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domingo, 19 de marzo de 2017

Como utilizar el protoboard

   Un protoboard o también llamado Tabla de pruebas, es una herramienta indispensable para un electrónico, tanto asi que cuando se inicie en la carrera en los 3 primeros semestres ya tendrás por lo menos 1 protoboard y cuando llegues a séptimo tendrás entre 4 y 7 de estas herramientas, como su nombre lo indica su función principal es hacer pruebas del funcionamiento de los diferentes circuitos electrónicos que creamos.

     Los protoboard son pequeñas tablas con perforaciones en toda su área, en las cuales se colocan diversos componentes electrónicos, se distinguen por tener filas y columnas con lo que se puede saber en que ubicación posicionar cada pieza, también cuentan con 2 rieles a los lados, los cuales se usaran como las lineas Positivas y Negativas de nuestro circuito.


              
                                           Fig . Protoboard

    La línea azul siempre Sera negativo, también llamada: tierra
Por otro lado, la línea roja siempre será positivo, también llamado corriente (por algunos)

    En la imagen de arriba observamos que de cada lado del protoboard tenemos 2 rieles cada uno con un color rojo y uno azul, esto es muy importante ya que en ocasiones cuando queremos conectar un componente a positivo o negativo, no queremos tener que hacer un puente de 15 centímetros que al final solo nos traería cable y más cable flotando en nuestro protoboard, por tal se pueden puentear directamente en cualquiera de los 2 rieles, sin embargo tendríamos que tener 2 fuentes de voltaje para que los 2 rieles fueran operativos y eso solo nos traería problemas por lo que simplemente tomaremos 2 cables de unos 10 centímetros o menos y conectaremos el azul del riel 1 con el azul del riel 2, posteriormente el rojo del riel 1 con el rojo del riel 2 y con esto nuestros 2 rieles podrán ser funcionales con una sola fuente, a continuación un ejemplo de como debe de quedar

     La linea intermedia en el protoboard, esta se utiliza para conectar Pic/s o microcontroladores como un ejemplo un pic de 8 patitas tiene 4 de cada lado y ninguna puede ir en el mismo riel que la otra a menos que sea un puente. sin embargo no incursionare mucho en esto ya que lo dejare para otro momento y así poder explicarlo mejor

    Si ya entendimos esto entonces podemos comenzar a jugar con nuestro protoboard, ya que no hay una mejor manera de aprender que con la práctica.

                      



                      

Fig. Forma fisica de las divisiones internas de continuidad del protoboard.


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Morfologia del robot

Definición y elementos básicos

   Para la definición de concepto de robot utilizaremos la propuesta por la Federación internacional de robótica (iFr) que por robot industrial de manipulación entiende a «una máquina de manipulación automática, reprogramable y multifuncional con tres o más ejes que pueden posicionar y orientar materias, piezas, herramientas o dispositivos especiales para la ejecución de trabajos diversos en las diferentes etapas de la producción industrial, ya sea en una posición fija o en movimiento».

De manera general, una instalación robotizada está compuesta por los siguientes elementos principales:

• Manipulador.

• Accionamientos.

• elementos terminales.

• periferia del robot.

• sistemas de seguridad.

    El manipulador o brazo es un sistema mecánico usado para mover un elemento terminal o carga útil desde un lugar a otro. el manipulador es manejado por un conjunto de accionamientos basados en un sistema de potencia controlado por un sistema de control. la muñeca, montada en el extremo del brazo, permite cambios de orientación de la herramienta o elemento terminal final. la instalación se completa con los elementos periféricos asociados a la aplicación específica y los sistemas necesarios para garantizar la seguridad de las personas.

Manipulador

    Exteriormente un robot industrial consta de una serie de partes rígidas o manipulador, que están unidas entre sí por medio de articulaciones formando una cadena cinemática. el manipulador es un ensamblaje de eslabones y articulaciones que permiten rotación o traslación entre dos de los eslabones. estos eslabones son sólidos y son sostenidos por una base (horizontal, vertical o suspendida), con una articulación entre la base y el primer eslabón.




     El número de articulaciones definen los “grados de libertad” del robot. una configuración típica de brazo robot es la de tres grados de libertad (ejes principales), a la que se añaden las posibilidades de movimiento en la muñeca, llegando a un total de cuatro a seis grados de libertad. Algunos robots tienen entre siete y nueve grados de libertad. en robótica se denomina séptimo eje a aquél sobre el cual se coloca el robot y que lo desplaza a lo largo de una dirección longitudinal.



    La base es rígida y está sujeta a una plataforma que la sostiene al suelo. cuando se puede mover, comúnmente lo hace a lo largo de un eje y permite ampliar su zona de trabajo. son ejes externos al robot, ya que no forman parte de su estructura base pero deben ser controlados por el control del robot. pueden realizar movimientos rectilíneos y/o circulares. normalmente se utilizan, entre otras muchas aplicaciones, para posicionar la pieza a trabajar y evitar posiciones.




    Las distintas posiciones y movimientos se logran con las diferentes relaciones entre las articulaciones y los eslabones. la superficie definida por el máximo alcance del extremo del manipulador da lugar a unos espacios de trabajo que deben tenerse claros:

• Espacio de trabajo. Zona a la que tiene acceso el robot con el movimiento de todos sus ejes y consecuentemente donde puede colocar su pinza o herramienta. este espacio es una de las características principales del robot a la hora de su selección.

• Espacio de movimientos. Zona generada por cualquier elemento que se mueva del robot. está formada por el espacio de trabajo más la zona no aprovechable que ocupa la mecánica del robot al realizar los movimientos. este espacio es siempre mayor que el espacio de trabajo porque lógicamente el primero engloba al segundo.

• Espacio de peligro. espacio en el que existe peligro de ser accidentado por el robot o por los objetos o herramientas que manipula. esta zona corresponde como mínimo en forma y tamaño con el espacio máximo de movimientos del robot (sin limitaciones de movimiento en todos sus ejes), más el espacio que ocupe la pieza o herramienta que transporta. el espacio mínimo para esta zona según normas es de 1o m2 y debe de estar vallado, limitándose el acceso mediante sistemas de seguridad.

• Espacio de seguridad. rodea el espacio de peligro. este espacio se está a salvo de los movimientos del robot y de sus piezas y/o herramientas.

Accionamientos

    Los sistemas de accionamiento o elementos motrices dan movimiento a los ejes transformando la fuente de energía del accionamiento en movimientos rotativos o rectilíneos.

    Al igual que la cinemática, los sistemas de accionamiento tienen una gran influencia sobre los valores de velocidad y aceleración alcanzables. para respetar la definición de eje y que cada movimiento sea independiente del otro, cada eje individual del robot debe tener su propio sistema de accionamiento.

    Los sistemas de accionamiento principales para robots son:

• Motores y cilindros.

• Frenos.

• elementos de transmisión.

• sistemas de medida de posición.

    Los motores y cilindros pueden ser neumáticos, hidráulicos o eléctricos, utilizándose aproximadamente en los porcentajes 85% eléctricos, 10% hidráulicos y un 5% neumáticos.




    La elección de cada tipo de accionamiento depende de la inversión a realizar, condiciones de funcionamiento, características de la carga a manipular y la tarea a realizar.

    Desde el punto de vista de mantenimiento y economía, los preferibles son los accionamientos neumáticos, siendo por el contrario los más caros los accionamientos eléctricos. con respecto a la complejidad de la regulación de sus movimientos, los tres se encuentran al mismo nivel de complejidad, ya que los neumáticos e hidráulicos necesitan servoválvulas proporcionales y los eléctricos un servoamplificador para controlarlos.

    En función de la tarea a realizar deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos:

• Precisión. la mejor es la que proporcionan los motores eléctricos, siendo la peor la de los accionamientos neumáticos. suele tomarse como referencia que, si se necesitan precisiones inferiores a 1 mm, se elijan accionamientos eléctricos y se descarten los neumáticos e hidráulicos.

• Velocidad. los más rápidos son los accionamientos neumáticos ya que no hay retardos desde que llega la presión hasta que se mueve el eje. los más lentos son los eléctricos, aunque estos últimos son los que paradójicamente mejor responden a cambios de sentido y los que mantienen la velocidad más constante frente a variaciones de la carga.

• Capacidad de carga.
los más adecuados para grandes cargas son los accionamientos hidráulicos y los que soportan menos carga son los neumáticos. en cualquier caso, no se recomienda emplear accionamientos neumáticos para cargas superiores a 10 kg.

Motores eléctricos

    Son los que equipan la mayoría de los robots actuales debido a que son menos pesados, más pequeños, más precisos y de respuesta más rápida que los accionamientos neumáticos e hidráulicos. otra gran ventaja es que los sistemas de medida de posición/ velocidad y los frenos pueden llegar a integrarse en el propio motor. una característica común de todos los motores usados es que tienen baja inercia, es decir, el rotor debe pesar poco. esto quiere decir que acelerarlos, cambiarles la velocidad, o el sentido de giro, y pararlos, se debe hacer en el menor tiempo posible. este es el motivo por el que los clásicos motores trifásicos asíncronos de inducción son los únicos que, debido al peso de la jaula de ardilla, no se emplean en robótica.

     Ordenándolos por el par que pueden ejercer, los que menos par poseen son los “paso a paso” impidiendo su uso en robots industriales, quedando limitada su aplicación en pequeños robots educativos; mientras que los asíncronos, brushless y de corriente continua poseen pares elevados.

