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MODELAMIENTO EN UN ENTORNO VIRTUAL DE LA CELDA DE
MANUFACTURA SMC- FMS -200
JHEISON JAVIER GARZÓN PINEDA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
AGOSTO DE 2015 MODELAMIENTO EN UN ENTORNO VIRTUAL DE LA CELDA DE
MANUFACTURA SMC- FMS -200
JHEISON JAVIER GARZÓN PINEDA
Director:
M.SC. JOHN ALEJANDRO FORERO CASALLAS
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS PROYECTO CURRICULAR INGENIERÍA MECÁNICA
FACULTAD TECNOLÓGICA AGOSTO DE 2015
Nota de aceptación
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________________________
_______________ ______________
Jurado
_________________________ M.SC: John Alejandro Forero Casallas
Bogotá D.C. ____________ de 2015
4
RESUMEN
La necesidad por mejorar las condiciones de enseñanza y facilitar el aprendizaje
por parte de los estudiantes de carreras profesionales, ha llevado al desarrollo y uso
de celdas de manufactura flexible por parte de las instituciones de educación
universitaria; en Colombia el uso de estas herramientas se ha implementado con
mayor fuerza, como es el caso de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas
donde se dispone de la celda conocida comercialmente como la FMS – 200
compuesta por seis estaciones de trabajo que realizan el proceso de montaje de un
sistema de giro.
El objetivo del presente proyecto de grado es poner a disposición la celda de
manufactura que se encuentra en la facultad Tecnológica en un ambiente virtual,
donde se identifiquen cada una de las estaciones de trabajo con sus respectivos
sub-conjuntos, con el fin ofrecer a los docentes y estudiantes de una herramienta
para el desarrollo de la clase impartida, adicionalmente con el modelamiento de la
estación se entrega a la facultad una base para el desarrollo de proyectos
relacionados con celda de manufactura.
Para el desarrollo del proyecto se debió realizar una búsqueda minuciosa de
información sobre la celda, sus elementos y componentes, el funcionamientos de
los mismos y la forma en que interactúan para conseguir el ensamble de sistema de
giro compuesto por 5 partes, una base o cuerpo, un rodamiento, un eje, una tapa y
los tornillos para contener los elementos.
El paso por seguir fue el modelamiento de los elementos por medio de una
herramienta de diseño asistido por computador CAD (Computer-Aided Design por
sus siglas en inglés), en la cual se realizó primero el modelado de cada uno de los
sub-ensambles que componen cada estación y posteriormente se realizó el
ensamble de todas para conformar la celda de manufactura.
Por último se implementó el software NX 8.5 de Siemens para realizar la simulación
de movimientos de la estación 1, alimentación de la base o cuerpo, donde se
5
pueden distinguir cada uno de los pasos que se llevan a cabo dentro del proceso en
el funcionamiento de la celda de manufactura que corresponde con los tiempos y
secuencia en que trabaja la celda real en el laboratorio de la Universidad.
Con el desarrollo del proyecto se logró el modelamiento de la celda y cada una de
sus estaciones en un ambiente virtual, el cual puede ser consultado para
identificación de sus componentes por los estudiantes y docentes que ofrecen
catedra con la celda como herramienta de trabajo, adicionalmente se dispone de
una base de información adecuada para el desarrollo de futuros proyectos
relacionados con la celda de manufactura.
En el desarrollo del proyecto se toma un apartado para realizar un pequeño y
resumido instructivo sobre el método para realizar la simulación de movimientos a
través del software NX 8.5, con el uso de su módulo especializado para tal fin.
6
ABSTRACT
The need to improve teaching conditions and facilitate learning by students of
careers has led to the development and use of flexible manufacturing cells by
institutions of higher education; in Colombia the use of these tools has been
implemented with greater force, as in the case of the University Francisco José de
Caldas with available cell commercially known as FMS - 200 consists of six
workstations that perform the process mounting a rotation system.
The objective of this project is to provide degree cell manufacturing which is at the
Technological faculty in a virtual environment, where you identify each of the
workstations with their respective sub-assemblies, to provide teachers and students
of a tool for the development of the training class, in addition to the modeling station
is delivered to the power base for the development of projects related to
manufacturing cell.
For the project was due to perform a thorough search of information on the cell, its
elements and components, runs them and how they interact for assembly rotation
system composed of 5 parts, a base or body , a bearing, a shaft, a cover and screws
to hold the elements.
The step to follow was the modeling of the elements by means of a tool of computer-
aided design CAD (Computer-Aided Design for its acronym in English), in which the
modeling of each of the sub-assemblies are first realized up each assembly station
and all subsequently performed to form the manufacturing cell.
Finally the Siemens NX 8.5 software was implemented to perform motion simulation
Station 1 power base or body, where you can distinguish each of the steps are
carried out within the process in operation manufacturing cell that corresponds with
the time and sequence in which the actual cell in the laboratory of the University
works.
7
With the project modeling of the cell and each of its stations are managed in a virtual
environment, which can be consulted to identify their components by offering
students and teachers lecture to the cell as a working tool, further it has an adequate
basis for the development of future projects related to manufacturing cell information.
In the project a section is taken to make a small and summarized instructions on the
method for simulating movement through NX 8.5 software, using their specialized
module for this purpose.
8
CONTENIDO
RESUMEN .............................................................................................................. 4
ABSTRACT ............................................................................................................. 6
ÍNDICE DE FIGURAS ........................................................................................... 11
INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 18
1. PROBLEMÁTICA ............................................................................................ 19
1.1 Planteamiento del problema ..................................................................... 19
1.2 Estado del arte ......................................................................................... 21
1.2.1 Propuesta de modelamiento de un sistema de manufactura flexible
mediante instrumentos virtuales y software hmi/scada como herramienta de
supervisión y control. [2] ................................................................................. 22
1.2.2 Development of CAM system based on industrial robotic servo
controller without using robot language [3] ..................................................... 23
1.2.3 Development of a CAD Based Platform for Scorbot-ER Vu Industrial
Robot Manipulator [4]...................................................................................... 24
1.2.4 Implementation and testing of a CAM postprocessor for an industrial
redundant workcell with evaluation of several fuzzified Redundancy Resolution
Schemes [5] .................................................................................................... 26
1.3 Justificación .............................................................................................. 28
1.4 Objetivos .................................................................................................. 29
1.4.1 Objetivo General ................................................................................ 29
1.4.2 Objetivos específicos ......................................................................... 29
2. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 30
9
2.1 Celdas de Manufactura Flexible ............................................................... 30
2.2 Automatización de procesos .................................................................... 33
2.3 Diseño asistido por computador (CAD) .................................................... 36
2.4 Fabricación asistida por computador (CAM) ............................................ 37
2.5 Ingeniería asistida por Computador (CAE) ............................................... 37
3. METODOLOGÍA ............................................................................................. 39
3.1 Conceptualización y especificación del proyecto ..................................... 39
3.1.1 Descripción Celda manufactura flexible FMS -200 ............................ 41
3.1.2 Descripción de las estaciones de trabajo .......................................... 42
3.1.3 Primera estación: montaje de bases .................................................. 44
3.1.4 Segunda estación: montaje de rodamiento ....................................... 46
3.1.5 Tercera estación: inserción de eje ..................................................... 48
3.1.6 Cuarta estación: colocación de la tapa .............................................. 51
3.1.7 Quinta estación: montaje de tornillos ................................................. 54
3.1.8 Sexta estación: Robot atornillador ..................................................... 56
3.1.9 Software para modelado y simulación ............................................... 57
3.2 Modelamiento de sistemas y elementos .................................................. 60
3.2.1 Levantamiento de planos ................................................................... 61
3.2.2 Búsqueda información virtual de componentes ................................. 65
3.2.3 Modelamiento de sub-ensambles de estaciones ............................... 69
3.2.4 Ensamble de estaciones de trabajo ................................................... 89
10
3.2.5 Ensamble celda de manufactura ....................................................... 96
3.3 Simulación de movimientos de estación 1 ............................................... 99
3.3.1 Descripción pasos para realizar simulación de movimientos en NX8.5
102
3.3.2 Resultado de simulación estación 1 ................................................ 127
4. Conclusiones ................................................................................................ 129
5. Bibliografía .................................................................................................... 132
11
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1 FMS típica de sistemas integrados de manufactura [2]........................... 31
Figura 2 Variación de la flexibilidad, la productividad y los costes en diferentes tipos
de sistemas de fabricación[7] ................................................................................ 32
Figura 3 Estructura piramidal del modelo .............................................................. 34
Figura 4 Metología implementada ......................................................................... 39
Figura 5 Partes del sistema de giro ....................................................................... 42
Figura 6 Estructura base de estaciones con panel de control frontal y tableros de
control eléctrico, plc’s y unidad de mantenimiento de aire comprimido ................. 43
Figura 7 Estación 1 alimentación de la base ......................................................... 44
Figura 8 Estación 2 montaje de rodamiento .......................................................... 46
Figura 9 estación 3 inserción de eje ...................................................................... 49
Figura 10 estación 4 colocación de la tapa ........................................................... 52
Figura 11 Estación 5 montaje de tornillos ............................................................. 55
Figura 12 Estación 6 Robot atornillador ................................................................ 56
Figura 13 Autodesk Inventor 2015 [13] ................................................................. 58
12
Figura 14 Siemens PLM Software [14] .................................................................. 59
Figura 15 Plano básico de estación 1 ................................................................... 61
Figura 16 Esquema isométrico de estructura mesa estaciones ............................ 62
Figura 17 Ejemplo levantamiento de plano estructura mesa estaciones celda FMS
200, vista lateral y frontal con dimensiones ........................................................... 63
Figura 18 Estructura de mesa de las estaciones; en parte inferior derecha vista de
sección transversal de perfil aluminio de estructura ............................................. 64
Figura 19 Plano de sub-ensamble almacén de rodamientos- estación 2 .............. 66
Figura 20 captura de página internet tracepartsonline donde se encuentra modelo
de cilindro neumático de doble efecto ................................................................... 67
Figura 21 Modelado en 3D de brazo RV-2F de Mitsubishi .................................... 69
Figura 22 Sub-ensambles estación 1 Alimentación Bases: A) Alimentador base, B)
Conjunto inserción en pallet .................................................................................. 70
Figura 23 Esquemas movimiento Sub-ensambles estación 1 Alimentación Bases:
A) Alimentador base, B) Conjunto inserción en pallet ........................................... 71
Figura 24 Sub-ensambles Estación 2 Alimentación rodamiento: A) Almacén
rodamientos, B) Manipulador medidor, C) Manipulador rodamiento ..................... 72
13
Figura 25 Esquemas movimiento Sub-ensambles Estación 2 Alimentación
rodamiento: A) Almacén rodamientos, B) Manipulador medidor, C) Manipulador
rodamiento ............................................................................................................ 74
Figura 26 Sub-ensambles Estación 3 Alimentación ejes: A) Conjunto plato ejes, B)
Alimentador ejes, C) Conjunto medidor altura, D) Manipulador inversor de eje, E)
Detectores de ejes, F) Conjunto mod. rechaza ejes, G) Manipulador montado de eje
.............................................................................................................................. 76
Figura 27 Figura 28 Esquema movimientos Sub-ensambles Estación 3 Alimentación
ejes: A) Conjunto plato ejes, B) Alimentador ejes, C) Conjunto medidor altura, D)
Manipulador inversor de eje, E), Conjunto mod. rechaza ejes, F) Manipulador
montado de eje ...................................................................................................... 79
Figura 29 Sub-ensambles Estación 4 Alimentación tapas: A) Conjunto plato tapas,
B) Alimentador tapas, C) Manipulador montaje tapas, D) Detectores tapas, E)
Medidor de altura, F) Conjunto mod. rechaza tapas, G) Manipulador montaje de
tapas ..................................................................................................................... 81
Figura 30 Esquema movimientos Sub-ensambles Estación 4 Alimentación tapas: A)
Conjunto plato tapas, B) Alimentador tapas, C) Manipulador montaje tapas, D)
Medidor de altura, E) Conjunto mod. rechaza tapas ............................................. 84
Figura 31 Sub-ensambles Estación 5 Alimentación tornillos: A) Manipulador
alimentación tornillos, B) Manipulador traslada tornillos ........................................ 85
Figura 32 Esquemas de movimientos Sub-ensambles Estación 5 Alimentación
tornillos: A) Manipulador alimentación tornillos, B) Manipulador traslada tornillos 86
14
Figura 33 Sub-ensambles Estación 6 Robot atornillador: Brazo robótico RV - 2F con
manipulador y atornillador ..................................................................................... 87
Figura 34 Esquema de movimientos Sub-ensambles Estación 6 Robot atornillador:
Brazo robótico RV - 2F con manipulador y atornillador ......................................... 88
Figura 35 Mesa base para estaciones de trabajo .................................................. 89
Figura 36 Ensamble de banda trasportadora ........................................................ 90
Figura 37 Modelo en 3D con software inventor de estación 1 (alimentación base)
celda mauifactura FMS – 200................................................................................ 91
Figura 38 Modelo en 3D con software inventor de estación 2 (montaje de
rodamiento) celda manufactura FMS – 200 .......................................................... 92
Figura 39 Modelo en 3D con software inventor de estación 3 (inserción de eje) celda
manufactura FMS – 200 ........................................................................................ 93
Figura 40 Modelo en 3D con software inventor de estación 4 (colocación de la tapa)
celda manufactura FMS – 200 .............................................................................. 94
Figura 41 Modelo en 3D con software inventor de estación 5 (montaje de tornillos)
celda manufactura FMS – 200 .............................................................................. 95
Figura 42 Modelo en 3D con software inventor de estación 6 (robot atornillador)
celda manufactura FMS – 200 .............................................................................. 96
Figura 43 Celda de manufactura FMS – 200 en ambiente virtual software Inventor
.............................................................................................................................. 97
15
Figura 44 Celda de manufactura FMS – 200 renderizada en ambiente virtual de
software inventor ................................................................................................... 98
Figura 45 Pantalla inicio de software NX 8.5 con módulo para simulación de
movimientos ........................................................................................................ 100
Figura 46 Modelado de estación 1 e software NX 8.5 ......................................... 101
Figura 47 Ventana para crear un nuevo archivo en NX 8.5 ................................ 102
Figura 48 Pantalla NX8.5 para realizar importación de datos en extensión .STEP
............................................................................................................................ 103
Figura 49 Ventana NX 8.5 para exportar archivos en extensión .STEP .............. 104
Figura 50 Indicación para mostrar todos los elementos ...................................... 105
Figura 51 Creación de nueva simulación ............................................................ 106
Figura 52 Ventana Entorno para crear nueva simulación ................................... 106
Figura 53 Identificación de comandos ENLACE y JUNTA .................................. 107
Figura 54 Ventana para selección de enlace, con selección de Pallet compuesto por
un cuerpo y cuatro pines ..................................................................................... 108
Figura 55 Creación de Enlace o Link visualizado en navegador de movimiento . 109
16
Figura 56 Elementos creados como enlaces o links que se encuentran resaltados
en el modelo y seleccionados en navegador de movimientos............................. 110
Figura 57 Ventana de comando JUNTA con listado de tipos de movimientos que
permita realizar .................................................................................................... 111
Figura 58 Selección de vector (Eje X) desplazamiento en comando Junta ......... 113
Figura 59 Listado de opciones para definir traslación de una junta ..................... 114
Figura 60 Opción de traslación Constante y sus componentes........................... 114
Figura 61 Opción de traslación Armónico y sus componentes ............................ 115
Figura 62 Opción de traslación Función y sus componentes .............................. 115
Figura 63 Opción de función con variable de desplazamiento ............................ 116
Figura 64 Ventana gestor de funciones XY ......................................................... 117
Figura 65 Ventana editor de función XY .............................................................. 117
Figura 66 Editor de la función XY - Segundo paso .............................................. 118
Figura 67 Paso 3 ingresos de DATOS XY en ventana editor de la función XY ... 119
Figura 68 Tabla de datos para simulación de movimiento pallet en una secuencia
de 20 segundos ................................................................................................... 120
17
Figura 69 Ingreso de datos para función de desplazamiento .............................. 121
Figura 70 Ventana para ingreso de datos de la función ...................................... 122
Figura 71 Navegador de movimiento con Junta (Joints) creado ......................... 123
Figura 72 Grafica de función de desplazamiento respecto al tiempo .................. 124
Figura 73 Dar solución al sistema programado ................................................... 125
Figura 74 Crear una nueva solución ................................................................... 126
Figura 75 barra de reproducción simulación ....................................................... 127
18
INTRODUCCIÓN
El desarrollo de la industria no se detiene y la implementación de diferentes
tecnologías para lograr que los tiempos de operación y producción se vean
reducidos sin dejar de lado la calidad de los productos o servicios se encuentra en
auge en todo el mundo incluyendo a Colombia. Por tal motivo el uso de celdas de
manufactura flexible en las instituciones educativas es cada vez mayor.
