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Universidad Técnica F. Santa María

Departamento de Electrónica

Laboratorio de Control Industrial

Automatización

y

Robótica Industrial

Manuel Olivares S.

[email protected]

V Escuela de Invierno UTFSM

04-Julio-2011




Automatización

Historia y definiciones

Componentes: Sensores, Actuadores, Controladores

Automatización y Control en el Lab. de Control Industrial

Aplicaciones: Procesos secuenciales, procesos continuos, etc.

Robótica



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

Agenda

04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 2

Vocablo “robota” usado en 1921





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”

Automatización

Automatic Loom (1804) J.M Jacquard

Steam Machine (1787) J. Watt04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 3




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

Automatización




Laboratorio de Control IndustrialAutomatización 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




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

Automatización 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

Control Industrial en el LCI





Historia y definiciones Robots industriales, de

servicio, autónomos, de campo,

de investigación,

entretenimiento, educativos …

Robots Industriales

Primera Generación

– Telemanipuladores (1950),

Brazos articulados (1960)

Segunda Generación

– Robots con sistemas sensoriales

avanzados: tacto, visión, etc.

Tercera Generación

– Robots con capacidad de toma de

decisiones (en desarrollo)

Spot/arc

welding

Robot

Material

handling

Robot

SCARAassembly

Robot

Asimohumanoid

Robot, Honda

2000

AIBO entertainment

Robot, Sony

2004

Robocupsoccer

challenge

2050

AGV

DARPAchallenge

2004

Fujitsuservice

robot

2005

AUVVirginia Tech

2007

LegoMindstorms

2005

Robótica


NAO

Aldebaran




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 mechanical master - slave manipulator (1950) R. Goertz

The first industrial robot (1959), G.C. Devol & J.F. Engelberger






Definición:

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.)


Robotic Industries Association (RIA-1974)

International Federation of Robotics (IFR-1987)

V Escuela de Invierno UTFSM 1004-Julio-2011




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, PochFuente: IFR - World Robotics, June 2008






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






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





Laboratorio de Control IndustrialRobótica Industrial


Articulaciones

Tipos de robot: Cartesiano, SCARA,

Cilíndrico, Delta, Polar, Verticalmente

articulado





Servomotores

Reductores

Transmisiones

Herramientas





Accesorios

Rieles

Posicionadores

Estaciones de transferencia

Sistemas AS/RS




Software de programación y simulación off-line



RobotStudio de ABB




Componentes de un manipulador






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





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






¿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






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





Laboratorio de Control IndustrialRobótica 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



Laboratorio de Control IndustrialRobótica 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




Proyecto CAINSA, CORFO – INNOVA

Ingeniería conceptual para la automatización de la

manufactura de tolvas para camiones mineros

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

Carga nominal 290 [ton]

Dimensiones de la tolva

piso 8.5x9 [m2]

2 laterales 8.5x3.5 [m2]

frente 9x3.5 [m2]

visera 9x4 [m2]

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






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






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






Arquitectura de la solución propuesta






Pruebas 2D Pruebas 3D

1

2






Resultados 2D Resultados 3D



soldadura adaptiva en 3D.AVI




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


http://www.robotics.utexas.edu/rrg/

http://www.robotics.utexas.edu/rrg/




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

Automatización y Robótica





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

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

Empresas

CIMTEC – Robot OTC-DAIHEN

CAINSA – Proyecto CORFO INNOVA

POCH Applied Technologies– Software RobotStudio de ABB

Colaboradores





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

Referencias





Automatización

y


Manuel Olivares S.

[email protected]

V Escuela de Invierno UTFSM

04-Julio-2011

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