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Programación de la Producción en Fabricación Mecánica

Proyecto de Fin de Ciclo

DISEÑO DE UN BRAZO NEUMÁTICO

Autor: Antonio Gomis Candel Tutor: José Ángel Caballero Martín

Introducción En el documento que se presenta a continuación se produce el desarrollo del diseño de un brazo robótico o robot industrial y los pasos necesarios para su fabricación. Este diseño posee unas características que lo diferencian del resto de diseños existentes: los diferentes movimientos que realice se efectuarán por medio de la fuerza ejercida por actuadores neumáticos lineales. Con ello pretendemos obtener un diseño lo más sencillo posible para minimizar así el proceso de fabricación y montaje. Con ello podremos obtener un coste de producción lo más reducido posible. Este proceso se complementará mediante el uso de herramientas CAD-CAE, a saber: Autodesk Inventor Professional 2020, Solidworks 2019 y Festo Fluidsim. Con este software se desarrollarán, además, los planos de fabricación del conjunto y de las piezas que lo componen. Gracias a esto, quedarán plasmadas unos conceptos básicos sobre estos programas teniendo en cuenta, sin embargo, que el objetivo sería demostrar la utilidad de esta clase de software en el diseño de un conjunto o dispositivo, pero no como manual o instrucciones de uso de estos programas.

• 1. PREÁMBULO Y OBJETIVOS
  • 1.1. PREÁMBULO.
  • 1.2. OBJETIVOS
  • 1.3. MARCO HISTÓRICO.
  • 1.4. MÓDULOS IMPLICADOS.
  • 1.5. SOFTWARE Y MEDIOS EMPLEADOS.
  • 1.6. ORGANIZACIÓN DE LA MEMORIA.
• 2. MATERIAL NEUMÁTICO.
  • 2.1. NEUMÁTICA COMO FUENTE DE ENERGÍA.
  • 2.2. ELEMENTOS DE UN CIRCUITO NEUMÁTICO.
  • 2.3. DESCRIPCIÓN DE LOS COMPONENTES.
• 3. DISEÑO NEUMÁTICO.
  • 3.1. CIRCUITO NEUMÁTICO.
  • 3.2. CALIDAD NECESARIA DEL AIRE.
  • 3.3. CÁLCULOS NEUMÁTICOS.
• 4. DISEÑO MECÁNICO Y CONFECCIÓN DE PLANOS.
  • 4.1. SOFTWARE EMPLEADO
    • 4.1.1. Software empleado para diseño mecánico.
    • 4.1.2. Software empleado para manufactura CAM.
  • 4.2. CONFECCIÓN DE PLANOS.
• 5. HERRAMIENTAS Y BRUTOS UTILIZADOS
  • 5.1. HERRAMIENTAS.
    • 5.1.1. Herramientas de fresadora.
    • 5.1.2. Herramientas de torno.
  • 5.2. Brutos
  • 5.3. MÁQUINAS UTILIZADAS
    • 5.3.1. Centro de torneado CNC
    • 5.3.2. Fresadora CNC
    • 5.3.3. Mortajadora
• 6. BIBLIOGRAFÍA
• EL ANEXO
  • PLANOS DE FABRICACIÓN Y MONTAJE
• Tabla 1: Tipos de robosts industriales según ISO Índice de tablas
• Tabla 2: Impurezas máximas del aire según ISO 8573-1.
• Tabla 3: Fuerzas neumáticas.
• Tabla 4: Consumos de aire.
• Tabla 5: Potencia generada.
• Tabla 6: Número de pieza en plano o en lista.
• Tabla 7: Lista de herramientas de fresadora.............................................................................................
• Tabla 8: Lista de herramientas de torno
• Tabla 9: Dimensiones de brutos de cada pieza........................................................................................
• Ilustración 1: Robot Unimate 1961.............................................................................................................. Índice de Ilustraciones
• Ilustración 2: Robot Palletizer
• Ilustración 3: Robot Puma
• Ilustración 4: Don Cuco el guapo
• Ilustración 5: Robot ASIMO (evolución)
• Ilustración 6: Esquema básico de un circuito neumático.
• Ilustración 7: Compresor de aire
• Ilustración 8: Válvula de estrangulamiento.
• Ilustración 9: Silenciadores neumáticos.....................................................................................................
• Ilustración 10: Válvula de control 5 vías y 3 posiciones.
• Ilustración 11: Válvula de control 3 vías y 2 posiciones.
• Ilustración 12: Cilintro doble efecto ASCO NEUMATICS C80
• Ilustración 13: Cilindro de doble efecto Festo D32...................................................................................
• Ilustración 14: Cilindro doble efecto Festo D16
• Ilustración 15: Disposición real de los actuadores neumáticos.
• Ilustración 16: Esquema neumático de nuestro circuito.
• Ilustración 17: Funcionamiento del circuito 1.
• Ilustración 18: Funcionamiento Neumático 2.
• Ilustración 19: Funcionamiento neumático 3.............................................................................................
• Ilustración 20: Funcionamiento neumático 4.............................................................................................
• Ilustración 21: Portada Autodesk Inventor Professional 2020................................................................
• Ilustración 22: Diseño vista
• Ilustración 23: Diseño vista
• Ilustración 24: Diseño vista
• Ilustración 25: Ejemplo plano
• Ilustración 26: Portada Solidworks 2019....................................................................................................
• Ilustración 27: Nuestro cajetín.
• Ilustración 28: Centro de torneado CNC
• Ilustración 29: Fresadora CNC
• Ilustración 30: Mortajadora convencional.

