celda robotica

Alejhandro Navarro Pia

Diseo de una Celda Robtica

Autor: Alejhandro Navarro Page 1

En la industria actual hay infinidades de aplicaciones o actividades que por la complejidad o

rapidez requieren ser realizadas por un Brazo robtico; normalmente se asume que el instalar un

robot es simplemente pedir un cierto modelo al proveedor, instalarlo, programarlo y listo; lo cual

no es cierto; existen muchas variables a evaluar para seleccionar un robot y muchas ms para

que este interacte de forma correcta, es por ello que intentaremos explicar todos los factores

que participan en una Celda Robotica.

Factibilidad de una Celda Robtica

Antes de tomar la decisin de instalar una celda robtica hay que ser sincero con la manufactura

de la planta a ver si es realmente necesaria o posible.

1. Cul es la produccin anual de la pieza en particular o piezas?

2. Pueden estas piezas almacenarse?

3. Cul es el tiempo disponible para la manipulacin?

4. Puede un nuevo Layout de mquinas dar alojamiento al Robot?

5. Hay lugar disponible en la mquina o mquinas que intervienen en el proceso para

alojar la mano del Robot y la pieza?

6. Qu dotacin de personal de operacin y supervisin ser necesaria?

7. Es la inversin posible?



Como toda decisin de adquisicin de un bien industrial se debe evaluar su Costo-beneficios, lo

tradicional es pensar una celda es muy costosa y que el beneficio es simplemente el eliminar un

operador lo cual no necesariamente es cierto.

Costo de una Celda Robtica

El costo de esta Implementacin est compuesto por los siguientes tems:

1. El Robot.

2. La herramienta de manipulacin o de trabajo final (pistola de electropunto, pistola de

pintar, antorcha de plasma, etc)

3. Posible modificacin de la mquina o mquina-herramienta y herramientas.

4. Posible alteracin del layout existente.

5. Equipos perifricos, transportadores, cajas de almacenamiento.

6. Dispositivos de fijacin y sealizacin.

7. Costo del trabajo de instalacin.

8. Entrenamiento del personal para operacin y mantenimiento.

9. Puesta en marcha y puesta a punto.

Beneficios de una Celda Robtica

Los beneficios que se obtienen al implementar un robot de este tipo son:

1. Reduccin de la labor.

2. Incremento de utilizacin de las mquinas.

3. Flexibilidad productiva.

4. Mejoramiento de la calidad.

Robots por Sectores

Ind Manufacturera;

31

Ind no

Manufacturera; 4

Otros; 5

Vehiculos a motor;

60

Aplic Materiales

8% Montaje 6%

Otros 6%

Manipuilacin 18%

Mecanizacin 7%

Soldadura 55%

Robots por Aplicaciones



5. Disminucin de pasos en el proceso de produccin.

6. Mejoramiento de las condiciones de trabajo, reduccin de riesgos personales.

7. Mayor productividad.

8. Ahorro de materia prima y energa.

9. Flexibilidad total.

10. Calidad de trabajo humano:

11. -Seguridad: trabajos peligrosos e insalubres.

12. -Comodidad: trabajos repetitivos, montonos y en posiciones forzadas.

13. Acumulacin instantnea de experiencias.

En el caso especfico de Soldadura electropunto, al emplear un robot se tienen beneficios como:

1. Aumento de la duracin de los caps o electrodos de soldadura

2. Disminucin del consumo elctrico de la pistola

3. Mejoramiento de la calidad de soldadura

4. Aumento de la flexibilidad de manufactura ya que con una pistola se podrn muchos

puntos por evitar temas ergonmicos del operador o falta de visin de puntos.

EL ROBOT

El elemento principal de una Celda Robtica es el robot o brazo robtico, es por ello que

haremos un parntesis en el diseo de la celda robtica y hablaremos de este equipo.

