ESTUDIO TÉCNICO Y DE VIABILIDAD DE LA PROGRAMACIÓN OFF...

UNIVERSIDAD DE SEVILLA

ESTUDIO TÉCNICO Y DE VIABILIDAD DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE DE ROBOTS

CAROLINA ALBEA SÁNCHEZ

SEPTIEMBRE 2004

A Juan María, por el gran apoyo prestado en la más dura etapa de mi

vida. Gracias por estar a mi lado siempre que lo he necesitado. Este

proyecto te lo debo a ti.

A mi familia, por su ayuda y paciencia durante todos estos años de

estudios. Gracias por haberme alentado a llegar a este momento de mi

vida.

A mis amigos más queridos, por seguir siempre ahí aunque ahora

exista una gran distancia entre nosotros.

A mis compañeros de Ingeniería Sin Fronteras, por todas esas

reuniones perdidas.

A mi familia dominicana, siempre en mi corazón.

Thanks to Birgit and Andreas, my austrian family. For their

unconditional help in my first moment in this land.

Thanks to my flatmates and my friends here in Graz, to make me feel

as if I am in my country.

Thanks to Dr. Kovac Igor, to give me the opportunity to work with

him.

Thanks to Michael Gödel, for all his help and his patience with my

difficulties with the language.

Thanks to Robert Schrempf, for his time.

Thanks to Prof. Dr. Frank Adolf and to all the department, for making

me feel welcome and accepted.

Thanks to Fabio Gómez-Estern, for his support and interest in this

project, and to motivate me to take the decision to come to Austria.

Sevilla, septiembre de 2004

ÍNDICE 0-4


0 PREFACIO.................................................................................. 1-108

1 INTRODUCCIÓN........................................................................... 1-10

2 PROGRAMACIÓN OFF-LINE ......................................................... 2-13

2.1 TIPOS DE PROGRAMACIÓN ..............................................................2-13

2.2 DIFERENCIAS DESTACADAS ENTRE LA PROGRAMACIÓN “ON-LINE” Y

LA PROGRAMACIÓN “OFF-LINE”.......................................................2-16

2.2.1 CARACTERISTICAS DE LA PROGRAMACIÓN ON-LINE. “TEACH-IN”. .............2-16

2.2.2 PROGRAMACIÓN OFF-LINE.......................................................................................2-18

2.3 VENTAJAS DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE..................................2-20

2.4 DESVENTAJAS DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE..........................2-21

2.4.1 CALIBRACIÓN CON LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE ...........................................2-22

2.4.2 MÉTODOS DE CALIBRACIÓN. ...................................................................................2-23 3 EVALUACIÓN ECONÓMICA DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE

FRENTE AL CONVENCIONAL “TEACH-IN”. .................................. 3-26

3.1 ESTUDIOS DE LOS COSTES REALES DE LA PROGRAMACIÓN

ON-LINE ......... …………………………………………………………………….3-27

3.1.1 ESTUDIO DE REALIZACIÓN DE LA PROGRAMACIÓN..........................................3-27

3.1.2 ESTUDIO DE COSTES DE LA PROGRAMACIÓN ON-LINE.....................................3-29

3.1.3 AUMENTO DE LA DEMANDA DE LA PROGRAMACIÓN ON-LINE ......................3-32

3.2 ESTUDIOS DE LOS COSTES REALES DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE ........................................................................................3-34

3.2.1 AUMENTO DE LA DEMANDA DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE.....................3-36

4 PROGRAMACIÓN OFF-LINE EN LA ACTUALIDAD......................... 4-39

ÍNDICE 0-5


5 DINÁMICA Y CONTROL DE ROBOTS ............................................ 5-40

5.1 ECUACIÓN DEL MOVIMIENTO ............................................................5-41

5.2 INTERPOLACIÓN DE LA TRAYECTORIA ...........................................5-44

5.3 CONTROL INDEPENDIENTE DE LAS ARTICULACIONES DEL ROBOT5-47

5.3.1 DINÁMICA CONJUNTA DEL ACTUADOR Y MANIPULADOR ..............................5-49

5.3.2 CONTRLADOR PID ........................................................................................................5-54

5.4 DINÁMICA INVERSA ........................................................................5-55

6 SOFTWARE EM-WORKPLACE ...................................................... 6-58

6.1 PROCESOS DE FABRICACIÓN CON EM-WORKPLACE ......................6-58

6.2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES CON EM-WORKPLACE. ................6-60

6.3 FUNCIONES DE EM-WORKPLACE ...................................................6-61

6.4 VERSIÓN DE EM-WORKPLACE EMPLEADA EN ESTE PROJECTO.....6-63

7 ROBOT INDUSTRIAL .................................................................... 7-64

7.1 CARÁCTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL MOTOMAN UP-20.................7-64

7.2 INFORMACIÓN TÉCNICA...................................................................7-65

7.3 DECISIÓN DE REALIZAR UNA APLICACIÓN DE MANIPULACIÓN EN EL MOTOMAN UP-20 .............................................................................7-67

8 PROGRAMACIÓN OFF-LINE DEL MOTOMAN UP-20 CON EM-

WORKPLACE................................................................................ 8-68

8.1 EVALUACIÓN DE LOS MATERIALES Y HERRAMIENTAS NECESARIAS

PARA EL DESARROLLO Y LA EJECUCIÓN DEL PROGRAMA. ............8-68

8.2 SOLUCIÓN A LA FALTA DE MATERIALES. ........................................8-71

8.3 DISEÑO DE LA PIEZA DE CONEXIÓN ENTRE LA CABEZA DEL ROBOT Y EL ELEMENTO HIDRÁULICO DE EXTRACCIÓN. ...............................8-72

ÍNDICE 0-6


8.4 DISEÑO DEL PROGRAMA ................................................................8-74

8.4.1 CREACIÓN DE UN PROYECTO EN EM-WORKPLACE ............................................8-74

8.4.2 DISEÑO DE LOS COMPONENTES EN EM-WORKPLACE.......................................8-76

8.4.3 CONEXIÓN DEL ELEMENTO HIDRÁULICO DE EXTRACCIÓN JUNTO CON LA PIEZA CONECTORA EN LA CABEZA DEL ROBOT. .................................................8-81

8.4.4 DEFINICIÓN DEL PUNTO DE TRABAJO USANDO LA PROGRAMACIÓN

ON-LINE. ......................................................................................................................... 8-83

8.4.5 COLOCACIÓN DE LOS COMPONENTES EN LA CELDA DE TRABAJO................8-85

8.4.6 DEFINICIÓN DE LAS TRAYECTORIAS. .....................................................................8-94

8.4.7 PROGRAMACIÓN OFF-LINE DEL MOTOMAN UP-20............................................8-100

8.4.8 CÓDIGO DEL PROGRAMA.........................................................................................8-111

8.4.9 SIMULACIÓN CON EM-WORKPLACE. ....................................................................8-109

8.4.10 DOWNLOAD. ................................................................................................................8-111

8.5 EJECUCIÓN DEL PROGRAMA......................................................... 8-112 9 OPTIMIZACIÓN DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE DEL MOTOMAN

UP-20 CON EM-WORKPLACE..................................................... 9-115

9.1 REDUCCIÓN DE LAS TRAYECTORIAS............................................. 9-116

9.2 INCREMENTO DE LA VELOCIDAD .................................................. 9-120

9.3 SIMULACIÓN Y EJECUCIÓN DEL PROGRAMA OPTIMIZADO........... 9-121

9.3.1 CÓDIGO DEL PROGRAMA OPTIMIZADO ...............................................................8-111

9.4 RESULTADOS DE LA OPTIMIZACIÓN DEL PROGRAMA CON ................... EM-WORKPLACE ............................................................................ 9-126

10 CONCLUSIONES ...................................................................... 10-127

11 BIBLIOGRAFÍA ......................................................................... 11-130

ÍNDICE 0-7


12 APÉNDICES.............................................................................. 12-133

12.1 APÉNDICE1. PRÁCTICA DELABORATORIO 1: ON-LINE PROGRAMMING

OF THE MOTOMAN UP-20………………………………………………….12-133

12.2 APÉNDICE 2. PRÁCTICA DE LABORATORIO 2:OFF-LINE PROGRAMMING OF THE MOTOMAN UP20 WITH EM-WORKPLACE……………………12-155

12.3 APÉNDICE 3. PLANO DE LA PIEZA DE CONEXIÓN ENTRE LA CABEZA

DEL ROBOT Y EL ELEMENTO HIDRÁULICO DE EXTRACCIÓN ..... 12-176

PREFACIO 0-8


0 PREFACIO

La programación Off-Line es una nueva metodología de

programación de robots industriales. Dicha metodología no se encuentra

aún muy extendida en el ámbito industrial, debido fundamentalmente a su

elevado coste de implantación.

