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I N S T I T U T O

T E C N O L Ó G I C O

D E T L Á H U A C

M é x i c o D . F . , J u n i o 2 0 1 4

“BRAZO ROBÓTICO PARA LA FABRICACIÓN DE

TORNILLOS SEMS”

INFORME TÉCNICO

RESIDENTES:

Chávez Martínez Lizbeth

Flores Apreciado Ricardo

Rodríguez Orea Roberto

ASESORES:

Ing. Miguel Morelos Cisneros

Ing. Enrique Gerardo Flores Nava

2

Contenido

Lista de Figuras ........................................................................................................ I

Lista de acrónimos .................................................................................................. II

Resumen ................................................................................................................ III

Introducción ............................................................................................................ IV

1.Generalidades .................................................................................................... 10

1.1 Objetivos ......................................................................................................... 10

1.1.2 Objetivo general ........................................................................................... 10

1.1.3 Objetivos particulares ................................................................................... 10

1.2.Justificación ..................................................................................................... 10

1.3.Caracterización de la empresa ........................................................................ 11

1.3.1 Datos generales de la empresa .................................................................... 11

1.3.1.2 Organigrama de la empresa ...................................................................... 11

1.3.2 Descripción del departamento o área de trabajo .......................................... 12

1.3.3 Descripción del area de produccion ............................................................. 12

1.4 Problemas a resolver ...................................................................................... 13

1.5 Alcances y limitaciones ................................................................................... 14

1.5.1 Alcances ....................................................................................................... 12

1.5.2 Limitaciones ................................................................................................. 12

2.Fundamento teórico ........................................................................................... 14

2.1 Antecedentes .................................................................................................. 14

2.1.2 Características Morfológicas de un robot .................................................... 15

2.1.3 Configuracion cartesiana .............................................................................. 15

2.1.4 Cilindrico ....................................................................................................... 15

2.1.5 Presicion de la repetitividad .......................................................................... 15

2.1.6 zonas de trabajo y dimensiones del manipulador ......................................... 15

2.2 Conceptos ....................................................................................................... 22

2.2.2. Servomotores .............................................................................................. 22

2.2.3 Motor de corriente continua .......................................................................... 23

2.2.4 Circuito de control Proporcional ................................................................... 23

2.2.5. Arduino ........................................................................................................ 23

2.2.7. Software LabView ....................................................................................... 24

3

2.2.8. Software SolidWorks….…….........………..…………………………………….24

3. Desarrollo……..……………………………………………………………………….25

3.1 Especificaciones del brazo robótico..................................................................25

3.2 Servomotores empleados en el diseño…………………………………………...25

3.3 Diseño de piezas en SolidWorks……………………......………………………...25

3.3.1 Manufactura de piezas en acrílico………………………………………………26

3.4 Elaboración del brazo robótico…………………………………………………….26

3.4.1 Paso uno: construcción de la base para el brazo robótico…………………...26

3.4.2 Paso dos elaboración del primer eslabón de del brazo robótico…………….26

3.4.3 Paso tres acoplamiento de base y eslabón A.......………….…………………26

3.4.4 paso cuatro ensamblaje del segundo eslabón del brazo robótico..………....26

3.4.5 paso cinco acoplamientos del eslabón A y eslabón B……..………………….26

3.4.6 paso seis acoplamiento de la base para soporte de gripper…..……………..26

3.4.7 paso siete ensamble para soporte de servomotor ………………………...….26

3.4.8 paso ocho construcciones del gripper…………………………………………..26

4 Programación en LabVIEW……………...…………………………………………...33

5 Conexión Arduino………………………………………..……………………………37

6 Resultado ……………………………………………………………………………..39

6.1 Planos realizados en SolidWorks…………...……………………………………..39

6.2 Funcionamiento en Practica………………………………………………………..57

7 Apéndice………………………………………………………………………………..59

7.1 Arduino interfaz LabVIEW………………………………………………………….59

7.2 Instalación de software y hardware……………………………………...………..59

7.3 Instalación del programa “LIFA BASE”……………………………………………61

Conclusiones………………………………………………………………………………V

Bibliografía………………………………………………………………………………...VI

4

Lista de Figuras

Fig.A1 Ubicación de Forjadora Mexicana de Tornillos S.A de C.V………………...11

Fig.A2 Organigrama de Forjadora Mexicana de Tornillos S.A de C.V…………….12

Fig.A3. “Croquis de la Empresa Forjadora Mexicana de Tornillos S.A de C.V”..…12

Fig.A4 “Esquema de la base articulación y eslabón” ………………………………..15

Fig.A5 Tipos de movimientos para una articulación………………………………....16

Fig.A6 Estructuras mecánicas frecuentes en robots industriales…………………. .16

Fig.A7 Robot cartesiano Fuente: Ordoñez, 2010………………………………….....16

Fig.A8 Aplicaciones a nivel industrial………………………………………….………17

Fig. A9. “Grados de libertad”…………………………………………………………...18

Fig.A10 “Servomotor” Fuente: Google imágenes…………………………………….22

Fig.A11. “Ancho de pulso PWM.”……………………………………………….……..22

Fig A12. “Arduino 1”……………………………………………………………………. 23

Fig.A13. “Manufactura a láser en acrílico transparente”…………………………… 26

Fig.A14. “Base del Brazo Robótico”…………………………………………………. 26

Fig.A15. “Base del Brazo Robótico 1”……………………………………………….. 27

Fig.A16. “Primer eslabón del Brazo Robótico”……………………………………….27

Fig.A17. “Acoplamiento de la base de acrílico, el primer eslabón base giratoria”..28

