AUTOMATIZACIÓN DE PROCESOS DE MANUFACTURA, DICIEMBRE 2014

INTRODUCCIÓN

A lo largo de la historia de la humanidad se ha querido representar diferentes sistemas que se pueden configurar en un entorno físico, pero que se pueda adaptar de forma más simple. En la era de la información se han desarrollado diferentes programas que permiten visualizar varios entornos por medio de comandos básicos que en teoría no se requiere de una mayor capacitación, aunque en la mayoría de veces estos restringen a los equipos que la misma empresa que implemento el entorno desarrolla, como es el caso de ABB® con RobotStudio.

Pero existen diferentes software que emulan el entorno de trabajo en el que se desarrolla la mayoría de proyectos en la industria, donde existen diversidad de equipos de diferentes proveedores, además de aquellas restricciones de espacio que se tenga en el lugar, así como el funcionamiento de dichos equipos para realizar una especie de representación virtual de dicho entorno de trabajo. DELMIA, software desarrollado por Dassault Systemes®, permite esta representación virtual debido a su amplia base de datos, con la intención de incrementar el rendimiento de producción.

I. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Y DIAGRAMAS

Se requiere llevar por medio de un robot ABB IRB-140 una pieza de una posición inicial a una posición donde otro robot de la misma referencia con una herramienta de antorcha para realizar un proceso de soldadura con forma de relámpago, para después poner en una posición final. Se toma el mismo entorno de trabajo que está presente en el laboratorio de robótica industria de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Colombia.

Figura 1. Entorno de trabajo del laboratorio de robótica.

Automatización de Procesos de ManufacturaCristiam Camilo Bonilla 285743 – Felipe Castañeda 285728 – Saúl Gregory Mendieta 285754

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIAFacultad de Ingeniería

Implementación de Software DELMIA

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Para apreciar el funcionamiento de la tarea a realizar se usa una red de Petri, la cual es una herramienta de modelado de representación y análisis de procesos concurrentes, compuesta por lugares, transiciones, arcos dirigidos y tokens que ocupan posiciones dentro de los lugares. El funcionamiento de la red de Petri se basa en las siguientes reglas: los arcos conectan un lugar a una transición así como una transición a un lugar, no puede haber arcos entre lugares ni entre transiciones y los lugares contienen un número finito o infinito contable de tokens; las transiciones consumen tokens de una posición de inicio y producen tokens en una posición de llegada; una transición está habilitada si tiene tokens en todas sus posiciones de entrada. Este sistema permite apreciar la rutina de forma más simple, con posibilidad de observar fallos en el diseño de la misma. Para el diseño e implementación de redes de Petri se usó el programa de código abierto WoPeD o Workflow Petri Net Designer, desarrollado por la Universidad Estatal Cooperativa Karlsruhe bajo licencia LGPL, que busca facilitar el modelado, simulación y análisis de proceso descrito por redes de flujo de trabajo o redes de Petri.

Figura 2. Red de Petri del Sistema

Se puede ver la programación de la rutina por medio del diagrama Ladder que se encuentra en la siguiente imagen:

Figura 3. Programación Ladder de la rutina.

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II. IMPLEMENTACIÓN DE DELMIA

Como fue propuesto en el enunciado del ejercicio se comienza la modelación de la celda de fabricación en el software de manufactura y producción de DELMIA, que posibilita virtualmente definir, monitorear y controlar las variables y elementos del proceso, por medio las aplicaciones de CATIA (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application) con las que cuenta la plataforma. Se realiza el diseño del espacio de trabajo de forma que permita la simulación virtual de la celda ubicada en el laboratorio de robótica de la Universidad Nacional de Colombia, presentando por medio de modelos CAD los dispositivos que componen el área de trabajo.

