Robótica Industrial MORFOLOGIA. Índice

Transcripción

1 Robótica Industrial MORFOLOGIA La base de estas transparencias han sido preparadas por A. Barrientos como complemento didáctico al libro Fundamentos de Robótica 2ª edición (McGraw-Hill 2007). Algunas diapositivas han sido editadas para el curso de Robótica I de Ingeniería Mecatrónica. 1 Índice 1. Estructura mecánica. Configuraciones 2. Transmisiones y reductores 3. Actuadores 4. Sensores 5. Elementos terminales 6. Sistema de control 2 2

2 Partes de un robot industrial Efector final Estructura mecánica Unidad de control 3 3 Estructura mecánica de un robot manipulador (I) Inser Robótica 4 4

3 Estructura mecánica de un robot manipulador (II) La estructura mecánica de un robot manipulador se constituye por una cadena cinemática! Robot = elementos o eslabones unidos por articulaciones 5 5 Estructura mecánica de un robot manipulador (II) La estructura mecánica de un robot manipulador se constituye por una cadena cinemática! Robot = elementos o eslabones unidos por articulaciones Articulaciones permiten el movimiento relativo entre 2 elementos en contacto. 5 5

4 Estructura mecánica de un robot manipulador (II) La estructura mecánica de un robot manipulador se constituye por una cadena cinemática! Robot = elementos o eslabones unidos por articulaciones Articulaciones permiten el movimiento relativo entre 2 elementos en contacto. Grados de libertad de la articulación: cada uno de los movimientos independientes que, en una articulación, puede realizar un elemento con respecto al otro. 5 5 Estructura mecánica de un robot manipulador (II) La estructura mecánica de un robot manipulador se constituye por una cadena cinemática! Robot = elementos o eslabones unidos por articulaciones Articulaciones permiten el movimiento relativo entre 2 elementos en contacto. Grados de libertad de la articulación: cada uno de los movimientos independientes que, en una articulación, puede realizar un elemento con respecto al otro. Tipos de movimiento en articulaciones: Desplazamiento Giro Combinación 5 5

5 Pares Bajos de Reuleaux En 1876 Franz Reuleaux identifico los posibles movimientos entre dos elementos en contacto Denomino pares inferiores a aquellos en los que el contacto se realiza entre superficies. Pares superiores son cuando el contacto es puntual o lineal De los pares inferiores sólo 3 tienen 1 gdl 6 6 Articulaciones de robots En la práctica, en robótica sólo se emplean las articulaciones de solo 1 gdl (rotación y prismática). En caso de que un robot tuviera alguna articulación con más de un grado de libertad, se podría asumir que se trata de varias articulaciones diferentes, unidas por eslabones de longitud nula. 7 7

6 Cadena cinemática abierta y cerrada Cuando en una cadena cinemática, se puede llegar desde cualquier eslabón a cualquier otro, mediante al menos 2 caminos, se dice que se trata de una cadena cinemática cerrada. En caso de que solo haya un camino posible se dirá que se trata de una cadena cinemática abierta. 8 8 Grados de libertad El número de parámetros independientes necesarios para especificar completamente la localización espacial de su extremo Nota: De acuerdo a UNE EN ISO 8373:1998: Grado de libertad: Cada una de las variables (de un máximo de 6) n e c e s a r i a s p a r a d e f i n i r l o s movimientos de un cuerpo en el espacio EJE: cada uno de los movimientos independientes de la totalidad de las las articulaciones del robot 9 9

7 Obtención de los GDL de una cadena cinemática!= GDL del espacio de trabajo n: Número de barras, incluida la base j: número de articulaciones (binarias) f i : Grados de libertad relativos permitidos a la articulación i Obtención de los GDL de una cadena cinemática!= GDL del espacio de trabajo n: Número de barras, incluida la base j: número de articulaciones (binarias) f i : Grados de libertad relativos permitidos a la articulación i 10 10

8 Obtención de los GDL de una cadena cinemática!= GDL del espacio de trabajo n: Número de barras, incluida la base j: número de articulaciones (binarias) f i : Grados de libertad relativos permitidos a la articulación i Ejemplos fórmula de Grubler!: 3 n: 4 j: 4 f i : 1 (para todas) NGDL=3x(4-4-1)+4x1=

9 Ejemplos fórmula de Grubler!: 3 n: 4 j: 4 f i : 1 (para todas) NGDL=3x(4-4-1)+4x1=1!: 3 n: 5 j: 5 f i : 1 (para todas) NGDL=5x(5-5-1)+5x1= Robot serie y paralelo 12 12

