Desarrollo de un sistema robotizado Pick and Place, para la automatización de procesos de ensamble de herramientas de sujeción (gripper), a partir de la implementación de un mecanismo neumático adaptado al robot industrial ABB IRB 140.
Video desarrollo Proyecto Final
Para el desarrollo de este proyecto se inció con el diseño de la herramienta porta ventosa, partiendo de las especificaciones del producto del manipulador IRB 140, especificamente de las dimensiones de la brida para herramientas y las cuales se pueden ver a continuación
A partir de las dimensiones de las ventosas y acoples dispuestos en el laboratorio y de la brida para herramientas del manipulador IRB 140 se diseño el porta ventosa tal que se adaptase a cada uno de estos elementos.
Desde un principio se estableció que el proceso de fabricación de la herramienta iba a ser por manufactura aditiva se tuvo que disminuir los concentradores de esfuerzos a traves de la presencia de chaflanes de radios bastantes pronunciados, todo esto para evitar la fractura de la herramienta por lo anisotropía que se presentan en las piezas fabricadas por MDF en las secciones paralelas a la base de construcción.
Adicionalmente, se estableció como criterio de diseño que el TCP debería estar alineado al eje de acción de la articulación seis, de tal manera que esta fuese "simétrica" al rededor del eje z. Es así, que la herramienta porta ventosa final diseñada es la que se puede observar a continuación
OnShape modelo CAD de la herramienta porta ventosa
Para poder interactuar y ver con mayor profundidad la herramienta porta ventosa se sugiere verla en OnShape.
Los planos de fabricación se pueden ver en la carpeta de planos
De cara a hacer el proceso de ensamble lo más ágil posible se decidió que el gripper debería tener el menor número de piezas, es por esto que el gripper diseñado tiene tan sólo cinco piezas.
Dado que el diámetro interior de la ventosa es de 21 mm se tuvo como requisito de diseño adicional de que las piezas deberían medir por lo menos 25 mm de ancho, de esta manera se garantizaría que no hubiesen fugas de aire al momento de que la ventosa sujetase alguna pieza.
Es así que el gripper diseñado fue el siguiente.
OnShape modelo CAD del Gripper
Al momento de crear las diferentes trayectorias en Robot Studio se encontró con dificultades en el proceso de situar los targets en las piezas en los lugares específicos y necesarios para que la ventosa se ubicara adecuadamente. Es por esto que lo que se decidió fue crear elementos facilitasen la ubicación de los targets en Robot Studio, de ahí que las piezas tanto del gripper como de las bases del Pick y del Place tengan trazadas circunferencias en posiciones determinadas.
Para poder interactuar y ver con mayor profundidad la herramienta porta ventosa se sugiere verla en OnShape.
Los planos de fabricación se pueden ver en la carpeta de planos.
A continuación se puede observar como el diseño del gripper es totalmente funcional.
OnShape modelo CAD del Gripper funcionando
Para crear la rutina de pick and place se diseñaron dos superficies de trabajo como se muestra a continuación; en la primera (espacio de trabajo de recogida) se ubicaron las piezas a ensamblar y como se menciono a continuación cada pieza tiene un circulo grabado en la mitad para facilitar la ubicación de los target, en la segunda pieza (espacio de trabajo para colocar) se alcanza a visualizar la orientación de cada pieza grabada con los círculos mencionados anteriormente.
Con los espacios de trabajo ubicados, se empieza aproximando el robot mediante desplazamientos articulares a cada posición de pick para evitar que la muñeca realice movimiento singulares, esta orientación se replica en el espacio de trabajo del place y mediante rotaciones alrededor del eje z se cambia la orientación de algunas piezas como se evidencia en el siguiente video. Cabe resaltar que para esta rutina se utilizo un z igual a 0 pues se requería precisión en la rutina, ademas se usó una velocidad de 200 mm/s y una aproximación al espacio de trabajo de place de 30 mm de modo que se garantice que ninguna pieza toque los tornillos de ensamble del gripper. En cuanto a las señales para activar y desactivar la ventosa, se crearon 2 salidas digitales DO_01 y DO_02 y se incorporaron en la trayectoria de cada pieza; asi mismo se agrego la entrada digital DI_01 para iniciar la rutina al presionar un botón en el tablero decontrol y se garantiza inicie y termine en la posición de home.
EL código implementado se encuentra en la carpeta RAPID, a continuación se realiza una breve descripción de las secciones principales del código.
