Diseño y construcción de prototipo para mecanizado multiejes en ...

Universidad Nacional de Colombia

Diseno y construccion de prototipo paramecanizado multiejes en materiales

blandos utilizando arquitectura paralelaStewart-Gough

Autor:

Francisco Javier Villate

Gaona

Tutor:

M.Sc. Luis Miguel Mendez

Moreno

Tesis entregada para cumplir con los requisitos

para el grado de

Master en ingeniera-Automatizacion Industrial

en la

Facultad de ingeniera - sede Bogota DC

Departamento de Ingeniera Electrica y Electronica

25 de junio de 2015

http://www.unal.edu.cohttp://www.ingenieria.unal.edu.co) http://www.ingenieria.unal.edu.co/es/dependencias/departamentos/departamento-de-ingenieria-electrica-y-electronica

Declaracion

Yo

Francisco Javier Villate Gaona

Manifiesto que este proyecto Diseno y construccion de prototipo para mecaniza-

do multiejes en materiales blandos utilizando arquitectura paralela Stewart-

Gough y la informacion del trabajo incluida ha sido desarrollado por mi y se hace

mencion de cada una de las fuentes de ayuda que han sido consultadas y han hecho

contribuciones al desarrollo de este proyecto

.

Firma:

Ciudad y fecha:

i

A Dios todo poderoso por permitirme cada da de vida y darme

fortaleza en todos los propositos que me he trazado.

A mi esposa y mis hijos Gabriel y Mateo, principal razon de mi

lucha da a da.

A mis padres y hermanos que siempre me han apoyado

incondicionalmente.

A todos mis demas familiares, en especial a mis tos y primos.

Por ultimo a la memoria aun presente de mis abuelos, que fueron

un grandioso ejemplo de vida.

ii

Agradecimientos

Al dar una mirada atras y recordar todos los esfuerzos realizados en este proyecto, se

puede decir sin ninguna duda que este trabajo es el resultado de multiples situaciones y

del acompanamiento de varias personas, que han aportado lo mejor de sus experiencias

y conocimientos para llegar a este punto.

En primer lugar quiero agradecerle a todos los profesores que me han instruido du-

rante mi vida, desde aquellos en mis estudios en primaria hasta los de maestra en la

Universidad Nacional de Colombia,Facultad de ingeniera - sede Bogota DC,

Programa de Master en ingeniera-Automatizacion Industrial. En cuanto a la

direccion de la tesis, agradezco al ingeniero M.Sc. Luis Miguel Mendez Moreno

profesor de dicho programa, por su gua y apoyo no solo en la seleccion de la propuesta

del tema de investigacion, sino por su acompanamiento en lo academico e incluso en lo

personal.

A los demas miembros del programa de Master en ingeniera-Automatizacion In-

dustrial por toda la ayuda que me han prestado en este proceso investigativo. En

especial a los Ingenieros Carlos Sanchez, Jorge Ivan Sofrony, Pedro Cardenas y

Ricardo Ramirez.

Tambien agradezco a los Ingenieros a Daniel Ramrez, Ubaldo Garca Zaragoza

por su acompanamiento oportuno y aportes en el desarrollo de esta investigacion.

A todos los companeros del laboratorio de Mecatronica de la Universidad Nacional

Ingenieros Juan Diego Arevalo, Edgar Bolvar, Juan David Munoz, Alvaro

William Roa por su colaboracion permanente; al Ingeniero Frenelly Rojas Cha

por sus aportes en manufactura; Juan David Ramrez Vasquez, Nicolas Gongora

Salazar, Edgar Augusto Merchan del Centro de Diseno y Metrologa SENA,

por sus aportes y consejos durante el diseno CAD.

Es importante para m, agradecer a COLCIENCIAS por su apoyo y la financiacion de

esta propuesta y el fortalecimiento a la formacion en investigacion; al Instituto Tecnico

Industrial Centro Don Bosco en cabeza de su director Rector Padre Mario L.

Peresson Tonelli, por facilitar las instalaciones y equipo para la manufactura de los

componentes; al Padre Javier Castano Posada, y al Doctor Manuel Antonio

Vargas Rincon, por sus aportes desde sus conocimientos en los procesos de manufactura

y procesos de fabricacion.

iii

http://www.unal.edu.cohttp://www.ingenieria.unal.edu.co)

A los Ingenieros adscritos al programa Maestra en Automatizacion Industrial de la

Universidad Nacional de Colombia sede Manizales: Fabiola Angulo Garca y Jhon

Taborda, por su acompanamiento oportuno al inicio del proceso.

Por ultimo pero no menos importante, a mis abuelos, padres, hermanos, y tos con

quienes he compartido, especialmente a Teresa Villate de Gaona por brindarme su

apoyo y guiarme durante toda mi formacion; a mi esposa Dora Higuera por su paciencia

y por ser pilar de todas mis decisiones; a mis hijos Gabriel y Mateo por permitirme

dedicar el tiempo destinado a ellos a la busqueda del conocimiento.

Abstract

Diseno y construccion de prototipo para mecanizado multiejes en

materiales blandos utilizando arquitectura paralela Stewart-Gough

por:

Francisco Javier Villate Gaona

KeyWords: Co-Simulacion, CAD/CAM/CAE/CNC, postprocesador, Stewart-Gough,

SG UNal

This document describes the design and manufacture of a device for multi-axis ma-

chining soft materials based on parallel architecture with 5 degrees of freedom type

Stewart-Gough -SG-, including the development of their respective postprocessor. An

integration of CAD/CAM/CAE/CNC process is made, including tools for dynamic sim-

ulation and co-simulation to test the behavior of the manipulator and its controller on a

virtual model, enabling verify trajectory generation and the previous detection collisions

in machining. The machine, named SG Unal, is in the mechatronics laboratory of the

National University of Colombia in Bogota.

The geometrical model of the platform was made using the UGS NX 8.5, MATLAB tools

for generating paths and Simulink for Control System, which articulated with SG Unal

postprocessor developed in NX Post Builder module generates the information required

for movement of the actuators on the platform UNAL SG during machining. In the CAD

module UGS NX 8.5, was modeled each of the components of the platform Unal SG in-

formation obtained and planes detail required for machining of the dispositive parts.

Manufacturing is done in conventional machines and tools and CNC numerical control

flow following brought in CAD/CAM/CNC. Finally, the platform is assembled with its

subsequent verification and tuning, looking for the machining of a sphere of radius 30cm.

Este documento describe el diseno y la fabricacion de un dispositivo para mecanizado

multiejes en materiales blandos basado en arquitectura paralela con 5 grados de libertad

tipo Stewart-Gough -SG-, incluyendo el desarrollo de su respectivo postprocesador. El

dispositivo final se encuentra en el laboratorio de mecatronica de la Universidad Na-

cional de Colombia. Se realiza una integracion de los procesos CAD/CAM/CAE/CNC,

incluyendo herramientas de simulacion dinamica y Co-Simulacion para comprobar el

comportamiento del manipulador y su controlador en un modelo virtual, lo que permite

verificar la generacion de trayectorias y la deteccion previa colisiones en el mecanizado.

El dispositivo final, nombrado SG UNal, se encuentra en el laboratorio de mecatronica

de la Universidad Nacional de Colombia- Sede Bogota.

El modelo geometrico de la plataforma se ha realizado empleando las herramientas UGS

NX 8.5, MATLAB R para la generacion de las trayectorias y Simulink para el Sistema deControl, que articulado con el postprocesador SG Unal desarrollado en el modulo Post

Builder de NX, genera la informacion requerida para el movimiento de los actuadores

en la plataforma SG UNal durante un mecanizado. En el modulo CAD de UGS NX

8.5, se modelo cada uno de los componentes de la plataforma SG Unal obteniendose

la informacion de detalle y los planos requeridos para el mecanizado de piezas de la

maquina. La manufactura se realizo en maquinas y herramientas convencionales y de

control numerico CNC siguiendo flujo de trajo en CAD/CAM/CNC. Finalmente, se ha

ensamblado la plataforma con su consiguiente verificacion y puesta a punto, buscando

el maquinado de una esfera de 30cm de radio.

Indice general

Declaracion I

Agradecimientos III

Abstract V

Contenido VII

Lista de Figuras XI

Lista de Tablas XVI

Abreviaciones XVII

IMPACTO INDUSTRIAL XVIII

INTRODUCCION XIX

OBJETIVOS XXI

1. ESTADO DEL ARTE 1

1.1. Evolucion de los robots paralelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2. Plataforma Stewart Gough . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.3. Aplicaciones de los robots paralelos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.3.1. Simuladores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.3.2. Dispositivos medicos y teleoperacion . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.4. Posicionadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.5. Manipuladores de ensamble y soldadura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.6. Centros de mecanizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2. DISENO MECANICO 21

2.1. Justificacion del mecanismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.2. Requerimientos de diseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.3. Mecanismos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.3.1. Plataforma SG (Stewart-Gough) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.3.2. Plataforma de 6 GDL con actuadores fijos a la base . . . . . . . . 28

vii

Contenido viii

2.3.3. Plataforma de 6 GDL hbrida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.4. Seleccion de la plataforma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.5. Optimizacion de los parametros de diseno . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.6. Diseno y modelado de componentes mecanicos . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.6.1. Configuraciones Stewart-Gough (Propuestas de Diseno) . . . . . . 34

2.6.2. Modelacion de los actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.6.3. Juntas Universales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.6.4. Anillo Movil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.6.5. Prensa de sujecion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.6.6. Placa Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.6.7. Acoples junta esferica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.6.8. Diseno y Seleccion de Juntas esfericas . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.6.9. Acoples junta esferica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.6.10. Analisis de Movimiento SG (Juntas Universales-Juntas Esfericas) . 46

