para robot industrial Kuka KR16-KR15, del laboratoriode automatización y mecatrónica de la Escuela

ING. FERNANDO OLMEDO, ING. HERNÁN LARA, Sebastián Ordóñez

RESUMEN: La idea fue desarrollar un prototipo de Soldadora de punto paraadaptarse a un brazo robótico kuka Kr16, se considero parámetros como la corriente,presión en las placas y tiempo de aplicación de los dos factores ya mencionados.

Mediante la utilización de un sistema electrónico comandado por un microcontrolador,se permitió al usuario definir el tiempo que un un autotransformador va a entregarcorriente eléctrica al sistema de soldadura. Un sistema neumático gestiona la presióna las placas a ser soldadas, controlado por un modulo WAGO, que al recibir un ordendel KCP (Kuka Control Panel) del robot manda una señal para que el mecanismoportaelectrodos-electrodos se active o desactive.

Se programo una trayectoria para el brazo robótico y finalmente se acoplo el prototipoal brazo robótico. Los resultados fueron un éxito siendo el primer paso hacia eldesarrollo de herramientas para robots en la Escuela Politécnica del Ejército.

Palabras clave: Soldadora, Kuka, microcontrolador, portaelectrodos, electrodos,robot.

ABSTRACT: The idea was to develop a Spot welding machine to be placed in a Kr16kuka robotic arm, was necessary to consider parameters such as the current to bedelivered to the metal plates to be welded, the pressure on its surface, and the timethat the plates would be subject to the above two factors.

Using an electronic system controlled by a microcontroller, allowed the user to set thetime that an autotransformer will deliver power to the weld system. A pneumatic systemcontrols the pressure on the plates to be welded, controlled by a WAGO module, thatupon receiving an order from the KCP (KUKA Control Panel) robot sends a signal tothe electrode holder mechanism to activate or deactivate.

Was scheduled a path of points in the space for the robot arm and finally coupling theprototype to the robotic arm. The results were a success, it was the first step towardsthe development of tools for robots in the Army Polytechnic School.

Keywords: Welder, Kuka, microcontroller, electrode holders, electrodes, robot.

Palabras clave:

- KUKA KR16- AUTOTRANSFORMADOR- MICROCONTROLADOR- SISTEMA NEUMATICO- MODULO WAGO.

INTRODUCCIÓN:

La Escuela Politécnica del Ejercito, enla laboratorio de automatización ymecatrónica, cuenta con tres robotsindustriales de la marca alemanaKUKA, los modelos son un KR5, KR15y KR16, en los últimos años estosequipos han estado destinadossolamente para impartir una catedra enla carrera de Mecatrónica. Esrazonable pensar que los equipos hansido subutilizados. Por esta razón setomo la iniciativa de empezar con unpequeño prototipo para iniciar una seriade proyectos que involucren a brazosindustriales ya sea en celdas demanufactura o efectores finales comoherramientas del robot.

En el mundo existe una gran cantidadde industrias que utilizan brazos robotspara diversas tareas, pero el asuntoradica en que el robot por si mismo noes útil, necesita una herramienta queen conjunto (robot-efector) realicen unatarea específica. Por ejemplo los robosque están actualmente en la industriaalimenticia, recolectando pizzas, latas,etc. Tienen una pinza construido conmateriales que no permiten ominimizan el crecimiento de bacteriasen su superficie, los robots que hanincursionado en la medicina de lamisma forma tiene bisturíes oaditamentos que solamente funcionanen operaciones o en actividadesmedicas. Los robots más utilizados oque han tenido mayor difusión son losque tienen soldadoras colocadas en supunta para soldar chasisesautomotrices, en fin lo que no se debeperder de vista es que sin el efectorfinal, el brazo robótico sea de la marcaque sea no es más que un juguete muycostoso.

Se considero como proyecto unamaquina soldadora de punto para ser

acoplada al brazo robótico. Unasoldadora de este tipo tiene 3 factoresprimordiales ha ser considerados, lacorriente o amperaje necesaria paraque placas metálicas de variosespesores se suelden entre si, lapresión ejercida sobre las mismas, y eltiempo que estos dos factoresinteractúan con las placas metálicas encuestión. También debía tomar encuanta que, como se planeaba colocarel prototipo en el brazo robótico, eranecesario programar la trayectoria porla que el robot se desplazaría.