Con respecto a la elaboración de este proyecto, los pasos seguidos

fueron los siguientes:

En primer lugar, se realizó una discusión de las ventajas y

desventajas que la programación Off-Line presenta frente a la

programación On-Line. Así como, un estudio de costes de ambas

programaciones para efectuar una comparación en términos económicos.

Posteriormente, se elaboró un estudio de la dinámica de los robots y

de su control, tanto con ecuaciones ideales como con ecuaciones reales.

Seguidamente, fue estudiado el software de simulación y

programación Off-line de robots industriales, eM-Workplace. Con este

software fue implementada la programación Off-Line en un robot

industrial. El robot en cuestión fue el Motoman UP-20.

A continuación se analizaron las características propias del Motoman

UP-20. Una unidad de este robot industrial se encuentra en el

“Departamento de Fabricación” de la “Universidad Técnica de Graz,

Austria”.

PREFACIO 0-9


Tras estos estudios se efectuó el diseño y la ejecución de un

programa empleando este método de programación. La aplicación elegida

fue una aplicación de manipulación de envases de transporte. Se elaboró

un análisis de los resultados obtenidos y posteriormente se procedió a

realizar una optimización de este mismo programa.

En el diseño del programa, se realizó un análisis de los materiales

necesarios para su ejecución. Al notar la falta de una pieza de conexión,

ésta fue diseñada y fabricada en los laboratorios del propio departamento.

Por último, se llevó a cabo una interpretación de los resultados,

tratando obtener nuestras propias conclusiones, aprovechando las

instalaciones y la experiencia que el “Departamento de Fabricación” de la

Universidad tiene en este tipo de programación.

Los resultados obtenidos fueron notablemente positivos para la

programación Off-Line, pudiendo afirmar que, la programación Off-Line

optimiza la productividad y como consecuencia induce a un aumento de la

demanda.

Adjuntado a esta memoria aparece un pequeño manual de la

programación On-Line del Motoman UP-20, y de la programación Off-Line

del software eM-Workplace. Ambos manuales están siendo utilizados

actualmente para las prácticas de la asignatura “Industrial Robot” que

imparte el profesor Dr. Kovăc Igor en el “Departamento de Fabricación” de

la “Universidad Técnica de Graz”.

INTRODUCCIÓN 1-10


1 INTRODUCCIÓN

El aumento de la competencia en la industria y el incremento de la

demanda incurren en una intensificación de la productividad. Este hecho

ha repercutido notablemente en el entorno de los robots industriales que

han dirigido la mirada a la programación Off-Line [1].

La programación Off-Line puede mejorar el empleo de los robots

industriales, y como consecuencia, es posible intensificar la productividad

y disminuir la fase de producción. A través de las simulaciones, puede ser

analizada la evolución de la producción, optimizarla y reducir los tiempos

de producción [1].

Asimismo, dicha metodología de programación proporciona una

mayor eficiencia y una mayor optimización de los programas, así como, un

incremento en la seguridad laboral [4].

Aún así, la programación Off-Line, presenta graves inconvenientes

que, a día de hoy imposibilitan su extensión en la industria. Los altos

costes iniciales y las inexactitudes asociadas a dicha metodología [4-6]

constituyen sus mayores desventajas.

Para evaluar de manera analítica la viabilidad de la programación

Off-Line, se elaboró un estudio económico de este tipo de programación en

el mercado.

Se efectuó un análisis de los fundamentos técnicos de la dinámica y

el control de los robots, para comprender su comportamiento interno [7].

INTRODUCCIÓN 1-11


Por otro lado, se evaluó de manera práctica las ventajas y

desventajas de la programación Off-Line frente a la programación On-Line,

se programó un robot con esta metodología. El robot en cuestión es el

Motoman UP-20; se trata de un brazo articulado de producción [2] que se

encuentra en el laboratorio del “Departamento de Fabricación” de la

“Universidad Técnica de Graz”. Por otro lado, el software con el que se llevó

a cabo la programación es el paquete eM-Workplace.

El software eM-Workplace es un lenguaje explícito de programación

orientado a movimientos, totalmente compatible con programas CAD-CAM

[3], Este software permite la importación y exportación de datos entre

ellos.

La aplicación elegida es una aplicación de manipulación. El robot

anteriormente mencionado, transportará envases de PVC desde un

contenedor de origen hasta un contenedor de destino. Esta aplicación ha

sido elegida por su posibilidad de llevarse a cabo íntegramente en el

laboratorio del departamento y así, poder realizar un estudio más

exhaustivo. La única necesidad fue una pieza de conexión que fue

diseñada y fabricada en las instalaciones del departamento.

Una vez diseñado el programa e implementado en el Motoman UP-20,

se realizó una optimización del mismo y se volvió a implementar

evaluando los resultados obtenidos. Dicha optimización consistió en una

reducción del tiempo de ejecución del programa, de modo que resulta

manifestada una mayor eficiencia en la producción.

Al primer programa elaborado, se le denominó en esta memoria

como: “Programa Principal”; y al segundo programa, con el que se quiere

INTRODUCCIÓN 1-12


demostrar las mejoras que ofrece la programación Off-Line, se le

denominó: “Programa Optimizado”.

Tras la recopilación de los resultados obtenidos, se llevó a cabo una

visión conjunta de las posibilidades que ofrece la programación Off-Line

frente a la programación On-Line. Se discutió detenidamente todas las

ventajas y desventajas que posee este tipo de programación valiéndonos de

las experiencias realizadas.

PROGRAMACIÓN OFF-LINE 2-13


2 PROGRAMACIÓN OFF-LINE

Este capítulo se encuentra fundamentado en la bibliografía [4-6].

2.1 TIPOS DE PROGRAMACIÓN

Actualmente se pueden distinguir dos tipos de programación de

robots industriales claramente diferenciados:

Programación On-Line:

Dentro de la programación On-Line, existen dos metodologías

fundamentales: “Teach-In” y “Play-back”.

Mientras que en la primera, los puntos por donde debe desplazarse

el robot, se van introduciendo tras mover a éste con la ayuda de un

panel de control; la segunda se distingue porque el robot es movido

manualmente. En todo instante, el programador debe de estar cerca del

área de movimiento del robot.

En ambos casos, la CPU del robot almacena toda la información

generada en la programación, en un programa del robot generado

internamente.

La segunda metodología está en desuso en la actualidad, por lo que

en los siguientes apartados, cuando hagamos referencia a la

programación On-Line, estaremos siempre refiriéndonos a la

metodología “Teach-In”.



Programación Off-Line:

En la programación Off-Line, los programas se generan lejos del

entorno del robot, generalmente desde un computador con un tipo

específico de software.

Dentro de este tipo de programación también se puede llevar a cabo

una clasificación en distintas metodologías:

• Programación Interactiva: está basada en un diálogo

establecido entre el robot y el programador a través de un

ordenador.

• Programación Explícita: consiste en una programación

orientada a movimientos. Para la utilización de este tipo de

programación, se hace absolutamente necesario la utilización

de un software específico de simulación, como por ejemplo el

utilizado para la realización de este proyecto: eM-Workplace.

• Programación Implícita: en este caso la programación es

orientada a objeto. Las entradas del programa se efectúan a

través de un ordenador, utilizando un editor de texto,

generalmente con un editor de texto específico del fabricante

del robot, que lleva incorporado un comprobador de sintaxis.



Fig. 2.1. Diagrama de la clasificación de los tipos de programación de los robots industriales.



2.2 DIFERENCIAS DESTACADAS ENTRE LA PROGRAMACIÓN “ON-LINE” Y LA PROGRAMACIÓN “OFF-LINE”

2.2.1 CARACTERISTICAS DE LA PROGRAMACIÓN ON-LINE. “TEACH-IN”.

Modo secuencial de operaciones: este tipo de programación se basa

en un modo de trabajo secuencial, por lo que es solamente factible

tras la completa instalación del robot y elementos auxiliares.

“Teach-In” siempre requiere robots operacionales, herramientas instaladas y marcas que faciliten conseguir la precisión requerida por

el robot en cuestión. Esto significa que, el cumplimiento de los plazos

de entrega marcados al cliente dependen del progreso en el montaje

y en el trabajo de instalación.

