Sistemas modulares de manipulación

7,5 mm

327,5 mm

120 mm

42 mm

▼

Pneumatics

Pneumatics Electronics Mechanics Sensorics Software 88,5 mm

47,3 mm

Handling

Handling Machining Assembly Organisation

▼

160 mm

Spanish

Chinese English French German Russian Spanish

Blue Digest

195 mm

Blue Digest on Automation 053 754

225 mm

▼

158,5 mm

Hesse Sistemas modulares de manipulación



Handling Pneumatics

Stefan Hesse

Sistemas modulares de manipulación

Blue Digest on Automation

Blue Digest on Automation © 2000 by Festo AG & Co. Ruiter Straße 82 D-73734 Esslingen Tel. (0711) 347-0 Fax (0711) 347-2155 Todos los textos, gráficos, imágenes y dibujos contenidos en esta publicación son propiedad de Festo AG & Co. y, en consecuencia, están sujetos a derechos de autor. Queda prohibida su reproducción, tratamiento, traducción, microfilmación, memorización y procesamiento mediante sistemas electrónicos sin previa autorización explícita de Festo AG & Co.

Prólogo

El concepto de “técnica de manipulación” incluye etimológicamente la palabra “mano”, de la que sabemos que puede ser extraordinariamente versátil. Si intentamos sustituirla por sistemas técnicos en los procesos de fabricación industrial, esperamos que dichos sistemas funcionen con rapidez, precisión y fiabilidad. Sin embargo, la versatilidad no es un criterio determinante en todos los casos. Por ejemplo, no es necesaria para cerrar botellas o para el montaje de bolígrafos. Para efectuar estas operaciones suele recurrirse a sistemas de “tomar y colocar”, denominados generalmente con la expresión Inglesa: “pick & place”. Estos sistemas se encargan principalmente de manipular piezas durante los procesos de fabricación o de montaje de máquinas o aparatos de diversa índole. En consecuencia, no suelen utilizarse para la manipulación de herramientas en los procesos industriales. Aunque es usual utilizar robots en las fábricas y a pesar de que su cantidad aumenta constantemente, siguen instalándose más equipos de pick & place que robots. Esto es así simplemente porque hay y seguirán habiendo muchas operaciones de tomar y colocar para las que el uso de un sistema de manipulación libremente programable sería demasiado costoso. Sin embargo, sobre la tecnología pick & place apenas se han publicado textos especializados. Esta circunstancia justifica la aparición del presente libro. Su finalidad consiste en mostrar cuáles son las posibilidades y los medios disponibles actualmente para resolver operaciones de manipulación sencillas. En este contexto es especialmente importante referirnos a los sistemas que tienen una disposición constructiva por módulos y, también, a los actuadores neumáticos, porque la sustitución de la mano por la máquina tiene que ser tanto funcional como económica. En este sentido, este libro está dirigido a los técnicos relacionados con la práctica, que buscan ideas y soluciones concretas con el fin de elevar el nivel de eficiencia de los procesos industriales. Stefan Hesse

5

Prólogo Índice 1 La manipulación de piezas como proceso auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1 Tareas de la técnica de la manipulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2 El principio del funcionamiento de los equipos de pick & place . . . . . . 11 1.3 Aplicaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2 Estructura por módulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1 Componentes neumáticos para la automatización . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2 Sistemas de pick & place de funcionamiento cíclico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.3 Ventajas de un diseno moderno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4 Estructura de las unidades básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.1 Funcionamiento de una unidad lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.2 Funcionamiento de una unidad giratoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.4.3 Estructuras para el montaje de los módulos . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.4.4 Funcionalidad, funcionalidad superflua y sincronización . . . . . . . 41 2.5 Modelos de movimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 2.6 Amortiguación en las posiciones finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3 La técnica del posicionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.1 La libre programación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2 Ejes servoneumáticos de posicionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.3 Ejes de posicionamiento electromecánicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.4 Evaluación y selección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4 El uso de los sistemas de pick & place . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1 Equipos modulares de manipulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.1 Utilización de unidades giratorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.1.2 Sistema de un eje y sistemas de varios ejes . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 4.2 Sistemas de pick & place para operaciones de montaje . . . . . . . . . . . . 67 4.2.1 ¿Hombre o máquina? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.2.2 Operaciones de montaje con neumática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 4.2.3 Medios auxiliares periféricos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.3 Alimentación de piezas a una máquina, procedentes de un cargador . . 74 4.3.1 Equipos de alimentación que emulan la mano . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.3.2 Accediendo a la máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5 La técnica de sujeción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.1 La pinza y la pieza sujetada forman una unidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.2 Pinzas de precisión y pinzas especiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.3 Pinzas miniaturizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.4 Pinzas magnéticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 6 Criterios, índices de referencia y componentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.1 Combinar sin fantasear . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 6.2 Evaluación y selección . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 6.3 Guías y suavidad del movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 6.4 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

7

Referencias bibliográficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Índice de términos técnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Anexo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Sistemas de pick & place típicos, construidos con el sistema de componentes modulares de Festo

8

1 La manipulación de piezas como proceso auxiliar

Cada generación forja su propio futuro y está orgullosa de sus progresos tecnológicos. Sin embargo, todo lo nuevo se basa en algo anterior, por lo que el origen de una novedad suele ser más antiguo de lo que se piensa. El gran físico Heinrich Helmzoltz (1821-1894), refiriéndose al tema, dijo lo siguiente durante un discurso que pronunció en 1854: “Ahora no intentamos conseguir más máquinas capaces de hacerse cargo de los miles de trabajos que realiza una sola persona; más bien buscamos lo contrario, es decir, conseguir una máquina capaz de realizar un solo trabajo y de sustituir a miles de personas.” Sus pensamientos se anticiparon a tiempos posteriores. En cierto sentido, con sus palabras hizo una comparación entre el “robot de funciones universales” y la “máquina especializada”. Los sistemas de pick & place son, sin duda alguna, equipos especializados. Sobre ellos hablaremos en este libro. Los sistemas de pick & place y equipos similares sencillos no son robots en miniatura; más bien representan una especie propia dentro del mundo de las técnicas industriales. Al evolucionar los sistemas de fabricación, se encontraron medios para mover las piezas.

1.1 Tareas de la técnica de la manipulación

En vista de la existencia de una demanda de millones de piezas exactamente iguales, los técnicos dieron rienda suelta a su fantasía con el fin de obtener mecanismos capaces de sustituir las manos por máquinas para manipular las piezas. Así fueron surgiendo productos como las agujas, luego las bombillas y posteriormente los automóviles. En la fig. 1-1 se muestra un equipo para punzonar ojos de agujas, ideado en 1871 por un mecánico apellidado Kaiser, oriundo de Iserlohn. En su sistema, dos agujas forman pareja debidamente posicionadas para permitir la automatización del proceso. Después de la operación de estampado y punzonado, las dos aguas vuelven a separarse. Ello significa que, dada su configuración, el sistema ya entonces era automatizable. Tal como puede apreciarse en el esquema, la máquina disponía de levas. Los símbolos que explican las funciones de alimentación de piezas fueron definidos hace ya

Fig. 1-1: Técnica de alimentación del siglo XIX para estampar y punzonar agujas. Los símbolos tienen los siguientes significados: Cargar – Distribuir – Sujetar – Deformar – Entregar


9

40 años en la directiva VDI 3239, y contribuyeron a que las operaciones de manipulación de piezas adquirieran una importancia específica durante la planificación de proyectos. Bajo el término “manipulación de piezas” se entienden todos los procesos destinados al transporte de materiales y de piezas en la zona de máquinas utilizadas para la fabricación. En estos procesos, las piezas llegan en la posición correcta, en la cantidad precisa y en el momento indicado para ser debidamente sujetadas en el lugar adecuado, en el que serán sometidas a una operación de mecanización. Una vez concluida esta operación, el sistema de manipulación vuelve a soltar la pieza. Una de las primeras aplicaciones de las técnicas de alimentación de piezas fueron las prensas para acuñar monedas, los tornos automáticos simples y, también, la fabricación de balas de fusil. Pero también en la era de los robots, hay muchas aplicaciones sencillas para las que los sistemas de pick & place son más que suficientes. No debemos olvidar que esos sistemas son los más difundidos para las operaciones de alimentación de piezas, ya que los robots industriales únicamente cubren una pequeña parte de esos procesos. El uso de un robot es, en la mayoría de estos casos, innecesario y, además, los robots han sido concebidos frecuentemente para ejecutar una operación muy específica, como por ejemplo aplicar pintura a una carrocería. La evolución tecnológica y el aumento de las posibles aplicaciones han tenido como consecuencia que los sistemas de pick & place se parezcan a los sistemas libremente programables. Incluso ya existen equipos de pick & place de control numérico (NC). Su utilización depende de la ejecución de determinados movimientos específicos y de otras condiciones secundarias. En la fig. 1-2 se ofrece un esquema general al respecto. Las actividades desplegadas, en términos generales, en el ámbito de la fabricación de maquinaria y en el sector electrotécnico, se reparten de la siguiente manera: • Un tercio: mecanizado • Un tercio: montaje • Un tercio: manipulación, transporte y almacenamiento Fig. 1-2: Distribución general de los procesos técnicos industriales

Colocar una herramienta

Movimientos no guiados desde la posición inicial

Manipulación de una herramienta

Operaciones de manipulación

hasta la posición final

Colocación en paletas Retirar las paletas

10

Soldar Pegar

Movimientos guiados por su forma o elementos técnicos

Manipulación de piezas


Unir Alimentar

1.2 El principio del funcionamiento de los equipos de pick & place

En todo el mundo proliferan los términos técnicos en inglés. Concretamente, los equipos denominados de pick & place son equipos que se encargan de tomar y colocar las piezas, por lo general para alimentarlas a las máquinas. Entre los equipos más difundidos están los de dos ejes, que ejecutan determinados movimientos según secuencias fijas con el fin de manipular piezas, en general de tamaños y pesos pequeños y medianos. Los equipos de pick & place ejecutan movimientos en secuencias, recorridos y ángulos fijos, lo que significa que sus funciones cambian únicamente sustituyendo sus elementos o efectuando los ajustes correspondientes. En inglés existen muchos otros términos que, en realidad, tienen un significado parecido, tales como loader o feeder (equipos de alimentación de piezas), nonservo robot y fixed sequence robot (concepto utilizado en Japón). En lenguaje técnico estadounidense antes se utilizaba un término muy curioso, aunque acertado: “bang-bang-robot”, aludiendo a los golpes sumamente duros que se producían en los finales de carrera sin amortiguación. El concepto de pick & place, es decir, tomar y colocar, es muy acertado, ya que tanto la operación de tomar una pieza como la de colocarla se refiere a los puntos finales de una secuencia de movimientos complementarios entre sí. Para “tomar” una pieza es necesario disponer de un dispositivo para sujetar y elevar una pieza y el término “colocar” se refiere a la entrega de la pieza en un lugar determinado. En la fig. 1-3 se indica el desarrollo típico de los movimientos, también llamado ciclo de movimientos. Observamos que se ejecutan las siguientes secuencias de movimientos: • Tomar una pieza con una pinza (pick-up en inglés) • Trasladar la pieza (transfer en inglés) • Abrir la pinza para colocar la pieza (place en inglés)

Fig. 1-3: Movimientos ejecutados en una operación de pick & place 1 2 3 4

1 2

Movimiento de traslación Movimiento vertical Sujeción Soltar

4 3

2

2

Los equipos se diferencian entre sí según si son compactos o si están constituidos por módulos. Los módulos son estandarizados, pudiéndose así considerar debidamente las exigencias que plantea cada aplicación. En la fig. 1-4 se muestra un equipo compacto muy interesante, dotado de actuadores giratorios eléctricos. Los engranajes se encargan de transformar los movimientos giratorios en movimientos lineales. El actuador de la unidad central se encarga de hacer girar toda la estructura. El ejemplo no incluye un movimiento de elevación en el plano vertical, aunque sería perfectamente posible incluirlo.


11

La alimentación de la energía y la transmisión de datos hacia el actuador final es un problema que suele resolverse con alguna solución que difícilmente es ideal, utilizándose tubos flexibles, tubos en espiral o cadenas portadoras. Fig. 1-4: Equipo de alimentación compacto con brazo constituido por elementos que forman un paralelogramo (Bühler Automation)

1

a) Vista general b) Secuencia de las operaciones de manipulación

3

1 2 3 4

4

2

Brazo con paralelogramo Pinza paralela Plataforma giratoria Cuerpo del motor y unidad básica

H

H Carrera máxima

a)

b)

En la fig. 1-5 vemos una estructura típica de una unidad de manipulación compuesta de varios módulos. Se trata de un equipo que retira una a una placas que se encuentran apiladas para colocarlas sobre una cinta de transporte. En el ejemplo que aquí se muestra, el movimiento horizontal está a cargo de cilindros neumáticos sin vástago unidos entre sí por un puente. Tratándose de placas pequeñas y ligeras, podría prescindirse de uno de los dos cilindros, sustituyéndolo, por ejemplo, por una guía lineal provista de rodillos. Las ventosas son accionadas en función de un ciclo abierto rectangular (ciclo en C). Fig. 1-5: Equipo de alimentación constituido por módulos y provisto de ejes lineales neumáticos 1 2 3 4 5 6 7

1 2 3

Cilindro normalizado Puente Cilindro sin émbolo Ventosa Estructura portante Sistema de transporte Pieza

4

6 5

12


7

Un criterio para diferenciar entre los equipos de alimentación es la energía utilizada. La energía es indispensable para el funcionamiento del sistema, pero ¿qué energía utilizar? Energía eléctrica Las unidades electromecánicas ejecutan movimientos lineales o circulares mediante husillos o guías. En el caso de equipos dotados de varios ejes, las carreras de los movimientos individuales se suman para obtener el movimiento resultante. Este movimiento puede ser, por ejemplo, circular, y el elemento que define dicho movimiento puede tener una o varias curvaturas. En la fig. 1-6 puede apreciarse el principio de funcionamiento de un equipo de esta índole. El elemento curvo es, a la vez, el que define el recorrido y el que transmite la energía. Estos equipos son muy rápidos (menos de un segundo por cada ciclo de movimientos) y se utilizan únicamente para la fabricación en grandes series. Los elementos excéntricos pueden tener forma de disco, de esfera o pueden tener ranuras. En la fig. 1-7 apreciamos el ejemplo de una unidad compacta con ciclo de elevación y giro. Fig. 1-6: Esquema de un equipo eléctrico de alimentación de piezas con movimientos lineales controlados por un elemento excéntrico

y

z

El motor, que actúa sobre una excéntrica que acciona un rodillo, permite ejecutar movimientos giratorios en vaivén. El movimiento de elevación está a cargo de una excéntrica en forma de disco. La pinza funciona neumáticamente. La estructura modular permite obtener equipos debidamente adaptados a una aplicación específica, como por ejemplo dotados de dos brazos o de una columna de elevación provista de elementos de apoyo o de alimentación adicionales si así lo exige la masa de las piezas. Fig. 1-7: Alimentador elevador y giratorio (Ferguson)

1

1 Brazo giratorio 2 Pinza 3 Unidad elevadora y giratoria 4 Excéntrica 5 Motor reductor

2

5

3 4


13

Algunos consideran que los equipos controlados por una excéntrica ya no son modernos. Sin embargo, la realidad demuestra lo contrario. Estos equipos son muy silenciosos, sus movimientos son precisos y funcionan a gran velocidad. Si la curvatura es la correcta, es posible conseguir que el movimiento sea muy homogéneo y se ejecute sin tirones. No obstante, por lo general sólo es posible regular el sentido del movimiento sin modificar el recorrido definido por la curvatura del elemento. En consecuencia, la oportunidad de la aplicación de estos equipos depende de cada caso específico. Tratándose de aplicaciones especiales, la cinemática puede llegar a ser muy peculiar. En la fig. 1-8 se aprecia cómo es posible alimentar piezas mediante un movimiento circular recurriendo a un sólo actuador que ejecuta un segundo movimiento. A pesar de que el movimiento realizado para la alimentación de la pieza a la máquina es circular, el actuador ejecuta un movimiento lineal para volver a su posición inicial. La rueda de accionamiento actúa sobre una rueda dentada que, a su vez, actúa sobre la guía deslizante del brazo de manipulación. Sin embargo, este brazo no tiene un centro de giro fijo ya que está montado sobre un carro de movimiento lineal sin accionamiento propio. Esta cinemática tiene como consecuencia que el extremo del brazo ejecute el movimiento que consta en el gráfico. Fig. 1-8: Un equipo de alimentación con cinemática peculiar 1 2 3 4 5 6

Rueda dentada Brazo de manipulación Guía deslizante Rueda de accionamiento Guía lineal Trayectoria del recorrido del extremo del brazo

Z

3 2

Z 1 4

6

X 5 X

Todos los módulos lineales accionados eléctricamente tienen una estructura básica fija. Los movimientos de los carros o brazos de manipulación están a cargo de husillos, cadenas o correas dentadas. En el caso de los actuadores eléctricos directos, es posible prescindir de una unidad de tracción. Sin embargo, estos actuadores giratorios y lineales son costosos, por lo que suelen utilizarse poco. Cabe anotar, no obstante, que sus movimientos son extremadamente precisos y, además, muy rápidos. Las ejecuciones con carro pueden ser de yugo o de estructura básica. En el caso de los actuadores lineales neumáticos, estas ejecuciones se reparten por mitades. Energía neumática Las unidades lineales neumáticas corresponden a la categoría de los sistemas de accionamiento directo. Ello significa que el movimiento se realiza sin engranajes interpuestos. Lo mismo se aplica a las bombas giratorias de aletas. No obstante, muchas veces se utiliza un sistema de piñón y cremallera para transformar en movimiento giratorio el movimiento que ejecutan dos émbolos en sentidos opuestos. De esta manera se consigue anular la holgura en las posiciones finales de los actuadores giratorios. 14


En principio puede recurrirse a los siguientes componentes neumáticos para configurar sistemas de alimentación de piezas: • Cilindros neumáticos con o sin unidad de guía • Unidad lineal con cilindros paralelos • Unidades lineales sin vástago • Actuadores giratorios y basculantes • Actuadores lineales y giratorios • Pinzas mecánicas y ventosas • Motores neumáticos Un motor neumático de alta velocidad puede ser una solución muy adecuada, por ejemplo, en entornos con peligro de explosión. Estos motores son utilizados, entre otros, para manipular brazos que elevan cargas o pueden estar combinados con ruedas de fricción que se encargan del transporte de piezas planas o de placas. Los motores neumáticos pueden montarse en espacios reducidos y permiten obtener velocidades de transporte sumamente altas. Como bien se sabe, los sistemas neumáticos son rápidos. Sin embargo, los técnicos especializados en procesos industriales están más interesados en la duración de los ciclos de, por ejemplo, un equipo de alimentación de piezas. Aunque hay quienes afirmen lo contrario, los tiempos de los ciclos no albergan secreto alguno. Existen diversas variantes que explicaremos recurriendo a un ejemplo (fig. 1-9). Fig. 1-9: Alimentación de piezas a una máquina. Un ejemplo

1 z

1 2 3 4 5

Ejes de pórtico en cruz Máquina Soporte intermedio Paleta de piezas en bruto Paleta de piezas mecanizadas 6 Eje giratorio con dos pinzas

y 2

x

3 4


5 6

15

Recurramos al ejemplo de un pórtico en cruz. El sistema cuenta con dos ejes de posicionamiento que ejecutan sus movimientos en los planos X e Y. Tratándose de aplicaciones sencillas, bien pueden ser unidades lineales con posiciones intermedias determinadas por topes. A modo de variante se prevé la posibilidad de incorporar un eje elevador y giratorio provisto de dos pinzas y que ejecuta un movimiento en el plano Z. Además, el sistema permite la paletización por separado de piezas en bruto y piezas acabadas, aunque es posible prescindir de esta función. Además, debe ser posible que las piezas se encuentren temporalmente en la cercanía de la zona de las pinzas hasta que queden sujetadas por ellas. Considerando todas las variantes y posibilidades obtenemos los esquemas de secuencias de movimientos de manipulación que se indican en la fig. 1-10. Sin embargo, a primera vista no se aprecian las ventajas principales. Para conseguirlo, es necesario sumar los tiempos parciales a los tiempos de inactividad de la máquina. El tiempo de inactividad de la máquina se produce cuando la máquina no puede mecanizar una pieza porque el sistema de manipulación está efectuando la operación de recogida y de alimentación. En consecuencia, la meta principal consiste en que la máquina vuelva a realizar su trabajo lo más pronto posible. Este tiempo que transcurre hasta que la máquina vuelva a funcionar es el “tiempo entre operaciones”. Estudiando detalladamente las operaciones necesarias para la alimentación de las piezas es posible reducir la duración de los ciclos. Una vez definida la meta, es posible formular lo que tienen que cumplir los componentes que se utilizarán para automatizar el sistema. Se sobreentiende que en todos los casos también tienen que considerarse diversas circunstancias marginales. En el caso de las variantes 3 y 5, por ejemplo, se supone que las piezas, una vez que sufren una modificación geométrica a raíz del proceso de mecanizado, pueden volver a colocarse en los lugares correspondientes de la paleta que también contiene las piezas en bruto.

