Descripción de los sistemas robóticos

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.

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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.

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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

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Figura 4.2.1.3.: Grados de libertad y volumen de trabajo (ejemplo)

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.

Figura 4.2.1.4.: Movimientos de las articulaciones

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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.

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