficios, lo tradicional es pensar una celda es muy costosa y que el beneficio es simplemente el eliminar un operador lo cual no necesariamente es cierto. Costo de una Celda Robótica El costo de esta Implementación Implementación está compuesto por los siguientes ítems: 1. El Robot. 2. La herramienta de manipulación o de trabajo final (pistola de electropunto, pistola de pintar, antorcha de plasma, etc) 3. Posible modificación de la máquina o máquina-herramienta y herramientas. 4. Posible alteración del layout existente. 5. Equipos periféricos, transportadores, cajas de almacenamiento. 6. Dispositivos de fijación y señalización. 7. Costo del trabajo de instalación. 8. Entrenamiento del personal para operación y mantenimiento. 9. Puesta en marcha y puesta a punto.

Beneficios de una Celda Robótica Robótica Los beneficios que se obtienen al implementar un robot de este tipo son: 1. 2. 3. 4.

Reducción de la labor. Incremento de utilización de las máquinas. Flexibilidad productiva. Mejoramiento de la calidad.


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Diseño de una Celda Robótica 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

Disminución de pasos en el proceso de producción. Mejoramiento de las condiciones de trabajo, reducción de riesgos personales. Mayor productividad. Ahorro de materia prima y energía. Flexibilidad total. Calidad de trabajo humano: -Seguridad: trabajos peligrosos e insalubres. -Comodidad: trabajos repetitivos, monótonos y en posiciones forzadas. Acumulación instantánea de experiencias.

En el caso específico de Soldadura Soldadura electropunto, al emplear un robot se tienen beneficios como: como: 1. 2. 3. 4.

Aumento de la duración de los caps o electrodos de soldadura Disminución del consumo eléctrico de la pistola Mejoramiento de la calidad de soldadura Aumento de la flexibilidad de manufactura ya que con una pistola se podrán muchos puntos por evitar temas ergonómicos del operador o falta de visión de puntos.

EL ROBOT El elemento principal de una Celda Robótica es el robot o brazo robótico, es por ello que haremos un paréntesis en el diseño de la celda robótica y hablaremos de este equipo.

LEYES DE LA ROBOTICA Para iniciar a hablar del robot tenemos que hablar de las leyes de la robótica, En 1942 Isaac Asimov (escritor de ciencia ficción ruso) ruso) escribió en una de sus obras las siguientes leyes 1. UN ROBOT NO DEBE DAÑAR A UN SER HUMANO O POR INACCIÓN, PERMITIR QUE UN SER HUMANO SUFRA DAÑO 2. UN ROBOT DEBE COOPERAR CON LOS SERES HUMANOS, EXCEPTO CUANDO DICHA COOPERACION ATENTE CONTRA LA PRIMERA LEY 3. UN ROBOT DEBE PROTEGER SU PROPIA EXISTENCIA, MIENTRAS DICHA PROTECCION NO ATENTE CONTRA LA PRIMERA LEY Luego al iniciar la idea de inteligencia artificial se redactó una cuarta 4. UN ROBOT PUEDE HACER LO QUE LE PLAZCA, EXCEPTO CUANDO SUS ACTOS INFRINJAN LAS LEYES ANTERIORES Autor: Alejhandro Navarro

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Diseño de una Celda Robótica Definición de Brazo Robótico Industrial Según el Instituto Norteamericano de Robótica RIA: “Manipulador multifuncional y programable,

diseñado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante movimientos movimientos programados y variables que permiten llevar a cabo diversas tareas”.

Existen muchos tipos de tipos de robots industriales, en este trabajo solo hablaremos de los tipo brazos y la clasificación más usada es por su movimiento o volumen de trabajo, donde el volumen de trabajo no es mas que todos los puntos en el espacio espacio que el elemento elemento final del robot puede puede llegar.

CLASIFICACION CLASIFICACION DE MANIPULADORES POR SU MOVIMIENTO

CARTESIANO

CILINDRICO

ANTROPOMORFICO

ESFERICO


SCARA

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Diseño de una Celda Robótica En este trabajo nos enfocaremos en los robots Antropomórficos que no son mas que los que tienen la estructura o movimiento similar a un brazo humano. Un brazo robótico antropomórfico está compuesto por una serie de eslabones o elementos articulados por juntas giratorias. Un brazo antropomórfico normal tiene 6 ejes (al igual que un brazo humano) donde los 3 primeros son llamados primarios que son los que se requieren mover para ligrar ubicar el elemento final en un punto del espacio, estos tres ejes serian el hombro y el codo en el ser humano. Los tres siguientes ejes son llamados secundarios son los que se requieren mover para determinar la orientación como el elemento final del robot se aproximara al punto de trabajo; en un brazo humano estos 3 ejes serian la muñeca.

