Automatización y Robótica Industrial Manuel Olivares S. manuel.olivares@usm.cl V Escuela de Invierno UTFSM 04-Julio-2011
Agenda Automatización Historia y definiciones Componentes: Sensores, Actuadores, Controladores Automatización y Control en el Lab. de Control Industrial Aplicaciones: Procesos secuenciales, procesos continuos, etc. Robótica Historia y definiciones Robótica Industrial Estadísticas Componentes: Articulaciones, Eslabones, Controladores Robótica Industrial en el Lab. de Control Industrial Aplicaciones: Manufactura, soldadura, etc. Automatización y Robótica Industrial: Soldadura Automatizada Visión por computador Sensor láser de medición de distancia Robot Soldador Vocablo robota usado en 1921 04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 2
Automatización Historia y definiciones Automation, Encyclopædia Britannica Term coined about 1946 by D.S. Harder, a Ford Motor Co. engineer, used to describe a wide variety of systems in which there is a significant substitution of mechanical, electrical, or computerized action for human effort and intelligence Automatic Loom (1804) J.M Jacquard Steam Machine (1787) J. Watt 04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 3
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 4 Automatización Componentes: Sensores: velocidad, posición angular (potenciométrico, encoder óptico incremental), proximidad (infrarrojo, inductivo, capacitivo), fin de carrera, flujo (turbina), temperatura (PT-100), presión (piezo-resistivo), etc. Actuadores: motores de corriente continua, corriente alterna, variador de frecuencia, bombas centrífugas, válvulas neumáticas proporcionales, válvulas eléctricas proporcionales, válvulas on-off, pistones neumáticos, transductores I/P, terminal de válvulas Profibus, triacs, calefactor eléctrico, radiador, etc. Control y supervisión: controlador lógico programable PLC - PAC, controladores PID independientes, sistemas de control distribuido DCS, sistemas SCADA - HMI
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 5 Automatización en el LCI Las experiencias de laboratorio consisten en: Resolver problemas de automatización (eventos) Resolver problemas de regulación (control continuo) Realizar experimentos para análisis del problema Programar y sintonizar controladores PID Realizar experimentos para validar la solución Desarrollar una interfaz HMI de supervisión Estanques en Cascada: 3 estanques en cascada 1 bomba centrífuga 3 sensores de presión piezorresistivos 5 válvulas on-off 1 PLC GE 90-30 Sistema de Transporte y Clasificación: Motor de ca que impulsa la correa principal Motor de cc que impulsa la correa de clasificación 2 sensores de proximidad infrarrojos 6 pistones neumáticos, 2 ventosas y 1 compresor Terminal de válvulas con cabezal Profibus DP 1 PLC S7-300 CPU315-2DP Mezclador: 1 estanque de mezcla 2 válvulas neumáticas proporcionales con transd. I/P 2 flujómetros tipo turbina 1 bomba centrífuga 1 PLC Siemens S7-200 1 compresor Ascensor Prototipo: Motor de corriente continua Interruptores de fin de carrera Lámparas indicadoras de piso Botoneras de mando interno y externo 1 PLC GE-9030 Helicóptero: 2 rotores de corriente continua 2 sensores de posición angular (encoder incremental) 1 servomotor de desplazamiento de centro de gravedad 1 PLC Rockwell MicroLogix 1400
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 6 Automatización en el LCI Aplicación: Automatización de un ascensor prototipo Problema común en edificios de altura, montacargas Solución mediante diagrama de estados Grafcet Programación de PLC en Ladder Supervisión permite detectar fallas y conocer el estado del ascensor
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 7 Control Industrial en el LCI Aplicación: Control de razón de mezcla de flujos Problema común de control de concentración Solución mediante 2 controladores PID en PLC Programación de PLC en Ladder Flexibilidad al cambiar la referencia del flujo maestro Un controlador se encarga de mantener la proporción