16


Fig. 1-10: Influencia que tienen la pinza, los depósitos y la secuencia de los movimientos en el tiempo inactivo de la máquina tB y en los tiempos de los ciclos de manipulación tH M Máquina W Posición de espera del sistema de manipulación o posición de espera de la pieza en la cercanía de la pinza R Mecanizado de la pieza F Manipulación de la pieza mecanizada L Movimiento sin pieza

Variante de solución

Esquema de las secuencias

Tiempo

1 Pinza simple recoge pieza, colocación temporal en W, colocación de piezas acabadas en paleta 1L – 2F – 3R – 4L – 5F – 6L – 7R

2 Pinza simple recoge pieza, colocación en paleta para piezas acabadas 1L – 2F – 3L – 4R – 5L

3 Pinza simple recoge pieza, colocación de las piezas acabas en la paleta de piezas en bruto 1L – 2F – 3L – 4R – 5L

4 Pinza doble recoge pieza, dos paletas: una para piezas en bruto, otra para piezas acabadas 1L – 2FR – 3F – 4L – 5R

5 Pinza doble recoge pieza, colocación de las piezas acabadas en la paleta de piezas en bruto 1R – 2FR – 3F – 4L – 5R

1.3 Aplicaciones

En primer término cabe destacar que las aplicaciones principales se limitan a la manipulación de piezas pequeñas. Claro está que también existen empresas que ofrecen módulos para la manipulación de piezas que pesan varias toneladas, pero dichos sistemas son la excepción. En el sector de fabricación de maquinaria, en la electrónica, en la mecánica de precisión y en las fábricas de automóviles, las piezas que no pasan de 5 kg cubren aproximadamente un 80 por ciento del total. Este dato explica la existencia de una cantidad ingente de módulos lineales y giratorios que se ofrecen en el mercado para cubrir esa gran demanda. 1 La manipulación de piezas como proceso auxiliar

17

Para el montaje de piezas pequeñas se utilizan muchos tipos de equipos de alimentación (equipos de pick & place). Las aplicaciones son muy diversas, desde la unión de piezas a presión, pasando por la alimentación de circuitos impresos, embalaje de productos acabados, paletización de casquillos, manipulación de tablas de aglomerado para muebles (fig. 1-11) hasta la lubricación de relojes mecánicos, para dar sólo algunos ejemplos. Las tablas de aglomerado pesan mucho, por lo que es necesario utilizar varias ventosas para manipularlas y, además, para no dañarlas, es recomendable usar poco vacío. Las tablas tienen una estructura muy porosa, con lo que si el vacío es grande, la aspiración de aire puede atravesar toda la tabla, aunque sean gruesas, con lo que disminuye la fuerza de adherencia. Fig. 1-11: Recoger tablas de aglomerado apiladas Ventosa Cilindro elevador Cilindro sin vástago Tablas apiladas Apoyo Seguro antigiro Sistema de mecanizado Carro para las tablas Cilindro neumático o hidráulico 10 Medidor del recorrido

2

1

1 2 3 4 5 6 7 8 9

3

4 5 6

7

8

9 10

Muchos afirman que los sistemas de manipulación de piezas representan una amenaza para los puestos de trabajo. No cabe duda de que cualquier sistema automático pone en tela de juicio la presencia del ser humano, tanto en las naves de las fábricas como en las oficinas administrativas. En consecuencia, hay quienes, preocupados, se preguntan si los equipos automáticos de manipulación de piezas ponen en peligro la subsistencia de los operarios de las fábricas. Es evidente que los equipos automáticos ejecutan las operaciones de manipulación mucho más rápidamente que el hombre y, en consecuencia, aumentan considerablemente el volumen de la producción. Sin embargo, el progreso siempre ha provocado evoluciones de este tipo. Cuando el cine mudo se transformó en cine sonoro, todos los músicos que tocaban el piano en los cines perdieron su trabajo. También se quedaron sin trabajo los que estaban a cargo del accionamiento de los frenos en cada uno de los vagones de los trenes cuando apareció el sistema de frenos neumáticos que actuaba simultáneamente sobre los frenos de todos los vagones.

18


¿Cómo se adapta el ser humano a estos cambios? Él es parte del sistema y, en consecuencia, dicho sistema tiene que ser configurado de tal modo que no suponga un peligro para su subsistencia. Si en los niveles más fatigosos ya no se necesita la mano de obra, los operarios tienen que promocionarse profesionalmente para que asuman funciones de mayor nivel. Si ya no hay trabajo para todos, tiene que reducirse el tiempo laboral (disminuyendo las horas diarias, semanales o anuales). La mecanización del trabajo en la agricultura tuvo como consecuencia una migración masiva de los campesinos hacia las ciudades para trabajar en las fábricas. Las personas cambian sus puestos de trabajo en las fábricas y acuden al sector de los servicios. En resumen: se trata de un proceso continuo y complejo. El progreso y los cambios estructurales son factores intrínsecos del sistema social. Por ello, la sociedad tiene que adoptar las medidas necesarias para mantener el equilibrio. Así como sería una equivocación prohibir la electricidad porque con ella mueren seres humanos electrocutados, también lo sería el intento de limitar los robots industriales por ley, una propuesta que por cierto ya fue planteada en cierta ocasión.


19

2 Estructura por módulos

Los sistemas de manipulación son en muchos casos un accesorio indispensable para automatizar procesos de fabricación completos. Simplificando puede afirmarse que el sistema de mecanizado o de montaje y el sistema de manipulación de piezas forman un proceso de fabricación automatizado (debiéndose agregar, claro está, las estaciones de control y embalaje). Es frecuente que la mitad de las inversiones se dediquen a las operaciones de manipular y transportar piezas. Los encargados de planificar los proyectos correspondientes suelen disponer de poco tiempo, por lo que necesariamente tienen que recurrir a componentes periféricos estándar, robots industriales y módulos para los sistemas de manipulación y transporte. Estos sistemas se ocupan de hacer llegar las piezas: • al lugar y • en el estado previstos • en la posición y orientación correctas • con la calidad exigida y • en el momento preciso Ello es posible utilizando sistemas constituidos por módulos y dotados de modernos sistemas de control.

2.1 Componentes neumáticos para la automatización

Aproximadamente a partir del año 1960 empieza a imponerse la neumática industrial. Poco a poco van apareciendo diversos componentes estándar, tales como los cilindros neumáticos, que forman parte de sistemas constituidos por módulos. Antes, cada usuario confeccionaba sus propios cilindros en función de sus aplicaciones específicas. En la fig. 2-1 puede apreciarse cómo los actuadores neumáticos ocupan un lugar privilegiado en todas las fases de los procesos de fabricación, correspondiéndoles el máximo protagonismo en los procesos de manipulación.

Fig. 2-1: Proceso de manipulación y mecanizado de piezas individuales y fuentes energéticas correspondientes

Máquina de trabajo

1

Electricidad

Neumática

Electricidad

Neumática

2

Neumática

Electricidad

Hidráulica

Electricidad Neumática

Electricidad

3

Hidráulica

Hidráulica

Neumática

Hidráulica

Hidráulica

Los actuadores neumáticos se distinguen por su sencillez y diseño compacto. No obstante, debe tenerse en cuenta que su grado de eficacia es claramente inferior al de los actuadores eléctricos, a pesar de que éstos tienen que convertir varias veces los movimientos según el tipo de engranaje y su capacidad reductora. Por su parte, el accionamiento directo de la neumática ofrece ventajas, especialmente si se trata de actuadores pequeños de simple efecto que consumen poco aire comprimido y si, además, ya se dispone de una red de

20


aire comprimido en la fábrica. Además, también existen guías excelentes que junto con actuadores neumáticos forman módulos de manipulación sumamente eficientes. Los módulos de manipulación son grupos de fabricación estándar destinados a ejecutar movimientos. Estos módulos permiten configurar sistemas de varios ejes, según las necesidades de cada caso. El recorrido se limita mediante elementos regulables. Únicamente los ejes de posicionamiento pueden programarse libremente. Para combinar módulos es necesario que sean compatibles entre sí. Y no basta con que coincida la distribución de taladros o se disponga de un adaptador. La compatibilidad abarca muchos otros criterios, tal como puede apreciarse en la fig. 2-2. Además, existen otras diferencias adicionales entre los módulos accionados eléctricamente y los accionados neumáticamente. En la tabla 2-1 se indican algunas de esas diferencias. Fig. 2-2: Los módulos tienen que ser compatibles entre sí en función de varios criterios

tecnológicos

geométricos

funcionales

técnicos

económicos de control

Tabla 2-1: Algunas diferencias entre módulos eléctricos y neumáticos (* válido únicamente en el caso de ejes de posicionamiento eléctricos o servoneumáticos)

Accionamiento

neumático

eléctrico

Frecuencia del uso de unidades lineales

aprox. 60%

aprox. 40%

Frecuencia del uso de unidades giratorias

aprox. 95%

aprox. 5%

Capacidad de aceleración

mayor

menor

Recorrido lineal (aplicaciones típicas)

hasta aprox. 800 mm

hasta 3000 mm

Velocidad del movimiento

alta

menos alta

Precisión de repetición (movimiento lineal)

< ± 0,05 mm

< ± 0,05 mm

Precisión de repetición (movimiento giratorio)

aprox. 0,02°

aprox. 0,02°

Posiciones intermedias (movimiento lineal)

hasta 4

indistintas *)

Posiciones intermedias (movimiento giratorio)

hasta 2

indistintas *)


21

2.2 Sistemas de pick & place de funcionamiento cíclico

El aire comprimido es un medio muy interesante. Es capaz de transportar energía y de transmitir señales a distancias considerables. Sin embargo, no en todos los casos es posible utilizar el aire comprimido para el accionamiento directo, ya que en diversas aplicaciones es necesario convertir los movimientos. En la fig. 2-3 se muestra cómo se convierten movimientos lineales en giratorios y viceversa. Todas las variantes posibles también se aprovechan en la técnica de la manipulación.

Fig. 2-3: Conversión de movimientos (esquema del principio de funcionamiento) 1 2 3 4

De giratorio a lineal De giratorio a giratorio De lineal a giratorio De lineal a lineal

1

3

4 2

Si es necesario desglosar los movimientos, es necesario recurrir a los correspondientes elementos funcionales. La fig. 2-4 muestra las posibilidades que existen en principio. Cada una de las variantes también representa el margen de las posiciones posibles. Tal como puede apreciarse, la escala alcanza desde 3 posiciones hasta una cantidad indistinta de posiciones, aunque en este caso es necesario conectar sistemas de medición de recorridos y de ángulos. Los ejes servoneumáticos pueden utilizarse, por ejemplo, como pórticos en cruz para la alimentación rápida de componentes electrónicos para placas impresas. Fig. 2-4: Movimiento con pasos definidos 1 Combinación de cilindros de varias posiciones 2 Topes en posiciones intermedias 3 Tope revolver 4 Control de posicionamiento

1

3

2

4

Estas posibilidades técnicas permiten configurar sistemas de pick & place capaces de realizar una amplia gama de movimientos. La fig. 2-5 muestra una selección de movimientos posibles. Los movimientos se ejecutan a lo largo de recorridos que vuelven en sí mismos o que forman un circuito. Los movimientos 22


pueden interrumpirse en determinadas posiciones. Aproximadamente una cuarta parte de los actuadores giratorios permiten el montaje de topes en posiciones intermedias. El porcentaje es algo menor en el caso de las unidades lineales. Las unidades lineales con revolver son una excepción, ya que pueden avanzar, por ejemplo, hasta 13 posiciones distintas. Los tornillos de tope del tambor pueden ajustarse de modo muy preciso. El tambor es accionado neumáticamente y gira intermitentemente (unidad giratoria). El tambor como tal está provisto de un amortiguador, con lo que en cada posición se amortigua el avance del actuador. Sin embargo, en vista de la gran cantidad de posiciones intermedias factibles en este caso, posiblemente un eje de posicionamiento sería una solución más recomendable. Fig. 2-5: Muestra de posibles movimientos ejecutados por equipos de alimentación de dos ejes 1 Trayectoria del movimiento 2 Punto de parada (de espera)

1

2

De vez en cuando no se opta por las soluciones fáciles por desconocerlas. En la fig. 2-6 vemos un equipo de alimentación de tubos a una máquina. Los tubos vienen en grupos de 4x4 y el equipo se encarga de retirar siempre un tubo cada vez. Esta operación está a cargo de varios cilindros de trabajo que ejecutan movimientos en varias posiciones. El cargador está ligeramente inclinado para evitar que los tubos vayan cayendo en los lugares que van quedando libres. Fig. 2-6: Retirar tubos apilados

1 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Cilindro empujador Detector de proximidad Tubo Rodillo motorizado Cilindro elevador de varias posiciones Estructura del cargador Guía lineal Conjunto de montaje Cilindro de varias posiciones

2

3 6

7 8 9

4 5


23

Para conseguir las 4 posiciones puede recurrirse a 2 cilindros de carreras diferentes. En la fig. 2-7 se muestran las posiciones de los cilindros que de esta manera se obtienen. Cada émbolo se mueve únicamente entre sus respectivas posiciones finales. Dado que los cilindros como tales también ejecutan un movimiento, los conductos conectados a ellos también tienen que ser móviles. Los cilindros pueden acoplarse mediante conjuntos de unión estándar, por lo que no es necesario improvisar. Fig. 2-7: Combinación de cilindros neumáticos que forman un sistema de accionamiento de 4 posiciones

1

2

3

4

Adicionalmente hay que tener en cuenta las fuerzas. ¿Qué posibilidades existen para realizar las adaptaciones necesarias? En la fig. 2-8 pueden apreciarse 4 variantes. Además del aprovechamiento de la fuerza de palanca, también pueden utilizarse elementos en forma de cuña, especialmente en la técnica de sujeción. El aumento de la fuerza va en detrimento de la carrera. En el mercado existen diversos tipos de “cilindros de multiplicación de las fuerzas” que llevan integrados el émbolo neumático y diversos elementos mecánicos en forma de cuña. Fig. 2-8: Multiplicación de fuerzas dinámicas neumáticas 1 Cilindros conectados en serie 2 Cilindros conectados en paralelo 3 Conversión neumática-hidráulica 4 Transmisión mecánica

24

1


2

3

4

2.3 Ventajas de un diseno moderno

Incluso para los ciclos más sencillos existen variantes, tal como lo muestra la fig. 2-9. Tanto la posición normal (adelante, atrás) como las posiciones intermedias son variables en función de la tarea que se ejecuta en cada caso. En consecuencia, se obtiene un ciclo completo o un semiciclo con parada intermedia. Un sistema modular para la técnica de manipulación y montaje permite configurar y controlar fácilmente todas las variantes.

Fig. 2-9: Los ciclos estándar pueden ser variables H Posición inicial (posición normal) Z Posición intermedia (tiempo de espera)

La dinámica de un sistema de manipulación viene determinado por sus masas móviles. En consecuencia, es necesario que éstas sean lo más pequeñas posible. Los motores de accionamiento que se mueven con el sistema son los que mayores masas aportan. En la fig. 2-9 se aprecia cómo la unidad de accionamiento vertical tiene que transportarse siempre que el sistema ejecuta un movimiento. En consecuencia, bien puede ser que la masa propia del sistema sea mayor que la masa útil. Para resolver esta situación se han desarrollado sistemas de accionamiento en los que los motores que actúan sobre los ejes están unidos a la estructura básica del sistema, con lo que no se mueven. En la fig. 2-10 se aprecia un sistema de manipulación con motores eléctricos fijos (motores paso a paso de 5 fases). Para ejecutar el movimiento vertical de elevación se recurre a un eje ranurado que actúa sobre el carro. Fig. 2-10: Sistema lineal de posicionamiento (Berger Lahr/Positek)


25

¿Es factible conseguir algo similar con actuadores neumáticos? En primer lugar cabe anotar que una configuración como la que se acaba de describir es más necesaria en el caso de los motores eléctricos, ya que pesan más que los cilindros neumáticos. Al margen de ello, sí es posible realizar algo similar utilizando componentes neumáticos, tal como lo muestra el ejemplo de la fig. 2-11. En este caso, el actuador es una unidad lineal y giratoria combinada con un carro accionado por piñón y cremallera guiado paralelamente al vástago del cilindro. Fig. 2-11: Variante de unidad lineal y giratoria (Festo) de poca masa propia, para alimentación de piezas pequeñas 1 Guía 2 Carro 3 Tubo de elevación mediante barra dentada 4 Ventosa 5 Rueda dentada 6 Unidad lineal y giratoria 7 Mordaza de sujeción

6

1

7 5 2 3 4

La capacidad de movimiento de un sistema de pick & place, a menudo se expresa como el “grado de libertad de movimientos”. Pero, ¿qué significa concretamente este término? Para ser precisos, se trata más bien del grado de movimiento del sistema de transmisión. Sin embargo, esta definición puede causar malentendidos, por lo que la capacidad de movimiento, incluyendo la de los robots, se expresa en función de la “cantidad de ejes móviles”. En una cadena cinemática, el grado F de libertad de movimiento del sistema, se refiere a la cantidad de ejes móviles que ejecutan movimientos independientes entre sí. Mientras que la pieza tiene un grado de libertad de movimiento de F = 6, una cadena cinemática puede tener un grado de libertad mayor. Para solucionar una tarea tienen que ejecutarse determinados movimientos. Estos movimientos pueden estar a cargo completamente de un equipo de manipulación programable, aunque también es posible que diversos componentes periféricos se encarguen de ejecutar algunos de ellos. En la fig. 2-12 se muestran esquemáticamente esas alternativas, con lo que llegamos a la siguiente conclusión:

26


Regla de oro de la técnica de la manipulación: la ejecución de los movimientos puede repartirse entre diversos equipos. Los movimientos que no están a cargo del equipo de manipulación, tienen que ejecutarse por los equipos periféricos. Si en la periferia se dispone, por ejemplo, de cargadores montados sobre mesas deslizantes o en cruz, el equipo de manipulación de piezas puede ser más sencillo, siendo posible utilizar en ese caso un equipo de alimentación menos costoso. En términos generales se optará por montar los ejes de tal manera que su ejecución sea la más económica. Se sobreentiende que las decisiones en torno a la configuración de un sistema dependen también de la versatilidad que debe tener dicho sistema para su uso en posibles aplicaciones futuras. Fig. 2-12: Los grados de libertad de los movimientos F pueden trasladarse del equipo de manipulación a la periferia

Robot

Periferia

Robot

Periferia

Para explicar lo dicho analicemos el siguiente ejemplo concreto: la tarea consiste en recoger placas de un cargador y colocarlas siempre en el mismo lugar de un soporte para piezas (fig. 2-13). El equipo de manipulación dispone de un grado de libertad de movimientos F = 2, mientras que el de la mesa es de F = 1. En este sistema es suficiente utilizar un eje de posicionamiento para realizar las operaciones necesarias. La mesa avanza línea por línea, detenida por los respectivos topes externos ubicados en las posiciones correspondientes. Para retirar las placas del cargador es necesario elevarlas muy poco (10 hasta 30 mm), por lo que no es necesario utilizar un eje elevador, siendo suficiente una ventosa montada en un émbolo de elevación. Desconectando el vacío, el émbolo avanza por acción de un muelle. Una vez que la ventosa contacta la pieza se genera el vacío necesario para sujetarla y el émbolo vuelve de inmediato a su posición inicial sin que sea necesario un control especial para esta función. La ventosa retiene la pieza hasta que se desconecta el vacío. La gran difusión que han experimentado los equipos de manipulación constituidos por módulos se explica por su nivel de rendimiento y su disponibilidad inmediata. Estos modernos equipos permiten montar sistemas complejos en muy poco tiempo, algo que hasta hace tan sólo 20 años era el sueño de quienes estaban a cargo del diseño de equipos de esta índole. Hoy en día se dispone de una enorme cantidad de componentes modulares. 2 Estructura por módulos

27

Fig. 2-13: Equipo de alimentación para la manipulación de piezas repartidas en una superficie 1 2 3 4 5

6 7 8 9

Sistema de transporte Soporte para las piezas Unidad giratoria de 90° Cargador Unidad lineal con topes en posiciones intermedios (no visibles en el dibujo) Rodillos Eje de posicionamiento Ventosa con émbolo elevador Brazo giratorio

3

2 9 8 1 4 6

7 5

La demanda de estos equipos también es grande como periféricos de los robots industriales, aunque no solamente para ejecutar operaciones tales como ordenar, distribuir y colocar piezas en cargadores. Ciertos equipos de alimentación de piezas ya se han transformado en unidades auxiliares de robots industriales. Ejemplo: Un robot atiende una máquina encargada de la fabricación de piezas de materiales mixtos (plástico y metal). El robot no solamente se encarga de recoger las piezas acabadas, sino que también coloca en la herramienta las piezas de plástico que deberán insertarse a presión. Los componentes periféricos separan y ordenan las piezas. A continuación, un elemento de alimentación se encarga de entregar a las pinzas del robot las piezas que serán insertadas a presión. En consecuencia, en este sistema existe una clara separación entre las operaciones de manipulación necesarias para cambiar la herramienta y aquellas que son repetitivas y que se ocupan de entregar las piezas de metal. En conclusión, cabe preguntarse cuáles son las ventajas que ofrecen los módulos. Resumiendo, se trata de las siguientes: • Ciclos rápidos y cortos • Ausencia de unidades funcionales inactivas, ya que la configuración del sistema se realiza en función de la tarea específica • Distribución clara del sistema • Utilización en diversos ámbitos, no sólo restringidos a la fabricación de máquinas • Relativamente insensibles a la suciedad causada por virutas • Escalonamiento de los módulos según el grado de rendimiento necesario • Unidades funcionales fiables y de rendimiento comprobado • Facilidad de obtener piezas de recambio • Accionamiento de las unidades de posicionamiento también mediante ejes eléctricos o servoneumáticos

28


2.4 Estructura de las unidades básicas

2.4.1 Funcionamiento de una unidad lineal

Cualquier cuerpo puede orientarse en cualquier sentido en el espacio desplazándolo 3 veces y girándolo 3 veces. La traslación y el giro son, pues, los movimientos básicos que siempre hay que tener en cuenta. A continuación analizaremos las unidades funcionales típicas recurriendo a ejemplos concretos. Dicho sea de paso que desde la perspectiva de la cinemática los movimientos helicoidales pueden ser considerados como concepto general superior. Ello significa que si el paso de la rosca es igual a cero, el movimiento es únicamente giratorio, mientras que si el paso es infinito, el movimiento es únicamente de avance.