LEYES DE LA ROBOTICA

Para iniciar a hablar del robot tenemos que hablar de las leyes de la robtica, En 1942 Isaac

Asimov (escritor de ciencia ficcin ruso) escribi en una de sus obras las siguientes leyes

1. UN ROBOT NO DEBE DAAR A UN SER HUMANO O POR INACCIN, PERMITIR QUE UN SER HUMANO SUFRA DAO

2. UN ROBOT DEBE COOPERAR CON LOS SERES HUMANOS, EXCEPTO CUANDO DICHA COOPERACION ATENTE CONTRA LA PRIMERA LEY

3. UN ROBOT DEBE PROTEGER SU PROPIA EXISTENCIA, MIENTRAS DICHA PROTECCION NO ATENTE CONTRA LA PRIMERA LEY

Luego al iniciar la idea de inteligencia artificial se redact una cuarta

4. UN ROBOT PUEDE HACER LO QUE LE PLAZCA, EXCEPTO CUANDO SUS ACTOS INFRINJAN LAS LEYES ANTERIORES



Definicin de Brazo Robtico Industrial

Segn el Instituto Norteamericano de Robtica RIA: Manipulador multifuncional y programable,

diseado para mover materiales, piezas, herramientas o dispositivos especiales, mediante

movimientos programados y variables que permiten llevar a cabo diversas tareas.

Existen muchos tipos de tipos de robots industriales, en este trabajo solo hablaremos de los tipo

brazos y la clasificacin ms usada es por su movimiento o volumen de trabajo, donde el volumen

de trabajo no es mas que todos los puntos en el espacio que el elemento final del robot puede

llegar.

CARTESIANO CILINDRICO

ESFERICO

CLASIFICACION DE MANIPULADORES POR SU MOVIMIENTO

ANTROPOMORFICO

SCARA



En este trabajo nos enfocaremos en los robots Antropomrficos que no son mas que los que

tienen la estructura o movimiento similar a un brazo humano.

Un brazo robtico antropomrfico est compuesto por una serie de eslabones o elementos

articulados por juntas giratorias.

Un brazo antropomrfico normal tiene 6 ejes (al igual que un brazo humano) donde los 3 primeros

son llamados primarios que son los que se requieren mover para ligrar ubicar el elemento final en

un punto del espacio, estos tres ejes serian el hombro y el codo en el ser humano.

Los tres siguientes ejes son llamados secundarios son los que se requieren mover para determinar

la orientacin como el elemento final del robot se aproximara al punto de trabajo; en un brazo

humano estos 3 ejes serian la mueca.

EJES PRIMARIOS: Posicin del objeto

EJES SECUNDARIOS: Orientacin del objeto



DISEO DE UNA CELDA ROBOTICA

El diseo de una Celda Robtica es una actividad Mecatrnica debido a que estn involucradas

diferentes reas, es una errada costumbre creer que solo se requiere al Ingeniero Electrnico que

conozca programar el Robot y se deja de lado importantes aspectos mecnicos dando un

resultado negativo en la operacin del robot.

ETAPA DE DISEO DE UNA CELDA ROBTICA

1. Seleccin de Robot

2. Gripper

3. Cerca de Proteccin y seguridad de la celda

4. Comunicacin

5. Sistemas de Control

6. Programacin del Robot

7. Fundacin o base del Robot

1. SELECCIN DEL ROBOT

Para poder seleccionar el robot es importante recabar mucha informacin del entorno de

la futura Celda Robtica, adicionalmente es importante aclarar que el primer paso es

preseleccionar el robot debido a que luego de realizar los siguientes paso del diseo de la Celda

Robtica se debe verificar que la preseleccin del robot fue el correcto, ya que en algunos casos

nos indica que debemos escoger un robot de mayor dimensin y/o capacidades.

1. Tiempos de trabajo (ciclo de trabajo)

2. Distancia entre la base y el punto de trabajo

3. Ambiente

4. Tipo de Trabajo

5. Peso a Manejar

1.1 Tiempo de trabajo:

Esta actividad es importante realizarla por un Ingeniero Industrial o por alguien que

conozco de tiempo de ciclos de manufactura, ya que un objetivo fundamental de un robot es

disminuir los tiempos de proceso.