Fig.A18. “Ensamble de la base 1” ……………………………….…..……………….28

Fig.A19. “Ensamble del eslabón 2”……………………………………………………29

Fig.A20. “Ensamble del eslabón 1 con eslabón 2”…………………………………..29

Fig.A21. “Ensamble del tercer eslabón”……………………….……………………...30

Fig.A22. “Ensamble de 3 eslabones”………………………………………………….30

Fig.A 23.” Construcción del ensamble para soporte del efector final”………….….31

Fig.A24. “Pinzas de sujeción”……………………………………………………….... 32

Fig.A25. “Brazo terminado”…………..………………………………………………..32

Fig.A26. “Panel frontal”………………………………………………………………….37

Fig .A27 “Conexión del Arduino fuente: Fritzing”…………………………………….37

Fig.A28 “Base inferior”………………………………………………………………….39

Fig.A29”Base superio”………………………………………………………………….40

Fig.A30” Disco giratorio”………………………………………………………….…….41

Fig.A31 “Colocación de servomotor”..………………………………………………...42

5

Fig.A32 “Eslabón 1 conectado con la base y eslabon 2”………………………..….43

Fig.A33 “Refuerzo central”……………….…………………………………………….44

Fig.A34 “Eslabón 2 conectado al eslabón 1”…………………………….…………..45

Fig.A35 “Eslabón 3 conectado al eslabón 2”………………………………….……..46

Fig.A36 ”Colocacion de servomotor para eslabon 3”………………….…….……...47

Fig.A37 “soporte para servomotor”……………………………………………………48

Fig.A38 “Paleta central” …………………………………..……………………………49

Fig.A39 “Articulaciones para movimiento”……………………………………………50

Fig.A40 “Engrane A”…………………………………………………………….………51

Fig.A41 “Engrane B” ……………………………………………………….…………...52

Fig.A42 “pinza que sujeta al tornillo”………………………………………….……….53

Fig.A43 “Servomotor doble”…………………………………………………………….54

Fig.A44 “Servomotor”……………………………………………………………………55

Fig.A45 “Brazo tomando tornillos Sems en el riel”…………………………………...57

Fig.A46 “Transportando el tornillo Sems”……………………………………………..57

Fig.A47 “Colocando el tornillo Sems”………………………………………………….58

Fig.A48 “Brazo soltando el tornillo en la máquina rolador”………………………….58

Fig.A49 “Programa LabView 2011” ……………………………………………………59

Fig.A50. “Instalación de NI-VISA de National Instruens”..………………….….......59

Fig.A51. “Instalación de VI Package Manager” ……………………………………...60

Fig.A52. “Instalación del programa Arduino desde VI Package Manager” ……….60

Fig.A53. “Iconos para la programación de Arduino LabView”………………………61

Fig.A54. “Instalación del programa Lifa base”………………………………………..61

Fig.A55. “Asignación del puerto COM”………………………………………………..62

Fig.A56” Programa cargado para ser utilizado”……………...……………………….62

6

Lista de tablas

Tabla1. Características de los robots industriales…………………………………...20 Tabla 2. Aplicaciones de los brazos robóticos en la industria……………………...21 Tabla 3. Iconos de LabView……………………………………………………………34

Tabla 4 Iconos de panel frontal……………………………………………………….36

Tabla 5 planos del brazo robótico …………………………………………………….38

Tabla 6 Diagrama de flujo……………………………………………………………...56

7

Lista de acrónimos

SEMS: Tornillo con Autoblocante de seguridad

CAD: Dibujo Asistido por Computadora.

VISA: Software Arquitectura Instrumento Virtual.

NI: Instrumento Nacional.

VI: Instrumento Virtual.

COM: Modelo Objeto Componente.

LPT: Terminal de Impresión en Línea.

LIFA: Arduino Para Interfaz LabView.

PRP: Prismática Revoluta Prismática.

RPR: Revoluta Prismática Revoluta.

8

Resumen

El trabajo presenta el diseño y desarrollo de un brazo robótico de 6 grados de

libertad que es utilizado para la fabricación de tornillos Sems en la empresa

Forjadora Mexicana de Tornillos S.A de C.V.

El brazo robótico trabaja tomando un tornillo con arandela integrada llamado Sems

que se encuentra colocado sobre un riel, para luego desplazarlo a una maquina

roladora y formar la cuerda del tornillo, esta es la secuencia del brazo,

anteriormente este proceso lo realizaban manualmente, con la implementación del

brazo robótico a la empresa se brindara una mayor producción y reducirá costos

en mano de obra para la fabricación de los tornillos Sems.

9

Introducción

El campo de la robótica industrial puede definirse como el estudio, diseño y uso de

robots para la ejecución de procesos industriales. Más formalmente, el estándar

ISO (ISO 8373:1994, Robots industriales manipuladores – Vocabulario) define un

robot industrial como un manipulador programable en tres o más ejes

multipropósito, controlado automáticamente y reprogramable.

El presente trabajo tiene como objetivo principal el diseño y creación de un brazo

robot de seis grados de libertad. Con este sistema se logrará dar una mayor

eficacia en la producción de tornillos Sems. En conjunto con el diseño se hará una

aplicación basada en un sistema de instrumentación virtual empleando el software

LabView de la empresa National Instruments.

Así mismo se creará la interfaz visual reprogramable para controlar el brazo

robótico.

La elaboración del brazo robótico es para la fabricación de Tornillos Sems, donde

la tarea del robot consiste que un Tornillo con una arandela integrada se coloque

en una maquina roladora, logrando una mayor aceleración del tiempo en la

producción de Tornillos Sems. La planeación para el desarrollo en físico del Brazo

Robótico, para sus 6 grados de libertad, las limitaciones y el material con el que

se elaborara.

10

1 Generalidades

1.1 Objetivos

1.1.2 Objetivos generales

Diseñar la estructura del Brazo Robótico y su sistema de control a partir del

software LabView que será manipulado, todo esto en sincronía con la

maquina roladora y la tómbola vibratoria por donde descenderán los Tornillos

Sems sobre el riel.

1.1.3Objetivos Particulares.

Determinar los aspectos para diseñar y construir un brazo robótico.

Realizar el análisis de pesos y dimensiones de las articulaciones.

Diseñar la estructura del robot, de tal forma que los mecanismos, y

servomotores puedan acoplarse apropiadamente.

Plantar el sistema de control LabView, en donde realice una interfaz con los

servomotores mecanismos del robot.

Elaboración de la interfaz que permita la comunicación entre Arduino –

Computadora implementando el control en LabView.

Diseñar y desarrollar el programa que controle al robot y que permita que

este pueda ser programado para ejecutar ciertas labores.

Ajustar la velocidad y posición del brazo robótico con la maquina roladora.

