DISEÑO Y FABRICACIÓN DEL CABLEADO DE UN SISTEMA

DISEÑO Y FABRICACIÓN DEL CABLEADO DE UN SISTEMA DE
INSPECCIONES END BASADO EN ROBOT KUKA.
Autor: Jusdado Serrano, Carlos.
Director: Pérez Ferri, Vicente.
Entidad Colaboradora: TECNATOM S.A.
RESUMEN DEL PROYECTO
La compañía TECNATOM S.A. se dedica principalmente a los sectores aeronáutico y
nuclear, y más específicamente al diseño y producción de sistemas robóticos para
control de calidad en fuselaje de aeronaves, soldaduras y otros componentes de
centrales nucleares. Estos sistemas de inspección detectan errores de fabricación y otros
defectos mediante Ensayos No Destructivos (END) por medio de dispositivos laser y
ultrasonidos.
Específicamente, el sistema robótico en el que se centra este proyecto fue encargado por
una empresa cuyo nombre no se mencionará por motivos confidenciales y que
llamaremos a partir de ahora “Empresa R”, cuyas especificaciones fueron proyectar un
sistema de inspección por brazo robótico de alta precisión con cuatro módulos de
medición intercambiables de manera automatizada, capaz de detectar defectos en
piezas aeronáuticas de material compuesto de grandes dimensiones (18x3 m) mediante
la técnica de medición por ultrasonidos pulso-eco con inmersión local en agua
mediante palpadores phased-array.
Las especificaciones de “Empresa R” para los módulos de medición fueron, tres de ellos
por ultrasonidos y un cuarto módulo de medición láser. Las funciones que se le requería
a los módulos de medición fueron para inspección de superficies, otro para inspección
de los larguerillos en T que proporcionan rigidez a las piezas y un tercero para
inspección de radios de unión. Por último se requirió un cabezal láser para
digitalizar las piezas. Éste será el punto de partida del proyecto.
Para empezar con este ambicioso proyecto fue necesario partir de la selección y
adquisición de un sistema robótico (realizada por el departamento mecánico) que
encajase con las especificaciones del cliente. Esta selección se realizó a partir del
catálogo de robots KUKA. Esta empresa alemana, además de proporcionar el brazo
robótico, entrega con la compra los elementos de control necesarios para el movimiento
y programación del robot.
Para llevar a cabo el proyecto ha sido necesaria la previa colaboración de varios
departamentos, que se han encargado del diseño individual y de la fabricación de la
mayor parte de armarios y otros elementos a lo largo de la instalación, pero este
proyecto se va a centrar exclusivamente en las funciones desempeñadas en el
departamento de INTEGRACIÓN, en el cual se ha realizado este proyecto, y que se
encarga de poner en común o, (como su propio nombre indica) de integrar todos los
elementos de la instalación bajo las condiciones de seguridad idóneas.
Con todos los elementos de la instalación diseñados, fabricados y disponibles, comienza
el proyecto que se trata aquí.
En este proyecto se realizó la ardua tarea de diseñar el cableado eléctrico, de fibra
óptica y el diseño de los circuitos hidráulicos y neumáticos con sus cadenas porta-cables
bajo restricciones económicas, de distribución en planta, de esfuerzos mecánicos,
de resistencia a corriente eléctrica, de ruido y de protección contra agentes
externos (como incendios o agua salpicada en el proceso de medición por pulso-eco,
entre otros). Gracias a este proceso, se consigue la conexión entre sí de todos los
sistemas de la instalación para la funcionalidad óptima de la instalación completa:
-
Brazo robótico de KUKA y track
Sistema robótico comprado a KUKA de serie y con sus funcionalidades
básicas de movimiento. Fue necesaria una posterior programación e
integración de los sistemas de inspección por ultrasonidos que el brazo
intercambiará automáticamente.
-
Módulos de medición láser y ultrasonidos intercambiables
Tres dispositivos para verificación ultrasónica y uno láser que requieren
una integración en el robot base para su correcto funcionamiento.
-
Almacén de herramientas
Soporte automatizado para sujetar y administrar los distintos módulos
intercambiables que utilizará el robot. Este soporte está dotado sensores
para automatización del proceso y con cuatro compartimentos con tapa
de apertura automática que protege el equipo de las salpicaduras de agua
que se producen durante la medición.
-
Sistema Multi2000
Armario situado en la base del robot necesario para ejecución y
procesamiento de las señales ultrasónicas.
-
Caja del hombro del robot
A través de esta caja se administra el cableado que va a parar a la punta
del robot o cambiador de módulos. Esto incluye cableado de control, de
señales ultrasónicas, tubos de aire y de agua.
-
Elementos de seguridad.
Barrera fotoeléctrica, vallado de policarbonato, semáforos, consola de
seguridad y setas de emergencia.