Se debe evaluar el tiempo de ciclo del robot

Ciclorobot < Tack Time



El Ciclorobot no es ms que el tiempo en que el robot ira de su posicin inicial hasta recoger la

pieza, luego ubicarla en posicin de destino y regresar a su posicin inicial.

En una operacin del robot es posible que se tenga diferentes Ciclorobot debido que segn a la

aplicacin este puede tener diferentes rutas a seguir, es por ello que siempre se debe evaluar bajo

el ciclo ms crtico; por ejemplo en el caso de un robot paletizador cuando el robot coloca la

ultima caja de una paleta este tiene que esperar que se retire la paleta, tomar una paleta vacia y

ubicarla en la posicin de trabajo y luego si ir a buscar otra caja, lo que hace que ese ciclo sea de

mayor tiempo que los otros.

Una vez se alla realizado el esquema del layout de la Celda Robotica se calcularan en funcin a los

recorridos (distancia) del ciclo ms critico cual es la Velocidad que debe tener el robot para no

generar un cuello de botella.

En esta etapa se establecer la velocidad de trabajo del robot.

1.2 Distancia entre la base y el punto de trabajo

Para poder determinar la el tamao del robot, es decir el su alcance se requiere revisar las graficas

de rea de trabajo del robot y el layout propuesto de la celda.

Todas las marcas de robots industriales disponen de una grafica donde indican en perfil y en

planta cual es el alcance del robot.

Graficas de peso de KR5



Graficas de Pesos de KR100

Es muy importante tener en cuenta que estas graficas que nos suministran son sin gripper o

actuador final, por lo que es necesario una vez seleccionado el gripper realizar una grafica propia a

fin de corroborar si el robot puede alcanzar los puntos de trabajo.

En ocasiones en la aplicacin final el alcance del robot disminuye no solo por las dimensiones del

gripper sino por el umbilical (cables o mangueras que unen el robot y el gripper)

Imagen de Evaluacin de nueva rea de trabajo con gripper final en layout propuesto



1.3 Ambiente de trabajo

Las marcas de robots se han especializado al punto de brindar la oportunidad de tener el diseo

de robots adaptados a los diferentes ambientes de trabajos.

1. Robots de carcaza de Acero Inoxidable

2. Robots de carcaza de acero de fundicin

3. Robots de carcaza de Plasticos

4. Robots con protecciones en las juntas por altas temperaturas.

Adicional a esto en cierto casos es posible en vez de pedir un robot especial emplear un

recubrimiento o chaqueta para el robot a fin de protegerlo del ambiente. Normalmente en los

robots de pintura es necesario cubrirlo a fin de protegerlo del spray de pintura remanente.

1.4 Tipo de trabajo

Las principales marcas se han dedicado a desarrollar especficos para las principales actividades de

los robots:

1. Robot de 4 ejes para paletizado

2. Robot para soldadura de Micro Wire

3. Robot para Corte plasma

4. Robot para Pintura

Las ventajas de comprar un robot especializado para la tarea que se desea es que el control ya

viene con funciones especificas, por ejemplo los robots de microwire traen una instruccin de

soldar que controla la velocidad de avance del alambre y flujo de gas.



Robot Motoman de Micro Wire

Robot ABB de paletizado

1.5 Peso a manejar

Este es el punto donde normalmente se cometen ms errores a la hora de seleccionar un robot.

Las Marcas de robot nos indican la capacidad del robot y ese nmero nominal es sin gripper por lo

que es clave determinar el peso que va a manejar el robot, el cual est compuesto por:

Peso de pieza a mover o material a dispensar

Peso de gripper

Una vez determinado el peso del gripper y de la carga a levantar (si la aplicacin tiene diferentes

cargas entonces se debe evaluar con cada una de las cargas) se debe ubicar el centro de gravedad

de cada uno de ellos y luego determinar el centro de gravedad compuesto de ambos objetos y

evaluar en la grfica de peso del robot.



