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DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN GRIPPER PARA LA MANIPULACIÓN DE RECIPIENTES EN LA FMS HAS 200 NEILY YANETH GONZÁLEZ GARCÍA 20132374102 WILLIAM ALFONSO GARZÓN ORTIZ 20092074028 DIRECTOR: ING. JOHN ALEJANDRO FORERO CASALLAS M.SC. UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLIGÍA MECÁNICA 2019

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DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN GRIPPER PARA LA MANIPULACIÓN DE

RECIPIENTES EN LA FMS HAS – 200

NEILY YANETH GONZÁLEZ GARCÍA 20132374102

WILLIAM ALFONSO GARZÓN ORTIZ 20092074028

DIRECTOR: ING. JOHN ALEJANDRO FORERO CASALLAS M.SC.

UNIVERSIDAD DISTRITAL – FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

TECNOLIGÍA MECÁNICA

2019

DISEÑO Y SIMULACIÓN DE UN GRIPPER PARA LA MANIPULACIÓN DE

RECIPIENTES EN LA FMS HAS – 200

NEILY YANETH GONZÁLEZ GARCÍA 20132374102

WILLIAM ALFONSO GARZÓN ORTIZ 20092074028

DIRECTOR: ING. JOHN ALEJANDRO FORERO CASALLAS M.SC.

TRABAJO PARA OPTAR AL TÍTULO DE TECNÓLOGO MECÁNICO

PRESENTADO A:

PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA MECÁNICA

UNIVERSIDAD DISTRITAL – FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

TECNOLIGÍA MECÁNICA

2019

Nota de aceptación.

____________________________________

____________________________________

____________________________________

____________________________________

____________________________________

____________________________________

____________________________________

____________________________________

_______________________________________

JURADO.

_____________________________________

Ing. John Alejandro Forero Cazallas M.Sc.

BOGOTÁ D.C. __________________ de 2019.

TABLA DE CONTENIDO

Pág.

RESUMEN ................................................................................................................. 12

INTRODUCCIÓN. ................................................................................................. 15

1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................. 17

1.1 JUSTIFICACIÓN.............................................................................................. 19

2 OBJETIVOS ....................................................................................................... 20

3 CONCEPTOS, APLICACIONES Y VARIABLES A TENER EN CUENTA EN EL

DISEÑO DE GRIPPERS. ........................................................................................... 21

3.1. APLICACIONES DE LOS GRIPPERS ........................................................ 21

3.2 TENDONES ARTIFICIALES ....................................................................... 23

3.3 INDUSTRIAS EN GRIPPERS ...................................................................... 25

3.4 ROBÓTICA INDUSTRIAL........................................................................... 29

3.5 CINEMÁTICA DE GRIPERS. ...................................................................... 33

4 ANÁLISIS DE DATOS, FÓRMULAS Y TIPOS DE GRIPPERS PARA LA

SELECCIÓN DE DISEÑO. ........................................................................................ 36

4.1 Tipos de grippers y elección del tipo de grippers o pinzas ............................. 36

4.1.1 Grippers de superficie única ........................................................................ 36

4.1.2 Grippers magnéticos ................................................................................... 36

4.1.4 Grippers de sujeción.................................................................................... 39

4.1.5 Grippers flexibles ........................................................................................ 41

4.2 Resistencia de materiales ................................................................................... 42

4.3 Manipulador Robótico RV-M1 .......................................................................... 42

4.4 ACCIONAMIENTOS FINALES ...................................................................... 44

4.5 TIPOS DE MOVIMIENTO .......................................................................... 47

4.5.1. Rotación pura ............................................................................................. 47

4.5.2 Traslación pura ...................................................................................... 47

4.5.3. Movimiento complejo ................................................................................ 47

4.6 Eslabones y cadenas cinemáticas................................................................... 47

4.6.1 Eslabón ....................................................................................................... 47

4.6.2. Cadena cinemática ..................................................................................... 48

4.6.3 Grados de libertad ....................................................................................... 48

4.7 PROGRAMA DE DISEÑO NX DE SIEMENS® ......................................... 50

4.7.1 Mechatronics Concept Designer de Siemens PLM ................................. 50

5 MODELADO DE LOS PROTOTIPOS DE GRIPPER PROPUESTOS EN LA

PLATAFORMA NX DE SIEMENS® ........................................................................ 51

5.1 Variables y parámetros necesarios para el modelado de los grippers. ............. 51

5.2 Modelado de los grippers en plataforma NX de Siemens® ................................ 57

5.3 Ensamble ........................................................................................................... 60

5.4 Diseñador de conceptos mecatrónicos para la simulación. ................................. 63

6 EVALUACIÓN DE LOS PROTOTIPOS DE GRIPPER SELECCIONADOS Y

MODELADOS EN LA PLATAFORMA NX DE SIEMENS®. .................................. 68

6.1 Evaluación de las características de cada diseño con ayuda de la herramienta

simulación avanzada. .............................................................................................. 68

6.2 Evaluación de las características de cada diseño con ayuda de la simulación con

Diseñador de Conceptos Mecatrónicos. ................................................................... 75

7 ANÁLISIS DE RESULTADOS, FICHA TECNICA Y DETALLES DEL

PROTOTIPO DE GRIPPER DEFINITIVO. ............................................................... 79

7.1 Análisis de resultados.................................................................................... 79

7.2 Planos ........................................................................................................... 83

7.3 Proceso de fabricación .................................................................................. 86

7.4 Ficha técnica. ................................................................................................ 87

8 INFORME PRESUPUESTAL. ............................................................................ 89

9 CONCLUSIONES............................................................................................... 90

10 BIBLIOGRAFÍA.............................................................................................. 92

INDICE DE TABLAS

Pág.

Tabla 1 . Características Robot Mitsubishi RV-M1 ....................................................... 44

Tabla 2 matriz QDF, evaluación de características de diseño de los prototipos de

gripper. ........................................................................................................................... 51

Tabla 3 Resultados de ensayo de laboratorio para determinar la fuerza requerida para

destapar los contenedores de perlas de la FMS HAS – 200. ........................................... 56

Tabla 4 informe presupuestal. ....................................................................................... 89

INDICE DE FIGURAS

Pág.

FIGURA 1. Fase generatriz y de estructura del Nitinol. ............................................... 24

FIGURA 2. Presentación industrial de un “ Adaptive robot gripper 2-FINGER 85”. .... 26

FIGURA 3. Emulación brazo humano con manipulador robótico. ................................. 30

FIGURA 4. Representación gráfica de los movimientos lineales de la configuración

cartesiana. ...................................................................................................................... 31

FIGURA 5. Representación gráfica de los movimientos producidos en la configuración

cilíndrica. ....................................................................................................................... 32

FIGURA 6. Representación gráfica de los movimientos producidos en la configuración

polar o esférica. .............................................................................................................. 32

FIGURA 7. Representación gráfica de los movimientos producidos en la configuración

angular. .......................................................................................................................... 33

FIGURA 8. Representación de la cinemática directa de un robot manipulador con el

método de Denavit Hartenberg ....................................................................................... 34

FIGURA 9. Representación el sistema de referencia fijo arbitrariamente escogido en un

dedo robótico. ................................................................................................................. 35

FIGURA 10. Representación de un imán permanent (1. Non magnetic material; 2.

Permanent magnet; 3. Ferromagnetic housing; 4. Object). ............................................. 37

FIGURA 11. Representación de los diferentes tipos de ventosas. ................................... 38

FIGURA 12. Presentación industrial de los grippers de dos y tres mandíbulas. ............. 40

FIGURA 13. Representación de pinzas de dedos múltiples. .......................................... 41

FIGURA 14. Manipulador robótico Mitsubishi Movemaster RV M1. ............................. 43

FIGURA 15. Posicionamiento de puntos del robot dentro de su área de trabajo. ........... 43

FIGURA 16. Clasificación de accionamientos finales automatizados. ........................... 45

FIGURA 17. Secuencias de trabajo de los actuadores. .................................................. 46

FIGURA 18. Representación de mecanismo de cadena abierta y cerrada de un robot

industrial. ....................................................................................................................... 49

FIGURA 19. Representación de recipientes contendores FMS HAS 200 ........................ 52

FIGURA 20. Representación de recipientes contendores al momento de la disposición de

los cilindros sobre la plataforma de paletizado FMS HAS 200 ....................................... 54

Figura 21. Montaje ensayo de laboratorio medición de fuerza necesaria para destapado

de recipiente FMS HAS 200. ........................................................................................... 55

Figura 22. Montaje ensayo de laboratorio medición de fuerza necesaria para destapado

de recipiente FMS HAS 200. ........................................................................................... 55

FIGURA 23. Plano dimensiones de robot Mitsubishi Movemaster RM-V1 ..................... 57

FIGURA 24. Ventana de selección entorno modelado en NX de Siemens®, .................. 58

FIGURA 25. Ventana de entorno modelado en NX de Siemens® opción croquis ........... 58

FIGURA 26. Herramientas geométricas 2D en NX de Siemens®, .................................. 59

FIGURA 27. Herramientas geométricas 3D en NX de Siemens® ................................... 59

FIGURA 28. Pieza modelada y extruida en NX de Siemens® ........................................ 60

FIGURA 29. Entorno de ensamble en la plataforma de NX de Siemens® ...................... 61

FIGURA 30. Entorno de ensamble para agregar componentes o piezas en la plataforma

de NX de Siemens® ........................................................................................................ 62

FIGURA 31. Entorno de ensamble para poner restricciones de componentes o piezas y

organizar el ensamble en la plataforma de NX de Siemens®, ......................................... 63

FIGURA 32. Entorno de diseñador de conceptos mecatrónicos para simulaciones del

ensamble en la plataforma de NX de Siemens®, ............................................................. 64

FIGURA 33. Opción de cuerpo rígido de diseñador de conceptos mecatrónicos para

simulaciones del ensamble en la plataforma de NX de Siemens®, .................................. 65

FIGURA 34. Opción de juntas de diseñador de conceptos mecatrónicos para

simulaciones del ensamble en la plataforma de NX de Siemens®. .................................. 66

FIGURA 35. Opción de control de posición de diseñador de conceptos mecatrónicos

para simulaciones del ensamble en la plataforma de NX de Siemens® ........................... 67

FIGURA 36. Análisis de carga del gripper .................................................................... 70

FIGURA 37. Análisis de comportamiento de acuerdo al exceso de carga del gripper 1. 71

FIGURA 38. Tabla de propiedades mecánicas del ABS. ................................................ 72

FIGURA 39. Gráfica del comportamiento del análisis de carga del gripper 1 ............... 73

FIGURA 40. Análisis de fuerza pinza gripper 2 ............................................................. 74

FIGURA 41. Gráfica de análisis de fuerza de la pinza gripper 2 ................................... 74

FIGURA 42 Opción de cuerpo rígido para dar la posición y orientación a cada eslabón.

....................................................................................................................................... 76

FIGURA 43 corrección de estas fallas y agarre de contenedores. .................................. 77

FIGURA 44 cuadro de dialogo variables requeridas para cálculo de velocidad del

sistema. ........................................................................................................................... 77

FIGURA 45 Editor de secuencias para generar operaciones de movimientos del gripper y

del Robot Mitsubishi. ...................................................................................................... 78

FIGURA 46 acople del gripper con el brazo Mitsubishi RV-1 ......................................... 80

FIGURA 47 Ensamble del gripper 2 con el brazo manipulador robot Mitsubishi RV-1 . 81

Figura 48. Brazo derecho e izquierdo del gripper 1 (mm) .............................................. 84

FIGURA 49. Dimensiones generales de la carcasa o base del gripper 1. ....................... 84

FIGURA 50. Dimensiones del brazo centro (mm). ......................................................... 86

INDICE DE ECUACIONES.

Pág.

Ecuación esfuerzo; ecuación 1……………………………………………………………42

Ecuaciones de esfuerzo máximo; ecuación 2……………………………………………42

Momento de flexión elástico; ecuación 3………………………………………………..42

Ecuación Gruebler; ecuación 4………………………………………………………….49

Ecuación Kutzbash; ecuación 5…………………………………………………………49

LISTA DE ANEXOS

ANEXO 1 Video “funcionamiento gripper1”.

ANEXO 2 Video “funcionamiento gripper2”.

ANEXO 3 Planos de gripper 1

ANEXO 4 Planos contenedor.

12

RESUMEN

En este proyecto se realizó el modelado y simulación de prototipos de gripper para el

brazo robótico industrial Mitsubishi Movemaster RV-M1 que opera en la FMS HAS

– 200, de la Universidad Distrital – Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica,

con ayuda del programa de diseño NX de Siemens®, los grippers fueron simulados

siguiendo el proceso de diseño y teniendo en cuenta las características dimensionales

del brazo robótico, para posteriormente realizar el modelado de los mismos, además

se realizó un estudio de las plataformas con las que cuenta el programa NX de

Siemens®.