Brazo Neumático Articulado Antonio Gomis Candel 7

1. PREÁMBULO Y OBJETIVOS 1.1. PREÁMBULO. La evolución de la tecnología es continua y a veces trae diferentes tipos de máquinas e inventos que facilitan el trabajo al ser humano. Uno de dichos inventos es el comúnmente conocido como “brazo robótico”. Este se utiliza en multitud de tareas en diferentes campos, pero donde se encuentra más extendido su uso es en las grandes fábricas para sustituir y ampliar funciones que haría un brazo humano. Dichas funciones, al igual que aplicaciones que puedan tener, se van actualizando y ampliando cada día. Hacen más sencillo los trabajos mecánicos evitando así los posibles accidentes laborales relacionados con la carga de peso, entre otras tareas. Ahora, ¿qué es un brazo robótico y de donde procede? Un brazo robótico es un tipo de brazo mecánico, normalmente programable, capaz de simular funciones similares a las de un brazo humano. Puede formar parte de un mecanismo más grande y complejo o constituir un mecanismo por sí solo. Las diferentes partes de estos brazos se encuentran interconectadas mediante uniones o articulaciones que permiten movimiento rotacional, así como también movimiento de traslación (lineal). La norma ISO 8373:2012 define robot industrial como: “Manipulador multifuncional, controlado automáticamente, reprogramable en tres o más ejes, que puede estar fijo o móvil para uso en aplicaciones de automatización industrial”. Además, podemos encontrar diferentes tipos de robots industriales dentro de esta norma (ver Tabla 1).

Brazo Neumático Articulado Antonio Gomis Candel 9 Nombre Figura Características Aplicaciones Robot cartesiano Utiliza 3 dispositivos perpendiculares entre sí para generar movimientos acordes a los 3 ejes cartesianos x, y, z.

• Control numérico
• Plotter
• Máquinas de fresado o dibujo Robot cilíndrico Se basa en una columna vertical que gira sobre la base. También tiene dos dispositivos deslizantes que pueden generar movimientos sobre los ejes y,z.
• Soldadura
• Traslado de material con alta precisión
• Montaje
• Traslado de material punto a punto desde una posición central Robot esférico o polar Un brazo telescópico que puede bascular en torno a un eje horizontal. Este eje telescópico está montado sobre una base giratoria. Las articulaciones otorgan la capacidad de desplazar el brazo en una zona esférica.
• Manipulación de máquinas herramientas
• Soldadura por punto
• Fundición por presión
• Soldadura por gas y por arco Robot de brazo articulado Se trata de una columna que gira sobre la base. El brazo contiene una articulación, pero solo puede realizar movimientos en un plano. En el extremo del brazo posee un eje deslizando que se desplaza en el eje z.
• Operaciones de ensamblaje.
• Pintado en spray.
• Máquinas de desbarbado.
• Fundición a presión.

