DISEÑO HACIA ENSAMBLE Y MANUFACTURA DE UN PROTOTIPO ROBÓTICO EXPERIMENTAL TIPO DELTA Jorge A. García*, Daniel A. Ramírez, Ubaldo García, Jaime E. Cortés, Andrés F. Cifuentes **, Santiago Rodríguez * Universidad Santo Tomás. *jorgegarcia@usantotomas.edu.co danielramirez@usantotomas.edu.co g.ubaldo.usta@gmail.com jaimeducortes@gmail.com ** Felipe2071458@gmail.com Santiagoro360@hotmail.com RESUMEN Se ilustra el proceso de diseño hacia ensamble y manufactura de un prototipo robótico experimental con arquitectura paralela tipo delta, concebido con el fin de desarrollar el control de movimiento en forma simultánea con el diseño de detalle mecánico, motivo por el cual no está diseñado para soportar grandes cargas. A partir del diseño conceptual y de aproximación geométrica del mecanismo, se realiza un análisis funcional para determinar las características clave que debe cumplir el ensamble. Por medio de la descomposición del sistema en subsistemas y partes, siguiendo los principios del diseño vertical (Top-Down Design), se establecen materiales, planos de detalle y procesos de producción. Con las partes fabricadas se realiza un análisis de ensamblabilidad que tiene el fin de determinar la secuencia de armado más viable. It is described the design process toward manufacturing and assembling of a delta robotic prototype based on parallel architecture. It was built in order to developed movement control considering a high mechanical detail thus, it is not capable of supporting huge loads. Firstly, taking into account conceptual design and geometric approximation of the mechanism, a functional analysis, which is a fundamental part for determining the key characteristics that must fit assembling, is carried out. Afterwards, by creating subassemblies and single parts, where Top-Dowm Design principle was used, materials, detail, drawings and manufacturing processes are established. Finally, when all parts finish the manufacturing processes, an assembly analysis is performed in order to determine the best assembling procedure for the mechanism. Palabras Clave: Robot Delta (Delta Robot), Diseño hacia ensamble (Design For Assembly), Diseño hacia manufactura (Design For Manufacturability), Máquina Robot con Arquitectura Paralela (Parallel Kinematic Machine Robot)
2 1 INTRODUCCIÓN Los ensambles mecánicos de componentes manufacturados consideran conjuntos de relaciones entre las superficies de contacto de las partes y las características funcionales del sistema, para realizar una tarea predeterminada [1]. Pero no solo cumplir la función es importante, es necesario incluir criterios de diseño hacia ensamble y manufactura, para que el proceso de fabricación sea rentable [2]. La teoría de diseño hacia ensamble (DFA 1 ) interviene en la etapa de diseño de producto, para agilizar los procesos de ensamble y desensamble, jugando un rol importante en la reducción de costos de manufactura y mantenibilidad [3]. Además, los estudiantes que aprenden sobre diseño de componenetes mecánicos, pero no sobre ensambles, no desarrollan una visión general sobre el trabajo conjunto de las partes para cumplir una función [4]. La evolución de las herramientas CAD/CAM/CAE, la diversidad de procesos de fabricación, el desarrollo de nuevos materiales y la globalización de los mercados, han conllevado a la generación de productos más complejos, a su vez, la competencia en los mercados internacionales hace necesario que en el proceso de desarrollo de producto se contemplen criterios de funcionalidad, diseño hacia ensamble y manufactura, puesto que gran parte del costo del producto se genera en las líneas de producción [5]. Específicamente, la generación de secuencias de ensamble, se clasifica como un tipo de problema de planificación de operaciones. Swaminathan y Barber [6], utilizaron un algoritmo que combina las restricciones geométricas con una base de conocimientos pasados para resolver dichas restricciones. Wang y otros [7], propusieron un algoritmo para la planificación de secuencias en ensambles mecanicos (MASP 2 ), tomando como entrada del algoritmo el modelo CAD, se generan posibles secuencias de ensamble, basados en un lenguaje de programación lógico (ASP 3 ). Demoly y otros [8], implementaron un algoritmo que considera e integra información de los procesos de ensamble en la etapa inicial del diseño de producto, la motivación principal es acometer el diseño de producto y la generación de secuencias de ensamble en una forma concurrente. Whitney [4] se basa en un diagrama de uniones (Liason Diagram) para identificar las características clave del producto y lograr su correcto funcionamiento, definiendo tolerancias de las partes a fabricar y las posibles secuencias de ensamble. Con el propósito de mejorar la competitividad y hacer frente a los actuales requerimientos industriales, es necesario modificar el proceso secuencial de desarrollo de producto, aplicando los principios de la ingeniería concurrente, para disminuir el tiempo requerido por las actividades de ingeniería. De hecho, la inclusión e integración de las actividades relacionadas con el ensamble y la manufactura, especialmente en la fase de diseño detallado, ha recibido mayor atención en las últimas décadas [8]. El objeto del presente artículo es mostrar un ejercicio de aplicación de las teorías de diseño hacia ensamble y manufactura, en la construcción de un prototipo robótico experimental de arquitectura paralela tipo delta. 1 Design For Assembly 2 Mechanical Assembly Sequence Planning 3 Answer Set Programming
