Fundamentos de Robótica Industrial: Morfología, Componentes y Sensores Clave

Morfología del Robot Industrial

Un robot industrial está constituido principalmente por un manipulador, que es su componente principal. Este se forma por una serie de elementos sólidos o eslabones, unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones. La capacidad de movimiento del robot depende del número de eslabones y de los grados de libertad.

Cada eje es accionado por un motor mediante engranajes, rodamientos, correas y reductoras acopladas dentro de cada eje del robot.

El sistema incluye un controlador, donde reside la parte de control (con procesadores y memoria para la programación y posicionamiento del robot) y la parte de potencia (con las alimentaciones de cada motor). Un armario puede gestionar hasta 24 ejes. También se cuenta con una pantalla de programación.

Características Principales del Robot

• Campo de trabajo: Volumen espacial donde el robot puede situar su extremo terminal. Los fabricantes proporcionan las curvas de alcance del robot para seleccionar uno que sea capaz de llegar a los puntos de trabajo definidos. El sistema también queda restringido por el ángulo de giro.
• Grados de libertad: Número de movimientos básicos e independientes que posicionan los elementos de un robot en el espacio. Típicamente, se requieren tres para posicionar y tres para orientar el objeto. Cada unión o eje móvil del brazo se considera un grado de libertad. Un mayor número conlleva un aumento de la flexibilidad.
• Precisión: Distancia entre el punto programado y el punto realmente alcanzado por el robot en una serie de movimientos repetidos.
• Repetibilidad: Precisión en la repetición de movimientos. Dependiendo de la aplicación, se requerirá una repetibilidad más o menos precisa.
• Resolución: Incremento mínimo de movimiento que puede realizar el manipulador en su elemento terminal. Es importante para determinar el incremento entre líneas de pasada, dependiendo del acabado de la pieza.

Partes del Manipulador: Actuadores y Sensores

El manipulador consta de ejes, y en cada eje se encuentran reductoras y correas acopladas a cada motor.

Servomotor

De corriente alterna (CA), típicamente brushless (sin escobillas). Está formado por un estator con bobinado de cobre, lo que permite desarrollar mayor potencia en un menor volumen. El espacio libre del bobinado se rellena con resina conductora de calor. El tiempo de posicionamiento se reduce gracias a la disminución de la inercia del rotor. Suelen ser de imán permanente o electroimán (motor asíncrono).

• Estructura compacta: Incorporan un encoder absoluto o un resolver.
• Posición vertical: Incorporan un freno electromecánico para evitar desplazamientos inesperados.
• Características: Flexibilidad, altas prestaciones, control preciso del movimiento, altas velocidades, poca inercia, amplia gama de potencia.

Motor Paso a Paso

Dispositivo electromecánico que convierte una serie de impulsos eléctricos en desplazamientos angulares discretos. Es capaz de avanzar un número determinado de grados (paso) dependiendo de sus entradas de control.

• Ventajas:
  • Capacidad de asegurar la posición, simple y exacto.
  • Ligeros, fiables y fáciles de controlar.
  • Control de bucle abierto sin necesidad de sensores de realimentación.
• Desventajas:
  • Bajas velocidades.
  • Sobrecalentamiento.

Motor Paso a Paso Bipolar

Constituidos por un rotor con distintos imanes permanentes y un número de bobinas excitadoras que se alimentan en corriente continua. Las partes del estator tienen 4 cables de salida y requieren un cambio de flujo de corriente en la secuencia apropiada.

Motor Paso a Paso Unipolar

Tienen 5 o 6 cables, siendo más simples de controlar.

Resolvers

Transformadores rotativos cuyo coeficiente de acoplamiento entre el rotor y el estator varía según la posición angular del eje. Constan de dos bobinados en el estator que detectan una señal senoidal de inducción emitida por un tercer bobinado desde el rotor.

La bobina del rotor, alimentada por CA senoidal, recibe la corriente a través de anillos de metal sobre el eje y escobillas. Existen versiones sin escobillas (con primarios sobre el estator y secundarios sobre el rotor). La señal de los resolvers se envía a una tarjeta llamada SMD (donde almacena información).

Encoders

Codificadores rotativos que se utilizan para determinar el posicionamiento y van conectados al eje de la máquina. Están formados por discos de material transparente con marcas opacas.

Encoder Incremental

La señal de salida se transmite por un hilo en el que se genera un pulso por cada ángulo girado, pero no se dispone de una referencia absoluta de la posición del eje.

• Resolución: Número de pulsos por revolución (PPR).
• Número de canales: Pueden tener entre 1 y 2 canales. Los de 2 canales generan señales cuadradas desfasadas 90° entre sí para determinar la dirección de giro. Para determinar el ángulo de giro, se cuenta el número de flancos de subida/bajada generados en un canal, y la dirección viene determinada por el estado del otro canal: si está a 0, va en una dirección determinada (la que se desee), y si está a 1, en la contraria.

Encoder Absoluto

Codifican cada posición mediante código binario. Necesitan una pista por bit; cuanta más resolución, más bits debe generar y más cables de salida debe tener.