Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
Automatización
y
Robótica Industrial
Manuel Olivares S.
V Escuela de Invierno UTFSM
04-Julio-2011
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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
Agenda
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 2
Vocablo “robota” usado en 1921
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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”
Automatización
Automatic Loom (1804) J.M Jacquard
Steam Machine (1787) J. Watt04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 3
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 4
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control IndustrialAutomatización en el LCI
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 5
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
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 6
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 7
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 8
NAO
Aldebaran
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control 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 mechanical master - slave manipulator (1950) R. Goertz
The first industrial robot (1959), G.C. Devol & J.F. Engelberger
Robótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 9
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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.)
Robótica Industrial
Robotic Industries Association (RIA-1974)
International Federation of Robotics (IFR-1987)
V Escuela de Invierno UTFSM 1004-Julio-2011
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control 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, PochFuente: IFR - World Robotics, June 2008
Robótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 11
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control 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
Robótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 12
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control 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
Robótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 13
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control IndustrialRobótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 14
Articulaciones
Tipos de robot: Cartesiano, SCARA,
Cilíndrico, Delta, Polar, Verticalmente
articulado
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control IndustrialRobótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 15
Servomotores
Reductores
Transmisiones
Herramientas
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control IndustrialRobótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 16
Accesorios
Rieles
Posicionadores
Estaciones de transferencia
Sistemas AS/RS
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
Software de programación y simulación off-line
Robótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 17
RobotStudio de ABB
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
Componentes de un manipulador
Robótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 18
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
Componentes de un manipulador
Robótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 19
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
Componentes de un manipulador
Robótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 20
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
Componentes de un robot soldador
Robótica Industrial
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 21
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control 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
Robótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 22
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control 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
Robótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 23
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control 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
Robótica Industrial
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 24
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control IndustrialRobótica Industrial en el LCI
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 25
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
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control IndustrialRobótica Industrial en el LCI
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 26
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
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 27
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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 Automatizada
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 28
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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
Soldadura Automatizada
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 29
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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
Soldadura Automatizada
V Escuela de Invierno UTFSM 3004-Julio-2011
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
Arquitectura de la solución propuesta
Soldadura Automatizada
V Escuela de Invierno UTFSM 3104-Julio-2011
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
Pruebas 2D Pruebas 3D
1
2
Soldadura Automatizada
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 32
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
Resultados 2D Resultados 3D
Soldadura Automatizada
V Escuela de Invierno UTFSM 3304-Julio-2011
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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
Soldadura Automatizada
Fuente: Robotics Research Group, The University of Texas at Austin, USA
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 34
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 35
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 36
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
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
04-Julio-2011 V Escuela de Invierno UTFSM 37
Universidad Técnica F. Santa María
Departamento de Electrónica
Laboratorio de Control Industrial
Automatización
y
Robótica Industrial
Manuel Olivares S.
V Escuela de Invierno UTFSM
04-Julio-2011