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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN
MATERIALES
DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO
COMIMSACIENCIA Y
TECNOLOGÍA
AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE CALIBRACIÓN DE UN SISTEMA DE
INSPECCIÓN SIN CONTACTO A TRAVÉS DE UN BRAZO ROBOT
TESIS
PRESENTA
MIGUEL ÁNGEL ESTRADA ARROYO
MAESTRÍA EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA CON ESPECIALIDAD EN
SISTEMAS DE MANUFACTURA AVANZADA
SALTILLO, COAHUILA. Septiembre de 2013
AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE CALIBRACIÓN DE UN SISTEMA DE
INSPECCIÓN SIN CONTACTO A TRA VÉS DE UN BRAZO ROBOT
Por
Miguel Ángel Estrada Arroyo
Tesis
Presentada al Posgrado Interinstitucional en Ciencia y Tecnología
Sede
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, S. A. de C. V.
Como requisito parcial para obtener el Grado Académico de
Maestro en Ciencia y Tecnología con
Especialidad en Sistemas de Manufactura Avanzada
Posgrado Interinstitucional en Ciencia y Tecnología COMIMSA / CONACyT
Saltillo, Coahuila. septiembre de 2013
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales, S.A de C.V
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado
Los abajo firmantes, miembros del Comité Tutorial recomendamos que la Tesis
"AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE CALIBRACIÓN DE UN SISTEMA
DE INSPECCIÓN SIN CONTACTO A TRAVÉS DE UN BRAZO ROBOT",
realizada por el alumno MIGUEL ÁNGEL ESTRADA ARROYO, matrícula
1106MA3080 sea aceptada para su defensa como Maestro en Ciencia y Tecnología con
Especialidad en Sistemas de Manufactura Avanzada.
Dr. Elias Gabriel Carrum Siller M.C. Juan Carlos Cisneros Torres
Asesor Tutor en Planta
Dr. Felipe Arturo Reyes Valdés
Coordinador General de Estudios de Posarado
Corporación Mexicana de Investigación en Materiales
Gerencia de Desarrollo Humano
División de Estudios de Posgrado
Los abajo firmantes, miembros del Jurado del Examen de Grado del alumno, MIGUEL
ÁNGEL ESTRADA ARROYO una vez leída y revisada la tesis titulada
"AUTOMATIZACIÓN DEL PROCESO DE CALIBRACIÓN DE UN SISTEMA
DE INSPECCIÓN SIN CONTACTO A TRAVÉS DE UN BRAZO ROBOT",
aceptamos que la referida tesis revisada y corregida sea presentada por el alumno para
aspirar al grado de Maestro en Ciencia y Tecnología con Especialidad en Sistemas de
Manufactura Avanzada durante el Examen de Grado correspondiente.
Y para que así conste firmamos la presente al día 30 del mes de septiembre del año
2013.
Dr. Gerardo Maximiliano Méndez
Presidente
Ct-sCO^s
Dr. Tomás Saláis Fierro
Secretario Vocal
DEDICATORIA
La presente tesis está dedicada principalmente a mi familia, a mi esposa Karla por todo
el apoyo que me ha brindado a lo largo de mis estudios, y a mis hijas que me han
prestado el tiempo de padre que debería de dedicarles a ellas, por seguir superándome
con mis estudios.
A mis padres y hermano que han sido siempre parte de mi experiencia de vida.
Además, dedico esta tesis a todas las personas que me han apoyado y brindado su
tiempo para compartir su conocimiento conmigo.
AGRADECIMIENTOS
Primeramente, me gustaría agradecer a mi tutor académico el Dr. Pedro Pérez por todo
el apoyo que me ha brindado y por su tiempo dedicado para lograr mis metas, seguido
por mi asesor académico Dr. Elias Carrum, agradeciendo por todo el apoyo brindado
cuando se le solicitaba. También a mi tutor de planta M.C. Juan Carlos Cisneros por
todas las enseñanzas y apoyo que me brindó en mi estancia en la celda de manufactura.
Me gustaría agradecer el apoyo brindado a todas las personas que trabajan en la celda de
manufactura por su tiempo dedicado cuando más los necesitaba y por compartir su
tiempo apoyando mi proyecto.
AUTOBIOGRAFÍA
Miguel Ángel Estrada Arroyo, nació el 27 de mayo de 1985, originario de Monclova,
Coahuila y es hijo de la señora Maria del Socorro Arroyo y del Señor Alejandro Salazar.
Estudió en el Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, campus
Saltillo, la licenciatura de Ingeniería en Mecatrónica, del 2003-2008.
Labora en la empresa Delphi, como Ingeniero de Producto, en el área de componentes,
administrando y diseñando actuales y nuevos productos de la empresa hasta su salida al
mercado automotriz, desde el 2008, iniciando en el área de CAD y pasando por el área
de Laboratorio de validación hasta el puesto actual.
Participó en el Congreso Internacional de Investigación de Academia Joumals.com, en
Cd. Juárez, Chihuahua en el año de 2013, presentando el proyecto de la presente tesis.
RESUMEN
La mayoría de las plantas industriales en México, son manufactureras, en la región de
Coahuila existe un ramo manufacturero muy importante siendo este el sector automotriz.
Dentro de este sector, existen muchos procesos distinguiéndose entre ellos un área muy
importante dedicada a la inspección de productos. Para el proceso de inspección se
pueden utilizar distintos equipos, los cuales toman lecturas de mediciones en 2
dimensiones, donde se analizan de acuerdo a las tolerancias de cada una de las partes.
Estas máquinas se conocen como máquinas de coordenadas (CMM) y los equipos de
dimensión convencionales tales como micrómetros y vernier. Dichas lecturas no son
muy útiles para superficies muy complejas, además que toma mucho tiempo obtener
una gran cantidad de datos. En COMIMSA, una institución dedicada a la educación y
diversos, cuenta con una celda de manufactura con diferentes equipos, entre ellos un
robot Kuka para ensamble. También se tiene a disposición diferentes escáneres ópticos
como es el Range y Atos, además de un escáner láser llamado Exa-scan, con el objetivo
de realizar inspección para partes y con posibilidad de realizar ingeniería inversa,
teniendo grandes ventajas sobre los métodos tradicionales de inspección.
El presente proyecto se centra en el uso de un escáner láser portátil marca Exa-scan,
cuya manipulación se hace de manera manual y dependiendo del equipo es su grado de
dificultad y precisión. Existen del tipo fijo y portátil, este último con un peso
aproximado de 2 Kg y su peso representa la inconveniencia de que al poco tiempo de su
uso el operador presenta problemas de ergonomía y uniformidad, tanto durante el
proceso de calibración del equipo, como durante el escaneo de las piezas. En éste
desarrollo tecnológico se propone el diseño e implementación de un dispositivo
mecánico para la sujeción del escáner contando con un mecanismo semi-automatizado
para la calibración y escaneo de piezas. El uso de este dispositivo brindará la ventaja de
eliminar la variación de datos que se genera de un operador a otro durante el proceso de
calibración y escaneo, proporcionando con este desarrollo uniformidad en el ciclo de
tiempo para la calibración y escaneo. Además se presenta una solución al problema de
ergonomía presentado en el proceso manual por un proceso semi-automático.
TABLA DE CONTENIDO
• LISTA DE FIGURAS VIII
• LISTA DE TABLAS X
• LISTA DE ACRÓNIMOS XI
• CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN 1
1.1 Antecedentes 3
1.2 Justificación 4
• CAPÍTULO II: DEFINICIÓN DEL PROBLEMA 6
2.1 Preguntas de investigación 9
2.2 Hipótesis : 10
2.3 Objetivos 10
• CAPÍTULO III: ESTADO DEL ARTE 12
3.1 Síntesis de bibliografía más relevante respecto aplicaciones del escáner 30
3.2 Diseño de producto 34
3.3 Método Rula 41
• CAPÍTULO IV: METODOLOGÍA 49
4.1 Diagrama para toma de decisión en diseño y manufactura del sujetador 54
• CAPÍTULO V: DESARROLLO POR ETAPAS 58
5.1 Estudio de Ergonomía 58
5.2 Desarrollo del diseño en software NX 64
• CAPÍTULO VI: RESULTADOS Y DISCUSIONES 84
• CAPÍTULO VII: CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO 87
• BIBLIOGRAFÍA 89
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 Exas-scan. (Cortesía de COMIMSA) 7
Figura 2.2 Celda de manufactura. (Cortesía de COMIMSA) 7
Figura 2.3 Tiempo de calibrado 9
Figura 3.1 Flujo del diseño para la ingeniería inversa. (Vinesh y Femándes, 2008) 16
Figura 3.2 Comparativo de nube de puntos y modelo CAD 20
Figura 3.3 Modelo CAD con superficie compleja. (Vinesh y Fernándes, 2008) 21
Figura 3.4 Resultado de inspección por software. (Vinesh y Fernándes, 2008) 22
Figura 3.5 Reporte final de inspección. (Vinesh y Fernándes, 2008) 22
Figura 3.6 Robot autónomo MagneBike. (Caprari et al. 2012) 25
Figura 3.7 Gráfica de porcentaje de falla vs distancia 26
Figura 3.8 Tipos de obstáculos. (Caprari et al. 2012) 27
Figura 3.9 Control y monitoreo de un robot en 3D. (Perrot et al. 2011) 29
Figura 3.10 Evaluación del brazo. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993) 42
Figura 3.11 Evaluación de antebrazo. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993) 42
Figura 3.12 Modificación del puntaje de antebrazo. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993)
43
Figura 3.13 Evaluación de la muñeca. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993) 43
Figura 3.14 Modificación en evaluación de la muñeca.
(McAtammey y Nigel-Corlett, 1993) 44
Figura 3.15 Evaluación del cuello. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993) 45
Figura 3.16 Evaluación del tronco. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993) 46
Figura 4.1 Metodología general del proyecto de investigación 49
Figura 4.2 Diagrama para toma de decisión en diseño y manufactura del sujetador 54
Figura 5.1 Fotografías mostrando los ángulos de diferentes posiciones para evaluarlas
con el método RULA, del Operador 1 60
Figura 5.2 Bosquejo de diseños principales a seleccionar 65
Figura 5.3 Propuestas de principales opciones de pistones neumáticos 67VIII
Figura 5.4 Modelo CAD de pistón de 1 Mpa 68
Figura 5.5 Primer modelo CAD del sujetador 68
Figura 5.6 Base del sujetador 71
Figura 5.7 Vista posterior de la base del sujetador 72
Figura 5.8 Pieza en CAD del soporte para base 72
Figura 5.9 Puntos de apoyo para el escáner en el sujetador (Modelo CAD) 73
Figura 5.10 Piezas para asegurar el escáner 74
Figura 5.11 Plano de pieza que ensambla con robot 74
Figura 5.12 Plano de la pieza base 75
Figura 5.13 Diseño final del mecanismo 75
Figura 5.14 Mecanismo del sujetador en modelo CAD 76
Figura 5.15 Guías para el mecanismo 77
Figura 5.16 Posición inicial y final del mecanismo 77
Figura 5.17 Diseño de la pieza en forma de dedo (Color morada) 78
Figura 5.18 Diseño del sujetador con partes ensambladas 78
Figura 5.19 Ensamble final del sujetador 79
Figura 5.20 Ensamble final del sujetador con el Robot Kuka 80
Figura 5.21 Pruebas para validar el diseño del mecanismo 80
Figura 5.22 Panel de control del Robot Kuka 81
Figura 5.23 Escaneado de una pieza muestra 82
Figura 5.24 Malla de puntos obtenida del escaneado 83
IX
LISTA DE TABLAS
Tabla 3.1 Bibliografía con aportación relevante al proyecto 33
Tabla 3.2 Evaluación del grupo A. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993) 45
Tabla 3.3 Evaluación del grupo B. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993) 47
Tabla 3.4 Modificación al puntaje de acuerdo a la actividad muscular y fuerza ejercida.
(McAtammey y Nigel-Corlett, 1993) 47
Tabla 3.5 Evaluación final. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993) 48
Tabla 3.6 Niveles de actuación según la evaluación final. (McAtammey y Nigel-Corlett,
1993) 48
Tabla 5.1 Datos para evaluación de método RULA, Operador 1 60
Tabla 5.2 Datos para evaluación de método RULA, Operador 2 61
Tabla 5.3 Datos para evaluación de método RULA, Operador 3 61
Tabla 5.4 Datos para evaluación de método RULA, Operador 4 62
Tabla 5.5 Datos para evaluación de método RULA, Operador 5 62
Tabla 5.6 Datos para evaluación de método RULA, Operador 6 63
Tabla 5.7 Datos para evaluación de método RULA, Operador 7 63
Tabla 5.8 Resumen de puntajes finales para el estudio de ergonomía 64
Tabla 5.9. Propiedades principales del Nylamid 69
Tabla 5.10 Descripciones y Aplicaciones del Nylamid 70
LISTA DE ACRONIMOS
1. AMVI. Automatic Múltiple View Inspection.
2. CAD. Computer Aided Design.
3. CAL Computer Aided Inspection
4. CMM. Coordínate Measuring Machine.
5. DEAM. Design Exploration Assessment Methodology.
6. DFM. Design For Manufacturing.
7. DFMA. Design For Manufacturing and Assembly.
8. GD&T. Geometric Dimensioning and Tolerancing.
9. HTML. Hyper Text Markup Language.
10. ICP. Iterative Closest Points.
11. OGP. Optical Gaging Products.
12. PDF. Portable Document Format.
13. PSS. Product Service Systems.
14. RULA. Rapid Upper Limb Assessment.
15. SCAMPER. Substitute, Combine, Adapt, Modify, Put on other uses, Elimínate,
Rearrange.
16. STL. STereoLithography.
17. TRIZ. Teoriya Reshenya Izobretatelsky Zadach (Teoría para la resolución de
problemas de inventiva, por sus siglas en ruso).
XI
CAPITULO I: INTRODUCCIÓN
El incremento en la productividad en un sistema de inspección es muy importante en la
industria actual. Por esta razón, existe una variedad de máquinas de inspección (Vinesh
y Fernándes, 2008) que ayudan a generar reportes con gran precisión y de manera
eficiente con tiempos aceptables para la industria. A través de los últimos años se han
desarrollado una gran cantidad de sistemas de inspección, incluyendo sistemas de
contacto y sin contacto por medio de un escáner.
El escáner láser sin contacto tiene como función primordial la ingeniería inversa a través
del barrido de piezas para la obtención de una nube de puntos, y después ser capaz de
transformarla en modelo en 3D para su manufactura. Además, una de las aplicaciones
del escáner sin contacto es la inspección de la calidad de cualquier pieza a través de la
comparación de la nube de puntos contra el modelo en 3D original, para poder obtener
resultados dimensionales y las desviaciones con respecto a la especificación requerida
del producto. El presente proyecto introducirá el diseño, manufactura y aplicación
necesarios para semi-automatizar el proceso de inspección de un escáner láser sin
contacto asistido por un brazo robot dentro de una celda de manufactura. En esta etapa
del proyecto se centrará en el dispositivo para la automatización de la calibración de un
escáner láser sin contacto.
Las aplicaciones del proceso de inspección automatizadas con un escáner sin contacto
ya sea láser u óptico son muy escasos en México, y dentro de las fuentes consultadas
solo se encuentran algunas aplicaciones a nivel mundial utilizando el escáner óptico
Atos, de origen Alemán (Trejo 2010), y otro escáner óptico de nombre Neviscan, de los
Estados Unidos. Dichas aplicaciones se realizan principalmente en la industria
automotriz. Para el desarrollo de este proyecto se utilizó el escáner láser Exa-scan dentro
I
de una celda de manufactura asistido por un brazo robot, actualmente no se tiene
registro de ninguna aplicación similar con el escáner láser Exa-scan en México.
Para lograr la unión del escáner láser es necesario crear un sujetador para acoplar el
escáner láser con el brazo robot, pero a la vez teniendo un mecanismo para disparar el
láser de manera automática por instrucciones de alguna subrutina del software del robot.