El presente trabajo desarrolla el modelamiento de una celda de manufactura
disponible en la universidad Distrital Francisco José de Caldas en un ambiente
virtual con cada una de sus estaciones de trabajo y los diferentes elementos que la
componen.
Para esto se define una metodología de trabajo que lleve a conseguir los objetivos
plateados dentro de una serie de fases y etapas que a través de software para
diseño de elementos virtuales permita el modelamiento de los elementos que la
componen. Para tal fin se utiliza el programa Inventor de la empresa Autodesk
posteriormente se implementa la simulación de movimientos de una de las
estaciones con el uso de un segundo programa NX 8.5 de la empresa Siemens,
programa que desarrolló un módulo especial para conseguir éste objetivo.
19
1. PROBLEMÁTICA
1.1 Planteamiento del problema
El acelerado desarrollo de las ciencias, tecnologías y la innovación ha llevado a las
industrias a enfocar sus esfuerzos por la automatización de procesos en busca de
mayor productividad a menor costo, con lo cual y debido al incremento de mercados
competitivos se puede lograr la fabricación de productos a menor precio de venta;
de la mano con el sector industrial se encuentra la comunidad educativa a nivel
profesional, donde se destaca el común denominador de instituciones por la
búsqueda continua de sistemas, herramientas y métodos que faciliten y contribuyan
a la fácil compresión de las diferentes ramas del conocimiento en el que se
encuentren enfocadas.
En el año 2013 Colombia era reconocida como líder regional en Suramérica en el
uso y aplicación de procesos de automatización industrial [1] divulgado en
Automatisa 2013, feria de automatización realizada en Bogotá, donde también se
pronunció en su momento el presidente de la asociación Nacional de Comercio
Exterior (Analdex) apoyando la posición de Colombia al indicar que "el 70 % de las
compras que se realizan actualmente en el país está en el rubro de maquinaria y
equipos, lo que quiere decir que los empresarios entienden la importancia de
destinar recursos en los procesos de transformación"[1]. Este movimiento lo
entiende a la perfección el sector educativo razón por la cual se encuentra con
mayor facilidad programas enfocados en esta rama, bien sea con asignaturas
incorporadas en sus programas de pregrado o en diplomados o postgrados
ofrecidos por las diferentes instituciones universitarias.
La universidad Distrital Francisco José de Caldas no ha sido ajena a este fenómeno
y ha buscado mantenerse a la vanguardia en el desarrollo y actualización de sus
20
proyectos curriculares, haciendo inversión en laboratorios que faciliten y dinamicen
el desarrollo de los conocimientos de forma didáctica y practica a los estudiantes,
con la adquisición de diferentes laboratorios de trabajo para la automatización como
una FMS (Sistema de Manufactura Flexible).
Una FMS es un equipo didáctico para capacitación integral en automatización
industrial compuesto de módulos o estaciones flexibles el uso de celdas de
manufactura se da en la búsqueda por incrementar la productividad, elevar los
estándares de calidad, lograr el uso eficiente de los recursos y reducir los costos de
producción. En el caso particular de la Facultad Tecnológica se tiene la celda de
manufactura modular de ensamble flexible FMS-200 utilizada principalmente para
la formación académica en los proyectos de ingeniería mecánica e industrial, la cual
costa de 6 estaciones (cada una puede trabajar de forma autónoma)
intercomunicadas por bandas transportadoras con componentes que son utilizados
en la industria con el objetivo de entregar a los usuarios elementos reales que
contribuyan a un aprendizaje significativo. La celda incluye estaciones donde se
tiene diferentes tipos de operaciones como lo son alimentación, manipulación,
validación, etc. con el uso de diferentes tecnologías tales como neumática,
hidráulica, sensórica, robótica, etc. A través de las distintas estaciones se logra en
ensamble de un mecanismo de giro compuesto por una base o cuerpo, rodamiento,
eje, tapa y tornillos.
La celda cuenta con un software para la programación de la celda la cual es
controlada a través de un PLC, aunque cada estación puede trabajar de manera
autónoma con un control manual dispuesto para cada una, donde se puede
conseguir el accionamiento básico de la estación paso a paso ya que el proceso es
lineal.
La celda de manufactura es un equipo de alto valor monetario provisto de elementos
y dispositivos de reciente desarrollo tecnológico lo cual la provee de un claro
ejemplo de limitación de acceso a personal no capacitado y/o instruido, debido a
ello se busca iniciar un proceso y serie de proyectos futuros para conseguir
21
desarrollar herramientas de control y supervisión que aproveche las características
del sistema de manufactura flexible donde, entre otras cosas, permitirá a través de
un sistema virtual de simulación interactuar con la celda de manufactura con fines
didácticos, dando inicio y base para el avance de una plataforma donde se puedan
llevar a cabo diferentes practicas e investigación en el desarrollo de los procesos de
manufactura industriales, protagonistas en el ámbito industrial reciente.
De esta manera se modelara la celda de manufactura en un ambiente virtual como
base para la simulación de los procesos de cada una de las estaciones y se
desarrollara la simulación de la primera estación, que da inicio al proceso de
ensamble del sistema de giro, con esto la facultad contará con la base para dar
pauta y ser pilar de múltiples proyectos posteriores que contribuyan con la
masificación en la interacción con la celda de manufactura con fines lúdicos y
didácticos.
1.2 Estado del arte
En el campo de la investigación académica para el desarrollo de proyectos
enfocados a nivel académico o industrial se encuentra el interés por la
automatización y simulación de distintos sistemas, mecanismos o procesos con el
fin de lograr un control más eficiente y eficaz como herramienta de trabajo donde
los tiempos y costos de desarrollo se vean disminuidos, al mismo tiempo se
consigue una flexibilidad en el acceso a la información a grupos de personas que
se enfoquen en distintas ramas de un mismo problema u objeto de investigación.
Con relación a la simulación de sistemas se realiza una búsqueda de información
en diferentes bases de datos especializadas como los son ScienceDirect, IEEE,
Springer, etc. al igual que en bibliotecas virtuales de universidades nacionales,
donde se puede evidenciar el avance que se ha logrado en la implementación para
distintos sistemas, se presenta a continuación algunos modelos representativos.
22
1.2.1 Propuesta de modelamiento de un sistema de manufactura
flexible mediante instrumentos virtuales y software hmi/scada
como herramienta de supervisión y control. [2]
Resumen: En el trabajo se describe el método utilizado para lograr la
supervisión y control a través del desarrollo de una aplicación virtual de un
sistema para una celda de manufactura disponible en el laboratorio CTAI de
la Pontificia Universidad Javeriana utilizando en el software Vijeo Citect y
LabVIEW, para el desarrollo de la aplicación.
Para conseguir el objetivo el autor realizó una investigación de trabajos de
desarrollo previos con la misma celda por otros investigadores, los cuales
se habían enfocado en subsistemas específicos de la celda, para
aprovechar y utilizar los avances realizados y así conseguir el control y
supervisión total. De este modo trabajo con los distintos subconjuntos como
los son el almacén, la banda transportadora y el robot Melfa RV-2A.
Prosiguió realizando una configuración de las aplicaciones HMI/Scada
incluyendo los servidores, los instrumentos virtuales, configuración de
DATA I/O, las aplicaciones lógicas de funcionamiento los enlaces cliente
robot y enlaces CNC, consiguiendo así la configuración y definición de la
arquitectura del sistema.
Conclusiones y resultados: Como resultado desarrolló un sistema de
supervisión y control donde tiene una pantalla central en la que se visualizan
distintos despliegues de una aplicación en el que corren distintos procesos
del sistema de supervisión, con instrumentos virtuales para comunicación
con los periféricos.
En total consigue un sistema de control distribuido que da mayor
confiabilidad con un total de 4 servidores en los que se distribuyen las
tareas.
23
Con el trabajo se genera una herramienta para el campo de la
automatización de procesos industriales con fines académicos para la
Universidad.
1.2.2 Development of CAM system based on industrial robotic servo
controller without using robot language [3]
Resumen: describe el desarrollo de un sistema CAM para un robot industrial
RV1A para control de sus sistemas servo, encargados de dirigir y permitir
el movimiento del robot. El sistema desarrollado al ser dirigido al control de
servo termina siendo útil al momento de querer utilizarlo con otros robots
con similares condiciones. El sistema desarrollado bajo una interfaz CAD
/CAM permite una comunicación directa entre el entorno virtual y el robot
industrial lo cual no es tan conocido como sí lo son los sistema de Control
Numérico que se encuentran claramente identificados en las industrias
manufactureras.
El objetivo del proyecto es calcular la posición y orientación deseada del
robot para el sistema servo en tiempo discreto, se tiene como tarea lograr
que el robot realice un trabajo de lijado de una superficie compleja. En un
proceso normal de desarrollo y aprendizaje para el robot se debe indicar los
caminos y puntos por los que se debe desplazar el robot utilizando sistemas
de aprendizaje complejos y esto lleva tiempo y destreza del programador
para lograr un trabajo efectivo. En el caso propuesto de desarrollo interfaz
CAD/CAM y brazo industrial se propone tener un pieza a lijar que fue
previamente fabricada por un sistema CNC donde al tener una base CAD
del modelo en el que trabajara el brazo se hace más sencillo simular y
procesar el trabajo que debe desarrollar el robot con el sistema CAM
propuesto. El sistema del brazo para realizar la tarea de lijado requiere para
ser controlado con precisión una seria de datos de localización de corte
(datos CL) que consiste en datos de localización y orientación. Una pieza
de trabajo con superficie curva por lo general está diseñada por un sistema
CAD /CAM 3D por lo que los datos CL se pueden calcular fácilmente desde
24
el procesador principal. Estos datos consisten en puntos relacionados a los
largo de la superficie del modelo dado por una trayectoria den zigzag,
usando esta información se puede calcular y determinar los vectores que
seguirá como ruta el robot.
Para lograr la comunicación del robot con el sistema desarrollo se tiene
como controlador un PC con Windows y el RV1A conectados a través de
Ethernet. La tasa de procesamiento del brazo para fijación de los vectores
de posición y orientación enviados por el PC se fijó en 10.0ms.
Conclusiones y resultados: Se logró eficientemente desarrollar un sistema
CAM para un robot industrial RV1A con herramientas de diseño CAD/CAM
para lograr realizar tareas programas y evaluadas previamente en un
entorno virtual sin utilizar ningún tipo de guía para enseñanza o lenguaje de
robot. El proyecto se realizó como un sistema integrado principalmente
entre el procesador convencional de un CAD/CAM, el sistema de control
servo y la cinemática del robot. Los resultados experimentales y la
estructura base del sistema mostraron la eficacia del proceso en un sistema
de múltiples ejes a través de una trayectoria de control de datos CL que
costa de un aposición y orientación.
1.2.3 Development of a CAD Based Platform for Scorbot-ER Vu
Industrial Robot Manipulator [4]
Resumen: Se requieren robots para trabajo en diferentes condiciones de
trabajo ambientales donde se controle las interacciones con el espacio de
físico. Durante la etapa de diseño se debe validar el mismo en las diferentes
condiciones de trabajo, normalmente para esto se desarrollan prototipos
físicos que pueden llegar a ser costosos y el tiempo requerido puede ser
considerable. El concepto de prototipos virtuales dinámicos para los robots
usado en la etapa de diseño se presenta como una gran alternativa para
validación, sin tener que realizar pruebas físicas, y con las herramientas
presentes hoy en día para simular sistemas mecánicos, como sistemas
25
multi-cuerpo con restricciones que simulen las interacciones del movimiento
relativo entre ellos. En el proyecto desarrollado se presenta la aplicación de
prototipos virtuales utilizando CAD para un robot Scorbot-EV. Inicialmente
el modelo paramétrico del robot es realizado en Pro/Engineer (Pro E),
Pro/Mechanica fue utilizado para la simulación dinámica y del espacio de
trabajo.
Los prototipos virtuales son una herramienta de gran versatilidad que
permiten analizar, examinar, manipular, validar y poner en prueba la forma,
los ajustes el movimiento y los factores humanos del diseño conceptual en
la interfaz del computador. También es importante que un prototipo virtual
se puede modificar fácilmente y realizar en un lapso de tiempo corto, donde
el diseñador puede considerar al tiempo diferentes etapas del proceso
permitiendo que sean consideradas diferentes variables y realizar
modificaciones según sea al caso. Todo esto teniendo en cuenta que
pueden ser reemplazados por prototipos físicos costosos y con la
posibilidad de omitir errores que son más fácil de controlar en un ambiente
virtual.
El modelado del robot y sus diferentes características en Pro E siendo una
herramienta de modelado paramétrico donde el diseñador puede establecer
los parámetros para determinar el tamaño de las geometrías y puede
remodelar con facilidad cambiando los parámetros. Con la simulación
dentro del proceso de diseño para conseguir el análisis de los elementos en
ejecución la posibilidad de usar la simulación robótica para crear
aplicaciones incrustadas en el robot sin depender del equipo físicamente
comprendiendo sus limitaciones por movimiento.
El robot modelado es el Scorbot-EV Vu Industrial Robot para el trabajo
realizado se analiza el quipos y se encuentran 5 Grados de Libertad que
permiten el desplazamiento y ubicación arbitrariamente del manipulador.
Cada una de las juntas tiene posibilidad de tener movimiento giratorio, se
analizan las limitaciones de cada parte con relación a su eje.
