APLICACIÓN DIDÁCTICA DE LA PLATAFORMA iQWORKS EN EL

APLICACIÓN DIDÁCTICA DE LA PLATAFORMA
iQWORKS EN EL CAMPO DE LA
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
JUAN CAMILO RODRIGUEZ RUEDA
ANDREA BEATRIZ LATORRE ANGEL
UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
BOGOTÁ
2014
APLICACIÓN DIDÁCTICA DE LA PLATAFORMA
iQWORKS EN EL CAMPO DE LA
AUTOMATIZACIÓN INDUSTRIAL
JUAN CAMILO RODRIGUEZ RUEDA
ANDREA BEATRIZ LATORRE ANGEL
Trabajo de grado presentado como requisito para
optar al título de Ingeniero en Mecatrónica
Tutor
Oscar Fernando Avilés Sánchez Ph.D.
UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA
FACULTAD DE INGENIERIA
PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA
BOGOTÁ
2014
Agradecimientos
Este trabajo de grado que hoy culmina está dedicado en primer lugar a Dios
quien nos dio el entendimiento, la constancia y el éxito para lograr esta gran
meta que hoy exponemos en estas páginas, de igual forma, queremos agradecer
a todas aquellas personas que aportaron en su culminación, a nuestros Padres,
Alejandro Latorre, Carolina Ángel, Raúl Rodríguez y Gloria Rueda, a nuestros
hermanos Julián Latorre, Cesar Rodríguez, Oscar Rodríguez y Marcela Rodríguez, quienes con su persistencia y apoyo incondicional forjaron nuestra motivación para alcanzar este sueño, igualmente, agradecer a la Universidad Militar
Nueva Granada la cual nos brindó las herramientas para canalizar nuestros conocimientos y habilidades en pro de buscar una mejor sociedad; durante este
camino queremos darle las gracias al Ingeniero Oscar Avilés y demás profesores
quienes con su acompañamiento y respaldo nos guiaron por el camino del intelecto, por ultimo queremos enviar un gran sentido de agradecimiento a nuestros
amigos Cristian Hernández, Alexis Ghisays y Felipe Duarte quienes nos brindaron la Lealtad y la Alegría que enmarca la verdadera palabra llamada Amistad.
Índice general
1. INTRODUCCIÓN
1.1. Justicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Planteamiento del problema . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Revisión de la literatura . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.1.
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1.3.2.
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1.3.2.1. Mayor exibilidad . . . . . . . . . .
1.3.2.2. Alta productividad . . . . . . . . .
1.3.2.3. Espacio de trabajo mínimo . . . . .
1.3.3. La Robótica en Construcción de Automóviles
1.3.4. Paletización . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.5. Trabajos de Fundición . . . . . . . . . . . . .
1.4. Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1. General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4.2. Especícos . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5. Organización de la Tesis . . . . . . . . . . . . . . . .
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Primer Robot que colabora directamente con trabajadores
en la fábrica de Volkswagen
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Procesos Automáticos de Ensamblado con ayuda de Robots
KUKA
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2.1. Tipos de automatización . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1. Automatización ja . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2. Automatización ja o programable . . . . . . . .
2.1.3. Automatización Flexible . . . . . . . . . . . . . .
2.1.4. Automatización integrada . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Tecnologias de automatización . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1. Tecnologías para la automatización . . . . . . . .
2.2.1.1. Tecnologías cableadas . . . . . . . . . . .
2.2.1.2. Tecnologías Programadas o programables
2.2.2. Denición de un proceso de producción . . . . . .
2.2.2.1. Producción . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2.2. Postproducción . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3. Sistemas de Manufactura Flexible . . . . . . . . .
2.2.3.1. Sistemas de movimiento de piezas . . . .
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2. LA AUTOMATIZACIÓN
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2.2.3.2. Sistemas de movimiento de herramientas
2.3. Celdas de Trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Tipos de Tecnologías de Automatización . . . . . . . . .
2.4.1. CAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.2. CAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.3. CAE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.4. CIM-CEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.5. PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.5.1. Clasicación de los PLC . . . . . . . . . .
2.4.6. Sensores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.7. Actuadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.7.1. Tipos de Actuadores . . . . . . . . . . . .
2.4.8. Redes Industriales . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.9. Buses de Campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.9.1. Redes ASI . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.9.2. Probus . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.9.3. Device Net . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.9.4. Compobus . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.10. Buses orientados a dispositivos . . . . . . . . . . .
2.4.10.1. CAN BUS . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4.10.2. LONWorks . . . . . . . . . . . . . . . .
3. REDES DE PETRI
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
3.5.
3.6.
3.7.
Proceso . . . . . . . . . . . .
Denición . . . . . . . . . . .
Simulador . . . . . . . . . . .
Simulación . . . . . . . . . .
Pesos . . . . . . . . . . . . . .
Semántica . . . . . . . . . . .
Otros tipos de redes de Petri
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4.1. Caracteristicas generales . . . . . . . . . . .
4.2. Conguración robots . . . . . . . . . . . . .
4.2.1. Iniciar MelfaWorks . . . . . . . . . .
4.2.2. Crear un Proyecto . . . . . . . . . .
4.2.3. Ensamble del Gripper . . . . . . . .
4.2.4. Delimitación del Espacio de Trabajo
4.2.5. Creación de Puntos y Trayectorias .
4.2.6. Simulación y Movimiento . . . . . .
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5.1. MelfaWorks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.1.1. La interface entre el hombre y la técnica
5.1.2. Auténtica simulación del entorno . . . .
5.1.3. Reducción de costos . . . . . . . . . . .
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5. DESCRIPCIÓN ENTORNO
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4. MELFA WORKS
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79
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5.2.
5.3.
5.4.
5.5.
Melfa-Vision . . . . . .
RT-ToolBox . . . . . .
GX Works . . . . . . .
MELSOFT Navigator
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6.1. Manual técnica de coordinación . . . . . .
6.1.1. Conguración del Workspace . . . .
6.1.2. Creación de SUBPROGRAMAS . .
6.1.2.1. Programa en GX WORKS2
6.1.2.2. Programa en RT Toolbox .
6.1.3. Técnica de Coordinación . . . . . . .
6.1.4. Simulación O-Line . . . . . . . . .
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6. SIMULACIÓN Y VALIDACIÓN
7. DELIMITACION Y ALCANCE
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7.1. Conceptual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.2. Geograca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.3. Temporal y Cronológico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Índice de guras
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
Robot UR5 (Copyright Universal Robots A/S)[1]
Robots KUKA . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Robots en la Industria Automotriz . . . . . . . .
Robot (Paletizacion) . . . . . . . . . . . . . . . .
Robot en Trabajos de Fundicion . . . . . . . . .
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Ejemplo de un proceso continuo . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Linea de ensamble de un automovil (proceso discreto) . . . . . .
Proceso de producción de Cerveza . . . . . . . . . . . . . . . . .
Piramide de Automatización . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Organización de las tecnologias de la Automatización . . . . . . .
Modelo de una celda de trabajo . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cuadro de relacion entre las islas de la Automatización . . . . .
Explicacion graca de los niveles de un Sistema CIM . . . . . . .
Diagrama de Flujo del funcionamiento del PLC en un entorno
Industrial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.10. Diagrama de la Arquitectura de un PLC . . . . . . . . . . . . . .
2.11. Bloques de un PLC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.12. Esquema de un Sensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.13. Esquema de Bus de Campo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.14. Esquema de una Red Industrial Probus . . . . . . . . . . . . . .
2.15. Esquema de una Red DeviceNet . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3.1. Esquema de una Red de Petri . . . . . . . . . . . .
3.2. Lugares, transiciones, marcas y señales de una RdP .
3.3. Secuencia de Proceso de Ensamblaje . . . . . . . . .
3.4. Simulación (Parte 1) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5. Simulación (Parte 2) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Simulación (Parte 3) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7. Simulación (Parte 4) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.8. Simulación (Parte 5) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.9. Simulación (Parte 6) . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.10. Ejemplo de una Red de Petri con pesos en los arcos
3.11. Activación de una transicion (Semántica) . . . . . .
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2.1.
2.2.
2.3.
2.4.
2.5.
2.6.
2.7.
2.8.
2.9.
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4.1. Pantalla Principal SolidWorks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2. Ventana de Funciones Principales del programa . . . . . . . . . .
4.3. Ventana de Estado de comunicación Robot - Controlador Virtual
4.4. Ventana para la creación de un nuevo espacio de trabajo . . . .
4.5. Seleccionar boton Robot setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6. Ventana de Robot Setting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.7. Ventana de seleccion del controlador . . . . . . . . . . . . . . . .
4.8. Ventana de Seleccion de Robot a usar . . . . . . . . . . . . . . .
4.9. Gripper y sus ejes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.10. Imagen para insertar el gripper al espacio de trabajo . . . . . .
4.11. Ventana de Robot details setting para ensamble de gripper . . .
4.12. Espacio de Trabajo para los Robots . . . . . . . . . . . . . . . .
4.13. Espacio de Trabajo con los Robots . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.14. Conguracion y ensamble de Robots . . . . . . . . . . . . . . . .
4.15. Ventana de Robot Operation, para identicacion de coordenadas
del mismo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.16. Ventana para la creacion de secuencia de puntos o trayectorias
del Robot . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.17. Ventana para guardar los puntos obtenidos del Robot . . . . . .
4.18. Ventana de simulación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.19. Encendido del Virtual Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.20. Vericacion de conexión . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.21. Ventana para la ejecución del programa realizado . . . . . . . .
4.22. Ventana de carpeta RC1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.23. Ubicacion del Programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.24. Ejecución del programa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.25. Ventana de visualización de la simulación . . . . . . . . . . . . .
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69
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70
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71
5.1. Esquema iQ Works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6.1. Ventana para la creación del nuevo Workspace . . .
6.2. Ventana para la conguración del modulo . . . . . .
6.3. Ventana principal de Melsoft Navigator . . . . . . .
6.4. Ventana para seleccion de los componentes del PLC
6.5. Ventana para añadir nuevo robot . . . . . . . . . . .
6.6. Ventana para conguración de modulos . . . . . . .
6.7. Ventana para la selección de la conguración de red
6.8. Conguración de los registros de memoria . . . . . .
6.9. Comunicación con GX WORKS2 y RT-TOOLBOOX
6.10. Conguración de programas . . . . . . . . . . . . . .
6.11. Asignación de programas para cada modulo . . . . .
6.12. Conguración del PLC . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.13. Conguración proyecto en GX Works . . . . . . . . .
6.14. Ventana principal GX Works . . . . . . . . . . . . .
6.15. Ventana de Parametros para manipulador 1 . . . . .
6.16. Ventana de Parametros para manipulador 2 . . . . .
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6.17. Ventana de conguración de la CPU . . . . . . . . . .
6.18. Creación del programa de instrucciones . . . . . . . .
6.19. Programación de la rutina de trabajo . . . . . . . . . .
6.20. Vericación del correcto funcionamiento . . . . . . . .
6.21. Ventana para cargar el programa a la memoria virtual
6.22. Ventana principal RT-TOOLBOX . . . . . . . . . . .
6.23. Creación de nuevo proyecto . . . . . . . . . . . . . . .
6.24. Selección de manipulador . . . . . . . . . . . . . . . .
6.25. Estado de la comunicación con el robot . . . . . . . .
6.26. Simulación oine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.27. Adición de nuevo robot al proyecto . . . . . . . . . . .
6.28. Creación de nuevo programa . . . . . . . . . . . . . .
6.29. Nuevo programa para el robot . . . . . . . . . . . . . .
6.30. Ventana para añadir trayectorias del robot . . . . . . .
6.31. Editor de posición . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.32. Guardar conguración deseada . . . . . . . . . . . . .
6.33. Vista superior espacio de trabajo . . . . . . . . . . . .
6.34. Ventana principal de SolidWorks y Melfa Works . . . .
6.35. Conguración de simulación online . . . . . . . . . . .
6.36. Selección de robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.37. Ventana para el encendido del controlador . . . . . . .
6.38. Ventana de conexión exitosa . . . . . . . . . . . . . . .
6.39. Ejecución de programas . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.40. Transferencia de programas . . . . . . . . . . . . . . .
6.41. Visualización de los robots en movimiento . . . . . .
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Manual
Manual
Manual
Manual
MelfaWorks . . . . . . . . . . . . . . . . .
RT-TOOLBOX . . . . . . . . . . . . . . .
Robot RV-6SQ/6SQL Series . . . . . . . .
Robot RV-3SQ/3SQJ/3SQB/3SQJB Series
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Índice de cuadros
2.1. Ventajas de los sistemas FMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
32
4.1. Tabla de Descripción de la Ventana Principal de MelfaWorks . .
66
10
Resumen
El desarrollo de este trabajo de grado se hizo con el n de diseñar un algoritmo de control para la aplicación de robótica colaborativa en aplicaciones
industriales, implementando métodos apropiados para la ejecución de tareas en
un entorno didáctico. En este caso el ambiente industrial fue el de una planta ensambladora de automóviles, la cual cuenta con un proceso de ensamblaje
sencillo. Nosotros lo diseñamos así con el n de observar los cambios de hacer
el trabajo con un solo robot y la implementación de Robótica Colaborativa en
esta aplicación.
El trabajo fue realizado utilizando 2 robots Mitsubishi Electric
con las
referencias Melfa RV-3SQB y el otro es un Melfa RV-6SQL, los cuales se encuentran en la sede principal de la Universidad Militar Nueva Granada. Los
primeros pasos para este proyecto fue aprender a utilizar los robots y asistir
a unas charlas de inducción para el manejo de los mismos, esto conllevo a un
análisis concreto sobre cómo iba ser el proceso que íbamos a desarrollar, encontrar los limitantes del proyecto y saber delimitarlo para no cometer errores y
sobredimensionar lo que se puede lograr con robots de este calibre. Mediante
un tiempo estuvimos desarrollando diseños de procesos industriales y decidimos
escoger el ensamblaje de automóviles, ya que es un proceso que está prosperando
en Colombia y que de una forma didáctica es sencillo implementar. Tomamos
parte de las sugerencias realizadas por los docentes y realizamos una investigación sobre cómo era el proceso de ensamble de un automóvil y llegamos a
desarrollar un método de ensamble de acuerdo a lo que podíamos implementar
con los robots, paralelo a esto se fue desarrollando como es normal un algoritmo
de control para los robots en un ambiente automatizado, lo primero fue crear
la secuencia lógica mediante un diagrama funcional llamado GRAFCET el cual
sería la base para crear un sistema de eventos paralelo, el cual sería aplicado
mediante Redes de Petri.
Teniendo lista la parte de control se procedió al diseño del automóvil a ensamblar y su ambiente de trabajo, todo fue diseñado en el Software de SolidWorks
para poder implementarlo en la segunda fase con el Software de MelfaWorks,
que es un programa para hacer la simulación de los robots en funcionamiento
con su área de trabajo respectiva. Con el segundo programa se hace la vericación de distancias, tiempos, tamaños, algoritmos que son utilizados en el
ensamblaje del automóvil, con el n de vericar que no vayan a haber choques,
distancias inalcanzables para los robots y poder mejorar así los tiempos muertos
®
11
para hacer más rápido el proceso de ensamble. Toda la simulación del proceso
fue realizada en MelfaWorks el cual es un complemento al programa SolidWorks,
todas las piezas realizadas y los robots encontrados en la simulación son a una
escala adecuada para ser implementados en la vida real.