EJES PRIMARIOS:

EJES SECUNDARIOS:

Posición del objeto

Orientación del objeto


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Diseño de una Celda Robótica DISEÑO DE UNA CELDA ROBOTICA El diseño de una Celda Robótica es una actividad Mecatrónica debido a que están involucradas diferentes áreas, es una errada costumbre creer que solo se requiere al Ingeniero Electrónico que conozca programar el Robot y se deja de lado lado importantes aspectos aspectos mecánicos dando un resultado negativo en la operación del robot.

ETAPA DE DISEÑO DE UNA CELDA ROBÓTICA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Selección de Robot Gripper Cerca de Protección y seguridad de la celda Comunicación Sistemas de Control Programación del Robot Fundación o base del Robot

1. SELECCIÓN DEL ROBOT Para poder seleccionar el robot es importante recabar mucha información del entorno de la futura Celda Robótica, adicionalmente es importante aclarar que el primer paso es preseleccionar el robot debido a que luego de realizar los siguientes paso del diseño de la Celda Robótica se debe verificar que la preselección del robot fue el correcto, ya que en algunos casos nos indica que debemos escoger un robot de mayor dimensión y/o capacidades. 1. 2. 3. 4. 5.

1.1

Tiempos de trabajo (ciclo de trabajo) Distancia entre la base y el punto de trabajo Ambiente Tipo de Trabajo Peso a Manejar

Tiempo de trabajo:

Esta actividad es importante realizarla realizarla por un Ingeniero Industrial Industrial o por alguien que conozco de tiempo de ciclos de manufactura, ya que un objetivo fundamental de un robot es disminuir los tiempos de proceso. Se debe evaluar el tiempo de ciclo del robot Ciclorobot < Tack Time Autor: Alejhandro Navarro

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Diseño de una Celda Robótica El Ciclorobot no es más que el tiempo en que que el robot iría de su posición posición inicial hasta recoger la pieza, luego ubicarla en posición posición de destino y regresar regresar a su posición inicial. En una operación del robot robot es posible que se tenga diferentes diferentes Ciclorobot debido que según a la aplicación este puede tener diferentes rutas a seguir, es por ello que siempre s iempre se debe evaluar bajo el ciclo más crítico; por ejemplo en el caso de un robot paletizador cuando el robot coloca la ultima caja de una paleta este tiene que esperar que se retire la paleta, tomar una paleta vacia y ubicarla en la posición de trabajo y luego si ir a buscar otra caja, lo que hace que ese ciclo sea de mayor tiempo que los otros. Una vez se alla realizado el esquema del layout de la Celda Robotica se calcularan en función a los recorridos (distancia) del ciclo más critico cual es la Velocidad que debe tener el robot para no generar un cuello de botella. En esta etapa se establecerá la velocidad de trabajo del robot.

1.2 Distancia entre la base y el punto de trabajo Para poder determinar la el tamaño t amaño del robot, es decir el su alcance se requiere revisar las graficas de área de trabajo del robot y el layout propuesto de la la celda. Todas las marcas de robots industriales disponen de una grafica donde indican en perfil y en planta cual es el alcance del robot.

Graficas de peso de KR5


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Graficas de Pesos de KR100 Es muy importante tener en cuenta que estas graficas que nos suministran son sin gripper o actuador final, por lo que es necesario una vez seleccionado el gripper realizar una grafica propia a fin de corroborar si el robot puede alcanzar los puntos de trabajo. En ocasiones en la aplicación final el alcance del robot disminuye no solo por las dimensiones del gripper sino por el umbilical (cables o mangueras que unen el robot y el gripper)

Imagen de Evaluación de nueva área de trabajo tr abajo con gripper final en layout propuesto


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Diseño de una Celda Robótica 1.3 Ambiente de trabajo Las marcas de robots se han especializado al punto de brindar la oportunidad de tener el diseño de robots adaptados a los diferentes ambientes de trabajos. 1. 2. 3. 4.

