Revestimientos Continuos Interiores de Varias Capas con Características de Barrera de Vapor e Higroscopicidad

El trabajo realizado ha pretendido desarrollar y caracterizar una solución de revestimiento continuo interior con características de barrera de vapor e higroscopicidad. El objetivo ha sido desarrollar una solución de revestimiento continuo interior, capaz de reducir el riesgo de condensación intersticial en los cerramientos, manteniendo la capacidad de regulación de la humedad del ambiente interior. ESTUDIO DE ANTECEDENTES 1 La condensación intersticial La condensación intersticial se produce cuando la presión de vapor sobrepasa la presión de vapor de saturación en una de las capas internas del cerramiento. El vapor de agua se transfiere de los locales de mayor presión de vapor a los de menor presión. Para la situación de condensación intersticial, en la estación de calentamiento, las presiones de vapor son más elevadas en el interior del edificio que en el exterior. Entonces existe una transferencia de vapor del interior hacia el exterior y es en ese trayecto cuando pueden producirse las condensaciones intersticiales si éste alcanza la temperatura de rocío. Las consecuencias de la condensación intersticial pueden ser varias, desde la degradación de los materiales, como la corrosión de elementos metálicos; la pudrición de productos orgánicos naturales, como la madera, variaciones dimensionales de las fábricas de ladrillo con posibilidad de deformación del cerramiento y de fisuración de los revestimientos continuos. Pueden también producirse fenómenos de corrosión física provocados por la congelación del agua en los elementos porosos del cerramiento. Los revestimientos continuos pueden también estar sujetos a vegetaciones parasitarias por el exterior del cerramiento o de hongos por el interior, por transferencia del agua condensada a las superficies del cerramiento. Los hongos pueden provocar enfermedades principalmente respiratorias o alergias, al alterar la calidad del aire. La condensación intersticial se produce principalmente en situaciones de bajas temperaturas y elevados grados de humedad especifica exterior. Pero las condiciones de temperatura y principalmente de humedad especifica interior tienen también gran influencia en esta situación patológica. Las condiciones de humedad relativa interior dependen de muchos factores como el tipo y uso del edificio, y en caso de vivienda, del número de ocupantes, de las actividades que se desarrollan, pero esencialmente de la temperatura interior y del grado de ventilación. Las soluciones constructivas también tienen influencia en el riesgo de condensaciones. Las soluciones de cerramientos con aislamientos por el interior y con capas impermeables al vapor por el exterior son las más problemáticas. En esta solución constructiva extrema, tenemos prácticamente todo el cerramiento cerca de las temperaturas exteriores, con gran concentración de vapor de agua. El tipo de aislamiento también es importante, los aislamientos con gran desequilibrio higrotérmico, como las lanas minerales, de fibra de madera, o de fibras textiles, caracterizados por el elevado aislamiento y la elevada permeabilidad al vapor, son los que presentan mayor riesgo. Éstos permiten el paso del vapor y producen un salto acentuado de la temperatura. Su colocación por el interior de los cerramientos incrementa aún más el riesgo de condensaciones. Estos materiales de aislamiento también se caracterizan por tener una menor energía primaria asociada a su fabricación. Por lo tanto merecen una atención especial en la búsqueda de soluciones sostenibles. Así mismo, también puede existir riesgo de condensaciones con aquellos aislamientos de menor permeabilidad al vapor, como los poliméricos o las espumas de vidrio, pero deficientemente aplicados, permitiendo el paso del vapor de agua por las juntas o en los encuentros con forjados, pilares o huecos. La condensación de agua en los aislamientos caracterizados por una elevada permeabilidad al vapor es la situación más problemática porque, además de poder conducir a la pudrición de aislamientos de origen orgánico (como los de fibra de madera), conduce a una disminución del aislamiento del cerramiento y al consecuente incremento del consumo de energía en la obtención del confort térmico. Existen un conjunto de reglas y de soluciones constructivas que pueden reducir el riesgo de condensaciones intersticiales como la colocación de materiales sucesivamente más permeables al vapor, o más aislantes, del interior al exterior. XXXIII Revestimientos exteriores discontinuos y ventilados y aislamientos aplicados por el exterior es la solución extrema de este principio. La aplicación de aislamientos impermeables al vapor es otra solución, siendo necesario que se garantice que las juntas de las placas del aislamiento sean estancas, así como los encuentros con los forjados, pilares y huecos. Otra solución es la aplicación de cerramientos dobles con cámara de aire ventilada, teniendo el cuidado de ventilar solamente la parte fría del cerramiento. Es necesario en estas situaciones, que se garantice que el aislamiento se encuentra aplicado en la cara exterior del ladrillo interior del cerramiento. También es importante controlar el grado de ventilación de la cámara para que no se produzca la pérdida de la resistencia térmica de la hoja de ladrillo exterior. La aplicación de barreras de vapor en la parte caliente del cerramiento es una solución que garantiza la reducción del flujo del vapor del interior hacia el exterior y consecuentemente contribuye a la reducción de la presión de vapor en su lado exterior y en la parte fría del cerramiento. 2 La normativa La normativa española, el Código Técnico de la Edificación de 2006, en su capítulo Ahorro de Energía, establece que no está permitida en ninguna situación, la condensación en el aislamiento. Todavía existiendo condensaciones en otras capas del cerramiento, en la estación de calentamiento, éstas no pueden ser mayores que la evaporación en la estación de enfriamiento. La misma normativa determina que si existe una barrera de vapor en la parte caliente del cerramiento no será necesario comprobar las condiciones anteriores. La normativa portuguesa, el Regulamento das Características do Comportamento Térmico dos Edifícios, de 2006, no tiene ninguna exigencia relativa a las condensaciones intersticiales. Sus autores defienden que en Portugal no es un fenómeno que pueda tener consecuencias graves en los elementos constructivos o en el consumo de energía. En la norma EN 13788 de 2001 están definidos los métodos más comunes de verificación de las condensaciones y de la evaporación y están basados en el Diagrama de Glaser. En base a esta norma es posible verificar el riesgo de condensaciones superficiales y la posibilidad de desarrollo de hongos en la superficie interior del cerramiento. Pero también permite evaluar el riesgo de condensaciones debido a la difusión de vapor de agua. En este método se considera que el agua incorporada en la construcción ha secado, y es aplicable en situaciones en que sean insignificantes los fenómenos de alteración de conductividad térmica con la humedad, la liberación y absorción de calor, alteración de las propiedades de los materiales con la humedad, succión capilar y transferencia de humedad líquida en los materiales, circulación de aire a través de grietas, y la capacidad higroscópica en los materiales. Me resulta extraño que la misma norma establezca que el método no debe ser utilizado para la comprobación de la existencia de condensaciones, sino solamente como método comparativo de diferentes soluciones constructivas o condiciones ambientales. Más recientemente, con la norma EN 15026 de 2007, se ha introducido una alteración en el método de verificación. Mientras que en base a la norma 13788 la verificación se realiza en régimen estacionario, y solamente considerando algunas propiedades de los materiales como la resistencia térmica (R) y el coeficiente de resistencia a la difusión de vapor de agua (μ), la norma EN 15026, determina que se realice en régimen variable y que otros fenómenos físicos sean considerados. Con respecto a la temperatura, el almacenamiento de calor en materiales secos o húmedos, la transferencia de calor con la transmitancia térmica dependiente de la cantidad de agua presente en los materiales, transferencia de calor latente por difusión de vapor de agua con cambio de fase. Con respecto a la humedad, el almacenamiento de humedad por adsorción y desorción de vapor de agua y fuerzas capilares. Transporte de humedad por difusión de vapor de agua, transporte de agua líquida por difusión de superficie y conducción capilar. 