Al momento de reconocer los componentes que integran el programa de NX de

Siemens® se dio inicio al modelado de los diseños preliminares, posteriormente se

inició con los ensambles para cada diseño y de esta manera se verificaron las

dimensiones que ya se habían estipulado.

Luego de tener el ensamble se usó la aplicación de “diseñador de elementos

mecatrónicos” o “Mechatronics Concept Designer” de la plataforma de NX de

Siemens®, para la realización de las respectivas simulaciones, ya que, con ayuda de

esta herramienta se puedo simular los procesos completos, puesto que en esta se pudo

crear y validar conceptos mecatrónicos, definir secuencias de operación, evaluar el

tiempo de operación, llevar el movimiento al diseño asistido por computadora,

generar una lista de sensores y actuadores ,además de enlaces lógicos de eventos con

señales y se identificaron y especificaron detalles críticos, generando de esta manera

los movimientos específicos del procesos de los grippers que se simularon,

adicionalmente se tuvo en cuenta el tipo de junta y los parámetros de velocidad y

posición de cada uno para la respectiva simulación.

Finalmente se evaluó las características de cada diseño de acuerdo con los parámetros

establecidos, como que permita ejercer la función de destapar el recipiente, el costo,

la seguridad, el ensamble y la instalación del mismo, además de que se creó la ficha

13

técnica del prototipo que cumplió de la mejor manera con dichas características, y

por último se realizó un informe presupuestal de éste.

ABSTRACT

In this project modeling and simulation of gripper prototypes for the industrial robotic

arm Mitsubishi Movemaster RV-M1 operating in the FMS HAS - 200, of the District

University - Francisco José de Caldas, Technological Faculty, with the help of the

program of NX design of Siemens®, the grippers were simulated following the design

process and taking into account the dimensional characteristics of the robotic arm, to

later perform the modeling of the same, in addition a study of the platforms with which

the NX program was carried out of Siemens®.

At the moment of recognizing the components that make up the Siemens® NX

program, modeling of the preliminary designs began, then the assemblies were started

for each design and in this way the dimensions that had already been stipulated were

verified.

After having the assembly, the application of "Mechatronic element designer" or

"Mechatronics Concept Designer" of the NX platform of Siemens® was used for the

realization of the respective simulations, since, with the help of this tool, we can

simulate the complete processes, since in this it was possible to create and validate

mechatronic concepts, define sequences of operation, evaluate the operation time,

take the movement to the computer-aided design, generate a list of sensors and

actuators, as well as logical links of events with signals and critical details were

identified and specified, thus generating the specific movements of the grippers

processes that were simulated, in addition, the type of meeting and the velocity and

position parameters of each one were taken into account for the respective simulation.

Finally, the characteristics of each design were evaluated in accordance with the

established parameters, such as allowing to perform the function of uncovering the

14

container, cost, safety, assembly and installation thereof, in addition to the creation of

the technical data sheet of the prototype. who fulfilled the best way with these

characteristics, and finally a budget report was made of it.

15

INTRODUCCIÓN.

En el presente trabajo se mostrarán los diseños de prototipos de grippers para el brazo

robótico industrial Mitsubishi Movemaster RV-M1 que opera en la FMS HAS – 200,

de la Universidad Distrital – Francisco José de Caldas, Facultad Tecnológica, los

grippers son diseñados con el fin de suplir las necesidades de los procesos de

producción en la industria y de esta manera generar desarrollo y competitividad a

nivel industrial.

En los documentos tomados como referencia, se exponen estudios relacionados con

el desarrollo y la evolución de grippers, avance cinemático de grippers, servomotores,

materiales de movimiento y prototipos que se han hecho de éstos elementos y de las

múltiples funciones que cumplen a nivel industrial, es decir del diseño en general de

grippers. Información que es fundamental para el análisis del diseño de los prototipos

que se realizaron con ayuda del programa NX de Siemens®, también se muestra el

estudio de las características fundamentales de dichos elementos que sirven como

mecanismos de agarre y se asemejan a la anatomía de las extremidades superiores del

cuerpo humano, por lo que en los diseños fue necesario tener en cuenta los grados de

libertad, la configuración y la cinemática directa e inversa para que realizara los

movimientos requeridos y que cumpliera a cabalidad con las especificaciones

establecidas.

Por otra parte, es importante tener conocimiento que un gripper es sólo un componente

de un sistema automatizado. Un gripper puede ser fijado a un robot o puede ser parte

de un sistema de automatización fijo. Existen muchos estilos y tamaños de grippers

para poder seleccionar el modelo correcto para la aplicación. Antes de desarrollar un

prototipo de algún producto o dispositivo en ingeniería se deben considerar tres puntos

principales: adquirir todo el conocimiento necesario a cerca del producto a diseñar,

definir el posible material de fabricación para tener en cuenta en las pruebas de diseño

16

y limitaciones del mismo, con el fin de elaborar un modelo de simulación a fin de

evaluar nuestro diseño (CAD).

17

1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la actualidad es de gran importancia tener el control en cuanto a los tiempos de

producción de los procesos, es por ello que se ha venido automatizando de manera

paulatina las cadenas de producción, para esto se han implementado diferentes tipos

de “máquinas inteligentes” que brindan la facilidad de mejorar y de cumplir con

ciertos estándares de calidad en los procesos industriales.

Con los conocimientos adquiridos a lo largo del desarrollo de la carrera y gracias a las

bases de datos con las que cuenta la Universidad Distrital - Francisco José de Caldas,

es posible hacer un estudio de algunos softwares especializados directamente en áreas

de gran importancia de nuestro perfil profesional como lo son: diseño y manufactura

de sólidos, simulación y control de mecanizados, además del desarrollo de análisis de

fenómenos en entornos reales, lo cual es de gran ayuda, porque de esta manera se

obtienen profesionales mejor capacitados, actualizados y competitivos en el ámbito

laboral.

En la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital - Francisco José de Caldas, en

uno de los laboratorios del programa de Tecnología en Gestión de la Producción

Industrial, encontramos la celda de manufactura flexible HAS – 200 “que permite

trabajar en modo autónomo integrado en función de la sección realizada en el selector

l/ll del panel de control situado en el frontal de la estación”1. Esta FMS (por sus siglas

en inglés: flexible manufacturing systems) cuenta con 11 estaciones las cuales se

encargan de:

Estación 1. Control y visualización: esta estación se encarga de suministrar al sistema

los recipientes vacíos.

1 J Muzio, manufactura flexible HAS – 200 ‘Página 1 de 18’, 2009, 1–18.

18

Estación 2, 3 y 4. Estas estaciones son las encargadas de llenar y pesar los recipientes,

cada estación cuenta con 1 color diferente (amarillo, azul y rojo)

Estación 5 y 6. Estas estaciones se usan para medir la cantidad de materia prima de

cada recipiente, la estación 5 mide con enconder lineal y la estación 6 mide con

potenciómetro.

Estación 7. Esta estación es la encargada de sellar los recipientes y etiquetarlos de

acuerdo a su correspondiente producto.

Estación 8 y 9. Estas estaciones se encargan del almacenamiento de los recipientes

de forma horizontal y vertical.

Estación 10. Esta estación se encarga de paletizar el producto final.

Estación 11. Esta estación es la encargada de separar automáticamente las perlas de

colores mezcladas y adicionalmente almacenar la materia prima (recipientes, tapas y

perlas de diferentes colores).

El funcionamiento de la HAS – 200 es el de simular una planta de producción donde

se pueden realizar varios procesos dependiendo lo requerido en el momento, esta es

una máquina automatizada, pero, se podría generar una mayor autonomía si se instala

un brazo y una pinza robótica (gripper) en la estación 11, ya que en la actualidad ésta

no cuenta con dicho elemento, esto genera que la separación de las materias primas

se realice manualmente, trayendo como consecuencia pérdidas de autonomía.

De acuerdo con lo anterior en este proyecto se pretende realizar varios prototipos de

grippers con ayuda del programa de diseño NX de Siemens® y se seleccionará el

prototipo que cumpla en mejor medida con los requerimientos establecidos (p.e.:

limitantes dimensionales, presupuestales, funcionales, entre otras), con el fin de

mejorar el funcionamiento autónomo de la FMS HAS – 200, puesto que con esto se

procura solucionar la organización de la materia prima con respecto a sus recipientes.

19

1.1 JUSTIFICACIÓN

La necesidad que se tiene de automatizar por completo los procesos de producción ha

llevado a que la robótica sea implementada como solución para la optimización de

calidad y eficiencia de dichos procesos, teniendo gran éxito a lo largo de su uso, puesto

que, ha generado excelentes resultados, por esta razón han ido apareciendo una gran

variedad de opciones basadas en esta área, entre ellas y la que más nos interesa es la

implementación y fabricación de grippers, estos grippers nos dan la oportunidad de

convertir procesos largos y tediosos en procesos cortos y simples.

Para llevar a cabo el diseño de un gripper es necesario, tener en cuenta los parámetros

que tiene la máquina o el proceso al cual se va a implementar dicho elemento, ya que,

es de gran importancia buscar el desarrollo y la optimización de la maquinaria

encontrando las falencias de nuestras herramientas para de esta manera aplicar los

conocimientos técnicos y tecnológicos adquiridos, con el fin de darle solución y

generar un avance significativo en los procesos, esto es lo que se pretende realizar con

la celda de manufactura de la FMS HAS-200 al momento de implementarle un gripper

o pinza de sujeción que ayude en la automatización de ésta. Dicho lo anterior, la

estación de separación de perlas de la celda de manufactura flexible HAS-200 a la que

se le va a implementar dicho dispositivo, lleva un gran tiempo de creación y no ha

avanzado tecnológicamente, puesto que no se ha desligado y sigue dependiendo de la

ayuda de una persona para realizar la actividad de destapar y voltear el recipiente que

contiene las perlas de colores, lo cual genera que la máquina pierda su autonomía en

una labor tan sencilla. El gripper será instalado en el brazo robótico Mitsubishi

Movemaster RV-M1, teniendo en cuenta las capacidades cinemáticas y ergonómicas

de éste, además de realizar el estudio detallado de las dimensiones y características

operacionales que debe tener para realizar el diseño final y la simulación de éste,

evaluando costos, calidad e implementación de dicho elemento, que servirá para

complementar la autonomía de FMS HAS-200, ya que, su proceso se vuelve más

controlado.

20

2 OBJETIVOS

3.1 Objetivo general

Diseñar y simular un gripper para la manipulación de recipientes en la FMS HAS –

200, con ayuda del programa de diseño NX de Siemens®.

3.2 Objetivos específicos

• Investigar los conceptos y variables necesarios para la construcción de un

gripper.

• Analizar los datos y fórmulas existentes, para las propuestas de los diferentes

prototipos de grippers.

• Modelar los diferentes prototipos propuestos en la plataforma NX de

Siemens®.

• Evaluar las características de cada diseño, para la selección del prototipo

adecuado, mediante las herramientas de simulación de la plataforma NX de

Siemens®.

• Crear una ficha técnica del diseño del prototipo seleccionado.

• Realizar el correspondiente informe presupuestal del desarrollo del proyecto.

21

3 CONCEPTOS, APLICACIONES Y VARIABLES A TENER EN CUENTA

EN EL DISEÑO DE GRIPPERS.

3.1. APLICACIONES DE LOS GRIPPERS

Se han hecho robots que son utilizados para realizar tareas de campo importantes

como la manipulación de material peligroso, inspección en plantas nucleares y la

exploración espacial, entre otras. Es importante realizar diseños que tengan

arquitectura abierta o que sean modulares con el fin de que estos sean de fácil

adaptación. En nuestro diario vivir, la mano humana es el órgano principal para la

recepción y reacción a los estímulos táctiles, los cuales son la guía de nuestro

repertorio de funciones manuales, sin embargo, la integración de una colección de

sensaciones análogas en una plataforma robótica propone un gran desafío tecnológico,

para el cual el uso de software de simulación para el diseño mecánico y el uso de

herramientas matemáticas ayuda con el desarrollo de una determinada estructura o de

un determinado sistema; Banks, Maeno, Cunha, indican que dentro de la estructura

mecánica que se implementa en el diseño de grippers los actuadores rotatorios son

uno de los componentes más importantes usados para la generación de movimiento,

los cuales junto con un buen diseño mecánico trata de reproducir la acción de la mano

humana y la muñeca. Según Oscar F, Siamanca; Pedro León, y otros2 el

antropomorfismo es uno de los factores principales que se deben observar en

proyectos de prótesis para los miembros superiores o en el desarrollo de grippers que

semejen lo más exactamente posible a la mano humana, y, en consecuencia, la

reproducción de los movimientos y las formas naturales de los dedos llegan a ser muy

importantes. Un gran problema constructivo se relaciona con la manera del cómo será

2 OSCAR F.; SIMANCA, PEDRO LEON; CALLE T., GABRIEL SPARC (Organization) and

Universidad Tecnologica de Pereira., Scientia et Technica., Scientia Et Technica

(Universidad Tecnologica de Pereira, 1995), XI.

