TFG_MARCOS_PEREZ_GUTIERREZ

Vista previa del material en texto

Puesta en marcha virtual del gemelo digital de una sección de una cadena de montaje 
Marcos Pérez Gutiérrez 1 
 
Puesta en marcha virtual 
del gemelo digital de una 
sección de una cadena de 
montaje 
FEBRERO 2022 
 
Marcos Pérez Gutiérrez 
 
DIRECTOR DEL TRABAJO FIN DE GRADO: 
Juan de Juanes Márquez Sevillano 
Trabajo Fin de Grado para 
la obtención del título de 
Graduado en Ingeniería en 
Tecnologías Industriales 
Dedicatoria 
2 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
DEDICATORIA 
A mi familia, con todo mi cariño. 
 
 
 
 
Puesta en marcha virtual del gemelo digital de una sección de una cadena de montaje 
Marcos Pérez Gutiérrez 3 
 
Agradecimientos 
4 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
AGRADECIMIENTOS 
 En primer lugar, me gustaría agradecer a mi familia, por su apoyo incondicional durante 
todos estos años; y a los amigos que conocí durante mi etapa universitaria. 
 También destaco el agradecimiento a los profesores que me han ayudado en mi 
formación tanto académica como personal desde el instituto hasta la actualidad, 
especialmente a mi tutor Juan de Juanes, cuya innovadora visión de la industria me ha 
permitido ampliar mis conocimientos en el ámbito de la fabricación, así como el aprendizaje 
en la integración de múltiples tecnologías para la optimización de la producción. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Puesta en marcha virtual del gemelo digital de una sección de una cadena de montaje 
Marcos Pérez Gutiérrez 5 
 
Resumen 
6 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
RESUMEN 
 La actividad industrial, desde su comienzo, ha ido evolucionando mediante la tecnología 
existente en cada momento. En la actualidad, la sociedad vive en un entorno tecnológico 
donde la mayoría de los productos se engloban en la categoría “Smart”, con servicios que van 
más allá de la funcionalidad y donde el flujo de información sirve para la mejora de los servicios 
ofrecidos. En este ambiente de sociedad moderna, la industria no puede quedarse atrás, y 
debe alcanzar igualmente dicha categoría “Smart”. 
 Por ello, desde las últimas décadas, se ha ido apostando por la integración de múltiples 
tecnologías en el sector manufacturero, ocasionando un cambio de paradigma en la 
digitalización industrial. La aplicación de las tecnologías se realiza con el objetivo de mejorar 
la productividad mediante el aumento de la producción, pero, especialmente, con una 
disminución de los costes en las operaciones de fabricación y una mayor flexibilidad, es decir, 
adaptarse rápidamente a la producción de nuevos productos. Con tal objetivo, la información 
que recibe una planta industrial y la que genera de manera propia adquiere una especial 
importancia para la optimización de la producción. 
 Entre las tecnologías sobre las que se centra el proyecto destaca principalmente la 
simulación, cuya creación de entornos digitales tanto de máquinas como de procesos 
permiten su optimización, añadiendo información del proceso productivo, principalmente en la 
etapa anterior a su construcción. Asimismo, existen otro tipo de herramientas que se 
complementan con ella, como el Edge Computing y el Internet Industrial de las Cosas, 
vinculado a los datos registrados en la maquinaria, y donde la inteligencia artificial adquiere 
gran relevancia en sus análisis. 
 En una visión más específica, el objetivo del proyecto es realizar la puesta en marcha 
virtual de la primera estación de una cadena de montaje localizada en el laboratorio de 
Ingeniería Mecánica de la ETSII UPM. De este modo se logra representar el comportamiento 
de la estación de manera digital, controlando el inicio, la parada, la parada de emergencia y 
el rearme, con un modo de funcionamiento idéntico a su homólogo físico y con el que se 
consiguen importantes ventajas como la verificación de la lógica de control, la adaptación de 
la funcionalidad de la máquina al proceso de producción y su optimización con un ahorro 
económico destacable, al no tener que realizar las pruebas en su estación real, con los gastos 
que dicha operatividad conlleva. 
 Para su realización es necesario diseñar el gemelo digital con el software SIEMENS NX, 
que permite su desarrollo mecatrónico. Posteriormente se programa la lógica de control en 
TIA Portal, que se carga en un PLC virtual, utilizando PLC SIM Advanced, cuya conexión con 
Siemens NX permite dotar de unidad de procesamiento al gemelo digital. 
 Finalmente, para el control de la estación por parte del operario, se diseña un panel de 
mando HMI en TIA Portal, constituyendo un enlace de información entre el desarrollo del 
funcionamiento de la instalación y las decisiones realizadas por el operario. 
 De este modo, queda definido de manera general el carácter integrador de este tipo de 
tecnología, que marca una nueva forma de trabajar en la fabricación industrial. 
Palabras clave: Industria 4.0, simulación, puesta en marcha virtual, gemelo digital, lógica de control, 
interfaz hombre-máquina. 
 
Puesta en marcha virtual del gemelo digital de una sección de una cadena de montaje 
Marcos Pérez Gutiérrez 7 
 
 
 
 
 
Tabla de contenidos 
8 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
TABLA DE CONTENIDOS 
DEDICATORIA .............................................................................................................. 2 
AGRADECIMIENTOS ................................................................................................... 4 
RESUMEN .................................................................................................................... 6 
TABLA DE CONTENIDOS ............................................................................................ 8 
1. INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 10 
2. SIMULACIÓN DIGITAL ........................................................................................ 16 
3. OBJETIVOS ......................................................................................................... 18 
4. METODOLOGÍA ................................................................................................... 20 
4.1 Diseño virtual de la estación ............................................................................ 20 
4.2. Siemens NX ..................................................................................................... 25 
4.2.1. Ensamblaje de componentes .................................................................... 25 
4.2.2. Navegador de física .................................................................................. 25 
4.2.3. Editor de secuencia ................................................................................... 46 
4.3 TIA Portal ......................................................................................................... 46 
4.3.1. Diagrama de escalera ............................................................................... 47 
4.3.2. HMI ........................................................................................................... 49 
4.3.3. PLC virtual ................................................................................................ 52 
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................................. 53 
5.1 Diseño del gemelo digital. ................................................................................ 53 
5.2 Programación y automatización. ...................................................................... 54 
5.3 Puesta en marcha virtual. ................................................................................ 55 
5.4 Valoración de impactos .................................................................................... 60 
6. CONCLUSIONES .................................................................................................62 
7. LÍNEAS FUTURAS ............................................................................................... 64 
7.1 Puesta en marcha virtual en la cadena de ensamblaje. ................................... 64 
7.2 Conexión de Siemens NX 12 con un PLC real. ................................................ 64 
7.3 Implementación de algoritmos con Matlab y Simulink. ..................................... 64 
8. BIBLIOGRAFÍA .................................................................................................... 66 
9. PLANIFICACIÓN TEMPORAL Y PRESUPUESTO ............................................... 68 
9.1 Diagrama EDP ................................................................................................. 68 
9.2 Diagrama GANTT ............................................................................................ 69 
9.3 Desarrollo del proyecto .................................................................................... 71 
9.4 Presupuesto ..................................................................................................... 71 
10. ÍNDICE DE FIGURAS........................................................................................... 74 
11. ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................. 78 
12. ABREVIATURAS .................................................................................................. 80 
Tabla de contenidos 
Marcos Pérez Gutiérrez 9 
13. GLOSARIO ........................................................................................................... 82 
14. ANEXOS .............................................................................................................. 84 
Anexo I. Industria 4.0 .............................................................................................. 84 
I.i Enfoques de los países ................................................................................. 84 
I.ii La industria en España ................................................................................. 84 
Anexo II. Diseños comerciales del gemelo digital ..................................................... 86 
II.i Manipulador neumático ................................................................................. 86 
II.ii Cinta transportadora y soporte de sensores .................................................. 88 
II.iii Paleta del utillaje ........................................................................................... 88 
II.iv Perfiles de aluminio ....................................................................................... 88 
Anexo III. Estudios previos. ....................................................................................... 89 
III.i Puesta en marcha virtual de un cilindro neumático ....................................... 89 
III.ii Puesta en marcha virtual del manipulador simplificado ................................. 92 
Anexo IV Siemens NX .............................................................................................. 93 
IV.i Especificaciones del proyecto ..................................................................... 93 
IV.ii Requisitos de hardware ............................................................................... 97 
Anexo V TIA Portal y PLC Virtual ............................................................................ 99 
 
 
 
