PROYECTO FIN DE CARRERA
DISEÑO DE UN BRAZO
INDUSTRIAL NEUMÁTICO
Autor: Juan Manuel Gayo Martínez
Tutores: Dr. Enrique Soriano Heras
Dr. Higinio Rubio Alonso
Departamento de Ingeniería Mecánica
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Diseño de un Brazo Industrial Neumático: Proyecto Fin de Carrera, Resúmenes de Cálculo
Juan Manuel Gayo Martínez presenta este trabajo sobre el diseño de un brazo industrial neumático. El documento incluye el análisis de mecanismo, diseño mecánico, y el desarrollo del esquema neumático utilizando herramientas CAD-CAE. El autor utiliza el robot Fanuc LR Mate como base de diseño y analiza su alcance y características principales.
Qué aprenderás
- ¿Qué herramientas CAD-CAE se utilizan en el diseño del brazo industrial neumático?
- ¿Qué ventajas ofrece el uso de herramientas CAD-CAE en el diseño de un brazo industrial neumático?
- ¿Cómo se realiza el análisis de mecanismo en el diseño del brazo industrial neumático?
- ¿Cómo se utiliza el robot Fanuc LR Mate en el diseño del brazo industrial neumático?
- ¿Qué características tiene el brazo industrial neumático diseñado por Juan Manuel Gayo Martínez?
Tipo: Resúmenes
2019/2020
1 / 122
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PROYECTO FIN DE CARRERA
DISEÑO DE UN BRAZO
INDUSTRIAL NEUMÁTICO
Autor: Juan Manuel Gayo Martínez
Tutores: Dr. Enrique Soriano Heras
Dr. Higinio Rubio Alonso
Departamento de Ingeniería Mecánica
Resumen
El presente proyecto desarrolla una parte importante de la ingeniería básica y de la ingeniaría de detalle necesarias para la fabricación de un brazo robótico o robot industrial.
Existen unas particularidades en el diseño que lo diferencian de otros diseños existentes: se utilizarán únicamente actuadores neumáticos lineales, se pretende conseguir un coste de producción reducido para la fabricación de pocas unidades y se realizará un diseño sencillo tanto para su instalación y puesta en marcha como para su mantenimiento.
Para desarrollar el diseño se utilizarán herramientas de software CAD-CAE de última generación. Estas herramientas se utilizarán para el diseño mecánico y modelización, para la simulación dinámica y análisis de mecanismo y para la elaboración y simulación del esquema neumático.
Se va definir un proceso de diseño completo aplicable a este proyecto y se va a marcar el objetivo de cumplir con varias de las tareas recogidas en el mismo, dejando para futuros trabajos el desarrollo del resto de tareas.
En primer lugar se definirán las especificaciones básicas de diseño, se elaborará un diseño preliminar y se procederá a su análisis. Posteriormente se irá afinando el diseño hasta llegar a la versión definitiva.
Utilizando las herramientas CAD-CAE, se realizarán los cálculos y simulaciones necesarios para la aprobación preliminar del diseño y se desarrollan los planos de fabricación del equipo, lo que se ha denominado ingeniería de detalle.
Se recogerán unas nociones básicas sobre el uso de los programas CAD-CAE utilizados, sin embargo, el objetivo es que el proyecto pueda servir de ejemplo práctico de cómo estas herramientas nos ayudan en la fase de diseño de un equipo, no que sirva como manual de uso de estos programas.
Palabras clave : robot industrial, brazo industrial, CAD, CAE, diseño mecánico, mecanismo, instalación neumática, esquema neumático, planos, dibujo técnico.
Abstract
This project develops an important part of the basic engineering and the detail engineering required for the manufacture of a robotic arm or industrial robot.
There are some peculiarities in the design that differentiate it from other existing designs: using only linear pneumatic actuators, to get a reduced production cost for making a few units and to get a simple design for installation and starting and for maintenance.
In order to develop the design last generation CAD-CAE software tools will be used. These tools are used for the mechanical design and modeling, as well as, for the dynamic simulation and mechanism analysis, and for the design and simulation of the pneumatic scheme.
A complete design process applicable to this project will be defined and the target of comply some task will be marked, leaving for future work the development of the rest of the tasks.
First, the basic specifications of the design will be defined. A preliminary design and its analysis will be elaborated. Later, the design will be refined up to the final version.
Using CAD-CAE tools, the calculations and simulations required for the preliminary approval will be performed and the design and manufacturing drawings of the machine will be developed, this is what we will call detail engineering.