Una vez conocidos los factoresprincipales, se dividió el proyecto enetapas:

- AUTOTRANSFORMADOR- ETAPA DE CONTROL- SISTEMA NEUMÁTICO- CONSTRUCCIÓN PROTOTIPO- PROGRAMACIÓN

DESPLAZAMIENTO DELROBOT

- PRUEBAS Y ACOPLE FINAL

AUTOTRANSFORMADOR

Es ampliamente conocido el principiode funcionamiento de untransformador, para una soldadora depunto se usa un autotransformador deun solo núcleo o de devanado sobrepuesto. Esto quiere decir que en lugarde tener los devanados separadosfísicamente por un espacio, seencuentran situados uno sobre el otroaislados entre si por algún material noconductor.

V

A

V

A

Se dimensiono el transformador paraque alimentándolo con 220V, seobtenga el máximo potencial delmismo.

FUENTE:http://tecnoblogsanmartin.wordpress.com

Los diferentes devanados proveen unagama de amperajes que permiten alusuario proveer a los electrodos desoldadura diferentes valores decorriente para soldar varios espesoresde placas metálicas. Una ventaja deeste tipo de transformador es queahorra material y espacio, pero secalienta rápidamente, por lo queadicionalmente es aconsejable lacolocación de un ventilador para disiparel aumento de temperatura y prevenirque las espiras o el aislamiento sufrandaños.

Una vez seleccionado el amperajesegún el espesor de las placas, doscables de batería 00, transmiten lacorriente hacia los electrodos desoldadura. El transformador estaráactivo hasta que se corte la señal decontrol, es de suma importancia definirel tiempo de trabajo del equipo segúnel espesor a soldar y nunca excedersepor que el amperaje empieza a crecerexponencialmente causando que seactiven los Brakers de protección.

ETAPA DE CONTROL

Como se menciono antes, es necesariocontrolar el tiempo que eltransformador estará entregando supotencial eléctrico, para este fin, seutilizo un sistema electrónicocomandado por un microcontroladorPIC16F877A, el cual ayudado por unsistema de pulsadores provee alusuario la opción de visualizarinformación acerca del proyecto de

tesis y también definir el tiempo detrabajo del transformador.

El circuito del transformador enoperación, cuando esta desactivado otermino su ciclo de trabajo, deberáabrirse y cuando el sistema planteadoentra en acción, el circuito luce así.

En pantalla se visualizan dosmensajes, si uno presiona P1, se tieneun mensaje en el cual se recibeinformación de los sistemas, limites deoperación etc. La segunda nos da laopci;pn de definir el tiempo de trabajo,no es recomendable exceder los 20segundos de trabajo del transformadorya que podría dañarse.

Se utilizaron elementos electrónicosmuy comunes como resistencias,condensadores, pulsadores, etc. Apartese programo el PIC utilizando ellenguaje BASIC, con el programamicrocodestudio.

CONSTRUCCIÓN PROTOTIPO

El bastidor es la pieza que sostiene losdemás elementos del prototipo, por loque fue importante diseñarlo para quesoporte el peso de los elementos, lascargas a las que sería sometido, y queno exceda los 16 Kg que es el limite decarga que el robot en sus indicacionesrecomienda para no dañar losservomotores del brazo robot. Paraesto se utilizo el programa SolidWorkspara su diseño y análisis y también elKuka Load, para verificar quedinámicamente no se excedan loslímites de operación.

Los porta-electrodos tienen la misiónde formar una cámara que proveaenfriamiento a los electrodos desoldadura y sostener los electrodos

para el proceso de soldadura. Se utilizoel programa SolidWorks para estepropósito.

Para los electrodos de soldadura seutilizo cobre electrolítico de altaresistencia, por que este materialresiste muy bien el impacto mecánico,es un gran conductor térmico, eléctricoy disipa naturalmente la temperatura.

Para su construcción se utilizaronmuchas operaciones metalmecánicas,como el desbaste manual, torneado,fresado, soldadura, roscado, etc.