El enfoque principal del proyecto se basa en la creación, manufactura, y aplicación del
sujetador, el cual no se ha encontrado ninguna referencia física en el mercado actual y
literatura.
Se toman en cuenta las restricciones necesarias para llegar al objetivo principal, como el
espacio, el peso del escáner y del material disponible para la creación del sujetador, el
ahorro de material, la seguridad del escáner, además de la manufactura a emplearse para
la construcción de partes, y consideración del volumen del sujetador y escáner para
evitar limitaciones en el movimiento del robot.
Las aplicaciones de un escáner sin contacto tienen poca investigación en el campo de la
inspección de calidad. Solamente la parte de ingeniería inversa por medio de un escáner
está más ampliamente investigada, la cual solo es una parte de todas las aplicaciones del
escáner láser sin contacto.
Esta investigación es importante para las industrias (Caprari et al. 2012) que buscan
implementar una estación de inspección de calidad dentro de una línea de proceso o una
celda de manufactura de manera automatizada, para aumentar sus controles de calidad y
su productividad. Además de utilizar dicha estación como una zona de inspección
solamente, ya que brinda una diferente opción de inspección de piezas.
Además, existen ejemplos evidentes donde la implementación de robots en las tareas
manuales suelen mejorar por mucho el tiempo de operación (Buckingham & Graham,
2005), disminuyendo considerablemente éste y brindando una respuesta rápida bajo la
necesidad.
1.1 Antecedentes
COMIMSA es una institución dedicada a diferentes actividades, donde una de ellas es la
actividad educativa, la cual ofrece carreras a nivel posgrado de distintas áreas.
Actualmente se encuentra instalada una celda de manufactura donde se pueden
encontrar diferentes procesos de manufactura, como línea de ensambles, máquina
desbastadora, áreas de soldadura y varios brazos robots.
Dicha área brinda la oportunidad de simular procesos avanzados de una celda de
manufactura, o la creación de nuevos procesos, mediante la ayuda de equipos avanzados
con tecnología de punta de nivel mundial. Además podemos encontrar equipos
automatizados como brazos robots de la marca Kuka, la cual es una marca reconocida y
de alto prestigio por su calidad, desempeño y precisión.
También podemos encontrar un areá de inspección, donde podemos utilizar un escáner
láser, llamado Exa-sscan, un aparato que crea cualquier pieza física a un modelo en 3D,
lo cual permite varias aplicaciones, donde una de ellas es la inspección de piezas, o
ingeniería inversa. Además de encontrar escáneres ópticos como el Range y Atos.
Antes de empezar a usar el escáner láser, se debe de calibrar siguiendo las instrucciones
mostradas en el propio software, para después barrer la pieza de manera manual, y así
crear una nube de puntos de la pieza con una gran precisión.
Este procedimiento no es el óptimo, ya que si se piensa en el marco de un proceso de
alta producción donde se tiene que inspeccionar el producto constantemente o en corto
tiempo de manera repetitiva, la opción de escaneo manual de inspección de piezas
llevaría a retrasos de tiempo, imprecisiones de escaneo, entre otras desventajas.
Un área de oportunidad para mejorar el sistema de inspección de piezas, es realizar una
inspección de manera automática, por medio de un brazo robot de marca Kuka, el cual
es posible programar de manera sencilla el calibrado del escáner láser y para el barrido
de pieza.
La principal ventaja es la rapidez y calidad en el barrido de las piezas, junto con la
seguridad del proceso, mejora de la ergonomía de la operación, como también la
repetibilidad del barrido de pieza; con esto se tendrá un proceso confiable, rápido y
1.2 Justificación
Ante la necesidad de tener una línea de producción de flujo continuo y con la
importancia de inspeccionar el producto (Naidu et al. 2006) constantemente, para lograr
una estandarización, la experiencia actual se dirige a que podría ser necesario mejorar el
tiempo de inspección de pieza dentro de la celda de manufactura de COMIMSA, ya que
es fácil caer en errores de inspección por tener una inspección manual. También por
ergonomía, el tiempo de escaneado es prolongado, y con la implementación de un brazo
robot se mejorarían los puntos importantes.
La mejor manera de disminuir el tiempo de inspección y calidad en la inspección es
automatizando la operación deinspección por escáner láser. En una celda de
manufactura con un brazo robot en el proceso, es posible aprovechar dicho robot para
automatizar el proceso de inspección, con el fin de asegurar la calidad del producto y en
un corto tiempo.
Al incrementar la eficiencia del proceso de inspección con el escáner láser y al disminuir
tiempos de respuesta, podría generar ahorros de dinero. Además, se tendría un estricto
control de calidad al tener la posibilidad de inspeccionar el producto constantemente y
con la posibilidad de inspeccionar el producto en un 100%, dependiendo el volumen que
se este manejando.
Con esto, en casi cualquier empresa o en gran mayoría, el objetivo de satifacción del
cliente se cumplirá, junto con otros propósitos de la empresa, y la productividad del
proceso, o al menos se tendría una confiabilidad del producto del 100%. una vez que
tengas el producto inspeccionado y dentro de especificación.
En general, la justificación del proyecto se basa en la solución del problema de
ergonomía, ya que se debe de exigir a los proyectos que respeten y que se adecúen a los
límites de capacidad de respuesta humana (Móndelo et al. 1999), y proporcionar
uniformidad de tiempo al calibrado del escáner y aumentar la calidad de inspección del
producto por escáner láser, al permitir una calibración constante del escáner de manera
semi-automática. En consecuencia, cualquier empresa se beneficia al tener clientes
satisfechos y teniendo precios competitivos debido al control estricto de la inspección de
su producto.
Además, se establecen las bases para trabajos futuros para la inspección sin contacto,
una vez teniendo el sujetador prototipo para integrar el escáner y un proceso de
calibración semi-automático, ya que este proyecto en específico se delimita hacia la
calibración semi-automática del escáner solamente y la creación de un prototipo de
sujetador para la integración del escáner láser con el brazo robot. Lo cual podría
aplicarse también en el barrido de pieza en un trabajo a futuro.
CAPITULO II: DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Las empresas de hoy, tienen demanda de tiempos cortos de operación, ya que las
exigencias del mercado van creciendo ante la incorporación de nuevos competidores y el
consumo global, por lo cual se enfrentan ante la necesidad de acelerar sus procesos para
acortar los tiempos de operación.
En la celda de manufactura de COMIMSA existe un método manual de inspección
utilizando el escáner láser "Exa-scan", ver figura 2.1, el cual se calibra y se realiza el
barrido de la pieza de manera manual. Esto lleva a la posibilidad de una imprecisión en
barrido, ya que no se va a realizar con un grado de repetibilidad, o debido a que no se
estará siguiendo un método automático y va a demorar un tiempo en volver a
inspeccionar la pieza si no se realiza correctamente el primer barrido de pieza; lo
anterior, es un gran problema para la aplicación dentro de la celda de manufactura de
COMIMSA si se requiere de una constante inspección del producto para tener un grado
mayor de control de dimensionamiento.
Por otro lado, el tiempo de calibración es prolongado, lo cual desde un punto
ergonómico es muy cansado para cualquier persona escanear una pieza correctamente.
Se requiere integrar y automatizar el proceso de calibración con los componentes que
existen actualmente en la celda de manufactura de COMIMSA, utilizando
principalmente un brazo robot marca Kuka y un escáner láser marca Exa-scan.
Por ejemplo, dentro de la industria automotriz existe una alta exigencia en calidad y
precisión de las piezas, y también con alta demanda en su producción anual, lo cual
lleva a una aplicación coherente de una inspección automática con un brazo robot, ver
figura 2.2. Por otra lado, es posible encontrar aplicaciones en inspección de partes en
líneas de producción de ensamble donde el lugar de la inspección es muy incómodo para
realizarlo de manera manual, o en inspección de moldes, que es conveniente una
inspección por escáner láser para inspección de superficies.
Figura 2. 1 Exas-scan. (Cortesía de COMIMSA)
1„TT"tí iJm
niIpSiFigura 2. 2 Celda de manufactura. (Cortesía de COMIMSA)
Dentro de la calibración y barrido de pieza con el escáner láser Exa-scan, se encontran
problemas potenciales, los cuales son:
7
- Alta variabilidad en el tiempo del método de calibración y barrido de pieza, lo
cual provoca retrasos. Depende del usuario y el cansancio del mismo.
- En cuanto a ergonomía, es muy cansado sostener el escáner por mas de 5
minutos, lo cual provoca cansancio y fatiga del brazo del operador. Agregando
mas problemas si se desean medir un lote de productos.
- En el calibrado, depende mucho de la mano del operador en cuanto a la
precisión en localizar un punto objetivo. Además, es preferible calibrar el
escáner en cada cambio de producto para una mayor precisión, por lo tanto se
requerirá de calibrar el escáner varias veces si se pretende medir diferentes
piezas.
Además existe una alta variabilidad en el tiempo de calibrado del escáner sin contacto.
En la figura 2.3, se muestra una gráfica con los tiempos de 20 muestras de calibrado del
escáner Exa-scan, con el fin de probar la variabilidad de un sistema manual de barrido
de pieza y de calibración.
Hr:M¡n:Seg
00:23:02 1
00:20:10
00:17:17
30 14 24
00:11:31
00.08.38
00:05:46
00:02:53 i
00 00 00
Max: 00:21:30
Min: 00:01:30
Promedio: 00:06:57
• Operador l
• Operador 1
• Operador 1
• Operador 2
• Operador!
• Operadora
• Operador 3
• Operador 3
• Operador 3
• Operador 4
• Operador 4
• Operador 4
• Operador:
• Operador 5
Operador 5
• Operador 6
Operador 6
Operador 6
Operador"
Operador"
Operador ™
Figura 2. 3 Tiempo de calibrado.
2.1 Preguntas de investigación
Las preguntas de investigación son enfocadas hacia la definición del problema de
proyecto iniciando con un interés en la búsqueda de implementaciones similares y en las
opciones en el mercado de inspección de piezas de manera automática.
1. ¿Cuáles son las limitaciones al utilizar un robot para la automatización de unproceso?
2. ¿Qué tipo de sujetador es recomendable usar para el agarre del escáner láser?
3. ¿Qué tipo de diseño de mecanismo es el adecuado para el accionador de laemisión láser?
4. ¿Qué debe de contener el diagrama de flujo de decisiones para el diseño delsujetador?
5. ¿Cuál es el tiempo de calibración semi-automático a conseguir?
2.2 Hipótesis
Mediante la automatización del proceso de calibración y barrido de puntos empleando
un escáner láser Exa-scan operado por un brazo robot es posible reducir el tiempo de
proceso de calibración y escaneo en al menos un 50% así como disminuir lesiones
corporales durante su uso.
2.3 Objetivos
2.3.1 Objetivo general
• Diseñar un sujetador que integre el escáner Exa-scan al brazo robot Kuka y
semi-automatizar el proceso de calibración del escáner láser, minimizando la
duración de este proceso y la uniformidad de tiempo en la calibración.
I(i
2.3.2 Objetivos específicos
• Obtener un diseño de un sujetador en 3D con la ayuda del software NX.
• Encontrar y crear un diseño adecuado para el mecanismo accionador del escáner
láser.
• Establecer una rutina en el robot Kuka para calibrar el escáner láser.
• Verificar la disminución de tiempo en calibración, comparando el tiempo de
calibración semi-automática contra el promedio de tiempo de calibración de
forma manual.
• Realizar ejercicios de barrido de pieza ejemplo.
11
CAPITULO III: ESTADO DEL ARTE
La necesidad de cumplir las expectativas de los clientes dentro de cualquier industria ha
traído consigo el desarrollo de nuevas tecnologías para la inspección de los productos.
Uno de los métodos para la inspección de piezas tradicional pero muy rápido, es
utlizando un gage, o un vernier, el cual ayuda a encontrar la dimensión de una forma
rápida y sencilla, así como otros aparatos muy similares. Las desventajas de estos tipos
de instrumentos de medición es que tienen un limite de exactitud y de decimales, lo cual
sería ineficaz para dimensiones críticas al querer inspeccionar una pieza; por tal motivo,
este tipo de instrumentos se utilizan regularmente en la línea de producción para obtener
dimensiones de referencia solo para tener una idea de la desviación de un determinado
proceso.
También, este tipo de instrumentos de medición obtienen dimensiones en dos puntos, es
decir en dos dimensiones, lo cual dificultaría medir el error en una superficie.
La calibración de los instaimentos de medición es muy importante, ya que definen la
exactitud de un determinado instrumento o aparato de medición, lo que es importante en
determinadas áreas de investigación o de manufactura.
Los instrumentos de medición sencillos, como el vernier, son muy fáciles de calibrar,
pero también tiene la desventaja de que es muy sencillo que se descalibren.
Otros aparatos de medición que tienen gran exactitud es el CMM y el OGP, los cuales
siguen siendo de dos dimensiones ya que pueden tomar 2 puntos solamente, o más bien
en un plano en 2-D.
12
Estas máquinas son muy usadas en la actualidad (Lukacs et al. 2010) y existen en la
mayoría de las industrias en México como a nivel mundial, y se ubican normalmente en
el departamento de calidad o confiabilidad.
Se utilizan frecuentemente para el dimensionamiento de magnitudes claves, para
arrancar una linea de producción, y además, se pueden usar para medir moldes que
requieran una gran exactitud.
También estos instrumentos de medición muy sofisticados utilizan cámaras de visión
para una mayor precisión en la toma de cualquier dimensión, con ellas se pueden
mostrar errores en superficies pero solo en dos dimensiones.
Un punto en resaltar de los aparatos de medicón que se mencionaron anteriormente es
que estos instrumentos son operados de manera manual y tienen la necesidad de que una
persona con conocimientos técnicos deba usarlos.
Esta situación lleva a la necesidad de estar cambiando de personal, cada cierto tiempo
para el uso del aparato de medición, lo que podría tener como consecuencia que no se
tenga la repetibilidad necesaria de la metodología de medición, lo cual puede tener
desviaciones en el tiempo necesario de toma de mediciones, y además de tener
incertidumbre en el tiempo de trabajo, o en la falta de proporcionar un pronóstico en el
tiempo de espera para un reporte de inspección.
Aunque también tienen ventajas de acuerdo al manejo de software que utilizan, y
pueden generar ingeniería inversa. Además de inspeccionar piezas identificando
tolerancias geométricas con un software (Mani, 2011).
Hablando del tiempo necesario en el proceso de medición, y de acuerdo a un estimado
de tiempo expuesto en la conferencia Sistemas Ópticos GOM - México 2010 (Trejo et
al. 2010), una máquina CMM puede entregar un reporte de 220 puntos en 255 minutos,
13
lo cual se puede generar un idea de que en un turno normal de trabajo que son 8 horas,
aproximadamente es posible entregar dos reportes similares al mencionado.
Ahora, de lo mencionado en el párrafo anterior, varían los tipos de medición, ya que se
tiene desde mediciones con pocas dimensiones o dimensiones con reportes de arriba de
200 mediciones, donde se encuentran dichos reportes en mediciones de moldes ya sea
para inyección de plástico o cualquier molde complejo.
La siguiente tecnología que salió al mercado después de los instrumentos de medición
tradicionales, fueron el escáner láser y el óptico, los cuales trajeron consigo grandes
mejoras en inspección de superficies, ya que con los métodos tradicionales solo podían
medir dimensiones un un plano 2-D. Por otro lado, también existe otra tecnología,
llamada híbrida, la cual incluye las ventajas del método de inspección de contacto y sin
contacto (Mohib, 2009).
A lo largo del desarrollo del estado de arte se mencionan las ventajas y desventajas del
escáner láser y óptico y sus diferentes usos y aplicaciones. Aunque también vale la pena
mencionar que también existe otro tipo de inspección sin contacto como es por onda
ultrasónica (Coccia et al. 2009; Lanza, 2000), como también procesos de inspección
utilizados más que nada en la industria automotriz y que son sistemas inteligentes
(Killing, 2007), y con la posibilidad de desarrollar métodos y algoritmos específicos
para cierto producto (Rodríguez, 2004).
