integración de un robot mitsubishi melfa rv-m1 para un fms

INTEGRACIÓN DE UN ROBOT MITSUBISHI MELFA RV-M1 PARA UN FMS

Michael Andrés Forero Chaux45101386

Agenda

1. Introducción

2. Problema

3. Justificación

4. Objetivos

5. Metodología

6. Desarrollo

7. Conclusiones

Introducción• Existe un Robot de 5 GDL de tecnología Mitsubishi (Melfa RV-M1) con un

sistema de eje lineal adaptado en su base que no desempeñaba funciónalguna en el Centro de Desarrollo Tecnológico De la Universidad de La Salle.

• El CDT esta realizando algunas optimizaciones al FMS (o SIM) para mejorar surendimiento y solucionar los inconvenientes que presentan en sus módulos.

• El CDT desea implementar dicho sistema robótico (RV-M1 y su eje lineal) alFMS para que desempeñe funciones como elemento posicionador en losmódulos que presentan problemas de precisión.

Problema• El Sistema robótico tiene un protocolo de comunicación (RS-232C) que no es

compatible con las redes de comunicación industrial del FMS (Ethernet,Profibus), lo cual imposibilita el control del mismo desde el sistema deSupervisión y Control (SCADA) del FMS y la transmisión de datos a los otrosmódulos.

Justificación• Dado que el CDT desea implementar el sistema robótico al FMS para que este

realiza una aplicación, es necesario actualizar el protocolo de comunicaciónque la unidad de control de sistema robótico tiene para que el sistema desupervisión y control tenga control y acceso a el.

Objetivos

Principal:• Integrar el RV-M1 y el eje lineal al FMS de la universidad considerando las

redes de comunicación que este tiene.

Secundarios:• Establecer el espacio de trabajo del RV-M1 con el eje lineal para determinar

el espacio que ocuparía en el FMS

• Diseñar un sistema de control de velocidad para el eje lineal y dimensionar suactuador

• Diseñar una arquitectura de comunicación para entender la transmisión dedatos entre el sistema robótico (RV-M1 y Eje lineal) con el FMS

• Realizar una aplicación para validar su integración al FMS

Metodología

Determinar los Modelos Geométricos Directo en

Inverso

Determinar el Espacio de trabajo del Sistema

robótico

Determinar el Modelo Dinámico y cálculo de potencia mínima de

actuador del Eje lineal

Diseño de Trayectorias y Control Dinámico (de Velocidad) para el Eje

lineal

Selección de Equipos para la Integración

Diseño de Arquitectura de Comunicación para la transmisión de datos

Aplicación Resultados

Conclusión

DESARROLLO

Modelo Geométrico Directo (MGD)• Determinado a través del método de coordenadas equipolentes (RANGEL,2011)

X Y

Z

X0

Y0

Z0

X1Y1

Z1

X2Y2

Z2

X3 Y3

Z3

X4 Y4

Z4

X5 Y5

Z5

X6Y6

Z6

Xp Yp

Zp

Px,y,zq1

q2

q3

q4

q5

q6

l1

l2

l3

l4

Ox,y,z

l0

2 4 3 3 5

1 4 2 3 2

3 4 3 4 5

3 4 3 5 2 0

1 2 4 3 3 3

3 4 5

55 34 4

( ) ( )

( ) ( )

( ) ( )

x

y

z

P Sq l C q q l Cq l C q q q

P q l C q q Cq l Cq Cq l C q q q Cq l

P l l l S q q l Sq l S q q q

Modelo Geométrico Inverso (MGD)• Determinado a través del método Geométrico (BARRIENTOS, 1990) y por el

análisis de matrices de transformación homogéneas (Raghavan y Roth, 1993;Kucuk y bingul, 2004; Jazar, 2007).

