Robótica Industrial. Software de Monitorização e Parametrização

Robótica Industrial
Software de monitorização e controlo.
J. Norberto Pires
Departamento de Engenharia Mecânica
Universidade de Coimbra - PORTUGAL
Web: http://robotics.dem.uc.pt/norberto/
e-mail: [email protected]
Universidade de Coimbra ...
Uma velha senhora, de 800 anos, mas ainda cheia de encanto.
A Universidade de Coimbra é uma das 3 universidades mais velhas do mundo.
Departamento de Engenharia Mecânica
Laboratório de Robótica Industrial
Índice
PDF
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http://robotics.dem.uc.pt/norberto/
Motivação.
z
z
Sistemas flexíveis de produção.
O que é necessário para robotizar o processo de soldadura?
| Aspectos de organização de sistema:
z
z
z
Hardware.
Software.
Interface com o utilizador.
| Uma arquitectura de software para aplicações industriais.
z
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Exemplos.
Aplicação a um caso industrial de paletização.
Descrição do problema e da solução desenvolvida.
Imagens, vídeos. Dados de produtividade.
O caso da soldadura robotizada.
z
z
z
Descrição do problema.
Exemplo de aplicação.
Interface via AutoCad.
| Conclusão.
| Referências.
Motivação
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|
|
Porquê robotizar?
Porquê automatizar?
Porquê utilizar software para controlo e monitorização de
produção?
Porquê a utilização de equipamentos electrónicos automáticos no
shop-floor?
|
Porquê apostar em tecnologia, nomeadamente em sistemas
flexíveis de produção, nas actuais unidades de produção?
|
É mesmo uma opção, não será mesmo uma condição para ter
sucesso?
Sistemas Flexíveis Robotizados de
Produção: uma opção económica
Os modernos sistemas de produção utilizam de forma crescente
equipamentos automáticos, nomeadamente equipamentos baseados em
robôs industriais.
Essa é uma opção económica, que se prende essencialmente com os
seguintes factores:
1. Os robôs manipuladores podem executar tarefas de uma forma quase
humana, continuamente, com elevada e constante precisão, e são flexíveis,
adaptáveis;
Sistemas Flexíveis Robotizados de
Produção: uma opção económica
2. Os robôs industriais são, de todos os equipamentos usados na Automação
Industrial, aqueles que apresentam melhor índice de custo de produção por
unidade de produto, em função do volume de produção, para
pequenos/médios volumes de produção (Figura 1). Ora esse é o caso da
esmagadora maioria das pequenas e médias empresas, existentes nos países
desenvolvidos ou em vias de desenvolvimento. Na verdade, dadas as
características de mercado (elevada concorrência, produtos definidos em parte
pelos clientes, produtos com tempos de vida curtos, exigência crescente de
mais qualidade a mais baixo preço, etc.), as empresas produzem
essencialmente por encomenda e não arriscam stocks (para além dos
indispensáveis stocks de segurança), pelo que as produções são de pequena e
média escala. Essa é talvez a razão da utilização crescente de robôs em
ambiente industrial.
Sistemas Flexíveis Robotizados de
Produção: uma opção económica
• Mercado Global
• Produtos definidos em parte pelos clientes.
• Produtos densos e tecnologicamente complexos.
• Produção em pequena/média escala.
• Mais qualidade a mais baixo preço.
Produção flexível e ágil.
• Organização.
• Standards
• Equipamentos Programáveis.
• Automação Programável.
• Sistemas de informação e apoio à
decisão.
• Robótica.
• Computação industrial.
Sistemas Flexíveis Robotizados de
Produção: uma opção económica
Custo por Unidade
Robô
Automação Rígida
Trabalho
Manual
Zona da Robótica Industrial
Volume
Figura 1 – Zona da Robótica Industrial
Porquê Robôs?
