INGENIERÍA DE INGENIERÍA DE MANUFACTURAMANUFACTURA

Ing. Ricardo Jiménez

Robótica Integrada a la Manufactura

ContenidoContenido

PARTE I• Concepto• Antecedentes• Clasificación• Aplicaciones• Actuador final• Limitaciones• Desventajas• Justificación

PARTE II• Marco de referencia• Controlador• Lenguajes de programación• Simulación

PARTE III• Caso “Robot soldador”

Robot Institute of America

Un manipulador multifuncional reprogramable diseñado para mover

material, partes o dispositivos especiales a través de movimientos programados

variables para la ejecución de una variedad de tareas. (Shlussel, 1985)

Concepto de RobotConcepto de Robot

Concepto de RobotConcepto de Robot

Un robot es una máquina que puede ser programada para efectuar un número de tareas, de la misma manera que una computadora es un circuito electrónico que se puede programar para hacer una variedad de tareas. (Mckerrow, 1986)

RobóticaEs una conexión inteligente de

percepción a acción. (Brady, 1985)

Concepto de RobotConcepto de Robot

¿Qué es un robot?¿Qué es un robot?Subsistema mecánicoBrazos, manos, muñeca, vehículo, actuadores, engranes, tendones, frenos.

Subsistema procesoEntorno, gente, fábrica, tarea, otros robots.

Subsistema eléctricoMotores, computadoras, interfases, ligas de comunicación, sensores, fuentes de poder.

Subsistema sensoresInternos Externos

Posición Visión

Velocidad Tacto

Fuerza Químico

Subsistema controlModelos de mecánica, modelos de procesos, transformaciones geom, lazos de control.

Subsistema planeaciónPercepción, fisura de dos imágenes, modelado del entorno, planeación de trayectorias.

• A mediados del siglo XX entra la computadora que permite un control de lazo cerrado de actuadores, transmisiones a través de engranes, tecnología de sensores.Esto despertó un número de aplicaciones.– Automatización flexible.– Teleoperación.

¿Qué es un robot?¿Qué es un robot?

TendenciasTendencias

1400 1700 2000 2500 3100 39004900

6800 960013400

18800

26400

83200

59900

43600

32200

24300

18900

1510012100

9700780063005000

1981 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92

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se (1

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ts)

Installedbase

Sales

Distribución de Aplicaciones de RobotsDistribución de Aplicaciones de Robots

TAREA 1984 1990(%) (% aprox.)

Manejo material, carga/descarga 30-35 20-30Operaciones de proceso

Soldadura de punto 32-40 5-10Soldadura de arco 5-8 15-20Recubrimiento por espreado 8-124-8Otras operaciones de proceso 5 3-7

Ensamble e inspección 7-1025-35

Otras operaciones de manufactura ------- 2-8Fuera del área de manufactura 1-2

2-6

ClasificaciónClasificación

• Grados de libertad y envolvente

• Fuentes de energía• Generaciones• Nivel de inteligencia• Nivel de control

Clasificación por Grados de LibertadClasificación por Grados de Libertad

Clasificación por Fuentes de EnergíaClasificación por Fuentes de Energía

• Neumático• Hidráulico• Eléctrico• Motor de

combustión

Clasificación por Nivel de InteligenciaClasificación por Nivel de Inteligencia

• Dispositivos de manejo manual controlados por una persona.

• Robots de secuencia fija.• Robots de secuencia variable, donde el operador modifica

la secuencia con anterioridad.• Robots de repetición.• Robots controlados numéricamente, en donde el operador

le proporciona un programa de movimientos.• Robots inteligentes, los cuales pueden entender e

interactuar con cambios en el medio ambiente.

Clasificación por Nivel de ControlClasificación por Nivel de Control

Nivel de inteligencia artificialEl programa acepta una orden como “levanta un engrane” y la

desglosa en una secuencia de ordenes de bajo nivel basadas en un modelo estratégico de una tarea.

Nivel de modo de controlLos movimientos del sistema son modelados, incluyendo las

interacciones dinámicas entre los diferentes mecanismos, trayectorias planeadas y puntos seleccionados.

Nivel de servo controlLos actuadores controlan los parámetros del mecanismo

usando retroalimentación de sensores internos.

AplicacionesAplicaciones

• Soldadura.• Pintura.• Ensamble.• Manejo de materiales.

• Transportación.• Excavación de minas.• Educación.• Ensamble.

ActuadorActuador FinalFinal

Actuadores NeumáticosVentajas

Alta velocidadFuente de energía común en la industriaNo se utilizan fluidos

Desventajas

La compresibilidad del aire limita aspectos de control y precisiónRuido en los escapesSecado y filtrado del aire necesario

ActuadorActuador FinalFinal

ActuadorActuador FinalFinal

Actuadores HidráulicosVentajas

– Alta razón de potencia a peso

– Muy buen servo control puede ser alcanzado.