Robots de carcaza de Acero Inoxidable Robots de carcaza de acero de fundición Robots de carcaza de Plasticos Robots con protecciones en las juntas por altas temperaturas.

Adicional a esto esto en cierto casos casos es posible en vez de pedir pedir un robot especial especial emplear un recubrimiento o chaqueta para el robot a fin de protegerlo del ambiente. Normalmente en los robots de pintura es necesario cubrirlo a fin de protegerlo del spray de pintura remanente.

1.4 Tipo de trabajo Las principales marcas se han dedicado a desarrollar específicos para las principales actividades de los robots: 1. 2. 3. 4.

Robot de 4 ejes para paletizado Robot para soldadura de Micro Wire Robot para Corte plasma Robot para Pintura

Las ventajas de comprar un robot especializado para la tarea que se desea es que el control ya viene con funciones especificas, especificas, por ejemplo los robots de microwire traen una instrucción de soldar que controla la velocidad de avance del alambre y flujo de gas.


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Robot Motoman de Micro Wire

Robot ABB de paletizado 1.5 Peso a manejar Este es el punto donde normalmente se cometen más errores a la hora de seleccionar un robot. Las Marcas de robot nos indican la capacidad del robot y ese número nominal es sin gripper por lo que es clave determinar el peso peso que va a manejar el robot, el cual cual está compuesto por:  

Peso de pieza a mover o material a dispensar Peso de gripper

Una vez determinado el peso del gripper y de la carga a levantar (si la aplicación tiene diferentes diferentes cargas entonces se debe evaluar con cada una de las cargas) se debe ubicar el centro de gravedad de cada uno de ellos y luego determinar el centro de gravedad compuesto de ambos objetos y evaluar en la gráfica de peso del robot.

Autor: Alejhandro Alejhandr o Navarro

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Diseño de una Celda Robótica Normalmente se ubica es la gráfica de un plano por lo que es necesario si la ubicación del centro de gravedad no esta en dicho plano trasladarla o proyectarla al mismo.

Grafica de Peso del KR5 Se puede notar en la gráfica que el origen esta ubicado en el centro de la brida del robot, a este punto se le denominara Tool Center Point (TCP) inicial. Al ubicar el punto de centro de Gravedad compuesto en la grafica se determinara si el robot puede con dicha carga, nótese que a medida que el centro se aleja del TCP inicial la capacidad del robot es menor, esto debido al final el robot lo que puede es con un torque limitado, por ende de la ecuación de torque sabemos que dejando dejando el torque fijo a medida que aumente la distancia debe disminuir el el peso o carga.


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Grafica de peso del IRB 660 con la evaluación de un centro gravedad gr avedad En una aplicación de paletizado donde el robot sujete con el gripper cajas con producto y la paleta vacia se deben determinar 3 pesos y 3 centros de gravedad que serían: El gripper vacio, el gripper con la caja y el gripper con la paleta vacia. Esta información es necesaria a la hora de programar el robot a fin de que este pueda determinar las mejores rampas de aceleración y frenado en sus movimientos.

Adicionalmente es importante conocer el peso de accesorios que se coloquen en el robot como: 1. Sistemas umbilicales (cables, mangueras, etc) 2. Sistemas dispensadores Estos accesorios deben ser verificados si pueden ser ubicados en algunos ejes del robots


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Diseño de una Celda Robótica 2. GRIPPER Si la aplicación es de manipulación es necesario un gripper o garra, este puede ser seleccionado de alguna marca o diseñado para la aplicación en específico, por las características de nuestro país (bajo volumen) normalmente las aplicaciones de manipulación se emplean gripper diseñado por el integrador ya que requieren tomar o manipular diferentes productos. En el caso de robot para operaciones diferentes a sujeción, el gripper sería la herramienta de Trabajo y la tarea se reduce a la selección de la misma.

Pistola de electropunto para robot Marca Centerline

En el caso de Manipulación de objetos hay dos posibilidades: •

•

Seleccionar un Gripper diseñado para operaciones similares Diseñar uno que cubra los requisitos de la aplicación.

