Estación de Trabajo Robotizada para el Ensamble de Luminarias Automotrices
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- Lucas Castro Quintana
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1 Encuentro de Investigación en IE, de Marzo, Estación de Trabajo Robotizada para el Ensamble de Luminarias Automotrices E. E. Rodríguez 1,2, M. A. Zúñiga 1, H. J. Zúñiga 2, E. Rodríguez 1, 1 AICA - CIK, 2 CIATEQ Querétaro CP-76180, México correo-e: rodriguez.aica@gmail.com. Resumen En este trabajo se describe la puesta en práctica de un Robot Motoman en una estación de trabajo; la cuál aplica vitro-pegamento a la carcaza de un ensamble de luces automotrices. Esta estación es gobernada por un PLC de Siemens; y debido a hay cuatro diversos modelos de luces automotrices, la trayectoria del Robot tiene que ser modificada. La selección de la trayectoria depende de los comandos introducidos por el operador a través de una pantalla HMI (interfaz humano máquina) de Siemens y un conjunto de las señales binarias de entrada que provienen de los sensores ópticos en el herramental; los cuáles definen el modelo de la cubierta. Estos parámetros son procesados por el PLC, y entonces este envía como combinaciones binarias de bits la trayectoria que el Robot tiene que seguir. Cuando el Robot termina la trayectoria, envía al PLC su estado, el que se exhibirá en el HMI. Los resultados y la descripción completa de esta puesta en práctica tecnológica se describen al final de este trabajo. Abstract This paper describes the implementation of a Motoman Robot in a work station; which applies vitro-glue to the housing of an automotive light assembly. This station is commanded by a Siemens PLC; and due to there are four different models of automotive lights, the trajectory of the Robot has to be changed. The selection of the trajectory depends of the commands introduced by the operator through a Siemens HMI (human machine interface) and a set of input signals coming from optical sensors; which define the housing model. These parameters are processed by the PLC, and then it sends as binary combinations of bits the trajectory which the Robot has to follow. When the Robot ends the trajectory it reports to the PLC what its right or wrong statement is. The results and the complete description of this technological implementation are made in this work. Descriptores Ensamble, Luminarias Automotrices, PLCs, Robot. E INTRODUCCIÓN N busca de procesos de fabricación con una mayor calidad y repetibilidad, muchas empresas manufactureras del ramo automotriz implementan Robots en sus estaciones de trabajo [1]. Con una herramienta tan robusta y versátil como lo es un Robot, los procesos como el dispensado de sustancias liquidas se pueden estandarizar tanto en trayectoria como en volumen; logrando con esto resultados de ensamble con una calidad y un costo que no seria posible lograr de forma manual [2, 3]. En este trabajo se describe el desarrollo y puesta en marcha de una estación de trabajo robotizada, que tiene como objetivo el dispensar un Vitro-pegamento en una trayectoria dentro de una cubierta de una luminaria automotriz; para que se culmine el ensamble agregando a esta cubierta el lente. En la sección siguiente se mencionan las necesidades de ensamble que el cliente requiere, continuando con
2 177 la descripción técnica de las características de los dispositivos implementados para realizar la tarea del dispensado del Vitro-pegamento; así como de la descripción del diagrama de flujo del software que controla la estación de trabajo. Por ultimo se analizan los resultados experimentales y se mencionan las conclusiones obtenidas. I. MODELOS (NECESIDADES DE ENSAMBLE) La estación de trabajo robotizada desarrollada como parte de este trabajo, tienen la capacidad de hacer el dispensado de vitropegamento en la cubierta de un ensamble de luminarias automotrices; de las cuales existen tres modelos diferentes. Estos modelos se identifican como básico, estándar derecho y estándar izquierdo. La Fig. 1 muestra los diferentes modelos de luminarias automotrices ensambladas con esta estación de trabajo. Figura 2. Trayectorias del Robot para el modelo básico a) Modelo básico. b) Modelo estándar derecho. c) Modelo estándar izquierdo. a) Trayectorias del Robot para el modelo estándar derecho. Figura 1. Modelos de luminarias. Ya que la estación de trabajo tiene la capacidad de interactuar simultáneamente con dos herramentales, para cada uno de estos modelos se describieron dos trayectorias que el Robot debe seguir para realizar correctamente el dispensado. Las Figs. 2 y 3 muestran las trayectorias del Robot. a) Trayectorias del Robot para el modelo estándar izquierdo. Figura 3. Trayectorias del Robot para los modelos estándar.
3 178 Estas trayectorias fueron definidas según la experiencia del personal de mantenimiento del cliente, y con esta misma base se realizo la definición del volumen total de vitropegamento que se debe aplicara a cada uno de estos ensambles. La tabla 1 enlista los volúmenes de vitropegamento para cada ensamble. Tabla 1: Volúmenes de vitropegamento según las trayectorias. Ensamble P3 - P4 P4 P5 P5 P6 P6 P7 P7 P8 Base Estándar Según el criterio del personal del área de calidad del cliente, estas cantidades tienen una tolerancia del 10%. II. DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN Para poder cumplir con la tolerancia del volumen del vitropegamento se implemento un equipo especial diseñado y fabricado por CSI Engineering Inc. [4] y una válvula neumática de control proporcional (ver Fig. 4a). El Robot implementado es un HP20 de la marca MOTOMAN (Yaskawa) y su controlador es un NX100 [5]. La Fig. 4 muestra una fotografía de la implementación final de esta estación de trabajo robotizada. Figura 4. Implementación practica de la estación de trabajo robotizada para el ensamble de luminarias automotrices. Ya que el numero de entradas y salidas discretas son menores que 32 y que la distancias entre PLC, HMI, Controlador NX100 y los herramentales son menores a 3 metros, no fue necesaria la implementación de alguna red industrial de comunicación, por lo que opto por instalar un PLC con entradas y salidas directas. En la Fig. 5 se muestra el diagrama a bloques de las conexiones entre los dispositivos utilizados en esta estación de trabajo.