6180q Roll

5 3 4( ) 90q q q pitch

1 1 43 2 2

4

3 4 4

tan tan pcm

pcm pcm

l Sqq

lx Sql

z

x

2 2 2 2 23 41

4

3 4

cos 2

pcm pmc pcmx

l

y z l lq

l

12

'tan ( )

Yq

X

0

0 2 4 3 34 4 553 3 Donde

1 '

1 ( ( )' )' ( )

y

y

P q l y

y q l P y Cq l C q q l Cq l C q q q

Espacio de Trabajo• Determinado a través del Modelo Geométrico y por las posiciones máximas

que puede alcanzar el Sistema robótico

• Se consideró las limitaciones que tiene las articulaciones del sistema robótico

Sobre el Plano XZ se obtuvo

Articulación Tipo Mínimo Máximo

q1 Prismática 0mm 2000mm

q2 Rotacional 0° 300°



q5 Rotacional -90° 90°

q6 Rotacional -180° 180°

0 100 200 300 400 500 600-200

0

200

400

600

800

1000

X: 579.3Y: 0Z: 373.1

X (mm)

X: 235.1Y: 0Z: -35.09

X: 161.6Y: 0Z: 456.8

X: 20.45Y: 0Z: 202.3

X: 11.52Y: 0Z: 959.9

Z (

mm

)

Espacio de Trabajo

Sobre el Plano XY se obtuvo

Volumen Total de 1,9037��

-600 -400 -200 0 200 400 600-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

X: 8.889

Y: 2579

X (mm)

Y (m

m)

X: 12.72

Y: -579.7

X: 9.187

Y: -339.8

X: 339.9

Y: 150

X: 580

Y: 1160

X: -339.9

Y: 760

X: -580

Y: 1230

-800-600

-400-200

0200

400600

800

-1000

0

1000

2000

3000

200

400

600

800

1000

Modelo Dinámico• Determinado a través del método de newton Euler el cual evalúa la iteración

de las fuerzas y torques con las velocidad y aceleraciones de cada una de lasarticulaciones (J.J.CRAIG, 1989).

• Desarrollado para determinar las fuerzas que influyen en el eje lineal y poderestablecer la potencia mínima

1i i i if f m v g

'1 1 +I Ii i i i i i i i i i in n d f d f

Modelo Dinámico• De acuerdo a las características físicas del sistema robótico se obtuvo unas

magnitudes de fuerzas presentes en el Eje lineal en cada eje referencial

5 mm

2000 mm

25 mm

Jmotor

JHusillo

f1y=21.24 NTornillo sin fin

Servomotor

mRV-M1

μ=0.15

N

f1z=222.419 N

ffriccion

F

Z

Y

Potencia Mínima del Eje lineal• Calculada a partir de las magnitudes de fuerzas obtenidas del modelo

dinámico y considerando las capacidades criticas del sistema mecánico delEje lineal (Mott, 2006)

• Se obtuvo una potencia mínima de 18 Watts a través de a relación develocidad angular critica y torque

• De acuerdo al paso del tornillo (5mm) se tiene una velocidad critica lineal de94,45 mm/s

6

2

4.76 10

( ) Ls

cr

x d Kn

SF

min2

p p

p

F D L f DT

D f L

1133,41 cr

n RPM

0,159T N m

Control Cinemático• Se utilizo el método de trayectorias por interpolación de tramos con el fin de

minimizar las vibraciones procedentes del actuador.

2

2

3 tramos

( )

2 tramos

f i

V

Asi q q

V

A

Control Cinemático• Simulación de trayectorias para el eje lineal con los parámetros críticos

(Velocidad lineal máxima de 100 mm/s y aceleración de 166 mm/��) (MATLAB)

0 1 2 3 4 5 60

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

X: 0.7124

Y: 0.04112

Tiempo (s)

Pos

icio

n q1

(m

m)

Evolucion de la articulacion q1

X: 5

Y: 0.4699

0 1 2 3 4 5 60

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

X: 0.7124

Y: 0.1

Tiempo (s)

Vel

oci

dad d

e q1

(m

m/s

)

Evolucion de la velocidad de q1X: 5

Y: 0.1094

Control Dinámico• Se utilizó el método de control PID debido a su rápida respuesta ante

perturbaciones y cambio en referencia (Moreno, 2001).

