BANCO DIDACTICO BASADO EN UN MANIPULADOR SCARA PARA TRANSPORTE Y CLASIFICACION DE PIEZAS CON FIN DE DAR APOYO EN ASIGNATURAS DE ROBOTICA Y AUTOMATIZACION. JUAN SEBASTIAN TRASLAVIÑA DAVILA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BUCARAMANGA FACULTAD DE INGENIERÍAS PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA BUCARAMANGA 2019
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BANCO DIDACTICO BASADO EN UN MANIPULADOR SCARA PARA
TRANSPORTE Y CLASIFICACION DE PIEZAS CON FIN DE DAR APOYO EN
ASIGNATURAS DE ROBOTICA Y AUTOMATIZACION.
JUAN SEBASTIAN TRASLAVIÑA DAVILA
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BUCARAMANGA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
BUCARAMANGA
2019
BANCO DIDACTICO BASADO EN UN MANIPULADOR SCARA PARA
TRANSPORTE Y CLASIFICACION DE PIEZAS CON FIN DE DAR APOYO EN
ASIGNATURAS DE ROBOTICA Y AUTOMATIZACION.
Autor:
JUAN SEBASTIAN TRASLAVIÑA DAVILA
TESIS DE GRADO PARA OPTAR A TITULO DE INGENIERO MECATRONICO
Director:
VICTOR ARDILA, MSc
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE BUCARAMANGA
FACULTAD DE INGENIERÍAS
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
BUCARAMANGA
2019
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AGRADECIMIENTOS
Agradezco primero a Dios por darme la oportunidad de estudiar, por darme salud y
sabiduría para afrontar los retos que en la vida que se me han presentado. A mi
familia por creer en mí y apoyarme en los momentos donde más los necesite. A los
profesores de la carrera porque me aportaron parte de su conocimiento, experiencia
y sabiduría.
A mi director de proyecto de grado por todo el apoyo, motivación y atención brindada
durante el transcurso de los semestres, porque a pesar de que el proyecto se
dificultara siempre me apoyo. A nuestros auxiliares académicos de laboratorio de
electrónica porque con su colaboración hizo más ameno este proceso y por la
paciencia brindada. A los señores evaluadores de proyecto por las observaciones y
asesorías realizadas ayudando a mejorar de forma considerable el proyecto.
Tabla 1. Variables del algoritmo de Denavint Hartenberg ...................................... 13
Tabla 2. Parámetros del robot SCARA. ................................................................. 22
Tabla 3. Medición de palabra digital vs Angulo 1GDL ............................................ 29
Tabla 4. Medición de palabra digital vs Angulo 2GDL ............................................ 30
Tabla 5. Medición de palabra digital vs Angulo 2GDL ............................................ 31
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LISTA DE ANEXOS
ANEXO A: CIRCUITOS ELECTRICOS Y DIAGRAMA DE ESTADOS ROBOT
SCARA.
ANEXO B: PLANOS MECANICOS
ANEXO C: MANUAL DE FUNCIONAMIENTO ROBOT SCARA
ANEXO D: CODIGO ARDUINO ROBOT SCARA
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1. OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Desarrollar un banco didáctico basado en un robot SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm) que permita realizar el transporte de piezas desde un punto fijo o variable, para su posterior clasificación mediante la MPS (Modular Production System o Sistema de Producción Modular) de FESTO.
OBJETIVOS ESPECIFICOS
• Determinar el modelo cinemático y dinámico de un robot SCARA de 4 GDL.
• Desarrollar arquitectura física del manipulador SCARA acoplado a la MPS.
• Simular técnicas de control para el posicionamiento del sistema de manipulación de cada grado de libertad.
• Seleccionar instrumentación y elementos finales de control.
• Construir el manipulador SCARA con acoplamiento a la MPS.
• Implementar una interfaz hombre-máquina para manipular y supervisar insitu (Simulación en tiempo real) de la estación de manipulación y clasificación de piezas.
• Validar experimentalmente los subsistemas conforme prototipo hardware, software y protocolo de comunicación.
• Plantear guías de laboratorio para dar apoyo a asignaturas de robótica y automatización.
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2. INTRODUCCION
El robot SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm) es un brazo robótico
bastante utilizado en diferentes campos industriales donde se requiera cumplir con
tareas de alta precisión o repetitividad. Un robot SCARA convencional posee cuatro
grados de libertad, con tres articulaciones rotatorias y una prismática. Este robot es
capaz de ubicar un objeto en un espacio de tres dimensiones. Un enfoque de este
robot es servir como manipulador.