Las unidades lineales modernas son mucho más que el simple movimiento de avance y retroceso de una barra. Para explicar el funcionamiento de las unidades lineales actuales, utilizaremos el ejemplo de la unidad lineal HMP de Festo. En la fig. 2-14 puede apreciarse un esquema simplificado de los sistemas parciales:

Fig. 2-14: Sistemas parciales de una unidad lineal moderna (Festo) a) b) c) d) e)

Sistema de accionamiento Sistema de guías Sistema de topes Sistema de detectores Sistema de topes intermedios f ) Sistema de sujeción

1 Cilindro de trabajo de camisa doble 2 Acoplamiento compensador 3 Brida plana 4 Guía de rodillos 5 Perfil de guía 6 Amortiguador 7 Tope tipo horquilla 8 Disco de tope 9 Barra roscada 10 Detector 11 Barra giratoria 12 Tope intermedio 13 Unidad de sujeción 14 Barra de sujeción 15 Cuerpo

3

2 1

10

4 5

a)

d)

Carrera

8

12

11

e)

b) 6

c)

7 5

8

9

6

13

14 5 15

f)

Sistema de accionamiento (fig. 2-14a) Un émbolo diferencial se desplaza dentro de un cilindro de camisa doble. En consecuencia, la alimentación de aire se realiza por un solo lado. Sistema de guía (fig. 2-14b) El actuador y la guía están separados. Un tubo se desliza sobre una guía con rodamiento de bolas sin holguras. Este tipo de guía consigue que la deformación bajo carga sea mínima. La unión entre el vástago y la guía está a cargo de un elemento orientable. De esta manera se evita que las fuerzas transversales (que podrían surgir al más mínimo error de distancia o paralelismo) actúen sobre el cilindro neumático.


29

Sistema de topes (fig. 2-14c) Los topes se utilizan para definir el avance y las posiciones. En este caso se trata de discos fácilmente regulables. La duración y la suavidad de los movimientos aumentan mediante el uso de amortiguadores neumáticos que detienen suavemente el husillo roscado cuando éste llega a la posición definida. Los amortiguadores tienen la función de minimizar las vibraciones en las posiciones finales y de evitar un rebote. Al regular la posición de los discos de tope, no es necesario ajustar nuevamente los amortiguadores y detectores. Sistema de detectores (fig. 2-14d) El sistema de control necesita recibir señales de confirmación cuando el actuador llega a determinada posición. Para ello se montan detectores de proximidad electrónicos en las correspondientes ranuras. Los detectores reaccionan magnéticamente. Sistema de topes intermedios (fig. 2-14e) Las modernas unidades lineales, utilizadas en sistemas de pick & place, suelen permitir el ajuste de posiciones intermedias. En el ejemplo que aquí se explica, es posible montar hasta 3 levas de tope en el husillo roscado, a su vez accionadas por un actuador neumático giratorio fijado a la pared interior del cuerpo. Según la orientación de los topes intermedios, éstos permiten el paso o lo cierran (fig. 2-15). Sistema de bloqueo (Fig. 2-14f ) En determinados casos resulta ventajoso poder bloquear la unidad móvil. Para conseguirlo puede recurrirse a una mordaza. Se trata de una unidad que sujeta una barra. En la fig. 2-16 consta el principio de funcionamiento. El sistema de bloqueo funciona de tal manera que al producirse una caída de presión neumática, un muelle actúa sobre las mordazas que por su efecto de cuña sujetan la barra inmovilizándola. Un equipo dotado de todos estos sistemas parciales es sumamente compacto y su diseño técnico es bastante sofisticado. Fig. 2-15: Ejemplo de tope intermedio (HMB; Festo) 1 Tope intermedio 2 Barra roscada 3 Tope en horquilla

1

2

Carrera

3

30


Fig. 2-16: Funcionamiento del sistema de bloqueo (Festo)

1 2

1 Pulsador tipo hongo del sistema de bloqueo 2 Émbolo neumático 3 Mordaza 4 Barra

3 4

Además hay otros tipos de topes, por lo que a continuación analizaremos otro ejemplo. En la fig. 2-17 se muestra un sistema de topes externos para posiciones intermedias para una unidad lineal con cilindro de trabajo sin vástago. Bien podría tratarse de un pórtico o del eje 1 de un equipo de manipulación de varios ejes. La cantidad de topes intermedios únicamente depende del espacio disponible y del recorrido. En el ejemplo, el tope (fig. 2-18) puede montarse a la izquierda o a la derecha. Fig. 2-17: Sistema de topes para una unidad lineal 1 Tope en la posición final 2 Tope en posición intermedia 3 Cilindro de trabajo sin vástago y con guía integrada 4 Amortiguador 5 Carro

4

1

2

Carrera

3

5

Fig. 2-18: Ejemplo de un sistema de topes intermedios

1 1 2 3 4 5 6 7

2

4

3

Cilindro de carrera corta Corredera de topes Amortiguador Soporte del amortiguador Soporte del tope final Tornillo para ajuste fino Carro

5 6


Carrera

7

31

Sin embargo, entre los topes debe haber una distancia mínima, incluso utilizando un cilindro plano. La distancia mínima depende del ancho del tope. Si las distancias tienen que ser más pequeñas, debe disponerse de un segundo carril para los topes de posiciones intermedias, tal como se aprecia en la fig. 2-19. De esta manera es posible ampliar considerablemente la cantidad de secuencias de los movimientos. No obstante, esta configuración no es muy frecuente en sistemas de pick & place, aunque permite llegar a cada una de las posiciones con gran precisión. Fig. 2-19: Ejemplo de un sistema de topes con dos carriles

Carrera

1

1 Amortiguador 2 Tope intermedio

2

¿Cómo se accionan las unidades que ejecutan los movimientos? La unidad lineal de la fig. 2-14 únicamente es capaz de ejecutar ciclos entre el tope final (E) y el tope intermedio (Z). Esto significa que siempre debe regresar a la posición inicial. Sin embargo, esta característica, determinada por la configuración técnica de la unidad, no es necesariamente una desventaja, ya que los movimientos se ejecutan rápidamente, aunque sí que lo es si, por razones técnicas, no es posible ejecutar los movimientos de esta manera. En la fig. 2-20 puede apreciarse un ejemplo de configuración de los ciclos. El accionamiento puede realizarse con válvulas de 4/2 vías o de 5/2 vías. Fig. 2-20: Ejemplo de ciclos de movimientos entre un tope en posición final (E) y topes intermedios (Z)

E

Z

Z

Z

E

A

B

A

B

a) Desarrollo de los movimientos b) Válvula de 4/2 vías o de 5/2 vías A, B Conexión con el cilindro

a)

32


b)

El sistema de topes que muestra la fig. 2-18 permite realizar un ciclo en el que el carro avanza de un tope intermedio al siguiente. El carro se detiene en el tope intermedio estando bajo presión. Si debe avanzar hasta el siguiente tope, es necesario anular la presión que el carro ejerce sobre el tope, ya que de lo contrario éste no se podría retirarse. Para conseguirlo hay dos posibilidades: • Retirar la presión en ambos lados del émbolo del cilindro sin vástago mediante centro a descarga de la válvula de 5/3 vías (fig. 2-21). Esta alternativa tiene la desventaja que “se pierde el aire”, con lo que la estrangulación del escape ya no funciona al continuar el avance del carro. Fig. 2-21: Ejemplo de ciclos para movimientos entre topes intermedios

E

Z

Z

E

Z

A

B

• Someter ambos lados del émbolo a la presión del sistema. Dado que la superficie del émbolo es grande, la presión aplicada sobre el tope es casi igual a cero. Para ello es necesario utilizar una válvula de 5/3 vías o una combinación de dos válvulas de 3/2 vías (fig. 2-22). Fig. 2-22: Control del movimiento entre topes intermedios con una válvula de 5/3 vías o dos de 3/2 vías

A

B

A, B Conexión con el cilindro

A


B

33

Se sobreentiende que también existen otros sistemas de topes. En vez de utilizar una corredera, también es posible recurrir a un tope intermedio orientable. En la solución que se muestra en la fig. 2-23, el recorrido del carro se reduce activando una unidad giratoria que se interpone en el recorrido. El alcance puede regularse exactamente. La unidad giratoria avanza con el carro. Sin embargo, considerando que las líneas de conexión tienen que moverse también, esta solución sólo es viable tratándose de recorridos cortos. Fig. 2-23: Tope orientable 1 2 3 4 5 6 7

1

Carro Unidad giratoria Brazo orientable Tornillo para el ajuste fino Tope Amortiguador Soporte

2

3

4

6 7

S

ra rre Ca

2.4.2 Funcionamiento de una unidad giratoria

5

Las unidades giratorias tienen la misma importancia que las unidades lineales. En los sistemas de automatización de los procesos de fabricación suelen utilizarse ángulos de giro de hasta 360° y sólo en casos excepcionales de hasta 375°. Aproximadamente la mitad de las unidades giratorias disponibles en el mercado alcanzan los 5 Nm. En muchos casos el giro solamente se realiza entre las posiciones finales, siendo normal que estén provistas de amortiguadores. En la fig. 2-24 constan las ejecuciones neumáticas más importantes. Concretamente, se trata de las siguientes: Aletas giratorias de doble efecto para ángulos entre 0° y 270°. Para activar los pasos entre los ángulos puede intercalarse un sistema de piñones libres. Émbolo dentado: Los movimientos del émbolo son transformados en un movimiento giratorio mediante un conjunto de piñón y cremallera. Cilindro giratorio de doble efecto. El movimiento del émbolo es transformado en un movimiento giratorio mediante una ranura helicoidal en el interior de la camisa del cilindro. Los rodillos están montados de forma permanente en el cilindro. En la salida del eje hay otro sistema de rosca y rodillos, aunque con menos ascendencia. De esta manera se suman los dos ángulos de giro. Actuador de doble émbolo para ángulos desde 0° hasta 360°. La transformación del movimiento lineal se consigue también en este caso con un sistema de piñón y cremallera.

34


Fig. 2-24: Ejemplos de actuadores giratorios a) b) c) d)

Aleta giratoria Émbolo dentado Cilindro giratorio Actuador de dos émbolos dentados

a)

b)

c)

d)

En el caso de los sistemas con piñón y cremallera, es importante que las posiciones no tengan holguras. Cualquier holgura, incluso si es mínima, puede ocasionar errores de posición considerables si el sistema está dotado de brazos giratorios. Es posible montar elementos de fijación adicionales para compensar este efecto (casquillo/pasador, ranura en cuña/corredera en cuña), pero esta solución complica el sistema. Para conseguir eliminar las holguras hay 4 posibilidades: Dientes cónicos y desplazamiento axial entre el piñón y la cremallera (por ejemplo, aplicando la fuerza de un muelle). Aplicación de presión radial sobre los elementos engranados. Para presionar la cremallera sobre el piñón mediante un muelle es necesario que la barra dentada disponga de la correspondiente libertad de movimientos. Aplicar presión mecánica en la cremallera. Utilizando émbolos dobles dentados (fig. 2-24d), los movimientos se ejecutan de tal manera que siempre sólo un émbolo dentado se encuentra en la posición final. El otro émbolo dentado puede moverse libremente accionando el piñón, con lo que se produce la deformación correspondiente. División de la cremallera para obtener dos tramos paralelos y conseguir aplicar una presión mecánica sobre el piñón. En la fig. 2-25 se muestra un ejemplo para este caso. La ausencia de holgura se obtiene únicamente en la posición elegida, lo que es perfectamente suficiente. La parte central de la cremallera está suelta. El sistema está expuesto a una presión mecánica al llegar al amortiguador (tope), con lo que el piñón queda aprisionado sin holguras. Este sistema también funciona en posiciones intermedias. Los detalles técnicos correspondientes no constan en el esquema.


35

Fig. 2-25: Compensación de holgura mediante cremallera dividida (Montech)

5

1 Eje giratorio 2 Parte central de la cremallera 3 Émbolo dentado 4 Amortiguador 5 Piñón 6 Pestaña de tope

1

2

3

4

6

Algunos actuadores neumáticos giratorios también pueden dotarse de topes intermedios. Sin embargo, los sistemas de pick & place no suelen necesitar más de 2 puntos de parada adicionales. En la fig. 2-26 puede apreciarse una unidad giratoria que dispone de una posición intermedia además de las dos posiciones finales. Los topes correspondientes se encuentran en un sistema de émbolo auxiliar. Cuando este émbolo avanza, queda activada la posición intermedia. El control lo realiza una válvula de 3/2 vías y una válvula de 5/3 vías se encarga de los movimientos del émbolo dentado. La posición intermedia puede definirse muy exactamente. El tope para la posición intermedia es un elemento complementario de la unidad giratoria de 2 posiciones. Fig. 2-26: Actuador neumático giratorio con posición intermedia adicional (Festo) a) Funcionamiento b) Accionamiento 1 Elemento de control 2 Émbolo para la activación del tope 3 Émbolo dentado 4 Piñón 5 Culata

1

5

2 3

4

a)

36


b)

En las soluciones que se explican a continuación, los émbolos de tope juegan un papel decisivo. El actuador giratorio que aparece en la fig. 2-27 tiene en total 4 posiciones. Cada émbolo es de simple efecto. Los émbolos dentados están unidos entre sí mediante el piñón. El diámetro permite que en las posiciones intermedias siempre se disponga suficiente fuerza para la retención. Fig. 2-27: Funcionamiento de un actuador neumático giratorio de 4 posiciones 1 Émbolo dentado 2 Émbolo de tope

P

P

P

p Aire a presión

P

P

P

Si es necesario que el diámetro del émbolo de tope no sea mayor que el del émbolo dentado, deberá repartirse la superficie necesaria entre dos émbolos, tal como se muestra en la fig. 2-28. La unidad constituida por los émbolos de tope puede montarse en un lado (con lo que se obtienen 3 posiciones) o en los dos lados. Este cambio también puede hacerse posteriormente. Si se opta por una configuración con émbolos en ambos lados, el conjunto resulta bastante voluminoso y los cantos pueden inhibir los movimientos, especialmente tratándose de aplicaciones de eje giratorio con pinza. Fig. 2-28: Unidad giratoria con 2 topes intermedios (Montech)

P

P

P P

P P


37

Pero también existen unidades que son completamente diferentes a las que se utilizan normalmente, tal como se mostrará a continuación. Bien sabemos que las reglas válidas para la configuración de sistemas varían con el transcurso del tiempo. Lo que ayer se consideró bueno, bien puede ser que mañana sea sustituido por algo mejor (o, al menos, diferente), especialmente si surgen nuevos componentes en el mercado. Lo dicho también es válido en el ámbito de la neumática. Un buen ejemplo de esta evolución es el músculo neumático. En principio, los músculos neumáticos funcionan como los músculos contráctiles naturales. Se trata de sistemas de membranas contráctiles, similares a los tubos flexibles de la neumática. En la fig. 2-29 se muestra un músculo segmentado de goma que ya fue desarrollado por McKibben (EE.UU.) en los años cincuenta para confeccionar un sistema de accionamiento de una prótesis. Este músculo estuvo compuesto por un tubo de goma cuyas paredes disponían longitudinalmente de hilos no extensibles. Fig. 2-29: Mano protésica con músculo segmentado de goma según McKibben (EE.UU.)

Músculo de goma Cables de tracción

Mano protésica

Dado que los músculos de esta índole únicamente son capaces de ofrecer fuerzas de tracción, es necesario disponer de dos actuadores para el movimiento de retroceso. Los seres vivientes tienen un sistema similar, ya que disponen de músculos extensibles y contráctiles. En la fig. 2-30 se aprecia que aplicando este sistema es posible obtener un brazo para operaciones de manipulación. Para que los movimientos sean precisos, es necesario contar con un sistema de medición de recorridos. Festo ofrece un músculo neumático (“fluidic muscle”) de esta índole. Su principio de funcionamiento es ampliamente conocido, pero este músculo moderno es capaz de ejecutar las más diversas operaciones en el ámbito industrial y, además, se fabrica con los materiales y procesos más modernos.

38


Fig. 2-30: Actuador giratorio de un sistema de manipulación dotado de músculos neumáticos 1 Brazo con pinza 2 Correa para la transmisión de la fuerza 3 Músculo neumático 4 Aire comprimido controlado

1 2

3

4

2.4.3 Estructuras para el montaje de los módulos

Las unidades modulares son como hormigas sin hormiguero. Es decir, para montarlas se necesitan diversos elementos auxiliares. A continuación, estos elementos auxiliares se resumen en el concepto de “estructuras”. Una estructura es un grupo básico que constituye el cuerpo de un equipo o máquina. En ese sentido, es el primer eslabón de una cadena cinemática en el que se fijan las unidades que ejecutan los movimientos. Los sistemas parciales más importantes son los siguientes: • Elementos básicos (columnas perfiladas, placas básicas y placas angulares) • Elementos de base (piezas angulares básicas, pies, elementos de unión y ángulos de adaptación) para sujetar columnas, placas y módulos móviles, incluyendo los tornillos y las tuercas ranuradas correspondientes) • Conjuntos de componentes (elementos de unión para el montaje directo, en paralelo o en ángulo de noventa grados mediante cola de milano para la sujeción de módulos lineales) • Conjuntos de elementos para el ajuste de precisión (elementos auxiliares para el montaje exacto del módulo lineal en un elemento angular de unión) • Conjunto de elementos de unión (juego de elementos para el montaje de componentes en actuadores y módulos lineales) • Conjuntos de adaptadores (piezas intermedias para la sujeción de componentes a carros miniaturizados y actuadores giratorios) • Elementos para la instalación (tubos de protección, cajas de distribución, canales para el paso de cables, elementos de unión, etc.) La estructura básica propiamente dicha de una unidad de manipulación de piezas, tiene que ser capaz de absorber las fuerzas y transmitirlas al suelo. En la práctica se han impuesto las estructuras de aluminio de gran resistencia y con perfiles de alta precisión. Estas estructuras de aluminio pueden ser de color metalizado natural o anodizadas en color negro, resistentes a arañazos y protegidas contra la corrosión. Los perfiles ranurados tienen diversas aplicaciones,


39

ya que son utilizados para tender cables y tubos flexibles o para sujetar diversos elementos y equipos de control. Los fabricantes de sistemas perfilados suelen ofrecer numerosos accesorios, como por ejemplo bisagras y piezas de soporte en forma de pies o de ángulos. Existen diversos sistemas para unir piezas perfiladas, algunos más complicados y otros relativamente sencillos. En la fig. 2-31 se muestran algunos elementos de unión. Los sistemas de unión por cola de milano ofrecen la ventaja que no es necesario mecanizar las piezas para montarlas y, además, dichos sistemas permiten efectuar correcciones posteriores (por ejemplo, efectuando los ajustes necesarios para adaptar el sistema en función de la máquina que mecanizará las piezas). Fig. 2-31: Ejemplos de elementos de unión típicos a) Elemento para unir piezas perfiladas b) Unión mediante tuerca deslizante c) Fijación con listones o casquillos para centrar d) Unión mediante tornillo y pasador e) Brida para cola de milano

e)

d)

a)

b)

c)

Las bridas para cola de milano son piezas que soportan cargas considerables, son resistentes a las vibraciones y son apropiadas para utilizarlas en elementos estáticos y dinámicos. En la fig. 2-32 se muestra el desglose de las fuerzas de apriete en una aplicación específica. Fig. 2-32: Fuerzas que actúan en una brida para uniones de cola de milano

1 2

1 Perfil de la estructura del grupo 2 Pieza prensada 3 Tornillo tensor

3 FS/2 FS FS/2

FS Fuerza tensora

40


En un sistema hay que resolver la forma de transportar la energía (eléctrica, neumática) y de transmitir las señales hacia los componentes móviles. Usando tubos insertables (sistema telescópico) se evita la presencia de tubos flexibles en el exterior, pero este sistema no ha podido imponerse en el mercado (por ser demasiado costoso y poco fiable). Las cadenas portadoras, por lo contrario, sí han demostrado ser útiles en combinación con unidades lineales, especialmente tratándose de unidades grandes o de módulos lineales de carreras largas. En la fig. 2-33 puede apreciarse un sistema de tubos flexibles protectores. Estos tubos tienen una ranura longitudinal que permite introducir los cables y los tubos flexibles neumáticos. Adicionalmente puede montarse una caja de distribución con varias entradas de diverso tipo, con acanaladura para tender los cables y los elementos atornillables correspondientes. Esta solución ofrece las ventajas que se indican a continuación: • • • •