26
Se modela cada parte en el prototipo virtual que restrinja o limite el
movimiento por medio de las juntas buscando en el espacio de trabajo el
volumen ocupado, el desplazamiento, las fuerzas y aceleración de cada
junta.
Una vez culminado el modelo se realiza un análisis cinemático para predecir
las limitaciones y posibilidades del robot antes de ser fabricado.
Conclusiones y resultados: el sistema desarrollado para simulación virtual
del brazo robótico es un alternativa para el proceso de aprendizaje al
combinar la información sobre el robot en el software permitiendo observar
y detectar posibles colisiones entre las partes y su entorno e identificar las
limitaciones del diseño sin incurrir el costos de fabricación de un producto
con un falla de diseño.
1.2.4 Implementation and testing of a CAM postprocessor for an
industrial redundant workcell with evaluation of several
fuzzified Redundancy Resolution Schemes [5]
Resumen: el trabajo realizado es la implementación de un post-procesador
que adapta la trayectoria por un sistema CAM (NX) a una célula de trabajo
de ocho articulaciones (KUKA KR15/2 manipulador montado en un pista
lineal y sincronizado con un mesa giratoria), dedicada a la creación de
prototipado rápido de productos definidos en CAD 3D. Para configuración
del post-procesador se analizan previamente varios sistemas de resolución
de redundancia, que tratan las juntas adicionales y también la redundancia
debida a la simetría de la herramienta de fresado.
Con el uso del CAM donde se planean las trayectorias de corte fuera de
línea como herramientas de un conjunto discreto de planeación se tiene en
cuenta cinco parámetros para llevar a cabo la tarea de fresado (tres
parámetros de ubicación y dos coordenadas de ubicación de la cuchilla que
se referencian a un plano cartesiano) siendo estos obligatorios sin embargo
27
este debe ser adaptado desde el sistema de CAM al sistema de producción
que se vaya a utilizar.
En el instituto de diseño y fabricación (IDF), en la universidad de Valencia
(UPV), una célula de trabajo de esculturas redundante se configura para
probar lo métodos de molienda para la creación rápida de prototipos.
El modelo cinemático es la descripción necesaria para controlar de manera
efectiva la posición y la postura de los elementos del equipos para que el
actuador final logre y cumpla con la tarea propuesta, para esto determinan
e identifica cada uno de los elementos con sus respectivos grados de
libertad que determinaran y limitaran las posibilidades de su movimiento.
En el desarrollo del proyecto se tiene el uso de la plataforma NX de siemens
el cual es desarrolla productos digitales que integra y asocia totalmente los
trabajos de diseño CAD, simulación CAE y fabricación CAM. El módulo
CAM hace posible la planificación de tareas de fresado, pero también
permite interactuar con dos códigos de programa en TCL (Toll Command
Language) conectado con módulos de C++ que manipulan los datos de la
trayectoria, controlando los eventos. También enlaza el archivo de salida
con los datos del programa Matlab y la lógica Fuzzy.
Conclusiones: el trabajo se centró en el post-procesamiento de la
información generada por el sistema NX-CAM hacia la unidad de control
KUKA en un célula de trabajo compleja dedicada a trabajo de fresado. Se
validad cada una de las partes del brazo desde su perspectiva cinemática
determinando el rendimiento para la aplicación CAM y la redundancia
funcional considerando las diferentes juntas y los ejes de simetría.
En el diseño de las tareas de auto-movimiento para evitar posturas
equivocadas en el espacio o colisiones utilizando el número d condición
Jacobiana homogénea dando mejores resultados que otros índices de
rendimiento .
28
El post-procesador implementado ha sido probado con eficacia con la
simulación grafica de un mecanizado exigente.
1.3 Justificación
La necesidad de realizar simulaciones virtuales de plataformas de trabajo, brazos
robóticos, líneas de proceso de transformación, equipos de trabajos industriales y
ensamblaje de productos entre otros, se encuentra en auge, como necesidad de
anticiparse de forma sencilla al comportamiento y el entender las limitaciones físicas
de funcionamiento en el espacio de trabajo de los objetos en estudio, otorgando
facilidades a los usuarios para tomar decisiones en el desarrollo propio de su
trabajo.
Desde el punto de vista tecnológico éste proyecto busca proponer una herramienta
con fines académicos que sirva de base para el desarrollo de proyectos con
diferentes enfoques desde la automatización, programación, simulación y
supervisión de la celda de manufactura FMS-200, desde ambientes virtuales por
grupos de trabajo propios de la Universidad. Con el fin de desarrollar herramientas
para formación y enfoque de sus conocimientos, con profesionales en ingeniería
con distintos perfiles para desempeño de la industria como los son las ingenierías
mecánica, industrial y de procesos, de sistemas y control.
Desde un contexto administrativo el desarrollo del proyecto se da como una
alternativa para el uso de la celda de manufactura a partir de un ambiente virtual
que facilita la formación académica de los estudiantes, como herramienta para los
docentes, así se permitirá la interacción de manera virtual con la celda de los
usuarios, distinguiendo las partes que la componen y el funcionamiento básico de
las mismas; desde un ambiente generado por un software se facilita la posibilidad
de ver y comprender las limitaciones físicas de desplazamiento y acción en el
funcionamiento de los componentes que interactúan en las diferentes estaciones de
la celda . De esta manera se limita la posibilidad o riesgo de afectación de la celda
por mal uso, manipulación e interacción con la misma por personas en formación y
aún no calificadas. También se tiene la posibilidad contar con la celda de manera
29
virtual para los usuarios sin un alto costo de inversión, en el que se vería implicada
la universidad si decidiera adquirir el modulo con la empresa proveedora de la celda.
Con una perspectiva académica la posibilidad de contar con la celda en un ambiente
virtual presta la posibilidad desarrollar diferentes ejercicios y trabajos para la
simulación de procesos, anticipándose a posibles errores y consiguiendo así
resultados más efectivos en el proceso de análisis y desarrollo académico.
Adicionalmente al ser la celda de manufactura un sistema libre y abierto brinda la
posibilidad de estudiar la implementación, ampliación o incluso diseño de
estaciones alternativas relacionadas con el funcionamiento propio de la celda.
1.4 Objetivos
1.4.1 Objetivo General
Modelamiento en un entorno virtual de la celda de manufactura SMC- FMS -200
1.4.2 Objetivos específicos
Recopilar toda la información disponible sobre la celda de manufactura con
relación a sus estaciones de trabajo
Identificar el principio de funcionamiento de cada estación de acuerdo a los
componentes y mecanismos que la conforman.
Realizar levantamiento físico de planos y esquemas asociado a cada
estación para su modelamiento.
Modelar en entorno virtual cada estación de trabajo con subsistemas.
Realizar ensamble y generar restricciones de movimiento de acuerdo a las
limitaciones físicas entre componentes.
Realizar simulación básica de funcionamiento para una de las estaciones de
la celda.
30
2. MARCO TEÓRICO
Se requiere tener presente una serie de conceptos y elementos para el desarrollo
de trabajo como el entendimiento de que es una celda de manufactura flexible,
automatización de procesos y diseño asistido por computador, conceptos que se
presenta a continuación.
2.1 Celdas de Manufactura Flexible
Un Sistema de Manufactura Flexible (FMS, por su sigla en inglés) es un sistema
interconectado con el fin de hacer la producción de partes o productos con
características controlables de tamaños, formas y procesamientos. La celda es el
conjunto de soluciones desarrollado para incrementar la flexibilidad con el uso
adecuado de distintos componentes aplicado a maquinaria, siendo un sistema
altamente automatizado basado en estaciones de trabajo que integra tecnologías
del tipo CNC, sistemas de almacenamiento, ensamblaje y manejo de materias
controlados por un sistema de cómputo central.
En la Figura 1 se ilustra un modelo básico de una celda de manufactura, donde se
puede identificar distintos componentes como estaciones de almacenamiento
automático, ensamblaje, soldadura centro de mecanizado, mecanizado en torno y
una banda transportadora. La celda es controlada a través de un software
encargado de administrar los recursos la planeación de la producción y las rutas de
desarrollo controlando los componentes del sistema como los robots, máquinas y
controladores.
31
Figura 1 FMS típica de sistemas integrados de manufactura [2]
Una celda de manufactura nace como un concepto de organización y clasificación
de las instalaciones de producción en celdas de manufactura, esto al querer
aprovechar las similitudes en diseño con relación a la producción y los pasos de
procesamiento que son equivalentes, clasificándose como familias. Bajo ese
concepto cada celda se diseña para fabricar una familia de partes o una porción de
esta, buscando que cada una tenga una especialización de operaciones,
claramente definida y particular en el proceso, convirtiéndose en un grupo
independiente y autónomo dentro del proceso de fabricación. Cada celda incluye
elementos especiales de producción, herramientas, instrumentos y soportes
personalizables para conseguir optimizar la fabricación de partes de la familia; un
grupo de partes con formas geométricas, tamaños o pasos en procesamientos
similares dentro del proceso de manufactura se puede clasificar como familia.
Los métodos para identificación de las familias de partes pueden ser analizados
desde diferentes puntos, uno puede ser la inspección visual de todas las partes
32
fabricadas y la agrupación de acuerdo a su similitud. Por análisis de flujo de
producción donde se usa la información contenida en las hojas de rutas para
clasificar las partes. Otro sistema es el utilizado al identificar similitudes y diferencias
entre las partes para ser relacionadas mediante esquemas de codificación, donde
se observan sistema de atributos de diseño, sistemas de atributos de manufactura
y una combinación de ambos.
También se utiliza un concepto denominado partes compuestas donde los
miembros de la familia de partes poseen características de diseño y manufactura
similares.[6]
Existen distintos tipos de sistemas de fabricación utilizados en nuestros días. En la
Figura 2 se indican algunos de estos, señalando sus posibilidades con relación a su
flexibilidad, costos por pieza y productividad con respecto a la cantidad de piezas
obtenidas por hora. EL desarrollo de distintos tipos de sistemas se da por la
necesidad de los fabricantes de obtener productos o bienes en menores cantidades,
sin embargo con la capacidad de variar estos modelos con mayor rapidez. El
objetivo es conseguir que el producto que se presente al mercado logre posicionarse
en un periodo relativamente corto de tiempo, alrededor de seis meses, y una vez se
determine la oportunidad de negocio del producto generar cambios para actualizarlo
antes de que la competencia desarrolle un producto similar.
Figura 2 Variación de la flexibilidad, la productividad y los costes en diferentes tipos de sistemas de
fabricación[7]
33
Los tipos de diseño de celda de manufactura de clasifican de acuerdo a la cantidad
de máquinas y el nivel de automatización[8]:
Variación de la flexibilidad, la productividad y los costes en diferentes tipos de
sistemas de fabricación
- Celda de maquina única: es una celda de operación manual, esta permite la
variación de las características y tamaños dentro de la familia de partes que
produce al incluir soporte y herramientas para éste fin.
- Celdas de máquinas múltiples: poseen dos más máquinas de operación
manual y se distinguen por el método de manejo de trabajo de partes en la
celda bien sea manual o mecanizado. Al referirse al manejo manual se habla
sobre la necesidad del trabajador de mover las partes dentro de la celda en
cambio al cuando se refiere al método de mecanizado es por la transferencia
de partes de una máquina a otra, debido seguramente al tamaño y peso de
las partes o para aumentar la velocidad y automatizar el proceso de
producción.
- Celdas de flexibles de manufactura y sistemas flexibles de manufactura:
estos consisten en máquinas automatizadas, conformadas por un grupo de
estaciones de procesamiento interconectadas mediante un sistema de
automatizado de manejo y almacenamiento de material, que son controlados
por medio de un sistema integrado de computación.
2.2 Automatización de procesos
Viene dada desde la automatización industrial basada en la aplicación de diferentes
tecnologías con el fin de controlar y monitorear un proceso o máquina para que
opere de forma automática disminuyendo el control e intervención humana,
teniendo como objetivo la reducción de costos sin dejar de lado el control de calidad
y el aumento de la misma éste se encamina en el aumento de la productividad en
el menor tiempo posible.
34
La automatización de procesos se encuentra desarrollada en distintos campos de
la industria desde la trasformación de productos químicos para la industria petrolera,
automotriz, plásticos, etc. hasta productos farmacéuticos o de alimentos; se debe
tener claro que no solo se aplica a maquinas o productos también es bien utilizada
en gestión de procesos y servicios para el manejo de información con la mejora en
el desempeño haciéndose más eficiente en cada uno de los procesos involucrados,
bien sean de comercialización, administración o control.
El concepto de automatización se concibe como una estructura piramidal (ver Figura
3) jerarquizada que busca la integración y control para conseguir la conversión de
decisiones de política empresarial en operaciones de control de bajo nivel.[9]
Figura 3 Estructura piramidal del modelo
A continuación se explican los diferentes niveles presentes en la estructura
piramidal
Nivel 0: Es la información de menor rango de la pirámide, siendo el conjunto de
dispositivos que actúan como interfaz entre la parte de control y la operativa,
trasmitiendo las señales de mando o control a los pre-accionadores. En este nivel
35
se comprende el conjunto de dispositivos, subprocesos y maquinaria que realizan
las operaciones básicas de operación.
Nivel 1: Se suele conocer como el nivel de automatización, proporciona la
información de actuación directa del nivel 0 y del estado al nivel 2. En resumen
constituye los elementos de mando y control de la maquinaria de nivel 0, donde se
cuenta con los dispositivos lógicos de control.
Nivel 2: es el nivel encargado de realizar tareas como adquisición de datos,
monitorización, gestión de alarmas y asistencias, control de calidad, sincronización
de células, coordinación de trasporte, seguimiento de lotes y ordenes de trabajo. En
este nivel se realiza la supervisión y control bien sea por medios informáticos o
humanos.
Nivel 3: Es el nivel de planificación donde se ejecutan tareas como programación
de producción, gestión de compras, gestión de materiales, análisis de costos de
fabricación, control de inventarios, gestión de recursos de fabricación y gestión de
calidad. Éste nivel emite programas hacia el nivel 2 y recibe del mismo incidencias.
Nivel 4: Es el nivel corporativo donde se realizan tareas como gestión comercial y
de marketing, planificación estratégica, planificación estratégica, financiera y
administrativa, gestión de tecnología, gestión de sistemas de información, entre
otros. En este nivel se emite información al nivel 3 sobre la situación comercial,
información de ingeniería de producto y proceso, para poder ajustar la planificación
del proceso.
Teniendo en cuenta la jerarquización en la que se comprende la automatización es
evidente la estructura que se debe para conseguir la ejecución de actividades
multidisciplinarias, las cuales no son posibles de no presentarse cada uno de los
niveles y su interconexión. De esta forma se logra el desarrollo de los procesos de
automatización específicos. Este concepto es clave para comprender el modo de
trabajo de la celda de manufactura y las limitaciones o posibilidades de la misma,
también la forma en que se presentará el proceso de simulación y el desarrollo
secuencial de las tareas o procesos presentes en su funcionamiento.
36
2.3 Diseño asistido por computador (CAD)
Se conoce como el uso de programas, para usos de aplicaciones específicas
computacionales, donde se crean representaciones graficas de objetos en dos o
tres dimensiones, este es ampliamente utilizado para animaciones, publicidad y
productos de diferentes industrias. Este tipo de software realiza cálculos con los
cuales se llega determinar formas y tamaños para gran variedad de productos.
