Universidad Nacional de Chimborazo
NOVASINERGIA, 2020, Vol. 3, No. 2, junio-noviembre (57-66)
ISSN: 2631-2654
https://doi.org/10.37135/ns.01.06.05
Artículo de Investigación
http://novasinergia.unach.edu.ec
Diseño de un post-procesador para sistemas de modelado por deposición
fundida utilizando un brazo robótico Mitsubishi
Design of a post-processor for fused deposition modeling systems using a
Mitsubishi robotic arm
Sandino Torres
1*
, Santiago C. Gutiérrez
2
1
Instituto Superior Tecnológico Central Técnico, Quito, Ecuador
2
Universitat Politècnica de València, Valencia, España,46022; scgutier@mcm.upv.es
* Correspondencia: ltorres@istct.edu.ec
Recibido 05 mayo 2020; Aceptado 11 noviembre 2020; Publicado 01 diciembre 2020
Resumen:
Este trabajo presenta el desarrollo de un post-procesador para el uso de un robot,
Mitsubishi RV-2AJ, en procesos de modelado por deposición fundida (MDF).
Para este propósito se diseña y se adapta un sistema de alimentación y arrastre
de material a un brazo robótico Mitsubishi. También se ha desarrollado una
interfaz para facilitar la comunicación entre el computador y el robot. Para que
el robot realice su nueva función, es necesario partir de un modelo digital,
compatible con la técnica de impresión 3D, generándose las trayectorias,
instrucciones y tareas de trabajo. La información es post-procesada para que sea
interpretada en el lenguaje del robot. Para comunicar los diferentes elementos
con la controladora del robot se realiza el control y la programación mediante
un sistema mínimo de electrónica. Finalmente se desarrolla una aplicación, se
estructura el procedimiento y la secuencia necesaria para realizar el proceso de
impresión.
Palabras clave:
Control de robot, fabricación por deposición fundida, impresión 3D con robot,
post-procesador código G, programación de robot.
Abstract:
This work presents a post-processor development for using a robot, Mitsubishi
RV-2AJ, in fused deposition modeling (FDM) processes. For this purpose, a
material feeding and dragging system are designed and adapted to a Mitsubishi
robotic arm. An interface has also been developed to facilitate the
communication between the PC and the robot. For the robot to perform its new
function, it is necessary to start from a digital model, compatible with the 3D
printing technique, generating the paths, instructions, and work tasks. This
information is post-processed to be interpreted in the language of the robot. To
communicate the different elements with the robot's controller, the control and
the programming are carried out through a minimum electronics system.
Finally, an application is developed, the procedure and sequence necessary to
perform the printing process are structured.
Keywords:
3D printing with robots, fused filament fabrication, G Code post-processor,
robot control, robot programming.
1 Introducción
El uso de robots industriales está experimentando un
crecimiento vertiginoso (Iglesias, Sebastián, & Ares,
2015). Pero en la mayoría de los casos su uso se está
relegando a la realización de tareas repetitivas
(Keating & Oxman, 2013). En el caso de la industria
automotriz son utilizados en diferentes procesos
industriales como la soldadura por puntos, por arco
eléctrico, pinturas de spray, transporte de materiales,
etc. Su uso está destinado a una variedad de industrias
manufactureras, sin embargo, están dirigidos
principalmente a cumplir tareas cíclicas como
transferencia, carga y descarga de materiales (Ji &
Wang, 2019).
Los robots industriales están ampliando su espectro de
aplicaciones, siendo utilizados en operaciones de
procesamiento relacionadas con el arte o con la
arquitectura, como por ejemplo el proyecto
MATERIAL (https://ultimaker.com), donde se usa un
brazo robot de 6 ejes para distribuir material creando
objetos en 3D, gracias al uso de materiales
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termoestables. De esta manera el concepto de robot
industrial se está transformando (Laarman, Jokic,
Novikov, Fraguada, & Markopoulou, 2014).
En las aplicaciones relacionadas con el mecanizado de
materiales, ha mejorado la precisión, se reducen costes
y se tiene una buena integración con los sistemas
CAM (Computer Aided Manufacturing).