Montaje y desmontaje sencillo para el mantenimiento y las reparaciones el sistema es más silencioso que las cadenas de arrastre ocupa poco espacio y, además ofrece una buena protección

Fig. 2-33: Unidad lineal con elementos de instalación (Festo)

2.4.4 Funcionalidad, funcionalidad superflua y sincronización

¿Qué significa funcionalidad superflua? Es un término que se emplea en algunas ocasiones en el ámbito de la cinemática. Aparece cuando se colocan piezas guiadas que producen una funcionalidad mayor a la estrictamente necesaria. En consecuencia, las propiedades de la guía son tantas, que superan las características que teóricamente son necesarias. Concretamente, las guías de las unidades lineales, más aún si son guías paralelas, suelen tener una funcionalidad superflua. Sin embargo, su funcionamiento sólo es seguro si se respetan las respectivas dimensiones y tolerancias, ya que de lo contrario pueden atascarse. Pero este tipo de unidades no crean dificultades si pueden utilizarse aisladamente. El problema más bien estriba en su acoplamiento con otros elementos guiados de estructura mecánica. Si los ejes no se montan perfectamente 2 Estructura por módulos

41

alineados (lo que teóricamente casi siempre sucede), los rodamientos, las guías deslizantes y las juntas están expuestas a esfuerzos mayores, con lo que disminuye considerablemente su duración. En consecuencia, es necesario recurrir a elementos complementarios, tal como se muestra en la fig. 2-34. Con frecuencia también es posible solucionar este acoplamiento si el cilindro de trabajo no se monta antornillándolo de forma rígida, sino fijándolo por medio de un elemento móvil, como por ejemplo un caballete con superficie de apoyo esférica. Fig. 2-34: Al montar las estructuras deberá evitarse que tengan funcionalidades superfluas

1

1

5

1

2

a) Unión por eje fijo con funcionalidad superflua b) Acoplamiento con compensación de desviaciones radiales y angulares, por ejemplo de ± 4° y ± 1° 1 Cilindro neumático o vástago 2 Acoplamiento fijo mediante casquillo 3 Caballete 4 Elemento elastómero 5 Acoplamiento de compensación (rótula) 6 Barra conectada

4

6 3

b)

a)

La sincronización de los actuadores constituye otra dificultad, por ejemplo en el caso de unidades lineales dispuestas en paralelo, como sucede en el caso de sistemas de pórtico. En la fig. 2-35 puede apreciarse el principio del acoplamiento. En la fig. 2-35a podrían haberse previsto dos motores eléctricos separados. Sin embargo, en ese caso tendría que recurrirse a sistemas de medición de recorridos para detectar en todo momento cualquier diferencia del recorrido ocasionada por el deslizamiento o por la variación de la fricción, con el fin de realizar las correcciones correspondientes. Por esta razón y con el fin de simplificar el sistema, suele sincronizarse el movimiento mediante un árbol de transmisión por torsión, de un lado al otro. Tratándose de unidades lineales neumáticas, es posible conseguir la sincronización de los dos movimientos mediante un puente de unión.

Fig. 2-35: Sincronización de movimientos lineales

1

2

3

4

6 4

a) Accionamiento eléctrico b) Accionamiento neumático c) Accionamiento con eje de guía

2

5 1 Eje de sincronización 2 Eje de accionamiento principal 3 Motor 4 Puente de unión 5 Carro 6 Unidad de guía sin accionamiento 7 Eje de accionamiento

42

a)

b)

7

5

c)

En la configuración que se aprecia en la fig. 2-35 la finalidad no consiste en conseguir la sincronización de los movimientos. En este caso, el eje de accionamiento (neumático o eléctrico) está unido a un eje de guía sin accionamiento. Esta variante es muy frecuente cuando se quiere obtener un sistema extremadamente rígido, capaz de soportar momentos mayores. 2 Estructura por módulos

2.5 Modelos de movimientos

El progreso de la tecnología y los ciclos de vida cada vez más cortos de los productos han propiciado el desarrollo de unidades de manipulación constituidas por módulos. Con el fin de reducir considerablemente la fase de diseño y de pruebas en el ámbito de la construcción de máquinas especiales, fue necesario desglosar las funciones para definir funciones parciales. De esta manera fue posible diseñar unidades funcionales más económicas para cada una de ellas. En consecuencia, la planificación de las posibles combinaciones ha ido sustituyendo poco a poco el trabajo convencional de la planificación de proyectos de corte tradicional. Así fueron apareciendo módulos para los sistemas de control. A fin de cuentas, la existencia de componentes modulares fue necesaria para el desarrollo del software de los sistemas de diseño asistido por ordenador (CAD), para la simulación en tres dimensiones y para la documentación de las características de los productos. Los robots industriales y los componentes modulares de la técnica de manipulación han tenido como consecuencia un cambio radical de los métodos utilizados para el diseño y la fabricación de máquinas. Las unidades que ejecutan los movimientos determinan la configuración de los sistemas y el criterio principal para elegirlas es el tipo de movimientos necesarios para resolver una tarea de manipulación de piezas. No obstante, existen ciertas confusiones en relación con la definición de los tipos y formas de movimientos. La fig. 2-36 muestra una representación esquemática de los movimientos típicos. Todos los movimientos representados en dicha figura aparecen en la técnica de la manipulación. Una cinta de transporte puede ejecutar, por ejemplo, un movimiento de paso a paso, es decir, un movimiento interrumpido por fases de espera temporal. También los movimientos helicoidales pueden tener esta característica. Ejemplo: Fijar un tornillo aplicando un momento determinado. Una vez concluida esta operación, el sistema se detiene brevemente y ejecuta un giro en sentido contrario según un ángulo determinado definido previamente. De este modo se consigue automáticamente una holgura específica entre dos piezas atornilladas entre sí, independientemente de las tolerancias de su grosor. Los movimientos típicos de los sistemas pick & place son movimientos ininterrumpidos en sentidos opuestos. lineal

curvo

helicoidal

sin descanso Paso a paso Con retroceso

Sin cambio de sentido

Movimiento

Cambio de sentido

Fig. 2-36: Representación esquemática de los tipos de movimientos más importantes

sin descanso con descanso sin descanso

con descanso


43

Para la manipulación de piezas se necesitan normalmente varios ejes. Si suponemos que un equipo tiene 3 ejes (k = 3), y considerando además que cada uno de ellos puede ejecutar movimientos lineales o giratorios (cantidad “n” de elementos) y si, adicionalmente, partimos del supuesto que cada unidad que ejecuta un movimiento puede asumir una de 3 orientaciones posibles en el espacio, obtenemos las variantes V: V = nk = (2 x 3)3 = 216 variantes No obstante, no tenemos que analizar todas las 216 variantes, ya que muchas de las cadenas cinemáticas que representan no interesan para las aplicaciones de manipulación. Unas veces porque no aprovechan debidamente el espacio de trabajo y otras porque sólo se diferencian por su denominación cinemática. No obstante, muchas variantes sí nos interesan y las configuraciones más usuales se muestran en los esquemas de la fig. 2-37. Todas ellas pueden componerse recurriendo a componentes modulares. Según la frecuencia de sus aplicaciones pueden clasificarse de la siguiente manera: variante 2 aprox. 50%, variante 2/1 aprox. 10% hasta 15%, variante 4 aprox. 3%, variante 6 aprox. 15% hasta 20%, variante 6/2 aprox. 5%, variante 11/1 aprox. 5% y variante 11/2 aprox. 2%. Dependiendo del sistema modular, el montaje puede realizarse directamente o con la ayuda de adaptadores, con lo que la operación puede resultar sencilla en Fig. 2-37: Algunas combinaciones posibles entre unidades lineales (L) y giratorias (D) a Unidad lineal b Unidad de movimiento transversal c Unidad giratoria y basculante A Eje

44


algunos casos y, en otros, más complicada (dependiendo del tiempo necesario, los trabajos de adaptación, el escalonamiento de los tamaños de los módulos, el tipo de sistema de sujeción, etc.). Se sobreentiende que primero tendrá que averiguarse si en el mercado existe algún equipo compacto que ofrezca precisamente las secuencias de movimientos necesarias. No obstante, la dificultad consiste en que siempre hay que tener en cuenta el conjunto completo, ya que la variante deberá elegirse también en función del sistema de sujeción que se piensa utilizar. En la fig. 2-38a constan algunas variantes de configuración de las pinzas. Las pinzas dobles, por ejemplo, pueden resultar ventajosas en las operaciones de montaje y alimentación y, además, pueden permitir ahorrar tiempo. Sin embargo, al elegir una pinza de esta índole, es necesario disponer de un eje con unidad giratoria. Pero este tipo de eje significa un aumento de las masas móviles, lo que por su parte repercute en la elección del tamaño de la unidad inmediatamente anterior (ya que el tamaño influye en el rendimiento). En comparación con los equipos compactos, los sistemas modulares ofrecen la ventaja de poder seleccionar cada uno de los ejes de movimientos en función del rendimiento y considerando las combinaciones necesarias. Fig. 2-38: Variantes de la disposición de las pinzas

±45° 180°

a) Pinzas sobre placas, tipo revólver y tipo revólver/corona b) Pinzas combinadas para formar un sistema de sujeción y traslado 1 2 3 4 5 6 7 8 9

180°

2

180°

2 4 a) 6

Disco de base Unidad orientable Segmento de disco Pinza paralela Unidad lineal gemela Unidad de carrera corta Placa base Pieza Sistema de alimentación

M Operación de montaje

3

1

5

7

5 4 8 M

9 4 8

M

b)

En la fig. 2-38 puede apreciarse, además, el uso de pinzas dispuestas en paralelo que de este modo se transforman en un sistema de sujeción y transporte de piezas. Concretamente se trata de un sistema de montaje por ciclos con varias estaciones. Las pinzas ejecutan un ciclo rectangular abierto y de este modo las piezas avanzan de estación en estación. La unidad de manipulación consta casi únicamente de piezas modulares. Dado que la operación de montaje incluye operaciones de embutir a presión y de atornillamiento (también ejecutables neumáticamente), esta pequeña unidad puede funcionar recurriendo a un solo tipo de fuente de energía. 2 Estructura por módulos

45

En el siguiente ejemplo explicaremos un sistema para alimentar piezas a una máquina. Si la variante 4 de la fig. 2-37 es dotada de un eje principal en posición horizontal o si se utiliza la variante 11/1, es posible diseñar un sistema de alimentación sencillo con brazo doble. Tal como se indica en la fig. 2-39, los módulos que ejecutan el movimiento se encuentran en la parte superior de la máquina-herramienta. La unidad giratoria tiene que poder ejecutar movimientos hacia 3 posiciones. El brazo doble se detiene en la posición intermedia a la espera del siguiente ciclo. La alimentación de las piezas es sencilla: • Pinza G1 en posición del cargador, pinza G2 en posición del portabrocas • Movimiento lineal: sujeción de la pieza en bruto con G1, sujeción de la pieza acabada con G2 • Avance: retirar las piezas • Movimiento giratorio: G1 en posición del portabrocas, G2 en el canal de salida • Movimiento lineal: introducir las piezas • Abrir las pinzas, retroceso • Giro hasta la posición de espera • Inicio del mecanizado de la pieza A pesar de que las secuencias son numerosas, son suficientes dos posiciones finales (movimiento lineal) y tres posiciones intermedias (movimiento giratorio). Fig. 2-39: Alimentación de un torno automático con un cargador de doble brazo 1 2 3 4 5 6 7

Unidad giratoria/lineal Pieza Canal de salida Canal de alimentación Pinza de tres dedos Doble brazo Torno automático

1

2 3 4 5 6 7

2.6 Amortiguación en las posiciones finales

46

2

5 6

Todos los movimientos tienen que ejecutarse con el debido cuidado, incluso aunque cambien las cargas. En consecuencia, los movimientos tienen que ser rápidos y la parada en las posiciones finales tiene que ser suave. Para evitar un impacto fuerte contra topes fijos se utilizan amortiguadores. El efecto tiene que ser similar al de una mano que recoge una pelota al vuelo, adaptándose a su masa y velocidad. Así, la mano termina deteniéndose con suavidad. La operación de frenado no debe empezar de golpe ya que de lo que se trata es que el objeto no rebote ni vibre. Los dispositivos técnicos utilizados como amortiguadores pueden tener diversas características. En la fig. 2-40 se muestran las curvas características de los sistemas más difundidos. 2 Estructura por módulos

Fig. 2-40: Curvas características del desarrollo del efecto de amortiguación

1

Fuerza

1 Amortiguación neumática en las posiciones finales (“colchón de aire”) 2 Tornillo con muelle o con goma 3 Amortiguación de efecto progresivo 4 Amortiguador industrial 5 Cilindro hidráulico de amortiguación

2

3 4

5

Distancia de frenado

Los muelles y los topes elásticos tienen una línea característica de amortiguación muy ascendente y tienden a almacenar más energía de la que absorben. En consecuencia, provocan un rebote del objeto, con lo que los componentes son sometidos a esfuerzos considerables. Los frenos hidráulicos (cilindros de freno) actúan repentinamente (al menos las versiones más simples). El pico de la capacidad de amortiguación se encuentra al principio de su recorrido y a continuación desciende rápidamente. Ello significa que la mayor parte de la energía se anula al principio del recorrido del cilindro. Esta característica tiene como consecuencia que la fuerza de frenado es superior a la necesaria. Los amortiguadores neumáticos en las posiciones finales ofrecen la mayor resistencia al final de la carrera porque el aire se comprime. En consecuencia, la mayor parte de la energía cinética se anula al final de la carrera, lo que puede significar un gran esfuerzo para los componentes, dependiendo de su masa y de la velocidad de su movimiento. Los amortiguadores industriales son capaces de anular toda la energía de modo constante, con lo que no se produce un impacto y se evita el rebote. De esta manera, los componentes se someten a un esfuerzo mínimo ya que la masa se amortigua suavemente desde un principio. En la fig. 2-41 se muestra una comparación entre dos amortiguadores típicos. La superficie debajo de la curvas que expresan la relación entre la fuerza y el recorrido, representa el trabajo necesario para la operación de frenado (fig. 2-41a). Suponiendo que las superficies son iguales, entonces vemos en la fig. 2-41b que con el amortiguador industrial es posible alcanzar un tiempo de frenado aproximadamente un 60% más corto comparado con un amortiguador hidráulico. Por esta razón suelen utilizarse amortiguadores industriales en la técnica de manipulación. 2 Estructura por módulos

47

Fig. 2-41: Comparación entre un amortiguador hidráulico (1) y un amortiguador industrial (2)

2

Velocidad

Fuerza

a) Línea característica de fuerza/recorrido b) Línea característica velocidad/tiempo

2

1

t1

Tiempo de frenado

Distancia de frenado a)

1

t2

b)

Festo ha desarrollado amortiguadores de acción progresiva para sus actuadores HMP y HMPL de la serie YSRW... . Estos amortiguadores tienen un efecto de frenado inicial suave. En la fig. 2-42 se muestra una comparación de las líneas características de los amortiguadores nuevos y de los amortiguadores utilizados hasta ahora (autorregulados, hidráulicos, con muelle de reposición). Como puede apreciarse, el transcurso progresivo de la línea característica de fuerza/ carrera tiene como consecuencia que el aumento de la fuerza de frenado por unidad de recorrido dF/ds es mucho menos acentuado. Ello significa que con estos amortiguadores se consiguen fuerzas de amortiguación menores que con los amortiguadores utilizados hasta ahora (siendo igual el rendimiento con fuerzas de amortiguación máximas admisibles y bajo plena carga). Además, los nuevos amortiguadores provocan un rebote menor si la carga es superior a la máxima admitida. Adicionalmente cabe anotar que los amortiguadores de efecto progresivo consiguen reducir las vibraciones. Fig. 2-42: Líneas características de las fuerzas válidas en dos tipos diferentes de amortiguadores (Festo)

Amortiguador

YSRW

Fuerza

YSR-...-C

Amortiguador

Distancia

48


Los amortiguadores por lo general también pueden utilizarse como topes, tal como se aprecia en la fig. 2-43. En este caso, los amortiguadores están montados en el exterior. Al elegir los amortiguadores no deben sobrepasarse determinados valores máximos: • Absorción máxima de energía • Energía residual máxima • Fuerza máxima del impacto en la posición final Para respetar estos valores máximos es necesario conocer los parámetros válidos en cada caso en relación con la fuerza, la masa y la velocidad del impacto. Estos valores constan en los diagramas correspondientes y en función de ellos deberá elegirse el amortiguador más adecuado. Además, tiene que considerarse cuál es el rendimiento en función del tiempo, ya que la energía de la amortiguación se convierte en calor que debe cederse al entorno. Fig. 2-43: Unidad lineal con amortiguadores 1 Vástago 2 Yugo 3 Tornillo de tope y de ajuste fino 4 Amortiguador 5 Cilindro neumático

1 5

2

4

3 3

4

Éjemplo: Un cilindro se encarga de mover en el plano horizontal una masa “m” con una fuerza “F” hasta un tope en la posición final = amortiguador (fig. 2-44). Paso a paso se determinan los valores característicos importantes para la selección del amortiguador adecuado. Para realizar esta operación puede recurrirse a programas informáticos. Una vez conseguidos los datos hay que consultar la documentación técnica de los amortiguadores para elegir aquél que cumpla mejor las condiciones exigidas en cada caso. Se sobreentiende que también hay que comprobar si el amortiguador elegido tiene las dimensiones apropiadas para montarlo de manera que tenga un fácil acceso.


49

Fig. 2-44: Ejemplo de los pasos a seguir para elegir un amortiguador

m

Energía cinética w = v2m/2 Tiempo efectivo de la fuerza WA WA = Fs

2

1 V F

s

Trabajo de amortiguación total Wtot Wtot = W + WA Masa de sustitución ME = 2Wtot/V2

Tablas y diagramas de rendimiento v

Trabajo de amortiguación por hora Wh Wh = Wtot m Tipo de amortiguador Tamaño

mE

Si las condiciones son diferentes de las que muestra la fig. 2-44 (por ejemplo, disposición oblicua, palanca orientable o disco giratorio), deberán modificarse las fórmulas respectivas, para lo cual también puede recurrirse al software correspondiente. En la fig. 2-45 puede apreciarse la imagen que aparece en pantalla al utilizar uno de esos programas. Fig. 2-45: El programa “Selección de amortiguadores”

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Fig. 2-46: Sistema Soft-Stop (Festo)

1

1 Potenciómetro lineal 2 Regulador de posiciones finales 3 Tope fijo de posición regulable 4 Válvula posicionadora

2

3

4

Sin embargo, también existen otras posibilidades para llegar a las posiciones finales rápida y suavemente. Supongamos el caso de un módulo lineal utilizado como carro de pórtico para llevar piezas desde la periferia hacia la zona de trabajo. El transporte de las piezas (puede tratarse de recorridos relativamente largos) tiene que coordinarse con la estación de montaje. Lo esencial es llegar a la estación de montaje rápidamente, aunque con suavidad. El sistema que aparece en la fig. 2-46 dispone de reguladores en las posiciones finales, por lo que se trata de una solución de tecnología relativamente sofisticada. Además de conseguir una mayor suavidad de marcha, también permite ahorrar tiempo. En este caso puede prescindirse de amortiguadores de final de carrera que tendrían que soportar una carga considerable. Si la masa móvil es de, por ejemplo, 30 kg, se necesita algo más de un segundo para recorrer un tramo de 1200 mm. La velocidad máxima de 3 m/s se alcanza sólo durante una ínfima parte del tiempo total. El regulador tiene que disponer de diversos datos relacionados con el equipo, tales como la masa móvil y el comportamiento del cilindro neumático. Teniendo esos datos básicos, el regulador aprende por sí solo el recorrido y garantiza siempre una posición final precisa, incluso si cambian la masa o la carga. La precisión de repetición de este equipo es de 0,01 mm.


51

3 La técnica del posicionamiento

3.1 La libre programación

La tecnología del pasado constituye la base para la tecnología del presente. Este planteamiento resulta evidente especialmente en el caso de la mecánica y la neumática. La neumática es una asignatura más de las escuelas de ingeniería desde la época de Herón de Alejandría (75 D.C.). En la actualidad, muchas fábricas disponen de sistemas de aire comprimido, ya que los actuadores neumáticos son sencillos y económicos. Los movimientos son rápidos y sumamente precisos si se ejecutan contra topes fijos. Pero, ¿cómo se consigue frenar con precisión en una posición intermedia a pesar de la compresibilidad del aire? ¿Cuándo es preferible utilizar ejes de posicionamiento electromecánicos?