4 179 Con el hardware definido, la estación en la HMI pide que el operador coloque una pieza en el herramental; hasta que esta pieza es detectada por un segundo pokayoke. Después de esto, las cámaras IFM verifican que la pieza colocada sea la adecuada y este colocada correctamente; esto con el propósito de evitar coaliciones no deseadas durante el dispensado del vitropegamento. Ya con la pieza correcta y bien colocada en el herramental, se activan los actuadores para llevar al herramental a la zona de trabajo donde el tercer pokayoke revisa que la pieza y el herramental lleguen a esta posición de forma correcta. Entonces se enciende el Robot y comienza a seguir la trayectoria correspondiente al modelo y al herramental. Figura 5. Diagrama a bloques de las conexiones de los dispositivos implementados. Como se puede apreciar la comunicación entre el CPU del PLC y la HMI se realiza mediante un nodo RS485, mientras que el resto de conexiones son conexiones directas con las entradas y salidas exceptuando las conexiones con el controlador NX100 que están optoacopladas. Las cámaras implementadas son del modelo O2D224 de la marca IFM y más que programarse como cualquier cámara industrial, estas se utilizan para el reconocimiento de patrones geométricos; por lo que su eficiencia costo es superior y el tiempo de procesamiento digital en estos dispositivos es casi inapreciable [6]. Para describir el ciclo de trabajo de esta estación se muestra en la Fig. 6 el ciclo automático para la fabricación del modelo base en el herramental derecho. Este diagrama tiene el marco patrón para los ciclos de fabricación del resto de los modelos con ambos herramentales. El usuario define através de la HMI el modo de operación de la estación de trabajo, y también seleccionara el modelo que se desea trabajar. Después gracias a un pokayoke se verifica si los herramentales instalados concuerdan con el modelo que se va a fabricar, y de no ser así aparece un mensaje para que el usuario realice el cambio de herramentales. Figura 6. Diagrama de flujo del ciclo automático para la fabricación del modelo base en el herramental derecho. Cuando el Robot se encuentra en la posición 3 de la trayectoria, se activa la válvula y el sistema para dispensar el vitropegamento en la cubierta del ensamble. El control del volumen del vitropegamento dispensado es un control de lazo abierto ya que se tiene la confianza de que el sistema mezclador desarrollado por CSI Engineering Inc. funciona de forma adecuada.
5 180 Ya que el Robot se encuentre en la posición 7 u 8 dependiendo del modelo, se apaga la válvula de control para interrumpir el flujo del vitropegamento y el Robot se envía al origen. Con el Robot en el origen el herramental regresa a la zona de carga y descarga; es entonces cuando la estación pide al operador que retire la pieza, y el ciclo comienza nuevamente. La única forma de detectar que se realizo una mala operación es que el ciclo no termine y que el operador envíe a Home la estación de forma manual. De no ser así solo se depende del criterio del personal de producción o de calidad del cliente. Esta situación fue definida por el cliente ya que sus procesos de producción implementados previamente, tienen como estándar de calidad la inspección visual de cada pieza fabricada. III. RESULTADOS EXPERIMENTALES Para comprobar y validar el correcto funcionamiento de esta estación de trabajo se fabricaron 100 piezas de cada modelo durante 5 días y se midieron los tiempos de ciclo promedio para cada modelo, la tabla 2 muestra los resultados obtenidos. Se puede observar en la tabla de resultados, que estos fueron mejorando influidos por la habilidad que el operador adquirió durante estos 5 días; debido a que los cambios en los tiempos de ciclo no cambiaron de forma radical, mientras que el número de piezas malas disminuyo de forma sobresaliente. IV. CONCLUSIONES Con estos resultados podemos concluir que la estación de trabajo robotizada para la fabricación de luminarias automotrices presentada con éxito en este trabajo, ha sido implementada de forma adecuada; ya que ha cumplido con los de tiempo de ciclo, calidad y repetitibilidad requeridos del cliente. REFERENCIAS [1] W. Bolton, Mecatrónica Sistemas de control electrónico en la ingeniería mecánica y eléctrica, Ed. Alfaomega, 2da Edición, Feb [2] J. J. Craig, Robótica, Ed. Pearson Prentice Hall, 3ra Edición, 2006 [3] E. García, Automatización de procesos industriales, Ed. Alfaomega, 1ra Edición, [4] R. Higgs. CSI Engineering Inc, http//: [5] MOTOMAN, MoDS-230-d, http//: MOTOMAN Yaskawa INC. February [6] IFM Electronic O2D224 manual. http//: IFM Electronic INC. January Tabla 2: Resultados experimentales. Día 1 Día 2 Día 3 Día 4 Día 5 O N O N O N O N O N Bas s. 7.2 s. 6.9 s. 6.5 s. 6 s. Est Der. 7.8 s. 7.4 s. 7.0 s. 6.8 s. 6.4 s. Est. Izq s. 7.3 s. 6.8 s. 6.6 s. 6.5 s.
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