3. Os robôs mais evoluídos são máquinas programáveis poderosas, possuindo
vários mecanismos de interface com outros equipamentos. Estas características
tornam os robôs equipamentos flexíveis por excelência, isto é, máquinas
que se podem adaptar às mais diferentes tarefas. Estas características aumentam
a disponibilidade dos equipamentos robotizados para alterações significativas de
tarefas e operações, o que é fundamental para responder de forma ágil a
alterações de mercado ou à introdução de novos produtos.
Na verdade, nas fábricas modernas actuais verifica-se uma grande mistura
de trabalho humano e trabalho baseado em máquinas automáticas (robôs
manipuladores e móveis, máquinas ferramenta, autómatos programáveis,
equipamentos pneumáticos e hidráulicos, etc.). Essa realidade coloca enormes
desafios ao nível dos dispositivos e software de interface homem-máquina
(HM), os quais não se encontram resolvidos e são tema actual de I&D. É
necessário tornar essa interface mais simples, intuitiva, menos formal e mais
segura. Para além disso, o factor humano pela sua baixa previsibilidade tende a
colocar situações aos sistemas automáticos que são de difícil solução,
nomeadamente em sistemas que não podem parar com frequência, e que têm de
manter graus de segurança muito elevados. Isso reforça a importância das
soluções de interface HM no sucesso de um sistema automático
industrial.
Integração em sistemas de produção
Um outro enorme desafio é o da agilidade. Isso significa tirar partido, de
forma eficiente, da flexibilidade inerente aos equipamentos modernos de
automação industrial. Não é uma tarefa fácil, e exige que se explorem os vários
equipamentos à disposição, distribuindo tarefas e coordenando o seu
desempenho. A agilidade é hoje um factor importante, dado o tempo de vida
reduzido dos produtos e a necessidade que existe de ter sistemas produtivos
adaptados à produção de vários tipos de produtos diferentes, com vários modelos
diferentes.
Para além disso, um processo produtivo automatizado é um processo
produtivo que foi estudado, identificando e racionalizando as fases desse
processo. Está normalmente organizado em células de produção, onde se
realizam um determinado número de tarefas sobre as matérias-primas e produtos
semi-acabados, formando produtos que se aproximam sucessivamente do produto
final, à medida que vão passando por mais células de produção. Esta “viagem”
desde o armazém de matérias-primas até ao armazém de produto acabado,
passando pelas várias células de produção, entre as quais existem em
determinadas fases de fabrico pequenos armazéns (buffers) de produto semiacabado, constitui o processo produtivo de um determinado produto (Figura 2)
Integração em sistemas de produção
Fornecedores
Buffer
Ciclo 1
Buffer
Ciclo 2
Ciclo 3
Ciclo 4
Buffer
Ciclo 5
Buffer
Figura 2 – Fluxo de Produtos numa Instalação Produtiva
Clientes
Integração em sistemas de produção
Quem desenvolve equipamentos, bem como quem pretende usá-los na
sua empresa, tem de ter a noção clara da maneira como se organizam as
empresas modernas, de forma a adaptar os seus equipamentos para
trabalharem neste tipo de ambientes, permitindo uma exploração exaustiva das
suas capacidades.
Productividade
Eficiência
Organização do tipo CIM
Managment
Level
Computer Integrated Manufacturing
Economic and Finantial
Managment
Internet
Router
Market Surveys and
Marketing
Production Managment
and Planning
Project
HUB
Process
Level
Production
Level
Switch
CL_1
...
Cell
Level
HUB
Equipment
Level
CC_1
CL_N
HUB
...
...
...
CFM_1
Equipments
CFM_N
Equipments
CC_N
Componentes de um Sistema Robotizado de
Soldadura I
Profibus
PC
CCD
Ethernet
Joystick
Laser 3D
Máquina
Soldadura
Controlador
Sensores
Robô + eixos externos
Máquina de Soldadura
Computador de Monitorização e Controlo
IO do processo
Componentes de um Sistema Robotizado de
Soldadura II
Rede Local de Comunicação TCP/IP
PC
CCD
Joystick
Laser 3D
Máquina
Soldadura
Controlador
Sensores
Robô + eixos externos
Máquina de Soldadura
Computador de Monitorização e Controlo
IO do processo
Rede
Rede Local de Comunicação TCP/IP
MS1
CCD 1
MS2
CCD 2
Laser 2
Sensores
Robô 2
PC2
Robô + eixos externos
Máquina de Soldadura
Laser 1
PC1
Robô 1
Computador de Monitorização e Controlo
Sensores
|
|
Têm evoluído muito, nomeadamente em termos de fiabilidade e
funcionalidade.
