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
Chapter 1. Estado del Arte 3
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,
Chapter 1. Estado del Arte 4
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.
Chapter 1. Estado del Arte 5
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
Chapter 1. Estado del Arte 6
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
Chapter 1. Estado del Arte 7
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
Chapter 1. Estado del Arte 8
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.
Chapter 1. Estado del Arte 9
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.
Chapter 1. Estado del Arte 10
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].
Chapter 1. Estado del Arte 11
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.
Chapter 1. Estado del Arte 12
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
Chapter 1. Estado del Arte 13
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
Chapter 1. Estado del Arte 14
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
Chapter 1. Estado del Arte 15
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
Chapter 1. Estado del Arte 16
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]
Chapter 1. Estado del Arte 17
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
Velocidad de avance maxima 60 m/min
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
Area de trabajo 630*500*500 mm
Maxima Aceleracion X,Y,Z 20 m/s2
Velocidad de avance maxima 60 m/min
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
Chapter 1. Estado del Arte 18
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
Area de trabajo 420*420*400 mm
Maxima Aceleracion 1.5 G
Velocidad de avance maxima 100 m/min
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
Chapter 2. Diseno Mecanico 21
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
Chapter 2. Diseno Mecanico 22
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.
Chapter 2. Diseno Mecanico 23
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.
Chapter 2. Diseno Mecanico 24
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.
Chapter 2. Diseno Mecanico 25
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.
Chapter 2. Diseno Mecanico 26
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
Chapter 2. Diseno Mecanico 27
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
Chapter 2. Diseno Mecanico 28
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.
Chapter 2. Diseno Mecanico 29
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