 
1. Introducción 
10 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
1. INTRODUCCIÓN 
 En anteriores etapas de la historia todo evento tecnológico destacable provocaba una 
revolución industrial. Como puede observarse en la figura 1, la Primera Revolución Industrial 
(1760-1840) nació de la mano de la máquina de vapor, la Segunda Revolución Industrial 
(1850-1914) surgió mediante el desarrollo de las máquinas eléctricas, mientras que la tercera 
(mediados del siglo XX) se impulsó con la creación de los microprocesadores y las tecnologías 
de la información. Sin embargo, no existe una fecha concreta de finalización de esta última 
revolución, indicando que la siguiente revolución industrial no tiene un evento tecnológico 
predominante, y será el uso combinado de un conjunto de tecnologías digitales el punto de 
partida para esta Cuarta Revolución Industrial [1]. 
 La Industria 4.0 nació en Alemania en el año 2000 en base a una serie de principios para 
solucionar el estancamiento en la productividad. Las bases son las siguientes: 
1) Unión de datos de producción con las TIC. Con su desarrollo se genera una 
información más precisa y una transmisión más directa. 
2) Los datos del cliente. La experiencia del cliente es muy importante y debe 
comunicarse a las máquinas de producción. 
3) Comunicación entre máquinas. 
4) Sistemas que se autorregulen, y trabajen autónomamente. Para ello es necesario 
recurrir a la Inteligencia Artificial, mejorando la eficiencia y el mantenimiento predictivo 
[2]. 
En el Anexo I se detallan los enfoques actuales de los distintos países en Industria 4.0, 
especialmente en España. 
FIGURA 1. ETAPAS DE LA INDUSTRIA (ECONOMIPEDIA, 2021) 
1. Introducción 
Marcos Pérez Gutiérrez 11 
 La Cuarta Revolución Industrial lleva ligada un conjunto de tecnologías esquematizadas 
en la figura 2. 
 Cabe mencionar que, para la correcta adaptación de una empresa a esta nueva forma de 
entender la industria, no es necesario desarrollar todas estas tecnologías por igual, es 
suficiente con optimizar aquellas áreas que se consideren más relevantes en cada momento 
de la producción, de manera que con el paso del tiempo se disponga de una base sólida de 
dichas tecnologías y que puedan comunicarse entre ellas. 
 La tecnología sobre la que se centra el proyecto es la simulación, concretamente la puesta 
en marcha virtual de una máquina. Por lo tanto, es necesario analizar dicha tecnología y 
aquellas con las que se puede combinar. 
• Simulación digital: “constituye una técnica que permite imitar en un ordenador el 
comportamiento de un sistema real o hipotético según ciertas condiciones particulares” 
[3]. 
 La digitalización constituye la base para afrontar de manera innovadora los distintos tipos 
de proyectos que se realizan en la actualidad. 
 En las plantas de fabricación, la virtualización de sus estaciones de trabajo es de enorme 
utilidad en la búsqueda de información necesaria para: 
• Obtener de manera precisa el tamaño de las maquinarias, y facilitar su instalación. 
Es importante asegurar, antes de que todo esté instalado, la correcta disposición de 
los sensores, las conexiones eléctricas o la sincronización de movimientos. 
• Optimizar los recursos disponibles (p.ej: maquinaria). 
• Estimar tiempos de producción, así como de mantenimiento. 
• Emplear el mantenimiento predictivo. Con esta tecnología se logra una precisa 
predicción de futuros fallos que permiten reducir el tiempo de reparación de los 
mismos, así como facilitar un inventario actualizado, puesto que se conocerá cuándo 
será necesario sustituir una pieza concreta. En definitiva, existe menos probabilidad 
de tener errores imprevistos que pueden ocasionar importantes pérdidas económicas 
a la empresa. 
FIGURA 2. TECNOLOGÍAS INVOLUCRADAS EN LA INDUSTRIA 4.0 (HERALDO, 2016) 
1. Introducción 
12 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 En primer lugar, la digitalización durante la ingeniería de proceso representada en la fase 
II de la figura 3, permite ahorrar costes y reducir los tiempos necesarios para la creación del 
proyecto, sirviendo de punto de partida para un correcto desarrollo de las siguientes fases, 
donde existe menor flexibilidad a los cambios. 
• Internet Industrial de las cosas: “es el conjunto de sensores, instrumentos y 
dispositivos autónomos conectados a través de Internet a las aplicaciones industriales” 
[4]. 
Los datos a través de los sensores inteligentes y el IIoT provocael cambio a un nuevo 
rumbo en el estudio de la información, es decir, el inicio de la analítica prescriptiva. 
Esta analítica permite adelantarse a lo que sucederá en un futuro, tanto a nivel de 
maquinaria (desgaste, abrasión, velocidad de producción, etc.) como a nivel comercial, 
por ejemplo, detectando una mayor venta de un determinado producto, interesando 
por ello favorecer la producción de éste en la planta [5]. 
• Edge computing: “también llamado computación perimetral, se define como un 
modelo de computación distribuida, que permite acercar las aplicaciones 
empresariales al lugar en que se generan los datos y donde se deben realizar las 
acciones” [6]. 
 Con el uso de la simulación es posible mejorar las desventajas que se producen durante 
la puesta en marcha convencional, entre las que se encuentran la mayor posibilidad de que 
existan errores en el diseño de los componentes de la máquina o la existencia de un programa 
de PLC que no cuenta con el suficiente grado de madurez para poder ser implementado, 
generando un incremento del tiempo de retraso en la puesta en marcha de la maquinaria. 
 En conclusión, enfocar la simulación en la puesta en marcha virtual representa uno de los 
usos que se pueden realizar a un gemelo digital y que permite: 
• Validar la máquina dimensionalmente. 
• Realizar una optimización inicial, tanto en el aspecto mecánico como en el electrónico 
a través de una correcta disposición de los sensores, logrando mejorar el rendimiento 
de la maquinaria durante su puesta en marcha real. 
• Dotar de información al operario sobre la funcionalidad de la máquina, 
comportamiento y herramientas para un adecuado control, interviniendo en su ciclo 
formativo [7]. 
• Validación de la lógica de control, de manera que al finalizar la puesta en marcha 
virtual se obtiene un programa con mayor calidad donde se han simulado diferentes 
FIGURA 3. FASES DE UN PROYECTO (PROYECTOS ETSII UPM, 2021) 
1. Introducción 
Marcos Pérez Gutiérrez 13 
escenarios y se han resuelto las posibles problemáticas producidas, permitiendo 
llegar a la puesta en marcha real con un mayor grado de desarrollo. 
• Actualizarse para posibles modificaciones en la cadena de producción, permitiendo 
mayor flexibilidad en la ingeniería de producción [8]. 
 La puesta en marcha es una tarea que consume al menos el 25% de la duración total de 
un proyecto, donde es frecuente que esta cifra se incremente debido a errores imprevistos, 
por lo que el desarrollo de un método digital que permita verificar el software de control es un 
ámbito muy estudiado por sus ventajas que se pueden extraer en combinación con un gemelo 
digital. 
 En esta tarea de VC, destaca el trabajo realizado por [29], que consiste en un proyecto 
educativo centrado en la justificación de las ventajas que presenta la puesta en marcha 
virtual de una célula robotizada frente a su tradicional método de trabajo. 
Para realizar el proyecto, los estudiantes son divididos en tres grupos: 
• a) Método convencional (únicamente puesta en marcha real): trabajando en la estación 
física de la figura 4 y realizando los cambios necesarios sobre dicho entorno para su 
correcta operatividad. 
• 
 
• b) VC y puesta en marcha real (HIL): donde se trabaja con un PLC real, así como 
módulos físicos auxiliares, y el gemelo digital de la estación. Es un método muy similar 
al entorno donde se instala el robot, y donde la lógica de control se valida directamente 
en el controlador. Sin embargo, tiene menos flexibilidad para realizar cambios durante 
la fase de diseño, y el riesgo de accidentes es mayor. 
• c) Únicamente VC (SIL): el trabajo se realiza con un PLC virtual mediante el programa 
PLC Sim Advanced, y el gemelo digital del entorno de trabajo. Esta solución ofrece un 
bajo coste y una elevada flexibilidad en cuanto a la realización de modificaciones, 
aunque al no trabajar con elementos físicos, aspectos de seguridad relacionados con 
las colisiones del robot o lesiones del personal se excluyen del estudio. 
 El gemelo digital desarrollado con la plataforma Simumatik 3D se representa a en la figura 
5. 
FIGURA 4. MÉTODO CONVENCIONAL DE LA PUESTA EN MARCHA 
FIGURA 5. GEMELO DIGITAL 
1. Introducción 
14 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 Tras la validación del control de la estación por los estudiantes mediante cada método, 
éstos respondieron a un cuestionario donde se recogen sus impresiones sobre la forma de 
trabajo asignada. 
 Los resultados extraídos confirman la preferencia por el modelo virtual, ya que ofrece un 
entorno menos abstracto donde comprobar la programación es más rápido a través de una 
simulación, favoreciendo un mejor entendimiento del proceso a desarrollar. Asimismo, con el 
gemelo digital se aprovecha mejor los recursos existentes, ya que es posible desarrollar el 
control a la vez que se realizan otras tareas, como el desarrollo de un modelo virtual realista 
que permita detectar errores en el diseño. Es por ello que los estudiantes no solo consideran 
interesante el uso de gemelos digitales únicamente para la validación del control, sino también 
para las fases de diseño, la validación de mejoras en la instalación o incluso la formación del 
personal de planta. 
 Al finalizar el VC, la puesta en marcha real no presentó ningún tipo de incoherencia, lo 
que supuso una disminución notable de tiempo y de coste. 
 Con el objetivo de realizar la puesta en marcha virtual de una máquina, el método 
propuesto para la realización de VC emplea los programas informáticos de Siemens NX, TIA 
Portal y PLC SIM Advanced, de manera similar al método SIL del anterior proyecto, con la 
preferencia de estos softwares frente a Simumatik ya que la comunicación entre ellos es más 
intuitiva al no necesitar un estándar de comunicación externo, ofreciendo una simulación que 
combina la mecánica, la electrónica y la automática para permitir dotar a la máquina digital de 
físicas y cinemáticas muy similares a la realidad con un método de control idéntico a su 
homólogo físico, y cuya resolución de los posibles errores en este entorno virtual posibilita 
una puesta en marcha real más segura y precisa, lo que se traduce en un ahorro tanto de 
tiempo como económico para la empresa. 
 