• Se modeló el sistema y se determinó la función de transferencia propia deleje lineal

Jmotor JHusillo

TbTtrabajoTentrada w1

(s)0.798

(s) 0.01532 0.175in

V k

T s

Control Dinámico• Comparación de comportamiento del eje lineal sin control y con control PI

(Con ganancias de Kp =0.81 y Ti = 17.7ms )

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

x 10-3

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

X: 0.00237Y: 99.28

Tiempo (s)

velo

cid

ad d

e s

alid

a (

mm

/s)

Respuesta en lazo Cerrado Torque->Velocidad angular

X: 0.00081Y: 88.61

0 0.5 1 1.5

x 10-3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4From: PID Controller To: Out(1)

System: untitled1

I/O: PID Controller to Out(1)

Time (seconds): 0.000729

Amplitude: 1.05

System: untitled1

I/O: PID Controller to Out(1)

Time (seconds): 0.00145

Amplitude: 1

Respuesta en lazo Cerrado Torque->Velocidad angular con PI

Tiempo (s) (seconds)

velo

cid

ad d

e s

alid

a (

mm

/s)

Selección de Equipos de Integración• Se establecieron criterios de selección considerando los requerimientos y

necesidades del Sistema robótico y del FMS

1

• El dispositivo de control debe permitir la comunicación entre la unidad de control del RV-M1 y el FMS, considerando que el canal de comunicación del RV-M1 está sobre el protocolo de comunicación RS-232C y los protocolos del FMS son Profibus y Ethernet TCP/IP.

2

• El dispositivo de control debe permitir la programación de un algoritmo de control para el control de movimientos del RV-M1 y del eje lineal. Dicha programación debe estar bajo el estándar de la IEC 61131-3

3• El dispositivo debe permitir observar los estados de la unidad de

control del RV-M1 y del eje lineal.

4• El Dispositivo de control debe permitir colocar módulos de expansión

de entradas y salidas para futuras aplicaciones.

5• El dispositivo de control debe tener como mínimo dos entradas

digitales rápidas y dos salidas digitales rápidas para el control del servomotor

Selección de Equipos de Integración• Comparación de comportamiento del eje lineal sin control y con control PI

(Con ganancias de Kp =0.81 y Ti = 17.7ms )

Relés programables

• Ampliación máxima de 8 módulos

• Solo Comunicación Ethernet

• Capacidad máxima de 50 Kbits de memoria

• Muy bajo costo

PLC

• Ampliación máxima de 8 módulos con opción de periferia descentralizada

• Comunicación Ethernet , Modbus, Profibus, etc.

• Capacidad máxima de 512 Mb de memoria

• Bajo a medio costo

• Ideal para control de procesos discreto y continuo

DCS

• Ideales para control de procesos continuos

• Acepta cualquier tipo de comunicación industrial

• Capacidad de 512 Mb a 1 Gb

• Alto costo

PAC

• Ideales para control de procesos continuos

• Ampliación de 60 módulos en 15 chasis

• Acepta cualquier tipo de Comunicación Industrial

• Para aplicaciones de alta precisicion

Selección de Equipos de Integración

Selección de dispositivo de control PLC debido a

su bajo costo y gran utilidad en la industria

Se seleccionó el PLC de acuerdo a la tecnología

que posee el FMS (SIMATIC de Siemens)

Selección de PLC SIMATIC S7-1200 con módulos de comunicación RS-232C,

Ethernet y Profibus

Selección de Equipos de Integración

HMI

(Manipulación del Sistema robótico)

PLC

(Control del Sistema Robótico)

Actuador

(Para el posicionamiento del Eje

lineal)

Tecnología SIMATIC de Siemens

Arquitectura de Comunicación• Diseñada para entender la forma en la que el dispositivo de control (PLC)

controla el sistema robótico y tiene comunicación con el FMS

Aplicación• Para manipular manualmente el sistema robótico y programar las secuencia

de movimiento se estableció dos modos: Teaching Box (Modo Manual) y ModoAutomático

