ES2170653B2 - Mesa circular robotizada para el posicionamiento de piezas u objetos. - Google Patents

Abstract

Mesa circular robotizada para el posicionamiento de piezas u objetos alojados en paleta de su periferia en el área de trabajo de máquinas e instalaciones. Compuesta por un árbol verticalmente dispuesto mediante dos rodamientos transversales internos que lo acoplan sin rozamiento a un eje alojado en su interior y roscado en un extremo para fijarlo a modo de perno a una plataforma base en la que también descansa el árbol mediante un rodamiento axial. Un motor paso a paso a través de un salto de engranajes proporciona el par de giro. El par de mantenimiento de este motor fija la posición de la mesa actuando como freno electromecánico, la secuencia de conmutación para sus fases la proporciona un autómata programable. La mesa consta de los correspondientes sensores de posición y velocidad. El sensor de posición es absoluto lo cual permite la orientación respecto a una referencia en la conexión del sistema.

Description

Mesa circular robotizada para el posicionamiento de piezas u objetos.

La patente se inscribe en el sector de la técnica electromecánico y se refiere a un nuevo prototipo de mesa circular robotizada tipo carrusel para el posicionamiento y desplazamiento de las piezas u objetos, situados en los palets de su periferia, en el área de trabajo de otras máquinas o instalaciones siguiendo un determinado ciclo.

Disponer de una máquina automática que transporte las piezas desde la línea general de fabricación hasta la vertical de trabajo del cabezal de una máquina herramienta supone en general la posibilidad de gestionar eficazmente el flujo de piezas y hacer el proceso de fabricación más flexible. Para ello la mesa almacena temporalmente en los palets de su carrusel las piezas total o parcialmente procesadas antes de devolverlas a la línea general. Las piezas se desplazan a distintas posiciones mediante el giro del carrusel siguiendo un determinado ciclo o secuencia gobernada por un autómata programable.

En otras aplicaciones de la mesa robotizada tales como expositores comerciales, los objetos de los palets se desplazan siguiendo la trayectoria circular y alcanzan secuencialmente la posición frontal del expositor cada uno de ellos, la mesa los mantiene en esa posición un tiempo determinado.

Las mesas circulares robotizadas se construyen habitualmente a partir de un dispositivo mecánico denominado indexador basado en un sistema de leva cilíndrica excéntrica y seguidores de rodillos en el carrusel que es accionado por un motor asíncrono con freno. Sustituir este dispositivo por un salto de engranajes accionado mediante un motor paso a paso, conjunto cuya operatividad es equivalente, supone:

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Hacer más compacto y fiable el sistema mecánico.

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Mejorar su precisión que ahora es función del número de pasos por vuelta del motor y de la desmultiplicación en el salto de engranajes.

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Disponer de un par de mantenimiento a cero pasos/s aportado por este tipo de motor que hace innecesario el freno mecánico para mantener una posición de la mesa.

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Reducir el coste de la mesa.

En la industria auxiliar del automóvil dedicada a la fabricación de juntas homocinéticas es necesario realizar diferentes operaciones en la mangueta de la junta. Para ello las manguetas deben posicionarse en la vertical de trabajo del cabezal de diversas máquinas herramienta: centradoras, templadoras, etc.

La manutención de las máquinas individuales se realiza con mesas de este tipo que cargan una mangueta desde la línea general para procesarla en una máquina herramienta determinada, y devolverla posteriormente a la línea.

Por otra parte también se emplean máquinas de este tipo como expositores comerciales y en general en cualquier aplicación en la que es necesario un sistema de transporte tipo carrusel para desplazar objetos.

La máquina objeto de esta patente de invención, cuyo esquema general se presenta en la figura 1 permite desplazar circularmente las piezas u objetos situados un plato circular giratorio o carrusel que se apoya mediante cuatro ruedas con rodamiento en un bastidor cilíndrico como se indica en la figura. Este carrusel es solidario a un árbol. Mediante el giro de éste árbol que es consecuencia del par torsor aplicado por un motor sin escobillas con rotor de imanes permanentes a través de un salto de engranajes indicado en la figura 3, se alcanzada una posición angular determinada. El propio par de mantenimiento de este tipo de motor a cero pasos por segundo la mantiene.

