Robótica Industrial. Curso. Morfología de un Robot Industrial. Parte I. Profesor Titular Universidad de Los Andes Mérida - Venezuela

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1 Curso Robótica Industrial Morfología de un Robot Industrial Parte I Profesor Titular Universidad de Los Andes Mérida - Venezuela Robótica Industrial Contenido Introducción Estructura mecánica Sistema de accionamiento Sistema de transmisión 2. 1

2 Robótica Industrial Introducción 3 Introducción Definición Por robot industrial de manipulación se entiende a una máquina de manipulación automática, re-programable y multi-funcional con tres o mas 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. Federación Internacional de Robótica (IFR) ISO/TR Sep Sistemas de un Robot Industrial Accionamiento Transmisión Mecánico Sensorial Control 4. 2

3 Sistemas de un robot industrial Introducción Sistema Mecánico Sistema de accionamiento Sistema sensorial Sistema de control Sistema de transmisión Figura 1.1 Elementos de un RI ABB Introducción Muñeca Articulación Rotación Traslación Brida de acoplamiento de elemento terminal Base Figura 1.2 COMAU Smart

4 Introducción Elemento Terminal Cables de conexión Brida de acoplamiento de elemento terminal Elemento terminal Pinza soldadura Figura 1.3 Elemento terminal 7 Unidad de Control Introducción Uno o varios microprocesadores, memorias (RAM, ROM), convertidores (D/A, A/D), unidades de Entrada/Salida, puertos (serie, paralelo), contadorestemporizadores, coprocesadores especializados, etc. Recibe las ordenes del usuario y las transmite a los elementos actuadores. Supervisa el correcto funcionamiento de los actuadores mediante realimentación. Figura 1.4 Unidad de control ABB 8. 4

5 Sistema de Accionamiento Equipos electrónicos de potencia, encargados de suministrar energía a los generadores de movimiento (motores, electo-válvulas hidráulicas o neumáticas). En la actualidad en su mayoría los robots utilizan motores eléctricos de corriente continua. Motores AC, comienzan a ser utilizados. Sistema de transmisión Introducción Encargados de transferir y canalizar el movimiento de los motores hasta los elementos móviles del robot. Constan de dos partes sistema de reductores y sistema de transmisión. Los reductores disminuyen las altas velocidades de giro de los ejes de los motores aumentando el par. La transmisión puede realizarse por cadenas dentadas, husillo, paralelogramo, etc. 9 Robótica Industrial 10. 5

6 Definición Mecánicamente, un robot industrial o brazo está formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. Normalmente cada articulación permite sólo un movimiento simple, traslación o rotación en torno a un eje. El movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento, de giro, o de una combinación de ambos. Grados de libertad GDL Cada uno de los movimientos independientes que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior, se denomina grado de libertad GDL. El tipo de movimiento relativo permitido por las articulaciones que unen los eslabones de la estructura mecánica del robot definen su configuración. 11 Grados de Libertad El número de grados de libertad (GDL) de un robot industrial es el número de movimientos independientes que puede realizar el robot respecto a su base. 3 GDL - es el mínimo (según definición robot) 6 GDL - es el máximo (para posicionar y orientar) 7+ GDL - redundancia Figura 1.5 FANUC ARC Mate 100i 12. 6

7 Articulaciones Figura 1.6 Esférica o rotula 3GDL Figura 1.7 Planar 2GDL 13 Articulaciones Figura 1.8 Tornillo 1 GDL Figura 1.9 Primatica 1 GDL 14. 7

8 Articulaciones Figura 1.10 Rotación 1 GDL Figura 1.11 Cilíndrica 2 GDL En la práctica, los robots sólo utilizan las articulaciones de rotación y prismática. 15 Campo de Acción Figura 1.12 Campo de acción Figura 1.13 FANUC ARC Mate 100i 16. 8

9 Campo de Acción Figura 1.14 Robot STAUBLI RX 90 Figura 1.15 Campo de acción 17 Configuraciones Figura 1.16 Robot cartesiano Figura 1.17 Robot cilíndrico 18. 9

10 Configuraciones Figura 1.18 Robot esférico o polar Figura 1.19 Robot escara 19 Configuraciones Figura 1.20 Robot Angular

11 Configuraciones G4 380 o G3 450 o G6 540 o G2 265 o G5 280 o G1 330 o 360 o Figura 1.21 Robot Antropomórfico ARC Mate 120/S 12 FANUC 21 Configuración de la Muñeca Figura 1.22 Muñeca

12 Redundancia Figura 1.23 Robot planar redundante 23 Redundancia ROCCO Mayor maniobrabilidad 6GDL (4 posición + 2 orientación) Figura 1.24 Robot ROCCO

13 Redundancia Aumento del campo de acción (raíl) Rail de desplazamiento (7º GDL) Configuración básica (6 GDL) Figura 1.25 Robot sobre un riel 25 Figura 1.26 Estructura de un robot