Frenos

     Los frenos son los elementos que tienen como misión bloquear la posición de los ejes del robot cuando no están alimentados o están inmoviles. Mientras los accionamientos tienen tensión, los frenos no realizan función alguna, simplemente liberan la articulación para que sea el regulador el que mueva y detenga electrónicamente el motor. los frenos electro-mecánicos van asociados a los accionamientos eléctricos y están compuestos por un ferodo, un electroimán y una serie de muelles. cuando el sistema está desconectado los muelles mantienen el ferodo en posición adelantada para mantener frenado el eje. Al recibir tensión, el electroimán atrae el ferodo, venciendo la fuerza de los muelles, liberando así el movimiento del eje.

Transmisiones


    Son las encargadas de transmitir a los ejes los movimientos y la fuerza generada en los accionamientos. otra de sus funciones es la de convertir el movimiento rotativo de un motor eléctrico en un movimiento lineal del eje o bien trasformar el movimiento lineal de un cilindro en el giro de un eje de un robot hidráulico. las transmisiones también son las encargadas de reducir la velocidad de los motores con el objetivo de obtener el mayor par-motor posible con el menor tamaño. en cualquier caso, un sistema de transmisión debe cumplir los siguientes requisitos:

• compactos, poco tamaño y poco peso.

• transmisión sin holguras, de forma que el posicionamiento de la herramienta siempre sea preciso. esta precisión se consigue evitando las holguras en cualquiera de sus elementos.

• elevada relación de transmisión.

• larga vida de funcionamiento continuo y mantenimiento mínimo.

    Dentro de las trasmisiones existen dos tipos de reductores ampliamente utilizados en el campo de la robótica industrial. el reductor armónico se caracteriza por su poco peso, alta precisión, elevado grado de reducción de revoluciones, de hasta 320:1, en un espacio muy pequeño y compacto y su larga duración. el otro reductor es cicloidal, dotado de una leva excéntrica y un disco dotado de lóbulos en vez de dientes que garantiza una operación uniforme y silenciosa.

Sistemas de medida de posición


    Estos sistemas son los encargados de indicar al control la posición real de cada uno de los ejes, siendo uno de los elementos más importantes del sistema de accionamientos. teniendo en cuenta que todos los elementos explicados hasta el momento se mueven solidariamente (motor, transmisiones, reductor y eje), el sistema de medida podrá colocarse en cualquiera de ellos y deberá moverse también solidariamente con todos los demás.

    Desde el punto de vista de su colocación, lo ideal es que vengan integrados en el motor o que estén incorporados en el propio eje, teniendo el inconveniente que hay que llevar los cables hasta el eje junto con los de la alimentación del motor. Al final, el lugar donde se coloque, depende del tipo de sistema de medida empleado y de la información suministrada.

    Una primera clasificación de los sistemas de medida se realiza en función del tipo de información que suministran:

• Analógicos
. suministran una tensión. son los más propensos a verse afectados por ruidos eléctricos y tarde o temprano, deben convertirse a digital para ser memorizados y procesados.

• Digitales. la información que suministran ya es directamente un número con lo que se puede memorizar y procesar inmediatamente. lógicamente, cuanta más cantidad de información procesen durante el recorrido del eje, mejor será la precisión del sistema.

    Más importante que la tecnología empleada en los sistemas de medida es la filosofía de los mismos. los dos grandes métodos de obtener la posición de un eje son la incremental y la absoluta. en el proceso de medida absoluta la posición instantánea de cada eje del robot, se indica siempre; incluso después de interrupciones en el funcionamiento o fallo de la alimentación de red. en el proceso de medida incremental se mide el recorrido contando impulsos individuales de igual longitud y así se determina la posición del eje. en caso de interrupción de la alimentación, el sistema pierde esta información, por lo que al conectarse de nuevo debe determinarse de nuevo el punto de referencia de los ejes antes de efectuar maniobras con el robot.

Elementos terminales


    El propósito de un robot es ejecutar tareas muy diversas que pueden requerir de una amplia variedad de elementos terminales o herramientas acopladas a la muñeca, en el extremo del manipulador. esta diversidad ha provocado que los fabricantes de robots no proporcionen este útil, que es suministrado aparte por los desarrolladores o integradores de la aplicación.

    El diseño de un elemento terminal debe hacerse considerando la tecnología disponible en la planta, el grado de flexibilidad deseado y su función dentro de la célula de trabajo. dependiendo de los requerimientos del trabajo se debe elegir entre distintas configuraciones, considerando herramientas de sujeción, como dedos mecánicos, electroimanes o ventosas de vacío o bien herramientas específicas para pintar, soldar, etc. la muñeca puede tener de uno a tres ejes de movimiento que permiten dar la orientación de la herramienta, mientras el manipulador le da su posición. dentro de las capacidades de carga del robot se deben considerar los esfuerzos en la muñeca y las limitaciones de las prestaciones que ella y sus actuadores pueden proporcionar. también, una de las capacidades más importantes de estos elementos es estar dotado de un sistema de cambio de herramientas. en la figura 11 se muestra un ejemplo de sistema de cambio de herramienta formado por dos partes primarias, el plato maestro y el plato herramienta. el plato maestro se fija a la brida del robot, mientras que las herramientas, tales como pinzas, pistolas de soldadura o motores son fijadas cada una en su plato de herramienta correspondiente.



    En dichas uniones se han de diseñar las interfaces de acoplamiento siguientes: rip (robot interface plate) para fijar el robot al plato maestro y tip (tool interface plate), para fijar el plato de herramienta a cada herramienta. este sistema de cambio de herramienta permite el paso de conectores con señales neumáticas del plato maestro al plato de herramienta. Además, mediante accesorios puede permitir el paso de señales hidráulicas y eléctricas. en operación, el robot debe ser programado para que seleccione la herramienta a utilizar acoplando el plato maestro con el plato de herramienta correspondiente.

    El cambiador de herramienta mejora la flexibilidad y la fiabilidad de una célula robotizada. se utiliza sobre todo en cambios de herramienta automáticos, pero también puede ser empleado en cambios de herramienta manual. las herramientas finales, que tienen por función el manejo de piezas y materiales, usan diferentes configuraciones de dedos articulados, medios magnéticos o de vacío. estos aparatos se diseñan y emplean de acuerdo a la forma en que operarán y el grado de precisión exigido. por ejemplo, se puede mover un material tomándolo directamente desde arriba, un costado, abajo, en el centro de gravedad de la pieza, etc., ejerciendo distintos esfuerzos en la pieza y en el robot. la pieza puede ser en extremo delicada, pequeña, o puede ser estable. también puede ser movido en forma indirecta, tomando una bandeja o pallet que contenga la pieza. por otra parte, las herramientas que no tienen por objeto la manipulación y agarre, son en su mayoría las destinadas a la soldadura por puntos y a la pintura con pistola. otras aplicaciones incluyen otros tipos para soldado, sellado, quitar rebabas y múltiples trabajos menos comunes. para ejecutar estas tareas los robots deben tener entre cinco y seis grados de libertad, para poder orientar correctamente la herramienta.

    Desde el punto de vista de los movimientos del robot, un concepto muy importante es el punto central de la herramienta o tcp (tool center point). este punto se asocia con el extremo de la herramienta que es lo que el robot en definitiva debe mover a posiciones determinadas durante el desarrollo de la tarea. esto es importante cuando la herramienta debe seguir una trayectoria con una orientación determinada, por ejemplo, en soldadura por aportación, sellado, corte por láser o desbarbado.

Sistemas de seguridad


   La seguridad de las personas en las instalaciones robotizadas es un aspecto crítico que debe tenerse muy en cuenta en el diseño de la instalación.

    La seguridad se logra definiendo procedimientos y métodos operativos que todo el personal debe conocer e instalando un conjunto de equipos específicos de seguridad. estos equipos deben preverse en la fase de diseño y suministro del sistema exigiendo a los fabricantes que los tengan en cuenta en el suministro. estos sistemas están fundamentados en dos principios:

• la ausencia de personas en el espacio controlado durante el funcionamiento automático.

• la eliminación de los peligros o al menos su reducción durante las intervenciones de reglaje, verificación de programa, puesta a punto o mantenimiento en el espacio controlado.

para poder conseguir estos objetivos existen los siguientes elementos de seguridad:

Barreras materiales


    Sistemas de impiden que el trabajador acceda a la zona de peligro del robot. en el caso de que el sistema sea violado, se desencadenaría la acción de otros dispositivos de seguridad, lo que provocaría la parada de la instalación. esto se consigue con un cerramiento mediante vallas o guardas, de dimensiones concordantes al tipo de riesgo existente y al robot instalado. el sistema de protección se basa en la combinación de altura y distancia con el propósito de no acceder al punto peligroso.

Accesos a zona perimetral

     En las puertas de acceso se implementan interruptores de seguridad, preferiblemente con enclavamiento electromagnético. estos dispositivos van conexionados al circuito de seguridad de cerramientos general de tal forma que si se abre una de estas puertas se debe producir la parada de todos los equipos que forman la célula robotizada. existen los siguientes tipos de interruptores de seguridad:

• interruptor de seguridad con dispositivo de bloqueo. 

• interruptor de seguridad sin dispositivo de bloqueo. 
• interruptor de seguridad sin contacto.