La máquina consta de dos sistemas: el conjunto mecánico explicitado en las Figuras 2 y 3, y el sistema electrónico de control.

El conjunto electro-mecánico que se aprecia en las Figuras 2 y 3 está formado por:

(1).

Una base a la que se le ha practicado un taladro para acoplar un eje vertical a modo de perno. Además otros taladros sirven para fijar los soportes del motor, de los sensores y los propios soportes de la base.

(2).

Un eje roscado en un extremo, por el que se fija a la base. Este eje es responsable de proporcionar verticalidad al árbol (3) por ello su longitud es mayor que 1/3H, siendo H la altura de dicho árbol como se indica en el despiece de la Figura 3.

(3).

Un árbol que es el elemento dinámico del conjunto, al cual se le ha practicado un taladro interior con dos diámetros diferentes el primero de los cuales de mayor dimensión aloja dos rodamientos transversales (8) que son atravesados por el eje (2) y que también va alojado en el taladro interior practicado al árbol sin hacer contacto con éste. Es decir el eje proporciona la verticalidad al árbol a través de los rodamientos transversales bloqueados concéntricamente a ambos.

(4).

Un rodamiento axial dispuesto en la base del árbol entre éste y la plataforma base que reduce en todo lo posible las pérdidas por rozamiento en la base del árbol.

(5).

Una plataforma circular que es el carrusel giratorio solidaria al árbol mediante tornillo allen. En su periferia se alojan los palets en huecos circulares o mediante tornillos en el borde exterior.

(6).

Un piñón (en el prototipo de 20 dientes y modulo 1) solidario al eje del motor mediante tomillos prisioneros al menos dos situados a 180°.

(7).

Una corona (en el prototipo de 80 dientes y módulo 1) o engrane a la que se practica un taladro interior igual al diámetro exterior menor del árbol y solidaria a éste mediante tomillos prisioneros, al menos dos, a 180 grados.

(8).

Dos rodamientos radiales que acoplan el árbol al eje aportando verticalidad al primero sin introducir un par de rozamiento significativo.

(9).

Un motor sin escobillas (brushless) cuyo rotor esta formado por un número determinado de imanes permanentes. A dos bobinas de su estator se aplica la potencia eléctrica que hace que los pares de polos de éste desplazados mecánicamente la mitad de la distancia entre polos opuestos se exciten alternativamente. La interacción entre rotor y estator hace que el rotor se mueva 1/4 del paso entre polos en cada cambio de polaridad del devanado.

(10).

Un autómata programable que gobierna la secuencia de conmutación para las fases del motor.

(11).

Opto-acoplador del sensor tacométrico.

(12).

Cinta opaca-traslúcida del sensor tacométrico.

(13).

Potenciómetro.

(14).

Piñón acoplado al potenciómetro que engrana en la corona del árbol.

(15).

Convertidor Digital-Analógico.

(16).

Etapa de amplificación.

(17).

Bastidor cilíndrico en que se apoyan las ruedas de la plataforma circular giratoria superior.

(18).

Tuerca de fijación de la rueda con rodamiento al perno que la acopla al carrusel.

(19).

Rueda con rodamiento acoplada al carrusel que le da soporte a este sobre el bastidor permitiendo además el giro.

(20).

Perno que conecta la rueda al carrusel.

(21).

Tornillo allen que fija el carrusel al árbol haciendo que el movimiento de ambos sea solidario, este tornillo no tiene contacto alguno con el bastidor cilíndrico.

(22).

Una tuerca que fija el eje ala base en la que se ha practicado una cajera circular para disponer dicha tuerca interiormente.

(23).

Tuerca de fijación del motor a la aleta de sujeción a la base.

(24).

Tornillo de fijación de la aleta a la base.

(25).

Aleta de fijación del potenciómetro a la base.

(26).

Chaveta semicircular que acopla la corona al árbol.