En el proceso de mecanizado existen muchas ventajas
en el uso de los robots con respecto a máquinas
herramientas por control numérico, principalmente
relacionadas con el coste cuando el tamaño de piezas
a mecanizar es grande. Con ellos se puede alcanzar un
mayor volumen de trabajo, sobre todo cuando se
requieren procesar formas o geometrías complejas
debido a que se pueden aumentar ejes adicionales.
Además, se puede lograr una flexibilidad en la
fabricación con cualquier tipo de operación. Una
desventaja es la baja rigidez que tienen los brazos
robóticos para estas tareas (Andrés, Gracia, &
Tornero, 2009; Pérez, Gutiérrez, & Zotovic, 2018).
El desarrollo de nuevas técnicas y tecnologías de
fabricación se encuentra en un gran momento de
avance e innovación, por este motivo, los robots
industriales están ampliando su utilidad de servicios y
se están adaptando a la fabricación a medida, sobre
todo en la fabricación digital, que se ha convertido en
una potente herramienta para la creación de prototipos
(Magnoni, Rebaioli, Fassi, Pedrocchi, & Tosatti,
2017).
Mediante una programación de aplicaciones
informáticas se puede conseguir la fabricación de
geometrías complejas y de múltiples materiales (Xiao,
Eynard, Anwer, Le Duigou, & Durupt, 2016).
Los brazos robots están ganando terreno y están
empezando a reemplazar a otras tecnologías de
fabricación digital (Wu, Dai, Fang, Liu, & Wang,
2017).
En la técnica de modelado por deposición fundida
MDF, en la cual se utiliza una cámara de
calentamiento para fundir un polímero, que es
alimentado al sistema en forma de filamento, no se han
obtenido resultados contundentes, pero se está
empezando a experimentar y a buscar utilidades
(Gibson, Rosen & Stucker, 2014).
Estos procesos tienen limitaciones en cuanto a
dimensiones, velocidad y parámetros del proceso.
Usan únicamente un plano para la construcción de
capas, lo que afecta a las propiedades finales del
objeto construido.
Sin embargo, se han desarrollado plataformas de
impresión multiplano usando brazos robóticos de seis
grados de libertad como el proyecto Moto Maker. En
la cual generan una estructura de celosía 3D, mediante
un proceso FDM (Ishak & Larochelle, 2019).
En el presente trabajo se desarrolla un post-procesador
para establecer una interfaz entre un PC y un robot
Mitsubishi RV-2AJ de cinco grados de libertad, al
cual se le adaptó un sistema para el modelado por
deposición fundida MDF. Esta configuración permite
aplicar las técnicas de prototipado rápido, para la
fabricación de productos.
El post-procesador permitirá realizar un proceso
MDF, beneficiándose de las ventajas de un robot
industrial como su eficiencia, alta flexibilidad y
multifuncionalidad y un mayor número de grados de
libertad.
Además, el uso de un robot industrial permite acceder
a posiciones, que son imposibles con una máquina tipo
pórtico, y abarcan mayores espacios de trabajo.
El desarrollo de este proyecto, puede ser aplicado
como una fábrica inteligente, el cual permitirá la
experimentación de procesos MDF, en el sector
académico, mejorando las competencias de los
usuarios abordando problemas reales de las industrias
y encontrado sus posibles soluciones (Guarín, Baena,
Mora, 2019).
2 Metodología
Para el desarrollo de este trabajo se realizó la
adaptación de distintos elementos al sistema MDF
En la figura 1, se muestra el diseño realizado para la
adaptación del sistema de modelado por deposición
fundida al brazo robot Mitsubishi RV-2AJ.
Figura 1: Diseño de la adaptación de MDF al Brazo Robot.
El Robot industrial marca MITSUBISHI RV-2AJ, de
5 grados de libertad, tiene articulaciones, las cuales
realizan movimientos rotatorios desarrollados por
actuadores, que para este caso son servomotores AC,
en los ejes J1 a J3:50W con freno en los ejes J4;
J6:15W sin freno, en el eje J5:15 W con freno, unidos
a codificadores (encoders) de posición absoluta.