3 2.1 Diagrama de uniones 2 MATERIALES Y MÉTODOS La herramienta principal para determinar los requerimientos funcionales del ensamble es el diagrama de uniones (Liason Diagram), que contiene todas las partes principales del sistema, e identifica las características clave (KC) 4 [9] para lograr su correcto funcionamiento en el producto terminado. La Figura 1 ilustra un ejemplo de un diagrama de uniones en el cuál se pueden identificar las partes principales que lo componen. - Las partes principales del producto. - Cada parte es representada como un punto. - La relación directa entre partes se representa con una línea. - Las características clave (con doble línea). Figura 1. Partes principales y diagrama de uniones (Liason Diagram). 5 Una característica clave (KC) en el ensamble de un producto, subensamble, parte o características de un proceso, es aquella cuya variación fuera de los rangos establecidos de una medida nominal puede afectar el costo final, funcionalidad o seguridad del producto [4]. Un control especial debe ser efectuado sobre dicha KC, si el costo del control no es superior al impacto por violarla. 2.2 Diseño vertical Con base en los requerimientos funcionales del ensamble (KC) del producto, se elabora un diseño vertical (Top-Down Design), hasta determinar los rasgos principales de manufactura para el ensamble y fabricación de cada una de las partes. A la izquierda de la Figura 2 se ilustra el diagrama de flujo a emplear en el proceso de diseño vertical, desde la identificación de los requerimientos del sistema, hasta la fabricación de piezas y sus características clave para el ensamble. Al determinar las características clave de ensamble entre partes y subensambles, es posible establecer las dimensiones y tolerancias geométricas [10], materiales y procesos de manufactura que se desarrollarán para concebir el producto. Se definen entonces las partes y subensambles físicamente. 2.3 Secuencia de ensamble Con las partes determinadas físicamente y su adecuado proceso de producción, se procede a generar la secuencia de ensamble. A la derecha de la Figura 2 se ilustra el diagrama de flujo 4 Por sus siglas en inglés: Key Characteristics 5 Tomado de: Mechanical Assemblies, Pag. 21.
4 empleado para este fin. Con los planos de ensamble, la lista de partes y el diagrama de uniones (LD) 6 se inicia el proceso. Realizando una serie de preguntas en cuanto a la precedencia que hace posible unir las partes, se identifican las posibles secuencias de armado. Finalmente se genera un gráfico de las posibles secuencias y se selecciona la más viable. Dependiendo del número de piezas del producto, cambia el número de posibles secuencias de ensamble, llegando a existir cientos de estás. Se han desarrollado herramientas computacionales 7 para determinar las posibles secuencias y seleccionar cuál(es) son las óptimas. Identificación de los requerimientos del ensamble Planos de ensamble y Lista de partes Características clave de los subsistemas Diagrama de uniones KCs de los procesos de ensamble de los subsistemas Preguntas sobre las relaciones de precedencia KCs de los procesos de subensamble Generar relaciones de precedencia KCs de los procesos de manufactura y ensamble de partes Generar gráfico de secuencia de ensamble Figura 2. A la izquierda, diagrama de flujo del proceso de diseño vertical. A la derecha, diagrama de flujo para determinar la secuencia de ensamble [11]. 3 RESULTADOS El prototipo experimental de arquitectura paralela tipo delta se concibió con el objeto de desarrollar el control del manipulador en forma simultánea con el diseño de detalle mecánico y así abordar la metodología de diseño concurrente. Por lo anterior, los requerimientos de precisión del mecanismo no son tan exigentes como los demandados, por ejemplo, por manipuladores para aplicaciones médicas o de ensamble de partes electrónicas. Después de la etapa de diseño conceptual y aproximación geométrica del mecanismo, se realizó un análisis funcional del mecanismo partiendo de la necesidad principal. A continuación se muestra la metodología desarrollada para la construcción del prototipo, tomando como ejemplo el subensamble de una de las cadenas cinemáticas del manipulador. La Figura 3 y la Figura 4 ilustran las partes que componen la cadena cinemática y el diagrama de uniones con las características clave, respectivamente, insumos principales para el diseño hacia ensamble y manufactura. 6 Por sus siglas en inglés: Liason Diagram 7 Draper/MIT Assembly Sequence Software.