3 Barreras de vapor Las barreras de vapor se caracterizan por una reducida permeancia al vapor, que de acuerdo con la normativa española NBE 79 es inferior a 0,1g /MNs o resistencia superior a 10 MNs/g. (o permeancia inferior a 1,152 g/mmHg, o resistencia al vapor mayor que 0,86 mmHg∙m2∙día /g). Esta permeancia al vapor corresponde a una capa de aire de difusión equivalente (Sd) de 215 cm o 2,15 metros. XXXV Todos los materiales pueden alcanzar estos valores de resistencia al vapor siempre que se utilicen con grandes espesores, pero los que más interesan son los que puedan tener esa característica con pequeños espesores. Existen otras clasificaciones, como la del CSTC de la Bélgica que divide los materiales de acuerdo a su permeancia al vapor. Están definidas 4 categorías de barreras de vapor E1, E2, E3, E4. La categoría E1 para los materiales con - Sd entre 2 y 5 metros, E2 – con Sd entre 5 y 25 metros y 3 - con Sd entre 25 y 200 metros y finalmente E4 para valores de Sd superiores a 200 metros. Estos materiales pueden ser de diferentes tipos, y con diferentes aplicaciones. Las pinturas al esmalte o emulsiones bituminosas, los films de polietileno o de aluminio, y las membranas de betún o vinílicas son algunos ejemplos de productos con estas características y que se utilizan con ese fin. Su aplicación puede realizarse en la superficie interior del cerramiento como las pinturas al esmalte o en la cámara de aire como los otros tipos mencionados anteriormente. En todo caso deben ser colocados en la parte caliente del cerramiento, por el interior del aislamiento. Las pinturas al esmalte, los barnices, o las membranas vinílicas, cuando son aplicados sobre el revestimiento interior, presentan el problema de quitar la capacidad higroscópica del revestimiento, sea de yeso, mortero de cemento o incluso de madera. Las emulsiones de betún o las membranas de betún son generalmente aplicadas en la cara exterior de la hoja interior del cerramiento, cuando existe cámara de aire, por lo que necesitan ser aplicadas por el exterior del edificio y obligan a que la ejecución de la hoja de ladrillo de fuera sea hecha también por el exterior, con las condiciones de seguridad y de costo asociadas. Los films de aluminio o de polietileno presentan problemas de aplicación como la garantía de estanquidad, por no ser continuos, y por que el sistema de fijación poder no garantizarla. Las soluciones que parecen garantizar una mejor estanquidad y menor costo son las aplicaciones de barreras de vapor continuas y aplicadas por el interior del cerramiento, como la pintura al esmalte. Sin embargo, como ya se ha comentado con anterioridad, pueden reducir la capacidad higroscópica de los cerramientos y la inercia higroscópica de las construcciones. 4 La importancia de la capacidad higroscópica El agua actúa como un pequeño imán y es atraída por varios materiales en estado líquido o gaseoso. Muchos materiales son capaces de contener moléculas de vapor de aire, llamándose este fenómeno adsorción y ocurre en los materiales llamados hidrófilos. La capacidad de los materiales de variar su contenido de humedad con la humedad relativa del aire se llama capacidad higroscópica. La capacidad higroscópica de los materiales de revestimiento es importante por permitir la adsorción y desadsorción de agua en estado de vapor y así permitir la regulación de la humedad del ambiente interior, adsorbiendo cuando la humedad relativa del aire es elevada y desorbiendo cuando la humedad relativa es baja. De acuerdo con los datos del Fraunhofer Institut y para valores de humedad por unidad de volumen (Kg/m3), el revestimiento de yeso no es el producto que presenta una mejor capacidad higroscópica, comparado por ejemplo con los revocos de cemento. Para valores de humedad relativa del 50%, el revestimiento de yeso presenta valores de contenido de humedad de 3,6 g/m3, el revoco de cemento 9,66 g/m3, y el revestimiento acrílico de acabado de 2,7 g/m3. Para una humedad relativa del 95% y por tanto aún en el rango higroscópico, los valores para los mismos morteros son de 19 g/m3, 113,19 g/m3 y 34,55 g/m3, respectivamente. Para una humedad relativa del 100% y por tanto en el rango por encima de la saturación capilar, en la saturación máxima, los valores son de 400 g/m3, 280 g/m3 y 100 g/m3 respectivamente. Solo para valores de humedad relativa del 100% es posible verificar un contenido de humedad del revestimiento de yeso superior al del revoco de cemento. La inercia higroscópica permite que las variaciones de la humedad relativa del aire en una habitación, tenga una atenuación de los picos diarios pudiendo contribuir para el confort y para la disminución de los costos energéticos a él asociados. Puede también XXXVII tener un efecto a largo plazo traducido en alteraciones de las medias mensuales en los meses de inicio y de fin de ciclos estacionales, de variación de la humedad relativa. Estos son los fundamentos que han llevado al desarrollo de soluciones de revestimientos continuos interiores con características de barrera de vapor e higroscopicidad. ESTUDIO EXPERIMENTAL El estudio experimental consta de dos partes: - permeabilidad al vapor e capacidad higroscópica de materiales y productos - adherencia de revestimientos predosificados de yeso a capas impermeables al vapor. 1- Materiales y métodos I. Permeabilidad al vapor y capacidad higroscópica de materiales y productos El desarrollo de esta solución de revestimiento ha comenzado por el estudio de las características de permeabilidad al vapor y de capacidad higroscópica de los materiales y productos utilizados en los revestimientos continuos de cerramientos. Los primeros ensayos han sido realizados en el periodo de docencia del Curso de Doctorado en la asignatura de Aplicaciones Actuales de Conglomerantes Tradicionales, del Profesor Luis de Villanueva Domínguez, y han permitido el primer contacto con los métodos de ensayos y el conocimiento de las normas aplicables. En el trabajo de investigación realizado en la asignatura, se ha ensayado la permeabilidad al vapor e la capacidad higroscópica de morteros de revestimiento, de conglomerantes tradicionales Los materiales y productos ensayados, en ese primer trabajo experimental, han sido, mortero de escayola y cal aérea, yeso de proyectar, mortero de cal aérea y arena, mortero de cal hidráulica y arena, mortero de cemento y arena, mortero de cemento y arena con aditivos impermeabilizantes y morteros impermeabilizantes a base de cemento. En el periodo de investigación del Curso de Doctorado han sido ensayados otros materiales y productos. También con la orientación del Catedrático Luis de Villanueva Domínguez se ha desarrollado el Trabajo Tutelado en el cual se han ensayado materiales y productos de revestimiento continuo de conglomerantes no tradicionales, yesos puros con adiciones naturales, yesos de proyectar con adiciones sintéticas y capas peliculares de diferente origen. De los productos de origen sintético se ha ensayado la permeabilidad al vapor y capacidad higroscópica de estucos acrílicos de relleno (Matesica), estucos acrílicos de acabado (Matesica), mortero sintético de relleno/acabado para exterior o interior (Matesica), mortero sintético de acabado para exterior (Weber), mortero epoxi de relleno y acabado para interior (Gobbetto), morteros de agarre (BASF y Matesica), mortero de reparación de cemento (Weber), mortero de reparación de yeso (Weber). Se ha ensayado también la permeabilidad al vapor de capas peliculares continuas de diferentes orígenes, como aceite de linaza hervido, cera de abeja diluida en esencia de trementina, emulsión bituminosa (Shell), emulsión bituminosa con polímero (BASF), imprimación epoxídica con cemento (BASF), pintura epoxídica (Matesica), pintura anticarbonatación (BASF), estuco Veneciano de cal (La Calce de la Brenta), estuco Veneciano sintético (Gobbetto) e impermeabilización líquida (Weber). Han sido ensayadas también la permeabilidad al vapor y la capacidad higroscópica de yesos puros (portugueses) sin adiciones y con aditivos naturales (cal aérea hidratada 1/1, cola de pescado y cola de conejo). Los yesos de proyectar han sido ensayados sin adiciones y con adiciones de látex SBR (BASF), acrílico (Weber) y epoxi (Matesica). II Adherencia de revestimientos predosificados de yeso a capas impermeables al vapor Como ya se ha dicho anteriormente, hasta una humedad relativa por debajo del 95%, el revestimiento de yeso tiene una capacidad higroscópica inferior al revoco de cemento y al revestimiento acrílico de acabado. Se ha elegido, de acuerdo con