UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA AJUSTE DEL BRAZO ROBOT CONTROLADO POR PLC FC440 TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO

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1 UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA ELÉCTRICA AJUSTE DEL BRAZO ROBOT CONTROLADO POR PLC FC440 TRABAJO PRÁCTICO TÉCNICO Que para obtener el título de: INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA PRESENTA: MARAN FRANCISCO MONTOYA CORTES DIRECTOR: MTRA. MARTHA EDITH MORALES MARTÍNEZ XALAPA, VER. SEPTIEMBRE 2013

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3 AGRADECIMIENTOS. Antes que nada agradezco a dios por haberme permitido vivir para poder alcanzar este objetivo. A mi madre por todo su amor, comprensión, por su gran ejemplo, por la esperanza que puso en mi y por apoyarme y alentarme a superarme. A mis hermanas por su apoyo cuando necesite de ellas. A los ingenieros que me ayudaron y me orientaron siempre. A todos mis amigos que siempre estuvieron conmigo y nos ayudamos a salir adelante con esta meta tan importante en nuestras vidas. iii

4 Índice. Índice.... iv Introducción....2 AUTOMATIZACIÓN Y ROBÓTICA DEFINICIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN SISTEMA AUTOMATIZADO OBJETIVOS DE LA AUTOMATIZACIÓN AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL AUTOMATIZACIÓN FIJA AUTOMATIZACIÓN PROGRAMABLE AUTOMATIZACIÓN FLEXIBLE FUNDAMENTOS DE LA TECNOLOGIA DEL ROBOT ANATOMIA DE UN ROBOT VOLUMEN DE TRABAJO PRECISIÓN DE MOVIMIENTOS: SISTEMAS DE IMPULSION DEL ROBOT CONTROL LÓGICO PROGRAMABLE FC DEFINICION DE PLC FUNCIONES QUE REALIZA UN PLC ESTRUCTURAS ESTRUCTURA EXTERNA ESTRUCTURA COMPACTA ESTRUCTURA SEMIMODULAR ESTRUCTURA MODULAR ESTRUCTURA INTERNA FUNCIONES BASICAS DE LA CPU FUENTE DE ALIMENTACION INTERFACES iv

5 2.7 ENTRADAS Y SALIDAS ENTRADAS DIGITALES ENTRADAS ANALOGICAS SALIDAS DIGITALES SALIDAS DIGITALES SALIDAS ANALOGICAS CAMPOS DE APLICACIÓN VENTAJAS E INCOVENIENTES PROGRAMACION DIAGRAMA DE FUNCIONES ESQUEMA DE CONTACTOS VÁLVULAS, SENSORES Y ACTUADORES SENSORES SENSORES EXTERNOS FINALES DE CARRERA SENSOR DE PROXIMIDAD SENSORES INDUCTIVOS SENSORES CAPACITIVOS SENSORES MAGNETO/INDUCTIVOS ACTUADORES CILINDROS NEUMATICOS EFECTORES FINALES PINZAS MECANICAS (GRIPPERS) ELECTROVALVULAS (VALVULAS ELECTROMAGNETICAS) ELECTROVALVULA 5/ PULSADORES START Y STOP UBICACIÓN DE BOTONES PULSADORES UNIDAD DE MANTENIMIENTO VÁLVULAS DE ESTRANGULACIÓN AJUSTE DEL BRAZO ROBOT...57 v

6 4.1 COMPONENTES GRADOS DE LIBERTAD (GDL) Estructura del Brazo Robot Ajuste del brazo robot PROGRAMACIÓN DEL BRAZO ROBOT PROGRAMA FINAL DEL BRAZO ROBOT EN AWL PROGRAMA ORGANISADOR EN ESCALERA...90 Bibliografía...91 vi

7 Introducción. La robótica se puede considerar como una herramienta para la educación, la cual brinda una cantidad de alternativas para simular los comportamientos de los seres humanos, siendo esto un preámbulo a la inteligencia artificial aplicada a las maquinas, las cuales interactúan con el hombre. La robótica y la inteligencia artificial se unen para que pueda pensarse en seres artificiales por medio de máquinas y estas tienen mucho que ver en el proceso de la vida diaria del ser humano, así como los procesos productivos en los cuales se transforma la materia en un insumo para el bienestar de la humanidad En el primer capítulo de este trabajo se introduce al lector a este apasionante campo para que sirva de estímulo mental e introducirlo al estudio formal de la robótica. Para entender como funciona un robot es necesario conocer las partes que lo conforman, los modelos que están involucrados en su concepción, así como su diseño, para llegar a la construcción de un robot útil. En el segundo capítulo se explica como un PLC trabaja en base a la información recibida por los sensores y el programa lógico recibido, actuado sobre los accionadores de la instalación. El tercer capítulo nos explica que la electroneumática es la combinación de la electricidad y la neumática para aplicaciones en la automatización industrial. Además se describen los pasos tomados para el ajuste del brazo robot que había sido construido anteriormente, y se muestra el nuevo ajuste. En la actualidad la robótica se ha convertido en una herramienta indispensable en el entorno laboral humano, debido a que aumenta la productividad, así como las capacidades que el ser humano posee, por ello es importante que los IME aprendan de robótica 2

8 Capítulo 1 AUTOMATIZACIÓN Y ROBÓTICA 3

9 1.1 DEFINICIÓN DE LA AUTOMATIZACIÓN. La automatización y la robótica son dos tecnologías estrechamente relacionadas. En un contexto industrial podemos definir a la automatización como una tecnología que está relacionada con el empleo de sistemas mecánicos y electrónicos, basados en la operación y control de producción. Ejemplos de esta tecnología son: líneas de transferencia, máquinas de montaje mecanizado, sistemas de control de realimentación (aplicados a procesos industriales), maquinas, herramientas con control numérico y robots. En consecuencia, la robótica es una forma de automatización industrial. 1.2 SISTEMA AUTOMATIZADO. La automatización es un sistema donde se transfiere tareas de producción, realizadas habitualmente por operadores humanos a un conjunto de elementos tecnológicos. Un sistema automatizado consta de dos partes principales: La parte operativa: es la parte que actúa directamente sobre la máquina. Son los elementos que hacen que la maquina se mueva y realice la operación deseada. Los elementos que forman la parte operativa son los accionadores de las maquinas como motores, cilindros, compresores y los sensores tales como fotodiodos, finales de carrera. La parte de mando: suele ser un controlador lógico programable con PLC. En un sistema de fabricación automatizado, el PLC esta en el centro del 4

10 sistema. Este debe ser capaz de comunicarse con todos los constituyentes de sistema automatizando. *para facilitar la programación de un PLC se requiere una PC OBJETIVOS DE LA AUTOMATIZACIÓN. Mejorar la productividad de la empresa, reduciendo los costos de la producción y mejorando la calidad de la misma. Mejorar las condiciones de trabajo del personal, suprimiendo los trabajos peligrosos, incrementando la seguridad. Realizar las operaciones imposibles de controlar, intelectual o manualmente. Simplificar el mantenimiento de forma que el operario no requiera grandes conocimientos para la manipulación del proceso productivo Integra la gestión y producción. 1.3 AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL. Hay tres clases de automatización industrial: fija, programable y flexible AUTOMATIZACIÓN FIJA. Se utiliza cuando el volumen de producción es muy alto, y por lo tanto es el adecuado para diseñar equipos especializados para procesar el producto(o un componente del producto) con alto rendimiento y altas tasas de producción. Un buen ejemplo de la automatización fija puede encontrarse en la industria del automóvil, en donde las líneas de transferencia muy integradas constituidas por varias decenas de estaciones de trabajo, se utiliza para operaciones de mecanizado en componentes de motores y transmisiones AUTOMATIZACIÓN PROGRAMABLE. La automatización programable se emplea cuando el volumen de producción es relativamente bajo y hay una diversidad de producción a obtener. En este caso el 5

11 equipo de producción está diseñado para ser adaptable a variaciones de la configuración del producto. Esta característica de adaptabilidad se realiza haciendo funcionar el equipo bajo el control de un programa de instrucción que se preparó especialmente para el producto dado AUTOMATIZACIÓN FLEXIBLE. El concepto de automatización flexible solo se desarrolló en la práctica en los últimos 15 o 20 años. La experiencia adquirida hasta ahora con este tipo de automatización indica que es más adecuada para el rango de producción de volumen medio. Hay que remarcar que los sistemas flexibles tienen alguna de las características dela automatización fija y la automatización programable. Debe programarse para diferentes configuraciones de productos, suele estas más limitada la automatización programable, lo que permite que se produzca un cierto grado de integración en el sistema. Los sistemas automatizados flexibles suelen estar constituidos por una serie de estancias de trabajo que están interconectados por un sistema de almacenamiento y manipulación de materiales. Una computadora central se utiliza para controlar las diversas actividades que se producen en el sistema, encaminando las diversas piezas a las estaciones adecuadas y controlando las operaciones programadas en las diferentes estaciones. Una de las características que distingue a la automatización programable de la automatización flexible es que con la automatización programable los productos se obtienen en elotes. 6