1.2 Justificación

La industria de los tornillos requiere la implementación de tecnologías, las cuales

aumenten la productividad y eficiencia en las diferentes empresas productoras de

tornillo.

La empresa ‘Forjadora Mexicana de Tornillos S.A de C.V.’ ha implementado el

diseño de un brazo robótico para mejorar la productividad en la fabricación del

Tornillo Sems. La demanda de este tipo de tornillo es alta en la industria tornillera

ya que tiene distintas aplicaciones para ser requerida por diversas compañías

(electrónica, automotriz, constructoras, etc.) Con la mano de obra humana se

genera un retardo de tiempo en la salida del producto y un costo más elevado; por

lo tanto al implementar el brazo robótico se cumple con la producción requerida.

11

1.3 Caracterización de la empresa

Es una empresa metal-mecánica que se dedica a la fabricación de todo tipo de

tornillos y sujeción, como son: tipo máquina, milimétricos, pija, remaches, espiga, y

tornillos no ferrosos como cobre, latón aluminio y acero inoxidable, especialidades

para las empresas armadoras de enseres Koblenz electrodomésticos, telefonía y

automotriz; contando con más de 200 clientes.

1.3.1 Datos generales de la empresa

Forjadora Mexicana de Tornillos S.A. de C.V., es una empresa cien por ciento

mexicana fundada en el año de 1991, se encuentra instalada en una superficie de

480 m2, localizada en la Calle de San Luis No. 20, nave 4a Lomas Estrella,

Delegación Iztapalapa Distrito Federal, C.P. 090308 (Ver Fig. A1).

Teléfono: (55) 56-56-59-47; (55) 56-56-19-02

Correo electrónico: gerard389@hotmail.com

Web: www.fmtor.com.mx

Fig.A1 Ubicación de Forjadora Mexicana de Tornillos S.A de C.V

12

1.3.1.2 Organigrama de la empresa (Ver Fig. A2).

1.3.2 Descripción del departamento o área de trabajo

Nombre del departamento: Área de producción

Misión: Solventar las necesidades de nuestros clientes y apoyarlos en medidas

especiales que requieran en todo tipo de tornillería.

Visión: Aumentar la productividad para así abarcar más mercado a nivel nacional.

Croquis de la empresa (Ver Fig. A3).

.

Dirección General

Área Administrati

va

Secretaría

Contador

Asesor Legal

Área de Producción

Técnicos Calificados

Mano de Obra

Limpieza

Área de Ventas

Gerente de Ventas

Choferes

Velador

Fig. A2 “Organigrama de Forjadora Mexicana de Tornillos S.A de C.V”

Fig. A3. “Croquis de la Empresa Forjadora Mexicana de Tornillos S.A de C.V”..

13

1.3.3 Descripción del área de producción.

El área de rolada cuenta con 5 máquinas roladoras grandes de diferentes medidas

en pulgadas para rolar tornillos de las medidas siguientes: 5/16”, 1/2”, 1/4”, 1”, y

hasta 2”. Cuenta con otras 3 pequeñas medidas para tornillos o birlos de 0.4 mm

0.6 mm y 0.8 mm.

El área de fabricación de roscas es la encargada de formar la cuerda de los tornillos

5/16 x 1 pulgada. Para la formación de la cuerda en los tornillos se necesita una

maquina roladora de 1 pulgada en donde la tómbola vibratoria va a llevar los tornillos

al riel por donde se deslizaran hasta llegar al botador, el cual los empujará hacia

donde se encuentran los peines, entonces el tornillo se colocara en medio de los

peines para tener una compresión de tal forma que el tornillo saldrá con cuerda.

Una vez teniendo el ajuste de maquina se enciende para hacer prueba y error, si

esto tiene algún error se procederá de nuevo ajustar la máquina de lo contrario si

queda bien se continua con el proceso.

1.4 Problemas a resolver

La demanda del Tornillo Sems ha incrementado en los últimos 6 meses; por lo tanto

la empresa requiere aumentar su producción para poder realizar sus entregas en

tiempo y forma. La fabricación es manual por lo tanto no se cubre con los objetivos

en tiempo y forma. Una de las alternativas para cubrir con la demanda es el contrato

de personal; pero esto involucra un aumento de gastos a la empresa y por lo tanto

no es una alternativa viable.

La creación del brazo robótico aumentará la productividad en la elaboración de los

Tornillos Sems.

14

1.5 Alcances y limitaciones

1.5.1 Alcances

El brazo robótico puede tener una producción máxima de 800 tornillos por hora y se

reprograma para tornillos de diferente diámetro menores a una pulgada esto nos

permite lograr mayor uniformidad en la producción.

1.5.2 Limitaciones

El brazo robótico puede producir tornillos no más de dos pulgada de diámetro por

que el Gripper no está adecuado para tales dimensiones.

El brazo debe estar sujetado sobre una base fija y lo suficientemente rígida y fuerte

como para sostener su peso, que es relativamente poco (aproximadamente de 8

kilogramos) y de soportar la presión que se ejerce sobre ella producida por la

palanca que forma el brazo extendido, el prototipo al ser alambico tiene un alcance

limitado por la longitud de la extensión con que se conecta a la computadora,

además es necesario evitar pérdidas de señal en la transmisión provocadas por

extensiones largas.

2 Fundamento Teórico

2.1 Antecedentes

La robótica es la ciencia y tecnología de los robots. Se ocupa del diseño,

manufactura al igual aplicaciones de los robots. La robótica combina diversas

disciplinas como son: la mecánica, la electrónica, la informática, la inteligencia

artificial, la ingeniería de control etc. Otras áreas importantes en robótica son el

álgebra, los autómatas programables, las máquinas de estados. (Gil 2009).

Clasificación de los robots según su cronología.

La que a continuación se presenta es la clasificación más común:

1ª Generación.

Manipuladores. Son sistemas mecánicos multifuncionales con un sencillo sistema

de control, bien manual, de secuencia fija o de secuencia variable.

2ª Generación.

Robots de aprendizaje. Repiten una secuencia de movimientos que ha sido

ejecutada previamente por un operador humano. El modo de hacerlo es a través

15

de un dispositivo mecánico. El operador realiza los movimientos requeridos

mientras el robot le sigue y los memoriza.

