REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL BELLOSO CHACÍN VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO DECANATO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO MAESTRÍA EN INGENIERÍA DE CONTROL Y AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS ROBOT INDUSTRIAL PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE CONFORMADO DE PIEZAS EN PRENSAS TROQUELADORAS Trabajo presentado como requisito para optar al grado de Magíster en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos. Autor: Ing. Omar León C.I.: 15.565.651 Tutor: M.Sc. Patricia Torres C.I.: 12.329.542 Maracaibo, Mayo de 2012
ROBOT INDUSTRIAL PARA LA AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE CONFORMADO DE PIEZAS EN PRENSAS TROQUELADORAS
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A Dios todopoderoso A mis padre iv
AGRADECIMIENTO A Dios por acompañarme en cada momento, por darme paciencia y sabiduría en esta odisea. A mis padres por enseñarme el camino de la vida. A mi tutora Patricia Torres por su apoyo incondicional y por motivarme a seguir adelante con esta investigación. A todas aquellas personas que de alguna manera directa o indirectamente me apoyaron y estuvieron presentes en el camino de esta investigación. A todos ustedes, gracias. v
INDICE GENERAL Pág. VEREDICTO iii DEDICATORIA iv AGRADECIMIENTO v INDICE GENERAL vi RESUMEN xiii ABSTRACT xiv INTRODUCCIÓN 1 CAPÍTULO I. EL PROBLEMA 3 1. Planteamiento del Problema 3 2. Formulación del Problema 7 3. Objetivos de la Investigación 7 3.1 Objetivos General 7 3.2 Objetivos Específicos 7 4. Justificación de la Investigación 8 5. Delimitación de la Investigación 10 II. MARCO TEÓRICO 11 1. Antecedentes de la Investigación 11 2. Bases Teórica 17 2.1 Teorías relacionadas con los robots industriales 17 2.1.1 Disposición de los Robots en la Célula de Trabajo 18 2.1.2 Características de los Robots Industriales 20 2.1.3 Morfología de los Robots 22 2.1.4 Configuración Angular 25 2.1.5 Configuraciones de la Muñeca 25 2.1.6 Actuadores Eléctricos 26 2.1.7 Sensores 28 2.1.7.1 Codificadores Ópticos 28 vi
2.1.8 Métodos de Programación de Robots 30 2.1.8.1 Requerimientos de un Sistema de Programación de Robots 31 2.2 Teorías relacionadas con el Modelado de Robots 31 2.2.1 Modelos Cinemáticos de Robots 32 2.2.2 Modelos Cinemático Directo de Robots 33 2.2.3 Modelos Cinemático Inverso de Robots 37 2.3 Teorías relacionadas con los esquemas de Control de robots 39 2.3.1 Control Cinemático 40 2.3.1.1 Funciones del Control Cinemático 40 2.3.1.2 Tipo de Trayectorias 42 2.3.1.3 Interpolación de Trayectorias 44 2.3.1.4 Muestreo de Trayectoria 48 2.3.2 Control Embebido 49 2.3.2.1 Desarrollo de Aplicaciones de Control Embebido 50 2.4 Teorías relacionadas con el Circuito Electrónico 50 2.4.1 Microcontroladores 50 2.4.1.1 Microcontrolador PIC18F4550 51 2.4.2 Protocolo de Comunicación 53 2.4.3 Puerto de Comunicación USB 54 3. Definición de Términos Básicos 57 4. Formulación de Hipótesis 60 5. Sistema de Variables 60 III. MARCO METODOLÓGICO 64 1. Tipo de Investigación 64 2. Diseño de la Investigación 66 3. Población y Muestra 66 4. Instrumentos 67 vii
5. Procedimiento 68 IV. RESULTADOS DE LA INVESTIGACIÓN 73 1. Diseño de la Célula de Trabajo 73 1.1 Estudio del Área de Troqueles de la empresa GURIMETAL, C.A 73 1.2 Aspectos de Seguridad Robótica 79 2. Selección de la Morfología del Robot Industrial 80 2.1 Diseño Preliminar del Robot Industrial 80 2.2 Esquema de Operación del Robot Industrial 84 2.3 Esquema de Operación del Sistema 85 3. Diseño del Hardware 86 3.1 Diseño de la Estructura Mecánica del Robot Industrial 86 3.2 Evaluación de los Actuadores del Robot Industrial 89 3.3 Evaluación de las Piezas Electrónicas del Robot Industrial 91 3.4 Diseño del Circuito