 
 
 
 
Puesta en marcha virtual del gemelo digital de una sección de una cadena de montaje 
Marcos Pérez Gutiérrez 15 
2. Simulación digital 
16 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
2. SIMULACIÓN DIGITAL 
 En esta sección se ofrece un estudio de diferentes alternativas utilizadas para la creación 
de un gemelo digital. 
• MapleSim y Automation Studio de B&R. El uso de ambos programas es utilizado por 
empresas para optimizar los tiempos de las máquinas. 
En primer lugar, se diseñan los componentes en el entorno de MapleSim. La 
particularidad del software es que permite incorporar datos proporcionados por la 
máquina física, y con el modelo virtual se pueden analizar las dinámicas como 
sobreoscilaciones. 
Como resultado de los análisis, se crean y optimizan los códigos de control en el 
entorno de Automation Studio, y comprobando su comportamiento en el gemelo digital 
a través de la importación del código en MapleSim [9]. 
• RoboDK. Es un programa de simulación de robots industriales con programación a 
base de trayectorias. Una de las principales utilidades es su implantación en la 
fabricación de productos industriales a través de la puesta en marcha virtual, donde se 
simula el proceso de confección de la pieza con las trayectorias creadas con un código 
de programación, de manera que es posible analizar los tiempos de producción y su 
resultado, así como importarlo al robot físico cuando el código esté optimizado. Es una 
solución innovadora principalmente en el ámbito de los cobots, que están 
convirtiéndose en uno de los focos de automatización en la industria manufacturera 
por su variedad de funcionalidad.• Siemens NX12 y Codesys. Siemens NX12 ofrece el entorno digital junto con las 
dinámicas, mientras que Codesys sustenta el control del gemelo digital [10]. El 
principal problema de este último programa es que necesita de un servidor externo 
para la conexión con Siemens NX, de modo que constituye una metodología menos 
intuitiva que la realizada con TIA Portal. 
 
 
 
Puesta en marcha virtual del gemelo digital de una sección de una cadena de montaje 
Marcos Pérez Gutiérrez 17 
3. Objetivos 
18 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
3. OBJETIVOS 
 El objetivo principal del proyecto es realizar la puesta en marcha virtual de la primera 
estación de trabajo en una cadena de ensamblaje, englobándose por tanto en el área de 
simulación. 
 Tras el análisis expuesto anteriormente, la simulación digital propone distintos tipos de 
tecnologías cada una de ellas con una funcionalidad propia y que permiten mejorar el 
rendimiento de la producción. En este caso, la puesta en marcha virtual ha sido seleccionada 
por el alto impacto en los tiempos de producción mediante su carácter multidisciplinar, ya que 
permite la visualización de la máquina en funcionamiento, así como el control por parte del 
operario, siendo ésta su principal diferenciación. 
 Para la realización de este hito es necesario dividir el proyecto en los objetivos más 
específicos que se detallan a continuación: 
• Diseño y ensamblaje de piezas CAD tanto propias como comerciales, y su 
implementación en el entorno MCD de Siemens NX. Es importante que dicho diseño 
se ajuste lo máximo posible a la máquina real, ya que contribuirá a obtener resultados 
más precisos que podrán ser utilizados para la optimización de la producción. 
• Implementación de físicas, movimientos y electrónica mediante sensores. Siemens 
NX permite la creación de un entorno donde se combina la mecánica a través de las 
dinámicas, colisiones entre cuerpos y esfuerzos, la electrónica con el uso de señales 
aportadas por sensores, y la automatización para la sincronización con señales 
externas. Es por ello que el software propuesto permite desarrollar un gemelo digital 
muy parecido a la realidad, por lo que es de gran importancia para que la puesta en 
marcha virtual tenga utilidad mediante la resolución de posibles errores antes de la 
instalación del homólogo físico. 
• Diseño de la lógica de control utilizando diagramas de escalera en TIA Portal, cuya 
programación gobierna el funcionamiento del gemelo digital. La ventaja de emplear 
este tipo de programación en TIA Portal es que constituye el mismo procedimiento de 
trabajo que en el entorno real. 
• Conexión de la lógica de control con un PLC virtual. PLC SIM Advanced permite 
cargar la programación en un PLC virtual. La principal ventaja del programa es su 
compatibilidad con el entorno MCD de Siemens NX. 
• Conexión del PLC virtual con Siemens NX. De esta forma el entorno MCD de Siemens 
NX permite acceder a todas las variables existentes en la programación cargada en 
el PLC virtual. 
• Conexión de señales específicas del diagrama de escalera y variables de Siemens 
NX. Es un objetivo especialmente importante, ya que el gemelo digital debe enviar la 
información correcta a la lógica de control, que será utilizada para enviar información 
al gemelo digital, que analizará las señales enviadas por el ladder y, en consecuencia, 
se comportará de una forma concreta en la simulación. 
• Diseño del HMI. A su vez, TIA Portal permite el diseño de un HMI, que sirve de fuente 
de información y control para el operario, al igual que sucede en el control de la 
máquina real. La simulación será realizada mediante la aplicación RT Simulator de 
TIA Portal. 
 
 
Puesta en marcha virtual del gemelo digital de una sección de una cadena de montaje 
Marcos Pérez Gutiérrez 19 
 
4. Metodología 
20 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
4. METODOLOGÍA 
 El gemelo digital en el que se centra el proyecto es la estación 1 de la figura 6, donde se 
muestra el diseño 3D de la cadena completa de montaje existente en el laboratorio. 
 A continuación, se presenta la metodología elegida para el proyecto. 
4.1 Diseño virtual de la estación 
 Se inicia el proyecto con el diseño 3D del manipulador, utilizando el software Siemens 
NX. Para facilitar el posterior ensamble, se divide la estación de trabajo en 4 zonas como se 
muestra en la Figura 7, de modo que se realizan los ensamblajes para cada una de estas 
subdivisiones hasta que finalmente se insertan todas en un único fichero. Por lo tanto, se 
pueden apreciar cuatro partes: 
1. Surtidor: compuesto por la tolva y su mesa de trabajo. 
2. Estación de trabajo del actuador. 
3. Actuador: componente principal que requiere la adecuada precisión en las medidas 
con respecto al manipulador real para obtener resultados fiables y una correcta 
sincronización entre el gemelo virtual y el real. 
4. Cinta transportadora: incluyendo el correspondiente utillaje. 
 
FIGURA 7. DIVISIÓN DEL ENTORNO DE TRABAJO 
FIGURA 6. DISEÑO DE LA CADENA DE MONTAJE (Trabajo fin de grado Carmen Vico García, 2016) 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 21 
 En las siguientes figuras se especifica cada zona con más detalle. 
 
 
 
Zona 1 
 La figura 12 muestra el diseño 3D de esta sección, donde el surtidor, a través de la fuerza 
centrífuga debido a la rotación de éste, transmite los cilindros a la cadena de montaje. 
FIGURA 12. MESA DEL SURTIDOR 
FIGURA 8. ZONA 1 
FIGURA 9. ZONA 2 
FIGURA 11. ZONA 4 FIGURA 10. ZONA 3 
4. Metodología 
22 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 La figura 13 incluye la solución adoptada para la fijación de la estación sobre el piso, 
donde se incorpora en la unión base de tornillo una tuerca con arandela para obtener mayor 
vida útil de la estación de trabajo ya que constituye un soporte extra que asegura la rigidez de 
la unión. Además, cuenta con una tuerca que se fija al perfil de aluminio. 
Zona 2 
 La visualización del soporte en la figura 14 muestra perfiles de aluminio de dimensión 
60X60 mm, al igual que en la sección anterior. 
 
FIGURA 13. DETALLE DE LA UNIÓN 
FIGURA 14. MESA 2 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 23 
 A continuación, se muestra el detalle con el posicionamiento de los sensores en la figura 
15. 
Zona 3 
 En la siguiente fase del diseño, se ensambla el manipulador comercial de la marca 
Schunk, donde cada componente se puede descargar en la página web [7], y cuyo ensamblaje 
es el representado en la figura 16. 
FIGURA 15. DETALLE ESTACIÓN 2 
FIGURA 16. MANIPULADOR COMPLETO 
4. Metodología 
24 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
Zona 4 
 La figura 17 incluye la representación de la cinta transportadora de ida y vuelta (modelo 
TS1 de Bosch), junto con los sensores necesarios para el control del utillaje. 
 Sin embargo, en el momento de realizar la puesta en marcha virtual, se ha decidido no 
visualizar los 8 soportes de la cinta transportadora, ya que ralentizaban en gran medida la 
simulación al ocupar más memoria en el PC. 
 En esta sección se incluyen los utillajes, así como sus respectivas paletas en las figuras 
18 y 19. 
 Una vez creados los ensambles, se abre un nuevo archivo de Siemens NX conocido como 
Mechatronics Concept Design, donde se incorporan las físicas y movimientos para la 
simulación. 
FIGURA 18. UTILLAJE 
FIGURA 19. VISTA DEL UTILLAJE EN LA CINTA TRANSPORTADORA 
FIGURA 17. CINTA TRANSPORTADORA 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 25 
4.2. Siemens NX 
 El entorno de trabajo para desarrollar el gemelo digital es diseñador de conceptos de 
mecatrónica, ya que cuenta con gran variedad de herramientas que ayudan a la optimización 
de la máquina digital. 
4.2.1. Ensamblaje de componentes 
 Para añadir los componentes es necesario acceder a la sección de ensambles del MCD. 
Los principales comandos que sevan a utilizar son los que se presentan en la figura 20, que 
permiten la inserción del componente, su movimiento y su ajuste a las zonas deseadas 
mediante restricciones. 
4.2.2. Navegador de física 
 Para desarrollar la información de la manera más organizada posible, se va a seguir el 
mismo esquema que el árbol de navegación del propio programa como se muestra en la figura 
21. 
 Dicho montaje se inicia en el navegador de física. 
Física básica 
 En la física básica es donde se incluyen los pesos de cada cuerpo (fuerza gravitatoria) y 
las zonas de colisiones. 
 Los siguientes comandos que se presentan pueden encontrarse en Inicio->Mecánico. 
FIGURA 21. NAVEGACIÓN MCD 
FIGURA 20. COMANDOS DE LA VENTANA DE ENSAMBLES 
4. Metodología 
26 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
Cuerpos rígidos 
 La aplicación de cuerpos rígidos en la figura 22 se realiza sistemáticamente, basta con 
seleccionar el cuerpo o grupo de cuerpos a los que se quieren aplicar esta física. Las 
propiedades se presentan en la Figura 23, donde se ha seleccionado el modo automático de 
masa e inercia, cuyo valor es proporcionado por Siemens NX en función del volumen del 
componente que se seleccione en base a un material estándar. 
Cuerpos de colisión 
 Cabe mencionar que, si se van a aplicar colisiones a varios cuerpos completos en lugar 
de zonas específicas de colisión, es recomendable aplicar primero los cuerpos de colisión y 
después los cuerpos rígidos para evitar los problemas que generan las geometrías 
compartidas. No obstante, este problema puede solucionarse también eliminando la regla de 
geometría compartida. 
 Los cuerpos de colisión en el desplegable de la figura 24 presentan un papel muy 
importante en la simulación, ya que deben proporcionar interacciones realistas mediante la 
FIGURA 24. COMANDOS CUERPO DE COLISIÓN 
FIGURA 22. COMANDOS DE CUERPO RÍGIDO 
FIGURA 23. EDICIÓN DE CUERPO RÍGIDO 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 27 
forma de colisión elegida. Además, esta forma de colisión es recomendable que esté 
optimizado para no desaprovechar los recursos del ordenador y que puedan ser destinados a 
otras operaciones, de manera que la velocidad de simulación no se vea perjudicada. 
 La parte fundamental de las propiedades de colisión de la Figura 26 es, como se ha dicho 
anteriormente, la forma de colisión. 
 Existen varios tipos de formas de colisión como se puede ver en la Figura 25, y cada uno 
de ellos se adapta mejor a una forma concreta del cuerpo. Entre ellos, la forma de malla 
permite dotar de colisión a todas las zonas del cuerpo, siendo el elemento que necesita mayor 
cantidad de nudos y por tanto consume mayor memoria durante la simulación, por lo que solo 
será asignado cuando se necesite mayor precisión en la colisión, o el objeto presente formas 
complejas. 
Piso 
 La zona de colisión es una superficie plana al tratarse de la forma en cuadro como 
puede observarse en la región seleccionada de la Figura 27. 
 