Normalmente se ubica es la grfica de un plano por lo que es necesario si la ubicacin del centro

de gravedad no esta en dicho plano trasladarla o proyectarla al mismo.

Grafica de Peso del KR5

Se puede notar en la grfica que el origen esta ubicado en el centro de la brida del robot, a este

punto se le denominara Tool Center Point (TCP) inicial.

Al ubicar el punto de centro de Gravedad compuesto en la grafica se determinara si el robot puede

con dicha carga, ntese que a medida que el centro se aleja del TCP inicial la capacidad del robot

es menor, esto debido al final el robot lo que puede es con un torque limitado, por ende de la

ecuacin de torque sabemos que dejando el torque fijo a medida que aumente la distancia debe

disminuir el peso o carga.



Grafica de peso del IRB 660 con la evaluacin de un centro gravedad

En una aplicacin de paletizado donde el robot sujete con el gripper cajas con producto y la paleta

vacia se deben determinar 3 pesos y 3 centros de gravedad que seran: El gripper vacio, el gripper

con la caja y el gripper con la paleta vacia. Esta informacin es necesaria a la hora de programar el

robot a fin de que este pueda determinar las mejores rampas de aceleracin y frenado en sus

movimientos.

Adicionalmente es importante conocer el peso de accesorios que se coloquen en el robot como:

1. Sistemas umbilicales (cables, mangueras, etc)

2. Sistemas dispensadores

Estos accesorios deben ser verificados si pueden ser ubicados en algunos ejes del robots



2. GRIPPER

Si la aplicacin es de manipulacin es necesario un gripper o garra, este puede ser seleccionado de

alguna marca o diseado para la aplicacin en especfico, por las caractersticas de nuestro pas

(bajo volumen) normalmente las aplicaciones de manipulacin se emplean gripper diseado por el

integrador ya que requieren tomar o manipular diferentes productos.

En el caso de robot para operaciones diferentes a sujecin, el gripper sera la herramienta de

Trabajo y la tarea se reduce a la seleccin de la misma.

Pistola de electropunto para robot Marca Centerline

En el caso de Manipulacin de objetos hay dos posibilidades:

Seleccionar un Gripper diseado para operaciones similares

Disear uno que cubra los requisitos de la aplicacin.

Una vez establecido el Gripper se requiere definir:

1. Peso total del Gripper

2. Centro de gravedad del Gripper

3. Inercia del Gripper

Grippers para cajas



Al disear un gripper hay que tener siempre presente la grfica de peso del robot preseleccionado

a fin de poder generar un gripper que cumpla las necesidades pero no sobrepase la capacidad del

robot. Siempre se debe busca que el centro de gravedad del gripper y la pieza a levantar este lo

mas cercano al eje de giro 6 del robot.

Un inconveniente tpico que se debe resolver es el paso de seales entre el robot y gripper, al

momento de programar se requiere saber si las instrucciones dada son cumplidas, es decir si se

ordena abrir el gripper debe haber un sensor que indique gripper abierto, otro sensor que indique

que se sujeto la pieza y de forma correcta, todo es genera que muchas veces se tome la decisin

de emplear un bus de campo entre el robot y el gripper para simplificar el numero de cables;

entindase que los cables y mangueras que vayan entre el robot y el gripper van a delimitar el

movimiento.

Gripper con Ventosas para piezas metalicas

Existen aplicaciones tan complejas donde es imposible tener una sola herramienta, como por

ejemplo en una aplicacin de soldadura electropunto debido al bajo volumen se decida que el

robot suelde pero a la vez tome las chapas o piezas metlicas a soldar y las ubique en la matriz;

esto es posible empleando un Tool Changer, el cual es un sistema de acople rpido que se coloca

en el gripper y en la pistola de electropunto de forma que el robot por si solo pueda intercambiar

entre uno y el otro sin necesidad de un operador.