Para muchas tareas de la técnica de manipulación de piezas no es necesario utilizar un robot industrial, ya que la funcionalidad de los sistemas de pick & place suele ser suficiente. Además, el ingenio de los técnicos ha permitido diseñar sistemas que son capaces de ejecutar movimientos entre posiciones libremente programables, en vez de limitarse a realizar simples movimientos de avance y retroceso. Tales ejes se denominan ejes de posicionamiento. Combinando varios de esos ejes se obtienen equipos de manipulación cuya tecnología suele ser perfectamente suficiente para conseguir soluciones adecuadas y económicas. Para conseguir frenar en las posiciones necesarias puede recurrirse a dos sistemas: • Sistema de control (en bucle abierto) • Sistema de regulación (en bucle cerrado) Un eje controlado (fig. 3-1a) ejecuta el movimiento según un recorrido o ángulo previamente definido, aunque sin verificar si efectivamente se alcanza la posición requerida. Un motor de paso a paso se encarga, por ejemplo, de girar su rotor un ángulo de 2592 grados. Si el husillo, que está conectado directamente, tiene un paso de rosca de, por ejemplo, 3 mm, el carro avanza 2592 x 3/360 = 21,6 mm. Sin embargo, el sistema no detecta errores de posicionamiento y, en consecuencia, tampoco los corrige. Si, por lo contrario, se dispone de un sistema de regulación (fig. 3-1b), se efectúa continuamente una comparación entre el valor real y el valor programado. Cuando coinciden los dos valores, el eje se detiene. Para conseguirlo es necesario disponer de un sistema de medición de recorridos y un comparador. Una configuración de este tipo también se denomina circuito de regulación en bucle cerrado. Para mejorar el comportamiento dinámico del proceso de regulación del eje puede recurrirse además a los datos correspondientes al consumo de corriente y a la velocidad. Si el sistema de regulación dispone de estos datos, se crea un circuito de regulación interno, uno medio y otro externo, con lo que dicho sistema recibe el nombre de regulación en cascada. En principio es posible que el eje avance hasta una cantidad indistinta de posiciones intermedias mientras ejecuta sus movimientos y, además, las posiciones intermedias pueden estar muy cerca entre sí.

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Fig. 3-1: Control y regulación de ejes de posicionamiento

1

a) Control abierto b) Circuito de regulación

4 6

1 2 3 4

Motor paso a paso Carro Eje de posicionamiento Unidad de programación y control 5 Sistema de medición de recorrido 6 Servomotor

2

5

3 a)

b)

La precisión depende de la sensibilidad del sistema de medición, es decir, depende de su resolución. La unidad mínima detectable decide sobre la exactitud con la que puede llegarse a una posición determinada. El factor decisivo es la precisión de repetición. Esta precisión se refiere al grado de coincidencia existente al alcanzar una misma posición en diversos momentos bajo las mismas órdenes de control. ¿Cómo pueden medirse recorridos o ángulos? Existen muchas posibilidades para hacerlo y los sistemas de medición pueden tener diversos grados de sensibilidad. Los sistemas de medición se clasifican básicamente en sistemas de medición absoluta y relativa (incremental). Los sistemas de medición absoluta indican siempre la distancia en relación con un punto cero. Los sistemas de medición relativa efectúan una suma o resta incremental en función de la posición anterior. La distancia frente al punto cero o punto de referencia es, en consecuencia, el resultado de una operación de cálculo. Los sistemas de medición de recorrido más importantes se indican en la fig. 3-2. Hay disponibles muchos sistemas, tanto lineales como circulares. Fig. 3-2: Ejecuciones de sistemas de medición de recorridos 1 Regla codificada 2 Escala graduada, transmisor incremental 3 Potenciómetro, por ejemplo potenciómetro de plástico conductor 4 Resolver

1. Absoluto – Digital

3. Absoluto – Analógico


2. Incremental

4. Cíclico por fases

53

Si el actuador es giratorio (por lo que lleva engranajes intermedios), también es posible detectar los dientes de un engranaje, considerando cada diente como una unidad incremental. En la fig. 3-3 se muestra un ejemplo al respecto. Los dientes se detectan sin establecer un contacto mecánico. Considerando el paso del husillo y el desarrollo del sistema de engranajes es posible calcular la resolución. Sin embargo, con ello todavía no se conoce el sentido del giro. Para conseguirlo es necesario disponer de elementos adicionales. Fig. 3-3: Detección de dientes para el cálculo incremental de recorridos 1 Sensor inductivo 2 Soporte 3 Rueda dentada

1

2 3

En el caso de motores de corriente continua sin escobillas, también es posible procesar las señales del transmisor del cojinete del rotor para detectar la posición, ya que dicho transmisor emite las señales necesarias para la conmutación de las espiras. Además, este sistema también permite calcular la velocidad. Los potenciómetros de plástico conductor, utilizados para la medición de recorridos, nada tienen que ver con los reguladores del volumen de las radios de antaño que hacían crujir los altavoces. Los potenciómetros modernos son capaces de ejecutar hasta 100 millones de movimientos y pueden ser calificados de sistemas de medición de alta tecnología. Los medidores magnéticos funcionan sin contacto y sus características físicas son sumamente interesantes. Para determinar la posición del carro se aprovecha el tiempo que necesita un impulso de ultrasonido. En la fig. 3-4 se muestra el principio de funcionamiento de estos medidores. El impulso de ultrasonido avanza desde la parte frontal hacia un «cable conductor» sobre el que se mueve un imán permanente (montado, por ejemplo, sobre un carro). Al pasar por la zona magnetizada, cambian las propiedades acústicas, con lo que se produce una reflexión del impulso. En consecuencia, la medición de la distancia es, en realidad, una medición del tiempo (que transcurre entre los dos impulsos) utilizando medios digitales.

54


Fig. 3-4: Medición magnética del recorrido 1 Tubo 2 Conductor de ondas de sonido 3 Transmisor de posición 4 Imán permanente 5 Movimiento de posicionamiento

1 2 3 4 5

El montaje del sistema de medición es otro tema a tener en cuenta. Existen unidades que llevan integrado el sistema de medición (con lo que no es visible desde fuera) y otras lo llevan montado en su exterior. Además, también es posible montar el sistema de medición en un lugar adecuado de la estructura de la máquina.

3.2 Ejes servoneumáticos de posicionamiento

Los ejes servoneumáticos de posicionamiento aparecieron en el mercado aproximadamente desde el año 1985. A diferencia de los sistemas hidráulicos que funcionan con líquidos que casi no se comprimen, los sistemas neumáticos utilizan aire que sí se comprime con facilidad, con lo que el volumen no puede definirse con precisión. Por ello durante mucho tiempo se creyó que no era posible construir ejes neumáticos libremente programables. Sin embargo, con el tiempo fue posible demostrar lo contrario. El desarrollo de los ejes servoneumáticos fue impulsado principalmente por la técnica de montaje, ya que en ella es necesario realizar operaciones de posicionamiento rápidas y precisas, especialmente cuando se trata de equipos que tienen que soportar cargas pequeñas o medianas. Los ejes servoneumáticos de posicionamiento tienen los componentes que se indican a continuación: • Cilindro neumático (por ejemplo cilindro sin vástago) • Sistema de medición del recorrido • Válvula proporcional • Bloqueo (si procede) • Controlador de ejes (es decir, la unidad de control) Cuando fue posible coordinar debidamente todos los componentes individuales entre sí; cuando se dispuso de las unidades de computación miniaturizadas y se desarrollaron los algoritmos de regulación en bucle cerrado, fue posible obtener resultados aceptables. En la fig. 3-5 puede apreciarse el principio de funcionamiento de la regulación servoneumática de las posiciones.


55

Fig. 3-5: El principio de funcionamiento de la regulación servoneumática de posiciones

1

1 Bloqueo 2 Válvula posicionadora 3 Unidad de control y programación 4 Sistema de medición del recorrido

4

2 3

3.3 Ejes de posicionamiento electromecánicos

Estos ejes se distinguen por tener, como mínimo, una cadena de acción en dos etapas con el fin de conseguir un movimiento lineal de determinadas características mediante un husillo o una correa dentada de movimiento continuo. Los sistemas neumáticos, por lo contrario, tienen una sola etapa y, en consecuencia, también son calificados de actuadores directos. Un eje electromecánico de posicionamiento consta de las siguientes partes: • Eje que ejecuta el movimiento, con motor, brida del motor y acoplamiento • Sistema de medición del recorrido, integrado o externo • Electrónica funcional, por ejemplo servo-amplificador según tipo del motor, de uno o varios ejes • Conjuntos de cables preconfeccionados Los sistemas de accionamiento por husillo y por cadena dentada son los más difundidos. Su funcionamiento se explica en la fig. 3-6. Los ejes de posicionamiento pueden estar dotados de diversos tipos de motores. Los motores de paso a paso con un rendimiento < 1 kW son ideales para las aplicaciones de la técnica de manipulación. El motor es el eslabón de unión entre la información digital y el movimiento incremental. Si la resolución del giro del rotor es de, por ejemplo 500 ó 1000 pasos por giro, el posicionamiento es muy preciso. La aceleración del motor se rige por determinadas funciones de rampa. A modo de alternativa también pueden utilizarse servomotores. Se trata de motores eléctricos que están incluidos en un circuito cerrado de regulación, debiéndose detectar los parámetros correspondientes (revoluciones, posición o ángulo). Estos motores pueden seguir con precisión los valores teóricos o de consigna y son muy versátiles al cambiar dichos valores.

56


Fig. 3-6: Formas constructivas de ejes electromecánicos de posicionamiento a) Eje de accionamiento por husillo; velocidad máxima 1,7 m/s; carrera de hasta 2 m; precisión del posicionamiento: ± 0,2 mm b) Eje de accionamiento por correa dentada: velocidad máxima 5 m/s; carrera de hasta 5; precisión del posicionamiento: ± 0,1 mm

2

3

1

a) 4 5

b) 6

Los ejes de posicionamiento accionados por husillo se utilizan preferentemente cuando se exige la máxima precisión y cuando se necesitan elevadas fuerzas axiales durante el avance. Los ejes de accionamiento por correa dentada ofrecen ventajas cuando es necesario llegar con rapidez a determinadas posiciones recorriendo tramos más largos.

3.4 Evaluación y selección

Siempre llega el momento en el que el usuario tiene que decidirse en favor de determinado tipo de eje de posicionamiento. En primer término, tiene que cumplir los requisitos técnicos. Si existen diversas variantes que los cumplen, entonces el criterio decisivo está determinado por los costos. En principio puede afirmarse que, suponiendo la misma dinámica, los ejes de posicionamiento servoneumáticos son mucho más económicos que los eléctricos. El accionamiento de un eje servoneumático lo realiza una válvula posicionadora que con una capacidad de conmutación de 5 milésimas de segundo ofrece una dinámica muy elevada. Los ejes neumáticos son capaces de acelerar con hasta 10 g. ¿Qué variantes incluye el conjunto de módulos de Festo para la técnica de posicionamiento? En la fig. 3-7 se incluye un esquema general. Los criterios que determinan la elección de un eje de posicionamiento son la masa, la velocidad del movimiento, la precisión de repetición y la carrera útil. Para hacer una primera selección puede recurrirse, por ejemplo, a diagramas de configuración de ejes que en pocos pasos ofrecen una primera información. Asimismo, también es posible efectuar primero una comparación entre las exigencias y el rendimiento de los ejes. La fig. 3-8 muestra una clasificación de carácter general. Los recuadros “a” hasta “k” representan la característica de rendimiento de una unidad funcional típica. Las superficies negras corresponden a la tabla 3 x 3 que consta encima de los recuadros. 3 La técnica del posicionamiento

57

Actuador y guía

Fig. 3-7: Sistema de módulos para la técnica de posicionamiento (Festo)

Electromecánico

Neumático

Guía interna Guía externa Accionamiento por husillo o correa dentada Motor de paso a paso o servomotor

Guía interna

Incremental

Unidad de control

Medición del recorrido

Absoluto-Digital

Absoluto-Analógico

Guía externa

Cíclico por fases

Integrado o montaje externo

Controlador de ejes

Mando sencillo

Control de ejes múltiples

Fig. 3-8: Características de rendimiento típico de ejes y guías seleccionados a) Accionamiento por correa dentada con guía de geometría prismática b) Accionamiento por correa dentada con guía de rodamiento de bolas c) Accionamiento de bola y rosca con guía de geometría prismática d) Eje servoneumático con guía de fricción e) Accionamiento por cadena vertical con guía prismática f ) Accionamiento electromecánico por correa dentada con guía para cargas pesadas g) Eje electromecánico de accionamiento por husillo h) Eje electromecánico de accionamiento por correa dentada i) Eje servoneumático con guía para cargas pesadas k) Accionamiento roscado anular con guía de geometría prismática

58

Nivel

Velocidad

Carga

Precisión de repetición

alto

0,5…5 m/s

100…500 N

±0,05…±0,0005 mm

20…100 N

±0,1…±0,05 mm

mediano 0,02…0,5 m/s bajo

menos de 0,02 m/s menos de 20 N ±0,5…±0,1 mm


En cada caso individual deberá analizarse si el rendimiento corresponde al que exige la aplicación concreta, especialmente en lo que se refiere a las fuerzas y los momentos de giro y a los puntos en los que éstos inciden. Los esfuerzos individuales que aparecen la fig. 3-9 se utilizan para determinar el esfuerzo combinado con el fin de compararlo con los valores máximos admitidos en relación con las fuerzas y los momentos. Los diagramas con sus criterios de aplicación siempre tienen el origen de las coordenadas en el carro. Si los valores superan a los máximos admitidos, deberá pensarse en la posibilidad de reducir las fuerzas y los momentos (por ejemplo, modificando los puntos en los que incide la fuerza, acercándolos más al centro de gravedad de la masa); si ello no es posible, deberá recurrirse a guías más resistentes. También pueden utilizarse guías que tienen un efecto de apoyo adicional, tales como guías de rodillos. Fig. 3-9: Momentos de giro y fuerzas que inciden en las unidades lineales

1 1 Punto cero de las coordenadas 2 Carro de guía 3 Guía perfilada

2 3

F Fuerza M Momento

Los sistemas de varios ejes están expuestos a un gran esfuerzo dinámico porque la carga representa un sistema en movimiento que cambia constantemente. Por ello, en algunos casos se combinan los módulos lineales para formar una unidad paralela, tal como puede apreciarse en la fig. 3-10. Concretamente se trata de una unidad de pórtico en calidad de eje básico, capaz de soportar fuerzas mayores y que, además, tiene una flexión menor incluso si los puntos de apoyo están distanciados entre sí. El carro de material compuesto está unido sin holguras al los émbolos de los cilindros sin vástago. La guía de rodillos es parte integrante del conjunto y se encarga de compensar los momentos de giro. Fig. 3-10: Combinación de dos ejes neumáticos para formar una unidad gemela (Univer)

Finalmente debe tenerse en cuenta que si los puntos de unión mecánicos (cuerpos perfilados) son compatibles, es posible combinar ejes eléctricos y neumáticos, incluyendo los ejes de posicionamiento y de posiciones finales. Si un sistema funciona con dos tipos de energía, es necesario disponer de sistemas de alimentación y de control separados, lo que puede ser desfavorable. 3 La técnica del posicionamiento

59

4 El uso de los sistemas de pick & place

Primero simplificar y luego automatizar. Este es un criterio que también es válido en la técnica de la manipulación. Si la elección es precipitada, el equipo suele no ser óptimo. Pero, ¿cómo automatizar? ¿Acaso necesariamente tiene que ser un robot industrial? ¿No es suficiente utilizar un equipo de alimentación de piezas? De hecho, en algunos casos ni siquiera se necesita un equipo de alimentación de dos ejes. Existen muchas operaciones de alimentación de piezas que pueden realizarse perfectamente con medios muy sencillos y, desde luego, utilizando componentes estándar de neumática industrial. Pero ello no significa que esos equipos deban menospreciarse, ya que cuanto más sencillo es un equipo, tanto mejor. Lo que no existe, no puede fallar. Por esta razón, en este capítulo analizaremos este tipo de soluciones.

4.1 Equipos modulares de manipulación

4.1.1 Utilización de unidades giratorias

Las unidades giratorias permiten hacer girar los objetos a lo largo de un determinado ángulo y sus aplicaciones son múltiples. En determinados casos las unidades giratorias se accionan con cilindros lineales, tal como muestra el ejemplo de la fig. 4-1. Las piezas se transportan mediante una cinta (que proviene del fondo del dibujo) y, a continuación, se desvían hacia la derecha o la izquierda. Para conseguirlo, la placa de entrega debe tener tres posiciones. La placa asume su posición intermedia por efecto de un muelle cuando no se aplica presión a ninguno de los dos cilindros. La precisión del sistema es más que suficiente para esta aplicación. Esta operación de desviación de piezas es muy frecuente y también podría solucionarse con un actuador giratorio capaz de avanzar hasta tres posiciones.

Fig. 4-1: Cilindro lineal combinado

1

con una unidad giratoria

2 1 2 3 4 5

Pieza, paquete Placa de desviación Rodillo Cilindro de simple efecto Cinta de transporte

3 5 4

La solución esquematizada en la fig. 4-2 demuestra la distribución selectiva del avance de las piezas. Las placas avanzan por cintas de transporte y al final llegan a una placa basculante. Normalmente las piezas son distribuidas equitativamente hacia dos estaciones de trabajo; sin embargo, si una de ellas no funciona, las piezas se desvían hacia un solo lado. El actuador giratorio simplifica la configuración de los componentes mecánicos y, además, es económico. De esta misma manera también pueden diseñarse unidades para invertir el sentido del avance de piezas planas en 180°. En ese caso, los portapiezas deberían ser del tipo adecuado. 60


Fig. 4-2: Desviación del sentido de avance de piezas 1 2 3 4 5

Unidad giratoria Estación de trabajo Cinta de transporte Pieza Cinta de alimentación de piezas 6 Tramo de desviación o segunda estación de trabajo

Al utilizar unidades giratorias hay que saber cuál es la carga que soportan. Para ello puede recurrirse a los diagramas de rendimiento correspondientes a cada unidad. En dichos diagramas consta el momento de inercia de la masa, el ángulo de giro y el tiempo del giro. El momento de inercia de la masa de las piezas adosadas al actuador giratorio tiene que calcularse adicionalmente. En la fig. 4-3 vemos un ejemplo. Debe tenerse en cuenta que únicamente la placa de conexión está montada directamente sobre el actuador giratorio y, en algunos casos, incluso es parte integrante del mismo. Todas las demás masas que no se encuentran sobre el eje son consideradas puntos de masas que se encuentran a una determinada distancia del punto de gravedad de la masa, reduciendo el momento de inercia del actuador giratorio. Sólo considerando este factor pueden sumarse los momentos de inercia. Este procedimiento lleva el nombre de “regla de Steiner”. El momento de inercia total se calcula según la siguiente fórmula: Jtot = JZ1 (Placa) + JZ2 (Brazo) + JZ3 (Pinza) + JZ4 (Pieza) Jtot = JZ1 + JS2 + m2 · r22 + JS3 + m3 · r12 + JS4 + m4 · r12 Conociendo el valor de Jtot puede utilizarse el diagrama de rendimiento para determinar el tiempo de giro factible y admisible suponiendo un ángulo de giro de, por ejemplo, 180°. En el ejemplo aquí explicado, tendría que comprobarse además si el equipo soporta las fuerzas de gravedad ocasionadas por las masas, es decir, si dichas fuerzas son inferiores a la carga máxima que soporta el eje Z. Dicho sea de paso, Festo dispone de un programa de fácil uso para calcular los momentos de inercia de las masas. Dicho programa contiene los valores correspondientes a diversos objetos básicos y a los componentes estándar de Festo. Después de introducir las dimensiones, el material y la excentricidad, el programa se encarga de calcular el momento de inercia y la masa total. 4 El uso de los sistemas de pick & place

61

Fig. 4-3: Unidad giratoria con brazo y pinza. Un ejemplo para calcular el momento de inercia de la masa J

z

r1 r2

1 1 2 3 4 5

Actuador giratorio Placa de conexión Brazo Pinza Pieza

x

2

m1

3 JS2

m2

m3 4 5

JS3 m4 JS4

ÚAcero = 7850 kg/m3 ÚAluminio = 2700 kg/m3 D

Cilindro macizo JZ1 =  · D4 · L · Ú/32 kgm2

L

b

a

Paralelepípedo JS = h · b3 · a · Ú/12 kgm2

h

m z r

Punto de masa (reducido) JZ = JS + mr2 kgm2

JS

Esos resultados pueden memorizarse e imprimirse. En la fig. 4-4 vemos el aspecto que en la pantalla tiene ese programa. Fig. 4-4: Captura de pantalla del programa “Cálculo de momentos de inercia de las masas”

62


La unidad con brazo giratorio de la fig. 4-5 tiene aproximadamente las mismas proporciones que aparecen en la fig. 4-3. El eje giratorio hueco es un detalle interesante, ya que permite el paso de vacío o de aire comprimido (si se utiliza un generador de vacío tipo Venturi). Fig. 4-5: Unidad con brazo giratorio, un componente clásico de Festo

