Designs Requiered to Manufacture a Product and the Hands of a Robot for its Assembly

Vigón Cañellas, María (2017). Designs Requiered to Manufacture a Product and the Hands of a Robot for its Assembly. Proyecto Fin de Carrera / Trabajo Fin de Grado, E.T.S.I. Industriales (UPM).

Descripción

Título: Designs Requiered to Manufacture a Product and the Hands of a Robot for its Assembly
Autor/es:
  • Vigón Cañellas, María
Director/es:
  • Muñoz Guijosa, Juan Manuel
Tipo de Documento: Proyecto Fin de Carrera/Grado
Grado: Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales
Fecha: Junio 2017
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Mecánica
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El trabajo desarrollado se ha llevado a cabo para uno de los laboratorios del Departamento de Robótica del ENSE3 (Escuela de Ingeniería de la Energía, Agua y Medioambiente, perteneciente a la Universidad Politécnica de Grenoble). Dicho laboratorio es una plataforma de enseñanza donde los alumnos de tercer año de Ingeniería Mecánica de la Universidad Politécnica llevan a cabo las prácticas de la asignatura de Robótica. Durante el año pasado se trasladó el citado laboratorio a la Universidad para que estuviera cerca de los alumnos y facilitar el desarrollo de las prácticas y la adquisición de conocimientos, a la vez que se modernizó la plataforma de prototipos, cambiando los robots que estaban obsoletos. Junto con estos cambios se decidió modificar los trabajos prácticos que cada año los alumnos tienen que realizar para cursar los créditos de esta asignatura. Dentro de este laboratorio se planteó para el curso 2016-17 el montaje en serie de unos productos a través de la programación de robots. Para ello se necesitaba desarrollar previamente los nuevos productos y a su vez terminar la cadena de montaje. Es a raíz de esta problemática donde surge mi Proyecto de Fin de Grado. El proyecto se llevó a cabo en la Universidad “Génie Industriel”, una de las escuelas del Instituto Politécnico (INP) de Grenoble (Francia) que cuenta con una gran plataforma de creación de prototipos (el GI-NOVA). Los objetivos principales del proyecto fueron los siguientes: 1) diseñar y desarrollar tres productos modulables (un termómetro, una Cuenta Atrás y una lámpara automática) realizados a partir de tecnología Arduino, que pudieran ser montados en tres etapas consecutivas (debido al número de robots que hay en la plataforma). Además todos estos productos deberían incorporar un módulo Wi-Fi de forma que pudieran ser controlados a distancia. 2) diseñar y desarrollar los utillajes de los tres robots necesarios para poder ensamblar los mencionados productos. El proyecto estuvo dividido en dos etapas correspondiendo cada una de ellas con los objetivos planteados. La primera parte consistió en el diseño y posterior desarrollo de los productos. Para ello se llevó a cabo un estudio del tipo de productos que podían desarrollarse bajo las especificaciones del cliente, buscando siempre que tuvieran una utilidad práctica. Las ideas seleccionadas para llevar a cabo el proyecto fueron un termómetro, una cuenta atrás y una luz automática. • Termómetro: utilizando un sensor de humedad y de temperatura el producto es capaz de medir la temperatura del aire y encender una luz (LED) cuando la temperatura sobrepasa un valor fijado por el usuario. Se puede utilizar para avisar al operario que la máquina que está utilizando está sobrecalentándose. • Cuenta Atrás: este producto enciende una luz y un relé cuando ha pasado un cierto tiempo. De esta forma se le da un aviso luminoso al operario de que el proceso ha terminado y se puede encender la máquina correspondiente a la siguiente etapa del proceso. • Lámpara automática: utilizando un captador de luminosidad y un sensor de movimiento, este producto encenderá una luz cuando alguien esté en la sala y la luminosidad del entorno sea baja. Una vez seleccionados los tres productos que se iban a llevar a cabo se hizo otro estudio para encontrar los mejores componentes para poder fabricarlos. Se buscó que fueran lo más pequeños posibles (debido a las limitaciones de espacio del proceso de fabricación en la cadena de montaje) y además que no fueran muy caros, para reducir el coste global del proyecto. Cuando los componentes fueron encargados a la Universidad se empezó con la programación de los productos (esta parte fue secundaria ya que no era un requisito primordial del proyecto que los productos funcionaran perfectamente). Aun así se consiguió programar todos los productos con éxito. Se hizo un primer acercamiento a la programación de los productos utilizando un kit de Arduino que tenía la Universidad y posteriormente, se terminó con los componentes solicitados. La parte más compleja fue encontrar la forma correcta de colocar todos los componentes para que los productos fueran modulables (tenía que encontrar una forma para que los tres productos tuvieran una base común). Después de hacer muchas pruebas y de encontrar la manera correcta de colocarlos hubo que soldar ciertas partes de la tarjeta Arduino así como colocar cables en su parte inferior para lograr las conexiones correctas que harían funcionar el producto debidamente. También se soldaron los conectores necesarios sobre los cuales se colocarían los componentes. Cabe destacar