12 Cuando se completa un lote, el equipo se programa para procesar el siguiente lote. Con la automatización flexible diferentes productos pueden obtenerse al mismo tiempo en el mismo sistema de fabricación. Esta característica permite un nivel de versatilidad que no está disponible en la automatización programable pura. De los tres tipos de automatización, la robótica coincide estrechamente con la automatización programable. Un robot industrial es una maquina programable de uso general, que tiene algunas características antropomórficas o humanoides. La característica humanoide más típica de los robots actuales es la de sus brazos móviles. El robot puede programarse para desplazar su brazo a través de una secuencia de movimientos con el fin de realizar una tarea de utilidad. Repetirá este modelo de movimiento una y otra vez hasta que se programe para ejecutar alguna otra tarea. Por consiguiente, la característica de programación, permite que los robots se utilicen para una diversidad de operaciones industriales diferentes, muchas de las cuales implican el trabajo del robot junto con otros elementos de equipos automatizados o semiautomatizados. La definición oficial de un robot industrial es proporcionada por la Robotics Industries Association(RIA), anteriormente el Robotics Institute of America(RIA): Un robot industrial es un manipulador multifuncional diseñado para desplazar materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales mediante movimientos programados variables para la ejecución de una diversidad de tareas 7

13 1.4 FUNDAMENTOS DE LA TECNOLOGIA DEL ROBOT: La robótica es la ciencia aplicada que ha sido considerada como una combinación de tecnología de las maquinas-herramientas y de la informática. Comprende cambios tan aparentemente diferentes como diseño de máquinas, teoría de control, microelectrónica, programación de computadoras, inteligencia artificial, factores humanos y teoría de la producción ANATOMIA DE UN ROBOT. La anatomía de un robot se refiere a la construcción física del cuerpo, brazo y muñeca de la máquina. La mayoría de los robots utilizados en las fábricas actuales están montados sobre una base que está sujeta al suelo. El cuerpo está unido a la base y el conjunto de brazo esta unido al cuerpo. Al final del brazo esta la muñeca. El cuerpo, el brazo y el conjunto de la muñeca se denominan, a veces, el manipulador. Unida a la muñeca del robot va una mano. El nombre técnico aplicado a la mano es efector final. Cuatro configuraciones de robots comunes. Los robots industriales estas disponibles en una amplia gama de tamaños, formas y configuraciones físicas. Cuando se habla de la configuración de un robot, se habla de la forma física que se le ha dado el brazo del robot. La gran mayoría de los robots comercialmente disponibles en la actualidad tiene una de estas cuatro configuraciones base: a) Configuración polar. b) Configuración cilíndrica. c) Configuración de coordenadas cartesianas. d) Configuración de brazo articulado. 8

14 A. Robot de configuración Polar. La configuración polar utiliza un brazo telescopio que puede elevarse o bajar alrededor de un pivote horizontal como se muestra en la fig Este pivote está montado sobre una base giratoria. Estas diversas articulaciones proporcionan al robot la capacidad para desplazar su brazo dentro de un espacio esférico, y de aquí su denominación de robot de coordenadas esféricas que se suelen aplicar a este tipo. Varios robots comerciales tienen la configuración polar. Tienen varias articulaciones Cada una de ellas puede realizar un movimiento distinto: rotacional, angular y lineal Este robot utiliza la interpolación por articulación para moverse en sus dos primeras articulaciones y la interpolación lineal para la extensión y retracción. Ejemplo de un robot de configuración polar. Fig. 1.1 Robot de configuración polar. 9

15 B. Robot de Configuración cilíndrica. Utiliza una columna vertical y un dispositivo de deslizamiento que puede moverse hacia arriba o debajo de la columna(figura 1.2). El brazo del robot esta unido al dispositivo deslizante de modo que se puede mover en el sentido radial con respecto a la columna. Haciendo girar la columna, el robot es capaz de conseguir un espacio de trabajo que se aproxima o un cilindro. Puede realizar dos movimientos lineales y uno rotacional, o sea, que presenta tres grados de libertad. El robot de configuración cilíndrica esta diseñado para ejecutar los movimientos conocidos como interpolación por articulación. Fig. 1.2 Ejemplo de un Robot de configuración cilíndrica. C. Robot de Coordenadas Cartesianas. Utiliza tres dispositivos deslizantes perpendiculares para construir los ejes X, Y, y Z. otros nombres se aplican a veces a esta configuración, incluyendo las denominaciones de robot xyz y robot rectilíneo (figura1.3). Desplazando los tres dispositivos deslizantes entre si, el robot es capaz de operar de una envolvente rectangular de trabajo. 10

16 Fig. 1.3 Robot de Coordenadas Cartesianas. Los movimientos que realiza este robot entre un punto y otro son con base en interpolaciones lineales. Interpolación, en este caso, significa el tipo de trayectoria que realiza el manipulador cuando se desplaza entre un punto y otro. A la trayectoria realiza en línea recta se él conoce como interpolación lineal y a la trayectoria hecha de acuerdo con el tipo de movimientos que tienen sus articulaciones se le llama interpolación por articulaciones. D. Configuración del Brazo Articulado. Su configuración es similar a la del brazo de un humano. Está constituido por dos componentes rectos, que corresponden al antebrazo y al brazo humanos, montados sobre un pedestal vertical como se muestra en la figura1.4. Estos componentes están conectados por dos articulaciones giratorias que corresponden a la brazo c. una muñeca está unida al extremo del antebrazo, con lo que se proporcionan varias articulaciones suplementarias. 11

17 Fig. 1.4 Robot de Brazo articulado. Presentan una articulación con movimiento rotacional y dos angulares. Aunque el brazo articulado puede realizar el movimiento llamado interpolación lineal (para la cual requiere mover simultáneamente dos o tres de sus articulaciones), el movimiento natural es el de la interpolación por articulación, tanto rotacional como angular. Ejemplo de otra configuración de un robot de brazo articulado(fig. 1.5): Fig. 1.5 Robot de brazo articulado (horizontal). 12

18 Hay ventajas e inconvenientes relativos a las cuatro anatomías de robot básicas, simplemente debido a sus geometrías. En términos de repetitividad de movimiento (la capacidad para desplazarse a un punto determinado del espacio con un error limitado), el robot cartesiano de estructura de caja es probable que tenga ventaja, debido a su estructura inertemente rígida. En términos de alcance la configuración polar y de brazo articulado resultan ventajosas. La capacidad del robot es importante en muchas aplicaciones. La configuración cilíndrica y el robot XYZ de pórtico pueden diseñarse para una alta rigidez y gran capacidad de transporte de carga. Además de las cuatro configuraciones clásicas mencionadas, existen otras configuraciones llamadas no clásicas VOLUMEN DE TRABAJO. Para las características que identifican a un robot se encuentra su volumen de trabajo y de ciertos trabajos con el control de resolución, la exactitud y la repetitividad. El volumen de trabajo de un robot se refiere únicamente al espacio dentro del cual puede desplazarse el extremo de su muñeca. Para determinar el volumen de trabajo no se toma en cuenta el efecto final. La razón de ello es que a la muñeca de robot se les pueden adaptar grippers de distintos tamaños. Para ilustrar lo que se conoce como volumen de trabajo regular y volumen de trabajo irregular, tomaremos como modelos varios robots. El robot cartesiano y el robot cilíndrico presentaron volúmenes de trabajo regulares. El robot cartesiano genera una figura cubica. 13

19 El robot de configuración cilíndrica presenta un volumen de trabajo parecido a un cilindro (normalmente este robot no tiene una rotación de 360 ) Por su parte, los robots que poseen una configuración polar, los de brazo articulado y los modelos SCARA presentan un volumen de trabajo irregular. 14