Los robots manipuladores por su característicos por optimizar procesos industriales
aplicados a la soldadura, manipulación de objetos o piezas, corte y acabado,
montaje o pintura. Entran a la necesidad de la industria otorgando a los productos
un menor tiempo de desarrollo o fabricación, una mayor eficiencia o una mayor
calidad además de un bajo costo de producción. Desde hace varios años que se
inventaron los robots industriales como el robot SCARA (Selective Compliant
Assembly Robot Arm) y otros más han sido los impulsores del gran desarrollo de la
manufactura actual, de ahí la importancia de que las universidades empezaran a
adquirir robots como bancos de pruebas y formar a los estudiantes en estas
máquinas.
El banco didáctico del robot SCARA propone el estudio, diseño y construcción de
un robot SCARA acoplado a una MPS (Modular Production System o Sistema de
Producción Modular) de FESTO, que permita reforzar los conceptos de las
asignaturas de robótica y la automatización industrial. El banco cuenta con tomas
eléctricas de alimentación al banco, fuente de voltaje DC, robot SCARA de 4 gdl
compuesto por motores paso a paso, sensores que miden la posición y tarjetas de
control capaz de contralar el giro de los motores, una mesa didáctica, una MPS de
FESTO y una interfaz hombre máquina que permite a los estudiantes controlar los
movimientos del robot.
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3. ROBOT SCARA DE CUATRO GDL
Un robot SCARA es un robot industrial que posee movimiento rotacional y
longitudinal, este robot se caracteriza por ser eficiente en realizar trabajos repetitivos
como transporte de piezas, pintura y muchas más actividades industriales. Un robot
SCARA de 4 grados de libertad se puede ver en la imagen 1, este robot se compone
de una base que soporta la estructura del robot, pivotes. rodamientos, eslabones, y
un elemento final de control.
Imagen 1. Diagrama de cuerpo libre de un robot SCARA.
El diseño del robot SCARA fue hecho con base al robot YK-XG que comercializa la
empresa Yamaha, debido a esta razón se facilitó el diseño mecánico. La imagen 2
corresponde a un dibujo en una vista isométrica del robot SCARA acoplado a la
MPS, este dibujo se realizó en el entorno de desarrollo grafico Solidworks. Se
establece un diseño de un robot SCARA que tuviera la posibilidad de desplazarse
fácilmente y tuviera un brazo de acción de 76 [cm] y un recorrido prismático de
32[cm] de altura.
Imagen 2. Diseño banco didáctico.
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3.1 CINEMÁTICA DIRECTA
Luego de tener definido el diseño mecánico del robot, se pasa a determinar su
cinemática directa para poder calcular la posición de elemento final de control
(gripper). En este caso se aplicará el algoritmo de Denavit Hartenberg (DH). Para
realizar este algoritmo solo se utilizarán 3 GDL del robot SCARA contemplando que
el gripper solo podrá abrir o cerrar por lo tanto solo hace parte del segundo grado
de libertad.
Imagen 3. Sistemas de referencia DH del robot scara aplicando el algoritmo de D.H
En la tabla 1 se describe los grados de libertad y las variables requeridas para aplicar
el algoritmo de D.H.
Tabla 1. Variables del algoritmo de Denavint Hartenberg.
Articulación θ d a
q
1 1 Lc L1 0 𝜃1
2 0 L2 180 𝜃
3 0 0 0 𝑑
COS(𝜃) = C𝜃 Y SEN(𝜃) = S𝜃 COS(𝛼) = C𝛼 Y SEN(𝛼) = S𝛼
Luego de aplicar el algoritmo se obtiene la forma de la matriz homogénea y se
reemplaza para cada articulación desde la 1 a la 3.
El diseño mecánico del robot SCARA de 4 gdl como ya fue mencionado previamente
en este libro, fue con base al robot YK-XG que comercializa la empresa Yamaha,
se destaca que el diseño tuvo muchos cambios debido a que se debía hacer este
robot optimizando recursos de acuerdo a esto el diseño tiene su originalidad. La
imagen 6 corresponde a un dibujo en una vista isométrica del robot SCARA.
DIMENSIONAMIENTO:
Imagen 6. Vista isométrica robot SCARA 4gdl.