-
Sistema hidráulico
Para tratar y suministrar el agua necesaria en la medición ultrasonidos.
-
Sistema neumático
Necesario para el movimiento de las tapas del almacén de herramientas,
para el funcionamiento del sistema anti-colisión de los módulos de
medición así como para su acoplamiento y desacoplamiento de la punta
del robot (cambiador).
-
Caja de cerramientos 1 y 2
Cajas desde donde se administran los elementos de seguridad, el
engrasador y sensor mecánico de final de carrera en el track, y los
circuitos neumático e hidráulico.
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Sistema informático DAS (Data Acquisition System)
Compuesto por dos ordenadores de alto rendimiento (de adquisición y de
control y evaluación) para el procesamiento de las señales ultrasónicas
para su transformación en datos entendibles en pantalla.
-
Armario RABIT (Robotic Arm Based for Inspection Technologies.)
Armario diseñado y fabricado por TECNATOM en el que lleva a cabo el
control de las funciones de cambio automático, seguridades y control de
ejecución de tareas como trayectorias y adquisición de coordenadas.
Desempeña sus funciones conjuntamente con el armario de control
KUKA.
-
Armario KUKA
Sistema de control del brazo robótico que KUKA proporciona
conjuntamente en la compra del sistema.
ESQUEMAS DE CONEXIONADO
El trabajo reflejado en este proyecto tuvo como objetivo diseñar el cableado
necesario para interconectar todos los componentes de la instalación, incluidos los
montados a lo largo del brazo robótico, así como las cajas de distribución de señales de
control y el cuadro de acometida eléctrica.
Los problemas técnicos resueltos involucran el paso de cables eléctricos, fibras
ópticas, tubos neumáticos y tubos con agua a través de la planta y, como no podía ser
de otra manera, por las partes móviles del robot, principalmente a través de rozas en el
suelo y cadenas porta-cables, que finalmente tiene que soportar índices de productividad
elevados y mínimos de incidencias y actividades de mantenimiento así como el
establecimiento de sistemas de seguridad para las personas y los propios equipos, tanto
durante las operaciones de inspección como cuando la instalación no esté operando.
Además, el conjunto presenta facilidad para montaje y sustitución, tanto en
fabricación como en reparaciones.
A pesar de que el robot opera con diferentes dispositivos de manera automática, el
cableado hasta la punta del robot (cambiador de módulos) permanece invariable por lo
que se ha diseñado bajo estas condiciones de versatilidad.
La fase posterior a la tarea de diseño consiste en la selección de los materiales
apropiados, por medio de catálogos, a partir de los cálculos eléctricos e hidráulicos
realizados en este proyecto y en función de sus características mecánicas y eléctricas.
Posteriormente se generó la documentación para la fabricación o compra de lo
proyectado eléctrica y mecánicamente. Ésta documentación para la fabricación está
formada principalmente por la especificación del elemento a fabricar, su lista de
materiales y correspondientes planos, y en el caso de las mangueras, su compra directa a
los fabricantes mediante sus números de referencia en los catálogos.
A la hora de disponer de los elementos necesarios, el principal reto surge en la selección
de proveedores y empresas subcontratadas para conseguir la mejor relación calidadprecio partiendo de la premisa de alta calidad.
Con los elementos de conexión ya fabricados y disponibles según las especificaciones,
se procederá a su montaje sobre el robot así como entre los armarios, cajas, ordenadores
y otros sistemas prestando especial atención a las especificaciones de diseño y al pliego
de condiciones técnicas, tanto para instalaciones como para seguridades.
DESIGN AND MANUFACURING OF THE WIRING IN A NDT
INSPECTION SYSTEM BASED ON KUKA ROBOT.
Author: Jusdado Serrano, Carlos.
Project manager: Pérez Ferri, Vicente.
Company: TECNATOM S.A.
ABSTRACT
The company TECNATOM S.A. is engaged to aeronautic and nuclear sectors, and
specifically, to the design and production of robotic systems for quality control of
aircrafts fuselage, welding and other nuclear plant components. These inspection
systems detect manufacturing flaws and other imperfections through Non Destructive
Tests (NDT) using laser and ultrasound devices.
Specifically, the robotic system in which this project was focused was ordered by an
aeronautical company whose name won’t be told due to confidential issues and which
we’ll call as “Empresa R” from now on. The specifications of “Empresa R” were to
project an inspection system through a high accuracy robotic arm, with four autointerchangeable modules, able to detect flaws in huge aeronautic components (18x3m)
made of composite using the technique of eco-pulse ultrasound measurements through
phased-array probes with local immersion in water.
