Rob Selec LuisMR

7/29/2019 Rob Selec LuisMR

1/18

UNIVERSIDAD AUTNOMA DEL CARMENDependencia Acadmica de Ingeniera y Tecnologa

Facultad de Ingeniera

Ciudad del Carmen, Campeche, Mxico a 25 de Sep. de 2013

Luis A. May RIngeniera Mecatr

9 Seme

Dr. Rogelio Portillo V

Seleccin de un robot industrial


2/18

2

CONTENIDO

1. RESUMEN .................................................................................................................................... 3

2. INTRODUCCIN ......................................................................................................................... 4

3.1. OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................ 7

3.2. OBJETIVOS ESPECFICOS .............................................................................................. 7

3.2.1. DESCRIPCIN DEL REA DE TRABAJO.............................................................. 7

3.2.2. UBICACIN Y DESCRIPCIN DE PIEZAS ............................................................ 8

3.2.3. VELOCIDAD DE OPERACIN .................................................................................. 9

4. DESCRIPCIN DEL ROBOT .................................................................................................. 10

4.1. CARACTERISTICAS DESEABLES ............................................................................... 10

4.1.1. TAMAO DEL ROBOT.............................................................................................. 10

4.1.2. ESTRUCTURA MECNICA...................................................................................... 10

4.1.3. POSICIN DEL ROBOT............................................................................................ 12

4.1.4. ACTUADORES............................................................................................................ 13

4.1.5. SENSORES.................................................................................................................. 14

4.2. CARACTERSTICAS COMERCIALES .......................................................................... 14

4.3. COMPARACIONES ........................................................................................................... 16

5. RESUMEN DE ADQUISICIN ................................................................................................ 16

6. FUENTES DE INFORMACIN ............................................................................................... 18


3/18

3

1. RESUMEN

El presente reporte muestra el anlisis para realizar la compra de un robot industrial para

la tarea de ensamble de celdas solares. Donde las condiciones de operacin determinar

el tipo de robot a usar. Se analizan todos los puntos del robot como lo es:

Estructura Mecnica

Sensores

Actuadores

Efectores

Se hace una recopilacin de informacin referente a la seleccin de robots industriales as

como de la importancia en la aplicacin en la industria del sector solar.

Finalmente, se muestra la comparacin en caractersticas de algunos robots industriales

de diferentes fabricantes y se elige el ms adecuado para la aplicacin requerida.


4/18

4

2. INTRODUCCIN

Las corporaciones mundiales en fabricacin fotovoltaica estn en la cspide de un

resurgimiento de la inversin, el desarrollo y la innovacin, una revolucin que, en gran

parte, se ve impulsada por la tecnologa. Es importante encontrar herramientas ms

eficaces y procesos para aumentar la productividad y disminuir los costos dentro de un

plan de capital conjunto y ms rentable.

Fig. 1. Robo-solar: El nuevo centro de manufactura de paneles solares de Nanosolar, totalmenteautomatizado, localizado cerca de Berln y que fabrica paneles de pelcula fina basados en el semiconductorCIGS, podra ayudar a reducir el coste de la energa solar. Kevin Bulli, MIT Technology Review. Descargado

desde http://www.technologyreview.es/read_article.aspx?id=35829&pg=2

La automatizacin robtica es una parte importante de fabricacin de clulas solares,

pero es importante tener en cuenta cuales son los mejores tipos de robot y de cinemticapara cada proceso nico, mirar las reas de fabricacin solar donde hay mayores

oportunidades de rentabilidad para la automatizacin robtica, as como la investigacin

que tipo de robot que es mejor para una tarea de aplicacin solar en particular y donde la

visin se adapta[1].

Recientemente, se ha generalizado la idea de contar con celdas inteligentes de

manufactura que utilicen robots con capacidades sensoriales y algoritmos inteligentes

basadas en las ltimas investigaciones y desarrollos en Inteligencia Artificial (IA) como

son: lgica difusa y redes neuronales. Utilizar estas tcnicas, simplifica el manejo de

modelos matemticos complejos que requieren de bastante tiempo de cmputo para su

implementacin. Utilizar sistemas multimodales que obtengan informacin de diferentes

modos sensoriales con el propsito de manufactura, nos hace pensar en sistemas ms

robustos, auto-adaptables y parecidos al comportamiento humano que necesariamente


5/18

5

mejoran el desempeo, y flexibilidad en aplicaciones comunes con robots manipuladores

[2].