3ª Generación.

Robots con control con sensor. El controlador es una computadora que ejecuta las

órdenes de un programa y las envía al manipulador para que realice los

movimientos necesarios.

2.1.2 Características Morfológicas de un robot

El robot adopta una estructura de cadena cinemática abierta, en la que los

eslabones son los elementos rígidos y las articulaciones son las que permiten el

movimiento relativo entre otros sucesivos eslabones. Por lo general un extremo de

la cadena es fijo (base) y el otro es libre, en el cual se sitúa un elemento de trabajo.

(Ver Fig. A4)

Fig. A4 “Esquema de la base articulación y eslabón”.

La constitución física de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta

similitud con la anatomía del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer

referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan términos

como cuerpo, brazo, codo y muñeca. (Martínez, 2008)

El movimiento de cada articulación puede ser de desplazamiento, de giro, o una

combinación de ambos. De este modo son posibles los seis tipos diferentes de

articulaciones, aunque, en la práctica, en los robots sólo se emplean la de rotación

y la prismática. (Ver Fig. A5)

16

El empleo de diferentes combinaciones de articulaciones en un robot, da lugar a

diferentes configuraciones con características a tener en cuenta tanto en el diseño

y construcción del robot como en su aplicación. Las combinaciones más

frecuentes (Ver Fig. A6) donde se atiende únicamente a las tres principales

articulaciones del robot, que son las más importantes a la hora de posicionar su

extremo en un punto del espacio (Ordoñez, 2010).

2.1.3Configuración cartesiana.

Cuando el brazo de un robot se mueve de modo rectilíneo, es decir, en las

direcciones de las coordenadas x, y y z del sistema de coordenadas cartesianas

rectangulares diestras, (Ver Fig. A7), se le llama tipo cartesiano o rectangular.

Fig. A5 Tipos de movimientos para una articulación.

Fig. A6. Estructuras mecánicas frecuentes en robots industriales.

Fig. A7 Robot cartesiano.

17

Se llama a los movimientos desplazamiento x, altura o elevación y y alcance z del

brazo. Su espacio de trabajo tiene la forma de una caja o de un prisma

rectangular.

Un robot cartesiano necesita un espacio de gran volumen para su operación (Ver

Fig.A8), estos son muy utilizados para la colocación de chasis, medallones, cofres

en la industria automotriz y para hacer moldes en la industria mueblera.

2.1.4 Cilíndrico

Se trata de un robot RPP, con movimiento rotacional en la base y dos ejes lineales

perpendiculares, el segundo de ellos paralelo al de la base. Su eje rotacional hace

que este robot presente una mejor maniobrabilidad y velocidad que el robot

cartesiano.

Puede realizar dos movimientos lineales y uno rotacional, o sea, que presenta tres

grados de libertad. El robot de configuración cilíndrica está diseñado para ejecutar

los movimientos conocidos como interpolación lineal e interpolación por

articulación. La interpolación por articulación se lleva a cabo por medio de la

primera articulación, ya que ésta puede realizar un movimiento rotacional.

Fig. A8 Aplicaciones a nivel industrial

18

2.1.5 Precisión en la repetitividad

Esta magnitud establece el grado de exactitud en la repetición de los movimientos

de un manipulador al realizar una tarea programada. Dependiendo del trabajo que

se deba realizar, la precisión en la repetitividad de los movimientos es mayor o

menor. Así por ejemplo, en labores de ensamblaje de piezas, dicha característica

ha de ser menor a +-0.1mm. En soldadura, pintura y manipulación de piezas, la

precisión en la repetitividad está comprendida entre 1 y 3mm y en las operaciones

de mecanizado, la precisión ha de ser menor de 1mm.

Cuando hablamos de grados de libertad se refiere al movimiento de un espacio

tridimensional, es decir, la capacidad de moverse hacia delante/atrás, arriba/abajo,

izquierda/derecha (traslación en tres ejes perpendiculares), combinados con la

rotación sobre tres ejes perpendiculares Guiñada, Cabeceo, Alabeo (Ver Fig. A9).

El movimiento a lo largo de cada uno de los ejes es independiente de los otros, y

cada uno es independiente de la rotación sobre cualquiera de los ejes. Los brazos

de un Robot, a menudo son categorizados por sus grados de libertad (por lo

general más de seis grados de libertad). Este número generalmente se refiere al

número de un solo eje de rotación de las articulaciones en el brazo, donde un

mayor número indica una mayor flexibilidad en posicionar una herramienta. Esta

es una métrica muy práctica, en contraste a la definición abstracta de los grados

de libertad, que mide la capacidad global de posicionamiento de un sistema.

La mayoría de las aplicaciones industriales requieren 6 grados de libertad, como

las de la soldadura, mecanizado, entre otras más complejas reciben un número

mayor, tal es el caso en las labores de montaje. Tareas más sencillas y con

movimientos más limitados, como las de la pintura, suelen exigir 4 o 5 grados de

libertad. Gil 2009.

Fig. A9. “Grados de libertad”

19

2.1.6 Zonas de trabajo y dimensiones del manipulador.

Las dimensiones de los elementos del manipulador, junto a los grados de libertad,

definen la zona de trabajo del robot, característica fundamental en las fases de

selección e implantación del modelo adecuado. La zona de trabajo se subdivide en

áreas diferenciadas entre sí, por la accesibilidad especifica del elemento terminal

(aprehensor o herramienta), es diferente a la que permite orientarlo verticalmente

o con el determinado ángulo de inclinación también queda restringida la zona de

trabajo por los limites de giro y desplazamiento que existen en las articulaciones.

Los robots han sido utilizados para diferentes tareas en el transcurrir de los años,

cada vez tienen diferentes características que los hacen más productivos y más

específicos.

La creación de robots para uso en la industria ha ido incrementando debido a que

logran beneficios para las empresas que los utilizan. En el caso de la industria del

tornillo se van implementando nuevas tecnologías.

La empresa ‘Forjadora Mexicana de Tornillos S.A. de C.V.´ se dedica a la

fabricación de tornillos especiales, dentro de estos tornillos se encuentra el tipo

Sems, el cual ha venido teniendo un incremento en la demanda; por tanto ha sido

necesaria la implementación de una tecnología que permita cumplir con los

pedidos en tiempo y forma.