que estos conectores no estarán siempre ocupados por componentes, algunos quedaran vacíos en función del producto que se vaya a fabricar. Durante esta parte del proceso se hizo evidente que si se requería que la cadena de fabricación funcionara no bastaba con desarrollar el producto, tenía que encontrar además una forma eficaz de hacer que éste se moviera sobre los pallets de la cadena de montaje para poder ensamblarlo. Es por esto que hubo que desarrollar un soporte que se colocará y fijará sobre los pallets (la fijación se hace con unas varillas metálicas que se hacen pasar por los agujeros del soporte y del pallet, y se fijan con tuercas). Este soporte además eleva el producto evitando así las zonas conflictivas del pallet (solo se puede usar la zona central del pallet ya que la parte trasera es utilizada para colocar un chip que permite conocer la posición de la pieza durante todo el proceso de fabricación. Algo similar pasa con las partes laterales, que tampoco son útiles ya que las utilizan los robots para agarrar los pallets en las zonas de ensamblaje de los componentes). Con este soporte conseguimos no sólo una forma de fijar el producto a la cadena de montaje, sino además recuperar el espacio que habríamos perdido de montarlo todo directamente sobre la superficie del pallet. El soporte se hizo a partir de plexiglás, un material que puede resistir perfectamente los esfuerzos a los que estará sometido cuando el robot ejerza presión sobre él para ensamblar los componentes. Se utilizó el corte láser como método de fabricación debido a la simplicidad de las formas del diseño. También se tuvo que diseñar una caja sobre la que montar el producto de manera que una vez terminando se pudiera coger todo en su conjunto evitando así que los componentes pudieran dañarse por estar desprotegidos. La parte inferior de la caja iría montada sobre el soporte previamente mencionado, y sobre ella se fijaría la placa Arduino para permitir el montaje. La “tapa” se pondrá al final del proceso de ensamblaje una vez terminado el montaje. La parte inferior de la caja fue hecha con impresión 3-D, ya que el diseño de esta parte contenía diversas alturas y ángulos complejos que imposibilitaban su fabricación con otro tipo de tecnología más rápida (el diseño fue complejo ya que la caja tenía que ser válida para todos los productos por lo que tenía que tener la forma adecuada para contener a todos los componentes). Mientras que la tapa, cuya geometría era mucho más simple, pudo hacerse de nuevo con plexiglás que fue curvado después para darle la forma necesaria. Durante el desarrollo de la primera parte se empezaron a realizar estudios de distintos tipos de utillajes para un robot. Una primera preselección dio como resultado que las mejores opciones eran usar un sistema de agarre por absorción (utilizando ventosas por ejemplo) o una garra que simulara una mano humana. Finalmente debido al tamaño y a la forma de los componentes la solución elegida fue la de la garra. Fue en este momento cuando se planteó como el robot iba a coger los componentes para poder colocarlos posteriormente sobre la placa Arduino. Este proceso llevó a diseñar una serie de “soportes” para los componentes, que se colocaron al lado del robot permitiendo que éste pueda cogerlos con precisión. A la hora de desarrollar estos soportes se buscó que el robot utilizara los movimientos más sencillos posibles (evitando que tuviera que llevar a cabo rotaciones para colocar los elementos debido a la gran precisión que se necesita para colocar componentes de este tipo). Los soportes se desarrollaron con la impresión en 3-D debido a sus geometrías complejas. Para finalizar se estudió todos los tipo de garras posibles para el robot, tomándose la decisión de que una con dos dedos sería suficiente para este proyecto. Se realizó una búsqueda de los diferentes modelos en internet, y se rediseñó la garra más adecuada para el proyecto. Los distintos elementos de la garra se hicieron con plexiglás debido a su sencillez, y se diseñaron también, específicamente para la garra, los tornillos y tuercas, que se realizaron con impresión en 3-D. Por último se diseñó un soporte de unión entre el robot y la garra, la cual se abre y se cierra con el accionamiento de un rotor. Para evitar que los componentes agarrados pudieran resbalar o girar mientras están siendo trasladados por el robot, se diseñó una pieza que se coloca al final de la garra con una ranura, de manera que el componente queda perfectamente sujetado. Esta pieza además se hizo con impresión 3-D, que utiliza un material más rugoso que el plexiglás, reduciendo así el coeficiente de rozamiento entre el componente y la garra y evitando que los componentes pudieran resbalar. Varios problemas surgieron durante el desarrollo del proceso que hubo que ir solventando. Durante el desarrollo del producto hubo que tratar con el retraso en la llegada de los componentes pedidos, lo que supuso un retraso general del proyecto bastante importante. Como ya se ha mencionado, encontrar una forma de ensamblar el producto para que fuera modulable no fue tarea fácil (hubo que tener en cuenta además la funcionalidad de los componentes, por ejemplo, el LED tenía que colocarse mirando al exterior de manera que la luz fuera visible). También se planteó este problema con el