22 SOLDADURA Foto: www.kemptner.com Manipuladores Robóticos, una Mano para la Industria Julio C. Correa, Ph.D.* Rafael E. Vásquez, Ph.D.* Juan A. Ramírez-Macías, M.Sc.* Elkin A, Taborda, M.Sc.* En el conocimiento está la productividad. Los brazos robóticos pueden usarse en cualquier industria, ya que su funcionamiento los hace flexibles y adaptables a diferentes labores productivas; todo depende de su configuración estructural y la correcta programación de las órdenes requeridas. Los manipuladores robóticos son dispositivos que han ganado aceptación en el medio industrial gracias a su capacidad de llevar a cabo un número variado de tareas con rapidez y precisión, además de que pueden adaptarse a diversas situaciones con sólo modificar el programa que comanda los movimientos de la máquina. El incremento de su uso también obedece a que permiten reducir costos, mejorar la calidad del producto, aumentar la producción, reducir desperdicios, mejorar la seguridad del puesto de trabajo y ahorrar espacio¹. El uso de estos equipos ha pasado de ser un lujo a ser una herramienta más con la que cuenta el aparato productivo, y el conocimiento de cómo funcionan y sus características, es la clave fundamental para obtener el mayor beneficio al momento de adquirirlas.
SOLDADURA 23 La versatilidad de los brazos robóticos está relacionada con el número de ejes que poseen y con su distribución. Pero a diferencia de otras máquinas, no es intuitivo predecir el desplazamiento final del brazo a partir del movimiento de sus ejes. Situaciones como esta pueden reforzar la percepción de que es una tecnología compleja fuera del alcance de una industria en Colombia, cuando en realidad es muy cercana. En la medida en que haya un conocimiento básico de los componentes de un manipulador, la forma como se relacionan y las posibilidades que existen para programarlos, se encontrará que hay gran cantidad de acciones factibles de desarrollar por estos aparatos. En todo manipulador se pueden distinguir cuatro componentes: mecánico, hardware, control y software. Es la suma de ellos lo que hace que los manipuladores sean versátiles, inteligentes, robustos y de excelente repetibilidad. Lo Complejo: Suma de Cosas Simples A pesar de parecer complicados, mecánicamente los manipuladores se arman y obtienen toda su flexibilidad a partir de un principio simple: conectar varias barras a través de articulaciones, que normalmente son rotacionales (R) o traslacionales (P)². El conectar varias barras entre sí recibe el nombre de cadena cinemática. Un robot industrial que se construye conectando barras una tras otra (en serie) se llama manipulador serial y está conformado por una cadena cinemática abierta. Esta última es la configuración más conocida porque hay una oferta comercial mayor, y tiene dos variedades: los brazos robóticos (Figura 1) y las mesas cartesianas (Figura 2). Por otra parte, un robot que se construya formando circuitos cerrados se llama manipulador paralelo y está conformado por una cadena cinemática cerrada (Figura 3). Estas características son claves porque la configuración está vinculada a la aplicación, espacio de trabajo, magnitud de cargas que puede soportar y al tipo de dificultades a la hora de analizar su movimiento. Los brazos robóticos son los más comunes debido a la diversidad de aplicaciones que tienen en la industria Tienen espacios de trabajo relativamente grandes y soportan cargas³ pequeñas desde 3kg hasta 1300kg comparadas con su tamaño y peso, que puede ser de entre 20 y 4700kg. Respecto a las mesas cartesianas, estas son una solución útil en máquinas de control numérico computarizado (CNC) como: fresas, ruteadoras, corte láser, corte plasma, entre otras. Esta configuración es muy acertada cuando el movimiento es predominantemente bidimensional (horizontal o vertical). Los manipuladores paralelos son menos conocidos pero no menos útiles. El tipo más común son los robots delta, Figura 1. Robot serial de seis grados de libertad KUKA KR-6 MOTOR 3 MOTORES 4, 5 Y 6 MOTOR 2 EJE ARTICULACIÓN 1 MOTOR 1 BARRA 1 Figura 2. Esquema de mesa cartesiana MOTOR EJE Z DIRECCIÓN DE MOVIMIENTO Y MOTOR EJE Y PLATAFORMA FIJA PLATAFORMA MÓVIL BARRA 5 BARRA 3 EJE ARTICULACIÓN 3 BARRA 2 EJE ARTICULACIÓN 2 BASE FIJA DIRECCIÓN DE MOVIMIENTO Z PUNTO DE UBICACIÓN DEL DETECTOR FINAL MOTORES BARRA 6 BARRA 4 DIRECCIÓN DE MOVIMIENTO X MOTOR EJE X Figura 3. Esquema de robot paralelo para operaciones de pick and place BARRAS EFECTOR FINAL