20 1.4.3 PRECISIÓN DE MOVIMIENTOS: La precisión de movimientos en un robot industrial depende de tres factores: la resolución espacial, la exactitud y la repetibilidad. La resolución espacial. Se define como el incremento más pequeño de movimiento que puede ejecutar el robot. La resolución espacial depende directamente del control del sistema y de las inexactitudes mecánicas del robot Depende del control del sistema porque este, precisamente, es el medio para controlar todos los incrementos individuales de una articulación. Las inexactitudes mecánicas se encuentran estrechamente relacionadas con la calidad de los componentes que conforman las uniones y articulaciones. Como ejemplos de inexactitudes mecánicas pueden citarse la holgura de los engranes, las tensiones de las poleas, las fugas de los fluidos, etcétera. Para explicar con mayor precisión el término resolución espacial tenemos el siguiente ejemplo: Fig. 1.6 Diferencias en incrementos de un robot. 15

21 En el dibujo anterior en la Fig.1.6 supongamos que movemos el robot de la figura del P1 y P2, en este caso el P2 representa el menor incremento que se puede mover el robot a partir de P1. Si vemos estos incrementos en un plano se vería como una cuadricula. En donde en cada intersección de líneas se encuentra un punto direccionado es decir, un puto que puede ser alcanzado por el robot. De esta forma la resolución espacial puede definirse también como la distancia entre dos puntos adyacentes (en la primera figura seria la distancia entre los puntos P1 y P2), en importante señalar que para un robot que tuviera este espacio de trabajo la distancia entre puntos está muy exagerada para efectos de explicar el término. La precisión de movimiento del robot depende, además de la resolución espacial, de la exactitud y de la repetitividad. La exactitud se refiere a la capacidad de un robot para situar el extremo de la muñeca en un punto señalado dentro del volumen de trabajo. La exactitud mantiene una relación directa con la resolución espacial, es decir, con la capacidad de control del robot de dividir en incrementos muy pequeños un volumen de trabajo. Si en la figura 1.7 se quisiera mover el robot exactamente al punto de trabajo donde se encuentra la pieza de trabajo, el robot solamente podría acercarse al objeto posesionándose en el punto direccional más próximo. En otras palabras no podría colocarse exactamente en la posición requerida. 16

22 Fig. 1.7 Pieza de trabajo. Un robot presenta una mayor exactitud cuando su brazo opera cerca de la base.a medida que el brazo se aleja de la base, la exactitud se ira haciendo menor. Esto se debe a que las inexactitudes mecánicas se incrementan al ser extendido el brazo. Otro factor que afecta la exactitud es el peso de la carga, las cargas más pesadas reducen la exactitud (al incrementar las inexactitudes mecánicas) El peso de carga también afecta la velocidad de los movimientos del brazo y la resistencia mecánica. La repetitividad, el tercer y último factor, se refiere a la capacidad del robot de regresar al punto que se le programo las veces que sean necesarias. En la figura 1.8 del robot, la diferencia entre el punto PP y el PR está muy exagerada, ya que en un robot industrial se espera que la repetibilidad este en el orden de +/-0.002in. 17

23 Fig. 1.8 Cabe hacer la aclaración que si usamos un microscopio, es posible apreciar las microscópicas variaciones que presentan el robot cada vez que regresa al punto indicado. En otras palabras, no existe la reparación absolutamente exacta SISTEMAS DE IMPULSION DEL ROBOT. La capacidad del robot para desplazar su brazo, cuerpo y muñeca se proporciona por el sistema de impulsión para accionar el robot. El sistema impulsor determina la velocidad de los movimientos del brazo, la resistencia mecánica del robot y su rendimiento dinámico. En cierta medida el sistema impulso, determina las clases de aplicaciones que puede realizar el robot. Tipos de sistemas de impulsión: 1. Impulsión hidráulica 2. Impulsión neumática 3. Impulsión eléctrica Las impulsiones hidráulicas y la eléctrica son los tipos utilizados principalmente en los robots más sofisticados. 18

24 La impulsión hidráulica suele estar asociada con los robots más grandes. La ventaja habitual del sistema de impulsión hidráulica es proporcionar al robot una mayor velocidad y resistencia mecánica. Los inconvenientes del sistema de impulsión hidráulica radican en que suele añadir más necesidades de espacio y en que un sistema hidráulico es propenso a las fugas de aceite, lo que resulta molesto. Los sistemas de impulsión hidráulica pueden diseñarse para actuar sobre articulaciones rotacionales o lineales. Se pueden emplear actuadores de paletas giratorias para proporcionar un movimiento de rotación y pueden utilizarse pistones hidráulicos para realizar un movimiento lineal. Los sistemas de impulsión eléctrica no suelen proporcionar tanta velocidad o potencia como los sistemas hidráulicos, pero la exactitud y la repetitividad de los robots de impulsión eléctrica suelen ser mejores. En consecuencia, los robots eléctricos tienden a ser más pequeños, con menos exigencias de espacio y sus aplicaciones tienden hacia un trabajo más preciso, tal como el montaje. Los motores de impulsión eléctrica son accionados por motores paso a paso o servomotores de corriente continua. Solo resta hablar de aquellos robots que se valen de la impulsión neumática para realizar sus funciones. En la impulsión neumática se comprime el aire abastecido por un compresor, el cual viaja a través de mangueras. Los robots pequeños que tienen menos grados de libertad (movimientos de 2 a 4 articulaciones) están diseñados para funcionar por medio de la impulsión neumática. Los robots que funcionen con impulsión neumática están limitados a operaciones como de tomar y situar ciertos elementos con ciclos rápidos. 19

25 La potencia neumática puede adaptarse fácilmente a la activación de dispositivos de pistón para proporcionar un movimiento de traslación de articulaciones deslizantes. También puede emplearse para accionar actuadores giratorios para articulaciones rotacionales. Es importante señalar que no todos los elementos que conforman el robo pueden tener el mismo tipo de impulsión. 20

26 Capítulo 2 CONTROL LÓGICO PROGRAMABLE FC440 21

27 2.1 DEFINICION DE PLC. Un Controlador Lógico Programable o Programable Logic Controller (PLC), también llamado autómata en algunos países de habla hispana, es un equipo eléctrico, programable en lenguaje no informático, diseñado para controlar en tiempo real y en ambiente de tipo industrial, procesos secuenciales. Un PLC trabaja en base a la información recibida por los sensores y el programa lógico recibido, actuado sobre los accionadores de la instalación. Controlador: Programable: Lógico: Nos permite controlar un sistema, haciendo uso de los puntos de conexión de entradas y salidas. A través de dichos puntos se interconecta con los elementos, primarios y finales, de control. Es capaz de almacenar el programa de usuario en memoria no volátil. Así es reprogramable tantas veces como sea necesario. Los programas se constituyen de un conjunto de instrucciones lógicas. Aunque actualmente los PLC son muy poderosos y manejan un conjunto de instrucciones muy amplio, de manera que no están limitadas a realizar funciones lógicas, exclusivamente. 2.2 FUNCIONES QUE REALIZA UN PLC. Detección: Lectura de la señal de los sensores distribuidos por el sistema de fabricación. Mando: Enviar las acciones al sistema mediante los actuadores y pre actuadores. Dialogo hombre-máquina: Mantener un dialogo con los operarios de producción, 22

28 Obedeciendo sus consignas e informando del estado del proceso. Programación: Para introducir, elaborar y cambiar el programa de aplicación del PLC. El dialogo de programación debe permitir modificar el programa, incluso con el autómata controlando la máquina. Redes de comunicación: permiten establecer comunicación con otras partes de control, las redes industriales permiten la comunicación y el intercambio de datos entre PLC s a tiempo real. En unos cuantos milisegundos pueden enviarse telegramas e intercambiar tablas de memoria compartida. Sistema de supervisión: También los PLC s permiten comunicarse con ordenadores provistos de programa de supervisión industrial. Esta comunicación se realiza por una red industrial o por medio de una simple conexión por el puerto serie de computadora. Control de procesos continuos: Además de dedicarse al control de sistemas de eventos discretos los PLC s llevan incorporadas funciones que permiten el control de procesos continuos. Disponen de módulos de entradas y salidas analógicas y la posibilidad de ejecutar reguladores PID que están programados en el PLC. Entrada-Salida distribuidas: los módulos de entrada-salida no tienen por que estar en rack del PLC; pueden estar distribuidos por la instalación, se comunican con la unidad central del PLC mediante un cable de red: Bases de campo: mediante un solo cable de comunicación se puede conectar al bus sensores y actuadores, reemplazando el cableado tradicional. El PLC consulta cíclicamente el estado de los sensores y actualiza el estado de los actuadores. 23