Se tiene que definir primero que el proceso de inspección se divide en básicamente 3
etapas: la calibración o configuración de la máquina, toma de mediciones, reporte y
14
análisis. Es importante mencionar estas etapas, ya que el tiempo invertido en cada una
da el total de tiempo de un proceso de inspección.
Inicialmente una de las aplicaciones del éscaner láser u óptico es la ingeniería inversa, lo
cual es conveniente mencionar según el artículo ingiería inversa en la industria
automotriz (Vinesh y Fernándes, 2008).
Se menciona que existen razones muy específicas para el uso de la ingeniería inversa:
• Para crear formas de superficies complejas en un modelo CAD.
• Superar obstáculos de intercambio de datos e integridad de datos.
• Para crear geometrías complejas que tal vez no podría crease el modelo CAD
parámetrico.
• Para resolver y corregir problemas que surjan de discrepancias entre el modelo
original y el modelo actual de la parte.
• Para asegurar la calidad y desempeño a través de la ingeniería asistida por
computadora en la industria automotriz.
Los puntos anteriores son los que tienen importancia desde cierto punto de vista, según
el artículo (Vinesh y Fernándes, 2008).
Además, en el contenido del artículo se explican las etapas para realizar ingeniería
inversa de un nuevo modelo de auto, el cual típiamente empieza con seis diseños a
escala completos, y utilizando métodos sofisticados, se usan para extraer información de
estudios de clientes, enfoque de grupos y para analizar el modelo del diseño con
simulación matemática y restricciones de produción. Después, basado en la
retroalimentación del cliente y restricciones de manufactura, dos modelos se rediseñan.
15
Usando la tradicional ayuda asistida por computadora, ingeniería y procesos de
manufactura, un típico diseño a escala completo de un carro toma más de 3 meses para
completarlo.
Esto no es aceptable par las compañías automatrices japonesas, los cuales trabajan para
a cortar los tiempos a 3 días. El único camino para que este tiempo se cumpla es através
de un drástico cambio en el flujo del diseño, el cuál es ilustrado abajo (Vinesh y
Fernándes et al. 2008), ver figura 3.1.
Modelo Clay de escala pecpeña
Estaneo
Software de ingeniería inversa
NURBS
Planos preliminares
I Diseño de herramentales
% Diseño de subsistemas
Grupo de diseño delcuerpo I
CAM-'CAE ]
I Modelo enescala completa I
Polígonos NURBS
CEscan-eo
Modelo CAD final
NURBS
Software de ingeniería inversa
KCAITA, ICEM UG etc.
Superficies clase A
Figura 3. 1 Flujo del diseño para la ingeniería inversa. (Vinesh y Fernándes, 2008)
Los 3 días del proceso empieza con el diseñador creando un modelo de un cuarto de
escala del cuerpo del automóvil. La pequeña escala del modelo es medida usando un
16
escáner óptico sin contacto, el cual en la salida, entrega múltiples piezas de una nube de
puntos en 3-D de datos.
La nube de puntos de datos son alineados y contrapuestos dentro de un solo punto de
nube que es suficientemente denso para representar la superficie.
Un software de ingeniería inversa es usado para construir la superficie de una malla
poligonal para la salida de un software de análisis de ingeniería o para una máquina de
prototipado rápido.
El modelo digital que va a manufactura es escalado a tamaño original y moldeado en
arcilla o en algún otro material. Para entonces un escáner óptico mide el modelo físico
en tamaño original. La nube densa de puntos obtenida del escáner es usada para verificar
la tolerancia entre el modelo físico construido y el modelo digital usado para moldear la
parte. Si esto pasa, los diseñadores proceden a recontruir la superficie CAD de tamaño
original usando un software de ingeniería inversa para diseños de superficies y un
software tradicional de CAD para la funcionalidad del diseño (Vinesh y Fernándes et al.
2008).
Referente al texto anterior muestra el uso principal para el escáner óptico o bien,
cualquier tipo de escáner. Además, muestra la importancia del éscaner en la industria de
hoy, lo que es el acortamiento de tiempo de respuesta de nuevos diseños, como también
se podría introducir la inspección de piezas midiendo las diferencias entre la nube de
puntos obtenidos por el escáner respecto al modelo CAD original. Adicionalmente, se
tiene que aclarar que antes de la inspección por medio de la comparación de modelos, la
nube de puntos obtenida se debe de tratar para eliminar los errores en los datos
obtenidos, esto es posible a través de diferentes técnicas (Jia, 2011).
17
Esto conlleva a una mejora en la calidad de los productos, que en este caso es en la
industria automotriz, pero también las aplicaciones pueden extenderse a todo tipo de
industria manufacturera o de investigación, ya que el método para la inspección (de
cualquier producto) ayuda a identificar desviaciones del producto físico respecto al
modelo CAD original por medio de un software específico, el cual muestra contrastes de
colores para identificar muy fácilmente las desviaciones respecto a las tolerancias del
productos.
Por este método de inspección es muy fácil y rápido identificar dimensiones fuera de
especificación, que ayuda a poder mejorar el producto en corto tiempo.
Agregando también, como se puede leer en el fragmento anterior del artículo, el escáner
óptico es de vital importancia para la ingeniería inversa de los nuevos productos de hoy.
Además que ayuda a que una empresa nueva no empiece de cero, y pueda mejorar los
productos existentes antes de que salgan al mercado internacional.
Trabajando con el mismo modelo y siendo capaz de comparar éste con un producto
construido permite dramáticamente iteraciones de diseños más rápidas. Esto ayuda a que
los fabricantes de automóviles ofrezcan casi un sin fin de variedad de productos y
opciones al mismo costo o usar innovación de diseño para diferenciar sus productos a un
precio premium. (Vinesh y Fernándes et al. 2008).
En la sección de ingeniería inversa para mejorar la calidad de Vinesh y Fernándes
(2008) menciona que para los fabricantes líderes de autos, la ingeniería inversa es una
herramienta importante en el continuo mejoramiento de los motores. Cierta compañía
esta usando la ingeniería inversa para implementar un nuevo proceso de inspección
IX
asistido por computadora (CAÍ) para las plantas que construyen cerca de 600,000
motores al año.
Más de 900 especialistas supervisan el aseguramiento de la calidad de las líneas de
producción en planta y unidades operativas (Vinesh & Fernándes, 2008). Para los
componentes del motor son verificados por revisión de puntos en el laboratorio de
medicón de precisión de la compañía, donde los componentes de los motores deben de
estar dentro de tolerancia.
Enfrentando esta rigurosa demanda de la calidad, la compañía quiere moverse más allá
de los procesos tradicionales de inspección usando máquinas de medición por
cordenadas (CMMs). El CMM colecta una muestra discreta de puntos sobre una parte,
uno a uno. El proceso es lento y no es el adecuado para una inspeccón de superficie a
superficie requerida para verificar la exactitud de una hoja de metal de libre forma de
superficie. Los resultados son capturados en dimensiones geométricas en 2-D y
tolerancia (GD&T) que no son directamente correlacionadas con el modelo CAD 3-D de
la parte.
El proceso CAÍ usa un escáner sin contacto para colectar millones de puntos en
segundos (Vinesh & Fernándes, 2008). El software basado en los principios de la
ingeniería inversa procesa la información automáticamente para comparar una parte
construida con su representación CAD. El proceso crea un lazo interactivo entre el
diseño, manufactura, y divisiones del control de calidad.
El primer paso para el proceso CAÍ es la captura de geometrías exactas y dimensiones
colocando puntos objetivos, los cuales son usados para alinear escaneados múltiples,
sobre una superficie del componente del motor existente. La parte del motor es
escaneada con el escáner de luz blanca sin contacto para generar un modelo poligonal.
Al escáner de luz blanca es también llamado escáner óptico.
19
Bordes irregulares, huecos, y superficies del modelo poligonal son suavizadas, y el
modelo es limpiado para remover puntos extraños o ruidos que pueden indeterminar los
datos. El archivo completado son unidos, alineados y guardados en un formato SLT
(Vinesh & Fernándes, 2008).
En la figura 3.2 se aprecia un comparativo de la nube de puntos de los datos obtenidos
del escáner y el modelo original CAD.
••* *'i
*A*"*
Figura 3. 2 Comparativo de nube de puntos y modelo CAD.(Vinesh y Fernándes, 2008)
Haciendo un apartado y resaltando el comentario que el escáner óptico, este ayuda a
obtener información exacta de geometrías complejas, en la figura 3.3, se puede apreciar
la geometría de un modelo poligonal con superficies complejas.
20
Figura 3. 3 Modelo CAD con superficie compleja. (Vinesh y Fernándes, 2008)
El modelo STL es importado dentro del software CAÍ, el cual automáticamente permite
a los ingenieros alinear y comparar el modelo STL con el archivo original CAD para
determinar exactamente las variaciones en la geometría y para analizar como pueden
impactar las desviaciones en la funcionalidad de la parte. Las desviaciones se pueden
apreciar en un reporte que te muestra una variedad de colores donde se analiza las
tolerancias o dimensiones actuales de la parte. Ver figura 3.4, para el análisis de colores
y figura 3.5 para ver un ejemplo del reporte. El reporte final puede ser entregado en
formato HTML o PDF. Una reproducción de estas últimas figuras se muestran en la
sección de color en página 219-230 del artículo original (Vinesh y Fernándes et al.
2008).
21
Figura 3. 4 Resultado de inspección por software. (Vinesh y Fernándes, 2008)
Figura 3. 5 Reporte final de inspección. (Vinesh y Fernándes, 2008)
22
En el condensado del artículo de Vinesh y Fernándes (2008), muestra el procedimiento
general para la inspección de partes con un escáner ópitco y para el análisis final que se
realiza con el reporte entregado por el software de inspección. Con esto, se sustenta la
utilidad del método de inspección de últma generación lo cual viene remplanzando los
métodos tradicionales de inspección en 2-D.
Resaltando nuevamente la principal ventaja de este tipo de inspección, la cual es la
medición de superficies complejas que se realiza midiendo el error y haciendo un
comparativo de la nube de puntos capturada por el escáner respecto a modelo CAD
original. Dicha ventaja da como resultado la mejora en la calidad de partes para formado
de hojas de metal, hablando de aplicaciones de la industria automotriz. Además brinda
la detección de pequeños defectos en superficies complejas que antes no se podrían
detectar con los métodos tradicionales como la máquina CMM.
Otra ventaja que se muestra para los diseños que tienen superficies complejas, es la
posibilidad de crear un modelo CAD de la parte física, para después tener la posibilidad
de realizar pruebas de elemento finito. Por ejemplo, en el diseño de alabes para turbinas
o para la industria aeroespacial, es importante esta aplicación ya que se obtienen los
modelos de piezas físicas en algún formato CAD, para después ser evaluados en algún
software de elemento finito para evaluar propiedades de interés, brindando la ventaja de
reducir el costo de las pruebas significativamente, y obteniendo resultados similares a la
realidad.
La inspección del producto es muy importante para cualquier planta de manufactura, y
más para las empresas que tienen partes con superficies complejas como por ejemplo las
plantas de centrales eléctricas, las cuales usan máquinas para la inspección de sus
productos más avanzados que otras plantas.
23
La inspección con escáner óptico sin contacto es muy requerida en estos últimos años, y
su implementación no es lo más importante actualmente, ya que se requiere ahora la
implementación automática de ellos, para mejorar tiempos y la metodología en la
inspección de partes.
Haciendo un pequeño apartado, la diferencia de un escáner óptico y el láser, es en la
precisión de los datos obtenidos como también en la diferencia de tiempos para la toma
de datos, donde el escáner óptico es mejor que el láser, y debido a eso tiene más
participación en las aplicaciones de la industria. Pero de cualquier manera el escáner
láser tiene muchas aplicaciones y uso debido a su bajo costo, o que tiene menor costo
que el escáner óptico.
Se tienen casos de inspección con escáner óptico con robots autómonos que cada vez
más son usados para ejecutar la inspección por varias razones:
• Tareas automáticas o semiautomáticas, con más rápida ejecución, gran precisión.
• Zonas de difícil acceso y rápida evaluación global.
• Sólo para mantener un exacto historial de la misma posición de la medición
(Caprari, Breitenmoser, Fischer, Hurzeler, Tache y Siegwart et al. 2012).
Los robots están diseñados para las diferentes aplicaciones que se tienen, por ejemplo
existen robots autónomos de inspección para lugares peligrosos o tóxicos (Wang et al.
2011) donde los operadores no pueden estar, lo cual hace necesario la aplicación de
tecnologías automatizadas para el correcto funcionamiento de la operación.
Otra aplicación se encuentra en la empresa ALSTOM, donde se tienen aplicaciones de
robots de acuerdo al tipo de producto, porque se manejan productos de un tamaño
24
pequeño, de centímetros, hasta productos de más de 20 metros de volumen (Caprari,
Breitenmoser, Fischer, Hurzeler, Tache y Siegwart et al. 2012).
Un robot utilizado en la empresa ALSTOM es el MagneBike, el cual es un robot con
dos ruedas especiales hechas de magnetos, las cuales se pegan en la pieza tubular que se
esta inspeccionando, como podemos ver su aplicación en la figura 3.6 (Caprari et al.
2012).
Figura 3. 6 Robot autónomo MagneBike. (Caprari et al. 2012)
De acuerdo a Caprari et al. (2012), el tiempo de barrido que el escáner realiza para la
toma de datos, tiene relación directa con la medida del error en los datos capturados,
esta mención es porque el robot escanea parte de la pieza cada cierta distancia, o cada
cierto tiempo, y las diferencias del porcentaje de error contra la distancia en cada punto
de escaneo, donde se puede apreciar en la figura 3.7.
25
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44.4
257
0 0.t 0.2 0.3 0.4 OA Q£ OJ
Promedio de distancia entre escaneada [m]
Figura 3. 7 Gráfica de porcentaje de falla vs distanciarecorrida. (Caprari et al. 2012)
El robot utlizado en uno de los procesos de la empresa ALSTOM es uno de algunos
robots automáticos utilizados en la misma, y todos ellos tienen diferencias en el tamaño
y geometría de la pieza a inspeccionar.
Este tipo de geometrías hacen que los robots se enfrenten con superficies muy
complejas y el recorrido o barrido de la zona de las piezas se complique un poco más.
El artículo menciona información indispensable donde se pueden apreciar las diferentes
superficies que una pieza con geometría compleja puede tener. En la figura 3.8 se
observan los obstáculos típicos de robots compactos escaladores para la inspección en
una planta de energía.
26
Transiciones
interiores
(esquinascóncavas)
Transiciones
exteriores
íbordes
convexos]
Combinacio
nes
Tamaño y
otros
criterios
fei--Ufítrn
®
LÍOsaat
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|En¡ttma
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Cotude
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A
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» IKta
Húmedo o
abrasiro.
No plástico
ICfai
Carga útil
9
N°de
DOF
Figura 3. 8 Tipos de obstáculos. (Caprari et al. 2012)
Bajo aguap • JO bar
N°de
sensores
La información anterior puede aportar al proyecto en desarrollo soporte para sustentar la
importancia que tiene la geometría de una pieza a inspeccionar. Para el caso del brazo
robot, la programación de la trayectoria tiene mucha importancia para la calidad del
escaneo, ya que se puede empezar a escanear en dos caminos; el primero en barrer la
pieza una sola vez, o el segundo sería barrer la pieza en diferentes tomas. Esto último
dependiendo de la geometría de la pieza, ya que el escáner debe de localizar el punto
objetivo para poder ubicarse correctamente en el ambiente y poder localizar la pieza a
escanear.
27
Por ejemplo, la pieza muestra puede tener superficies de paredes a 90 grados, donde va a
ser muy complicado que el escáner pueda identificar el siguiente punto objetivo para
ubicar de forma adecuada la pieza muestra.
