ROBOT INDUSTRIAL PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE CONFORMADO DE PIEZAS EN PRENSAS TROQUELADORAS

Transcripción

1 REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL BELLOSO CHACÍN VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO DECANATO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO MAESTRÍA EN INGENIERÍA DE CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS ROBOT INDUSTRIAL PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE CONFORMADO DE PIEZAS EN PRENSAS TROQUELADORAS Trabajo presentado como requisito para optar al grado de Magíster en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos. Autor: Ing. Omar León C.I.: Tutor: M.Sc. Patricia Torres C.I.: Maracaibo, Mayo de 2012

2 ROBOT INDUSTRIAL PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE CONFORMADO DE PIEZAS EN PRENSAS TROQUELADORAS

3 iii

4 A Dios todopoderoso A mis padre iv

5 AGRADECIMIENTO A Dios por acompañarme en cada momento, por darme paciencia y sabiduría en esta odisea. A mis padres por enseñarme el camino de la vida. A mi tutora Patricia Torres por su apoyo incondicional y por motivarme a seguir adelante con esta investigación. A todas aquellas personas que de alguna manera directa o indirectamente me apoyaron y estuvieron presentes en el camino de esta investigación. A todos ustedes, gracias. v

6 INDICE GENERAL Pág. VEREDICTO iii DEDICATORIA iv AGRADECIMIENTO v INDICE GENERAL vi RESUMEN xiii ABSTRACT xiv INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO I. EL PROBLEMA 3 1. Planteamiento del Problema 3 2. Formulación del Problema 7 3. Objetivos de la Investigación Objetivos General Objetivos Específicos 7 4. Justificación de la Investigación 8 5. Delimitación de la Investigación 10 II. MARCO TEÓRICO Antecedentes de la Investigación Bases Teórica Teorías relacionadas con los robots industriales Disposición de los Robots en la Célula de Trabajo Características de los Robots Industriales Morfología de los Robots Configuración Angular Configuraciones de la Muñeca Actuadores Eléctricos Sensores Codificadores Ópticos 28 vi

7 2.1.8 Métodos de Programación de Robots Requerimientos de un Sistema de Programación de Robots Teorías relacionadas con el Modelado de Robots Modelos Cinemáticos de Robots Modelos Cinemático Directo de Robots Modelos Cinemático Inverso de Robots Teorías relacionadas con los esquemas de Control de robots Control Cinemático Funciones del Control Cinemático Tipo de Trayectorias Interpolación de Trayectorias Muestreo de Trayectoria Control Embebido Desarrollo de Aplicaciones de Control Embebido Teorías relacionadas con el Circuito Electrónico Microcontroladores Microcontrolador PIC18F Protocolo de Comunicación Puerto de Comunicación USB Definición de Términos Básicos Formulación de Hipótesis Sistema de Variables 60 III. MARCO METODOLÓGICO Tipo de Investigación Diseño de la Investigación Población y Muestra Instrumentos 67 vii

8 5. Procedimiento 68 IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN Diseño de la Célula de Trabajo Estudio del Área de Troqueles de la empresa GURIMETAL, C.A Aspectos de Seguridad Robótica Selección de la Morfología del Robot Industrial Diseño Preliminar del Robot Industrial Esquema de Operación del Robot Industrial Esquema de Operación del Sistema Diseño del Hardware Diseño de la Estructura Mecánica del Robot Industrial Evaluación de los Actuadores del Robot Industrial Evaluación de las Piezas Electrónicas del Robot Industrial Diseño del Circuito Electrónico Diseño del Sistema de Sensores y Codificadores Características Básicas del Robot Industrial Diseño del Modelo Cinemático Modelo Cinemático Directo Modelo Cinemático Inverso Diseño del Software de Control Diseño del Control Cinemático para el Robot Codificación del Programa de Control Diseño del Software de Programación del Robot Diseño del Software de Usuario Final Implementación del Hardware Construcción del Hardware Integración del Hardware con el Software de Control Pruebas de Funcionalidad Básica 121 viii

9 9. Visualización del Funcionamiento del Robot Industrial Pruebas de Funcionamiento Resultados de las Pruebas 124 CONCLUSIONES 126 RECOMENDACIONES 128 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 129 ANEXOS Anexo A. Área de Troqueles de Gurimetal C.A Anexo B. Piezas en SolidWorks del Ensamble del Robot Industrial Anexo C. Especificaciones Técnicas de los Servomotores Hitec Anexo D. Especificaciones Técnicas de las Piezas Electrónicas Anexo E. Código del Programa de Control Anexo F. Código del Sistema de Programación del Robot Anexo G. Electrónica, Sensores y Estructura del Robot Industrial ix