FIGURA 25. FORMAS DE COLISIÓN 
FIGURA 26. EDICIÓN DE UN CUERPO DE COLISIÓN 
FIGURA 27. PROPIEDAD DE COLISIÓN DEL PISO 
4. Metodología 
28 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
Vibrador lineal 
 En este caso, debido a que se necesita mayor precisión en las colisiones de la carcasa 
cilíndrica con las paredes y el tablero, se ha optado por una forma de colisión más refinada 
como es la malla tal como puede observarse en la Figura 28. 
Soporte del final de carrera 
 Al ser una superficie de cierta complejidad, como se muestra en la figura 29, se ha 
utilizado la forma de colisión tipo malla. 
 
FIGURA 28. CUERPO DE COLISIÓN EN EL VIBRADOR LINEAL 
FIGURA 29. CUERPO DE COLISIÓN EN EL SOPORTE DEL FINAL DE CARRERA 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 29 
Base superior del manipulador 
 Estas colisiones son necesarias únicamente para que puedan ser detectados por los 
sensores de distancia del manipulador, de modo que una forma de colisión tipo cuadro que 
genere una superficie rectangular como se muestra en la Figura 30 es suficiente. 
Zona vertical del actuador neumático 
 Los cuerpos de colisión de la Figura 31 son de tipo cuadro al igual que el visto 
anteriormente, ya que desempeña la misma función de ser detectado por el sensor de 
distancia. 
FIGURA 31. CUERPOS DE COLISIÓN EN EL ACTUADOR NEUMÁTICO VERTICAL 
FIGURA 30. CUERPO DE COLISIÓN EN LA BASE SUPERIOR DEL MANIPULADOR 
4. Metodología 
30 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
Pinzas del actuador 
 Ambas zonas de colisiones en las dos pinzas son formas de cuadro debido a que se 
adapta perfectamente a la superficie rectangular. La Figura 32 muestra el cuerpo de colisión, 
que es especialmente relevante ya que realiza el contacto directo con la pieza que se quiere 
insertar en la línea de producción. 
 
 
Sujeción del utillaje 
 La Figura 33 muestra el tipo de colisión asignado a la paleta del utillaje, una forma de 
colisión tipo cuadro, que simplifica la geometría de la paleta para encajar en la cinta 
transportadora sin movimientos bruscos ni ralentizaciones durante la simulación. 
 Para el contacto de las mordazas con el utillaje se ha utilizado la forma de colisión tipo 
malla, representado en la figura 34. El contacto con el utillaje permite un ajuste correcto, de 
manera que se impide el desplazamiento del utillaje. En un primer momento se implementó el 
tipo cuadro para ahorrar recursos de la memoria, pero generaba movimientos inusuales en la 
sujeción del utillaje, por lo que se optó por el tipo malla finalmente. 
FIGURA 33. CUERPO DE COLISIÓN EN LA PALETA DEL UTILLAJE 
FIGURA 32. CUERPOS DE COLISIÓN EN LA PINZA DERECHA 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 31 
Utillaje 
Tabla 1. Utillaje y descripción 
Utillaje Descripción 
 
Forma de colisión tipo malla. Necesaria para 
adaptarse a las paredes cilíndricas con un 
alto número de nudos para obtener una 
simulación precisa durante el contacto 
pieza-utillaje. 
 
Forma de colisión tipo cuadro. Permite la 
colisión entre el elemento superior de la 
paleta y el utillaje. 
 
Forma de colisión tipo cuadro. La forma se 
adapta a la forma cuadrada de la base del 
utillaje. 
 
Forma de colisión tipo convexo. Permite la 
adaptación a geometrías curvas y se 
ahorran recursos del ordenador con las 
mismas prestaciones que la forma mallada. 
 
Pieza cilíndrica 
 La forma de colisión en la superficie lateral y la base superior es de tipo malla. Este tipo 
de colisión ha sido aplicada debido a la necesidad de contar con la suficiente precisión para 
simular el efecto de la fricción entre materiales, cuyo material aplicado es el de agarre óptimo, 
con ello se logra unas dinámicas similares a lo que ocurre en la realidad para poder realizar 
mejoras en la optimización de tiempos. 
FIGURA 34. FORMAS DE COLISIÓN EN LAS MORDAZAS 
4. Metodología 
32 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 
 Además, para poder aplicar las propiedades de fricción en el contacto entre aluminio 
(vibrador lineal) y acero (la pieza cilíndrica), se ha creado otra forma de colisión tipo malla en 
la base de la pieza. Ambas superficies quedan especificadas en la figura 35. 
Cinta transportadora 
 La Figura 36 muestra la forma de colisión tipo cuadro en las paredes laterales y las cintas. 
La forma de colisión tipo cuadro permite una mejor interacción con la paleta, de manera que 
la simulación no presenta ningún tipo de movimiento anómalo. 
Sumidero de objetos 
 Para realizar esta operación es necesario asignarle un cuerpo de colisión, al igual que 
ocurre con la fuente de objetos. Las opciones de la interfaz se muestran en la Figura 37. 
FIGURA 37. EDICIÓN DE SUMIDERO DE OBJETOS 
FIGURA 36. COLISIÓN EN LA CINTA TRANSPORTADORA 
FIGURA 35. FORMAS DE COLISIÓN EN LA PIEZA Y EN LA BASE DEL CILINDRO 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 33 
 En el proyecto se han asignado dostipos de sumideros, ambos relacionados con el 
utillaje. El primero se sitúa al inicio de la cinta transportadora para poder ser eliminados en el 
momento que se solicite, y otro al finalizar la estación 1 con el objetivo de ahorrar recursos y 
destinarlos a otras zonas de la simulación. Los resultados se muestran en la figura 38. 
 
Fuente de objetos 
 Las propiedades se detallan en las Figuras 39 (A y B), donde se especifica el tiempo de 
llegada de cada pieza en el caso de la carcasa cilíndrica y cuya lógica de activación será 
gobernada por TIA Portal como se verá posteriormente, mientras que para el utillaje el 
componente se crea cuando la carcasa cilíndrica es detectada por el sensor 2 que se explica 
más adelante en el documento. De este modo, se selecciona para la fuente de utillaje la opción 
una vez por activación. 
Juntas y restricciones 
Para situar cada componente correctamente. Las restricciones más usadas son las siguientes. 
Los comandos están situados en ensambles->posición del componente. 
• Tocar: permite el contacto entre dos puntos, aristas o caras. 
• Alinear: permite la alineación (normalmente las caras) entre dos cuerpos. 
FIGURA 39A. PROPIEDADES DE LA FUENTE DE OBJETOS 
PARA LA CARCASA CILÍNDRICA 
FIGURA 39B. PROPIEDADES DE LA FUENTE DE 
OBJETOS PARA EL UTILLAJE 
FIGURA 38. SUMIDERO DE OBJETOS 
4. Metodología 
34 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
Incorporación de juntas entre componentes. Estos comandos se localizan en Inicio-
>Mecánico, donde destacan varios desplegables donde se pueden realizar distintos tipos de 
acciones. 
 En este modelo es necesario lo siguiente 
• Junta fija: para fijar un elemento con respecto a otro. 
• Junta deslizante: permite que un elemento se desplace con respecto a otro a lo largo 
de un eje. 
• Junta de charnela: para permitir que un cuerpo rote con respecto a otro en un eje 
concreto. 
 