The company specifications for the measurement modules were, three of them, for
measuring surfaces, radii, and stringers on the fuselage with ultrasonic technology, and
the fourth, with laser technology to digitalize the component in 3D. This is the starting
point of the project.
In order to start with this ambitious project, it was necessary to begin with the selection
and acquisition of the robotic arm (by the mechanic department) that fit with the client
specifications. This selection was made from the KUKA robot catalog. This German
company gives you the necessary control devices for movements and for the robot
programming along with the purchase of the arm.
The whole project has been possible thanks to interdepartmental collaboration. These
departments had the task of the design and manufacturing of most of the electrical
cabinets and other elements present in the installation, but this project will be focused
just on the INTEGRATION department, in where all the elements of the installation are
gathered and integrated to make it work under the optimum safety conditions.
Once all the individual elements have been designed, manufactured, and are available,
it’s time to design the interconnections between them.
In this project, was carried out the hard task of designing the wiring and its distribution
boxes, the optic fiber conduction and the pneumatic and hydraulic circuits (along with
their chains) under lay-out specifications, economic restrictions, stress resistance
conditions, electrical current flow, noise and protection against external agents (such as
fire or water splash during the eco-pulse inspection process, among others).
Thanks to this process we achieve the connection of all the elements in the system, so it
can work in an optimal way.
Next, there is a list with a description of all the elements connected in the project:
-
KUKA robotic arm and track
Robotic arm series bought to KUKA with their control cabinet and
console. It was necessary a later integration and programming of the
ultrasound inspection system.
-
Ultrasound and laser measurement modules
These are three devices for ultrasound measurement and a laser module
which require its integration in the series robot for its correct
functionality.
-
Modules stand
Automatic stand for holding the auto-interchangeable modules that will
be exchanged by the robot arm. This stand is equipped with sensors that
help to the process of automation and four compartments with protective
lid that protect the modules form water splash produced during the NDT
inspection.
-
Multi2000 System
This is a cabinet allocated at the arm basement, whose functions are the
processing of the ultrasound signals coming from the modules.
-
Robot’s elbow box
The electrical wiring and the pneumatic tubing are administered through
this box placed on the robot’s elbow. This wiring includes control
signals, ultrasound signals, water and air tubing.
-
Safety devices
These include photoelectric curtain, polycarbonate fencings, semaphores,
safety console and emergency stop spots.
-
Hydraulic system
Necessary for the treatment and supply of the water used in the
ultrasound measurements.
-
Pneumatic system
This system is needed for the opening of the lids in the modules stand
and for the anti-collision device located in the modules exchanger, as
well as for the functionality of the holding and ejecting device of the
modules.
-
Enclosure boxes 1 and 2
Enclosure boxes for administering most of the safety elements, the oiler
in the track, and the hydraulic and pneumatic systems.
-
Computer system DAS (Data Acquisition System)
Formed by two high-performance computers (of acquisition and of
evaluation and control) for the processing of ultrasonic signals making
them understandable through the computer screens.
-
RABIT cabinet (Robotic Arm Based for Inspection Technologies.)
Cabinet designed for controlling various functions such as modules autoexchange control, safety devices through enclosure boxes, execution of
trajectories and coordinates acquisition. This cabinet works together with
the KUKA control cabinet.
-
KUKA cabinet
Controls the robotic arm, and it is given with its purchase.
CONNECTION SKETCH
The projected work had as main target to design the necessary wiring to interconnect
all the components in the inspection system, including the wires and tubes mounted
on the robotic arm, as well as the distribution boxes of control signals and the main
electrical panel.
The solved technical problems included the laying of electrical wires, optic fibers,
air and water tubing over the layout and the moving parts of the robot, mainly
through grooves under the floor and through the chains designed to protect the wiring
from stress produced by the robot movements. Finally these materials have to support
high productivity rates and minimum level of incidences or maintenance, as well as the
installation of safety devices to protect workers and equipment, whether the system is
operative or not.
In addition, the wiring has been designed in order to present ease mounting and
replacement, either during the implementation or during the repairing.
Although the robot operates with different measurement devices automatically, the
wiring until the tip of the robot (module exchanger) remains invariable. Thus, it has
been designed under these versatile conditions.
Once the electrical and hydraulic calculations have been done, the next phase was the
selection of the appropriate materials from catalogs according to its electrical and
mechanical features.
Later, the documents and specifications for manufacturers were generated. This
documentation is formed by the specification of the element, its materials list and its
corresponding plans, and in the case of wires and tubes, they were bought directly to the
manufacturers, giving the reference codes within catalogs.
Finally, when was the time to acquire the necessary elements, the main challenge
appeared in the election of suppliers and subcontractors in order to get the best value.
Once this project has been done, the next phase would be the mounting, setting up and
the verification of the entire system, specially attending to design and technical
specifications, for installation as well as safety issues.