Se tiene que resaltar que la información anterior es adicional, solo para proporcionar
más información al trabajo futuro que podría llevarse sobre las trayectorias y su control.
Agregando también la importancia de localizar la posición del efector final y los
actuadores del robot para la posible implementación en líneas de producción del
proyecto, se encuentra suficiente literatura para el cálculo de la cinemática directa o
indirecta (Kendricks, 2007), existiendo diferentes metodologías (Cardona, 2009).
Ahora, las aplicaciones donde se involucran robots autónomos, brazos robots, o
diversos, son muy extensas y se ha ido incrementando su utilidad por las grandes
ventajas que ellos brindan a la aplicación, como manipuladores llamados "snake arm
robots", donde se necesitan en varios campos del espacio, energía, o campos de la
medicina, para realizar tareas que usualmente no son alcanzables por humanos (Perrot et
al. 2011).
Por ejemplo, los manipuladores podrían ser usados en la inspección, mantenimiento o en
tareas seguras en sitios nucleares, bajo condiciones de operación muy peligrosas.
Referente al proyecto, los robots para inspección se empezaron a introducirse en los
últimos años de 1990's donde AREVA NC expresó la necesidad de encargarse de la
tarea de inspección de su celda caliente y ligeras intervenciones con el manipulador
(Perrot et al. 2011).
Muchas aplicaciones de los robots involucran cámaras de visión, las cuales son
utilizadas principalmente para poder tener acceso espacios muy reducidos o lugares con
28
muy poca luz, aunque también pueden portar cámaras para poder escanear los lugares
para tener medidos los espacios de trabajo, o solo para poder monitoriar lo que sea
necesario, ver figura 3.9, donde se muestra el control y monitoreo en 3D de un robot.
Figura 3. 9 Control y monitoreo de un robot en 3D. (Perrot et al. 2011)
Otro tipo de inspección que ha surgido también en los últimos años, el cual es llamado
AMVI (Automated inspection detect flaws), ha sido desarrollado para que
automáticamente detecte defectos en objetos o piezas manufacturadas (Carrasco & Mery
et al. 2007). Adicionalmente existen máquinas de visión, las cuales se utilizan como
inspección dentro de líneas de manufactura que también utilizan cámaras ópticas
(Mehran, 2010).
La principal idea de esta estrategia es desechar los ruidos que aparecen aleatoriamente
en imágenes, solamente que permanezcan los defectos estables en una secuencia de
imágenes y que ellos permanezcan en su posición relativa al movimiento del objeto a ser
analizado. (Carrasco & Mery et al. 2007).
Aunque la principal desventaja de la nueva investigación es que carece de precisión en
su desempeño cuando no hay un balance entre defectos no detectados y falsas alarmas,
esto es cuando se tiene aplicaciones industriales con mucho ruido. Pero, en el artículo
29
de Carrasco y Mery (2007), se explica el desarrollo de una nueva metodología para
detectar defectos automáticamente haciendo uso del potencial de las múltiples imágenes
llamadas AMVI.
Respecto a la calibración del escáner con el brazo robot, es importante que el efector
final del robot este correctamente calibrado, para no perder el punto de referencia
inicial, el cual es importante para la localización de la tabla de objetivos para calibrar;
para atacar estos problemas es posible seguir otra línea de investigación para mejorar la
precisión de la posición del manipulador, utilizando métodos similares a como menciona
Omodei (2000) en su artículo.
3.1 Síntesis de bibliografía más relevante respecto aplicaciones del escáner
En el artículo de Duffuaa et al. 2002, menciona argumentos de la importancia dela cantidad de inspecciones que se tiene que realizar para reducir costos demanufactura en un mininmo, por medio de un algoritmo propuesto, dondeprincipalmente tiene impacto en aplicaciones de manufactura con gransensibilidad en fallos, como en industria aeroespacial, plantas nucleares etc.
La aportación del articulo hacia el proyecto se enfoca en resaltar la importancia del
aseguramiento de la calidad en la industria, además de aportar ideas para un análisis
profundo del impacto que resulta al aceptar componentes defectuosos y el manejo del
porcentaje de error del método de inspección.
La información que no es necesario utilizar como aportación es el algoritmo propuesto
en el artículo científico, ya que no se va a desarrollar algo similar.
30
En el artículo Garcia et al. 2008, aporta nuevas metodologías para reducirel tiempo de reconfiguración de inspección visual, a través de algoritmosreconfigurables.
Las nuevas metodologías aportan la imporancia de para reconfigurar con facilidad la
inspección visual de productos, por lo tanto proporciona soporte adicional al proyecto
porque resalta como punto imporante la disminución de tiempo de estaciones de
inspección visual para el trabajo futuro, lo cual es una característica similar de la
inspección con el brazo robot, ya que tiene la flexibilidad en la reconfiguración de la
inspección para diferente productos, y por consecuente una disminución de tiempo
respecto los métodos de inspección visual tradicionales como se menciona en el artículo.
Se descarta la información del algoritmo expuesta, porque no se esta manejando el
mismo método de inspección visual.
• Rhoades at al. 2011. El artículo de Rhoades muestra una aplicaciónprincipal de la ingeniería inversa a través de un escáner óptico sincontacto llamado ATOS (Advanced Topometric Sensor), la cual es latécnica de metrología óptica en 3D, que es ha ido mencionado en eldesarrollo del estado del arte como una parte importante y justificacióndel proyecto. El enfoque del artículo es hacia la caracterización del errorque se obtiene al capturar la nube de puntos cuando se escánea un objeto,y propone una modelo para disminuir el dicho error.
Una de las aportaciones primordiales del artículo es la información proporcionada del
procedimiento para capturar la nube de puntos y preparar el archivo CAD para
inspeccionar el producto físico contra su modelo CAD original. Agregando la
importancia de este método de inspección visual a través del escáner sin contacto, en
este caso el óptico. Este tema podría ser utilizado para futuros trabajos.
31
La argumentos principales del archivo no son validos para el presente proyecto porque
el enfoque no es hacia el mejoramiento del error acumulado en la nube de puntos
capturada.
• Shi, 2008. Los sistemas de inspección de calidad en la industria de lamanufactura son muy importantes, principalmente en la industriaautomotriz, porque conforme transcurren los años la industria es másexigente y requiere de productos casi perfectos. Los métodostradicionales de inspección en 2D, generalmente CMM (CoordínateMeasurement Machine), son muy utilizados pero tienen la desventajas deinspeccionar superficies en 3D, y se encuentran con más dificultadescuando el requerimiento de las superficies es sin ralladuras, lo cualutilizando la CMM no es recomendado por tener la posibilidad de dañarel producto. Tal razón, es un importante motivo para utilizar métodos deinspección sin contacto en 3D.
El artículo menciona la importancia, y resalta el impacto positivo del método de
inspección con escáner sin contacto mediante un brazo robot respecto a los métodos
tradicionales de inspección. La información adicional que adicionan argumentos de la
utilidad del aseguramiento de la calidad en la industria manufacturara se utiliza en el
proyecto, como respaldo para justificación del método de inspección en desarrollo en
futuros trabajos.
La parte a descartar es la información específica de los sistemas de inspección utilizados
por el autor del artículo, porque no se maneja en el proyecto.
32
A continuación se resaltan los artículos que aportan argumentos relevantes en las
diferentes aplicaciones del escáner láser en la tabla 3.1.
Tabla 3. 1 Bibliografía con aportación relevante al proyecto.
Autor/Título Fundamentos / Apoyo para proyecto
Información no
relevante para el
proyecto
Vinesh 2008.
Reverse
Engineering in
the Automotive
Industry.
El artículo menciona las ventajas de la ingeniería inversa, y el uso del
escáner láser u óptico con aplicación a la industria automotriz. Muestra
referencias en aplicaciones relevantes de automóviles de carreras y la
ayuda que ha brindado el uso de la ingeniería inversa.
Explica la inspección de piezas mediante un escáner óptico y los
resultados que se obtiene después de barrer una pieza, como el uso de los
resultados obtenidos.
La información del artículo es de utilidad al proyecto de manera que
proporciona fundamentos de las ventajas de escaneado de algún producto
en comparación con la inspección tradicional que se maneja en la mayoría
de las industrias, como el CMM y el OGP. Además el aporte del diagrama
de flujo para la inspección de partes por me dio de escáner óptico y la
interacción del software para completar reportes de inspección, lo cual es
relevante para futuros trabajos.
Las aplicaciones en la
industria automotriz
como la ingeniería, no
son utilizables como
información relevante.
Caprari et al.
2012. Highly
Compact Robots
for inspection of
Power Plants
Se menciona la metodología de inspección de cuatro prototipos de robots
para inspeccionar productos de diferentes entornos de una planta central
eléctrica. Explica cuatro temas importantes para robots de inspección
como son la adhesión, movimiento, localización y sistema de integración.
También hace referencia a resultados en el escaneado de un producto a
cierta velocidad de barrido y el porcentaje de error de inspección.
Las trayectorias
explicadas en el
artículo no son de
utilidad al proyecto ya
que el robot no es
autónomo. Además de
la información de los
33
Autor/Título Fundamentos / Apoyo para proyecto
Información no
relevante para el
proyecto
La información del artículo es relevante porque muestra las ventajas de
tener un buen control en los movimientos del robot, junto con los sistemas
de integración de diferentes componentes, lo cual se tomará en cuenta en
futuros trabajos referentes al tema. Es interesante las gráficas que muestra
el artículo al intentar escanear una pieza a diferentes velocidades, es decir
el barrido del escenario fue desde una distancia corta hasta una cada vez
más larga, y nos muestra el error ocasionando al intentar escanear más
rápido.
robots autónomos.
Fang 2002.
Inverse Velocity
and Singularity
Analysis of Low-
DOF Serial
Manipulators.
(Fang et al. 2002)
El artículo proporciona una introducción en el conocimiento de trayectoria
del manipulador de un robot de menos de 6 grados de libertar, ya que
mapea las velocidad del manipulador del robot e "introduce matrices
Jacobianas, las cuales aportan información relevante a futuros proyectos
para el desarrollo en la definición de trayectorias.
Gran parte de la
información no se
podrá utilizar debido
que manejan ejemplos
de robots de menos de
6 grados de libertad.
3.2 Diseño de producto
Un aspecto importante y fundamental es la creación del sujetador para poder unir el
escáner al robot Kuka y de alguna manera controlar el escáner mediante un mecanismo
para accionar el botón que permita empezar el escaneado, ya que el escáner no permite
controlar el disparo para empezar el escaneo de forma automática desde una
computadora.
34
Un fixture, es la palabra en inglés del sujetador, y según Wang y Rong (2008) es
diseñado para posicionar y sostener una o más piezas dentro de ciertas especificaciones.
Generalmente, hay cuatro principales etapas dentro del proceso de diseño del fixture, la
primera es la planeación de la configuración, planeación del fixture, diseño de la unidad
del fixture y la verificación.
La planeación de la configuración determina el número de configuraciones requeridas
para realizar todo el proceso de manufactura, la tarea para cada configuración, la
continuación del proceso de manufactura y la pieza de trabajo, orientación y posición de
la pieza de trabajo. Una configuración representa la combinación de procesos que sean
realizados con la pieza de trabajo para una sola herramienta de la máquina sin tener que
cambiar la posición y orientación de la pieza manualmente.
En la planeación del fixture, las superficies son identificadas, es decir, donde los puntos
de asentamiento y aseguramiento deben de actuar son identificadas. El número y
posición de cada punto de seguramiento de la pieza de trabajo es de acuerdo a una
adecuada restricción durante el proceso de manufactura.
La tercera etapa del diseño del fixture, las unidades adecuadas son generadas, y durante
la etapa de verificación, el diseño es probado para asegurar que todos los requerimientos
de la pieza de trabajo queden cubiertos.
Dentro de la etapa del diseño también tiene que verificar que se considere los costos del
fixture, peso, tiempo de ensamble, tiempo de carga y descarga de la pieza de trabajo.
Aunque en el artículo (Wang y Rong, 2008) se habla del fixture de un centro de
maquinado, ésta información aplica de igual manera para el sujetador del presente
proyecto, ya que este debe de alojar al escáner y brindar seguridad al aparato.
35
1
A través de la literatura (Clevenger et al. 2013), se incluyen referencias que soporten el
diseño del sujetador en base a estrategias de toma de decisión para seleccionar la mejor
opción de diseño, teniendo en cuenta las restricciones como dimensionamiento, espacio,
volumen y peso.
Clevenger y otros (2013) mencionan que existen estrategias de diseño, por ejemplo de
Phadke y Taguchi (1987) que hablan de radios de señal a ruido que han sido utilizadas
para evaluar la robustez de un diseño desafiante, pero con un enfoque para evaluar
dimensiones de un proceso individual de diseño. Por lo tanto lo que proponen es un
nuevo método para el proceso de diseño llamado DEAM (Design Exploration
Assessment methodology) que puede contribuir a la mejora del proceso del diseño, lo
cual contribuye al proyecto a tratar de manera de explorar las opciones de diseño a
través de los objetivos, alternativas e impacto.
El diseño PSS (Product-service systems), es una metodología no muy explorada, pero
existen métodos con modelos maduros de diseño PSS (Vasantha et al. 2012) que tienen
un enfoque en tres dimensiones: procesos de diseño para integrar productos y servicios,
definiciones de nuevas terminologías y consideraciones de planeación y fases del ciclo
de vida de diseño, lo cual aporta el proyecto el enfoque hacia otros objetivos en el
diseño del sujetador, principalmente hacia el ciclo de vida de diseño.
Dentro de la literatura, referente a la toma de decisión para el diseño, el cual fue de
interés para conocer que método es mejor, uno intuitivo o uno lógico (Chulvi et al.
2012). Menciona que la creatividad ha sido estudiada desde varios puntos de vista e
incluye, factores que motivan la innovación de producto (Francis et al. 2005), el perfil
de la creatividad individual (Nappier et al. 2006), y la solución de problemas creativos
(Rivera et al. 2010). Así mencionan que como resultado de estos estudios, numerosas
contribuciones han desarrollado técnicas para la creatividad y métodos para evaluar la
36
creatividad de resultados. Las metodologías utilizadas en el artículo (Chulvi et al. 2012),
fueron el TRIZ y el SCAMPER (Eberle 1996) como principales, el último siendo un
método intuitivo, donde los resultados mostraron que el TRIZ, el método lógico, obtuvo
mejores soluciones que el SCAMPER, pero ambos métodos producen alternativas de
soluciones de utilidad, y el método intuitivo de lluvia de ideas produce una solución con
más innovación que el TRIZ y SCAMPER, pero fue el método con menor utilidad que
los antes mencionados.
El proceso de creatividad está asociado con la generación de ideas que facilita la síntesis
de las propuestas de diseño; mientras los procesos analíticos están relacionados a la
calidad del diseño a través del cumplimiento de la especificación de diseño (Chulvi et al.
2012). Dentro de los métodos creativos, los intuitivos, son divergentes y fácil de
aprender y dependen de la inspiración para la generación de ideas, en contraste, los
métodos lógicos son convergentes y son usados para generar nuevas soluciones de
diseño del conocimiento que fue recopilado por otras personas.
Otro tema fundamental es la sustentabilidad en el diseño, ya que es importante pensar en
puntos importantes del tema a la hora de empezar a diseñar. Los tres principios
importantes de la sustentabilidad son la ecología, economía y la ética (Dogan, 2007), los
cuales se deben de tomar en cuenta considerando un replantamiento fundamental y
restructuración del diseño del producto, producción y el uso después de producción.
El desarrollo sustentable puede ser entendido como el avance simultaneo de la
administración del medio ambiente, la responsabilidad social y la viabilidad económica
(Dogan, 2007).
Siendo lo último el mayor impacto que se tiene pensando en la sustentabilidad, ya que
no es costoso la mayoría de las tecnologías que protegen el medio ambiente y la
37
aplicación de ésta a la hora de diseñar. Pero es importante tomarla en cuenta durante el
desarrollo del diseño del producto principalmente.