Sistemas optoelectrónicos de seguridad - barreras inmateriales

     Se pueden instalar en localizaciones específicas de acceso. no es recomendable implementar sistemas optoelectrónicos como protección perimetral, ya que el robot en muchos casos se está utilizando para manipulación y podría fallar la garra de sujeción de pieza por un frenado brusco debido a una emergencia o por un fallo de sistema. entre estos sistemas podemos destacar:

• Cortinas fotoeléctricas. dispositivos que forman una cortina de radiaciones ópticas que detectan la interrupción de estas por un objeto opaco presente en la zona de detección especificada. se usan en islas robotizadas de paletizado con objeto de discernir el paso de una pieza o un hombre y permitir con seguridad la entrada o salida de pieza.

• Escáner láser. es un sistema de seguridad que explora su entorno sin contacto por medio de un haz láser infrarrojo, sin necesidad de utilizar reflector o receptor separado. la zona de detección puede adaptarse perfectamente a la zona de protección estableciendo una zona de preaviso. es interesante para la detección de personas en áreas de alto riesgo o para incorporar en sistemas de transporte sin conductor.

• Alfombras sensibles. son interruptores eléctricos de área sensibles a la presión que pueden detectar la presencia de personal no autorizado en áreas de trabajo peligrosas.

Sistemas de supervisión de elementos distribuidos de seguridad

    Los circuitos de seguridad de las células robotizadas deben tener una categoría de seguridad alta nivel 4 según une en 954. esto se consigue supervisando el funcionamiento de los elementos distribuidos a través de sistemas homologados como:

• Módulos de seguridad. es el sistema más sencillo que existe en el mercado. con estos módulos podremos supervisar distintos elementos distribuidos de seguridad, desde un interruptor de seguridad, una parada de emergencia o un sistema de doble mando.

• Módulos programables de seguridad. se utilizan para supervisar instalaciones de tamaño medio que poseen varios elementos de seguridad distribuidos pero que no son lo suficientemente complejas como para que resulte económico implementar un autómata de seguridad.

• Autómatas de seguridad. se utiliza un plc específico para desempeñar funciones de seguridad, en situaciones de alto riesgo en las que se puede producir un accidente importante y que deben cumplir requisitos muy especiales (utilización de sistemas redundantes, utilización de diversidad, autocontrol, etc...).


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Posición del robot en células

   Un robot industrial raramente trabaja como un elemento aislado. normalmente forma parte de un proceso de fabricación en el que debe interactuar con otros muchos elementos como cintas transportadoras, máquinas de producción, dispositivos de fijación, herramientas, etec. en estas condiciones, la distribución de los mismos juega un papel esencial.

    La definición de la distribución de los equipos es un proceso iterativo del que debe resultar la especificación del tipo y número de robots a utilizar, así como de los elementos periféricos, indicando la disposición relativa de los mismos. Habrá que definir, e incluso diseñar, los elementos periféricos pasivos (mesas, alimentadores, etc.) o activos (manipuladores secuenciales, máquinas cn, etc.) que intervienen en la célula, y situarlos físicamente en el sistema. en este proceso iterativo es clave la experiencia del equipo técnico responsable del diseño.

     La utilización de herramientas informáticas, simuladores específicos para robots y simuladores de sistemas de fabricación flexible facilitan enormemente esta tarea. un simulador de sistemas robotizados permite, de manera rápida y eficiente, evaluar las diferentes alternativas en cuanto al robot a utilizar y la disposición física de todo el sistema. utilizando la interacción gráfica, se puede analizar qué robot de los existentes en la librería del programa se adapta mejor a la tarea programada, detectando posibles colisiones y verificando el alcance. un simulador de sistemas de fabricación flexible permite dimensionar adecuadamente la célula, informando sobre su productividad, rendimiento y comportamiento ante cambios de la demanda o situaciones imprevistas (averías, cambios en el producto, etc.). Así mismo permite ensayar diferentes estrategias de control de la célula encaminadas a optimizar su funcionamiento. A la hora de decidir la disposición del robot en la célula, cabe plantearse cuatro situaciones básicas:

Robot en el centro de la célula

    En esta disposición, el robot se sitúa de modo que quede rodeado por el resto de elementos que componen la célula. se trata de una disposición típica para robots de estructura articular, polar, cilíndrica o scArA, en la que se puede aprovechar al máximo su campo de acción, que presenta una forma de sección circular en planta. la disposición del robot en el centro se usa frecuentemente en aquellas aplicaciones en las que un robot sirve a una o varias máquinas como aplicaciones de carga-descarga de máquinas herramientas, soldadura por arco, paletización o ensamblado, en las que el robot debe alcanzar diversos puntos fijos dentro de su área de trabajo.

Robot en línea


    Cuando uno o varios robots deben trabajar sobre elementos que llegan en un sistema de transporte, la disposición de robots en línea es la más adecuada. el ejemplo más representativo son las líneas de soldadura de carrocerías de vehículos, en las que éstos pasan secuencialmente frente a sucesivos robots alineados, cada uno de los cuales realiza una serie de puntos de soldadura. en este tipo de disposición cabe diferenciar que el transporte sea de tipo intermitente o continuo. en el primer caso, en un momento determinado cada robot tiene delante una pieza sobre la que realiza las operaciones establecidas. una vez acabadas éstas, bien se espera a que todos los robots finalicen sus tareas, para que entonces el sistema de transporte avance un puesto, o bien, si el sistema lo permite, da salida a la pieza que proceda, quedando disponible para recibir una nueva. si el transporte es continuo, el robot deberá trabajar sobre la pieza en movimiento, y la línea de transporte deberá limitar su velocidad de modo que la pieza quede dentro del alcance del robot durante al menos el tiempo de ciclo.

Robot móvil

      En ocasiones es útil disponer al robot sobre una vía que permita su desplazamiento lineal de manera controlada. esta posibilidad permite, por ejemplo, seguir el movimiento de la pieza en el caso de que ésta se desplace sobre un sistema de transporte continuo, de modo que la posición relativa entre pieza y robot durante el tiempo que dura el proceso se mantenga fija. para ello es necesario una precisa sincronización de los dos movimientos: transporte de la pieza y transporte del robot, lo que se puede conseguir con un acoplamiento mecánico desembragable o mediante un adecuado control en cadena cerrada de ambos transportes. en cualquier caso, una vez acabado el procesamiento de la pieza, el robot debe regresar rápidamente a su posición inicial para recibir una nueva.

    Otra situación ventajosa de esta disposición es cuando éste debe cubrir un elevado campo de acción. por ejemplo, en la pintura de carrocerías de coches, se dota al robot de este grado de libertad adicional que permite que dos robots de dimensiones medias (2 metros de radio de alcance aproximadamente) lleguen con la orientación adecuada a todos los puntos de proyección correspondientes a un coche. también en procesos de soldadura para piezas de grandes dimensiones. Asimismo, esta disposición del robot puede utilizarse cuando éste tenga que dar servicio a varias máquinas, por ejemplo, para carga-descarga de máquinas herramientas, obteniendo el máximo rendimiento del robot. una célula de robot móvil es apropiada cuando el robot está siguiendo a algunas máquinas de herramientas con ciclos de procesamiento largos. uno de los problemas en el diseño de células de robots móviles es encontrar el número de máquinas a las que tiene que servir el robot sin originar tiempos muertos en ninguna de ellas.

Robot suspendido

      La disposición de robot suspendido se da cuando la base del robot se dispone de forma invertida colgada de una estructura. de esta manera, el robot se sitúa con su zona de trabajo hacia abajo de la estructura. en este caso, el robot tiene que estar preparado para que su funcionamiento sea correcto, como por ejemplo, en relación con la lubricación. esta disposición permite operara sobre un plano de trabajo desde su parte superior y por lo tanto, alcanzando una mayor accesibilidad. también la disposición puede hacerse lateralmente con la superficie de la base perpendicular al suelo sobre una estructura adecuada.

     Las ventajas de esta disposición están relacionadas con una menor necesidad de espacio de suelo, y se hace un mejor aprovechamiento del área de trabajo, pues de este modo el robot puede acceder a puntos situados sobre su propio eje vertical. la desventaja es el mayor coste de construcción del sistema aéreo.

     Las operaciones típicas donde se utiliza el robot suspendido son en aplicación de adhesivos o sellantes, proyección de material (pintura, acabado superficial, etc.), corte (chorro de agua, láser, etc.) y soldadura al arco.




             Fig. Posicion de robots dentro de celulas.

Integración con equipos y sistemas


     En la mayoría de los casos hay que considerar a los robots como elementos de una instalación de fabricación o de montaje automatizada de la cual debe recibir, y a la que debe proporcionar, informaciones y materiales. de aquí que normalmente forman parte de un sistema complicado y controlado de flujo de materiales y de información. esta situación implica la necesidad de integrar diferentes sistemas de control en mayor o menor grado de dificultad.

     En casos pequeños puede que solo se integre con sencillos plc que controlen los sistemas de manutención mientras que en otros más complejos puede ser necesaria una integración con máquinas de proceso o incluso con los sistemas de gestión informática de la empresa.

Algunos sistemas de Fabricación Flexible (FMs) integran máquinas cnc, centros de mecanizado automatizados, robots y periféricos. en estos casos, todo el sistema está interconectado mediante señales por una red de comunicación. en los FMs más complejos se dispone de un control central que controla el sistema, gestionando la comunicación entre todos los elementos del sistema y realizando la función de supervisión activa.




    En algunos sistemas más avanzados se incluye la integración de la información del almacén de materiales, las máquinas de medida, control automático de herramientas y el control de calidad.

