Construcción de una herramienta de corte por hilo por medio de un robot colaborativo UR3 para aplicaciones con poliestireno expandido

Abstract

Este proyecto de grado aborda la falta de precisión y repetibilidad en los procesos manuales de corte de poliestireno expandido (EPS) utilizados en el ámbito académico e industrial local. El propósito de la investigación fue automatizar dicha labor mediante la construcción e integración de una herramienta de corte térmico acoplada a un robot colaborativo UR3, optimizando la calidad superficial de las piezas procesadas. La metodología implementada se dividió en tres fases: primero, el diseño mecánico de un cabezal con soportes aislantes impresos en 3D y un sistema de borneras con tornillos para templar un hilo de ferroníquel de 0.5 mm; segundo, el desarrollo de un módulo electrónico de potencia basado en un Arduino Uno, un transformador reductor de 10V AC y un relé de estado sólido (SSR) encargado de regular la temperatura por efecto Joule; y tercero, la programación de trayectorias lineales constantes (MoveL) mediante el entorno nativo PolyScope del brazo robótico. Los resultados experimentales demostraron que la sincronización entre la velocidad constante del robot y la temperatura estable del hilo elimina la resistencia mecánica del material, generando acabados superficiales lisos, uniformes y con alta precisión dimensional. Como trabajo futuro, se plantea la implementación de un control de temperatura en lazo cerrado mediante un algoritmo PID y el diseño de un cerramiento perimetral de seguridad para protección de los usuarios.

Abstract This degree project addresses the lack of precision and repeatability in manual expanded polystyrene (EPS) cutting processes used in the local academic and industrial fields. The purpose of the research was to automate this task through the construction and integration of a thermal cutting tool coupled to a UR3 collaborative robot, optimizing the surface quality of the processed pieces. The implemented methodology was divided into three phases: first, the mechanical design of a cutting head with 3D-printed insulating supports and a terminal block system with screws to tension a 0.5 mm ferronickel wire; second, the development of an electronic power module based on an Arduino Uno, a 10V AC step-down transformer, and a solid-state relay (SSR) responsible for regulating the temperature via Joule heating; and third, the programming of constant linear trajectories (MoveL) using the robotic arm's native PolyScope environment. Experimental results demonstrated that the synchronization between the constant speed of the robot and the stable temperature of the wire eliminates the mechanical resistance of the material, generating smooth, uniform surface finishes with high dimensional accuracy. As future work, the implementation of a closed-loop temperature control using a PID algorithm and the design of a perimeter safety enclosure for user protection are proposed.