El robot tiene una carga máxima de 2 kg, la longitud
de la parte superior del brazo es de 250 mm y la
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longitud del antebrazo de 160 mm, un alcance radial
máximo de 410 mm, una velocidad máxima de 2100
mm/s, con una repetitividad de ±0.02 mm. Una de las
limitaciones que se consideró para esta adaptación fue
la zona muerta del robot, para que su espacio de
trabajo no se vea afectado por la estructura del soporte.
Además, se tuvo en cuenta que el soporte sirviera para
adaptarse a distintas configuraciones de diferentes
proveedores de materiales. Dependiendo del
fabricante, el material puede venir en forma de carrete
o en forma de caja. Con el diseño realizado para este
dispositivo, ambas formas y distintos tamaños pueden
ser adaptados.
En la figura 2, se puede ver el rango de operación del
robot, en donde se puede observar que hay una zona
que está invadida por los elementos adicionales
colocados al brazo robot, por lo que se debe inutilizar
esta zona para evitar conflictos o colisiones por parte
del robot.
Figura 2: Zona de trabajo del Robot.
El controlador del Robot es el CR1-571, su lenguaje
de programación es Melfa Basic (IV), cuenta con 16
entradas y 16 salidas, y con conexión RS-232.
Para adaptar el sistema de modelado por deposición
fundida, MDF, se usó un extrusor de marca Rapman,
un sensor Honeywell-135-104LAG-J01 y una unidad
de arrastre del fabricante de impresoras BCN3D. La
conexión de extrusión usada es del tipo Bowden, ya
que se necesita reducir masa en el extremo del brazo
robótico para garantizar movimientos más eficientes
con un menor uso de energía y menos agitación del
brazo robótico.
Además, se realizaron varios elementos adicionales
para ensamblar el sistema al Robot y un soporte para
unir el cabezal de extrusión a la muñeca del Robot,
fabricado con un material aislante para evitar que el
flujo de calor afecte al brazo robótico.
Así también, se acopló la electrónica al sistema, que
será la encargada de suministrar la energía necesaria a
los distintos componentes conectados al brazo
robótico (la unidad de arrastre, la resistencia térmica,
termistores, entre otras).
En la figura 3, se puede apreciar el esquema para la
adaptación del sistema al brazo Robot.
2.1 Adaptación del software
Las etapas para llevar a cabo la fabricación de piezas
mediante MDF a través de un brazo Robot Mitsubishi
RV-2AJ, se resumen en la figura 4.
Figura 3: Conjunto del sistema MDF ensamblado al Robot.
Figura 4: Esquema del proceso de fabricación.
Las instrucciones se realizan a través del software para
impresión en 3D, CURA (Ultimaker, Waltham, MA
02451 EE.UU.), el cual genera el fichero en código G.
Este código es muy similar al lenguaje de
programación utilizado para la programación de
máquinas de control numérico, el estándar ISO 6983.
Posteriormente, se deberá interpretar y transformar
estas instrucciones al lenguaje del robot, y de esta
manera poder controlar los parámetros necesarios para
realizar el proceso de fabricación utilizando el brazo.
Para obtener la pieza en 3D, es necesario diseñarla
previamente mediante cualquier software CAD que
exista en el mercado. Los programas de impresión 3D
reciben la geometría de la pieza a fabricar en formato
“stl”.
Esta geometría la descomponen en capas, convirtiendo
cada capa en movimientos que realiza la máquina para
ir depositando plástico fundido y conseguir el
“crecimiento” del modelo.
En la tabla 1, se muestra un ejemplo del tipo de
instrucciones generadas por código G.
2.2 Interfaz de la programación
El Robot Mitsubishi RV-2AJ se controla mediante el
desarrollo de una interfaz personalizada utilizando
Java SE 6.0, en un entorno de programación NetBeans
8.0.2, como se muestra en la figura 5. Esta interfaz se
encarga de convertir los datos obtenidos en código G
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por el software de impresión, al lenguaje Melfa Basic
del robot Mitsubishi. Este lenguaje es utilizado por el
controlador del robot para la realización de programas.