    En estos sistemas FMs, los robots realizan funciones de manipulación de piezas de trabajo o de herramientas, por ejemplo en la fabricación de piezas torneadas, montaje de engranajes, en chapistería, en pintura, etc. Frecuentemente se equipan con sistemas de cambio de pinzas o de herramientas. el control del robot recibe, a través del sistema central de control, de programas de usuarios y de sensores descentralizados, las informaciones correspondientes, las cuales regulan el flujo de material e información y el ciclo de movimientos del robot.

las funciones realizadas por el sistema de control abarcan:

• control individual de cada una de las máquinas, transportes y demás dispositivos, incluidos robots, que compongan la célula.

• sincronización del funcionamiento de los diferentes dispositivos entre sí.

• detección, tratamiento y recuperación de las situaciones anómalas de funcionamiento que puedan presentarse.

• optimización del funcionamiento conjunto de los dispositivos de la célula, distribuyendo si es posible las funciones de manera dinámica, para así evitar paradas por espera o acciones innecesarias.

• interfase con el usuario, mostrando la información adecuada para que en todo momento se conozca con el detalle necesario el estado del sistema, así como permitiendo que el operador acceda, con las restricciones pertinentes, al funcionamiento del mismo.

• interfase con otras células, para permitir la sincronización entre ellas, optimizando el funcionamiento de un sistema de fabricación flexible compuesto por varias células.

• interfase con un sistema de control superior que realiza básicamente funciones de supervisión y actualización de programas cuando se diese un cambio en la producción.

     Estas funciones, que pueden ser necesarias en mayor o menor medida en el control de una célula robotizada, se implementan en un hardware que es preciso definir y dimensionar. en aquellas ocasiones en las que la simplicidad de la célula lo permite, el propio controlador del robot puede simultanear las funciones propias de control de sus ejes con el mando del resto de los dispositivos. para ello utiliza sus entradas/ salidas digitales/analógicas, o si es necesario la posibilidad de incorporar ejes externos servocontrolados. si por el contrario, la célula incluye un mayor número de dispositivos, algunos de los cuales incluso disponen de su propio controlador, será preciso disponer de una estructura jerarquizada en la que un elemento central (computadora, plc, etc.) mantenga una comunicación con el resto de los controladores.

     En toda integración de sistemas, especialmente en las redes con robots, existen generalmente grandes problemas y dificultades debido a lenguajes de programación distintos. en estos casos existe lo que se denominan puntos de intersección de comunicación y protocolos de transmisión para los diversos elementos de los sistemas, que por falta de normas y directrices se fabrican normalmente según las necesidades de la empresa y dificultan el intercambio de datos. para resolver estos problemas de comunicación se necesitan “programas interprete” capaces de permitir el intercambio de datos entre sistemas distintos

      En cualquier caso, el correcto dimensionamiento del control de la célula es tarea que no debe desestimarse, pues repercutirá en los costes de implantación y explotación.


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Programación y simulación de robots

    En función del modo empleado para indicar al robot la secuencia de operaciones que debe realizar hay dos métodos de programación: programación por aprendizaje y programación textual. la programación por aprendizaje también se conoce con el nombre de gestual.

Programación por aprendizaje: este método es el que más se empleó en los primeros tiempos de la robótica. en este tipo de programación el programador mueve el brazo del robot a lo largo de la trayectoria deseada y graba los puntos y configuraciones en el controlador del robot; posteriormente el robot podrá repetir cíclicamente el programa grabado. el método es fácil de aprender y necesita poca memoria para almacenar la información. por el contrario, el robot y su entorno no pueden usarse en producción durante su programación y hay dificultades para realizar programas complejos. el aprendizaje puede ser activo o pasivo:

• Aprendizaje activo. el programador mueve el brazo del robot con el propio sistema de accionamiento del robot, a través de la maleta de programación. también se pueden introducir en el programa otras variables y funciones como: velocidades de ejecución, estado de sensores, modificaciones de puntos de programa, etc.

• Aprendizaje pasivo. el programador mueve manualmente el brazo-robot y se memorizan las trayectorias que después repetirá el robot. normalmente empleado en aplicaciones de pintura y en algunas de soldadura.

Programación textual: en la programación textual, mediante un lenguaje de alto nivel, se editan fuera de línea una serie de instrucciones que indican las acciones que debe realizar el robot. esta forma de programación es similar a la realizada en las máquinas de control numérico (cnc). la información sobre dónde están los puntos a los que debe ir se le proporciona mediante las coordenadas cartesianas X, y, Z y la orientación de la herramienta con tres ángulos (A, B, c en KuKA o W, p, r en FAnuc) y mediante un computador externo o el sistema de control en línea. el control calcula las trayectorias que debe seguir la muñeca o la herramienta, en función de las coordenadas de los puntos programados. su ventaja es que la programación puede hacerse sin que el robot deje de trabajar y el inconveniente es que al no realizarse directamente sobre la instalación, es probable que se tenga que “depurar“ para corregir pequeñas desviaciones.

    Usualmente la elección entre programación por aprendizaje y programación textual está asociada a cada tipo de aplicación. Así, una aplicación de pintura debe realizarse con un robot cuya programación se efectúe fundamentalmente mediante aprendizaje, es decir un sistema en el que la unidad de control memoriza automáticamente el camino por el que se desplaza el extremo del robot durante la etapa de programación. por el contrario, en un robot destinado a tareas de paletizado puede ser interesante la programación textual. los fabricantes principales tienen sus propios lenguajes de programación que suelen tener muchas similaridades entre sí. no se ha conseguido una estandarización de lenguajes y por ahora se utilizan lenguajes propietarios como: el rApid de ABB, VAl ii y VAl iii de uniMAtion, KArel de FAnuc, V+ de Adept y stAuBli.

       En ambos casos los puntos son nominados en el programa y los valores de sus coordenadas pueden ser introducidos directamente o desplazando el robot hasta los puntos y guardando en memoria las coordenadas alcanzadas.

    Actualmente, la simulación virtual de instalaciones robotizadas es una realidad que se está imponiendo debido a las ventajas que supone el comprobar el funcionamiento de una instalación antes de su programación. en este sentido, las grandes industrias del automóvil exigen modelos de simulación incluidos en las ofertas de ingeniería de los integradores.

   Hay varios programas comerciales para realizar el diseño y la simulación de células como robcad, robotstudio, igrip, Workcell, delmia, etc. o específicos de una marca como el conjunto de los V_cAt, V_trAisig y V_isuAl de staubli, KArel de FAnuc, etc. en muchos casos incluyen directamente librerías de modelos de robots comerciales con sus características técnicas y dimensionales totalmente configuradas.

    Para realizar la simulación de una instalación de este tipo, primero se diseña la célula en 3d con programas específicos o generales de cAd o bien se insertan los modelos 3d de robots desde librerías. en esta fase de modelado del entorno se definen las características cinemáticas y dinámicas de los robots y de otros elementos móviles de la instalación. en la segunda fase se determinan las trayectorias, movimientos, velocidades y secuencias. en la tercera fase se realiza la simulación de todos los movimientos; en esta etapa se comprueban las posibilidades de la instalación y se corrigen errores. Algunas aplicaciones detectan las interferencias y se optimizan el diseño, los utillajes y los tiempos de ciclo.

     Estos paquetes de simulación pueden generar el programa de robot en un lenguaje neutro. una vez que se ha optimizado el sistema virtual y se ha comprobado su correcto funcionamiento, se genera un programa off-line y por medio de postprocesadores se convierte al lenguaje de los robots que se van a utilizar. como puede haber diferencias geométricas entre la realidad y el programa generado, será preciso realizar algunos ajustes y la calibración del robot, para introducir las compensaciones necesarias de tal modo que coincidan las posiciones teóricas y reales. en el caso de los paquetes propietarios no es necesario realizar el postprocesado ya que generan el programa en el lenguaje específico de la marca.

Control de trayectoria de los robots

Control de trayectorias
    La trayectoria real que describe el robot en automático para ir de un punto a otro, a partir de la información o programa memorizado, depende del tipo de cálculo que realiza su sistema de control. A este concepto se le denomina “interpolación” y existen dos tipos:

• PTP – Point To Point (Punto a Punto). en este tipo de desplazamientos el objetivo es realizar el movimiento entre dos puntos en el menor tiempo posible sin que la trayectoria recorrida entre los puntos tenga importancia. para ello el control desplaza, a velocidad máxima, la herramienta desde una posición programada a la siguiente. el recorrido depende exclusivamente de la cantidad de ejes que tengan que moverse. dentro de los movimientos ptp existen dos grandes tipos de controles denominados asíncronos y síncronos. en el desplazamiento tp asíncrono, el control desplaza todos los ejes que deban moverse a velocidad máxima, hasta conseguir su posición en el punto de destino; esto conlleva que el tiempo que se está moviendo cada eje dependa del recorrido que tiene que realizar, provocando pequeñas sacudidas en mitad de la trayectoria cada vez que un eje alcance su destino. para conseguir un movimiento más uniforme, y sin sacudidas intermedias, existe el desplazamiento ptp síncrono que lo que hace es aplicar, a cada eje, velocidades proporcionales a su recorrido, con respecto al recorrido máximo.