Robótica, automatización, control, redes de Petri, MelfaWorks, Robótica Colaborativa, diseño, SolidWorks, Robots Mitsubishi, RTTOOLBOX, MELSOFT Navigator.
Palabras Claves:
Capítulo 1
INTRODUCCIÓN
La automatización industrial en el período moderno propone plantear soluciones a problemas del diario vivir, como tal se ha propuesto mejorar y dar la
posibilidad a que las personas interesadas en desarrollar procesos industriales
tengan las herramientas necesarias para poder diseñar, simular e implementar
sus desarrollos. Por estos motivos, se plantea el uso de un par de robots para
el desarrollo de una labor, en la cual se implemente la robótica colaborativa
para la automatización y control de dicho proceso. La solución que se le dio a
este proyecto es realizar una selección de un proceso industrial donde se viera la
aplicabilidad de la robótica colaborativa y en donde ya existieran antecedentes
para su posterior comparación. La industria de los automóviles fue la escogida para el desarrollo de esto proyecto, es una industria donde están surgiendo
avances muy importantes en tecnología, los cuales tienen que ser aplicadas en
industria nacional, con nes de crecimiento económico, tecnológico y sobre todo
la innovación de nuevos procesos tecnológicos para el progreso de la industria.
De manera correcta la robótica ha llegado a introducirse en las tareas donde
el humano se le es peligroso ejecutar una acción o no esta en las capacidades
físicas para hacerlo, de esta manera se puede implementar la robótica colaborativa en las industrias ensambladoras de automóviles, ya que utilizando este
tipo de robots se puede optimizar los procesos, haciéndolos más seguros para el
ser humano y así mismo poder ayudar con la parte de disminución de costos,
tiempo, energía y demás recursos fundamentales en la industria moderna.
1.1. Justicación
La razón por la cual se plantea este trabajo de grado, es debido a una
necesidad de respaldo por parte de los robots en el momento de ejecutar tareas
especícas. La mayoría de aplicaciones se basan en procesos industriales, en los
cuales es necesario la ayuda humana o la ayuda de diferentes mecanismos para
su realización. La idea es poder brindar una herramienta de solución, en la cual
el robot cumpla con dicha labor, mejorando el proceso para brindar una mayor
13
calidad del producto y generando benecios para la industria.
Uno de los benecios más importantes al implementar dicha solución, es
cuidar a los trabajadores de algún tipo de riesgo que se pueda presentar en el
momento de ejecutar una tarea, tales como, fracturas o lesiones graves, debido
a que los elementos que tienen que manipular son pesados y cualquier descuido
puede conllevar a un accidente. Con este proyecto se buscará que las empresas hagan inversiones en el campo de la ciencia y la tecnología para fomentar
el progreso en las industrias, generando mayor competitividad con los países
posicionados en el campo de las plantas industriales automatizadas.
1.2. Planteamiento del problema
Debido a la falta de tecnología en los procesos industriales, los humanos
tienen que ejecutar tareas las cuales podrían ser realizadas con ayuda de robots,
con el n de ejecutar los procesos con una mayor precisión, mejorando la calidad
del producto, los tiempos de producción y un factor importante como lo es
la seguridad del usuario. Por estos motivos, se plantea como alternativa de
solución, el uso de un par de robots para el desarrollo de una labor, en la cual se
implemente la robótica colaborativa para la automatización y control de dicho
proceso.
1.3. Revisión de la literatura
1.3.1.
Primer Robot que colabora directamente con trabajadores en la fábrica de Volkswagen
El grupo fabricante de coches Volkswagen ha integrado un brazo robótico
industrial del fabricante danés Universal Robots en la producción en serie de su
planta en Salzgitter, en Alemania. El robot liviano UR5 que se ve en la gura
1.1, el cual se encuentra instalado en la sección de montaje de las cabezas de los
cilindros, donde se encarga de manipular delicados calentadores (glow plugs).
Este es el primer robot colaborativo utilizado por Volkswagen en todo el mundo.
Debido a su sistema integrado de seguridad, el brazo robótico de seis ejes trabaja directamente junto a las personas sin necesidad de barreras de protección.
Contribuye así de forma signicativa a optimizar procesos de trabajo ergonómicos. La fábrica de Volkswagen en Salzgitter, con una supercie de 2.800.000
metros cuadrados, es una de las mayores plantas de fabricación de motores del
mundo. Unos 6.000 empleados fabrican allí cerca de 7.000 motores de gasolina
y diésel en más de 370 versiones cada día. Los motores de 3 a 16 cilindros se
instalan en los distintos modelos y marcas del grupo Volkswagen. El fabricante
de coches ha instalado recientemente un brazo robótico industrial colaborativo
del fabricante danés Universal Robots para trabajar lado a lado al personal de la
sección de montaje de cabezas de los cilindros de la fábrica con el n de insertar
calentadores en las cabezas de los cilindros. Gracias a su sistema de seguridad
integrado (según la norma EN ISO 10218), el robot industrial puede trabajar
lado a lado a las personas. El robot está equipado con una pinza colaborativa
diseñada por el integrador del sistema Faude Automatisierungstechnik en exclusiva para Volkswagen y que cumple los requisitos de seguridad de la norma
ISO/TS 15066, la especicación estándar para los robots colaborativos. El robot
se ha podido integrar así en la línea de producción, sin necesidad de una caja
de protección adicional.1 [2]
Figura 1.1: Robot UR5 (Copyright Universal Robots A/S)[1]
1.3.2.
Procesos Automáticos de Ensamblado con ayuda de
Robots KUKA
En la planta de carrocerías de Mercedes para la clase A como se ve en la
Figura 1.2, DaimlerChrysler trabaja con diferentes procesos de ensamblado. Por
ejemplo, deben colocarse aproximadamente 3.900 puntos de soldadura a 290 piezas de chapa distintas. Cuando este fabricante de automóviles buscó robots para
la automatización, en la parte superior de la lista de prioridades se encontraban
tiempos de ciclos cortos como condición fundamental de una gran capacidad de
aceleración. Hoy 330 robots KUKA comparten las tareas en la planta de carrocerías de Rastatt. Otros 50 robots KUKA se encuentran allí en el montaje y
tratamientos superciales, colocando cristales y sellando cordones de soldadura.
El proceso más importante de ensamblado es la soldadura por puntos, en donde
los robots colocan hasta 28 puntos en 60 segundos, todo complementado por
técnicas de agrafado, soldadura de pernos, pegado y atornillado. El útil utilizado para la soldadura de puntos es una pinza accionada por hidráulica de agua,
que alcanza los altos valores de fuerza de pinza necesarios. Al mismo tiempo,
la pinza de soldadura hidráulica posibilita un contacto suave y también un aumento suave de la presión. Con ello se obtiene una profundidad de marcado
disminuida aumentando la resistencia de la unión soldada, y también ventajas
de presentación óptica, que naturalmente dependen del tiempo de aplicación
de la presión. Otro de los procesos aplicados en Rastatt es el del pegado con
soldadura por puntos; un método que combina la soldadura por puntos con un
pegamento estructural, aplicado antes de la soldadura y que endurece más tarde.
El pegado con material estructural, que ofrece además una mejor presentación
1 Robot
implementado en fabricas para el desarrollo de nuevos avances tecnologicos [2]
visual, reemplaza la soldadura en las puertas; en la unión de las paredes laterales al piso, se utiliza nuevamente la soldadura por puntos. En la aplicación
de pegamentos y de sellantes, los robots consiguen valores altos referentes a la
calidad y la velocidad de trayectoria, que no pueden ser realizados de forma
manual. [3]
Figura 1.2: Robots KUKA
Resultado/Éxito
1.3.2.1. Mayor exibilidad
DaimlerChrysler utiliza corrientemente robots KUKA tipo IR 360/125 e IR
360/150. Los dos tipos de robots mecánicamente iguales, de construcción modular, se diferencian únicamente en la capacidad de carga, que el fabricante
aumenta solamente por adición de una compensación de peso aumentada de
125 a 150 kg. Esta alta exibilidad en relación a la capacidad de carga, fue
un punto decisivo para la compra, porque por ello, DaimlerChrysler pudo reaccionar económica y rápidamente frente a útiles modicados y más pesados, y
puntos de aplicación de la herramienta más complicados.
1.3.2.2. Alta productividad
Debido a la exactitud de la trayectoria, vida útil prolongada, una disponibilidad de cerca del 100 por ciento y una programación por aprendizaje fácil,
los robots son sinónimos de alta productividad durante toda su vida útil. Otra
ventaja económica lo representa la restricción a una sola clase de robot con la
misma capacidad de carga; una ventaja que simplica mantenimiento y servicio,
así como también entrenamiento del personal y el almacenamiento reducido de
repuestos.
1.3.2.3. Espacio de trabajo mínimo
Como ejemplo para el espacio reducido necesario para los robots KUKA, se
tiene una célula, en la cual se encuentran instalados dos robots con un campo
de trabajo de 360 . Los robots deben efectuar trabajos de atornillado en un
espacio muy reducido, recoger de un transporte de cargas travesaños de aluminio
y aplicar las memorias de datos móviles para el mando de la producción de la
clase A.
°
1.3.3. La Robótica en Construcción de Automóviles
La industria automovilística ha sido gran impulsora de la robótica industrial,
empleando la mayor parte de los robots hoy en día instalados. La tarea más
frecuente robotizada dentro de la fabricación de automóviles ha sido sin duda
alguna la soldadura de carrocerías. En este proceso, dos piezas metálicas se
unen en un punto para la fusión conjunta de ambas partes, tal como se ve en
la Figura 1.3, asi mismo denominándose a este tipo de soldadura por puntos.
La robotización de la soldadura por puntos admite dos soluciones: el robot
transporta la pieza presentando ésta a los electrodos que están jos, o bien, el
robot transporta la pinza de soldadura posicionando los electrodos en el punto
exacto de la pieza en la que se desea realizar la soldadura.
El optar por uno u otro método depende del tamaño, peso y manejabilidad de
las piezas. En las grandes líneas de soldadura de carrocerías de automóviles, estas
pasan secuencialmente por varios robots dispuestos frecuentemente formando un
pasillo, los robots, de una manera coordinada, posicionan las piezas de soldadura
realizando varios puntos consecutivamente. [4]
Figura 1.3: Robots en la Industria Automotriz
1.3.4. Paletización
La paletizacion es un proceso básicamente de manipulación, consistente en
disponer de piezas sobre una plataforma o bandeja (palet), tal como se observa
en la Figura 1.4. Las piezas en un palet ocupan normalmente posiciones predeterminadas, procurando asegurar la estabilidad, facilitar su manipulación y
optimizar su extensión. Los palets son transportados por diferentes sistemas
(cintas transportadoras, carretillas, etc.) Llevando su carga de piezas, bien a lo
largo del proceso de fabricación, bien hasta el almacén o punto de expedición.
[3]
Figura 1.4: Robot (Paletizacion)
Dependiendo de la aplicación concreta, un palet puede transportar piezas
idénticas (para almacenamiento por lotes por ejemplo), conjuntos de piezas diferentes, pero siempre los mismos subconjuntos procedentes de ensamblados) o
cargas de piezas diferentes y de composición aleatoria (formación de pedidos
en un almacén de distribución). Existen diferentes tipos de maquinas especicas
para realizar operaciones de paletizado. Estas frente al robot, presentan ventajas
en cuanto a velocidad y coste, sin embargo, son rígido en cuanto a su funcionamiento, siendo incapaces de modicar su tarea de carga y descarga. Así pues,
los robots realizan con ventaja aplicaciones de paletizacion en las que la forma,
numero o características generales de los productos a manipular, cambian con
relativa frecuencia. En estos casos, un programa de control adecuado permite resolver la operación de carga y descarga, optimizando los movimientos del robot,
aprovechando la capacidad del palet o atendiendo a cualquier otro imperativo.
Generalmente, las tareas de paletizacion implican el manejo de grandes cargas,
de peso y dimensiones elevadas. Por este motivo, los robots empleados en este
tipo de aplicaciones acostumbran a ser robots de gran tamaño, con una capacidad de carga de 10 a 100kg. No obstante, se pueden encontrar aplicaciones
de paletizacion de pequeñas piezas, en las que un robot con una capacidad de
carga de 5Kg. es suciente. Las denominadas tareas de Pick and place, aunque
en general con características diferentes al paletizado, guardan estrecha relación
con este. La misión de un robot trabajando en un proceso de pick and place
consiste en recoger piezas de un lugar y depositarlas en otro.
1.3.5. Trabajos de Fundición
La fundición por inyección fue el primer proceso robotizado (1960). En este
proceso el material usado, en estado liquido, es inyectado a presión en el molde.
Este ultimo esta formado por dos mitades que se mantienen unidas durante
la inyección del metal mediante la presión ejercida por dos cilindros. La pieza
solidicada se extrae del molde y se enfría para su posterior desbardado. El
molde, una vez limpio de residuos de restos de metal y adecuadamente lubricado,
puede ser usado de nuevo. Todo esto puede ser observado como ejemplo en la
Figura 1.5.[5]
Figura 1.5: Robot en Trabajos de Fundicion
1.4. Objetivos
1.4.1. General
Desarrollar una aplicación didáctica para el uso de la plataforma iQWorks
aplicado a un proceso de automatización industrial en la ejecución de tareas
propias de robots en un entorno didáctico.
1.4.2. Especícos
Utilizar la plataforma MELFA-Works para la simulación de las tareas
desarrolladas por los dos robots Mitsubishi en el cumplimiento de un objetivo.
Aplicar una técnica de coordinación a un proceso automatizado utilizando
los robots Mitsubishi dispuestos por la universidad.
Utilizar las Redes de Petri, con el n de dar un tratamiento individual
a procesos independientes, paralelos o compartidos en el desarrollo de un
proceso industrial.
Usar los diferentes Software y Hardware de Mitsubishi Electric para simular un proceso industrial en un entorno didáctico, en base a un prototipo
a escala, evidenciando la automatización en la ejecución de una tarea especíca.
1.5. Organización de la Tesis
La tesis presentada viene dada por una explicación de toda la teoría utilizada para su desarrollo en la cual se contempla toda la parte de Automatización
Industrial, Redes de Petri, desarrollo CAD en SolidWorks y aplicación de robótica colaborativa con el complemento MelfaWorks y la gama de programas
iQ Works. Para desarrollar el proyecto fue necesario realizar una investigación
concreta sobre los elementos con los cuales se interactuó para desarrollar lo propuesto en los objetivos. Todo esto con el n de tener claridad en los aspectos
técnicos de los robots Mitsubishi utilizados, también era de suma importancia
tener claro cómo era el uso de los robots y su mantenimiento, para esto fueron
consultados los manuales de usuario encontrados en la página del fabricante
Mitsubishi Electric Corporation. También se podrá observar las simulaciones de
Redes de Petri en HPSim con la explicación lógica del proceso de ensamblaje
del automóvil, por último se concluirán todos los resultados obtenidos y se mostraran en un análisis el cual dará validación a todo lo propuesto en los objetivos
del proyecto.