Tardanza en la detección de errores: Los posibles errores producidos,

tanto en la planta de diseño de los programas, como en la planta de

producción, donde los robots son instalados, son detectados

posteriormente.

Reestructuraciones y/o modificaciones, causan retrasos no

proyectados en los plazos de entrega.

Requerimiento de personal: la necesidad de una rápida puesta en

funcionamiento de la instalación, requiere temporalmente un alto

número de personal cualificado en “Teach-In”. Esto, significa un alto

coste en personal ajeno a la empresa.



Requerimiento de un tiempo extra: se requiere un tiempo extra

debido a posibles insuficiencias de preparación específica del

personal de “Teach –In” cuando son demandados nuevos proyectos

por los clientes; asimismo, se precisa un tiempo extra para llevar a

cabo la programación, permaneciendo por consiguiente, los robots

fuera de producción.



2.2.2 PROGRAMACIÓN OFF-LINE

Requerimiento de un proceso de trabajo digital: es necesario un modo

paralelo de trabajo en la fase de ingeniería, paralelo al diseño y a la

simulación.

No requiere ni robots, ni ningún tipo de componente físico: la

programación y la demanda virtual no requiere robots ni

componentes físicos. Todos los componentes necesarios en los

sistemas de simulación aparecen disponibles como objetos en 3D en

las celdas de trabajo.

Rápidas evaluaciones y optimizaciones: los modelos en tres

dimensiones permiten rápidas evaluaciones y optimizaciones de los

programas desarrollados. Los errores de diseño son detectados más

tempranamente y pueden ser corregidos en la misma fase de diseño.

Mejor conocimiento del trabajo: Los programadores tienen la

oportunidad de familiarizarse con los objetivos y especificaciones

técnicas, gracias a una intensiva tarea en las celdas de trabajo del

software.

Visión conjunta por simulación: la programación Off-Line requiere

simulaciones de todas las celdas del robot. Al finalizar el proyecto, se

tiene disponible una completa documentación de las instalaciones,

la cual facilita notablemente realizar las modificaciones necesarias

en estas instalaciones, en tiempos posteriores. Es posible llevar a

cabo rápidas integraciones de las modificaciones durante la

producción continua.



Trabajo más versátil: experiencias han mostrado que los encargos

realizados por el cliente se realizan con una mayor minuciosidad;

asimismo, los plazos de entrega son reducidos y se puede llegar a

necesitar menos personal.

Ahorro de costes de personal: se reducen los tiempos de expedición

debido a un trabajo de oficina de dos a cuatro meses

aproximadamente.

Se genera un trabajo más confortable: este hecho se debe

principalmente a que el programador trabaja con un computador

lejos del área de trabajo de los robots. Este nuevo trabajo de oficina

se ha considerado y aceptado como una mejora social entre los

jóvenes programadores de robots.



2.3 VENTAJAS DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE

Las principales ventajas de la programación Off-Line son las

siguientes:

Se incrementa la eficiencia del robot.

Disminuye el riesgo laboral debido a que los operadores

permanecen lejos del área de operación del robot.

Los diferentes lenguajes de programación de cada robot, pueden

simplificarse en un único sistema de programación.

La programación explícita acepta la integración de los sistemas

CAD/CAM con las ventajas que ello conlleva.

Simplificación de tareas complejas.

Las optimizaciones son realizadas más fácilmente, gracias a las

simulaciones que son obtenidas por el software.

Posible accesibilidad a los controladores de los robots.

Los análisis de tiempos de ciclo se efectúan desde el software y no

desde la planta de producción. Estos análisis pueden elaborarse

sin parar la marcha de la producción.

Los programas pueden verificarse y validarse antes de su

implementación en los robots.



2.4 DESVENTAJAS DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE

Altos costes iniciales debidos a la formación del personal, licencias

del software, nuevas estaciones de trabajo y adaptación de las

herramientas demandadas por los clientes, entre otros factores.

La acumulación de errores y desviaciones pueden transformarse

en grandes imprecisiones.

Necesidad de generar un nuevo proyecto en términos de

organización y de tiempo.

Necesidad de una precisión muy buena, en lo que a elementos de

referencia para la programación se refiere.



2.4.1 CALIBRACIÓN CON LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE

Debido a inevitables imprecisiones producidas por la programación

Off-Line, la posición de los robots con respecto al resto de componentes de

la planta real, no corresponden exactamente con los modelos matemáticos

de los sistemas de simulación. Por esa razón, la posición del robot necesita

ser medida, de alguna manera, con respecto al resto de componentes de

su entorno (el punto de referencia de la pieza de trabajo y/o el punto de

referencia del robot). Las desviaciones o se

corrigen en los sistemas de simulación,

usando transformaciones de coordenadas de

los modelos, o directamente en el control del

robot mediante entradas de valores de

corrección (el desplazamiento base del robot

con respecto a su desplazamiento real). Sólo

una vez efectuada esta calibración, los

programas desarrollados por la programación

Off-Line pueden ejecutarse sin riesgo a

colisiones en la planta real. Fig. 2.2. Laser Tracker calibrando un robot. (Auscartec).



2.4.2 MÉTODOS DE CALIBRACIÓN.

Método de “medidas tipo”:

Las medidas las genera el propio robot y no requiere ninguna

otra medida adicional. La medida tipo se realiza sobre la superficie

del robot o en la herramienta del mismo, y se efectúan las medidas

en puntos conocidos en los sistemas coordenados.

El robot mide, al menos, tres puntos de referencias por

acercamiento manual de la herramienta a los puntos reseñados.

• Ventaja: No es necesario instrumentos de medidas en 3-D.

• Desventaja: Consumo de tiempo elevado y precisión limitada.

Este tipo de calibración forma parte del conocimiento básico

de los programadores Off-Line, y pueden hacer uso de ella si no es

posible efectuarla con ningún otro método.



Sistemas de medida en 3-D:

• Portable CMM, brazo articulado de robot con generadores de pulso

integrado y sensor de medidas. Este método efectúa medidas

rápidas, precisas, pero de capacidad limitada respecto a la

frecuencia de cambio de posición y respecto a las medidas

necesarias.

• Photogrammetry, utilizando cámaras digitales en 3-D.

• Laser Tracker, instrumento que lleva a cabo la calibración a

través de realizar medidas de longitud de onda con rayo láser.

Estos instrumentos son más rápidos, más exactos, con mayores

rangos, pero claramente más costosos.



Fig. 2.3. Calibración de un robot industrial utilizando el Laser Tracker.

EVALUACIÓN ECONÓMICA DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE FRENTE AL CONVENCIONAL “TEACH-IN” 3-26


3 EVALUACIÓN ECONÓMICA DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE FRENTE AL CONVENCIONAL “TEACH-IN”.

En dependencia a las condiciones específicas de los estudios

realizados en este capítulo y a los resultados obtenidos, podemos constatar

que:

La programación On-Line es tan propicia como la Off-Line,

debido a que ambas necesitan el mismo número de horas de

trabajo por robot.

Desde el punto de vista económico la programación On-Line

ofrece una mayor ventaja que la Off-Line, debido

principalmente a los altos costes iniciales y a la poca

existencia de personal cualificado por tratarse de una nueva

tecnología.

Las ganancias de beneficio por aumento de la demanda crecen

más rápidamente con la programación On-Line que con la Off-

Line.



3.1 ESTUDIOS DE LOS COSTES REALES DE LA PROGRAMACIÓN ON-LINE

3.1.1 ESTUDIO DE REALIZACIÓN DE LA PROGRAMACIÓN

Estudiamos los costes de una supuesta empresa de fabricación de 5

modelos de automóviles. Esta empresa tiene una producción de unos

30.000 vehículos anuales (unos 115 vehículos/día).

En la planta de producción hay 60 robots industriales que, tienen

que ser programados para los cinco modelos de automóviles. Para llevar a

cabo la programación caben dos posibilidades: contrato de programadores

por parte de la empresa o subcontratación de una empresa para llevar a

cabo la programación.



Programadores de la empresa para efectuar la programación On-Line

La empresa contrata empleados permanentes que realizan la

programación cuando sea necesario. Se suponen un número de empleados

de 30. Asimismo, suponemos un salario bruto de 38.400 €,

aproximadamente 35€/hora que

incluyen seguros sociales y otros

tributos. Los costes de los salarios

podemos verlos en la tabla 3.1. Tabla 3.1.