22

desarrollada y fabricada la transmisión de los movimientos para las articulaciones,

Doersam, Mason.

Wilkinson, implementó un mecanismo que utiliza un tejido artificial como tendón

extensor y el cual junto con los músculos emula bastante bien un dedo humano y su

funcionamiento. Las implementaciones del tendón extensor son poco usadas debido

a su complejidad y la dificultad para realizar el control. Este trabajo proporciona una

comprensión de la funcionalidad del mecanismo del tendón extensor para que se

puedan extraer las características cruciales que necesitan ser imitadas para construir

una mano artificial.

Banks y Pollard describen que la mano humana puede servir como paradigma para

una interfaz robótica con el ambiente, así, su morfología ha mantenido activo el interés

por las investigaciones en manipuladores y en particular en los efectores finales de

tipo gripper, donde su funcionalidad sigue siendo una referencia para la realización

de nuevos diseños. Uno de los desafíos de esta línea de investigación es una emulación

de anatomía humana, lo que a menudo puede resultar embarazoso y complicado de

llevar a cabo, la fabricación y mando de un solo dedo robótico inspirado por la

anatomía humana, debe ser un buen inicio para el diseño de un efector final apropiado

para un robot humanoide.

De otro lado, la morfología provee lo necesario para la investigación en manipulación

y su funcionalidad como prueba patrón para una ingeniería sofisticada. Muchos de los

constructores de grippers apuntan a alcanzar la destreza de la mano a través del diseño

de múltiples dedos. De manera tal que, una aproximación antropomórfica expone la

complejidad de la emulación de la mecánica y control de un simple dedo. Banks

muestra el desarrollo de un dedo el cual usa transmisión de movimiento por medio de

cables y el cual está dotado de sensores para transmitir capacidad sensorial al

prototipo, incluso manos que son antropomórficas pueden diferir dramáticamente de

la mano humana en la habilidad de asistir y manipular los objetos, los mecanismos de

transmisión de fuerza en los dedos del robot son generalmente simétricos sobre la

23

flexión/extensión cómo un tendón, aplicado esto en un dedo mecánico puede

perfeccionarse para la capacidad de transmisión de fuerza equivalente al dedo del

índice humano.

3.2 TENDONES ARTIFICIALES

En cuanto a tendones artificiales podemos decir que para su fabricación se usan

generalmente materiales inteligentes que se definen como capaces de recordar su

forma y capaces de volver a esa forma después de ser deformados, el efecto que se

puede producir por cambio térmico magnético, siendo capaces de repetir el proceso

infinidad de veces sin deteriorarse.

• NITINOL

Se trata de una aleación de níquel y titanio en proporciones casi equi-molares y que

tiene propiedades de memoria de forma excelentes. Esta aleación particular, tiene

además muy buenas propiedades eléctricas y mecánicas, resistencia a la fatiga, y

resistencia a la corrosión.

El NiTi presenta todas las propiedades típicas en las Aleaciones con memoria de

forma o SMA (por sus siglas en inglés: shape memory alloy):

• Transformación martensítica termoelástica.

• Memoria de forma simple.

• Memoria de forma doble.

• Superelasticidad.

• Pseudoelasticidad.

• Capacidad de amortiguamiento.

El estado por el cual estos materiales recuperan su forma es resultado de la

transformación de fase sólida-sólida entre dos estructuras materiales, es decir, la

austenita y la martensita.

24

En este tipo de transformación tenemos una fase de alta temperatura llamada austenita,

también conocida como fase generatriz y de estructura cúbica. Si enfriamos el

material, su estructura cambia y pasa a una estructura de laminillas, sumamente

entretejidas y dispuestas en cortes alternados, llamada martensita, como se puede ver

en la figura 1. La estructura cortada en forma alternativa, es decir, en cortes opuestos

consecutivos, conserva la forma general del cristal.

FIGURA 1. Fase generatriz y de estructura del Nitinol.

Fuente: https://www.seas.es/blog/diseno_mecanico/materiales-con-memoria-de-

forma-elnitinol/

Cuando este material se encuentra en frío, o por debajo de su temperatura de

transformación, según el estudio de Arnedo Agustin 3 tiene un límite elástico muy

bajo y se puede deformar con bastante facilidad en cualquier forma nueva, que se

mantendrá. Sin embargo, cuando el material se calienta por encima de su temperatura

de transformación experimenta un cambio en la estructura de cristal que hace que se

vuelva a su forma original. Si la aleación se encuentra con cualquier resistencia

durante esta transformación, puede generar fuerzas muy grandes. Este fenómeno

ofrece un mecanismo único para el accionamiento remoto.

3 Arnedo Agustín, ‘Diseño Mecánico,Materiales Con Memoria de Forma, El Nitinol’.

25

3.3 INDUSTRIAS EN GRIPPERS

Antes de comenzar con el diseño de grippers, es necesario revisar trabajos actuales

relacionados con agarre de objetos basados en los estudios de Giuseppe Carbone4 y

G. Fuster. A. Maria5 los grippers se clasificarán en tres principales grupos:

industriales, aficionados o de ocio y otros.

3.3.1 Grippers industriales.

• Grippers de robot adaptable

Usados en aplicaciones industriales, tienen dos o tres dedos con dos grados de libertad,

son compatibles con todos los principales fabricantes industriales y le permiten

manipular una gran variedad de objetos. Están diseñados para facilitar la expulsión de

piezas y el asiento de parte. Algunas de las aplicaciones son máquinas tending, robots

colaborativos y montaje.

• Grippers de dos dedos 2-FINGER 85 (3)

Aunque puede captar una gran variedad de objetos, es perfecto para elementos con

dos caras paralelas o Cilíndricos que utilizan su modo abarcador debido a sus dos

grados de libertad. Como se puede observar en la figura 2.

4 Giuseppe Carbone, ‘CLASIFICACION DE MECANISMOS EN PINZAS INDUSTRIALES DE

DOS DEDOS’, 7.5400 (2003), 59–75.

5 G. Fuster. A. Maria, ‘Gripper Design and Development for a Modular Robot’, 201.

26

FIGURA 2. Presentación industrial de un “ Adaptive robot gripper 2-FINGER 85”.

Fuente: Anna Maria and Gil Fuster, ‘Gripper Design and Development for A

Modular Robot’, 2015.

• 2-FINGER 200 (3)

Con una carrera de 200 mm y una carga útil de 23 kg, esta pinza Robot sellada y

programable puede manejar una amplia variedad de piezas. Las principales

diferencias con la anterior es que también puede captar objetos desde dentro de un

agujero y los objetos pueden ser mucho más pesados.

• 3-FINGER (3)

Proporciona capacidades similares a las de los robots y tiene confiabilidad en entornos

no estructurados. Se utiliza en diversas aplicaciones industriales. Está diseñado para

tareas avanzadas de manipulación.

• Grippers neumáticos 6

AGI pinzas neumáticas tienen una amplia gama de tamaños, estilos de mandíbula y

fuerzas de agarre para casi cualquier aplicación industrial. Los tres tipos principales

de pinzas neumáticas son pinzas paralelas, pinzas angulares y unidades personalizadas

tales como máquinas de ensamblaje de juntas teóricas. Estos productos se utilizan en

6 Tadej Mravlje, ‘Guidelines for the Design of Robotic Gripping Systems’, 2005.

27

diversas industrias como el aeroespacial, automotriz, electrodomésticos, sistemas de

Oring industriales automatizados, electrónica, médica y de embalaje.

• Gripper paralelo compacto de perfil bajo

Es ideal para el manejo de piezas pequeñas. Tiene carrera larga y peso ligero diseñado

para aplicaciones robóticas donde el peso es un problema.

• Gripper paralelo de mordaza simple - Una mordaza fija

Está hecho para su uso en espacios reducidos que necesitan grandes cargas útiles. Es

ideal para situaciones en las que la posición cero de una mandíbula es necesaria. Esta

pinza tiene un diseño de cojinete de ranura en T que se soporta la longitud del cuerpo

para llevar cargas pesadas.

• Pinza de doble movimiento

Está diseñado para facilitar la expulsión de piezas y el asiento de parte, cuenta con un

sello automatizado y ensamblaje de junta tórica para pequeñas y grandes aplicaciones

de junta tórica o de recogida y asiento.

3.3.2 Grippers por Hobby u ocio

• Gripper Bioloid

Bioloid es un kit robótico educativo que permite conocer las bases de las estructuras

y principios de las articulaciones robóticas y ampliar su aplicación a la ingeniería

creativa, cinemática inversa y cinética. También es para aficionados que disfrutan

construyendo robots personalizados.

28

• Modelo simple

Una pinza se puede montar fácilmente con dos marcos de metal y un solo servo. En

este caso, una de las tramas está directamente fijada a la caja del servo y sólo la

segunda está en movimiento. Es útil principalmente para objetos grandes.

• AX-12 Doble Grifo Robótico.

Este diseño de pinza de brazo robótico es ideal para numerosas tareas de manipulación

de brazos robóticos que se pueden aplicar a todo tipo de formas. Los dos servos

pueden moverse sincrónicamente con un grado de libertad o independientemente con

dos grados de libertad.

• Lego Mindstorms® gripper

Lego Mindstorms® es un kit que contiene software y hardware para crear robots

personalizables y programables. Incluyen una computadora de ladrillo inteligente que

controla el sistema, algunos sensores modulares, motores y partes de Lego para crear

los sistemas mecánicos. Su aplicación es principalmente educativa. Hay dos

versiones: NXT es la primera y la segunda es EV3 con las mismas características,

pero más potente y con mayor variedad de sensores.

• NXT simple gripper

Con algunas piezas Lego, algunos engranajes y un solo motor, se puede montar una

pinza angular sin grandes dificultades.

• NXT crane

Con el mismo kit NXT pueden montarse pinzas mucho más complejas. Este no sólo

puede cerrar y abrir la pinza, sino también la posición en el lugar correcto. También

tiene un sensor de infrarrojos para detectar si un objeto está listo para ser capturado.

29

3.3.3 Otros

• Universal gripper

La pinza robótica universal se basa en el atascamiento del material granular. Los

dedos individuales son reemplazados por una sola masa de material granular que,

cuando se presiona sobre un objeto objetivo, fluye alrededor de él y se ajusta a su

forma. Tras la aplicación de un vacío, el material granular se contrae y se endurece

rápidamente para pellizcar y sujetar el objeto sin requerir retroalimentación sensorial.

• Makeblock robot gripper

Está hecho de un PVC pesado pero ligero y tiene material antideslizante adicional en

el interior de dos dedos. Viene con cuatro orificios de rosca M4 estándar en la parte

inferior para facilitar el montaje a cualquier otro robot.

3.4 ROBÓTICA INDUSTRIAL

La robótica industrial es esencialmente brazos articulados, los cuales emulan el brazo

humano, de ahí que se nombre de brazo robot o manipulador, según la definición del

“Robot Institute of America”, un robot industrial es un manipulador programable

multifuncional diseñado para mover materiales, piezas herramientas, dispositivos

especiales, sustancias peligrosas, mediante movimientos programados para la

ejecución de diferentes tareas. Ver figura 3.

30

FIGURA 3. Emulación brazo humano con manipulador robótico.

Fuente: «Control y Robótica». Julio de 2017:

http://www.portaleso.com/usuarios/Toni/web_robot_3/robot_indice.html.

Según Martínez, Jáquez y Rivera7 La robótica industrial surge a partir de la unión de

la mecánica articulada y sistemas electrónicos de control incorporando una

computadora. Esto permite la integración del control y la programación para realizar

movimientos precisos sobre el robot y la memorización de secuencias como, por

ejemplo, el descargar una pieza de la matriz debido a que el ambiente de fundición no

es apropiado para los trabajadores por sus altas temperaturas. Por esta razón los robots

industriales ofrecen adaptación a diversos trabajos y medios de trabajo. Actualmente,

los robots son utilizados en la industria manufacturera para:

• Transporte y transferencia de materiales y piezas.

• Operación y procesamiento.

• Montaje y control de calidad.

Los robots industriales en su configuración básica esta conformados por un brazo

compuesto por articulaciones como uniones entre ellos. En la última unión se dispone

7 Martínez A Gloria M, Jáquez O Sonia A, and Rivera M José, ‘Diseño Propio Y Construccion

de Un Brazo Robótico de 5 GDL’, 4.1 (2008), 9–15.

31

de una garra o herramienta de trabajo. Según Carranza8 debido a que el área de trabajo

de los robots es limitada para la realización de diferentes trabajos, se dispone de

diferentes configuraciones para la accesibilidad a posiciones determinadas de trabajo.