Capítulo 2
LA AUTOMATIZACIÓN
La historia de la automatización comienza con la introducción de las máquinas (mecanización) para producir grandes cantidades de productos, para lo
cual era imprescindible dividir el trabajo en tareas más pequeñas y sencillas. La
mecanización a gran escala dio lugar al comienzo de la automatización. Con el
objetivo de denir el concepto de automatización los referentes a sistema automatizados tenemos como el pionero en la creación de sistemas automáticos fue
Ktesibios [(en griego Κτησvίβιος Ktêsíbios) (trabajó 285 A.C. 222 A.C.) fue un
inventor y matemático griego de Alejandría (siglo III A.C.). Sus contribuciones
a la investigación de los fenómenos naturales, así como de la geometría son sólo
inferiores a los de Arquímedes. Escribió el primer tratado cientíco acerca del
aire comprimido, empleando para su elaboración bombas neumáticas e incluso
cañones. Estas investigaciones, junto con los ensayos de elasticidad del aire Neumática, le han concedido la fama de ser "padre de la neumática". Ninguno de
sus escritos ha sobrevivido, incluyendo su Memorabilia. La compilación de sus
trabajos fue recogida íntegramente por Ateneo de Náucratis que le menciona en
su obra, aunque se conoce por Filón de Bizancio (uno de sus discípulos) y Marco
Vitrubio Polión] de Alejandría, que vivió en el 300 AC. Su invento consistía en
un regulador de otador que tenía como objetivo controlar la entrada del agua
a un reloj de agua mediante una válvula de enchufe conectada a un otador de
madera en un tanque. Una gota en el nivel del agua en el tanque produciría que
el otador se cayera, abriendo la válvula para dejar entrar más agua y mantener
el nivel de agua en el tanque. Posteriormente los antiguos egipcios unieron brazos mecánicos a las estatuas de los dioses. Los sacerdotes eran los encargados
mediante la gracia divina de inspirar movimientos a las máquinas. No fue hasta
los siglos XVII y XVII cuando surgen los primeros muñecos mecánicos que presentan unas características muy similares a los robots actuales. La revolución
industrial produjo la aparición de nuevas creaciones mecánicas dentro del campo
de la industria indico que el mayor avance en la automatización de la época fue
la aparición de los motores de vapor inventados por James Watt. En la época
de nales del siglo XX y principios del siglo XXI Parasuraman dene de forma
más completa el concepto de automatización mediante tres rasgos básicos: [6, 7]
22
Control automático de la fabricación de un producto producido en un
número de etapas sucesivas.
El uso del control automático a cualquier rama de la ciencia o su aplicación
en la industria.
El tercer rasgo característico es el resumen de las dos anteriores; y consiste
en el empleo de dispositivos electrónicos o mecánicos para sustituir trabajo
humano.
La Real Academia de las Ciencias Físicas y Exactas dene la automática como
el conjunto de métodos y procedimientos para la sustitución del operario en tareas físicas y mentales previamente programadas. De esta denición original se
desprende la denición de la automatización como la aplicación de la automática
al control de procesos industriales. Por otro lado vemos que la automatización
es una disciplina que integra varias ramas del conocimiento tales como: electricidad, electrónica, química, mecánica, comunicaciones, control, programación,
física, etc. Lo cual hace que la utilización de todas estas áreas en conjunto forme sistemas los cuales pueden variar su robustez dependiendo de la tarea que el
sistema tenga encomendada, estas aplicaciones son implementadas con el n de
cumplir con los procesos industriales con mayor eciencia, calidad, seguridad y
en la mayoría de los casos una disminución de costos de producción y aumentar
la rentabilidad. La concepción de la automatización viene dada por las tareas
que son transferidas por humanos a un conjunto de elementos tecnológicos para mejorar aspectos del proceso, ya que en muchos casos los operarios están
expuestos a riesgos en los cuales pueden sufrir lesiones o simplemente adquirir
problemas de salud debido a los trabajos que tienen que realizar durante largas
jornadas de trabajo. [7]
Tomando como referencia las deniciones de automatización planteadas existe una seria de ventajas e inconvenientes que inuyen en su implantación. Las
primeras investigaciones que exponen este conjunto de ventajas son:
Aumento de la productividad y consistencia en los productos
La automatización genera una estabilidad y robustez en el sistema.
Las tecnologías de automatización no presentan fallos.
Mejorar las condiciones de trabajo del personal, incrementando la seguridad
Realizar las operaciones imposibles físicamente para el operador humano
Mejorar la disponibilidad de los productos, pudiendo generar las cantidades necesarias en el momento preciso.
Integrar la gestión y producción.
Como otra arista de la automatización tenemos el proceso, el cual se entiende como aquella parte del sistema en que, a partir de la entrada de material,
energía e información, se genera una transformación sujeta a perturbaciones del
entorno, que da lugar a la salida de material en forma de producto. Los procesos
industriales se conocen como procesos continuos, procesos discretos y procesos
batch. Los procesos continuos se caracterizan por la salida del proceso en forma
de ujo continuo de material, como por ejemplo la puricación de agua o la
generación de electricidad.
Figura 2.1: Ejemplo de un proceso continuo
Los procesos discretos contemplan la salida del proceso en forma de unidades
o número nito de piezas, siendo el ejemplo más relevante la fabricación de
automóviles.[8]
Figura 2.2: Linea de ensamble de un automovil (proceso discreto)
Finalmente, los procesos batch son aquellos en los que la salida del proceso
se lleva a cabo en forma de cantidades o lotes de material, como por ejemplo la
fabricación de productos farmacéuticos o la producción de cerveza.[9]
Figura 2.3: Proceso de producción de Cerveza
En cuanto a la expresión control de procesos industriales, ésta abarca, desde un punto de vista académico, la teoría de control básica de realimentación
y acción PID, la instrumentación de control (sensores, actuadores, dispositivos
electrónicos, etc.), la aplicación a procesos industriales (como, por ejemplo, la
mezcla de componentes en un reactor químico), las diversas arquitecturas de
control (centralizado, distribuido), las estructuras de control (feedback, feedforward, cascada, etc.) y la teoría de control avanzada (control predictivo, control
multivariable, etc.), por citar algunos de los aspectos más relevantes. Utilizando
algoritmos de control presentes en las industrias, cabe destacar el control secuencial y la regulación continua. El control secuencial propone estados (operaciones
a realizar para la transformación de la materia prima en producto) y transiciones (información relativa a sensores o elementos lógicos como temporizadores
o contadores) en una secuencia ordenada que identica la evolución dinámica
del proceso controlado. En la regulación continua, mediante la estructura de
control clásica feedback, se aborda la acción de control proporcional, la acción
de control derivativo o la acción de control integral, respecto al error (diferencia
entre la consigna y la medida de la variable de salida del proceso) para conseguir así una regulación adecuada de la variable (temperatura, caudal, nivel,
etc.). En relación a la instrumentación de control, el cual tiene la capacidad de
llevar a cabo el control secuencial, la regulación, la supervisión del proceso y el
control sobre todas las variables del proceso como tal, es el llamado autómata
programable PLC en conjunto con un ordenador industrial y los pertinentes
reguladores industriales (digitales y análogos).
Los reguladores industriales son dispositivos generados de forma clara para
la regulación continua de variables. Durante años, el regulador analógico tradicional ha sido el elemento capaz de controlar procesos en los que se requiere el
control de temperatura, el control de caudal, o el control de presión, todos ellos
ejemplos típicos de la ingeniería química. Con los avances en la electrónica digital y la informática industrial, los reguladores han pasado a ser controladores
digitales autónomos, polivalentes desde el punto de vista de que se adaptan a
un rango de tensiones y corrientes habituales en la automatización industrial,
por lo que un mismo controlador está condicionado para la regulación de diversas variables. Además, hoy en día disponen de bloques lógicos de programación
de forma que también pueden hacer frente al manejo de sistemas secuenciales.
Una arquitectura abierta de estos controladores facilita la implementación de
estructuras de control tipo cascada, o arquitectura de control distribuida mediante un bus de campo orientado al control de procesos, como por ejemplo el
bus MODBUS.
El ordenador aparece en el control de procesos industriales a mediados de la
década de los años cincuenta en la forma de control centralizado, una arquitectura en desuso hoy en día. Ya entonces el ordenador disponía de unas funciones,
que siguen estando muy presentes en las industrias actuales:
Monitorización
Vigilancia
Control
Supervisión
El ordenador es tan polivalente que puede utilizarse por sí mismo como elemento regulador de procesos sencillos, como por ejemplo mediante tarjeta de
adquisición de datos AD/DA, y con el software adecuado, se pueden regular la
temperatura y el nivel de un tanque en el que uye un cierto caudal de agua
entrante y saliente. Por otra parte, mediante la utilización del puerto de comunicaciones RS-232C, el ordenador puede conectarse físicamente al autómata
programable, al controlador digital autónomo, o al armario de control de un
robot manipulador industrial, y así ampliar las posibilidades de interacción entre estos elementos. Finalmente, y gracias al desarrollo de las comunicaciones
industriales, el ordenador puede formar parte de redes de ordenadores jerarquizados mediante la utilización de un bus de bajo nivel (bus AS-i), un bus
de campo (PROFIBUS, CAN, por ejemplo) o una red de área local (Ethernet
Industrial).[10, 11, 7]
Figura 2.4: Piramide de Automatización
2.1. Tipos de automatización
Relacionando las deniciones planteadas anteriormente se dice que existen 4
tipos de automatización en función del proceso de fabricacion, los cuales están
planteados de la siguiente forma:
2.1.1. Automatización ja
Consiste en una fabricación continua del mismo producto en grandes cantidades. Las restricciones que presentan los equipos de fabricación van a condicionar
la secuencia de producción. Este tipo de automatización presenta las siguientes
características: [7]
Está constituida por una secuencia sencilla de operaciones.
Requiere una gran inversión debido a la demanda de equipos muy especializados.
Posee unos elevados ritmos de producción.
No se adapta a variaciones de la demanda.
2.1.2. Automatización ja o programable
Realiza la fabricación de pocos productos en pequeñas cantidades y costes
bajos, permitiendo una fácil programación y la realización de diferentes tareas.
Está dotada de una gran exibilidad que da lugar a una gran cantidad de información que es manejada por el ordenador. Se aplica en sistemas de fabricación donde el equipo de producción está diseñado para realizar cambios en la
secuencia de operaciones según los diferentes productos. Es adecuada para la
fabricación por lotes y no permite realizar cambios en la conguración de los
productos. A continuación indicamos una serie de características que completan
la denición.
Existencia de un periodo previo para la fabricación de los distintos lotes.
Para realizar lotes de productos distintos, se introducen cambios en el
programa y en la disposición física de los elementos.
Se realiza una gran inversión en equipos de aplicación general como por
ejemplo las máquinas de control numérico.
Un ejemplo de este tipo de automatización son los plc (Controladores
lógicos programables) y los robots.
2.1.3. Automatización Flexible
Mirchandani, arma que la base de la automatización exible es la exibilidad de la maquinaria. Esta exibilidad está condicionada a una planicación de
la producción. La planicación consiste en una secuencia de decisiones donde se
ven involucrados varios procesos, entre los cuales destacan: secuencia de trabajo
de cada máquina, la rutina de los trabajos etc. Surge con el objetivo de subsanar
algunas de las deciencias presentadas por la automatización programable. Está
capacitada para producir cambios en los programas y en la relación existente
entre los elementos del sistema de fabricación. Un ejemplo de automatización
exible son las máquinas de control numérico.
2.1.4. Automatización integrada
Su objetivo es la integración dentro del sistema productivo de los distintos
tipos de automatización. Presenta las siguientes características:
Se reduce el tamaño de los lotes.
Existe una mayor diversicación del producto en muchos casos superior a
la automatización exible.
Permite agilizar los plazos de entrega del producto.
Su implantación está justicada en procesos de producción discretos y en
continuos. Por ejemplo tiene una gran implantación en industrias químicas.
2.2. Tecnologias de automatización
En la automatización industrial la idea principal es tener la posibilidad de
tener el control centralizado de los sistemas de la planta, esto con el n de tomar decisiones para cambiar características del proceso para causar una mayor
eciencia, corregir fallas, cambiar el modo de operación o intervenir si es necesario. La automatización nos da la posibilidad de llevar un seguimiento a todas
las variables que se tienen, con el n de tener un control y una observación al
comportamiento de las mismas, lo que concibe la posibilidad de ahorrar recursos
fundamentales (agua, luz, tiempo, etc).[7]
2.2.1. Tecnologías para la automatización
Las tecnologías utilizadas para el campo de la automatización se clasican
en 2 grandes grupos:
2.2.1.1. Tecnologías cableadas
Mecánicas
Neumáticas
Hidráulicas
Eléctricas
Electrónicas
2.2.1.2. Tecnologías Programadas o programables
Los automatismos cableados se realizan a base de uniones físicas de los elementos que constituyen la unidad de control. Estas uniones se establecen por la
experiencia del usuario o por la parte teórica, por ejemplo, en un automatismo
electrónico se pueden utilizar las ecuaciones lógicas o de Boole. Los circuitos de
los esquemas son aplicables a los dispositivos neumáticos, hidráulicos, eléctricos
o electrónicos.
Figura 2.5: Organización de las tecnologias de la Automatización
2.2.2. Denición de un proceso de producción
Un proceso de producción o fabricación es aquel que se reere a un conjunto
de fases y/o etapas organizadas, mediante las cuales se modican las características de los materiales utilizados como insumo, con el n de lograr un producto
especializado.
Recursos
Una gran cantidad de recursos toman participación en un proceso
de producción, estos deben organizarse y clasicarse de forma correcta para
lograr los resultados propuestos.
Los recursos utilizados son los siguientes:
Recursos Energéticos: Electricidad, mecánica.
Recursos Materiales: Materia prima, insumos, etc.
Recursos Tecnológicos: Maquinarias, herramientas, robots, etc.
Recursos Humanos: personal capacitado.
La OTA (Ocina Americana de Tecnología, 1984) propone que la fase de producción de una industria se centra en la adecuada elección de las maquinarias
para producir las piezas según los procesos que fueron propuestos en la parte del diseño, según esto la fase de producción se subdivide en los siguientes
subprocesos:
2.2.2.1. Producción
Manipulación del material
En cada parte del proceso de producción se va
ser necesario el uso de algún material para poder cumplir con las tareas pertinentes, por tal motivo se hace preciso que en las diversas estaciones de trabajo
que van a dividir los procesos en diferentes tipos de subprocesos se haga una
reducción de los costos para generar un aumento de productividad teniendo sistemas de transporte de material como montacargas, carretillas, robots, o cintas
transportadoras.