Como criterios fundamentales del diseño se destaca que el robot tenía que tener 4
grados de libertad además a esto debía ser un robot robusto, por ende, se diseñó el
brazo con una longitud de 76 [cm]. Para la estructura del robot se diseñó una base
que se hizo de un perfil en L de 2” por cara y de ancho de 1/8”. El primer grado de
libertad corresponde a un movimiento rotacional, cuando se diseñó este grado
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de libertad fue importante contemplar que los demás componentes del robot se ven
apoyados en este grado de libertad por ende el pivote que iba adherido a la base
del robot debía ser grueso; inicialmente se propuso uso de rodamientos de esferas,
pero con la construcción del prototipo se dañaron los rodamientos de esferas, una
hipótesis sobre este suceso es el hecho de que el eje se apoyó con cierta inclinación
lo que genero su desembocadura, la solución fue utilizar rodamientos de agujas. El
primer grado de libertad se diseñó con un eslabón de 34 [Cm] de longitud y un ancho
de 8 [Cm] y para completar se debía hacer la medición del ángulo, esto se hizo con
engranajes rectos del mismo tamaño adheridos al eje del primer eslabón y al eje del
potenciómetro (el potenciómetro quedo soportado en un hueco de la medida del
exterior del potenciómetro. Todas las especificaciones a detalle serán encontradas
en los anexos de planos mecánicos).
Imagen 7. Diseño1 grado de libertad.
El segundo grado de libertad también era un movimiento rotacional, se destaca que
se utilizó una columna que le diera altura y soporte al segundo grado, luego se
realizó un pivote más delgado que iba adherido por tornillos a la viga y se realizó un
eslabón de 38[Cm] de largo y al igual que el primer grado de libertad se usaron
engranajes en la medición del ángulo adheridos al eje del potenciómetro (el
potenciómetro quedo soportado en un hueco de la medida del exterior del
potenciómetro) y del eje del grado del segundo grado de libertad.
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Imagen 8. Diseño 2 grado de libertad.
El tercer grado de libertad es un grado de libertad prismático, para este diseño se
contempló el uso de una transmisión de movimiento por medio de un piñón
cremallera, pero para lograr esto se requería algún objeto que permitiera soportar el
movimiento de la cremallera por ende se propuso el uso de una corredera lineal;
Este tipo de corredera es usada en los cajones de los hogares o en diferentes usos
que se requiera realizar un movimiento lineal y evitar roces entre cuerpos. Ya se
tenía donde posicionar la cremallera ahora faltaba poner el piñón que se encargaría
de darle movimiento a la cremallera. A este mecanismo le faltaba un detalle y este
detalle era que como el motor transmitiría el movimiento al engranaje y para esto se
usó un sistema de tornillo sin fin a piñón. Se usó este mecanismo debido a que si
se ubicaba un motor debía ser de forma axial al eslabón 2 entonces se necesitaba
que el engranaje quedara soportado de forma transversal y así poder transmitir el
movimiento, este tipo de transmisión requiere que los ejes entre los componentes
que rotan se encuentren a 90°. Lo último que se diseño fue la lectura de la altura del
elemento final de control, para ello se usó un engranaje que se acoplaba el eje del
potenciómetro para el potenciómetro se le hizo un soporte en u que le permitiera estar
adherido al eslabón 2.
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Imagen 9. Diseño 3 grado de libertad.
El cuarto grado de libertad también corresponde a un grado de libertad prismático,
para su diseño se contempló una pieza que se pudiera adherir a la corredera lineal
y que sujetara al elemento final de control. Se encontró comercialmente un elemento
final de control que en este caso fue un gripper y se implemento.
3.5 MATERIALES:
Imagen 10. Diseño 4 grado de libertad.
Terminado el diseño mecánico se empezó a buscar los materiales con que realizar
las piezas y se concluyó que los factores a tener en cuenta era que los materiales
debían ser de bajo costo, pero de un buen rendimiento. Los materiales que cumplían
estos requerimientos eran acero al carbono y aluminio.
Para este banco se usaron acero al carbono (HR) para todas las piezas mecánicas
como ejes, soportes y pivotes
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Imagen 11. Características físicas del acero al carbono dadas por solidworks.
Para los eslabones 1 y 2 como la columna que soporta al eslabón 2 se usó aluminio
por ser un material liviano, posee baja densidad comparado con otros metales
estructurales y con un esfuerzo a la deformación alto. Se usó también plásticos en
los engranajes y en el gripper pero estas piezas ya las vendían hechas.
Imagen 12. Características físicas del aluminio dadas por solidworks.