Subcontratación de una empresa para efectuar la programación On-Line

La empresa subcontrata a una consultora la reprogramación de los

robots un promedio de 5 veces al año, lo cual tiene un coste elevado, de

unos 17.300€ por reprogramación. Estimamos que en cada

reprogramación, son reprogramados

el 40% de los robots, ya que no es

necesario realizar reprogramaciones

completas. En la tabla de la derecha

tenemos los costes de esta opción. Tabla 3.2.

Tras este estudio se consta que, resulta más rentable que la empresa

contrate a sus propios programadores.

OPCIÓN A Programadores de la empresa

nºrobots/empleado 2nº empleados 30salario/empleado 38.400Costes salarios 1.152.000

OPCIÓN B Empresa subcontratada

nº de subcontrataciones/año 5Precio por subcontratación 17.300nº de robots reprogramables 24Coste 2.076.000



3.1.2 ESTUDIO DE COSTES DE LA PROGRAMACIÓN ON-LINE

A continuación, realizamos un estudio de los costes fijos y costes

variables de la empresa en un año.

Para el cálculo del coste de la

mano de obra directa se estima que

hay 500 empleados, con un salario de

10€/hora y un total de 8 horas de

trabajo al día.

Para el cálculo de la mano de

obra indirecta se estiman unos 300

trabajadores con salarios que oscilan

entre 10€/hora y 45€/hora. Tabla 3.3.

El coste de programación corresponderá a la opción elegida

anteriormente.

Los costes fijos engloban las amortizaciones y los tributos. En las

amortizaciones se tiene presente tanto los robots de producción como

otras maquinarias. Los robots de producción tienen un coste de 160.000€

por cada robot en cuestión.

Los ingresos se calculan con las

ventas de vehículos, a 18.000€ por

vehículo vendido. Tabla 3.4.

COSTES Variables Mano de obra directa 10.600.000 Mano de obra indirecta 48.000.000 Programación 1.152.000

Suministros 198.365.000

Costes Variables Totales 258.117.000Fijos Amortizaciones 239.000 Tributos 1.525.000Costes Fijos Totales 1.764.000 Costes Totales 259.881.000

INGRESOS Ventas por unidad 18.000Ingreso Total 540.000.000



Tras realizar el cálculo del beneficio, se restan las pérdidas de

oportunidades de negocio por el hecho de limitar el número de cambios en

la programación del robot (10% del beneficio). Este cálculo aparece

reflejado en la tabla 3.5.

Tabla 3.5.

BENEFICIOS Beneficio Pérdida de oportunidad

280.119.00028.011.900

Beneficio Total 224.095.200



Costes por interrupción de la producción por reprogramación

A continuación, vamos a realizar una valoración de los costes

asociados a la interrupción de la producción debido a la programación On-

Line.

Se calcula el tiempo que involucra la reprogramación de los robots.

Se estima que cada robot requiere unas 112 horas de reprogramación, y

que son reprogramados el 40% de los robots, como se comentó

anteriormente. Teniendo en cuenta cinco reprogramaciones anuales se

obtiene un total de horas de trabajo de 13.440 horas. En la plantilla hay

30 programadores que, corresponderá a 448 horas por trabajador, y

trabajarán en jornadas dobles de 16 horas, para que la producción se

mantenga el mínimo número de horas parada. Habrá 15 programadores

trabajando un turno y otros 15 trabajando el otro turno. Se generará un

total de 28 días que se mantiene la producción interrumpida.

Se hace el cálculo del beneficio por día, en la tabla 3.6., y se

obtienen las pérdidas por días totales perdidos. El porcentaje de pérdidas

asciende al 11%.

Tabla 3.6.

INTERRUPCIÓN DE LA PRODUCCIÓN nº de reprogramaciones 5nº dias perdidos 28Beneficio por dias totales 951.347,55Pérdidas 26.637.731,32Porcentaje 11%



3.1.3 AUMENTO DE LA DEMANDA DE LA PROGRAMACIÓN ON-LINE

El departamento de marketing aconseja 12 reprogramaciones

anuales para mantener la

competitividad y aumentar la

demanda en un 20%.

Al aumentar la demanda un

20% la producción de vehículos

anualmente ascenderá a 36.000. Tabla 3.7.

Para realizar el estudio de costes anuales bajo estas condiciones, los

costes variables se aumentan un 20%, manteniéndose los costes fijos.

Cálculo realizado en la tabla 3.7.

Se hace de nuevo el cálculo del

beneficio, como podemos ver en la

tabla 3.9., manteniendo los costes por

pérdida de oportunidad. Observamos

que bajo estas circunstancias dadas el

beneficio aumenta, y por tanto las

ganancias. Tabla 3.8 (ingresos) y tabla 3.9. (beneficios)

Se efectúa el cálculo de la ganancia sobre el beneficio, tabla 3.10.,

para realizar posteriormente la comparación con la programación Off-Line.

Tabla 3.10.

COSTES Variables Mano de obra directa 12.720.000 Mano de obra indirecta 57.600.000 Programación 1.382.400 Suministros 238.038.000Costes Variables Totales 309.510.000Fijos Costes Fijos Totales 1.764.000Costes Totales 311.504.400


BENEFICIOS Beneficio Pérdida de oportunidad

336.495.60033.649.560

Beneficio Total 302.846.040

GANANCIA Ganancia beneficio 50.738.940Porcentaje ganancia beneficio 20%



Costes por interrupción de la producción por reprogramación con una demanda del 20%

Ahora el número de reprogramaciones son de 12; por lo que el

número de días perdidos por interrupción de la producción serán 67 días.

Así, el porcentaje de pérdidas será de un 25%, como aparece

reflejado en la tabla 3.11. Por lo que se concluye que al aumentar el

número de reprogramaciones con la programación On-Line, aumenta el

beneficio en un 43%, pero aumentan las pérdidas un 187%. Por

consiguiente, habría que estudiar en cada caso la ventaja de aumentar con

la programación On-Line el número de reprogramaciones proyectadas.

Tabla 3.11.

Ésto no sucede con la programación Off-Line, ya que no se producen

interrupciones de la producción. Este hecho se debe a la característica de

este tipo de programación que, no requiere robots ni componentes físicos.

INTERRUPCIÓN DE LA PRODUCCIÓN nº de reprogramaciones 12nº días perdidos 67Beneficio por días totales 1.142.815,25Pérdidas 76.568.621,43Porcentaje 25%



3.2 ESTUDIOS DE LOS COSTES REALES DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE

Comenzamos estudiando los costes anuales de la programación Off-

Line.

El número de programadores e ingenieros que diseñan e implementan

los programas serán un total de 25. Con una mano de obra contabilizada

de 50€/hora, incluyendo gastos. El salario anual de todos los trabajadores

ascenderá a 2.120.000 €.

De este modo los costes por programación incluidos en los costes

variables, serán de 53.000.000. Observamos en la tabla 3.12., que los

costes por programación han ascendido notablemente respecto a la

programación On-Line. Debido

principalmente al aumento del coste

de la mano de obra, ya que los

programadores On-Line son técnicos

mientras que los programadores Off-

Line actualmente son ingenieros; y por

la falta de personal cualificado, en el

presente, por tratarse de una nueva

tecnología. Tabla 3.12.

Hay que destacar que los costes por amortización han ascendido, esto

se debe a las nuevas amortizaciones por licencias de software, manuales,

ordenadores, periféricos, calibradores, etc.

COSTES Variables Mano de obra directa 10.600.000 Mano de obra indirecta 48.000.000 Programación 53.000.000 Suministros 198.365.000Costes Variables Totales 309.965.000Fijos Amortizaciones 277.560 Tributos 1.525.000Costes Fijos Totales 2.955.360 Costes Totales 312.920.360



Se vuelve a efectuar el cálculo de ingresos y beneficios, tablas 3.13., y

3.14. Con la programación Off-Line se ha considerado anteriormente que

las pérdidas por interrupción de la producción debidas a las

reprogramaciones son nulas.

Tabla 3.13

Efectuamos el cálculo de las pérdidas respecto a la Off-Line, que se

contabilizaría como una nueva pérdida de oportunidad.

Tabla 3.14.

El porcentaje de pérdidas de beneficio respecto a la programación On-

Line es del 19%. Cifra muy elevada a la que hay que añadir los costes

iniciales de formación y equipamiento. Este alto porcentaje se debe

principalmente al coste de la mano de obra por programación. Con estos

podemos constatar que la programación Off-Line no es viable desde el

punto de vista económico.


BENEFICIOS Beneficio 227.079.640Pérdida de oportunidad 22.707.964Beneficio 204.371.676Pérdida oportunidad On-Line 47.735.424Beneficio Total 156.636.252Porcentaje pérdida 19%



3.2.1 AUMENTO DE LA DEMANDA DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE

A continuación llevamos el estudio del aumento de la demanda con la

programación Off-Line, para llevar a cabo una comparación respecto de la

On-Line.