Fabricación Esta fase es la encargada de hacer la transformación de los
materiales mediante diferentes métodos. Los procesos más conocidos son:
Fundición
Moldeado
Laminación
Forja
Extrusión
Estirado
Mecanizado
Fresado
Taladrado
Electroerosión
En este parte del proceso una parte fundamental es el factor tiempo, ya que
esto puede incidir directamente en los costos de producción, por otro lado las
piezas tienen un papel muy importante, debido a que la complejidad de la misma
expondrá si la pieza puede ser producida en mayor o menor tiempo, dando lugar
a mayor o menos eciencia en el proceso.
Acabado
La nalización de un proceso de producción implica una fase de
revisión de las piezas fabricadas, esto se hace debido a que en la fabricación se
pueden producir imperfecciones, fallas o errores que deben ser eliminados. Para
prevenir que ocurran dichos incidentes se utilizan técnicas de control de calidad
para amplicar la eciencia de la línea de producción.
Después de terminada esta fase de producción, se procede a seguir con una
nueva fase llamada postproducción, en la cual sus características principales son
el ensamblaje y el control de calidad.
2.2.2.2. Postproducción
Ensamblaje En esta parte
del proceso se procede a hacer la unión de las
piezas fabricadas en la primera fase de la producción, esto con el n de crear
una nueva pieza superior o terminada, y así darle vía abierta a la fase del control
de calidad del producto.
Control de Calidad
Se hace importante crear unos estándares para establecer si los productos pueden ser enviados al mercado o deben permanecer en el
proceso para corregir algún tipo de error de fabricación además se debe tener en
cuenta que con el n de dar una mayor productividad y eciencia, es necesario
instaurar estándares de calidad altos.
2.2.3. Sistemas de Manufactura Flexible
En base a lo mencionado anteriormente las industrias proponen la búsqueda
de fabricación de productos de calidad con un bajo costo. Esta situación propone
un efecto de doble sentido o rebote el cual hace que se incrementen los precios y
se cree un desabastecimiento de material, debido a esto se propone una solución
que se plantea en la manufactura de la producción implementado nuevas técnicas. Estas técnicas que otorgan la posibilidad de mejorar la situación descrita
se entiende como sistemas de manufactura exible. Autos como Chen denen
un FMS (Flexible Manufacturing System) como una conguración controlada
por el ordenador, constituida por puestos de trabajo semi-independientes. Esta
técnica lleva incluido un sistema de manejo material diseñado para fabricar de
forma eciente entre bajos y altos volúmenes más de un tipo de pieza. [12, 7]
Los componentes principales de un sistema FMS son:
Una Máquina herramienta Estándar de control numérico.
Una red de transporte para mover piezas y herramientas entre las máquinas y las estaciones jas.
Un sistema de control que coordina las maquinas herramientas, las piezas
de trabajo y las partes móviles de los elementos.
En la mayor parte de instalaciones FMS, la materia prima entra a la cadena
como piezas de trabajo o piezas sin tratar. Estas piezas se almacenan en un pallet
para posteriormente ser cargadas en una estación de trabajo y ubicadas en zonas
diferentes de las máquinas herramienta. Las piezas y el pallet son transportados
mediante el sistema de manejo material al sistema de colas de las máquinas de
producción. El ujo de piezas en el sistema es dirigido directamente mediante
el PC, que actúa como coordinador del tráco.
A continuación se mostrara una tabla donde se exponen las ventajas y benecios que nos trae la implementación de un sistema FMS.
Cuadro 2.1: Ventajas de los sistemas FMS
Criterio
Benecios potenciales por
operación
Productividad
Bajo Costo de las piezas y costo mas
bajo que en las líneas de transferencia
Amplía la capacidad de la maquinaria
Reducción para un menor costo
Menor costo de inventario
Reducción del tiempo de trabajo de la
máquina
Reducido para mas salidas.
Mejor control del capital
Reducido para menos y mejorados
procesos
Reducido para menos costes inversión
Reducción de los costes de revisión
Reducción de costes en garantía etc
Sistemas
Equipo
Labor de dirección
Work in process
Utilización del equipo
Flexibilidad Operacional
Calidad
Medidas Preventivas
Evaluación Medidas
Fallos Internos
El control de los sistemas es dirigido por un ordenador y como consecuencia
de esto se establecen 2 tipos de sistemas de manufactura exible:
2.2.3.1. Sistemas de movimiento de piezas
En este sistema las instrucciones van dirigidas a las maquinas, y herramientas que se van a utilizar son cargadas al programa de herramientas. Dependiendo
del uso las herramientas serán movidas entre las máquinas y se hará una planicación de las rutas de las piezas que es planicada previamente. Una vez la
herramienta es cargada en el programa no se cambia a no ser que se produzca
una rotura/falla.
2.2.3.2. Sistemas de movimiento de herramientas
Las piezas sólo son tratadas por una máquina para ser procesadas. Una
vez situadas las piezas en la máquina no sufren ningún desplazamiento sino
que es la máquina la que se va moviendo con un cierto movimiento relativo con
respecto a las piezas. Puede darse el caso que algunas herramientas tenga que ser
prestadas de una maquina a otra o traídas desde la zona de almacén. En cambio,
existe la posibilidad que las herramientas no estén disponibles para las piezas
a la que están asignadas. El tiempo es una de las variables más importantes
que existen en los sistemas de manufactura. El sistema tiene un retardo de la
herramienta debido a los desplazamientos entre todas las máquinas. El tiempo
de espera de la herramienta representa la mayor parte del tiempo de retraso
de la herramienta. El tiempo de espera de ésta puede estar afectado por la
disponibilidad de la herramienta, y su número. El número de herramientas recibe
el nombre de conguración de copia de herramienta. La determinación de esta
conguración se dene como planicación del problema de requerimientos de
herramienta.
2.3. Celdas de Trabajo
Las celdas de trabajo se crean con el objetivo de conseguir una especialización y mayor eciencia de la cadena de producción, en otras palabras la celda de
trabajo es una unidad de maquinaria que coopera en el taller realizando externamente y de forma autónoma operaciones del proceso de producción. La celda
está constituida por dispositivos de automatización como: [13, 7]
Robots
Máquinas
Sistemas de Transporte
Dentro de una celda de trabajo se realizan tres actividades o procesos básicos:
Identicación del producto:
Se inicia cada vez que un producto nuevo
llega a la celda de trabajo. Esta función permite la organización del sistema en
diferentes productos.
Logística interna:
Las actividades de la logística interna son el transporte
y el almacenamiento de productos y piezas dentro de la celda de trabajo. Esta
actividad es controlada por el PLC (controlador lógico programable) el cual
está conectado al controlador de celda con el objetivo de permitir el ujo de
información.
Proceso de producción:
La realización de los productos, en muchos casos suele ser descentralizado del proceso de producción. La maquinaria que se
utiliza en estos casos se compone de robots cuya característica principal es su
exibilidad.
Modelado de una Celda de Trabajo
A continuación se muestra en la gura
el modelo de una celda de trabajo escalonada en sus capas.
Figura 2.6: Modelo de una celda de trabajo
De acuerdo a la gura los controladores de dispositivos son conectados al
controlador de forma vertical mediante el uso de un dispositivo de ujo especico, lo que nos dice que este controlador no se puede comunicar con otros
controladores situados en la misma capa, lo cual hace que la celda de trabajo
maneje el proceso mediante la coordinación de los dispositivos en la capa de
función.
Existen 2 tipos de celdas de trabajo:
New Automation En este tipo de celdas de trabajo, el hardware de automatización y la maquinaria del proceso de producción son incluidos dentro del
proceso de automatización.
Existing production cells La nalidad de este tipo de celdas es mejorar el
proceso de producción mediante la integración de la maquinaria actual con el
nuevo hardware y software de automatización.
2.4. Tipos de Tecnologías de Automatización
Existen varias metodologías que permiten el diseño, planicación y control
de procesos. La primera de las tecnologías aplicadas es CAD (Computer Aided
Design), la cual permite producir un diseño aproximado de la pieza real en un
software de simulación en 3D. Teniendo la pieza hecha con las medidas y las
dimensiones correctas soporta una serie de pruebas en simulación mediante las
tecnologías CAE (Computer Aided Enginering). Finalmente mediante la metodología CIM (Computer Integrated Manufacturing) hace posible una gestión y
planicación de la creación de la pieza.[7]
2.4.1. CAD
El Diseño y la fabricación asistidos por ordenador (CAD/CAM) es una disciplina que estudia el uso de sistemas informáticos como herramienta de soporte
en todos los procesos involucrados en el diseño y la fabricación de cualquier
tipo de producto. Esta disciplina se ha convertido en un requisito indispensable
para la industria actual que se enfrenta a la necesidad de mejorar la calidad,
disminuir los costes y acortar los tiempos de diseño y producción. El desarrollo
de nuevas tecnologías ha impulsado y dado lugar a la aparición de desarrollos
como el de la fabricación integrada por ordenador como acople al gran campo de la automatización industrial. CAD es el acrónimo de `Computer Aided
Design' o diseño asistido por computador. Se trata de la tecnología implicada
en el uso de ordenadores para realizar tareas de creación, modicación, análisis
y optimización de un diseño. De esta forma, cualquier aplicación que incluya
una interfaz gráca y realice alguna tarea de ingeniería se considera software de
CAD. Por lo tanto el objetivo principal del CAD es buscar la denición de la
geometría de una pieza y está compuesto por:
Modelado geométrico Consiste en un conjunto de técnicas cuyo objetivo
es la representación de entidades geométricas. Técnicas de visualización
Son los elementos esenciales para la generación de las imágenes del modelo.
ˆ
Técnicas de interacción gráca Constituyen el elemento soporte para la
entrada de la información geométrica en el sistema
Interfaz de usuario Permite la interacción con el elemento de diseño.
Base de datos Es el elemento encargado de almacenar toda la información
generada por el modelo. Entre los datos más destacados que almacena son
los datos de diseño sobre la pieza, los resultados de los análisis que se
realicen.
Métodos numéricos Forman la base para los métodos de cálculo utilizado
en los sistemas CAD.
Elementos de fabricación Está constituido por todo el conjunto de maquinaria destinada a los procesos de fabricación.
Elementos de comunicación Es necesaria la implementación de un conjunto
de dispositivos que permitan la comunicación entre diversos sistemas con
tecnología CAD
2.4.2. CAM
El término CAM se puede denir como el uso de sistemas informáticos para
la planicación, gestión y control de las operaciones de una planta de fabricación mediante una interfaz directa o indirecta entre el sistema informático
y los recursos de producción. Así las aplicaciones del CAM se dividen en dos
categorías:
Interfaz Directa
Está constituida por aplicaciones en las cuales el PC se
conecta directamente al proceso de producción con el objetivo de realizar tareas
de supervisión y control.
Supervisión: Implica un ujo de datos del proceso de producción al computador con el propósito de observar el proceso y los recursos asociados y
recoger datos.
Control: supone un paso más allá que la supervisión, ya que no solo se
observa el proceso, sino que se ejerce un control basándose en dichas observaciones.
Interfaz indirecta
Se trata de aplicaciones en las que el ordenador se utiliza
como herramienta de ayuda para la fabricación, pero en las que no existe una
conexión directa con el proceso de producción.
Otra función signicativa del CAM es la programación de robots que operan
normalmente en células de fabricación seleccionando y posicionando herramientas y piezas para las máquinas de control numérico. Estos robots también pueden
realizar tareas individuales tales como soldadura, pintura o transporte de equipos y piezas dentro del taller. La planicación de procesos es la tarea clave en
para conseguir la automatización deseada, sirviendo de unión entre los procesos
de CAD y CAM. El plan de procesos determina de forma detallada la secuencia
de pasos de producción requeridos para fabricar y ensamblar, desde el inicio a
la nalización del proceso de producción. Aunque la generación automática de
planes de producción es una tarea compleja, el uso de la Tecnología de Grupos
supone una gran ayuda, ya que permite generar nuevos planes a partir de los
planes existentes para piezas similares. Las piezas se organizan en familias y
cada nueva pieza se clasica dentro de una familia, según las características o
los elementos que la componen.
2.4.3. CAE
La Ingeniería Asistida por Ordenador (Computer Aided Engineering o CAE)
es la tecnología que se ocupa del uso de sistemas informáticos para analizar la
geometría generada por las aplicaciones de CAD, permitiendo al diseñador simular y estudiar el comportamiento del producto para renar y optimizar dicho
diseño. Los programas de cinemática, por ejemplo, pueden usarse para determinar trayectorias de movimiento y velocidades de ensamblado de mecanismos. Los
programas de análisis dinámico de grandes desplazamientos se usan para determinar cargas y desplazamientos en productos complejos como los automóviles.
Las aplicaciones de temporización lógica y vericación simulan el comportamiento de circuitos electrónicos complejos.
Uno de los métodos más conocidos en la ingeniería es el método de análisis
para elementos nitos o FEM (Finite Element Method), el cual se utiliza para
determinar tensiones, deformaciones, transmisión de calor, campos magnéticos,
ujo de uidos, etc. Este método está basado por un modelo de elementos interconectados que dividen el problema en elementos manejables para el computador. Existen también numerosas herramientas para la optimización de diseños.
Se están realizando investigaciones para determinar automáticamente la forma
de un diseño, integrando el análisis y la optimización. Para ello se asume que el
diseño tiene una forma inicial simple a partir de la cual el procedimiento de optimización calcula los valores óptimos de ciertos parámetros para satisfacer un
cierto criterio al mismo tiempo que se cumplen unas restricciones, obteniéndose
la forma óptima con dicho parámetros.
Las características más importantes que pueden denir a los sistemas CAE
son:
Desarrollo del modelo, denición e integración de los subsistemas, gestión
de las librerías de modelos de los subsistemas.
Análisis de datos, gestión del modelo y construcción a partir de los datos.
Identicación del sistema
Simulación
Diseño de Control y procesamiento de señal
Optimización
Así pues, CAD, CAM y CAE son tecnologías que tratan de automatizar ciertas
tareas del ciclo de producto y hacerlas más ecientes. Dado que se han desarrollado de forma separada, aun no se han conseguido todos los benecios potenciales de integrar las actividades de diseño y fabricación del ciclo de producto.
Para solucionar este problema ha aparecido una nueva tecnología: la fabricación
integrada por ordenador o CIM (de Computer Integrated Manufacturing).
2.4.4. CIM-CEM
CIM (Manufactura integrada por ordenador). Esta técnica es considerada como la herramienta que permite al resto de las tecnologías CAD (Dibujo Asistido
por Computador) integrarse en el sistema de producción. Es posible denirla como una tecnología que se encarga de unir las islas de la automatización para
que trabajen en forma conjunta, con el CIM se logra tener una base de datos
la cual recopila toda la información suministrada por el resto de islas, y por
consiguiente permite una gestión de todas las actividades de la empresa.
Figura 2.7: Cuadro de relacion entre las islas de la Automatización
La implementación de la losofía CIM contiene los siguientes pasos:
Inicialización del proyecto: Se establece la organización del proyecto y
todas las metodologías que se van a utilizar. El personal es asignado a cada
una de las partes del proyecto. El plan forma la base para la asignación
de los recursos del proyecto.
Desarrollo del modelo económico de la compañía.
`As-is' análisis. Se realiza un análisis del medio en el que trabaja y se
desenvuelve la empresa.
Necesidades de Análisis. El análisis está dirigido a identicar las funciones
de negocio que pueden ser más beneciosas para las nuevas tecnologías.