Una vez establecido el Gripper se requiere definir: 1. Peso total del Gripper 2. Centro de gravedad del Gripper 3. Inercia del Gripper

Grippers para cajas


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Diseño de una Celda Robótica Al diseñar un gripper hay que tener siempre presente la gráfica de peso del robot preseleccionado a fin de poder generar un gripper que cumpla las necesidades pero no sobrepase la capacidad del robot. Siempre se debe busca que el centro de gravedad del gripper y la pieza a levantar este lo mas cercano al eje de giro 6 del robot. Un inconveniente típico que se debe resolver es el paso de señales entre el robot y gripper, al momento de programar se requiere saber si las instrucciones dada son cumplidas, es decir si se ordena abrir el gripper debe haber un sensor que indique gripper abierto, otro sensor que indique que se sujeto la pieza y de forma correcta, todo es genera que muchas veces se tome la decisión de emplear un bus de campo entre el robot y el gripper para simplificar el numero de cables; entiéndase que los cables y mangueras que vayan entre el robot y el gripper van a delimitar el movimiento.

Gripper con Ventosas para piezas metalicas

Existen aplicaciones tan complejas donde es imposible tener una sola herramienta, como por ejemplo en una aplicación aplicación de soldadura electropunto electropunto debido al bajo volumen se decida decida que el robot suelde pero a la vez tome las chapas o piezas metálicas a soldar y las ubique en la matriz; esto es posible empleando un Tool Changer, el cual es un sistema de acople rápido que se coloca en el gripper y en la pistola de electropunto de forma que el robot por si solo pueda intercambiar entre uno y el otro sin necesidad de un operador.


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Tool Changer

3. Cerca de Protección y seguridad de la Celda Se debe tener presente que el robot es un arma mortal, es una máquina que puede alcanzar grandes velocidades y fuerzas, la cual no dispone por sí mismo de ojos u oídos lo que implica que si algo se le atraviesa en su movimiento sufrirá graves daños; por todo lo anterior es totalmente necesario que la celda es delimitada por una cerca de protección que impida el libre paso de persona u otras máquinas.


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Una cerca de protección esta compuesta por los siguientes ítems:      

Cerca de protección física Sensores de puerta cerrada Sensores de acceso de material de proceso Cámaras y/o alfombras de seguridad Parada de emergencia externa Sub rutina (tipo interrupción) de seguridad

Zonas de Seguridad de una Celda Robótica En muchas ocasiones la celda debe tener zonas abiertas o sin cerca de protección física para permitir el constante paso de material, en estos casos se debe colocar los suficientes sensores que permitan al control saber si algo o alguien ha traspasado el perímetro, adicionalmente en la programación se establecen zonas seguras y otras no tanto donde se deben tener más atención. Hay un problema habitual que es colocar en la puerta de acceso a la celda un simple sensor de puerta abierta, pero es común que personal no calificado por ciertas razones ingrese a la celda, permanezca adentro y cierre la puerta, ponen en marcha el robot y este desconoce que existe alguien adentro; para evitar esto es necesario colocar sensores como cámaras o alfombras de seguridad que certifiquen que dentro de la celda no hay nadie. Debemos tener claro que la seguridad no se puede despreciar, muchas personas tienden a emplear simples sensores para el tema de la seguridad pero esto puede acarrear que el sensor este malo y se desconozca y ocurra un accidente; es por ello que se recomienda emplear sensores especiales de seguridad que no solo indican la señal sino t ambién que están en operación o no. Autor: Alejhandro Alejhandr o Navarro

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4. Comunicación La comunicación en la celda tiene varios aspectos debido a que nos referimos a la comunicación entre el robot y el tablero de control, la comunicación con el gripper, la comunicación con cada sensor del sistema de seguridad y la comunicación comunicación entre los diferentes equipos con que el robot interactuara. El robot debe tener comunicación con cada uno de los equipos que interactúan en la celda como pueden ser bandas transportadoras, maquina dispensadora, etc; hay ocaciones donde esta comunicación puede ser un gran problema debido a que la maquina con que se va a interactuar es muy antigua y no dispone de señales, por ejemplo el caso de un robot que va introducir piezas a una troqueladora, se requiere que el robot conozca en qué etapa se encuentra la troqueladora para que este puede ingresar el material y evitar un accidente. Hay un caso muy particular que es cuando en una celda interactúan mas de un robot y es debido a que si estos tienen zonas de trabajo a fin es importante que cada vez que el robot se dirija a dicha área primero consulte con el otro robot s si este no se encuentra ahí, para evitar problemas se recomienda que esa consulta sea redundante.


