Robotica Industrial

4.2. ROBÓTICA INDUSTRIAL

La palabra robot deriva del checo robota que significa trabajador, pero no es eso exactamente lo que se entiende hoy en día como el significado de esta palabra. Actualmente se define como robot a un manipulador multifuncional, reprogramable, diseñado para mover materiales, piezas, herramientas u otros dispositivos especializados, a través de distintos movimientos, para el desempeño de una variedad de tareas.

Los robots son máquinas automatizadas, en forma de herramientas automatizadas para el manejo de materiales o de máquinas para procesos como soldado o pintura. Su utilización debe decidirse después de un cuidadoso análisis económico, en el marco de un programa de automatización general y buenas prácticas de manufactura. En general su implementación para seguir el ritmo de las tendencias de los competidores por si sólo tiende al fracaso.

El personal que trabajará con robots debe ser especialmente sensibilizado, en el

sentido de la típica comparación entre humanos y robots. Es cierto que en general la

implementación de estos sistemas reemplaza parte de la fuerza laboral humana, pero no lo

hace en mayor grado que otros avances tecnológicos en el área de la automatización.

4.2.1. Descripción de los sistemas robóticos

Un robot es una compleja máquina que está compuesta por cuatro subsistemas

mayores:

• Manipulador

• Sistema de potencia

• Sistema de control

• Herramientas del extremo del brazo

El manipulador o brazo es el dispositivo físico usado para mover la herramienta

(muñeca y end-effector) o carga útil desde un lugar a otro. Este manipulador es manejado

por el sistema de potencia, a través de un movimiento programado almacenado en el

sistema de control. La muñeca, montada en el extremo del brazo, permite pequeños

cambios de orientación del end-effector y lo sostiene. El end-effector es en general, la

interface entre el robot y la operación de manufactura. La muñeca es considerada parte del

aparejo de herramientas del extremo del brazo, ya que es casi tan especializada en su

aplicación como el end-effector. En la figura 4.2.1.1.se muestran las distintas piezas que

forman parte de un robot industrial.

Especificaciones

Las especificaciones generales de un robot incluyen: requerimientos ambientales,

dimensiones físicas, requerimientos eléctricos, dimensiones del volumen de trabajo, carga

útil, velocidad, precisión, repetibilidad en cada eje para diferentes condiciones de trabajo.

Las especificaciones de la muñeca y de las herramientas del extremo del brazo se indican

en forma separada.

Estándares

En la industria de los robots se ha buscado la estandarización para aumentar la

seguridad, intercambiar información científica, tener estadísticas confiables acerca del uso

de robots confiables, apoyar al comercio de robots y fomentar la educación y

entrenamiento. Por ello existen símbolos gráficos introducidos por la ISO, pero su uso no

es absoluto.

Manipulador

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 movimiento y las articulaciones definen los “grados de

libertad” del robot. Una configuración típica de un brazo robot es la de tres grados de

libertad, 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, pero, por su complejidad, son menos comunes.

La base es rígida y está sujeta a una plataforma que la sostiene, generalmente, pero

no siempre, el suelo. Cuando se puede mover, comúnmente lo hace a lo largo de un eje y es

para sincronizar el movimiento del robot con el de otros equipos. De esta manera el

movimiento de la base sumado al movimiento tridimensional del manipulado proporcionan

cuatro grados de libertad.

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 es llamada volumen de trabajo, mediante él se suele identificar la

configuración de un robot. Las configuraciones típicas en este sentido son la cartesiana,

cilíndrica, esférica o antropomórfica (Ver figuras). Dentro de ellos se destacan por su

flexibilidad el sistema polar y el de brazo articulado (antropomórfico). Por esto la mayor

parte de los robots usados para acabados y soldadura por punto en la industria automotriz

son de estos dos tipos. Más abajo se muestra un robot de seis grados de libertad, con su

volumen de trabajo.