2.6.11. Soporte Husillo de Plataforma S-G Unal . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.6.12. Analisis Espacio de trabajo y destreza para montajes SG . . . . . 49

2.6.13. Estructura Plataforma SG Unal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.7. Ensamble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

2.8. Planos de Manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3. MODELO DINAMICO DE PLATAFORMA SG UNAL EMPLEAN-DO SOFTWARE CAD/CAE 52

3.1. Modelamiento geometrico del prototipo y simulacion dinamica . . . . . . 53

3.2. Simulacion Dinamica actuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.2.1. Asignacion de Eslabones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.2.2. Asignacion de Juntas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.2.3. Generacion de Movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.2.4. Comprobacion de funcionamiento del Actuador . . . . . . . . . . . 56

3.3. Modelo Dinamico Plataforma SG Unal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.3.1. Asignacion de Eslabones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.3.2. Asignacion de Juntas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.3.3. Comprobacion del numero de grados de libertad del manipulador,y validacion por aplicacion de fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.3.4. Generador de Trayectorias: GUI MATLAB . . . . . . . . . . . . . 60

3.3.5. Validacion generador de trayectorias . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.3.6. Simulacion Posicionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.3.7. Simulacion Taladrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.3.8. Simulacion desde el Material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4. DESARROLLO DE POSTPROCESADOR PARA LA PLATAFOR-MA SG UNAL 70

4.1. Generacion codigo NC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.1.1. Interpolacion Para Trayectoria Lineal . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.1.2. Interpolacion Trayectoria Circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.1.3. Traductor de codigo G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4.2. Interfaz Grafica de Usuario (GUI) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.2.1. Interfaz Grafica de usuario y Postprocesador SG Unal V2.1 . . . . 77

Contenido ix

4.2.2. Interfaz de Grafica de Usuario y Traductor CAM SG Unal V3. . . 77

4.3. Algoritmo para realizacion de traduccion NC . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.4. Resultados Trayectorias de mecanizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.5. Post Procesador en NX Plataforma SG UNAL . . . . . . . . . . . . . . . 86

5. COSIMULACION PLATAFORMA SG-UNAL 97

5.1. Simulacion Convencional Modelo Cinematico . . . . . . . . . . . . . . . . 97

5.1.1. Flujo de Trabajo Simulacion Convencional . . . . . . . . . . . . . . 99

5.2. Simulacion PMDC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5.2.1. Flujo de Trabajo simulacion PMDC . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.3. Cosimulacion de la Plataforma Stewarth-Gough . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.3.1. Solucionador RECURDYN (MULTIBODY DYMAMICS) . . . . . 107

5.3.2. Implementacion de Co-simulacion Matlab RNX R . . . . . . . . . . 1085.3.3. Flujo de Trabajo Cosimulacion Plataforma SG Unal V5.1 . . . . . 110

5.4. Pruebas de cosimulacion en prototipo de taladrado SG-UNAL . . . . . . . 112

5.4.1. Mecanizado piramide por niveles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

5.4.2. Prueba de mecanizado con interpolacion circular . . . . . . . . . . 118

5.4.3. Prueba de mecanizado 5 ejes semiesfera taladrada . . . . . . . . . 119

6. MANUFACTURA Y ENSAMBLE DE LA PLATAFORMA SG-UNAL122

6.1. Mecanizado Convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.1.1. Placa Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.1.2. Placa movil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.2. Manufactura de Componentes en CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

6.2.1. Manufactura placa base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

6.2.2. Manufactura placa movil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

6.2.3. Manufactura de Junta universal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

6.2.4. Manufactura acoples junta esferica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

6.3. Fabricacion de la estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6.4. Tratamientos termicos aplicados a componentes . . . . . . . . . . . . . . . 139

6.5. Componentes estandarizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

6.6. Sub ensambles y Ensamble de plataforma SG Unal . . . . . . . . . . . . . 143

7. CONTRIBUCIONES 146

8. TRABAJOS FUTUROS 148

9. CONCLUSIONES 149

A. Lnea Recta 151

B. interpolacion lineal para caja chavetera 152

C. interpolacion lineal y circular para caja chavetera 153

D. resolucion de matematica inversa del manipulador de 2 GDL 154

E. Prueba de planeado con Post SGUnal 156

Contenido x

F. Prueba de planeado con Post SGUnal, codigo G 158

G. Prueba cajera con Post SG UNAl V2, Codigo G 159

H. Chavetera con Postprocesador V2, Codigo G 177

I. Piramide, Variables resultantes 195

J. Codigo , Trayectorias Lineales 197

K. Codigo , Trayectoria Circular 198

L. Codigo G, Logotipos 203

M.Codigo G, Placa Base 375

N. Codigo G, Placa Movil 412

Bibliografa 708

Indice de figuras

1.1. Estructura cinematica de un robot;(izq)serial;(der)paralela; [1] . . . . . . 2

1.2. Plataforma de movimiento espacial patentada por Gwinnett; Fuente [2] . 3

1.3. Primer robot industrial paralelo; Fuente [3] . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.4. Primer hexapodo octaedrico (Plataforma original de Gough 1954 Proc.IMechE,1965-66) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5. Stewart Platform.; Fuente [4] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.6. Motion Simulator; Fuente [5] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.7. Primer simulador de vuelo basado en un hexapodo octaedrico a mediadosde 1960 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.8. Esquema de plataforma Stewart-Gough; Fuente [6] . . . . . . . . . . . . . 7

1.9. Robot ACFS de la NASA; Fuente [7] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.10. Simulador de movimiento de Flight Safety; Fuente [8] . . . . . . . . . . . 10

1.11. Robot MARS; Fuente [8]; Robot MARS en fijacion de tornillos en medula;Fuente [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.12. Consola Esclava, Robot Da Vinci.; Fuente [10] . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.13. Robot posicionador montado en el GTM; Fuente [11] . . . . . . . . . . . 13

1.14. (izq)Antena de posicionamiento; (der)hexapodo posicionamiento RAMEM;Fuente [12] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.15. Robot IRB 340 Flex Picker de ABB Flexible . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.16. FANUC F-200iB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

1.17. Robot VARIAX; Fuente [13] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.18. Centro de mecanizado Genius 500 de Cruz Huller; Fuente [14] . . . . . . 17

1.19. Centro de mecanizado Index V100; Fuente [13] . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.20. Centro de mecanizado Ulyses I de Fatronik; Fuente [13] . . . . . . . . . . 19

1.21. Centro de mecanizado PM600 de Okuma; Fuente [13] . . . . . . . . . . . 20

2.1. Calidad de las superficies de un molde para volante; Fuente [15] . . . . . 23

2.2. Aplicaciones de mecanizado; Fuente [15] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.3. Mecanizado de casco nautico para yate; Fuente [16] . . . . . . . . . . . . 24

2.4. Alternativas de solucion propuestas como mecanismo de 5 GDL . . . . . . 28

2.5. Plataforma SG . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.6. plataforma de 6 GDL con actuadores fijos a la base . . . . . . . . . . . . . 29

2.7. plataforma de 6 GDL hibrida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.8. Parametros de diseno establecidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.9. configuraciones para la plataforma SG con su correspondiente distribucionde destreza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.10. Propuesta 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.11. Propuesta 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

xi

Lista de Figuras xii

2.12. Propuesta 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.13. Actuador Firgelli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.14. Junta Universal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.15. Recta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.16. R10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.17. Original de 7 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.18. R14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.19. Carga caja cilndrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.20. Aplicacion de cargas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.21. Analisis por Elementos Finitos de las Juntas . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.22. Anillo Movil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.23. Prensa de sujecion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

2.24. Junta esferica en placa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.25. Junta Esferica v1.0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.26. Junta Esferica v1.1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.27. Junta Esferica v1.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.28. Juntas HEPHAIST SEIKO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.29. Acople junta esferica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

2.30. Analisis de Movilidad Juntas Esfericas Superiores . . . . . . . . . . . . . . 47

2.31. Analisis de Movilidad Juntas Esfericas Inferiores . . . . . . . . . . . . . . 48

2.32. Soporte Husillo Plataforma SG Unal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.33. Analisis de elementos finitos estructura inicial . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.34. Analisis de elementos finitos estructura final . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.1. Modelo Geometrico Plataforma Stewart-Gough Universidad Nacional . . . 53

3.2. Componentes y mecanismo del actuador modelado . . . . . . . . . . . . . 54

3.3. Asignacion final de Eslabones para el actuador . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.4. Asignacion de juntas, conectores y acoples . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.5. Seleccion tipo de rotacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.6. Ventana seleccion tipo de Analisis Dinamico y solucion para actuador . . 57

3.7. Comprobacion Numero de Gruebler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.8. GUI Generador de Trayectorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.9. Creacion de Tabla de datos X, Y (tiempo, desplazamiento) . . . . . . . . 62

3.10. Editor de Funciones NX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.11. Creacion de datos XY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.12. Solucion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.13. Cargas de Actuadores Trayectoria 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.14. Velocidad Lineal Actuadores Trayectoria 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.15. Potencia Actuadores Trayectoria 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

3.16. Cargas de Actuadores Trayectoria 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.17. Velocidad Lineal Actuadores Trayectoria 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.18. Potencia Actuadores Trayectoria 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

3.19. Simulacion Material Cargas de Actuadores Trayectoria 2 . . . . . . . . . . 68

3.20. Simulacion Material Velocidad Lineal Actuadores Trayectoria 2 . . . . . . 68

3.21. Simulacion Material Potencia Actuadores Trayectoria 2 . . . . . . . . . . 69

4.1. Vector Trayectoria Lineal Codigo G Unal . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Lista de Figuras xiii

4.2. Interpolacion para cajera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.3. Interpolacion Para Trayectoria Circular G02 Ciclo for. . . . . . . . . . . . 73