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 8 Robótica Historia y definiciones Robots industriales, de servicio, autónomos, de campo, de investigación, entretenimiento, educativos Spot/arc welding Robot SCARA assembly Robot Material handling Robot Asimo humanoid Robot, Honda 2000 Robots Industriales Primera Generación Telemanipuladores (1950), Brazos articulados (1960) AIBO entertainment Robot, Sony 2004 Robocup soccer challenge 2050 NAO Aldebaran Segunda Generación Robots con sistemas sensoriales avanzados: tacto, visión, etc. Tercera Generación AGV DARPA challenge 2004 Fujitsu service robot 2005 Robots con capacidad de toma de decisiones (en desarrollo) AUV Virginia Tech 2007 Lego Mindstorms 2005
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 9 Robótica Industrial Historia y definiciones ISO 8373 (1994) Robot Industrial: Manipulador multipropósito reprogramable, automáticamente controlado, de tres o más ejes, el cuál puede permanecer fijo en un lugar o moverse, para uso en aplicaciones de automatización industrial The first industrial robot (1959), G.C. Devol & J.F. Engelberger The first mechanical master - slave manipulator (1950) R. Goertz
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 10 Robótica Industrial Definición: Robotic Industries Association (RIA-1974) International Federation of Robotics (IFR-1987) Robótica Industrial: Diseño de dispositivos manipuladores reprogramables multifuncionales para mover partes, materiales, herramientas o aparatos especializados mediante movimientos programados y su aplicación en tareas industriales Característica común: Tareas repetitivas que se ejecutan en ambientes peligrosos para el ser humano, y/o que exceden sus capacidades (velocidad, precisión, fuerza, potencia, visión, etc.)
Robótica Industrial Estadísticas - Abastecimiento (IFR) Población mundial acumulada de robots industriales operativos a 2007 ~1.000.000 Distribución mundial de robots industriales suministrados en 2007 (111.000) Asia/Australia: 52% Europa: 31% América: 17% Distribución en América de robots industriales suministrados en 2007 (21.000) USA: 77% * Canadá: 14% México: 4% * Brasil: 4% Otros: 1% Cuál es la población de robots industriales operativos en Chile?: Robotec, Roboris, Cimtec, Poch Fuente: IFR - World Robotics, June 2008 04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 11
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 12 Robótica Industrial Estadísticas por Industria (Europa) Robótica Industrial Fabricación de vehículos motorizados Ind. Química, gomas, plásticos Partes de automóviles Productos metálicos Alimentos Maquinaria industrial y de consumo Ind. no metálica Eléctrica, electrónica Metalurgia básica Comunicaciones Robótica de Servicio Defensa, rescate, seguridad Campo (navegación terrestre) Navegación submarina Limpieza Medicina Plataformas de robótica móvil
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 13 Robótica Industrial Componentes Articulaciones, eslabones, transmisiones, servomotores Herramientas: garra, pinza, antorcha, etc. Accesorios: posicionadores, cintas de transporte, rieles, bandejas giratorias, estaciones de transferencia, sistemas automáticos de almacenamiento y recuperación AS/RS Controlador Programador: Teach pendant PC Software de programación y simulación off-line
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 14 Robótica Industrial Articulaciones Tipos de robot: Cartesiano, SCARA, Cilíndrico, Delta, Polar, Verticalmente articulado
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 15 Robótica Industrial Servomotores Reductores Transmisiones Herramientas
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 16 Robótica Industrial Accesorios Rieles Posicionadores Estaciones de transferencia Sistemas AS/RS
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 17 Robótica Industrial Software de programación y simulación off-line RobotStudio de ABB
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 18 Robótica Industrial Componentes de un manipulador
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 19 Robótica Industrial Componentes de un manipulador
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 20 Robótica Industrial Componentes de un manipulador