Con relación al diseño de objetos por computadora se presenta grandes ventajas
dentro de un ambiente virtual que permite la interacción y facilidad al momento
construir un modelo y permitir modificar el mismo para lograr definir sus
características geométricas y físicas, que en la mayoría de software se consigue
con un sistema parametrizado, donde al final del proceso se puede llegar a adquirir
de manera sencilla vistas, detalles y secciones para posterior fabricación o
interacción con otros sistemas.
Los software CAD son principalmente utilizados para la creación de modelos de
superficies o sólidos en 3D, aunque no se deje de lado la opción de realizar modelos
de componentes basados en vectores plasmados en 2D, todo esto usando el diseño
conceptual de ingeniería desde el análisis de fuerzas y sistemas dinámicos de
ensambles donde se puede incluir los métodos de manufactura.
La facilidad que presenta este tipo de tecnología es acogida y utilizada por
diferentes campos como lo son la arquitectura, ingenierías civiles, mecánicas y
diseñadores industriales.
En el uso de sistemas basados en CAD se encuentran beneficios que incluyen
menores costos en desarrollo, mejora en la calidad del producto, aumento en la
productividad. También se tiene la posibilidad de visualizar los productos finales,
sub-ensambles parciales y componentes previendo problemas y agilizando el
proceso de diseño. No se puede quitar del medio el hecho de tener una mayor
exactitud de la formas enlazada a la reducción de errores. [10]
37
2.4 Fabricación asistida por computador (CAM)
Con el uso de sistemas computacionales en aplicaciones de software de control
numérico (NC) para crear instrucciones detalladas que guían las maquinas
herramientas para manufactura de partes controladas numéricamente por
computador (CNC). De acuerdo a las capacidades del CAM los fabricantes en las
industrias pueden producir partes de alta calidad.
También hace referencia al uso de sistemas controlados por computador para
diseñar y controlar la fabricación industrial de partes con la mayor eficiencia en el
proceso a través de la automatización.
En el uso de estos modelos CAM se pueden incluir diferentes beneficios como la
posibilidad de maximizar el uso de equipamientos de producción que incluye
máquinas de alta velocidad, 5 ejes, maquinas multifuncionales y de torneado,
maquinado de descarga eléctrica EDM e inspección de equipos CMM.
Estos sistemas puedan ayudar con la creación, verificación y optimización de
programas NC con una óptima productividad de maquinado, facilitando también la
posibilidad de crear documentación para producción. [11]
2.5 Ingeniería asistida por Computador (CAE)
Se trata cuando se desea simular y analizar diseños de ingeniería a partir de un
ordenador o creados como prototipos o maquetas e introducidos al computador para
evaluar sus característica, propiedades y viabilidad generando una optimización en
su desarrollo que permita tomar la mejor decisión desde ambientes y variables
controladas, esto contribuye con la reducción en los costos de fabricación y
optimizar las pruebas de validación a realizar para lograr un producto esperado.
En los sistemas CAE se presentan por lo general como módulos complementarios
o extensiones de los aplicativos CAD, donde se tiene análisis por elementos finitos
(FEM), Simulación de programas CNC o análisis de cinemática.
38
Con los sistemas CAE se puede lograr redefinir el producto de acuerdo a los
resultados y análisis realizados desde las características de los materiales,
elementos auxiliares y conocimientos teóricos. Para conseguir una aplicación
correcta de CAE sobre un producto se debe tener presente las relaciones entre
Software y Hardware utilizados en el análisis. [10]
39
3. METODOLOGÍA
Para el desarrollo del proyecto se planteó una metodología que segmentará el
trabajo, sirviendo como herramienta para controlar el avance de forma organizada
en búsqueda de los objetivos planteados anteriormente. Para conseguirlo se realizó
un total de 3 fases de proyecto pasando por sus respectivas etapas según el caso.
En la Figura 4 se muestra la metodología implementada.
Figura 4 Metodología implementada
3.1 Conceptualización y especificación del proyecto
En el proceso de desarrollo de cualquier proyecto se debe dedicar un factor de
tiempo considerable para establecer el estado de conocimiento e información
disponible sobre el tema en estudio, con el fin de garantizar el trabajo que esta por
Fase 1: conceptualización y especificación del proyecto
Busqueda información disponible
Identificación celda
Identifiación software disponible para desarrollo
proyecto
Fase 2 : Modelamiento de sistemas y elementos
Levantamiento de planos e información
Busqueda informacion virtual elementos
comerciales
Modelamiento Sub-ensambles por estación
Ensamble estaciones de trabajo
Ensamble celda manufactura
Revisión, ajustes y corrección de modelos
virtuales.
Fase 3: implementación de sistemas y elementos en
conjunto en ambiente virtual.
Implemenación de modelo en software para simulación
Simulación preliminar de estación trabajo
Revisión, ajustes y corrección de parametros de
simulación.
Generación de video simulación estación de
trabajo.
40
desarrollarse se haga de manera coherente y controlada sin dejar parámetros fuera
de vista o en el peor de los casos realizar inversiones de tiempo y recursos
innecesarios, bien sea por una mala planificación y visión como, también por dejar
de identificar un trabajo previamente realizado por algún otra persona o grupo que
sea de utilidad para el proyecto en progreso.
Teniendo en cuenta que el foco central de desarrollo del proyecto es la celda de
manufactura FMS – 200, se inició con una búsqueda preliminar vía internet donde
se encontró información básica sobre la celda; de igual forma se encontró un video
descriptivo sobre la celda[12] en Youtube, el cual facilita la percepción sobre el
funcionamiento de la celda.
Finalmente se continuó con la búsqueda de información directamente en las
instalaciones de la Universidad Distrital donde se consigue en medio magnético la
siguiente información:
- Imágenes
- Manual de usuario
- Software KEPServerEx5
- Programas para PlC´s, Robot y servos
- Software SCADA
Donde principalmente se encuentra información importante para el desarrollo del
proyecto en el manual de usuario donde describe cada una de las estaciones de
trabajo, sus funciones, partes integrantes, datos técnicos, instrucciones de
instalación y adicionalmente dentro de sus anexos se encuentra esquemas
eléctricos, esquemas neumáticos y planos básicos mecánicos que se hacen
importantes para la identificación de componentes de forma rápida y control de
información para trabajo en el proyecto.
41
3.1.1 Descripción Celda manufactura flexible FMS -200
Es un sistema didáctico flexible modular de estaciones individuales que se
encuentran automatizadas, diseñado para enseñanza de procesos automatizados,
en el cual se lleva a cabo el ensamblaje de diferentes partes para conseguir un
mecanismo de giro. La celda disponible en el mercado por la compañía SMC
International Training, se puede adquirir desde 6 estaciones (Adquirida por la
Universidad) hasta 10 estaciones donde en cada estación se lleva a cabo una tarea
específica en la obtención del producto final.
Dentro de la celda de manufactura se pueden ver incluidos componentes de
diferentes tecnologías disponibles en la industrial del tipo electrónica, neumática,
electro neumática, PLC’s, robótica, etc. Cada una de las estaciones se encuentran
intercomunicadas a través de unas bandas trasportadoras que se encargan de
traspasar en de una a otra el conjunto de piezas que se encuentren en proceso de
ensamble.
La celda de manufactura se diseñó con el fin de realizar el ensamble de un sistema
de giro compuesto por diferentes partes (Ver Figura 5) como lo son la base o cuerpo
del sistema, el rodamiento, el eje, la tapa y los tornillos. Cada una de estas piezas
compone el sistema de giro las cuales son ensambladas por pasos para lo cual
están dispuestas cada una de las estaciones que están adaptadas para el montaje
de diversos conjuntos, esto gracias a la distintas combinaciones que se pueden
presentar de acuerdo a las variables disponibles como el material de las piezas,
tamaño e incluso colores con esto se pueden implementar diferentes estrategias de
trabajo.
42
Figura 5 Partes que compone el sistema de giro ensamblado por la celda
3.1.2 Descripción de las estaciones de trabajo
Las estaciones están diseñadas para trabajar de manera autónoma e
independiente de las demás estaciones dispuestas cada una con un panel frontal
de controles básicos para poner en funcionamiento la estación (ver Figura 6) y que
permiten en accionamiento paso a paso de los diferentes componentes hasta
conseguir el proceso para el cual esta diseñadas. El control cuenta con pulsadores
para macha, paro y reinicio, un selector de ciclo continuo/único una parada de
emergencia y también cuenta con pilotos indicadores de falta de material e indicador
de error. En cada una de las estaciones se realizan operaciones específicas que
contribuyen al proceso de montaje o control del sistema de giro. Las estaciones
están compuestas por una estructura tipo mesa fabricada con perfiles en aluminio
con ranuras estándar que permiten la instalación sencilla y rápida de los distintos
componentes con el uso adecuado de accesorios.
43
Cada estación cuenta con una rejilla vertical en la parte inferior (ver Figura 6) de la
mesa donde se dispone de los tableros de control eléctricos y PLC’s que gobiernan
las estaciones, adicionalmente cuentan con una unidad de mantenimiento de aire
comprimido y su respectiva sección de banda transportadora.
Figura 6 Estructura base de estaciones con panel de control frontal y tableros de control eléctrico,
plc’s y unidad de mantenimiento de aire comprimido
Cada una de las estaciones está compuesta por una serie de módulos encargados
de llevar a cabo diferentes acciones en el proceso de manera secuencial. Cada
módulo es activado por señales generadas por distintos tipos de sensores que
activan o ponen en funcionamiento actuadores neumáticos o servomotores.
44
3.1.3 Primera estación: montaje de bases1
La función de la estación (ver Figura 7) es proporcionar la base al proceso de
ensamble que sirve de soporte de las otras partes que componen el sistema de giro.
La operación se da inicio un vez es dispuesto un pallet en la banda transportadora
donde se desplaza hasta encontrarse con un tope accionado por un actuador
neumático situado en medio de la banda transportadora, la señal sobre la correcta
posición del pallet es dada por un sensor al PLC quien permite dar inicio al ciclo de
la estación para posicionar sobre el pallet la base de sistema de giro.
Figura 7 Estación 1 alimentación de la base
1 Tomado de manual usuario FMS 200 versión 2 – Sistema didáctico modular de ensamblaje flexible fms-200, pág. 8-10.
45
La primera estación cuenta con los siguientes módulos:
- Alimentación de base: las bases se almacenan en un alimentador que
funciona por gravedad, donde las bases estas dispuestas verticalmente una
sobre otra y cae por efecto de la gravedad una vez es impulsada la base que
se encuentra en la parte inferior por un cilindro accionado neumáticamente
el cual trabaja en un plano horizontal perpendicularmente al almacén de
bases. La base es trasladada por el actuador hasta el punto donde se verifica
la correcta posición de la base.
- Verificación de posición: en este módulo se cuenta con un actuador que
funciona verticalmente con un cilindro en su extremo el cual al bajar identifica,
ingresando en el alojamiento que posee la de la base, para el montaje de
partes del sistema de giro, si ésta se encuentra en la posición adecuada o
no.
- Desplazamiento al punto de trasvase: se tiene un cilindro de sección
transversal rectangular que tiene en su extremo un empujador que desplaza
la base hasta el punto donde será trasladado al pallet sobre la banda
transportadora o será rechazado por encontrarse en la posición incorrecta.
- Rechazo de base incorrecta: cuando se identifica que alguna base se
encuentra en la posición incorrecta, en este módulo por medio de un cilindro
de simple efecto se realiza la expulsión de la misma a la zona de rechazo,
dejando la zona de traslado libre para otra base.
- Inserción de la base en el pallet: el subsistema está compuesto por dos
actuadores neumáticos que trabajan en direcciones perpendiculares, uno en
un plano horizontal y el segundo en sentido vertical, el primero (plano
horizontal) es un cilindro neumático con guías que en su extremo sostiene el
segundo cilindro neumático de doble vástago que actual en sentido vertical,
éste último cilindro en su extremo sostiene una plataforma que soporta
cuatro ventosas telescópicas que realizan la sujeción de la base por medio
de vacío y permiten su desplazamiento hasta el pallet que se encuentra en
la banda transportadora.
46
3.1.4 Segunda estación: montaje de rodamiento2
En esta estación (Ver Figura 8) se realiza la colocación del rodamiento en la
base que viene previamente ubicada en el pallet y ha sido transportado por la
banda desde la estación anterior. Para dar inicio al proceso se requiere el pallet
este posicionado, lo cual sucede cuando éste viene sobre la banda y llega hasta
un tope que se desplaza verticalmente entre la banda e indica por medio de un
sensor al PLC. Debido a la precisión que se requiere para ubicar el rodamiento
en la base, la cuando el pallet llega a su posición es elevado de la banda
trasportadora por un cilindro que se encuentra abajo y cuenta con un plataforma
con cuarto pines, con punta en ángulo, que ingresan en alojamientos dispuestos
en la parte inferior del pallet que garantizan la correcta posición del mismo.
Figura 8 Estación 2 montaje de rodamiento
2 Tomado de manual usuario FMS 200 versión 2 – Sistema didáctico modular de ensamblaje flexible fms-200, pág. 12-14.
47
La segunda estación cuenta con los siguientes módulos:
- Alimentación del rodamiento: al igual que el almacén de las bases, el de los
rodamientos es por gravedad. También está dispuesto un cilindro en posición
vertical que por medio de un empujador en su extremo desplaza el
rodamiento hasta alcanzar un microrruptor que a través de una señal indica
al PLC que el rodamiento ya se encuentra en la posición requerida, de igual
manera este indica en caso de no encontrar ningún rodamiento en el almacén
al no generarse una señal una vez activado el cilindro previamente.
- Medición de altura: el diseño de la estación esta dado para incluir una
variable en al sistema, donde la altura del rodamiento se debe tener en
cuenta. Por tal razón se tiene este módulo que valida la altura del rodamiento
por medio de un palpador que es accionado por medio de un cilindro
neumático, que al desplazarse contacta el rodamiento y diferencia la altura
de éste.
- Desplazamiento al área de espera: una vez validada la altura del rodamiento
este es desplazado a la zona de espera por medio de un cilindro que actual
en el plano horizontal provisto de un empujador en su extremo para tal fin.
- Rechazo de rodamiento incorrecto: si el rodamiento que ha sido comparado
anteriormente no corresponde a la altura requerida por el sistema actual un
cilindro de simple efecto que empuja al rodamiento hacia la rampa de rechazo
de ser correcta la posición queda a la espera para ser insertado en la base
del sistema de giro.
- Inserción de rodamiento: éste módulo cuenta con un manipulador roto-lineal
compuesto por un cilindro neumático con dos guías que trabaja verticalmente
elevando o descendiendo un actuador de giro que sostiene una pequeña
plataforma o brazo que en su extremo sostiene unas pinzas de dos dedos
que al actuar sujetan o liberan el rodamiento.