La tabla 2 especifica los cuerpos sobre los que se han aplicado cada tipo de junta. 
Tabla 2. Tipo de junta, cuerpos aplicados y representación 
Tipo de 
junta 
Cuerpos aplicados Representación 
Fija 
• Piso 
• Estación de la tolva giratoria 
• Estación de la parte 2 
• Soporte del manipulador 
• Base inferior del manipulador 
• Sensores 
• Cinta transportadora 
Deslizante 
• Base inferior actuador neumático 
horizontal-Base superior actuador 
neumático horizontal 
• Base superior del actuador neumático 
horizontal-actuador neumático vertical 
• Módulo giratorio-pinza izquierda 
• Módulo giratorio-pinza derecha 
Charnela 
• Módulo giratorio-Actuador neumático 
vertical 
 
 
 En las juntas deslizantes y charnela del manipulador es fundamental definir los límites de 
cada movimiento, ya que marcarán los estados de entrada y salida de los émbolos y de esa 
forma se logra un control óptimo durante la puesta en marcha. 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 35 
 En la tabla 3 se muestran los recorridos de los distintos actuadores neumáticos. 
Tabla 3. Tipo de junta y representación 
Tipo de junta Represetación 
Junta deslizante horizontal 
 
Junta deslizante vertical 
 
Junta charnela del módulo 
giratorio 
 
Junta deslizante de la pinza 
izquierda 
 
4. Metodología 
36 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
Tipo de junta Represetación 
Junta deslizante de la pinza 
derecha 
 
 
Otro aspecto relevante para una correcta simulación es la prevención de colisiones. En este 
proyecto ha sido suficiente incluir prevención de colisión entre las pinzas y el módulo de giro 
como se muestra en la figura 40, de este modo se desprecia el posible efecto de las 
microcolisiones existentes en la unión. 
Materiales 
El comando se encuentra en el árbol de físicas->materiales y permite modificar los valores de 
la fricción estática, dinámica, de rodamiento y rebote (restitución) en los cuerpos de colisión, 
donde se ha tenido en cuenta los coeficientes de fricción de varios materiales expuestos en 
la figura 42. 
 Para aplicar el material a los cuerpos de colisión necesarios se seleccionan con el botón 
derecho del ratón el en el navegador de físicas (figura 43) y se asigna el material creado 
anteriormente (figura 41). 
FIGURA 41. MATERIAL DE COLISIÓN 
FIGURA 40. PREVENCIÓN DE COLISIÓN ENTRE LA PINZA IZQUIERDA Y EL MÓDULO GIRATORIO 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 37 
 
 
 Sobre tres elementos principales se han asignado material: 
• Pieza cilíndrica: la base es de acero en estado de pulido, mientras que la superficie 
lateral presenta mayor rugosidad. 
• Vibrador lineal: el material de composición es el aluminio. 
• Soporte de final de carrera en el vibrador lineal: componente fabricado en acero. 
 La tabla 4 detallan las propiedades y aplicaciones entre los materiales. 
Tabla 4. Tipo de materiales, aplicación y propiedades 
Tipo de 
materiales 
Aplicación Propiedades 
Acero sobre 
acero 
Entre la pieza cilíndrica y el soporte de 
final de carrera en el vibrador lineal. 
 
Aluminio 
sobre acero 
Entre la base del cilindro y el vibrador 
lineal. Su menor fricción beneficia el 
movimiento de las carcasas. 
 
Figura 43. ASIGNACIÓN DE MATERIAL 
FIGURA 42. COEFICIENTES DE FRICCIÓN (FISMIT, 2021) 
4. Metodología 
38 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
Tipo de 
materiales 
Aplicación Propiedades 
Agarre 
óptimo 
En la superficie de contacto de las 
pinzas con la carcasa cilíndrica. De este 
modo se logra mejorar el agarre en la 
fase de recogida del cilindro. 
 
Sensores y actuadores 
Sensores 
 Los sensores empleados en el proyecto son de dos tipos: sensores de colisión y sensores 
de distancia, representados en las figuras 45 y 46 respectivamente, ambos trabajando en 
variables booleanas. El primero de ellos cambia su valor a true una vez detecta la colisión con 
otro cuerpo en cualquier zona del sensor, mientras que el sensor de distancia pone su valor 
a true siempre que un cuerpo pase a una distancia menor o igual a la programada. Estos 
sensores pueden encontrarse en el entorno eléctrico de la ventana principal de NX con el 
desplegable de la figura 44. 
 Cada cuerpo de NX aplicado como sensor debe ser anteriormente editado como un 
cuerpo rígido para poder ser aplicado como se representa en la figura 45. 
 
 
 
 
 
Figura 44. APLICACIÓN DE SENSORES EN NX 
Figura 45. APLICACIÓN DE UN SENSOR DE COLISIÓN 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 39 
 
 En primer lugar, se detallan los sensores aplicados al manipulador, que mandarán 
señales a TIA Portal para que sea traducido por el PLC virtual, y de este modo activar las 
variables concretas para desencadenar la secuencia de movimiento en dicho manipulador. 
 Todos los sensores de la Figura 47 son sensores de distancia. 
 
 
 
La figura 48 muestra dos tipos de sensores de colisión asociados a la pinza izquierda, de 
manera que permiten detectar la posición abierta o cerrada del módulo de agarre. 
 
 
Figura 46. APLICACIÓN DE UN SENSOR A DISTANCIA 
Figura 47. SENSORES PARA EL MOVIMIENTO VERTICAL Y HORIZONTAL 
4. Metodología 
40 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 El sensor de giro en la Figura 48 es de distancia, debido a que otorgan mayor precisión y 
se necesitan menos cuerpos, como puede apreciarse en la figura 49, ya que se han agregado 
dos sensores de distancia en vértices concretos del cubo, ahorrando recursos del ordenador 
y favoreciendo la fluidez de la simulación. 
 
 A continuación, se representan los sensores de tipo inductivo (sensores de distancia) 
existentes a la salida de la tolva giratoria como puede apreciarse en la Figura 50. 
 
FIGURA 48. SENSORES PARA EL MOVIMIENTO DE GIRO Y DE TRASLACIÓN DE LAS PINZAS 
FIGURA 49. DETALLE DE LOS SENSORES DE GIRO 
FIGURA 50. SENSORES DE DISTANCIA A LA SALIDA DE LA TOLVA 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 41 
 El sensor más cercano a la tolva (sensor 1) permite controlar la salidade carcasas, de 
manera que cuando se inicie la puesta en marcha siempre haya tres cilindros en esta carrera. 
 El siguiente sensor (sensor 2) se dispone al final de la carrera del vibrador lineal. Al 
detectar señal del cuerpo, desactiva los relés del vibrador lineal con el objetivo de parar el 
movimiento de las piezas. Además, con la señal del sensor se crea el respectivo utillaje de la 
pieza al inicio de la cinta transportadora. 
 Los sensores de la cinta transportadora que se muestran en la Figura 51 son de tipo 
inductivo, por lo que se han implementado en NX como sensores de distancia. El sensor 3 
detecta el utillaje y su señal se utiliza para detener el movimiento de la cinta transportadora, 
de este modo el utillaje está parado y se puede proceder a la inserción de la pieza. El sensor 
4 detecta el instante en que la pieza se deposita en el utillaje, generando la señal para que se 
reanude el movimiento de la cinta transportadora. 
El sensor 5 tiene mucha importancia en cuanto a la recogida de datos de la producción, 
ya que se sitúa al final de la Estación 1 para contabilizar las piezas correctamente 
ensambladas en su primera fase de montaje. 
 
 
 
FIGURA 51. SENSORES EN LA CINTA TRANSPORTADORA 
4. Metodología 
42 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 
 El sensor de colisión de la Figura 52 genera señales que permiten crear o eliminar el 
utillaje cuando así lo requiera el operario. De esta forma se consigue una mayor flexibilidad 
en la simulación y no es necesario reiniciarla cuando exista la problemática de que en la 
parada o la parada de emergencia la pieza caiga y sea detectada nuevamente por el sensor 
2, creando el utillaje en la zona donde ya se insertó previamente y generando el 
comportamiento de la Figura 53. 
 Para finalizar esta sección de sensores se representa el sensor de colisión de la Figura 
54 (esquina superior izquierda), que lleva asociado la acción de sumidero de cuerpos, de 
manera que tras pasar la pieza en su utillaje por el sensor 5, se encuentra con el sensor de 
colisión para ser eliminado. De este modo el programa no tiene que utilizar sus recursos en 
simular un cuerpo que ya no es necesario que sea analizado, consiguiendo por lo tanto 
mantener la fluidez de la simulación. 
FIGURA 52. SENSOR AL INICIO DE LA CINTA TRANSPORTADORA 
 