El análisis da una imagen de las futuras necesidades de la empresa.
Selección y evaluación de las mejoras de tecnología. Se estudia que nuevas
tecnologías se pueden implantar en la empresa para ayudar a conseguir
los objetivos marcados.
Plan Maestro. Una vez se ha producido la selección del material necesario
para llevar la ejecución del proyecto, se presenta a la gestión. Si la gestión
aprueba el plan se deben planicar 3 objetivos:
1. Las primeras acciones que se llevarán a cabo en la automatización
2. Qué automatizar y cómo automatizar
3. Qué integrar y como integrar
Implementación del Plan. Las tecnologías seleccionadas para la ejecución
del plan deben llevar una planicación y una implementación asociada.
Relación Benecios/Costes. Realizar un estudio concienzudo de los costes
y benecios de la realización del proyecto.
Por consiguiente, la implementación del esquema CIM genera en las empresas
cuatro niveles de integración:
1. Comunicación: Este nivel requiere una estructura completa de datos sobre
las comunicaciones entre los distintos ordenadores.
2. Gestión de los intercambios. Los intercambios de información entre las
aplicaciones deben realizarse dentro de una serie de restricciones del sistema.
3. Datos. Este nivel requiere la creación de una base de datos CIM (Manufactura Integrada por computador).En esta base se denen que elementos
se necesitan y cuál es su relación con el resto.
4. Interfaz de usuario. Es necesario que todas las islas de automatización
posean la misma interfaz de usuario
Niveles de Jerarquía de un CIM
Nivel de controlador de planta
Es el más alto nivel de la jerarquía de
control, es representado por la(s) computadora(s) central(es) (mainframes) de la
planta que realiza las funciones corporativas como: administración de recursos
y planeación general de la planta.
Nivel de controlador de área
Es representado por las computadoras (minicomputadoras) de control de las operaciones de la producción. Es responsable
de la coordinación y programación de las actividades de las celdas de manufactura, así como de la entrada y salida de material. Conectada a las computadoras
centrales se encuentra(n) la(s) computador(as) de análisis y diseño de ingeniería
donde se realizan tareas como diseño del producto, análisis y prueba. Adicionalmente, este nivel realiza funciones de planeación asistida por computadora
(CAP, por sus siglas en inglés), diseño asistido por computadora (CAD, por sus
siglas en inglés) y planeación de requerimientos de materiales (MRP, por sus
siglas en inglés).
Nivel de controlador de celda
La función de este nivel implica la programación de las órdenes de manufactura y coordinación de todas las actividades
dentro de una celda integrada de manufactura. Es representado por las computadoras (minicomputadoras, PCs y/o estaciones de trabajo). En general, realiza
la secuencia y control de los controladores de equipo.
Nivel de controlador de procesos o nivel de controlador de estación de
trabajo Incluye los controladores de equipo, los cuales permiten automatizar
el funcionamiento de las máquinas. Entre estos se encuentran los controladores
de robots (RCs), controles lógicos programables (PLCs), CNCs, y microcomputadores, los cuales habilitan a las máquinas a comunicarse con los demás
(incluso en el mismo nivel) niveles jerárquicos
Nivel de equipo
Es el más bajo nivel de la jerarquía, está representado por
los dispositivos que ejecutan los comandos de control del nivel próximo superior. Estos dispositivos son los actuadores, relevadores, manejadores, switches y
válvulas que se encuentra directamente sobre el equipo de producción. De una
manera más general se considera a la maquinaria y equipo de producción como
representativos de este nivel.
Figura 2.8: Explicacion graca de los niveles de un Sistema CIM
2.4.5. PLC
En 1969 la División Hydramatic de la General Motors instaló el primer PLC
para reemplazar los sistemas inexibles cableados usados entonces en sus líneas
de producción. Ya en 1971, los PLCs se extendían a otras industrias y, en los
ochentas, ya los componentes electrónicos permitieron un conjunto de operaciones en 16 bits, comparados con los 4 de los 70s, en un pequeño volumen, lo que
los popularizó en todo el mundo. En los 90s, aparecieron los microprocesadores
de 32 bits con posibilidad de operaciones matemáticas complejas, y de comuni-
caciones entre PLCs de diferentes marcas y PCs, los que abrieron la posibilidad
de fábricas completamente automatizadas y con comunicación a la Gerencia en
"tiempo real".
La denición del Controlador Lógico Programable (PLC) es que es un dispositivo de estado sólido, diseñado para controlar procesos secuenciales (una etapa
después de la otra) que se ejecutan en un ambiente industrial. Es decir, que van
asociados a la maquinaria que desarrolla procesos de producción y controlan su
trabajo. Como se puede deducir de la denición, el PLC es un sistema, porque
contiene todo lo necesario para operar, y es industrial, por tener todos los registros necesarios para operar en los ambientes hostiles que se encuentran en la
industria. [14, 15]
Un autómata programable suele emplearse en procesos industriales que tengan una o varias de las siguientes necesidad es: Espacio reducido. Procesos de
producción periódicamente cambiantes. Procesos secuenciales. Maquinaria de
procesos variables. Instalaciones de procesos complejos y amplios. Chequeo de
programación centralizada de las partes del proceso.
Aplicaciones generales:
Maniobra de máquinas.
Maniobra de instalaciones.
Señalización y control.
Ventajas:
Menor tiempo de elaboración de proyectos.
Posibilidad de añadir modicaciones sin costo añadido en otros componentes.
Mínimo espacio de ocupación.
Menor costo de mano de obra.
Mantenimiento económico.
Posibilidad de gobernar varias máquinas con el mismo autómata.
Menor tiempo de puesta en funcionamiento.
Si el autómata queda pequeño para el proceso industrial puede seguir
siendo de utilidad en otras máquinas o sistemas de producción
Un PLC o Autómata Programable posee las herramientas necesarias, tanto de
software como de hardware, para controlar dispositivos externos, recibir señales
de sensores y tomar decisiones de acuerdo a un programa que el usuario elabore
según el esquema del proceso a controlar.
Figura 2.9: Diagrama de Flujo del funcionamiento del PLC en un entorno Industrial
Arquitectura de un autómata programable
CPU
Bloque de entrada
Bloque de salida
Figura 2.10: Diagrama de la Arquitectura de un PLC
2.4.5.1. Clasicación de los PLC
Debido a la gran variedad de tipos distintos de PLC, tanto en sus funciones,
en su capacidad, en el número de I/O, en su tamaño de memoria, en su aspecto
físico y otros, es que es posible clasicar los distintos tipos en varias categorías.
[14, 15]
PLC tipo Nano:
Generalmente PLC de tipo compacto (Fuente, CPU e I/O
integradas) que puede manejar un conjunto reducido de I/O, generalmente en un
número inferior a 100. Permiten manejar entradas y salidas digitales y algunos
módulos especiales.
PLC tipo Compactos:
Estos PLC tienen incorporado la Fuente de Alimentación, su CPU y módulos de I/O en un solo módulo principal y permiten
manejar desde unas pocas I/O hasta varios cientos ( alrededor de 500 I/O ) , su
tamaño es superior a los Nano PLC y soportan una gran variedad de módulos
especiales, tales como:
Entradas y salidas análogas
Módulos contadores rápidos
Módulos de comunicaciones
Interfaces de operador
Expansiones de i/o
PLC tipo Modular:
Estos PLC se componen de un conjunto de elementos
que conforman el controlador nal, estos son:
Rack
Fuente de Alimentación
CPU
Módulos de I/O
Comunicaciones.
Contaje rápido.
Bloques necesarios para el funcionamiento del PLC
Fuente de alimentación
Consola de programación
Periféricos
Interfaces
Figura 2.11: Bloques de un PLC
2.4.6. Sensores
Un sensor es un dispositivo eléctrico y/o mecánico que convierte magnitudes
físicas (luz, magnetismo, presión, etc.) en valores medibles de dicha magnitud.
Esto se realiza en tres fases:
Un fenómeno físico a ser medido es captado por un sensor, y muestra en
su salida una señal eléctrica dependiente del valor de la variable física.
La señal eléctrica es modicada por un sistema de acondicionamiento de
señal, cuya salida es un voltaje.
El sensor dispone de una circuitería que transforma y/o amplica la tensión de salida, la cual pasa a un conversor A/D, conectado a un PC. El
convertidor A/D transforma la señal de tensión continua en una señal
discreta.
Para conseguir que el robot realice su tarea con la adecuada precisión es preciso
que tenga conocimiento tanto de su propio estado como del estado de su entorno.
Dos tipos de sensores:
Sensores internos:
sensores integrados en la propia estructura mecánica
del robot, que dan información del estado del robot: fundamentalmente de la
posición, velocidad y aceleración de las articulaciones.
Sensores externos:
Dan información del entorno del robot: alcance, proximidad, contacto, fuerza, etc. Se utilizan para guiado de robots, para identicación
y manipulación de objetos.
Descriptores Estáticos de un sensor
Los descriptores estáticos denen el
comportamiento en régimen permanente del sensor:
Rango: valores máximos y mínimos para las variables de entrada y salida
de un sensor.
Exactitud: la desviación de la lectura de un sistema de medida respecto a
una entrada conocida. El mayor error esperado entre las señales medida e
ideal.
Repetitividad: la capacidad de reproducir una lectura con una precisión
dada.
Reproducibilidad: tiene el mismo sentido que la repetitividad excepto que
se utiliza cuando se toman medidas distintas bajo condiciones diferentes.
Resolución: la cantidad de medida más pequeña que se pueda detectar.
Error: es la diferencia entre el valor medido y el valor real.
No linealidades: la desviación de la medida de su valor real, supuesto que
la respuesta del sensor es lineal. No-linealidades típicas: saturación, zona
muerta e histéresis.
Sensibilidad: es la razón de cambio de la salida frente a cambios en la
entrada: s=∂ V/∂ x.
Excitación: es la cantidad de corriente o voltaje requerida para el funcionamiento del sensor.
Estabilidad: es una medida de la posibilidad de un sensor de mostrar la
misma salida en un rango en que la entrada permanece constante.
Ruido
Clasicación y denición sobre los grandes grupos de sensores que
existen
Sensores de desplazamiento y proximidad Los sensores de desplazamiento permiten medir la distancia o ángulo que un determinado componente se mueve con respecto a una posición. Los sensores de proximidad permiten determinar
tanto la presencia como la proximidad de un objeto situado a una distancia máxima. Entre los más utilizados destacan los potenciómetros, los capacitivos y los
resistivos.
Sensores de velocidad Permiten determinar la velocidad con la que se mueve un objeto o con la que gira una determinada articulación. Los más utilizados
son los taco-generadores.
Sensores de fuerza
La mayoría de las aplicaciones de este sensor están destinadas a la robótica especialmente para determinar la fuerza con la que interactúa
el extremo de un robot al coger un objeto. Los más utilizados son los sensores
piezoeléctricos.
Sensores de aceleración
Tiene una gran implantación dentro del campo
de la robótica. Puede suponerse el caso de que un brazo robot transporta una
determinada carga con una pinza en su extremo. A lo largo de su trayectoria
el objeto transportado sufrirá sucesivas aceleraciones, lo que conllevará unos
cambios de fuerza. El ejemplo más importante de este tipo de sensor son los
acelerómetros, que se basan en la utilización de componentes piezoeléctricos.
Estos materiales genera una pequeña cantidad de energía eléctrica cuando son
deformados.
Sensores de luz
Permiten medir la presencia de luz utilizando las células
fotoeléctricas. Existen muchas aplicaciones en las que se encargan de medir la
intensidad de luz incidente de manera que algunos de estos dispositivos tiene
la posibilidad de enfocarse y orientarse para facilitar su colocación. El ejemplo
más importante de esta clase son los sensores infrarrojos.
Sensores neumáticos
Se utilizan comúnmente para la detección de desplazamiento y proximidad sin contacto, utilizando para ello instalaciones de aire
comprimido. Su funcionamiento se basa en la presencia o no de objetos en el
camino realizado por el aire comprimido. La ausencia de objetos provoca que
no exista un aumento de la presión. Este tipo de sensores no son sensibles a
señales electromagnéticas, lo que les hace robustos ante interferencias de ruidos
externos de este tipo.
Sensores táctiles
Este tipo de sensores permiten detectar la presión que
ejerce un dedo sobre la supercie táctil, en muchos casos se utilizan para la
construcción de manos mecánicas. En robótica son muy útiles para detectar el
contacto de la mano con un objeto.
Sensores ópticos
Los más importantes son las cámaras de vídeo. Estos elementos se encargan de captar la información luminosa procedente de la escena
y transformarla en una señal digital o analógica que conforman una imagen digital. Las cámaras de video llevan incorporadas dos tipos de sensores ópticos.
Los dispositivos de acoplamiento de carga (CCD) y los de inyección de carga
(CID).
Un sensor como dispositivo posee un parámetro dependiente de una variable
física, la cual es convertida en otra variable, que se llama transductor.
Figura 2.12: Esquema de un Sensor
2.4.7. Actuadores
Un actuador es un dispositivo cuya función es proporcionar fuerza para mover o actuar otro dispositivo mecánico. La fuerza que provoca el actuador
proviene de tres fuentes posibles: Presión neumática, presión hidráulica, y fuerza motriz eléctrica (motor eléctrico o solenoide). Dependiendo del origen de la
fuerza el actuador se denomina neumático, hidráulico o eléctrico.
2.4.7.1. Tipos de Actuadores
Actuadores Neumáticos e Hidráulicos
La mayoría de sus aplicaciones
van enfocadas a las industrias, gracias a su robustez y facilidad de control. Se
destacan por establecer o cortar la conexión hidráulica o neumática entre dos
o más conductos, también se encargan de regular la presión o caudal de los
circuitos hidráulicos.
Actuadores Térmicos
El movimiento se realiza utilizando la energía producida en el proceso de explosión.
Actuadores Eléctricos
Permiten la conexión o desconexión de un circuito
eléctrico de potencia al producir la excitación de una bobina de mando.
2.4.8. Redes Industriales
Los sensores y actuadores son los encargados de captar la información que
es transmitida a los PLC's mediante las redes industriales.
Figura 2.13: Esquema de Bus de Campo
Los dispositivos que componen la planta se comunican mediante buses de
campo.
2.4.9. Buses de Campo
Los buses de campo se usan principalmente como un sistema de comunicación
entre los sistemas de automatización y los dispositivos de campo y su objetivo es
la substitución del cableado entre sensores-actuadores y los elementos de control
asociados. Se encargan de gestionar mensajes cortos de forma eciente, además
de poseer la capacidad de manejar tráco de eventos discretos. Los buses de
campo más conocidos son ASI y probus.
Ventajas
Permiten una comunicación más rápida
Existe la posibilidad de conectar dispositivos muy variados como por ejemplo distintos tipos de PLC
Una reducción del cableado y de las distancias de los dispositivos
Desventajas
Los costes iniciales suelen ser bastante elevados.
La necesidad de formación en conocimientos superiores.