El proyecto implementado es la creación del brazo robótico de 6 grados de

libertad. (Ordoñez,2010)

20

Tabla 1. Características de los robots industriales (Bolton, 2011)

Tipo de

accionamiento

Eléctrico

Neumático

Hidráulico

Entrada-Salida Digital-Analógica

En línea-serie

Mantenimiento, curso de

formación

Modo de

programación

Enseñanza-guiado

Programa

Tarea

Tipos de

movimiento Circular

Lineal

Spline

Punto a punto PTP

Coordinado

Trayectoria continua

Fuerza

Frecuencia de resonancia

De agarre

Carga máxima

Control de

fuerza-par

Dinámicas

Velocidad nominal máxima

Aceleración y desaceleración

Calidad de una

línea recta o arco

Distancia tras

emergencia

Repetitividad

Resolución

Precisión al

mover el mínimo

incremento

Errores en el

seguimiento de

trayectorias

Error de

posicionamiento

Grados de libertad

Costo

Servicios

Comunicación

Cinemáticas

Geométricas

Características

de los robots

industriales

21

Tabla 2. Aplicaciones de los brazos robóticos en la industria (Bolton, 2011)

Aplicaciones de la

robótica en la

industria

Formación, enseñanza e

investigación

Al arco

Por puntos

Láser

Otros

Moldes

Otros

Manipulación de materiales

Medición, inspección-control de

calidad

Montaje mecánico

Inserción

Unión por adhesivos

Unión por soldadura

Manipulación para

montaje

Otros

Láser

Chorro de agua

Pintura

Adhesivos y secantes

Otros

Fundición

Moldeo de plásticos

Tratamientos térmicos

Forja y estampado

Soldadura

Corte

Montaje

Palatización

Aplicación de materiales

22

2.2 Conceptos

2.2.2. Servomotores

Un servomotor es un dispositivo que tiene la capacidad de ubicarse en cualquier

posición dentro de un rango de operación y estar equilibrado en dicha posición.

Esto está conformado por un motor de Corriente continua, una caja reductora, y un

circuito de control Proporcional.

Los servomotores tienen 3 terminales

Positivo: recibe la alimentación de 4-9 voltios con 2 amperes

Negativo: referencia de motor 0 voltios

Entrada de señal: recibe la señal del control del motor

Los colores de los servomotores son diferentes dependiendo de los fabricantes en

este caso se ocupó los tower pro mg995 (Ver Fig. A10).

1 Color amarillo: control

2 Color rojo: 5v

3 Color café: gnd

1

2

3

El control de un servomotor, la tensión de alimentación puede estar comprendida

entre los 4 y 8 voltios. El control de servomotor depende del ancho de pulso PWM

(Ver Fig. A11)

Fig. A10 “Servomotor

Fig. A11. “Ancho de pulso PWM”

23

Para mantener el servomotor en una posición es necesario enviarle continuamente

una señal con la posición deseada. De esta forma el servo permanecerá en la

posición y resistirá a fuerzas externas que intenta cambiar su posición si los

pulsos no son enviados, el servomotor queda liberado y cualquier fuerza externa

puede cambiarlo de posición El tiempo en alto de la señal de PWM de control el

servo varia de 180 cada 20 milisegundos 50hz los servomotores pueden ser

controlados grado a grado.

3.2.3 Motor de corriente continua

Es un elemento importante ya que es el que brinda la movilidad al servo .el engranaje reductor se encarga gran parte de la velocidad de giro del motor de corriente continua en torque.

2.2.4 Circuito de control Proporcional

Este circuito es encargado del control de la posición del motor que recibe los

pulsos de entrada y ubica al motor en su nueva posición dependiendo del ancho

de pulso.

2.2.5. Arduino

Arduino uno (Ver Fig.A12) es una plataforma de hardware de código abierto,

basada en una sencilla placa con entradas y salidas, analógicas y digitales, en un

entorno de desarrollo que está basado en el lenguaje de programación

Processing. Es un dispositivo que conecta el mundo físico con el mundo virtual, o

el mundo analógico con el digital.

Fig A12. “Arduino 1”

24

2.2.7. Software LabView

LabView (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) es un lenguaje de

programación gráfico para el diseño de sistemas de adquisición de datos,

instrumentación y control. LabView permite diseñar interfaces de usuario mediante

una consola interactivo basado en software. Usted puede diseñar especificando su

sistema funcional, su diagrama de bloques o una notación de diseño de ingeniería.

LabView es a la vez compatible con herramientas de desarrollo similares y puede

trabajar con programas de otra área de aplicación, como por ejemplo Matlab.

Tiene la ventaja de que permite una fácil integración con hardware,

específicamente con tarjetas de medición, adquisición y procesamiento de datos.

2.2.8. Software SolidWorks

Es un modelador de sólidos paramétrico. Fue introducido en el mercado en 1995

para competir con otros programas CAD como Pro/ENGINEER,NX, Solid Edge,

Autodesk Inventor, CATIA.

El programa permite modelar piezas y conjuntos y extraer de ellos tanto planos

técnicos como otro tipo de información necesaria para la producción. Es un

programa que funciona con base en las nuevas técnicas de modelado con

sistemas CAD. El proceso consiste en trasvasar la idea mental del diseñador al

sistema CAD, "construyendo virtualmente" la pieza o conjunto. Posteriormente

todas las extracciones (planos y ficheros de intercambio) se realizan de manera

bastante automatizada.