24 SOLDADURA ampliamente utilizados en aplicaciones de posicionamiento rápido de objetos (pick and place), muy útiles en la industria alimenticia. Se caracterizan principalmente por sus altas velocidades y áreas de trabajo más reducidas que las de los robots seriales. La capacidad de carga típica de estos manipuladores es de 3kg, pero pueden encontrarse modelos que cargan los 8kg. El peso típico de todo el aparato está alrededor de los 130kg. Los robots industriales pueden realizar manipulación de materiales, aplicación de pegantes, procesos de soldadura, corte, pintura, ensamble, fundición, inspección, control de calidad, pulido de partes, alimentación de piezas a una máquina, empaque de productos, entre otras. Como ejemplo puede observarse la (tabla 1), en la cual son comparados dos modelos particulares de un mismo fabricante. Ambos robots tienen la misma capacidad de carga, pero tienen pesos, zonas de trabajo y grados de libertad diferentes. Lograr lo Requerido El objetivo de todo manipulador consiste en generar trayectorias y posicionar de forma adecuada una herramienta, que técnicamente recibe el nombre de efector final. Esta herramienta puede ser un gripper (garra), un electrodo de soldadura, una boquilla de corte, una pistola de pintura, entre otros. La variedad de elementos a manipular justifica el amplio rango de capacidades de carga; un robot puede llevar una pistola de pintura y otro tendrá que levantar el chasis completo de un automóvil. El éxito de un manipulador está en que el efector final realice los movimientos que se le ordenan. Cuando estos movimientos son relativamente simples no hay problema, pero la mayoría de las aplicaciones que justifican la adquisición de un robot requieren de trayectorias complejas, y una vez se falla en lograr las trayectorias deseadas, se pierde la inversión. La frontera entre perder y ganar está en el conocimiento. Un robot tiene varios actuadores, que pueden ser motores (eléctricos, por lo general) o actuadores lineales (conjuntos camisa-émbolo). Cada uno de los actuadores aporta un grado de libertad, es decir, un robot de seis grados de libertad es un robot con seis actuadores o con seis ejes. La importancia de esto radica en que entre más actuadores se tengan más flexible y compleja es la máquina. Por ejemplo, un robot de tres grados de libertad (o tres ejes) podría generar trayectorias en un espacio de trabajo 3D; pero uno de seis, además de esto, podría poner la herramienta en el ángulo que se desee y, si se añade un séptimo eje, sería posible hacer que la pieza de trabajo rote independientemente. Por ello, a la hora de escoger un robot, la cantidad de ejes depende de qué tan complejo es el movimiento requerido por la producción de la empresa, y es fundamental que cada Tabla1. Comparativo entre modelos del mismo fabricante 4 Robot Serial Robot Paralelo Delta Capacidad de carga (kg) 8 8 Número de ejes 6 4 Peso del robot (kg) 273 120 Voltaje 200-600 200-600 Espacio de trabajo Un volumen casi esférico de 3.6m (metros) de diámetro Un cilindro de 1.13m de diámetro por 0.35m Tabla 2. Aplicaciones de los brazos robóticos Grados de Aplicaciones típicas libertad Centros CNC, manipulación de 3 elementos Paletizado, manipulación, 4 empacado Paletizado, manipulación, 5 ensamble, soldadura Manipulación, ensamble, 6 pintura, cortes complejos, soldaduras complejas uno de los actuadores se mueva con exactitud para que el efector final se desplace correctamente. También debe verificarse que el sistema tenga la capacidad de aprender el tipo de tareas que el usuario espera ejecutar; la cantidad de puertos de entrada y salida de señales extra disponibles, en el caso de implementaciones futuras, como por ejemplo un séptimo eje; y el tipo de alimentación (voltaje y corriente) necesaria en el sitio de instalación, ya que el robot normalmente no incluye el regulador de voltaje. Si el movimiento solo busca posicionar la herramienta sin importar los ángulos, tres grados de libertad son suficientes. En caso que sea requerido que la herramienta tenga ángulos específicos, seis grados de libertad en total es el estándar. Pero si el desplazamiento es más complicado, es necesario agregar más. La tabla 2 presenta algunas aplicaciones de robots según sus grados de libertad. Para conocer cómo se relaciona el movimiento de los actuadores con el movimiento del efector final, existen dos conceptos fundamentales³: el primero es el análisis directo, que permite conocer el movimiento de la herramienta a partir del movimiento dado en cada uno de los ejes; y el segundo es el análisis inverso, el cual determina cuál es el movimiento requerido en cada eje para que el efector final realice el movimiento deseado. La solución correcta de este último es la clave para que cada actuador aporte en la medida justa al movimiento exitoso de la herramienta.