Al pensar en como aplicar el concepto de sustentabilidad en el diseño, enfocando el
pensamiento al medio ambiente, se debe de tomar en cuenta los siguiente puntos:
• Hacer efectivo el uso de recursos.
• Habilitar las reparaciones.
• Habilitar el reuso.
• Mantenimiento del producto.
Para hacer uso efectivo de los recursos, se debe de minimizar el material a usar durante
el diseño, ocupando el mínimo volumen necesario para la correcta funcionalidad del
producto.
Al pensar en las reparaciones en el diseño, se debe de adicionar los detalles necesarios al
modelo CAD, el cual permita la correcta reparación del producto, a bajo costo y
tomando en cuante el uso mínimo de material para reparación.
También, se debe de adicionar, si es posible, el reuso de las piezas. Principalmente
tomando en cuenta en no diseñar piezas grandes, las cuales generan gastos altos de
material al cambiar las piezas en reparación, si no que permitan un reuso en la mayoría
de las piezas, y solo cambiar una pieza o solo una mínima cantidad de piezas durante la
reparación, lo cual impacta directamente en la sustentabilidad del medio ambiente.
Durante el diseño, se debe de diseñar las piezas de manera que el mantenimiento sea de
forma sencilla y rápida, lo cual aumentará en gran parte la productividad del productlo,
al disminuir el tiempo de mantenimiento.
38
Dentro del campo del diseño, existe una herramienta ú.,1 la cual es el DFMA (EmmattyySarmah, 2012), Design for manufacturing and assembly. El DFMA simplifica eldiseño del producto al mínimo posible, estandariza materiales, además del proceso demanufactura. También ahorra tiempo de diseño usando partes comunes estándar, yreusando detalles de diseños previos que se tenga disponible, oun diseño modular, elcual es una parte del diseño que comparte más de una parte con diferente funcionalidad,facilitando así la manufactura de las piezas.
Además se ha desarrollado otro método similar al DFMA, el cual es el diseño basado aplataforma (Emmatty ySarmah, 2012), el cual hace la arquitectura del producto másmodular. Un modulo es un componente o subensamble que puede ser intercambiabledentro de una arquitectura del producto para producir una variedad de productossimilares. Los productos modulares son maquinas, ensambles y componentes quecumplan con varias funciones completas a través de la combinación de distintasunidades funcionales.
Son importantes estos conceptos debido aque es recomendable diseñar partes similarespero con distintas funciones para que la manufactura de la pieza sea sencilla orepetitiva,ysimplifique el tiempo yel costo de la misma. Esto tendrá un impacto al proyecto demanera que la manufactura oel diseño del código del maquinado de las piezas delsujetador sea fácil de realizar yen corto tiempo.
Las ventajas de realizar diseños modulares son las siguientes.
• Económico en escala.
. Incrementa la factibilidad del cambio de componente del producto.
• Incrementa la variedad de productos
• Reduce la orden de tiempo respuesta.
• Reduce la reproducción de diseños similares
. Fácil mantenimiento del producto, reparación ydisposición.
39
Estás ventajas son las más importantes del diseño modular, entre otras. Por otro lado la
aplicación de ésta durante las primeras etapas del diseño podría reducir el tiempo de
manufactura de los productos, y más si se pretende crear productos en forma masiva.
El DFM (Emmatty y Sarmah, 2012) esta ganando importancia dentro de las compañías
manufactureras porque virtualmente mejora la productividad sin ninguna inversión
adicional, además que provee una guía para la estandarización, selección de materia
prima, diseño de componente y de ensamble para la reducción del costo de manufactura
total.
La herramienta DFM ayuda a enfocar el diseño del producto a la simplifidad del mismo,
a la funcionalidad del producto, a un fácil mantenimiento y servicio, confiabilidad y
durabilidad del producto y al análisis del valor considerando el costo y calidad. Es
posible aplicarlo dentro del diagrama desarrollado para la creación del sujetador, y
estaría en los primeros pasos de la creación y diseño, asegurando su correcta aplicación
de cualquier diseño en desarrollo.
En el artículo de Leitner (2013), se habla del arte del diseño, donde se investiga las
distintas percepciones que tiene un diseñador, el cliente y un tercero neutral, el cual lo
coloca como un obervador. El observador se coloca para entender la relación que se
practica entre el diseñador y el cliente, con la intención de ser capaz de hacer
sugerencias preliminares para las mejores practicas para el diseñador. En general, se
observa que el cliente y el diseñador están mas alineados y ellos esperan y valoran,
especialmente cuando éste trae conocimiento, proceso y resultados, pero como es un
solo caso de estudio no se puede concluir en definitivo. Sin embargo, se encontró que el
diseñador cuando se da cuenta que no hay suficient tiempo para completar su nuevo
conocimiento para aplicación en el nuevo diseño, empieza a ver el valor de su intuición
basado en su conocimiento para crear su presentación final de diseño.
40
Con esto hace referencia que el método intuitivo para generación de ideas para nuevos
diseños es muy utilizado en contrario con los métodos lógicos (Chulvi et al. 2012),
debido a la reducción de tiempo que se genera, ya que el cliente siempre desea tener su
nuevo producto lo antes posible en el mercado.
Por otro lado, dentro de la justificación del proyecto se trabajó en un método
ergonómico que sirviera como un resultado preliminar del impactó que se tiene en el
proceso de calibración de escaneado en el lado ergonómico del proceso, por lo tanto, el
método que se utilizó fue el método Rula, el cual será explicado en el capítulo siguiente.
3.3 Método Rula
RULA (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993), rapid upper limb assessment, fue
desarrollado para investigar la exposición individual de trabajadores de acuerdo al factor
de riesgo asociado con la relación a los trastornos de extremidades superiores. Además
identifica el escuezo muscular asociado con la postura del trabajo a realizar, la fuerza
ejercida y el desempeño de un trabajo estático o repetitivo, el cual contribuye a la fatiga
muscular. El método RULA ha sido comparado con otros métodos (Diniz, 2006), y
resulta más beneficiosa su implementación para tareas donde se utiliza la parte superior
del cuerpo.
El estudio ergonómico usado para evaluar de forma rápida y eficiente el proceso de
escaneado en forma manual fue el método RULA, para obtener una justificación más
solida del nuevo proyecto, ya que es considerando como un tipo de evaluación
interesante que es muy usado (Móndelo et al. 1999). El método RULA consiste de
acuerdo a McAtammey y Nigel-Corlett (1993), en evaluar las posiciones más críticas de
los movimientos de algún proceso y transformar los datos adquiridos de acuerdo con
tablas obtenidas de estudios previos en puntos o cantidad numérica, el cual se usa para
poder obtener un resultado del proceso a ser evaluado.
41
El método Rula (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993) comienza por estudiar el proceso a
ser evaluado, identificando los movimientos más extremos. Una vez identificado los
movimientos más extremos se decide por evaluar un lado del cuerpo, ya sea el izquierdo
o el derecho, para después empezar por obtener los ángulos de trabajo por cada extremo
del cuerpo. Los extremos del cuerpo utilizados en el método son, el brazo, antebrazo,
muñeca, cuello, tronco y piernas.
El primer elemento a evaluar es el brazo, y una vez teniendo los grados del movimiento
del brazo que se emplea durante el proceso se le asigna un número de acuerdo a la figura
3.10.
+1
+2
-2CP ?ÍO +20° i > '2GP +20° to45* +45° to 90° 90*+
Figura 3.10 Evaluación del brazo. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993)
Al puntaje obtenido en la evaluación del brazo se modifica si los hombros los tiene
levantados o si los brazos están abducidos, se le aumenta un punto, o se le resta un punto
si los brazos están apoyados en algún soporte.
Para evaluar el antebrazo se registra el movimiento angular del antrebrazo durante el
proceso a ser evaluado y se le asigna un puntaje de acuerdo a la figura 3.11.
42
C\
+1
to 100a
Q
fOO°+0-60?
Figura 3.11 Evaluación de antebrazo. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993)
La puntuación del antebrazo se modifica aumentando un punto si el brazo está
trabajando en la mitad del cueipo o fuera del cuerpo, como se muestra en la figura 3.12.
+1 -^ ^+1
\ +1
\r
+1 /i /
Figura 3.12 Modificación del puntaje de antebrazo. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993)
El siguiente miembro del cuerpo a evaluar es el movimiento de la muñeca, el cual se
define el puntaje de acuerdo con la figura 3.13.
Figura 3.13 Evaluación de la muñeca. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993)
43
„
Al puntaje obtenido, es posible modificarlo aumentando un punto si existe una
desviación radial o cubital, como se muestra en la figura 3.14.
+1
Figura 3.14 Modificación en evaluación de la muñeca.
(McAtammey y Nigel-Corlett, 1993)
La evaluación con el método RULA divide al cuerpo en dos grupos, teniendo el grupo A
y B. Siendo el grupo A los miembros del brazo, antebrazo y muñeca. Y en el grupo B el
cuello, tronco y piernas.
Al término de evaluar los tres primeros miembros del cuerpo, se adiciona una
evaluación al giro de la muñeca. Otorgando un puntaje de una si el giro es en rango
medio del giro total permitido o un puntaje de dos si el giro es en rango extremo.
El puntaje obtenido se utiliza para seleccionar el puntaje en la evaluación general del
grupo A.
Con el puntaje de los miembros del grupo A, se obtiene un puntaje general de acuerdo a
la tabla 3.2.
44
Tabla 3. 2 Evaluación del grupo A. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993)
-,'
ffljKl
1 2 2 2 2 3 3 3
2 2 2 2 3 3 3 3
2 1 3 3 3 •9•J 4 4
2 3 3 3 3 4 4 4
3 3 3 4 4 4
3 4 4 4 4 4 5 5
3 3 4 4 4 4 5 5
"i<'.•• ** 4 4 4 4 4 5 5
4 4 4 4 4 5 5 5
4 4 4 4 4 5 5 5
4 4 4 4 4 5 5 5
4 4 4 5 5 5 6 6
5 5 5 5 5 6 6 7
5 6 6 6 6 7 7 7
6 6 6 7 7 7 7 8
7 7 7 7 7 8 8 9
8 8 8 8 8 9 9 9
9 9 9 9 9 9 9 9ÍÍ;
Se evalúan los miembros del grupo B similarmente al grupo A. Comenzando con la
posición del cuello, se le asigna un puntaje de acuerdo a la figura 3.15.
0> to 1(f 1V to 20" 20°+
O? \+2 i H-3 (. \ +4
Figura 3.15 Evaluación del cuello. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993)
45
Adicionalmente se agrega un punto al puntaje del cuello si está rotado o inclinado.
Después se evalúa la inclinación del tronco del cuerpo, de acuerdo a la figura 3.16.
0" k¡ 10° O- to 20"
Figura 3.16 Evaluación del tronco. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993)
La evaluación del tronco se verá modificada en un punto si existe rotación en él o si hay
movimiento lateral, si ocurre los dos movimientos simultáneamente se incrementará en
dos puntos el valor final.
La puntación de las piernas se realiza de la siguiente manera: se asigna un punto si se
está de pie y las piernas están bien apoyadas y simétricamente distribuidas en peso, y si
hay espacio suficiente para moverlas de lugar, o si se tiene una postura sentada. Se le
asigan la puntuación de dos si los pies no están bien apoyados o si el peso en las piernas
no esta simétricamente distribuido.
Cuando se tiene el valor de todos los miembros del grupo B se obtiene un resultado
general de acuerdo a la tabla 3.3.
46
Tabla 3. 3 Evaluación del grupo B. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993)
1 3 2 3 3 4 5 5 6 6 7 j
7 3 2 3 4 5 5 5 6 7 7 7
.•••-í 3 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 7
•:s 5 5 5 6 6 7 7 7 7 7 8 8
!•: 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8
< o 8 8 8 8 8 8 9 9 9 9 9
Las puntuaciones del grupo A y B se verán modificadas de acuerdo al tipo de actividad
muscular desarrollada y la fuerza o carga aplicada, convirtiendo el resultado en grupo C
y D sucecivamente.
Si la actividad a desarrollar es estática o se mantiene la postura analizada por más de un
minuto o la actividad es repetitiva (Se repite la activada más de 4 veces cada minuto), se
incremente el valor general de A y B en un punto. Si la actividad es poco frecuente,
ocasional y no repetitiva, ésta no se verá modificada. Además es posible incrementar en
más de un punto dependiendo de la carga aplicada, de acuerdo a la tabla 3.4.
Tabla 3. 4 Modificación al puntaje de acuerdo a la actividad muscular y fuerza ejercida.
(McAtammey y Nigel-Corlett, 1993)
si la carga o fuerza es menor de 2 Kg. y serealiza infermíentemenie.
si b carga o fuerza está entre 2 y 10 Kg.y selevanta intermitente.
si la carga o fuerza está entre 2 y 10 Kg: y esestática a repetitiva.
si la carga o fuerza es intermitente y superior a
10 Kg
si la carga o fuerza es superior a tos 10 Kg., yes estática o repetitiva.
si se producen golpes o fuerzas bruscas o
repentinas.
47
Una vez teniendo los valores modificados, ahora llamados grupo C y D. Se obtiene un
valor final de acuerdo a la tabla 3.5.
Tabla 3. 5 Evaluación final. (McAtammey y Nigel-Corlett, 1993)
l|2|3|3|4|5|5• 2 2 3 4 4 5 5 1
3 3 3 4 4 5 6
lili ll lililí1 lllinl 3 3 3 4 5 6 6
111'" 1ll 1 4 4 4 5 6 7 7
PPmP^^^^HHR 4 4 5 6 6 7 75 5 6 6 7 7 7 -.
jgSM 5 5 6 7 7 7 7
Respecto al valor obtenido de la tabla de evaluación final, se interpreta el nivel de
actuación propuesto del método RULA. En dicha actuación propuesta el evaluador
actuará conforme a lo sugerido, de acuerdo a la tabla 3.6.
Tabla 3. 6 Niveles de actuación según la evaluación final. (McAtammey y Nigel-Corlett,
1993)
Cuando ia puntuación final es 1 ó 2 la postura es aceptable.
Cuando la puntuación final es 3 é 4 pueden requerirse cambios en la tarea;es conveniente profundizar en el estudio
La puntuación final es 5 ó 8. Se requiere ei rediseño de la tarea; esnecesario realizar actividades de investigación.
La puntuación final es 7. Se requieren cambios urgentes en el puesto otarea.
48
CAPITULO IV: METODOLOGÍA
La aportación principal en el desarrollo del proyecto es la parte tecnológica, la cual es el
diseño y creación del sujetador, desarrollando así una metodología específica para la
creación del sujetador y otra general para el desarrollo del proyecto. En términos
generales para poder alcanzar la calibración automática del escáner láser se siguió la
siguiente metodología, mostrada en la figura 4.1.
1. Etapa inicial
* Búsqueda del estado delarte.
* Creación del sujetador(Diseño y manufactura).
2. Etapa intermedia
* Experimentación concalibración manual y conrobot
* Creación de subrutina de
robot Kuka para calibraciónsemi-automática.
* Prueba y corrección deerrores en el código desubrutina.
3.Etapa final
* Pruebas del sistema de
calibración semi-
automática.
* Barrido de pieza muestra
Figura 4. 1 Metodología general del proyecto de investigación.
49
A continuación se resumen las etapas de la metodología general de investigación.
1. Etapa inicial.
En esta etapa se empieza la obtención de información base de las diferentes aplicaciones
relacionadas al proyecto, que se va a utilizar como apoyo y argumentos en el proyecto.
Además es la etapa principal y de más larga duración, donde se empieza con el
desarrollo conceptual del prototipo de sujetador para la integración del escáner láser con
el brazo robot. El diseño completo del sujetador se debe de terminar en esta etapa para
después continuar con la manufactura de los componentes a utilizar.
