Robótica Industrial Software de monitorização e controlo.

Transcrição

1 Robótica Industrial Software de monitorização e controlo. J. Norberto Pires Departamento de Engenharia Mecânica Universidade de Coimbra -PORTUGAL Web: norberto@robotics.dem.uc.pt

2 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.

3 Departamento de Engenharia Mecânica Laboratório de Robótica Industrial

4 Índice PDF Esta palestra pode ser obtida em formato PDF no site Web Motivação. Sistemas flexíveis de produção. O que é necessário para robotizar o processo de soldadura? Aspectos de organização de sistema: Hardware. Software. Interface com o utilizador. Uma arquitectura de software para aplicações industriais. 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. Descrição do problema. Exemplo de aplicação. Interface via AutoCad. Conclusão. Referências.

5 Motivação 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?

6 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;

7 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.

8 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. Sistemas de informação e apoio à decisão. Automação Programável. Robótica. Computação industrial.

9 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

10 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.

11 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)

12 Integração em sistemas de produção Fornecedores Buffer Ciclo 1 Buffer Ciclo 2 Ciclo 3 Ciclo 4 Buffer Ciclo 5 Buffer Clientes Figura 2 Fluxo de Produtos numa Instalação Produtiva

13 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

14 Equipment Level Cell Level Process Level Production Level Managment Level Organização do tipo CIM Computer Integrated Manufacturing Economic and Finantial Managment Router Internet Market Surveys and Marketing Switch Production Managment and Planning Project HUB CL_1... CL_N HUB HUB CC_ CC_N CFM_1 Equipments CFM_N Equipments

15 Componentes de um Sistema Robotizado de Soldadura I Profibus PC CCD Laser 3D Ethernet Joystick Máquina Soldadura Sensores Controlador Robô + eixos externos IO do processo Máquina de Soldadura Computador de Monitorização e Controlo

16 Componentes de um Sistema Robotizado de Soldadura II Rede Local de Comunicação TCP/IP PC CCD Joystick Laser 3D Máquina Soldadura Sensores Controlador Robô + eixos externos IO do processo Máquina de Soldadura Computador de Monitorização e Controlo

17 Rede Rede Local de Comunicação TCP/IP MS1 MS2 CCD 1 CCD 2 Laser 2 PC2 PC1 Robô 2 Laser 1 Sensores Robô + eixos externos Máquina de Soldadura Computador de Monitorização e Controlo Robô 1

18 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

19 Exemplo Rede Local de Comunicação TCP/IP PC Camera Laser 3D, M-Spot 90 Rotinas de serviço Comandos Respostas Diálogo de Interface Executor Eventos assíncronos Eventos

20 Robôs Punho esférico Eixo 4 Eixo 1 Braço antropomórfico Braço antropomórfico Eixo 5 Eixo 3 Eixo 6 Eixo 2 Modelo: ABB IRB 1400 M2000 Manipulador antropomórfico = braço antropomórfico + punho esférico

21 Estado da arte na Robótica 1. Position and Motion controllers Basically that s all they can do. 2. Capacidades de PLC para controlo de IO. 3. Ethernet, fieldbuses e ligações série. 4. 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 Eixos 6 Comunicações Profibus, Can, Ethernet e ligações série (RS 232, 485) Capacidades de IO Capacidades de PLC para IO digital e analógico.

22 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.

23 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...

24 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.

25 Monitorização e Controlo Sensor A Aplicação Chamada Síncrona. Controlador Diálogos de interface com utilizador Programa Servidor Objecto A Objecto C Serviços Objecto B Resposta Síncrona Equipamento Sensor B Programa Servidor Programa Servidor Mapeador de Portos Evento: Resposta Assíncrona. (implica subscrição de um serviço) Aplicação comercial Rede Informática industrial.

26 Force/Torque Sensor Board DDE Server DDE DDE Client Applications ActiveX Force/Torque Sensor Object OLE DDE Callback Function OLE ActiveX Robot Communication Object DDE Services Board NT Kernel Driver ActiveX Force/Torque Sensor Object Messages OLE Windows Dialog OLE RPC Server ActiveX Robot Communication Object Portmaper RPC Calls Sync. Answers Async. Msg. RPC Calls Sync. Answers Robot Control System RPC Server Programs RAPID Aplication Win32 Application

27 Acesso via interfaces comuns Microsoft Office: Word, Excel, PowerPoint Microsoft Visual Studio: C++, Basic, FoxPro Matlab LabView Virtualmente qualquer cliente DDE

28 Exemplos Industriais Exemplo na indústria do vidro para automóvel. Exemplo na área da indústria do papel. Exemplo de rebarbagem de peças metálicas. Exemplo na área da Soldadura Robotizada. Exemplo na área da indústria cerâmica.

29 Exemplo da Indústria Cerâmica Palete Palete Robô ABB IRB6400 Esteiras de inspecção Robô ABB IRB6400 Palete Palete Eixo Linear PC

30 Exemplo da Indústria Cerâmica Des-paletização

31 Exemplo da Indústria Cerâmica Des-paletização

32 Exemplo da Indústria Cerâmica Des-paletização

33 Exemplo da Indústria Paletização

34 Exemplo da Indústria Paletização

35 Exemplo da Indústria Paletização

36 Exemplo da Indústria Paletização

37 Exemplo da Indústria Cerâmica Paletização

38 Pics do trabalho mais recente.

39 Atenção A próxima mensagem é PUBLICIDADE mas é por uma BOA causa...

40 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 norberto@robotics.dem.uc.pt Edição: Júlia Guimarães j.guimarães@publindustria.pt Pub & subscrição: Júlio Almeida j.almeida@publindustria.pt

41 Automação Industrial 2ª Edição Automação Industrial J. Norberto Pires Lidel, ETEP, Lisboa, Portugal 445 páginas 1ª Edição ª Edição 2003 Brevemente (Janeiro de 2004): Industrial Robotic Programming: building applications for the factories of the future Chapman & Hall, KLUWER New York, USA

42 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. Indústria Universidade J. Norberto Pires, 2003 norberto@robotics.dem.uc.pt