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3.6 CALCULO DE MOTORES:
Ya teniendo el diseño del robot y el modelo dinámico con las dimensiones y especificaciones mecánicas como masas, dimensiones y momentos de inercia de los cuerpos se procede a realizar el cálculo de los torques reemplazando los parámetros en la ecuación 16:
Tabla 2. Parámetros del robot SCARA.
PARAMETROS VALOR UNIDADES
𝐼𝑧1 0.010085924;
𝑘𝑔*𝑚
𝐼𝑧 0.010373875 𝑘𝑔*𝑚 𝐼𝑧 0.07325 𝑘𝑔*𝑚
m1 0,8 𝑘𝑔
m2 0,65 𝑘𝑔
l1 0,34 m
l2 0,41 m
Luego de realizar el cálculo de los torques se obtiene un valor en [ 𝑚2
y se pasó
a [ 𝑚2
kg ∗ ( 𝑠2 )]
que son las características que se encuentran comercialmente.
kg ∗ ( 𝑠2 )]
𝑇1
𝑚2 17,2 [kg ∗ ( )]
𝑠2
[𝑇2] = 𝑇3
𝑚2
10,456 [kg ∗ ( 𝑠2 )]
𝑚2
[ 4,86 [kg ∗ ( 𝑠2 )] ]
Los valores de torque que se obtuvieron no se encuentran comercialmente en
motores paso a paso, pero se realizó una aproximación por arriba al valor que si se
encuentra en la industria. El fin de aumentar el valor del torque calculado es por si
en las ecuaciones diferenciales no se contempló alguna fuerza opuesta al
movimiento o alguna perdida por fricción que afectara el funcionamiento.
𝑚2
𝑇1
18 [kg ∗ ( 𝑠2
)]
[𝑇2] = 𝑇3
𝑚2
12 [kg ∗ ( 𝑠2 )]
𝑚2
[ 5 [kg ∗ ( 𝑠2 )] ]
Para el 4 grado de libertad se utilizó un servomotor de 2[
𝑚2
que era el torque
kg ∗ ( 𝑠2 )
que recomendaba el proveedor para no generar daños en el gripper.
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𝑚2
𝑇4 = 2[kg ∗ ( 𝑠2 )]
3.5 DISEÑO DE ELEMETOS DE MAQUINAS
Cuando se obtuvo el cálculo de los motores que generarían el movimiento del robot SCARA se realiza el análisis estático de cargas para determinar si el diseño planteado tenía alguna falla mecánica, las piezas que se analizaron eran las que podían fallar por su gran dimensión y las cargas que soportarían, como era el caso del eslabón 1 y 2.
ESLABÓN 1:
Para realizar el análisis estático de esta pieza se contempla que es una viga está totalmente horizontal y se establece una carga estática distribuida de 3[kg] donde se contempla el peso del segundo eslabón y el torque del motor que es equivalente a 0.18 [N ∗ m)]. Todo esto se realiza por medio de Solidworks Simulation y sus librerías.
Imagen 13. Análisis estático de eslabón 1.
Como se puede notar en la parte derecha de la imagen 13 se encuentra una barra de calor que representa el valor del esfuerzo de von mises, estos colores se ven reflejados en la parte izquierda en la pieza y se puede notar colores azules o verdosos lo que significa que no hay puntos críticos donde se deforme el eslabón. Con este estudio se aprueba el material y las dimensiones contempladas en el diseño para esta pieza.
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ESLABÓN 2
Al igual que el eslabón 2 se establecen las mismas condiciones, la pieza está completamente horizontal. Ahora se le agrega una carga estática distribuida de 1kg donde se contempla el peso del eslabón 3, el torque del motor que es equivalente a 0.12[N ∗ m)].
Imagen 14. Análisis estático segundo eslabón.
Como se puede notar en el análisis del esfuerzo de von mises no se presentan puntos rojos. Con este estudio se aprueba el material y las dimensiones contempladas en el diseño para el eslabón 2.
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4. DISEÑO ELECTRICO Y ELECTRÓNICO
4.1 DISEÑO ELÉCTRICO
El banco contará con una distribución eléctrica donde se alimentará de dos tomas
industriales monopolares de 110[v], una toma de ellas será la encargada de distribuir
energía regulada por medio de una toma convencional de dos salidas que serán
tomadas por el PLC FESTO y otra para cargar un portátil. La toma dos distribuirá
energía a la fuente DC.