Basic notions about the use of the CAD-CAE programs used will be collected, however, the target is that the project can serve as a practical example of how these tools help us in the design phase of a machine, not to serve as a user manual of these programs.
Keywords : industrial robot, robotic arm, CAD, CAE, mechanical design, mechanism, pneumatic installation, pneumatic scheme, drawings, technical drawings.
- INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS
- 1.1. Introducción...............................................................................................................
- 1.2. Objetivos
- 1.3. Fases del desarrollo
- 1.4. Medios empleados
- 1.5. Estructura de la memoria
- DATOS DE PARTIDA
- 2.1. Marco histórico..........................................................................................................
- 2.2. Brazos robóticos comerciales
- 2.2.1. ABB IRB 120...................................................................................................................
- 2.2.2. KUKA KR 6-2
- 2.2.3. MOTOMAN MH5
- 2.2.4. FANUC LR MATE
- 2.3. Características de la instalación neumática
- 2.3.1. Descripción de componentes
- METODOLOGÍA
- 3.1. Proceso de diseño
- 3.2. Métodos empleados
- 3.2.1. Cajetín
- 3.2.2. Lista de piezas
- 3.2.3. Descripción del material
- 3.3. Software empleado
- 3.3.1. Software de diseño mecánico..........................................................................................
- 3.3.2. Software de diseño neumático
- DISEÑO MECÁNICO
- 4.1. Análisis de mecanismo
- 4.1.1. Clasificación del mecanismo
- 4.1.2. Grados de libertad
- 4.1.3. Simplificación del mecanismo
- 4.1.4. Análisis cinemático del mecanismo
- 4.2. Síntesis de mecanismo...............................................................................................
- 4.2.1. Características de funcionamiento
- 4.2.3. Segundo diseño
- 4.2.4. Tercer diseño
- 4.3. Resultados del diseño mecánico
- 4.3.1. Comparación entre los modelos BN02 Y BN03
- 4.3.2. Área de trabajo
- 4.3.3. Fuerza en los cilindros
- 4.3.4. Reacciones en los apoyos con carga de 5 kg
- DISEÑO NEUMÁTICO.........................................................................................................
- 5.1. Esquema neumático
- 5.2. Instalación neumática sobre el equipo.......................................................................
- 5.3. Cálculo de los cilindros neumáticos
- 5.4. Resultados del diseño neumático
- 5.4.1 Regulación de las válvulas de control de caudal
- INGENIERÍA DE DETALLE
- 6.1. Lista de planos
- 6.1.1. Notas sobre los planos
- 6.2. Elementos comerciales
- 6.2.1 Cojinetes sin lubricación
- 6.2.2. Cabezas de articulación
- 6.2.3. Cilindros neumáticos
- PRESUPUESTO
- 7.1. Presupuesto del proyecto
- 7.2. Presupuesto del proyecto
- 7.3. Diagrama de Gantt.....................................................................................................
- EJEMPLOS DE APLICACIONES
- 8.1. Aplicación transporte
- 8.2. Aplicación pintura
- 8.3. Aplicación soldadura
- CONCLUSIONES Y TRABAJOS FUTUROS............................................................................
- 9.1. Conclusiones
- 9.2 Trabajos futuros
- BIBLIOGRAFÍA
- Catálogos
- APENDICE 1. PLANOS DE FABRICACIÓN Y MONTAJE.........................................................
- Figura 1: ejemplos de brazos robóticos industriales según ISO 8378:1994......................... Índice de figuras
- Figura 2: Robot diseñado por Leonardo Da Vinci.
- Figura 3: Sistema de fabricación flexible
- Figura 4: Ultimate PUMA
- Robotics, Figura 5: Crecimiento del número de robots industriales operativos, Fuente: World
- Figura 6: Principales fabricantes de robots industriales del mundo
- Figura 7: Robot ABB IRB120
- Figura 8: Alcance robot ABB IRB120
- Figura 9: Robot KUKA KR 6-2
- Figura 10: Alcance robot KUKA KR 6-2
- Figura 11: Robot Motoman MH5
- Figura 12: Alcance robot Motoman MH5
- Figura 13: Robot Fanuc LR Mate.........................................................................................
- Figura 14: Alcance robot Fanuc LR Mate
- Figura 15: Instalación básica de aire comprimido................................................................
- Figura 16: Sistema de generación de aire comprimido
- Figura 17: Cilindro de doble efecto
- Figura 18: Regulador de caudal unidireccional
- Figura 19: Silenciador
- Figura 20: Válvula direccional 5/3
- Figura 21: Diagrama de flujo completo del proceso de diseño
- Figura 22: Diagrama de flujo reducido del proceso de diseño realizado
- Figura 23: Autodesk Inventor 2012......................................................................................