• CP – Continuos Path (Trayectoria Continua). en este tipo del control de la trayectoria, el control toma muestras de la posición del tcp para compararlo con la trayectoria prevista matemáticamente, y corregir pequeñas desviaciones, en el menor tiempo posible, para que la trayectoria real se ajuste a la prevista mediante cálculo. Al poderse calcular las trayectorias a realizar, éstas podrían seguir cualquier función matemática, aunque prácticamente casi todos los sistemas las reducen sólo a dos, lineales y circulares.

    Dependiendo del tipo de aplicación será conveniente disponer de uno u otro sistema. para muchas aplicaciones (tomar& poner, por ejemplo), es suficiente con un control del movimiento punto a punto (ptp) en el que sólo es relevante el punto final a alcanzar por el robot y no el camino seguido. en otras, por el contrario, la trayectoria continua (cp) descrita por el extremo del robot es fundamental, por ejemplo, en soldadura con arco. casi todos los robots incorporan la posibilidad de realizar trayectorias en línea recta y con interpolación circular.


Control dinámico

     Las características del control dinámico del robot, como velocidad de respuesta y estabilidad, son de particular importancia cuando éste debe manejar grandes pesos con movimientos rápidos. en estos casos, un buen control dinámico asegura que el extremo del robot no presente oscilaciones ni errores de posicionamiento. el sobrepasar el punto de destino por una elevada inercia, puede originar colisiones.

      Normalmente las prestaciones del control dinámico no son indicadas explícitamente como una característica a conocer por un posible usuario. Algunos sistemas de control de robots permiten variar, incluso en mitad de la ejecución de un programa, algunos de los parámetros de control dinámico.

     Otra característica importante relacionada con el control dinámico hace referencia a la posibilidad de realizar un control de esfuerzos de manera selectiva en alguna de las articulaciones o ejes cartesianos. esta posibilidad, que implica el empleo de sensores de esfuerzos, es importante en aquellas aplicaciones en las que la pieza manipulada deba entrar en contacto con algún objeto durante la realización de la tarea (ensamblaje, desbarbado, pulido, etc.).


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Caracteristicas tecnicas de los robots

   
    La selección del robot más idóneo debe hacerse valorando una gran variedad de factores. los fabricantes de robots proporcionan una amplia información de sus características pero son los integradores quienes disponen de experiencia para seleccionar el robot más adecuado. desde el punto de vista técnico, las características que deben considerarse a la hora de seleccionar un robot son:

Área de trabajo


     El área de trabajo o campo de acción es el volumen espacial al que puede llegar el extremo del robot. este volumen está determinado por el tamaño, forma y tipo de la cadena cinemática. el robot debe elegirse de modo que su área de trabajo le permita llegar a todos los puntos necesarios para llevar a cabo su tarea, incluyendo puntos de recogida de piezas (alimentadores), mesa de trabajo, puntos de salida de piezas, etc. también es necesario tener en cuenta la posibilidad de acceso con unas orientaciones o trayectorias determinadas. la disposición óptima de todos los elementos que compondrán la célula junto con el robot, es una tarea crítica por el gran número de variables a considerar. deberá verificarse que, una vez situados todos los demás componentes de la célula, el robot no colisione con ellos al efectuar sus movimientos. el empleo de programas de simulación gráfica permite seleccionar interactivamente la disposición óptima de la célula. con frecuencia la zona de trabajo del robot se extiende por debajo de su base, por cuyo motivo debe instalarse sobre un pedestal.

Velocidad


     La velocidad a la que puede moverse un robot y la carga que transporta, están inversamente relacionados. normalmente la información del fabricante proporciona datos de velocidad para diferentes valores de la carga a transportar. también suele existir una relación de orden inversa entre el error de posicionamiento y la velocidad del robot. la velocidad de movimiento de un robot puede darse por la velocidad de cada una de sus articulaciones o por la velocidad media de su extremo, siendo esta última más útil para el usuario, pero más imprecisa. el valor de la velocidad nominal de movimiento de un robot es un dato relevante para el cálculo de los tiempos de ciclo. no obstante, hay que considerar que el dato proporcionado normalmente corresponde a la velocidad nominal en régimen permanente. para alcanzar este régimen es preciso que el movimiento del robot sea suficientemente largo. en la práctica, en la mayoría de los casos, los movimientos del robot son rápidos y cortos, con lo que la velocidad nominal se alcanza en contadas ocasiones. por este motivo, la medida del tiempo de ciclo no puede ser obtenida a partir de la velocidad, siendo ésta una valoración cualitativa del mismo. en vez de este dato, algunos robots indican el tiempo empleado en realizar un movimiento típico (un tomar & poner, por ejemplo). los valores habituales de velocidad del extremo oscilan entre 1 y 4 m/s con carga máxima.

Precisión, Repetibilidad y Resolución
     Las ventajas del robot frente a otras máquinas se basan en el bajo error de posicionamiento con el que realizan su trabajo. un robot debe tener la capacidad de posicionar rápidamente, sin error, con elevada precisión y repetidas veces las piezas. para la definición de este error es necesario tener en cuenta tres conceptos complementarios entre sí: la precisión, la repetibilidad y la resolución. de entre los tres, el dato normalmente suministrado por los fabricantes es el de repetibilidad y éste es el utilizado a la hora de seleccionar un robot u otro por su exactitud.

• Repetibilidad. radio de la esfera que abarca los puntos alcanzados por el robot tras suficientes movimientos, al ordenarle ir al mismo punto de destino programado, con condiciones de carga, temperatura, etc., iguales. el error de repetibilidad es debido fundamentalmente a problemas en el sistema mecánico de transmisión como rozamientos, histéresis, zonas muertas.

• Resolución. Mínimo incremento que puede aceptar la unidad de control del robot. su valor está limitado por la resolución de los captadores de posición y convertidores A/d y d/A, por el número de bits con los que se realizan las operaciones aritméticas en la cpu y por los elementos motrices.

• Precisión. distancia entre el punto programado y el valor medio de los puntos realmente alcanzados al repetir el movimiento varias veces con carga y temperatura nominales. su origen se debe a errores en la calibración del robot (punto de sincronismo por ejemplo), deformaciones por origen térmico y dinámico, errores de redondeo en el cálculo de la transformación cinemática (especialmente en las cercanías de puntos singulares), errores entre las dimensiones reales y teóricas del robot, etc.


Capacidad de carga

     La capacidad de carga del robot, para una determinada tarea, viene condicionada por el tamaño, la configuración y el sistema de accionamiento del propio robot. por otra parte, al evaluar la carga a manipular por el robot debe considerarse el peso de las piezas a manipular y el peso propio de la herramienta o pinza que emplee el robot, en muchas ocasiones superior al de los propios objetos. Además de la carga, se debe tener en cuenta el momento de fuerza que la pieza a transportar genera en el extremo del robot. para ello el fabricante proporciona un cuadro en el que se indica la disminución de la posible carga a transportar para no disminuir prestaciones a medida que el centro de gravedad de la misma se aleja del centro de la muñeca. el dato que normalmente se proporciona en la hoja de características del robot, corresponde a la carga nominal que éste puede transportar, sin que por ello disminuyan sus prestaciones dinámicas, y siempre considerando la configuración del robot más desfavorable. sin embargo, es posible aumentar esta carga hasta un cierto límite, siempre y cuando se pueda admitir una disminución en la velocidad de los movimientos del robot e incluso en su precisión. los valores más frecuentes de capacidades de carga varían entre 5-50kg, aunque se pueden encontrar robots que transporten más de media tonelada. Algunos fabricantes distinguen entre la carga nominal y la carga máxima. esto permite que se sobrepase la nominal, siempre y cuando no se alcance la máxima y sin afectar a la mecánica del robot. también existen robots a los que, además de la carga nominal, se les puede colocar una carga adicional encima del antebrazo. esto les permite cargar con, por ejemplo, el aplicador de masilla, el carrete de electrodo para soldadura al arco, el transformador de soldadura, etc. cuanto mayor sea la capacidad de carga del robot, su precisión de posicionamiento y repetibilidad van empeorando en la misma proporción. no obstante, la evolución actual hace que, para las mismas cargas que hace unos años, las repetibilidades sean bastante mejores.


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Tipos de robots

Clasificación de los robots según sus ejes

    La mayoría de los estudios relacionados con los robots realizan una clasificación atendiendo al tipo de coordenadas con las que se determina la posición final y a la configuración de sus 3 ejes principales. Atendiendo a este criterio, los robots se clasifican en angular vertical/antropomórfico, paralelo, cartesiano, angular horizontal/scara, esférico y cilíndrico. no obstante solo los tres primeros pueden identificarse con robots que se instalan en españa.


Robot angular vertical o antropomórfico

     También llamado manipulador de codo se llama antropomórfico porque simula los movimientos de un brazo humano. el primer eje se corresponde con el cuerpo, el segundo con el brazo, el tercero con el antebrazo y el resto de con la muñeca-mano; la primera articulación se corresponde con el giro de la cintura, la segunda con el del hombro, la tercera con el del codo y el resto están en la muñeca. este robot posee gran accesibilidad y maniobrabilidad, es rápido y ocupa poco espacio en relación al campo de trabajo que abarca. debido a sus características es el modelo más versátil. es el más adecuado en aplicaciones relacionadas con manipulación de piezas de trabajo como soldadura por puntos, soldadura continua, aplicación de masillas o pintura.

     Como inconvenientes se encuentran que tiene menos precisión que otros tipos, que si trabaja con carga y velocidades altas, se producen inercias de giro difíciles de compensar y que sus articulaciones deben tener juego casi nulo pues en caso contrario pueden darse errores de posicionamiento significativos.