4.2 DISEÑO ELECTRÓNICO
Para realizar el control de los grados de libertad se utilizarán los motores paso a paso de 18[ 𝑚2
que tiene una corriente nominal de 3 [A] y un voltaje
kg ∗ ( 𝑠2 )]
nominal de 24[v], otro motor de 12[
𝑚2
de una corriente 2.5 [A] el cuales
kg ∗ ( 𝑠2 )]
funcionan a 24[V] y un motor paso a paso de 5[
𝑚2
que funciona a 2.8[v]
y 1.68 [A] un servomotor de 2[
𝑚2
kg ∗ ( 𝑠2 )]
y una corriente de 200[mA]. Para el
kg ∗ ( 𝑠2 )]
control de los motores de 12 y 18 [
𝑚2
se usó una tarjeta de control
kg ∗ ( 𝑠2 )]
llamada TB6600 y para el motor de 5 [ 𝑚2
se implementó un puente H
kg ∗ ( 𝑠2 )]
LN298D. Además de los motores había una caja de control que permitía
iniciar o parar la máquina y leds indicadores (estos circuitos serán
encontrados en los anexos planos eléctricos). Ahora ya conociendo cual es
el voltaje de operación de los motores, el siguiente paso es encontrar una
fuente de voltaje que supla la suma de corrientes de todos los dispositivos
Donde 𝐴1𝑔𝑑𝑙 es el valor del ángulo del primer eslabón y 𝑃𝐷𝐼𝐺𝐼𝑇𝐴𝐿1 es el valor digital que
lee el ARDUINO.
CARACTERIZACIÓN SENSOR DE 2 GRADO DE LIBERTAD.
Para el segundo grado de liberta la lectura del sensor se tomó respecto a un
transportador que estaba alineado al eje del segundo eslabón y fijo al primer grado
de libertad, por tanto, esta medida esta referenciada al primer grado de libertad. Los
valores tomados están en la tabla 4, esta tabla respecto a la del primer grado de
libertad difiere en que requería de más puntos de muestra para obtener la curva con
mayor exactitud.
Tabla 4. Medición de palabra digital vs Angulo 2GDL.
PALABRA DIGITAL VS ÁNGULO
421 110
459 40
266 0
107 -45
34 -70
De esta tabla se obtuvo la gráfica y la ecuación de la recta para obtener el valor del
ángulo del segundo grado de libertad en el ARDUINO para el segundo
potenciómetro.
Imagen 21. Grafica de palabra digital vs ángulo del potenciómetro del 2 gdl.
𝐴 𝑔𝑑𝑙 = 0.2469 ∗ 𝑃𝐷𝐼𝐺𝐼𝑇𝐴𝐿 − 95,607 Ecuación (24)
30
-50
-100
100 200 300 400 500 600 700 800 0
50
0
y = 0,2469x - 95,607
100
PALABRA DIGITAL VS ANGULO 2GDL
Donde 𝐴 𝑔𝑑𝑙 es el valor del ángulo del segundo eslabón y 𝑃𝐷𝐼𝐺𝐼𝑇𝐴𝐿 es el valor digital
que lee el ARDUINO para el segundo potenciómetro.
Caracterización sensor de 3 grado de libertad.
Para el tercer grado de libertad la lectura del sensor se tomó respecto a un metro
que tomara la distancia desde el suelo a la parte de abajo del gripper. Los valores
tomados están en la tabla 5, este grado de libertad requería tomar más muestras
que los anteriores debido a que el sensor tiene una ventana de trabajo muy amplia
y al tomar más datos se garantiza una mayor exactitud en la ventana de operación.
Tabla 5. Medición de palabra digital vs Angulo 2GDL.
PALABRA DIGITAL VS ALTURA
992 12
981 13
972 14
960 15
950 16
939 17
928 18
920 19
897 20
886 21
882 22
872 23
861 24
850 25
840 26
829 27
821 28
820 29
795 30
De esta tabla se obtuvo la gráfica y la ecuación de la recta necesarias para obtener
el valor del ángulo del tercer grado de libertad en el ARDUINO para el tercer
potenciómetro.
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PALABRA DIGITAL VS ALTURA 3GDL
40
30
20
10 2
0
0 500 1000 1500
y = -0,09
7x + 103,88
Imagen 22.Grafica de palabra digital vs altura del potenciómetro del 3 gdl.
𝐴 𝑔𝑑𝑙 = −0.0927 ∗ 𝑃𝐷𝐼𝐺𝐼𝑇𝐴𝐿 + 103,88 Ecuación (24)
Donde 𝐴 𝑔𝑑𝑙 es el valor de la altura del tercer eslabón y 𝑃𝐷𝐼𝐺𝐼𝑇𝐴𝐿 es el valor digital que
lee el ARDUINO para el tercer potenciómetro.