5 RO EF MA RO S1 MA S RO EF Motor s Arm Shaft Clamp Rod End Efector S1 Figura 3. Identificación de partes de la cadena cinemática del robot delta. MA S1 RO S1 EF RO Figura 4. Diagrama de uniones de la cadena cinemática del robot delta. La característica clave principal de la cadena cinemática, está referida al brazo del motor (MA) y al efector final (EF). Se requiere cumplir con condiciones dimensionales y geométricas para que el mecanismo cumpla su función (distancia preestablecida y paralelismo). Para cumplir estos requerimientos es necesario que los componentes comprendidos entre estos dos elementos cumplan a su vez ciertas condiciones. La Tabla 1 ilustra las características clave tomadas del diagrama de uniones de la Figura 4. Con base en las características clave, se descompone la cadena cinemática en sus diferentes subensambles y estos a su vez en las partes que lo generan, de acuerdo al principio de diseño vertical, con el objeto de definir las tolerancias de las dimensiones principales (las que afectan funcionalmente el conjunto) de cada una de las partes, su material y el respectivo proceso de
6 manufactura, que permita generar el componente de acuerdo a los requerimientos. La Figura 5 ilustra la descomposición de la cadena cinemática. Tabla 1. Características clave en el ensamble de la cadena cinemática. Las tolerancias son definidas de acuerdo a la aplicación del mecanismo. MA EF MA S1 S1 RO RO S1 - EF Características clave Dimensión, paralelismo Perpendicularidad Perpendicularidad Perpendicularidad Dimensión Paralelismo Perpendicularidad Cadena cinemática MA S1 S1 EF S1 - S1 MA S1 RO S1 EF Figura 5. Diseño vertical de la cadena cinemática. Para la construcción de los ejes se utilizó el proceso de torneado de control numérico y rectificado en aceros, con el fin de garantizar las tolerancias de ajuste para el ensamble de los rodamientos. Para las partes más complejas (en cuanto a forma) y que requerían cumplir con dimensiones precisas y condiciones de paralelismo o perpendicularidad, se empleo el proceso de prototipado rápido de impresión 3D en materiales poliméricos, debido a que el prototipo no será sometido a cargas exigentes de trabajo, además de reducir los costos de manufactura, ya que para bajas producciones los costos de realizar múltiples montajes, necesarios para obtenerlas, es elevado. La base del prototipo, así como los soportes de los motores se fabricaron en centro de mecanizado de control numérico en aceros de bajo carbono. Una vez las partes del prototipo han sido manufacturadas, se procede a la realización del análisis del procedimiento de ensamble, cuyo objetivo es determinar la secuencia más adecuada para la unión de los componentes. A manera de ejemplo se ilustra en la Figura 6 uno de los subensambles del manipulador. Se observa que la unión de estas doce partes es posible realizarla
7 de diferentes formas. Para una máquina se pueden encontrar cientos de estas, se recomienda por lo tanto realizar el proceso por subensambles y posteriormente tomar estos para realizar un nuevo análisis, hasta obtener el producto final. El criterio principal para la selección de la secuencia de ensamble, fue la que generara el menor esfuerzo en los componentes al momento de unirlos, debido a que se realizó de una forma manual. En el caso de un proceso industrial, en una línea de ensamble, entran en consideración criterios relativos al proceso y grado de automatización disponible. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1. End Efector 2. Shaft 1 3. (1) 4. (2) 5. E Ring 9 (1) 6. E Ring 9 (2) 7. Clamp 8. Shaft 2 9. (1) 10. (2) 11. E Ring 3 (1) 12. E Ring 3 (2) Figura 6. Secuencia de ensamble de subconjunto de la cadena cinemática del robot delta. En negrita la secuencia empleada.