4.4. Trayectoria con manipulador serial de dos grados de libertad . . . . . . . 74

4.5. Prueba Planeado Post SG UNal V10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.6. Prueba Planeado Cajera Post SG Unal V.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.7. Interfaz Grafica de Usuario y postprocesador SG Unal Version V2.1 . . . 77

4.8. Modelo piramide SolidWorks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.9. Modelo Piramide Mastercam . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.10. Interfaz Grafica SGGUIV31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.11. Indicador de avance SGGUIV31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.12. Indicador cero de pieza (GUI) SGGUIV31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.13. Indicador estructura (GUI) SGGUIV31 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.14. Indicador lectura de bloques (GUI) SGGUIV31 . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.15. Indicador de seleccion de archivo NC e Inicio de ciclo SGGUIV31 . . . . . 82

4.16. Indicador para generacion grafica de trayectorias SGGUIV31 . . . . . . . 82

4.17. Indicador para generacion Grafica Tiempo VS Avances SGGUIV31 . . . . 83

4.18. Ventana Cargue de Archivo y Cycle Start GGUIV31 . . . . . . . . . . . . 84

4.19. Trayectorias generadas desde la GUI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.20. Tiempo Vs Avances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.21. GUI Nx Post Builder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.22. Movimientos Representativos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.23. Generacion de trayectorias en CAM NX y post proceso. . . . . . . . . . . 88

4.24. GUI Nx Post Builder. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.25. Pestana Program & Tool Path. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.26. Datos Codigo G con 8 Variables Post SG UNal. . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.27. Ventana de Programacion Movimientos Lineales. . . . . . . . . . . . . . . 93

4.28. Estructura Archivo .txt Post Procesador SG Unal 11 Variables . . . . . . 93

4.29. Ventana de Programacion Movimientos Circulares. . . . . . . . . . . . . . 94

4.30. Ventana de Programacion Movimientos Circulares 2. . . . . . . . . . . . . 95

5.1. Flujo de trabajo para la plataforma Stewart Gough. . . . . . . . . . . . . 98

5.2. Simulacion convencional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.3. Interfaz Grafica de Cinematica Inversa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

5.4. Resultados Obtenidos de la Cinematica Inversa . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.5. Simulacion NX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.6. Desplazamiento Z del Efector Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.7. Desplazamiento X, Y del Efector Final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

5.8. Simulacion PMDC actuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.9. Senal Lazo Abierto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

5.10. Voltaje de Entrada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.11. Elongacion del Actuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5.12. Comparacion Resultados y Pruebas Fsicas . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.13. Solucionador RECURDYN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

5.14. Co-Simulacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

5.15. Sistema de control y Motion Plant Block en Simulink . . . . . . . . . . . 109

5.16. Ventana tipo de analisis para cosimulacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.17. Ventana de Opcion de Simulacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

Lista de Figuras xiv

5.18. Simulink Hosted . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.19. Bloque y modelo de planta Simulink Matlab R . . . . . . . . . . . . . . . 1115.20. Interfaz Grafica Cinematica Inversa Y Control . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.21. Ventana del modelo en Posicion y Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

5.22. Trayectoria Inducida con movimiento realizado . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.23. Carga sobre los Actuadores Control de Posicion . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.24. Carga sobre los Actuadores Control Dinamico . . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.25. Patrones de mecanizado piramide. Fuente [17] . . . . . . . . . . . . . . . 116

5.26. Modelo piramide NX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.27. Mecanizado en CAM Modelo de prueba NX de piramide . . . . . . . . . . 117

5.28. NX MATLAB aplicacion piramide Simulink . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.29. Mecanizado de interpolacion circular G02 en Plataforma SG . . . . . . . . 119

5.30. CAD en NX de esfera taladrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

5.31. Mecanizados de taladrado en Plataforma SG Unal. . . . . . . . . . . . . . 121

6.1. Despiece de Componentes Plataforma SG Unal. . . . . . . . . . . . . . . . 123

6.2. Cilindrado y refrentado placa fija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.3. Empalme cara . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.4. Taladrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

6.5. Refrentado placa movil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

6.6. Empalme cilindrado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

6.7. Taladrado placa movil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

6.8. Diagrama de flujo para proceso de manufactura de piezas. . . . . . . . . . 126

6.9. Manufactura CAM Placa Base. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

6.10. Manufactura de Logotipos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

6.11. Verificacion de medidas placa base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

6.12. Mecanizado completo de placa base en Leadwell V30 . . . . . . . . . . . . 129

6.13. Mecanizado CAM Placa movil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

6.14. Ventana de parametros herramientas CAM Placa movil. . . . . . . . . . . 130

6.15. Mecanizado Placa Movil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

6.16. Proceso CAD CAM Horquilla 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

6.17. Proceso CAD CAM Horquilla 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

6.18. Proceso CAD CAM Cruceta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

6.19. Proceso CAD CAM Tornillo Tipo Pin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

6.20. Mecanizado Horquilla/Juntas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

6.21. Mecanizado Cruceta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

6.22. Tornillo Tipo Pin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

6.23. Acople junta esferica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6.24. Acoples Mecanizados CNC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

6.25. Fabricacion y ensamble estructura Plataforma SG Unal . . . . . . . . . . 138

6.26. Aplicacion Pintura Electrostatica Estructura . . . . . . . . . . . . . . . . 138

6.27. Tratamiento Placa Base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

6.28. Tratamiento Placa Movil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

6.29. Piezas con aplicacion de tenifer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

6.30. Motor Husillo Plataforma SG Unal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

6.31. Actuador Firgelli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

6.32. Junta Esferica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Lista de Figuras xv

6.33. Montaje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

6.34. Sub Ensamble Junta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

6.35. Ensamble de componentes Montaje anillo movil . . . . . . . . . . . . . . . 144

6.36. Montaje de las juntas a las placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

6.37. Plataforma SG-Unal ensamblada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

Indice de tablas

1.1. Ventajas y desventajas estructuran serial, estructura paralela . . . . . . . 8

1.2. Caractersticas Robot VARIAX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.3. Caractersticas Genius 500 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.4. Caractersticas Torno Vertical Index V100. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.5. Caractersticas Ulyses I de Fatronik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.6. Caractersticas Centro de mecanizado PM600 de Okuma. . . . . . . . . . 20

2.1. Atributos de Diseno plataforma S-G Unal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.2. Especificaciones de diseno para el mecanismo paralelo. . . . . . . . . . . . 27

2.3. Parametros del algoritmo genetico para el manipulador de 6 DOF conactuadores fijos a la base (orientacion constante). . . . . . . . . . . . . . . 31

2.4. Resultados del algoritmo genetico con la nueva funcion fitness para laplataforma SG (orientacion variable). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

3.1. Asignacion de eslabones modelo dinamico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.2. Asignacion de juntas modelo dinamico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.3. Movimiento de actuadores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

6.1. Especificaciones Junta Esferica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

6.2. Especificaciones Rodamientos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

xvi

Abreviaciones

LAH List Abbreviations Here

MRS Multi Robot Systems

MSR Human Suport Robot

CAD Computer Oriented Design

STL Standard Litographic

GUI Graphical User Interface

GDL Grado De Libertad

CNC Computer Numeric Control

CAM Computer Assisted Manufacturing

CAE Computer Aided Engineering

MCS Managed Desktop Machines

DIMA Direccion Investigacion Manizalez

SG Stewart Gough

GTM Gran Telescopio Meridiano

CGI Indice de Destreza Global

PLM Product Lifecycle Management

SGGUIVXY Stewart Gough GUI Version X.Y

PMDC Permanent Magnetic Direct Current

DSM Simulacion Dinamica Multicuerpo

ODE Ecuaciones Diferenciales Ordinarias

DAE Ecuaciones Diferenciales Algebraicas

NASA National Aeronautics And Space Agency

TCL Tool Command Lenguage

DC Direct Current

CS Co-Simulacion

IGES Initial Graphics Exchange Specification

FANUC Fuji Automatice Numerical Controls

ANSYS Analysis System

SKF Svenska Kullagerfabriken

ABB Asea Brown Boveri

EMI Electro Magnetic Interference

TIG Tungsten Inert Gas

ACFS Advanced Concepts Flight Simulator

xvii

Impacto Industrial

Contar con el dispositivo aqu planteado, fabricado en su totalidad, dispuesto en el labo-

ratorio de mecatronica de la Universidad Nacional de Colombia, habiendo pasado pasado

por todo el proceso de diseno ingenieril, para la aplicacion de pruebas y mecanizado en

materiales blandos, permite validar los resultados de la etapa de investigacion y diseno,

as como hacer tangibles los pros del uso de este tipo de plataformas, obteniendo un

impacto en la industria de dos tipos:

Teorico, ya que desde el desarrollo de este proyecto se hace un aporte al estudio de

centros de mecanizado, especficamente a los de 5GDL con estructura paralela, a las

tecnicas de control y a la simulacion en ambiente virtual; disminuyendo la brecha entre

la investigacion y el sector productivo de la manufactura.

Practico, observando parametros como: La minimizacion del ruido generado; la reduccion

de las vibraciones que durante los procesos de mecanizado convencionales se presentan;

el menor consumo de energa dada la capacidad de esta plataforma de manipular cargas

superiores a su propio peso -alta eficiencia energetica-; entre otras, que permiten que la

industria se encamine a implementar cadenas de produccion de forma segura y eficiente

que conlleven un menor costo y mayor calidad en el proceso de manufactura.