- Figura 24: Ejemplo de Modelado 3d
- Figura 25: Ejemplo de Modelado 3d modificado
- Figura 26: Acceso al entorno de simulación dinámica (Autodesk Inventor)
- Figura 27: Entorno de simulación dinámica (Autodesk Inventor)
- Figura 28: Software de simulación Automation Studio
- Figura 29: Par de rotación (o revolución)
- Figura 30: Par de traslación (o prismático)
- Figura 31: Par helicoidal o de tornillo
- Figura 32: Vista en isométrica del diseño preliminar...........................................................
- Figura 33: Mecanismo como un mecanismo plano y un eje de rotación
- mecanismo Figura 34: Alzado: Mecanismo plano; Planta: Movimiento de giro de la base del
- Figura 35: Pares cinemáticos del mecanismo plano
- Figura 36: Eslabones del mecanismo plano
- Figura 37: Eslabones del mecanismo considerando sólo el movimiento del cilindro 1.......
- Figura 38: Eslabones del mecanismo considerando sólo el movimiento del cilindro 2.......
- Figura 39: Eslabones del mecanismo considerando sólo el movimiento del cilindro 3.......
- Figura 40: Trayectoria límite del mecanismo.......................................................................
- Figura 41: Análisis cinemático considerando solamente el cilindro
- Figura 42: Análisis cinemático considerando solamente el cilindro
- Figura 43: Evolución del diseño del eslabón 1.....................................................................
- Figura 44: Diseño BN02.......................................................................................................
- Figura 45: Trayectoria análisis BN02
- Figura 46: Trayectoria BN02
- Figura 47: Fuerza en los cilindros BN02..............................................................................
- Figura 48: Fuerza en los cilindros por zonas de la trayectoria
- Figura 49: Modificaciones diseño BN02..............................................................................
- Figura 50: Modificaciones diseño BN02..............................................................................
- Figura 51: Modificaciones diseño BN02..............................................................................
- Figura 52: Modelo BN03
- Figura 53: Sección transversal Modelo BN03
- Figura 54: Comparación trayectoria BN02 y BN03
- Figura 55: Comparación fuerza cilindro 1 BN02 y BN03
- Figura 56: Comparación fuerza cilindro 2 BN02 y BN03
- Figura 57: Área de trabajo según la carga
- Figura 58: Área de trabajo BN03
- Figura 59: Fuerza en los cilindros BN03, carga 5 kg
- Figura 60: Fuerza en los cilindros BN03, carga 4 kg
- Figura 61: Fuerza en los cilindros BN03, carga 3 kg
- Figura 62: Fuerza en los cilindros BN03, carga 2 kg
- Figura 63: Reacciones en los apoyos
- Figura 64: Numeración de los apoyos
- Figura 65: Esquema neumático
- Figura 66: Esquema neumático con cilindros en fase de subida
- Figura 67: Esquema neumático con cilindros en fase de bajada
- Figura 68: Esquema para el estudio de las vibraciones neumáticas
- Figura 69: Oscilación neumática
- Figura 70: Tiempo de llenado
- Figura 71: Oscilación neumática
- Figura 72: Tiempo de llenado
- Figura 73: Oscilación neumática
- Figura 74: Tiempo de llenado
- Figura 75: Entalladura DIN
- Figura 76: Salida de rosca
- Figura 77: Micro sección de cojinete
- Figura 78: cabeza de articulación
- Figura 79: Cilindro neumático
- Figura 80: Diagrama de Gantt realizado
- Figura 81: Aplicación transporte
- Figura 82: Fuerzas en los cilindros, aplicación transporte
- Figura 83: Posición de los cilindros en la aplicación de transporte
- Figura 84: Velocidad de los cilindros en la aplicación de transporte
- Figura 85: Velocidad de giro de los eslabones en la aplicación de transporte
- Figura 86: Potencia en los cilindros en la aplicación de transporte
- Figura 87: Energía total consumida en los cilindros en la aplicación de transporte
- Figura 88: Características del movimiento de la pinza en la aplicación de transporte
- Figura 89: Aplicación pintura...............................................................................................
- Figura 90: Posición de los cilindros en la aplicación de pintura
- Figura 91: Posición de la pinza en la aplicación de pintura
- Figura 92: Velocidad de la pinza en la aplicación de pintura
- Figura 93: Aceleración de la pinza en la aplicación de pintura............................................