el profesor Luis de Villanueva Domínguez, este producto como capa higroscópica del esquema de revestimiento. Las cuestiones de tradición cultural, de abundancia de materia prima en la Península Ibérica, esencialmente en España, y los menores costos energéticos asociados a su fabricación, determinan el origen de esta decisión. Para la producción de 1 m3 de XXXIX cemento son necesarios 12600 MJ, mientras que para 1 m3 de yeso son necesarios solamente 2640 MJ. Pero el yeso presenta otras características mejores que los morteros de cemento, como la menor densidad, menor conductividad térmica y menor efusividad térmica. La mejor capacidad de absorción de agua en la fase líquida por capilaridad, que el mortero de cemento, es otra de las ventajas de los revestimientos de yeso que en situaciones de condensación superficial interior puede evitar el goteo. El paso siguiente ha sido ensayar la adherencia de un revestimiento predosificado de yeso a las capas que han presentado característica de barrera de vapor con espesores hasta 6 mm, así como en aquellas en que los fabricantes recomiendan menores espesores, como el mortero epoxi de relleno y acabado y el mortero sintético de acabado. Se ha utilizado un revestimiento de yeso predosificado de aplicación manual, portugués. La elección de un producto de aplicación manual se ha debido a la dificultad de obtener la aplicación por proyección en el local donde se han hecho las muestras, el taller de la Faculdade de Arquitectura da Universidade Técnica de Lisboa. Se ha aplicado con espesor de 2 cm sobre las capas de aceite de linaza hervido, emulsión de bituminosa, imprimación epoxídica con cemento, pintura epoxídica, impermeabilización líquida, mortero epoxi de relleno y acabado, mortero sintético de acabado. Verificando que ninguno de los materiales que han presentado características de barrera de vapor hasta espesores de 0,6 mm proporcionaban una adherencia al revestimiento de yeso capaz de garantizar el cumplimento de todas las exigencias, se ha decidido elegir los materiales impermeables al vapor más finos y con diferentes orígenes para desarrollar los estudios de mejora de la adherencia. Ha sido necesario desarrollar un conjunto de experimentos con el objetivo de incrementar la adherencia del revestimiento de yeso a estos soportes no absorbentes. La adherencia de los revestimientos continuos de conglomerantes tradicionales, como el yeso sobre soportes absorbentes, se basa en una adherencia mecánica. En este caso los cristales de yeso se van a formar dentro de la red capilar del ladrillo cerámico o del hormigón. Aplicando una barrera de vapor sobre ellos, se elimina esta posibilidad por aplicarse una barrera entre la estructura porosa del soporte (ladrillo u hormigón) y el revestimiento de yeso. Se tiene que producir otro tipo de adherencia, la adherencia química. Esta adherencia se basa en los enlaces químicos, de tipo secundario, como los puentes de hidrógeno o las fuerzas bipolares de Van der Waals. Aunque este tipo de adherencia es menor que la que se produce sobre soportes absorbentes, puede alcanzar valores considerables. Los materiales impermeables al vapor elegidos han sido el aceite de linaza hervido, la emulsión bituminosa y la imprimación epoxi con cemento. A estos materiales de origen natural, artificial e sintético, han sido aplicadas capas intermedias de arena de sílice, mortero de cemento y arena, mortero de agarre y un puente de adherencia de acuerdo con las recomendaciones de Eurogypsum. La capa de arena ha sido aplicada con la última mano aún fresca, mientras que las otras capas intermedias han sido aplicadas con las capas impermeables al vapor ya secas. Las capas intermedias aplicadas han sido: - al aceite de linaza hervido - arena de sílice y puente de adherencia. - a la emulsión bituminosa - arena de sílice, mortero de cemento y arena 1:1 y puente de adherencia - a la capa de imprimación epoxídica con cemento - arena de sílice, mortero de agarre y puente de adherencia. El revestimiento de yeso utilizado ha sido un yeso predosificado de aplicación manual, de origen español, y se ha aplicado con un espesor de 2 centímetros. Para la capa intermedia de puente de adherencia y siguiendo la recomendación del fabricante, se ha añadido un látex de SBR (con relación látex/agua de 1/2) al revestimiento de yeso. Otra experimentación realizada ha sido la adición del látex SBR al revestimiento de yeso y su aplicación directamente sobre cada una de las capas impermeables al vapor, y a cada una de las capas intermedias aplicadas sobre las capas impermeables al vapor. XLI La aplicación del látex en las proporciones de 1/2, de relación látex/agua, puede cambiar algunas propiedades del revestimiento de yeso en pasta, en relación a su aplicación, o tiempo de inicio o fin de fraguado, e incluso tener influencia en el costo final del revestimiento. Puesto que la adherencia del revestimiento de yeso con adición del látex a la capa intermedia de puente de adherencia ha sido muy superior a las exigencias más estrictas, se ha realizado un ensayo, pero sin la adición del látex. Este ensayo se ha realizado aplicando el revestimiento de yeso sobre las capas de puente de adherencia anteriormente aplicadas sobre las capas impermeables al vapor, descritas con anterioridad. Se ha aplicado ahora un revestimiento de yeso predosificado también de aplicación manual, pero de origen portugués. Para garantizar el cumplimiento integral de la exigencia de adherencia de 0,5 MPa, se ha hecho otro ensayo con una menor adición de látex de SBR al yeso predosificado. Se ha aplicado el látex con una relación látex/agua de 1/3 y 1/4. 2 Resultados y discusión I. Permeabilidad al vapor y capacidad higroscópica de materiales y productos En el primer ensayo de permeabilidad al vapor se concluyó que ninguno de los productos ensayados puede constituir barrera de vapor en espesores hasta 2 cm. y que lo que ha presentado mayor resistividad al vapor ha sido el mortero impermeabilizante de capa fina. Tendría que tener un espesor próximo a los 14,12 cm para poder constituir barrera de vapor. En los ensayos de capacidad higroscópica, realizados solamente para humedades relativas del 50% y 95% a temperaturas de 23ºC, el mortero de escayola y cal aérea y el yeso de proyectar han presentado una capacidad higroscópica bastante elevada, pero como el secado ha sido realizado a 100º C (lo que no es la temperatura adecuada para los productos a base de yeso por poder éstos sufrir una deshidratación y un cambio en su constitución) los resultados no pueden ser considerados. El mortero de impermeabilización de capa fina también ha presentado una buena capacidad higroscópica, mejor que el mortero de cemento y arena, y éste mejor que el mortero de cal hidráulica y arena, y éste mejor que el mortero de cal aérea y arena. La adición de aditivos impermeabilizantes no ha cambiado significativamente esta característica. Como resultado de los segundos ensayos se ha concluido que existen diferentes materiales y productos que pueden constituir barrera de vapor con diferentes espesores. Los productos estuco acrílico de relleno, estuco sintético de acabado, mortero sintético de acabado para exterior, mortero epoxi de relleno y acabado, han presentado características de barrera de vapor con espesores hasta 2 cm, sin embargo, son espesores superiores a los recomendados por los fabricantes de los productos. De los productos peliculares, han constituido barrera de vapor, el aceite de linaza hervido (con valores muy próximos), la emulsión bituminosa sin polímero, la imprimación epoxídica con cemento, la pintura epoxídica y la impermeabilización líquida. Todos los demás productos ensayados no han presentado esa característica cuando aplicados en tres manos. Los yesos puros con adiciones naturales y los yesos de proyectar con adiciones sintéticas no han presentado características de barrera de vapor en espesores hasta dos centímetros. El mejor resultado ha sido el del yeso puro con adición de cola de pescado, que ha presentado característica de barrera de vapor con espesor de 16,32 cm. En cuanto a la capacidad higroscópica de los materiales y productos, el ensayo ha sido repetido recientemente con las mismas muestras, porque en el ensayo realizado para el Trabajo Tutelado no fue posible una correcta caracterización. En ese ensayo solo se han obtenido los valores de capacidad higroscópica para valores de humedad del 50 % ± 3 a temperatura de 23 ºC ± 2 por no disponerse de los medios necesarios para un estudio más completo. En el ensayo realizado recientemente en el Laboratório Nacional de Engenharia Civil de Portugal (LNEC), se