Por ultimo, teniendo en cuenta que esta tecnologa no solo es aplicable al area metalmecanica

sino a otras tantas que necesitan de remocion y manipulacion de material, se podra im-

plementar este tipo de dispositivos para la solucion de problemas en industrias de otra

naturaleza.

Teniendo en cuenta que esta tecnologa no solo es aplicable al area metalmecanica sino

a otras tantas como: ciruga, manipulacion, corte, etc., se podra implementar este tipo

de dispositivos para la solucion de problemas en industrias de otra naturaleza.

xviii

INTRODUCCION

La industria metalmecanica en nuestro pas actualmente desarrolla aplicaciones para

multiples campos como lo son: moldes, troqueles, prototipado, aeronautica, soldadura

CNC, entre otros, por medio de operaciones que necesitan de dispositivos multiejes basa-

dos en estructura de tipo serial, es decir, con una arquitectura cinematica de lazo abierto

caracterizada porque cada uno de los ejes soporta al otro incluyendo sus actuadores y

uniones.

Cada vez mas se hace necesario considerar como desarrollar disenos complejos y alta-

mente exigentes debido a las exigencias en sus relaciones simetricas en las funcionales y

en la necesidad de alta precision, que hacen de mayor dificultad los procesos de mecan-

izado debido a los montajes y a los fraccionamiento de programacion, convirtiendose

en procesos dispendiosos, cuya eficiencia queda en manos de la destreza y habilidad de

disenadores, operarios y programadores de control numerico.

Dichas exigencias a nivel de industria en diseno de objetos complejos con formas ca-

da vez mas estilizadas y precisas, requiere destreza en el operario y mas de 4 GDL en

maquinaria de mecanizado por CNC, junto con la precision, acabado superficial y flexi-

bilidad de produccion.

La mayora de las empresas del sector termina recurriendo a montajes excesivos que

generan sobrecosto de produccion y aumento de tiempos muertos, lo cual se convierte

en un problema de perdida de productividad. En los ultimos anos se han implementado

e importado MCS de control numerico con mayor cantidad de grados de libertad GDL

para poder suplir estas necesidades, cuya configuracion tiene herramientas con ejes in-

dexados y mesas de trabajo rotativas que mejoran la optimizacion de los procesos y

montajes, con alto grado de precision aunque sigue siendo de tipo serial o lazo abierto;

dadas las caractersticas estaticas y dinamicas presentes en la estructura de tipo serial en

los robots de CNC el desempeno se ve afectado notoriamente, ya que cada componente

aumenta su peso e inercia, disminuyendo las velocidades y aceleraciones maximas que

se pueden alcanzar en comparacion con las cargas que se pueden manipular en estas

estructuras.

En la actualidad se ha buscado la mejora considerable de estos procesos con la im-

plementacion de nuevas tecnologas usando cinematica paralela aunado a una mayor

cantidad de grados de libertad, junto con un proceso de manufactura que parte desde

disenos en CAD/CAM, hasta la obtencion del codigo G necesario para las distintas op-

eraciones de mecanizado y manufactura.

La primera maquina con arquitectura paralela construida en Colombia fue la Ruteadora

CNC de 3 GDL [? ] desarrollada por el grupo DIMA de la Universidad Nacional, el

prototipo experimental funcional fue desarrollado en asocio con la empresa Mecanizados

C.N.C. L.T.D.A, en el marco de un proyecto de tesis de maestra [9]. Se tomo como

modelo la maquina Orthoglide desarrollada en la Universidad de Nantes en Francia

[19].

Igualmente en los ultimos anos se han adelantado estudios para el diseno de una platafor-

ma robotica paralela de 6 GDL como asistente quirurgico en cirugas de reconstruccion

craneo-facial [? ], desarrollados por el mismo grupo de investigacion del que ya se hizo

mencion.

OBJETIVOS

El objetivo general de este proyecto en el que se pretende obtener un dispositivo com-

pleto y funcional se puede sintetizar en el siguiente parrafo:

Disenar y construir el prototipo de un dispositivo con arquitectura paralela, que permi-

ta el mecanizado en 5 grados de libertad de materiales blandos integrando un proceso

CAD/CAM/CAE/CNC. Inclusive, que presente herramientas de simulacion dinamica y

Co-Simulacion para comprobar el comportamiento del manipulador y su controlador en

un modelo virtual, de tal forma que permita verificar la generacion de trayectorias y

detectar colisiones en el mecanizado.

Para el cumplimiento de este objetivo, es complementario mencionar los diversos obje-

tivos especificos que componen su alcance:

Realizar el diseno conceptual y de detalle de la plataforma paralela para mecan-

izado con 5 GDL.

Implementar un postprocesador que se convierta en la interfaz entre el controlador

y el programador con codigo G para generacion de trayectorias en mecanizado

multieje.

Fabricar y ensamblar los componentes y la estructura del prototipo de la platafor-

ma paralela SG Unal con su verificacion y puesta a punto.

Captulo 1

ESTADO DEL ARTE

La constante necesidad del ser humano de innovar y de esta forma facilitar su vida ha

hecho que se desarrollen maquinas programadas para realizar tareas que normalmente

hara el hombre, es ah donde nacen los robots como herramienta que ayuda en las

labores humanas, incluso, se busca que estos robots tengan mayores cualidades y las

apliquen a la generacion de productos, dando as mayor seguridad al proceso y calidad

al resultado.

Segun su estructura cinematica los robots se pueden clasificar en seriales, paralelos o

hbridos; un robot es serial cuando su estructura cinematica es una cadena de lazo abier-

to, figura 1.1; los robots paralelos por su parte, se pueden definir como un mecanismo

de cadena cinematica cerrada cuyo efector final esta unido a la base por varias cadenas

cinematicas independientes [18], es paralelo si contiene tanto cadenas de lazo cerrado co-

mo de lazo abierto [1], incorporando eslabones llamados plataformas (Plataforma Movil,

Plataforma Base), unidas por articulaciones a los actuadores, en la mayora de los ca-

sos se busca que los actuadores esten fijos a la base para mejorar la dinamica del robot [3].

En este captulo, se presenta una breve resena historica sobre los manipuladores parale-

los, sus caractersticas generales fuente de estudio, sus ventajas y desventajas en relacion

a los robots seriales, y algunas de las aplicaciones actuales en diferentes campos.

1.1. Evolucion de los robots paralelos

Los requerimientos a nivel industrial actualmente demandan mayores prestaciones en

los procesos automatizados, de tal forma, que el empleo de robots en dichos procesos

se encuentre en aumento. Los requisitos son mas altos en cuanto a precision, capaci-

dad de carga, flexibilidad de tareas, confiabilidad, tiempos en ciclos de trabajo, entre

otros. Hay una tendencia generalizada para satisfacer estas demandas, donde una de

1

Chapter 1. Estado del Arte 2

Figura 1.1: Estructura cinematica de un robot;(izq)serial;(der)paralela; [1]

las soluciones planteadas es la implementacion y desarrollo de robots con estructuras de

tipo paralelo, que responde si no es a todos, a la mayora de los requerimientos expuestos.

Los robots paralelos se han convertido en parte indispensable de la robotica tanto en la

industria como en la academia. La investigacion en temas como la teora de mecanismos,

el analisis de la movilidad, la sntesis dimensional, la cinematica y dinamica, el modelado

y optimizacion de diseno han permitido que el desarrollo de este tipo de robots vaya en

aumento en las ultimas decadas.

Todo proceso tiene un desarrollo y los robots paralelos no son la excepcion haciendo un

recuento en orden cronologico desde sus comienzos, se puede partir desde el ano 1928

cuando James E. Gwinnett patento uno de los primeros dispositivos de entretenimien-

to conceptual basado en un mecanismo esferico paralelo (figura 1.2), este mecanismo no

fue tenido en cuenta por la industria del entretenimiento en su momento [9].

Figura 1.2: Plataforma de movimiento espacial patentada por Gwinnett; Fuente [2]

Una decada mas tarde Willard L.V. Pollard [19], creo un robot paralelo de 5 GDL

para aplicar pintura en spray con pistola automatica (1.3); fue patentado el 16 de ju-

nio de 1942 como el primer robot paralelo [20]. El robot consista en tres brazos de

dos eslabones cada uno. Los eslabones estaban unidos mediante juntas universales, sus


tres actuadores de base comandaban la posicion de la herramienta, mientras que la ori-

entacion era proporcionada por otros dos actuadores situados en la base y transmitan el

movimiento de la herramienta mediante la rotacion proporcionada a unos cables flexibles.

Figura 1.3: Primer robot industrial paralelo; Fuente [3]

En el ano 1947 se desarrolla el hexapodo octaedrico de barras de longitud variable [21],

que generara un gran cambio en la industria, creado por el Dr. Eric Gough ingeniero

automotriz de la Dunlop Rubber Co. Birmingham-Inglaterra, quien invento la maquina

para pruebas de llantas o Universal Ring, esta maquina ayudaba a resolver problemas

que se generaban cuando los aviones aterrizaban en los neumaticos, y determinar sus

propiedades bajo cargas combinadas en diferentes ejes (1.4).

En 1965, Stewart publico un artculo donde describe una plataforma de movimiento con

6 DGL [4], El mecanismo paralelo llamado Plataforma de Stewart (figura 1.5), destina-

do a trabajar como simulador de vuelo. El trabajo de Stewart hizo muchas sugerencias

para los usos del hexapodo que se convirtieron con el tiempo en realidad; hoy en da este

mecanismo es aplicado en la aviacion para simulacion de aeronaves. Es Stewart quien

introduce el mecanismo en el mundo academico.