La sintaxis es de tipo BASIC, y la programación se
hace mediante el empleo de sentencias de alto nivel.
El controlador utilizado en este trabajo es el CR1-571,
el cual soporta la versión IV. El lenguaje de
programación se estructura como un conjunto de
instrucciones, y su compilación se realiza en lenguaje
BASIC estándar.
2.3 Post-Procesado
En esta etapa se realiza el sistema de post-procesado
general, que acepta el formato del código G
procedente del programa de impresión 3D CURA, y lo
traduce al lenguaje Melfa Basic del robot Mitsubishi
RV-2AJ. En la etapa de post-procesado se realizan
principalmente las siguientes tareas:
- Convertir el lenguaje de la aplicación usada para
realizar la impresión 3D al lenguaje del robot.
- Compilación del código post-procesado en el
software del robot.
Tabla 1: Descripción de código G.
Código
Descripción
M92E800.00
Establece los pasos por unidad de los ejes
M140S120.00
Fija a 120 °C la temperatura de la cama
M109S230.00
Fija y espera que es extrusor llegue a los 230 °C
G21
Selecciona mm como unidad
G90
Coordenadas absolutas
M107
Arranca con el ventilador apagado si lo hubiera
G28 X0 Y0
Busca finales de carrera X e Y para hacer el 0
G28 Z0
Busca finales de carrera Z
G92 X0.0
YO.0 Z0.0
E0.0
Define la posición de los ejes como 0
G1 Z5.0 F60
Movimiento en Z hasta 5.0 acelerado de 0 a 60
mm/min
G92 E0
Define la posición del extrusor como 0
Figura 5: Desarrollo en NetBeans.
El fichero transformado tiene una estructura similar a
la del ejemplo que se muestra a continuación:
5 TOOL (0,0,174.25,0,0,0)
15 OVRD 5
25 M2=20
35 M3=-100
45 M4=30
55 M5=350
65 P2.Z=0
75 IF P1.X>M5 GOTO 165
85 MVS P1
95 MVS P2
105 P2.Z=P2.Z-M2
115 IF P2.Z<M3 GOTO 125 ELSE GOTO 85
125 MVS P1
135 P1.X=P1.X+M4
145 P2.X=P2.X+M4
155 GOTO 65
165 HLT
P1=(226.17,71.150,100.00,13.51,180.00,0.0,0.0,0.0)(6,0)
P2=(226.170,-71.150,0.00,13.510,180.0,0.0,0.0,0.0)(6,0)
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Este código nos muestra información de las acciones
y movimientos del brazo robot. En las primeras líneas
se establece la posición inicial y las velocidades para
los desplazamientos, luego se establecen las variables
de posición. Además, se establecen funciones de
BASIC estándar que sirven para transferir el control
del programa a líneas determinadas.
Al final del programa se incluyen los puntos de
destino, (para este ejemplo P1, P2) donde se moverá
el extremo del robot de acuerdo a cada instrucción.
Estas líneas tienen la información de los puntos a los
que se debe mover el efector final del robot,
referenciado en el sistema de coordenadas X, Y, Z.
Además de la configuración que debe tener el robot
para orientarse en la posición deseada.
Teniendo en cuenta estas consideraciones y
especificaciones, hacemos un análisis del archivo
fuente para convertirlo en el archivo destino. Para este
proceso es necesario identificar cada una de las partes
de una instrucción e irlas descomponiendo. De esta
manera vamos transformando y agrupando el nuevo
código en el archivo de destino final.
Tabla 2: Reconocimiento de variables.
Código G
M
G
E
F
X
Y
Z
S
Figura 6: Etapa de post-procesado.
2.4 Obtención del código en lenguaje
robot
La tarea principal que se debe conseguir en la etapa de
post-procesado es obtener el código en el lenguaje del
robot, para esto se debe construir un programa
estructurado. A continuación, se detalla cada una de
las operaciones representadas en la figura 6, para la
obtención del código en lenguaje del robot.