Estado Inicial

Modo Teaching Box

Modo Automatico

Modo Teaching box

Manipulación Eje lineal

Manipulacion RV-M1

Lectura de posiciones

Modo Automático

Estado Running

Ejecución de tareas

Secuencias de movimiento

Estado Holding

Parada Sistema Robot

Estado Resetting

Reset RV-M1 y Eje

Lineal

Estado Restart

Home RV-M1 y Eje

lineal

Monitoreo Robot

Lectura de estados RV-M1

Lectura de estados Eje

lineal

Comunicacion

Datos FMS

Datos Robot

Aplicación• Para las secuencia de movimiento se estableció la función que debería de

hacer el sistema robótico. Como ejemplo demostrativo se programó unasecuencia de movimiento para el posicionamiento de piezas en el modulo demanufactura flexible.

Posición N° X(mm) Y(mm) Z(mm) Roll(°) Pitch (°)

Reposo-

Espera en

banda

1 52.3 -90.6 728.5 8.0 184.5

Posición de

pinza en

banda

2 495.0 -2.0 320.0 -39.0 2.0

Posición

Pinza en

Maquina

CNC

3 -573 -14.0 226.0 -23.0 3.0

Posición

espera en

maquina

CNC

4 209.0 0.0 360.0 -85.0 2.0

Secuencia FunciónEvolución de

posiciones

Secuencia de movimiento

1

Toma de pieza en la

banda1 a 2


2

Colocar pieza en

maquina CNC2 a 3


3

Posición de espera

fuera de la maquina

CNC

3 a 4


4

Posicionamiento para

coger pieza

mecanizada en CNC

4 a 3


5

Colocar pieza

mecanizada en banda3 a 2

Aplicación

Resultados• Efectividad del Control PI dentro de la trayectoria establecida al eje lineal

• Error de posición final de 0.68% y Error de velocidad de 0%

-1 0 1 2 3 4 5 60

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

X: 5.5

Y: 0.4991

Tiempo (s)

Evo

luci

on d

e po

sici

on d

e q1 (

m)

Comparacion de trayectoria Teórica y del Driver del Servomotor

X: 5.552

Y: 0.4995

X: 2.204

Y: 0.2095

X: 2.217

Y: 0.1916

X: 0.404

Y: 0.02527

X: 0.4089

Y: 0.01408

Teórica

Real (Driver)

0 1 2 3 4 5 60

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

X: 0.3542Y: 0.04967

Tiempo (s)

Evo

luci

on

de

velo

cidad d

e q

1 (

m/s

)

Comparacion de Velocidad Teórica y del Driver del Servomotor

X: 0.3328Y: 0.06513

X: 2.689Y: 0.1

X: 1.818Y: 0.1

X: 5.5Y: 0.02198

X: 5.572Y: 0.03984

Teórica

Real (Driver)

Resultados• Efectividad del Modelo Geométrico Inverso implementado en el Dispositivo de

Control PLC

• Los errores presentados en los cálculos efectuados en el PLC es que esteredondea a un valor entero

Posición 1 Posición 2 Posición 3 Posición 4

Teórico

(Matlab

)

Real

(PLC)

Teórico

(Matlab

)

Real

(PLC)

Teórico

(Matlab

)

Real

(PLC)

Teórico

(Matlab

)

Real

(PLC)

q0(mm) 733 733 733 733 794 794 794 794

q1 (°) -

60.003

8

-60 -0.2315 0.0 181.39

96

181 0 0

q2 (°) 81.140

6

81 36.790

6

36 16.399

6

16 82.1138 81

q3(°) 2.0141 2 43.824

0

43 41.558

8

43 86.8825 85

q4 (°) -1.15 -1 48.385

4

49 57.958

4

54 6.0037 8

q5 (°) 176.2 176 178 177 177 176 177 177

Error

medido

en q0

(%)

Error

medid

o en

q1 (%)

Error

medido

en q2

(%)

Error

medid

o en

q3 (%)

Error

medid

o en

q4 (%)

Error

medid

o en

q5 (%)