29 2.3 ESTRUCTURAS. El PCL está compuesto de diferentes elementos como CPU, fuente de alimentación, E/S, etc. Que están colocados de diferente forma y modo según la estructura externa del autómata ESTRUCTURA EXTERNA. El termino estructura externa o configuración externa de un PLC se refiere al aspecto físico exterior del mismo, bloques o elementos en que está dividido. Actualmente son tres estructuras más significativas que existen en el mercado: Estructura compacta. Estructura semimodular. Estructura modular ESTRUCTURA COMPACTA. Este tipo de autómatas se distingue por presentar en un solo bloque todos sus elementos, esto es, fuente de alimentación, CPU, memorias Entradas/Salidas, etc. Su potencia de proceso suele ser muy limitada dedicándose a controlar maquinas muy pequeñas o cuadros de mando. (Fig. 2.1) Fig. 2.1 PLC FC440 24

30 2.3.3 ESTRUCTURA SEMIMODULAR. Se caracteriza por separar las E/S del resto del PLC, de tal forma que en un bloque compacto están reunidas las CPU, memoria de usuario o de programa y fuente de alimentación y separadamente las unidades E/S ESTRUCTURA MODULAR. Su característica principal es la de que existe un módulo para cada uno de los diferentes elementos que componen el autómata como pueden ser una fuente de alimentación, CPU, E/S, etc. La sujeción de los mismos se hace por carril DIN, placa perforada sobre RACK, en donde va alojado el BUS externo de unión de los distintos módulos que los componen. Son los autómatas de gama alta los que suelen tener una estructura modular, que permiten una gran flexibilidad en su constitución ESTRUCTURA INTERNA. El PLC está constituido por diferentes elementos, pero tres son los básicos: CPU. Entradas. Salidas. Con las partes mencionadas podemos decir que tenemos un PLC pero que sea operativo son necesarios otros elementos tales como: Fuente de alimentación. Interfaces. La unidad o consola de programación. Los dispositivos periféricos. 25

31 2.4 FUNCIONES BASICAS DE LA CPU. En la memoria ROM del sistema, el fabricante ha grabado una serie de programas ejecutivos, software del sistema y es a estos programas a los que accederá el microprocesador para realizar las funciones. El software del sistema de cualquier autómata consta de una serie de funciones básicas que realiza en determinados tiempos de cada ciclo. En general cara autómata contiene y realiza las siguientes funciones: 1. Vigilar que el tiempo de ejecución del programa de usuario no exceda de un determinado tiempo máximo. A estar función se le llama Whatchdog. 2. Ejecutar el programa de usuario 3. Crear una imagen de las entradas, ya que el programa de usuario no debe acceder directamente a las dichas entradas. 4. Renovar el estado de las salidas en función de la imagen de las mismas, obtenida al final del ciclo de ejecución del programa de usuario. 5. Chequeo del sistema. 2.5 FUENTE DE ALIMENTACION. La fuente de alimentación proporciona las tensiones necesarias para el funcionamiento de distintos circuitos del sistema. La alimentación a la CPU puede ser de 24 Vcc, tensión muy frecuente en cuadros de distribución, o a 127/220 Vca. En cualquier caso es la propia CPU la que alimenta las interfaces conectadas a través de bus interno. La alimentación a los circuitos E/S puede realizarse, según tipos, a 48/127/220 Vca o 12/24/48 Vcc. 26

32 2.6 INTERFACES. Es el control de un proceso automatizado, es imprescindible un dialogo entre operador-maquina junto con una comunicación entre la maquinaria y el PLC, estas comunicaciones se establecerán por medio del conjunto de entradas y salidas del citado elemento. Los PLC s son capaces de manejar tensiones y corrientes de nivel industrial, gracias a que disponen un bloque de circuitos de interfaz de E/S muy potente, que les permite conectarse directamente con los sensores y actuadores del proceso. Den entre todos los tipos de interfaces que existen, las interfaces específicas permiten la conexión con elementos muy concretos del proceso de automatización. Se pueden distinguir entre ellas tres grupos bien diferenciados: Estradas/Salidas especiales. Entradas/Salidas inteligentes. Procesadores periféricos inteligentes. Las interfaces especiales del primer grupo se caracterizan por no influir en las variables de estado del proceso de automatización. Únicamente se encargan de adecuar las E/S, para que puedan ser inteligibles por la CPU, si son entradas, o para que puedan ser interpretadas correctamente por actuadores(motores, cilindros, etc.), en el caso de las salidas. Las del segundo grupo admiten múltiples modos de configuración, por medio de unas combinaciones binarias situadas en la misma tarjeta. De esta forma se descarga de trabajos a la unidad centra, con las ventajas que conlleva. Los procesadores periféricos inteligentes, son módulos que incluyen su propio procesador, memorias y puntos auxiliares de Entradas/Salidas. 27

33 Estos procesadores contienen en origen un programa especializado en la ejecución de una tarea concreta, a la que le basta conocer lo puntos de consigna y los parámetros de aplicación para ejecutar, de forma autónoma e independiente de la CPU principal, el programa de control. 2.7 ENTRADAS Y SALIDAS La selección de entradas mediante el interfaz, adapta y codifica de forma comprensible las señales procedentes de dispositivos de entrada o sensores para el CPU: Hay dos tipos de entradas: 1. Entradas digitales. 2. Entradas analógicas. La sección de salida también mediante interfaz trabaja de forma inversa a las entradas, es decir, decodifica las señales procedentes de la CPU, y las amplifica y manda con ellas los dispositivos de salida o actuadores como lámparas, relés, etc., a aquí también existen unos interfaces de adaptación a las salidas de protección de circuitos internos. Hay dos tipos de salidas: 1. Salidas digitales. 2. Salidas analógicas ENTRADAS DIGITALES. Los módulos de entrada digitales trabajan con señales de tensión, por ejemplo cuando una vía llegan a 24 Volts se interpreta como 1 y cuando llega a 0 Volts se interpreta como 0. 28

34 2.7.2 ENTRADAS ANALOGICAS. Los módulos de entradas analócas permiten que los PLC s programables trabajen con accionadores de mando analógico y lean señales de tipo analógico como pueden ser la temperatura, la presión o el caudal. Los módulos de entradas analógicas convierten una magnitud analógica en un número que se deposita en una variable interna del PLC. Lo que realiza es una conversión A/D, puesto que el autómata solo trabaja con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (número de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo de muerte). Los módulos de entrada analógica pueden leer tensión o intensidad SALIDAS DIGITALES. Los módulos de entrada analógicos permiten que los PLC s programables trabajen con accionadores de mando analógico y lean señales de tipo analógico como pueden ser la temperatura, la presión o el caudal. Los módulos de entradas analógicos convierten una magnitud analógica en un número que se deposita en una variable interna del PLC. Lo que realiza es una conversión A/D, puesto que el autómata solo trabaja con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (número de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo de muestreo). Los módulos de entrada analógica pueden leer tensión o intensidad SALIDAS DIGITALES. Un módulo de salida digital permite al PLC actuar sobre los preaccionadores y accionadores que admitan órdenes del tipo todo o nada. El valor binario de las salidas digitales se convierte en la apertura o cierre de un relé interno del autómata en el caso de módulos de salidas a relé. 29

35 En los módulos estáticos (bornero), los elementos que conmutan son los componentes electrónicos como transistores o triacs, y en los módulos electromecánicos son contactos de relés internos al módulo. Los módulos de salida estáticos al suministrar tensión, solo pueden actuar sobre elementos que trabajan todos a la misma tensión, en cambio los módulos de salida electromecánicos, al ser libres de tensión, pueden actuar sobre elementos que trabajen a tensiones distintas SALIDAS ANALOGICAS. Los módulos de salida analógica permiten que el valor de una variable numérica interna del PLC se convierta en tensión o intensidad. Lo que realiza es una conversión D/A, puesto que el autómata solo trabaja con señales digitales. Esta conversión se realiza con una precisión o resolución determinada (número de bits) y cada cierto intervalo de tiempo (periodo muestreo). Esta tensión o intensidad puede servir de referencia de mando para actuadores que admitan mando analógico como pueden ser los variadores de velocidad, las etapas de los tiristores de los hornos, reguladores de temperatura, etc., permitiendo al PLC realizar funciones de regulación y control de procesos continuos. 2.8 CAMPOS DE APLICACIÓN. El PLC por sus especiales características de diseño tiene un campo de aplicación muy extenso. Su utilización se da fundamentalmente en aquellas instalaciones en donde es necesario un proceso de maniobra, control, señalización, etc. Su aplicación abarca desde procesos de fabricación industrial de cualquier tipo a transformaciones industriales, control de instalaciones, etc. 30