– Velocidades moderadas, respuesta rápida

DesventajasLos sistemas hidráulicos son carosProblemas de mantenimiento con sellado puede causar pérdidasNecesitan una fuente remota de energía la cual ocupa espacio de piso

ActuadorActuador FinalFinal

Actuadores EléctricosVentajas

– Son rápidos y precisos– Es posible aplicar

sofisticadas técnicas de control al movimiento

– Precios relativamente bajos

DesventajasProblemas con el sobrecalentamientoSon necesarios frenos para fijarlo en una posiciónLa energía eléctrica puede ser considerada como flamable

LimitacionesLimitaciones

• Un robot es ciego

• Un robot ciego es sensible a variación en el producto, el proceso y las tolerancias del producto.

Desventajas del Trabajo RobotizadoDesventajas del Trabajo Robotizado

El costo de un robot permanece constante con baja reducción

Requieren gran capital al instalarse que se deprecia con los años vs el recurso humano que cuesta el tiempo trabajando

Un robot se debe justificar económicamente

El recurso humano puede sentirse amenazado por el desempleo

Desuso del equipo al terminar el proyecto.

Desventajas del Trabajo RobotizadoDesventajas del Trabajo Robotizado

AlternativasCompañerismoEntrenamientoReubicación

Trabajadores DesplazadosTrabajadores Desplazados

249600

179700

130800

96600

72900

5670045300

3630029100

2340018900

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Wor

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120

Justificación de un RobotJustificación de un Robot

• Aumentar utilidades.• Efectuar tareas imposibles para un humano.• Realizar tareas que son muy peligrosas.• Aumentar/mejorar calidad.

Los robots deben ser costeables y ahorrarle dinero a la compañía

Sugerencias e Implementación...Sugerencias e Implementación...

• Evitar complicaciones extremas e innecesarias (simplifica)

• Definir las operaciones tal que sean ordenadas y sistemáticas.

• La rapidez de un robot es aproximadamente igual a la de un humano.

• Para carreras muy cortas usa gente, para carreras muy largas usa automatización fija.

Sugerencias en ImplementaciónSugerencias en Implementación

• Si no produce utilidades no tiene sentido

• Un robot no es necesariamente mejor que ninguno

• Si la gente no lo quiere, va a fallar

Recuperación de la InversiónRecuperación de la Inversión• Normalmente debe ser menor a 2.5 años (depende de la

empresa)

P= CW + I + D - (M + S)

donde:P= # de años para recuperar la inversión.C= Costo total del sistemaW= Sueldo anual de trabajadores reemplazadosI= Ahorro en productividadD= Depreciación permitidaM=Costo de mantenimientoS= Costo del personal de apoyo

Ejemplo 1Ejemplo 1

P= 125,00024,000 + 10,000 + 25,000 - ( 5,000 + 24, 000)

P= 4.166 años

Considerar:Costo del sistema = $125,000Salario y prestaciones (12 hrs. y 250 días al año) = $24,000Ahorro por uso del robot = $10,000Depreciación (20%) = $25,000Costo de mantenimiento = $5,000Costo de personal de soporte = $24,000

Ejemplo 2Ejemplo 2

P= 125,00048,000 + 20,000 + 25,000 - ( 6,000 + 48, 000)

P= 3.205 años

Considerar:El robot trabaja 2 turnos --> aumentar el costo por mantenimiento $1,000 pero aumenta el ahorro por salario.Tomar en cuenta los datos del problema anterior

Retorno Anual en la InversiónRetorno Anual en la Inversión

ROI = W + I + D - [( C / N ) + M + S]

Donde:ROI = Porciento anual de utilidad en inversiónC = Costo total del sistemaW = Sueldo anual de trabajadores reemplazadosI = Ahorro en productividadD = Depreciación permitidaM = Costo de mantenimientoS = Costo del personal de apoyo

X 100C

Marcos de referenciaMarcos de referencia

ControladorControlador

• Topes mecánicos

• Lógica de Control

Programable

• Teach pendant

• Lenguaje de programación

Lógica de Control ProgramableLógica de Control Programable

IN001

IN002

IN003

IN004

OUT0101

OUT0102

OUT0103

OUT0104

Input Outputdevice

Raise

Rotate Left

Extend

Grip

Teach PendantTeach Pendant

Lenguajes de ProgramaciónLenguajes de Programación

• Compiladores:C, Lisp, Pascal, Fortran

• Wavw• AL- Standford University Robotics Research

Center• AL- IBM RS/1 Robot• RAIL• RPL - SRI• VAL

Lenguaje de Programación VALLenguaje de Programación VAL

• Opera en tiempo real• Puede manejar diferentes sistemas de

coordenadas• Incluye rutinas de diagnostico del robot• La programación es interactiva, se pueden

realizar cambios mientras el robot esta en movimiento

Manejo de MaterialesManejo de MaterialesIndustria AutomotrizIndustria Automotriz