Lo robots en el proceso de fabricacin fotovoltaica son importantes por su capacidad para

reducir significativamente los costos de sin dejar de aumentar su atractivo en comparacincon el trabajo manual.

Richard Swanson, director de tecnologa de SunPower Corporation un fabricante lder de

tecnologa solar, expres el impacto de la automatizacin enmarcado en una luz muy

interesante hablando de la economa de fabricacin fotovoltaica en trminos de mano de

obra. Explic que para producir un gigavatio de energa solar requiere de 250 a 500

trabajadores para producir polisilicio , de 250 a 500 trabajadores a los lingotes de

proceso , 3000-6000 personas que fabrican las clulas, 1500-3000 para la laminacin de

panel y aplicaciones asociadas y 2500 - 5000 para la integracin del sistema solar . En

total, eso es desde 8.000 hasta 16.000 trabajadores necesarios para producir 1 GW de

capacidad de energa fotovoltaica. Por lo tanto, para producir 500GWs de la energa solar

por ao, que equivale a cerca de 4 millones de personas que podran ser tremendamente

agregando ms valor en otras capacidades [1].

Con una mayor automatizacin, inclusive de la robtica aplicada apropiadamente, la

industria solar puede reducir que el trabajo a 1 milln de personas realizando un 75% de

ahorro en costos de mano de obra directa solamente. Dada la magnitud de esto, losrobots reciban una amplia consideracin en el diseo de la lnea de manufactura en algn

proceso y por lo tanto la demanda de robots ha incrementado reduciendo los costos de

adquisicin (Fig. 2).

Fig. 2. Con una mayor automatizacin, la industria solar potencialmente puede realizar un ahorro de 75 porciento en los costos de mano de obra directa solamente. Cortesa de la Federacin Internacional de Robtica.


6/18

6

En la actualidad, la visin por computadora es utilizada conjuntamente con sistemas

robticos, debido a los diversos entornos en el que interactan los robots, tienen

similares caractersticas especiales que aquellos en los que interacta el ser humano. Se

trata de un entorno tridimensional desde el punto de vista espacial, y adems es

dinmico, es decir, est sometido a cambios.

La visin computarizada se ha convertido en una herramienta altamente adoptada para

mejorar la productividad de la automatizacin robtica en todos los sectores y todas las

facetas de la colocacin. Los sistemas de visin ofrecen una gran flexibilidad para

aplicaciones que no requieren accesorios o bandejas para la ubicacin de partes [3].

La visin orientacin permite que al sistema tomar una imagen, calcular la ubicacin y la

orientacin de una parte, y guiar el robot a la pieza mediante una transformacin

computarizada de robot-cmara obtenido a travs de un proceso de calibracin

automatizada. Esto da flexibilidad y ahorro de costes porque las partes no tienen que ser

fijadas. Estos sistemas incorporan con frecuencia el seguimiento de lnea, lo que

permite al robot para recoger estas piezas de una cinta en movimiento, optimizando an

ms el proceso.

La mayora de los fabricantes de robots ofrecen paquetes con varias cmaras y

soluciones de seguimiento para la integracin en una sola clula solar. Esto ofrece una

gran potencia y flexibilidad para la fabricacin en la industria solar.

Cmo se selecciona el robot adecuado para una tarea? En primer lugar, debe tener en

cuenta el requisito de capacidad de carga para el robot. Las personas a menudo

consideran que slo los productos que se manejan. Pero tambin es importante tener en

cuenta la solucin de herramientas o utillaje de extremo de brazo. Las cuatro categoras

principales de la cinemtica del robot son cartesianas, SCARA, articulado y delta/paralelo.