2.4.1 Abrir fichero de origen
El fichero que se generará en CURA es *. GCODE, su
formato es ASCII, por lo que se procede a cambiarle
la extensión, a *.TXT, de esta forma se crea una
instrucción para abrir ficheros de este tipo.
2.4.2 Reconocimiento de variables
Las variables que se debe tener en cuenta para la
transformación del código son las que se muestran en
la tabla 2.
2.4.3 Analizar el contenido carácter a
carácter (Identificar)
Una vez identificadas las variables, es necesario
descomponer cada instrucción, analizarla y establecer
coherencias de acuerdo a su tipo y a sus parámetros, y
de esta manera establecer las condiciones necesarias
para cada nueva instrucción en Melfa Basic. Esta
evaluación se realiza analizando cada carácter, en
concordancia:
- Toda instrucción empieza por el identificador G o
M
- El conjunto de identificadores posibles
{G,M,E,F,S,X,Y,Z}
Se requieren algunas condiciones, las cuáles se
describen en la tabla 3.
2.4.4 Estructura del código en lenguaje Melfa
Basic
Para obtener el código en el lenguaje del Robot
Mitsubishi, se debe descomponer las instrucciones
hasta obtener el formato en lenguaje de programación
Melfa Basic, para lo cual primero se eliminan los
comentarios e información irrelevante, luego se
definen los parámetros de salida, de acuerdo con las
condiciones de la tabla 4.
Una vez obtenido este formato con las variables del
robot se guarda el fichero con el código de destino en
formato ASCII, pero con la extensión “*.PRG”, que es
el tipo de fichero que lee el programa del robot.
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Una vez creado el programa informático, se realiza la
compilación para revisar la sintaxis y semántica del
programa, y se obtiene el código. Este código debe ser
verificado en el simulador del robot. Si existieran
inconsistencias, se deben identificar, y mediante el
código de programación solventarlas.
2.4.5 Ejecución con el software del robot
Para la ejecución de programas se utilizará el software
RT ToolBox2. Este software, junto con MELFSOFT,
permite el envío, recepción y comunicación de
programas, así como simulaciones complejas. Los
programas pueden someterse a diversas pruebas de
aplicación.
Para suministrar la energía necesaria a los distintos
componentes acoplados al brazo robot, se utiliza una
fuente de alimentación externa. Las distintas señales
que intervienen en el proceso se controlan a través de
las entradas y salidas de la unidad de control del robot.
Los elementos que interviene en el proceso son, la
unidad de arrastre, donde se encuentra el motor
encargado de alimentar el material, el “hot-end”, para
controlar la temperatura de calentamiento, y el sensor
de temperatura.
Tabla 3: Condiciones para código G.
No.
Condición
1
Después de cada identificador se encuentra un valor
numérico entero o real.
2
Tras el identificador ‘G’, pueden aparecer los siguientes
valores:
{0,1,21,28,90,91,92}
3
Tras el identificador ‘M’, pueden aparecer los siguientes
valores:
{82,84,104,106,107,109,190}
4
Tras el identificador ‘F’ ha de incluirse un entero
positivo entre 0 y 9000
5
Tras el identificador ‘S’ ha de incluirse un entero
positivo entre 150 y 500. (Este identificador no se toma
en cuenta para el post procesado, es decir se elimina ya
que esta función no se aplica en las operaciones del
robot)
6
La instrucción G0 recibirá como parámetro, al menos un
ítem del conjunto {X<x>, Y<y>, Z<z>}, y
opcionalmente el modificador ‘F<f>
7
La instrucción G01 recibirá como parámetro, al menos
un ítem del conjunto {X<x>, Y<y>, Z<z>}, y
opcionalmente los modificadores ‘F<f>’, ‘S<s>’
8
Únicamente serán válidos los siguientes ítems: {X<x>,
Y<y>, Z<z>, S<s>, F<f>, E<e>, G1, G1, G90, G91,
G28, G90, G91, G92, M190, M109, M82, M107, M106,
M104, M140, M84}
9
Si la instrucción G0, no encuentra uno de los ítems del
conjunto {X<x>, Y<y>, Z<z>}, se debe completar el
parámetro que falta con el valor de la instrucción
inmediata anterior, y si no existiera, su valor será 0.