La precisión en el posicionamiento de la mesa es función del número de pasos por vuelta del motor (9) y del número de dientes de piñón (6) y corona (7). Para el motor paso a paso bipolar de 48 pasos por vuelta instalado en el prototipo, cuando la excitación del motor es en paso completo cada paso representa un giro del árbol de:

\theta_{árbol} = \theta_{motor}= \frac{Z_{piñón}}{Z_{corona}}= 7'5^{o} \cdot \frac{20}{80}= 1'875^{o}

En la cual:

Z_{piñón}: Número de dientes del piñón acoplado al motor.

Z_{corona}: Número de dientes de la corona acoplada al árbol.

\theta_{árbol}: ángulo girado por el árbol.

\theta_{motor}: ángulo girado en un paso completo por el motor.

Por otra parte cuando la excitación del motor es en medio paso el correspondiente giro discreto del piñón es la mitad 3'75° y por lo tanto el giro correspondiente de la corona solidaria al árbol vale:

\theta_{árbol}= \theta_{motor} \frac{Z_{piñón}}{Z_{corona}}= 3'75^{o} \cdot \frac{20}{80}= 0'9375^{o}

Esta es la mejor precisión del posicionamiento de la mesa que se puede obtener con el motor y la transmisión instalados en el prototipo realizado.

Un autómata programable (AP en adelante), constituye el sistema electrónico de control de la mesa, y proporciona la secuencia de conmutación necesaria para las fases del motor. La frecuencia a la cual se produce dicha conmutación determina el régimen de velocidad del motor y la velocidad angular de la mesa. Como el tiempo de ciclo del AP, se selecciona constante e igual a 7 [ms] en el prototipo, la frecuencia de conmutación es fija de valor 142 [Hz] el inverso del tiempo de ciclo. En estas condiciones la velocidad angular de la mesa una vez iniciado el movimiento es también constante.

El sensor de posición es absoluto lo cual permite a la mesa orientarse respecto a una referencia externa, que corresponde a un determinado valor proporcionado por el sensor, en la conexión del sistema electrónico de control, este sensor es de tipo potenciométrico. En el eje del potenciómetro (13) se ha fijado un piñón (14) que es conducido por el engrane del árbol. Por lo tanto el ángulo girado por el cursor y su tensión analógica es directamente proporcional a la posición angular de árbol y carrusel que son solidarios. Es decir se obtiene la información de la posición del carrusel de la mesa a partir de una señal analógica que es procesada por una tarjeta de adquisición de datos. Esta tarjeta convierte dicha señal en un valor digital de salida con niveles de tensión y corriente compatibles con el canal de entradas digitales del AP. Esta tarjeta tiene dos etapas:

La primera de adquisición de datos formada por un convertidor analógico digital (ADC 0808) realiza una conversión ratiométrica de la variable analógica a medir en un valor digital que es un porcentaje del valor máximo de escala que no está referenciado a un estándar absoluto. La tensión de entrada proporcionada por el potenciómetro al convertidor analógico digital se expresa por la ecuación:

\frac{V_{IN}}{V_{ES} - V_{Z}}= \frac{D_{X}}{D_{MAX} - D_{MIN}}

En la cual:

V_{IN} =	Tensión de entrada al ADC0808.
V_{ES} =	Valor máximo de la escala de tensiones.
V_{Z} =	Tensión o voltaje cero, referencia de tensiones.
D_{X} =	Dato a medir.
D_{MAX} =	Dato correspondiente al límite superior a medir.
D_{MIN} =	Dato correspondiente al límite inferior a medir.

En la segunda etapa las salidas digitales del convertidor ADC0808 se acoplan al canal de entradas del AP mediante un amplificador cuyos niveles de tensión y corriente están referenciados a la referencia de tensión y corriente del canal de entradas del AP.

El programa de control compara el dato de la posición actual de la mesa proporcionado por el sensor de posición con la consigna introducida en el sistema de control. Si existe diferencia entre ambas, es decir un error de posición, el AP envía las señales de conmutación necesarias para el movimiento del motor que hacen giran el carrusel de la mesa hasta que su posición instantánea es igual a la consigna. El programa de control del AP que resuelve esta función se estructura en dos módulos:

El primero adquiere el dato de la posición instantánea y lo compara (diferencia algebraica) con la consigna, el resultado determina la dirección de giro del motor.