A perspectiva aqui é de caminhar para sensores inteligentes, isto é,
sensores programáveis, com eventos assíncronos, que implementam
algum tipo de chamada remota (RPC).
Rede Local de Comunicação TCP/IP
PC
Camera Laser 3D, M-Spot 90
Exemplo
Rede Local de Comunicação TCP/IP
PC
Camera Laser 3D, M-Spot 90
Comandos
Rotinas de
serviço
Respostas
Eventos assíncronos
Executor
Diálogo de
Interface
Eventos
Robôs
ico
r
é
f
o es
h
n
Pu
Eixo 1
Eixo 4
Eixo 3
Eixo 6
Eixo 2
rfico
pomó
antro
Braço
Eixo 5
Modelo: ABB IRB 1400 M2000
Manipulador antropomórfico = braço antropomórfico + punho esférico
Estado da arte na Robótica
1.
2.
3.
4.
Position and Motion controllers ⇒ Basically that’s all they can do.
Capacidades de PLC para controlo de IO.
Ethernet, fieldbuses e ligações série.
Linguagem de programação ou script para acesso a recursos.
Repetibilidade
até 0.03 mm (0.1 é comum)
Velocidade
at+é 5 m/s
Aceleração
Até por volta de 25 m/s2
Capacidade de Carga
de 2-3 kg até 550 kg
Peso/capacidade de carga
até 30-40
Eixos
6
Comunicações
Profibus, Can, Ethernet e ligações série (RS 232, 485)
Capacidades de IO
Capacidades de PLC para IO digital e analógico.
Dificuldades
|
|
|
|
|
|
Difíceis de programar por operadores usuais.
Muitas linguagens de programação.
Caros ⇒ novas necessidades requerem robôs melhores, ainda mais caros.
Sistemas fechados ... Mesmo para o utilizador avançado.
Linguagens de programação deficientes.
Serviços remotos deficientes.
Futuro próximo
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Lower price
Higher performance
More sophisticated sensor control
Better on-line control from prod. control systems
Better simulation and off-line programming tools
Better remote services
Better quality
Better diagnostics
Lower energy consumption
Support for new production processes
Force control ⇒ As a regular feature
Evolve to lighter structures
Better SOFTWARE ...
Robótica de manipulação industrial: futuro
Capacidade: melhor performance, estruturas mais leves ⇒ maiores
acelerações, maiores velocidades e controlo posicional mais preciso e versátil
... Por exemplo, os modelos dinâmicos actuais mais eficientes têm 7-10 % de
erro.
Utilização: Ambientes de programação mais poderosos, mais fáceis de usar,
meios de acesso aos controladores de baixo nível permitindo alterar o
funcionamento standard ⇒ object oriented software and programming.
Conectividade: Meios de acesso standard com protocolos também standard
para integração do processo produtivo: redes e protocolos, serviços de rede
(telnet, ftp, disk mounting), RPC, RMI (Java), OPC.
Continuamos na fase dos robôs obedientes, a AI não terá aplicação a médio
prazo (o C3PO industrial não é para já). É preciso que sejam mais fáceis de
comandar e possam receber “ordens” mais complexas, de mais alto nível ⇒
ser capaz de programar tarefas complexas e de as “comandar”.
Monitorização e Controlo
Sensor A
Aplicação
Chamada Síncrona.
Controlador
Diálogos de
interface com
utilizador
Programa
Servidor
Objecto A
Serviços
Objecto C
Objecto B
Resposta Síncrona
Sensor B
Programa
Servidor
Programa
Servidor
Mapeador de
Portos
Equipamento
Evento:
Resposta Assíncrona.
