Mechanical and Computational Design for Control of a 6-PUS Parallel Robot-based Laser Cutting Machine

Diseño mecánico y computacional para el control de una máquina de corte láser paralela basada en robot 6-PUS

Un robot paralelo 6-PUS está modelado, diseñado y controlado en términos de ecuaciones de Newton - Euler para ser implementado numéricamente. La cinemática directa e inversa, así como la dinámica directa e inversa, se analizan y resuelven. La cinemática directa se resuelve introduciendo un novedoso método numérico-geométrico aquí denominado método de arcos. A continuación, los problemas de dinámica directa e inversa se resuelven ofreciendo ventajas que los métodos tradicionales no tienen. Se implementaron dos tipos de controladores para obtener el rendimiento deseado. También se muestran dos diseños de robots 3D. Los cálculos numéricos y las simulaciones se desarrollaron en MATLAB. Todo el diseño y el control convergen en una aplicación de máquina de corte por láser que se proporciona al final del documento.

1. Introducción.

Los procesos láser se utilizan ampliamente en las industrias civiles y no civiles. El marcado y el corte con láser son aplicaciones típicas de esto. Dado que los robots paralelos tienen altas cargas útiles y son mecánicamente robustos [9, 10], se propone aquí diseñar uno de estos robots para este efecto. Los actuales robots paralelos provienen de la plataforma Stewart-Gough que fue diseñada en los años setenta y ha sido objeto de numerosos estudios. Sin embargo, poco se ha investigado sobre las diferentes variantes de su cadena cinemática, en este caso el robot 6- PUS. De los pocos que han estudiado este robot, la mayoría lo ha hecho de una manera muy general [1, 5, 7, 10, 11]. Una ventaja que este modelo (6-PUS) tiene sobre el 6-UPS tradicional es que los actuadores permanecen fijos en la base. En algunos casos, esto simplifica la construcción del robot y, por otro lado, hace que parte de la carga útil sea soportada por las fuerzas de reacción del suelo. Por lo tanto, los actuadores requieren menos capacidad de carga. Para resolver el problema de la cinemática directa, se presenta un novedoso método numérico. Este método se basa en una geometría simplificada del robot de tal manera que cada par de extremidades forma un triángulo. El lugar del vértice superior de este triángulo es un arco. Se presenta el algoritmo (método de los arcos), así como algunos resultados de su aplicación. También se incluye el problema de la cinemática inversa. Por otro lado, se deduce la dinámica inversa proponiendo una mejora en un diseño dado en [11]. A continuación, se resuelve la dinámica directa. Finalmente, el rendimiento controlado del robot se ilustra con ejemplos de una máquina de corte por láser basada en un robot.

2. Cinemática inversa

Como es bien sabido, un robot paralelo consiste en una base fija, un conjunto de extremidades y un efector final llamado plataforma. Recordemos también que la nomenclatura de los robots paralelos se basa en los tipos de articulaciones que constituyen el mecanismo. Así, 6-PUS significa que nuestro manipulador tiene seis extremidades, cada una de las cuales consiste en una articulación prismática (P) más una universal (U) más una esférica (S). En la cinemática de los robots, hay dos cuestiones principales a tratar: la cinemática directa o hacia adelante y la cinemática inversa. Encontrar la posición y la orientación de la plataforma dada la posición/longitud de los actuadores, lleva a resolver el problema de la cinemática directa.