La funcionamiento se dado cuando el cilindro de acción vertical desciende el
conjunto del actuador de giro con la pinzas, éstas a su vez se accionan y
sujetan el rodamiento; cuando se tiene sujetado el rodamiento el cilindro de
acción vertical asciende el conjunto y el actuador de giro hace una rotación
48
de 180°, allí vuelve a descender el cilindro de trabajo vertical posicionando el
rodamiento dentro de la base del sistema de giro, que a su vez esta sobre el
pallet; en este punto las pinzas dejan de sujetar el rodamiento y el modulo se
eleva dejando el pallet listo para regresar a la banda y continuar su trayecto.
3.1.5 Tercera estación: inserción de eje3
Esta estación se dedica a la inserción del eje en el sistema de giro (ver Figura 9), los
ejes que se disponen en la estación son de dos tipos de acuerdo a su material
(aluminio y nylon) por lo cual la estación debe estar provista para seleccionar el eje
adecuado según la configuración establecida, la inserción se hará sobre el
rodamiento que fue montado en la base en la estación anterior y que se encuentra
en la base sobre el pallet que se encuentra sobre la banda transportadora; de la
misma manera que en la primer estación entre la banda se encuentra un tope sobre
un cilindro neumático que cuenta con un sensor para dar inicio al ciclo.
Debido a los elementos y subprocesos que se deben controlar en esta estación, su
configuración cambia sustancialmente ya que los componente se disponen sobre
un plato divisor con ocho posiciones sobre la cuales se van realizando cada una de
las respectivas operaciones.
3 Tomado de manual usuario FMS 200 versión 2 – Sistema didáctico modular de ensamblaje flexible fms-200, pág. 17-20.
49
Figura 9 estación 3 inserción de eje
A continuación se describen los módulos con los que cuenta la estación:
- Plato divisor: es el elemento que se usa para dar un movimiento giratorio
alternativo, el cual se logra gracias a un servomotor paso a paso que gira de
manera controla cada 45 ° consiguiendo 8 pasos donde en cada una de las
operaciones se puede dar en el perímetro del plato para cada posición, para
conseguirlo el plato está dispuesto con unos soportes (8 en total) para los
ejes que están siendo evaluados o simplemente desplazados.
- Alimentación de ejes: cuenta con un almacén cilíndrico dentro del cual están
los ejes disponibles para descender por acción de la gravedad, el módulo
hace una alimentación paso a paso ya que cuenta con 2 cilindros compactos
neumáticos dispuestos al final del alimentador uno arriba del otro en
posiciones contrapuestas de tal modo que cuando el cilindro de la parte
inferior libera el último eje el cilindro superior sostiene el resto para que no
desciendan.
50
- Medición de altura de eje: este paso se implementa ya que el eje no tiene
una forma simétrica por lo que solo puede ser ensamblado en el rodamiento
en una única posición. Se tiene un cilindro de acción vertical que dispone de
un detector magnético que permite al sistema identificar la posición adecuada
del eje.
- Colocación de eje en posición correcta: dado el caso en el cual el eje se
encuentra en la posición invertida este paso se encarga de posicionarlo
adecuadamente. Para tal fin cuenta con un manipulador de pinzas que se
encuentra en un servo motor de 2 posiciones que a su vez está sujeto de un
cilindro de acción vertical con doble vástago paralelo. Así una vez las pinzas
sujetan en eje, éstas son elevadas por el cilindro vertical y en este momento
el servomotor gira el eje para nuevamente descender por acción del cilindro
y ser liberado de las pinzas.
- Detección material de eje: para poder determinar el material del cual está
fabricado el eje se cuenta de dos sensores de tipo inductivo y capacitivo que
determinan si el material es aluminio o nylon, para esta operación se requiere
de dos posiciones en el plato divisor.
- Evacuación de eje incorrecto: debido a que esta estación tiene la
particularidad de suministrar dos tipos de ejes, en el caso que el eje que se
encuentra en la plataforma no es el indicado para la configuración requerida
se tiene un sistema de rechazo de ejes. El sistema está compuesto por dos
cilindros que trabajan, uno en posición horizontal el cual desplaza en su
extremo a otro cilindro que actúa en posición vertical donde en su extremo
tiene una ventosa que al entrar en contacto con el eje es accionada por vacío
para sujetarlo, una vez realizado el sistema se retrae por el cilindro horizontal
sobre un rampa para rechazos y la ventosa suelta el eje.
- Inserción eje en conjunto: en la última posición del plato se encuentra el
módulo para inserción del eje en el conjunto del sistema de giro. Se consigue
por medio de un manipulador roto-lineal compuesto por un cilindro de acción
vertical que soporta un servomotor en el que se encuentra una plataforma o
brazo que sostiene que a su vez soporta una ventosa. El sistema se pone en
51
marcha cuando el conjunto desciende por acción del cilindro neumático y la
ventosa sujeta por acción de vacío el eje de la parte superior de éste, en este
momento del sistema es elevado y el servomotor entra en funcionamiento
girando alrededor de 180° para posicionar el eje sobre el conjunto o sistema
de giro compuesto hasta el momento por la base y el rodamiento, allí
desciende el módulo y la ventosa deposita el eje donde es soltado para que
el pallet con sus partes continúen por la banda hasta la próxima estación.
3.1.6 Cuarta estación: colocación de la tapa4
En esta estación (ver Figura 10) se tiene un aumento en la variables con relación a
la configuración del sistema de giro pues se encuentran tres tipos de materiales
aluminio, nylon negro y nylon blanco, además de tener dos alturas diferentes, de
acuerdo a la configuración requerida esta estación brindara la tapa adecuada que
se encarga de retener el eje que fue montado en la estación anterior en el sistema
de giro en proceso de ensamble. La estación cuenta nuevamente con una
plataforma de giro con un servomotor paso a paso que gira a razón de 45° con un
total de 8 posiciones.
4 Tomado de manual usuario FMS 200 versión 2 – Sistema didáctico modular de ensamblaje flexible fms-200, pág. 23-27.
52
Figura 10 estación 4 colocación de la tapa
Los módulos con los que cuenta la estación se listan a continuación:
- Alimentación de tapas: este alimentador funciona con el mismo principio del
alimentador de la estación 2, donde se tiene un almacén que dispone las
tapas apiladas verticalmente y que descienden por acción de la gravedad, un
cilindro dispuesto en sentido horizontal con un empujador en su extremo
empuja la tapa que se encuentran en la parte inferior hasta su respectiva
posición donde activa un microrruptor que da la señal al PLC indicando que
la tapa se encuentra en la posición indicada o por el contrario indica que no
hay más tapas disponibles.
- Manipulación de carga de tapas: en esta operación se debe suministrar las
tapas que fueron entregadas por el alimentador al plato giratorio en su primer
posición, para tal fin se dispone de un sistema roto-lineal compuesto por un
cilindro de acción vertical que eleva un servomotor el cual gira con un brazo
que en su extremo sostiene unas pinzas con dedos de apertura paralela que
53
sujetan al tapa, momento en el cual se eleva el conjunto y gira el motor para
proseguir con el descenso del actuador donde las pinzas sueltan la tapa
sobre el plato giratorio.
- Detección de material de tapa: como se indicó existen tres tipos de tapas por
material uno aluminio, y dos de nylon negro y nylon blanco, en éste proceso
se utiliza en la segunda posición del plato un sensor inductivo para
determinar si el material es de aluminio, en la tercer posición se tiene un
sensor capacitivo que detecta si la tapa es de material nylon y finalmente en
la cuarta posición se encuentra un sensor fotoeléctrico encargado de
determinar si la pieza siendo de nylon es de color negro o blanco.
- Medición de tapas: al tener dos tipos de alturas diferentes se encuentra en la
quinta posición un transductor digital en forma de encoder lineal sujeto a un
cilindro neumático que al desplazarse verticalmente determina por medio de
pulsos la altura de la tapa que está siendo controlada.
- Evacuación de tapa incorrecta: dado el caso que la tapa que se encuentra en
la penúltima posición es incorrecta o no corresponde con los requerido por el
sistema programado para el sistema de giro se cuenta con un par de
actuadores neumáticos que trabajan en dos ejes uno horizontal y el otro
sujeto al anterior trabajando verticalmente, en el extremo del segundo cilindro
se tiene una placa o plataforma que sostiene 3 ventosas que actual por vacío
para sostener la tapa seleccionada y ser transportada vertical y luego
horizontalmente hasta dejar sobre la rampa de rechazos donde es soltada.
- Inserción de tapa: para esta tarea la estación cuenta con un sistema con el
mismo principio de la estación anterior, donde se tiene un actuador roto-lineal
con un brazo que en su extremo cuenta con unas pinzas que sostiene la
pieza y traslada la pieza seleccionada desde el plato divisor hasta el pallet
con el ensamble del sistema de giro hasta aquí compuesto por la base, el
rodamiento y el eje.
54
3.1.7 Quinta estación: montaje de tornillos5
La quinta estación (ver Figura 11) es la última donde se adicionan partes al
conjunto o sistema de giro, en éste caso se incorporan 4 tornillos que van en
cavidades roscadas que se encuentran en la base. En esta estación se requiere
de un componente adicional y diferente en la banda de transportadora
encargado de sujetar el pallet que transporta el conjunto y girarlo en intervalos
de 90° para lograr posicionar adecuadamente cada tornillo.
La banda se encuentra con un tope sobre un cilindro neumático de acción
vertical encargado de elevarlo, cuando el tope identifica por medio de sus
sensores que el pallet llego a su posición otro cilindro que se encuentra abajo se
activa elevando el conjunto, sobre el cilindro se encuentra un motor neumático
que a su vez sostiene una plataforma con 4 pines que centran y sostienen el
pallet para controlar la posición y conseguir el giro determinado.
Los módulos que componen la estación son:
- Alimentación de tornillos: se tiene un almacén vertical de gravedad donde los
tornillos son dispensados por un par de cilindros de doble efecto que se
encuentran en la parte inferior del alimentador, los cilindros se encuentran
trabajando en un plano horizontal uno sobre otro en posiciones opuestas, así
cuando el cilindro inferior librera el tornillo que sostiene el cilindro superior
entra en acción sosteniendo los restantes.
- Módulo transvase: en este caso se tiene un cilindro de doble efecto que
trabaja horizontalmente con un alojamiento en su extremo donde cae el
tornillo suministrado por el alimentador y es trasladado al punto de recogida;
en el alojamiento se encuentra un sensor fotoeléctrico tipo barrera que
identifica si se encuentra un tornillo en posición una vez realizada la
operación de alimentación o si por el contrario se han terminado los tornillos
disponibles en el almacén.
5 Tomado de manual usuario FMS 200 versión 2 – Sistema didáctico modular de ensamblaje flexible fms-200, pág. 31-33.
55
Figura 11 Estación 5 montaje de tornillos
- Manipulador inserción de tornillo: en este caso de tiene un cilindro compacto
con guías que trabaja en el eje horizontal sosteniendo un segundo cilindro de
doble vástago paralelos que se desplaza en el eje vertical y sostiene en su
extremo unas pinzas neumáticas con dos dedos paralelos. El cilindro vertical
desciende hasta que las pinzas alcanzan el tornillo que se encuentra en
alojamiento, allí lo sostiene y es elevado por acción del segundo cilindro,
posteriormente el primer cilindro desplaza en conjunto horizontalmente hasta
alcanzar la posición sobre la base donde se depositará el tornillo.
56
3.1.8 Sexta estación: Robot atornillador6
En la última estación (Ver figura) se cuenta con un robot industrial con referencia
Melfa RV – 2F-D de la casa matriz Mitsubishi, el robot se encarga de atornillar los
cuatro tornillos previamente dispuestos en el conjunto, también tiene la posibilidad
de intercambiar de tapas o ejes según sea programado por el administrador. El
brazo robótico cuenta con un atornillador neumático y unas pinzas con dos dedos
paralelos para la sujeción de la tapa o el eje según el caso.
Figura 12 Estación 6 Robot atornillador
6 Tomado de manual usuario FMS 200 versión 2 – Sistema didáctico modular de ensamblaje flexible fms-200, pág. 36-39.
57
El control dispone de un controlador que es el encargado de controlar los
movimientos del robot y de cada uno de sus motores para obtener con precisión el
movimiento requerido para las diferentes operaciones.
Debido a la precisión requerida para el proceso la banda trasportadora una vez
detectado el pallet lo eleva por medio de un cilindro con una plataforma que posee
4 pines para posicionar y sostener adecuadamente el pallet.
Para la operación de montaje de tapa y/o eje la estación cuenta con dos zonas de
almacenamiento uno a cada lado del robot, donde uno está dispuesto para almacén
de tapas y ejes (3 unidades de cada uno), este debe encontrarse vacío, el otro
almacén está dispuesto para montaje de tapas y ejes por los cual debe permanecer
con piezas disponibles.
3.1.9 Software para modelado y simulación
Actualmente en el mercado se encuentran una cantidad considerable de fabricantes
de software de asistencia en diseño por computador de productos, procesos y
simulaciones (CAD / CAE), dentro de las más conocidas debido a su amplia
presencia y trayectoria en el mercado se destacan empresas como Autodesk, 3ds,
Siemens, PTC, etc. entre otras, especializadas en el desarrollo de software
especializado en ingeniería en distintos campos. Dentro de estos la Universidad
Distrital cuenta con licencias para la formación de sus estudiantes de programas
como, Solid Edge, Solidworks, Catia, Siemens NX e inventor entre varios más, sin
embargo teniendo en cuenta la necesidad y el enfoque que se quería dar el
desarrollo del presente proyecto se decidió trabajar con 2 de estos programas por
las características presentes en ellos que facilitarían el trabajo requerido y darían
solución al problema de simulación que se planteaba.
- Uno de los programas seleccionados es Inventor de la empresa Autodesk
este se tiene en cuenta por la facilidad que presenta para el modelado en
tres dimensiones de elementos mecánicos en un ambiente amigable con los
usuarios, adicionalmente el programa lleva cerca de 15 años en el mercado
por lo cual es de fácil acceso y es posible encontrar vía internet componentes
58
útiles para el desarrollo del proyecto ya modelados y que ahorrara tiempo y
recurso.
Figura 13 Autodesk Inventor 2015 [13]
Inventor es un software paramétrico especializado en asistencia para el
diseño mecánico donde se puede hacer la simulación para construcción y
fabricación de partes y componentes con un control de cada parámetro en el
proceso que posibilita la acción de modificar, organizar y manipular los
elementos que pueden ser integrados y analizados en ensambles
posibilitando ajustes sobre el proceso de diseño que ayudan a mejorar el
producto de ingeniería alcanzando la perfección y minimizando posibles
errores; con el uso de los módulos de ensamble se puede llegar a
desenvolver el trabajo de modelado en ambiente virtual de la celda de
manufactura y cada uno de sus componente críticos para el correcto
desarrollo.
59
También se tiene presente que el programa cuenta con un visualizador de
acceso gratuito vía internet Autodesk Inventor View 2015 en el cual por ser
de descarga gratuita podrá ser visualizado con mayor comodidad en el
ambiente virtual la celda de manufactura desarrollada.
- El otro software que se seleccionó para abordar el proyecto fue Siemens NX,
éste software fue desarrollado para el diseño de productos de ingeniería
desde su concepto como producto hasta los procesos para su fabricación
dando un alcance más amplio incluso que el mismo entregado por Inventor,
ya que incluye la simulación de estructuras, fluidos, termodinámica,
movimiento entre tras posibilidades de acuerdo al requerimiento.