14 Robótica Industrial Sistema de Accionamiento 27 Los primeros robots utilizaban accionamiento hidráulico, aún se utiliza este tipo de accionamiento cuando se requiere gran cantidad de energía (manipulación de grandes cargas). Actuadores Los actuadores tienen por misión generar el movimiento de los elementos del robot según las órdenes dadas por la unidad de control. Los actuadores utilizados en robótica pueden emplear energía neumática, hidráulica o eléctrica. Cada uno de estos sistemas presenta características diferentes tales como: Potencia. Controlabilidad. Peso y volumen. Precisión. Velocidad. Mantenimiento. Coste. Sistema de Accionamiento

15 Actuadores Neumáticos Sistema de Accionamiento La fuente de energía es aire a presión entre 5 y 10 bar. Pueden ser de dos tipos: Cilindros Neumáticos y Motores Neumáticos (De aletas rotativas). Actuadores Hidráulicos Utilizan aceites minerales a una presión comprendida normalmente entre los 50 y los 100 bar, llegando en ocasiones hasta los 300 bar. Poseen mayor precisión en comparación con los neumáticos. Este tipo de accionamientos suelen utilizarse con frecuencia en robots que deban manejar grandes cargas. Los robots UNIMATE 2000 y 4000 utilizan accionamiento hidráulico con capacidades de carga de 70 y 205 kg. respectivamente. 29 Actuadores Eléctricos Por sus características de control, precisión y sencillez son los más utilizados en los robots industriales. Se disponen de tres tipos de actuadores eléctricos: Motores de corriente continua (DC) Controlados por inducido Controlados por excitación Motores de corriente alterna (AC) Síncronos Asíncronos Motores paso a paso Sistema de Accionamiento

16 Sistema de Accionamiento Actuadores Energía Opciones Ventajas Desventajas Neumático Hidráulico Eléctrico Aire a (5-10 bar) Cilindros Motor de Paletas Motor de Pistón Baratos Rápidos Sencillos Robustos Dificultad de Control continuo Instalación especial Ruidoso Aceite mineral ( bar) Cilindros Motor de Paletas Motor de Pistón Rápidos Alta relación potencia peso. Auto-lubricantes Alta capacidad de Carga Estabilidad ante cargas estáticas Difícil mantenimiento Instalación especial Frecuentes fugas Costosos. Tabla 1.1 Comparación de sistemas de accionamiento Corriente eléctrica Corriente continua Corriente alterna Motor paso a paso Precisos Fiables Fácil control Sencilla instalación Silenciosos Potencia limitada. 31 Reductores Sistema de Accionamiento Tienen por objetivo aumentar el par motor T s = n T e w e / w s donde T s : Par de salida T e : Par de entrada n : Rendimiento w s : Velocidad de salida w e : Velocidad de entrada Aumentan la precisión en la medición del giro del eje sin introducir juegos mecánicos Tipos de reductores Planetarios + : Bajo coste, gran variedad, alto par de transmisión - : Alta inercia, gran peso, grandes juegos Cyclo + : Media inercia, pequeño peso, medios juegos - : Coste medio, bajo par de transmisión

17 Sistema de Accionamiento Reductores Tipos Harmonic Drive (HD) + : Baja inercia, pequeño peso, pequeños juegos - : Alto coste, no excesivamente alto par de transmisión Accionamiento directo El eje del actuador se conecta directamente a la carga o articulación sin la utilización de un reductor intermedio. Aplicaciones que combinan gran precisión y alta velocidad. Los motores deben proporcionar par elevado a bajas revoluciones. 33 Reductores Accionamiento directo Sistema de Accionamiento Utilizan motores síncronos de continua sin escobillas brushless. Posicionamiento rápido y preciso. Aumento de las posibilidades de controlabilidad. Simplificación del sistema mecánico. Conectores Freno Encoder Tacogenerador Motor Eje salida Reductor Figura 1.27 Conjunto de accionamiento

18 Robótica Industrial Sistema de Transmisión 35 Transmitir los movimientos desde los actuadores hacia las articulaciones para disminuir las inercias. Objetivo Reducir los pares estáticos Reducir los momentos de inercia (especialmente en el extremo) Método Trasladar el mayor peso posible cerca de la base del robot. Función adicional Sistema de Transmisión Convertir movimiento circular en lineal o viceversa

19 Sistema de Transmisión Características Juegos y holguras pequeños Gran rendimiento Escaso rozamiento Mínimo desgaste, maintenance free Capaz de soportar funcionamiento continuo a un par elevado. 37 Sistema de Transmisión Transmisiones Entrada-Salida Denominación Ventajas Inconvenientes Circular - Circular Engranaje Pares altos Holguras Correa Dentada Distancia grande Cadena Distancia grande Ruido Paralelogramo Cable Giro limitado Deformidad Circular - Lineal Tornillo sin fin Poca holgura Rozamiento Cremallera Holgura media Rozamiento Lineal - Circular Paral. articulado - Control difícil Cremallera Holgura media Rozamiento Tabla 1.2 Sistemas de transmisión

20 Sistema de Transmisión Transmisiones Figura 1.28 Paralelogramo Figura 1.29 Tirantes 39 Sistema de Transmisión Transmisiones Figura 1.30 Husillo Figura 1.31 Cremallera

21 Sistema de Transmisión Transmisiones Figura 1.32 Mecanismo articulado Figura 1.33 Correa 41 Curso Robótica Industrial Morfología de un Robot Industrial Parte I Profesor Titular Universidad de Los Andes Mérida - Venezuela. 21

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