SISTEMA NEUMÁTICO

El sistema neumático lo compone unmicrocilindro que activara elmecanismo que comanda elportaelectrodo móvil para que al entraren contacto con las placas, loselectrodos transmitan tanto presióncomo amperaje. Una electroválvula 5/2con retorno a resorte permite el pasodel aire hacia el actuador, el aire loprovee un compresor de taller industrialoperando a máximo 7 bares.

La señal de activación de laelectroválvula lo controla el moduloWAGO, que se encuentra en el armariode control del robot kuka, el moduloenvía 24 Vdc cuando la programacióndel Kuka Control panel lo dictamine. Sibien es cierto los 24 Vdc puedenactivar directamente la electroválvulapara cualquier proyecto que involucrefísicamente elementos o componentesde un robot industrial, es altamenterecomendable utilizar una fuente decorriente continua externa y un reléindustrial para tener tierrasindependientes, de esta forma seprecautela la integridad del robot y susmódulos.

PROGRAMACIÓNDESPLAZAMIENTO DEL ROBOT

La programación del brazo robótico fuedesarrollada para trabajar directamentecon un efector final, todos susmovimientos están mentalizados paraque en un punto definido de latrayectoria, la herramienta cumpla sufunción, se desplace y cumpla sufunción, así hasta acabar la secuenciade instrucciones y regresar a suHOME.

Lo primero a realizarse es la definiciónde la herramienta. El robot paradesplazarse toma como referenciapuntos en el espacio referenciados acierta parte de su propio cuerpo o delentorno. Para definir la herramientadebemos darle al robot la idea de queel punto de referencia para cualquiermovimiento es la punta activa de unaherramienta.

Una vez definida la herramienta ycerciorados que no se exceda loslimites de carga, se programa unasecuencia de puntos, el panel decontrol del robot permite realizarlo demanera sencilla solo siguiendo los submenús de desplazamiento, también sepuede definir puntos dedesplazamiento mediante el uso delCAD, generando puntos en planos 3D,luego compilándolos con el softwaredel robot, pero se lo recomienda en elcase de procesos o necesidades muyespecíficas, de lo contrario, puntos dedesplazamiento y puntos de transiciónentre puntos deberían ser la alternativamas eficiente a ser utilizados.

Es en este punto que mediante flancosde activación se programa el accionardel modulo WAGO, si se visualiza OUT= True significa que en un lapso unasalida específica del modulo esta activopor un tiempo hasta que la salidareciba un OUT = False desactivándose.

RESULTADOS

En cuanto al movimiento del robot yactivación de las salidas digitales paraactivar el efector final los resultadosfueron satisfactorios al comprobar queel robot y el efector trabajan ensincronía como se lo planifico.

El transformador logró soldar laminasde 2 mm de espesor registrando unamperaje de 742 A, considerando lasperdidas por ser un transformador deorigen artesanal el resultado es buenoy prometedor.

Se determino que gracias a que eltiempo de aplicación de corriente espequeño y el material del electrodo esun gran disipador de calor que larefrigeración por agua sería suficientepara llevarse el calor excesivo productode la soldadura. Para determinar latemperatura se utilizo un termómetro

laser el cual registro la temperatura a lolargo del electrodo.

En cuanto al mecanismo utilizado elanálisis de ventaja mecánica determinoque se cumple con la entrega deenergía, pero que se podría optimizaral aumentar segmentos para completarun mecanismo de 4 barras lo quemultiplicaría la fuerza de salidaaprovechando aun más el conjunto.

DISCUSIÓN

El transformador utilizado considerandosu naturaleza artesanal, cumplió conlas expectativas ya que sufuncionamiento esta asociado a unprototipo que esta orientado a ladocencia, en caso de querer que seaoperativo, se debería considerarmejores materiales y métodos deaislamiento para su construcción paraque el amperaje de salida sea máspróximo hacia el valor calculado.

El sistema electrónico que controla altransformador fue todo un éxito ya queevita que se tenga que utilizar lassalidas del modulo WAGO del robotpara dar al transformador señales deactivación, precautelando la seguridadde la KUKA, además permite al usuariodefinir el tiempo sin tener la necesidadde tener que programar un tiempodesde el panel de control del robot.