La mayoría de robots disponen de cuatro configuraciones básicas: configuración

cartesiana, configuración cilíndrica, configuración polar o esférica y configuración

angular.

3.4.1 Configuración cartesiana

La configuración cartesiana, posee tres movimientos lineales, su nombre proviene de

las coordenadas cartesianas. De los movimientos que realiza el robot, 18 los realiza

de modo rectilíneo, es decir en las coordenadas XYZ, como se ve en la figura 4. Se le

denominan movimientos de desplazamiento X, altura Y, y alcance del brazo Z.

FIGURA 4. Representación gráfica de los movimientos lineales de la configuración

cartesiana.

Fuente: http://www.portaleso.com/web_robot_3/robot_indice.html. Octubre 2017.

3.4.2 Configuración cilíndrica.

Este tipo de configuración cilíndrica posee una articulación de revolución y dos

prismáticas. Para este tipo de configuración en comparación en la mostrada en la

figura 8, se reemplaza la primera articulación prismática por una articulación de

8 Carranza Pose, ‘Análisis Cinemático Y Dinámico de Pinza de Robot Para Espacios Aislados’,

2015.

32

revolución, los puntos a alcanzar son especificados con coordenadas cilíndricas, es

decir, ángulo α, altura ρ y radio Z, como se indica en la figura 5.

FIGURA 5. Representación gráfica de los movimientos producidos en la

configuración cilíndrica.

Fuente: http://www.portaleso.com/web_robot_3/robot_indice.html. Octubre 2017

3.4.3 Configuración polar o esférica.

La configuración polar emplea: dos articulaciones de revolución y una prismática,

específicamente un ángulo de rotación de la base, un ángulo de elevación y una

extensión lineal del brazo. La configuración esférica emplea coordenadas polares (α,

β, ρ) como se muestra en la figura 6.

FIGURA 6. Representación gráfica de los movimientos producidos en la

configuración polar o esférica.

Fuente: http://www.portaleso.com/web_robot_3/robot_indice.html. Octubre 2017

33

3.4.4 Configuración angular.

La configuración angular es una estructura con tres articulaciones de revolución, la

articulación de la base es de movimiento rotacional y las otras dos de movimiento

angular (α, β, ɤ) como se muestra en la figura 7. Estos tipos de robot se parecen al

brazo humano, con una cintura, el hombro, el codo, la muñeca.

FIGURA 7. Representación gráfica de los movimientos producidos en la

configuración angular.

Fuente: http://www.portaleso.com/web_robot_3/robot_indice.html. Octubre 2017

3.5 CINEMÁTICA DE GRIPERS.

Basados en el estudio realizado por Sánchez9 la cinemática estudia los movimientos

de los cuerpos independientes de las causas que lo producen. Para esto es necesario

calcular la cinemática directa, inversa y el modelado dinámico de dedos

antropomórficos.

3.5.1 Cinemática Directa

La cinemática directa de un robot manipulador describe la relación entre el

movimiento de las articulaciones del manipulador y el movimiento resultante del

cuerpo rígido el cual forma el robot. Un manipulador está compuesto por vínculos

9 Daniel Humberto and Sánchez Calderon, ‘Consideraciones Anatomicas En El Diseño de Una

Mano Artificial’, 2016.

34

seriales que están entrelazados por medio de una articulación prismática o rotacional

que viene desde la base hasta el efector final del manipulador.

Calcular la posición y orientación del efector final en términos de las variables de las

articulaciones se llama cinemática directa. Con el fin de tener cinemática directa para

un mecanismo robótico de una manera sistemática, se debe utilizar un adecuado

modelo cinemático. Denavit Hartenberg es un método que usa cuatro parámetros y es

el más común para describir la cinemática de un manipulador como se muestra en la

figura8.

FIGURA 8. Representación de la cinemática directa de un robot manipulador con el

método de Denavit Hartenberg

Fuente: Daniel Humberto and Sánchez Calderón, ‘Consideraciones Anatómicas

En El Diseño de Una Mano Artificial’, 2016.

Resumiendo, Denavit-Hartenberg propusieron un método sistemático para describir y

representar la geometría espacial de los elementos de una cadena cinemática. El

proceso consiste en fijar un sistema de coordenadas a cada enlace, de acuerdo a un

conjunto de normas que fueron mencionadas anteriormente. Luego de identificar los

parámetros geométricos del sistema fijo se obtiene una matriz de trasformación

homogénea. El producto de todas las matrices de transformación generara la matriz

35

de trasformación homogénea que relaciona el sistema con un sistema de referencia

fijo arbitrariamente escogido como se muestra en la figura 9.

FIGURA 9. Representación el sistema de referencia fijo arbitrariamente escogido en

un dedo robótico.

Fuente: Daniel Humberto and Sánchez Calderón, ‘Consideraciones Anatómicas

En El Diseño de Una Mano Artificial’, 2016.

3.5.2 Cinemática Inversa

En la cinemática inversa el objetivo del problema es encontrar los valores que debe

adoptar las articulaciones para que su efector final se posicione en la localización

específica. El dedo antropomórfico se compone de 3 eslabones conectados por

articulaciones de revolución.

El método más común para resolver la cinemática inversa, es el método geométrico.

De acuerdo a la posición final encontrar los ángulos por medio de relaciones

trigonométricas. Se puede realizar para un manipulador que trabaja en dos

dimensiones tal como se puede para manipuladores que trabajan en tres dimensiones.

36

4 ANÁLISIS DE DATOS, FÓRMULAS Y TIPOS DE GRIPPERS PARA LA

SELECCIÓN DE DISEÑO.

4.1 Tipos de grippers y elección del tipo de grippers o pinzas

Este artículo publicado valora la pinza robótica como una de las partes más

importantes de un sistema robótico. La pinza o gripper es el dispositivo entre el robot

y la pieza de trabajo. La selección del gripper en un sistema robótico es por lo tanto

muy importante. Hay muchos tipos diferentes de grippers y una gran variedad de

factores a considerar. Según Karokh10 los tipos más comunes de grippers son: gripper

de mandíbula, gripper de vacío y magnético, los tipos de grippers también se pueden

clasificar en tres grupos principales: grippers de superficie única, grippers de sujeción

y grippers flexibles. Para decidir qué tipo de gripper es más adecuado es necesario

tener en cuenta las diferentes técnicas de agarre de cada tipo.

4.1.1 Grippers de superficie única

Cuando sólo está disponible una superficie del componente, estos tipos de pinzas son

útiles para agarrar objetos ligeros, pesados y componentes planos que son difíciles de

manejar por otros medios. Estos tipos de grippers agarran los componentes por fuerza

de tracción en lugar de fuerza de empuje, comunes para las pinzas robóticas.

4.1.2 Grippers magnéticos

Hay dos tipos de grippers magnéticos que son de imanes permanentes y de

electroimanes. Este tipo de grippers sólo son aptos para recoger objetos ferrosos y son

muy fáciles de controlar para funciones de recoger y soltar. Un imán permanente es

un objeto que está hecho de un material magnetizado, Los imanes permanentes

requieren un mecanismo para liberar el objeto sujetado como se muestra en la figura

10.

10 Karokh Mohammed, ‘Design of a Gripper Tool for Robotic Picking and Placing Design of

a Gripper Tool for Robotic Picking and Placing’, 2010, 1–51.

37

Además de los imanes permanentes, un campo magnético puede ser generado

eléctricamente, el campo magnético es generado por un alambre herido en una bobina,

cuando la electricidad está pasando a través del cable, el campo magnético se activa

y el campo desaparece cuando la electricidad se ha ido. Los elevadores

electromagnéticos se utilizan a menudo para recoger varios restos de hierro y acero,

son comunes en las industrias manufactureras. Algunos objetos pueden ser

magnetizados al momento de ser recogidos con electroimanes, pero este problema se

puede reducir conectando los electroimanes a la corriente alterna. Los grippers

electromagnéticos pueden recoger y liberar objetos en pocos segundos lo cual es

beneficioso cuando el tiempo importa. Otros beneficios de los grippers

electromagnéticos son que pueden ser dimensionadas para fuerzas muy grandes.

FIGURA 10. Representación de un imán permanent (1. Non magnetic material; 2.

Permanent magnet; 3. Ferromagnetic housing; 4. Object).

Fuente: Gareth J.Monkman, Stefan Hesse, Ralf Steinmann, Henrik Schunk

(2007). Robot Grippers, Wiley-VCH, Weinheim (ISBN 0-13-033030-2). Página 204

4.1.3 Grippers de vacío

Los grippers de vacío se convierten en ventosas, las ventosas están hechas de goma.

La succión se conecta a través de tubos con dispositivos de baja presión para recoger

artículos, liberando elementos de aire cuando se bombea hacia fuera en las ventosas.

La presión puede ser creada con los siguientes dispositivos:

• Bombas de vacío

38

• Eyectores

• Fuelle de succión

• Cilindros neumáticos

Los grippers de vacío utilizan ventosas como dispositivos de recogida. Hay diferentes

tipos de ventosas y los vasos están generalmente hechos de poliuretano o caucho y

pueden ser utilizados a temperaturas entre -50 y 200 ° C. La ventosa se puede

clasificar en cuatro tipos diferentes: Ventosas universales, ventosas planas con barras,

ventosas con fuelle y las ventosas de profundidad como se muestra en la figura 11.

FIGURA 11. Representación de los diferentes tipos de ventosas.

Fuente: Gunnar S Bolmsjö (2006). Industriell robotteknik, Studentlitteratur, Lund

(ISBN 91-44-285124) pag. 204.

Las ventosas universales se utilizan para superficies planas o ligeramente arqueadas,

son las más baratas en el mercado, pero hay varias desventajas con este tipo de

ventosas. Cuando la presión bajo es demasiado alta, la ventosa disminuye mucho lo

que conduce a un mayor desgaste.

39

Las ventosas planas con barras son adecuadas para artículos planos o flexibles que

necesitan asistencia cuando levantando estos tipos de ventosas proporcionan un

pequeño movimiento bajo carga y área en la que actúa la depresión, esto reduce el

desgaste de la ventosa plana con barras, conduciendo a un movimiento más rápido y

más seguro.

Las ventosas con fuelle se usan generalmente para superficies curvadas, por ejemplo,

cuando la separación es necesaria o cuando un objeto más pequeño está siendo

agarrado y necesita un movimiento más corto. Este tipo de ventosas se pueden utilizar

en varias áreas, pero permiten una gran cantidad de movimiento al agarrar y baja

estabilidad con baja presión.

La ventosa de profundidad se puede utilizar para superficies que son muy irregulares

y curvadas o cuando un artículo necesita ser levantado sobre un borde.

Artículos con superficies rugosas (rugosidad superficial ≤ 5 μm para algunos tipos de

ventosas) o elementos que están hechos de material poroso tendrán dificultad con las

pinzas de vacío. Un artículo con agujeros, ranuras y huecos en las superficies no son

recomendados al manejar con grippers de vacío, ya que el si el material es poroso o

tiene agujeros en su superficie, será difícil aspirar el aire. En tales casos, la fuga de

aire puede reducirse si se utilizan ventosas más pequeñas.

4.1.4 Grippers de sujeción

Los grippers de dos mandíbulas y los grippers de mordaza están relacionadas con

grippers de sujeción y se producen frecuentemente en fábricas. Los grippers de

sujeción se pueden diseñar relativamente simples, Por lo tanto, el precio puede ser

más barato. Las pinzas de sujeción sujetan el objeto que se está recogiendo aplicando

presión internamente o externamente a más de una de las superficies de objeto. Esta

el tipo de grippers de accionado neumático o hidráulico, para objetos más pequeños

que no necesitan grandes fuerzas la técnica neumática y para objetos pesados que

40

requieren grandes esfuerzos Se utiliza la técnica hidráulica. La técnica neumática es

más común debido al bajo precio, peso bajo y facilidad de uso.

Grippers de dos y tres mandíbulas

Los grippers de dos mandíbulas es el tipo más simple de pinzas de mandíbula, las

pinzas de dos mandíbulas constan de dos agarres, los dedos que aplican presión

externamente o internamente sobre el objeto dependiendo del diseño de la mandíbula,

de la forma y el tamaño del objeto los dedos de la mandíbula se pueden diseñar

diferente para un movimiento preciso y seguro. Los grippers de dos mandíbulas se

pueden usar para objetos grandes y pequeños. La mecánica para el movimiento de los

dedos de la mandíbula puede incluir articulaciones, levas, piñones y actuadores, y

como se ha descrito anteriormente, cilindros hidráulicos y neumáticos, cuando las

formas se vuelven más complejas de las que puede manejar el gripper de dos

mandíbulas, el gripper de tres mandíbulas es una opción, para objetos con formas más

complejas. Los grippers de tres mandíbulas consisten en agarrar los dedos y aplicar

presión como los grippers de dos mandíbulas. Los grippers de tres mandíbulas son

más complejos y por lo tanto más caros que los grippers de dos mandíbulas. En la

figura 12 se presenta los grippers de dos y tres mandíbulas.