2.4.9.1. Redes ASI
Sistema de transmisión de datos y órdenes para sensores y actuadores. Este
tipo de redes está constituido como el nivel más bajo de los buses de campo,
el cual transmite información a los niveles superiores. El principio de funcionamiento de esta red está basado en la técnica de sondeo con un maestro y varios
dispositivos esclavo, con una capacidad de manejar 31 esclavos con lo que cada
uno de los 31 esclavos cuenta con 4 (I/O) digitales.
2.4.9.2. Probus
Este tipo de redes permite la interconexión en red de autómatas, provee la
capacidad de establecer distintas jerarquías maestro-esclavo, y permite tener
supervisión de procesos, lo cual genera que el nivel de automatización dependa
de la cantidad de información y dispositivos que se maneje en la red.
Figura 2.14: Esquema de una Red Industrial Probus
Tipos de Redes Probus
Probus-DP (Periphery Decentraliced): Permite la comunicación entre dispositivos de campo o entrada y salida con los controladores del sistema.
Disponen de una alta velocidad de transmisión de datos y adoptan la
normativa de modelo ISO/OSI. Un sistema probus DP puede constar de:
1. Maestro DP (Clase 1): Un equipo de esta clase se encarga de la
tramitación de la tarea de control.
2. Maestro DP (Clase 2): Se trata de una unidad de programación,
diagnóstico y gestión encargada de ejecutar funciones de diagnóstico
y servicio técnico.
3. Esclavos DP: Se trata de un equipo en el nivel de campo a través del
cual se leen señales de proceso o se emiten señales del mismo.
Probus-FMS (Field MessageEspecication): Esta red permite la comunicación de los distintos elementos que componen el nivel de celda y se aplica
en procesos de manufactura debido a la exibilidad y el amplio rango de
aplicaciones. Está compuesto por capas:
1. La capa de aplicación: permite la comunicación entre los objetos y
los servicios.
2. La capa de interface baja: sirve como medio de comunicación entre
los servicios y la capa de aplicación y la información perteneciente a
la capa de datos.
3. La capa siete de responsabilidad del bus de campo.
Probus-PA (Process Automation): Se modelan los aparatos de campo
como bloques y cada uno contiene la información del dispositivo. Los bloques se relacionan entre sí mediante una serie de interfaces y funciones
que representan la automatización.
2.4.9.3. Device Net
Este tipo de redes según la pirámide esta red está incluida dentro del nivel de
planta y en algunos casos en el nivel de entrada y salida. Esta red fue desarrollada
por la empresa Allen-Bradley y sus principales características son:
El sistema de transmisión está basado en un modelo productor/consumidor,
como consecuencia es posible implementar el modelo maestro/ esclavo, que
implica la transmisión de mensajes mediante diferentes métodos tales como sondeo, envío cíclico.
El tamaño máximo de mensajes es de 8 bytes para cada nodo al igual que
con las redes CAN.
Requiere terminación de línea con impedancia de 120 Ohmios, empleando
pares trenzados.
Estas redes presentan un bajo coste y son abiertas a la comunicación con
un control de los dispositivos mediante un byte de nivel.
Las funciones principales de este tipo de red son:
Asignación de identicación CAN (Control Area Network), estableciendo
niveles de prioridad y permitiendo que cada nodo reconozco los mensajes
que están destinados a él.
Control del tipo de mensajes a transmitir
Detección de direcciones duplicadas, para ello previo a su puesta en marcha
se debe realizar un chequeo de la red.
Figura 2.15: Esquema de una Red DeviceNet
2.4.9.4. Compobus
Su funcionamiento se basa en una unidad maestra donde se seleccionan los
números de nodos de los terminales esclavos y se cablean, esta red tiene como
particularidad que se puede utilizar el mismo cable para llevar el par de comunicación y el de alimentación de los terminales. El sistema comienza a funcionar
al recibir tensión y las E/S se mapean en la memoria del PLC similares a la
conexión de forma local y con un tiempo de actualización, que puede llegar a
0.5 ms, en caso de que fuera necesario realizar un cambio o actualización de un
terminal, no sería necesario quitar la alimentación del resto del sistema.
2.4.10. Buses orientados a dispositivos
Este tipo de dispositivos son buses de campo, orientados a otras aplicaciones,
sus características principales vienen dadas por:
Eciencia en la transmisión de datos.
Eciencia en el diseño e implementación del protocolo.
Trabajan con 3 de las siete capas del modelo OSI; las capas físicas, la capa
de aplicación y la capa de enlace.
La capa física debe ser robusta, proporcionar la máxima inmunidad al
ruido electromagnético y seguridad intrínseca en áreas peligrosas.
La capa de enlace debe cubrir sus funciones asegurando las características
de funcionamiento de la forma más simple.
La capa de aplicación es indispensable si se desea disponer de sistemas
abiertos.
2.4.10.1. CAN BUS
Este tipo de protocolo es un estándar que viene descrito en el ISO11898,
creado por Bosch para simplicar el cableado de los automóviles. La mayor
cantidad de aplicaciones están en este sector y se asocian a elementos instalados
en el motor y en el resto del vehículo. Las principales características de este tipo
de bus son:
Permite un acceso al bus por prioridades mediante la técnica CSMA/CR
(Carrier Sense Multiple Access/Collision Resolution).
CAN no utiliza direcciones físicas para el nodo, dado que todos los nodos
reciben todo los mensajes. Cada nodo se encarga de decidir si el mensaje
va dirigido a él o no.
Se necesita un protocolo para capas superiores capaz de realizar la conexión por CAN, ya que este red solo constituye un dispositivo a bajo nivel.
Esto da lugar a la aparición de CANopen, Devicenet y SDS.[7]
2.4.10.2. LONWorks
Este tipo de dispositivos hacen referencia a un tipo de protocolo llamado
LONTalk, cuyo objetivo es la comunicación inteligente entre los dispositivos de
la red. Se dene como una red de control en contraposición a las anteriores
que son consideradas redes de datos lo que produce que este tipo de redes están
orientadas a la transmisión de pocos datos, pero de modo seguro y con un tiempo
restringido.
La comunicación entre los nodos se realiza mediante control distribuido.
Cada uno de los nodos la red disponen de las siguientes direcciones:
La dirección física que es el identicador único llamado Neuron ID, el cual
se asigna en su fabricación y no es posible modicar.
Dirección del dispositivo, la cual se asigna en la instalación de la red.
Dirección de grupo, está basada en la denición de un conjunto de nodos
independientemente de su situación física.
Dirección de difusión, es la que permite la identicación de todos los nodos
que pueden recibir el mensajero.
Las ventajas que podemos encontrar en este tipo de red de control esta que
ha logrado producir grandes avances dentro del campo de los edicios automatizados, esta red también permite la integración de las líneas eléctricas, de
comunicación, datos, al estilo de un sistema de control abierto en los edicios
automatizados. El sistema de comunicación maestro-maestro que utilizan estos
sistemas, junto con la concepción de sistema distribuido e inteligente, permite
estar un paso por delante de los sistemas industriales actuales, y algo bastante
importante para esta época del siglo XXI es que permite el control mediante
Internet o por intranet.[7]
Capítulo 3
REDES DE PETRI
3.1. Proceso
Para el proyecto se procedió a escoger un proceso industrial el cual integrara
todos los aspectos que se deben tener cuenta para hacer el diseño y la implementación del algoritmo de control, el cual tiene que estar basado en la robótica
colaborativa. El proceso trata del ensamble de un automóvil, el cual empieza
con un chasis montado sobre una banda transportadora la cual lo mueve por 2
estaciones; en la primera estación se colocan las puertas traseras y delanteras,
tanto de la parte izquierda como de la derecha del automóvil, seguido a esto,
en la segunda estación se coloca el baúl al automóvil, y a continuación el carro
retrocede a la primera estación para poner el capo. Se debe tener en cuenta que
para este proceso los 2 manipuladores trabajan de forma simultánea y que la
comunicación entre ellos es constante, el modo de trabajo va regido para la regla
de maestro-esclavo, el algoritmo de control que está implantado en el sistema se
fundamentó en la teoría de las Redes de Petri, el cual fue simulado y probado
para este proceso en particular. Además de esto el proceso fue escogido así por
que permite que en futuras investigaciones se hagan avances en el desarrollo de
técnicas de coordinación y de este modo poder mejorar la calidad del producto
y los benecios de costo al momento de la producción de los automóviles.
3.2. Denición
Una red de Petri es un grafo orientado con dos tipos de nodos: lugares (representados mediante circunferencias) y transiciones (representadas por segmentos
rectos verticales). Los lugares y las transiciones se unen mediante arcos o echas.1
1 Presentacion de Redes de Petri y Automatizacion Industrial desarrollada por la Universidad de Huelva y su Dpto. de Ingenieria Electrónica, de Sistemas Informáticos y Automática.
[16]
53
Otra denición también funcional de las redes de Petri aplicada a la modelación funcional de sistemas concurrentes es que las redes de Petri son una
herramienta matemática que puede servir para modelar comportamientos de sistemas de naturaleza muy diferente. En particular, una red de Petri es un grafo
orientado en el que interviene dos clases de nudos, los lugares y las transiciones,
unidos alternativamente por arcos. Un arco une un lugar con una transición o
viceversa, pero nunca dos transiciones o dos lugares. Un lugar puede contener
un número positivo o nulo de marcas. Una marca se representa por un punto en
el interior del círculo correspondiente al lugar. El conjunto de marcas asociadas
en un instante dado a cada uno de los lugares constituye un marcado de la Red
de Petro (RdP).[17] En la gura 3.1 podemos observar en detalle cómo está
congurada una red de Petri en forma sencilla, el graco nos permite observar
cuales son los lugares, las transiciones y marcas.
Figura 3.1: Esquema de una Red de Petri
El marcado de una red, M, se dene por un vector columna en donde los
elementos son el número de marcas contenidas en los lugares. El marcado dene
el estado de la red de Petri. Para la red de Petri dada en la gura 3.2 tenemos:[18]
Figura 3.2: Lugares, transiciones, marcas y señales de una RdP
Lugares (Places):
P = {P1 , P2 , P3 , P4 }
Transiciones (Transitions):
T = {T1 , T2 , T3 , T4 }
Marcado:
m1 = m2 = 1
m3 = m4 = 0
T
M = [1 1 0 0]
Una Red de Petri Ordinaria (RPO), N, es una cuádruplo N =< P, T, Pre,
Post>, donde:
P = {p1, p2, ....., pm} es un conjunto nito y no vacío de lugares;
T = {t1, t2, ....., tn} es un conjunto nito y no vacío de transiciones;
T
S
P T=∅yP
T 6= ∅;
Pre : P T
{0, 1} es el conjunto de lugares de entrada a T ;
Post : T P
{0, 1} es el conjunto de lugares de salida de T
Una RPO marcada es un par Nm = {N, M 0 } en el cual N es una
red de Petri Ordinaria y M0 es el marcado inicial.
Ö Ö 3.3. Simulador
HPSim
Es un simulador de Redes de Petri que posee varias características
importantes, tal como es la capacidad de los lugares, ya que cuando la cantidad
de marcas en un lugar dado es igual a la capacidad del mismo, las transiciones
que alimentan ese lugar quedan suspendidas hasta que el lugar vuelva a tener
espacio disponible para recibir nuevas marcas. Una particularidad que tiene el
software son los arcos inhibitorios, un arco de este tipo suspende la transición
destino si el lugar de origen tiene alguna marca. En cuanto a los intervalos de
ejecución de las transiciones, pueden ser: inmediatos, determinísticos, estocásticos con distribución exponencial o con distribución uniforme. Los intervalos se
cuentan a partir de que la tarea está habilitada por las otras condiciones. [17]
3.4. Simulación
Para la simulación del proceso de ensamblaje del automóvil se tuvo en cuenta
la siguiente secuencia:
Figura 3.3: Secuencia de Proceso de Ensamblaje
Sensor 1:
Sensor de proximidad, verica que el chasis ya se encuentre situado
en la banda transportadora para el inicio del proceso.
Sensor 2:
Sensor de proximidad, verica que el chasis este situado en la
posición especíca para proceder a poner puertas delanteras y traseras.
Sensor 3:
Sensor de proximidad, verica que el chasis este situado en la
posición especíca para proceder a colocar capo y baúl.
A partir de los anteriores pasos se desarrolló la simulación en el Software
HPSim para Redes de Petri, este programa permite desarrollar paso a paso el
proceso de acuerdo a lo diseñado previamente, este nos arroja los resultados de
la simulación y la vericación si todo el algoritmo está funcionando de forma
correcta, el programa también cuenta con un menú para la creación de los lu-
gares, transiciones y arcos, y así mismo cambiar las propiedades de cada uno de
los elementos.
El algoritmo de control desarrollado para el proceso de ensamblaje del automóvil basado en las Redes de Petri se muestra en las siguientes guras2 :
Figura 3.4: Simulación (Parte 1)
2 Los
números en color rojo emulan el ujo de las conexiones para que el usuario se guie
Figura 3.5: Simulación (Parte 2)
Figura 3.6: Simulación (Parte 3)
Figura 3.7: Simulación (Parte 4)
Figura 3.8: Simulación (Parte 5)
Figura 3.9: Simulación (Parte 6)
3.5. Pesos
Podemos añadir pesos en los arcos (lugares y transiciones). La transición
está habilitada si cada lugar de entrada tiene al menos tantas marcas como
pesos el arco. Cuando se dispara, se producen tantas marcas como pesos tienen
los arcos, como se ve en el siguiente ejemplo. [19]
Figura 3.10: Ejemplo de una Red de Petri con pesos en los arcos
3.6. Semántica
Las Redes de Petri manejan una semantica especial, la cual dice que si una
transición está activada (habilitada) si todos los estados que están conectados
a ella mediante arcos de entrada tienen al menos una marca, tal como se ve en
la siguiente gura:
Figura 3.11: Activación de una transicion (Semántica)
Los diferentes componentes de una red de Petri tienen habitualmente las
siguientes interpretaciones: Las marcas representan recursos en el amplio sentido
de la palabra y pueden ser tanto recursos físicos, como recursos no materiales,
tales como:
Información
Mensajes, etc.
Los lugares es donde los recursos pueden esperar o almacenarse. Las transiciones
representan acciones que consumen recursos para luego transformarlos, o bien
producir nuevos recursos. Los pesos de los arcos que van de un lugar a una
transición, representan el número mínimo de recursos de la clase almacenada en
dicho lugar que son necesarios para llevar a cabo la acción representada por la
transición.
Los pesos de los arcos que van de una transición a un lugar representan
el número de recursos de la clase que es almacenada en dicho lugar que son
producidos al llevarse a cabo la acción que representa la transición.
3.7. Otros tipos de redes de Petri
Coloreadas: Las cuales añaden una estructura de datos a las marcas, que
dependiendo del caso puede ser comprobada y modicada por las transiciones.
Con tiempo: Si es necesario se pueden aplicar diversas maneras de expresar
intervalos de tiempo (tiempo en transiciones, arcos, lugares, marcas).
Estocásticas: Una distribución exponencial negativa asociada a las transiciones que aveces se asocia con las cadenas de Markov.
Orientadas a objetos.
Híbridas.