ha utilizado una cámara climática, con control de temperatura y humedad relativa, y se han obtenido los valores de capacidad higroscópica para valores de humedad relativa del 25%, 50%, 75% y 95% a temperatura constante de 23º C. XLIII En ese último ensayo se ha verificado que para humedades relativas del 50 %, los yesos predosificados de aplicación manual, portugueses y españoles, tienen diferentes capacidades higroscópicas. Los yesos españoles han presentado una capacidad higroscópica de 0,2 % y el portugués de 0,05 %. La adición de látex de SRB no ha reducido la capacidad higroscópica del yeso predosificado español. Los valores se han mantenido próximos para las relaciones látex/agua de 1/4, 1/3 y 1/2, con 0,2 %. Para valores de capacidad higroscópica por volumen se ha verificado que la adición de látex incrementa la capacidad higroscópica, estableciéndose que los valores para el yeso español sin látex han sido de 2,2 g/dm3 y para los yesos con adición de látex han sido de cerca de 2,5 g/dm3. Para este valor de humedad relativa otros productos han presentado mayor capacidad higroscópica, como el yeso puro con cola de pescado con 5,1 g/dm3.Para morteros ensayados con espesores de 0,6 cm, el mortero de reparación de yeso ha presentado un valor de capacidad higroscópica de 4,1 g/dm3 y el mortero de agarre (BASF) ha presentado el valor de 4,6 g/dm3. Para valores de humedad relativa del 95 %, la capacidad higroscópica presentada por el yeso predosificado español ha sido de 1 % y por el portugués ha sido de 0,27 %. La adición de látex tampoco aquí ha alterado la capacidad higroscópica. Las pequeñas diferencia registradas pueden deberse al diferente tiempo en que se han realizado los pesajes, por existir ya mucha agua libre. Para valores de capacidad higroscópica por volumen se ha verificado que la adición de látex incrementa la capacidad higroscópica, estableciéndose que los valores para el yeso español sin látex han sido de 10,6 g/dm3 y para los yesos con adición de látex han sido de cerca de 11,60 g/dm3 para látex/agua de 1/4, 13,77 g/dm3 para látex/agua de 1/3 y 12,20 g/dm3 para látex/agua de 1/2. Para este valor de humedad relativa, otros productos han presentado mayor capacidad higroscópica, y superiores al yeso predosificado de aplicación manual español. El yeso predosificado de proyectar con adición de látex acrílico (Weber), con 14,1 g/dm3, el yeso puro con cola de pescado con 17,8 g/dm3, el yeso puro cal aérea hidratada con 18,3 g/dm3. Para los morteros ensayados con espesores de 0,6 cm, el mortero de agarre Matesica con valor 17,7 g/dm3, el mortero de reparación de yeso con valores de 31,2 g/dm3 y el mortero de agarre BASF con valores de 48,8 g/dm3. Este ultimo valor debería ser verificado por haberse podido producir un error en la cantidad de agua suministrada. XLIV II Adherencia de revestimientos predosificados de yeso a capas impermeables al vapor Realizado el ensayo de adherencia del revestimiento de yeso predosificado aplicado sobre las capas que han constituido barrera de vapor con espesor hasta 6 mm, se ha verificado que los valores requeridos por la norma europea EN 13279 de 2005, con valores de adherencia ≥ 0,1 MPa o rotura cohesiva por el soporte, solo no han sido satisfechos por la pintura epoxídica y por el revestimiento sintético de acabado. Todavía los valores de adherencia no han alcanzado los valores exigidos por las exigencias complementarias del Laboratório Nacional de Engenharia de Portugal (LNEC) o las exigencias españolas. Las exigencias del LNEC, determinan una adherencia ≥ 0,5 MPa, o una ruptura cohesiva. Las exigencias españolas determinan que la adherencia debe ser determinada por la rotura del revestimiento. La solución de revestimiento que mejor resultado ha presentado ha sido la del revestimiento predosificado de yeso aplicado sobre la capa de aceite de linaza hervido, con una adherencia de 0,324 MPa. También se ha ensayado la aplicación de una capa intermedia de mortero de agarre entre las capas impermeables al vapor de imprimación epoxídica y pintura epoxídica. Los resultados obtenidos han sido de 0,21 MPa y de 0,25 MPa respectivamente. De los valores obtenidos en el ensayo de adherencia del revestimiento de yeso predosificado a las capas peliculares elegidas que han constituido barrera de vapor cuando aplicadas en tres manos, solo algunas de las soluciones con adición de látex al yeso han cumplido las exigencias más estrictas. Éstas han sido las capas impermeables al vapor constituidas por emulsión bituminosa e imprimación epoxi con cemento. Las capas intermedias de arena de sílice sobre la emulsión bituminosa y sobre la imprimación epoxi también han cumplido. Las capas intermedias de mortero de cemento sobre emulsión bituminosa, y mortero de agarre sobre imprimación epoxi con cemento también han cumplido. El puente de adherencia sobre emulsión bituminosa e imprimación epoxídica con cemento, han presentado valores muy elevados de adherencia del revestimiento de XLV yeso. Los valores obtenidos han sido tres veces superiores a las exigencias más estrictas. Los valores obtenidos en el ensayo de adherencia del revestimiento de yeso predosificado sobre el puente adherencia aplicado sobre las capas peliculares impermeables al vapor han sido muy cercanos a la exigencia del Laboratório Nacional de Engenharia Civil de Portugal. Presentan una media de 0,456 MPa. Los valores más bajos han sido para la solución de capa impermeable al vapor constituida por aceite de linaza hervido, con el valor de 0,418 MPa. El valor más elevado ha sido para la solución de capa impermeable al vapor constituida por imprimación epoxídica con cemento, con el valor de adherencia de 0,484 MPa. Los valores obtenidos con las capas impermeables al vapor constituidas por aceite de linaza hervido han presentado roturas siempre adhesivas, o en su capa, pero con valores muy diferentes. Los valores de mayor adherencia se han producido con las capas de aceite con mayor tiempo de secado. En el ensayo de adherencia del revestimiento de yeso predosificado con adición de látex con relación agua/látex de 1/3 y 1/4, aplicado sobre el puente de adherencia, aplicado sobre la capa de imprimación epoxi se ha verificado que la solución con relación látex/agua de 1/4 ha superado la exigencia de 0,5 MPa en un 50 %. Esto resultado quiere decir que es posible aplicar una relación de látex/agua aún inferior. PRINCIPALES CONCLUSIONES Como principales conclusiones del estudio experimental podemos decir que es posible obtener un revestimiento continuo interior impermeable al vapor e higroscópico. Se pueden obtener con capas impermeables al vapor de aceite de linaza hervido (debidamente seco), emulsión bituminosa o con imprimación epoxídica con cemento, aplicadas directamente sobre el ladrillo. Como capa higroscópica se puede aplicar un revestimiento de yeso predosificado, no obstante sea menos higroscópico que un revestimiento de mortero de cemento y arena (hasta humedades relativas del 95%). La adherencia entre la capa impermeable al vapor y el revestimiento de yeso predosificado, puede conseguirse con un puente de adherencia entre las dos capas anteriormente descritas. Si la adherencia del yeso no fuera capaz de cumplir las exigencias más estrictas (0,5 MPa) puede añadirse un látex de SBR al yeso en una relación de látex agua de 1/4. Esa adición permite una adherencia un 50 % superior a las exigencias más estrictas, por lo que se pueden ensayar relaciones aún menores de L/A. Estas adiciones no restan capacidad higroscópica al revestimiento, pudiendo incluso incrementarla (para humedades relativas del 25% al 95%) con beneficio para la inercia higroscópica del edificio donde fuese aplicado. Con respecto a la influencia de la solución de revestimiento propuesta en el riesgo de condensaciones intersticiales, se puede decir que no ha sido posible observar una diferencia significativa en las simulaciones realizadas, entre la aplicación del revestimiento y su no aplicación. Las simulaciones han sido realizadas con la aplicación informática Wufi 5 Pro, que respeta la normativa más reciente relativa a las condensaciones intersticiales. Comparando con la solución tradicional de aplicación de barrera de vapor en la cámara de aire, tampoco se han verificado grandes diferencias. Cabe destacar que esta solución tradicional no ha presentado diferencias en relación a la no aplicación de barrera de vapor. Estas simulaciones contradicen lo comúnmente establecido hasta ahora, que es considerar que la aplicación de barreras de vapor en la parte caliente del cerramiento reduce considerablemente el riesgo de condensaciones intersticiales. Estas simulaciones han sido realizadas considerando que la fracción de lluvia adherida al cerramiento seria la correspondiente a la solución constructiva y a su inclinación. En la definición del componente pared del cerramiento no existe la posibilidad de colocar la capa de pintura exterior. Considerando la hipótesis de que con la capa de pintura exterior, no existe absorción de agua de lluvia, en esta solución constructiva, los valores obtenidos han cambiado considerablemente. El contenido total de agua en el elemento ha sido menor en la solución con barrera de vapor en el revestimiento (pico máximo de 1 Kg/m2), seguido de la solución de barrera de vapor en la cámara de aire (pico máximo de 1,4 Kg/m2) y esto menor que la solución sin barrera de vapor (pico máximo de 1,8 Kg/m2). El contenido de agua en la lana de roca también ha sido menor en la solución con barrera de vapor en el revestimiento interior (pico máximo de 1,15 %), seguido de la solución con barrera de vapor en la cámara de aire (pico máximo de 1,5 %). y esto menor que la solución sin barrera de vapor (pico máximo de 1,62 %).