                

                        Fig. Robot angular o antropomorfico.

Robot paralelos

     Son cadenas cinemáticas cerradas, cuyo órgano terminal o plataforma móvil, está conectado a la base mediante varias cadenas cinemáticas seriales independientes. normalmente consta de seis patas accionadas independientemente entre sí, las cuales, al modificar su longitud, posicionan y/o cambian la orientación de la plataforma que tienen en el extremo donde se coloca el actuador del robot. son robots con características de ligereza, rigidez y altas aceleraciones que se emplean en procesado de piezas, trasferencia de productos a alta velocidad y posicionamiento de precisión, e incluso, simuladores de vuelo. por el hecho de converger los seis motores en el desplazamiento del actuador, se consiguen las mayores velocidades, aunque por el mismo motivo los espacios de trabajo son muy reducidos y tienen forma de porción esférica o cilíndrica. en la actualidad es el tipo de robot con un mayor incremento de instalaciones en españa en aplicaciones “pick and place” (tomar y colocar) para la industria de la alimentación.

                          
                                       Fig. Robot paralelo


Robot cartesiano

     Sus tres articulaciones principales son prismáticas, los ejes son ortogonales entre sí y los desplazamientos sobre ellos dan las coordenadas cartesianas X, y, Z, de los puntos de trabajo. la estructura puede ser de tipo voladizo o en pórtico. son rápidos, muy precisos, de fácil control, amplia zona de trabajo y elevada capacidad de carga, pero ocupan mucho espacio relativo y su elemento terminal-herramienta no es especialmente orientable. se usan en aplicaciones que requieren movimientos lineales de alta precisión en zonas de trabajo grandes que sean fundamentalmente un plano o planos paralelos. si la precisión necesaria no es alta, los ejes son controlados por medio de plc y tarjetas electrónicas lo que aventaja notablemente en precio a este tipo de robots. este tipo de robots, que pueden soportar mucho peso, se utilizan principalmente para la manipulación de piezas de trabajo, almacenamiento, paletización y carga y descarga de máquinas.


              
                                   Fig. Robot cartesiano.


Robot articulado horizontal (SCARA)

    La denominación scArA es el acrónimo de selective compliant Assembly robot Arm, que en español vendría a significar “brazo de robot acodado horizontal para montaje”. es un robot articulado de cuatro grados de libertad con posicionamiento horizontal. en estos robots hay dos ejes principales que proporcionan movimientos rotativos en un mismo plano para obtener un círculo, mientras que el tercero desplaza ese círculo en línea recta para engendrar un volumen que tendrá forma cilíndrica. el cuarto eje es vertical lineal que es la dirección más fácil para la inserción o montaje de componentes. se conocen por sus rápidos ciclos de trabajo, excelente repetitividad, gran capacidad de carga y su amplio campo de aplicación. el robot scara es rápido, barato y preciso, pero solo tiene accesibilidad a zonas de trabajo que estén en planos perpendiculares a su eje vertical. se emplea fundamentalmente en operaciones de montaje o inserción de componentes y tiene gran uso en Japón, de donde es originario. en españa tiene nula aplicación actual debido a que aquí se emplean los robots angulares.

              

                                         Fig. Robot SCARA.


Robot esférico

     En este robot se colocan dos ejes rotativos perpendiculares para poder realizar circunferencias, tanto horizontales como verticales, obteniéndose con ello una superficie esférica, la cual es expandida o comprimida mediante el desplazamiento del tercer eje en línea recta convirtiéndose este movimiento en el radio de dicha esfera. los robots polares, normalmente dotados de accionamientos hidráulicos y/o neumáticos, se utilizan principalmente para tareas de carga y descarga de máquinas, paletización de piezas y soldadura por puntos. este tipo de robot está prácticamente en desuso.

                  
                                        Fig. Robot esferico.
Robot Cilíndrico

    Utiliza un giro en la base y dos desplazamientos perpendiculares entre sí, para determinar la posición de los puntos por medio de coordenadas cilíndricas. se controla fácilmente y es rápido, pero solo se usa en casos en que no haya obstáculos en su zona de trabajo y el acceso a ella se haga horizontalmente. es una estructura que cuando los robots eran neumáticos y/o hidráulicos era bastante empleada, pero que empieza a quedarse obsoleta con los robots con accionamientos eléctricos.
                
                                        Fig. Robot cilindrico.



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Introduccion a la robotica industrial

Madurez tecnológica

La implantación de la robótica en la industria cuenta con una gran experiencia consolidada a lo largo de más de 30 años. es, por tanto, una tecnología madura que no para de crecer. se encuentra en la vanguardia de la integración de los más modernos avances en diferentes sectores, tales como actuadores, sensores, materiales, mecánica, hardware y software, comunicaciones, etc.


Su tecnología está en continuo desarrollo, aumentando continuamente sus prestaciones y, consecuentemente, los campos de aplicación. en los últimos años se han producido mejoras en el rendimiento y funcionamiento de los robots; mejora de las comunicaciones, posibilidad de cooperación y sincronización entre robots, facilidad de manejo, fiabilidad y programación. los robots actuales disponen de consolas ligeras de programación, táctiles, en color, con menús sencillos y amigables, que permiten incluso el manejo desde un teléfono móvil. los robots se han hecho más rápidos, más fiables, más precisos, con mayor capacidad de carga y más versátiles. la evolución de las principales características de los robots que muestra la figura 1 es la prueba evidente de la evolución radical que se ha producido en las últimas décadas. destacan las fuertes reducciones de precio que han disminuido considerablemente las barreras para su aplicación.




Los avances actuales permiten que un robot industrial, en combinación con útiles, herramientas, sensores y dispositivos de control e identificación sea capaz de intervenir en una gran parte los procesos de fabricación con una gran flexibilidad.

La integración con otros sistemas es un problema menor y ya existen soluciones compactas que integran el robot junto a sus accesorios, periferia y software para soluciones específicas de paletizado, pintura, mecanizado o soldadura. la evolución de los programas específicos de simulación de robots permiten recrear el entorno real de trabajo y la programación de los robots de forma offline. todo esto va ligado a la búsqueda de la eficiencia, el aumento de la productividad y el ahorro económico.

Los sectores a los que actualmente está orientada la robótica son muy amplios desde la industria manufacturera hasta la exploración de ambientes hostiles, tales como entornos submarinos y espacio.

Además de la robótica industrial, objeto de estudio en la presente publicación, se está empezando a desarrollar la robótica de servicios, incluyendo servicios personales y a la sociedad como asistencia personal, medicina, limpieza, inspección y mantenimiento de infraestructuras.


El mercado mundial de la robótica


La robótica es ya el principal motor de competitividad y flexibilidad en las industrias de fabricación a gran escala y es un sinónimo de progreso y desarrollo tecnológico. los países y las empresas que cuentan con una fuerte presencia de robots consiguen altos niveles de competitividad y productividad. en los países más desarrollados, las inversiones en tecnologías robóticas han crecido de forma significativa y muy por encima de otros sectores. sin embargo, actualmente el mercado está cambiando y hay un estancamiento significativo de la demanda en europa en comparación a los países emergentes, especialmente corea y china.

Según el último estudio de la international Federation of robotics (iFr), el año 2014 ha sido un año record en cuanto a entrega de robots industriales en el mercado mundial, superando la cifra de 200.000 unidades y duplicando cifras del año 2007 previo al inicio de la crisis. durante el periodo 2015 a 2017, iFr estima que las instalaciones de robots se incrementarán un 12 % por año, de forma específica un 6% en europa y un 16% en Asia.

De forma concreta, la cifra de ventas de ventas de robots industriales se ha incrementado en un 27% respecto a las ventas del año anterior lo que supone una tasa record de 225.000 unidades vendidas en un año. las mayores tasas de crecimiento de las ventas corresponde a Asía en donde las ventas de robots en 2014 son superiores en un 42 % a las que se registraron el año pasado. los porcentajes de europa y América están muy lejos de estas cifras.

La Federación internacional de robótica lo tiene claro: si continúa el actual ritmo de ventas, china será en 2017 el país con más robots trabajando en sus fábricas. en 2015 se espera que el gigante asiático mueva cerca de 8.400 millones de euros en este sector. A fecha de hoy, el número de robots por cada 10.000 trabajadores ocupados en el sector de la fabricación asciende a 437 en corea del sur y a 323 en Japón. para Alemania, la ratio es de 282, mientras que en eeuu se alcanzan los 152. por su parte, china solamente registra 30 robots por cada 10.000 trabajadores industriales. Hasta ahora, la industria china se benefició notablemente de costes laborales muy inferiores a los países desarrollados. el coste anual de un trabajador industrial chino rondaba los 900 euros ($1.000 dólares) en el año 2002 cifra radicalmente distinta a los 6.000 euros ($7.000 dólares) registrados en 2012. semejante aumento de los sueldos invita a pensar que china realizará un gran esfuerzo en los próximos años en sustituir el uso intensivo de mano de obra por robots. Además de razones de coste laboral están las de descuelgue tecnológico, ya que china apuesta porque sus nuevas plantas tengan la misma tecnología que las de los países más industrializados.