FIGURA 12. Presentación industrial de los grippers de dos y tres mandíbulas.

Fuente: Schunk 2010, http://www.se.schunk.com (Revisado 2017-09-10)

41

4.1.5 Grippers flexibles

Los grippers flexibles según O. Carbone11 consisten en varios eslabones en cada dedo

y dos o varios dedos, normalmente tienen una dirección individual, estos tipos de

grippers pueden compararse con una mano humana. Los grippers flexibles están

diseñados para manejar una serie de artículos diferentes, una Variedad de estos

grippers han sido producidos por varias investigaciones. Los grippers de múltiples

dedos, que se relacionan con los grippers flexibles, son como una pinza humana. Este

tipo de agarre puede tomar el objeto con formas muy complejas debido a las

articulaciones en los dedos que se pueden controlar individualmente. Los dedos en

estos tipos de grippers se pueden simular después de la forma del objeto que será

agarrado. Otros tipos de grippers flexibles son los grippers suaves y grippers de

mandíbula ajustable. En la figura 13 se muestra un gripper de múltiples dedos.

FIGURA 13. Representación de pinzas de dedos múltiples.

Fuente: Yoshihiro Kusuda. High speed vision sensor and quick robotic hand

enable a robot tocatch a ball (2017), 319-321. Pág. 321

11 O. Carbone, ‘Clasificacion De Mecanismos En Pinzas Industriales De Dos Dedos’, Revista

Iberoamericana de Ingenierìa Mecànica, 7.5400 (2003), 59–75

42

4.2 Resistencia de materiales

Para ver si la herramienta de agarre puede hacer frente a las fuerzas, es necesario hacer

cálculos para saber la tensión máxima del material de la herramienta de agarre. Estas

fórmulas se han utilizado y están especificadas 12 para calcular tensiones máximas:

𝜎𝑚𝑎𝑥 = 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑜

[𝜎𝑚𝑎𝑥] =𝑀𝑚𝑎𝑥

𝑊𝑏.

(2)

(1)

Dónde:

Mmax= Torque Máximo

Wb= momento de flexión elástico

𝑀𝑤𝑏 = ℎ𝑏2

6

(3)

4.3 Manipulador Robótico RV-M113

El manipulador robótico Mitsubishi Movemaster RV- M1 es un sistema robótico que

cuenta con cinco grados de libertad, como se muestra en la figura 14, con capacidad

de carga de 1.2 Kg sin incluir el peso del efector final adaptado a él. El sistema que

permite operar el robot, se encuentra constituido por:

• Brazo articulado.

• Efector final (Original).

• Teaching box.

• Controlador.

12 DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA INTEGRADO DE CLASIFICACIÓN Y CONTROL DE

CALIDAD UTILIZANDO UN MANIPULADOR TIPO DELTA Y MANO ROBÓTICA ANTROPOMÓRFICA’,

2014.

13 I V Jornadas and D E L A S Ciencias, ‘Manipulador Robot Mitsubishi Rv-m1’.

43

• Cables de conexión.

• Computador con software para establecer comunicación con el robot.

FIGURA 14. Manipulador robótico Mitsubishi Movemaster RV M1.

Fuente: Manual del brazo de Robot Mitsubishi Movemaster RV M1. Septiembre de

2017.

Cada articulación puede rotar de forma limitada, para ofrecer al robot la posibilidad

de posicionarse en puntos dentro de su volumen de trabajo (figura 15), como se puede

observar a continuación.

FIGURA 15. Posicionamiento de puntos del robot dentro de su área de trabajo.

Fuente: Manual del brazo de Robot Mitsubishi Movemaster RV M1.

44

Las características técnicas del robot Mitsubishi RV-M1 se muestran a continuación

en la tabla 1.

Tabla 1 . Características Robot Mitsubishi RV-M1

Fuente: Inventario Laboratorios de Tecnología Mecánica - Universidad Distrital-

Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica.

4.4 ACCIONAMIENTOS FINALES

Los accionamientos finales según Leon14 automatizados se pueden clasificar en dos

grupos: las garras o pinzas no antropomórficas (figura 16) y las herramientas

especializadas. Los robots industriales actuales emplean especialmente pinzas para

mover objetos o realizar trabajos especializados, las garras son utilizadas para el

capturar objetos por el área interna o externa, los mecanismos implementados para

este tipo de manipuladores son diversos entre ellas las más utilizadas son:

• Mecanismos de manivela y guía de extensión.

• Mecanismos de manivela y guía de retracción.

• Mecanismos de dedos pivotantes mecanismos.

• Mecanismos cuatro barras paralelas.

• Mecanismos de cuatro barras con piñón y cremallera.

14 Pedro Leon Simanca and Gabriel Calle T, ‘DEDOS PARA “GRIPPERS” ROBÓTICOS’, 2005, 97–102.

5 grados de libertad 5

Comandos de programación 63

Velocidad máxima 1 m/s

Posiciones 8 kb 629

Líneas de programación 16 kb 2048

Carga máxima 0,5 kg.

Programación 16 entradas; 16 salidas

Características

45

• Mecanismos de cuatro barras con servo motor eléctrico.

FIGURA 16. Clasificación de accionamientos finales automatizados.

Fuente: BELTRÁN FERNÁNDEZ, Diseño y desarrollo de un manipulador

robótico para el entrenamiento del personal de cirugía incisiva. Pág. 145. 2017.

La captación y manipulación de objetos en procesos industriales, requieren

manipuladores especiales dependiendo de la operación del robot como: mecanizado,

soldadura por arco continuo, soldadura por puntos, corte por chorro de agua, pintura

pulverizada, montaje e inspección, entre otros. Algunos robots industriales cuentan

con dispositivos automatizados que permiten el intercambiar rápidamente

herramientas de agarre, utilizados para compensar la baja adherencia del manipulador

al objeto1 , los robots cuentan con dispositivos que permiten seleccionar herramientas

en el sistema según la necesidad de alcanzar niveles superiores de manipuladores más

evolucionados en la robótica ha hecho que las universidades e instituciones de

investigación han estado estudiando en los últimos años, los sistemas de sujeción

similar a una mano humana, con énfasis en el modelado cinemático, el control de la

estructura y demás. Para realizar las secuencias de trabajo estos actuadores requieren

energía (figura 17), siendo ésta una propiedad que está relacionada con los cambios o

procesos de transformación en la naturaleza. La forma de energía asociada a las

transformaciones de tipo mecánico se denomina energía mecánica y su transferencia

de un cuerpo a otro recibe el nombre de trabajo. Uno de los módulos más importantes

46

de un actuador es el elemento mecánico transformador de energía ya que es un

mecanismo indispensable del mismo y es el encargado de transformar un determinado

tipo de energía (eléctrica, neumática e hidráulica) en algún tipo de movimiento (Lineal

o rotacional). Dependiendo del tipo de movimiento que el transformador de energía

entrega es necesario que el actuador incorpore un sistema de transmisión de

movimiento. Este se encarga tanto de cambiar el tipo de movimiento como de

trasladar simplemente ese movimiento de un sitio a otro. Para analizar, el sistema de

transformación de datos en eventos es el elemento que adquiere información exterior

y la transforma de forma tal que se ven reflejadas como acciones que el actuador

llevara a cabo Es importante aclarar que los datos que recibe el sistema de

transformación de datos en eventos obtiene datos ya elaborados por un sistema central

como un sistema de control o una unidad central de procesos.

FIGURA 17. Secuencias de trabajo de los actuadores.

Fuente: VLADIMIR dela hoz diseño e implementación de mecanismo de prensión

para mano robot antropomórfica

47

4.5 TIPOS DE MOVIMIENTO

Según NORTON15 la clasificación y definición es la siguiente:

4.5.1. Rotación pura

Es la que ocurre cuando un cuerpo posee un punto (centro de rotación) que no tiene

movimiento con respecto al marco de referencia “estacionario”. Todos los demás

puntos del cuerpo describen arcos alrededor del centro. Una línea de referencia trazada

en el cuerpo a través del centro cambia solo su orientación angular.

4.5.2 Traslación pura

Este es el movimiento más simple que puede hacer un cuerpo rígido. Es un cuerpo

que tiene un movimiento de traslación pura si un segmento considerado sobre el

cuerpo se mueve en el espacio manteniéndose paralelo a sí mismo. Todos los puntos

en el dispositivo describen trayectorias paralelas (curvas o rectas). Una línea de

referencia trazada en el cuerpo cambia su posición lineal pero no su orientación o

posición angular.

4.5.3. Movimiento complejo

En este se presenta una combinación simultánea de rotación y translación. Cualquier

línea de referencia trazada en el cuerpo cambiara tanto su posición lineal como su

orientación angular. Los puntos en el cuerpo recorrerán trayectorias no paralelas, y

habrá, en todo instante, un centro de rotación, el cual cambiará continuamente de

ubicación.

4.6 Eslabones y cadenas cinemáticas

4.6.1 Eslabón

Cuerpo rígido (supuesto) que posee por lo menos dos nodos que son puntos de unión

con otros eslabones; el número de nodos le da el nombre al eslabón, por ejemplo:

binario= dos nodos, terciario=tres nodos, cuaternario=cuatro nodos etc.

15 ROBERT, L, NORTON, Diseño De Maquinaria. Mc Graw Hill, México (2009) 4ta edición.

48

4.6.2. Cadena cinemática

Un ensamble de eslabones y juntas interconectados de modo que produzcan un

movimiento controlado en respuesta a un movimiento suministrado.

Elementos que componen una cadena cinemática

Manivela: Eslabón que realiza una revolución competa y esta pivotada a la

bancada.

Balancín: Es un eslabón que tiene rotación oscilatoria (de vaivén) y esta

pivotado a la bancada

Acoplador o biela: Es un eslabón que tiene movimiento complejo y no esta

pivotado a la bancada

Bancada: Es cualquier eslabón o eslabones que están fijos (inmóviles) con

respecto al marco de referencia.

4.6.3 Grados de libertad

El número de grados de libertad de un sistema es el número de parámetros

(mediciones) independientes que se requieren para definir de manera única su

posición en el espacio en cualquier instante de tiempo.

A continuación, se presenta la determinación del grado de libertad:

Mecanismo cerrado. No tendrá nodos con apertura y puede tener uno o más grados de

libertad, como se muestra en la figura 18 (b).

Mecanismo abierto con más de un eslabón. Siempre tendrá más de un grado de

libertad, por lo que requiere tantos actuadores como grados de libertad tenga. Un

ejemplo común de un mecanismo abierto es un robot industrial, como se encuentra

representado en la figura 18 (a).

49

FIGURA 18. Representación de mecanismo de cadena abierta y cerrada de un robot

industrial.

a) Mecanismo de cadena abierta b) Mecanismo de cadena cerrada

Fuente: Tomado de ROBERT, L, NORTON, Diseño De Maquinaria. Mc Graw Hill,

México (2009) 4ta edición.

Diada. Es una cadena cinemática abierta de dos eslabones binarios y una junta.

Ecuación de Gruebler:

𝑀 = 3𝐿 − 2𝐽 − 3𝐺 (4)

M= Número de grados de libertad

L: Número de eslabones

J: Número de juntas

G: Número e eslabones fijados

Ecuación de Kutzbach

𝑀 = 3(𝐿 − 1) − 2𝐽1 − 𝐽2

(5)

M= Número de grados de libertad.

L: Número de eslabones.

J1: Número de juntas completas.

J2: Número de semi-juntas.

50

4.7 PROGRAMA DE DISEÑO NX DE SIEMENS®

SIEMENS NX CAM® 16 proporciona una amplia variedad de funcionalidades, desde

la programación sencilla de control numérico hasta el mecanizado de eje múltiple, lo

que permite a los programadores de control numérico llevar a cabo muchas tareas

utilizando un único sistema. Gracias a la flexibilidad de SIEMENS NX CAM, se

pueden realizar fácilmente trabajos muy complejos.

SIEMENS NX CAM dispone de un sistema de pos-proceso totalmente integrado.

Entre los varios niveles de validación del programa de control numérico se incluye la

simulación controlada por códigos G, que elimina la necesidad de contar con paquetes

de simulación independientes. SIEMENS NX incorpora avanzadas herramientas

CAD que el programador de control numérico puede utilizar para cualquier cosa:

desde modelar nuevas piezas hasta crear planos de configuración directamente a partir

de los datos del modelo en 3D.