El Papel de la Electrónica Los robots son máquinas mecatrónicas, es decir, son una combinación de piezas mecánicas y componentes eléctricos y electrónicos. Estos últimos brindan la infraestructura para que el robot sea inteligente, pueda aprender y realizar nuevas tareas de forma rápida, segura y haga el monitoreo de su funcionamiento. Foto: www.kuka-systems.com Un gabinete de control de un brazo robótico consta de mandos manuales, filtros, fuentes de potencia, drivers y un controlador maestro. Los principales componentes electrónicos típicos en un robot industrial son: Unidad central de procesamiento (CPU): puede ser un microprocesador o micro controlador, que trata de ser el cerebro del sistema y está a cargo de los cálculos relacionados con el movimiento (cinemática) y el control que aseguran que las posiciones, velocidades y aceleraciones de cada motor sean correctas. Memoria: se encarga de almacenar los programas que ejecuta el procesador y los datos que se pueden obtener durante el proceso. Controladores de los motores (drivers): son los traductores entre el procesador y los motores. Cada motor tiene un driver que recibe las instrucciones enviadas por el procesador; luego el driver manipula la corriente y voltaje para
26 SOLDADURA que el motor ejecute el movimiento adecuado. Sensores: son los sentidos que le indican al sistema de control si todo está en orden, si cada motor se encuentra en la posición esperada, e incluso a qué velocidad opera. En los robots se utilizan principalmente sensores de desplazamiento (encoders, sensores de efecto Hall, etc), de límite de carrera para evitar exceder ciertas posiciones, además de otros de acuerdo a las tareas y riesgos del sistema en situaciones determinadas. Consola de comandos: es la interfaz hombre-máquina y puede reconocerse como un panel de control o un control remoto. Permite que el usuario le indique al robot cómo operar y le enseñe tareas por medio de programas nuevos. Componentes electrónicos de seguridad: son elementos que buscan proteger a los operarios y a los robots mismos. Esto incluye los sistemas de parada de emergencia, de respaldo de energía (UPS) en caso de cortes del suministro eléctrico, y sensores que indican la presencia de personas o elementos extraños en el área de trabajo, entre otros. Vale aclarar que lo descrito anteriormente se refiere a elementos básicos para que el robot funcione por sí mismo. Dependiendo de la aplicación pueden adicionarse elementos y sensores en el área de trabajo, el robot o la herramienta. Un ejemplo son los sensores de choque que utilizados en aplicaciones de soldadura, los cuales son ubicados entre la herramienta de soldadura y el brazo robótico. En caso de que se presente una presión o deformación que exceda los parámetros del sensor, este hará detener el robot. El mantenimiento de los manipuladores robóticos es sencillo, dado que los sistemas que controlan el funcionamiento de las máquinas alertan al operario cuando la máquina ya está próxima a requerir mantenimiento o cambio de piezas por desgaste u horas trabajadas. Cuadro 1. 2011: El año más exitoso para los robots industriales desde 1961 En 2011, las ventas de robots volvieron a aumentar en un 38% a 166.028 unidades; cifra jamás registrada durante un año. La tendencia hacia la automatización - interrumpida por la crisis de 2009 - reinició en 2010 y continuó en 2011. La industria del automóvil y la industria del metal fueron los principales impulsores de la fuerte recuperación. Los países más importantes del crecimiento fueron China, Estados Unidos y Alemania con tasas de crecimiento entre 39% y 51%. Sin embargo, todavía podría no llegar a los niveles de los dos mercados más grandes, que sólo aumentaron abajo del promedio. Japón está de vuelta en la parte superior seguido por la República de Corea. Varias regiones experimentaron diferentes situaciones en las ventas de robots en 2011. El continente americano tuvo una tasa de crecimiento del 53% a cerca de 26.200 unidades, el nivel más alto jamás registrado. En los Estados Unidos se incrementaron los envíos de robots en un 43% a un nuevo nivel máximo de 20.555 unidades en 2011, en comparación con 2010. La necesaria modernización de la producción facilitó en los Estados Unidos dicho impulso. En Canadá, los envíos aumentaron en un 72% a 1.848 unidades, pero no alcanzó el nivel máximo de 2007 (3.026 unidades). Los envíos de robot a México aumentaron más del doble a un record de 1.938 unidades. En cuanto a Brasil las ventas llegaron a 1.440 unidades en 2011, un 125% más que en 2010. Además, en Argentina aumentó considerablemente el comercio a 407 unidades, frente a 96 en 2010. Cerca de 43.800 robots industriales se venden en Europa, un 