36 Sus reducidas dimensiones, la extrema facilidad de si montaje, la posibilidad de almacenar programas para su posterior y rápida utilización, la modificación o la alteración de los mismos, etc., hace que su eficiencia se aprecie fundamentalmente en procesos en que se producen necesidades tales como : Espacio reducido. Procesos de producción periódicamente cambiantes. Maquinaria de procesos variables. Instalaciones de procesos complejos y amplios. Chequeo de programación centralizada de las partes del proceso. Ejemplos de aplicaciones generales: 1. Maniobra de máquinas. 2. Maquinaria industrial de plástico 3. Maniobra de instalaciones: instalaciones de aire acondicionado, instalaciones de seguridad. 4. Señalización y control: chequeo de programas. 5. Señalización del estado de procesos. 2.9 VENTAJAS E INCOVENIENTES. VENTAJAS. Menor tiempo empleado en la elaboración de proyectos debido a que: 1. No es necesario dibujar el esquema de contactos. 2. No es necesario simplificar las ecuaciones lógicas, ya que, por lo general la capacidad de almacenamiento del módulo de memoria es lo suficientemente grande. Si por alguna razón la maquina queda fuera de servicio, el PLC sigue siendo útil para otra máquina o sistema de producción. 31

37 Menor tiempo para la puesta en funcionamiento del proceso al quedar reducido el tiempo de cableado. Mínimo espacio de ocupación. Menor costo de mano de obra de la instalación. Posibilidad de controlar varias máquinas con un mismo autómata. INCOVENIENTES. Un inconveniente es que hace falta un programador, lo que obliga a adiestrar a uno de los técnicos en tal sentido. Otro inconveniente es el costo inicia PROGRAMACION. El sistema de programación permite, mediante las instrucciones del PLC, confeccionar el programa de usuario. Posteriormente el programa realizado, se transfiere a la memoria de programa de usuario. Una memoria típica permite almacenar como mínimo hasta mil instrucciones con datos de bit, y es del tipo lectura/ escrita, permitiendo la modificación del programa cuan veces sea necesario. La programación del PLC consiste en el establecimiento de una sucesión ordenada de instrucciones, escritas en un lenguaje de programación concreto. Estas instrucciones están disponibles en el sistema de programación y resuelven el control de un proceso determinado. Cuando hablamos de los lenguajes de programación nos referimos a diferentes formas de poder escribir el programa usuario. El software actual nos permite traducir el programa usuario de un lenguaje a otro, pudiendo así escribir el programa en el lenguaje que más nos conviene. Existen varios tipos de lenguaje de programación: 32

38 Mnemónico o Lista de instrucciones (AWL) STATEMENT LIST. Esquema de contactos. Diagrama de funciones DIAGRAMA DE FUNCIONES. El diagrama de funciones (function block diagram o FBD) es un lenguaje grafico que permite programar elementos que aparecen como bloques para ser cableados entre si de forma análoga al esquema de un circuito. FBD es adecuado para muchas aplicaciones que involucren el flujo de información o datos entre componentes de control. No obstante, los lenguajes de programación más empleados en la actualidad son, los simbólicos, cada uno de los cuales corresponde una instrucción ESQUEMA DE CONTACTOS. Es un leguaje gráfico, derivando del lenguaje de relés, que mediante símbolos representa contactos, solenoides. Su principal ventaja es que los símbolos básicos están normalizados según las normas NEMA y son empleados por todos los fabricantes. Los símbolos básicos son: 33

39 Los elementos básicos que configuran la función se representan entre dos líneas verticales que simbolizan las líneas de alimentación. Para las líneas de función más complejas como temporizadores, registros de desplazamiento, etc., se emplea el formato de bloques. Estos no están formalizados, aunque guarden una gran similitud entre sí para distintos fabricantes y resultan mucho más expresivos que si se utiliza para el mismo fin el lenguaje en lista de instrucciones o mnemónico. Un programa en esquema de contactos, la constituyen una serie de ramas de contactos. Una rama está compuesta de una serie de contactos, conectándose serie o en paralelo que dan origen a una salida que bien puede ser una bobina o una función especial. Fig. 2.2 Esquema de contactos. El flujo de la señal va de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo. A una rama de circuito en esquema de contactos le corresponde una secuencia de instrucciones en forma mnemónica. 34

40 Fig.2.3 Rama de circuitos en esquema de contacto. Fig.2.4 Descripción del circuito en instrucciones. Todas las ramas de circuito se inician con la instrucción LOAD. Una bobina no puede venir conectada directamente de la barra de inicio. En tal caso necesario interponer un contacto siempre cerrado. 35

41 Fig.2.5 Como conectar una bobina. También hay que aclarar que a la derecha de una bobina no es posible programar ningún contacto. El número de contactos posibles en serie o en paralelo es prácticamente ilimitado, aunque eso depende generalmente del fabricante del PLC. Fig.2.6 Es posible colocar en paralelo 2 o más bobinas. 36

42 Capítulo 3 VÁLVULAS, SENSORES Y ACTUADORES 37

43 3.1 SENSORES. La electroneumatica es la combinación de la electricidad y la neumática para aplicaciones en la automatización industrial; en electroneumatica se utilizan dispositivos electrónicos como elementos de entrada y como elementos de procesamiento; los elementos de maniobra o elementos de trabajo, así como sus respectivas válvulas de mando siguen siendo elementos neumáticos. Este capítulo describe los elementos que son necesarios para la construcción y operación del brazo robótico y de esta manera el correcto funcionamiento de cada dispositivo. Los sensores son elementos que informan al órgano de mando del estado del sistema o de los eventos que suceden en él. Los sensores captan las señales necesarias para conocer el estado del proyecto y decidir su desarrollo futuro. Detectan posición, presión, temperatura, caudal, velocidad, aceleración. Los sensores de posición suelen ser los más utilizados. Los sensores basados en fenómenos eléctricos, magnéticos u ópticos adoptan una estructura general que se componen de tres etapas: Sensor captador.- Efectúa la conversión de las variaciones de una magnitud física en variaciones de una magnitud eléctrica o magnética. Etapa de tratamiento de la señal.- Puede o no existir, se encarga de efectuar el filtrado, ampliación y comparación de la señal mediante circuitos electrónicos. Etapa de salida.- Esta etapa está formada por los circuitos de amplificación conversión o conmutación necesarios en la puesta en forma de la señal de salida. Una primera clasificación de los sensores se puede establecer según tipo de señal suministrada a la salida: 38

44 Sensores analógicos. Suministrada una señal proporcional a una variable analógica, como pueden ser presión, temperatura, velocidad, posición. Sensor Todo o Nada. Este tipo de sensor suministra una señal que solamente tiene dos estados, asociados al cierre o apertura de un contacto eléctrico, o bien a la conducción o corte de un interruptor estático como transistor o tiristor. Son los más utilizados y adoptan diferentes formas: finales de carrera, detector de proximidad inductiva, detector de proximidad capacitivo, fotoceldas. Sensor numérico. Dan como una salida una señal codificada y la transmisión de la señal la efectúan por medio de una comunicación tipo serie o paralelo. Utilizan códigos binarios, gray, BCD, etc. Transmiten los valores numéricos precisando posiciones, presiones, y temperaturas en forma de combinación de señales 0 1 que se pueden leer, ya sea en paralelo en varios conductores o bien en serie en un solo conductor. El desarrollo con éxito de la tarea de un robot depende absolutamente de que este tenga información correcta y actualizada a un ritmo suficientemente rápido, de su propio estado y de la situación del entorno. Deben conocerse la posición, velocidad, y aceleración de las articulaciones para estar seguros de que el robot sigue una determinada trayectoria y también de que alcanza la posición final deseada en el instante requerido, y con la mínima o ninguna sobre oscilación. En la mayoría de las tareas es necesario conocer datos del mundo que rodea al robot, como las distancias a objetos (o contando con ellos), fuerza ejercida por la 39