- Figura 94: Aplicación soldadura
- Tabla 1: Tipos de robots industriales según ISO8373 Índice de tablas
- Tabla 2: Lista de archivos CAD
- Tabla 3: Cajetín
- Tabla 4: Lista de piezas
- Tabla 5: Tabla de material
- Tabla 6: Condiciones de funcionamiento
- Tabla 7: Norma ISO 8573-1
- Tabla 8: Cálculo inicial de los cilindros neumáticos
- Tabla 9: Cálculo final de los cilindros neumáticos
- Tabla 10: Lista de planos......................................................................................................
- Tabla 11: Presupuesto del proyecto......................................................................................
- Tabla 12: Presupuesto de fabricación
Diseño de un brazo industrial neumático
- Utilización únicamente de actuadores neumáticos lineales. El diseño se realizará con actuadores del tipo cilindro neumático, con esto pretendemos realizar un diseño de coste reducido, ya que este tipo de actuadores son muy simples, su uso está muy extendido y son económicos. Debido a su simplicidad tienen muy pocas averías y su reparación es muy sencilla y económica. Gracias a su uso extendido es sencillo encontrar personal capacitado para trabajar con este tipo de dispositivos. En el futuro estos actuadores podrán ser sustituidos por otros de tipo músculo neumático, realizando pocas variaciones en el diseño, consideramos que en futuro se tiende a utilizar cada vez más este tipo de actuadores, según el fabricante FESTO, las ventajas de este tipo de actuadores son: fuerza inicial hasta 10 veces superior a la de un cilindro convencional del mismo diámetro; gran dinamismo, incluso con grandes cargas; sin partes mecánicas móviles en sentidos opuestos; sin tirones, también al ejecutar movimientos muy lentos; accionamiento sencillo mediante presión, sin detector de recorrido; separación entre el fluido de funcionamiento y la atmósfera; ideal para aplicaciones expuestas a polvo y suciedad y estructura robusta, sin fugas.
- Coste de fabricación reducido para la producción de pequeñas cantidades, incluso para una unidad. Tratamos de evitar la utilización de piezas complicadas fabricadas a partir de fundición o que requieran alto coste de utillaje, cómo es el caso de piezas fabricadas por embutición. Estas piezas encarecerían la fabricación para series pequeñas, el diseño está pensado para ser producido para aplicaciones especiales, prácticamente a medida y para la realización de trabajos relativamente sencillos.
- Sencillez en el diseño, tratamos de realizar un diseño sencillo y económico, sin complejas válvulas de control electrónicas, con esto se pretende reducir la posibilidad de que el sistema sufra averías y reducir su coste tanto de producción como de mantenimiento, pretendemos reducir al mínimo el LLC, coste de ciclo de vida del producto.
Figura 1: ejemplos de brazos robóticos industriales según ISO 8378:
Capítulo 1 Introducción
Estas características difieren de los diseños existentes en la industria, ya que éstos cuentan con actuadores de tipo rotativos, están pensados para fabricación en series relativamente grandes y cuentan con diseños neumáticos complejos que a su vez están controlados por una electrónica compleja.
Todas estas características particulares, hacen necesaria la realización de un nuevo diseño diferente a los existentes en el mercado.
Actualmente para realizar esta tarea profesionalmente de forma competitiva es necesario utilizar las herramientas informáticas CAD-CAE disponibles en el mercado. En el presente proyecto tratamos de aprovechar las ventajas que supone utilizar este tipo de software.
Robot Ejes Ejemplo Principio Esquema cinemático Espacio de trabajo Foto
Robot cartesiano
Robot cilíndrico
Robot esférico
Robot SCARA
Robot articulado
Robot paralelo
Tabla 1: Tipos de robots industriales según ISO
Capítulo 1 Introducción
1.3. Fases del desarrollo
En primer lugar se ha definido un diagrama de procesos con las fases que entendemos debe tener un diseño de estas características, debido a la imposibilidad de desarrollar todas las fases del proyecto, que según exponemos en el Apartado 3.1 requieren unos recursos superiores a los disponibles para realizar este proyecto, nos hemos centrado sólo en algunos puntos del mismo, dejando para trabajos futuros (Apartado 9.2) la realización del resto.
En primer lugar se han recogido los datos de partida, a partir de las características de las instalaciones neumáticas disponibles en la industria, que nos marcarán el rango de presión de trabajo y la potencia máxima disponible. La presión máxima será la presión para la que están diseñadas las instalaciones (Apartado 2.3).
También se han estudiado diseños de brazos robóticos con aplicaciones equivalentes disponibles en el mercado, de esta forma se han podido definir las especificaciones técnicas básicas de nuestro sistema, en base a las características técnicas de los diseños de los principales fabricantes que disponen de equipos que ya han sido utilizados en este tipo de aplicaciones.