Electrónico 93 3.5 Diseño del Sistema de Sensores y Codificadores 97 3.6 Características Básicas del Robot Industrial 99 4. Diseño del Modelo Cinemático 101 4.1 Modelo Cinemático Directo 101 4.2 Modelo Cinemático Inverso 108 5. Diseño del Software de Control 111 5.1 Diseño del Control Cinemático para el Robot 111 5.2 Codificación del Programa de Control 113 6. Diseño del Software de Programación del Robot 115 6.1 Diseño del Software de Usuario Final 115 7. Implementación del Hardware 118 7.1 Construcción del Hardware 118 8. Integración del Hardware con el Software de Control 121 8.1 Pruebas de Funcionalidad Básica 121 viii
9. Visualización del Funcionamiento del Robot Industrial 122 9.1 Pruebas de Funcionamiento 122 9.2 Resultados de las Pruebas 124 CONCLUSIONES 126 RECOMENDACIONES 128 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 129 ANEXOS Anexo A. Área de Troqueles de Gurimetal C.A Anexo B. Piezas en SolidWorks del Ensamble del Robot Industrial Anexo C. Especificaciones Técnicas de los Servomotores Hitec Anexo D. Especificaciones Técnicas de las Piezas Electrónicas Anexo E. Código del Programa de Control Anexo F. Código del Sistema de Programación del Robot Anexo G. Electrónica, Sensores y Estructura del Robot Industrial ix
LISTA DE CUADROS CUADROS 1 Operacionalización de las variables 62 2 Procedimiento para alcanzar el objetivo 1 69 3 Procedimiento para alcanzar el objetivo 2 70 4 Procedimiento para alcanzar el objetivo 3 70 5 Procedimiento para alcanzar el objetivo 4 71 6 Procedimiento para alcanzar el objetivo 5 71 7 Procedimiento para alcanzar el objetivo 6 72 8 Piezas producidas por GURIMETAL C.A 77 9 Piezas utilizadas para el ensamble del robot industrial 87 10 Servomotores Digitales Hitec para el ensamble del robot industrial 90 11 Lista de piezas electrónicas utilizadas para el ensamble del robot industrial 92 12 Lista de piezas electrónicas utilizadas para el ensamble de los sensores y codificadores del robot industrial 99 13 Especificaciones del firmware de control del robot industrial 100 14 Parámetros de Denavit-Hartenberg 103 15 Costos de construcción del robot industrial 125 x
LISTA DE GRÁFICOS GRÁFICOS 1 Tipos de articulaciones 23 2 Configuraciones básicas de robots manipuladores industriales 24 3 Posicionamiento de servos 27 4 Codificadores ópticos rotacionales y lineales 29 5 Los problemas cinemáticos directo e indirecto 32 6 Asignación de sistemas de coordenadas utilizando el algoritmo de Denavit-Hartenberg 35 7 Funcionamiento del control cinemático 41 8 Sucesión de coordenadas angulares vs tiempo 45 9 Sucesión de coordenadas angulares vs tiempo usando interpolación lineal 46 10 Sucesión de coordenadas angulares vs tiempo usando interpolación cúbica 47 11 Área de troqueles de la empresa GURIMETAL C.A 74 12 DUM de una prensa troqueladora 75 13 DUP entre una prensa troqueladora y un operador 76 14 Cotas mínimas para extraer piezas de un troquel 76 15 Célula de trabajo propuesta 79 16 Modelo preliminar del prototipo del robot industrial 81 17 Eslabones del robot industrial 83 xi
18 Diagrama general del robot industrial 85 19 Ensamble virtual del robot industrial en SolidWorks 89 20 Diseño del circuito de control del robot industrial 94 21 Calculadora de tiempos para PIC16 y PIC18 96 22 Diseño del circuito de sensor y codificador para una articulación 98 23 Apertura de la pinza 99 24 Envolvente de trabajo vista lateral de las articulaciones 100 25 Disposición de ejes para cada par cinemático 102 26 Función drivebot del toolbox de robótica de MATLAB para el robot industrial 108 27 Giro del primer grado de libertad para la cinemática inversa 109 28 Giro de los 3 grados de libertad restantes de la cinemática inversa 110 29 Simulación de la interpolación cúbica de 4 articulaciones 112 30 Diagrama de bloques del control cinemático desarrollado 113 31 Simulación del programa de control en Proteus (ISIS) 114 32 Interfaz para introducir las instrucciones al robot industrial 116 33 Interfaz para configurar los actuadores 116 34 Señal PWM con un periodo de 20 ms para los servomotores 119 35 Robot industrial ensamblado 120 36 Robót Industrial como dispositivo reconocido por Windows 7 122 37 Trayectoria ejecutada por las 4 primeras articulaciones 123 38 Productividad PPM (Hombre) vs PPM (Robot) 124 xii