El objetivo del proceso de modelamiento y simulación es mostrar la acción conjunta de los robots de la celda de trabajo, en la cual el primero realiza una tarea de pick and place, ubicando una pieza de trabajo por medio de un elemento de agarre (gripper) en una posición determinada, para que luego el segundo robot pueda realizar una operación de soldadura en la pieza, la cual es retirada posteriormente de la zona de acción, lo que permitiría iniciar de nuevo el proceso con otra pieza. La función principal de la celda de manufactura es realizada por medio de dos robots ABB IRB-140, los cuales cuentan con seis grados de libertad y son capaces de manejar hasta seis kilogramos, por lo que son aptos para realizar diferentes tareas dentro de su área de operación, además que permiten ser adaptados a los diferentes tipos de celdas, por lo que pueden ser montados en superficies inclinada para realizar la labor deseada.

El modelamiento de la celda de manufactura se realiza por medio del diseño de cada uno de los elementos, que permitan visualizar correctamente el espacio de trabajo real, por lo que se realiza el diseño del armario que contiene el controlador y los módulos de energía del robot. De igual forma, se procede a modelar las mesas, el piso y el tablero que se encuentra en el laboratorio para darle una visualización más real al entorno y posibilite determinar mejor la zona de acción disponible para el movimiento de los robots. El resultado de este proceso de diseño se muestra en la siguiente figura:

Figura 4. Diseño y Modelación de la celda de manufactura.

Los modelos CAD de los robots son obtenidos de la librería de Delmia, los cuales permiten realizar la simulación de las tareas realizadas por el dispositivo real. Sin embargo, estos modelos no cuentan con los cabezales para realizar las tareas requeridas, por lo que es necesario hacer el diseño y ensamble de estos elementos. Para poder realizar los modelos de los cabezales, se realizan primero cada una de las partes para luego ser importadas dentro de un mismo archivo y ser ensamblados como productos, teniendo en cuenta la cinemática y restricciones de movimiento que tiene el funcionamiento del cabezal. Para poder recrear de manera correcta el movimiento de esta

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parte del robot, es necesario anclar los elementos que permanecerán rígidos respecto a la estructura del robot e indicar las junturas que permitirán el movimiento del mecanismo, como es el caso de la junta prismática en el elemento gripper. De igual forma, se definen los ejes de referencia para determinar los puntos donde el elemento debe ensamblarse con el robot y la posición de home, a la cual retornara en caso de que sea necesario volver a una posición inicial determinada. Este proceso de diseño y ensamble tiene como resultado los siguientes modelos:

Figura 5. Cabezales de Gripper y antorcha de soldadura

Se ha de notar en la figura 5 como se definieron los sistemas coordenados respectivos para la base y la herramienta (tool) para cada herramienta, en el caso del griper al ser una geometría simple se definió en su propio archivo de producto los ejes coordenados, en cambio para la antorcha de soldar se decidió definir dichos sistemas coordenados en el archivo tipo estación que contenía el montaje final y de esta forma situar los ejes de forma más precisa(nótese que el sistema coordenado de tool esta girado 180° respecto al sistema coordenado de base) .

El elemento que se plantea como pieza de trabajo cuenta con la geometría adecuada para poder realizar el correcto agarre además de una superficie que posibilita realizar el trayecto del proceso de soldadura, como se muestra en la siguiente figura:

Figura 6. Modelo a Soldar

para la consideración del diseño de la pieza a mover y soldar vista en la figura 6 se toma en cuenta en primer lugar que debido a la geometría y funcionamiento del griper este tiene facilidad para agarrar piezas de geometría definida (principalmente cuadrados, rectángulos y paralelogramos) por lo cual se define la pieza a soldar como una pieza cuadrada, también se considera que al momento de realizar tareas de soldado seguir contornos circulares suavizados y sin cambios abruptos es lo más fácil para el ABB IRB-140, por lo cual se toma la decisión de realizar una trayectoria conformada de líneas quebradas con cambios de dirección abruptos esto para exigir al máximo el robot en la tarea de seguir la trayectoria de soldadura y demostrar la complejidad de geometrías que tiene la capacidad de seguir el robot.