Efectuamos un aumento de la

demanda del 20%, igual que en la On-

Line. En el estudio de costes,

incrementamos los costes variables un

20%, manteniendo los anteriores

costes fijos. Estas variaciones quedan

reflejadas en la tabla 3.15. Tabla 3.15.

Volvemos a realizar el cómputo de ingresos, tabla 3.16., que habrán

ascendido también un 20%. Y evaluamos el beneficio, tabla 3.17., como en

casos anteriores.

Tabla 3.16.

Antes de realizar el cálculo de

pérdida de oportunidad por la

programación On-Line, efectuamos el

cálculo de ganancias por la demanda

de la programación Off-Line,como

podemos ver en la tabla 3.17. El

porcentaje de ganancias es de un 20%.

Tabla 3.17.

COSTES Variables Mano de obra directa 12.720.000 Mano de obra indirecta 57.600.000 Programación 63.600.000 Suministros 238.038.000Costes Variables Totales 371.958.000Fijos Costes Fijos Totales 2.955.360Costes Totales 374.913.360


BENEFICIOS Beneficio 273.086.640Pérdida de oportunidad 27.308.664Beneficio 245.777.976Ganancia 41.406.300Porcentaje ganancia 20%Pérdida oportunidad On-Line 57.068.064Beneficio Total 188.709.912Porcentaje pérdida On-Line 19%



El porcentaje de pérdidas respecto a la programación On-Line se

mantiene constante, debido a que el aumento de beneficio por aumento de

la demanda es el mismo en ambas programaciones.

Si vamos aumentando la demanda evolutivamente, se observa que el

porcentaje de las ganancias con la programación Off-Line se incrementa

más despacio que con la programación

On-Line, como podemos apreciar en el

gráfico de la figura 4.1. Por lo que

podemos constatar nuevamente que la

programación On-Line es más ventajosa

que la Off-Line hablando en términos de

costes. Tabla 3.18.

Fig. 4.1. Gráfico de la evolución de la ganancia por aumento de la demanda para la programación On-Line y Off-Line.

Aumento de la demanda

Porcentaje ganancias On-Line

Porcentaje ganancias Off-Line

20% 20% 20% 25% 29% 25% 30% 37% 30% 35% 46% 35% 40% 54% 40%

0102030405060

1,2 1,25 1,3 1,35 1,4

PorcentajeGananciasOn-Line

PorcentajeGananciasOff-Line



Por último valoramos las pérdidas de oportunidad por la

programación On-Line. Se observa que coincide con el caso inicial. Se

consolida la idea que una variación de la demanda no afecta al porcentaje

de pérdidas, siempre hablando respecto a la programación On-Line. Y que

un aumento de la demanda se traduce en un aumento del beneficio para

ambos tipos de programación, como era de espera

PROGRAMACIÓN OFF-LINE EN LA ACTUALIDAD 4-39


4 PROGRAMACIÓN OFF-LINE EN LA ACTUALIDAD

En la actualidad, la programación Off-Line es la última de los posibles

procesos de trabajo digitales disponibles en la cadena de procesos de la

“industria de planificación digital” [5]. Hasta ahora, la mayoría de los

intentos de implementar la programación Off-Line han fracasado, debido a

los altos costes que ésta implica, lo cual explica las numerosas reservas

que todavía existen sobre este tipo de programación [6].

Hoy en día la programación Off-Line promete ser una herramienta

muy interesante en un futuro próximo para la programación de robots.

Está nueva técnica es rentable en todos los campos, tanto para los

programadores, como para los operadores de planta [4].

DINÁMICA Y CONTROL DE ROBOTS 5-40


5 DINÁMICA Y CONTROL DE ROBOTS

Llegados a este punto, y antes de empezar a profundizar en los

ensayos realizados, nos vamos a detener a comprender el comportamiento

de los controladores.

Comenzamos haciendo una introducción a la ecuación de movimiento,

que describe la evolución temporal de los manipuladores de los robots.

A continuación, veremos cómo se obtienen las trayectorias por

interpolación. El movimiento más simple que se estudiará, será el

movimiento punto a punto, que fue usado en los programas diseñados

para analizar la programación Off-Line. En este tipo de programación,

dadas las posiciones y orientaciones iniciales y finales de la garra del

robot, se evalúa la solución de la cinemática inversa para hallar los valores

iniciales y finales requeridos por las articulaciones.

Seguidamente, estudiamos el problema de control para

manipuladores robóticos, que utilizarán la ecuación de movimiento y la

ecuación de la dinámica del actuador para obtener la salida deseada. Se

utilizará un controlador PID para tratar los efectos de ruidos y otras

perturbaciones. El efecto de acoplamiento debido a movimientos de otras

articulaciones será ignorado.

Finalmente, hacemos alusión a la resolución de las ecuaciones

dinámicas no lineales, que son las ecuaciones que presentan realmente la

dinámica de los manipuladores y de las garras de los robots. En estas

ecuaciones los movimientos de las articulaciones están desacoplados, por

lo que eliminamos el problema de tratar el acoplamiento de movimiento [7].



5.1 ECUACIÓN DEL MOVIMIENTO

Partimos de la ecuación de Euler-Lagrange, que describe la evolución

de un sistema mecánico sujeto a ligaduras holónomas. Esta ecuación se

basa en la Lagrangiana del sistema, que es la diferencia entre la energía

potencial y la cinética del sistema.

Como hemos comentado, partimos de la ecuación de Euler-Lagrange:

jjj q

LqL

dtd τ=

∂∂

−∂∂&

j=1 … n (5.1.1)

donde n es el número de grados de libertad y la Lagrangiana (L) es de la

forma:

L=k-V. (5.1.2)

Estudiamos el caso especial en que la energía cinética es una

función cuadrática del vector q& de la forma

∑ ==n

ji

Tjiij qqDqqqqdK

,

)(21:)(

21

&&&& (5.1.3)

y la energía potencial V=V(q) es independiente de q& .

Al sustituir las dos condiciones anteriores en la Lagrangiana,

tenemos

)()(21

,

qVqqqdVKLji

jiij −=−= ∑ && (5.1.4)



tendremos que

jj

kjk

qqdqL

&&

)(∑=∂∂ (5.1.5)

de modo que

jiji i

kjj

jkj

k

qqqd

qqdqL

dtd

&&&&& ∑∑ ∂

∂+=

∂∂

,

)( (5.1.6)

∑ ∂∂

−∂

∂=

∂∂

ji kji

k

ij

k qVqq

qd

qL

,21

&& (5.1.7)

Entonces podemos reescribir la ecuación de Euler-Lagrange como

sigue:

kk

jik

ij

ji i

kjj

jkj q

Vqqqd

qd

qqd τ=∂∂

+∂

∂−

∂

∂+∑∑ &&&&

21)(

, (5.1.8)

k=1,… ,n

Intercambiando el orden de los sumandos y valiéndonos de la

simetría, podemos llegar a los términos:

∂

∂−

∂∂

+∂

∂=

k

ij

j

ki

i

kjijk q

dqd

qd

c21: (5.1.9)

que son conocidos como símbolos de Christoffel.

Finalmente, si definimos

k

k qV

∂∂

=φ (5.1.10)



Entonces, podremos escribir la ecuación de Euler-Lagrange como: ∑ ∑ =++

j jikjiijkjkj qqqqcqqd

,

)()()( τφ&&&& , k=1,…,n (5.1.11)

En la ecuación anterior, hay tres tipos de términos. El primero,

implica a la segunda derivada de las coordenadas generalizadas. El

segundo son términos cuadráticos en primeras derivadas de q, donde los

coeficientes pueden depender de q, estos a su vez son clasificados en dos

tipos: los términos que involucran un producto del tipo 2iq& son llamados

centrífugos, mientras que los que involucran los productos del tipo jiqq &&

donde ji ≠ son llamados términos de Coriolis. El tercer tipo de términos lo

forman los que solamente tienen las coordenadas generalizadas, q, pero no

sus derivadas.

Es muy común escribir la ecuación (5.1.11) en forma matricial como

τ=++ )(),()( qgqqqCqqD &&&& (5.1.12)

habiendo encontrado, así, una importante relación entre la matriz de

inercia D(q) y la matriz ),( qqC & que será de fundamental importancia para

los problemas de control de manipulador.



