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Universidad de La Salle Universidad de La Salle
Ciencia Unisalle Ciencia Unisalle
Ingeniería en Automatización Facultad de Ingeniería
2015
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 Chaux Universidad de La Salle, Bogotá
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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°
q3 Rotacional 0° 130°
q4 Rotacional 0° 110°
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)
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
Secuencia de movimiento
2
Colocar pieza en
maquina CNC2 a 3
Secuencia de movimiento
3
Posición de espera
fuera de la maquina
CNC
3 a 4
Secuencia de movimiento
4
Posicionamiento para
coger pieza
mecanizada en CNC
4 a 3
Secuencia de movimiento
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
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