4.7.1 Mechatronics Concept Designer de Siemens PLM

Es un Software específicamente diseñado para acelerar el concepto diseño para

máquinas herramientas, el software permite el modelado 3D y la simulación de

conceptos con física multi-cuerpo y comportamiento relacionado con la

automatización, generalmente encontrado en productos mecatrónicos. La solución

admite un nuevo enfoque para el diseño funcional de la máquina. Es muy funcional

ya que, la descomposición sirve como un lenguaje común entre disciplinas,

permitiéndoles trabajar en paralelo desde las primeras etapas de desarrollo de

productos, también permite la reutilización de diseños existentes. El Diseñador de

conceptos de mecatrónicos permite acelerar el desarrollo de productos, lo que

proporciona trabajar en paralelo, aprovechando técnicas innovadoras que ayudan a los

diseñadores a satisfacer las demandas de máquinas.

16 De N X Cam, ‘Elevada Productividad En La Fabricacion de Piezas’.

51

5 MODELADO DE LOS PROTOTIPOS DE GRIPPER PROPUESTOS EN

LA PLATAFORMA NX DE SIEMENS®

5.1 Variables y parámetros necesarios para el modelado de los grippers.

Para iniciar con los diseños de los prototipos de cada gripper iniciamos realizando una

matriz QDF por las siglas inglesas de Quality Function Deployment, como método o

herramienta de diseño de productos que nos facilita tener en cuenta las características

técnicas y operativas satisfactorias a tener en cuenta para cada gripper, además es una

manera de realizar la comparación para sacar un ponderado y un valor cuantitativo de

los parámetros que ya se habían establecido, y de esta manera darle el grado de

importancia a cada parámetro que va a ser tenida en cuenta para el modelado de cada

pinza.

Decidimos calificar el grado de importancia de 1 a 5 donde 1 es lo menos importante,

5 muy importante y 3 aceptable como se muestra a continuación en la tabla 2:

Tabla 2 matriz QDF, evaluación de características de diseño de los prototipos de

gripper.

OBJETIVOS A B C D E F G H I TOTAL

A 3 5 3 3 4 3 3 3 27

B 5 5 5 5 5 5 5 5 40

C 3 3 4 4 4 3 4 4 29

D 5 3 5 3 4 4 4 4 32

E 5 4 5 5 5 5 5 4 38

F 3 3 4 4 3 3 4 3 27

G

5 4 5 4 4 4 4 4 34

H 5 3 4 4 3 4 3 3 29

I 4 3 4 4 4 4 4 5 32

A El gripper sea más ligero.

B

Que permita realizar la función de destapar y voltear el recipiente de perlas

C Sea de bajo costo.

D

Mantenimiento fácil en cada uno de sus componentes

52

E Sea un equipo seguro.

F Fabricación y ensamble fáciles.

G Tenga estabilidad.

H Fácil de instalar.

I

Realizable en un tiempo mínimo de fabricación, ensamble y prueba

FUNDAMENTALES IMPORTANTES A TENER EN CUENTA

Fuente: elaboración propia, matriz QDF.

Por otro lado, otro aspecto que se tuvo en cuenta para realizar el análisis del diseño

fueron las medidas del tarro que iba a manipular el gripper, para darle el

dimensionamiento a la hora de ser modelado, los parámetros de apertura, cierre,

velocidades.

Además, se realizó un estudio de los recipientes contenedores de la celda de

manufactura que se encuentran fabricados en un material plástico (41mm X 41mm X

52mm) con cuatro diferentes tipos de etiqueta (figura 19). Cada etiqueta incorpora un

código de barras que permite identificar al producto a lo largo del proceso y dentro de

los cuales se va llenando con las perlas de colores de acuerdo a la configuración que

le sea establecida.

FIGURA 19. Representación de recipientes contendores FMS HAS 200

53

Fuente: Tomado de Suarez Gaona, Diseño De Maquinaria.

Los recipientes poseen una tapa plástica color azul, como característica a resaltar al

momento de encontrase tapados los recipientes por uno de sus lados sobresale una

pestaña que sirve para generar un agarre al operario o en este caso a la pinza y facilitar

la separación de la tapa al recipiente, dentro de las medidas que presentaron relevancia

para el desarrollo del proyecto se observó que al momento de la disposición de los

cilindros sobre la plataforma de paletizado la separación entre cada hilera de

recipientes está en el rango de 4 a 5 mm como máximo como se muestra en la figura

20.

54

FIGURA 20. Representación de recipientes contendores al momento de la

disposición de los cilindros sobre la plataforma de paletizado FMS HAS 200

Fuente: Tomado de Suarez Gaona Andrés Felipe

http://repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/4800/1/SuarezGaonaAndresFeli

pe2016.pdf.

Para calcular la fuerza requerida para abrir el contenedor de perlas de la FMS HAS -

200, se realizó un ensayo de laboratorio en el que se fueron colocando diferentes

masas sobre la tapa del contenedor y con ayuda de un dinamómetro se midió la fuerza

requerida para destapar el recipiente como se muestra en la figura 21 y 22 resultados

que están establecidos en la tabla 3, con los datos obtenidos se hizo un promedio con

el fin de conocer el valor de la fuerza necesaria para que el gripper realicé la función

de destapar el contenedor.

55

Figura 21. Montaje ensayo de laboratorio medición de fuerza necesaria para destapado de recipiente FMS HAS 200.

Fuente: elaboración propia.

Figura 22. Montaje ensayo de laboratorio medición de fuerza necesaria para destapado de recipiente FMS HAS 200.

Fuente: elaboración propia.

56

Tabla 3 Resultados de ensayo de laboratorio para determinar la fuerza requerida

para destapar los contenedores de perlas de la FMS HAS – 200.

Fuente: elaboración propia

Teniendo en cuenta que la variación de temperatura del medio ambiente es un factor

para el correcto funcionamiento del gripper, debido a que depende de redes

neumáticas, se tomó una presión de diseño del sistema 1.2 veces la de operación

mayor (fuerza de 6.5); que es el factor de seguridad, es decir para este caso será de

7.8 N que se aproximó a 8N.

Además de esto, antes de hacer los modelados se tuvo en cuenta el dimensionamiento

del robot Mitsubishi MovemasterRV-M1, como se muestra en la figura 23, donde se

puede observar las medidas generales del brazo y de la parte en la que va ensamblado

el efector final o gripper.

NÚMERO DE TARROS FUERZA 1 [N] FUERZA 2 [N] FUERZA 3 [N] FUERZA 4[N] FUERZA 5[N]

TARRO 1 5 5.2 5 5.2 5.2

TARRO 2 4.5 4.5 5 5.5 6

TARRO 3 5.5 5.5 6 6 6

TARRO 4 6 6 6.5 6.5 6.3

TARRO 5 5.2 5.2 5.5 5.5 5.5

TARRO 6 6 6 5.6 5.6 5.7

PROMEDIO 5.367 5.400 5.600 5.717 5.783

TABLA DE FUEZA NECESARIA PARA DESTAPAR UN TARRO DE LA HAS-200

FUERZA A USAR

TENIENDO EN CUENTA EL

RESULTADO

EXPERIMENTAL ES DE 8 N

PARA TENER LA CERTEZA

DE QUE VA A FUNCIONAR

CORRECTAMENTE

57

FIGURA 23. Plano dimensiones de robot Mitsubishi Movemaster RM-V1

Fuente: Tomado de Suarez Gaona Andrés Felipe

http://repository.udistrital.edu.co/bitstream/11349/4800/1/SuarezGaonaAndresFeli

pe2016.pdf.

5.2 Modelado de los grippers en plataforma NX de Siemens®

Con ayuda de la aplicación de modelado CAD que ofrece la plataforma de NX de

Siemens® se modeló cada pieza necesaria para generar el ensamble del gripper,

teniendo en cuenta para su dimensionamiento, las medidas de los recipientes que va a

manipular, y las medidas del manipulador robótico.

Para dar inicio se abre la plataforma de NX de Siemens®, se da “click” en archivo –

nuevo e inmediatamente nos aparecen varias opciones con las que cuenta NX y se

escoge el entorno de modelado y se da aceptar, se abre el entorno donde se da inicio

al modelado de las piezas como se puede observar en la figura 24.

58

FIGURA 24. Ventana de selección entorno modelado en NX de Siemens®,

Fuente: elaboración propia.

Posteriormente aparece el entorno de modelado, en el que el primer paso a seguir es

elegir la opción croquis para seleccionar el plano de trabajo en el que se realiza la

pieza como se muestra en la figura 25.

FIGURA 25. Ventana de entorno modelado en NX de Siemens® opción croquis

Fuente: elaboración propia.

59

Teniendo este plano se puede seleccionar alguna de las herramientas del menú que

ofrece el software NX para dibujar las geometrías de cada elemento en 2D, como se

muestra en la figura 26.

FIGURA 26. Herramientas geométricas 2D en NX de Siemens®,

Fuente: elaboración propia.

Luego de tener las figuras en 2D se realiza el modelado 3D usando las herramientas

de extrusión, revolución, agujero y redondeos que se muestran en la figura 27 y figura

28.

FIGURA 27. Herramientas geométricas 3D en NX de Siemens®

Fuente: elaboración propia.

60

FIGURA 28. Pieza modelada y extruida en NX de Siemens®

Fuente: elaboración propia.

Se realizó el modelado de cada uno de los prototipos que se habían propuesto. Al

momento de modelar y antes de realizar las simulaciones se descartaron varios de los

prototipos porque no cumplían con los requisitos que habíamos planteado por medio

de la matriz QDF, además de no tener la geometría pertinente, también se descartó

una de éstas porque la propuesta estaba centrada en el ámbito neumático, en este caso

se pensó usar una fuente de alimentación por medio de vacío, pero sería no funcional

puesto que se requeriría en la red de alimentación neumática de la Universidad

Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica una capacidad suficiente

para generar el vacío necesario para llevar a cabo el destapado del recipiente (8 N de

fuerza requeridos) y adicionalmente un dispositivo de sujeción por vacío de

especificaciones muy elevadas, como se explicó en el numeral 4.1.3.

5.3 Ensamble

En el momento en que se tienen todas las piezas modeladas en la plataforma de NX

de Siemens® se usó la aplicación de ensambles contenida en esta plataforma, en la

cual se genera ensambles y sub-ensambles para la generación de un solo conjunto de

61

la máquina, primero se abre el programa NX de Siemens®, luego se va a archivo –

nuevo y seleccionamos la opción de New → Assembly, se da el nombre del archivo

y en la carpeta en que se guarda y posteriormente se da aceptar, como se observa en

la figura 29.

FIGURA 29. Entorno de ensamble en la plataforma de NX de Siemens®

Fuente: elaboración propia.

Lo primero que aparece es una ventana que da la opción de agregar componentes, la

cual permite añadir las piezas ya modeladas para ir acomodándolas y ajustándolas con

el fin de armar la estructura que se necesita como se observa en la figura 30.

62

FIGURA 30. Entorno de ensamble para agregar componentes o piezas en la

plataforma de NX de Siemens®

Fuente: elaboración propia.

Ahora la primera ventana entrega la opción para agregar el componente base del

ensamble del dispositivo, de esta ventana se selecciona la opción “abrir” donde se

desprende una ventana con las piezas creadas, es decir se debe ubicar la carpeta en el

ordenador donde se guardaron las piezas modeladas, en esta se puede seleccionar la

pieza donde se comenzará a desarrollar el conjunto, al ser la figura base la plataforma

que ofrece la opción de “fijo” y las demás piezas se van acomodando generando las

restricciones necesarias del ensamble respecto a la pieza base del ensamble y a la

manera en la que van a quedar ubicadas, cabe aclarar que se puede usar más de una

restricción para cumplir con la posición en la cual debe quedar el elemento o pieza

como se evidencia en la figura 31.

63

FIGURA 31. Entorno de ensamble para poner restricciones de componentes o piezas

y organizar el ensamble en la plataforma de NX de Siemens®,

Fuente: elaboración propia.

5.4 Diseñador de conceptos mecatrónicos para la simulación.

Para realizar la simulación se usó la plataforma de NX de Siemens®, con la aplicación

de Mechatronics Concept Designer o diseñador de conceptos mecatrónicos, en el cual

se pudo realizar la simulación en 3D de conceptos con comportamientos físicos y

automatizados.

Lo primero que se hizo fue abrir el entorno entrando en la pestaña de Mechatronics

Concept Designer, en el momento en que ya se tiene listo el ensamble total del brazo

y el gripper como se ve en la figura 32.

64

FIGURA 32. Entorno de diseñador de conceptos mecatrónicos para simulaciones del

ensamble en la plataforma de NX de Siemens®,

Fuente: elaboración propia.

Posteriormente se dio la condición de cuerpo rígido a cada una de las piezas y

elementos del ensamble, y de igual manera dio un nombre a cada pieza como se

muestra en la figura 33.