Tool Changer

3. Cerca de Proteccin y seguridad de la Celda

Se debe tener presente que el robot es un arma mortal, es una mquina que puede alcanzar

grandes velocidades y fuerzas, la cual no dispone por s mismo de ojos u odos lo que implica que

si algo se le atraviesa en su movimiento sufrir graves daos; por todo lo anterior es totalmente

necesario que la celda es delimitada por una cerca de proteccin que impida el libre paso de

persona u otras mquinas.
http://www.google.co.ve/imgres?q=tool+changer+robot&um=1&hl=es&tbo=d&rlz=1R2ADFA_esVE450&biw=1089&bih=558&tbm=isch&tbnid=gDajVMjt1wc9iM:&imgrefurl=http://www.imts.com/visitor/exdir/exhibitor_details.cfm?exhid=00001575&docid=ZyQShZp_SU-nkM&imgurl=http://www.imts.com/mys_shared/IMTS12/showfeatures/00001575/QC-110%2520Tool%2520Changer.jpg&w=235&h=330&ei=UO8HUcnHLayH0QH2moHoBQ&zoom=1&iact=hc&vpx=680&vpy=187&dur=4557&hovh=264&hovw=188&tx=90&ty=229&sig=109044100579611212263&page=1&tbnh=155&tbnw=111&start=0&ndsp=12&ved=1t:429,r:10,s:0,i:110



Una cerca de proteccin esta compuesta por los siguientes tems:

Cerca de proteccin fsica

Sensores de puerta cerrada

Sensores de acceso de material de proceso

Cmaras y/o alfombras de seguridad

Parada de emergencia externa

Sub rutina (tipo interrupcin) de seguridad

Zonas de Seguridad de una Celda Robtica

En muchas ocasiones la celda debe tener zonas abiertas o sin cerca de proteccin fsica para

permitir el constante paso de material, en estos casos se debe colocar los suficientes sensores que

permitan al control saber si algo o alguien ha traspasado el permetro, adicionalmente en la

programacin se establecen zonas seguras y otras no tanto donde se deben tener ms atencin.

Hay un problema habitual que es colocar en la puerta de acceso a la celda un simple sensor de

puerta abierta, pero es comn que personal no calificado por ciertas razones ingrese a la celda,

permanezca adentro y cierre la puerta, ponen en marcha el robot y este desconoce que existe

alguien adentro; para evitar esto es necesario colocar sensores como cmaras o alfombras de

seguridad que certifiquen que dentro de la celda no hay nadie.

Debemos tener claro que la seguridad no se puede despreciar, muchas personas tienden a

emplear simples sensores para el tema de la seguridad pero esto puede acarrear que el sensor

este malo y se desconozca y ocurra un accidente; es por ello que se recomienda emplear sensores

especiales de seguridad que no solo indican la seal sino tambin que estn en operacin o no.



4. Comunicacin

La comunicacin en la celda tiene varios aspectos debido a que nos referimos a la comunicacin

entre el robot y el tablero de control, la comunicacin con el gripper, la comunicacin con cada

sensor del sistema de seguridad y la comunicacin entre los diferentes equipos con que el robot

interactuara.

El robot debe tener comunicacin con cada uno de los equipos que interactan en la celda como

pueden ser bandas transportadoras, maquina dispensadora, etc; hay ocaciones donde esta

comunicacin puede ser un gran problema debido a que la maquina con que se va a interactuar es

muy antigua y no dispone de seales, por ejemplo el caso de un robot que va introducir piezas a

una troqueladora, se requiere que el robot conozca en qu etapa se encuentra la troqueladora

para que este puede ingresar el material y evitar un accidente.

Hay un caso muy particular que es cuando en una celda interactan mas de un robot y es debido a

que si estos tienen zonas de trabajo a fin es importante que cada vez que el robot se dirija a dicha

rea primero consulte con el otro robot s si este no se encuentra ah, para evitar problemas se

recomienda que esa consulta sea redundante.



5. Sistema de Control

Quizs este sea un punto redundante, porque es obvio que la Celda robotica debe tener un

sistema de control, pero preferimos redundar en que se requiere un tablero de control diferente

al del robot, donde se controlaran una serie de equipos que participan en la celda robotica.