Con el diseño de las piezas finales, se realiza el ensamble de los cabezales en los extremos de los robots, además se añade la pieza dentro de la celda, para que se pueda manejar luego al realizar las operaciones:

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Figura 7. Ensamble de los cabezales.

Nótese en la figura 7 como uno de los IRB-140 tuvo que acercarse al otro IRB-140 (posicionándose sobre el tablero) para que pudieran trabajar en conjunto, esto debido a que en los laboratorios de la UNAL los 2 robots están ubicados de tal manera que sus espacios de trabajo nunca se intersecten, si bien al poner el griper y la antorcha de soldar los espacios de trabajo se intersectan dicho espacio de trabajo es tan solo espacio de trabajo alcanzable, es decir solo se llega a ese punto de intersección en una sola orientación esto dificulta la tarea de soldado y no permite generar la trayectoria a través del DELMIA, en cambio al reposicionar el robot el espacio de trabajo que se intersecta de ambos IRB-140 es espacio de trabajo diestro por lo cual es posible desarrollar la tarea de soldado en el punto en el que el IRB-140 deja la suelta la pieza.

III. DEFINICIÓN DE OPERACIONES

Para realizar el proceso de manufactura propuesto se llevaron a cabo las siguientes operaciones:

2 operaciones de picking and placing. Operación de soldado. Varias operaciones de espera para sincronizar la rutina de trabajo entre los robots.

A continuación se procede a explicar brevemente como se realizó cada operación, sin embargo para mayor información acerca de la programación de dichas tareas se aconseja visitar las referencias encontradas en la bibliografía de este informe.

a. Definición de operaciones de picking and placing

Para la labor de picking and placing inicialmente se debe crear una rutina con “newtask”, (en el ambiente de Device Task Definition) posteriormente después de crear la nueva tarea se emplea la herramienta “teach a Device” y se selecciona el ABB que tiene el gripe y mediante la herramienta jog de la ventana de teach se empieza a definir cada posición por la cual se va a mover el ABB. En la figura 8 se puede observar el recuadro de definición de posiciones.

Figura 8.cuadro de aprendizaje de movimientos para el ABB.

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Se realiza este proceso para cada posición necesaria, en total se agregaron 27 posiciones para las 2 labores de picking and placing.

Una vez definida cada posición por la que debe pasar el robot se realiza lo siguiente:

Se cambia el formato de Compact a Table, de esta forma se pueden visualizar mejor las operaciones. Se selecciona el recuadro Track Target. Se cambia el tipo de movimiento a lineal (LIN) donde sea necesario. Se cambia a tipo proceso cada punto de la trayectoria en el que se vaya a agarra o soltar un elemento. Se hace doble clic sobre cada punto definido como proceso y según la labor de pick o place se configura la

operación según el procedimiento de las figuras 9 y 10.

Figura 9. Configuración de tarea de picking

Figura 10. Configuración de tarea de placing

b. Definición de operación de soldadura.

Las operaciones de soldadura en DELMIA son relativamente fáciles de programar, a continuación se explica brevemente el procedimiento que se siguió para realizar dicho proceso.

Se crea una nueva tarea en “newtask” Se selecciona la herramienta “Create FollowPathActivity” Se selecciona el contorno a soldar teniendo en cuenta que la flecha roja quede apuntando siempre hacia abajo

y seleccionando el elemento siguiente a la flecha marcada con stop. Finalmente se obtiene un contorno como el que se puede observar en la figura 11.

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Figura 11. Contorno a soldar.

c. Definición de operaciones de espera.

Para definir las operaciones de espera que permitieron sincronizar la rutina de ambos robots se siguió el siguiente procedimiento:

En Resource detalling se elige el ambiente Workcell Sequencing. Después de la primer rutina de picking and placing se emplea la herramienta “Create Set I/O State”, se le

asigna el nombre start y se configura para que pase a estado on al terminar la primer tarea de picking and placing.