Figura 14 Siemens PLM Software [14]
Una de las principales características que posee este software es la
posibilidad de realizar simulaciones de movimiento, indispensable para el
correcto desarrollo del presente proyecto con una amplia posibilidad dentro
de sus herramientas que brindan un realismo mayor al proceso y que cuenta
60
con la opción de comunicar con facilidad los archivos creados en otras
plataformas a través de archivos guardados bajo la extensión .STEP. Es de
tener presente que este software es de reciente desarrollo en el mercado por
lo que su difusión es aún limitada razón por la cual no se optó por desarrollar
por completo el proyecto bajo ésta plataforma, la cual además presenta un
ambiente de trabajo aún más específico que no es de directo alcance y
compresión de un usuario sin una previa capacitación en su manejo.
3.2 Modelamiento de sistemas y elementos
Al tener un panorama claro de la celda de manufactura FMS-200 con que cuenta la
universidad, las estaciones de las cuales se compone y la disposición de cada una
de ellas, es posible iniciar el proceso de modelamiento de partes que componen las
distintas estaciones. Esta fase de trabajo es la que más implica inversión de tiempo
y una adecuada organización para conseguir los objetivos definidos para su
cumplimiento. Dentro de las etapas a desarrollar para conseguir un desarrollo claro
de la fase de Modelamiento de sistemas y elementos se tiene que dar inicio con el
levantamiento de planos, búsqueda de información virtual o previamente modelada
en 3d en la internet, modelamiento de los sub-ensambles de las diferentes
estaciones, ensamble de las estaciones de trabajo y por último ensamble de la celda
de manufactura.
Para el adecuado desarrollo de la fase se debe tener un orden apropiado de la
información que será recopilada para ser posteriormente la base del trabajo de
modelamiento para lo cual se dispuso de un cuaderno de memorias, dispuesto para
el levantamiento de planos, memorias y bitácora de desarrollo de proyecto, donde
se consigna cada una de las actividades en trabajo y las inquietudes u
observaciones que se van presentando en el transcurso del trabajo.
61
3.2.1 Levantamiento de planos
Esta actividad es fundamental para el modelamiento de la celda, pues si el trabajo
no se realiza de la manera adecuada consignando la información y más
específicamente las dimensiones críticas de los elementos, en el momento de
empezar o estar desarrollando el modelado se van presentar inconvenientes que no
permitirán culminar el proceso de modelado.
Para esta tarea se tomó como base la información encontrada en el manual de
usuario de la celda de manufactura que estaba en las instalaciones de la
Universidad, allí se encontraron unos planos mecánicos básicos en los cuales se
puede apreciar un esquema de las estaciones y un listado básico de partes que las
componen, en la Figura 15 se muestra el plano de la estación 1 encontrado en el
manual, donde se pueden apreciar el listado de partes que señalan los sub-
ensambles que la componen.
Figura 15 Plano básico de estación 1
62
Estos planos son de gran ayuda pues permiten organizar a la información que
requiere hacerse levantamiento de planos y cual no lo requiere, luego se encuentra
una referencia comercial que posiblemente pueda ser encontrada en el internet,
tarea que deberá realizarse en paralelo con el levantamiento de planos buscando
evitar la inversión de tiempo indebida.
Inicialmente se identificó que las 5 primeras celdas poseían una estructura de
dimensiones y características comunes, con lo cual se inició el proceso de
levantamiento de planos de la mesa de trabajo (ver Figura 16 y Figura 17); en la
estructura de la mesa se identificó que la misma estaba fabricada con un perfil en
aluminio de diferentes longitudes, estas piezas se encuentran ensambladas por
medio de unos accesorios que tiene la forma y dimensión adecuada que facilita el
rápido ensamble. En las figuras se muestra los esquemas básicos y las dimensiones
tomadas de la estructura que se utilizaron para realizar el modelado posterior (Ver
Figura 17) de la misma a través del software Inventor.
Figura 16 Esquema isométrico de estructura mesa estaciones
Para el levantamiento se utilizaron herramientas básicas de medición como el
flexómetro y el calibrador pie de rey, con los cuales se podía determinar las
63
dimensiones generales necesarias para conseguir realizar posteriormente el
modelado de las partes.
Figura 17 Ejemplo levantamiento de plano estructura mesa estaciones celda FMS 200, vista lateral y
frontal con dimensiones
Una vez se dio inicio al proceso de levantamiento de información y planos con la
estructura de la mesa se evidencia que es posible encontrar un modelo del perfil
extruido en aluminio de que se componía la mesa de la estructura, por lo tanto se
64
tomaron las dimensiones básicas del perfil y se prosiguió a realizar un búsqueda en
internet de los perfiles disponibles en el mercado donde luego de un tiempo de
búsqueda fue posible identificarlo; de esta manera dio un pequeño paso adelantado
en el proceso de desarrollo del proyecto y se modelo la estructura de mesa, en la
Figura 18 se identifica la vista isométrica de la estructura ya modelada y en la misma
figura se puede evidenciar una vista de la sección transversal del perfil de aluminio
del que se compone la estructura.
Figura 18 Estructura de mesa de las estaciones; en parte inferior derecha vista de sección transversal
de perfil aluminio de estructura – Fuente:autor
65
3.2.2 Búsqueda información virtual de componentes
Dentro de un proceso de diseño de cualquier índole es bastante valioso comprender
que muchas personas o grupos en distintas partes del mundo pueden o han podido
estar trabajando en temas relacionados, esto implica que seguramente alguna parte
del trabajo de carácter “operativo” ya se puede encontrar desarrollado y si se toma
el tiempo suficiente y se tienen en cuentas factores lógicos de búsqueda es posible
encontrar información que ayudara en el avance del proyecto evitando realizar el
trabajo que otras personas ya desarrollaron y así conseguir ahorrar tiempo que será
valioso para tareas y actividades únicas del proyecto en ejecución.
Un factor importante en proceso de levantamiento de información de la celda fue el
comprender que muchos de sus componentes son de uso industrial lo que conlleva
que con los avances en el acceso y la divulgación de la información fuese posible
que se encontrase información técnica y especifica de los componentes. Por este
motivo y con ayuda de los planos mecánicos básicos de las estaciones y sus
respectivos sub-ensambles (Ver anexo 1). En estos planos se encuentra la vista
isométrica de las estaciones con un listado de partes y sub-ensambles principales,
adicionalmente se tienen los planos de los respectivos sub-ensambles donde de
igual forma se tiene una vista isométrica de cada sub-ensamble y un listado de
partes principales que lo componente. Estos listados son de gran importancia en el
desarrollo del presente proyecto, debido a que en ellos se puede encontrar una
referencia comercial de los componentes de uso industrial.
En la Figura 19 se tiene el plano del sub-ensamble de la estación 2 almacén de
rodamientos donde se puede apreciar la vista isométrica y el listado de partes, en
la figura se resalta un ítem de ejemplo el número 14 donde en la casilla de numero
de pieza se puede observar una referencia en este caso la CD85N16-100-B
perteneciente a un cilindro neumático de doble efecto con vástago cilíndrico.
66
Figura 19 Plano de sub-ensamble almacén de rodamientos- estación 2
Con la referencia que aparece se puede iniciar una búsqueda del componente a
través de internet, esto con el objetivo inicial de encontrar un catálogo de producto,
donde se puedan encontrar las dimensiones y la configuración del componente.
Ahora bien también si se indaga un poco más a fondo es posible encontrar
bibliotecas virtuales de componentes de 3D donde el componente ya se encuentre
modelado en alguna plataforma de diseño CAD como el software de trabajo
Inventor.
Es importante tener muy presente el tiempo que se va a dedicar a este tipo de
búsqueda, ya que es posible se dedique demasiado y en este mismo tiempo haya
sido más sencillo hacer el modelado del componente haciendo el respectivo
levantamiento del plano e información.
En la búsqueda de información para el proyecto se encontraron diferentes bases de
datos o bibliotecas virtuales que fueron de gran ayuda pues se encontraron la
67
mayoría de los componentes netamente industriales los cuales se encontró que son
fabricados por la misma casa o empresa que diseño la celda de manufactura SMC
Corporation. Una de las bibliotecas que se encontró en internet es la página
TRACEPARTS [15], la página pertenece al grupo TRACE fundado en 1989 y ofrece
información digital en 3D para ingeniería con un amplio catálogo donde se encuentra
información de distintas compañías que desarrollan productos para uso de
ingeniería como lo son algunas conocidas del tipo 3M, Bosch, Legrand, SKF,
Siemens y en nuestro caso específico SMC. Para poder acceder a la información
es necesario suscribirse a la misma. En la Figura 20 se puede apreciar el modelo
CD85N16-100-B relacionado anteriormente que fue encontrado en esta biblioteca
virtual en internet.
Figura 20 captura de página internet tracepartsonline donde se encuentra modelo de cilindro
neumático de doble efecto
En el proceso de búsqueda de información y modelos en 3D se tomó como
referencia los listados de los planos de las diferentes estaciones encontrados en el
manual de usuario, no se consiguió encontrar todos los modelos que se encontraba
68
referenciados allí la página de traceparts por lo que fue necesario ampliar el rango
de búsqueda con el fin de nuevamente minimizar el tiempo en modelado y
levantamiento de planos de componentes que se encontrarse ya modelados en 3D.
En la búsqueda de bibliotecas virtuales o bases de datos se encontraron las
siguientes:
- Tracerparts Product Content Everywhere [15]
- 2D & 3D CAD MODELS MANUFACTURER CATALOGS [16]
- SMC [12]
- Omro industrial Automation [17]
- Mitsubishi Electric [18]
En estas bases de datos se encontraron elementos como actuadores neumáticos,
servomotores, motores neumáticos e incluso fue posible encontrar el modelado
básico de las partes del brazo robótico de la empresa Mitsubishi, en esta caso en
particular el proceso de búsqueda puede tornarse delicado, sin embargo fue posible
conseguirlo. La empresa Mitsubishi pionera desde los años 80 en construcción y
desarrollo de robots dispone de una página web [18] que se encuentra en idioma
japonés, pero que gracias a sitios web como Google es posible acceder con más
facilidad y comprender el contenido del que dispone, así de esta manera fue posible
hacer seguimiento y conseguir el modelado del brazo robótico RV 2F (Ver Figura
21). Aunque en el caso de brazo robótico no fue de fácil acceso, se requiere una
inscripción previa que tarda alrededor de 2 semanas en su validación para
finalmente poder disponer del modelo de manera gratuita.
69
Figura 21 Modelado en 3D de brazo RV-2F de Mitsubishi – Fuente:autor
3.2.3 Modelamiento de sub-ensambles de estaciones
En la fase de desarrollo de modelamiento de la celda de manufactura en un entorno
virtual se inicia el trabajo con el trabajo de adquisición de información desde el
levantamiento de planos hasta la búsqueda de modelos virtuales siendo esta la
etapa base para cumplir con el objetivo propuesto.
Se debe tener claro toda la información disponible y claramente identificada, debido
a que será bastante y si no se tiene el control adecuado de la misma el proceso de
70
ensamble se complicara el desarrollo. Para conseguir esto se adecuó una carpeta
como biblioteca en la cual se almacenaron las partes, archivos que serían de uso
común en una o varias estaciones.
Para conseguir un control más acertado de la información que se estaba
ensamblando se dispuso de carpetas por estación de trabajo y se desarrollaron
archivos de ensamble en inventor siguiendo el método utilizado por el fabricante
para realizar los planos básicos entregados en el manual de usuario. De esta
manera se organizó la información por estaciones, a continuación se muestran los
sub-ensambles desarrollados por estación para el modelado de la celda de
manufactura.
Adicionalmente se desarrollaron para el proyecto y se incluyen a continuación una
serie de esquemas dinámicos de cada sub-ensamble por estación en los que se
puede identificar la dirección del movimiento que ejecuta cada actuador en su
respectivo orden.
Figura 22 Sub-ensambles estación 1 Alimentación Bases: A) Alimentador base, B) Conjunto inserción
en pallet – Fuente:autor
71
Figura 23 Esquemas movimiento Sub-ensambles estación 1 Alimentación Bases: A) Alimentador
base, B) Conjunto inserción en pallet – Fuente:autor
72
Figura 24 Sub-ensambles Estación 2 Alimentación rodamiento: A) Almacén rodamientos, B)
Manipulador medidor, C) Manipulador rodamiento – Fuente:autor
73
Figura 25 Esquemas movimiento Sub-ensambles Estación 2 Alimentación rodamiento: A) Almacén
rodamientos, B) Manipulador medidor – Fuente:autor
74
Figura 26 Esquemas movimiento Sub-ensambles Estación 2 Alimentación rodamiento: C) Manipulador
rodamiento – Fuente:autor
75
Figura 27 Sub-ensambles Estación 3 Alimentación ejes: A) Conjunto plato ejes, B) Alimentador ejes, C)
Conjunto medidor altura, D) Manipulador inversor de eje – Fuente:autor
76
Figura 28 Sub-ensambles Estación 3 Alimentación ejes: E) Detectores de ejes, F) Conjunto mod.
rechaza ejes, G) Manipulador montado de eje – Fuente:autor
77
Figura 29 Figura 30 Esquema movimientos Sub-ensambles Estación 3 Alimentación ejes: A) Conjunto
plato ejes, B) Alimentador ejes – Fuente:autor
78
Figura 31 Figura 32 Esquema movimientos Sub-ensambles Estación 3 Alimentación ejes: C) Conjunto
medidor altura, D) Manipulador inversor de eje – Fuente:autor
79
Figura 33 Figura 34 Esquema movimientos Sub-ensambles Estación 3 Alimentación ejes: E) Conjunto
mod. Rechaza ejes, F) Manipulador montado de eje – Fuente:autor
80
Figura 35 Sub-ensambles Estación 4 Alimentación tapas: A) Conjunto plato tapas, B) Alimentador
tapas, C) Manipulador montaje tapas, D) Detectores tapas – Fuente:autor
81
Figura 36 Sub-ensambles Estación 4 Alimentación tapas: E) Medidor de altura, F) Conjunto mod.
rechaza tapas, G) Manipulador montaje de tapas – Fuente:autor
82
Figura 37 Esquema movimientos Sub-ensambles Estación 4 Alimentación tapas: A) Conjunto plato
tapas, B) Alimentador tapas – Fuente:autor
83
Figura 38 Esquema movimientos Sub-ensambles Estación 4 Alimentación tapas: C) Manipulador
montaje tapas, D) Medidor de altura – Fuente:autor
84
Figura 39 Esquema movimientos Sub-ensambles Estación 4 Alimentación tapas: E) Conjunto mod.
rechaza tapas – Fuente:autor
85
Figura 40 Sub-ensambles Estación 5 Alimentación tornillos: A) Manipulador alimentación tornillos, B)
Manipulador traslada tornillos – Fuente:autor
Figura 41 Esquemas de movimientos Sub-ensambles Estación 5 Alimentación tornillos: A)
Manipulador alimentación tornillos – Fuente:autor
86
Figura 42 Esquemas de movimientos Sub-ensambles Estación 5 Alimentación tornillos: B)
Manipulador traslada tornillos – Fuente:autor
87
Figura 43 Sub-ensambles Estación 6 Robot atornillador: Brazo robótico RV - 2F con manipulador y
atornillador – Fuente:autor
88
Figura 44 Esquema de movimientos Sub-ensambles Estación 6 Robot atornillador: Brazo robótico RV -
2F con manipulador y atornillador – Fuente:autor
89
3.2.4 Ensamble de estaciones de trabajo
Con el avance en el modelado de los sub-ensambles de las diferentes estaciones
el paso por seguir es sencillamente el ensamblado de las diferentes estaciones de
trabajo, para esta labor es importante hacer un levantamiento de la correcta
ubicación de los diferentes elementos en la mesa de trabajo de la estación. También
en conveniente complementar la mesa de trabajo de las estaciones con los
diferentes accesorios comunes que posee esta para cada estación, es el caso de
los paneles de control frontal, las rejillas de ubicación tableros de control la
superficie plana donde descansan y son ensamblados los elementos y los soportes
para el posterior ensamble de las bandas trasportadoras. En la Figura 45 se aprecia
el modelado de la mesa base de las estaciones de trabajo con los elementos
anteriormente mencionados.