Caracterización de un robot para aplicaciones de mecanizado con requerimientos de tolerancias

El presente Trabajo fin Fin de Máster, versa sobre una caracterización preliminar del comportamiento de un robot de tipo industrial, configurado por 4 eslabones y 4 grados de libertad, y sometido a fuerzas de mecanizado en su extremo. El entorno de trabajo planteado es el de plantas de fabricación de piezas de aleaciones de aluminio para automoción. Este tipo de componentes parte de un primer proceso de fundición que saca la pieza en bruto. Para series medias y altas, en función de las propiedades mecánicas y plásticas requeridas y los costes de producción, la inyección a alta presión (HPDC) y la fundición a baja presión (LPC) son las dos tecnologías más usadas en esta primera fase. Para inyección a alta presión, las aleaciones de aluminio más empleadas son, en designación simbólica según norma EN 1706 (entre paréntesis su designación numérica); EN AC AlSi9Cu3(Fe) (EN AC 46000) , EN AC AlSi9Cu3(Fe)(Zn) (EN AC 46500), y EN AC AlSi12Cu1(Fe) (EN AC 47100). Para baja presión, EN AC AlSi7Mg0,3 (EN AC 42100). En los 3 primeros casos, los límites de Silicio permitidos pueden superan el 10%. En el cuarto caso, es inferior al 10% por lo que, a los efectos de ser sometidas a mecanizados, las piezas fabricadas en aleaciones con Si superior al 10%, se puede considerar que son equivalentes, diferenciándolas de la cuarta. Las tolerancias geométricas y dimensionales conseguibles directamente de fundición, recogidas en normas como ISO 8062 o DIN 1688-1, establecen límites para este proceso. Fuera de esos límites, las garantías en conseguir producciones con los objetivos de ppms aceptados en la actualidad por el mercado, obligan a ir a fases posteriores de mecanizado. Aquellas geometrías que, funcionalmente, necesitan disponer de unas tolerancias geométricas y/o dimensionales definidas acorde a ISO 1101, y no capaces por este proceso inicial de moldeado a presión, deben ser procesadas en una fase posterior en células de mecanizado. En este caso, las tolerancias alcanzables para procesos de arranque de viruta se recogen en normas como ISO 2768. Las células de mecanizado se componen, por lo general, de varios centros de control numérico interrelacionados y comunicados entre sí por robots que manipulan las piezas en proceso de uno a otro. Dichos robots, disponen en su extremo de una pinza utillada para poder coger y soltar las piezas en los útiles de mecanizado, las mesas de intercambio para cambiar la pieza de posición o en utillajes de equipos de medición y prueba, o en cintas de entrada o salida. La repetibilidad es alta, de centésimas incluso, definida según norma ISO 9283. El problema es que, estos rangos de repetibilidad sólo se garantizan si no se hacen esfuerzos o éstos son despreciables (caso de mover piezas). Aunque las inercias de mover piezas a altas velocidades hacen que la trayectoria intermedia tenga poca precisión, al inicio y al final (al coger y dejar pieza, p.e.) se hacen a velocidades relativamente bajas que hacen que el efecto de las fuerzas de inercia sean menores y que permiten garantizar la repetibilidad anteriormente indicada. No ocurre así si se quitara la garra y se intercambia con un cabezal motorizado con una herramienta como broca, mandrino, plato de cuchillas, fresas frontales o tangenciales… Las fuerzas ejercidas de mecanizado generarían unos pares en las uniones tan grandes y tan variables que el control del robot no sería capaz de responder (o no está preparado, en un principio) y generaría una desviación en la trayectoria, realizada a baja velocidad, que desencadenaría en un error de posición (ver norma ISO 5458) no asumible para la funcionalidad deseada. Se podría llegar al caso de que la tolerancia alcanzada por un pretendido proceso más exacto diera una dimensión peor que la que daría el proceso de fundición, en principio con mayor variabilidad dimensional en proceso (y por ende con mayor intervalo de tolerancia garantizable). De hecho, en los CNCs, la precisión es muy elevada, (pudiéndose despreciar en la mayoría de los casos) y no es la responsable de, por ejemplo la tolerancia de posición al taladrar un agujero. Factores como, temperatura de la sala y de la pieza, calidad constructiva de los utillajes y rigidez en el amarre, error en el giro de mesas y de colocación de pieza, si lleva agujeros previos o no, si la herramienta está bien equilibrada y el cono es el adecuado para el tipo de mecanizado… influyen más. Es interesante que, un elemento no específico tan común en una planta industrial, en el entorno anteriormente descrito, como es un robot, el cual no sería necesario añadir por disponer de él ya (y por lo tanto la inversión sería muy pequeña), puede mejorar la cadena de valor disminuyendo el costo de fabricación. Y si se pudiera conjugar que ese robot destinado a tareas de manipulación, en los muchos tiempos de espera que va a disfrutar mientras el CNC arranca viruta, pudiese coger un cabezal y apoyar ese mecanizado; sería doblemente interesante. Por lo tanto, se antoja sugestivo poder conocer su comportamiento e intentar explicar qué sería necesario para llevar esto a cabo, motivo de este trabajo. La arquitectura de robot seleccionada es de tipo SCARA. La búsqueda de un robot cómodo de modelar y de analizar cinemática y dinámicamente, sin limitaciones relevantes en la multifuncionalidad de trabajos solicitados, ha llevado a esta elección, frente a otras arquitecturas como por ejemplo los robots antropomórficos de 6 grados de libertad, muy populares a nivel industrial. Este robot dispone de 3 uniones, de las cuales 2 son de tipo par de revolución (1 grado de libertad cada una) y la tercera es de tipo corredera o par cilíndrico (2 grados de libertad). La primera unión, de tipo par de revolución, sirve para unir el suelo (considerado como eslabón número 1) con el eslabón número 2. La segunda unión, también de ese tipo, une el eslabón número 2 con el eslabón número 3. Estos 2 brazos, pueden describir un movimiento horizontal, en el plano X-Y. El tercer eslabón, está unido al eslabón número 4 por la unión de tipo corredera. El movimiento que puede describir es paralelo al eje Z. El robot es de 4 grados de libertad (4 motores). En relación a los posibles trabajos que puede realizar este tipo de robot, su versatilidad abarca tanto operaciones típicas de manipulación como operaciones de arranque de viruta. Uno de los mecanizados más usuales es el taladrado, por lo cual se elige éste para su modelización y análisis. Dentro del taladrado se elegirá para acotar las fuerzas, taladrado en macizo con broca de diámetro 9 mm. El robot se ha considerado por el momento que tenga comportamiento de sólido rígido, por ser el mayor efecto esperado el de los pares en las uniones. Para modelar el robot se utiliza el método de los sistemas multicuerpos. Dentro de este método existen diversos tipos de formulaciones (p.e. Denavit-Hartenberg). D-H genera una cantidad muy grande de ecuaciones e incógnitas. Esas incógnitas son de difícil comprensión y, para cada posición, hay que detenerse a pensar qué significado tienen. Se ha optado por la formulación de coordenadas naturales. Este sistema utiliza puntos y vectores unitarios para definir la posición de los distintos cuerpos, y permite compartir, cuando es posible y se quiere, para definir los pares cinemáticos y reducir al mismo tiempo el número de variables. Las incógnitas son intuitivas, las ecuaciones de restricción muy sencillas y se reduce