Brazo Neumático Articulado Antonio Gomis Candel 10 Nombre Figura Características Aplicación Robot antropomórfico Está constituido por dos componentes rectos que simulan el brazo o antebrazo humano, sobre una columna giratoria. Estos antebrazos están conectados mediante articulaciones, que se asemejan al hombre y al codo.

• Exoesqueletos
• Teleoperación
• Máquinas de desbarbado
• Fundición Tabla 1 : Tipos de robosts industriales según ISO 8373 1.2. OBJETIVOS. Los objetivos primordiales de este proyecto son, por un lado: el de conseguir diseñar un brazo industrial, utilizando exclusivamente actuadores neumáticos lineales, de forma que resulta simple, funcional y económico. Todo ello mediante: a) Establecimiento de un proceso de diseño y determinación de las tareas que se realizarán dentro del mismo. b) Establecimiento de los requisitos de funcionamiento sobre las cuales realizaremos nuestro diseño. c) Diseño del circuito neumático y determinación de los componentes que serán necesarios para tu integración. d) Confección de los planos y códigos ISO necesarios para su fabricación. Y, por otro lado, el de aprovechar las ventajas que ofrecen las herramientas CAD-CAE en la elaboración del diseño, dada su amplia capacidad de cálculo interno, la posibilidad

Brazo Neumático Articulado Antonio Gomis Candel 12 Ilustración 1 : Robot Unimate 1961 En 1961 Victor Scheinman, en la Universidad de Stanford, desarrollo un robot articulado de 6 ejes, conocido como robot Stanford. En 1963, Fuji Yusoki Kogyo desarrolló el primer robot para aplicaciones de palletzing, cuyo nombre fue Palletizer. Por su parte, Europa tuvo un despertar más tardío, aunque no menos relevante. Ilustración 2 : Robot Palletizer 1963

Brazo Neumático Articulado Antonio Gomis Candel 13 Más tarde en 1973 la empresa sueca/suiza ABB (Asea Brown Boveri) construyó el primer robot con accionamiento totalmente eléctrico controlado por un microprocesador, el robot IRb6, seguido un año más tarde del IRb60. Posteriormente, ABB se convertiría en una de las empresas más importantes del mundo en la fabricación de robots industriales, y Suecia uno de los países con más robots per cápita. En este mismo año la empresa alemana KUKA Robotics también fue pionera en la fabricación e implantación de robots industriales, construyó el primer robot articulado electrónicamente de 6 ejes conocido como FAMULUS. En la década de los setenta se desarrolló notablemente el incremento de las compañías de robots, y algunas ya existentes emigran al campo de la robótica como General Electric, General Motors la cual se unió a FANUC Robotics y FANUC LTD de Japón. También en esos tiempos surgen compañías como Automatix y Adept Techology Inc. En 1975, Victor Scheinman desarrolló el robot “Puma” (Programable Universal Machine For Assembly O Programable Universal Manipulation Arm) de la compañía Unimation (inicialmente este robot fue desarrollado para General Motors). El modelo más popular fue el Puma-650. En esta fase, que dura desde 1975 hasta 1980, la conjunción de los efectos de la revolución de la Microelectrónica y la revitalización de las empresas automovilísticas, produjo un crecimiento acumulativo del parque de robots, cercano al 25%.

Brazo Neumático Articulado Antonio Gomis Candel 15 Ilustración 4 : Don Cuco el guapo 1992 En 1994 fue puesto en operación el primer robot de transmisión directa en México con dos grados de libertad realizado en el Centro de Investigación Científica y de Estudios Superiores de Ensenada (CICESE) por Rafael Kelly, Fernando Reyes y Víctor Santibáñez. En 1998, fue puesto en operación el primer robot de transmisión directa de tres grados de libertad en México en la Escuela de Ciencias de la Electrónica, Benemérita Universidad Autónoma de Puebla. El 31 de octubre del año 2000 fue presentado el robot humanoide ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility), el cual puede caminar e interactuar con personas. Este robot fue fabricado por la compañía Honda Motor Co. Ltd. La tecnología avanzaba a pasos agigantados y prueba de ello es ASIMO, el nuevo robot humanoide de Honda, el cual fue presentado en Nueva York. Debido a que fue desarrollado con los últimos avances tecnológicos, es capaz de correr hasta 9 km por hora, bajar y subir escaleras con facilidad, comunicarse en inglés y