FIGURA 53. SITUACIÓN POSIBLE EN LA PUESTA EN MARCHA VIRTUAL 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 43 
 
 
Controles de velocidad 
 Se localizan en la sección mecánica de la barra principal en NX, cuyo desplegable se 
expone en la figura 55. Se ha implementado el control de velocidad frente al de posición 
debido al mejor control que esto supone en cuanto a la parada del movimiento, ya que el 
control de posición únicamente permite simular en la posición de inicio y final, siendo un 
inconveniente en situaciones como la parada de emergencia, cuya señal generalmente se 
activa en un punto del recorrido medio. Una justificación más detallada sobre la preferencia 
por el control de velocidad se presenta en el Anexo III.i. 
 Los controles de velocidad se aplican al manipulador, de modo que se selecciona a cada 
uno su eje deslizante o charnela necesario, con velocidad nula en todos los controles, ya que 
la velocidad se modificará posteriormente en el editor de secuencia. 
FIGURA 55. OPCIONES DE CONTROL EN LA INTERFAZ DE SIEMENS NX 
FIGURA 54. SITUACIÓN POSIBLE EN LA PUESTA EN MARCHA VIRTUAL 
4. Metodología 
44 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
Cintas transportadoras 
 Seleccionando el comando superficie de transporte, se seleccionan las superficies que 
servirán de cintas transportadoras (Figura 56), marcando su velocidad a cero ya que serán 
modificadas en el editor de secuencia. Cada superficie le corresponde una cinta 
transportadora, ya que no se pueden utilizar más de una cara por superficie de transporte. 
 La Figura 56 muestra además la superficie de transporte en el soporte situado tras el 
vibrador lineal. Es un aspecto fundamental para la correcta recogida de la carcasa por parte 
del manipulador, ya que se mejora el posicionamiento de la pieza cilíndrica en dicho soporte, 
por lo que puede ser detectado siempre en la misma posición por el sensor 2. 
Señales 
 Se configuran dos tipos de señales, de entrada y de salida. Para la conexión posterior 
con TIA Portal, es importante tener en cuenta que los relés de salida del diagrama de escalera 
constituyen las entradas en Siemens NX, y dependiendo de su valor (true o false) activarán 
acciones concretas del editor de secuencia; y que las señales de entrada del TIA Portal 
(contactos normalmente abiertos o cerrados), constituyen en Siemens NX las señales de 
salida. Las señales que se enlazan son de tipo booleano (verdadero/falso) debido a su 
simplicidad, generando una correcta sincronización entre ambos programas, especialmente 
en el diagrama de escalera. 
 La creación de señales se define en la sección eléctrica del MCD en NX con las opciones 
de la figura 57. 
 La configuración de señales en NX presenta diferencias según sean parámetros de 
entrada o salida como se detalla a continuación. Las señales de salida se han aplicado en 
sensores de distancia y de colisión específicos. 
FIGURA 56. SUPERFICIES DE TRANSPORTE 
FIGURA 57. IMPORTACIÓN DE SEÑAL 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 45 
Configuración de señal de entrada Configuración de señal de salida 
 
Conexión de señal 
 La conexión entre señales de ambos programas (mapeo de señales) se realiza en la 
sección de automatización de NX, donde destacan las opciones de la figura 58. 
 En primer lugar, se configura la señal externa (figura 59), es decir, se eligen las señales 
del PLC virtual que se quiere enlazar. Posteriormente se realiza el mapeo de señales de 
entrada de NX con señales de salida de TIA Portal, y viceversa (figura 60). Para ello, es 
preferible que coincidan los nombres de la pareja de señales a enlazar. 
 El árbol de navegación de la física del proyecto puede observarse en el Anexo IV.i. 
FIGURA 58. OPCIONES EN LA SECCIÓN DE AUTOMATIZACIÓN 
FIGURA 59. CONFIGURACIÓN DE LA SEÑAL EXTERNA FIGURA 60. MAPEO DE SEÑALES 
4. Metodología 
46 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
4.2.3. Editor de secuencia 
 En esta sección se crean las operaciones que actúan sobre los comandos de sensores, 
actuadores, fuentes y sumideros vistos anteriormente, dotando de movimiento a la simulación. 
Dichas operaciones se ejecutan bajo las órdenes del PLC virtual, y se controla a través de un 
HMI, por lo que el mecanismo de funcionamiento es idéntico al que ocurre en el demostrador 
físico. 
 El editor de secuencia se encuentra en la barra de navegación vertical de la Figura 61. 
Los grupos de operaciones implementadas lo componen las carpetas de la 5 a la 11, mientras 
que las carpetas 1-4 se han inutilizado ya que los movimientos se realizaban únicamente con 
NX, y solo servían para analizar y verificar las medidas necesarias de accionamiento del 
manipulador para que insertara la pieza en el utillaje correctamente, a través del control de 
posición por su precisión y facilidad de implementación. 
 La figura 62 muestra la operación de salida vertical, que se asocia al control de velocidad 
de movimiento vertical del manipulador. Es en esta ventana donde se modifica la velocidad 
(40 cm/s) y donde se aplica la condición de ejecución, donde en este caso se activa el 
movimiento si la señal de salida vertical (asociada al relé de salida en TIA Portal) es verdadera. 
 
 
4.3 TIA Portal 
 En esta sección se describirán las principales funcionalidades implementadas para el 
correcto control del gemelo digital, mediante la combinación de diagramas de escalera 
(cargado en un PLC virtual) y la interfaz hombre-máquina. 
FIGURA 61. EDITOR DE SECUENCIA 
FIGURA 62. CREACIÓN DE UNA OPERACIÓN EN EL EDITOR DE SECUENCIA 
4. MetodologíaMarcos Pérez Gutiérrez 47 
4.3.1. Diagrama de escalera 
 Para la creación de los bloques del programa con los diagramas de escalera es necesario 
configurar un PLC. En este proyecto se ha utilizado el PLC SIMATIC S7-1500 de Siemens 
(CPU 1516-3 PN/DP). 
 La tabla 5 recoge los elementos empleados para el diseño del bloque de control. 
Tabla 5. Elementos empleados para el diseño del bloque de control 
Nombre Símbolo Descripción 
Contacto 
normalmente abierto 
 
La activación del contacto se produce según 
el estado del operador lógico sobre el que 
está asignado. Si el estado es 1 cierra el 
contacto, si es 0 lo deja abierto. 
Contacto 
normalmente cerrado 
 
La activación del contacto se produce según 
el estado del operador lógico sobre el que 
está asignado. Si el estado es 1 abre el 
contacto, si es 0 lo deja cerrado. 
Asignación 
 
La activación provoca el cambio de bit a 1 en 
la variable sobre la que se asigna, 
cambiando el valor a 0 cuando se produce la 
desactivación. 
Activación de salida 
 
Elemento similar a la asignación, pero con un 
matiz diferente. Una vez se activa este relé, 
la variable cambia su bit a 1, y al 
desactivarse la salida el estado de la variable 
no se modifica, es decir, continúa en 1. 
Desactivación de 
salida 
La activación del relé realiza el cambio del bit 
de la variable a 0, y dicho valor continúa tras 
la desactivación del relé. 
Temporizador de 
retraso a la conexión 
 
Una vez excitado dicho elemento en la 
entrada no da señal en la salida hasta que no 
transcurre un tiempo asignado. 
• PT: Duración del tiempo de retraso. 
Contador ascendente 
y descendente 
 
Realiza el incremento o decremento del valor 
entero en CV. Dicho elemento es más 
completo ya que permite la cuenta 
ascendente y descendente, aunque con 
objeto de optimizar los recursos únicamente 
se han incluido también contadores 
ascendentes. 
• CU: Entrada de contador ascendente. 
• CD: Entrada de contador descendente. 
• R: Reinicio del contador. 
4. Metodología 
48 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
Nombre Símbolo Descripción 
• LD: Entrada de carga 
• PV: Valor entero con el que se activa la 
salida QU o el valor al que cambia CV 
cuando se activa la señal LD. 
• QU: Estado del contador ascendente. 
• QD: Estado del contador descendente. 
• CV: Valor entero del contador actual. 
Comparador 
 
Realiza la comparación de igualdad entre 
una variable entera y un número entero 
seleccionado. 
 
 Tanto el diagrama de escalera como las variables que las componen se recogen en el 
Anexo V, donde se comenta con mayor detalle los 18 segmentos empleados. 
 En esta sección se programa el movimiento del manipulador, en base al esquema de la 
figura 63. 
 La Figura 64 muestra el posicionamiento inicial del manipulador. 
 El giro del módulo de agarre se ha incluido para adaptarse mejor a la forma del utillaje 
durante la deposición de la pieza, cuyo movimiento será más seguro al existir menos 
posibilidad de que las pinzas impacten con el utillaje. 
 Además, en el Anexo III.ii puede apreciarse la simplificación de las pinzas con respecto a 
la máquina original, debido a que con las pinzas originales el sistema era más impreciso y no 
se recogía correctamente la pieza durante la simulación. 
 ovimiento del 
manipulador
 ensor booleano inal 
de carrera true
 
 ensor detecta 
utilla e true
 a ar el manipulador
 ensor booleano 
salida vertical true
 
 ensor booleano 
entrada ori ontal true
 errar las pin as
 ensor booleano 
salida ori ontal true
 
 ensor booleano 
salida pin as true
 tender 
 ori ontalmente el 
manipulador
 ensor booleano 
entrada vertical true
 
 ensor booleano 
salida pin as true
 ubir el manipulador
 ensor booleano 
salida pin as true
 
 ensor booleano 
entrada 
 ori ontal true
 irar el m dulo asta 
 
 ensor booleano 
salida giro true
 
 ensor booleano 
salida pin as true
 a ar el manipulador
 ensor booleano 
salida vertical true
 
 ensor booleano 
salida ori ontal true
 brir las pin as
 ensor booleano salida 
 ori ontal true
 
 ensor booleano entrada giro 
true
 
 ensor booleano entrada giro true
 irar el m dulo asta 
 
 ensor booleano 
salida ori ontal true
 
 ensor booleano 
entrada vertical true
 ubir el manipulador
 ensor booleano 
entrada pin as true
 