2. Etapa intermedia.
Empieza el manejo y funcionamiento completo del escáner láser para tener una mayor
comprensión del funcionamiento de éste, y a su vez comenzar con la experimentación
del escaneo manual y observación de las ventajas y desventajas. Además, desde este
punto se empieza con la interacción del robot en funcionamiento, para la programación
de la subrutina del robot, la cual va a calibrar el escáner de forma semi-automática, ya
que nos encontramos con la intervención de un operador para el arranque del mismo.
Se selecciona un método de desplazamiento durante la escritura de subrutina y así
comenzar la grabación del código en el software, para este caso el método más sencillo
es el desplazamiento de punto a punto, y al final se toma un tiempo para el
mejoramiento del tiempo de calibración, hasta alcanzar un objetivo deseado.
3. Etapa final.
Por último y siendo la etapa más corta, se determina el tiempo de calibración final
conseguido después de la corrección y mejoramiento de la subrutina. Incluyendo la
50
demostración de escaneo de una pieza ejemplo, para comprobar la utilidad en el barrido
de piezas con el escáner láser.
A continuación se presentan los puntos a detalle de cada etapa de la metodología
general.
• Búsqueda del estado del arte.
Durante el proyecto desde el inicio y a lo largo de éste, se realizan diferentes búsquedas
de información, enfocándose en la búsqueda de diseños y/o aplicaciones similares al
proyecto que aporten el desarrollo del producto (el sujetador), y sustenten la
justificación del proyecto e impacto en la industria de hoy. Además de incrementar la
información para el marco teórico acerca de las aplicaciones de los robots de inspección,
métodos tradicionales de inspección, trayectorias de un robot, etc., tratando de encontrar
todo lo relacionado a las principales aplicaciones del escáner láser, como lo son la
ingeniería inversa, o método de inspección con un escáner sin contacto.
• Creación del sujetador (Diseño y manufactura).
Diseño del sujetador del escáner láser, empezando por el desarrollo de una metodología
específica para la creación de prototipo de sujetador para el escáner láser Exa-scan y el
robot Kuka, tomando en cuenta toda la información recopilada referente al diseño de un
producto y su ciclo de vida. El desarrollo de modelos de los diferentes conceptos
generados son creados con ayuda del software NX 7.0 y por medio del software de
diseño se analiza principalmente puntos importantes como la protección del escáner,
búsqueda de una sujeción adecuada que permita un agarre correcto del brazo robot,
considerando el volumen y peso, como también el diseño de un mecanismo para
accionar el botón de escaneado.
51
Este punto también incluye la manufactura de los componentes, y utilizando
principalmente un software para Manufactura se asegura el correcto maquinado de la
pieza.
• Experimentación con calibración manual y con robot.
Dentro de esta etapa incluye la calibración manual del escáner sin contacto, con el
objetivo de establecer los tiempos actuales de duración en calibración, además de
evaluar las diferentes posiciones que toma el operador del escáner para la ejecución de
la operación de calibración. Con el fin de recopilar datos para la realización de un
estudio ergonómico, que justifica aún más el desarrollo del proyecto. Se recabarán al
menos 20 muestras de tiempo, para así obtener un promedio de tiempo, para la
comparación de tiempos entre el proceso de escaneo manual y el semi-automático.
Creación de subrutina de robot Kuka para calibración semi-automática.
Una vez ya ensamblado el sujetador con el robot, se asienta el escáner láser y se
comienza con la escritura de subrutina en el software del robot Kuka para conseguir la
calibración automática con el robot. Se define que los movimientos a realizar del robot,
es el movimiento básico, el cual es el punto por punto, donde se tiene la posibilidad de
manejar el robot e ir grabando los puntos de interés. Así hasta completar los 14 pasos
que se deben realizar para la calibración del escáner.
Prueba y corrección de errores en el código de subrutina.
Una vez teniendo el código de sub-rutina escrito en el software del robot Kuka, se tiene
que revisar las velocidades de las trayectorias, para la posibilidad de reducir el tiempo
de calibrado, como también la revisión de los puntos grabados, para una posible
52
i
eliminación de puntos que no impactan al calibrado y así poder disminuir a un más el
tiempo.
• Pruebas del sistema de calibración semi-automática.
Después de disminuir el tiempo de calibración hasta un tiempo deseado, se realizan
varias calibraciones, para corroborar la uniformidad de tiempo, establecer el tiempo
final que se obtuvo y comparar con el promedio de tiempo de calibración manual y
comprobar que la calibración semi-automática tiene un tiempo menor que la manual
junto con la uniformidad de tiempo.
• Barrido de pieza muestra.
En esta etapa final, solamente se realiza un escaneo de una pieza muestra para
evidenciar la utilidad del prototipo de sujetador.
Para el diseño y manufactura del sujetador se desarrolló el diagrama para la toma de
decisión del proceso de elección del prototipo de sujetador final, para así llegar a
obtener un diseño que cumpla con los requerimientos específicos ya establecidos y
restricciones de diseño; como también, que se encuentre dentro de las posibilidades de
manufactura que se tiene disponible en la actualidad.
53
En la figura 4.2, nos muestra un diagrama de una metodología más específica hacia el
proceso de diseño del prototipo del sujetador para el escáner láser Exa-scan. Mostrando
las decisiones más importantes que hay que tener en cuenta dentro del diseño de un
producto, pero enfocado hacia el diseño y manufactura del sujetador.
Definición de las
Selección detomillos
para ensamble, y
localización de ellos
Realizar manufactura
de piezas
Ensamblar Sujetador
Figura 4. 2 Diagrama para toma de decisión en diseño y manufactura del sujetador.
4.1 Diagrama para toma de decisión en diseño y manufactura del sujetador
Para el diseño y manufactura del prototipo de sujetador se desarrolló en diagrama de
decisión para completar un diseño adecuado para el propósito requerido, mostrado en la
figura 4.2. El flujo consta de 8 pasos a considerar, los cuales incluyen los aspectos
importantes que se tomaron en cuenta específicamente enfocados hacia el sujetador, y
son descritos como lo siguiente.
54
• Paso 1. Definición de las restricciones y especificaciones
Todo tipo de restricción dicha por el usuario final, dígase cliente, limita un gran número
de variables a considerar dentro del diseño y manufactura del prototipo, por ejemplo el
espacio del área final de trabajo, limitación de material, etc. Además se encuentra la
consideración de establecer las especificaciones del robot y escáner láser, para la
definición de restricciones adicionales. Como lo es, restricción del movimiento del
robot; peso, forma y volumen del escáner, carga permitida por el robot, área de trabajo,
entre otros. Las cuales se tienen que tomarse en cuenta a la hora de definir las
restricciones dentro del diseño y manufactura.
• Paso 2. Generación de ideas, diseño y selección del pistón.
Es el paso más importante dentro del flujo desarrollado, además de la etapa que se lleva
más tiempo en completar. Ya que contempla la generación de ideas a través de
bosquejos a mano alzada, la realización de modelos seleccionados con el software de
diseño, para este caso es el NX. Sumando la toma de decisión del pistón a utilizar para
que el mecanismo permita accionar al botón del escáner sin contacto para emitir la señal
láser, y una vez seleccionado el pistón, el desarrollo del diseño del mecanismo. Además
de la sección del material a utilizar.
Todo ello tomando en cuenta las restricciones establecidas previamente en el paso
anterior, para poder establecer el dimensionamiento correcto.
• Paso 3. ¿Es manufacturable?
Una vez seleccionado el diseño final y habiendo creado completamente el modelo CAD,
se hace una evaluación de las posibilidades de manufactura, y seleccionar la que más
convenga al usuario final. Además de simular los procesos de manufactura en algún
software CAM si es posible, antes del proceso de construcción. En este paso es posible
55
aplicar la herramienta de DFMA (Emmatty & Sarmah, 2012), de manera de simplificar
el diseño para que la manufactura y ensamble del producto sea de una forma efectiva.
• Paso 4. ¿El diseño del mecanismo es el más adecuado?
En este paso se centra en la revisión del mecanismo y en realizar posibles mejoras que
se hayan escapado en la etapa del diseño y generación de ideas, y en revisar si las claros
entre las guías y la barra deslizadora son los adecuados de acuerdo al material. Además
de una revisión general en el dimensionamiento del mecanismo.
• Paso 5. ¿Se puede reducir más el material? Si es conveniente
Después de haber analizado el diseño y el mecanismo, todavía es preferible revisar el
diseño con enfoque a reducir el material y así tener la posibilidad de reducir el peso para
tener un mejor uso de éste, ahorrando costos y reduciendo volumen del prototipo para
adicionar al movimiento del robot con más amplitud de movimiento. Además pensando
en la sustentabilidad del producto y el impacto que tiene al medio ambiente (Dogan,
2007), al tratar de reducir el mínimo material posible para la funcionalidad del producto.
• Paso 6. Selección de tornillos para ensamble, y localización de ellos
Una vez que se tiene el diseño final del sujetador, incluyendo el mecanismo. Se
continuará con la selección de tornillos estándar, que para este caso se escogieron
tornillos de 3/8 y 1/2 pulgadas. Siguiendo por la localización de la posición del barreno,
utilizando los tornillos grandes para ensamblar las piezas de mayor tamaño y los
tornillos más pequeños para las piezas de menor tamaño. Además se utilizará tornillos
más pequeños en caso de ser necesario para el funcionamiento correcto del mecanismo.
Un punto importante a resaltar es la decisión de realizar o fabricar en varias partes el
prototipo del sujetador, con el fin de facilitar la manufactura de las piezas y facilitar el
56
desecho de las piezas. Además de tener facilidad de reemplazar partes en caso de
cambiar alguna por daño o desgaste.
• Paso 7. Realizar manufactura de piezas
Ya teniendo el diseño completo, se entra a la etapa de manufactura de las piezas de
ensamble. Realizando en este punto el maquinado o cualquier otro proceso de
manufactura necesario para la producción de las piezas. Por otro lado, en esta etapa se
puede hacer uso de la máquina de prototipado rápido para facilitar la reproducción de
alguna pieza del mecanismo con forma no sencilla, para evitar cualquier otro proceso de
manufactura más largo o con mayor costo, teniendo en cuenta que es preferible que la
pieza sea pequeña para así evitar cualquier costo grande generado por el material del
prototipo rápido.
• Paso 8. Ensamblar sujetador
En éste último paso, solo resta ensamblar cada pieza para ensamblar el prototipo del
sujetador, utilizando los tornillos estándar previamente seleccionados, y así tener
completado el prototipo del sujetador. Por último se ensambla el sujetador al brazo robot
para integrar el escáner láser Exa-scan, y tener la función del escáner láser semi-
automático, para la calibración y uso de escaneado de piezas para diversas aplicaciones.
Un punto a resaltar son los pasos en donde se tiene que incorporar nuevos cambios, que
son los pasos donde se hacen las preguntas, en este aspecto se debe de tomar en cuenta
los tiempos del cambio en el diseño, y replantear todo un esquema de planeación para la
implementación del cambio, junto con un análisis de costos, para verificar que el nuevo
cambio en diseño o en manufactura que no eleve demasiado el costo final. Para esto es
posible implementar técnicas de planeación del proceso de cambio de diseño, donde se
encuentran diferentes artículos diversos respecto al tema (Karniel y Reich, 2012).
57
CAPITULO V: DESARROLLO POR ETAPAS
En la etapa inicial de la metodología se indica el comienzo de la búsqueda del estado del
arte y bibliografía necesaria que generen aporte al proyecto. Centrando la búsqueda en
los siguientes puntos.
• Aplicaciones similares, buscando en bases de datos disponibles.
• Aplicaciones de robot autónomos.
• Métodos de inspección tradicionales y automáticos.
• Aplicaciones de escáneres sin contacto.
• Temas de ergonomía.
• Diseño de producto.
• Métodos para el diseño
La búsqueda de bibliografía se realizó a lo largo del proyecto recopilando diferente
bibliografía relacionada los temas centrales.
5.1 Estudio de Ergonomía
Para complementar la justificación del proyecto, se realizó un estudio de ergonomía,
utilizando un método sencillo y eficaz, como lo es el método RULA (Rapid Upper Limb
Assessment, por sus siglas en inglés). El proceso del método RULA fue explicado
previamente dentro del estado del arte, y por consiguiente se obtuvieron los siguientes
datos de la tabla 5.8, realizando el estudio a 7 personas de la celda de manufactura, las
cuales tienen acceso al escáner láser Exa-scan.
Una falta de ergonomía en la actividad de trabajo puede ocasionar desórdenes de trauma
acumulativo (Niebel, 2009). a menudo llamados lesiones por movimiento repetitivo o58
desórdenes músculo-esqueléticos relacionados con el trabajo, los cuales son lesiones del
sistema músculo-esquelético que se desarrollan gradualmente como resultado de
microtraumas repetitivos debidos a un pobre diseño y al excesivo uso de herramientas
de mano y otros equipos.
La forma de evaluar las posturas y recopilar los datos fue como sigue. Se tomó un video
de cada individuo realizando el proceso de calibración manual, y dicho video se
evaluaron los movimientos más extremos o de mayor dificultad.
Después se realizaron dos calibraciones más por cada individuo, y se fueron obteniendo
fotografías durante el proceso de las diferentes posiciones que realizaban los operadores
por cada paso de la calibración manual.
Tales fotografías fueron utilizadas para conseguir los ángulos de separación entre cada
miembro del cuerpo contra el dorso en posición vertical. Al final se decidió en realizar
la evaluación solo en el lado derecho ya que es el lado más crítico o con los
movimientos más extremos. La tabla 5.1, muestra los datos que se obtuvieron de los
movimientos realizados por el operador 1, además en la figura 5.1, se muestra un
ejemplo de cómo se estuvieron obteniendo los datos provenientes de las fotografías
tomadas durante el estudio de movimientos.
59
Figura 5. 1 Fotografías mostrando los ángulos de diferentes posiciones para evaluarlas
con el método RULA, del Operador 1.
Tabla 5. 1 Datos para evaluación de método RULA, Operador 1.
Grados
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Si/No Min Max Promedio
Operador 1
Brazo 17 13 21 N/A 13 21 17.00
Hombro elevado, abducido o rotado No hay modificación No N/A
Antebrazo 40 46 45 N/A 40 46 43.67
Antebrazo cruza la linea central del
cuerpo o más alia de posición vertical
del codo.
Antebrazo cruza la linea central
del cuerpo Si
N/A
Muñeca 13 12 14 N/A 12 14 | 13.00Desviación Radia o cubital No hay modificación No N/A
Giro de muñeca No hay giro en rango extremo No N/A
Cuello 30 31 28 N/A 28 31 | 29.67Cuello rotado o inclinación de cuello No hay modificación No N/A
Tronco 8 11 10 N/A 8 11 9.67
Torsión o inclinación lateral del tronco No hay modificación No N/A
Piernas
De pie con los pies
simétricamente distribuidos Si N/A
60
Así sucesivamente se obtuvieron los datos de los operadores restantes que se evaluaron,
en la tabla 5.2 se muestran los datos del segundo operador. Los demás operadores
tuvieron datos muy similares, ver tabla 5.3 a 5.7.
Tabla 5. 2 Datos para evaluación de método RULA, Operador 2.
Grados
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Si/No Min Max Promedio
Operador 2
Brazo 8 16 18 N/A 8 18 14.00
Hombro elevado, abducido o rotado No hay modificación No N/A
Antebrazo 27 56 41 N/A 27 | 56 | 41.33Antebrazo cruza la linea central del
cuerpo o más alia de posición vertical
del codo.
Antebrazo cruza la línea central
del cuerpo SI
N/A
Muñeca 16 14 18 N/A 14 | 18 | 16.00Desviación Radia o cubital No hay modificación No N/A
Giro de muñeca No hay giro en rango extremo No N/A
Cuello 28 21 29 N/A 21 29 | 26.00Cuello rotado o inclinación de cuello No hay modificación No N/A
Tronco 9 4 5 N/A 4 | 9 | 6.00Torsión o inclinación lateral del tronco No hay modificación No N/A
Piernas De pie con los pies Si N/A
Tabla 5. 3 Datos para evaluación de método RULA, Operador 3.