Tendencias de futuro

Dada la madurez de la tecnología, el futuro pasará por el desarrollo de aplicaciones muy concretas y específicas. Actualmente el desarrollo tecnológico de la robótica industrial va encaminado a la programación por aprendizaje, manipuladores de 7 ejes —que pretenden parecerse cada vez más al brazo humano— control por visión artificial, comunicaciones inalámbricas y mejora del entorno e interactividad hombremáquina. la robótica industrial afrontará cada vez con mayor frecuencia áreas o campos de trabajo más allá de las grandes fábricas. por otro lado, los robots tienden a ser más eficientes energéticamente hablando, respetuosos con el medio ambiente,  19 sistemas de automatización y robótica para las pymes más ligeros, con automatización flexible, más resistentes, más polivalentes y capaces de usar nuevos materiales. otro aspecto muy importante es que las expectativas de aplicación de los robots de servicio han superado, en los últimos años, los límites de las aplicaciones industriales. todos los indicadores confirman que nos encontramos ante una revolución que nos llevará a un mercado de robots de consumo, mediante la utilización en el hogar de electrodomésticos móviles, que complementarán a los actuales estáticos. de la misma forma, las aplicaciones profesionales como la medicina, la construcción o la seguridad y defensa, presentan unas notables expectativas de crecimiento. los puntos clave que apoyan el crecimiento de la robótica en los próximos años son:

• la competencia global y nuevos mercados requerirán la modernización y ampliación de la capacidad en las instalaciones de producción.

• la colaboración hombre-máquina abrirá nuevas aplicaciones ahora desconocidas.

• la disminución de ciclo de vida de los productos y el aumento de la variedad de productos requerirá la automatización flexible.

• las mejoras técnicas de los robots industriales aumentarán el uso de robots en la industria en general y en las pequeñas y medianas empresas, por ejemplo, robots fáciles de usar robots, sin complicaciones, y robots de bajo precio para aplicaciones sencillas.

• la mejora de la calidad requerirá de sistemas de robots de alta tecnología sofisticada.

• la industria 4.0 unirá de form


Sectores demandantes de soluciones robotizadas

Identificación de sectores


Usualmente la mayoría de las estadísticas y estudios de la industria española toman como punto de partida la clasificación de actividades económicas cnAe. sin embargo, en muchos casos los datos se desvirtúan debido a la dificultad de asignar la clasificación correcta a empresas con actividades que pueden abarcar a varios sectores. Así una empresa del sector de fabricación de piezas plásticas puede encuadrarse dentro del sector del plástico, químico o de industrias manufactureras dependiendo de la tipología de sus productos y de sus clientes.





Del estudio de estos datos y atendiendo a un criterio exclusivamente tecnológico se ha considerado que un análisis de los sectores demandantes de soluciones robotizadas debe ser lo más general posible, ya que muchas de las tecnologías y aplicaciones son de carácter horizontal y pueden aplicarse a varios sectores de actividad. en este sentido, será más interesante profundizar en el capítulo 2 en los diferentes campos tecnológicos de aplicación. en base a estas consideraciones son tres los principales sectores demandantes de soluciones robotizadas son:

• sector del automóvil.

• sector de la alimentación y bebidas.

• sector manufacturero que engloba los sectores tradicionales y de fabricación de productos metálicos, maquinaria y equipo.

La Pyme frente a la robotización

Las pequeñas y medianas empresas (pymes) constituyen con mucha diferencia el núcleo del tejido industrial español pero es fuera de ellas donde se concentra el mayor número de robots industriales instalados. esta realidad contrasta con el hecho de que la actividad de muchas de ellas sería susceptible de usar tecnologías bien desarrolladas y consolidadas internacionalmente. la pyMe tiene unas características intrínsecas que muchas veces la hace ir por detrás de la implantación de nuevas técnicas de fabricación. entre estas características diferenciales podrían destacarse:

• desventajas competitivas frente a grandes empresas; de mercado, regulatoras, ayudas.

• insuficiente formación en técnicas de automatización y prácticas de gestión, tanto de personal técnico como directivo.

• reducidas oportunidades de interactuar con compañías similares.

• Mayores dificultades para acceder a fondos de modernización.

• Carencia de planes estratégicos de mejora continua de la productividad.

Desde un punto de vista estrictamente técnico, también existe en un gran desconocimiento sobre las posibilidades de aplicación de los robots, lo que hace que muchas pequeñas y medianas empresas vean lejana su aplicación.

Las pyMes deben apostar decididamente por la implementación de la robótica como una nueva herramienta para optimizar sus sistemas de producción. el incremento del uso de la robótica será uno de los indicadores relacionados con el cambio de modelo productivo en nuestro sistema de innovación y fabricación. las empresas que no hacen algún cambio en el trabajo tradicional son empresas que se mueren. implementar equipos que faciliten sus procesos, les da competitividad.

En estas condiciones, muchas empresas saben que necesitan robotizar pero no saben cómo. una manera de iniciarse en este campo es identificar el proceso con mayor garantía de éxito.es muy probable que siempre exista una posibilidad de robotización. el reto está en identificar y empezar el primer proyecto.

Campos generales de aplicación


Existen un conjunto de aplicaciones específicas que son las más adecuadas para una aplicación de la robotización. estas aplicaciones están suficientemente maduras y cualquier pyMe puede encontrar suministradores e ingenierías con numerosas experiencias en estos campos generales. en muchos casos, cada una de estas aplicaciones tiene asociadas tipos específicos de robots o soluciones integradas. de manera usual, las aplicaciones más frecuentes se agrupan en ocho campos generales:

• Manipulación y atención a máquinas. utilización de manipuladores para desplazamiento de materiales, piezas y productos dentro de una célula de trabajo.

• Soldadura. procesos de unión de materiales y piezas mediante las distintas técnicas de soldadura.

• Aportación de materiales.
Aplicación o dispensación de sustancias como adhesivos, pintura o sellantes sobre superficies.

• Procesado.
procesos de fabricación con herramientas específicas de mecanizado de materiales metálicos y no metálicos como corte, pulido, desbarbado, fresado, etc..

• Ensamblado y desensamblado.
Montaje o desmontaje de partes en conjuntos mecánicos.

• Empaquetado y paletizado.
Formado de paquetes y palets de productos terminados.

• Manutención y almacenaje.
utilización de robots en tareas logísticas de transporte y almacenaje de productos, normalmente ya terminados e incluso empaquetados.

• Inspección.
comprobación de la calidad de cada producto durante el proceso de fabricación y también bancos de ensayos robotizados para el análisis de muestras de producto.

Salas blancas. procesos de fabricación y manipulación en espacios con una contaminación mínima, habitual en la fabricación de ciertos productos electrónicos.

Manipulación y atención a máquinas

En este tipo de aplicaciones, el robot realiza el desplazamiento de cargas entre distintos puntos del espacio. la carga puede ser una pieza en proceso, una parte de material, un subconjunto, un contenedor, un paquete, etc. la herramienta que utiliza el robot para esta tarea es la pinza o garra robótica, elemento montado en la parte final del brazo robot que se puede encontrar en una gran variedad de formas y modos de agarre. en este tipo de aplicaciones un parámetro fundamental en la selección del robot será la carga que debe ser capaz de desplazar, ya que puede ser modificada al variar el modelo de pieza que desplaza. Aplicaciones habituales de esta aplicación son:

• Alimentación y extracción de piezas en máquinas. en estas aplicaciones el robot coloca una pieza en el interior de una máquina para que una herramienta realice un procesado sobre la pieza. el robot no participa en la actividad de procesado. un ejemplo típico son los manipuladores entre prensas, que extraen piezas de una prensa y la colocan en la siguiente. dado que la forma de agarre de las piezas y su movimiento puede imponer reorientar la pieza desplazada, son habituales los robots de seis articulaciones.

• Extracción de piezas de máquinas de fundición o inyectoras. la retirada de piezas en este tipo de aplicaciones ha permitido mejorar la seguridad y condiciones de trabajo en las plantas, al evitar que los operarios realicen este tipo de tareas en ambientes de elevadas temperaturas. también se usan robots articulados verticales de seis articulaciones.

• Manipulación de piezas entre líneas de manutención. ejemplos frecuentes son el desplazamiento de piezas entre bandas o líneas de rodillos, tareas de clasificación en las que se separan piezas de dos o más tipos, o la colocación de productos de forma ordenada en bandejas. en este caso, donde normalmente la carga se desplaza entre superficies horizontales a alturas próximas, con una elevación pequeña de la carga durante su movimiento, es habitual la configuración de robot de tipo scArA. este tipo de robots tiene también sólo cuatro grados de libertad, como los robots de paletizado, pero su rango de desplazamiento vertical es menor. por otro lado, pueden alcanzar velocidades más elevadas con cargas pequeñas, por lo que son muy habituales en tareas “tomar & poner”.

Soldadura

Son las aplicaciones más extendidas y conocidas, más ensayadas y con mayor oferta en el mercado. existen empresas que sólo se dedican a la implantación de este tipo de aplicaciones, incluso en forma de células compactas, en las que el robot y el equipo de soldadura se rodean de un cerramiento de configuración fija que se instala de forma rápida en las industrias.
  Normalmente, las aplicaciones no son generalmente complejas, precisando una integración de sensores pequeña y una programación de trayectorias relativamente sencilla. las aplicaciones más extendidas son la soldadura por puntos y la soldadura por arco. existen soluciones robotizadas para prácticamente cualquier modalidad de soldadura, incluida la soldadura por láser. la configuración de robot típica en estas aplicaciones es el robot antropomórfico, dado que la herramienta requiere aproximarse a la pieza en cualquier orientación y que el brazo no interfiera con la pieza.