 ensor booleano 
salida ori ontal true
 etraer 
 ori ontalmente el 
manipulador
FIGURA 63. ESQUEMA DEL MOVIMIENTO DEL MANIPULADOR NEUMÁTICO. 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 49 
4.3.2. HMI 
 Con la aplicación RT Simulator de TIA Portal es posible simular el mando de control 
previamente diseñado en la interfaz, que cuenta con botones, avisos, imágenes y señales 
luminosas. De esta manera el operario puede tomar acciones sobre el gemelo digital, y recibir 
información de su funcionamiento en todo momento. 
 En primer lugar, se detallan los comandos de navegación en la figura 65. El izquierdo 
muestra el panel principal, el intermedio la ventana de parámetros y el derecho permite 
acceder al mando de control. 
 El panel principal mostrado en la figura 66 proporciona la información general sobre el 
funcionamiento del gemelo digital a través de: 
• Señales luminosas del estado de los actuadores neumáticos y la cinta transportadora. 
Para ello, se referencian las dos posiciones biestables asociadas al movimiento de 
cada componente del manipulador. En el momento en que un sensor detecta una 
posición concreta, como por ejemplo las pinzas abiertas, la señal luminosa se 
enciende cambiando el color de rojo a verde, y desactivándose (color rojo) en caso 
de no recibir señal del sensor. 
• Imágenes del actuador neumático, la pieza y sus superficies de transporte. Dichas 
imágenes se asocian a variables concretas del PLC, de manera que la activación de 
esa variable visibiliza la imagen. De este modo es posible conocer el momento en el 
que el utillaje se encuentra en la posición de ensamble, cuándo la pieza es recogida 
por el manipulador o depositada en el utillaje. 
• Avisos de tiempo límite sobrepasado. En el momento en que el movimiento del ciclo 
en el manipulador supera un valor de 23 s, la ventana superior derecha es un 
indicativo de que ha habido un problema en la simulación, de este modo se avisa al 
operario para que pueda solucionar el error más rápidamente. Por ciclo se entiende 
el conjunto de movimientos desde que el manipulador está en su posición inicial hasta 
que vuelve a dicha posición inicial tras haber depositado la pieza en el utillaje. 
FIGURA 65. COMANDOS DE NAVEGACIÓN 
FIGURA 64. SITUACIÓN INICIAL DEL MANIPULADOR NEUMÁTICO 
4. Metodología 
50 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
• Señales ON/OFF. En la esquina superior derecha pueden observarse los indicadores 
de ON y OFF, asociados al relé encendido del diagrama de escalera, de manera que 
si el relé se activa visibiliza el indicador ON, y si está desactivado visibiliza el indicador 
de OFF. 
 El panel principal cuenta con el botón de inicio de sesión en la esquina superior izquierda, 
con el objetivo de asegurar el reinicio de las variables necesarias. 
 La Figura 67 muestra la ventana de parámetros, compuesta por el contador de las piezas 
correctamente ensambladas que salen de la estación 1 por la cinta transportadora. Además, 
se presenta información del tiempo que tarda el manipulador en realizar un ciclo completo. 
 La Figura 68 representa la ventana de control, ya que es en este panel donde es posible 
activar y desactivar el utillaje en el inicio de la cinta transportadora. Por lo tanto, se consigue 
solventar situaciones problemáticas durante la simulación como la comentada anteriormente 
(Figura 53), sin necesidad de reiniciar la simulación de NX y el RT Simulator de TIA Portal. 
FIGURA 67. VENTANA DE PARÁMETROS DEL HMI 
FIGURA 66. VENTANA PRINCIPAL DEL HMI 
4. Metodología 
Marcos Pérez Gutiérrez 51Especialmente importantes son los botones sobre los que se centra la puesta en marcha 
virtual, que aparecen en cada una de las 3 ventanas para dar mayor facilidad al operario. 
Además, el botón de parada de emergencia y de reset no suele formar parte del panel HMI, 
es por ello que se ha marcado dicha independencia en el diseño. 
• INICIO: Permite el desarrollo de la simulación mediante la activación de las superficies 
de transporte y la fuente de piezas. Se asocia a la variable de INICIO a través del 
evento ActivarBitMientrasTeclaPulsada. 
• PARADA: Detiene las superficies de transporte, la creación de piezas y el movimiento 
del manipulador, de manera que si está realizando el ciclo no lo detiene hasta que no 
vuelve a la posición inicial tras la deposición de la pieza en el utillaje. Se asocia a la 
variable de parada mediante el mismo evento que en INICIO. 
• PARADA DE EMERGENCIA: Detiene instantáneamente la simulación, no siendo 
posible volver a iniciar la puesta en marcha hasta que no se haya producido el rearme. 
Dicho botón se asocia a la variable PARADA DE EMERGENCIA y cambia su valor bit 
a 1 mientras la tecla es pulsada. 
Con el objetivo de señalizar el momento en el que el gemelo digital está en este tipo 
de parada, al botón se ha asociado el relé KE de parada de emergencia, de manera 
que, al activarse el relé, el botón entra en modo parpadeo. 
• RESET: Realiza el rearme del manipulador, de manera que se activan los movimientos 
necesarios para que vuelva a la posición inicial. Se asocia a la variable REARME, que 
cambia su valor de bit a 1 mientras se pulse el botón de RESET. 
 Finalmente, para apagar el mando de control se ha incluido el botón de la esquina inferior 
derecha asociado a la variable CERRAR SESIÓN. 
FIGURA 68. VENTANA DE CONTROL DEL HMI 
4. Metodología 
52 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
4.3.3. PLC virtual 
 PLC SIMAdvanced S1 posibilita la carga del ladder de TIA PORTAL a un PLC virtual, 
llamado PLC_proyecto. Se ha seleccionado este programa ya que es posible sincronizarlo 
con Siemens NX. 
La Figura 69 representa el PLC virtual utilizado, cuya dirección 192.168.0.1 es la referencia 
para enlazarse con TIA Portal y cargar el ladder. En este caso, el recuadro en verde indica 
que ya se ha realizado la carga, en caso contrario presentaría un color amarillo. 
FIGURA 69. ASIGNACIÓN DE UN PLC VIRTUAL 
5. Resultados y discusión 
Marcos Pérez Gutiérrez 53 
5. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 
 La metodología explicada anteriormente es una tecnología que permite la digitalización 
de un entorno industrial, en este caso la primera estación y la cinta transportadora de un 
demostrador de ensamblaje real. De este modo, con el gemelo digital, es posible realizar la 
puesta en marcha virtual, que constituye la culminación del trabajo conjunto entre varios 
programas, y cuyos resultados sirven de mejora para la optimización de los tiempos de 
producción. Para ello es necesario analizar los tres hitos más importantes del proyecto. 
5.1 Diseño del gemelo digital. 
 El entorno virtual es llevado a cabo en la aplicación MCD de Siemens NX, cuyas 
prestaciones otorgan el realismo necesario para poder aplicar las físicas y movimientos 
adecuados. Entre los movimientos, la dinámica principal la realiza el manipulador y su ciclo 
resumido está recogido en la tabla 6. 
Tabla 6. Movimientos y la dinámica principal del manipulador 
Movimientos Dinámica del manipulador 
Recogida de la pieza 
 
Posición intermedia del ciclo 
 
FIGURA 70. VISTA DEL GEMELO DIGITAL 
5. Resultados y discusión 
54 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
Movimientos Dinámica del manipulador 
Deposición de la pieza en el utillaje 
 
 
 La simulación de los movimientos mediante el control de velocidad es preciso, con 
mínimas vibraciones. Además, el software permite modificar en el editor de secuencia 
variables como la sobre aceleración o la aceleración límite, lo que otorga gran realismo a la 
simulación. No obstante, existe mucha deficiencia en las velocidades de los distintos 
componentes. Para obtener una simulación de la estación de ensamblaje a un ritmo 
aceptable, se deben implementar velocidades más elevadas de la realidad, limitando la 
posibilidad de obtener más información factible del gemelo digital para trasladarlo a la 
máquina real. Como ejemplo, la velocidad impuesta a la cinta transportadora es de 20 cm/s, 
caracterizada por una velocidad menor durante la simulación. Uno de los posibles motivos de 
esta ralentización reside en la propia limitación de la potencia de cálculo del pc y su tarjeta 
gráfica. 
 En cuanto a las físicas de colisiones entre cuerpos y sus movimientos asociados, el 
resultado es satisfactorio, y además se cubre bien cualquier tipo de colisión, especialmente al 
implementar la colisión tipo malla. 
Otro aspecto negativo en el programa es el uso de materiales de colisión, cuyos valores de 
fricción no tienen demasiada influencia en la simulación. Para ejemplificarlo, el contacto de la 
cara cilíndrica con las pinzas se ha establecido con agarre óptimo (fricciones máximas), y el 
módulo de agarre no es capaz de sostener la pieza de manera estable. El único valor que sí 
tiene influencia es la restitución (rebote de un cuerpo con otra superficie de contacto) y cuyo 
valor se ha establecido en 0.01 para no dificultar los movimientos. 
5.2 Programación y automatización. 
 TIA Portal permite la elaboración del ladder y el panel de control. De este modo se concibe 
la estación de control del gemelo digital. 
 Concretamente, la parte principal del control la realizan los 18 segmentos del diagrama 
de escalera. Es en estos esquemas donde llegan las señales procedentes tanto de los 
sensores del módulo de NX como de los botones activados por el operador en el HMI, y 
ejecuta las señales necesarias en base a su programación, que serán exportados al módulo 
de NX para que el gemelo digital realice acciones concretas. Dicho entorno de trabajo es 
idéntico al que presenta un PLC real, de manera que es el diagrama de escalera como el de 
la figura 71 el que controla el comportamiento del gemelo digital. 
5. Resultados y discusión 
Marcos Pérez Gutiérrez 55 
 La figura 71 muestra el control que realiza el PLC sobre el movimiento del manipulador, 
de manera que la activación de las señales de salida genera la salida horizontal (manipulador 
horizontal extendido) y la salida del giro (módulo giratorio en 60º), correspondiéndose con el 
instante en que la pieza va a ser depositada en el utillaje. 
 Al ser TIA Portal un programa que no consume tantos recursos del ordenador como NX, 
su funcionamiento es muy preciso y no genera ningún problema de relevancia. 
5.3 Puesta en marcha virtual. 
 El uso conjunto de Siemens NX, TIA Portal y PLC SIM Advanced dan como resultado la 
puesta en marcha virtual, un entorno de trabajo que sigue los esquemas de funcionamiento 
de su homólogo físico, tanto en los movimientos de la máquina como su modo de control. 
 La tabla 7 muestra las diferentes funcionalidades del gemelo digital. 
Tabla 7. Funcionalidades del gemelo digital 
Funcionalidades del gemelo digital 
Inicio 
 