0t

5.2 INTERPOLACIÓN DE LA TRAYECTORIA

El movimiento más simple de los robots es el movimiento punto a

punto: se dirige al robot para ir desde una configuración inicial 60initT hasta

una configuración final 60 finalT sin tener en cuenta la trayectoria seguida por

la garra. Este tipo de movimiento es apropiado para tareas de transporte

de material cuando el espacio de trabajo está libre de obstáculos; y es

común en los llamados: teach mode y playback mode donde la secuencia

de movimientos es introducida en el robot a través de un panel de control.

La tarea de transporte de material será la elegida en nuestro ensayo

para la evaluación de la programación Off-Line, y como consecuencia, el

tipo de movimiento será el movimiento punto a punto.

Discutimos el problema de la generación en el espacio de

trayectorias suavizadas. Para especificar una trayectoria necesitamos

definir las posiciones, velocidades y aceleraciones deseadas de cada

articulación del robot.

Suponemos que, para el tiempo la variable de la articulación

i-ésima satisface que:

00

00

)()(

qtqqtq

i

i

&& ==

(5.2.1)

y buscamos llegar a los valores en ft

1

1

)(

)(

qtq

qtq

fi

fi

&& =

= (5.2.2)



La figura 5.1. muestra una posible trayectoria para el movimiento.

Fig. 5. 1. Trayectoria típica en el espacio de las articulaciones.

Un método para generar una curva suavizada, tal como la

mostrada, es a través de una función polinomial de t. Ya que tenemos que

satisfacer las cuatro restricciones (5.2.1) y (5.2.2), necesitaremos un

polinomio con cuatro coeficientes independientes, cuyos valores serán

obtenidos al imponer dichas cuatro condiciones.

Consideramos una trayectoria cúbica de la forma

3

32

210 tatataaq di +++= (5.2.3)

de modo que sus velocidades serán

2

321 32 tataaq di ++=& (5.2.4)



Combinando las ecuaciones (5.2.3) y (5.2.4) con las cuatro restricciones

anteriores obtenemos cuatro ecuaciones con cuatro incógnitas

23211

32101

2030210

303

2020100

32

32

ff

ff

tataaq

tataaq

tataaq

tatataaq

++=

++=

++=

+++=

&

& (5.2.5)

Estas cuatro ecuaciones pueden ser combinadas en una matriz no

singular

=

1

1

0

0

3

2

1

0

2

32

200

30

200

32101

32101

qqqq

aaaa

tttttttttt

ff

fff

&

& (5.2.6)

Con esta ecuación se obtiene la trayectoria deseada.



5.3 CONTROL INDEPENDIENTE DE LAS ARTICULACIONES DEL ROBOT

El problema de control para los manipuladores robóticos es el

problema de averiguar la historia temporal de las trayectorias en el espacio

de las entradas requeridas por las articulaciones para lograr el movimiento

solicitado por la garra del robot.

Las entradas en las articulaciones pueden ser fuerzas o momentos, o

pueden ser entradas directas en los actuadores, como tensiones en el

motor, que dependen del modelo usado en el diseño del controlador. El

movimiento solicitado es especificado como una secuencia de la posición y

orientación de la garra del robot, o como una trayectoria continua.

Hay muchas técnicas y metodologías de control que pueden ser

aplicadas para el control de los manipuladores. El método particular de

control elegido, así como la manera de implementarlo puede tener un

impacto significativo en las actuaciones del manipulador y

consecuentemente en el rango de sus posibles aplicaciones, como sucede

en el control de movimientos punto a punto.

Comenzamos nuestra discusión sobre el control considerando el tipo

más simple de la estrategia de control, llamada, “Control Independiente de

las Articulaciones”. En este tipo de control, cada eje del manipulador es

controlado como un sistema de entrada singular y salida singular. Los

efectos de acoplamiento debido al movimiento de otras articulaciones o

son ignorados o tratados como ruido.



La estructura básica de un sistema de control feedback con única

entrada y única salida se muestra en la figura 5.2. El objetivo del diseño es

elegir el compensador de tal modo que la salida de la planta sigue la salida

deseada, dada una señal de referencia. Los ruidos son entradas reales que

no podemos controlar, y que también influyen en el comportamiento de la

salida real. No obstante, el controlador debe ser diseñado de modo que los

efectos de los ruidos en la salida de la planta estén reducidos.

Fig. 5.2. Estructura básica de un sistema de control feedback.



5.3.1 DINÁMICA CONJUNTA DEL ACTUADOR Y MANIPULADOR

Partimos de la ecuación de movimiento (5.1.12) deducida en el punto

5.1 de este capítulo que representa el conjunto de ecuaciones diferenciales

que describen el movimiento de los n grados de liberad del robot

τ=++ )(),()( qgqqqCqqD &&&& (5.3.1)

Esta ecuación representa la dinámica de una cadena interconectada

de cuerpos rígidos ideales, suponiendo que hay una fuerza generalizada τ

actuando en las articulaciones. Podemos asumir que el k-ésima

componente de kτ del vector de la fuerza generalizada τ es un momento

sobre el eje 1−kz si la articulación k es una fuerza a lo largo de 1−kz , y la

articulación k es de forma prismática, como sucede con todas las

articulaciones del robot que utilizaremos en nuestro ensayo. Esta fuerza

generalizada es producida por un actuador, que puede ser eléctrico,

hidráulico o neumático. La ecuación (5.3.1) es una idealización que no

incluye un gran número de efectos dinámicos, como por ejemplo, la

fricción en las articulaciones y la flexibilidad de los cuerpos provocada por

deformación, deflexión y vibración.

Tratamos la dinámica de los actuadotes producidas por una fuerza

generalizada τ. Estudiamos la dinámica de los motores DC de

magnetización permanente, que son comunes para el uso de los robots en

la actualidad.

Los motores DC pueden ser clasificados de acuerdo a la manera en

que el campo magnético es producido y al diseño de la armadura. En el

caso de los motores con constante magnética, el flujo magnético es



constante y el momento en el rotor es controlado por la corriente de la

armadura.

Consideramos el esquema de la figura 5.3., donde

V(t)= tensión en la armadura

L= inductancia de la armadura

R= resistencia de la armadura

Vb= tensión de la fuerza electromotríz

Kb= constante de la fuerza contra elcetromotríz

ia= corriente de la armadura

Өm= posición del rotor

τm= momento generado

τl= momento de carga

φ= flujo magnético debido al estator

Bm= constante de amortiguamiento del motor

Fig. 5. 3. Diagrama del circuito para la armadura controlada del motor DC.



La ecuación diferencial debido a la corriente de la armadura es

baa VVRi

dtdiL −=+ (5.3.2)

Relacionamos el momento de carga con la fuerza electromotriz.

dt

dKKV m

bmbbθ

ω == (5.3.3)

Consideramos el motor DC en serie con un tren de engranajes con

engranaje de radio 1:r y conectado al manipulador. Refiriéndonos a la Fig.

5. 4. agrupamos Jm=Ja+Jg la suma de la inercia del engranaje y del rotor. La

ecuación de movimiento es

lamlmm

mm

m riKrdt

dBdt

dJ τττθθ

−=−=+2

2

(5.3.4)

Fig.5. 4. Unión del actuador y del tren de engranaje.



En el dominio de Laplace se combinan las tres ecuaciones (5.3.2),

(5.3.3) y (5.3.4), y se rescriben:

)()()()( ssKsVsIRLs mba θ−=+ (5.3.5) )()()()( 2 srsIKssBsJ laimmm τθ −=+ (5.3.6)

El diagrama de bloque asociado al sistema es el siguiente

Fig. 5. 5. Diagrama de bloques para el sistema del motor DC.

Tenemos que m

m

BJ

RL<< , y por tanto consideramos que 0≅

RL . Llegamos

así, a la siguiente ecuación

kkkmmmbmmm rRVKRKKBJ

kkτθθ −=++ /)/( &&& (5.3.7)

k=1, … ,n

La ecuación (5.3.7) representa la dinámica del actuador y representa

la inercia no lineal, centrípeta, coriolis y gravitatoria que afecta al acople

debido al movimiento del manipulador.



Asumimos por simplicidad que

kmkq θ= (5.3.8)

Haciendo

RKKBB mbmeff /+= y RKK m /= (5.3.9) y aproximando el coeficiente de inercia por la inercia efectiva Jeff

escribimos la (5.3.7)

kkkmeffmeff drKVBJ

kk−=+ θθ &&& (5.3.10)

donde dk se trata como un ruido y se define por kji

jiijk

kjjjkk gqqcqdd ++= ∑∑

≠

&&&&,

: (5.3.11)

La ecuación (5.3.10) representa la posición de la k-ésima

articulación.