25

3 Desarrollo

3.1 Especificaciones del brazo robótico

No de Ejes 5 + Gripper; rotación en la muñeca

Distancia entre base y codo = 3,75"

Distancia entre codo y muñeca = 4,75"

control = lazo cerrado local por medio de servomotores

Altura= 6"

Altura (estirado) = 14"

Distancia media de avance= 9,5"

Apertura del gripper = 1.25"

Capacidad de carga (brazo extendido) = 4 oz

Peso = 24oz

Rango de movimiento por eje = 180 grados

Precisión de movimientos por eje =32 0.09 grados

voltaje de servos = 7 vdc

3.2 Servomotores empleados en el diseño

Servomotor 1: base giratoria del brazo robot Servomotor 2-1: articulación del hombro para levantar el eslabón 1 del brazo Servomotor 2-2: articulación del hombro para levantar el eslabón 1 del brazo Servomotor 3: articulación del codo para levantar el eslabón 2 Servomotor 4: Movimiento de muñeca Servomotor 5: rotación de muñeca Servomotor 6: servomotor para el accionamiento del Gripper

3.3 Diseño de piezas en SolidWorks

Las dimensiones de las piezas para el brazo robótico fueron diseñadas conforme a

la necesidad de espacio de trabajo y el peso que soporta en cada una de sus etapas

como son: hombro, codo, brazo, muñeca y Gripper. Todos los planos vienen en el

apartado de resultados con especificaciones, piezas realizadas, espesor

26

3.3.1 Manufactura de piezas en acrílico

Las piezas se realizaron en una maquina de corte a laser, la cual funciona de la

siguiente manera:

Se debe tener los planos en cualquier tipo de estos programas SolidWorks,

Autocad, Pro/ENGINEER, NX, Solid Edge, Autodesk Inventor o CATIA.

En este caso se trabajo con Solid Work, una vez que tenemos los planos de cada

pieza se debe convertir el tipo de archivo de Solid Work Assembly Document

(.SLDASM) al Archivo DXF (.DXF) para ser compilarlo en la computadora después

se pasa a la maquina a laser para empezar a cortar y grabar la pieza

(Ver Fig. A13).

3.4 Elaboración de brazo robótico

4.4.1Pasó uno: construcción de la de base para brazo robótico

Contando con el diseño, dimensiones y especificaciones deseadas lo que se

procedió es manufacturar las piezas en una maquina a laser las cuales se observan

en la (Tabla 5). Se ensamblara la base superior, la base inferior y disco giratorio el

cual girara sobre su propio eje del brazo, lo que formara el primer grado de libertad,

que adquiere la función de un codo (Ver Fig. A14, A15).

Fig. A13. “Manufactura a láser en acrílico transparente”

Fig. A14. “Base del Brazo Robótico”.

27

3.4.2 Paso dos: elaboración del primer eslabón del brazo robótico

Ya que se montaron las piezas para formar la base, se realizara el ensamble del

primer eslabón el cual se representa como eslabón “A” que es conectado con dos

servomotores que forma nuestro segundo grado de libertad (Ver Fig. A16).

Teniendo el acople del eslabón “A” este debe ser articulado a la base donde se

ensamblaran el par de servomotores que harán el segundo grado de libertad, dará

como resultado la unión del eslabón “A” y la base de acrílico (Ver Fig. A17).

Fig. A15. “Base del Brazo Robótico 1”.

Fig. A16. “Primer eslabón del Brazo Robótico”

28

3.4.3Pasó tres: acoplamiento de base y eslabón A

Se tiene la unión entre el “eslabón A” y la base que conforma el segundo grado de

libertad (Ver Fig. A 18)

Fig. A18. “Ensamble de la base”

De esta manera queda completa la base sobre la cual gira el brazo robótico en dos

direcciones, es decir, sobre su propio eje y sobre el plano x, z. Por lo tanto estos

sub ensambles forman lo que es el codo y con esto queda los primeros dos grados

de libertad.

Fig. A17. “Acoplamiento de la base de acrílico y el primer eslabón con base giratoria”

29

3.4.4 Paso cuatro elaboración del segundo eslabón del brazo robótico.

Se realizara el ensamble para el segundo eslabón el cual se le asignara como

“eslabón B” que se relacionara con el “eslabón A” y “eslabón B”. (Ver Fig. A19)

3.4.5 Pasó cinco acoplamientos del “eslabón A” y “eslabón B”

Teniendo el ensamble del “eslabón B” se procede a incorporarlo al “eslabón A”

mediante el servomotor que forma el tercero y cuarto grado de libertad con esto se

crea la estructura formada por los dos eslabones. (Ver Fig. A20)

Fig. A19. “Ensamble del eslabón B”.

Fig. A20. “Ensamble del eslabón A con eslabón B”

30

3.4.6Paso seis Acoplamiento de base para soporte de Gripper

Se realizara el ensamble para formar el “eslabón C” el cual estará relacionado con

el efector final o Gripper (Ver Fig.A21).

Terminado el ensamble del “eslabón C” se procede a conectarlo con el “eslabón

B” que contiene el tercero y cuarto grado de libertad el cual funciona como

rotación de muñeca por medio del servomotor (Ver Fig. A22).

3.4.7Paso siete ensamble para soporte del efector final

0.1Fig. A21. “eslabón C”

0.2Fig. A22. “eslabón C conectado al eslabón B”

31

La manera en que se realiza el siguiente ensamblado es colocar el servomotor en

un orificio de acrílico el cual contara con dos bases en cada extremo las cuales

serán pegadas con pega acrílico. Una vez realizado, se contara con el

accionamiento de apertura o cierre de la pinza (Ver Fig.A23).

0.3Fig. A 23.” Construcción del ensamble para soporte del efector final

3.4.8 Paso ocho construcciones del gripper

Se empezara la construcción uno de los ensambles con mayor grado de dificultad

debido a que contiene muchas piezas móviles y es necesario ser preciso para evitar

malos ajustes por el que primero se inserta el servomotor hacia una base de acrílico

que esta doblada con dirección al engranaje del Gripper después de esto se

colocara una rueda metálica que lleva por dentro un resorte esto es para que cuando

haga el giro el servo tenga una cierta tolerancia, ya una vez que cuenta con esto

se insertan los engranes A y B para que tenga juego el Gripper de esta manera el

servo transmite movimiento hacia las pinzas de sujeción (Ver Fig.A24).

32

Conexión del sub ensamble del Gripper con el sub ensamble de la conexión del

Gripper hacia el brazo

Una vez contando con los dos sub ensambles se procede a unirlos mediante la

cabeza de un servo con esto tendremos listo todo el ensamble completo del Gripper

con la cual el sexto grado de libertad (Ver Fig.A25).

4Fig. A24. “Pinzas de sujeción”

5Fig. A25. “Brazo terminado”.