10 LISTA DE CUADROS CUADROS 1 Operacionalización de las variables 62 2 Procedimiento para alcanzar el objetivo Procedimiento para alcanzar el objetivo Procedimiento para alcanzar el objetivo Procedimiento para alcanzar el objetivo Procedimiento para alcanzar el objetivo Procedimiento para alcanzar el objetivo Piezas producidas por GURIMETAL C.A 77 9 Piezas utilizadas para el ensamble del robot industrial Servomotores Digitales Hitec para el ensamble del robot industrial Lista de piezas electrónicas utilizadas para el ensamble del robot industrial Lista de piezas electrónicas utilizadas para el ensamble de los sensores y codificadores del robot industrial Especificaciones del firmware de control del robot industrial Parámetros de Denavit-Hartenberg Costos de construcción del robot industrial 125 x

11 LISTA DE GRÁFICOS GRÁFICOS 1 Tipos de articulaciones 23 2 Configuraciones básicas de robots manipuladores industriales 24 3 Posicionamiento de servos 27 4 Codificadores ópticos rotacionales y lineales 29 5 Los problemas cinemáticos directo e indirecto 32 6 Asignación de sistemas de coordenadas utilizando el algoritmo de Denavit-Hartenberg 35 7 Funcionamiento del control cinemático 41 8 Sucesión de coordenadas angulares vs tiempo 45 9 Sucesión de coordenadas angulares vs tiempo usando interpolación lineal Sucesión de coordenadas angulares vs tiempo usando interpolación cúbica Área de troqueles de la empresa GURIMETAL C.A DUM de una prensa troqueladora DUP entre una prensa troqueladora y un operador Cotas mínimas para extraer piezas de un troquel Célula de trabajo propuesta Modelo preliminar del prototipo del robot industrial Eslabones del robot industrial 83 xi

12 18 Diagrama general del robot industrial Ensamble virtual del robot industrial en SolidWorks Diseño del circuito de control del robot industrial Calculadora de tiempos para PIC16 y PIC Diseño del circuito de sensor y codificador para una articulación Apertura de la pinza Envolvente de trabajo vista lateral de las articulaciones Disposición de ejes para cada par cinemático Función drivebot del toolbox de robótica de MATLAB para el robot industrial Giro del primer grado de libertad para la cinemática inversa Giro de los 3 grados de libertad restantes de la cinemática inversa Simulación de la interpolación cúbica de 4 articulaciones Diagrama de bloques del control cinemático desarrollado Simulación del programa de control en Proteus (ISIS) Interfaz para introducir las instrucciones al robot industrial Interfaz para configurar los actuadores Señal PWM con un periodo de 20 ms para los servomotores Robot industrial ensamblado Robót Industrial como dispositivo reconocido por Windows Trayectoria ejecutada por las 4 primeras articulaciones Productividad PPM (Hombre) vs PPM (Robot) 124 xii

13 León Omar. Robot Industrial para la Automatización del Proceso de Conformado de Piezas en Prensas Troqueladoras. Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. Maestría en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos. Maracaibo, RESUMEN El principal objetivo de esta investigación es desarrollar un robot industrial para automatizar el proceso de conformado de piezas en prensas troqueladoras con el fin de evitar los accidentes laborales con este tipo de máquinas, mejorar las condiciones laborales y aumentar la productividad, la investigación es clasificada como proyecto factible y el diseño es del tipo experimental por las pruebas realizadas en un prototipo de robot industrial, la población es no probabilística intencional. Para su desarrollo se utilizaron las metodologías planteada por Angulo (1986) y Ollero (2007) adaptándolas a las características específicas de este estudio de la siguiente manera: Fase 1: Diseño de la Célula de Trabajo, Fase 2: Selección de la Morfología del Robot Industrial, Fase 3: Diseño del Hardware, Fase 4: Diseño del Modelo Cinemático, Fase 5: Diseño del Software de Control, Fase 6: Diseño del Software de Programación de Robots, Fase 7: Implementación del Hardware, Fase 8: Integración del Hardware con el Software de Control y Fase 9: Visualización del Funcionamiento del Robot Industrial. Como resultado de la investigación se construyo un prototipo de robot industrial de 5 grados de libertad, basado en las actividades de cada una de las fases metodológicas. Se utilizó un control cinemático para el control de movimiento del robot, aplicando trayectorias punto a punto a través de interpolaciones cúbica utilizando el criterio de Craig (1989), que dió como resultado una trayectoria continua y suave para los movimientos angulares que se aplica a cada articulación del robot. De igual manera se concluye que el robot industrial es una herramienta que puede ser configurada de manera versátil para adaptarse a la automatización del proceso de movilizar piezas, incrementando la productividad, trabajando de manera autónoma y mejorando la seguridad del personal. Palabras Claves: Robot Industrial, Conformado, Control Cinemático, Interpolación Cúbica, Trayectoria Punto a Punto. xiii