considerablemente el número de ecuaciones e incógnitas. Sin embargo, las coordenadas naturales “puras” tienen 2 problemas. El primero, que 2 elementos con un ángulo de 0 o 180 grados, dan lugar a puntos singulares que pueden crear problemas en las ecuaciones de restricción y por lo tanto han de evitarse. El segundo, que tampoco inciden directamente sobre la definición o el origen de los movimientos. Por lo tanto, es muy conveniente complementar esta formulación con ángulos y distancias (coordenadas relativas). Esto da lugar a las coordenadas naturales mixtas, que es la formulación final elegida para este TFM. Las coordenadas naturales mixtas no tienen el problema de los puntos singulares. Y la ventaja más importante reside en su utilidad a la hora de aplicar fuerzas motrices, momentos o evaluar errores. Al incidir sobre la incógnita origen (ángulos o distancias) controla los motores de manera directa. El algoritmo, la simulación y la obtención de resultados se ha programado mediante Matlab. Para realizar el modelo en coordenadas naturales mixtas, es preciso modelar en 2 pasos el robot a estudio. El primer modelo se basa en coordenadas naturales. Para su validación, se plantea una trayectoria definida y se analiza cinemáticamente si el robot satisface el movimiento solicitado, manteniendo su integridad como sistema multicuerpo. Se cuantifican los puntos (en este caso inicial y final) que configuran el robot. Al tratarse de sólidos rígidos, cada eslabón queda definido por sus respectivos puntos inicial y final (que son los más interesantes para la cinemática y la dinámica) y por un vector unitario no colineal a esos 2 puntos. Los vectores unitarios se colocan en los lugares en los que se tenga un eje de rotación o cuando se desee obtener información de un ángulo. No son necesarios vectores unitarios para medir distancias. Tampoco tienen por qué coincidir los grados de libertad con el número de vectores unitarios. Las longitudes de cada eslabón quedan definidas como constantes geométricas. Se establecen las restricciones que definen la naturaleza del robot y las relaciones entre los diferentes elementos y su entorno. La trayectoria se genera por una nube de puntos continua, definidos en coordenadas independientes. Cada conjunto de coordenadas independientes define, en un instante concreto, una posición y postura de robot determinada. Para conocerla, es necesario saber qué coordenadas dependientes hay en ese instante, y se obtienen resolviendo por el método de Newton-Rhapson las ecuaciones de restricción en función de las coordenadas independientes. El motivo de hacerlo así es porque las coordenadas dependientes deben satisfacer las restricciones, cosa que no ocurre con las coordenadas independientes. Cuando la validez del modelo se ha probado (primera validación), se pasa al modelo 2. El modelo número 2, incorpora a las coordenadas naturales del modelo número 1, las coordenadas relativas en forma de ángulos en los pares de revolución (3 ángulos; ϕ1, ϕ 2 y ϕ3) y distancias en los pares prismáticos (1 distancia; s). Estas coordenadas relativas pasan a ser las nuevas coordenadas independientes (sustituyendo a las coordenadas independientes cartesianas del modelo primero, que eran coordenadas naturales). Es necesario revisar si el sistema de vectores unitarios del modelo 1 es suficiente o no. Para este caso concreto, se han necesitado añadir 1 vector unitario adicional con objeto de que los ángulos queden perfectamente determinados con las correspondientes ecuaciones de producto escalar y/o vectorial. Las restricciones habrán de ser incrementadas en, al menos, 4 ecuaciones; una por cada nueva incógnita. La validación del modelo número 2, tiene 2 fases. La primera, al igual que se hizo en el modelo número 1, a través del análisis cinemático del comportamiento con una trayectoria definida. Podrían obtenerse del modelo 2 en este análisis, velocidades y aceleraciones, pero no son necesarios. Tan sólo interesan los movimientos o desplazamientos finitos. Comprobada la coherencia de movimientos (segunda validación), se pasa a analizar cinemáticamente el comportamiento con trayectorias interpoladas. El análisis cinemático con trayectorias interpoladas, trabaja con un número mínimo de 3 puntos máster. En este caso se han elegido 3; punto inicial, punto intermedio y punto final. El número de interpolaciones con el que se actúa es de 50 interpolaciones en cada tramo (cada 2 puntos máster hay un tramo), resultando un total de 100 interpolaciones. El método de interpolación utilizado es el de splines cúbicas con condición de aceleración inicial y final constantes, que genera las coordenadas independientes de los puntos interpolados de cada tramo. Las coordenadas dependientes se obtienen resolviendo las ecuaciones de restricción no lineales con el método de Newton-Rhapson. El método de las splines cúbicas es muy continuo, por lo que si se desea modelar una trayectoria en el que haya al menos 2 movimientos claramente diferenciados, es preciso hacerlo en 2 tramos y unirlos posteriormente. Sería el caso en el que alguno de los motores se desee expresamente que esté parado durante el primer movimiento y otro distinto lo esté durante el segundo movimiento (y así sucesivamente). Obtenido el movimiento, se calculan, también mediante fórmulas de diferenciación numérica, las velocidades y aceleraciones independientes. El proceso es análogo al anteriormente explicado, recordando la condición impuesta de que la aceleración en el instante t= 0 y en instante t= final, se ha tomado como 0. Las velocidades y aceleraciones dependientes se calculan resolviendo las correspondientes derivadas de las ecuaciones de restricción. Se comprueba, de nuevo, en una tercera validación del modelo, la coherencia del movimiento interpolado. La dinámica inversa calcula, para un movimiento definido -conocidas la posición, velocidad y la aceleración en cada instante de tiempo-, y conocidas las fuerzas externas que actúan (por ejemplo el peso); qué fuerzas hay que aplicar en los motores (donde hay control) para que se obtenga el citado movimiento. En la dinámica inversa, cada instante del tiempo es independiente de los demás y tiene una posición, una velocidad y una aceleración y unas fuerzas conocidas. En este caso concreto, se desean aplicar, de momento, sólo las fuerzas debidas al peso, aunque se podrían haber incorporado fuerzas de otra naturaleza si se hubiese deseado. Las posiciones, velocidades y aceleraciones, proceden del cálculo cinemático. El efecto inercial de las fuerzas tenidas en cuenta (el peso) es calculado. Como resultado final del análisis dinámico inverso, se obtienen los pares que han de ejercer los cuatro motores para replicar el movimiento prescrito con las fuerzas que estaban actuando. La cuarta validación del modelo consiste en confirmar que el movimiento obtenido por aplicar los pares obtenidos en la dinámica inversa, coinciden con el obtenido en el análisis cinemático (movimiento teórico). Para ello, es necesario acudir a la dinámica directa. La dinámica directa se encarga de calcular el movimiento del robot, resultante de aplicar unos pares en motores y unas fuerzas en el robot. Por lo tanto, el movimiento real resultante, al no haber cambiado ninguna condición de las obtenidas en la dinámica inversa (pares de motor y fuerzas inerciales debidas al peso de los eslabones) ha de ser el mismo al movimiento teórico. Siendo así, se considera que el robot está listo para trabajar. Si se introduce una fuerza exterior de mecanizado no contemplada en la dinámica inversa y se asigna en los motores los mismos pares resultantes de la resolución del problema dinámico inverso, el movimiento real obtenido no es igual al movimiento teórico. El control de lazo cerrado se basa en ir comparando el movimiento real con el deseado e introducir las correcciones necesarias para minimizar o anular las diferencias. Se aplican ganancias en forma de correcciones en posición y/o velocidad para eliminar esas diferencias. Se evalúa el error de posición como la diferencia, en cada punto, entre el movimiento teórico deseado en el análisis cinemático y el movimiento real obtenido para cada fuerza de mecanizado y una ganancia concreta. Finalmente, se mapea el error de posición obtenido para cada fuerza de mecanizado y las diferentes ganancias previstas, graficando la mejor precisión que puede dar el robot para cada operación que se le requiere, y en qué condiciones. -------------- This Master´s Thesis deals with a preliminary characterization of the behaviour for an industrial robot, configured with 4 elements and 4 degrees of freedoms, and subjected to machining