A continuación explicaremos el ejemplo de un sistema utilizado en la técnica de procesos. Las unidades giratorias también son una buena solución para controlar el flujo de material a granel, tal como muestra el ejemplo de la fig. 4-6. El truco consiste en colocar correctamente los canales en el tambor. La función de manipulación es en este caso la bifurcación del flujo del material, es decir, dividir un flujo en dos flujos parciales. Dicho sea de paso que si el material es inflamable, el uso de actuadores neumáticos contribuye a reducir el riesgo de explosión. Esta misma solución también podría utilizarse para distribuir piezas pequeñas que no se traban entre sí, utilizando vacío. En el mercado pueden adquirirse diversas variantes de equipos de alimentación o dosificación por vacío. Fig. 4-6: Desvío del flujo de material 1 Canal de alimentación 2 Unidad giratoria (ángulo de giro de 180°) 3 Canales de distribución 4 Tambor de distribución

2

1

4

3 4

1

3


63

Para finalizar el tema del uso de actuadores giratorios, explicaremos el funcionamiento de un equipo de alimentación que se usa, por ejemplo, en sistemas de montaje automático. Se trata de un equipo que retira piezas individuales (distribución de piezas). En la fig. 4-7 se aprecia un alimentador doble para conseguir un flujo doble de las piezas. Ambos empujadores giratorios están conectados entre sí mediante ruedas dentadas, de modo que funcionan de modo sincronizado. Claro está que también podrían utilizarse unidades de aletas giratorias, con las que la mecánica sería algo más sencilla, pero el conjunto ocuparía más espacio. Fig. 4-7: Alimentador doble para la distribución de piezas de montaje

3

2

1

1 2 3 4 5

Unidad de aletas giratorias Rueda dentada Cargador Eje Canal hacia la máquina de montaje 6 Pieza 7 Empujador giratorio

7

4.1.2 Sistema de un eje y sistemas de varios ejes

4 5 6

Hay muchas tareas de manipulación de piezas que pueden resolverse tanto con soluciones complicadas como con soluciones sencillas. Por esta razón nos parece oportuno ofrecer algunos ejemplos. En estaciones de embalaje a menudo es necesario dividir el flujo de las piezas. Para ello puede recurrirse a cintas de transporte especiales que en la parte superior tienen chapas de deslizamiento y elementos curvos en la parte inferior, de modo que las piezas avanzan en posición transversal. En la fig. 4-8 vemos que con ese fin se utiliza un cilindro multiposicional (dos cilindros unidos) que permite obtener tres posiciones fijas. Los movimientos pueden ejecutarse según determinadas secuencias, mediante señales externas o, también de modo aleatorio. La velocidad de la cinta de transporte de salida permite separar las piezas entre sí; algo indispensable en esta aplicación concreta. En máquinas deformadoras de material y en diversas máquinas especiales, las piezas tienen que alimentarse secuencialmente desde una cinta. En la fig. 4-9 se muestra un equipo de alimentación que consta de un cilindro neumático sin vástago y de dos pinzas paralelas. Si bien es cierto que para este tipo de aplicaciones existen alimentadores especiales, en determinados casos y tratándose de máquinas especiales es posible ahorrar espacio con una solución de confección propia. El trayecto de avance se limita de modo preciso con topes o amortiguadores externos. En el movimiento de retorno, las pinzas están

64


Fig. 4-8: Cinta distribuidora adecuada para velocidades de transporte bajas

1 2 1 2 3 4 5 6

Cinta de alimentación Pieza, producto Borde de guía Guía giratoria Conjunto de unión Cilindro neumático multiposicional 7 Sensor óptico de reflexión

v2

v1 3

4

v1 > v2

7

5 6

abiertas. En el caso concreto que aquí se explica no se utiliza una mordaza que sujete la cinta en esta fase ya que se supone que durante la fase de retorno la cinta todavía se encuentra prensada por la máquina de deformación o corte del material. El control está a cargo de una leva del eje central (eje principal). Modificando la posición de la leva es posible regular el momento más adecuado para el movimiento de avance. Fig. 4-9: Alimentación de placas o flejes mediante pinzas paralelas 1 2 3 4 5 6 7

Prensa Placa o fleje Pinza paralela Soporte Unidad lineal Tope externo Leva de regulación en el sistema de accionamiento de la prensa

36 3

G1

1 2

G1

Retorno

G2

4

G2 5

Abrir 7

Las unidades giratorias también pueden utilizarse para confeccionar equipos de alto rendimiento de un solo eje. Analicemos un ejemplo. En la fig. 4-10 puede apreciarse un equipo para trasladar piezas. Las placas se recogen mediante ventosas y a continuación el sistema se encarga de transportarlas de una cinta a la otra. Los vástagos pasan entre las vías de rodillos y en la configuración que aquí se explica hay suficiente tiempo para la entrega de las placas, ya que el actuador giratorio se mueve lentamente y de modo homogéneo. El ángulo de giro es inferior a 180°. Sin embargo, los sistemas neumáticos no son muy apropiados para ejecutar movimientos lentos. En consecuencia, no basta con hacer pasar el aire de escape por una válvula reguladora de caudal. Por ello es recomendable recurrir a dos válvulas de regulación (fig. 4-11). En este caso, la regulación es más precisa, ya que es posible regular el aire de alimentación y el aire de escape. La generación más lenta de la presión permite acelerar más lentamente y, además, así se consigue evitar impactos demasiado fuertes en los finales de carrera. 4 El uso de los sistemas de pick & place

65

Fig. 4-10: Equipo para transportar piezas planas de una posición a otra 1 2 3 4 5

1

Acoplamiento Pieza Vía de rodillos Ventosa Unidad giratoria

4 5

2 3

Si el momento de giro de un solo actuador giratorio es insuficiente, también es posible montar un actuador giratorio en cada lado del acoplamiento. En ese caso, los dos actuadores están unidos mecánicamente. Fig. 4-11: Válvula doble de regulación de caudal

Finalmente vemos en la fig. 4-12 un equipo de manipulación con 4 ejes móviles. Sin embargo, tan sólo el eje A1 tiene que ser un eje de posicionamiento. Los demás ejes simplemente ejecutan movimientos entre topes amortiguados. En ese caso, la pieza que es objeto de la manipulación es un CD. Éste se recoge mediante ventosas, se eleva ligeramente y a continuación se produce un giro en 90° para entregarlo en un cargador. Una vez entregado el CD en la ranura del cargador, el eje A1 se encarga de retirar ligeramente las ventosas. Entonces el brazo vuelve a girar hasta llegar a su posición inicial para recoger el siguiente CD. Como puede apreciarse, buena parte del equipo de manipulación está constituido por componentes de probada eficiencia, lo que significa que es perfectamente posible prescindir de un robot industrial en este caso.

66


Fig. 4-12: Introducir CDs en un cargador

A3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Unidad lineal Cilindro de carrera corta Eje de posicionamiento Brazo giratorio Unidad giratoria CD Ventosa Tramo de alimentación Cargador Cilindro de tope

1 2

A4

A2 3 5

4

5

6

8

4.2.1 ¿Hombre o máquina?

10

El progreso tecnológico ha producido un acercamiento entre la “neumática avanzada” y la electrónica. Así han surgido nuevas aplicaciones y la neumática se ha transformado en una alternativa siempre interesante para la automatización de las operaciones de montaje, especialmente si es necesario realizar movimientos lineales rápidos y si las exigencias relacionadas con la precisión no son demasiado estrictas. Se sobreentiende que el aspecto económico también es un factor importante. Además, existen numerosos accesorios de neumática que facilitan la planificación de proyectos y permiten realizar un montaje sencillo.

Aunque por lo general el criterio principal para automatizar es la racionalización, existen piezas que por su pequeño tamaño tienen que montarse necesariamente a máquina, independientemente del factor económico. Por otro lado, aunque el tamaño de las piezas permitiera un montaje automatizado, podría suceder que su forma, el carácter complejo de la operación o las cantidades previstas no justifiquen el uso de una máquina. El cuadro 4-13 incluye una tabla general que muestra diversos criterios y su grado de dificultad. La automatización de operaciones complicadas siempre implica un mayor riesgo técnico y las instalaciones son más costosas.

Machine

Difficult

Fig. 4-13: Grados de dificultad de las operaciones de montaje

Difficult for machine Easy for humans

Difficult for both

Easy for both

Easy for machine Difficult for humans

Easy

4.2 Sistemas de pick & place para operaciones de montaje

A1 9

Easy

Difficult

Humans


67

Fig. 4-14: Transmisión de movimientos mediante elementos de tracción y compresión desde la excéntrica hasta el módulo que ejecuta los movimientos 1 2 3 4

Carro Estructura Pinza Elemento de tracción y compresión 5 Bloque rodillo-leva 6 Excéntrica

1 4 5 2 3 6

4.2.2 Operaciones de montaje con neumática

68


Fig. 4-15: Taladrar y montar mediante un plato divisor 1 2 3 4 5

Alimentación de los pernos Pieza completa Plato divisor Pieza de base Equipo doble de embutición 6 Unidad de avance de la taladradora 7 Corredera 8 Cilindro neumático

Ello significa que deben considerarse numerosos factores y, tratándose de productos fabricados en grandes series, adquiere mayor peso el criterio de la velocidad de los procesos. En ese tipo de aplicaciones, las máquinas de montaje controladas en función de la forma de una excéntrica son idóneas. Las excéntricas no solamente determinan el accionamiento de las unidades que ejecutan los movimientos, sino que su forma también contiene de modo definitivo datos correspondientes a los recorridos o ángulos (memoria del programa). Así, los movimientos y sus características siempre son precisos e iguales. Por lo general los engranajes funcionan en un baño de aceite, por lo que son muy silenciosos. Los movimientos se transmiten de modo directo mediante varillaje o palancas acodadas hacia las unidades que ejecutan los movimientos. Utilizando elementos de presión o tracción para transmitir los movimientos se dispone de mayores libertades al planificar, tal como lo muestra de modo simplificado la fig. 4-14. Por su velocidad, los actuadores neumáticos están en desventaja. Sin embargo, un robot rápido del tipo SCARA es capaz de moverse 25 mm 5 en altura, 150 mm en el plano horizontal y 25 mm hacia abajo en tan sólo 0,32 segundos (ciclo de 1 6 pick & place). 2 3

7 8

4

Al planificar equipos de montaje suele recurrirse a numerosos componentes de la neumática industrial: • Actuadores para instalaciones encargadas de unir piezas (prensas, equipos de avance, etc.) • Actuadores para distribuir, fijar y para mecanismos secuenciadores • Actuadores para pinzas y sistemas de sujeción • Componentes de vacío para sujetar por adherencia • Cilindros de tope para detener movimientos en determinadas posiciones • Componentes móviles para ejecutar movimientos giratorios o combinar movimientos giratorios y de elevación • Unidades servoneumáticas para movimientos lineales hasta posiciones finales, posiciones intermedias o posiciones libremente programables 4 El uso de los sistemas de pick & place

69

Fig. 4-16: Colocación de una pieza de base (Festo) a) El equipo completo b) Características del movimiento mediante cigüeñal c) Representación esquemática de las funciones de manipulación 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Actuador giratorio Empujador Carro Columna Soporte para la pieza Cinta de transporte doble Pinza Biela Pieza de base Acanaladura de alimentación

A continuación comentaremos algunos ejemplos para ilustrar las posibles aplicaciones. v 1

1 8 2 Un módulo 3 funcional está compuesto por la unidad de accionamiento y la guía.

Estos componentes son suficientes para ejecutar numerosas tareas para las que un robot sería una solución desorbitada. b) En la fig. 4-15 se muestra un plato 9 4 divisor para 7embutir pernos en una pieza de base. En la estación anterior se realizan varios taladros en la pieza. La taladradora se encuentra montada sobre 5 un carro que avanza hasta las posiciones10 correspondientes. Los movimientos 6 están a cargo de un cilindro neumático. a)

c)

s Recorrido v Velocidad

Fig. 4-17: Equipo de pick & place placas de circuito impreso 1 Pieza (placa de circuito impreso) 2 Pinza 3 Pinza paralela 4 Placa de adaptación 5 Unidad giratoria 6 Actuador neumático lineal 7 Tope fijo

1

Normalmente no se utiliza una sola máquina para ejecutar las operaciones 2 de mecanizado y montaje debido al problema de la suciedad causada por las virutas. Sin embargo, si la máquina está dotada de un sistema de aspiración 3 eficiente y si las exigencias de calidad no son demasiado estrictas, es factible 4 realizar las dos operaciones en una sola máquina. 5 La ventaja consiste en que 6 7 de esta manera coinciden exactamente los centros de la unidad encargada de introducir los pernos y de la que aplica presión sobre ellos para embutirlos. La unidad de montaje que aparece en la fig. 4-16 consta de varios módulos giratorios. Las piezas de base se trasladan desde el cargador hacia el soporte Desplazamiento que avanza por una cinta de transporte hacia una máquina de montaje. Dado Carrera del cilindro que la velocidad del mecanismo tipo cigüeñal se rige por el movimiento lineal según la derivada de una función sinusoidal, este sistema ofrece ventajas durante los movimientos de retorno hacia las posiciones finales correspondientes ya que en la aproximación la velocidad del carro baja hasta casi cero.

70


Fig. 4-18: Montaje de tapas a) Recogida de una pieza del cargador b) Montaje 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Cargador Pieza Pieza a unir Pinza para alimentar las piezas Tope para alimentación de piezas individuales Vástago Conducto de vacío Cadena de transporte con soportes para las piezas Pieza básica Guía del cabezal Cilindro neumático

1

4

2

5 11

Considerando que el tiempo necesario para ejecutar los movimientos es un 3 criterio decisivo a la hora de6diseñar equipos para el montaje de piezas, puede resultar recomendable utilizar un actuador lineal neumático sin vástago con «soft-stop» rápido. El funcionamiento del “soft-stop” ya fue explicado 7 8se controla en la fig. 2-44. La amortiguación 9 10 por software, lo que significa que el avance se realiza mediante regulación electrónica, a) hasta las posiciones finales b) para lo cual se utiliza un conjunto que incluye una combinación de cilindro, válvula y potenciómetro. Así es posible reducir en hasta un 30% el tiempo necesario para ejecutar el movimiento desde A hacia B. Debe tenerse en cuenta que las propiedades del sistema únicamente son óptimas dentro de un margen establecido por la carrera del cilindro. En consecuencia, el movimiento debe limitarse de tal manera que corresponda al movimiento del cilindro entre sus topes fijos (fig. 4-17). El equipo de manipulación de la fig. 4-17 recoge una placa de circuito impreso, la gira y, ejecutando un movimiento de avance rápido, la deposita.

Fig. 4-19: Giro de paquetes en posición vertical. Operación previa al embalaje 1 Tramo de alimentación de piezas 2 Paquete o cualquier pieza 3 Bloqueo de retención de piezas 4 Módulo giratorio 5 Cinta de transporte

1 2 3 4

5

En la fig. 4-18 puede verse otro ejemplo. Se trata de una estación para el montaje de tapas de plástico. Para ejecutar esta tarea son suficientes dos elementos neumáticos. Una pinza paralela se encarga de alimentar las piezas una a una. La tapa cae por su propio peso en posición vertical y se mantiene en esa 4 El uso de los sistemas de pick & place

71

4.2.3 Medios auxiliares periféricos

posición por acción del vacío. La operación de giro en 90° es un movimiento derivado ejecutado mecánicamente. Una vez concluida la operación de cierre de la tapa, el vacío conmuta a chorro de aire comprimido para soltar la tapa.

Fig. 4-20: Preparación de arandelas de presión para su montaje 1 Robot industrial 2 Cabezal de montaje 3 Cargador de arandelas de presión 4 Empujador 5 Pinza de tres dedos 6 Dedo de la pinza 7 Placa elevadora 8 Válvula reguladora de la fuerza necesaria para abrir la arandela

72

3

2

4

1

Cuando las piezas llegan al final de una línea de montaje suele ser necesario girarlas para conseguir colocarlas de tal manera que ocupen menos espacio en los embalajes o las paletas. En la fig. 4-19 se muestra5una posible solución. En este caso, el accionamiento lo realiza un actuador giratorio. Durante el movimiento de giro debe evitarse que avance la pieza 7siguiente. Para lograrlo se utiliza un brazo8 amortiguado provisto de rodillo. No es necesario prever un sistema de control especial para el funcionamiento del brazo de6 retención. La cinta de salida es doble y entre ambas se intercala el brazo giratorio.


Fig. 4-21: Alimentación de piezas provenientes de un cargador 1 2 3 4 5 6

Peso sobre las paletas Cargador Paletas Pieza Rueda de alineación Pared de chapa del cargador 7 Paleta vacía 8 Bloqueo de antirretorno 9 Trinquete empujador

Las operaciones mediante una unidad de pick & place suelen ser eficientes únicamente si los elementos previos se encargan de posicionar correctamente las piezas. Analicemos un ejemplo para explicarlo. El ejemplo en cuestión se refiere al montaje de arandelas de presión para ejes. En primer término, un empujador se encarga de retirar las arandelas de un cargador6(fig. 4-20). A continuación, una pinza neumática de tres dedos entra en la arandela para abrirla de tal modo que quepa sobre el eje. Estando abierta la arandela, la recoge la unidad de pick & place. Para que la arandela no se vuelva a cerrar, 1 se interpone una cuña en su ranura. A continuación, un robot coloca 7 la arandela 2 en la posición adecuada para su montaje sobre el eje. La operación para abrir la arandela debe 3controlarse mediante un regulador de presión, ya que de ningún modo debe superarse el límite de la deformación plástica. Este complicado procedimiento 4únicamente se aplica si la operación de montaje afecta a componentes que son relevantes para la seguridad. 5

8 9

Fig. 4-22: Entrega de piezas planas a) Operación de separación de las piezas b) Operación de empujar las piezas 1 Cargador 2 Actuador de aletas giratorias 3 Elemento giratorio 4 Empujador 5 Cilindro plano o pequeño 6 Pieza

En la fig. 4-21 podemos apreciar otro sistema de preparación de piezas para el montaje. Las piezas se encuentran en pequeñas paletas que, a su vez, están en 5 1 un cargador. Las piezas se retiran paso a paso y las paletas vacías se empujan hacia un cargador adjunto donde quedan apiladas. Las paletas contienen piezas dispuestas en varias filas, por lo que, al retirarse, son desviadas hacia varias 2 vías. 3 6

4 a)


b)

73

4.3 Alimentación de piezas a una máquina, procedentes de un cargador

4.3.1 Equipos de alimentación que emulan la mano

74

Estos ejemplos demuestran que para ejecutar movimientos auxiliares de operaciones de montaje bien puede recurrirse a elementos neumáticos.

Finalmente explicaremos un ejemplo de preparación de piezas pequeñas planas para su montaje posterior. Tal como se aprecia en la fig. 4-22, las piezas se encuentran en un cargador inclinado. Una unidad neumática se encarga de separar las piezas y un módulo de aletas las gira para que asuman la posición necesaria para las operaciones posteriores. Una vez que las piezas se encuentran en posición horizontal, una unidad neumática lineal las empuja hacia la zona de trabajo (en dirección vertical en relación con el plano del esquema). En determinadas aplicaciones, esta última operación puede ser la operación de montaje.


Fig. 4-23 Torno con manipulador acoplado 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Unidad giratoria Pieza Torno Accionamiento para distribuir las piezas Plano inclinado Cargador de piezas acabadas Cilindro elevador Unidad elevadora Mordaza de carrera corta Pinza

La manipulación de piezas es una operación fundamental en los procesos industriales automatizados. La manipulación se complica a raíz de la gran can1 masas y estructuras que pueden tener las piezas. tidad de formas, tamaños, Además, otra dificultad consiste en tener que entregar 8las piezas en la posición 9 adecuada efectuando los movimientos en espacios muy 10reducidos. En principio tienen que realizarse dos tareas: 2 • La manipulación de piezas como tal y • la inclusión de esta operación en el conjunto de funciones que ejecuta 2 la máquina (incluyendo el control de todas las acciones mediante detectores) 3

Las “manos de hierro”4 son un buen ejemplo. Se trata de un sistema que surgió a principios de la década de los años cincuenta, utilizado para sujetar las piezas que eran deformadas en las prensas. En la actualidad existen numerosos equipos automáticos y manuales de carga y alimentación para una cantidad relativamente amplia de aplicaciones. 5 6

En la actualidad siguen funcionando7muchas máquinas que tienen que ser alimentadas a mano. Ello puede resultar sorprendente en vista de la disponibilidad de equipos técnicos muy modernos. Sin embargo, hay diversas razones que justifican en trabajo manual: • El operario lleva a cabo un control visual adicional, de modo que no es posible prescindir de la alimentación de las piezas a mano • La pieza es difícil de manipular y el uso de un sistema automático sería una fuente inaceptable de fallos • Hay que cambiar frecuentemente de piezas, lo que afectaría también al ajuste del manipulador • No se dispone de personal debidamente cualificado, considerando que los sistemas de alimentación de piezas tienen que ajustarse debidamente y, además, tienen que realizarse trabajos de mantenimiento. Además, puede ser que la máquina a la que se alimentan las piezas no sea apropiada para dotarla de equipos automáticos • Bien puede ser que simplemente no se haya siquiera pensado en la posibilidad de automatizar el proceso de alimentación de piezas mediante componentes automáticos

Fig. 4-24: Colocar piezas mediante un giro superior 1 2 3 4 5

Sensor de reflexión directa Mesa elevadora Unidad de giro Máquina Cinta de avance por ciclos

Todos estos argumentos por supuesto son, al mismo tiempo, temas a debatir cuando se analiza el funcionamiento de aplicaciones específicas. No cabe duda alguna que entretanto resulta cada vez más sencillo encontrar una solución para todo el conjunto, lo que también implica el reequipamiento de las máquinas. Existen 1 muchos ejemplos que demuestran cómo es posible reequipar 4 máquinas convencionales dotándolas de un 3sistema de manipulación eficiente. Sin embargo, ello únicamente tiene sentido si la máquina5como tal puede funcionar ejecutando ciclos automáticos. En algunos casos es necesario primero crear las conexiones mecánicas entre la máquina y el sistema de manipulación. 2 En la fig. 4-23 se muestra el ejemplo de un torno combinado posteriormente con un equipo de manipulación. El sistema avanza solamente hasta dos posiciones: el mandril y el cargador.