Las arquitecturas de los robots clsicos presentan una serie de propiedades dinmicas yestructurales caracterizadas por una gran rigidez estructural, repetibilidad y elevado peso

propio. El elevado peso propio de los robots clsicos limita la capacidad carga til y las

velocidades de trabajo, las cuales usualmente estn en torno a los 60 grados/seg. para

las primeras tres articulaciones de los robots industriales (robots de soldadura) y 250

grados/seg. para los robots pequeos de altas prestaciones [4].


7/18

7

3. OBJETIVO

3.1. OBJETIVO GENERAL

El robot debe tomar celdas solares de dos bandas de transporte colocadas en los lados

de otra banda donde se ensamblan celdas solares (Fig. 3). El robot no debe ejercer una

fuerza mayor a 10 newton para no romper la celda. Todas las celdas son iguales (pesan

300 gramos) y su ubicacin en las bandas transportadoras no se conoce con exactitud. La

distancia entre las bandas de los lados es de 1.50 metros.

Fig. 3. El robot M-3iA de FANUC. Est diseado para maximizar la velocidad y la flexibilidad para el montaje,manipulacin de pequeas partes y aplicaciones de recoleccin. Descargado desde

http://www.mmsonline.com/articles/robot-designed-to-increase-production-speed

3.2. OBJETIVOS ESPECFICOS

3.2.1. DESCRIPCIN DEL REA DE TRABAJO

En la fig. 4 se muestra las dimensiones del rea de operacin que se requiere para el

ensamble de las celdas solares. El robot deber tener la capacidad para operar en el

espacio designado. Al ser la distancia entre las bandas de los lados de 1.5 m por

especificacin original, se propone el ancho de la banda transportadora de 1m y la

distancia entre los ejes centrales de las bandas transportadoras se especifica por diseo.


8/18

8

Fig. 4. rea de trabajo para ensamble de celdas solares.

3.2.2. UBICACIN Y DESCRIPCIN DE PIEZAS

Las clulas no tienen una ubicacin exacta ni una posicin definida respecto a un eje, por

lo que la programacin del robot deber ser autoconfigurable en base a la deteccin de

objetos por la cmara. Las clulas pasarn en las bandas transportadoras laterales y el

robot deber armarla cada celda solar en la banda transportadora central, la cual enva

los moldes para clulas solares en un posicin definida. (Fig. 5.)

Fig. 5. Diagrama de la ubicacin de las clulas solares para el ensamble de las celdas solares.


9/18

9

La pieza tiene caractersticas importantes, como lo es su dimensin y su peso. La clula

de las bandas laterales tendr una dimensin de 25x25 cm y se formar una celda solar

por cuatro clulas, la dimensin final es de 60x60 cm. El peso que deber levantar el

robot por clula es de 0.3 Kg y no podr ejercer una fuerza mayor a 10 newton, de lo

contrario la clula se destruir (Fig. 6).

Fig. 6. Dimensiones de las clulas y celdas solares. Peso de la clula.

3.2.3. VELOCIDAD DE OPERACIN

La velocidad de operacin para las bandas transportadoras es de suma importancia,debido a este factor, el robot deber actuar para poder tomar una clula a la vez y en una

cuarta parte de tiempo entre cada base de celda solar que se formar para que logre el

mximo rendimiento en el ensamble.

Fig. 7. Esquema de velocidad


10/18

10

4. DESCRIPCIN DEL ROBOT

4.1. CARACTERISTICAS DESEABLES

Los requerimientos necesarios para nuestro robot se deben a las condiciones de

operacin. La seleccin de los sensores y actuadores se deben adaptar en lo mximo alas especificaciones pero es vital tener siempre un margen en las especificaciones para

poder dale practicidad al equipo adquirido sin dejar de un lado los costos de operacin y

mantenimiento. La velocidad y repetibilidad del robot son importante para lograr eficacia

en el ensamble de piezas, en este caso celdas solares.

Muchas veces no existen los robots industriales con las especificaciones requeridas, pero

algunos fabricantes suelen disear robot a la medida del cliente. Pero surge otro

problema, los costos. Siempre se debe hacer un anlisis sobre que es ms

recomendable, si comprar un equipo a la medida o comprar de lo que existe en el

mercado para lograr el trabajo deseado. Las ventajas y desventajas se debern poner

sobre la mesa.