León Omar. Robot Industrial para la Automatización del Proceso de Conformado de Piezas en Prensas Troqueladoras. Universidad Dr. Rafael Belloso Chacín. Maestría en Ingeniería de Control y Automatización de Procesos. Maracaibo, 2012. RESUMEN El principal objetivo de esta investigación es desarrollar un robot industrial para automatizar el proceso de conformado de piezas en prensas troqueladoras con el fin de evitar los accidentes laborales con este tipo de máquinas, mejorar las condiciones laborales y aumentar la productividad, la investigación es clasificada como proyecto factible y el diseño es del tipo experimental por las pruebas realizadas en un prototipo de robot industrial, la población es no probabilística intencional. Para su desarrollo se utilizaron las metodologías planteada por Angulo (1986) y Ollero (2007) adaptándolas a las características específicas de este estudio de la siguiente manera: Fase 1: Diseño de la Célula de Trabajo, Fase 2: Selección de la Morfología del Robot Industrial, Fase 3: Diseño del Hardware, Fase 4: Diseño del Modelo Cinemático, Fase 5: Diseño del Software de Control, Fase 6: Diseño del Software de Programación de Robots, Fase 7: Implementación del Hardware, Fase 8: Integración del Hardware con el Software de Control y Fase 9: Visualización del Funcionamiento del Robot Industrial. Como resultado de la investigación se construyo un prototipo de robot industrial de 5 grados de libertad, basado en las actividades de cada una de las fases metodológicas. Se utilizó un control cinemático para el control de movimiento del robot, aplicando trayectorias punto a punto a través de interpolaciones cúbica utilizando el criterio de Craig (1989), que dió como resultado una trayectoria continua y suave para los movimientos angulares que se aplica a cada articulación del robot. De igual manera se concluye que el robot industrial es una herramienta que puede ser configurada de manera versátil para adaptarse a la automatización del proceso de movilizar piezas, incrementando la productividad, trabajando de manera autónoma y mejorando la seguridad del personal. Palabras Claves: Robot Industrial, Conformado, Control Cinemático, Interpolación Cúbica, Trayectoria Punto a Punto. xiii
León Omar. Industrial Robot for Automatization Parts Forming Processes in Metal Stamping Presses. Dr. Rafael Belloso Chacín University. Masters in Control and Automatization of Processes Engineering. Maracaibo, 2012. ABSTRACT This research s main objective is to develop an industrial robot for automatization parts forming processes in metal stamping presses, in order to avoid accidents with this kind of machines, to improve conditions at work and to increase productivity, the research is classified as a feasible project and design type is experimental test on an industrial robot prototype, the population is non-probabilistic intentional. In order to develop this research, were used the methodology by Angulo (1986) and by Ollero (2007), adapting them to the specifics characteristics of this study as follows: Phase 1: Design of the working cell, Phase 2: Selection of the Industrial Robot Morphology, Phase 3: Design of Hardware, Phase 4: Design of Kinematic model, Phase 5: Design of Control Software, Phase 6: Design of Software Programming Robots, Phase 7: Hardware implementation, Phase 8: Integration of Hardware with the Software Control, and Phase 9: Display Industrial Robot operation. The study s obtained result was an industrial robot prototype built with 5 freedom s degrees, based on the activities of each of the methodology phases. It was used a kinematic control for the robot movement, using point to point trajectories by cubic interpolation using Craig s (1989) criterion, which resulted in a smooth and continuous path in angular velocity applied to each joint. As so it can be conclude that the Industrial Robot is a versatile tool that can be configured to adapt it to the automation process of moving parts, increasing productivity, working autonomously and improving staff safety. Key Words: Industrial Robot, Forming Processes, Kinematic Control, Cubic Iinterpolation, Point to Point Trajectories. xiv
INTRODUCCIÓN Los robots industriales, han jugado un papel importante en varios campos, como en la industria, educación y aplicaciones médicas, donde nos ayudan en trabajos peligrosos, impredecibles, actividades que requieran precisión o en aquellos trabajos que sean repetitivos y pueden ser automatizados para aumentar productividad. En la República Bolivariana de Venezuela, existen muchas actividades manufactureras que pueden sacar provecho de los robots industriales, como por ejemplo, las actividades de troquelado en prensas, donde su operador tiene que manipular piezas para colocarlas dentro y fuera de ellas esperando la acción de conformado, por naturaleza estos trabajos son peligrosos y repetitivos que pueden ser automatizados, así evitar posibles accidentes, alejando al operador de esta actividad y poder disminuir el tiempo de trabajo, aumentando así la productividad. La presente investigación tiene como propósito el de desarrollar un prototipo de robot industrial para automatizar el proceso de conformado de piezas en la fabrica Gurimetal, C,A, utilizando teorías de control cinemático para robots, así mismo la investigación basa su estudio desde tres puntos de vista: el primero es el análisis de la estructura mecánica del robot que pueda ser usada para automatizar el proceso de conformado de piezas en prensas troqueladoras, desarrollando así el prototipo del robot, como segundo punto de vista es el estudio del modelado matemático del robot, el cual incluye el
2 análisis de su cinemática directa y la cinemática inversa, dando así en enfoque de control del prototipo para poder hacer el estudio desde un tercer punto de vista que es la aplicación de un control cinemático para definir y regular la trayectoria punto a punto de la pinza que va a tener el robot industrial. Para realizar y justificar esta investigación se mostró en el primer capitulo un análisis de la situación que existe con los accidentes laborales en la industria manufacturera, también mostró la formulación del problema que dió como resultado los objetivos a desarrollar con el fin de erradicar el problema o al menos minimizar los accidentes con las prensas troqueladoras. Así mismo en el segundo capitulo se mostraron los antecedentes asociados con las teorías de control y automatización en robótica, sus fundamentos teóricos e hipótesis que sirvieron como base para establecer el camino a seguir para el desarrollo de esta investigación, así mismo se estableció en el tercer capitulo, la metodología a seguir, donde se detallan las fases y cada una de las actividades involucradas que se siguieron paso en esta investigación. En el cuarto capitulo se muestran los resultados obtenidos, detallando los pasos que se desarrollaron y mostrando así la solución de control planteada, con la finalidad de cumplir con el objetivo principal de esta investigación.