En 1962, el ingeniero Cappel Klaus, perteneciente al Instituto de Laboratorios de

Investigacion de Franklin en Filadelfia, propuso un hexapodo octaedrico al igual que

Gough, estableciendo la pauta para el desarrollo de robots paralelos en la industria,


Figura 1.4: Primer hexapodo octaedrico (Plataforma original de Gough 1954Proc.IMechE, 1965-66)

Figura 1.5: Stewart Platform.; Fuente [4]

tambien para ser utilizado como un simulador de movimiento (figura 1.6) Cappel se le

concedio una patente para su invencion en 1967, se le considera como el tercer y ultimo

pionero en el campo de los robots paralelos.

El primer simulador de vuelo se construyo basado en el diseno de Cappel (figura 1.7);

Cappel tambien diseno varios sistemas de robots paralelos para pruebas de vibracion.

Sin embargo, habra de pasar un largo periodo tiempo antes de que estos disenos fueran

aceptados por la industria. Se pueden mencionar a estos tres hombres (Eric Gough, D.

Stewart, y Klaus Cappel), como los verdaderos pioneros del robot paralelo, cuyo legado

aun permite el estudio creacion de nuevas aplicaciones con mecanismos de este tipo.


Figura 1.6: Motion Simulator; Fuente [5]

Figura 1.7: Primer simulador de vuelo basado en un hexapodo octaedrico a mediadosde 1960

Se puede considerar el ano 1985 como el ano en que se popularizan estos mecanismos,

desde entonces ha ido creciendo de forma exponencial [22], y se puede destacar a J.P.

Merlet como uno de los estudiosos en el tema, teniendo en cuenta la recopilacion de

publicaciones relevantes sobre robots paralelos realizada por el. Sin duda alguna es un

tema de gran actualidad en el que se debe potenciar el desarrollo para optimizar los

diferentes procesos en nuestro caso orientados a la manufactura, la industria en general

y los diferentes campos que demanden de su aplicacion.

1.2. Plataforma Stewart Gough

Existen diversas configuraciones de robots paralelos, pero dentro de las mas estudiadas

y propuestos esta la plataforma Stewart-Gough [23], que es una combinacion del modelo

propuesto por Eric Gough, mecanismo paralelo de seis patas 2.5, empleado para probar

los neumaticos con cargas combinadas, anos despues Stewart empezo a utilizar una vari-

ante del mecanismo de Gough para sus simuladores de vuelo (1.7) y el dispositivo fue

rebautizado [24] en su honor como Plataforma de Stewart. Esta combinacion se compone


de dos placas o plataformas (una fija y otra movil) unidas por 6 actuadores lineales (ar-

ticulacion prismatica) que a su vez son ensambladas por medio de juntas esfericas y/o

universales (figura 1.8) por lo que generalmente se denomina mecanismo 6 DOF-UPS

(6 grados de libertad con junta universal, prismatica y esferica)[25]. Cabe mencionar

que como caracterstica propia de este mecanismo la carga se distribuye en todos los

actuadores y de esta forma cada uno soporta una sexta parte de los esfuerzos, donde la

traccion y compresion proporcionan gran rigidez a la plataforma.

Figura 1.8: Esquema de plataforma Stewart-Gough; Fuente [6]

Dentro de los temas estudiados por los diferentes investigadores entre ellos R. Benea [26],

Reymond Clavel[27], Jean Pierre Merlet[28], Richard Eugene Stamper[29], en referencia

a los manipuladores paralelos tenemos [30]

Cinematica directa de posicion.

Cinematica inversa de posicion.

Configuraciones singulares.

Espacio de trabajo.

Analisis cinematico de velocidades y aceleraciones.

Calculo estatico.

Calculo dinamico.

Normalmente las diferentes aplicaciones de mecanizado a nivel de industria se realizan

con maquinaria de estructura serial, es por esto que si hacemos un cuadro comparativo

entre los dos tipos de estructura como el presentado en la tabla 1.1, se pueden evidenciar


ventajas y desventajas

Tabla 1.1: Ventajas y desventajas estructuran serial, estructura paralela

Tipo Ventajas Desventajas

Paralelos capacidad de manipular Se podra ver facilmente La cinematica de los En ocasiones se requierecargas superiores a su que se coloca una carga mecanismos paralelos requiere emplear sensorespropio peso, lo que le alta en la placa movil es mas compleja. sensores redundantes paraconfiere una alta efi- esta se repartira entre poder establecer un lazo

ciencia en carga admi- los 6 actuadores de for- de control.sible/peso propio. ma que cada uno de ellos

soporta una fraccion dela carga.

Mayor Precision. Debido a la disposicion Espacio de trabajo Su calculo no es sencillode los miembros no se reducido. pues la posicion y orien-

presentan errores acumu- tacion estan frecuente-lados como en el caso de mente acopladas.

los robots seriales queamplifican incertidumbredebido al error de posi-

cionamiento de cada unode los actuadores y la

deflexion de sus miembrosSeriales Velocidades de Por el desplazamiento de El analisis de las Se debe hacer especifica-

operacion superiores. menos inercia los actua- configuraciones sin- mente para cadadores se desplazan mucho gulares es mas configuracion

mas rapido. complejo.manejo de varios mayor cantidad de grados No existe un modelo Dificulta el desarrollo de

grados de libertad con de libertad implica la dinamico para los algoritmos de control depocos componentes. utilizacion de mas miem- mismos. caracter general, haciendo

bros en la cadena que los robots existentescinematica. se controlen de forma

desacoplada.

1.3. Aplicaciones de los robots paralelos

Las estructuras de tipo paralelo basadas en plataformas SG, estan despertado gran

interes debido a sus ventajas en cuanto a capacidad de manipular carga, precision y

velocidad de operacion, permitiendo el desarrollo de aplicaciones diversas que abarcan

desde los micro robots posicionadores, plataformas de gran capacidad, aplicaciones medi-

cas, simuladores, dispositivos hapticos, robots manipuladores, robots experimentales,

maquinas-herramientas de control numerico entre otros; a continuacion se describiran

algunas aplicaciones relevantes a nivel industrial [5] y [21].

1.3.1. Simuladores

Advanced concept flight simulator (ACFS) de la NASA:

Con el inicio de la carrera espacial en los anos sesenta se hizo imperativa la necesi-

dad de simular condiciones reales para los pilotos de aviones y transbordadores


espaciales, observando la interaccion entre el hombre-vehculo y brindar entre-

namiento adecuado, mediante la medicion del desempeno en las maniobras. En

la (figura2.6), se puede apreciar el simulador presentado en 1967 por el ingeniero

Klaus Cappel en el instituto Franklin Institute Research Laboratory, a partir del

cual La NASA viendo la necesidad de hacer simulaciones de vuelos y lanzamien-

tos espaciales crea un dispositivo llamado Advanced Concept Flight Simulator

(ACFS), empleado para simular la cabina de diferentes aviones entre ellos el B744,

un avion dedicado al transporte de pasajeros comercial, cuenta en su interior con

mandos de una aeronave en un entorno virtual donde las pantallas y los movimien-

tos de la plataforma de soporte de 6 GDL es empleada para simular el movimiento

de diferentes tipos de aeronaves (figura 1.9)[13].

Figura 1.9: Robot ACFS de la NASA; Fuente [7]

Simulador ACFS de Flight Safety:

La Flight Safety es una empresa dedicada a la formacion de la aviacion a nivel

mundial con mas de 60 anos de liderazgo en el entrenamiento de vuelos, en sus

capacitaciones incluye cursos de diversos tipos de tecnologa dentro de ellos la sim-

ulacion de movimiento incluyendo plataformas de tipo Stewart Gough para sus

cabinas (figura 1.10).

La empresa ha disenado y fabricado diversos simuladores sofisticados y trabaja en

coordinacion con fabricantes de aviones y lneas aereas de todo el mundo, incluido

EE.UU. Militares y sus aliados.


Figura 1.10: Simulador de movimiento de Flight Safety; Fuente [8]

1.3.2. Dispositivos medicos y teleoperacion

El progreso de la ciruga contemporanea indiscutiblemente es consecuencia de la conver-

gencia tecnologica, que ha influido de forma determinante en el desarrollo de ciruga de

mnima invasion, disminuyendo sustancialmente el dolor posoperatorio; el exito de esta

convergencia abre un terreno fertil de aplicaciones en diferentes campos como realidad

virtual, telemedicina y ciruga de telepresencia [31].

Las tecnicas de teleoperacion comprenden el conjunto de tecnologas que permiten a un

operador la realizacion de tareas a distancia. Esta tecnica consta principalmente de tres

elementos: zona local, en la cual interactua el operador con un dispositivo, zona remota

donde actua un dispositivo robotico con el entorno remoto y por ultimo, la comunicacion

que hace referencia a las diferentes posibilidades de conexion entre la zona remota y la

zona local as como de su naturaleza y configuracion, proporcionando a su vez criterios

de clasificacion de las plataformas de teleoepracion [32]; en este sentido a continuacion

se mencionan algunos dispositivos que implementan estas tecnologas.

Posicionador de ciruga a nivel intramedular

El robot MARS (figura 1.11), de arquitectura paralela empleado como posicionador

de alta precision para realizar taladrados en ciruga nivel intramedular (figura

1.11), es el ultimo prototipo funcional de este tipo.

MARS es un manipulador paralelo de 5X7X5, 150 gramos de peso y seis grados

de libertad, con espacio de trabajo en volumen de unos 10 , cuya precision es de

0,1 mm. Esta disenado para funcionar en modo semiautomatico, determinando

una ubicacion precisa para servir como una gua en la orientacion manual [33].

El robot viene con una tarjeta de control basada en un computador portatil, que

recibe retroalimentacion de posicion conjunta y calcula la cinematica inversa para

el control de nivel de articulacion.