43% más que en 2010, nueva cifra record. Esto volvió a ser el resultado de importantes inversiones de la industria automotriz, con un aumento del 66% respecto a 2010. Todas las demás industrias sólo crecieron un 16%. En 2011, 19.533 nuevos robots industriales fueron suministrados a Alemania el mayor robot mercado en Europa 39% más que en 2010. Tras la fuerte recuperación en 2010, este es el número más alto jamás registrado en un año, y equivale al 45% del total suministrado a Europa. La industria del automóvil fue una vez más - como en 2010 el principal motor del fuerte crecimiento. También los proveedores de partes automotrices, ordenaron muchos más robots que en 2010. En 2011, las ventas totales de los robots industriales se incrementaron un 13% hasta 5091 unidades en Italia después de una recuperación sustancial en 2010. La industria de la automoción, la alimentación, las bebidas y la del metal y la maquinaria, aumentaron órdenes respecto al anterior. En 2011, 3.058 robots industriales se vendieron en Francia, 49% más que en 2010. Para los países de Europa Central y del Este, las ventas aumentaron de nuevo en un 89%; en el Reino Unido crecieron un 72% en comparación con 2010 a 1514 unidades. Para leer el informe completo remitirse a la página www.worldrobotics.org seleccionar Descargas y descargar el PDF Resumen Ejecutivo (documento del cual fue tomada la información). Manejar el Robot con Precisión El sistema de control para un robot industrial coordina todos los componentes mecánicos y electrónicos, garantizando que el robot realice sus labores (posiciones, velocidades y aceleraciones de la herramienta) de manera eficiente. Dicho sistema tiene varios niveles, y en cada se ejecutan tareas específicas con diferentes grados de responsabilidad. Una estructura de control general tiene tres niveles de jerarquía: alto nivel, medio nivel y bajo nivel (Figura 4). Alto nivel Medio nivel Bajo nivel Tareas Planeación de tareas Generación de trayectorias Control Sensores Robot Posición Velocidad Figura 4. Esquema de control para un robot industrial
En el alto nivel se planean las tareas que debe realizar el robot, según su aplicación. Por ejemplo en un proceso de soldadura automatizada, se planea el tipo de cordón que se va a realizar y se ajustan los parámetros de dicho proceso como velocidad de avance, punto de inicio y parada, distancia entre el electrodo y las piezas. Es necesario el conocimiento de las capacidades del robot como grados de libertad, capacidad de carga, velocidades máximas, precisión, repetibilidad, entre otras. En el medio nivel se realiza la traducción de las tareas del alto nivel, a una serie de trayectorias deseadas en cada eje² (X, Y, Z) que deben ser seguidas por el robot, y éstas su vez son traducidas a los movimientos requeridos de cada uno de los ejes, con el uso de la cinemática inversa. En el bajo nivel se realizan las labores de control para hacer que la velocidad y posición de los ejes de cada articulación correspondan a los valores deseados que fueron obtenidos en el medio nivel. Es posible encontrar en la literatura cómo se han desarrollado diversidad de algoritmos que permiten realizar el control retroalimentado de cada articulación (y de todo el robot), de tal forma que se garantice el cumplimiento de las tareas planeadas para la herramienta del robot. Actualmente, en Colombia ciertas universidades tienen el conocimiento teórico y práctico para guiar al industrial en el proceso de implementación y utilización de los robots, con el objetivo de fomentar su uso y romper con la idea de que son máquinas con tecnologías inalcanzables. El conocimiento es la herramienta primordial para manipular y tener la rentabilidad deseada con los manipuladores robóticos. Autores Elkin Taborda (elkin.taborda@upb.edu.co), Rafael Vásquez (rafael. vasquez@upb.edu.co), Juan Alberto Ramirez. (juan.ramirez@upb.edu. co) y Julio Correa (julio.correa@upb.edu.co). *Grupo de Automática y Diseño A+D, Escuela de Ingenierías de la Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia. Corrector de estilo Carlos Elías Sepúlveda Lozano. periodista@revista-mm.com. Bibliografía 1. www.abb.com.co. 2. L.W. Tsai. 1999. Robot Analysis: The Mechanics of Serial and Parallel Manipulators, Wiley-Interscience, New York. 3. www.kuka-robotics.com/en/products/industrial_robots/ 4. www.abb.es/product/es/9aac100735.aspx?country=es 5. C.D. Crane and J. Duffy. 1998. Kinematic Analysis of Robot Manipulators, Cambridge University Press, New York. 6. F.L. Lewis, D.M. Dawson and C.T. Abdallah. 2004. Robot Manipulator Control: Theory and Practice, 2nd ed., Marcel Dekker, New York. 7. J.J. Craig. 2005. Introduction to Robotics: Mechanics and Control, 3rd ed., Prentice Hall.