PROC main()
WaitDI DI_01,1; !Espera entrada activación digital
Ensamble1; !Empieza rutina de peak and place
ENDPROC
PROC Ensamble1()
Path_home; !Va a la posicion de home
Path_Pick2; !Recoge pieza
Path_Place2; !Coloca pieza
Path_Pick1;
Path_Place1;
Path_Pick3;
Path_Place3;
Path_Pick4;
Path_Place4;
Path_Pick5;
Path_Place5;
Path_home; !Va a la posicion de home
ENDPROC
PROC Path_Pick1()
MoveJ Target_30,v200,z0,T_ventosa\WObj:=WO_Peak; !movimiento articular para de posicionamiento
MoveL Target_20,v200,z0,T_ventosa\WObj:=WO_Peak; !movimiento lineal para acercamiento
MoveL Target_10,v200,z0,T_ventosa\WObj:=WO_Peak; !movimiento lineal cooredenadas de la pieza
WaitTime 1; !espera de 1s
SetDO DO_02,0; !desactiva señal para soltar
SetDO DO_01,1; !activa señal para succiónar
WaitTime 1; !espera de 1s
MoveL Target_20,v200,z0,T_ventosa\WObj:=WO_Peak; !movimiento lineal intermedio para alejarse
MoveL Target_30,v200,z0,T_ventosa\WObj:=WO_Peak; !movimiento lineal final
ENDPROC
PROC Path_Place1()
MoveL Target_60,v200,z0,T_ventosa\WObj:=WO_Place; !movimiento articular para de posicionamiento
MoveL Target_50,v200,z0,T_ventosa\WObj:=WO_Place; !movimiento lineal para acercamiento
MoveL Target_40,v200,z0,T_ventosa\WObj:=WO_Place; !movimiento lineal cooredenadas de la pieza
WaitTime 1; !espera de 1s
SetDO DO_01,0; !desactiva señal para succiónar
SetDO DO_02,1; !activa señal para soltar
WaitTime 1; !espera de 1s
MoveL Target_50,v200,z0,T_ventosa\WObj:=WO_Place; !movimiento lineal intermedio para alejarse
MoveL Target_60,v200,z0,T_ventosa\WObj:=WO_Place; !movimiento lineal final
ENDPROC
Para el desarrollo de este proyecto se inició verificando la conexión neumática de la ventosa, seguido fue necesario verificar el voltaje de alimentación de la ventosa e identificar con una fuente de alimentación la conexión que activa y desactiva el sistema. Como la ventosa funciona a 24V permite la conexión directa al módulo de entradas y salidas, no obstante fue necesario verificar el cableado para confirmar la tierra y la ubicación de entradas y salidas predefinidas en el controlador DI_01 DO_01 y DO_02.
A continuación se puede apreciar parte de la rutina implementada en el laboratorio LABSIR con un manipulador ABB IBR140, video completo e imágenes de la ejecución pueden ser apreciados en la carpeta Multimedia o en carpeta de Drive
Una vez terminada la rutina se procede a ubicar las tuercas correspondientes y ensayar la funcionalidad del gripper propuesto, que como se puede evidenciar el siguiente video es completamente funcional.
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Al momento de diseñar un proceso de ensamble, manufactura o de cualquier indole industrial es preciso tener en cuenta cuales son los requisitos y limitaciones tanto de espacio, dispositivo como a tareas a realizar, pues son estas las que definirán los diseños desde herramientas hasta los procesos mismos.
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Para la rutina desarrollada y el peso de cada pieza se evidenció que es posible optimizar la trayectoria, particularmente la velocidad de desplazamiento de entre los espacios de trabajo reduciendo el tiempo de ensamble del mecanismo.
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Para aplicaciones de pick and place es indispensable definir adecuadamente la orientación de los targets pues en este tipo de rutinas la precisión resulta muy importante a la hora ensamblar partes. También es importante resaltar que al realizar rutinas de pick la ventosa no debe acercarse y tocar la pieza de forma abrupta pues puede desplazar la pieza a sujetar y llegado el caso también piezas aledañas a esta, por tanto para este ejercicio se tomo un espacio entre la ventosa y el ensamble de un centímetro para que la ventosa se acercase.
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Si bien crear los espacios de pick and place de manera separada hace que en entornos industriales los procesos sean mas versátiles y flexibles al tener la capacidad y posibilidad de mover las diferentes estaciones a conveniencia, para este ejercicio académico haber tenido los espacios de pick and place en una sola estación hubiera facilitado el proceso al disminuir un proceso de calibración de un workspace extra.
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De cara a evitar singularidades es importante evitar en la mayor medida trayectorias que impliquen desplazamientos lineales que produzcan movimientos considerables en las articulaciones, y para esto se debe hacer una correcta planeación que va desde la disposición y orientación de cada uno de los elementos a ensamblar hasta la misma ubicación de las estaciones de trabajo.