Capítulo 4
MELFA WORKS
4.1. Caracteristicas generales
Mediante la utilización de MelfaWorks y RT-TOOLBOX se hace el desarrollo y el empalme de lo propuesto para cumplir los objetivos planteados, se
construye un proceso de ensamble del automóvil teniendo en cuenta su espacio
de trabajo, las características técnicas que un ensamble de un automóvil aqueja.
Entre lo más importante podemos destacar que el diseño de los pallet, la banda
transportadora, el chasis, las puertas, capo, baúl, etc. Fueron construidas en
base a un protocolo didáctico que es en el cual se enmarca el trabajo, para que
las labores o talleres realizados a futuro tengan un base en la cual guiarse. A
continuación se dará una explicación detallada y paso a paso de los puntos clave
que se deben tener en cuenta al momento de hacer una simulación con la que
podemos obtener una evidencia acerca de lo que sucedería en la vida real con las
condiciones de trabajo adecuadas y una programación de los robots bien hecha.
Se propone también el manejo y la conexión de los PLC's de ambos robots,
los cuales trabajaron de forma maestro-esclavo, lo cual es bastante practico a
la hora de realizar tareas cooperativas entre 2 o más maquinas. Esto permitió
observar que los benecios del trabajo se enfocaron en la calidad del producto,
en ahorrar tiempo y en la seguridad del operario. 1 [20, 21]
4.2. Conguración robots
La conguracion se llevo a cabo con el uso de los manuales otorgados por
la Universidad Militar Nueva Granada, y a partir de estos se desarrolló los
nuevos procedimientos para el trabajo de robotica colaborativa. A continuacion
se muestra un manual para los usuarios que esten interesados en trabajar en
esta area de la robotica y la automatizacion.
1 Se sugiere a los usuarios interesados en utilizar este programa revisar el manual de usuario
de MelfaWorks y de RT-TOOLBOX (ver Anexos)
64
4.2.1. Iniciar MelfaWorks
Teniendo en cuenta que MelfaWorks es un complemento de SolidWorks, se
debe iniciar primero SolidWorks y vericar en la pestaña Opciones que éste
complemento este habilitado asi como podemos observar en la gura 4.1.
Figura 4.1: Pantalla Principal SolidWorks
Al iniciar MelfaWorks se abren dos ventanas, las cuales no deben cerrarse.
En la primera ventana se encuentran todas las funciones que ofrece el programa,
si esta se cierra y no ha nalizado la simulación SolidWorks se cerrará. En la
gura 4.2 observamos un boton encerrado en un cuadro rojo, esto nos indica que
podemos visualizar o ocultar las trayectorias del robot dependiendo de nuestras
necesidades.
Figura 4.2: Ventana de Funciones Principales del programa
Como podemos observar en el cuadro 4.1 se muestra una descripcion detallada del funcionamiento de los botones que aparecen en la ventana inicial, la
cual debe aparecer al ejecutarse MelfaWorks. Se
Cuadro 4.1: Tabla de Descripción de la Ventana Principal de MelfaWorks
Botón
Robot setting
Layout
Robot operation
Calibration
Work-ow
Virtual controller
Check interference
Descripción
Cambiar la conguración del
modelo del robot.
Ubicación del robot y de elementos
periféricos.
Cambiar las posiciones del robot.
Editar los datos de calibración
Editar puntos de movimiento del
robot, la ruta y el ujo.
Operación del controlador virtual.
Comprobación de la interferencia o
no del robot, gripper, herramienta,
pieza de trabajo, etc.
La segunda ventana indica el estado de la comunicación entre el robot y el
controlador virtual, debe aparecer tal como se ve en la gura 4.3.
Figura 4.3: Ventana de Estado de comunicación Robot - Controlador Virtual
4.2.2. Crear un Proyecto
Para crear un nuevo proyecto, en la pestaña Workspace (W) se debe abrir
o crear un nuevo Workspace o espacio de trabajo asi como en la gura 4.4. Es
necesario darle un nombre a la carpeta donde se guardarán todos los archivos
generados por el programa.
Figura 4.4: Ventana para la creación de un nuevo espacio de trabajo
Una vez creado el proyecto, en la ventana principal de MelfaWorks en el
botón Robot setting (el cual se muestra en la gura 4.5) se congura el robot
con el cual se va trabajar.
Figura 4.5: Seleccionar boton Robot setting
Despues de haber hecho clic en el boton indicado debe aparecer la siguiente
ventana (observar gura 4.6)
Figura 4.6: Ventana de Robot Setting
A continuación se selecciona el tipo de controlador y el robot a utilizar. En
este caso se escoge el controlador CRnQ-7xx (Figura 4.7) y el robot RV-3SQB
o RV-6SQL (Figura 4.8). Para visualizar el robot en el espacio de trabajo en
SolidWorks se selecciona la opción Show robot.
Figura 4.7: Ventana de seleccion del controlador
Figura 4.8: Ventana de Seleccion de Robot a usar
4.2.3. Ensamble del Gripper
El gripper debe crearse en SolidWorks y la pieza debe ser guardada como
xxxx_Hand.SLDRT para que MelfaWorks la reconozca. El gripper debe ser
diseñado con dos sistemas de coordenadas, uno al inicio de la pieza y el otro al
nal, tal como se muestra en la gura 4.9, estos orígenes deben ser nombrados
como Orig1 y Orig2 respectivamente. Es importante que la orientación del eje
Z de los sistemas de coordenadas tanto del gripper y del robot coincidan.
®
Figura 4.9: Gripper y sus ejes
Para agregar el gripper al espacio de trabajo, este se debe cargar por medio
del botón Insertar componente, como se muestra en la gura 4.10.
Figura 4.10: Imagen para insertar el gripper al espacio de trabajo
Para ensamblar el gripper correctamente, en la ventana de dialogo Robot
details setting (Figura 4.11), se debe hacer click dentro del TextBox Hand,
seguido a esto seleccionar el gripper y este automáticamente se conectará al
robot.
Figura 4.11: Ventana de Robot details setting para ensamble de gripper
4.2.4. Delimitación del Espacio de Trabajo
Para delimitar el espacio de trabajo de los robots, se debe crear un CAD
en SolidWorks que contenga las medidas deseadas y los componentes requeridos
con los cuales los robots interactuarán, ver gura 4.12.
El espacio de trabajo debe ser creado con un sistema de coordenadas en
cada punto de la pieza, en donde se ubicarán los robots, teniendo como nombre
Orig1 y Orig2 respectivamente. Es importante que la orientación del sistema de
coordenadas coincida con el sistema de coordenadas del robot. La pieza debe ser
guardada como xxxx_Work.SLDRT debido a requerimientos de MELFAWorks.
Figura 4.12: Espacio de Trabajo para los Robots
Para agregar la celda de trabajo, esta se debe cargar al workspace por medio
del botón Insertar componente, y debe quedar como se ve en la gura 4.13.
Figura 4.13: Espacio de Trabajo con los Robots
Para ensamblar el espacio de trabajo y los robots, en la ventana de dialogo
Layout, se debe hacer click en el TextBox Target y seleccionar cualquier parte del
robot. Seguido a esto, seleccionar el RadioButton Coordinate System y escoger
el origen de coordenadas creado en el espacio de trabajo (Orig1).
Se debe colocar todos los campos ubicados a la derecha de la ventana en 0
(cero) y automáticamente el robot y la celda de trabajo quedaran ensamblados
(ver gura 4.14).
Figura 4.14: Conguracion y ensamble de Robots
4.2.5. Creación de Puntos y Trayectorias
®
MelfaWorks
permite crear puntos intermedios de trabajo a partir de la
posición nal del Gripper, los cuales son necesarios para formar las trayectorias
que seguirá el robot para cumplir con una tarea especíca en el espacio de
trabajo.
Para crear estos puntos, en la ventana de dialogo Robot Operation (gura
4.15), se puede variar la posición de cada articulación del robot o modicar la
posición nal XYZ del robot. Por otro lado se puede cambiar las velocidad de
los movimientos del robot.
Figura 4.15: Ventana de Robot Operation, para identicacion de coordenadas
del mismo
Con el botón Work-ow, es posible crear una secuencia de puntos o trayectorias. Para esto se debe ubicar el robot en la posición deseada mediante los
sliders de la ventana Robot Operation. Seguido a esto, se debe dar click en el
botón Get Location, lo cual permite guardar los puntos de la trayectoria del
robot, ver gura 4.16.
Figura 4.16: Ventana para la creacion de secuencia de puntos o trayectorias del
Robot
Una vez agregados los puntos de la trayectoria del robot, se crean los comandos de movimiento con el botón Add to ow. Se pueden agregar los puntos
en el orden deseado. Para guardar el programa se debe dar click en el botón
Conv. Estos datos se almacenan de forma automática en un archivo de extensión
.PRG. (Figura 4.17)
Figura 4.17: Ventana para guardar los puntos obtenidos del Robot
4.2.6. Simulación y Movimiento
El programa creado se puede simular mediante una herramienta que posee
MelfaWorks. Para esto se debe dar click en el botón Virtual controller en la
pantalla principal de MelfaWorks, debemos obtener la ventana que se muestra
en la gura 4.18.
Figura 4.18: Ventana de simulación
En primer lugar se debe prender el controlador con el botón POWER del
Virtual Controller, automáticamente se pondrá de color amarillo. Seguido a esto,
conectar el controlador con el botón CONNECT, el cual conectará los robots
con el controlador. Para comprobar que se realizó la conexión correctamente, en
la ventana de diálogo Communication Server2, en el TextBox Line State debe
aparecer SimulationConnecting.
Figura 4.19: Encendido del Virtual Controller
Figura 4.20: Vericacion de conexión
Una vez realizada la conexión entre el robot y el controlador, por medio del
botón Reference(B) (ver gura 4.21) se busca el programa que se desea cargar
para realizar la simulación, el cual está ubicado dentro de la carpeta creada del
proyecto.
Figura 4.21: Ventana para la ejecución del programa realizado
Dentro de la carpeta RC1 se encuentra una carpeta de nombre Program
donde se encuentra el programa.
Figura 4.22: Ventana de carpeta RC1
Figura 4.23: Ubicacion del Programa
Al cargar el programa, este se puede visualizar en la ventana Program, con
el botón Execution se puede ejecutar el programa desde esta ventana de dialogo
(ver gura 4.24).
Figura 4.24: Ejecución del programa
De esta forma el programa queda guardado en la memoria del controlador
virtual. Con el programa cargado en el controlador ya se puede realizar la simulación, para esto se debe hacer click en el RadioButton Program y con las
echas Up y Down se busca el programa que se desea ejecutar. Con el botón
START se da inicio a la simulación, la cual se puede visualizar en el espacio de
trabajo recreado, asi como se observa en la gura 4.25.
Figura 4.25: Ventana de visualización de la simulación
Capítulo 5
DESCRIPCIÓN ENTORNO
En este capítulo se explica brevemente el funcionamiento de los programas
utilizados para el desarrollo del trabajo, donde se aplica todo lo que tiene que
ver con simulación 3D (CAD), programación PLC's, programación CPU, comunicación, integración de todos los sistemas.
5.1. MelfaWorks
MelfaWorks es una herramienta avanzada de simulación, diseño y modelación para los robots de las series A, S, SD y SQ de Mitsubishi. MelfaWorks
funciona como complemento de SolidWorks, un software de diseño CAD en 3D
de terceros. MelfaWorks aprovecha la potencia de SolidWorks al permitir complejas simulaciones de robots en entornos de maquinarias existentes. Incluye la
versión limitada de RT-TOOLBOX 2 para la creación y depuración de programas. Además de la simulación, una función de enlace CAD permite la creación
de programas para archivos de CAD. Las imágenes de simulación pueden guardarse como archivos .avi para usarlas en el futuro y para demostración.[21, 22]
Las funciones avanzadas incluyen:
Vericación del tiempo del ciclo
Vericación de interferencia
Simulación de movimientos de robot en 3D
Manipulación de piezas de trabajo Integración 3D con celdas existentes
Simulación manual/herramienta
Simulación de cambio de herramienta Creación y depuración de programas
Función de enlace CAD
Creación de videos AVI
78
5.1.1. La interface entre el hombre y la técnica
Con el sistema de simulación de robots en 3D MELFA WORKS es posible
simular células completas de trabajo, es decir, tanto los robots como sus interacciones con el entorno. MELFA WORKS soporta para ello, además de a la familia
completa de robots de Mitsubishi, también a un amplio espectro de dispositivos
de automatización, tales como sistemas de ujo de materiales, distintos tipos de
sensores y actores etc. A partir de estos componentes de automatización puede
usted generar instalaciones de producción que satisfagan sus requerimientos.[20]
5.1.2. Auténtica simulación del entorno
Los robots se programan en sus lenguajes de control (MELFA BASIC V
o bien MELFA BASIC IV) dentro del entorno de simulación, de manera que
la transmisión a robots reales se lleva a cabo ya sin necesidad de más pasos
de conversión o de procesamiento. En la simulación misma se emplea un lenguaje de programación de robots conocido, de manera que al trabajar con la
simulación es posible emplear los conocimientos y la destreza ya existentes de
programación de robots reales. La ayuda online sirve de ayuda paso a paso para
la correcta formulación sintáctica. Los programas de robot creados pueden comprobarse dentro del entorno de simulación, eliminando la necesidad de retirar
de la producción la célula de trabajo con estos nes. [20]
5.1.3. Reducción de costos
Los sistemas RT ToolBox2 y MELFA WORKS representados son poderosas herramientas para la obtención de un máximo de ecacia y una máxima
reducción de costos en la conguración y la operación de soluciones de automatización con robots. Estas herramientas permiten diseñar y operar los sistemas con un grado de abilidad muy alto incluso antes de adquirir el hardware
correspondiente.[20]
5.2. Melfa-Vision
El software Melfa-Vision es una herramienta de conguración y programación que simplica la integración de los sensores de visión de la serie Cognex
In-Sight con los robots de las series A, S, SD y SQ de Mitsubishi. Melfa-Vision
permite una escritura de programas de visión rápida y eciente, transferencia
y copia de seguridad de programas, y captura y calibración de imágenes. Todo
esto se combina con los comandos de visión dedicados suministrados en MelfaBasic y la conexión directa mediante Ethernet para simplicar en gran medida
la integración de visión.[20]
5.3. RT-ToolBox
RT-Toolbox es el principal paquete de software para los robots Mitsubishi
que utilizan los controladores de las series CR_-500 y CR_-700. Este software incluye un conjunto completo de herramientas para las tareas importantes
de programación y conguración de robots. RT-Toolbox está basado en Windows y está disponible en dos formatos: estándar con simulación o limitado
sin simulación.
Las herramientas incluyen:
®
Conguración del sistema
Edición y depuración del programa
Conversión de programas (MELFA Basic IV a MELFA Basic V)
Denición de parámetros
Simulación (en la versión estándar solamente)
Monitoreo del sistema
Gestión de archivos
Diagnóstico de robots
Mantenimiento de robots
5.4. GX Works
GX Works2 es el software de conguración y programación de próxima generación para los controladores de las series FX y Q, tiene el objetivo de lograr
la máxima eciencia, además permite que los desarrolladores combinen cinco
lenguajes de programación distintos, cada uno con un estilo de programación
diferente. Los parámetros del módulo de función especial se conguran usando
las indicaciones y los menús desplegables, y no mediante asignaciones de bytes y
bits arbitrarias. Un PLC virtual integrado en la computadora permite la simulación total del sistema incluso antes de que el hardware llegue a las instalaciones.