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 21 Robótica Industrial Componentes de un robot soldador 1. Manipulador 2. Controlador 3. Teach pendant 4. Panel de operador 5. Fuente de soldadura 6. Antorcha 7. Alimentador de alambre 8. Cable de potencia 9. Conduit de alambre 10.Soporte de carrete de alambre
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 22 Robótica Industrial Componentes de un robot soldador 1. Manipulador 2. Controlador 3. Teach pendant 4. Panel de operador 5. Fuente de soldadura 6. Antorcha 7. Alimentador de alambre 8. Cable de potencia 9. Conduit de alambre 10.Soporte de carrete de alambre
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 23 Robótica Industrial Cuándo se justifica usar un robot industrial? Se debe tener en cuenta el volumen de producción. Hay una zona donde los sistemas de robótica industrial pueden presentar los menores costos de fabricación por unidad, en comparación con el trabajo humano y los sistemas de fabricación automatizada Beneficios adicionales Calidad uniforme Continuidad de la producción Disminución de riesgos laborales Flexibilidad, escalabilidad Dificultades de aplicación Variabilidad de materiales y procesos Estructuración de la producción Necesidad de equipamiento auxiliar Fuente: IEEE Robotics & Automation Magazine, June 2003
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 24 Robótica Industrial La automatización permite ampliar la zona de aplicación de la robótica industrial Instrumentación industrial (sensores, actuadores) Sistemas de transmisión y recolección de datos (redes industriales) Sistemas de control: PLC, PAC, DCS Software para supervisión en tiempo real Técnicas avanzadas de control automático Visión por computador
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 25 Robótica Industrial en el LCI Celda de Manufactura Flexible (CIMA): Robot KUKA KR-15 de 6 grados de libertad + riel Controlador KCR + KUKA-Control-Panel (KCP) Windows Garra neumática Cinta transportadora Estación de transferencia neumática PLC LG Glofa Brazo Robótico Mitsubishi RV-2AJ: Robot con 5 grados de libertad Garra eléctrica Controlador RISC CR1 + Teach Pendant Programación por PC + TCP/IP+ MELFA Basic IV Bandeja giratoria Sensor de proximidad capacitivo Brazo Robótico Scorbot ER-III: Robot con 5 grados de libertad 5 sensores de posición angular (encoder incremental) Controlador basado en microcontrolador 8031 Programación por PC+puerta serial+ Scorbase Cinta transportadora Bandeja giratoria
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 26 Robótica Industrial en el LCI Aplicación: Programación de una celda de manufactura (CIMA) El robot se programa en lenguaje Basic específico El PLC se programa en Ladder a partir de diagrama de estados Grafcet, para enviar /recibir señales del robot - estación de transferencia
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 27 Soldadura Automatizada Proyecto CAINSA, CORFO INNOVA Ingeniería conceptual para la automatización de la manufactura de tolvas para camiones mineros Carga nominal 290 [ton] Dimensiones de la tolva piso 8.5x9 [m 2 ] 2 laterales 8.5x3.5 [m 2 ] frente 9x3.5 [m 2 ] visera 9x4 [m 2 ] Se requiere de un equipo de soldadores GMAW certificados Exposición a condiciones ambientales de trabajo adversas Estrés físico por mala postura y limitado alcance (cordones de gran longitud) Escasez de personal calificado
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 28 Soldadura Automatizada Requerimiento Operacional Proveer una rápida respuesta a demanda por repuestos, reparaciones y/o reemplazos de tolvas para camiones mineros Requerimientos de I+D Estructurar la línea de producción, y estandarizar las materias primas Utilizar tecnologías de automatización complementarias para lograr que el robot se adapte a cambios en los materiales y sea tolerante a errores de posicionamiento y de manufactura de piezas
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 29 Soldadura Automatizada Soldadura robótica adaptable Funciones de soldadura provistas por los fabricantes Touch sensing (TS) Through arc seam tracking (TAST) Root pass memorization (RPM) Weaving Dispositivos específicos Visión láser / visión por computador para detección de cordón