forces at its end. Proposed working conditions are those typical from manufacturing plants with aluminium alloys for automotive industry. This type of components comes from a first casting process that produces rough parts. For medium and high volumes, high pressure die casting (HPDC) and low pressure die casting (LPC) are the most used technologies in this first phase. For high pressure die casting processes, most used aluminium alloys are, in simbolic designation according EN 1706 standard (between brackets, its numerical designation); EN AC AlSi9Cu3(Fe) (EN AC 46000) , EN AC AlSi9Cu3(Fe)(Zn) (EN AC 46500), y EN AC AlSi12Cu1(Fe) (EN AC 47100). For low pressure, EN AC AlSi7Mg0,3 (EN AC 42100). For the 3 first alloys, Si allowed limits can exceed 10% content. Fourth alloy has admisible limits under 10% Si. That means, from the point of view of machining, that components made of alloys with Si content above 10% can be considered as equivalent, and the fourth one must be studied separately. Geometrical and dimensional tolerances directly achievables from casting, gathered in standards such as ISO 8062 or DIN 1688-1, establish a limit for this process. Out from those limits, guarantees to achieve batches with objetive ppms currently accepted by market, force to go to subsequent machining process. Those geometries that functionally require a geometrical and/or dimensional tolerance defined according ISO 1101, not capable with initial moulding process, must be obtained afterwards in a machining phase with machining cells. In this case, tolerances achievables with cutting processes are gathered in standards such as ISO 2768. In general terms, machining cells contain several CNCs that they are interrelated and connected by robots that handle parts in process among them. Those robots have at their end a gripper in order to take/remove parts in machining fixtures, in interchange tables to modify position of part, in measurement and control tooling devices, or in entrance/exit conveyors. Repeatibility for robot is tight, even few hundredths of mm, defined according ISO 9283. Problem is like this; those repeatibilty ranks are only guaranteed when there are no stresses or they are not significant (f.e. due to only movement of parts). Although inertias due to moving parts at a high speed make that intermediate paths have little accuracy, at the beginning and at the end of trajectories (f.e, when picking part or leaving it) movement is made with very slow speeds that make lower the effect of inertias forces and allow to achieve repeatibility before mentioned. It does not happens the same if gripper is removed and it is exchanged by an spindle with a machining tool such as a drilling tool, a pcd boring tool, a face or a tangential milling cutter… Forces due to machining would create such big and variable torques in joints that control from the robot would not be able to react (or it is not prepared in principle) and would produce a deviation in working trajectory, made at a low speed, that would trigger a position error (see ISO 5458 standard) not assumable for requested function. Then it could be possible that tolerance achieved by a more exact expected process would turn out into a worst dimension than the one that could be achieved with casting process, in principle with a larger dimensional variability in process (and hence with a larger tolerance range reachable). As a matter of fact, accuracy is very tight in CNC, (its influence can be ignored in most cases) and it is not the responsible of, for example position tolerance when drilling a hole. Factors as, room and part temperature, manufacturing quality of machining fixtures, stiffness at clamping system, rotating error in 4th axis and part positioning error, if there are previous holes, if machining tool is properly balanced, if shank is suitable for that machining type… have more influence. It is interesting to know that, a non specific element as common, at a manufacturing plant in the enviroment above described, as a robot (not needed to be added, therefore with an additional minimum investment), can improve value chain decreasing manufacturing costs. And when it would be possible to combine that the robot dedicated to handling works could support CNCs´ works in its many waiting time while CNCs cut, and could take an spindle and help to cut; it would be double interesting. So according to all this, it would be interesting to be able to know its behaviour and try to explain what would be necessary to make this possible, reason of this work. Selected robot architecture is SCARA type. The search for a robot easy to be modeled and kinematically and dinamically analyzed, without significant limits in the multifunctionality of requested operations, has lead to this choice. Due to that, other very popular architectures in the industry, f.e. 6 DOFs anthropomorphic robots, have been discarded. This robot has 3 joints, 2 of them are revolute joints (1 DOF each one) and the third one is a cylindrical joint (2 DOFs). The first joint, a revolute one, is used to join floor (body 1) with body 2. The second one, a revolute joint too, joins body 2 with body 3. These 2 bodies can move horizontally in X-Y plane. Body 3 is linked to body 4 with a cylindrical joint. Movement that can be made is paralell to Z axis. The robt has 4 degrees of freedom (4 motors). Regarding potential works that this type of robot can make, its versatility covers either typical handling operations or cutting operations. One of the most common machinings is to drill. That is the reason why it has been chosen for the model and analysis. Within drilling, in order to enclose spectrum force, a typical solid drilling with 9 mm diameter. The robot is considered, at the moment, to have a behaviour as rigid body, as biggest expected influence is the one due to torques at joints. In order to modelize robot, it is used multibodies system method. There are under this heading different sorts of formulations (f.e. Denavit-Hartenberg). D-H creates a great amount of equations and unknown quantities. Those unknown quatities are of a difficult understanding and, for each position, one must stop to think about which meaning they have. The choice made is therefore one of formulation in natural coordinates. This system uses points and unit vectors to define position of each different elements, and allow to share, when it is possible and wished, to define kinematic torques and reduce number of variables at the same time. Unknown quantities are intuitive, constrain equations are easy and number of equations and variables are strongly reduced. However, “pure” natural coordinates suffer 2 problems. The first one is that 2 elements with an angle of 0° or 180°, give rise to singular positions that can create problems in constrain equations and therefore they must be avoided. The second problem is that they do not work directly over the definition or the origin of movements. Given that, it is highly recommended to complement this formulation with angles and distances (relative coordinates). This leads to mixed natural coordinates, and they are the final formulation chosen for this MTh. Mixed natural coordinates have not the problem of singular positions. And the most important advantage lies in their usefulness when applying driving forces, torques or evaluating errors. As they influence directly over origin variable (angles or distances), they control motors directly. The algorithm, simulation and obtaining of results has been programmed with Matlab. To design the model in mixed natural coordinates, it is necessary to model the robot to be studied in 2 steps. The first model is based in natural coordinates. To validate it, it is raised a defined trajectory and it is kinematically analyzed if robot fulfils requested movement, keeping its integrity as multibody system. The points (in this case starting and ending points) that configure the robot are quantified. As the elements are considered as rigid bodies, each of them is defined by its respectively starting and ending point (those points are the most interesting ones from the point of view of kinematics and dynamics) and by a non-colinear unit vector to those points. Unit vectors are placed where there is a rotating axis or when it is needed information of an angle. Unit vectors are not needed to measure distances. Neither DOFs must coincide with the number of unit vectors. Lengths of each arm are defined as geometrical constants. The constrains that define the nature of the robot and relationships among different elements and its enviroment are set. Path is