Figura 45 Mesa base para estaciones de trabajo – Fuente:autor
90
Cada estación de trabajo cuenta con una banda transportadora encargada de llevar
el pallet que soporte el ensamble del sistema de giro en cada una de las estaciones,
esta aunque se buscó en las diferentes bases de datos no fue posible encontrar ya
modelada por lo cual se procedió al levantamiento de planos. La banda cuenta con
una base como conjunto que se implementa en cada estación, sin embargo de
acuerdo a la estación de trabajo, se observa que puede contener uno o más
actuadores debidamente posicionados para conseguir detener el pallet que se
encuentra en interacción con dicha estación. En la Figura 46 se muestra un
ensamble de la banda trasportadora.
Figura 46 Ensamble de banda trasportadora – Fuente:autor
En las siguientes imágenes se presentan cada una de las estaciones modeladas
con sus respectivos sub-ensambles.
91
Figura 47 Modelo en 3D con software inventor de estación 1 (alimentación base) celda mauifactura
FMS – 200 – Fuente:autor
92
Figura 48 Modelo en 3D con software inventor de estación 2 (montaje de rodamiento) celda
manufactura FMS – 200 – Fuente:autor
93
Figura 49 Modelo en 3D con software inventor de estación 3 (inserción de eje) celda manufactura FMS
– 200 – Fuente:autor
94
Figura 50 Modelo en 3D con software inventor de estación 4 (colocación de la tapa) celda manufactura
FMS – 200 – Fuente:autor
95
Figura 51 Modelo en 3D con software inventor de estación 5 (montaje de tornillos) celda manufactura
FMS – 200 – Fuente:autor
96
Figura 52 Modelo en 3D con software inventor de estación 6 (robot atornillador) celda manufactura
FMS – 200 – Fuente:autor
3.2.5 Ensamble celda de manufactura
En el desarrollo del proyecto uno de los objetivos más importantes es el realizar el
modelado dentro de un ambiente virtual de la celda de manufactura FMS – 200
97
consiguiendo distinguir con facilidad los diferentes principales elementos que la
componen con claridad. Son distintas las etapas que se deben afrontar al momento
de realizar éste tipo de trabajos donde la importancia de controlar los diferentes
detalles es vital para llevar a feliz término el trabajo en proceso, por este motivo
cuando se presentan inconvenientes de diferentes índoles se debe tener cuidado al
registrar de manera clara y concisa el problema con la mayor cantidad posible de
información específica que permita determinar la naturaleza del problema y en
consecuencia lograr resolver el inconveniente.
El método de trabajo propuesto y ejecutado en el desarrollo del proyecto, junto con
las diferentes herramientas utilizadas de la mano con el software Inventor permitió
que se consiguiera el modelado de todas las estaciones que conforman la celda de
manufactura didáctica FMS – 200. En la Figura 53 se presenta el modelado de la
celda completa entro del ambiente inventor, también se presenta la celda tomada
del software a través de una imagen en renderizada desde el mismo software.
Figura 53 Celda de manufactura FMS – 200 en ambiente virtual software Inventor
98
Figura 54 Celda de manufactura FMS – 200 renderizada en ambiente virtual de software inventor –
Fuente:autor
Un paso que se debe estar presente siempre y que no se dejó de lado en las
diferentes etapas del presente proyecto es la revisión y retroalimentación al
resultado final, con ello se consigue garantizar que el camino que se está siguiendo
sea el correcto, para culminar el modelado de la celda fue necesario dedicar un par
de sesiones en el laboratorio de la universidad para evaluar cada una de las
estaciones y su configuración comparándola con el modelo realizado. En estas
sesiones se aprovechó para verificar y retomar dimensiones que hicieron falta para
poder definir los modelos y sobre todo para poder ubicarlos acordemente en el
ambiente virtual sin dejar de lado detalle alguno, pues se traducirá inmediatamente
99
por los usuarios como una falla o una posible mal interpretación de la información
visualizada.
Concluir con el modelado de la celda de manufactura en un ambiente virtual, en este
caso el software Inventor, no es suficiente, se debe garantizar que el trabajo
desarrollado sea de fácil acceso a la comunidad universitaria que pueda ser usuaria
del laboratorio. La empresa matriz Autodesk desarrolladora del software, tiene a
disposición de sus clientes y usuarios un visualizador INVENTOR VIEW que permite
la interacción con el ambiente virtual donde se puede visualizar fácilmente el trabajo
desarrollado. El software Inventor View se encuentra disponible para cualquier
usuario en internet en la siguiente página
http://usa.autodesk.com/adsk/servlet/pc/index?id=10535296&siteID=123112 donde
se puede descargar de manera gratuita. Esta información es importante y es
transmitida al coordinador de laboratorios de la Facultad Tecnológica y a sus
respectivos coordinadores de laboratorio.
3.3 Simulación de movimientos de estación 1
La fase final del proyecto se concentra en la simulación de movimiento de la
estación 1, esta etapa es importante al generar una herramienta adicional de trabajo
para la formación de estudiantes, realizándose la simulación de movimiento
representada virtualmente de una de las estaciones.
Para la realización de este paso se debió involucrar un programa adicional, NX 8.5
de Siemens, software que cuenta con un módulo especializado y dedicado para la
simulación de movimientos. En la Figura 55 se muestra la presentación del software
donde se identifica el módulo dedicado para la simulación de movimiento.
100
Figura 55 Pantalla inicio de software NX 8.5 con módulo para simulación de movimientos
Teniendo el software disponible por la facultad tecnológica con la licencia educativa,
se procede a evaluar los requerimientos para disponer de la celda de manufactura
modelada en Inventor en éste nuevo programa. Para lograr la comunicación de
ambos programas se debió guardar los modelos, es decir, el modelo del ensamble
de la celda FMS – 200, en formato .STEP, este formato es de conversión universal
para el uso en programas de diseño CAD.
Una vez se realizó la conversión a .step de la celda fue necesario hacer la
importación de los datos en el nuevo programa, este paso es crucial se debe
verificar que todas las partes del modelo se dispongan en el nuevo programa para
poder iniciar el siguiente paso, la simulación de movimientos.
101
En la figura se presenta el modelo de la estación 1 en el entorno de trabajo NX 8.5
donde se inició el proceso de simulación, este software brinda la posibilidad de
controlar desplazamientos de diferentes componentes con 6 grados de libertad (3
de desplazamiento en cada eje cartesiano y otros 3 de giro sobre los mismos ejes).
En la simulación que se trabaja se desea ejecutar paso a paso en el software la
interacción que ejecuta un usuario cuando trabaja con la estación en el laboratorio.
Figura 56 Modelado de estación 1 e software NX 8.5
Para lograr la simulación es preciso definir los elementos de la celda que van a tener
algún tipo de interacción en la simulación, para posteriormente designarlo como
elemento de trabajo de este modo realizar la programación del software indicando
las posiciones que se desea tomen la piezas que interactúan y los desplazamientos
indicados.
102
3.3.1 Descripción pasos para realizar simulación de
movimientos en NX8.5
Como se había descrito, para la simulación de movimientos a través del software
NX 8.5 se dispone de un módulo especializado para tal fin, a continuación se
realizará un breve instructivo que indica paso a paso los elementos que se deben
tener presentes a la hora de realizar una simulación básica y que fueron
implementados para la simulación de funcionamiento en la primer estación de la
celda de movimiento.
Al ejecutar el software NX 8.5 lo primero que se debe realizar es la importación de
los archivos que se desean trabajar, esto siempre y cuando no se hayan modelado
en la misma plataforma. Se recomienda utilizar la extensión .step, que dentro de las
diferentes opciones no presenta mayores conflictos ni se evidencia perdida de
información. Para esta labor se debe crear un archivo nuevo tipo modelado, ver
Figura 57.
Figura 57 Ventana para crear un nuevo archivo en NX 8.5
103
Teniendo el modelo nuevo se debe importar los archivos con la información y/o
modelos en 3D que se usaran para simular movimientos. Se debe hacer clic en el
menú Archivo donde se encuentra la pestaña importar luego se accede y se
selecciona el origen del formato a convertir para el trabajo. Ver Figura 58.
Figura 58 Pantalla NX8.5 para realizar importación de datos en extensión .STEP
En la ventana que se abre, (ver Figura 59) se debe seleccionar el archivo con
extensión .step y se recomienda exportar los datos señalados, esto con el fin de no
traer al software información no requerida y que sobrecargara el archivo de trabajo.
104
Figura 59 Ventana NX 8.5 para exportar archivos en extensión .STEP
Una vez definidos los parámetros para exportación se da clic en el botón Aceptar,
en ese momento el programa inicia el módulo de exportación que tardará unos
momentos. Al culmina el proceso es posible que solo se vea una parte de la
información en 3D, en este caso se debe acceder al menú vertical que se encuentra
105
al lado izquierdo, allí ingresar en el navegador de ensamble y al archivo nuevo
indicar Mostrar. (Ver Figura 60)
Figura 60 Indicación para mostrar todos los elementos
Cuando se visualicen las partes completas del modelo, se debe iniciar el módulo
Simulación de Movimiento (Ver Figura 55). Cuando se encuentra en el módulo lo
primero que se debe realizar es crear una Simulación Nueva, se debe realizar en el
navegador de movimiento seleccionándolo al hacer clic con el botón derecho sobre
model, ver Figura 61.
106
Figura 61 Creación de nueva simulación
Al seleccionar se abrirá un ventana nueva Entorno (ver Figura 62) se debe
seleccionar el tipo de simulación, en este caso Dinámica e indicar un nombre.
Figura 62 Ventana Entorno para crear nueva simulación
107
Para crear una simulación es necesario definir 2 tipo de parámetros en el programa,
en la barra de herramientas de la parte superior se encuentran, son los ENLACES
(LINKS) y las JUNTAS, en la Figura 63 de evidencia de descripción de cada una de
estas.
Figura 63 Identificación de comandos ENLACE y JUNTA
En principio el software requiere identificar los elementos del modelo que van a
interactuar en la simulación de movimiento o con otros componentes. Esta acción
se realiza con el comando Enlace, a través de este se selecciona los elementos y
se indica al software que éstos serán utilizados dentro del análisis y la simulación.
Los elementos que no sean seleccionados e identificados por medio del comando,
no se podrán utilizar en el proceso de simulación.
108
Para seleccionar e indicar que un elemento es un enlace se debe dar clic en el botón
indicado en la Figura 63, se abrirá una ventana (ver Figura 64) en la cual se deben
seleccionar las partes que serán seleccionados como elementos, luego se debe dar
un nombre al enlace para control en el navegador de movimiento. En la Figura 64
se selecciona el pallet que se encuentra sobre la banda y se nombra el enlace como
“Pallet-mov”.
Figura 64 Ventana para selección de enlace, con selección de Pallet compuesto por un cuerpo y cuatro
pines
Cada enlace puede estar compuesto por varias partes o modelos, en el caso del
pallet, éste se compone del cuerpo y los 4 pines que sobresalen en la parte superior,
al quedar el enlace compuesto por varias pates, todas ellas se desplazaran o
interactuaran como un solo elemento; es importante comprender que una vez un
elemento se encuentra seleccionado como enlace, no puede pertenecer a otro
enlace que se desee crear posteriormente.
109
Al crearse un enlace aparecerá en el navegador de movimiento que se encuentra
en el costado derecho del programa como se muestra en la Figura 65. Este puede
ser editado cambiando el nombre o los elementos que lo componente incluso
eliminado de no ser necesario para el trabajo que se desea realizar.
Figura 65 Creación de Enlace o Link visualizado en navegador de movimiento
Para el ejercicio o simulación hará falta crear varios enlaces adicionales de cada
uno de los elementos que se usarán, se debe continuar con el trabajo identificando
claramente los elementos para eliminar posibles confusiones en el trabajo que
continuará.
Cuando se está creando enlaces, links o cualquier otro elemento de trabajo en el
software NO es posible insertar nombres de con caracteres especiales como tildes,
signos o espacio entre palabras. En caso de requerirse usar varias palabras en el
110
nombre se recomienda usar separador de guion baja por ejemplo
Cilindro_empujador_base.
En la Figura 66 se pueden apreciar varios links que fueron creados para realizar la
simulación de la estación 1, allí se aprecia los elementos resaltados en el modelo
que fueron seleccionados en la barra de navegación donde se identifican los
nombres que se les dio a cada uno.
Figura 66 Elementos creados como enlaces o links que se encuentran resaltados en el modelo y
seleccionados en navegador de movimientos
111
Ya definidos los links que serán utilizados en la animación se debe proseguir con la
creación de juntas (ver Figura 63), con este comando se relacionan los links y se
definen los movimientos que realizaran cada uno de ellos, se pueden relacionar
diferentes tipos de juntas como movimientos circulares (revolución), lineales (mando
deslizante), mixtos lineal y circular (cilíndrico) y otros más de acuerdo a lo requerido
por el usuario (ver Figura 67).
Figura 67 Ventana de comando JUNTA con listado de tipos de movimientos que permita realizar
112
Para el desarrollo de la animación de la estación se deben usar únicamente
movimientos lineales, en el listado mando deslizante, ya que los elementos de los
que se compone el modelo de la estación solo interactúan o se desplazan a lo largo
de un eje especifico, en el caso de otras estaciones como es el caso de la estación
2 donde se cuenta con u actuador roto lineal, se puede utilizar la opción de
movimiento cilíndrico que simula el movimiento a lo largo de un eje a la vez simula
el giro del elemento sobre el mismo eje.
A continuación se explicara cómo se realiza la simulación de movimiento para el
pallet.
Al seleccionar el comando Junta la ventana que se abre nos solicita la siguiente
información (ver Figura 67):
- Tipo de movimiento
- Seleccionar enlace: es esta casilla se debe escoger alguno de los links o
enlaces creados anteriormente. Si el elemento que se desea simular
movimiento no pertenece a un enlace no podrá ser seleccionado.
- Especificar el origen: en este caso al seleccionar el enlace desde la ventana
del modelo automáticamente se selecciona como origen en centro de la cara
seleccionada en el elemento. En caso de seleccionar el enlace del listado de
Links en el navegador de movimiento se debe seleccionar el origen tocando
alguna de las caras del elemento elegido y quedara ubicado en su centro
geométrico.