Figura 1.11: Robot MARS; Fuente [8]; Robot MARS en fijacion de tornillos en medu-la; Fuente [9]

Da Vinci Robot empleado para la ciruga mnimamente invasiva, como la la-

paroscopia. En estas intervenciones, el cirujano, solo utiliza informacion visual

suministrada por una camara fijada al endoscopio (figura 1.12).

Figura 1.12: Consola Esclava, Robot Da Vinci.; Fuente [10]

El robot esclavo esta constituido por tres brazos, uno de ellos contiene el ma-

nipulador para la camara y los otros dos los manipuladores de instrumentos que

reproducen movimientos de las manos del cirujano realizados desde la consola.

Cada brazo robotico esta constituido por un circuito impreso, un adaptador de in-

terface remoto, motores, poleas, lneas de angulacion y articulaciones, que pueden

realizar movimientos con siete grados de libertad. El robot esclavo se encuentra

conectado a la computadora y a la consola por medio de cables, ademas esta mon-

tado en un soporte movil que permite instalarlo junto a la mesa de operaciones

[10].


1.4. Posicionadores

Por ser mecanismos de lazo cerrado que presentan ventajas en terminos de precision,

rigidez y capacidad de manipular grandes cargas [5], son ideales para montar sobre estas

estructuras paneles solares, antenas, espejos para telescopios terrestres entre otros.

Robot posicionador para espejo de Telescopio Secundario M2

El robot posicionador es un mecanismo que sirve para alinear y mantener enfocado

el espejo secundario del GTM [125]. Es indispensable que este robot logre manten-

er la posicion del espejo en el espacio con una exactitud menor a 2m para lograr

que mantenga la distancia focal y la alineacion. En la (figura 1.13) se pude ver el

robot posicionador con los 6 actuadores, seis juntas esfericas inferiores, seis juntas

superiores, la plataforma fija inferior y movil superior, montadas en el telescopio.

Figura 1.13: Robot posicionador montado en el GTM; Fuente [11]

Robot posicionador tipo hexapodo para seguimiento solar

Las aplicaciones de hexapodos para seguimiento solar se encuentran en alto grado

de desarrollo debido a la busqueda de los cientficos de soluciones para la gran de-

manda de energa del mundo, no solo para consumo eficiente sino para produccion

sostenible de la energa. Se emplean mecanismos tipo hexapodos como medio de

posicionamiento de reflectores solares y de seguimiento del sol [12]; el dispositivo

permite una mayor rigidez que otros sistemas, consiguiendo un apuntamiento muy

preciso e incrementando su desempeno. Un ejemplo de estos mecanismos se puede

observar en la (figura 1.14), con los desarrollos de las empresas RAMEM S.A.,

BESEL S.A. y LIDAX INGENIERIA.


Figura 1.14: (izq)Antena de posicionamiento; (der)hexapodo posicionamientoRAMEM; Fuente [12]

Este manipulador esta compuesto por juntas prismaticas y articulaciones esfericas

(rotula) tanto en el suelo como en la fijacion del panel, el posicionador admite difer-

entes tipos de control y actuadores diversos tanto hidraulicos, neumatico, electricos

etc.; su montaje, transporte y mantenimiento es relativamente sencillo.

1.5. Manipuladores de ensamble y soldadura

Los manipuladores de ensamble y soldadura se usan en procesos de fabricacion y mon-

taje, para realizar principalmente operaciones de orientacion, manipulacion, sujecion y

logrando de esta forma disminucion importante de costos y tiempos en el desarrollo de

productos as como la confiablidad y mayor calidad [34].

La configuracion que presentan los robots paralelos dedicados a la manipulacion y en-

samble, son claves porque su diseno esta vinculado al espacio de trabajo, magnitud de

cargas que puede soportar y a la complejidad para el analisis de su movimiento [35].

Manipuladores de ensamble

Dentro de los mas conocidos se encuentran los robots tipo delta que cumplen fun-

ciones de posicionamiento rapido de objetos (pick and place), y son empleados

principalmente en la industria de alimentos, en la (figura 1.15),se observa un robot

IRB 340 Flex Picker de ABB Flexible Automation.

Este robot tipo delta fue desarrollado en 1999 para tres sectores de la industria

(alimentaria, farmaceutica y electronica), esta equipado con un sistema de vaco

integrado capaz de hacer seleccion y la liberacion rapida de los objetos que pesan

hasta 1kg. El robot es guiado con un sistema de vision artificial por Cognex y un

controlador ABB S4C. Opcionalmente, las velocidades alcanzables son 10m/s y


Figura 1.15: Robot IRB 340 Flex Picker de ABB Flexible

3.6/s (unos 150 pasadas por minuto), y las aceleraciones son de hasta 100 m/s2

y 1,2 rad/s2 [22].

Manipuladores de soldadura

La alta precision de posicionamiento y gran rigidez permiten a los robots par-

alelos como el Robot FANUC F-200iB (figura 1.16) sobresalir en aplicaciones de

soldadura por arco debido a la posibilidad de mover rapidamente el efector final

del manipulador de punto dado a punto con bajo margen de error.

Figura 1.16: FANUC F-200iB

Posee 6 GDL, una arquitectura tipo SG, area de trabajo plana de 500X300mm,

repetibilidad de +-0.1m, velocidades maximas de avance de 300 y 150 mm/s, un


peso de 15Kg y puede ser montado en el piso, la pared o el techo. Servomotores

electricos de corriente alterna con tiempo de vida util 31.000 horas, equipado con

kits de blindaje EMI para TIG (GTAW), plasma (PAW) y corte por plasma (PAC).

1.6. Centros de mecanizado

El creciente desarrollo en sistemas de control y el interes de producir piezas con mas cal-

idad, ha hecho que se desarrollen una nueva generacion de maquinas que se caracterizan

por su alta velocidad, precision, rigidez y capacidad multiaxial. Estos dispositivos inte-

gran elementos convencionales pero la disposicion de los componentes de la estructura

se basa en una plataforma de tipo SG con mas de tres GDL para los diferentes procesos

de mecanizado. Una de las grandes ventajas de sistemas tipo hexapodos es que entrega

un alto grado de rigidez y al mismo tiempo altas velocidades, es decir, configuraciones

robustas con pequenas masas moviles. [9] Entre las aplicaciones de robots paralelos las

de mayor impacto economico son las maquinas herramientas, empresas como Ingersoll,

Giddings y Lewis, Hexel, Geodesia, Hitachi y Seiki han desarrollado estudios y

maquinaria con esta arquitectura donde mas del 80 % [36] de las maquinas son centros de

mecanizado de 3 o 5 ejes. Recientemente se han implementado procesos como formado,

torneado y remachado, entre ellas sobresalen las siguientes.

Centro de mecanizado Variax Hexacenter

En 1988 Se instalo en Europa el hexapodo llamado Variax Hexacenter (figura 1.17)

disenado y construido por Gidding and Lewis (Wisconsin, EE.UU.), fue la primera

maquina para mecanizado con arquitectura paralela. Permite mecanizar con inter-

polaciones en 5 ejes, no se han vendido muchas unidades ya que el fabricante

decidio no impulsarla en el mercado previendo que opacara las ventas de otros

de sus productos debido a los buenos resultados en cuanto a precision y rigidez

[37]. En la tabla 1.2 se puede observar ver las caractersticas de este centro de

mecanizado.

Tabla 1.2: Caractersticas Robot VARIAX

Aplicacion Mecanizado de 5 ejes

Arquitectura Plataforma Stewart Gough

Area de trabajo 630 630 630mm 25Sobre/B ejeAPrecision 11 micras

Velocidad de avance maxima 66 m/min

Husillo 40kW hasta 24000 rpm

Altura 4.6 m


Figura 1.17: Robot VARIAX; Fuente [13]

Centro de Mecanizado Genius 500 de Cruz Huller

En el centro de mecanizado horizontal Genius 500, (figura 1.18), el movimiento del

eje X, que va de lado a lado proviene de los elementos que se mueven arriba y abajo

a lo largo de la direccion Y. El mecanismo encargado es un acoplador en forma de

V invertida que lleva el husillo, esta V invertida se extiende a ambos lados entre dos

conjuntos de motores lineales que van arriba y abajo. Cuando los motores lineales

se mueven juntos a la misma velocidad, el resultado es puro movimiento del eje

Y, pero cuando los motores lineales se mueven de manera diferente, la diferencia

hace que el acoplador pivotee, proporcionando el movimiento en X.

La Ventaja del diseno radica en que no hay necesidad de un motor para empujar

a lo largo del eje X en esta maquina. Si el movimiento es X o Y, la fuerza de

los motores de eje va a lo largo de la direccion de la gravedad, donde la maquina

esta bien soportada. As, la maquina puede mover la herramienta rapidamente por

todo el plano XY.

Tabla 1.3: Caractersticas Genius 500

Aplicacion Mecanizado de 3 ejes fresado

Arquitectura Mecanismo paralelo 3 DOF

Area de trabajo X,Y,Z 630 x 630 x 1000

Aceleracion 15 24m/s2Avance X,Y 120-180 m/min

Avance Z 75 m/min

Husillo 1600 rpm


Figura 1.18: Centro de mecanizado Genius 500 de Cruz Huller; Fuente [14]

Centro de mecanizado Index V100

En el centro de mecanizado producido por INDEX, (figura 1.19), se pueden re-

alizar mecanizados en 3 GDL, es posible una integracion de todos los procesos de

mecanizado (torneado, fresado, aplicacion laser y soldadura, esmerilado, union),

con todas las condiciones para un flujo optimo de la pieza; permite de 8 a 12 por-

taherramientas en una rejilla y flexible posicionado (fijo o impulsado). Se pueden

obtener tiempos de espera muy cortos debido al uso de cinematica paralela, la

aceleracion de 1g y marchas rapidas de hasta 1m/s. En la tabla 1.4 se resumen

sus especificaciones.