El mecanismo de funcionamiento delporta-electrodo móvil, podría seroptimizado al adicionar barras queaprovechen de mejor manera laenergía física entregada por elactuador neumático.

CONCLUSIONES

- Se diseño y construyo unprototipo soldadora de puntapara el laboratorio deautomatización y mecatrónicade la Escuela Politécnica delEjército.

- Se construyo unautotransformador comandadopor un control electrónico

- Se acoplo el sistema neumáticoal robot KUKA KR16 y seconfirmo el desempeño delefector final.

- Se confirmo que lasinstalaciones de la Universidadcuentan con los equiposadecuados y el personalcapacitado para realizarcualquier tipo de proyecto quese presente.

- Se determino que el proyecto esrentable para la institución yaque de optimizarse el prototipocon una pequeña inversión sepueden generar una pequeñaindustria dedicada al desarrollode herramientas para robotinexistente en el mercadonacional.

RECOMENDACIONES

- Es recomendable re enfocar elperfil de los nuevos ingenierosmecánicos para poderdesenvolverse en sectoresindustriales antes dominadospor otras ramas de la ingenieríacomo la electrónica o lossistemas, la diversificación deconocimientos enriquece laperspectiva del ingenieroreflejando en su trabajo unamayor creatividad y solucionesmás eficientes.

- Se recomienda la adquisiciónde intercambiadores rápidos deherramientas para brazosrobóticos, lo que en el caso dedesarrollarse nuevas tesis deefectores finales, puedanformarse celdas de manufacturainteligentes con cambios deherramientas automatizados.

- Se pone a consideración a lasautoridades del DECEM, lainstalación de líneas de airecomprimido junto con uncompresor central para eldesarrollo de herramientas quetrabajen en conjunto con lasKUKA.

BIBLIOGRAFÍA

- Fuente propia ------------------------------

Ing. Fernando Olmedo

El sistema electrónico que controla altransformador fue todo un éxito ya queevita que se tenga que utilizar lassalidas del modulo WAGO del robotpara dar al transformador señales deactivación, precautelando la seguridadde la KUKA, además permite al usuariodefinir el tiempo sin tener la necesidadde tener que programar un tiempodesde el panel de control del robot.

El mecanismo de funcionamiento delporta-electrodo móvil, podría seroptimizado al adicionar barras queaprovechen de mejor manera laenergía física entregada por elactuador neumático.

CONCLUSIONES

- Se diseño y construyo unprototipo soldadora de puntapara el laboratorio deautomatización y mecatrónicade la Escuela Politécnica delEjército.

- Se construyo unautotransformador comandadopor un control electrónico

- Se acoplo el sistema neumáticoal robot KUKA KR16 y seconfirmo el desempeño delefector final.

- Se confirmo que lasinstalaciones de la Universidadcuentan con los equiposadecuados y el personalcapacitado para realizarcualquier tipo de proyecto quese presente.

- Se determino que el proyecto esrentable para la institución yaque de optimizarse el prototipocon una pequeña inversión sepueden generar una pequeñaindustria dedicada al desarrollode herramientas para robotinexistente en el mercadonacional.

RECOMENDACIONES

- Es recomendable re enfocar elperfil de los nuevos ingenierosmecánicos para poderdesenvolverse en sectoresindustriales antes dominadospor otras ramas de la ingenieríacomo la electrónica o lossistemas, la diversificación deconocimientos enriquece laperspectiva del ingenieroreflejando en su trabajo unamayor creatividad y solucionesmás eficientes.

- Se recomienda la adquisiciónde intercambiadores rápidos deherramientas para brazosrobóticos, lo que en el caso dedesarrollarse nuevas tesis deefectores finales, puedanformarse celdas de manufacturainteligentes con cambios deherramientas automatizados.

- Se pone a consideración a lasautoridades del DECEM, lainstalación de líneas de airecomprimido junto con uncompresor central para eldesarrollo de herramientas quetrabajen en conjunto con lasKUKAS.

BIBLIOGRAFÍA

- Fuente propia -----------------------------

ING. Hernán Lara