Grados
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Si/No Min Max Promedio
Operador 3
Brazo 6 10 7 N/A 6 10 7.67
Hombro elevado, abducido o rotado No hay modificación No N/A
Antebrazo 59 62 64 N/A 59 64 61.67
Antebrazo cruza la linea central del
cuerpo o más alia de posición vertical
del codo.
Antebrazo cruza la linea central
del cuerpo Si
N/A
Muñeca 38 30 41 N/A 30 41 36.33
Desviación Radia o cubital No hay modificación No N/A
Giro de muñeca No hay giro en rango extremo No N/A
Cuello 42 33 36 N/A 33 | 42 | 37.00Cuello rotado o inclinación de cuello No hay modificación No N/A
Tronco 7 -5 5 N/A 4 | 7 5.33Torsión o inclinación lateral del tronco No hay modificación No N/A
Piernas De pie con los pies Si N/A
61
X
Tabla 5. 4 Datos para evaluación de método RULA, Operador 4.
Grados
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Si/No Min Max Promedio
Operador 4
Brazo 12 11 4 N/A 4 12 9.00
Hombro elevado, abducido o rotado No hay modificación No N/A
Antebrazo 49 47 50 N/A 47 | 50 48.67Antebrazo cruza la linea central del
cuerpo o más alia de posición vertical
del codo.
Antebrazo cruza la línea central
del cuerpo Si
N/A
Muñeca 32 25 11 N/A 11 | 32 | 22.67Desviación Radia o cubital No hay modificación No N/A
Giro de muñeca No hay giro en rango extremo No N/A
Cuello 22 10 5 N/A 5 | 22 | 12.33Cuello rotado o inclinación de cuello No hay modificación No N/A
Tronco 32 24 24 N/A 24 | 32 | 26.67Torsión o inclinación lateral del tronco No hay modificación No N/A
Piernas De pie con los pies Si N/A
Tabla 5. 5 Datos para evaluación de método RULA, Operador 5.
Grados
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Si/No Min Max Promedio
Operador 5
Brazo 14 8 6 N/A 6 14 9.33
Hombro elevado, abducido o rotado No hay modificación No N/A
Antebrazo 60 55 70 N/A 55 70 61.67
Antebrazo cruza la linea central del
cuerpo o más alia de posición vertical
del codo.
Antebrazo cruza la línea central
del cuerpo Si
N/A
Muñeca 11 23 5 N/A 5 | 23 13.00Desviación Radia o cubital No hay modificación No N/A
Giro de muñeca No hay giro en rango extremo No N/A
Cuello 40 38 30 N/A 30 | 40 | 36.00Cuello rotado o inclinación de cuello No hay modificación No N/A
Tronco 22 18 22 N/A 18 | 22 | 20.67Torsión o inclinación lateral del tronco No hay modificación No N/A
Piernas De pie con los pies Si N/A
62
Operador 6
Tabla 5. 6Datos para evaluación de método RULA, Operador 6.
Grados
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3 Si/No Min Max Promedio
15.00
Brazo
Hombroelevado, abducido o rotado
Antebrazo
Antebrazo cruza la linea central delcuerpo o más alia deposición verticaldel codo.
Muñeca
Desviación Radía o cubital
Giro de muñeca
Cuello
Cuello rotado o inclinaciónde cuello
Tronco
Torsión o inclinación lateral del tronco
8 25 12
No hay modificación
33 28 25
Antebrazo cruza la línea centraldel cuerpo
No hay modificación
No hay giro en rango extremo
35 18 27
No hay modificación
10
No hay modificación
De píe con los pies
N/A 25
No N/A
N/A 25 33 28.67
N/A
N/A 5.33
No N/A
No N/A
N/A
No
18 35 26.67
N/A
N/A 4 10 7.00
No N/A
N/A
Tabla 5. 7Datos para evaluación de método RULA. Operador 7.
Hombroelevado, abducido o rotado
Antebrazo
Antebrazocruzala linea central delcuerpo o más alia de posición verticaldel codo. .
Grados
Muestra 1 Muestra 2 Muestra 3
22 21
No hay modificación
33
Antebrazo cruza la línea centraldel cuerpo
34 25 28
Sí/No
N/A
No
N/A
Min Max Promedio
22 16.33
N/A
33 | 46 | 41.00
N/A
25 34 29.00
Operador 7Muñeca
Desviación Radia o cubital No hay modificación
N/A
No N/A
N/AGiro de muñeca
Cuello
Cuello rotado o inclinaciónde cuello
Tronco
Torsión o inclinación lateral del tronco
Piernas
No hay giro en rango extremo
29 36 18
No hay modificación
14 18 19
No hay modificación
De pie con los pies
63
No
N/A
No
18 36 27.67
N/A
N/A 14 19 17.00
N/A
N/A
Tabla 5. 8 Resumen de puntajes finales para el estudio de ergonomía.
Puntuaciones generales
OperadoroSICS
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r3uQ
1
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c
EB
-O
c
Cu
1 3 2 2 4 2 2 3 4 0 5 5 6
2 3 1 3 3 2 2 3 4 0 4 5 5
3 3 1 3 3 2 2 3 4 0 4 5 5
4 3 1 3 3 2 3 3 5 0 4 6 6
5 3 1 3 3 2 3 3 5 0 4 6 6
6 3 2 2 4 2 2 3 4 0 5 5 6
7 3 2 3 4 2 2 3 4 0 5 5 6
Los resultados mostrados en la tabla 5.8 revelan según la tabla 3.6 del método RULA
que el proceso manual de calibración se encuentra en un nivel 3, lo que se concluye que
se requiere un rediseño de la tarea, y es necesario realizar actividades de investigación.
5.2 Desarrollo del diseño en software NX
La parte inicial del diseño se inicia en la generación de ideas de posibles diseños de
sujetador. Tales ideas se pueden plasmar en bosquejos en papel para poder capturar la
idea de manera rápida y sencilla. Aunque generalmente hablando, lo que se ha entendido
en el proceso de diseño es que es difícil de entender el proceso del arte del diseño
64
(Leitner et al. 2013), ya que el rol del conocimiento yde cómo es usado en el proceso dediseño es crucial, como la relación entre el diseñador yel cliente, de cómo las ideas yeldiseño son comunicados a través el proceso de generación del concepto, ycomo éstedebe ser entendido entre ambas partes para poder obtener el mejor concepto yque elcliente esté a gusto con él.
Se generaron diferentes bosquejos en papel, resaltando 3posibles diseños como diseñosa escoger, los cuales se muestran en la figura 5.2.
X
b) ej
Figura 5. 2 Bosquejo de diseños principales a seleccionar.
Tomando en cuenta que los bosquejos que se propusieron solo incluye el área tentativapara el mecanismo que acciona el láser en el escáner, ya que se define éste, más adelanteal tener las dimensiones finales establecidas. Otro aspecto importante para la eleccióndel diseño del sujetador es tomar en cuenta las funciones esenciales que tiene el mismo,como menciona Boyle et al. (2004), yno enfocarnos solamente en el dimensionamientocomo punto crítico.
En la propuesta de diseño con letra a), se consideró crear una base para asentar elescáner, yse propuso agregar una pieza que pueda abrir ycerrar e hiciera la función deuna tapa en forma de la parte superior del escáner, yasí asegurar el mismo.
La propuesta con letra b), es la propuesta que se eligió, yse propuso sentar el escáner en3puntos, sobre una base, yluego asegurar el mismo con otra pieza que restringiera el
65
movimiento del mango, simulando la acción que realiza la mano en la calibración
manual. Dejando espacio en la parte de atrás para desarrollar el mecanismo una vez que
se eligiera el pistón, con el cual se iba a trabajar. Además se colocaron unas guías para
la parte que va asegurar el mango del escáner para una mayor agilidad en cerrar o liberar
éste.
En la propuesta de letra c), se contempló en crear una especie de guía en los costados de
la base, para permitir colocar el escáner a través de estas y de la misma manera asegurar
el escáner con otra pieza que funcionara como un cerrojo. A diferencia de los diseños
pasado, para esta propuesta se pensó en colocar el mecanismo en la parte de debajo de la
base para hacer más corta la base y ocupar menos volumen.
El método de descarte de los diseños restantes fue considerando las siguientes ventajas
principalmente, que otorga la opción elegida.
> Ser un diseño más simple posible.
> Usar la menor cantidad de material.
> Proteger el área del mecanismo que acciona el láser.
Una vez seleccionado el mejor diseño a consideración del diseñador, se toma en cuenta
la metodología para la toma de decisión en diseño y manufactura del sujetador.
Comenzando con establecer las restricciones de volumen, dimensiones, limitaciones de
equipos (Robot y Escáner), etc.
Se estableció que el peso del escáner es de 1.3 Kg de acuerdo a las especificaciones del
producto. Se analizó los movimientos del robot en la hoja de datos del robot Kuka,
tomando en cuenta el área de trabajo que puede abarcar el robot. A partir de ello se
establecieron las dimensiones finales y así tener un diseño conceptual completo.
()(»
Además de la definición de las dimensiones, se analizaron diferentes propuestas de
pistones, para hacer funcionar el mecanismo que acciona el láser.
Siendo las dos principales propuestas, el uso del gripper del robot o un pistón de 1 Mpa,
tal y como se muestra en la figura 5.3.
Figura 5. 3 Propuestas de principales opciones de pistones neumáticos.
Se consideró el gripper del robot (imagen izquierda), porque es el actuador que maneja
el robot y tiene una fuerza considerable. El pistón pequeño (imagen derecha), cuenta con
una fuerza de 1 MPa, suficiente para poder presionar el botón del escáner.
Para la definición de la elección del pistón, se fue creando el diseño en el software NX,
con dimensiones considerables, e incorporando el modelo CAD de cada pistón, como
podemos observar el modelo CAD del pistón de IMpa, en figura 5.4.
67
Figura 5. 4 Modelo CAD de pistón de 1 Mpa.
Cabe destacar que para obtener los modelos CAD de los pistones, se realizó ingeniería
inversa de la parte exterior de cada pistón, obteniendo las mediciones de ellos,
utilizando un vernier y diseñando el modelo CAD en NX.
En la figura 5.5, se muestra el primer modelo del sujetador, con una base extendida y
cada una de las partes que completan el ensamble.
Figura 5. 5 Primer modelo CAD del sujetador.
Una vez que se tiene la primera propuesta de diseño, se tiene que decidir por el material
a usar para manufacturar el producto. Se analizaron 3 opciones, los cuales son el acero,
68
el aluminio, y el Nylamid. Siendo el principal punto de descarte el peso que este
ocasiona al diseño del sujetador.
Analizando de manera sencilla la densidad de cada material, tenemos que los aceros
tienen alrededor de 7.85 gr/cm3, el aluminio 2.7 gr/cm3, y el Nylamid alrededor de 1.14
gr/cm3.
Además de su fácil maquinado del nylamid, y que no desgasta las herramientas como
los metales, es un material adecuado para la construcción del prototipo del sujetador, ya
que cuenta con buenas propiedades, mostradas en la Tabla 5.9.
Tabla 5. 9 Propiedades principales del Nylamid. (Nylamid, 2013)
ÍNYLAMIPROPIEDADES
N'ORMA
ASTMUNIDADES
TIPOS DI 2
U TS M
DENSIDAD D~S2 PCSÍ! l.M 1.14 1.14 1.11 1.14-1.15
DUREZA SHORE-D e:-e2 s:-sf 80-82 "4-"" s:-e?
ABSORCIÓN AGUA: 24 tas. D5_0 :o 0.60 0.5-1 0.60 0.6-1.15
HASTA SATURACIÓN :::v.i\ 3 1 3 --9
TEMPERATURA DE SERVICIO D648 °C 100 110 100 100
COEFICIENTE ESPOSICION TÉRMICA MM 1°C 100X10(-6¡ ic-:xie<-s> 100X10(-61 4"5 100X10(-5I
RESISTENCIA A LA TENSIÓN MU ka or.: "20 810-914 "2: ¡:: 632-S43
RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN D695 fcEcm1 tst 6"0-S10 S5Í 111 143
RESISTENCIA A LA FLEXIÓN D"K kacir.: 1.20: "0-1.2~0 1.200 E_;-;s4
RESISTENCLA .AL IMPACTO D256 fcE-mcm 8.0 11 E s: * í.5
ELONGACIÓN Di3 8 :c 15-30 4: 15-3: m 50
MODULO DE ELASTICIDAD D638 k¡tar.: 24.000 21.0*3-28.124 24.000 28.120
COEFICIENTE FRICCIÓN SECO:
ESTÁTICO 0.3 i 0.4 0.05-0.1 : :"í: i:
DINÁMICO 0.15» 0.3 0.06i 0.1 o.r-o.4
Además se identificaron las aplicaciones comunes en el mercado según el tipo de
Nylamid, como se muestra en la Tabla 5.10.
69
Tabla 5.10 Descripciones y Aplicaciones del Nylamid. (Nylamid, 2013)
DESCRIPCIONES Y APLICACIONES
Tipo de Nylimid Descripción del producto Aplicaciones
NylamidX 14
(M = Mecánico) Es color hueso y esta aprobado pantrabajar en contacto directo con alimentos deconsumo humano, por la SECOFI (NMX-E-202-1993-SCFT)
• Cojinetes • Tolvas• Ruedas • Aislantes
• Engranes eléctricos• Poleas • Aislantes
• Catarinas térmicos
• Sellos de • Piezas de
válvula impacto• Guias de • Raspadores
desgaste • Moldes• Rodillos • Prototipos
Nylamid* SL(SL = Super Lubricado)Es negro y está cargado conbisulfito de motibdeno parareducir su coeficiente deficción.
NylamidX XL(XL • eXtra Lubricado) Es verde y tiene una cargade aceite para reduciraún más su coeficientedeficción y además es de baja absorciónde humedad.
NylamidX TS
(TS = Tabla de Suaje) Es color ámbary también esproducido por vaciado con una formulaciónespecialde nylon 6 12. diferente a la de tos anteriores. Conesta íxmuUción se obtienen materiales de alta
resitencia, ideales para usarse en el corte o suajado
industrial, ya que protegen las herrmamientas ypermiten un mejor acabado de corte.
Tabla o pasta de suaje para corte de: piel, cuero,plástico, vinil. cartón, asbesto, juntasautomotrices, hule, etc.
NylamidX ó 6Es de color hueso y puede trabajaren contactodirecto con alimentos de ffltWHBO humano.
• cojinetes• raspadores
• er.srar.ej• piezas de
• catarinasimpacto
• zutas de• prototipos
deseaste . - . -. , • ruedas
• aislantes
•léctricos• sellos de
• empujadores ., ,. .... válvula
ZZ^T • «BU»de bandaNylamidX 6 6 SL
Es negro y está cargado con bisullúro de moliboenopara reducir su coeficiente de ficción.
También, se tenía la facilidad de utilizar este material dentro de la celda de manufactura,
ya que es de uso común para construcción de piezas en general.
Después de haber obtenido el diseño completo en CAD y haber seleccionado el material,
se siguió con el paso 3 del diagrama mostrado en la figura 5.2, y se hizo la pregunta, si
es manufacturable. De este modo se estableció que la manera más rápida de fabricar las
piezas es a través del maquinado de las piezas con el CNC, además de tener la facilidad
de realizar la producción de las partes dentro de la misma celda de manufactura.
70
Después de analizar el diseño, resultó que la base de la pieza del ensamble era muy
larga, y no era posible sujetar las piezas dentro del CNC. Por lo cual se rechazó la
primera propuesta de diseño y se regresó al paso 1 para establecer nuevamente las
restricciones en el dimensionamiento de las partes.
La primera propuesta del diseño, contenía suficiente área para aceptar el gripper del
robot para poder utilizarlo en caso de que fuera lo más conveniente. Pero al final se
tomó la decisión de descartar el gripper y se redujo el área para la construcción del
diseño del mecanismo y así adoptar el pistón de tamaño más pequeño.