4.2.4 PANEL DE CONTROL
El panel de control se hizo con 3 pulsadores, 1 selector y 3 indicadores. Todos estos
dispositivos trabajaban a 24[v] por ende a los dispositivos de entrada y salida se les
diseño un circuito para que pudieran ser controlados desde ARDUINO.
ENTRADAS:
Para las señales de entrada se aplicó un divisor de voltaje buscando que cuando un
dispositivo de entrada fuese accionado dicha acción pudiera ser detectada por el
ARDUINO, por ende, se aplicó un divisor de voltaje que hiciera una caída de
potencial de 24[v] a 5[v]. El divisor de voltaje es la ecuación 25 y su finalidad era
encontrar el juego de resistencias que permitieran leer las señales de entrada.
𝑉𝐴𝑅𝐷 = 𝑉𝑓𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒∗ 𝑅2
𝑅1+𝑅 Ecuación (25)
Con la ecuación 25 se hizo un despeje matemático para llegar a la ecuación 26.
𝑅2 = 𝑅1∗ 𝑉𝐴𝑅𝐷
𝑉𝑓𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒−𝑉𝐴𝑅𝐷 Ecuación (26)
Entonces para obtener el valor de 𝑅2 fue necesario suponer que 𝑅1 tendria un valor
de 100K[Ω], 𝑉𝐴𝑅𝐷 es el voltaje que soporta ARDUINO en sus entradas tiene un valor
igual a 5[v] y 𝑉𝑓𝑢𝑒𝑛𝑡𝑒 es el voltaje de la fuente y corresponde a 24[v] y por último se
despeja 𝑅2.
𝑅2 = 26315,785[Ω]
Este valor no fue encontrado comercialmente y tuvo que cambiar a 24K[Ω]. Este
valor se reemplazó en la ecuación 25 y se obtuvo que el voltaje era inferior a 5[v].
Por ende, se compró este valor de resistencia.
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SALIDAS:
Para las salidas se aplicó un circuito integrado que fue el optocoplador de referencia
4N25 y se le aplicó una resistencia de pull down de 1K[Ω] en la entrada y para la
salida se realizó el circuito para 24[v]. El valor de la resistencia era indicado ya que
el ARDUINO mega soporta 0.3[A] de corriente en la salida. La comprobación quedo
hecha en la ecuación 27.
𝐼𝐴𝑅𝐷 = 𝑣
𝑅 Ecuación (27)
Se reemplaza el valor de v que es 5 y R que es 1000 y se obtiene 𝐼𝐴𝑅𝐷.
𝐼𝐴𝑅𝐷 = 0,005 [𝐴]
El valor de 𝐼𝐴𝑅𝐷 es menor que 0.3, por ende se comprueba que era factible usar este
valor de resistencia.
Imagen 23. Panel de control.
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5. ENSAMBLE
Para desarrollar el ensamble del prototipo se realizó el maquinado de las distintas
piezas mecánicas y luego se realizó las distintas sujeciones con tornillería esto con
fin de que fuera desarmable en caso de que presentara errores. El armado del robot
partió de hacer primero la perforación a la mesa para fijar la base del robot, seguido
se instaló el pivote, a continuación, se introdujo el eje del primer grado de libertad y
se fijó al pivote con pasadores, a continuación, se puso el engranaje y después se
puso los rodamientos de agujas estos dos últimos al primer eje y luego se puso el
eslabón 1, se puso el motor y la tarjeta de control y por último se pega el
potenciómetro al eslabón 2 y este potenciómetro se le introduce en su eje un
engranaje.
Imagen 24. Ensamble del primer grado de libertad.
A continuación, se puso la columna y luego el pivote del segundo grado de libertad,
luego se puso el eje y se fijó con prisioneros al segundo pivote, seguido de esto se
introdujo el engranaje y el rodamiento de aguja al segundo eje, luego el eslabón 2,
después el motor paso a paso y el potenciómetro del segundo grado de libertad se
pega a un hueco del segundo eslabón.
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Imagen 25. Ensamble del 2 gdl.
Ya para el tercer grado de libertad se ponen las chumaceras de esferas y el eje que soportara al engranaje, luego se pone el soporte del tercer motor paso a paso y se pone el motor, seguido de esto se pone el tornillo sin fin y se alinea con el engranaje, después se pone la corredera lineal a la cual previamente se le pego la cremallera dentada, la corredera será fijada al eslabón 2 por medio de una platina en L y luego se pone el potenciómetro y en su eje el engranaje de la lectura.