Este sistema de control debe tener comunicacin constante con el programa del robot y debe

tener actividades establecidas en casos especiales como paradas de emergencia o perdida de

seales.

En algunas ocasiones en que el gripper es tan complejo y con actividades que este se controla

desde un PLC externo al robot y para facilitar que el robot solo ejecute instrucciones cortas y

precisas.

6. Programacin

La programacin es un tema muy amplio y que por s mismo requerira un manual, adicionalmente

cada Marca de robot dispone de sus instrucciones y sintaxis.

La forma tradicional de programar un robot es llevar al robot a cada uno de los puntos o

posiciones de trabajo y grabarlos en memoria, luego en la programacin se le indica al robot que

se quiere vaya del punto uno al punto dos y asi sucesivamente se generan trayectorias, si se

observa que la trayectoria no es satisfactoria, se retrocede y se ingresa un punto de un lugar

intermedio y se generan dos nuevas trayectorias.

Pantalla de una simulacin en RobotStudio de ABB



Existen dos formas de programar los puntos, una forma es emplear un programa de simulacin

que permite generar la celda en 3D y adicionalmente programarlo en este entorno informtico,

luego se necesita descargar el programa y cargrselo al robot. Estos programas de simulacin son

bastantes utiles ya que se pueden verificar alcances, movimientos, interferencias y dems.

La otra forma es directamente con el robot empleado los mandos de programacin que dispone el

robot, ellos nos permiten mover el robot por cada eje o moverlo en forma lineal el TCP original del

robot.

Mandos de programacin de Fanuc y KUKA

Para mover el robot es necesario tener en claro en donde estn ubicados los Sistemas de

coordenadas

Existen cuatro (4) tipos de Sistemas de Coordenada que son:

1. Sistema de Coordenadas del Robot

2. Sistema de Coordenadas del Mundo

3. Sistema de Coordenadas de la herramienta

4. Sistema de Coordenadas de la Base

Sistema de Coordenadas del Robot: Consiste en el Sistema que se encuentra en la Base donde el

Eje Z se establece o coincide con ele de giro del Eje 1 del robot.

Sistema de Coordenadas del Mundo: Es un Sistema de Coordenadas Virtual cuyo todos los planos

son paralelos al del robot, es un sistema de Coordenada mas referencial, empleado para poder

establecer los otros.



Diferentes Sistemas de Coordenadas

Sistema de Coordenadas de la herramienta: Este Sistema se encuentra en la punta del Robot,

inicialmente se entiende que est ubicado en el TCP original, luego este Sistema de coordenadas

puedes ser desplazado a los centro de gravedad de cada herramienta o un punto en Especifico de

la herramienta; por ejemplo en soldadura Electropunto es til emplear un Sistema de Coordenada

de la herramienta en el Extremo del Cap estatico o fijo de la pistola.

Sistema de Coordenada de la Herramienta desplazado a la punta del cap fijo



Sistema de Coordenadas de la Base: Este Sistema de Coordenada se ubica en la pieza a trabajar o

recoger ese de gran utilidad en casos de paletizado ya que por cada camada de la paleta se puede

generar un sistema de coordenada y de esta forma ubicar de forma sencilla los puntos donde

colocar cada caja.

Otro gran uso es en robot de aplicacin de uretano donde se conoce el plano donde se dispensara

el producto, de esta forma es sencillo generar las lneas o trayectoria de aplicacin del uretano.

7. Fundacin o Base del Robot

Este es un punto importante debido a que el robot es una mquina de gran peso y que se mueve a

altas velocidades requiriendo una base muy slida que no permita vibraciones. Es fundamental

que la base y/o fundacin del robot sea calculado por un Ingeniero Estructurista de forma que

asegura la rigidez del mismo.

Es muy daino para el robot funcionar en una base inestable ya que esto puede generar ruido en

seales y vibraciones que afectaran a los ejes y encoder.

Documents

celda robotica