Después de descargar el proyecto en el sistema real, GX Works2 incluye diversos modos de control, funciones de seguimiento y capacidades de depuración en
línea para darle los últimos toques a la aplicación y agilizar la puesta en servicio.
5.5. MELSOFT Navigator
MELSOFT Navigator es el núcleo de iQ Works, el cual permite diseñar
fácilmente sistemas completos de nivel superior e integrar perfectamente los
demás programas MELSOFT incluidos con iQ Works. Las funciones tales como
el diseño de conguración del sistema, la denición de parámetros de lote, las
etiquetas del sistema y la lectura de lotes.
Figura 5.1: Esquema iQ Works
Capítulo 6
SIMULACIÓN Y
VALIDACIÓN
En este capítulo se realiza una integración de los programas necesarios para
vericar y validar las simulaciones
y
que se realizaron de este
proyecto, esto con el n de validar que el funcionamiento en la vida real de
este desarrollo es viable siempre y cuando se tengan las condiciones necesarias
y se proceda a llevar todo lo mostrado de una forma conforme a lo escrito en
el documento. También se incluye la aplicación de las técnicas de coordinación
que fueron empleadas para que los 2 robots trabajen de forma simultánea en el
momento del ensamble, y que la participación de los sensores y actuadores sea
la equivalente a la real.
online oine
6.1. Manual técnica de coordinación
La técnica de coordinación funciona de acuerdo a la implementación de varios
programas, los cuales van a ser explicados cada uno para la comprensión del
usuario.
6.1.1. Conguración del Workspace
Para crear un nuevo proyecto, en la pestaña Workspace se debe abrir o crear
un nuevo Workspace o espacio de trabajo. Es necesario darle un nombre a la
carpeta donde se guardarán todos los archivos generados por el programa.
82
Figura 6.1: Ventana para la creación del nuevo Workspace
Se selecciona Q series module conguration
Figura 6.2: Ventana para la conguración del modulo
Una vez creado el proyecto, en la ventana principal de MELSOFT NAVIGATOR, se congura la conexión de Bus de campos, los componentes del PLC
y se enlazan los demás programas de IQ WORKS que se van a trabajar.
Figura 6.3: Ventana principal de Melsoft Navigator
Con la ventana Lista de Módulos, se seleccionan los componentes del PLC de
cada uno de los manipuladores, entre ellos la CPU del PLC, CPU del controlador
módulos de entradas y salidas análogas y digitales, fuente de alimentación, entre
otras.
Manipulador 1
Figura 6.4: Ventana para seleccion de los componentes del PLC
Para agregar otro Q Modules Conguration es decir el otro manipulador
se da click derecho en Module Conguration y se procede a agregar el nuevo
robot.
Figura 6.5: Ventana para añadir nuevo robot
Se congura el PLC del manipulador 2 con los módulos correspondientes.
Figura 6.6: Ventana para conguración de modulos
En la pestaña Network Conguration se selecciona la red de comunicación
o bus de campo que se va a utilizar, en este caso red ETHERNET.
Figura 6.7: Ventana para la selección de la conguración de red
Con las dos PLC conectados a la Red Ethernet se selecciona Start X, Y
Batch Input para asignar los registros de memoria a cada uno de los módulos.
Figura 6.8: Conguración de los registros de memoria
Para enlazar los programas que se van a utilizar en el proceso de la robótica
colaborativa, se necesita crearlos directamente desde el MELSOFT NAVIGATOR, estos programas son: GX WORKS2 utilizado en la programación de la
CPU del PLC, y el RT TOOLBOX para realizar la programación del controlador
del robot y así poder simular el programa.
Figura 6.9: Comunicación con GX WORKS2 y RT-TOOLBOOX
Ya que para el proyecto de robótica colaborativa se utilizarán dos robots, se
debe crear un programa por cada manipulador. Se debe agregar cada programa al módulo correspondiente mediante la opción Allocate Proyect whit the
controller en la barra de menú Workspace.
Figura 6.10: Conguración de programas
A cada módulo se le asigna el programa correspondiente.
Figura 6.11: Asignación de programas para cada modulo
Se deben cargar los parámetros al PLC mediante la opción Parameter en
la pestaña Batch Reexion.
Figura 6.12: Conguración del PLC
6.1.2. Creación de SUBPROGRAMAS
Para ensamblar todo el proceso se hace necesario crear subprogramas para
la integración de todas las características que lleva consigo utilizar diferentes
herramientas industriales.
6.1.2.1. Programa en GX WORKS2
Para crear un programa en GX Works2 se debe dar click en la pestaña
Project en la opción NEW, se debe seleccionar el tipo y la referencia de la CPU
y el lenguaje de programación a utilizar.
Figura 6.13: Conguración proyecto en GX Works
Para acceder a la plataforma de GX Works2 desde MELSOFT Navigator
se debe hacer doble click en el archivo creado con extensión GXW en cada
manipulador. En donde se despliega la siguiente ventana principal.
Figura 6.14: Ventana principal GX Works
En la ventana Project, seleccionar Parameter y luego la pestaña I/O Assignment para vericar la conguración de los módulos del PLC. Las entradas
se nombran con la letra X y las salidas con la letra Y.
Parámetros manipulador 1
Figura 6.15: Ventana de Parametros para manipulador 1
Parámetros manipulador 2
Figura 6.16: Ventana de Parametros para manipulador 2
En la pestaña Multiple CPU Settings se verica que la conguración sea
la siguiente.
Figura 6.17: Ventana de conguración de la CPU
Se debe crear el programa de instrucciones, quien se encargará de procesar
la lógica computacional del proceso. El programa se realiza en lenguaje ladder.
En la pestaña Boot File se elige el programa que siempre se ejecutará como
primera opción.
Figura 6.18: Creación del programa de instrucciones
Para realizar la programación en lenguaje Ladder del PLC, se debe seleccionar en la ventana Project, la pestaña POU, program y seleccionar el
archivo MAIN que es el programa en donde se programará la rutina de trabajo. Mediante la pestaña Compile se realizará la compilación del programa.
Figura 6.19: Programación de la rutina de trabajo
Para la vericación del correcto funcionamiento del programa en la pestaña
Debug se debe dar click en Star/Stop Simulation
Figura 6.20: Vericación del correcto funcionamiento
Se abrirá la siguiente ventana y se cargará el programa a la memoria virtual
de simulación de GX Works
Figura 6.21: Ventana para cargar el programa a la memoria virtual
6.1.2.2. Programa en RT Toolbox
Para crear un nuevo proyecto, en la pestaña Workspace se debe abrir o crear
un nuevo Workspace o espacio de trabajo. Es necesario darle un nombre a la
carpeta donde se guardarán todos los archivos generados por el programa.
Figura 6.22: Ventana principal RT-TOOLBOX
Figura 6.23: Creación de nuevo proyecto
Se procede a seleccionar el manipulador con el que se va a trabajar en este
caso el RV-6SQL y el tipo de comunicación a utilizar, en este caso Ethernet.
Figura 6.24: Selección de manipulador
Al congurar el manipulador 1, se despliega una lista con el estado de la
comunicación del robot, que en este caso es o-line.
Figura 6.25: Estado de la comunicación con el robot
Figura 6.26: Simulación oine
Para añadir un nuevo manipulador se da click derecho en el nombre del
proyecto y se selecciona Add Project y se procede a congurar el robot con
las especicaciones correspondientes.
Figura 6.27: Adición de nuevo robot al proyecto
Para crear un nuevo programa se da click derecho en la pestaña Program
y se selecciona la opción NEW. Se debe dar un nombre al programa, éste será
guardado en la memoria del computador.
Figura 6.28: Creación de nuevo programa
Figura 6.29: Nuevo programa para el robot
A continuación se abre una ventana en donde se pueden añadir las coordenadas de la trayectoria que realizarán los robots.
Figura 6.30: Ventana para añadir trayectorias del robot
Para agregar estas coordenadas se da click el botón Add, aparecerá una
nueva ventana en donde se pueden agregar las coordenadas XYZ o la posición
de cada articulación del robot.
Figura 6.31: Editor de posición
En la pestaña File el programa puede ser guardado en el computador o en
el controlador del Robot.
Figura 6.32: Guardar conguración deseada
6.1.3. Técnica de Coordinación
El programa realizado en GX Works2 es un programa en lenguaje ladder
que permite realizar una secuencia de operaciones para coordinar los dos robots manipuladores. Para el desarrollo de este proyecto se utilizaron 4 sensores
inductivos los cuales permiten detectar en qué posición se encuentra el carro.
El proceso inicia con un botón START, el cual permite encender las bandas
transportadoras, para que empiece el proceso de ensamblaje. Los 4 sensores están
ubicados estratégicamente para que la coordinación entre el tiempo de duración
de encendido de las bandas y el tiempo de respuesta del robot sea exacta, con
el n de realizar el proceso de ensamblaje en el menor tiempo posible.
Figura 6.33: Vista superior espacio de trabajo
Debido a las condiciones de operación de los robots para tareas de ensamblaje, el robot principal en este caso RC1 actúa como maestro y el robot RC2
como esclavo, esto permite que los dos robots trabajen conjuntamente con un
retardo mínimo en el tiempo de respuesta del robot esclavo.
El primer sensor activa una marca que se encarga de encender los servomotores de los dos robots, el segundo sensor activa una marca para iniciar la primera
trayectoria del robot maestro, el cual envía una señal al robot esclavo para que
este inicie la trayectoria a recorrer. Cuando el segundo robot termine la trayectoria recorrida manda una señal al robot maestro para empezar la siguiente
tarea de ensamble. El proceso continua con las activaciones de los dos sensores
restantes. El orden de ensamble del automóvil es: Primero puertas delanteras,
seguido de las puertas traseras, baúl y por último el capó. En la programación,
aparte de las entradas, salidas y marcas auxiliares se debe utilizar temporizadores para garantizar que la duración de las trayectorias sean exactos y los robots
puedan realizar un trabajo de coordinación en el menor tiempo posible.
6.1.4. Simulación O-Line
Como primer paso para realizar la simulación O-line se debe inicializar
MELFAWORKS.
Figura 6.34: Ventana principal de SolidWorks y Melfa Works
En el proyecto MELSOFT Navigator se abre el proyecto creado anteriormente de RT Toolbox 2. Deben aparecer los dos robots en el Workspace, lo siguiente
es congurar las direcciones IP de los controladores. Seleccionar el botón Online
y seleccionar los dos controladores de los robots.
Figura 6.35: Conguración de simulación online
Figura 6.36: Selección de robots
En el MelfaWorks se debe encender el controlador de los robots, la ventana
de comunicación indicará que la conexión se realizó exitosamente si el estado de
la comunicación es SimulationConnecting.
Figura 6.37: Ventana para el encendido del controlador
Figura 6.38: Ventana de conexión exitosa
Mediante la opción Debug se transeren los programas a cada controlador,
y así permitir la ejecución de cada uno.
Figura 6.39: Ejecución de programas
Figura 6.40: Transferencia de programas
Figura 6.41: Visualización de los robots en movimiento
La ventana de Debug permite, encender los sevomotores, visualizar los movimientos de los robots, variar la velocidad para evitar incidentes, y arrancar el
programa de los dos robots al tiempo.
Capítulo 7
DELIMITACION Y
ALCANCE
7.1. Conceptual
Diseñar un algoritmo lógico basado en la robótica colaborativa, para proceder a implementarlo en una aplicación industrial como lo es una ensambladora
de automóviles, esto con nes didácticos, mejor precisión, calidad del producto,
tiempos de producción y seguridad industrial.
7.2. Geograca
El proyecto se realizó en la ciudad de Bogotá D.C., en el espacio de la
Universidad Militar Nueva Granada, la cual está ubicada en Av. Calle 100 con
Cr 11. Los Robots se encuentran en el Laboratorio de Automatización Industrial
dentro de las instalaciones de la UMNG.
7.3. Temporal y Cronológico
El proyecto se realizó en los 2 semestres comprendidos entre el año 2013-II
y 2014-I. Todo eso de acuerdo a lo programado en el cronograma del proyecto.
104
CONCLUSIONES
Mediante el uso de los diferente tipos de programación de robots tales como
Ladder y Melfa Basic V, y en conjunto con otras herramientas, un proceso
puede llegar a ser más eciente permitiendo reducir costos y tiempos de
producción, está programación puede ser ejecutada de modo on-line y
o-line, con el n de programar el robot de acuerdo a la situación real
de las piezas y del ambiente de trabajo.
La programación o-line permite el uso de elementos CAD ya existentes
haciendo que la programación sea rápida y sencilla, facilitando la posibilidad de diseños de varios espacios de trabajo, detectando los errores
tempranamente en estos diseños y así poder corregirlos para evitar retrasos, sobrecostos y riesgos en la implementación de los procesos, logrando
así un desarrollo más versátil en las diferentes tareas a realizar para un
mismo proceso. Por consiguiente permite la vericación del correcto funcionamiento del programa a través de simulación y visualización de las
tareas que ejecutará el robot.
La aplicación de una técnica de coordinación para un proceso automatizado de robots, se basa en considerar un robot como maestro y el otro como
esclavo, con el n de programar una secuencia de tareas para cada robot
en el mismo proceso y espacio de trabajo. El software iQ Works, permite
la integración de diferentes programas que ayudan en la aplicación de ésta
técnica, logrando así la comunicación entre los PLC s de cada robot, para
desarrollar las diferentes tareas en las que son utilizados.
´
El diseño de ambientes industriales simulados permite que los usuarios
interesados realicen pruebas para ajustar partes del proceso las cuales no
funcionan de la manera adecuada o se quieren cambiar por razones de
costo/benecio. Se hace importante que las industrias utilicen este tipo
de herramientas que en la actualidad pueden ayudar a ahorrar dinero y
hacer que las inversiones que se hagan sean con un porcentaje menor de
pérdidas y mayor ganancia en varios aspectos.
La versatilidad de utilizar la gama de Software y Hardware de Mitsubishi
Electric tales como MelfaWorks, GX Works, RTToolbox y Melsoft Navigator, permite que estos elementos se complementen de una forma más
105
eciente, ya que no hay que cambiar entre otras marcas para buscar soluciones a los problemas que se presenten, solamente se sugiere tener los
manuales de usuario tanto para los robots como para los software a usar.
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jmirez.les.wordpress.com/2011/05/diagrama_gen_dist_conventional.jpg
110
Anexos
Manual MelfaWorks
Figura 1: Manual MelfaWorks
Manual RT_TOOLBOX
Figura 2: Manual RT-TOOLBOX
Manual Robot Mitsubishi RV-6SQ/6SQL Series
Figura 3: Manual Robot RV-6SQ/6SQL Series
Manual Robot RV-3SQ/3SQJ/3SQB/3SQJB Series
Figura 4: Manual Robot RV-3SQ/3SQJ/3SQB/3SQJB Series