Fig. 5. 6. Diagrama de bloques simplificado de un sistema de bucle abierto con amortiguamiento e inercia efectiva.



5.3.2 CONTRLADOR PID

Utilizamos un controlador PID para llevar a cabo el control del

sistema, de modo que éste es controlado para todo los valores de las

ganancias.

Con el compensador PID tendremos

s

KsKKsC I

Dp ++=)( (5.3.12)

El bucle del sistema es ahora de tercer orden es

)()(

)()(

)()(

22

2

sDs

rsss

KsKsKs dIpD

m Ω−Θ

Ω

++=θ (5.3.13)

donde IpDeffeff KKsKKsKKBsJ ++++=Ω 23

2 )( (5.3.14)

Fig. 5. 7. Sistema con bucle cerrado con control PID.



5.4 DINÁMICA INVERSA

A continuación consideramos las aplicaciones de técnicas de control

no lineal complejas para los manipuladores rígidos.

Reformulamos las ecuaciones dinámicas de los manipuladores no

lineales en una forma más conveniente. Partimos de las ecuaciones de

movimiento (5.1.11) y (5.3.7)

∑ ∑ =++

j jikjiijkjkj qqqqcqqd

,)()()( τφ&&&& (5.4.1)

kkkmmmbmmm rRVKRKKBJ

kkτθθ −=++ /)/( &&& (5.4.2)

Dividiendo (5.4.2) por rk y usando

kk

m qrk

1=θ (5.4.3)

escribimos la ecuación (5.4.2)

kkk

mkk

kkm

k

vRr

KqBr

qJr

τ−=+ &&&22

11 (5.4.4)

donde RLKBB mbmk k

/+= . Sustituyendo (5.4.4) en (5.4.1) tenemos

kk

mkkk

n

j

n

ji kjiijkjjkkm

k

vRr

KgqBr

qqcqdqJr k

=++++∑ ∑= =

&&&&&&&1 1,

22

11 (5.4.5)

En forma matricial estas ecuaciones de movimiento pueden ser

escritas:

uqgqBqqqCqJqD =++++ )(),())(( &&&&& (5.4.6)



Donde D(q) es la matriz de inercia del manipulador n*n, y J es una

matriz diagonal con los elementos km

k

Jr 2

1 .

Por simplicidad escribimos la ecuación (5.4.6) uqqhqqM =+ ),()( &&& (5.4.7)

donde M=D+J y gqBqCh ++= && . La idea de la dinámica inversa es

buscar una ley de control feedback no lineal, de la forma

vqqfu += ),( & (5.4.8) donde v representa la entrada del sistema linealizado.

Cuando la ecuación (5.4.8) se sustituya en (5.4.7), resulte un sistema

lineal en bucle cerrado.

Por lo general, en los sistemas no lineales puede ser bastante difícil o

imposible encontrar una ley de control. En el caso de las ecuaciones de la

dinámica del manipulador (5.4.7), el problema es realmente sencillo.

Observando (5.4.7) vemos que si elegimos el control u de acuerdo a la

ecuación

),()( qqhvqMu &+= (5.4.9) y sabiendo que la matriz de inercia, M, es invertible; del sistema (5.4.7)-

(5.4.9) se deduce que

vq =&& (5.4.10)



El término v representa una nueva entrada al sistema que ya ha sido

elegida con anterioridad. La ecuación (5.4.10) es conocida tanto como el

“Sistema Integrador Doble”, como la representación de n integradores

dobles desacoplados. La ley de control no lineal (5.4.9) es denominada

“Control Dinámico Inverso”.

Cada entrada vk puede ser diseñada para controlar un sistema lineal

escalar. Además, asumiendo que vk es una función que depende

solamente de qk y sus derivadas, vk afectará a las qk independientemente

del movimiento de las otras articulaciones.

En la figura 5.8. ilustramos la noción del control con bucle externo y

bucle interno. El control no lineal (5.4.9) actúa como un bucle interno, con

interfaz no lineal cuya entrada es v y salida u. El lazo externo actúa como

control feedback.

Fig. 5. 8. Arquitectura de control con bucle externo y bucle interno.

SOFTWARE EM-WORKPLACE 6-58


6 SOFTWARE EM-WORKPLACE

6.1 PROCESOS DE FABRICACIÓN CON EM-WORKPLACE

eM-Workplace es un software utilizado para llevar a cabo el diseño,

simulación, optimización y programación Off-Line de robots y procesos de

fabricación automatizados. Proporciona una plataforma de ingeniería

concurrente para optimizar procesos y calcular tiempos de ciclos de

procesos [3]. Con eM-Workplace se pueden diseñar celdas y sistemas

completos de fabricación, en gráficos en tres dimensiones.

Este software ofrece a los usuarios un conjunto de aplicaciones

específicas para un amplio rango de procesos, como: soldaduras por

puntos, soldaduras por arco, corte con láser o chorro de agua, taladrado y

ribeteado, y procesos manuales.

eM-Workplace ayuda a los equipos de diseño de procesos de

fabricación. Esta ayuda se traduce en: un recorte de costes, un incremento

de la calidad y una reducción de los plazos de entrega.



Fig. 6.1. Procesos de fabricación con eM-Workplace.



6.2 CARACTERÍSTICAS PRINCIPALES CON EM-WORKPLACE.

Compatibilidad con los sistemas CAD-CAM: esto permite la

verificación de los productos junto con los procesos de fabricación.

Librerías: eM-Workplace posee librerías de robots, máquinas,

herramientas y equipamiento auxiliar.

Modelado: permite modelar tanto componentes, como problemas

cinemáticos complejos de robots y mecanismos.

3D layout: las celdas de trabajo son definidas y visualizadas en tres

dimensiones.

Trayectoria 3D: la definición de trayectorias en 3D posibilitan su

verificación, detección de colisiones, asimismo como, calcular los

tiempos de ciclos reales.

Operaciones de secuencias: el modelado y la optimización de todos

los procesos de fabricación son posibles con este software.

Programación Off-Line: a través de este software, se puede diseñar

e implementar la programación Off-Line.

Simulación: pueden ser visualizados la simulación de movimientos,

así como la sincronización de varios robots y mecanismos.



6.3 FUNCIONES DE EM-WORKPLACE

Integración de sistemas CAD-CAM: eM-Workplace se encuentra

completamente integrado con la mayoría de los sistemas CAD-CAM

industriales, incluyendo datos originarios de CATIA, Unigraphics,

Pro/Engineer, IDEAS, CADDS5; interfaces directas de CAD de

formatos neutros tales como IGES, DXF, VDAFS, SET, STL, y STEP.

Disposición de la celda de trabajo: eM-Workplace permite fácilmente

el modelado de robots y mecanismos adicionales. La función de

layout de eM-Workplace posibilita el diseño y la construcción de

entornos en tres dimensiones.

Simulación de movimientos para robots y mecanismos: eM-Workplace

genera movimientos basados en las características de los

controladores. Este hecho permite calcular los tiempos de ciclos,

analizar las actuaciones en tiempo real, y ahorrar en tiempos de

experimentación.

Detección de colisiones: eM-Workplace puede detectar

dinámicamente colisiones durante las simulaciones y los

movimientos de los robots, previniendo de daños costosos para el

equipamiento.

Secuencia de operaciones: eM-Workplace utiliza las Fuentes de

producción como robots, mecanismos, personas para llevar a cabo la

descripción y secuencia de todas las operaciones. Esta capacidad

permite la visualización y optimización de los ciclos completos de

trabajo.



Programación Off-Line: la programación Off-Line permite realizar

simulaciones precisas de secuencia de movimientos de robots con

los softwares correspondientes (como ejemplo tenemos: eM-

Workplace); y descargar los programas en los controladores reales

de los robots. Los programas pueden ser de nuevo cargados en el

software, tras su implementación para efectuar modificaciones y

optimizaciones.



6.4 VERSIÓN DE EM-WORKPLACE EMPLEADA EN ESTE PROJECTO

La versión empleada para llevar a cabo este proyecto fue 6.0.3.

Esta versión tiene importantes funciones, como Simulation of

Operations (SOP), Realistic Robot Simulation (RRS) y View Manager toolbox.

Las aplicaciones e integraciones CAD que están disponibles en Unigraphics

y Pro/Engineer para ordenador son: eM-Arc, eM-Paint y eM-Laser [8].

Fig. 6.2. eM-Workplace.