8 La Figura 7 ilustra el producto final obtenido después de aplicar la metodología planteada a cada uno de los subensambles del prototipo experimental de arquitectura paralela tipo delta. El prototipo digital fue desarrollado en el software Autodesk-Inventor. Figura 7. A la izquierda prototipo digital, a la derecha prototipo real. 4 DISCUSIÓN Con el objeto de abordar la metodología de diseño concurrente, se realiza este primer prototipo que tiene como función validar la cinemática del mecanismo y desarrollar el sistema de control de movimiento, por lo cual no se le adapto un efector final. El grupo de investigación continuará entonces el desarrollo del control de movimiento y el diseño de detalle mecánico del manipulador en forma paralela. El suministro del diseño hacia ensamble es el dibujo CAD, para lo cual, la etapa de diseño de detalle debe estar completamente terminada y cada una de las partes definida en cuanto a su material, forma, dimensiones, tolerancias y procesos de producción. En el presente trabajo esto no se realizó de forma rigurosa puesto que el objeto del prototipo era validar la parte de control, y se conocía que el mecanismo no soportaría grandes solicitaciones mecánicas. Se recomienda entonces, para el siguiente modelo de robot delta contar antes con el diseño de detalle mecánico. La metodología permite determinar con precisión las cotas importantes de cada una de las partes y su tolerancia dimensional y geométrica. Se comprobó que a partir de la metodología adoptada, fue posible obtener un prototipo funcional que cumple con los requerimientos exigidos y no se encontraron problemas en el momento del ensamble final. Es necesario abordar estudios de propagación del error, con el objeto de entender como la variación de una característica clave, de alguno de los componentes de la cadena cinemática, afecta la precisión y funcionalidad de todo el conjunto [12]. Las herramientas y funcionalidades que ofrecen los software CAD, permiten soportar el proceso de diseño de detalle mecánico [13]. Para el desarrollo del robot delta se requiere hacer
9 estudios cinemáticos y dinámicos, y por medio de la combinación con dibujos paramétricos, redimensionar con facilidad el prototipo digital. Al unir lo anterior con un análisis por elementos finitos se agilizará la validación de la resistencia de los componentes a las cargas a las cuales serán solicitados. Además, se requiere del estudio y apropiación de herramientas que faciliten la manufactura de los diseños desarrollados. AGRADECIMIENTOS El proyecto se realizó en los laboratorios de Ingeniería Mecánica de la Universidad Santo Tomás y se financió a través de la Segunda convocatoria interna para proyectos de semilleros de investigación 2010-2011, según código de proyecto 2010115. El proyecto fue concebido por el grupo de investigación GEAMEC y desarrollado por los estudiantes del semillero de investigación MAIR. Especial agradecimiento al grupo de investigación DIMA-UN de la Universidad Nacional de Colombia por la orientación en la implementación de la metodología. REFERENCIAS [1] S. Mullins, Automatic identification of geometric constraints in mechanical assemblies, Computer-Aided Design, vol. 30, Aug. 1998, pp. 715-726. [2] R. Ahmadi, Structuring product development processes, European Journal of Operational Research, vol. 130, May. 2001, pp. 539-558. [3] R. Stone, D. McAdams, and V. Kayyalethekkel, A product architecture-based conceptual DFA technique, Design Studies, vol. 25, May. 2004, pp. 301-325. [4] D. Whitney, Mechanical Assemblies: Their Design, Manufacture, and Role in Product Development, Oxford University Press, 2004. [5] K.T. Ulrich and S.D. Eppinger, Product Design and Development, McGraw-Hill, TaTa, 2005. [6] A. Swaminathan and K.S. Barber, An experience-based assembly sequence planner for mechanical assemblies, IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 12, Apr. 1996, pp. 252-267. [7] X. Wang, L. Zhao, C. Zeng, J. Qian, and T. Gu, An ASP Based Solution to Mechanical Assembly Sequence Planning, 2009, pp. 205-208. [8] F. Demoly, X.-tian Yan, B. Eynard, L. Rivest, and S. Gomes, An assembly oriented design framework for product structure engineering and assembly sequence planning, Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, vol. 27, 2011, pp. 33-46. [9] T.L. de Fazio, S.J. Rhee, and D.E. Whitney, Design-specific approach to design for assembly (DFA) for complex mechanical assemblies, IEEE Transactions on Robotics and Automation, vol. 15, 1999, pp. 869-881. [10] P. Chiabert, Benefits of geometric dimensioning and tolerancing, Journal of Materials Processing Technology, vol. 78, Jun. 1998, pp. 29-35.
10 [11] J.A. García and E. Córdoba, Tecnología CNC Aplicada en Ruteadora Experimental, 2005. [12] L. Mathieu and B. Marguet, Integrated Design Method to Improve Producibility based on Product Key Characteristics and Assembly Sequences, CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 50, 2001, pp. 85-88. [13] P.N. Marco and S. Esamuele, Computer animation and visualisation techniques of mechanical products for assembly analysis, Proceedings on Seventh International Conference on Information Visualization, 2003. IV 2003., 2003, pp. 406-411.