Imagen 26. Ensamble del 3 gdl.
Por último, se pone una pieza que funciona de intermediario entre la corredera lineal
y el gripper, entonces el gripper es fijado a esta pieza por medio de un tornillo.
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Imagen 27. Ensamble del gripper.
Ya la estructura del robot está completamente armada solo falta hacerle el
recubrimiento y poner la tubería de los cables para darle protección y
embellecimiento al prototipo.
Imagen 28. Robot SCARA con estructura terminada.
Cuando el robot fue llevado a las instalaciones de la UNAB se acoplo el robot a la
MPS de FESTO, se les puso las tapas a los dos eslabones, las mangueras de los
cables y la cámara, en este instante el robot funcionaba con una fuente de voltaje
externa.
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Imagen 29. Robot SCARA con carcazas y mangueras puestas.
Ya por último se puso un recubrimiento en la mesa, se quitó la fuente externa y se
le puso las clavijas industriales para la alimentación de la fuente interna.
Imagen 30. Prototipo del robot SCARA terminado
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6. CONTROL DEL ROBOT
Ya teniendo construido y conectado el robot se realizó un lazo de control cerrado
para cada grado de libertad y se comprobó su funcionamiento. La técnica de control
aplicada fue lazo cerrado con un control on/off de una histéresis de ± 1° (grado) se
aplicó este tipo de control porque el sistema es completamente digital ya que los
motores eran de paso. Para el tercer grado de libertad se aplicó una histéresis de
±1 cm.
Imagen 31. Control ON-OFF en un sistema.
Para el gripper solo se dieron ángulos al servomotor y se memorizo cuáles eran los
ángulos para determinar el grado de apertura y así tomar las piezas.
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7. PROTOCOLO DE COMUNICACIÓN
Luego de tener el control se requería tener una comunicación entre el ARDUINO y
la interfaz y también entre el ARDUINO y el plc de FESTO. Para comunicar los
dispositivos en este proyecto se usaron dos tipos de comunicación, la Serial y una
red Ethernet. La comunicación SERIAL, específicamente puerto USB SERIAL
trabajo para el mando del robot SCARA, ella se encargó de comunicar la interfaz
HMI y el ARDUINO, esta comunicación trabajo a una velocidad de trasmisión de
9600 baudios. También se trabajó una red ethernet para comunicar el PLC de
FESTO y el computador esta red se entablo para cargar la lógica ladder desarrollado
en CODESYS para controlar el funcionamiento de la MPS.
Para comunicar en tiempo real al ARDUINO y a la MPS se realizó una conexión que
incluía dos señales de 24 [v], estas señales se consiguieron por medio de
optocopladores que permitían realizar el switcheo de la señal de color o la señal de
parado de emergencia.
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8. INTERFAZ HMI
Luego de conseguir la comunicación entre el ARDUINO y la HMI se prosiguió a
realizar el diseño final de la interfaz HMI en LABVIEW. El resultado final de la interfaz
ofrece a los usuarios la posibilidad de interactuar diferentes modos de operación al
robot. La interfaz cuenta con un Tap control que permite tener múltiples opciones de
mando. De esta interfaz destaca la programación de estados esto gracias a un shift
register (dentro del ciclo While que siempre es necesario en este programa para
tener un ciclo infinito) y a un enum constant esta opción permite crear una base
discreta de opciones donde quedan organizados unos ítems y dependiendo la
cantidad de estados del programa así serán la cantidad de ítems del enum constant.
Ademas de esto destaca la transmisión de datos por el puerto serie, esto se realizó
por medio de la librería de LABVIEW SERIAL la cual pedía el puerto donde iba a
estar la información la velocidad de transmisión y la cantidad de bits que soportaría
el canal, en el programa se definía donde se debía leer el puerto o donde se debía
escribir en el puerto.
Por ultimo sobresale la clasificación de colores donde también se recurrió a la
utilización de una librería de visión artificial llamada VISION AND MOSION de
LABVIEW y dentro de esta una sublibrería NI-IMAQ que clasifica colores en tiempo
real por medio de una cámara, la cámara usada fue la FACECAM 1000X. Para
realizar la clasificación en tiempo real se utilizó el módulo Vision adquisition el cual
permitía configurar la cámara para la adquisición de la imagen en tiempo real,
también se usó el módulo de Vision assitant, este módulo era la parte inteligente ya
que ahí se debía cargar la base de datos de los colores a clasificar y además era
donde se podía configurar el método de clasificación que el programa fuera a
ejecutar.