(implica subscrição de um
serviço)
Aplicação
comercial
Rede Informática industrial.
DDE Client
Applications
DDE Server
OLE
OLE
ActiveX
Robot
Communication
Object
Messages
OLE
ActiveX
Force/Torque
Sensor Object
DDE Services
RPC
Server
Windows
Dialog
OLE
ActiveX
Robot
Communication
Object
Win32 Application
Sy
nc
.
ape
r
Board
NT Kernel
Driver
DDE Callback
Function
Por
tm
Force/Torque
Sensor Board
ActiveX
Force/Torque
Sensor Object
DDE
RP
C
Ca
ll
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A
ns
we
rs
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Msg
.
s
al l
CC
rs
RP
we
s
n
.A
c
n
Sy
Robot Control System
RPC
Server
Programs
RAPID
Aplication
Acesso via interfaces comuns
Microsoft Office: Word, Excel, PowerPoint
Microsoft Visual Studio: C++, Basic, FoxPro
Matlab
LabView
Virtualmente qualquer cliente DDE
Exemplos Industriais
|
|
|
|
|
Exemplo
Exemplo
Exemplo
Exemplo
Exemplo
na
na
de
na
na
indústria do vidro para automóvel.
área da indústria do papel.
rebarbagem de peças metálicas.
área da Soldadura Robotizada.
área da indústria cerâmica.
Exemplo da Indústria Cerâmica
Palete
Palete
Esteiras de inspecção
Robô ABB IRB6400
Robô ABB IRB6400
Palete
Palete
Eixo Linear
PC
Exemplo da Indústria Cerâmica
Des-paletização
Exemplo da Indústria Cerâmica
Des-paletização
Exemplo da Indústria Cerâmica
Des-paletização
Exemplo da Indústria
Paletização
Exemplo da Indústria
Paletização
Exemplo da Indústria
Paletização
Exemplo da Indústria
Paletização
Exemplo da Indústria Cerâmica
Paletização
Pics do trabalho mais recente.
Atenção
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... mas é por uma BOA causa ...
Revista
Robótica
Periodicidade: Tri-Mensal
Área: Robótica e Automação,
Instrumentação e Controlo.
Artigos com referee.
Artigos técnicos.
Artigos de opinião.
Revisões de Livros.
Informações sobre tecnologias,
feiras, conferências, etc.
Direcção: J. Norberto Pires
[email protected]
Edição: Júlia Guimarães
j.guimarã[email protected]
Pub & subscrição: Júlio Almeida
[email protected]
http://www.robotica.pt/
Automação Industrial – 2ª Edição
Automação Industrial
J. Norberto Pires
© Lidel, ETEP, Lisboa, Portugal
445 páginas
1ª Edição 2002
2ª Edição 2003
Brevemente (Janeiro de 2004):
“Industrial Robotic Programming:
building applications for the
factories of the future”
Chapman & Hall, KLUWER
New York, USA
Conclusão
Em conclusão, apresentaram-se de forma resumida várias aplicações industriais de
automação/robótica industrial, onde se procurou mostrar a interdisciplinaridade de assuntos
que se conjugam em trabalhos deste tipo. Para além disso, procurou-se ainda mostrar o interesse
prático e operacional em conjugar software local, a correr nos controladores dos vários equipamentos
usados, com software em PC usado para comando e monitorização. Finalmente, este exemplo pretendeu
de certa forma ilustrar a utilização de componentes de software, desenvolvidos com o objectivo de
simplificar a utilização de máquinas avançadas, como os robôs manipuladores, a partir de PCs comuns.
Para além disso, procurou-se demonstrar que os desafios colocados por aplicações industriais
exigentes, em termos de desempenho e de interface com os operadores, pode ser um desafio
muito interessante, potenciador de uma actividade de cooperação entre empresas e
universidades muito proveitosa para ambas as partes e para o País.
Mais informação e referências.
Universidade
Indústria
J. Norberto Pires, 2003
[email protected]
http://robotics.dem.uc.pt/norberto
http://robotics.dem.uc.pt/norberto/cv/