14 León Omar. Industrial Robot for Automatization Parts Forming Processes in Metal Stamping Presses. Dr. Rafael Belloso Chacín University. Masters in Control and Automatization of Processes Engineering. Maracaibo, ABSTRACT This research s main objective is to develop an industrial robot for automatization parts forming processes in metal stamping presses, in order to avoid accidents with this kind of machines, to improve conditions at work and to increase productivity, the research is classified as a feasible project and design type is experimental test on an industrial robot prototype, the population is non-probabilistic intentional. In order to develop this research, were used the methodology by Angulo (1986) and by Ollero (2007), adapting them to the specifics characteristics of this study as follows: Phase 1: Design of the working cell, Phase 2: Selection of the Industrial Robot Morphology, Phase 3: Design of Hardware, Phase 4: Design of Kinematic model, Phase 5: Design of Control Software, Phase 6: Design of Software Programming Robots, Phase 7: Hardware implementation, Phase 8: Integration of Hardware with the Software Control, and Phase 9: Display Industrial Robot operation. The study s obtained result was an industrial robot prototype built with 5 freedom s degrees, based on the activities of each of the methodology phases. It was used a kinematic control for the robot movement, using point to point trajectories by cubic interpolation using Craig s (1989) criterion, which resulted in a smooth and continuous path in angular velocity applied to each joint. As so it can be conclude that the Industrial Robot is a versatile tool that can be configured to adapt it to the automation process of moving parts, increasing productivity, working autonomously and improving staff safety. Key Words: Industrial Robot, Forming Processes, Kinematic Control, Cubic Iinterpolation, Point to Point Trajectories. xiv

15 INTRODUCCIÓN Los robots industriales, han jugado un papel importante en varios campos, como en la industria, educación y aplicaciones médicas, donde nos ayudan en trabajos peligrosos, impredecibles, actividades que requieran precisión o en aquellos trabajos que sean repetitivos y pueden ser automatizados para aumentar productividad. En la República Bolivariana de Venezuela, existen muchas actividades manufactureras que pueden sacar provecho de los robots industriales, como por ejemplo, las actividades de troquelado en prensas, donde su operador tiene que manipular piezas para colocarlas dentro y fuera de ellas esperando la acción de conformado, por naturaleza estos trabajos son peligrosos y repetitivos que pueden ser automatizados, así evitar posibles accidentes, alejando al operador de esta actividad y poder disminuir el tiempo de trabajo, aumentando así la productividad. La presente investigación tiene como propósito el de desarrollar un prototipo de robot industrial para automatizar el proceso de conformado de piezas en la fabrica Gurimetal, C,A, utilizando teorías de control cinemático para robots, así mismo la investigación basa su estudio desde tres puntos de vista: el primero es el análisis de la estructura mecánica del robot que pueda ser usada para automatizar el proceso de conformado de piezas en prensas troqueladoras, desarrollando así el prototipo del robot, como segundo punto de vista es el estudio del modelado matemático del robot, el cual incluye el

16 2 análisis de su cinemática directa y la cinemática inversa, dando así en enfoque de control del prototipo para poder hacer el estudio desde un tercer punto de vista que es la aplicación de un control cinemático para definir y regular la trayectoria punto a punto de la pinza que va a tener el robot industrial. Para realizar y justificar esta investigación se mostró en el primer capitulo un análisis de la situación que existe con los accidentes laborales en la industria manufacturera, también mostró la formulación del problema que dió como resultado los objetivos a desarrollar con el fin de erradicar el problema o al menos minimizar los accidentes con las prensas troqueladoras. Así mismo en el segundo capitulo se mostraron los antecedentes asociados con las teorías de control y automatización en robótica, sus fundamentos teóricos e hipótesis que sirvieron como base para establecer el camino a seguir para el desarrollo de esta investigación, así mismo se estableció en el tercer capitulo, la metodología a seguir, donde se detallan las fases y cada una de las actividades involucradas que se siguieron paso en esta investigación. En el cuarto capitulo se muestran los resultados obtenidos, detallando los pasos que se desarrollaron y mostrando así la solución de control planteada, con la finalidad de cumplir con el objetivo principal de esta investigación.