65

FIGURA 33. Opción de cuerpo rígido de diseñador de conceptos mecatrónicos para

simulaciones del ensamble en la plataforma de NX de Siemens®,

Fuente: elaboración propia.

Ya definidos los cuerpos rígidos se generaron los movimientos teniendo en cuenta la

función que va a realizar cada una de las piezas, para nuestro caso usamos juntas de

charnela, por el tipo de movimiento, de unión y de grados de libertad que necesita

nuestro mecanismo, además de las juntas de mando deslizante para el movimiento de

uno de los prototipos del gripper, como se muestra en la figura 34.

66

FIGURA 34. Opción de juntas de diseñador de conceptos mecatrónicos para

simulaciones del ensamble en la plataforma de NX de Siemens®.

Fuente: elaboración propia.

Luego de tener las juntas, se definió la posición de control de cada junta, dándole

parámetros del tipo de eje (angular o lineal), el eje en el que gira el eslabón, el destino

de movimiento el cual corresponde a la longitud o ángulo que va a dar el eslabón,

velocidad, fuerza y aceleraciones de cada uno como se muestra en la figura 35.

67

FIGURA 35. Opción de control de posición de diseñador de conceptos mecatrónicos

para simulaciones del ensamble en la plataforma de NX de Siemens®

Fuente: elaboración propia.

Con la ayuda de Mechatronics Concept Designer se creó un diseño basado en

funciones que emula las interacciones de colaboración del diseño, es muy importante

tener en cuenta que el modelo sea funcional para proporcionar la estructura de soporte

para los conceptos de diseño iniciales y brindar la capacidad de realizar evaluaciones

de alternativas de diseño.

Para la automatización se agregaron actuadores generalizados a un sistema con el fin

de diseñar el comportamiento lógico básico de la máquina, que comienza con un

comportamiento basado en el tiempo, seguido de controles basados en eventos

creando la lista de sensores y actuadores.

68

6 EVALUACIÓN DE LOS PROTOTIPOS DE GRIPPER

SELECCIONADOS Y MODELADOS EN LA PLATAFORMA NX DE

SIEMENS®.

6.1 Evaluación de las características de cada diseño con ayuda de la

herramienta simulación avanzada.

Para esto se realizó un estudio de fuerza con ayuda de la herramienta de simulación

avanzada del programa NX de Siemens®, en donde se toman piezas individuales

seleccionando como material plástico de prueba el Acrilonitrilo Butadieno Estireno

(ABS por sus siglas en inglés), ya que si se quisiera prototipar en la impresora 3D que

existe en la Universidad Distrital Francisco José de Caldas – Facultad Tecnológica se

usaría este tipo de material; además los resultados de la simulación fueron tomados

del Software de acuerdo a las variables de entrada, que son fuerza, dimensiones del

tarro y masa, valores que ya se tienen.

Se escogieron dos pinzas, a las que se le realizaron la simulación puesto que cumplían

en mayor parte con los requerimientos necesarios, una de estas (gripper2) está dada

por un accionamiento neumático, con desplazamiento angular que tiene un uso para

superficies lisas o poco porosas como nuestros contenedores, que están fabricados de

material plástico, es de tipo angular puesto que permite mover los “dedos” de una

manera radial de manera que estos rotan alrededor de un punto de giro, teniendo en

cuenta que para que funcione de la mejor manera el gripper debe sujetar el contenedor

por su centro de gravedad cerca a éste para que se anulen los momentos que se

pudieran generar por el peso del contenedor.

Para el accionamiento los actuadores tienen como misión generar el movimiento de

los elementos del robot según las órdenes dadas por la unidad de control, en el caso

de los accionamientos neumáticos la fuente de energía es aire a presión entre 5 bar y

10 bar, en el caso de los motores neumáticos que usamos como accionamiento del

primer gripper se consigue el movimiento de rotación de un eje mediante aire a

69

presión además de que se pueden usar en manipuladores sencillos, en apertura y cierre

de pinzas o en determinadas articulaciones de algún robot, como el movimiento

vertical del tercer grado de libertad de algunos robots tipo SCARA (acrónimo que

responde por sus siglas en inglés a Selective Compliant Articulated Robot Arm); así

mismo en la pinza se situaron sensores para detectar el estado de la misma (abierto o

cerrado) es por esto que se incorporaron a la pinza otro tipo de sensores directamente

dados por la plataforma de diseñador de conceptos mecatrónicos de NX de Siemens®

para controlar el estado de la pieza, sistemas de visión que incorporen datos

geométricos de los objetos, detectores de proximidad y sensores fuerza.

Por otro lado, para el gripper 1 pinza se tomó un accionamiento eléctrico con

desplazamiento lineal - paralelo de apertura y cierre de sus “dedos” en paralelo al

contenedor, es el modelo más sencillo y permite compensar variaciones

dimensionales, también se tuvo en cuenta que para que funcione de la mejor manera

el gripper debe sujetar el contenedor cerca de su centro de gravedad; para que se

anulen los momentos que se pudieran generar por el peso del contenedor. El actuador

que se usó en este caso es el motor paso a paso de imán permanente, son los más

usados en robótica, ya que tienen buenas características técnicas, especialmente en lo

relativo a su control por los posicionamientos precisos. La característica principal de

estos motores es el hecho de poder moverlos un paso por cada pulso que se le aplique.

Este paso puede variar desde 90° hasta pequeños movimientos de tan solo 1.8° e

incluso hasta de 0.72º, es decir, que se necesitarán 4 pasos en el primer caso (90°) y

200 para el segundo caso (1.8°), para completar un giro completo de 360°; de la misma

forma en la pinza se situaron sensores para detectar el estado de la misma (abierto o

cerrado) es por esto que se incorporaron a la pinza otro tipo de sensores directamente

dados por la plataforma de diseñador de conceptos mecatrónicos de NX de Siemens®

para controlar el estado de la pieza, sistemas de visión que incorporen datos

geométricos de los objetos, detectores de proximidad y sensores fuerza.

70

De acuerdo con los parámetros de entrada que se introducen en el programa como la

magnitud de la fuerza, el tipo de malla, el material y las restricciones, este nos arroja

los resultados que se presentan en las figuras 36, 37 y 39. Fueron los efectos que se

obtuvieron al realizar la simulación avanzada del gripper 1 donde se puede evidenciar

el comportamiento del material y la conducta de las pinzas de acuerdo con la dirección

de la fuerza que se ejerce, además de la gráfica de las mismas.

FIGURA 36. Análisis de carga del gripper

Fuente: elaboración propia.

En la figura 36 se puede apreciar el análisis de la estructura de forma global usando

una malla con intervalos de puntos de estudio amplios para obtener los resultados de

desplazamientos y tensiones típicos de cualquier análisis estructural, la evaluación de

tensiones debe realizarse con el modelo existente, pero al crear una malla muy

refinada de la estructura completa pueda resultar muy “cara” y costosa en términos

de prestaciones, excesivo tamaño del modelo y requisitos de hardware (memoria

RAM) elevados, especialmente en análisis no lineal.

71

FIGURA 37. Análisis de comportamiento de acuerdo al exceso de carga del gripper

1.

Fuente: elaboración propia.

En la figura 37 se puede evidenciar que la pieza presentó concentración de tensiones

máximas en el cambio de sección de la pieza, donde además existe un radio de acuerdo

de valor muy pequeño, además que se observa que la máxima tensión nodal de Von

Mises en el modelo global es de 4.58 MPa, que se genera a partir de: tipo de carga,

magnitud de fuerza aplicada, y material, que para este caso de estudio se le asignó el

ABS, el cual cuenta con propiedades de módulo de elasticidad a la tracción de 2030

MPa y esfuerzo de tracción a la deformación de 43.6 MPa como se muestra en la

figura 38 de propiedades mecánicas de el ABS, comparando se puede demostrar que

no sobre pasa el límite de esfuerzo del material.

72

FIGURA 38. Tabla de propiedades mecánicas del ABS.

Fuente: Tomado de

https://ultimaker.com/download/67619/TDS%20ABS%20v3.011-spa-ES.pdf.

En la figura 39 se muestra la gráfica de tensión de membrana, flexión y pico de

distribución de tensiones 3-D, a partir de los resultados de un modelo de elementos

finitos mallado teniendo en cuenta elementos sólidos, donde se puede observar el

comportamiento del material de acuerdo a los nodos del enmallado.

73

FIGURA 39. Gráfica del comportamiento del análisis de carga del gripper 1

Fuente: elaboración propia.

De la misma manera al hacer el análisis de simulación de acuerdo con los parámetros

de entrada que se introducen en el programa como la magnitud de la fuerza, el tipo de

malla, el material y la restricciones, este arroja los resultados que se presentan a

continuación en las figuras 40 y 41, fueron los efectos que se obtuvieron al realizar

la simulación avanzada del gripper 2 donde se puede evidenciar el comportamiento

del material y la conducta de las pinzas de acuerdo con la dirección de la fuerza que

se ejerce, además de la gráfica de las mismas.

74

FIGURA 40. Análisis de fuerza pinza gripper 2

Fuente: elaboración propia.

FIGURA 41. Gráfica de análisis de fuerza de la pinza gripper 2

Fuente: Elaboración propia.

75

Por otro lado, con ayuda del navegador de simulación que se presentó se muestran las

relaciones de archivos y los datos de análisis en su modelo CAE como un árbol

gráfico, interactivo y jerárquico, puesto que desde el navegador se r de simulación, se

pudo revisar la estructura, el contenido y el estado del análisis y se crearon archivos

de análisis, mallas, condiciones de contorno.

6.2 Evaluación de las características de cada diseño con ayuda de la

simulación con Diseñador de Conceptos Mecatrónicos.

Se realizó la simulación total en el diseñador de conceptos mecatrónicas para las dos

pinzas con el fin de observar y analizar el comportamiento de cada diseño y de esta

manera elegir la que más se ajustaba a los parámetros establecidos.

Para realizar lo anterior se tuvieron en cuenta los cuerpos rígidos, cuerpos de colisión,

formas de colisión, las juntas y articulaciones, sensores y actuadores y las operaciones

y editor de secuencia de cada pinza.

En cuanto a los cuerpos rígidos: se establecieron con el fin de que los tarros tuvieran

la masa establecida, además de las fuerzas como la gravedad del sistema, y la fuerza

requerida para la manipulación de los contenedores, ya que cuando no tuvimos en

cuenta estos parámetros los contenedores se comportaban como objetos

completamente estacionarios y los tarros se “caían” porque la fuerza de gravedad no

estaba actuando en el sistema. Por otro lado, al darle a las todas las piezas ya

modeladas la opción de cuerpo rígido se le pudo dar la posición y orientación, masa e

inercia y las velocidades a cada eslabón del gripper y del Robot Mitsubishi como se

muestra en la figura 42.

.

76

FIGURA 42 Opción de cuerpo rígido para dar la posición y orientación a cada eslabón.

Fuente: Elaboración propia.

Los cuerpos y superficies de colisión fueron usados para definir cómo los elementos

chocaron entre sí con otros elementos que también tienen un cuerpo de colisión,

además se usó la opción colisión para unir cuerpos de colisión durante las

simulaciones. Con esta preferencia de Mechatronics Concept Designer se logró

establecer el factor adhesivo, puesto que al no realizar esta operación los grippers,

pasaban a través de los contenedores y no los agarraban.

Además de que al usar la opción colisión del Diseñador de Conceptos Mecatrónicos

tuvimos en cuenta las formas de colisión puesto que fue necesario tener una precisión

geométrica de la forma de colisión, porque cuando no se tuvo en cuenta este factor el

contenedor y los grippers fueron propensos a las fallas de penetración y fallas de

inestabilidad (paso, adherencia, temblores) y para maximizar el rendimiento en

tiempo de ejecución y la corrección de estas fallas, se usó la forma de colisión más

simple es decir la forma de cuadro como se muestra en la figura 43.

.

77

FIGURA 43 corrección de estas fallas y agarre de contenedores.

Fuente: Elaboración propia.

Por otra parte se presentaron simulaciones inestables, y no realizaban la función que

se solicitaba, pero se solucionó usando las restricciones necesarias y no sobre

restringiendo el ensamble, además de anclar las juntas de acuerdo al centro de masas

de cada eslabón, y estableciendo las categorías de colisión evitando las colisiones no

deseadas, y posteriormente se realizó la definición de comportamientos basados en

eventos y tiempo con ayuda del editor de secuencia en donde el valor de la velocidad

fue auto calculada automáticamente el programa, ya que como parámetros de entrada

se le dieron las variables de posición y tiempo, como se muestra en la figura 44.

FIGURA 44 cuadro de dialogo variables requeridas para cálculo de velocidad del sistema.

78

Fuente: Elaboración propia.