Figura 1.19: Centro de mecanizado Index V100; Fuente [13]


Tabla 1.4: Caractersticas Torno Vertical Index V100.

Aplicacion Mecanizado de 3 ejes torneado, fresado, soldadura laser

Arquitectura Mecanismo paralelo tipo Delta robot 3 DOF

Area de trabajo 250*250*150 mm


Husillo 10.5 kW hasta 10000 rpm

Centro de mecanizado Ulyses I de Fatronik

Es una maquina-herramienta de cinematica paralela desarrollada en su totalidad

por la compana Faltronik (figura 1.20), el mecanismo es accionado por tres actu-

adores prismaticos en una conexion tpica trpode de 3 ejes. La compana esta tra-

bajando en el desarrollo de 2 prototipos Ulyses ZAB y Hermes, dirigidos al

cumplimiento de tareas en la automatizacion para el montaje, mecanizado y de

estructuras en aeronaves; sus especificaciones se encuentran en la tabla 1.5.

Figura 1.20: Centro de mecanizado Ulyses I de Fatronik; Fuente [13]

Tabla 1.5: Caractersticas Ulyses I de Fatronik.

Aplicacion Mecanizado de 3 ejes, fresado

Arquitectura Mecanismo paralelo prismatico 3 DOF


Maxima Aceleracion X,Y,Z 20 m/s2


Husillo 24000 rpm

Centro de mecanizado PM600 de Okuma

Muchos conceptos de maquinas basadas en cinematica paralela han sido adopta-

dos para el mecanizado en 5 ejes. El centro de mecanizado Okuma PM 600 (figura


1.21), es una maquina herramienta paralela desarrollada para lograr una produc-

cion de alta eficiencia de piezas de aluminio, manufactura de troqueles y moldes

donde se integran operaciones para el corte de formas complejas. En la tabla 1.6

se observan sus especificaciones.

Figura 1.21: Centro de mecanizado PM600 de Okuma; Fuente [13]

Tabla 1.6: Caractersticas Centro de mecanizado PM600 de Okuma.

Aplicacion Mecanizado de 5 ejes, fresado

Arquitectura Mecanismo paralelo prismatico 5 DOF


Maxima Aceleracion 1.5 G


Husillo 12.000/30.000 rpm

Angulo de inclinacion 30

Captulo 2

DISENO MECANICO

En este captulo, se resume el establecimiento de los requerimientos de diseno del dispos-

itivo para mecanizado multiejes (cargas, espacio de trabajo, velocidades etc.) as como

los criterios (rigidez, destreza, velocidad etc.) a emplear para la seleccion de la mejor

configuracion.

Una vez definida la configuracion a utilizar se procede a definir las dimensiones generales

de la plataforma con las que se cumplen los requerimientos de diseno establecidos previ-

amente. Esta definicion se realiza utilizando las herramientas desarrolladas en proyectos

previos (simulaciones dinamicas, visualizacion del espacio de trabajo y destreza) [25].

Dada la geometra general se explica el diseno detallado de las juntas pasivas de tal for-

ma que permitan la mayor amplitud de movimiento posible sin perder rigidez, ademas

del diseno y seleccion de cada uno de los demas componentes.

Conocido el diseno de la plataforma robotica y por consiguiente sus requerimientos de

montaje y funcionamiento, se desarrolla el diseno conceptual y de detalle de la estructura

y los elementos como soporte y complemento para el correcto desempeno de la maquina

(fijacion de herramienta, ubicacion del husillo, sistema de fijacion de material a traba-

jar etc.). Tambien se muestran simulaciones, que permiten observar el movimiento del

centro de mecanizado a traves de trayectorias definidas. Esta actividad se complementa

con el rediseno detallado de los componentes tanto del dispositivo en mecanizado mul-

tiejes como del sistema de fijacion, ya que permite corroborar las suposiciones hechas

al momento de dimensionar dichos elementos y hacer las correcciones necesarias para

alcanzar un diseno mecanico apropiado.

19

Chapter 2. Diseno Mecanico 20

2.1. Justificacion del mecanismo

Como ocurre con el diseno de cualquier maquina, el de manipuladores roboticos inicia

con la especificacion de los requerimientos de diseno, es decir de las funciones que debe

realizar y las caractersticas que debe tener dicho dispositivo. Posteriormente se propo-

nen las soluciones para cumplir dichos requerimientos y se procede con su evaluacion.

Con el concepto definido finalmente se dimensionan los componentes del dispositivo se-

leccionado.

En el caso de manipuladores roboticos, la parte correspondiente a la seleccion del tipo

de mecanismo se conoce como sntesis de tipo y la correspondiente a la determinacion de

las dimensiones de los miembros como sntesis dimensional. La mayora de los metodos

propuestos para la sntesis de tipo solo tienen en cuenta la movilidad del efector final del

mecanismo dejando de lado los demas requerimientos de diseno. Por esta razon, se pre-

firio no realizar formalmente una sntesis de tipo, sino proponer diferentes alternativas

de mecanismos que tuvieran 5 o mas GDL para luego seleccionar una de ellas utilizando

el requerimiento mas crtico, que para aplicaciones de mecanizado se considera que es la

rigidez.

En cuanto a la sntesis dimensional, debido a la facilidad de implementacion, se esco-

gio utilizar un algoritmo genetico en el que los terminos de la funcion de fitness corre-

spondan a los ndices de comportamiento de la plataforma respecto a cada uno de los

requerimientos de diseno.

2.2. Requerimientos de diseno

Los desafos de la industria actual, a nivel competitivo en sectores como mercadeo, pro-

ductos, materiales, tecnologa y recursos [38], hacen que la fabricacion y evolucion de la

manufactura desarrollada en nuestro pas implique un trabajo que requiere aplicaciones

en superficies cada vez mas complejas, de mas precision, alta produccion, ergonoma, ca-

pacidad de rotacion o simplemente la estetica. Productos tales como matrices, moldes de

inyeccion, electronica, productos en maderas, calzado, grabado, joyera, arte, autopartes,

industria naval, aeronautica, soldadura, etc, necesitan de un alto grado de precision para

garantizar la elaboracion de un buen producto. En la figura 2.1, podemos observar la

complejidad que puede llegar alcanzar una operacion de este tipo [39].

Dentro de las aplicaciones en operaciones de mecanizado cabe destacar el taladrado,

que requiere de gran destreza en el manipulador y un preciso posicionamiento, debido


Figura 2.1: Calidad de las superficies de un molde para volante; Fuente [15]

a que los agujeros en muchos dispositivos se realizan para garantizar condiciones de re-

frigeracion adecuada o rigidez en los diferentes ensambles, requiriendo una elaboracion

con tolerancias muy bajas; los usos se pueden dar en dispositivos como valvulas (figu-

ra 2.2a), placas de inyeccion para moldes, elementos de autopartes como rines (figura

2.2b), que actualmente se realizan en centro de mecanizado con mesas giratorias para

complementar los grados de rotacion.

(a) taladrado de autopartes (b) mecanizado autopartes

Figura 2.2: Aplicaciones de mecanizado; Fuente [15]

En la industria naval como en la construccion de barcos y prototipos se tienen requer-

imientos especiales por sus geometras y acabados superficiales (figura 2.3).

En el caso del dispositivo que se desea desarrollar, se han definido una serie de criterios,

partiendo de los objetivos finales de este proyecto, apartir de los cuales se tomaran las

decisiones de seleccion y los caclulos de diseno. En la tabla 2.1 se muestran los Atributos


Figura 2.3: Mecanizado de casco nautico para yate; Fuente [16]

de diseno de la plataforma SG, clasificados por categoras y subcategoras.

Tabla 2.1: Atributos de Diseno plataforma S-G Unal.

Alcance sobre todo el espacio de trabajo requeridodelimitado por una semiesfera de 150 mm de diametro.

Espacio de Giro sobre los 5 ejes a la mayor amplitud posibletrabajo Posibilidad de controlar el dispositivo en todo el

espacio de trabajoRealizar operaciones de taladrado en materiales blandos

Mecanizado por fresado de contorno y cajerasFuncionalidad Mecanizado de superficies complejas con 5 GDL

Requerimientos caractersticas Precision de posicionamiento.de Diseno Mecanicas Comportamiento dinamico.

Destreza (ausencia de singularidades).Rigidez.

Compatibilidad Homologar y ser solidario a otros procesos.Herramientas estandarizadas en la industria.

Cumplimiento con normas de seguridad y salud.Apariencia Colores Claros

Ausencia de filos cortantesManufactura y Uso de elementos normalizados

Ensamble Facil ensamble

Estableciendo vagamente los requerimientos que debe tener el diseno, se puede decir:

El mecanismo paralelo se disenara para mecanizar una semiesfera de MDF, por lo

que el espacio de trabajo que debe alcanzar el manipulador sera una semiesfera de

150 mm de diametro.

Las cargas a las que estara sometido, seran las cargas propias de un proceso con

arranque de viruta en este tipo de madera aglomerada.

La precision deseada sera la maxima posible, teniendo como cota mnima el orden

de las centesimas de milmetro.


La rigidez sera la maxima posible, de forma que no se presenten vibraciones que

vayan en detrimento del proceso de mecanizado

La deflexion por cargas de trabajo tambien se desea como maximo en el orden de

las centesimas de milmetro.