generated by a cloud of continuous points, defined in independent coordinates. Each group of independent coordinates define, in an specific instant, a defined position and posture for the robot. In order to know it, it is needed to know which dependent coordinates there are in that instant, and they are obtained solving the constraint equations with Newton-Rhapson method according to independent coordinates. The reason to make it like this is because dependent coordinates must meet constraints, and this is not the case with independent coordinates. When suitability of model is checked (first approval), it is given next step to model 2. Model 2 adds to natural coordinates from model 1, the relative coordinates in the shape of angles in revoluting torques (3 angles; ϕ1, ϕ 2 and ϕ3) and distances in prismatic torques (1 distance; s). These relative coordinates become the new independent coordinates (replacing to cartesian independent coordinates from model 1, that they were natural coordinates). It is needed to review if unit vector system from model 1 is enough or not . For this specific case, it was necessary to add 1 additional unit vector to define perfectly angles with their related equations of dot and/or cross product. Constrains must be increased in, at least, 4 equations; one per each new variable. The approval of model 2 has two phases. The first one, same as made with model 1, through kinematic analysis of behaviour with a defined path. During this analysis, it could be obtained from model 2, velocities and accelerations, but they are not needed. They are only interesting movements and finite displacements. Once that the consistence of movements has been checked (second approval), it comes when the behaviour with interpolated trajectories must be kinematically analyzed. Kinematic analysis with interpolated trajectories work with a minimum number of 3 master points. In this case, 3 points have been chosen; starting point, middle point and ending point. The number of interpolations has been of 50 ones in each strecht (each 2 master points there is an strecht), turning into a total of 100 interpolations. The interpolation method used is the cubic splines one with condition of constant acceleration both at the starting and at the ending point. This method creates the independent coordinates of interpolated points of each strecht. The dependent coordinates are achieved solving the non-linear constrain equations with Newton-Rhapson method. The method of cubic splines is very continuous, therefore when it is needed to design a trajectory in which there are at least 2 movements clearly differents, it is required to make it in 2 steps and join them later. That would be the case when any of the motors would keep stopped during the first movement, and another different motor would remain stopped during the second movement (and so on). Once that movement is obtained, they are calculated, also with numerical differenciation formulas, the independent velocities and accelerations. This process is analogous to the one before explained, reminding condition that acceleration when t=0 and t=end are 0. Dependent velocities and accelerations are calculated solving related derivatives of constrain equations. In a third approval of the model it is checked, again, consistence of interpolated movement. Inverse dynamics calculates, for a defined movement –knowing position, velocity and acceleration in each instant of time-, and knowing external forces that act (f.e. weights); which forces must be applied in motors (where there is control) in order to obtain requested movement. In inverse dynamics, each instant of time is independent of the others and it has a position, a velocity, an acceleration and known forces. In this specific case, it is intended to apply, at the moment, only forces due to the weight, though forces of another nature could have been added if it would have been preferred. The positions, velocities and accelerations, come from kinematic calculation. The inertial effect of forces taken into account (weight) is calculated. As final result of the inverse dynamic analysis, the are obtained torques that the 4 motors must apply to repeat requested movement with the forces that were acting. The fourth approval of the model consists on confirming that the achieved movement due to the use of the torques obtained in the inverse dynamics, are in accordance with movements from kinematic analysis (theoretical movement). For this, it is necessary to work with direct dynamics. Direct dynamic is in charge of calculating the movements of robot that results from applying torques at motors and forces at the robot. Therefore, the resultant real movement, as there was no change in any condition of the ones obtained at the inverse dynamics (motor torques and inertial forces due to weight of elements) must be the same than theoretical movement. When these results are achieved, it is considered that robot is ready to work. When a machining external force is introduced and it was not taken into account before during the inverse dynamics, and torques at motors considered are the ones of the inverse dynamics, the real movement obtained is not the same than the theoretical movement. Closed loop control is based on comparing real movement with expected movement and introducing required corrrections to minimize or cancel differences. They are applied gains in the way of corrections for position and/or tolerance to remove those differences. Position error is evaluated as the difference, in each point, between theoretical movemment (calculated in the kinematic analysis) and the real movement achieved for each machining force and for an specific gain. Finally, the position error obtained for each machining force and gains are mapped, giving a chart with the best accuracy that the robot can give for each operation that has been requested and which conditions must be provided.

Control con reflexión de fuerzas de un brazo robótico instalado en una base móvil para tareas de telemanipulación

La creación de un sistema teleoperado robótico es un gran reto y en esta memoria se ha querido dejar muestra de ello. La robótica es un campo de aplicación de la ingeniería multidisciplinar que requiere conocimientos mecánicos, de control, de electrónica, de programación...esto implica que cualquier proyecto que se desarrolle en este ámbito requerirá de un arduo trabajo por parte del ingeniero de que lo lleve a cabo. En cuanto al proyecto desarrollado, se han podido implementar varias técnicas de control remoto estudiadas durante el máster, aunque el resultado obtenido no ha podido ser más completo por problemas con el soporte técnico de la empresa proveedora del robot. La mejor opción para poder haber hecho un control fuerza posición que de verdad reflejase las fuerzas y pares experimentados en el entorno habría sido poder usar el sensor que Schunk le vendió al grupo. Sin embargo el sensor no funcionaba y el servicio técnico tras dos preguntas se desentendió del problema obligándonos a decantarnos por la opción de la estimación de fuerzas por medio de la matriz jacobiana. Otro inconveniente experimentado durante la estancia fue la rotura de uno de los encoders del cardán del Phantom, lo que nos producía errores en la lectura de los datos de orientación. Se sufrieron bastantes problemas por culpa de las lecturas erróneas con valores erráticos en los sensores de orientación del stylus. Pero a pesar de todos los inconvenientes encontrados se consiguió crear un sistema de teleoperación bastante competente que agradó en buena medida a los jefes de la sección por sus cualidades y sus perspectivas de futuro. En nuestra experimentación, el problema común de la operación remota, como es el retraso en las comunicaciones no lo experimentamos por la magnífica red de comunicaciones. Cierto es que no se pudieron llevar a cabo pruebas con el módulo 4G dentro del túnel cuando las latencias de respuesta eran especialmente altas. Aun así, en zonas de buena cobertura la latencia en las comunicaciones no suponía a priori un problema para el control del robot. Será obligación de los futuros desarrollos evaluar hasta el último detalle la problemática que el retraso en las comunicaciones en ciertas zonas del túnel puede acarrear en el sistema. El trabajo desarrollado para este proyecto es únicamente una avanzadilla de lo que puede ser implementado para los sistemas de teleoperación del CERN. Este trabajo fin de máster ha iniciado una hoja de ruta de diseños dentro del grupo EN-STI-ECE, mostrando de qué son capaces nuevas tecnologías como ROS y su ecosistema.