- Especificar vector: para este ítem se debe seleccionar el eje en el cual se
desplazara el elemento para lo cual aparecerá en la ventana de modelo un
sistema cartesiano con flechas azules en los tres ejes que se dispone para
desplazar el elemento (ver Error! Reference source not found.). Se debe
seleccionar una de las tres flechas que representan los ejes X, Y y Z. Una
vez seleccionado el sentido de la fecha indica la dirección de desplazamiento
en caso de no corresponder a la dirección deseada se debe dar clic en la
opción invertir dirección señalada en la Error! Reference source not
found.8 dentro de un recuadro
113
Figura 68 Selección de vector (Eje X) desplazamiento en comando Junta
- Nombre: en esta casilla se debe poner el nombre de la Junta para identificar
el movimiento, en el caso de la figura será Desplazamiento_Pallet.
El paso por seguir antes de terminar el comando de Junta para generar una
simulación es indicar el método de movimiento con el cual se calculara y/o realizará
el movimiento, para esto se debe seleccionar la pestaña Conductor de la ventana
Junta. En esta pestaña en el recuadro de traslación se despliega un listado (ver
Figura 699) de opciones que se describen a continuación:
114
Figura 69 Listado de opciones para definir traslación de una junta
- Constante: en esta opción el elemento al dar inicio en la animación empezara
a desplazarse a lo largo del eje indicado desde el instante cero. Se debe
indicar la posición inicial con relación al origen (Desplazamiento inicial),
también se debe indicar la velocidad inicial y por último la aceleración (ver
Figura 70). Para cada caso es posible cambiar las unidades de medida en
que se desee trabajar
Figura 70 Opción de traslación Constante y sus componentes
- Armónico: con esta opción el elemento tiene un movimiento oscilatorio sobre
el eje, de vaivén, en el cual de acuerdo a los datos proporcionados procederá
con el desplazamiento (ver Figura 71). Se debe indicar la amplitud del
movimiento es decir el desplazamiento total que tendrá el objeto en el que
realizara el vaivén, se debe indicar la frecuencia en la que se realizara el
115
movimiento, es decir su aceleración, también se indica el ángulo de fase y el
desplazamiento en este caso será la posición inicial con relación al origen
seleccionado.
Figura 71 Opción de traslación Armónico y sus componentes
- Función: en este caso se debe suministrar un tipo de dato de función a la
operación de movimiento, con base a los datos suministrados el movimiento
se ejecutará, se tiene tres variables a seleccionar (ver Figura 72). En
cualquiera de los tres casos desplazamiento, velocidad o aceleración la
función se realiza respecto al tiempo, es decir la ejecución del movimiento se
da con base a una constante de tiempo en un rango determinado donde se
debe suministrar los datos de la función que van a cambiar con respecto éste.
Figura 72 Opción de traslación Función y sus componentes
116
Para el caso de la simulación de movimiento de la estación 1 se trabajará siempre
con la función de desplazamiento, con esta función se desea definir el tiempo en el
que se ejecutara todo la acción de movimiento de toda la secuencia. Para el caso
de la estación la secuencia normal para conseguir ejecutar todas las acciones tarda
40 segundos desde en movimiento inicial del pallet hasta que la base del sistema
de giro es posicionada sobre el mismo pallet y éste se desplaza sobre la banda
transportadora hasta la siguiente estación.
Teniendo claro el lapso de tiempo que tarda toda la ejecución lo que sigue es
identificar los instantes de tiempo en los cuales se realiza un movimiento. Para
definir la función se debe dar clic en la opción Gestor de funciones como se muestra
en la Figura 73.
Figura 73 Opción de función con variable de desplazamiento
Al seleccionar el Gestor de funciones se abre una ventana nueva (ver Figura 74),
en la cual se debe indicar en primer lugar si la función será Matemática o Tabla en
AF, luego el programa señala que el propósito de la función es un movimiento y el
tipo de función es el tiempo. En la parte inferior de la pantalla se debe seleccionar
la opción Nuevo como se muestra en la figura.
117
Al dar clic en esta opción se abre otra ventana el editor de la función XY en esta
ventana se definirán los parámetros que se usaran en la función de desplazamiento
(ver Figura 75).
En este paso se creara un archivo adjunto donde será guarda la función, esto lo
realiza automáticamente el programa. Para llevar a cabo el proceso proponen tres
pasos en el primero ID se debe dar nombre a la función en el caso mostrado en la
Figura 75 se dio el nombre de mov,_pallet_sobre_banda.
Figura 74 Ventana gestor de funciones XY
Figura 75 Ventana editor de función XY
118
En el segundo paso XY-Definición de eje se tiene unas opciones que para el caso
de la simulación no son requeridas modificar o interactuar (ver Figura 76)
Figura 76 Editor de la función XY - Segundo paso
En el tercer paso finalmente se debe ingresar los datos de la función (ver Figura 77),
la ventana solicita los datos de entrada:
- Mínimo X: en esta casilla se debe indicar el valor inicial de X, este valor
corresponde a la función tiempo, en que la animación arrancará. Se
recomienda tomar como punto de partida para todas las funciones el valor 0.
- Incremento X: en esta casilla se debe indicar el tamaño entre cada intervalo
en unidades, es decir entre cada dato ingresado de tiempo cuantas unidades
se encontrara.
119
- Número de puntos: para esta casilla se define el número de datos que
ingresarán a la función.
Figura 77 Paso 3 ingresos de DATOS XY en ventana editor de la función XY
Para el ejemplo que se explica, se tomará un modelo en el cual el pallet se
desplazará en un intervalo de 20 segundos en total, en los cuales el incremento está
dado en 1 unidad por segundo y se ingresarán 20 puntos, uno por cada segundo.
120
Se va a programar que el pallet realice un recorrido de 200 mm en 6 segundos con
velocidad constante, para lo cual se indicará que cada segundo tendrá un
desplazamiento de 40mm, luego permanecerá en reposo por 7 segundos y por
último regresará 70 mm en los 7 segundos restantes, con un retroceso de 10 mm
por segundo terminando luego de los 20 segundos a 130 mm del origen. A
continuación se presenta una tabla con los valores de la función con relación al
tiempo y desplazamiento que se usarán para la simulación.
Puntos Tiempo
(s) Desplazamiento (mm)
1 0 0
2 1 40
3 2 80
4 3 120
5 4 160
6 5 200
7 6 200
8 7 200
9 8 200
10 9 200
11 10 200
12 11 200
13 12 200
14 13 190
15 14 180
16 15 170
17 16 160
18 17 150
19 18 140
20 19 130
Mínimo X 0
Incremento X 1
Número de puntos 20 Figura 78 Tabla de datos para simulación de movimiento pallet en una secuencia de 20 segundos
121
En la pestaña inferior de la ventana Editor de la función XY (ver Figura 777) se
puede dar clic en la opción Vista preliminar allí dar clic en el botón ploteo y se
graficará la función realizada (ver Figura 82).
Teniendo claro los datos que se van a ingresar, para el ejemplo, los datos de la
Figura 78 se debe dar clic en el botón Escribir datos en el editor de textos como se
señala en la Figura 80.
Figura 79 Ingreso de datos para función de desplazamiento
122
Al dar clic en el botón para escribir los datos de abre una ventana en la que se
encuentra el número de ítems de acuerdo a número de pasos indicados y en el
intervalo dispuesto en la casilla Incremento X, en la ventana se debe ingresar los
valores correspondientes a la columna identificada como Y luego de la coma, de
acuerdo a los datos anteriormente definidos. En la Figura 80 se muestra la ventana
que se abre para inserción de valores y los valores que se ingresan para la
simulación del movimiento del pallet.
Figura 80 Ventana para ingreso de datos de la función
Al ingresar los valores definidos se pueda dar aceptar para cerrar la ventana de
ingreso de datos y luego dar aceptar a cada una de las ventanas hasta retornar a la
ventana principal de creación Junta, al dar aceptar en esta última ventana la función
de desplazamiento queda creada y aparece en el navegador del movimientos como
se muestra en la Figura 81.
123
Figura 81 Navegador de movimiento con Junta (Joints) creado
124
Figura 82 Grafica de función de desplazamiento respecto al tiempo
125
El paso por seguir es generar la solución a los sistemas programados para esto se
debe dar clic con el botón derecho sobre la simulación en el navegador de
movimientos y seleccionar la opción Solución nueva como se indica en la Figura 83.
Figura 83 Dar solución al sistema programado
Al seleccionar la opción indicada aparece una nueva ventana Solución, en donde
se debe indicar el tipo de solución dejando Ejecución norma, el tipo de análisis
126
escogiendo Cinemática o dinámica. En la casilla de tiempo se recomienda disponer
del tiempo total de ciclo que se está simulando, en el caso del ejemplo trabajado se
debe poner 20 s y en la casilla de Pasos se debe indicar la cantidad de pasos en
los que se desea ver la animación, se puede inicialmente poner el correspondiente
al número de pasos del ciclo, luego se puede aumentar de acuerdo a lo dispuesto
por el usuario.
En la casilla de gravedad ya está previamente configurado 9806.65 mm/sec^2,
aunque para el ejercicio al no disponerse un superficie fija el elemento caerá
indefinidamente por lo que se debe poner como valor 0 (ver Figura 84)
Figura 84 Crear una nueva solución
127
Al dar aceptar se activan unos comandos de reproducción en la barra de tareas
superior (ver Figura 85), allí se debe dar clic en la opción de reproducir y nuestra
simulación empezara su avance.
Figura 85 barra de reproducción simulación
Al iniciar la reproducción se puede avanzar paso a paso o retroceder igualmente
paso a paso para ser analizado en cada punto.
De la forma en que ha sido descrito el proceso para realizar la simulación de
movimiento para un elemento de la estación 1 se debe hacer para cada uno de los
elementos configurándose para cada uno la función de movimientos acorde a la
secuencia requerida.
3.3.2 Resultado de simulación estación 1
Una vez descrito paso a paso como se realiza la simulación para un elemento y por
extensión para toda la estación lo que se obtiene como resultado es la simulación
compleja de movimientos sincrónicos y acordes a los realizados por la misma celda
de manufactura FMS – 200 en su estación 1 Alimentación base para sistema de
giro.
128
En el siguiente link se puede ver el video obtenido de la simulación de movimiento
de la estación 1, o se puede buscar por Youtube con la descripción Simulación
movimiento Est. 1 Celda manufactura
https://www.youtube.com/watch?v=BuRfOXU9YOs
129
4. CONCLUSIONES
Tras haber culminado el desarrollo del proyecto planteado a continuación se
describen los aspectos que tuvieron mayor incidencia en busca de lograr los
objetivos establecidos y que contribuyeron al cumplimiento total de éstos de manera
adecuada.
El desarrollo adecuado del proyecto se dio de manera acertada al usar una
metodología clara, precisa y organizada que tras el seguimiento y realización paso
a paso de sus distintas etapas construía y conformaba el objetivo final del proyecto
llevándolo a feliz terminó en los tiempos adecuados.
- El uso a nivel académico profesional de sistemas de celdas de manufactura
flexible es cada vez mayor por la necesidad de brindar a los estudiantes un
ambiente más acorde a la realidad con relación a la tecnología que dispone
la industrial. La adquisición de estos equipos resulta no ser sencilla, debido
al gran valor monetario de los mismos, el tener la información clara y precisa
de cada una de estaciones de la celda que dispone la facultad tecnológica a
la mano se convierte en un herramienta clave que permite agilizar el
conocimiento e identificación de sus componentes para el desarrollo de las
diferentes actividades académicas.
- Definir el principio de funcionamiento para cada una de las estaciones con la
descripción de sus componentes y el uso de los diagramas de
funcionamiento dinámicos brinda al estudiante la facilidad de comprender la
forma rápida y simple el trabajo que se ejecuta por cada estación y sus
respectivos sub-conjuntos de trabajo.
- Para el desarrollo adecuado de un proyecto es importante la debida gestión
de la información, esto incluye la capacidad de seleccionar, disgregar y
desechar aquella que no aporta en el desenlace del proyecto; el usar el
levantamiento de planos como método para recolección de información fue
vital para conseguir el modelado de las estaciones y posterior celda de
manufactura con un detalle muy cercano a la realidad.
130
- La correcta búsqueda de información a partir de una recolección minuciosa
y detallada para los elementos de los que se compone la celda, usando
referencias comerciales e identificando patrones en cuanto a estructura y
forma es de vital ayuda al momento de agilizar el trabajo a desarrollar, ya que
una posterior búsqueda de información digital contribuirá al progreso del
proyecto, esto es fundamental para el avance de cualquier trabajo, no
escatimar en uso de tiempo en su respectiva etapa conseguirá buenos
resultados.
- Con el uso de la información recolectada en las etapas preliminares se
consiguió modelar de manera acorde cada una de las estaciones de trabajo
de la celda de manufactura FMS – 200 con sus respectivos sub-conjuntos
dentro de un ambiente virtual dispuesto por el software Inventor.
- El modelar la celda de manufactura en Inventor se dispone de un
visualizador gratuito y de acceso fácil a través de la plataforma de Autodesk
donde los usuarios que deseen tener un acercamiento a la celda podrán
hacerlo de manera fácil y directa al solicitar la información, la cual se tendrá
disponible en el laboratorio de la facultad tecnología.
- Con el modelado de las estaciones se consigue el ensamble de todas las
estaciones para conformar la celda de manufactura en conjunto, esto se
consigue a través de uso de las restricciones de posición y movimiento que
se incorporan en el software de modelamiento para conseguir que los
elementos queden fijos acorde al modelo real y físico disponible en el
laboratorio de la facultad.
- El uso de un programa especializado para la simulación de movimientos
como lo es NX 8.5 de Siemens, resulta ser una herramienta útil que
efectivamente permite al usuario interactuar de forma gráfica y directa con la
celda, dando una mayor comprensión del funcionamiento de la estación para
cada uno de sus componentes en los tiempos adecuados paso a paso de
acuerdo a la ejecución del ciclo de trabajo.
- El disponer de la simulación de movimientos de la estación se convierte en
una herramienta para la formación a disposición de los docentes que agilizará
131
su trabajo con los estudiantes y eliminara la barrera que se tiene con relación
a la disponibilidad del espacio y el laboratorio para desarrollo de actividades.
- Al tener la celda en un ambiente virtual y de acceso directo a los estudiantes
se dispone de una base para el desarrollo de actividades o proyectos
posteriores para aplicar graduación, investigación e incluso para análisis e
implementación de nuevas estaciones de trabajo o procesos que permitan
aumentar el alcance en las asignaturas que se imparten con la celda como
herramienta de aprendizaje.
- Con la facilidad en la disposición de la información con canales como lo es
Youtube se cuenta con la difusión rápida y directa al alcance de cualquier
persona que esté interesada en distintos temas. El uso de esta herramienta
para poner a disposición un video que sintetiza el trabajo realizado con la
simulación de la celda es la manera más sencilla de divulgar el resultado del
trabajo realizado y dar a conocer a los usuarios la información de la que
disponen en el laboratorio de la facultad.
132
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