10 Robot Cartesiano 3 articulaciones prismáticas Espacio de trabajo amplio. Precisión elevada Velocidad baja Robot Cartesiano 3 articulaciones prismáticas Espacio de trabajo amplio. Precisión elevada Velocidad baja

11 Robot Cartesiano 3 articulaciones prismáticas Espacio de trabajo amplio. Precisión elevada Velocidad baja Robot Cartesiano 3 articulaciones prismáticas Espacio de trabajo amplio. Precisión elevada Velocidad baja

12 Robot Cilíndrico Una articulación de Rotación en el eje vertical y dos prismáticas en z y en el radio. Se adapta bien a espacios de trabajo en círculo (robot en el centro de la célula) Robot Cilíndrico Una articulación de Rotación en el eje vertical y dos prismáticas en z y en el radio. Se adapta bien a espacios de trabajo en círculo (robot en el centro de la célula) 14 14

13 Robot Esférico Dos articulaciones rotativas y una prismática Se adapta bien a espacios de trabajo en círculo (robot en el centro de la célula) Robot Esférico Dos articulaciones rotativas y una prismática Se adapta bien a espacios de trabajo en círculo (robot en el centro de la célula) 15 15

14 Robot Scara Scara (Selective Compliance Assembly Robotic Arm) Dos articulaciones rotativas en el mismo plano y una prismática en el eje vertical. Especialmente diseñado para tareas en la dirección del eje vertical (p.e: ensamblado, pick&place) Robot Scara 16 16

15 Robot Articular Tres articulaciones rotativas Trabaja bien en Areas esféricas pero se adpata en general a cualquier área. Es el más versatil Robot Articular 17 17

16 Robot Paralelo Reparte por igual las cargas entre todos los actuadores Compensa los errores en transmisiones y actuadores. Volumen de trabajo reducido Robot Paralelo 18 18

17 Configuraciones más frecuentes La mayor parte de los robots instalados son de configuración articular Las configuraciones cilíndrica y esférica están en desuso Redundancia Número de ejes > Número de GDL Permite mejorar la accesibilidad-maniobrabilidad 20 20

18 Redundancia Número de ejes > Número de GDL y aumentar el campo de trabajo Transmisiones y reductores 21 21

19 Transmisiones y reductores Justificación Reducción del momento de inercia (acercamiento de los actuadores a la base) Adaptar velocidades y pares de los actuadores Conversión lineal-circular y viceversa Transmisiones y reductores Justificación Reducción del momento de inercia (acercamiento de los actuadores a la base) Adaptar velocidades y pares de los actuadores Conversión lineal-circular y viceversa Características necesarias Tamaño y peso reducido Mínimos juegos u holguras Gran rendimiento Capaz de soportar funcionamiento continuo a un par elevado 21 21

20 Sistemas de transmisión para robots Reductores 23 23

21 Reductores Adaptación de velocidades Relación de reducción elevada (100) Par de salida nominal alto (punta muy alto) Compactos (vajo volumen) Ligeros Bajo momento de inercia Alto rendimiento (>80%) Velocidad de entrada alta ( > 3000 rpm) Reductores Adaptación de velocidades Relación de reducción elevada (100) Par de salida nominal alto (punta muy alto) Compactos (vajo volumen) Ligeros Bajo momento de inercia Alto rendimiento (>80%) Velocidad de entrada alta ( > 3000 rpm) Precisión Bajo juego angular (backslash) Alta rigidez torsional 23 23

22 Reductores específicos Tendencia a ejes coaxiales frente a los paralelos o perpendiculares Menor espacio Mejor rendimiento Harmonic Driver ( Cyclo Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores Reductor Harmonic Drive Concebido en 1955 por C. Walton Musser Patent Number 2,906, : Se usa en equipos espaciales 1971: Se usa para el Rover lunar (cada rueda estaba equipada con un motor DC de 186 w - 10,000 rpm y un harmonic drive 80:1) Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores 25 25

23 Reductor Harmonic Drive Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores Reductor Harmonic Drive Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores 26 26

24 Reductor Harmonic Drive Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores Reductor CYCLO Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores 27 27