10
Si la instrucción G1, no encuentra uno de los ítems del
conjunto {X<x>, Y<y>, Z<z>}, y el modificador
‘F<f>’, se debe completar el parámetro que falta con el
valor de la instrucción inmediata anterior, y si no
existiera su valor será 0.
Tabla 4: Definición de parámetros de salida.
No.
Condición
1
Las instrucciones del conjunto {X<x>, Y<y> y Z<z>},
deben ser empleadas para la generación de puntos, {P#,
P#+1, etc.}.
2
Con la instrucción ‘G0’, se crea una variable de tipo MOV.
3
Con la instrucción ‘G1’, se crea una variable de tipo MVS.
(Movimiento en interpolación lineal).
4
La instrucción ‘F’ crea un parámetro SPD. (Designa la
velocidad en mm/s de interpolación), junto con el valor
numérico que lo acompaña.
5
La instrucción ‘E’, llama a un programa de subrutina, y se
emplea, junto a él, el valor numérico que lo acompaña. A
su vez activa una <variable>=M_IN(<bit>). Se reserva un
bit para esta operación, y queda deshabilitado para otra
operación
6
La instrucción ‘M’, llama a un programa de subrutina, y
se emplea, junto a él, el valor numérico que lo acompaña.
A su vez activa una <variable>=M_IN(<bit>). Se reserva
un bit para esta operación, y queda deshabilitado para otra
operación
3 Resultados
Mediante la aplicación que se ha desarrollado, se
establece la interfaz, de esta manera el brazo robot
realiza las tareas descritas en el código desarrollado,
para finalmente obtener piezas mediante la técnica
MDF. En la figura 7 se detallan las etapas necesarias
para un correcto funcionamiento, utilizando la
aplicación desarrollada.
Figura 7: Funcionamiento de la aplicación.
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Figura 8: Ícono para ejecutar la aplicación.
Para ejecutar la aplicación desarrollada se creó el
icono (ver figura 8), que es el que inicia el proceso de
post-procesado. Una vez arrancada la aplicación, se
debe establecer la posición inicial de trabajo, y la
posición de origen de la pieza, que es donde inicia el
proceso de deposición fundida.
Este valor va referenciado a la mesa de trabajo. Debe
tenerse en cuenta la longitud de nuestro efector, en este
caso el “hot-end”. La medida de esta longitud se ha
calculado hasta obtener la posición correcta de trabajo,
como se aprecia en la figura 9.
Estos datos sirven para verificar que el movimiento
inicial del brazo robot se encuentre dentro de la zona
de trabajo, y que el proceso se realice enteramente
dentro del área de trabajo.
Figura 9: Posicionamiento del brazo robot.
Estas posiciones se calculan mediante cinemática
inversa, donde relacionamos las coordenadas
articulares en función de las coordenadas cartesianas
y la orientación de la herramienta del extremo final del
brazo robótico.
La cinemática directa, que es una función vectorial
que vincula coordenadas articulares


, con propiedades geométricas del
sistema mecánico
, con la posición y orientación del
extremo del robot    .

(1)


(2)
Donde

 
 es la función
inversa de la ecuación (1).
. Corresponden a los ejes de rotación en cada
uno de los ejes lineales  .
Estas ecuaciones nos permitirán calcular y establecer la
posición del efector, ubicado al final del brazo robot.
De esta manera podemos ubicar en la posición que
consideremos conveniente, al “hot-end” y disponer
rápidamente de una posición concreta para iniciar el
proceso de deposición fundida del material. Con lo
cual, todas las articulaciones del brazo robot se
posicionan y orientan según una determinada
localización establecida.
Los cálculos están incluidos dentro de la aplicación
creada para el interfaz con el brazo robótico. El
resultado de los cálculos se muestra en el encabezado
del fichero que se crea. A continuación, puede verse
un ejemplo de sus valores.