Se pasa al principio de la rutina de soldado del otro Robot, y posicionándose sobre esta se emplea la herramienta “Create Wait IO state”, se referencia la rutina de espera seleccionando la variable start anteriormente creada y se ubica antes de la rutina de soldado, de esta manera al terminar la primera rutina de posicionamiento empezara la rutina de solado.

Se repite el proceso anterior, pero esta vez creando una variable denominada “final” que se ubica al final de la rutina de soldado, y se incluye como una rutina de espera al principio de la segunda rutina de picking and placing.

Figura 12. Herramientas de coordinación de rutinas lógicas.

IV. SIMULACIÓN DE LAS OPERACIONES

El software de simulación permite crear las operaciones que se desean ejecutar con los robots, además tiene la herramienta para crear una secuencia general de movimiento de la celda de trabajo, por medio de la interconexión de las secuencias individuales de operación en cada uno de los actuadores, lo que permite la simulación de tareas conjuntas de forma paralela o secuencial y la visualización dinámica del proceso de fabricación.Para este caso en particular, se desea realizar una secuencia general consistente de la posición de la pieza en la zona de trabajo, la operación de soldadura en la trayectoria determinada dentro de la pieza, y el retiro de la misma por parte de la acción conjunta de los robots.

La primera tarea consiste en recoger la pieza de trabajo de una posición inicial para situarla dentro del área de trabajo y al alcance del segundo robot, esa es completada mediante la implementación del mecanismo del gripper que permite la sujeción de la pieza, además de la programación de la trayectoria a seguir con la orientación que le permita

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realizar el movimiento completo y sin tener colisiones con los demás elementos. La siguiente secuencia muestra cómo se realiza este movimiento desde la posición inicial hasta la zona de trabajo:

Figura 8. Operación inicial de Pick and Place de la pieza de trabajo.

Debido a que es una tarea conjunta, el primer robot vuelve a una posición determinada y fuera del alcance del segundo robot, de esta forma por medio de una señal que representa la finalización del primer movimiento, se comienza el proceso de soldadura del perfil que se encuentra dentro de la pieza, como se muestra en la siguiente secuencia:

Figura 9. Operación de Soldadura.

Luego de terminar esta operación, el robot se dirige a una posición que permita realizar la siguiente tarea del primer robot, pero que pueda volver rápidamente a hacer la operación de soldadura en una próxima pieza. De esta forma comienza el tercer y último movimiento del ciclo del proceso de fabricación, que consiste retirar la pieza de trabajo a una posición final, para que siga a otro módulo de fabricación. Al igual que la primera operación, consiste en una tarea de pick and place por medio del agarre del mecanismo del gripper. La siguiente imagen presenta como se desarrolla esta acción:

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Figura 10. Operación final de Pick and Place de la pieza de trabajo.

Al finalizar el proceso, el robot puede volver a la posición inicial o seguir directamente a recoger la siguiente pieza, dependiendo la aplicación del proceso de manufactura y la disponibilidad de la siguiente pieza de trabajo. Esta simulación permite observar posibles errores que se pueden encontrar durante el funcionamiento de los robots, como es el hecho de que en la ubicación real de los robots, el espacio de trabajo diestro no permitía el alcance de la pieza por el segundo robot luego de que el primero la posicionara en la zona de trabajo. Por esta razón, fue necesario modificar la posición del robot de soldadura, de forma que pudiera alcanzar la pieza y realizar los movimientos correctamente.

Para apreciar esta simulación se puede seguir el siguiente link: https://www.youtube.com/watch?v=BkX_qYVLDy8

Para apreciar la simulación de redes de Petri ver el siguiente Link:

V. BIBLIOGRAFIA

Rutinas lógicas de Robots:

https://www.youtube.com/watch?v=DICqgNEsQlA

Diapositivas del curso:

https://sofrony-mecatronica.wikispaces.com/APM+2012-1

D. Chablat / S. Caro -- Institut de Recherche en Communications et Cybernétique de Nantes, Practical Work –DELMIA V5 R20

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