Brazo Neumático Articulado Antonio Gomis Candel 16 Ilustración 5 : Robot ASIMO (evolución) japonés por medio de señas, estrechar la mano con educación, abrir una botella, servir en un vaso, bailar y hasta jugar fútbol. En 2002 la compañía General Motors Controls, Robotics and Welding (CRW) donó al museo nacional de historia americana el prototipo original del robot PUMA. En 2010 se desarrollaron los robots de cuarta generación. Robots inteligentes, con sensores sofisticados y control en tiempo real. Las máquinas automatizadas ayudarán cada vez más a los humanos en la fabricación de nuevos productos, el mantenimiento de las infraestructuras y el cuidado de hogares y empresas. Los robots podrán fabricar nuevas autopistas, construir estructuras de acero para edificios, limpiar conducciones subterráneas o cortar el césped. Ya existen prototipos que realizan todas esas tareas. Una tendencia importante es el desarrollo de sistemas microelectromecánicos, cuyo tamaño va desde centímetros hasta milímetros. Estos robots minúsculos podrían emplearse para avanzar por vasos sanguíneos con el fin de suministrar medicamentos o eliminar bloqueos arteriales. También podrían trabajar en el interior de grandes máquinas para diagnosticar con antelación posibles problemas mecánicos. Puede que los cambios más espectaculares en los robots del futuro provengan de su capacidad de razonamiento cada vez mayor.

Brazo Neumático Articulado Antonio Gomis Candel 18 b) Identificar tolerancias de formas y dimensiones y otras características de los productos que se quieren fabricar, analizando e interpretando la información técnica contenida en los planos de fabricación. c) Realizar croquis de utillajes y herramientas para la ejecución de los procesos, definiendo las soluciones constructivas en cada caso.

2. Programación de sistemas automáticos de fabricación mecánica: a) Identificar los componentes de una instalación automatizada de fabricación mecánica, analizando su funcionamiento y ubicación en los sistemas de producción. b) Elaborar los programas de los componentes de un sistema automatizado analizando y aplicando los distintos tipos de programación. c) Organizar y poner a punto componentes de una instalación automatizada seleccionando y aplicando las técnicas o procedimientos requeridos. d) Controlar y supervisar los sistemas automatizados analizando el proceso y ajustando los parámetros de las variables del sistema.
3. Fabricación asistida por ordenador (CAM): a) Identificar correctamente y modificar los elementos accesorios a los parámetros de trabajo, como sistemas de referencias, sujeciones, dimensiones de los brutos, planos de seguridad, configuración del espacio trabajo, etc. b) Representar sistemas en 2D y 3D. c) Establecer adecuadamente los parámetros técnicos de las diversas operaciones CAM a las que será sometida la pieza en su mecanizado, identificando las situaciones de posibles clavadas y las colisiones en el mecanizado.

Brazo Neumático Articulado Antonio Gomis Candel 19 d) Generar la documentación técnica derivada de la generación de un programa CAM, estableciendo de forma correcta el postprocesado de manera acorde a las máquinas, herramientas, controles y recursos disponibles. e) Trasladar los resultados obtenidos en la planificación del proceso CAM a las máquinas CNC disponibles, tomando en cuenta los diversos aspectos como herramientas, velocidades de giro y avances, refrigerantes, límites de ejes, etc. f) Desarrollar el mecanizado de superficies planas y perpendiculares al eje de la herramienta en fresadoras CNC, respetando todos los aspectos anteriormente mencionados. g) Desarrollar el mecanizado de superficies de contorno en fresadoras CNC, respetando todos los aspectos anteriormente mencionados. h) Desarrollar e l mecanizado de piezas en las que aparezcan las operaciones de taladrado en fresadoras CNC, respetando todos los aspectos anteriormente mencionados. i) Desarrollar el mecanizado de superficies cilíndricas y de revolución en tornos CNC, respetando todos los aspectos anteriormente mencionados. 1.5. SOFTWARE Y MEDIOS EMPLEADOS. En este proyecto hemos utilizado los siguientes las siguientes herramientas y medios para su elaboración: a) Programa de diseño CAD-CAE Autodesk Inventor Professional 2020 (versión para estudiantes). b) Programa de diseño CAD-CAE Solidworks 2019 (versión para estudiantes). c) Festo Fluidsim para el diseño y simulación de los elementos neumáticos.