La base del sujetador se definió como se muestra en la figura 5.6. Se reduce el material
solo dejando el espacio suficiente para el soporte del escáner y para el mecanismo. La
figura se muestra ya con todos lo barrenos definidos y posicionados para mostrar la
parte completa, ya que fue extraída la imagen del diseño final.
Figura 5. 6 Base del sujetador.
71
La unión de las dos partes de la base se realizó con 5 tornillos posicionados en la parte
posterior, como se puede observar en la figura 5.7.
Figura 5. 7 Vista posterior de la base del sujetador.
Además se adicionaron 2 piezas pequeñas para poder reforzar la unión entre las piezas
de la base, mostrando en la figura 5.8 la pieza individual en modelo CAD, las cuales se
van a observar en el ensamble final.
Figura 5. 8 Pieza en CAD del soporte para base.
72
El diseño contempló 3 puntos de apoyo para poder colocar el escáner láser, para así de
forma sencilla asentar el escáner en el sujetador En la figura 5.9 se muestran las 3 piezas
de los puntos de apoyo.
Figura 5. 9 Puntos de apoyo para el escáner en el sujetador (Modelo CAD).
La forma en la cual se asegura el escáner se pensó de forma similar a la que el operador
de forma manual manipula el sujetador, proporcionando al escáner seguridad en el
manejo. La figura 5.10 muestra las piezas diseñadas para poder asegurar el escáner.
Siendo las piezas verdes las guías para poder insertar de forma rápida la pieza azul que
se muestra, la cual restringe el movimiento del mango del escáner y a su vez, cualquier
movimiento del mismo.
73
Figura 5.10 Piezas para asegurar el escáner.
De la mano del diseño en CAD, también se trabajó en los planos para poder
manufacturar las piezas en la máquina CNC. Algunos ejemplos de planos se muestran
en la figura 5.11 y figura 5.12.
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Figura 5.11 Plano de pieza que ensambla con robot.
74
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0
0
Figura 5.12 Plano de la pieza base.
Para accionar el botón que manda la señal para el láser se diseñó un mecanismo, el cual
hace uso del pistón de 1 MPa. La figura 5.13 muestra la construcción final del
mecanismo.
Figura 5.13 Diseño final del mecanismo.
75
El diseño se pensó de manera de colocar el mecanismo por debajo del escáner.
aprovechando el área que quedadespués de ensamblar el escáner.
El mecanismo se divide en diferentes partes. Como se observa en la figura 5.14, el
modelo CAD de color verde, es el modelo del pistón, el cual ensamblar con un tomillo,
con la piezade color rosa, que está montada en una guía. Las guías se diseñaron con un
claro de 0.15mm, y se diseñaron sus soportes de acuerdo a la altura que se quena, y se
adecuaron los barrenos en posiciones adecuadas.
La pieza rosa se ensambla con un tomillo en la pieza de color morado. Se diseñaron
estas dos piezas (pieza rosa y morada) por separadas, para poder ensamblarlas en las
guías sin ninguna dificultad. También se puede apreciar el diseño de las guías en la
figura 5.15.
Figura 5.14 Mecanismodel sujetadoren modeloCAD.
76
Figura 5.15 Guías para el mecanismo.
El mecanismo tiene un movimiento corto, de tan solo 2 centímetros. En la figura 5.16 se
observa en el lado izquierdo la posición final, y a la derecha la posición inicial.
Figura 5.16 Posición inicial y final del mecanismo.
77
El diseño se realizó de manera que la pieza de color morado nunca toque el botón del
escáner para evitar cualquier daño al botón. Se pensó de manera que llegue a una
distancia de 1 cm del botón, para después agregar un elastómero pegado a la pieza en
forma de dedo, el cual hará contacto con el botón del escáner. En la figura 5.17 se
muestra una imagen con mejor apreciación de la pieza morada donde estará el
elastómero.
Figura 5.17 Diseño de la pieza en forma de dedo (Color morada).
Finalmente, el diseño completo se muestra en la figura 5.18. Donde se puede observar
todas las partes ya ensambladas en su posición final.
Figura 5.18 Diseño del sujetador con partes ensambladas.
78
Después de completar el modelo CAD del sujetador, se continuó con la manufactura de
éste, mandando las piezas y planos con la persona encargada de la máquina CNC en la
misma celda de manufactura. Lo cual no se incluyó el diseño o programación del
maquinado de las partes, debido a la complejidad de éste, pero es posible ser explorado
dentro del trabajo futuro e implementar técnicas de maquinado (Erturk et al. 2006) para
la producción masiva del sujetador en caso de ser necesario, o enfocarse en los errores
que pueden surgir en el maquinado o solo mejorar tolerancias en el maquinado (Qin et
al. 2004).
Las piezas del mecanismo se mandaron a la máquina de prototipado rápido para así
adelantamos al tiempo y tener las piezas con más rapidez, debido a la carga de trabajo
del CNC. Además que el objetivo era crear un prototipo del sujetador.
Ya con las piezas físicas se procedió con el ensamble de las piezas y después con el
ensamble con el robot. Ver Sujetador completo en figura 5.19, y la figura 5.20 se
observa el ensamble final con el robot.
Figura 5.19 Ensamble final del sujetador.
79
Figura 5.20 Ensamble final del sujetador con el Robot Kuka.
En paralelo a la construcción de las piezas se hicieron prácticas con la calibración y
escaneo manual, mismas que permitieron la toma de tiempos y experimentar las
desventajas ya dichas de la calibración manual.
El diseño mecanismo se validó realizando algunas pruebas con el control del robot
permitiendo activar el pistón neumático y demostrando que el mecanismo realmente
accionaba el botón del escáner para activar el láser, ver figura 5.21.
Figura 5.21 Pmebas para validar el diseño del mecanismo.
80
Ya completado totalmente el diseño, se procedió con la escritura del código de la
subrutina del robot, escribiendo los movimientos del robot utilizando solo 3
instrucciones.
Las instrucciones que se utilizaron:
1. Movimiento Punto a Punto.
2. Abrir Pinzas.
3. Cerrar Pinzas.
La forma de escribir el código, fue moviendo el robot y definir la trayectoria para la
calibración, y durante esta, se grabaron los puntos deseados con la instrucción 1, y para
activar la salida de aire para activar el pistón, se utilizó la instrucción 2. Por último para
terminar con la calibración se desactivó el pistón para desactivar el láser.
Después de terminar con el primer código que se obtuvo, se realizaron las conecciones
necesarias al programa, eliminando y cambiando los puntos grabados, además de
modificar las velocidades por cada movimiento del robot.
Al final, el total de líneas que se escribieron fueron 44 líneas de código utilizando solo
las instrucciones mencionadas. En la figura 5.22 se muestra el panel del Robot Kuka, el
cual se utilizó para manipular el robot y escribir el código de la subrutina.
Figura 5.22 Panel de control del Robot Kuka.
81
Cuando se terminó con la escritura del código, se realizaron pruebas de calibración
semiautomáticas para verificar la uniformidad del tiempo. Siendo 1 minuto con 45
segundos el tiempo estándar de calibración que se determinó durante las pmebas.
Destacando el hecho que se redujo más del 50% del promedio de tiempo en calibración
manual.
En la etapa 3 y último paso, solo se realizó la experimentación del escaneado con el
escáner semiautomático, tomando como muestra una pieza cualquiera.
En la figura 5.23, se observa la imagen donde se escanea la pieza muestra, la cual es una
parte de un embrague de ferrocarril.
Figura 5.23 Escaneado de una pieza muestra.
La manera para escanear adecuadamente la pieza, es solamente de colocarle los puntos
objetivos, los cuales se pegan a la pieza y al área de trabajo, con el fin de ubicarla en el
espacio. Después solo se procede a escanear la pieza directamente.
El software del escáner va generando la malla de puntos al mismo tiempo del escaneado,
y depende del escáner en localizar los puntos objetivos necesarios para ir captando la
mayor cantidad de puntos posibles. En la figura 5.24 se muestra la pantalla del software
del escáner utilizado y parte de la malla de puntos de la pieza muestra.
82
Figura 5.24 Malla de puntos obtenida del escaneado.
La nube de puntos mostrada en la figura 5.24, solo es una muestra de un escaneo de
práctica que se tuvo con el fixture ya ensamblado con el robot y el escáner láser. No se
terminó el escaneado debido a que no era el alcance del mismo, por tal motivo solo se
presenta parcialmente, dando una entrada a continuar con la línea de investigación ahora
ya en el escaneo de piezas, una vez terminada la semi-automatización del calibrado del
escáner.
83
CAPITULO VI: RESULTADOS Y DISCUSIONES
En el uso normal del escáner láser sin contacto se encontró una alta variabilidad en el
tiempo del proceso de escaneado, ya que el tiempo depende del operador y es afectado
por el cansancio del mismo, y la calidad de la inspección solamente depende de la
habilidad e integridad del operador (Shastri, 2005), así como el mismo cansancio y
fatiga del operador es la mayor preocupación poique afecta la calidad de la inspección.
Los resultados de la calibración manual era lo que se esperaba, una alta variabilidad en
el tiempo de calibración, teniendo un promedio de tiempo ocupado de operador de 6
minutos 57 segundos, con una máxima de tiempo de hasta 21 minutos, y una mínima de
tiempo de 1 minuto y 30 segundos, lo cual solo sucedió en una solo ocasiones para
ambos tiempos extremos.
La semi-automatización del proceso de calibrado por medio de un brazo robot Kuka,
brindará ventajas como mantener un tiempo uniforme estándar de calibrado del escáner,
resaltando la importancia de este proceso de manera que en algún proceso que se
produzcan piezas de diferentes tamaños es recomendable calibrar el escáner entre cada
cambio de tamaño de pieza para mantener la precisión del escaneado, con el objetivo de
disminuir al mínimo el error del escáner y tener una precisión mayor de la inspección de
la pieza o en alguna otra aplicación del escáner láser. Aunque, resaltando que el alcance
de este proyecto fue solamente hasta la semi-automatización del proceso de calibrado
mejorando aun así el tiempo contra la calibración manual.
Para tal aplicación se diseñó y fabricó un sujetador para integrar el escáner láser con el
brazo robot, brindando protección al escáner para que trabaje con total seguridad de
acuerdo a los movimientos del robot, agregando el diseño de un mecanismo el cual
84
activa el botón de accionamiento del escáner, donde se tomó en cuenta la fuerza
aplicada al accionador.
La implementación del nuevo sujetador para el escáner láser Exa-scan tiene una utilidad
importante porque elimina la variación que un operador aplica al proceso de calibración,
y por consecuencia también debe ser durante el escaneo, por lo tanto proporciona una
uniformidad del ciclo de tiempo para la calibración, y un escaneo determinado. Además
que resuelve el problema de ergonomía presentado en el proceso manual, y se adiciona
una operación más al brazo robot, aumentando las capacidades de una celda de
manufactura.
El resultado final de la semi-automatización fue un tiempo de 1 minutos y 45 segundos,
logrando así una uniformidad de tiempo entre cada muestra que se tomó, las cuales
fueron al menos 10 corridas, mostrando el mismo tiempo para la calibración del escáner,
ahora de forma semi-automática.
Las limitantes que se consideraron para la creación del sujetador, fueron el material a
utilizar, y restricciones de peso para estar dentro de las especificaciones del robot Kuka,
para esto se eligió el nylamid como material base y se realizó el primer prototipo para
unir del escáner con el brazo robot.
El escáner láser se activa por medio de un botón que acciona el láser para empezar la
recolección de puntos del objeto a escanear, por tal razón se desarrolló un mecanismo
asistido por el software NX y una máquina de prototipado rápido para la creación de
distintos prototipos para lograr tener un accionador eficaz que brinda la confianza y
protección para mantener en buen estado el accionador del escáner. Además, se utilizó
una válvula neumática de 1 MPa de fuerza para proporcionar movimiento al mecanismo,
misma que se conecta al robot Kuka y es activada por comandos dentro del código de la
rutina de calibración automática.
En cuanto al tiempo de calibración conseguido como resultado final comprueba la
hipótesis, confirmando que fue posible reducir en al menos 50% el tiempo promedio que
85
se obtuvo como dato inicial de calibración manual, y otorgando uniformidad de tiempo
al proceso de calibración.
Además se generó un diagrama de flujo con los pasos para seguir mejorando el fixture
de una forma ordenada y efectiva, lo cual entrega un resultado cualitativo dentro del
proyecto, ya que otra persona puede continuar con la línea de investigación con la
posibilidad de mejorar aún más la calibración del escáner en caso de ser necesario.
El código de la subrutina del robot no se agregó al documento, debido que es una serie
de instrucciones simples, las cuales permiten controlar las velocidades de los
movimientos del robot principalmente, y no muestra información significativa, solo el
número de paso del código y opción de velocidad ya mencionado.
Con esto se observa que para el trabajo futuro del escaneo de piezas, es sencillo grabar
códigos de subrutina nuevos en el robot kuka, y teniendo la posibilidad de controlar la
velocidad del escaneado se tiene el control de la cantidad de puntos aproximados que se
desea tener.
86
CAPÍTULO VII: CONCLUSIONES YTRABAJO FUTURO
Con la metodología propuesta, diseño y manufactura del sujetador y calibraciónsemiautomática, se establecen las bases para continuar la investigación en laautomatización del escáner láser por medio de un brazo robot, yasí seguir extendiendoel campo de la ingeniería inversa yaplicar sus ventajas dentro de la industria oquienestrabajan en una línea de producción, oceldas de manufactura. En la actualidad se buscaincorporar la inspección para la calidad de los productos dentro de la línea deproducción, agregando una estación en línea dentro de la línea de producción, por talmotivo existen investigaciones (Trejo, 2010) para la inspección por medio de escaneoóptico incorporado en una estación de trabajo, de maneara automática o semi-automática, por este argumento se resalta la importancia de ampliar la investigación dela automatización del escáner láser sin contacto por medio de un brazo robot, ya que es
una línea de investigación importante para la industria que utiliza celdas de manufactura
con un brazo robot.
La importancia del tema es de gran interés porque se quiere evolucionar los sistemas deaseguramiento de calidad para incrementar la productividad de las empresasdisminuyendo el tiempo de producción yde la inspección, por lo tanto se presenta unaopción posible de diseño ycreación del sujetador para incorporar un escáner láser sincontacto a un brazo robot, para el aseguramiento de la calidad como un sistemainnovador y de vanguardia utilizando un escáner láser, el cual cabe mencionar quenunca se ha automatizado este tipo de escáner, a excepción de algunos escáneres
ópticos.
Se establecen las bases para poder continuar con la automatización del proceso deescaneado del escáner láser Exa-scan, ya que solo existe el escaneado manualactualmente; proporcionando un sujetador adecuado para el propósito; además,
87
automatizando el proceso de escaneado se evitará la fatiga del operador, el cual es un
tema muy importante en el tema de ergonomía para una operación de producción, ya
que es muy fácil tener cansancio cuando el operador dura más de cinco minutos
sosteniendo el escáner láser y como consecuencia una ineficiencia si se quiere tener una
operación con un tiempo estándar o si se pretende tener un tiempo constante de
escaneado.
Además, dentro del trabajo futuro se incluye la manipulación de las trayectorias, para
optimizar el recorrido del barrido de pieza, donde se encuentran diferentes metodologías
para su control (Callies y Rentrop, 2008), y en donde se puede soportar en artículos
referentes a la cinemática del robot (Podhorodeski y Nokleby, 2000).
Por otro lado, se puede incorporar nuevas líneas de investigación de lado de la
simulación con el brazo robot, para poder implementar nuevas trayectorias, ya que
existen herramientas de simulación muy potentes (Lopez-Nicolas, 2011), como también
metodologías que enseñan la cinemática de un robot serial (Sanguino y Márquez, 2010)
combinando la simulación.
ss
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