75

Fig. 4-25: Alimentador giratorio

1

1 Pinza para centrar 2 Máquina 3 Cargador para la alimentación de piezas 4 Pieza en bruto 5 Brazo 6 Unidad giratoria 7 Unidad elevadora 8 Acanaladura de salida 9 Pieza acabada

5

2

6

3 4

Una unidad de carrera corta introduce las piezas en el 7mandril. Las posiciones de recepción y entrega de las piezas son idénticas. Para que la pieza torneada llegue efectivamente al cargador correspondiente, éste se eleva ligeramente. 8 A continuación, el distribuidor se encarga de entregar la siguiente pieza en 9 bruto. Ello significa que todos los movimientos están a cargo de componentes periféricos y del equipo de pick & place. En la fig. 4-24 podemos apreciar la alimentación de una máquina mediante un sistema de giro superior. Sin embargo, esta configuración sólo es recomendable si las piezas son planas y ligeras. El brazo giratorio se coloca entre las cintas de transporte o junto a ellas al retirar la pieza. Se sobreentiende que las cintas tienen que configurarse de tal modo que sea posible ejecutar este movimiento. Este sistema de alimentación de piezas sustituye a una persona que podria realizar esta operación a mano.

76


Fig. 4-26: Equipo de alimentación de una máquina para rebajar y centrar 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Carro Unidad lineal Unidad vertical Pinza Sistema de sujeción de la máquina Plano inclinado de salida Pieza acabada Pieza en bruto Tramo de alimentación

El alimentador giratorio que aparece en la fig. 4-25 también funciona con componentes neumáticos. La unidad giratoria tiene que ser capaz de avanzar hasta 3 posiciones. En el ejemplo que aquí se comenta, el equipo se encarga 3 ser, por ejemplo, de colocar un tubo1en un elemento de sujeción que puede una pinza. Después 2 de la operación de mecanizado, la 4pieza se coloca en una acanaladura de salida. El brazo se retira para no estorbar la operación de mecanizado. Por ejemplo, puede retirarse hacia la posición de entrega. Los brazos giratorios tienen la ventaja de necesitar un espacio muy reducido para recoger las piezas y, además, son capaces de retirarse rápidamente de la zona de trabajo. 6

5

7

8 9

A

A

Fig. 4-27: Plano inclinado escalonado

La característica principal de las máquinas utilizadas para mecanizar piezas es que sólo pueden recibir una pieza en bruto nueva después de haberse recogido la pieza acabada. Estas operaciones se suman en serie en función del tiempo si el equipo de manipulación tiene un solo brazo y si, además, no está dotado de una pinza doble. Para evitar movimientos sin transportar piezas tiene que recurrirse a un sistema de doble brazo. En la fig. 4-26 vemos un ejemplo al respecto. De la máquina sólo se ve el elemento de sujeción. Las piezas se sujetan en sus extremos y, a continuación, empieza la operación de mecanizado (aplanar, centrar, rebajar, etc.). Las dos pinzas comparten un carro a una distancia “A”. En este caso puede prescindirse de un distribuidor al recoger las piezas, ya que la propia pinza se encarga de esta función. La pinza tiene un dedo fijo y otro móvil.


77

Fig. 4-28: Alimentación de piezas provenientes de dos cargadores 1 Unidad elevadora 2 Carro 3 Unidad lineal con Soft-Stop 4 Pieza 5 Cinta de entrada 6 Cargador

Es recomendable que el cargador sea escalonado, tal como se muestra en la fig. 4-27. Así, las piezas que avanzan rodando se frenan algo en cada escalón, orientándose debidamente. De esta manera se evita que las piezas lleguen torcidas provocando un fallo.

Fig. 4-29: Alimentación de piezas a una prensa utilizando dos equipos de manipulación 1 Unidad elevadora 2 Pórtico con cilindro neumático sin vástago 3 Herramienta de deformación 4 Unidad giratoria 5 Pinza doble 6 Pinza 7 Brazo giratorio 8 Unidad de giro y elevación 9 Cargador de los soportes para piezas en bruto y piezas acabadas

78

1 2 3

4 5 6

Tratándose de máquinas7 de funcionamiento continuo puede ser que el equipo de pick & place sea demasiado lento. Una posible solución sería el uso de dos cargadores para recoger las piezas de modo alterno (fig. 4-28). La máquina tiene una cinta de entrada en la que deben colocarse las piezas.9 También en este caso se evitan movimientos inútiles ya que mientras que una de las unidades 8 verticales deposita una pieza, la otra recoge la siguiente. A pesar de ello, tan sólo se necesitan tres unidades lineales. Si las piezas son de mayor tamaño, las distancias son mayores y, en consecuencia, también es más grande la carrera 4 El uso de los sistemas de pick & place

de elevación. En ese caso podría ahorrarse tiempo adicional utilizando un eje lineal con Soft-Stop para el movimiento horizontal.

4.3.2 Accediendo a la máquina

Fig. 4-30: Equipo para retirar piezas inyectadas 1 Pieza fundida por inyección 2 Pinza 3 Unidad giratoria 4 Brazo giratorio 5 Estructura 6 Cilindro neumático

El sistema de alimentación que se muestra en la fig. 4-29 también está dotado de varios brazos. Sin embargo, en este caso el ahorro de tiempo no es el criterio principal, sino más bien la solución como tal para alimentar la prensa. Las prensas ofrecen poco espacio para las operaciones de alimentación ya que la herramienta superior está en posición de espera encima 2 de la herramienta inferior. En consecuencia, 1 no es posible recurrir a una solución de pórtico para 3 la alimentación. Por ello, en el caso que aquí se explica se utilizan dos equipos de manipulación.

4

5 6


79

Fig. 4-31: Expulsor de piezas 1 Horquilla de expulsión 2 Parte inferior de la herramienta (desplazable) 3 Guía 4 Módulo giratorio y elevador 5 Corredera 6 Pieza 7 Acanaladura inclinada

Los movimientos están a cargo de un brazo giratorio. Un pórtico retira las piezas en bruto del cargador. A continuación, el brazo giratorio se hace cargo de la pieza. Acto seguido, la pieza acabada se transporta hacia la pinza doble. Ésta gira en 180° y se encarga de entregar de inmediato la siguiente pieza en bruto. Durante la operación de 1deformación el pórtico avanza hacia el cargador, 5 coloca la pieza acabada y recoge una nueva pieza en bruto. Ello significa que 2 los dos equipos de pick & place funcionan de modo sincronizado.

Los equipos encargados de recoger piezas se utilizan principalmente en com3 binación con máquinas inyectoras o de fundición por inyección. Las piezas 4 obtenidas mediante estos procesos tienen que manipularse con sumo cuidado y, en algunos casos, tienen que depositarse en un molde para evitar que se deformen al enfriarse. Asimismo, también existen aplicaciones en las que las piezas tienen que entregarse en equipos que se encargan de girarlas. Estas 6 operaciones suelen estar a cargo de equipos de manipulación relativamente 7 sencillos. Se trata de pórticos formados por componentes estándar, de brazos concebidos especialmente para un tipo de máquina concreto o de equipos especiales de manipulación. En la fig. 4-30 se muestra un ejemplo.

Fig. 4-32: Estación con giro de 180° 1 Módulo giratorio y elevador 2 Pieza 3 Mordaza giratorias 4 Cilindro neumático 5 Mordaza fija 6 Cilindro de carrera corta

1

I

II

III

IV

2 3 4 5

I hasta IV Secuencias del movimiento giratorio

6

Tal como puede apreciarse, bastan dos actuadores para retirar las piezas. La cantidad de ejes móviles se limita a lo absolutamente indispensable. Se sobreentiende que un sistema de dos ejes no ejecuta las operaciones de manipulación en tres dimensiones, pudiendo aprovechar sólo un plano de trabajo. En el ejemplo que aquí se explica, se trata de una superficie perfilada en la que tienen que estar tanto la posición de tomar como la de colocar. El expulsor de la fig. 4-31 también tiene un diseño relativamente sencillo. Una horquilla de expulsión se desplaza hacia la vía una vez que el carro se retira 80


5 La técnica de sujeción

de la zona de trabajo. En este caso se optó por un sistema de accionamiento compacto mediante un módulo neumático giratorio y elevador.

5.1 La pinza y la pieza sujetada forman una unidad Los tornos frecuentemente realizan la operación de mecanizado en ambos extremos de las piezas. Ello significa que hay que sujetar la pieza, mecanizarla, girarla para volver a sujetarla y mecanizarla por el otro extremo. Si bien existen pinzas que giran sin soltar las piezas, suelen utilizarse en estaciones de giro periféricas. Estas unidades pueden utilizarse para la manipulación de piezas de diversos tamaños sin que sea necesario reequiparlas. En la fig. 4-32 puede apreciarse un ejemplo con actuadores neumáticos.

En primer lugar, una plataforma acoge la pieza depositada por un robot. A continuación, se sujeta la pieza. La plataforma desciende, con lo que la pieza puede girar. Entonces la plataforma vuelve a subir, y las mordazas se retiran. Así, la pieza queda libre con lo que puede sujetarse nuevamente.


81

Fig. 5-1: ¿Emparejamiento por formas o fuerzas? Algunos ejemplos de combinaciones posibles 1 Pinza 2 Pieza F Grados de libertad de los movimientos

Las pinzas son manos mecánicas utilizadas para fabricar piezas, montarlas, controlar su calidad o para embalarlas. Tratándose de operaciones automáticas, es fundamental que las piezas se sujeten correctamente. La evolución de los procesos automatizados ha tenido como consecuencia 1 una disminución del trabajo manual en las fábricas. La mano humana, capaz 2 de realizar unos 1000 movimientos de sujeción diferentes, ya no es capaz de F=1 ejecutar F=0 los movimientos necesarios en el ámbito delF=2 micromontaje. Es evidente que la tendencia en favor de la miniaturización de productos, componentes y equipos de manipulación va en aumento. La serie de ventosas estándar, por ejemplo, empieza por un diámetro de 1,2 mm y su altura es de 1,6 mm. Con estas ventosas es posible aplicar fuerzas de sujeción de 0,03 N.

La configuración de las pinzas F=4 depende fundamentalmente del esfuerzo que F=3 F=5 tienen que soportar para que la operación de sujeción sea segura. Durante las operaciones de manipulación cambian las fuerzas y momentos en función del lugar, del sentido del movimiento y del tiempo. En determinados casos incluso se producen vibraciones. En consecuencia, la pinza y la pieza tienen que entenderse como una sola unidad. La transmisión de las fuerzas depende de los factores que se indican a continuación: • Disposición de la pinza en el espacio en función del equipo de manipulación • Fuerza resultante de la masa, la inercia y la fuerza centrífuga • Geometría y superficies de la pieza • Diseño de los dedos de la pinza y la consecuente distribución de la fuerza por sus formas y efecto recíproco • Características de las superficies de la pieza y de las pinzas • Condiciones ambientales (polvo, taladrina, temperatura y vibraciones)

Fig. 5-2: Sujeción de placas (ejemplos)

En la fig. 5-1 se muestran algunas posibles formas de sujetar piezas. El grado de movilidad F se refiere a los ejes de movimientos giratorios y lineales asegurados por emparejamiento de fuerzas. Las piezas únicamente pueden desplazarse en esos sentidos si las fuerzas ocasionadas por la operación de manipulación son superiores a la fuerza de fricción aplicada en las pinzas.

1 Pieza 2 Dedos de la pinza 3 Pinza paralela

p

p Aire a presión

2 1 Contacto en puntos

82


1

3

Contacto en superficie

Sin contacto

5.2 Pinzas de precisión y pinzas especiales

Fig. 5-3: Pinza de precisión (Festo)

L

D

Debe tenerse en cuenta que no es posible aumentar ilimitadamente las fuerzas de sujeción, ya que las piezas huecas de paredes delgadas o las piezas de materiales sensibles podrían sufrir daños. Por esta razón es recomendable utilizar elementos de sujeción de formas adaptadas a la pieza en la zona de aplicación de la fuerza principal. Las piezas de material poroso no soportan presión en sus cantos, por lo que es necesario sujetarlas por su superficie plana (fig. 5-2). Si las piezas son planas y ligeras, incluso es posible sujetarlas sin establecer contacto 60 con ellas (por ejemplo con gotas de agua microscópicas que forman una capa de hielo capaz de sujetar la pieza. En este caso, la fuerza de sujeción llega a ser desde 50 hasta 100 veces superior a la fuerza que son capaces de aplicar las ventosas. Otra solución consiste en aprovechar la paradoja aerodinámica (fig. 5-2, derecha). Este elemento de sujeción por chorro de aire es muy sencillo y, además, no tiene piezas móviles. El aire saliente crea un pequeño vacío entre la placa de sujeción y la parte superior de la pieza. 12

Dedo de la pinza Guía de bolas Clavija de arrastre Corredera Junta Émbolo Rueda dentada Muelle de presión Cuerpo de la pinza

38

1 2 3 4 5 6 7 8 9

H

D Diámetro del émbolo (12, 16 ó 20 mm) H Carrera total (5, 10 ó 15 mm, según tamaño) L Distancia útil

Fig. 5-4: Aplicación de la fuerza en pinzas de precisión (Festo) 1 2 3 4

Dedo de la pinza Pieza Émbolo neumático Muelle de presión

FG

FG Fuerza de sujeción FF Fuerza del muelle FP Presión aplicada por el émbolo

1

FG

3


FG

2

4

83

En la técnica de montaje se necesitan pinzas que cierren con precisión aunque sus dedos sean largos y que, además, dispongan de guías que permitan que los dedos ejecuten los movimientos con suavidad. Estas pinzas de precisión están dotadas de guías de bolas sin holguras. En la fig. 5-3 puede apreciarse el esquema simplificado de una pinza de esta índole. Los dedos de la pinza paralela se accionan mediante émbolos neumáticos. Para que los dedos cierren exactamente en el punto céntrico, están unidos por un sistema de piñón y cremallera. La fuerza de sujeción puede regularse mediante la presión de trabajo y en la práctica se aplican fuerzas de aproximadamente 56 N, siendo la presión de 6 bar, el diámetro del émbolo de 12 mm y la distancia L de 20 mm. Los muelles mantienen cerrados los dientes en caso de una caída de presión.

Fig. 5-5: Sistema de sujeción y manipulación para montar cajas

1 1 Base del sistema de sujeción 2 Cilindro neumático 3 Cartón ondulado apilado 4 Conducto de vacío 5 Base orientable de la ventosa 6 Ventosa 7 Uno de los lados de la caja 8 Placa de base con articulación giratoria

2

4 5

3

6

7

La fuerza de sujeción depende del funcionamiento de la pinza (de simple 8 o de doble efecto) y del tipo de sujeción (interior o exterior). En la fig. 5-4 vemos la superposición de cada una de las fuerzas en función de la variante de aplicación.

84


Fig. 5-6: Equipo de alimentación de fleje con accionamiento neumático a) Esquema del sistema completo b) Diagrama del avance por ciclos 1 2 3 4

Fleje Pinza Rodillos de guía lateral Placa de base

G Pinzas L Unidad lineal t Tiempo

Existen muchas pinzas especiales, diseñadas para determinadas piezas o procesos. En numerosas ocasiones se intenta combinar la operación de sujeción 1 con otras operaciones. En la fig. 5-5 vemos el esquema simplificado de un sistema de sujeción por vacío para cartón ondulado. Los cartones apilados se 2 recogen 3 uno a uno mediante ventosas. A continuación, las ventosas exteriores giran hacia el interior para doblar el cartón. Las ventosas giratorias se encuentran en los cuatro lados para doblar el cartón con el fin de obtener una caja. El equipo ejecuta las siguientes secuencias: • Separar un cartón de la pila de cartones • Doblar los cuatros costados 4 • Colocar la caja en un punto determinado deb)la vía que lleva a) a la estación de embalaje

Fig. 5-7: Equipo de dos ejes para el transporte por pinzas 1 2 3 4 5 6 7

Prensa Pieza Parte inferior de la prensa Pinza Carril de transporte Unidad lineal Unidad de carrera corta

1 2

Otro ejemplo: manipulación de flejes en secuencias rápidas. Esta aplicación 3 mediante dos unidades de sujeción que se mueven de modo puede resolverse alternativo. En4la fig. 5-6 se muestra la configuración del sistema. Mientras una de las pinzas se encarga 5 de hacer avanzar el fleje, la otra vuelve a su posición inicial con los dedos abiertos. Esta configuración es adecuada si el recorrido 6 de avance es largo y si los ciclos son cortos. En el diagrama se aprecia que los movimientos son opuestos y simultáneos.7 Para evitar un deslizamiento del material, es posible aplicar un material antideslizante en los dedos de las pinzas por ejemplo una capa de elastómero con puntos salientes. Otra alternativa consiste en ranurar los dedos en milésimas de milímetro para que su superficie sea menos lisa. El uso de sistemas de adherencia sin contacto es indispensable si las piezas tienen superficies muy sensibles. Si el fleje es de acero, puede obtenerse un coeficiente de fricción de aproximadamente 0,5, un valor bastante satisfactorio.


85

5.3 Pinzas miniaturizadas

1 Cuerpo 2 Émbolo con diámetro de 8 mm 3 Mordaza 4 Pasador cilíndrico 5 Muelle de presión 6 Dedo de la pinza 7 Pieza 8 Guía de plástico para las mordazas 9 Brida de sujeción con muelle de presión integrado

4 5

8 6 7 a)

H Compensación de altura

86

H

a) Dibujo en sección de la pinza b) Variante de sujeción

37

Fig. 5-8: Pinza angular miniaturizada (Festo)

Para las operaciones de deformación se utilizan prensas que van modificando la forma de una pieza en varias fases. Ello significa que las piezas tienen que transportarse de una prensa a la siguiente. Si las prensas son grandes, es posible que lleven integradas el sistema de pinzas de transporte. Tratándose de pinzas más pequeñas o de soluciones especiales, es posible recurrir a un sistema de pinzas múltiples utilizando componentes neumáticos estándar, tal como se muestra en la fig. 5-7. Para ello tienen que montarse algunas pinzas individuales sobre un carril de transporte. En algunos casos es posible 1 eje de movimiento transversal si se utilizan pinzas que abren prescindir del ampliamente sus dedos. Las prensas, al abrir, dejan al descubierto una superficie grande2y plana, de modo que por lo general no es necesario elevar las piezas para retirarlas. Si, por lo contrario, hay que elevar las piezas, tiene que instalarse como eje 1 un eje vertical9 de carrera corta. 3


3 b)

Fig. 5-9: Variantes de pinzas angulares Micro (Festo) a) Pinzas tipo revólver b) Diversas ejecuciones de pinzas 1 2 3 4 5 6

Dedos de la pinza Mordaza Cuerpo de la pinza Brida de sujeción Revólver de disco Ángulo de soporte para el montaje 7 Unidad giratoria

Las pinzas miniaturizadas se utilizan en la electrotecnia, la electrónica, la mecánica de precisión, la automatización de equipos de laboratorio, la óptica y en la fabricación de aparatos médicos. Cuando hace 10 años se hizo una 1 encuesta en la industria para descubrir los elementos que 6 2 eléctrica/electrónica 3 impedían el uso generalizado de los robots, las pinzas fueron uno de ellos. Ello significa que las pinzas 4 entonces disponibles no eran apropiadas para efectuar 7 operaciones de manipulación en esos sectores industriales. Sin embargo actual5 mente, muchos productos y componentes tienden a la miniaturización, lo que dificulta su manipulación. Además, las piezas pequeñas tienen comportamientos característicos diferentes a los de las piezas de mayor tamaño. Adicionalmente, dichas características adquieren una importancia que no tenían en las piezas grandes. Las cargas electrostáticas, por ejemplo, pueden ocasionar que la pieza miniaturizada se quede adherida a la pinza. En consecuencia, es necesario recurrir a otros sistemas de sujeción, tales como los de fijación por adherencia. Cabe anotar, sin embargo, que tambiénb)las pinzas son cada vez más a) pequeñas. En la fig. 5-8 vemos la estructura de una pinza angular miniaturizada. En este caso, un simple émbolo neumático de extremo cónico aplica la fuerza necesaria sobre los dedos que sujetan la pieza.