Imagen 32. Interfaz HMI del robot SCARA.
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9. RESULTADOS
Los resultados obtenidos fueron segmentados por etapas:
CONTROL ROBOT SCARA
Se realiza el ensamble del robot y se realizan pruebas de cada grado de libertad
desacoplado y se consiguió controlar el movimiento de los cuatro grados de libertad
de manera secuencial.
CONTROL DE MPS FESTO
Se realizó la identificación de las variables en la MPS HANDLING de FESTO y luego
se realizó el código en lógica ladder que permitía posicionar el color rojo y azul en
la primera canaleta y los demás colores en la segunda canaleta.
INTERFAZ HOMBRE MAQUINA ROBOT SCARA
Se desarrolló una interfaz que permitiera tener distintos modos de operación, esta
interfaz es explicada a detalle en los anexos manual de funcionamiento del robot
SCARA.
CLASIFICACIÓN DE COLOR
Por medio de Labview se consiguió realizar un clasificador de colores que permitía
dividir en dos grupos los colores rojo y azul y el otro grupo en negro, blanco y
plateado. Cuando se detectaba el primer grupo la interfaz enviaba una señal al
ARDUINO y este la identificaba para confirmarle a la MPS que posicionara el primer
grupo.
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10. CONCLUSIONES
Las conclusiones estarán dadas por especialidades:
MECÁNICO:
•Los ejes del robot SCARA deben ser macizos porque durante la construcción del robot ocurrió un error y fue que el robot doblo los dos primeros ejes ya que los eslabones estaban realizando una palanca por su peso lo que género que los ejes que soportaban los eslabones se doblaran y por ende se dejó de transmitir el movimiento del motor al eslabón, como solución se rediseño el eje y se hizo macizo ya que el anterior era una varilla hueca.
Imagen 33. Eje macizo rediseñado.
• Cuando se tienen ejes verticales es recomendable utilizar rodamientos de agujas. En la construcción del proyecto se dañó dos rodamientos de bolas por que el eje se apoyaba en ellos.
ELECTRÓNICO:
• Para el funcionamiento de los motores paso a paso se deben utilizar los enables. Durante las pruebas del robot se dañó una tarjeta TB6600 porque se saturo el motor en corriente y la tarjeta no pudo soportar este exceso de corriente, esto se dio por no deshabilitar el enables o deshabilitar la tarjeta.
• Se recomienda que al implementar motores paso a paso en un sistema se contemple un torque mucho más elevado al que se obtiene del cálculo del modelo dinámico, en la ejecución de este proyecto los motores tenían un desplazamiento muy lento debido a que el torque del motor era tan solo el suficiente para generar el movimiento.
• Para leer con ARDUINO entradas de voltaje mayores a 5[v] se debe realizar un divisor de voltaje o un regulador de voltaje que le permita a la tarjeta leer la señal de control generada.
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• Para activar luces piloto o señales desde el ARDUINO que requieran un voltaje mayor de 5[v] se recomienda utilizar optocopladores, estos integrados permiten obtener un swicheado rápido y efectivo.
• Para la lectura de los potenciómetros no es bueno usar engranajes, durante la ejecución del proyecto se pudo observar que el engranaje le quitaba precisión a cada grado de libertad, esto debido a que el engranaje tiene un avance que en algunas ocasiones cuando se daba un ángulo determinado el avance del engranaje no permitía lograr dicho ángulo entonces cuando el robot entraba en el lazo cerrado, ocurrían unas oscilaciones en el ángulo de set point por saltos en los dientes del engranaje.
COMUNICACIÓN
• Cuando se utiliza la comunicación serial se deben usar separadores, (en este proyecto se usó un separador (“,”) en los casos donde se transfieren más de una señal entre dispositivos. La comunicación serial es un solo canal de datos por donde se transportan datos que van o viene, si los datos que se transmiten se envían de una forma muy rápida y sin dejar espacios de tiempos suficientes como para que el puerto serie retome los valores en ese caso es muy útil utilizar un separador y almacenar las nuevas variables los valores que son enviados por el canal de comunicación.
INTERFAZ HMI
• LABVIEW permite clasificar colores en tiempo real con buena precisión, es recomendable darle una buena base de datos a los bloques de la librería de visión para facilitar la clasificación de un color. Se recomienda tomar la base de datos con buena luz y claridad.
• Utilizar una HMI en LABVIEW presenta dificultades en la comunicación, se pierden señales y se genera un tiempo de latencia fácil de notar.
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