45 mano en las operaciones de sujeción, o ejercida por objetos externos (su peso), etc. Este tipo de conocimiento se puede adquirir con dispositivos muy diferentes, desde los más simples (micro interruptores) a los más complejos (cámaras de TV). Todos estos sensores que dan información acerca de lo que rodea al robot serán llamados externos. 3.2 SENSORES EXTERNOS. Estos sensores dan información acerca de sucesos y estado de mundo que rodea al robot, es decir, monitorizan dinámicamente la relación de un robot con su entorno, y el desarrollo de la ejecución de una tarea. Idealmente, deben alterar lo menos posible el entorno que monitoricen FINALES DE CARRERA. Los finales de carrera son sensores de conmutación electroneumatica, la detección del objeto por medio del cabezal hace conmutar los contactos eléctricos del final de carrera. Para que la señal del sensor llegue al autómata se cablea una terminal del contacto fuente de alimentación y el otro a una entrada digital del autómata. El cierre del contacto hace que la tensión llegue a la entrada digital. 3.3 SENSOR DE PROXIMIDAD. Señalan la distancia entre el punto terminal (u otro punto) del robot, y otros objetos. Pueden ser de contacto, o sin contacto físico. 1) DE CONTACTO FISICO. 40

46 Son simples micro interruptores colocados en cabeza del brazo, o en algún punto que se piense puede chocar. Detienen o hacen retroceder el elemento cuando se activan. Puede usarse para controlar cuando una articulación llega a su límite, o a una posición dada. En este caso llaman fin de carrera. 2) SIN CONTACTO FISICO. Los sensores sin contacto tienen dos importantes ventajas con respecto a los sensores táctiles. No dañan al objeto detectado y, al no estar sujetos a contactos repetidos, pueden tener una mayor duración SENSORES INDUCTIVOS. Este tipo de sensores se utilizan para determinar piezas o elementos metálicos en distancias que van desde cero a los 30 milímetros. El principio de funcionamiento consiste en la posibilidad de influenciar desde el exterior un oscilador HF completado con un circuito resonante LC. Un núcleo de ferrita con un bobinado oscilante genera por encima de la cara sensible un campo magnético variable. Al introducirse una pieza metálica en el campo magnético se produce corrientes parasitas que influencia el oscilador y provoca una debilitación del circuito oscilante. Como consecuencia se produce una disminución de la amplitud de las oscilaciones. Un circuito detecta esta variación de amplitud y determina una conmutación de la señal dada por el sensor. 41

47 Fig. 3.1 Esquema de un sensor inductivo. Este sensor puede detectar objetos metálicos que se aproximen desde cualquier dirección. La sensibilidad es mayor cuando los objetos están construidos de material ferroso (ejemplo de materiales ferrosos: hierro, cromo, níquel, latón, aluminio, y cobre). Para cuerpos no ferrosos se reduce la distancia de la detección aproximadamente a la mitad. Cuando el objeto no es metálico, puede ser suficiente adherirle un papel metálico para lograr el funcionamiento del sensor inductivo. Características de funcionamiento. Comunicación sin realizar esfuerzo mecánico. No existe desgaste. Insensible a influencias externas. Larga duración. Gran precisión en el punto de conmutación. Frecuencia de conmutación elevada. Existen sensores inductivos con salida analógica que indica la distancia del objeto al detector. 42

48 La mayoría de los sensores están encapsulados totalmente y en forma cilíndrica, con diámetros que varían entre 2 y 60mm. Los rangos de detección se ubican por lo general entre 0.25 y 40 mm. Fig. 3.2 Sensor inductivo Existen tres tipos de sensores: 1.- Namur.- De dos hilos usados en las industrias químicas. 2.-Corriente continua.- tiene tres hilos, utilizando en el cableado el siguiente código de colores: POSITIVO (+)= Marrón. NEGATIVO (-)= Azul. SEÑAL (SALIDA)= Negro. 3.- corriente alterna.- A dos hilos y 127 volts C.A SENSORES CAPACITIVOS. Los sensores capacitivos permiten la detección sin contacto de materiales conductores y no conductores, como pueden ser madera, vidrio, cartón, plástico, cerámica, fluidos. Aplicaciones: 43

49 Control de nivel de depósitos. Control de nivel de tolvas o silos. Embobinadoras de hilos, señalización de la rotura del hilo. Embobinadoras de papel. La cara activa de los sensores capacitivos está formada por dos electrodos metálicos colocados concéntricamente. Se pueden imaginar como dos electrodos de un condensador abierto. Las caras de este condensador forman un acoplamiento reactivo con un oscilador de alta frecuencia, regulado de tal forma que no provoca interferencias en el caso de la cara activa libre. Si un objeto se aproxima a la cara activa se introduce en el campo eléctrico de los electrodos, lo que provoca un aumento del acoplamiento capacitivo de los electrodos y el oscilador comienza a oscilar. Un amplificador analiza la oscilación y transforma en una conmutación. Los sensores capacitivos son influenciados tanto por objetos conductores como por no conductores tales como plásticos, madrea, metal, vidrio y líquido. Los metales, dada su alta conductividad, se detectan a grandes distancias. La sensibilidad de estos sensores está muy relacionada con el tipo de material que se va a detectar así como su grado de humedad y el contenido de agua del cuerpo. La variación de la capacidad, producida por la proximidad de un objeto o sustancia de características antes mencionadas, no es función solo de su constante dieléctrica sino también de su volumen y densidad. Es por esta razón, por lo que la mayor parte de sensores capacitivos llevan incorporado un ajuste de sensibilidad para adaptarlo a cada uno de los elementos a detectar de acuerdo con sus propias características y constitución. 44

50 Existen sensores capacitivos de corriente continua de dos hilos, de corriente continua de tres hilos y de corriente alterna de dos hilos. Fig.3.3 Sensor Capacitivo SENSORES MAGNETO/INDUCTIVOS. Se aplican fundamental mente en la detección de posición de cilindros neumáticos. El imán permanece fijado en el pistón del cilindro satura con su campo magnético el núcleo de la bobina del detector. De esta forma se varía la corriente que circula por un circuito oscilante. Esta variación la detecta un circuito que transforma en una señal de conmutación. Sensor de proximidad Reed.- reaccionan ante los campos magnéticos de imanes permanentes y electroimanes. Fig. 3.4 Sensor Magnético. 45

51 Ejemplos de aplicación. Fig. 3.5 Sensores montados en cilindro. 3.4 ACTUADORES. Los actuadores son los elementos ejecutivos. Estos toman señales binarias de los módulos de salidas y las amplifican para señales de conmutación o las convierten en señales para otras formas de energía. Se distinguen actuadores eléctricos, electrónicos, electrohidráulicos y electromagnéticos. Estos elementos se pueden generar conmutaciones así como desplazamientos lineales y rotativos. *Solo se hará mención de los actuadores que se utilizan en el brazo neumático CILINDROS NEUMATICOS. En nuestro caso solo se hace mención de los cilindros de doble efecto que fue el que se utilizó en el brazo. En este caso los movimientos en ambos sentidos se producen por efecto del aire comprimido. Tanto el movimiento de avance y de retroceso tienen una fuerza determinada. 46

52 Fig. 3.6 Esquema en sección de un cilindro. Fig. 3.7 Tipo de Cilindro. Los cilindros de doble efecto se aplican especialmente en aquellos casos en los que es necesario que la fuerza de trabajo actué en ambos sentidos. El embolo del cilindro está previsto de un imán permanente que puede utilizarse para activar sensores de proximidad. 47

53 3.5 EFECTORES FINALES. En robótica, el término de efector final se utiliza para describir la mano o herramienta que está unida a la muñeca. El efector final representa el herramental especial que permite al robot de uso general realizar una aplicación particular. Los efectores finales pueden dividirse en dos categorías: pinza y herramientas. Las pinzas son efectores finales que se utilizan para agarrar y sostener objetos. Los objetos suelen ser piezas que tienen que ser movidas por el robot. Se tiende a pensar en las pinzas como en dispositivos de agarre mecánico. Las pinzas, en general, se pueden clasificar en pinzas simples y dobles, aunque esta clasificación se aplica mejor a las pinzas mecánicas. El factor que se distingue a la pinza simple es que solo se monta un dispositivo de agarre en la muñeca del robot. Una pinza doble posee dos dispositivos de agarre en la muñeca del robot y se utiliza para sostener dos objetos distintos. Los dispositivos de dos pinzas pueden actuar de forma independiente. La pintura doble es de especial utilidad para operaciones de carga y descarga. Otra forma de clasificar las pinzas es dependiendo de si la pieza se agarra es su superficie externa o interna; por ejemplo, piezas circulares. Al primer tipo se le denomina pinza externa y el segundo pinza interna. La razón por la cual se utiliza una pinza en vez de unir a una herramienta directamente a la muñeca del brazo radica es que el trabajo requiere manipulación por parte del robot de barias herramientas durante el ciclo de trabajo. 48