Fig. 5-10: Pinza con unidad de accionamiento separado

5

6

7

2

Cilindro neumático Muelle de reposición Acoplamiento Barra de presión Mordaza Dedo de la pinza Pieza

D

1 2 3 4 5 6 7

4

1

3

p Aire a presión

p

5.4 Pinzas magnéticas

Disponiendo de una presión de trabajo de 6 bar y siendo de 8 mm el diámetro del émbolo, se obtiene una fuerza de sujeción de aproximadamente 5,5 N. A modo de comparación debe saberse que una ventosa de 11 mm de diámetro genera una fuerza de adherencia de unos 1,2 N. Para sujetar las pinzas pequeñas puede recurrirse a diversos elementos complementarios (bridas de sujeción y tuercas de ajuste) (fig. 5-9b). La brida de sujeción lleva un elemento integrado para compensación de altura. Su tamaño es de 5 mm para una pinza con diámetro de 8 mm.


87

Fig. 5-11: Pinza magnética con traslado neumático del campo magnético a) Corte en sección de la pinza magnética b) Cilindro con perfil en función de la forma de las piezas c) Traslado del imán en combinación con chorro de aire para expulsar la pieza d) Secuencias de la operación de manipulación 1 2 3 4 5

Émbolo Imán permanente Cilindro Pieza Cilindro perfilado en función de la forma de las piezas 6 Taladro para tobera p Alimentación de aire a presión

p 1 p

2 p 3

5

6

Separando los dedos de la4unidad de accionamiento es posible obtener fuerzas 4 de sujeción mucho mayores. En ese caso, la unidad de accionamiento puede estar a) en otro lugar o puede ser suficientemente grande. Ello significa que el b) c) pequeño émbolo es sustituido por una barra de presión de punta cónica, tal como se muestra en la fig. 5-10. Dicho sea de paso que la barra de presión 1 bien podría ser un vástago hueco de una pequeña unidad lineal. El diámetro D 2 de la pinza puede ser, por ejemplo, de 12 mm. p 4

Acercar

p Sujetar

Transportar

Posicionar

Soltar

d)

Las pinzas magnéticas son muy sencillas y se utilizan frecuentemente para la manipulación de piezas ferromagnéticas, especialmente piezas planas de chapa. Sin embargo, cabe anotar que suele necesitarse una fuerza de expulsión para separar las piezas del imán. Puede prescindirse de esta fuerza únicamente si es posible retirar la pieza lateralmente (para retirar la pieza elevándola verticalmente del imán se necesita una fuerza mucho mayor). Para evitar este problema existen diversas soluciones que consiguen desplazar el campo magnético mediante un movimiento relativo, es decir, aumentando la distancia entre la pieza y el imán. Este desplazamiento puede conseguirse muy bien utilizando 88


6 Criterios, índices de referencia y componentes

un émbolo neumático. En la fig. 5-11 se muestra un ejemplo. La separación de la pieza resulta más fácil si el fondo del cilindro está provisto de toberas para aplicar chorros de aire (fig. 5-11c). Si el «salto» que da la pieza al acercarse el imán no constituye un problema (ya que la precisión de la posición es algo menor), no es necesario que el cilindro sea de doble efecto. El movimiento descendente del émbolo podría sustituirse por la fuerza de un muelle. La pinza magnética que aquí se muestra confirma una vez más que con la neumática es posible conseguir soluciones muy eficientes y sencillas a la vez.

6.1 Combinar sin fantasear

4 ru

ue

d

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cal Sopo erti r te ev ad a z e l re

Cuerda

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Yugo con ca

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Fig. 6-1: Discos de Arquímedes de Siracusa

be

s

También es posible imaginar una variante en la que en vez del imán permanente se use un electroimán. Al subir el émbolo con la bobina, se establece el contacto eléctrico a tierra para conectar el electroimán. Con esta solución es posible regular eléctricamente la fuerza de sujeción y se evita casi completamente el problema del campo magnético residual.


89

Es fundamental tomar una decisión en relación con las posibles variantes, soluciones y componentes. No todo lo que teóricamente puede combinarse para formar un equipoSoluciones de manipulación ofrece buenos resultados. Por otro lado, sabiendo que la sinergia tiene como consecuencia que el todo es más que sus partes, una combinación de componentes bien puede resultar muy eficiente. Empujar Además, la situación se complica en la medida Husillo Émbolo en que suelen Correa haber varias soluciones para la ejecución de una tarea específica. Por ello, el último capítulo se dedica Acoplar al tema de las combinaciones, su evaluación y selección. Ángulo

Tareas

Fig. 6-2: Ejemplo de un esquema morfológico bidimensional

Disco

Placa

Adaptador

Arquímedes (aproximadamente 287-212 a. C.) ya reconoció en su época las venGirar RuedaPara dentada Émbolo Aleta giratoria tajas que ofrece el método de la combinación. mejorar las características de nuevos tipos de armas utilizó discos de madera debidamente identificados Acoplar en función de sus características (fig. 6-1). Girando los discos, con inscripciones aparecen combinaciones de características a ejecuciones Corona Adaptador correspondientes Brazo Ángulo Pinza paralelasoluciones. diferentes, surgiendo así posibles nuevas Sujetar Tenaza

Ventosa

Pinza doble

Detectar Luz

Imán

Chorro de aire

Inducción

Solución

6.2 Evaluación y selección

90

Los fabricantes de sistemas modulares para la técnica de manipulación suelen identificar los módulos de tal manera que resulta visible su compatibilidad recíproca. Además, también expresan recomendaciones sobre los adaptadores disponibles para efectuar las conexiones necesarias. Utilizando adaptadores es posible, al menos en principio, conectar entre sí componentes pertenecientes a conjuntos de módulos diferentes. Sin embargo, pocas veces se hace uso de ellos. Para no cometer errores al combinar, es recomendable confeccionar primero un esquema gráfico de combinaciones posibles. Para solucionar problemas técnicos suele aplicarse un planteamiento morfológico. En la fig. 6-2 vemos un ejemplo simplificado de un esquema morfológico bidimensional de un equipo de pick & place. Para cada operación que puede resultar compleja debe incluirse la mayor cantidad de elementos. Considerando las compatibilidades es posible definir soluciones estableciendo una relación entre los elementos desde arriba hacia abajo. El esquema no es más que un ejemplo que demuestra cómo proceder sistemáticamente para encontrar una solución. Se sobreentiende que hay muchos otros métodos, tales como por ejemplo esquemas ramificados, catálogos de soluciones o distribuciones matriciales. Por lo general podrá comprobarse que existen varias soluciones diferentes para una tarea determinada. En consecuencia, el siguiente paso consiste en evaluar las posibles soluciones. 6 Criterios, índices de referencia y componentes

Tabla 6-1: Algunas referencias y criterios para evaluar soluciones y componentes

Para encontrar la variante más adecuada, es necesario analizar de modo sistemático las características de los componentes, especialmente aquellas relacionadas con la cinemática y la dinámica. Al final del proceso de selección se realiza una comparación entre lo que se espera del equipo y lo que éste es capaz de rendir. Ello significa que es necesario disponer de criterios adecuados para elegir entre las posibles variantes. Sin embargo, no es fácil definir esos

Parámetros de rendimiento criterios, ya que tienen que formularse de tal manera que sean independientes entre sí, se expresen en términos cuantitativos y siempre tienen que expresar algo positivo. (es decir, no deben emplearse, por ejemplo, términos como

“ruidos” sino “ausencia de ruidos”). Los criterios deben cubrir los siguientes campos: • Funcionamiento técnico y físico • Viabilidad constructiva • Economía • Relación hombre-

máquina El proceso de evaluación incluye todos los pasos que tienen que darse para elegir entre muchas alternativas la más apropiada aplicando determinados criterios de evaluación.

Al evaluar no es posible separar nítidamente los factores técnicos y económicos, ya que muchos factores económicos que están relacionados directamente con la fabricación tienen que describirse en términos técnicos. Una posibilidad


91

1 Línea ideal 2 Línea de desarrollo (supuesto) si Trascendencian de la solución de un problema expresado en valor total

92

Valor económico

Fig. 6-3: El diagrama “S” (trascendencia de una solución) puede facilitar la elección de componentes

En la tabla 6-1 se incluyen diversos planteamientos, características y criterios importantes para la evaluación. Según la aplicación, primero deben seleccionarse los criterios aplicables y, en caso necesario, tienen que formularse criterios adicionales. Accesorios S ideal Ajuste automático de la holgura Ausencia de deslizamiento Ausencia de ruidos Certificación (del fabricante) Compatibilidad electromagnética Conexión a unidad de control Documentación Duración Economía Valor técnico Errores de montaje Escalonamiento de los tamaños Estándar de calidad Estándar de seguridad Estanqueidad Exento de mantenimiento Facilidad de manejo Facilidad del montaje Facilidad del ajuste Insensibilidad frente a vibraciones Intercambiabilidad Momento de giro admisible Parámetros de rendimiento Posibilidad de ajustar y programar Posibilidad de control Posibilidad de integración Posibilidad de montar detectores Posibilidad de montar válvulas Posibilidad de reequipar Potencial innovador Precisión y características de las guías Programa de localización de fallos Protección contra la corrosión Protección de la superficie Reservas del sistema Resistencia a temperaturas Resistencia a sobrecarga Rigidez Software Uso en salas limpias Aceleración Amortiguación Características de arranque y frenado Ciclo de mantenimiento 6 Criterios, índices de referencia y componentes

Fig. 6-4: Las deformaciones provocan un desplazamiento del punto de aplicación de la fuerza TCP de unidades lineales a) Un apoyo b) Pórtico

Coeficiente de carga Conexiones - mecánicas - eléctricas - neumáticas sin carga TCP - técnica de control Desviación de las posiciones Espacio y superficie de trabajo, carrera Flexión Fricción con carga Fuerza del avance Fuerzas y momentos Grado de eficiencia Margen de inversión Masa propia Perfil de la velocidad Relación precio/rendimiento Tasa de fallos Velocidad

sin carga TCP

con carga

Recorrido

Fig. 6-5: Comportamiento de la amplitud. Diagrama espacio/tiempo

Tiempo de recorrido con carga nominal Tiempo


93

Fig. 6-6: Relación coste/rendimiento en las guías lineales 1 Rodamiento lineal de bolas 2 Guía perfilada 3 Guía de precisión

(entre muchas otras) consiste en la confección de diagramas para efectuar una comparación entre lo técnico y lo económico. En la fig. 6-3 se muestra el método correspondiente.

El valor económico incluye, de modo resumido, el valor de todas las cualidades 3 económicas, mientras que el valor técnico es el resumen de las propiedades técnicas (especialmente aquellas relacionadas con el funcionamiento y el uso). La trascendencia «S» que tiene una posible solución «i» se identifica con el punto Si. En consecuencia, en el diagrama los mejores componentes (solucio2 nes) aparecen en el lado derecho en la parte superior. Un buen desarrollo de 1 las posibles alternativas se ubica en las cercanías de la línea ideal y se acerca paulatinamente al valor ideal Sideal. Los criterios de mayor relevancia son la flexión, la resistencia a vibraciones y las propiedades de la guía. Precio

6.3 Guías y suavidad del movimiento

Algunos fallos se explican por la elasticidad de las partes mecánicas. Las estrucRendimiento turas mecánicas, los equipos de manipulación y los módulos de ejes se someten a esfuerzos y momentos estáticos y dinámicos. Además, en ellos inciden fuerzas y cargas variables desde el exterior y desde el interior actúa la masa propia, además de otros factores, tales como las temperaturas. Todos estos factores provocan deformaciones a las que el componente se opone ofreciendo una resistencia determinada. Esta resistencia lleva el nombre de rigidez. Las deformaciones tienen como consecuencia un desplazamiento del punto de aplicación de la fuerza de sujeción (TCP, tool center point), con lo que disminuye la precisión del posicionamiento. Para conseguir que la operación de posicionamiento sea precisa, únicamente pueden utilizarse equipos de manipulación de gran rigidez. La flexión depende principalmente de la carga, de la distancia del punto de apoyo y de la sección transversal de la guía. En la fig. 6-4 podemos apreciar las deformaciones correspondientes comparando un equipo de manipulación sometido a una carga con otro que no está expuesto a dicho esfuerzo. Claro está que la representación gráfica está simplificada porque también sin carga útil hay fuerzas que por el peso actúan sobre el elemento en cuestión y que por sí solas pueden ocasionar una deformación. Las deformaciones ocasionadas por las cargas pueden manifestarse en diversos ángulos y su cuantía puede variar en función de la configuración de la estructura. Los pórticos tienen propiedades diferentes a las ejecuciones menos rígidas. La rigidez de los pórticos depende fundamentalmente de la distancia entre los apoyos. 94


6.4 Conclusiones


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Bibliografía

Para evaluar los tiempos de los ciclos hay que considerar las vibraciones. Por lo general se provocan vibraciones libres que desaparecen rápidamente a causa de las fricciones externas e internas. La amplitud y la frecuencia de las vibraciones dependen de la velocidad, de la carga y de la distancia del punto de apoyo. La amplitud y el tiempo de las vibraciones se resumen en el concepto de “comportamiento de la amplitud”. Si un componente avanza a gran velocidad hasta una posición determinada (con lo que la deceleración es grande), el sistema vibra y el componente tiende a avanzar más allá de la posición debida (fig. 6-5). La amplitud “Ü” expresa la desviación más grande de la pinza en un sentido determinado al alcanzar la posición. El tiempo “T” que transcurre hasta que concluyen las vibraciones es parte del tiempo funcional total. Dicho tiempo “T” es el que transcurre hasta que el equipo de manipulación (que ya se encuentra en la posición debida) se detiene totalmente dentro de un margen admisible “P” de la posición. Lo que aquí se explica es aplicable análogamente a los actuadores giratorios.

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Bibliografía

Una unidad lineal está compuesta por la guía, el carro, el actuador, el sistema de medición (opcional) y la unidad de control. Todos estos componentes deben estar perfectamente coordinados entre sí. El usuario exige que módulos de este tipo sean capaces de ejecutar por lo menos 100 millones de ciclos de movimientos. Los equipos de manipulación de piezas suelen tener una precisión de repetición de ± 0,5 hasta ± 0,1 mm, siendo las carreras normales de 100 hasta 1000 mm. No obstante, los sistemas de montaje automatizado bien puede ser que necesiten una precisión mayor. Las diferencias económicas entre las unidades lineales se explican por el tipo de posicionamiento (topes fijos, topes en posiciones finales e intermedias, libre programación de las posiciones) y por la calidad de las guías (fig. 6-6). En el diagrama se entiende por “rendimiento” la combinación de capacidad de carga, rigidez y precisión de las guías.

La calidad técnica de los elementos de movimiento lineal varía en función de las aplicaciones: • Ejes de manipulación • Máquinas herramienta y máquinas de trabajo • Equipos de alta precisión Dado que existen numerosos componentes que pueden montarse o incorporarse en sistemas de manipulación de piezas, es necesario tener especial cuidado con las cargas ocasionadas por las fuerzas y momentos que actúan sobre el eje. La rigidez de una guía lineal depende de la configuración de su cuerpo, del carril de soporte, de los rodamientos (tipo, cantidad y superficie de contacto) y de la pretensión del sistema. En cuanto a los rodamientos de bolas o de rodillos, cabría constatar lo siguiente: las guías de rodamientos de bolas son adecuadas para soportar cargas pequeñas y medianas en sistemas de rigidez mediana. Estos rodamientos tienen poca fricción y, en consecuencia, permiten alcanzar velocidades relativamente altas. Por lo tanto, son muy apropiadas para equipos de manipulación de piezas. Las guías de rodillos son más precisas, rígidas y soportan cargas mayores. Por lo tanto, su uso es especialmente recomendable en máquinas herramienta y en máquinas especiales. Bibliografía

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A

Accionamiento directo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Accionamiento por correa dentada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Accionamiento por husillo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Actuador de doble émbolo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Aletas giratorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Alimentación de flejes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Alimentación de piezas a una máquina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Alimentación de piezas a una prensa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Alimentación de piezas provenientes de un cargador . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Alimentador doble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Alimentador elevador y giratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Alimentador giratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Amortiguación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Amortiguación en las posiciones finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Amortiguadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Amortiguadores industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

B

Bombas giratorias de aletas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Brazo con paralelogramo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Brazo giratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

C

Cadenas cinemáticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Características de rendimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Cargador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Carro de material compuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 Ciclo en C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Ciclos estándar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Cilindro de tope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Cilindro giratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Combinaciones posibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Compatibilidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Criterios de evaluación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

D

Deformaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 Desarrollo del efecto de amortiguación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 Duración de los ciclos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15, 16

E

Eje servoneumático . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Ejes de posicionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Elegir un amortiguador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Elemento de tracción y compresión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Elemento para unir piezas perfiladas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Elementos de instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Émbolo dentado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Emparejamiento por formas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Emparejamiento por fuerzas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Índice de términos técnicos

98


Empujadores giratorios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Equipo de alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Equipo de alimentación compacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Equipo de alimentación de fleje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Equipo de pick & place . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11, 70 Equipo para retirar piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Equipo para transportar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Equipo de alimentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Esquema morfológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 Estación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Estructura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Excéntrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Expulsor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Expulsor de piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 F

Fluidic muscle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Funcionalidad superflua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

G

Giratoria con brazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Giratorio de 4 posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 Giro superior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Grado de libertad de movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Grado de libertad de movimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Guías . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Guías lineales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

M

Manipulación de piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Mano protésica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Medición magnética del recorrido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Modelos de movimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Módulo de aletas giratorias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Módulos de manipulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 Momento de inercia de la masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Motor de paso a paso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Movimiento circular . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Movimiento entre topes intermedios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 Movimientos en varias posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 Muestra de posibles movimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

O

Operación de separación de las piezas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

P

Periferia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 Piezas en bruto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Pinza angular miniaturizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Pinza de precisión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Pinza paralela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83


99

Pinzas magnéticas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Pinzas miniaturizadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Pinzas tipo revólver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Plano inclinado escalonado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Posición inicia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Posiciones no tengan holguras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Potenciómetro, potenciómetro de plástico conductor . . . . . . . . . . . . . . . 53

100

R

Rebote . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Recoger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Recoger las piezas de modo alterno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Regla codificada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Regla de Steiner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Regulación servoneumática de posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Regulador de posiciones finales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Representación esquemática de las funciones de manipulación . . . . . . . 70 Rigidez . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

S

Sincronización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Sistema de accionamiento de 4 posiciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Sistema de alimentación con brazo doble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Sistema de doble brazo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 Sistema de guía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Sistema de módulos de posicionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Sistema de pinzas múltiples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Sistema de regulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Sistema de rosca y rodillos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Sistema de bloqueo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Sistema de tope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Sistema de topes intermedios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Sistema de tubos flexibles protectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Sistema de unión por cola de milano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 Sistema lineal de posicionamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Sistema Soft-Stop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51, 70 Sujeción por chorro de aire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

T

Tiempo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Tope revolver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Tope orientable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Topes en posiciones intermedias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Transmisor del cojinete del rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Transmisor incremental . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

U

Unidad con brazo giratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Unidad de sujeción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Unidad gemela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59


Unidad giratoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34, 60 Unidad lineal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Unidad lineal y giratoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Unidades básicas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Unión mediante tuerca deslizante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 V

Válvulas de regulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 Ventosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Ventosa montada en un émbolo de elevación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27


101

Anexo: Equipos de pick & place típicos (conjuntos modulares de Festo) Equipos de pick & place. Modalidad voladizo (HMP/HMP/DRQD/HGR) 1 Conjunto de piezas de unión 2 Columna perfilada 3 Conjunto de piezas de unión 4 Conjunto de piezas de unión 5 Accesorios 6 Tapa de protección 7 Módulo lineal 8 Conjunto de piezas de unión 9 Módulo lineal 10 Conjunto de piezas de unión 11 Actuador giratorio 12 Conjunto de piezas de unión 13 Pinza radial 14 Caja de distribución 15 Tubo flexible de protección 16 Racor 17 Contratuerca 18 Placa de adaptación 19 Distribuidor multipolo para entradas y salidas

7 9 4 8

3 6 5 15

16 14

18 17 2 10 11

19

12

1 13

102

Anexo

Equipos de pick & place. Modalidad voladizo 1 Conjunto de piezas de unión 2 Columna perfilada 3 Tapa de protección 4 Ángulo de unión, ángulo de base, conjunto de piezas de unión 5 Conjunto de piezas de unión 6 Módulo lineal 7 Conjunto de piezas de unión 8 Minicarro 9 Conjunto de piezas de unión 10 Pinza paralelas

6

5 7 4 8

3 2

9

10 1

Anexo

103

Equipos de pick & place. Modalidad de pórtico 1 Conjunto de piezas de unión 2 Columna perfilada 3 Conjunto de piezas de unión 4 Columna perfilada 5 Tapa de protección 6 Conjunto de piezas de unión 7 Actuador lineal 8 Eje de guía 9 Conjunto de piezas de unión 10 Módulo lineal 11 Pinza paralela

4 5

2 3 6

8

7 9 1 10

11 12

104

Anexo

Equipos de pick & place. Modalidad de pórtico

4 1 Conjunto de piezas de unión 2 Columna perfilada 3 Tapa de protección 4 Conjunto de piezas de unión 5 Actuador lineal (6 Amortiguador) (7 Soporte del amortiguador) 8 Placa de adaptación 9 Minicarro 10 Conjunto de piezas de unión 11 Pinza paralela

5

3

9 8

2

10

11 1

Anexo

105

Sistemas modulares de manipulación

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