Tambin es importante se determinar si ser la nica funcin del robot o se pretende usar

para otras tareas posteriormente. La eficiencia en los costos-beneficios son primordiales

para comprar el equipo.

4.1.1. TAMAO DEL ROBOTDebido al espacio que se tiene y a la practicidad, el robot deber contar con un mnimo de

tamao posible, logrando as que su montaje sea fcil y de menor costo. Se debe tener en

cuenta los accesorios utilizados para su montaje y su operacin. Debido a que nos

encontramos en una fbrica de manufactura de celdas solares, suponemos que el techo

se encuentra muy alto para favorecer la ventilacin, como la seguridad del personal. Este

factor determina que la altura del robot no deber pasar, lgicamente, la altura del techo

que se encuentra muy alto. Por diseo el robot deber no medir ms de 2 m siempre que

sus eslabones se encuentren totalmente extendidos.

4.1.2. ESTRUCTURA MECNICA

El robot industrial que se requiere deber contar con eslabones rgidos y cortos, esto

debido a la tarea que se encomienda como lo son el ensamble de piezas delicadas, el

material deber ser lo ms resistente posible y tener una capa de recubrimiento en


11/18

11

pintura, no necesariamente anticorrosiva especial porque en el ambiente donde se

desempear el trabajo no corre el riesgo de sufrir este fenmeno.

Las articulaciones debern de ser de tipo planares y cilndricas en lo general, ya que

permitir un movimiento rpido y en todos los ejes cartesianos. El sistema de barras

paralelas podra ser una opcin ms viable ya que cuenta con una mayor velocidad en

sus movimientos (fig. 8).

Fig. 8. Robot paralelo de alta velocidad con cuatro grados de libertad.Descargado desdehttp://invenes.oepm.es/InvenesWeb/detalle?referencia=PCT/ES2006/000053

A su vez el elemento terminal de sujecin deber tener delicadeza al tomar la clula solar

para su posterior ensamble. Para tomar una clula solar se deber tomar de 4 puntosprincipales, siendo ventosas neumticas que se encargaran de esto para no ejercer la

fuerza mayor a los 10 newton que requiere el diseo (fig. 9). Desde luego se necesitar

un generador de vacio para poder sujetar las clulas suavemente.

Fig. 9. Generador de vaco y Ventosas de suave sujecin. Descargado desde http://www.festo.com/cms/es-mx_mx/9518.htm


12/18

12

4.1.3. POSICIN DEL ROBOT

En la tabla 1 se muestra una comparacin de la posicin de un robot respecto a las

bandas transportadoras.

Debido al espacio en el que se localizanlas clulas solares, si el robot se coloca enel lado izquierdo, ocasiona una mayordistancia en los eslabones para alcanzarlas clulas del lado contrario, lo cual esmantener largos los eslabones har quese requiera un mayor par para losactuadores que se encargan de mover astos.

Colocar en brazo en el centro slo sepodr cuando el robot se encuentre por

encima de las bandas. Su radio deoperacin depende de la longitud de loseslabones y de los actuadores que losmueven. Se requiere una distancia mnimapara operar y la manipulacin podra serms rpida por las distancias recorridas.

Debido al espacio en el que se localizanlas clulas solares, si el robot se coloca enel lado derecho, ocasiona una mayordistancia en los eslabones para alcanzarlas clulas del lado contrario, lo cual esmantener largos los eslabones har que

se requiera un mayor par para losactuadores que se encargan de mover astos.

Tabla 1. Comparacin de la posicin del robot.

Slo se analizaron tres posiciones, debido a que las otras posibles soluciones se

descartan, cuando el robot se pone al inicio de la banda transportadora, no tendr el

suficiente tiempo para tomarlas y en caso del rea de trabajo se ver reducida hasta en

un 50%, adems de ocasionar un retroceso en la produccin al no permitir una adecuada

colocacin por otro equipo de las clulas solares en la bandas de transporte. De forma

similar, colocar el robot frente a las bandas de transporte reducira nuevamente el rea de

trabajo y ocasionara un problema para recibir las celdas solares ensambladas.