- La posición de origen es: J1= -59.5 J2= 82.6 J3=
72.4 J5= 25 J6= -59.5
- El origen de la pieza es: J1= -35.8 J2= 85.4 J3=
71.9 J5= 22.7 J6= -35.8
El valor de J, corresponde a cada articulación del
robot, y es la posición en la que se ubicará; el brazo
robot es de cinco grados de libertad. Los cinco grados
de libertad se corresponden con J1, J2, J3, J5, J6. El
brazo robot no posee el movimiento correspondiente a
la articulación J4, motivo por el cual esta no es
calculada.
3.1 Inicialización en Melfa Basic
El software Melfa Basic es inicializado y el fichero
generado con las secuencias del programa es cargado.
Una vez cargado el programa, se puede realizar la
simulación con el comando “Simulation – Automatic
operation”. De no existir errores, se guarda el
programa en la memoria del robot para cargarlo desde
la controladora y ejecutarlo.
Una vez que el programa es inicializado, se establece
la comunicación entre el robot y el ordenador, de esta
manera se podrá controlar al brazo robótico desde el
ordenador y los procedimientos de comprobación. Se
deberá seguir el flujo de trabajo mostrado en la figura
7, lo que permitirá el desarrollo del proceso de forma
correcta.
3.2 Implementación
Una vez obtenido y compilado el programa, que es la
última etapa de la aplicación, y luego de post procesar
la información, se obtiene el código en el lenguaje del
robot, que para este caso es el Melfa Basic, tal como
se puede apreciar en el ejemplo de la figura 10, una
vez obtenido el código se procede a cargarlo en el
control del brazo robótico.
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Figura 10: Fichero post-procesado en *.PRG.
La estructura del código está compuesta por bloques
identificados, los bloques inician con un número que
está secuenciado de 10 en 10. La primera parte del
código está compuesta por la cabecera de programa,
se establece la posición inicial a la que se ubicará el
robot, seguidamente de la posición desde donde
empieza a trabajar.
Posteriormente se establece la secuencia de
movimientos, entre ellos, aquellos aplicados para
obtener la geometría de la pieza. También se activan
las señales de salida hacia el control del robot para
realizar las funciones previamente establecidas.
3.3 Ensayos
Con el propósito de verificar que el robot cumple con
las trayectorias y operaciones generadas mediante la
interfaz desarrollada, se establecen diferentes ensayos
para comprobar que ejecuta sus acciones con
seguridad. En un primer ensayo son comprobados los
datos obtenidos para la posición de origen.
En primera instancia se genera el punto inicial de
trabajo, esta posición será el nuevo origen. El robot se
moverá tomando como referencia ese punto y el nuevo
sistema de coordenadas.
El punto de origen de los ejes se puede modificar
cuando se requiera definir la nueva base de trabajo.
En figura 11, se muestran las coordenadas en XYZ,
referenciadas a la base del brazo robótico, y que, para
este ejemplo, será su posición de origen. Así también
se muestra la posición del extremo del robot, que para
este ejemplo es X=199.996, Y=-199.996 y
Z=175.076. Mediante estos datos la aplicación genera
los valores de J1, J2, J3, J5, J6, que son las
coordenadas articulares para aquella posición.
A partir de esta referencia, el post-procesador
establece todos los movimientos, las trayectorias y las
funciones que realiza el brazo robótico. Las
coordenadas de trabajo a la que debe desplazarse el
robot vienen definidas desde un software de impresión
3D, el modelo de ensayo se muestra en la figura 12.
Figura 11: Posición inicial del brazo robótico.
http://novasinergia.unach.edu.ec 65
Figura 12: Modelo a obtener mediante MDF.
3.4 Pruebas del robot
Una vez procesada la información, cargamos el
programa en la memoria del robot, en su control, e
iniciamos la secuencia y comprobamos que es la
misma que se obtuvo mediante la simulación gráfica a
partir del modelamiento tridimensional.
En la figura 13, se muestra la interfaz del hardware
realizada entre el PC y el robot, y el diseño final, ya
implementado, de la adaptación de sistema MDF al
brazo robot. Además, se muestra la posición inicial del
robot una vez que se ejecuta el programa obtenido
mediante el post-procesador.
Figura 13: Pruebas con el robot.