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 30 Soldadura Automatizada Arquitectura de la solución propuesta Combinar las funciones de seguimiento de cordón provistas por los fabricantes con sistema de visión por computador para la actualización de la ruta de soldadura, previo a realizar la soldadura
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 31 Soldadura Automatizada Arquitectura de la solución propuesta
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 32 Soldadura Automatizada Pruebas 2D Pruebas 3D 1 2
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 33 Soldadura Automatizada Resultados 2D Resultados 3D
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 34 Soldadura Automatizada Trabajo actual y futuro Obtención de coordenadas de soldadura a partir de dibujos CAD Diseño de celda de soldadura adaptiva robotizada Soldadura colaborativa multi-robots Fuente: Robotics Research Group, The University of Texas at Austin, USA
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 35 Automatización y Robótica Conclusiones La automatización y la robótica industrial permiten aumentar la productividad, disminuir riesgos laborales y uniformar la calidad de la producción El desarrollo de proyectos en esta área requiere participación multidisciplinaria, p. ej. entre ingenieros electrónicos y mecánicos Integrar automatización con robótica industrial es una gran oportunidad de desarrollo de nuevos proyectos El éxito de los proyectos depende de los usuarios, p. ej., de soldadores GMAW certificados
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 36 Colaboradores Grupo Multidisciplinario de Robótica Industrial Depto. de Ing. Mecánica: Prof. Pedro Sariego Ayudantes y memoristas: Felix Pizarro, Claudio Olguín, Christopher Nikulin, Simón Ortíz, Carlos Dublé Depto. de Electrónica: Prof. Manuel Olivares Empresas Ayudantes y memoristas: Pablo Salazar, Gino Torres, Eric Maldonado, Fabián Rubilar, Santiago Wiff, José Avendaño, Miguel Solís, Jorge Soto, Nicolás Kunakov, Daniel Olmos, Ricardo Villarroel CIMTEC Robot OTC-DAIHEN CAINSA Proyecto CORFO INNOVA POCH Applied Technologies Software RobotStudio de ABB
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 37 Referencias ISO 8373 (1994) Manipulating industrial robots Vocabulary. International Organization for Standardisation. World Robotics (2008) Statistics, Market Analysis, Forecasts, Case Studies and Profitability of Robot Investment. International Federation of Robotics. Pires, J. N. & Loureiro, A. & Godinho, T. & Ferreira, P. & Fernando, B. & Morgado, J. (2003) Welding Robots. IEEE Robotics & Automation Magazine June 2003, pp. 45-55. Myhr, M. (1999) Industrial new trends: ABB view of the future. Proc. Int. Workshop Industrial Robotics, New Trends and Perspectives, Lisbon, Portugal, pp. 59-87 OTC-DAIHEN Inc. (2009) AX-V4L AP Dimensions and Standard Specifications. Almega AX Series Cat. No. A464 Kangl, M.-G. & Kim, J.-H. & Park, Y.-J. & Woo, G.-J. (2007) Laser Vision System for Automatic Seam Tracking of Stainless Steel Pipe Welding Machine. International Conference on Control, Automation and Systems, Oct. 17-20, 2007 in COEX, Seoul, Korea, pp. 1046-1051 Noruk, J. & Boillot J.-P. (2006). Laser Vision Technology Ensures Six Sigma-level Quality is Achieved in Robotic Welding. Canadian Welding Association Journal, Summer 2006, Canada, pp. 8-12 FANUC (2008) R30iA Integrated Robot Vision. FANUC Ltd., Japan SERVO-ROBOT (2009) Smart Seam Finding Solutions for Robotic Arc Welding Applications. Servo- Robot Inc., Canada Olivares, M., P. Sariego y J. Pontt (2010). Visión por Computador y Sistemas de Robótica Industrial. 5º Seminario de Acercamiento Tecnológico TICAR 2010, Calama, Junio 2010, Chile Salazar, P., G. Torres, M. Olivares y P. Sariego (2010). A Vision Based System for Industrial Robotic Welding Path Correction, Second International Congress on Automation in the Mining Industry Automining 2010, Santiago, November 10-12, 2010, Chile
Automatización y Robótica Industrial Manuel Olivares S. manuel.olivares@usm.cl V Escuela de Invierno UTFSM 04-Julio-2011