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domingo, 19 de marzo de 2017

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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