Parada 
 
FIGURA 71. LÍNEAS CONCRETAS DEL SEGMENTO QUE DOMINA EL 
MOVIMIENTO DEL MANIPULADOR 
5. Resultados y discusión 
56 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
Funcionalidades del gemelo digital 
Parada 
emergencia 
 
Rearme 
 
Ventana de 
parámetros 
 
Aviso 
 
Ventana de 
control 
(activar 
utillaje) 
 
Ventana de 
control 
(eliminar 
utillaje) 
 
 
 La simulación tiene fluidez y las funcionalidades comentadas en la metodología son 
correctas, de manera que el resultado de la puesta en marcha virtual es positivo. 
5. Resultados y discusión 
Marcos Pérez Gutiérrez 57 
 Sin embargo, el trabajo conjunto de tres programas ocasiona una ralentización de los 
procesos debido al consumo derecursos de hardware en el ordenador, lo que se traduce en 
una menor fiabilidad de la puesta en marcha, siendo ésta su principal desventaja. 
 Además, dichas ralentizaciones tienen su efecto en el propio HMI. Por ejemplo, en el 
mando de control de la celda Inicio, se debería haber activado la señal de manipulador subido 
en el instante donde se ha tomado la imagen de la simulación, y el retraso ocasiona que se 
ilumine más tarde. No obstante, este retraso no tiene excesiva importancia ya que el operario 
obtiene información más útil del ciclo en el esquema situado en la esquina inferior derecha del 
HMI, acudiendo a los pilotos únicamente cuando necesite información más específica del 
manipulador tras un error en la simulación, en cuyo caso el retraso será superado. 
 Para analizar el rendimiento de la simulación, se ha realizado la puesta en marcha virtual 
en el estado de inicio (dejando que el manipulador recoja las piezas sucesivamente) para 
conocer el número de piezas que el manipulador neumático deposita correctamente. Para 
aumentar la velocidad de la simulación se han omitido algunos componentes del diseño 3D 
comentados anteriormente, de manera que el diseño digital se representa en la figura 72. 
 Además, se han realizado dos tipos de simplificaciones centradas en la reducción de la 
forma de colisiones, la primera de ellas eliminando las formas de colisión en las mordazas, y 
la segunda además de lo anterior se han reducido las colisiones a la superficie lateral de la 
pieza únicamente. Los resultados se exponen en la tabla 8. 
Tabla 8. Resultados de las simulaciones 
Simulaciones 
realizadas/medias 
HMI 
Panel 
principal 
Panel 1 
(parámetros) 
Panel 2 
(control) 
Simulación 1 5 2 10 
Simulación 2 3 5 1 
Simulación 3 4 3 2 
Simulación 4 4 8 18 
Media 4,00 4,50 7,75 
Simulación 5 (simplicación 1) 7 2 4 
FIGURA 72. DISEÑO SIMPLIFICADO PARA LA SIMULACIÓN 
5. Resultados y discusión 
58 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
Simulaciones 
realizadas/medias 
HMI 
Panel 
principal 
Panel 1 
(parámetros) 
Panel 2 
(control) 
Simulación 6 (simplicación 1) 12 5 3 
Simulación 7 (simplicación 1) 6 4 6 
Media 8,3333 3,6667 4,3333 
Simulación 8 (simplicación 2) 5 6 8 
Simulación 9 (simplicación 2) 1 7 12 
Simulación 10 (simplicación 2) 3 6 3 
Media 3,00 6,3333 7,6667 
Simplicación 1: eliminación de las formas de colisión en las mordazas 
Simplicación 2: eliminación de las formas de colisión en las mordazas y 
reducción de formas de colisión en la cilíndrica 
 
 Cada celda de la tabla 7 representa el número total de piezas que el manipulador deposita 
correctamente en el utillaje. En una visión general de la tabla, las simulaciones 1-4 se han 
realizado con las mismas físicas que las detalladas en la metodología, las simulaciones 5-6 
representan la simplificación 1, y las simulaciones 8-9 presentan la simplificación 2. Ambas 
simplificaciones afectan a las físicas y pueden ser válidas ya que en la primera no altera las 
dinámicas del gemelo digital original, y en la segunda se ahorran más recursos al prescindir 
de formas de colisión con propiedades de materiales, que no adquieren de mucha relevancia 
durante la simulación. 
 En una visión más específica, dentro de cada simulación se han realizado tres tipos de 
puesta en marcha virtual distintas: la primera con el panel principal del HMI abierto, la segunda 
con el panel 1 de parámetros y la tercera con el panel 2 de control. 
 En total se han realizado 30 simulaciones, existiendo dos tipos de errores: por imprecisión 
del manipulador en la recogida de la pieza, de manera que ésta no es recogida, y por la 
desconexión entre Siemens NX y PLC SIM. 
 La tabla 9 muestra que el 87% de los errores se debían a imprecisiones en la recogida 
de la pieza por parte del manipulador, mientras que el 13 % restante se debe a la desconexión 
entre TIA Portal y Siemens NX. 
Tabla 9. Estadísticas de los errores 
Tipo de errores 
Total de 
simulaciones 
Porcentaje 
(%) 
Errores por recogida de 
pieza 
26 86,6667 
Errores por bloqueo de 
Siemens NX 
4 13,3333 
 
 Cabe mencionar que los errores por la recogida de pieza se pueden solucionar mediante 
el panel 2 con el control del utillaje y realizando la puesta en marcha del manipulador. 
5. Resultados y discusión 
Marcos Pérez Gutiérrez 59 
 En cuanto a las piezas correctamente depositadas, se recogen las siguientes gráficas. 
 En la gráfica de la Figura 73 se observa que la puesta en marcha virtual con el panel 2 
ha obtenido el mejor resultado, de manera que se han depositado 18 piezas seguidas de 
manera correcta. 
 La gráfica de la Figura 74 ofrece mejor información sobre la tendencia en los rendimientos 
de la puesta en marcha virtual. En ella puede observarse que a medida que se han realizado 
las simplificaciones, la puesta en marcha virtual con el panel principal va perdiendo 
rendimiento, situación inversa a lo que ocurre con el panel 1 de parámetros, que al simplificar 
las físicas mejora el rendimiento. En cuanto a las simulaciones con el panel 2 de control, las 
piezas correctamente depositadas no presentan mucha variabilidad. 
 Finalmente, se presenta el promedio de piezas correctas en cada tipo de gemelo digital 
(figura 75). Analizando la gráfica de la figura 75, el diseño inicial presenta los rendimientos 
más altos utilizando el panel 2 de control, de manera similar a lo que ocurre en la simplificación 
2. 
FIGURA 73. DEPOSICIÓN CORRECTA DE LAS PIEZAS 
FIGURA 74. TENDENCIA LINEAL DE LAS SIMULACIONES 
5. Resultados y discusión 
60 Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales (UPM) 
 En cuanto a la simplificación 1, su máximo rendimiento se encuentra al utilizar el panel 
principal durante la puesta en marcha virtual. 
 Por lo tanto, debido a que es necesario emplear una única solución de las tres posibles, 
se ha optado por implementar la simplificación 1, ya que obtiene los mejores resultados en la 
simulación utilizando el panel principal, que es el que mayor tiempo estará utilizando el 
operario para obtener información del proceso de ensamblaje, aceptando los menores 
rendimientos en el panel 1 y 2, que al ser utilizados con menor frecuencia tendrán menos 
impacto en la simulación. 
5.4 Valoración de impactos 
 En cuanto a la parte técnica del proyecto, se logra un aumento de la eficiencia en la 
puesta en marcha real de la máquina, ya que es posible tener más información de sus 
dimensiones, las dinámicas y los requisitos de accionamientos neumáticos, la disposición y 
de número de sensores y la verificación de la correcta lógica de control, todo ello en un entorno 
virtual sin tener instalada la maquinaria. En definitiva, existe un acortamiento de los tiempos 
de puesta en marcha real, evitando los posibles sobrecostes que se producirían al realizar las 
pruebas directamente sobre la célula física. 
 En consecuencia, la puesta en marcha virtual es una solución sostenible ya que no 
necesita gastar tanto nivel energético como sucedería al realizar los cambios utilizando la 
instalación real. 
 Además, su implicación en la sostenibilidad se ejemplifica en trabajos como [30], que se 
centra en alargar la vida útil mediante el reacondicionamiento de una máquina de fabricación 
en el sector automovilístico. Dicho reacondicionamiento debe ser realizado únicamente 
durante dos semanas, que será el tiempo máximo que podrá estar la máquina sin producir, y 
cuyo objetivo sería muy difícil de conseguir sin las validaciones del control y la optimización 
de los diseños obtenidos en la previa puesta en marcha virtual. 
 Los aspectos de responsabilidad ética y profesional se van a valorar desde un punto de 
vista más global, en relación con la Industria 4.0, ya que una parte importante de esta nueva 
forma de hacer la industria se centra en la conectividad de las máquinas a través de los 
sensores para compartir la información originada. 
FIGURA 75.