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El segundo módulo del programa envía la secuencia de conmutación al motor paso a paso. Esta secuencia de conmutación está almacenada y codificada en la memoria del AP en una tabla cuyos valores corresponden a los transistores del puente en (H) de la tarjeta de amplificación que deben saturarse -pasando a conducción- para conmutar el sentido de la corriente en las fases del motor. La dirección creciente o decreciente en la que se recorren esas posiciones de la tabla en la memoria del AP determina el sentido de giro del motor horario o anti-horario y por ende a través de la transmisión mecánica también el de la mesa.

Por otra parte la mesa es capaz de decelerar algunos grados antes de alcanzar una posición, aproximadamente cinco grados. Esto es posible gracias a un oscilador interno asociado al ciclo de exploración del AP que está activo en ciclos alternativos. En estas condiciones el AP envía secuencias de conmutación al motor sólo en uno de cada dos ciclos de esta forma se reduce a la mitad la velocidad angular.

Claims (5)

1. Mesa circular robotizada para el posicionamiento de piezas u objetos caracterizada porque un motor paso a paso bipolar hace girar mediante un salto de engranajes un árbol verticalmente dispuesto gracias a dos rodamientos transversales internos que lo acoplan sin rozamiento a un eje interior roscado en su extremo inferior para fijarlo a modo de perno una plataforma base en la que también se apoya el árbol mediante un rodamiento axial. La mesa consta de los correspondientes sensores de posición y velocidad. El sensor de posición es absoluto lo cual permite a la mesa orientarse respecto a una referencia externa en la conexión de su sistema electrónico de control, este sensor es de tipo potenciométrico. En el eje del potenciómetro se ha fijado un piñón que es conducido por la corona solidaria al árbol. La señal analógica que proporciona el potenciómetro es proporcional al ángulo girado por el carrusel de la mesa. Esta señal se convierte a un valor digital que se transmite al autómata programable. Dicho autómata programable genera la secuencia de conmutación para las fases del motor a partir de una tabla de valores codificados que corresponden a los transistores del puente en (H) de la tarjeta de amplificación que deben saturarse para conmutar el sentido de la corriente en las fases del motor. La dirección creciente o decreciente en la que se recorren esas posiciones de la tabla en la memoria del autómata programable determina el sentido de giro del motor horario o anti-horario y por ende a través de la transmisión mecánica también el sentido de giro del carrusel de la mesa.

2. Una mesa circular robotizada según la reivindicación 1, caracterizada porque el motor paso a paso de su accionamiento eléctrico aporta un par de mantenimiento a cero pasos/segundo capaz de fijar la posición de la mesa actuando como freno electromecánico.

3. Una mesa circular robotizada según reivindicaciones 1 y 2 caracterizada por que va dotada de una tarjeta de amplificación que realiza la conmutación de corriente en las fases de un motor paso a paso bipolar mediante un puente en (H) de transistores conectado a las salidas de control de un autómata programable con una matriz de amplificadores darlington.

4. Una mesa circular robotizada según reivindicaciones 1 a 3 caracterizada porque va dotada de un sensor de posición absoluto potenciométrico, que convierte la tensión analógica del cursor del potenciómetro proporcional a la posición de su eje, al que se acopla un piñón que engrana con la corona del árbol, en un valor digital mediante un convertidor analógico digital cuyas salidas se adaptan mediante opto-acopladores a los niveles de tensión y corriente de las entradas de un autómata programable.

5. Una mesa circular robotizada según reivindicaciones 1 a 4 caracterizada porque va dotada de un sensor de velocidad formado por una cinta con un determinado número de bandas opacas-traslúcidas instalada en el borde del carrusel que atraviesa un opto-acoplador de haz interrumpible. A partir de la geometría espacial de este sensor se obtiene con la rotación de la mesa una señal cuadrada cuya frecuencia es proporcional a su velocidad angular.