Posició

n 1

0 0,006

3

0,1732 0,700 13,04 0,11

Posició

n 2

0 3,6 2,14 1,88 1,2 0,57

Posició

n 3

0 0,22 2,43 3,46 6,89 0,56

Posició

n 4

0 0 1,35 2,166 -33 0

Resultados• Error Geométrico

• El Error presentado no supero el 1% lo cual indica que el Sistema Robóticollegará a un punto de destino con variación minima

Posici

ón

XQ(mm) YQ(mm) ZQ(mm) q1(mm) q2(°) q3(°) q4(°) q5(°) q6(°)

1 -21.1858 2523.76 386.931 1877.4 6.9263 21.7372 74.7565 67.1000 56.6936

2 -8.8227 1428.8 392.82 782.3 47.2830 31.9068 38.7208 70.6327 89.7423

3 -5.9387 1172.85 384.852 526.1 92.1619 20.0786 30.3467 67.9292 21.5146

4 -15.848 2050.61 384.945 1404.0 45.7805 51.7021 42.6273 49.0533 18.7552

Posici

ón

XQ’(mm) YQ’(mm) ZQ’(mm) q1’(°) q2’(°) q3’(°) q4’(°) q5’(°) q6’(°)

1 -21.1824 2523.66 386.924 1877.3 6.625 21.437 74.456 66.800 56.3936

2 -54.4466 1428.98 386.117 782.2 46.983 31.6068 38.4208 70.3327 89.7423

3 -5.6002 1172.77 384.182 526.0 92.1619 20.0686 30.3367 67.9292 21.5136

4 -15.5099 2050.54 384.275 1403.9 45.7805 51.7121 42.627 49.0933 18.752

Teórico

Precisión de

Actuadores

Error Valor

e1 0.000099

e2 0.0075

e3 0.0007551

e4 0.0007545

2 2 2 2 2 2

' ' 'e dx dy dz x x y y z z Error

ConclusionesDentro del cálculo del modelo geométrico directo que se realizó al RV-M1 con su adaptación de un elementoprismático en su base, se observó que únicamente la posición articular del prisma influye sobre la coordenada Y, locual, para el cálculo del modelo geométrico inverso se consideró únicamente la posición relativa de dichacoordenada con respecto al RV-M1.

De acuerdo a las ecuaciones de posición del modelo geométrico directo se pudo determinar las dimensiones delespacio de trabajo. Determinar dicho espacio de trabajo fue de gran utilidad porque a partir de esto se pudoestablecer el espacio que ocupará el sistema robótico dentro del FMS y así establecer el lugar en donde se ubicaría.

El cálculo del modelo geométrico inverso fue de gran utilidad porque a través del protocolo serial RS-232C, la unidadde control del RV-M1 envía las posiciones cartesianas y la orientación del elemento terminal únicamente, lo cual,como se requería conocer las posiciones articulares para el sistema de supervisión, fue necesario programar lasecuaciones de dicho modelo en el dispositivo de control.

De acuerdo al cálculo de los errores geométricos en el sistema robótico se observó que los errores presentadosconsiderando la repetitividad de los actuadores no superan el 1%, lo cual representa que el sistema robótico llegaráa un mismo punto con un poco diferencia que depende de la resolución de los actuadores.

Dentro de la comparación realizada en los datos obtenidos en la simulación del control PI de velocidad para el ejelineal con los datos obtenidos en la lectura del encoder del servomotor se encontró que la diferencia entre ambas nosupera el 1% (0.68%), lo cual muestra la efectividad de las constantes calculadas y asegura que el eje lineal seguirála velocidad deseada por el usuario.

En la validación de los modelos geométricos directo en inverso del sistema robótico se encontró que haydesviaciones (de 0,1% a 15 %) en los productos de dichos modelos con respecto a lo generado por la unidad decontrol de RV-M1. Esto se debió a que en esta validación no se consideró la resolución y la repetividad de losencoders y al procesamiento de información que realiza tanto la unidad de control del RV-M1 como el PLC.

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Anexos

integración de un robot mitsubishi melfa rv-m1 para un fms

Documents