54 3.5.1 PINZAS MECANICAS (GRIPPERS). Una pinza mecánica es un efector final que utiliza dos dedos mecánicos impulsados por un mecanismo para agarrar una pieza, los dedos, algunas veces llamados uñas, son los accesorios de la pinza que están en contacto con la pieza. Además, los dedos están unidos al mecanismo o son una parte integral del mismo. En la mayoría de las aplicaciones dos dedos son suficientes para sostener la pieza u otro objeto, las pinzas con tres o más dedos son menos frecuentes. Fig. 3.8 Pinzas paralelas HGP (Grippers) 49

55 La función del mecanismo de pinza es trasladar algo para partir de un suministro de energía que origina una acción de agarre de dedos sobre la pieza. La energía que origina una acción de agarre de dedos sobre la pieza. La energía de entrada es suministrada por el robot y puede ser neumática, eléctrica, mecánica o hidráulica. El mecanismo debe ser capaz de abrir y cerrar los dedos y de aplicar la fuerza suficiente contra la pieza para sostenerlo de forma segura cuando se cierre la pinza. Existen dos formas de sostener al objeto dentro de la pinza. La primera es comprimiendo la pieza con los dedos. En este método los dedos de la pinza encierran a la pieza hasta alguna posición, limitando el movimiento de la pieza. La segunda forma de sujeción de la pieza es mediante el rozamiento entre los dedos y la pieza. Con este método los dedos deben aplicar una fuerza que proporcione un rozamiento suficiente para retener la pieza en contra de la gravedad, la aceleración y otras fuerzas que puedan surgir durante el tiempo de sujeción del ciclo de trabajo. Los dedos o los cojinetes unidos a los dedos que hacen contacto con la pieza suelen se fabricados de un material que es relativamente blando. Este se encarga de aumentar el coeficiente de rozamiento para sujetar la pieza se convierte en el diseño de pinza más simple e incluso más barata y tiende a adaptarse con gran facilidad a una gran variedad de piezas. 3.6 ELECTROVALVULAS (VALVULAS ELECTROMAGNETICAS). Estas válvulas se utilizan cuando la señal proviene de un temporizador eléctrico, un final de carrera eléctrico, presostatos o mandos electrónicos. En general, se 50

56 elige el accionamiento eléctrico para mandos con distancias extremadamente largas y cortos tiempos de conexión. Las electroválvulas o válvulas electromagnéticas se dividen en válvulas de mando directo o indirecto. Las de mando directo solamente se utilizan para un diámetro luz pequeña, puesta que para los diámetros mayores los electroimanes necesarios resultarían demasiado grandes ELECTROVALVULA 5/2 Una señal provoca la conmutación del inducido. El aire atraviesa el canal en dirección del embolo de la válvula, conmutándolo. En el centro de la válvula está abierto el paso 1(P) hacia 4(A) hacia 2(B) por efecto de junta (asiento). La purga de aire se produce de 4(A) hacia 5 o de 2(B) hacia 3(S) interrumpiendo la señal eléctrica, la válvula si es monoestable vuelve a su posición normal por acción del muelle de reposición, quedando abierto el paso 1(P) hacia 2(B). La válvula es de memoria, si es biestable, solo cambia de posición al energizar la bobina contraria y si esta desenergizada la opuesta. Si ambas se energizan no conmuta. 51

57 Fig. 3.9 Electro Válvula 5/ PULSADORES START Y STOP. Para que una maquina o equipo se ponga en marcha, es necesario contar con un elemento que emita una señal. Tal elemento puede ser un pulsador que ocupa una posición de conmutación determinada mientras que este activado. Al accionarse el pulsador, el elemento contactor actúa en contra de un muelle, el cual se encarga de juntar (interruptor normalmente abierto) o de separar (interruptor normalmente cerrado) los contactos. El circuito eléctrico se cierra o abre correspondientemente. El interruptor vuelve a su posición normal por acción del muelle cuando cesa la fuerza sobre el pulsador. 52

58 Fig Pulsador start UBICACIÓN DE BOTONES PULSADORES. La identificación de los interruptores o conmutadores de botón pulsador se rige por la norma DIN , además, su montaje está definido. Accionamiento. Activación I (raya) Desactivación O (circulo) Bien la identificación puede ser EIN, AUS/ON, OFF Estos símbolos pueden estar ubicados junto a los botones o sobre ellos. Si los botones están uno a lado del otro, el de desactivación siempre se encuentra a la izquierda. 53

59 Fig.3.12 Pulsadores Horizontales. Si los botones están uno sobre el otro, el de desactivación siempre esta abajo. Fig Pulsadores Verticales. La norma no prevé una identificación de los botones mediante colores. No obstante, si se opta por una identificación mediante colores, el botón que debe accionarse en un caso de emergencia, en este caso el de desactivación, siempre es de color rojo. 54

60 3.8 UNIDAD DE MANTENIMIENTO. La unidad de mantenimiento es un montaje en bloque de los siguientes elementos: filtro de aire comprimido, válvula reguladora de presión con manómetro y lubricador de aire comprimido. El aire comprimido fluye a través del filtro en el cual se purifica el aire, hacia la válvula reguladora de presión que proporciona una presión constante, y entra en el lubricador de aire comprimido. Fig Unidad de Mantenimiento. 3.9 VÁLVULAS DE ESTRANGULACIÓN. Frecuentemente es necesario sincronizar la velocidad del accionamiento con la construcción, con el material y el modo de proceder, eso significa lograr la velocidad del vástago, antes de la posición. Esta regulación de la velocidad del 55

61 vástago se realiza mediante válvulas de estrangulación en la entrada del aire y en el escape de aire de los actuadores. Fig Válvula de Estrangulación. 56

62 Capítulo 4 AJUSTE DEL BRAZO ROBOT 57

63 4.1 COMPONENTES Un robot está formado por los siguientes elementos: estructura mecánica, transmisiones, actuadores, sensores, elementos terminales y controlador. Aunque los elementos empleados en los robots no son exclusivos de estos (maquinas herramientas y otras muchas maquinas emplean tecnologías semejantes), las altas prestaciones que se exigen a los robots han motivado que en ellos se empleen elementos con características específicas. La constitución física de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía de las extremidades superiores del cuerpo humano, por lo que en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan términos como cintura, hombro, brazo, codo, muñeca, etc. (figura 4.1). Fig. 4.1 Similitud entre brazo humano con brazo robot 58

64 Elementos que forman parte de la totalidad del robot son: Manipulador. Controlador. Dispositivos de entrada y salida de datos. Dispositivosespeciales. Fig. 4.2 Componentes del Robot Manipulador. Mecánicamente, es el componente principal. Está formado por una serie de elementos estructurales solidos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. Fig. 4.3 Manipulador del Robot. 59

65 Las partes que conforman el manipulador reciben, entre otros, los nombres de: cuerpo, brazo, muñeca y actuador final (o elemento terminal). A este último se le conoce habitualmente como aprehensor, garra, pinza o gripper (fig. 4.4). Fig. 4.4 Articulaciones de un Robot. Cada articulación provee al robot de al menos un grado de libertad. En otras palabras, las articulaciones permiten al manipulador realizar movimientos: Lineal que pueden ser horizontales o verticales. 60

66 Angulares (porarticulación) (En ambos casos la línea representa la trayectoria seguida por el robot) Existen dos tipos de articulación utilizados para las juntas del manipulador. Prismática y lineal junta en la que el eslabón se apoya en un deslizador lineal. Actúa linealmente mediante los tornillos sinfín de los motores, o los cilindros. Rotacional junta giratoria a menudo maneja por los motores eléctricos y las transmisiones, o por los cilindros hidráulicos y palancas. Básicamente, la orientación de un eslabón del manipulador se determina mediante los elementos roll, pitch y yaw (fig.4.5). Fig. 4.5 Orientación de las Articulaciones en un brazo. 61