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Diseño de una Celda Robótica 5. Sistema de Control Quizás este sea un punto redundante, porque es obvio que la Celda robotica debe tener un sistema de control, pero preferimos redundar en que se requiere un tablero de control diferente al del robot, donde se controlaran una serie de equipos que participan en la celda robotica. Este sistema de control debe tener comunicación constante con el programa del robot y debe tener actividades establecidas en casos especiales como paradas de emergencia o perdida de señales. En algunas ocasiones en que el gripper es tan complejo y con actividades que este se controla desde un PLC externo al robot y para facilitar que el robot solo ejecute instrucciones cortas y precisas.

6. Programación La programación es un tema muy amplio y que por sí mismo requeriría un manual, adicionalmente cada Marca de robot dispone de sus instrucciones y sintaxis. La forma tradicional de programar un robot es llevar al robot a cada uno de los puntos o posiciones de trabajo y grabarlos en memoria, luego en la programación se le indica al robot que se quiere vaya del punto uno al punto dos y asi sucesivamente se generan trayectorias, si se observa que la trayectoria no es satisfactoria, se retrocede y se ingresa un punto de un lugar intermedio y se generan dos nuevas trayectorias.

Pantalla de una simulación en RobotStudio de ABB Autor: Alejhandro Alejhandr o Navarro

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Existen dos formas de programar los puntos, una forma es emplear un programa de simulación que permite generar la celda en 3D y adicionalmente programarlo en este entorno informático, luego se necesita descargar el programa y cargárselo al robot. Estos programas de simulación son bastantes utiles ya que se pueden verificar alcances, movimientos, interferencias y demás. La otra forma es directamente con el robot empleado los mandos de programación que dispone el robot, ellos nos permiten mover el robot por cada eje o moverlo en forma lineal el TCP original del robot.

Mandos de programación de Fanuc y KUKA KU KA

Para mover el robot es necesario tener en en claro en donde están ubicados los Sistemas de coordenadas Existen cuatro (4) tipos de Sistemas de Coordenada que son: 1. 2. 3. 4.

Sistema de Coordenadas del Robot Sistema de Coordenadas del Mundo Sistema de Coordenadas de la herramienta Sistema de Coordenadas de la Base

Sistema de Coordenadas del Robot: Consiste Robot: Consiste en el Sistema que se encuentra en la Base donde el Eje Z se establece o coincide con ele de giro del Eje 1 del robot. Sistema de Coordenadas del Mundo: Es Mundo: Es un Sistema de Coordenadas Virtual cuyo todos los planos son paralelos al del robot, es un sistema de Coordenada mas referencial, empleado para poder establecer los otros.


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Diferentes Sistemas de Coordenadas Sistema de Coordenadas de la herramienta: Este Sistema se encuentra en la punta del Robot, inicialmente se entiende que está ubicado en el TCP original, luego este Sistema de coordenadas puedes ser desplazado a los centro de gravedad de cada herramienta o un punto en Especifico de la herramienta; por ejemplo en soldadura Electropunto es útil emplear un Sistema de Coordenada de la herramienta en el Extremo del Cap estatico o fijo de la pistola.

Sistema de Coordenada de la Herramienta desplazado a la punta del cap fijo


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Diseño de una Celda Robótica Sistema de Coordenadas de la Base: Este Sistema de Coordenada se ubica en la pieza a trabajar o recoger ese de gran utilidad en casos de paletizado ya que por cada camada de la paleta se puede generar un sistema de coordenada y de esta forma ubicar de forma sencilla los puntos donde colocar cada caja. Otro gran uso es en robot de aplicación de uretano donde donde se conoce el plano donde se dispensara dispensara el producto, de esta forma es sencillo generar las líneas o trayectoria de aplicación del uretano.

7. Fundación o Base del Robot Este es un punto importante debido a que el robot es una máquina de gran peso y que se mueve a altas velocidades requiriendo una base muy sólida que no permita vibraciones. Es fundamental que la base y/o fundación del robot sea calculado por un Ingeniero Estructurista de forma que asegura la rigidez del mismo. Es muy dañino para el robot funcionar en una base inestable ya que esto puede generar ruido en señales y vibraciones que afectaran a los ejes y encoder.


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celda robotica

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