Cilíndrico (Brazo cilíndrico) Esférico (Brazo polar)

Cartesiano Esférico (Brazo articulado) Cilíndrico (SCARA)

Figura 4.2.1.2: Diversos volúmenes de trabajo

La otra forma de clasificar los manipuladores se refiere al movimiento de la

articulación (ver figuras), estas pueden ser :

• Transversales, el eslabón que se mueve lo hace en forma perpendicular al eslabón que

lo sostiene.

• Rotacionales, el eslabón rota en torno a un eje perpendicular a él.

• Telescópicas, el eslabón se mueve paralelamente al soporte, en el mismo sentido.

• Pivotiales, el eje de rotación es perpendicular al eje del eslabón.

Sistemas de Potencia

Los subsistemas de poder tienen como misión proveer del poder necesario para

mover el manipulador. Las posibilidades para proveer esta fuerza son los sistemas

eléctricos, neumáticos e hidráulicos.

Dentro de estos tres, los más importantes son los eléctricos, debido a su

confiabilidad, limpieza y el grado de conocimiento que se tiene de ellos. La relación entre

capacidad de carga y velocidad es de un orden aceptable, con ventajas económicas

comparativas. Con algunos accesorios de seguridad pueden ser operados sin riesgo en

ambientes inflamables. Uno de los inconvenientes que presentan es que en general los

sistemas de transmisión de potencia de alta precisión son caros y están sujetos a

inexactitudes cuando se desgastan. Los harmonic drives son sistemas más precisos que los

trenes de engranajes tradicionales.

Los sistemas hidráulicos se usan en robots grandes que deben manejar cargas útiles

pesadas, además pueden ser usados en medios hostiles o inflamables con seguridad. Este

tipo de robot constituye aproximadamente el 25% de la producción total.

Las aplicaciones de los sistemas neumáticos son más limitadas, ya que, al trabajar

con un gas compresible (aire) la exactitud se restringe a los extremos del recorrido. En

general son usados por los robots tipo pick-and-place, o de secuencia fija con notorias

ventajas económicas en relación a los otros sistemas disponibles. Su representación en el

mercado alcanza la 10%.

El motor eléctrico como fuente de potencia

La mayoría de los robots eléctricos usan stepper-motors, servomotores de corriente

continua o servomotores de corriente alterna. Los sistemas de control y retroalimentación

pueden diferir dependiendo del motor usado.

Los robots que usan stepper-motors pueden funcionar como un ciclo de loop

abierto. Un motor dado tiene una desviación angular específica para cada pulso eléctrico

que recibe. Estos motores varían desde 15 grados/pulso (24 pulsos por revolución) hasta

0,5 grados/pulso (720 pulsos por rev.). El control sobre el motor debe hacer que éste

acelere durante un apropiado número de pulsos, se mueva durante otra cantidad de pulsos y

desacelere el motor hasta detenerse, alcanzando la desviación angular deseada con un cierto

número de pulsos. El sistema de control determina el número de pulsos y el desfase angular

deseado, por otra parte, el tamaño de los pasos está dado por el diseño del motor.

Si el motor deja de rotar siguiendo el patrón de desfase angular, incurrirá en un error

cuya magnitud quedará definida por la diferencia entre el desfase angular programado y el

real. Ya que la mayoría de estos motores funciona con loop abierto, el controlador no es

capaz de notar cuando un pulso es pasado por alto y no registra la imprecisión. Esta es la

mayor desventaja que presenta este tipo de motor. Los motores de pulso de loop cerrado no

presentan este inconveniente y pueden lograr ser tan precisos como los sistemas servo.

Además de esto, estos sistemas tienen poca potencia.

Los motores de corriente continua y alterna usan sistema servo con loop cerrado.

Las diferencias en relación a los motores convencionales similares se remiten al diseño del

rotor (menor diámetro para tener un menor momento de inercia y un mejor control), a un

mayor diámetro del alambre de la bobina para una menor pérdida de energía en forma de

calor, y a una mayor sensibilidad a cambios en el voltaje para un mejor

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