La posicin deseable de nuestro robot corresponde a colocarlo en centro superior con

ayuda de algn soporte estilo andamio para colgarlo, de esta manera, el robot abarcar


13/18

13

un rea de trabajo demasiado satisfactorio y eficaz. En la fig. 10 se puede observa el

espacio que el robot industrial tendr para nuestra tarea de ensamble. El mximo radio de

alcance para operar. Recordar que no se sabe en qu posicin y forma se presentarn las

clulas solares.

Fig. 10. Radio de operacin del robot industrial

4.1.4. ACTUADORES

Parte fundamental de la adquisicin de un robot industrial son los actuadores que

movern a nuestro robot. Para el caso de ensamble de celdas solares con las condiciones

especificadas en los puntos 3.2, 3.2.1, 3.2.2 y 3.2.3.

Tabla 2. Cuadro de comparaciones de actuadores.


14/18

14

Debido a nuestro caso de ensamble de clulas solares, se requiere de un mximo control

en los eslabones para que las articulaciones se comporten como el control indique en un

menor tiempo. La respuesta debe ser rpida y muy precisa, por lo que opta por

actuadores elctricos. Desde luego que conviene que sean de corriente alterna para no

hacer gasto en la transformacin de corriente alterna a corriente directa mediante una

fuente de alimentacin DC.

Se idealiza que los motores debern ser de tipo paso a paso, que responde con

exactitud al nmero de impulsos que se le envan. Trabaja en bucle abierto, es decir no

retorna ninguna seal al control. Por el contrario, los servomotores trabajan en bucle

cerrado, y deben de estar provistos de un dispositivo, que retorne al control seal de lo

que estn haciendo, para compararlo con lo que se desea. Los bucles cerrados fcilmente

oscilan, y son a veces, difciles de estabilizar.

4.1.5. SENSORES

En capacidad sensorial de nuestro robot, la ms importante es la de visin porque debido

a esto el robot sabr si la localizacin de la pieza. El sistema de visin deber ser lo

suficientemente autoconfigurable, basado en redes neuronales o algn tipo de control

avanzado de rpida respuesta.

Se deber incluir sensores de posicionamiento en el robot como encoders absolutos para

saber exactamente la posicin, an as fuera de operacin. De la misma forma los

sensores de fuerza formaran parte del robot al incluirlos para determinar la fuerza

aplicada a las clulas solares.

Un tacmetro ser ideal, ya que necesitamos saber la velocidad de la banda, de esta

forma el robot tambin se adaptar si cambia su velocidad el paso de las clulas solares.

Desde luego el motor estar acoplado a unas transmisiones de cuerdas o cadenas para

reducir su velocidad final en la salida.

4.2. CARACTERSTICAS COMERCIALES

Por lo general, las caractersticas que ofrecen todos los fabricantes son el radio de

operacin, o espacio de trabajo, y as como la carga til. Veamos algunos productos:


15/18

15

La empresa ABB ofrece una gama de robots industriales para el sector solar denominado

Efficient robot-based automation for solar cell and module production (fig. 11).

Fig. 11. Tabla de robots industriales de ABB para ensamble de celdas solares. Descargado desde

http://www.abb.com/product/us/9AAC135018.aspx?country=00

El inconveniente de los ABB es la carga til o capacidad de carga, ya que ofrecen una

cantidad no necesaria para levantar nuestras clulas y su IRB360 no coincide con las

medidas en el alcance del espacio de trabajo.

La empresa FANUC cuenta con su robot para tarea de ensamble, la serie son M-3iA (fig.

12) fueron diseados para mxima velocidad y flexibilidad en el ensamble de pequeas

partes. En su sitio web no se cuenta toda la informacin cada robot pero se logra rescatar

una parte considerable.

Fig. 12. M-3iA, large genkotsu robot. Descargado desde http://www.fanucrobotics.com/robot-applications/FANUC-M-3iA-Pick-and-Place-Robot-Stacking-Parts.aspx


16/18

16

4.3. COMPARACIONES

En la tabla 3 se muestra una comparacin de las caractersticas ms importante de losrobots comerciales que pasaron la prueba para ser candidatos vs el robot de diseo.