De acuerdo a lo expresado en [40], [41], [42] y [43], los requerimientos de diseno deben

convertirse en especificaciones de ingeniera, de tal forma que se les pueda asociar con

un ndice, para poderlos medir y un valor mnimo o maximo que deba cumplir. Dentro

de los requerimientos mas comunes, utilizados en el diseno de mecanismos paralelos se

encuentran:

Numero de grados de Libertad necesarios en el efector final (movilidad).

Espacio de trabajo requerido (forma y tamano).

Destreza (ausencia de singularidades).

Geometra y masa de la carga a mover.

Tamano de la base del robot (espacio disponible para la instalacion).

Rigidez.

Precision de posicionamiento.

Velocidad del efector final.

Comportamiento dinamico (aceleracion, fuerza, energa).

Costo.

Entre los ndices comunmente utilizados para la medicion de estos requerimientos esta la

destreza local del manipulador [44], [45] (ecuacion 2.1) que depende de la posicion del

manipulador, para realizar una evaluacion global del espacio de trabajo y en la com-

paracion de manipuladores, se utiliza el ndice global de destreza [41], [44], [45] y [46]

mostrado en la ecuacion 2.2.

dex =1

k=

1

cond(J))=

(minmax

) (2.1)

CGI =

W dex(x)dW

W dW(2.2)

Adicionalmente, para la evaluacion de los demas requerimientos de diseno establecidos

para esta aplicacion, se ha propuesto la utilizacion de nuevos ndices para medir el es-

pacio de trabajo de la plataforma, su distribucion y su relacion con su tamano.


Para el caso de la medicion del tamano del espacio de trabajo se ha propuesto co-

mo ndice itamano , para comparar el volumen del espacio de trabajo alcanzable por la

plataforma WSplataforma con el volumen del espacio de trabajo requerido por la apli-

cacion WSrequerido (ecuacion 2.3).

itamano =WSrequeridoWSplataforma

(2.3)

En la distribucion del espacio de trabajo se ha propuesto evaluar la diferencia entre la

destreza local en cada punto del espacio de trabajo y la destreza local maxima existente

dentro del mismo (ecuacion 2.4).

idistribucion =

W

dex(x)dexmax

W dW=

W

dex(x)dexmax

WSplataforma(2.4)

En cuanto a la relacion existente entre el volumen de trabajo y el volumen de la platafor-

ma, se ha propuesto utilizar como ndice itamanoplataforma, que es el cociente entre el

volumen de trabajo alcanzable por la plataforma y el volumen que ocupa la plataforma

. Este ultimo se calcula simplificando la geometra de la plataforma a un cono truncado

(ecuacion 2.5).

itamanoplataforma =WStrabajo

WSplataforma(2.5)

Tabla 2.2: Especificaciones de diseno para el mecanismo paralelo.

Indice Especificacion Valor Indice

Optimo GDL 5 mnimo GDLOptimo Rigidez Maxima posible CGIOptimo Destreza Maxima posible CGIPrimario Precision de posicionamiento Semiesfera de 150 mm de diametro WSplataformaPrimario Distribucion del espacio de Lo mas uniforme posible idistribucion

trabajoPrimario Tamano del robot Menor posible itamanoPrimario Ausencia de singularidades Ninguna singularidad en el WS idistribucion,CGI

En la tabla 2.2 se muestran las especificaciones de ingeniera establecidas para esta apli-

cacion, as como su clasificacion y el ndice utilizado para medir cada una de ellas.

2.3. Mecanismos

Teniendo en cuenta que los metodos actuales no permiten la aplicacion de varios requer-

imientos de diseno en la sntesis de tipo, se ha realizado una lluvia de ideas en la que se

han propuesto mecanismos de 5 o mas GDL como opciones de solucion a la aplicacion

mencionada.


Dentro de las soluciones propuestas se cuentan:

1. Plataforma esferica para la orientacion de la herramienta (figura 2.4a).

2. Mecanismo isotropico [47](figura 2.4b).

3. Plataforma de 6 GDL con actuadores horizontales fijos a la base (figura 2.4c).

4. Plataforma SG (figura 2.4d)

5. Plataforma de 6 GDL con actuadores inclinados fijos a la base (figura 2.4e).

6. Plataforma hbrida de 6 GDL (figura 2.4f).

Figura 2.4: Alternativas de solucion propuestas como mecanismo de 5 GDL

Sobre estas alternativas se ha hecho un analisis previo respecto a los demas y se ha de-

terminado que la opcion a de la podra presentar demasiados inconvenientes de montaje.

La opcion b, aunque es un mecanismo isotropico posee un alto numero de eslabones,

lo que complica el dimensionamiento para tratar de prevenir interferencias mecanicas,

adicionalmente, todos los miembros estaran cargados a flexion, lo cual hara que el

mecanismo fuera mas sensible a la vibracion y al error de posicion debido a la defor-

macion mecanica de sus miembros. Por ultimo, la opcion c es un caso particular de la

opcion e. De esta forma, las alternativas a considerar con mayor profundidad para la

seleccion del mecanismo se redujeron a las opciones d, e y f que ha continuacion se

exponen detenidamente.


2.3.1. Plataforma SG (Stewart-Gough)

La plataforma Stewart-Gough es un mecanismo paralelo constituido por una placa fija

sujeta a tierra y otra placa movil unida a la primera por medio de seis actuadores lin-

eales (justas prismaticas activas). Estos actuadores permiten que la placa movil pueda

moverse en el espacio con seis grados de libertad independientes (tres de desplazamiento

y tres de rotacion). Adicionalmente, los actuadores se unen a las placas por medio de

juntas universales o esfericas (pasivas) (figura 2.5).

Figura 2.5: Plataforma SG

2.3.2. Plataforma de 6 GDL con actuadores fijos a la base

Este mecanismo esta formado por seis actuadores prismaticos fijos a tierra, unidos por

juntas universales a seis miembros rgidos, que a su vez se unen a la placa movil por

medio de articulaciones esfericas como se observa en la figura 2.6

Figura 2.6: plataforma de 6 GDL con actuadores fijos a la base


2.3.3. Plataforma de 6 GDL hbrida

La plataforma hbrida esta formada por dos mecanismos paralelos ensamblados de forma

que la placa fija de uno de ellos es solidaria a la placa movil del otro. Su configuracion

se puede observar en los esquemas de la (figura 2.7).

Figura 2.7: plataforma de 6 GDL hibrida

El mecanismo paralelo inferior esta formado por dos placas, una fija y otra movil unidas

por tres articulaciones de paralelogramo. En la base, estas articulaciones de paralelo-

gramo se fijan a tres actuadores prismaticos de tal forma que definen la posicion de la

placa movil sin cambiar su orientacion. El mecanismo paralelo superior tambien esta con-

formado por una placa movil unida a traves de juntas esfericas a miembros rgidos, que

a su vez, se unen a actuadores lineales mediante juntas de revolucion. De esta forma, el

mecanismo paralelo superior permite la traslacion de la segunda plataforma movil en el

eje Z y su rotacion alrededor de los ejes X y Y.

2.4. Seleccion de la plataforma

De la tabla 2.2 se puede observar que para la seleccion del tipo de mecanismo se puede

utilizar el principalmente el ndice de destreza global (CGI) ya que este permite cali-

ficar el desempeno de la plataforma respecto a los parametros clasificados como optimos.

Utilizando la ecuacion 2.4 para el ndice de destreza global y el toolbox de optimizacion

de MATLAB, por medio de un algoritmo genetico se determino para cada uno de los

posibles mecanismos la combinacion de parametros de diseno que presentaba el mayor

CGI. El primer analisis realizado fue con orientacion constante, es decir, con la placa

movil siempre paralela a la placa fija. Los resultados para las tres alternativas se mues-

tran en la tabla 2.3 donde se puede observar que el mejor desempeno obtenido es el de


la plataforma SG, convirtiendose en la principal opcion para el dispositivo.

Tabla 2.3: Parametros del algoritmo genetico para el manipulador de 6 DOF conactuadores fijos a la base (orientacion constante).

Manipulador dexmax CGI

Plataforma 6 DOF 0.33188 0.1112Mecanismo hbrido 0.34575 0.2131

Plataforma SG 0.5820 0.42887

2.5. Optimizacion de los parametros de diseno

Tras haber encontrado que la plataforma S-G es la que presenta los mejores resultados

en cuanto a los requerimientos clasificados como optimos, se ha utilizado los requerim-

ientos primarios para establecer las dimensiones que debera tener la plataforma. Para

simplificar el dimensionamiento del mecanismo y suponiendo simetra en la ubicacion de

los componentes se establecieron 5 parametros de diseno que se observan en la (figura

2.8) y que corresponden a:

Figura 2.8: Parametros de diseno establecidos

r: Radio de la plataforma movil.

R: Radio de la plataforma fija.

Lmin: Longitud mnima de los actuadores. Para simplificar el problema, la longitud

maxima se restringio a 1.75 veces la longitud mnima.

: Angulo entre las juntas ubicadas en la placa movil.

: Angulo entre las juntas ubicadas en la placa fija.


Con la aplicacion de algoritmos geneticos se han los valores de los requerimientos de

diseno que permiten cumplir en mayor porcentaje tanto los requerimientos optimos co-

mo los primarios. Para esto se establecio una funcion de fitness en la que cada uno de

los terminos corresponde a los ndices establecidos en la tabla 2.3.

F = min(f) = min(1CGI2idistribucion3itamano4itamplataforma) (2.6)

En la ecuacion 2.6 los terminos corresponden a valores de ponderacion arbitrarios para

dar mayor o menor importancia a los terminos de la ecuacion. Despues de la ejecucion

de los algoritmos utilizando orientacion variable se obtuvo los resultados mostrados en

la ta

Diseño y construcción de prototipo para mecanizado multiejes en ...

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