25 Reductor CYCLO Reductor CYCLO 27 27

26 Robots de accionamiento directo (DD) Robots de accionamiento eléctrico sin reductores Ventajas: Disminuye fricción, elasticidad, histéresis Posicionamiento rápido y preciso Mayor controlabilidad (aunque más compleja) Simplificación del sistema mecánico Desventajas: Necesidad de motores especiales (par elevado a bajas revoluciones con alta rigidez) Reducción de la resolución del codificador de posición Las perturbaciones inciden directamente sobre el par del motor (sin verse divididas por el cuadrado de la reducción) Típicos en robots SCARA Actuadores Tipos empleados en robótica: Neumáticos (cilindros y motores) Hidráulicos (cilindros y motores) Eléctricos (DC, AC y Motores paso a paso) Características: Potencia Controlabilidad y buena respuesta dinámica Peso y volumen (baja relación peso-potencia) Precisión Velocidad Mantenimiento Coste En la actualidad los robots comercializados usan mayoritariamente el accionamiento eléctrico 29 29

27 Comparación de actuadores Problemas de los accionamientos por CC Corriente por el rotor! Dificultad de disipación térmica! limitación de potencia Chispas "! Riesgo de explosión Calentamientos a bajas velocidades con par alto Desgaste escobillas (mantenimiento) Dificultades de fabricación (bobinados ) 31 31

28 Ventajas de los Motores sin escobillas Menor mantenimiento Menor momento de inercia Alto par a velocidad nula Mejor rendimiento (No hay pérdidas en rotor) Mejor disipación térmica (devanado en contacto con carcasa) Mejor relación potencia peso o volumen No riesgo de explosión Menor ruido Motores paso a paso imanes permanentes 33 33

29 Sensores internos Encoder incremental Disco rotativo con 2 series de bandas concéntricas (A-B) translúcida/opaca que interceptan el paso de la luz en parejas fotodiodo-fotoreceptor. Dan un número de impulsos proporcional al ángulo girado. Precisan de un contador de impulsos y de una posición de puesta a cero (Banda C). La resolución depende del número de franjas de las bandas ( pulso/ vuelta) Utilizando los flancos de subida y bajada de los 2 canales se multiplica por 4 la resolución

30 Encoder. Detección del sentido de giro Biestable D: Copia la entrada (A) en la salida (Q), cuando el reloj (B) tiene flanco positivo Encoder absoluto Disco rotativo con n series de bandas concéntricas translúcida/opaca que interceptan el paso de la luz en parejas fotodiodo-fotoreceptor. Dan un valor binario asociado a la posición (código binario o Gray) La resolución depende del número de bandas n (12 a 16 bits -> = º) 37 37

31 Resolver Bobinados móviles (con el ángulo a medir) situados en planos perpendiculares se excitan con corriente senoidal (400 Hz) Dos bobinados estáticos situados en planos perpendiculares, y concéntricos al rotor, recogen corrientes inducidas, actuando como el secundario de un transformador. Al excitar las bobinas del rotor con V sen wt en el estator se induce: E1= V sen wt cos θ E2= V sen wt sen θ Sensores externos Otros sensores internos de robots Velocidad: Tacogeneratriz Fuerza: Galgas o piezoelectricos 39 39

32 Elementos terminales Los elementos terminales, también llamados efectores finales (end effector) son los encargados de interaccionar directamente con el entorno del robot. Pueden ser tanto elementos de aprehensión como herramientas. Son independientes del robot Elementos de sujección 41 41

33 Pinzas neumáticas Pinzas neumáticas 43 43

34 Ventosa de vacío Ventosa de vacío Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores 45 45

35 Otros Elementos de Sujeción Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores Herramientas terminales 47 47

36 Robot con Pinza soldadura puntos IRB 6600ID (ABB) Cableado interno Alcance 2.75 m Carga 170 Kg Robot con Pinza soldadura puntos 49 49

37 Antorcha de soldadura al arco Robot de soldadura al arco 51 51

38 Pistolas de pintura Pistolas de pintura 53 53

39 Corte por chorro de agua Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores Corte por Plasma Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores 55 55

40 Corte por laser Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores Soldadura por laser Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores 57 57

41 Maquinado Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores Pulido Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores 59 59

42 Toma de Medidas Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores Suministro de Material Adhesivo Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores 61 61

43 Robot Atornillador Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores Desbarbado Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores 63 63

44 Pinza Universal Morfología Fundamentos de Robótica McGraw Hill (c) los autores Controlador Multiprocesador Bus PCI Memoria masiva por HD o Flash 2040 I/O 24vt o relé 2x0-10v, 3x ±10v 1x4-20 ma 3xRS232 ó RS422 Ethernet,Devicenet, Interbus, Profibus DP 65 65

45 Armario de control 66 66