67 A la muñeca de un manipulador le corresponden los siguientes movimientos o grados de libertad: giro (hand rote), elevación (wrist flex) y desviación (wrist rotate) como lo muestra el modelo inferior, aunque cabe hacer notar que existen muñecas que no pueden realizar los tres tipos de movimiento. El actuador final (gripper) es un dispositivo que se une a la muñeca del brazo del robot con la finalidad de activarlo para la realización de una tarea específica. La razón por la que existen distintos tipos de elementos terminales es, precisamente, por las funciones que realizan. Los diversos tipos podemos dividirlos en dos grandes categorías: pinzas y herramientas. Se denomina Punto de Centro de Herramientas (TCP, Tool Center Point) al punto focal de la pinza o herramienta. Por ejemplo, el TPC podría estar en la punta de una antorcha de la soldadura (fig.4.6). Fig. 4.6 Actuador Final. Controlador (PLC). Como su nombre lo indica, es el que regula cada uno de los movimientos del manipulador, las acciones, cálculos y procesado de la información. El controlador recibe y envía señales a otras máquinas-herramientas (por medio de señales de entrada/salida) y almacena programas. 62

68 Dispositivo de entrada y salida. Los dispositivos de entrada y salida permiten introducir y, a su vez, ver los datos del contralor. Para mandar instrucciones al controlador y para dar de alta programas de control, comúnmente se utiliza una computadora adicional. Es necesario aclarar que algunos robots únicamente poseen uno de estos componentes. En estos casos, uno de los componentes de entrada y salida permite la realización de todas las funciones. Las señales de entrada y salida se obtienen mediante tarjetas electrónicas instaladas en el controlador del robot las cuales le permiten tener comunicación con otras máquinas-herramientas (fig. 4.7) Fig. 4.7 Señales de entrada y salida. Dispositivos especiales. Entre estos se encuentran los ejes que facilitan el movimiento transversal del manipulador y las estaciones de ensamblaje, que son utilizadas para sujetar las distintas piezas de trabajo. 63

69 Fig. 4.8 Estación del robot Move Master EX. En la estación del robot Move Master EX (Mitsubishi) fig. 4.8 representada en la figura se puede encontrar los siguientes dispositivos especiales: A. Estación de posición sobre el transportador para la carga/descarga de piezas de trabajo. B. Eje transversal para aumentar el volumen de trabajo del robot. C. Estación de inspección por computadora integrada con el robot. D. Estación de ensamble. El robot cuenta con señales de entrada/salida para poder realizar la integración de su fundación incorporando estos elementos. 4.2 GRADOS DE LIBERTAD (GDL). Cada uno de los movientos independientes (giros y desplazamientos) que puede realizar cada articulación con respecto a la anterior. Son los parámetros que se precisan para determinar la posición y la orientación del elemento reminal del manipulador. 64

70 El número de grados de libertad del robot viene dado por la suma de los GDL de las articulaciones que lo componen. Puesto que las articulaciones empleadas suelen ser únicamente de rotación y prismáticas, con un solo grado de libertad cada uno, el número de GLD del robot suele coincidir con el número de articulaciones que lo componen. Puesto que para posicionar y orientar un cuerpo de cualquier manera en el espacio son necesarios seis parámetros, tres para definir la posición y tres para la orientación, si se pretende que un robot posicione y oriente su extremo (y con él la pieza o herramienta manipulada) de cualquier modo en el espacio, se precisara al menos seis grados de libertad. Fig. 4.9 Esquema de robot de 6 Grados de Libertad En la Fig. 4.9 se muestra el esquema de un robot de estructura moderna con 6 GDL; tres de ellos determinan la posición del aprehensor en el espacio (q1, q2 y q3) y los otros 3, la orientación del mismo (q4, q5 y q6) Un mayor número de grados de libertad conlleva un aumento de la flexibilidad en el posicionamiento del elemento terminal. 65

71 Aunque la mayoría de las aplicaciones industriales requieren 6 GDL, como las de la soldadura, mecanizan y paletizacion, otras más complejas requieren un número mayor, tal es el caso en las labores de montaje. Si se trabaja en un entorno con obstáculos, el dotar al robot de grados de libertad adicionales le permitirá acceder a posiciones y orientaciones de su extremo a las que, como consecuencia de los obstáculos, no hubieran llegado con seis grados de libertad. Otra situación frecuente es dotar al robot de un grado de libertad adicional que le permita desplazarse a lo largo de un carril aumentando así el volumen del espacio al que puede acceder. Tareas más sencillas y con movimientos más limitados, como las de la pintura y paletización, suelen exigir 4 o 5 GDL. Cuando el número de grados de libertad del robot es mayor que los necesarios para realizar una determinada tarea se dice que el robot es redundante. Observando los movimientos del brazo y de la muñeca, podemos determinar el número de grados de libertad que presenta un robot. Generalmente, tanto en brazo como en la muñeca, se encuentra un abanico que va desde uno hasta los tres GDL. Los grados de libertad del brazo de un manipulador están directamente relacionados con su anatomía o configuración. 4.3 Estructura del Brazo Robot. La estructura del brazo robot se ajustó para que pudiera sincronizarse con la celda de manufactura de tal manera que pudieran operar de forma conjunta. El brazo robot estaba diseñado para tomar la pieza de un extremo de la mesa y colocarla en el extremo opuesto de la mesa. 66

72 4.4 Ajuste del brazo robot Mesa: La mesa se modificó elevándola 15cm mas para que pudiera interactuar con la celda de manufactura ya que era demasiado baja y esto impedía que el brazo colocara la pieza en su lugar. 1. Se desmonto el brazo robot para la manipulación de la mesa y que no se dañara al momento de soldarla. 67

73 2. Debido a que la mesa tenía soldado uno tornillos se tuvo que utilizar una cortadora de mano para poder quitarlos. 68

74 3. Se le soldaron 15cm más de acero a cada una de las patas de la mesa. 69

75 4. Se soldaron ángulos en la unión de la soldadura para que se reforzaran la base de la estructura y no se fracture al manipularse Base: La base se cubrió con una tabla de contra chapado con la finalidad de que se cubrieran los orificios anteriores que se habían quedado descubiertos al cambiar de lugar el brazo robot. 1. Se desmonto el robot por completo dejando la base descubierta. 70

76 2. Se le tomaron las medidas para poder hacer lo agujeros con un taladro. 3. Se coloco el brazo robot con su eje para que se verifique que esta correctamente colocado y se agan los orificios del eje. 71

77 4. Si cubrió la base con una placa de contrachapado. 5. También se tuvo que volver hacer los orificios del brazo robot, de las mangueras y de los cables de los sensores magnéticos. Finalmente quedo como se muestra en la figura siguiente 72

78 Tablero: El tablero anterior contenía el PLC y el botón de inicio, actual mente se dividió en dos y se agregó un botón. Tablero de PLC. Se modificó de tal manera que el PLC se colocara en una base de acrílico en la parte superior derecha de la base, para que tuviera un mejor acceso al PLC y a todas las conexiones. 1. Se perforaron orificios con un taladro. 73

79 2. Se colocó la placa de acrílico para verificar que esta estuviese en el lugar correcto. 3. Se recortó el acrílico y se perforaron los orificios para colocar el PLC y finalmente quedo como se muestra en la figura. 74

80 Tablero con botón. Se modificó para que tuviera mayor funcionalidad y con la finalidad de que se pudiera elegir un ciclo único o un ciclo continúo. 1. Se perforo en la base con un taladro con la finalidad de que los cables del botón de inicio y del botón de ciclo continuo entraran. 2. Se introdujeron los cables de ambos botones y se comprobó que estuviera en su ubicación correcta. 75

81 3. Finalmente quedo de la siguiente manera. Brazo robot. El brazo robot se ubicaba de tal manera que colocaba la pieza en la misma mesa, se corrigió para que pudiera estar sincronizarse con la celda de manufactura. Se tuvo que desmontar el brazo robot de la mesa incluyendo la base para que se le tomaran medidas, se colocó la celda de manufactura a un lado y se tomó medidas, se recorrió 9.5cm hacia la derecha y así colocara la pieza en su lugar 1. Se desmonto por completo el robot de su base. 76

82 2. Sedesmonto el engrane. 3. Se desmonto por completo el rodamiento con cilindros cónicos. 77

83 4. Se perforaron los nuevos orificios a 9.5cm de distancia 5. Se colocó todo para comprobar que se colocara correctamente y no hubiera errores 78

84 4.5 PROGRAMACIÓN DEL BRAZO ROBOT Para programar el brazo robot se usó el programa FTS para PLC Festo, se procede de la siguiente manera: Paso 1. Abrir el programa FTS. Paso 2. Comenzar un nuevo proyecto en la pestaña de proyecto. Aparecerá la siguiente ventana y se le asignara el nombre apropiado. 79

85 Al presionar OK la siguiente ventana en donde se elegirá el controlador adecuado y algún comentario. Paso 3. Ahora tendremos la siguiente ventana. 80