A continuación se ha realizado un análisis de mecanismo del mecanismo de partida, que denominamos brazo neumático BN01 o diseño preliminar. Posteriormente se ha intentado simplificar el diseño y reducir el número de piezas, de esta forma se ha realizado un segundo diseño denominado brazo neumático BN02. Se ha realizado una simulación de este diseño pero los resultados obtenidos no se han aceptado como válidos según las especificaciones definidas en los Apartados 2.2 y Apartado 4.2.1.
Se ha realizado un tercer diseño, denominado brazo neumático BN03, en este caso las mejoras introducidas han sido satisfactorias y los resultados de la simulación se han aprobado.
Una vez finalizada la fase de diseño básico, o ingeniería básica, se ha procedido a la fase de ingeniería de detalle, en esta fase se han elaborado los planos necesarios para la fabricación y montaje de las piezas y se han seleccionado los componentes comerciales que se instalarán en el equipo.
Se han desarrollado varias simulaciones de distintas aplicaciones comprobando que el diseño es apto para la realización de los trabajos para los que ha sido diseñado.
Finalmente se ha construido un prototipo que nos permitirá verificar que los resultados obtenidos de forma teórica y numérica se corresponden con los datos medidos en el prototipo.
1.4. Medios empleados
Para la realización del proyecto se han utilizado los siguientes medios:
- Catálogos y especificaciones técnicas de fabricantes
- Programa de diseño CAD-CAE, Autodesk Inventor Professional 2012 (versión para estudiantes)
- Programa de simulación de circuitos neumáticos, hidráulicos y eléctricos, Automation Studio 5.2.
Diseño de un brazo industrial neumático
- Programa Microsoft Excel para el tratamiento de los datos, la realización de cálculos y la elaboración de gráficas. Programa Microsoft Word para la elaboración del documento de la memoria.
1.5. Estructura de la memoria
Para facilitar la lectura de la memoria, se incluye a continuación un breve resumen de cada capítulo.
- En el primer capítulo se define el proyecto y se exponen los motivos que hacen necesaria su realización. A pesar de que existen diseños similares el nuestro cuenta con las características específicas expuestas que hacen necesario su desarrollo. Además queremos desarrollar el proyecto como un ejemplo práctico de las mejoras que supone la utilización de programas de diseño y simulación CAD-CAE en la fase de diseño.
- En el segundo capítulo se define el proceso de diseño y se desarrolla la metodología que se ha seguido para desarrollar el proyecto. Dentro de la metodología se incluyen los formatos y tablas que se han definido y que posteriormente se utilizan de en el resto del proyecto, también se incluyen las nociones básicas que se han tenido que adquirir con los programas de diseño utilizados, los criterios que se han utilizado para tratar los datos y los archivos, la normalización de los planos elaborados y un presupuesto del coste que supone la realización de este trabajo.
- En el tercer capítulo se ha desarrollado un estudio de los datos de partida necesarios para poder realizar el trabajo, se han obtenido datos de las instalaciones neumáticas a las que va a estar conectado el equipo. Se ha realizado una introducción histórica y un estudio de los diseños similares disponibles en el mercado.
- En el cuarto capítulo se describe cómo se ha desarrollado el diseño mecánico preliminar del equipo y se elaboran las simulaciones de funcionamiento. Se trata tanto de un diseño de análisis de mecanismo como de un diseño de síntesis de mecanismo. Como se puede ver en dicho capítulo han sido necesarios posteriormente dos diseños para llegar al definitivo, el primer diseño trata de mejorar la fabricación y el funcionamiento sin afectar a la geometría de la máquina, en el segundo diseño se modifican las dimensiones del equipo para intentar conseguir un mecanismo capaz de realizar los esfuerzos que se le exigen.
- En el quinto capítulo se desarrolla el diseño neumático, se elabora el esquema neumático y se realizan las simulaciones necesarias para ajustar dicho diseño a las características de funcionamiento que queremos obtener. Se ha detectado que se producen vibraciones en los cilindros neumáticos cuando se produce una parada del mismo, se han tenido que realizar varias simulaciones con distintos valores de caudal de aire para conseguir ajustar estas vibraciones a unos valores admisibles. Para ajustar el caudal de aire se utilizan obstrucciones en el paso de aire que consisten en orificios de un diámetro determinado.
- En el sexto capítulo se desarrolla la ingeniería de detalle del equipo, se han realizado los planos de fabricación y de montaje del equipo con un detalle que permite su fabricación, incluyendo todas las notas necesarias para hacer posible