CARACTERSTICA

ROBOT

DEDISEO

FANUC ABB ADEPT FESTO

M-3iA/6AIRB 360-1/1600

AdeptQuattros650H

TrpodeEXPT-120

DimensinH: 5 m/s -- 200 mm/s 10 m/s 7 m/s

Aceleracin 50 m/s2 -- -- 150 m/s2 110 m/s2

Repetibilidad 0.1 mm 0.1 mm 0.1 mm 0.1 mm 0,1 mm

Peso 50-100 Kg 175 Kg 145 kg 117 kg 66 kg

Alimentacin 127 VAC

200-230VAC,

trifsico, 50-60 HZ

200-600V, 60 Hz

200 a 240VAC: 10 A,monofsica

230 VAC

Software deVisin avanzada

si si si si si

Efectores de

Ventosasi si si similares si

Tabla 3. Comparacin de diferentes modelos de robots industriales para ensamble de celdas solares.

La informacin anterior se recolecto de todas las hojas de datos de los fabricantes en sus

sitios web.

5. RESUMEN DE ADQUISICIN

El fabricante con mayores datos sobre los productos que ofrece es FESTO, pues su rea

de automatizacin se encuentra completa.

Se determina que el mejor robot industrial para el objetivo descrito anteriormente es el

Adept Quattro s650H ya que [casi] cumple con los requisitos mnimo y adems el

fabricante ofrece muchos datos. Sin embargo el robot que mejor sistema de video cuenta


17/18

17

es de la empresa FANUC y por lo tanto tambin [casi] cumple con los requisitos de

diseo.

No se especifican en las hojas de datos del fabricante los sensores y actuadores pero en

puntos anteriores se describe lo que se necesita. Sin embargo, se nota que sonactuadores elctricos, adems el elemento terminal de sujecin de ventosas de vaci se

puede adaptar y FANUC cuenta con un sistema de video 3D mejorado [5] que no deja

pasar nada.

Finalmente, NO se opta por recomendar/comprar slo UN robot ya que ninguno cumple

con la condicin del rea de trabajo, y de los tipos brazo manipulador, se hara un gasto

inecesario y se desperdiciara mucha carga til que puede realizar los robot, por eso se

determina que sern DOS robots industriales del mismo modelo y colocados a la mitad de

radio en cada lado perpendicular a las bandas de transporte. Adems se necesitarn

soportes para colocarlos en la parte superior. Mismo que FANUC se encarga de

comercializar. El robot industrial y sistema de video [6] que se designa corresponde a:

FANUC M-3iA/6A

iR Vision, integrated Robot Vision for the R-30iA Controller


18/18

18

6. FUENTES DE INFORMACIN

[1] LaSalle, R. (2010) Solar cell manufacturing and robot automation: Right fit, right robot.Adept Technology Inc. Renewable Energy Wordl (sitio web). Consultado el 21 deseptiembre de 2013 desdehttp://www.renewableenergyworld.com/rea/news/article/2010/05/solar-cell_manufacturing.

[2] Pea, M.; Lpez-Jurez, I.; Corona, J. y Ordaz, K. (2011) Visin para Robots enTareas de Ensamble. CIATEQ,A.C. IIMAS-UNAM. Pg. 1. Mxico.

[3] Torres, F.; Pomares, J.; Gil, P.; Puente, S. y Aracil, R. (2002) Robots y sistemassensoriales. Automtica y robtica. Segunda edicin. Pg. 189. Espaa.

[4] Grupo de Investigacin en Neuroingeniera Biomdica. (2012) Prcticas deRobtica utilizando Matlab. Cinemtica de Robots. Universitas Miguel Hernndez.Espaa. Consultado el 21 de septiembre de 2013 desdehttp://nbio.umh.es/files/2012/04/practica2.pdf

[5] http://www.interempresas.net/Robotica/Articulos/113324-El-nuevo-sistema-de-vision-de-Fanuc-reduce-los-tiempos-de-recogida-en-ceston.html

[6] http://www.robotsdotcom.com/VisionR-30iA.pdf

Descarga de imgenes para carcter de diseo de portada http://www.solarworld-usa.com/newsroom/media-downloads

Rob Selec LuisMR

Documents

Transcript of Rob Selec LuisMR