33

4 Programación en LabView

En la programación para el brazo robótico se indican los siguientes puntos:

Controlar 7 servomotores que puedan hacer movimientos de 0° a 180°

y que sean asignados en cualquier posición dentro del rango.

Los servomotores puedan grabar más de 8 minutos sus movimientos

que obtuvieron durante su posicionamiento y después reproducirlos

para ejecutar el programa.

Guardar en un block de notas las posiciones que obtuvieron al

momento de ser grabadas, por si es llegado a requerir ese mismo

posicionamiento solo buscar en la carpeta y cargar el programa

nuevamente.

Tener un control de velocidad por si es que las posiciones se grabaron

muy pausadas esto le ayude a ser más rápido el funcionamiento de

los servomotores.

Tener un botón de paro por cualquier emergencia que llegue a

presentarse.

La Tabla 3 se muestra los iconos y su descripción de cada uno de ellos los cuales

son requeridos para la programación del brazo.

34

Tabla 3 Iconos de LabView

ICONOS LABVIEW DESCRIPCION

Int: Es el inicio del programa en la que se configura el puerto COM al igual que los Baudios y el tipo de conexión a trabajar como son USB, Xbee, Bluethoo.

Set number of servos: Son los números de los servomotores a controlar.

Configure servo: Se le asigna un número de servomotor y también se le asigna el número del pin en la salida de Arduino.

Servo write angle: Se escribe la posición del servomotor de 0° a 180° y se le asigna el número de servomotor para el cual se trabaja.

Servo read angle: Lee la posición del servomotor, la cual se puede graficarla en el panel frontal con un control de LabView y también se le asigna el número de servomotor que se trabaja.

Arduino Close: Indica el final del programa de la placa Arduino.

Error: Verificar si corre el programa, en caso de que no corra manda un mensaje al panel frontal de error.

35

While Loop: El funcionamiento es repetir uno o más veces el programa dentro del mismo.

Event Structure: Funciona ejecutando uno o varios eventos dentro del mismo programa dependiendo de la estructura de programación.

Case Structure: Sirve como un subprograma para evaluar condiciones verdaderas o falsas para que ejecute el programa.

Array Size: Devuelve el número de elementos en cada dimensión de la matriz.

Index Array: Devuelve los elementos o submatriz de n matriz unidimensional en el índice.

Great or Equal: Realiza un comparativo del programa si x es igual o mayor a y lo ejecuta de lo contrario no continuara el programa.

Increment: Incrementa uno ala salida respecto a la entrada.

Unbundle By Name: Verifica el status del programa para saber si existe un error en tiempo real y eso mandarlo al fin del programa dentro del ciclo.

36

Or: Valida si la entrada es verdadera del programa entonces no manda ningún error a la salida del estatus y en caso contrario activa el botón de para cuando sea Falsa la información.

Lector análogo de grados: Muestra en que ángulo se encuentra el servomotor.

Potenciómetro análogo: controla los movimientos del servomotor.

Botonera con enclave: representan los botones para correr, guardar y parar el programa.

Tabla 4 Iconos de panel frontal

37

Panel frontal (Ver Fig.A26) es el tablero de control de LabView es el control del

brazo robótico el cual tiene el botón para el giro de servomotor, los indicadores

cuando se manipula el botón de movimiento, botón de paro, botón de inicio, botón

de guardar, control de velocidad y paro.

Fig. A26. Panel frontal Fuente: NI

5 Conexión de Arduino

Para la conexión de Arduino a los servomotores se utilizaron los pines de salida :

2,3,4,5,6,9,10,11 la cual son salidas digitales y van conectadas a la señal de

color amarillo, el rojo se conecta a 9 voltios y negro a tierra, la cual se conecta

con el pin de salida GND de Arduino como se muestra en la siguiente figura. (Ver

Fig. A27)

Fig. A27”Conexión del Arduino fuente: Fritzing”

Se presentan los siguientes planos de la formación del brazo robótico: número de piezas manufacturadas, el espesor, peso, dimisiones y material con el que fue hecho todo esto hacen referencia a la (Tabla 5) que también indica como es ensamblado desde la base hasta el efector final.

38

Tabla 5 planos del brazo robótico FIGURA NOMBRE DE LA PIEZA DESCRIPCION

A28 Base inferior La base sujeta todo el peso del brazo y

va instalado sobre una base metálica.

A29 Base superior Esta base es atornillada con la base

inferior la cual lleva un rectángulo en el

centro para colocar un servomotor.

A30 Disco Giratorio Se ensamblara el disco sobre el

servomotor para dar movimiento de

180°.

A31 Colocación de servomotor Son dos piezas que contienen un

servomotor de cada lado, que están

pegadas al disco giratorio.

A32 Eslabón 1 conectado a la base El eslabón es sujetado con tornillos

correspondientes con los diámetros que

tienen los servomotores para tener

movimiento.

A33 Refuerzo central Sirve para unir los eslabones y tener

más fuerza.

A34 Eslabón 2 conectado al eslabón

1

Son dos piezas que están dentro de dos

servomotores dobles que van sujetados

con el eslabón uno al igual que el tres.

A35 Eslabón 3 conectado al eslabón

2

Este eslabón se conecta con el eslabón

2, con un servomotor doble y va pegado

con la colocación de servomotor para

eslabón tres.

A36 Colocación de servomotor para

eslabón 3

Sirve como base para servomotor, que

proporciona movimiento de muñeca.

A37 Soporte para servomotor La pieza está colocada sobre la

(Figura. 44 ) para abrir o cerrar la pinza

A38 Paleta central Sirve para unir las articulaciones del

efector final.

A439 Articulaciones para movimientos Van colocada con tornillos y tuercas de

seguridad para dar movimiento al

engrane, pinza y paleta central.

A40 Engrane A Cede el movimiento con el engrane B

A41 Engrane B Cede el movimiento con el engrane A

A42 Pinza que sujeta el tornillo Esta pinza o efector final que tomara el

tronillo Sems para ser rolado.

A43 Servomotor doble Son dos de forma digital que tiene

rotación de 180°.

A44 Servomotor Son cinco de forma digital que tiene

rotación de 180°.