Seguidamente en el momento en que generamos las operaciones éstas iban

apareciendo en la parte izquierda de la ventana en forma de barras, y su longitud

dependía del tiempo que se le colocaba para la realización de cada movimiento,

posteriormente se fue dando el orden en que se requería que se generara el movimiento

y después de tener todas las operaciones asignadas se unieron con flechas simulando

un diagrama de Gantt, y de esta manera se obtuvieron los movimientos y la secuencia

que se necesitaba como se muestra en la figura 45.

FIGURA 45 Editor de secuencias para generar operaciones de movimientos del gripper y del Robot Mitsubishi.

79

Fuente: Elaboración propia.

7 ANÁLISIS DE RESULTADOS, FICHA TECNICA Y DETALLES DEL

PROTOTIPO DE GRIPPER DEFINITIVO.

7.1 Análisis de resultados.

El prototipo funcionalmente debería cumplir con actividades y especificaciones como

las de acoplarse perfectamente con la parte superior donde va el efector final

correspondiente del brazo Mitsubishi, cumplir dimensionalmente con las medidas

requeridas para que el gripper llegue al área de trabajo y se introduzca en medio de

las hileras de contenedores, sujetar y manipular los contenedores sin interferir con los

contenedores que están en las hileras de trabajo, retirarlo de la plataforma o mesa

donde están ubicados específicamente en la estación de despacho 11 de la FMS HAS-

200, para posteriormente ser llevados a otra mesa que simulara la parte de la tolva

para destapar el recipiente para soltar todo las perlas, el contenedor y la tapa, además

80

de cumplir con las especificaciones que ya se habían dado como la de que fuera ligero

y seguro.

En las simulaciones desarrolladas en la plataforma NX de Siemens®, con ayuda de la

opción de diseñador de conceptos mecatrónicos se pudo realizar un video de

simulación de los dos grippers estudiados con el fin de establecer cuál cumplía con

las actividades y especificaciones anteriormente mencionados.

Para el gripper 1 se obtuvieron los siguientes resultados:

Se puede observar que este prototipo cumple con la función de ensamblarse

perfectamente con el brazo manipulador Mitsubishi RV-1, como se puede apreciar en

la figura 46

FIGURA 46 acople del gripper con el brazo Mitsubishi RV-1

Fuente: Elaboración propia.

De acuerdo con el video anexo: “Funcionamiento de Gripper 1”, se pudo evidenciar

(analizándolo segundo a segundo) lo siguiente:

Del segundo uno del video al segundo 15, se observa que el brazo manipulador

Mitsubishi RV-1 está en movimiento y que el gripper está acoplado perfectamente;

en el segundo 15 se puede observar que el gripper se sitúa y se introduce en medio de

81

las dos hileras de contenedores sin interferir con los demás contenedores; del segundo

20 al 22 se observa que el gripper cumple con la función de sujetar el contenedor, para

posteriormente llevarlo a la siguiente mesa y realizar la operación de destape entre el

segundo 25 al 29; seguidamente del segundo 35 al 38 se puede observar el

funcionamiento de destape del gripper; luego de los segundos 41 al 49 se muestra

como el gripper suelta la tapa y el contenedor para dejarlos en la mesa de despacho,

donde se finaliza el video y de esta manera se demostró que este prototipo cumple con

las funciones y características que se especificaron.

Para el gripper 2 se obtuvieron los siguientes resultados:

Se puede observar que este prototipo cumple con la función de ensamblarse

perfectamente con el brazo manipulador Mitsubishi RV-1, como se puede apreciar en

la figura 47.

FIGURA 47 Ensamble del gripper 2 con el brazo manipulador robot Mitsubishi RV-1

Fuente: Elaboración propia.

82

De acuerdo con el video anexo: “Funcionamiento del Gripper 2” se pudo evidenciar

(analizándolo segundo a segundo) lo siguiente:

Del segundo 1 del video al segundo 12 se pude evidenciar que el gripper y el brazo

manipulador Mitsubishi están acoplados y funcionando manera correcta; del segundo

17 al 20 se puede observar que el gripper está cumpliendo con la función de intervenir

en medio de los contenedores, pero en este caso este gripper presentó fallas debido a

que choca con los contenedores que están ubicados en la hilera contigua al contenedor

que va a coger el gripper, puesto que la forma arqueada de los dedos del gripper no

cumplen con los requerimientos dimensionales establecidos, como se puede

evidenciar de una mejor manera entre el segundo 64 y el 66 del video; de los segundos

23 al 26 se evidencia la forma en que el gripper agarra los contenedores pero este

prototipo no cuenta con la estabilidad necesaria para sostener los contenedores; de los

segundos 29 al 31 se muestra como el gripper no puede transportar a la otra mesa el

contenedor porque no tiene la estabilidad necesaria para esta función y la falla también

se puede observar a partir del segundo 75 del video.

De esta manera y gracias al análisis que se pudo realizar con el Diseñador de

Conceptos Mecatrónicos se pudo establecer que de los dos prototipos finales el que

cumple con las especificaciones de diseño y actividades estipuladas fue el gripper 1,

de esta manera se procedió a generar los planos y la ficha técnica de este prototipo

seleccionado.

83

7.2 Planos

En este proceso se documenta formalmente el diseño de los grippers, teniendo en

cuenta sus dimensiones de cada pieza de los grippers.

En las figuras 48, 49 y 50 encontramos los planos con las dimensiones generales del

gripper 1º gripper definitivo en donde se muestra a detalle los brazos del gripper, y la

base o carcaza del mismo (El Anexo 3 incluye los planos generales en PDF).

GRIPPER 1

Brazo derecho e izquierdo del gripper 1 figura 48, encargados de la manipulación de

los contenedores de la FMS HAS 200, van incorporados directamente en la carcasa.

84

Figura 48. Brazo derecho e izquierdo del gripper 1 (mm)

Fuente: elaboración propia. Para mejor detalle observar el Anexo 1.

Carcasa: es base en la que van ligados y unidos los brazos del gripper, parte que va

ensamblada al Mitsubishi MR-V1las dimensiones se pueden observar en la figura 49.

FIGURA 49. Dimensiones generales de la carcasa o base del gripper 1.

85

Fuente: elaboración propia. Para mejor detalle observar Anexo 1.

Brazo centro: va unido a la carcasa y se encarga del destape del tarro, las

dimensiones se pueden evidenciar en la figura 50.

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FIGURA 50. Dimensiones del brazo centro (mm).

Fuente: elaboración propia. Para mejor detalle observar Anexo 1.

Forma de ensamble e instalación.

Teniendo en cuenta cada parte del gripper anteriormente señalado procedemos a

explicar la forma de ensamble:

Los brazos van sujetos a la carcasa en unas ranuras establecidas para que actúen por

medio de una junta de deslizamiento lineal, dicho mecanismo de deslizamiento será

activado con sensores que serán activados por la fuente de alimentación es decir por

el motor eléctrico anteriormente especificado en el numeral 6.1, además la carcasa va

sujeta al brazo Mitsubishi por medio de un acople circular el cual será ajustado con

tornillos a la base del cabezal del manipulador Mitsubishi RV-1.

7.3 Proceso de fabricación

En caso de ser fabricado es recomendable usar el proceso de fabricación por medio

de impresión 3D que puede definirse como un proceso de fabricación aditivo, el crea

un objeto físico desde un diseño digital, es decir al tener listo el diseño funcional en

87

la plataforma digital se programará el dispositivo que se encargara de darle cuerpo y

volumen al gripper siguiendo el modelo previamente definido.

La impresora 3D es, justamente, un dispositivo que va a depositar secuencialmente

material en una plataforma con cabezales de inyección de un determinado material,

apropiado para cada pieza del gripper que se va a fabricar.

7.4 Ficha técnica.

En la ficha técnica u hoja de datos de los grippers se muestran las características

dimensionales y el funcionamiento de cada uno de ellos como lo son el tipo de

máquina al que corresponde que en este caso vendría siendo un efector final, además

del material, y características de dimensiones generales como peso, altura, ancho y

largo para el gripper 1 y peso, diámetros y largo para el gripper 2.

En cuanto al funcionamiento se especifica en la ficha técnica la función que cumple

cada uno de los gripper que es la manipulación de recipientes de la FMS HAS 200,

también se puede evidenciar las características técnicas de cada uno de ellos en los

que se tienen en cuentan factores como carga máxima, alimentación fuerza de agarre,

apertura de las pinzas.

Por otro lado, en la hoja de datos del gripper seleccionado se pueden evidenciar

precauciones básicas a tener en cuenta. A continuación, se muestra la ficha técnicas

del prototipo gripper 1 que cumplió con los requerimientos y parámetros establecidos.

88

89

8 INFORME PRESUPUESTAL.

Al momento de plantear el proyecto según lo estimado y sustentado en la presentación

previa al desarrollo, se había presupuestado un valor total en gastos para el desarrollo

del proyecto. Los valores reales utilizados al finalizar el presente trabajo se muestran

en la tabla 4.

Los costos presentados se encuentran en función de:

Costos información

Adquisición de materiales

Tiempos de diseño en horas de modelado y simulación

Insumos para el desarrollo

Tabla 4 informe presupuestal.

Recursos Tipo Consumo mensual Consumo a 10 meses Precio medio Precio total

Desarrollador 1 Personal 48 horas 480 horas 6000$/h 2880000

Desarrollador 2 Personal 48 horas 480 horas 6000$/h 2880000

Tutor del proyecto Personal 5 horas 50 horas 60000$/h 3000000

Depreciación del uso del computador D1 Hardware 48 horas 480 horas 1500$/h 72000$

Depreciación del uso del computador D2 Hardware 48 horas 480 horas 1500$/h 72000$

Plataforma de diseño D1 Software 24 horas 240 horas 7500$/h 1800000$

Plataforma de diseño D2 Software 24 horas 240 horas 7500$/h 1800000$

PRESUPUESTO

Costo esperado del proyecto: 7`648,000

sobre costo del proyecto: 4`856,000

TOTAL =12`504,000

Fuente: Elaboración propia, tabla valores presupuestales en función del tiempo de realización del

proyecto.

90

9 CONCLUSIONES

Al investigar los conceptos y variables necesarios para la construcción de un

gripper se encontró que para desarrollarlo se deben considerar tres puntos

principales, que son: i) los de adquirir todo el conocimiento necesario a cerca

del producto a diseñar, es decir, la aplicación que va a realizar, fuerzas y

dimensionamiento; ii) también el definir el material de fabricación para tener

en cuenta en las pruebas de diseño y limitaciones del mismo y iii) finalmente

la elaboración del modelo de simulación con el fin de dar la evaluación al

diseño (CAD).

Entre los tipos grippers existentes, los flexibles y de sujeción se ajustan más a

las especificaciones requeridas, por ello fueron los grippers diseñados,

modelados y estudiados; los resultados obtenidos fueron logrados gracias a que

se tuvo en cuenta el tipo de movimiento, los grados de libertad, las juntas y

accionamientos para realizar el modelado posterior en la plataforma NX de

Siemens®, además de un estudio a la robótica industrial y la cinemática de los

grippers, logrando con ello definir las trayectorias correctas de movimiento al

ensamble variables arrojadas tras el estudio y análisis de información

recopilada.

El modelado y ensamble de cada uno de los grippers se logró gracias al análisis

de resultados producto del proceso de diseño y de los parámetros

dimensionales del contenedor y del brazo Mitsubishi, variables requeridas para

darle las dimensiones correctas a cada prototipo de gripper.

Se realizaron dos simulaciones: i) una primera simulación para el estudio de

las fuerzas y cargas las cuales ambos grippers cumplieron y se ajustaron a los

parámetros y ii) una segunda simulación con ayuda de Concept Designer o

Diseñador de Conceptos Mecatrónicos, en donde los modelos funcionales

cumplieron con las variables necesarias exigidas por el programa, además de

que los modelos funcionales proporcionaron la estructura básica para los

91

conceptos de diseño y brindaron la capacidad de realizar las evaluaciones de

cada diseño.

Las simulaciones fueron de gran importancia puesto que brindaron un método

mediante el cual se pudieron probar que los grippers cumplieran con la función

propuesta, logrando descartar un prototipo que tenía inestabilidad y no cumplía

a cabalidad con todas las actividades requeridas, seleccionando el prototipo de

gripper que cumplió con todos los requerimientos.

El desarrollo de este proyecto permitió avanzar en metodologías no exploradas

en la plataforma NX de Siemens® con fines de programación avanzada en

entornos virtuales de funcionamiento de maquinaria y equipos, puesto que no

se encontraba ningún tipo de información de la parte de simulación por medio

de Diseñador de Conceptos mecatrónicos lo que genero dificultades y un

proceso más lento de avance en el desarrollo del proyecto.

La ficha técnica y los planos se presentan para tener la información más

detallada del prototipo de gripper 1, seleccionado por el cumplimiento total de

las actividades y parámetros que se estipularon el inicio del proyecto.

92

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