4 Discusión
Se realizó un estudio preliminar para establecer una
adecuada integración de elementos electrónicos. El
circuito electrónico permitió comunicar los diferentes
elementos con la controladora del brazo robótico,
ofreciendo la potencia necesaria para dar movimiento
al sistema. Además, el circuito electrónico permitió
suministrar la energía necesaria a los distintos
componentes acoplados al brazo robótico (la unidad
de arrastre, la resistencia térmica, termistores, entre
otros).
Se estableció un protocolo de comunicación, entre el
software de impresión 3D y el software del robot, y se
generó una interfaz, para realizar la fabricación de un
producto, mediante un brazo robótico, a partir de un
modelo digital. Una vez adaptado el sistema, fueron
transferidas todas las bondades del brazo robótico al
proceso. En la tabla 5, se muestra una comparación de
los principales parámetros del proceso desarrollado
mediante el robot industrial RV-2AJ y máquinas más
comunes para impresión 3D.
Tabla 5: Comparación de impresoras 3D y robot adaptado
para MDF.
Indicador
impresora 3D
robot industrial
Precisión(mm)
-0.1 – 1.0
-0.1 – 1.0
Espacio de
trabajo
Limitado
Amplio
Número de ejes
2 ½
5
Complejidad
de la trayectoria
Apto para
máquinas de
2 ½ ejes
Cualquier trayectoria
compleja
Lenguaje de
programación
Código G
Melfa Basic
Manufactura
flexible
Operaciones
similares
Cualquier tipo de
operación
Producción
Pequeñas
Medianas
Precio
Económico
Alto
En la comparación mostrada se puede evidenciar que
un brazo robótico pueda aportar varios beneficios al
proceso de MDF ya que es posible implementar más
ejes de trabajo para la fabricación de piezas, como por
ejemplo piezas con voladizos, sin la necesidad de
soportes, permitiendo además una amplia superficie
de operación. El desarrollo de este post-procesador es
aplicable a cualquier otro método de fabricación,
siempre y cuando se realice una reconfiguración del
efector o cabezal de trabajo. El procedimiento en base
a la metodología desarrollada muestra versatilidad y
permite dar fiabilidad a todo el proceso, potenciando
al proceso MDF con las ventajas que posee un brazo
robot industrial.
http://novasinergia.unach.edu.ec 66
5 Conclusiones
Se desarrolló un método de fabricación aditivo
adaptado a un brazo robótico. Surgió de la idea de
fusionar e integrar estas dos tecnologías y
experimentar con nuevas técnicas de fabricación.
Debido a esto se pueden mencionar las siguientes
conclusiones:
Después de evaluar e identificar todos los parámetros
necesarios para migrar el sistema de fabricación
aditiva de impresoras 3D hacia el brazo robótico
industrial, se ha podido experimentar, evaluar y
mostrar las nuevas oportunidades que presenta esta
propuesta. La fabricación de productos a gran escala
es un ejemplo de aplicación que beneficiaría al sector
mobiliario, la arquitectura, y el arte.
Las aplicaciones de brazos robóticos en manufactura
digital están creciendo y continuarán creciendo,
debido a sus ventajas inherentes de flexibilidad. Estas
aplicaciones tienen un beneficio potencial si se
integran todas las funciones de fabricación en una sola
máquina. A través del uso de efectores finales se
alcanzan reconfiguraciones flexibles en operaciones
de medición sobre la pieza impresa (mediante el
acople de un palpador), de mecanizado (mediante el
acople de una herramienta rotativa), es decir un
sistema multifuncional.
Para la ejecución de varias tareas proyectadas a través
de este trabajo, sería interesante desarrollar un
programa informático “multitarea”, que permita
integrar todos estos procesos de fabricación, sin la
necesidad de usar distintas máquinas y diferentes
programas.
Conflicto de Interés
Los autores declaran que no existe conflicto de
intereses de naturaleza alguna con la presente
investigación.
Agradecimientos
Los autores desean expresar su gratitud al
Departamento de Ingeniería Mecánica y Materiales de
la Universitat Politècnica de València por
proporcionar los recursos necesarios para el desarrollo
de este trabajo.
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