39

6 RESULTADOS

6.1 Planos realizados en SolidWorks

Base superior figura A29

40

41

Figura: A29

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

Tabla 7 Diagrama de flujo Arduino interfaz LabVIEW

No

SI

NO

Arduino LabView

instalados en PC

Arduino

conectado

Cargando

librerías

Fin

Arduino interfaz LabView

57

6.2 Funcionamiento en práctica

Paso 1 Para colocar el brazo robótico en posición de home (Ver Fig. A53) es

elemental tener encendido la fuente de alimentación del brazo robótico, esta

posición se da automáticamente, porque queda guardada la última manipulación del

brazo, si es requerido poner en otra posición de home se puede hacer manejado

desde el panel de control.

0.6Fig.A45 “Brazo tomando tornillos Sems en el riel”.

Paso 2 Se maneja desde el panel de control para llevar el brazo hacia el riel que

se encuentra del lado derecho para tomar los tornillos (Ver Fig.A54), todos los

movimientos fueron manipulados para después guardarlos en un block de notas

para ejecutar el programa.

Fig.A46 “Transportando el tornillo Sems”

58

Paso 3 El brazo es llevado hacia el lado izquierdo con el tornillo en la pinza (Ver

Fig. A54) pasando por la posición de home, de igual manera se manipularon los

movimientos a través del panel de control y se guardaron en un block de notas para

ejecutar el programa.

0.7Fig. A47 “Colocando el tornillo Sems”

Paso 4 El brazo suelta el tornillo en la maquina roladora (Ver Fig. A55) para que

se forme la cuerda al tornillo, después de que ya se guardaron las posiciones y el

brazo realizo su funcionamiento correctamente se le puede dar una mayor

velocidad.

0.8Fig. A48 “Brazo soltando el tornillo en la máquina rolador”

59

7 Apéndice

7.1 Arduino interfaz LabView

La interfaz de LabView para Arduino (LIFA) Toolkit es una herramienta gratuita que

se puede descargar desde el servidor de NI (National Instruments) y que permite a

los usuarios de Arduino adquirir datos del micro controlador Arduino y procesarlos

en el entorno de programación gráfica de LabView. Para utilizar la aplicación LIFA

no es necesario disponer de una versión comercial de LabView basta con adquirir

el software LabView Student Edition que se distribuye por destinos medios a un

precio muy accesible.

7.2 Instalación del Software y el Hardware Se describirá los pasos para poner en marcha la herramienta LIFA (LabView para

Arduino).

El primer paso es instalar en la computadora el software LabView como se observa

a continuación su logotipo (Ver Fig. A49).

El segundo paso es instalar la librería NI-VISA (Ver Fig.A50). La librería se baja de

la página principal de National Instruments.

Fig. A49 “Programa LabView 2009”.

60

La instalación del VI Package Manager servirá para instalar el Tool-kit de Arduino

para LabView. En algunos casos al momento de instalar la versión de LabView ya

viene instalado el VI Package Manager, en caso que no venga instalado es

necesario arrastrarlo de la carpeta, el cual se encuentra dentro del mismo paquete

de LabView.(Ver Fig. A51).

Fig. A51. “Instalación de VI Package Manager”

Terminada la instalación se ejecuta el programa VI Package Manager, después se

busca la instalación de Arduino en el presente programa, una vez encontrado se

instala (Ver Fig. A52.)

Fig. A52. “Instalación del programa Arduino desde VI Package Manager”

Fig. A50. “Instalación de NI-VISA de National Instrument”.

61

Ya instalado el “visa-5.1.1 y el tool-kit en LabView” aparecerán las herramientas

necesarias para que se pueda empezar a programar como se ve en la observa en

la (Fig. A53), además de que contiene unos ejemplos que vienen dentro de la

instalación.

7.3 Instalación del programa “LIFA BASE” Al micro controlador en este caso el Arduino no importando el modelo, sea abrirá el

software programador de Arduino y se cargara el programa “LIFA_Base” el sketch

viene dentro del driver que se descargara en la siguiente ruta en <LabView> \ vi.lib

Interface \ LabView para Arduino \ Firmware \ LVIFA_Base como se muestra. ). (Ver

Fig. A 54)

Fig. A53. “Iconos para la programación de Arduino LabView”.

62

Para asegurarse de que el Arduino ya está instalado se abre el administrador de

dispositivos y se dará un clic izquierdo sobre puertos (COM Y LPT) la cual

abrirá una serie de puertos, en este caso el puerto que se asigno fue el puerto

(COM5). (Ver Fig. A 55)

Fig. A55. “Asignación del puerto COM”.

Cargar la interfaz de LabView para firmware Arduino solo se provee un clic

derecho en COM y quedara lista la instalación de la interface Arduino LabView.

(Ver Fig. A 56)

Fig. A56 Programa cargado para ser utilizado

0.9Fig. A54. “Instalación del programa Lifa base”.

63

Conclusiones

I) El mayor aporte del brazo robótico a la empresa es que ha contribuido al

mejoramiento de la producción minimizando el tiempo de fabricación mejorando la

calidad y uniformidad de los productos.

II) para la construcción de la parte mecánica de un robot es necesario que se

realicen pruebas para determinar si existen elementos que no se incluyeron en el

diseño y su presencia y ausencia afecta el desempeño planificado estas

correcciones son necesarias para eliminar ciertas imperfecciones que no se tenían

previstas.

64

Bibliografía

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mecánica y eléctrica. 2° Edición. Alfaomega. Pp 90-100

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http://www.it.uc3m.es/jvillena/irc/practicas/09-10/26mem.pdf

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construcción de un brazo robótico de 5 GDL. Revista de Ingeniería Eléctrica,

Electrónica y computación. Vol 4. N° 1. Julio 2008. Disponible en:

http://www.itson.mx/publicaciones/rieeyc/Documents/v4/art2junio08.pdf

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Barcelona, España. Pp 146-164.

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un robot serie, aplicado a un caso de estudio. Universidad del Cauca. Cauca,

Colombia. Disponible en:

http://www.unicauca.edu.co/deic/Documentos/Monograf%EDa%20Barajas%

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6. Vivas Oscar. 2010. Diseño y control de robots industriales: Teoría y práctica.

El Aleph. Buenos Aires, Argentina.