sensor de movimiento, y además hubo que usar conectores para poder colocar los componentes. Finalmente hubo que hacer un test para probar que estos componentes eran suficientemente fuertes como para ser conectados y desconectados un gran número de veces sin que sus pines se rompieran. En cuanto a la caja, el principal problema se encontró en los cables, que se habían soldado en la parte inferior de la placa. El primer prototipo de la caja, por tanto, tuvo que ser descartado ya que no se tuvo en cuenta la colocación de estos cables, dando lugar a que la placa no se apoyara bien y “bailara” sobre la caja. El segundo, y definitivo intento, estuvo basado en un cambio en la mencionada superficie de apoyo: se hizo la caja más profunda y un poco más grande con una pequeña repisa en el perímetro interior de la caja (pegada a los bordes), de manera que la placa descansara sobre dicha repisa teniendo así los cables espacio suficiente en la parte baja de la misma (la placa no está apoyada sobre toda su superficie inferior, solo se apoya en los bordes). Para los soportes de los componentes el problema principal fue la toma de medidas de los mismos. Los soportes debían ser muy exactos, y hubo que rediseñar algunos ya que las medidas de los componentes no siempre estaban perfectamente tomadas, sobre todo la posición de los pines. Fue en este momento donde la idea de que el utillaje del robot fuera lo más parecido posible a una mano humana tomo forma, ya que parecía el modo más sencillo de poder manejar estos componentes tan pequeños. La creación del soporte fue bastante sencilla, aunque se planteó el problema de como fijarlo al pallet. Debido a que la estructura del soporte estuvo clara desde el principio, se planteó que la forma de fijar ambos debía de ser con unas varillas metálicas. El problema vino después en el primer prototipo, donde el agujero de atrás del soporte y del pallet no acaba de coincidir. Por esto hubo que tomar las medidas de nuevo y repetir el proceso modificando únicamente la posición de dicho agujero. Evidentemente la parte más problemática de desarrollar fue la mano del robot. Una vez que se decidió que el utillaje sería del tipo garra, se tuvo que decidir el tamaño que la mano debía de tener para ser capaz de agarrar piezas tan pequeñas, así como la fuerza que debía ser capaz de ejercer. Una vez que todos los parámetros habían sido fijados y el diseño estuvo hecho, el problema fue encontrar tornillos y tuercas del diámetro y longitud adecuados en la plataforma, por lo que al final fueron diseñados y fabricados a medida. Desde el punto de vista económico del proyecto podemos ver que la parte de desarrollo del producto es sin lugar a dudas la más costosa, no tanto por el diseño del soporte o de la caja (tanto el corte láser como la impresión en 3-D son métodos de creación de prototipos bastante asequibles) sino por los componentes. Al tener que estar basado en tecnología Arduino, todas las piezas que constituyen el producto son componentes electrónicos, lo que hace que el producto sea caro. Además teniendo en cuenta que se necesitó hacer tres productos diferentes y varios de cada tipo, el precio finalmente fue elevado. En contraposición, se puede observar que el desarrollo de la garra del robot es bastante asequible, lo único que hay que comprar es el rotor necesario para su accionamiento. También cabe destacar que el proyecto no tiene una retribución económica, ya que tanto los productos como el utillaje del robot van a ser utilizados en el ámbito del aprendizaje, por lo que una parte importante del proyecto fue encontrar los métodos de fabricación más económicos posibles, así como los más rápidos. En el ámbito de la organización se puede observar que el proyecto era muy extenso, subdivido en dos grandes partes, que a su vez podían subdividirse en otras, sobre todo la parte de desarrollo del producto. Se realizó un diagrama de Gantt al principio del proyecto para repartir el trabajo, el cual se intentó seguir de manera más o menos exacta. Los problemas que fueron surgiendo en el proceso (como el desarrollo de los soportes) fueron retrasando el proyecto. Es cierto también que una vez familiarizada con las distintas tecnologías de creación de prototipos presentes en la plataforma y con el programa para desarrollar los diseños, el proyecto avanzó más rápidamente. El proyecto ha abarcado mucha de las fases del desarrollo de un proceso. Parte de la fase cero (diseño de los productos y utillajes del robot) y termina con la fabricación de los prototipos. Todo esto me ha servido para poner en práctica los conocimientos adquiridos durante los años de estudio del Grado de Ingeniería desde un enfoque práctico. El proyecto está enfocado a la mecánica, pero tiene también un fuerte punto de vista de electrónica debido a la naturaleza de los productos. Cabe destacar que además de tratar temas puramente ingenieriles, como todo proyecto tiene una parte económica y organizativa importante convirtiéndolo en un proyecto completo.

Más información

ID de Registro: 47417
Identificador DC: http://oa.upm.es/47417/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:47417
Depositado por: Biblioteca ETSI Industriales
Depositado el: 30 Ago 2017 06:42
Ultima Modificación: 30 Ago 2017 06:42
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