Procesado y acabado de materiales

Comprende un amplio rango de aplicaciones actualmente no muy elevadas pero con un gran potencial de crecimiento. en estas aplicaciones el robot puede intervenir de dos posibles formas: puede llevar instalada una herramienta y procesar la pieza fija en un utillaje, o puede tener instalada una pinza y presentar la pieza a la herramienta que va realizando el procesado. en esta aplicación el robot debe ser capaz de generar la fuerza requerida entre herramienta y pieza más el peso de la herramienta o pieza. este tipo de aplicaciones son en general más complejas al ser necesaria la generación de trayectorias CAM para ir desbastando la pieza o en algunas aplicaciones medir y controlar la fuerza que la herramienta ejerce sobre la pieza. Actualmente las aplicaciones más comunes son:

• corte por chorro de agua.

• corte por láser.

• corte mecánico.

• pulido, desbarbado, fresado…



Aportación de materiales


Son aplicaciones en las que se cubren superficies con algún material. normalmente se utilizan en aplicaciones de dos tipos:

• pintado, esmaltado, pulverizado sobre superficies.

• Aplicación de adhesivos, sellantes y lubricantes.

Dependiendo de la calidad necesaria en el acabado pueden ser necesarias instalaciones de alta precisión y complejidad para controlar adecuadamente el tamaño del área de superficie que es cubierta en cada instante. el robot habitual es el robot antropomórfico de seis o cinco grados de libertad. el disponer de seis articulaciones ayuda en estas aplicaciones a conseguir un mayor alcance y accesibilidad a la geometría del producto.





Ensamblado y desensamblado


En este tipo de aplicaciones se encuentran aplicaciones de:

• Ajuste por presión.

• ensamblado, montaje o inserción de componentes.

• desensamblado.

• Atornillado.

En relación con las otras aplicaciones estos casos requieren de una elevada precisión y repetitividad, y también pueden precisar que se mida la fuerza que se ejerce en cada instante sobre los distintos componentes, lo que requiere una instalación sensorial y un control de las trayectorias más complejo. incluso existen aplicaciones en las que se han diseñado dos brazos robóticos trabajando de forma coordinada, igual que trabajarían los brazos de un operario montador.




Empaquetado y paletizado de productos finales

Son aplicaciones en las que el robot debe ir formando una distribución geometría espacial (mosaico o apilado) con los productos que debe paletizar o empaquetar. en este caso es habitual que los robots utilizados sólo dispongan de cuatro grados de libertad, de modo que pueden colocar la carga en cualquier punto del espacio. estos robots se identifican claramente por el conjunto de segmentos que se mueven paralelos al cuerpo principal, cuyo objetivo es que la pinza permanezca siempre en posición horizontal.




Salas blancas


Se trata de aplicaciones robotizadas que requieren una total ausencia de partículas. ejemplos de aplicación se encuentran en el sector electrónico, en la fabricación de pantallas, circuitos integrados y otros componentes electrónicos en los que no se puede permitir la existencia de impurezas. el tipo de manipulador a utilizar depende de la operación o manipulación que se realice. normalmente se usan robots de tipo antropomórfico, scArA o cartesiano. los requisitos de estas aplicaciones afectan a los componentes del robot y su posible recubrimiento protector.



Manutención y almacenaje


En esta categoría se engloban aplicaciones logísticas relacionadas con almacenes automatizados y los vehículos de autoguiado automático para el transporte de cargas (AgVs). el radio de acción de estos robots AgVs alcanza áreas amplias de la planta de fabricación, siendo generalmente robots móviles dotados de ruedas y guiados según distintas tecnologías; filoguiados, por láser, sistemas radio, visión artificial. este tipo de robots tendrá una fuerte crecimiento en la industria en los próximos años. la oferta actual ya se puede considerar alta y los sistemas están suficientemente probados.



Inspección

La utilización del robot en la detección de fallos y comprobación de calidad en los productos fabricados pueden permitir la inspección del 100% de la producción. para realizar estas tareas existen varios métodos. lo normal es que el robot sirva para colocar el producto en la máquina de inspección o de reglaje, como sería el caso de operaciones de equilibrado. en otras aplicaciones el robot desarrolla directamente la operación. en muchas de estas aplicaciones se utiliza un robot para la manipulación del producto, de modo que el robot coloca de forma adecuada el producto delante de un sensor o sistema de visión de manera que tras el chequeo devuelve el producto a la línea de fabricación principal o a una línea de productos rechazados. en otros casos se coloca un sensor como elemento terminal del robot que se encarga, de forma autónoma, de realizar la pauta de inspección. generalmente se trata de inspección de piezas de mayor tamaño, como la inspección de soldaduras, superficies y metrología, en las que se aprovecha el alcance del robot y su capacidad de seguimiento de trayectorias programadas para obtener multitud de observaciones con un sensor de alta precisión. por último, también se utilizan robots en celdas de ensayo de productos. los robots permiten de forma repetitiva aplicar fuerzas puntuales o continuas sobre una muestra de producto, o movimientos con diferentes velocidades y aceleraciones de la muestra o sus componentes para comprobar la calidad y robustez de un nuevo diseño o un producto en fabricación.


Ventajas de la robotización

Las ventajas que aporta la robótica, como medio de automatización de los procesos de producción, son múltiples y bien conocidas. la robotización tiene dos claros objetivos iniciales; reducir costes e incrementar la productividad. los resultados de su aplicación práctica no dejan duda sobre la rentabilidad de su implantación; productividad por aumento de la producción, reducción de costes laborales, flexibilidad, calidad y seguridad. un análisis detallado de la robotización permite identificar diez ventajas competitivas:

1. Mejora la disponibilidad

Los robots trabajan rápido y a menudo se configuran en un sistema de múltiples estaciones para que puedan trabajar de forma continua, si es necesario las 24 horas del día. incluso con una comparación directa con la mano de obra para el mismo volumen de producción se obtiene una tasa de rendimiento más favorable.

2. Mejora los tiempos de proceso
La robotización tiene relación directa con la reducción de tiempos de ciclo, siendo en muchos casos la solución necesaria para romper cuellos de botella. un robot no tiene paradas ofreciendo un tiempo operativo mayor y por tanto reduciendo el tiempo ciclo final.

3. Mejora la flexibilidad


Un robot es un operador flexible, programable y reutilizable. se puede utilizar para llevar a cabo diferentes procesos como corte, soldadura y el acabado. puede modificar su trabajo modificando el elemento terminal del brazo de robot. el uso de interfaces y técnicas de programación apropiadas permite una mayor rapidez de programación que reduce los tiempos necesarios para el cambio de tarea. los robots pueden adaptarse a la fabricación de una familia de productos sin necesidad de que se modifique o se detenga la cadena de producción. esta flexibilidad cobra mayor importancia cuando es precisa la fabricación de series cortas o de un amplio número de referencias. en casos de paletización, soldadura o carga de máquinas, la flexibilidad de un robot es superior a cualquier solución de producción especializada y a menudo tiene un nivel de inversión más bajo.

4. Mejora la calidad


Los robots tienen un alto grado de precisión en el seguimiento de la trayectoria y la repetibilidad. en combinación con los parámetros de proceso óptimos, por ejemplo, en la soldadura por arco, pegado, o desbarbado, el robot ofrece una calidad constante.

5. Reduce el espacio

Las células robotizadas se pueden construir ocupando el mínimo espacio y, en comparación con procesos manuales, requieren menos espacio para la misma producción.

6. Reduce la dependencia de mano de obra


Un robot puede ser usado para cumplir, y a menudo superar, un nivel de competencia cualificado y así reducir el coste de la rotación de personal. elimina la variabilidad del trabajo humano cada vez que una persona de hace cargo de un proceso. si la demanda de la empresa es temporal o depende de las entregas repentinas de proyectos de gran envergadura, puede ser un reto atraer la mano de obra adecuada. puede ser demasiado caro mantener al personal en espera del siguiente pedido .

7. Reduce los problemas de salud y seguridad

Los robots pueden levantar objetos pesados, con altas temperaturas o se pueden implementar en procesos peligrosos que reducen los riesgos en el personal. También se reducen y evitan problemas ergonómicos, así como la realización de tareas repetitivas o desagradables.

8. Reduce el trabajo en curso

Los robots pueden producir según pedido en lugar de acumular existencias. de esta manera el coste de almacenamiento y manipulación de productos se puede reducir considerablemente.

9. Reduce los residuos y desechos


Por su propia naturaleza un robot es una máquina consistente que produce resultados consistentes, día tras día, año tras año. la producción del robot es estable y puede ayudar a reducir considerablemente los costes asociados a los residuos, deshecho o reproceso.

10. Reduce el coste de capital


Los sistemas robotizados son asequibles y reducen los costes de capital y gastos generales. la moderna tecnología robotizada es también respetuosa con el medio ambiente y reduce costes de energía. por otra parte, los procesos con robotización, como medio de automatización, tienen un mayor nivel de autonomía, permitiendo un mayor control del proceso, y precisando un menor mantenimiento fruto de su alta fiabilidad.

El efecto de todas las ventajas anteriores revierte sobre los resultados finales de la empresa aumentando la productividad, la rentabilidad y el beneficio económico de la empresa.

En estas condiciones parece concluyente que toda empresa debe plantearse la viabilidad de implantar robots en su sistema productivo, siguiendo un proceso de reflexión que se expondrá a lo largo de la publicación.


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