Para conseguir los conocimientos necesarios para el empleo de eM-

Workplace, fueron usados los manuales [9-16]. Estos manuales no son los

manuales oficiales de eM-Workplace.

Ésta fue una de las partes de este proyecto que requirieron más tiempo

y trabajo, debido a la precariedad de la documentación existente al

respecto en las instalaciones de la Universidad, así como la imposibilidad

de conseguir la documentación original del programa.

ROBOT INDUSTRIAL 7-64


7 ROBOT INDUSTRIAL

Para nuestro propósito se tuvo la oportunidad de trabajar con un

robot industrial, concrétamente el Motoman UP-20.

7.1 CARÁCTERÍSTICAS PRINCIPALES DEL MOTOMAN UP-20.

El Motoman UP-20 es un robot de alta velocidad que requiere un

mínimo espacio en su instalación. Sus principales aplicaciones son en el

campo de la soldadura y de la manipulación de objetos [2].

El Motoman UP-20 es compatible con la programación Off-Line y sus

características completas están incluidas en el software eM-Workplace.

ESPECIFICACIONES UP20 Ejes

Controlados 6 UP 20

Rango de Movimiento

Máximo

Velocidad Máxima Momento

Momento de

Inercia. Carga 20 kg

S ±180° 165°/s – – Precisión ± 0,06 mm

Potencia Media 2,8 kVA L + 155° / – 110° 165°/s – –

Peso del robot 280 kg

U + 255° / – 160° 165°/s – – Alcanzabilidad

Horizontal 1658 mm

R ±190° 335°/s 31,4 Nm 0,7 kg m2 Alcanzabilidad Vertical

2947mm

B ±140° 335°/s 31,4 Nm 0,7 kg m2 Temperatura Permitida

0 - +45°C

EJES

T ±360° 510°/s 15,7 Nm 0,2 kg m2 Humedad del Aire Permitida

20 - 80 % RH

Fig. 7.1. Información Técnica. (Motoman. Yaskawa Company) [2].



7.2 INFORMACIÓN TÉCNICA.

El área de trabajo y las medidas del Motoman UP-20 están

representadas en las siguientes figuras:

Fig. 7.2. Dimensiones y area de trabajo del Motoman UP-20. (Motoman. Yaskawa Companyin) [2].



Fig. 7.3. Vista detallada. (Motoman. Yaskawa Companyin) [2].



7.3 DECISIÓN DE REALIZAR UNA APLICACIÓN DE MANIPULACIÓN EN EL MOTOMAN UP-20

La aplicación elegida en este proyecto para analizar la programación

Off-line fue una aplicación de manipulación. El robot anteriormente

mencionado, transportará envases de PVC desde un contenedor de origen

hasta un contenedor de destino.

Esta aplicación fue elegida por su posibilidad de llevarse a cabo

íntegramente en el laboratorio del departamento de la “Universidad Técnica

de Graz” y así, poder realizar un estudio más completo y exhaustivo. En

este caso, tanto los envases de PVC como los contenedores fueron

adquiridos a bajo coste. La herramienta hidráulica de extracción y el

sistema de compresión de aire, eran elementos disponibles en el

laboratorio. Mientras que, la pieza de conexión de la herramienta

hidráulica a la cabeza del robot tuvo que ser diseñada y fabricada en las

instalaciones del propio departamento.

Para conseguir nuestro propósito de implementar la programación Off-

Line en el Motoman UP-20, fue necesario conocer también como se

implementa la programación On-Line. Asimismo, fue necesario para poder

elaborar un estudio de las ventajas y desventajas que la programación On-

Line presenta frete a la Off-line.

Para conocer el funcionamiento de la programación On-Line en el

Motoman UP-20, se usaron varios manuales que aparecen en la bibliografía [17-20].

PROGRAMACIÓN OFF-LINE DEL MOTOMAN UP-20 CON EM-WORKPLACE 8-68


8 PROGRAMACIÓN OFF-LINE DEL MOTOMAN UP-20 CON EM-WORKPLACE

8.1 EVALUACIÓN DE LOS MATERIALES Y HERRAMIENTAS NECESARIAS PARA EL DESARROLLO Y LA EJECUCIÓN DEL PROGRAMA.

Para el desarrollo e implementación de nuestro programa utilizando

la metodología Off-Line, conllevó la necesidad de los siguientes

componentes:

• Brazo articulado de robot: Motoman UP-20.

• Elemento hidráulico de extracción.

• Pieza de conexión entre la cabeza del robot y el elemento

hidráulico de extracción.

• Sistema de aire comprimido.

• Envases de PVC.

• Contenedor de origen y contenedor de destino.

• Apoyos para los contenedores.

• Memory Stick, para transportar el programa del computador al

robot y viceversa.

• Ordenador.

• Sistema de seguridad.

• Software: eM-Workplace.



Fig. 8. 1. Imagen de los componentes en el laboratorio del “Departamento de Fabricación” en la “Universidad Técnica de Graz”.

Fig. 8.2. Imagen detallada de los componentes en el laboratorio.



Fig.8.3. eM-Workplace. Disposición del robot Motoman UP-20 y de los componentes efectuando una aplicación de manipulación.



8.2 SOLUCIÓN A LA FALTA DE MATERIALES.

Tras realizar la deducción de los componentes tecnológicos necesarios

que eran necesarios para evaluar de forma práctica la programación Off-

Line, fue advertida una deficiencia de material para llevar a cabo la

ejecución del programa. Estos materiales fueron:

• Pieza de conexión entre la cabeza del robot y elemento

hidráulico de extracción.

• Envases de PVC.



La pieza de conexión fue diseñada y fabricada en el laboratorio del

“Departamento de Fabricación” de la “Universidad Técnica de Graz”. (Ver

punto 8.3).

Tanto los envases de PVC, como los contenedores y los apoyos de los

contenedores pudieron ser adquiridos por el departamento a un bajo coste.



8.3 DISEÑO DE LA PIEZA DE CONEXIÓN ENTRE LA CABEZA DEL ROBOT Y EL ELEMENTO HIDRÁULICO DE EXTRACCIÓN.

Varias alternativas fueron estudiadas en el diseño de la pieza

conectora, eligiéndose el diseño que fuese más simple de fabricar.

La idea original partía del diseño y montaje de tres piezas. La primera

encajaría atornillada en la cabeza del robot. En la segunda penetraría el

conducto de aire comprimido. Ésta segunda pieza ajustaría con la primera y

con la tercera por un sistema de roscado. Y por último, una pieza donde se

insertaría la herramienta hidráulica. Con este diseño se trataba de facilitar

la unión del conducto de aire comprimido con el elemento hidráulico de

extracción por el interior de la pieza conectora entre el robot y la

herramienta.

En una segunda idea, se pensó suprimir una de las piezas de manera

que disminuyera la complejidad de su fabricación. Ahora tendríamos dos

piezas que encajaban con un sistema de roscado y que a su vez se

atornillaban a la cabeza del robot. En la pieza superior entraría el conducto

por el que circularía el aire comprimido, al igual que en el modelo de

anterior ocurría con la pieza central; y en la inferior, se ajustaría mediante

una rosca el elemento hidráulico de extracción que, en nuestra

experimentación consistió en una ventosa.

En una tercera evolución se consiguió el diseño final. Trata de una

única pieza. Su parte superior permanece unida al robot y en la inferior se

enrosca la herramienta de manipulación. El interior de la pieza está

taladrado constituyendo una oquedad en forma de L. Esta oquedad tiene la

función de dirigir el aire comprimido desde la base de la pieza, donde se



haya la herramienta de extracción, hasta un lateral de esta misma donde

queda encajado el conducto hidráulico.

Una vez que se diseñó la pieza, se fabricó en el laboratorio del

departamento de la “Universidad Técnica de Graz”.

Fig. 8.4. Fotografía de la pieza de conexión entre la cabeza del robot y el elemento hidráulico de extracción.

La pieza se realizó en aluminio. Se eligió este material por su ligereza,

ya que el diseño demandaba un gran volumen de material.

Para su fabricación se empleó un torno y una fresadora, existentes

ambas en el laboratorio.

Para la elaboración de los planos, se siguieron las normas del manual

“Tabellenbuch Metall“ [21].

Los planos del diseño de la pieza aparecen en el apéndice 3.



8.4 DISEÑO DEL PROGRAMA

8.4.1 CREACIÓN DE UN PROYECTO EN EM-WORKPLACE

eM-Workplace trabaja con una estructura en forma de árbol, integrada

por componentes que se unen formando celdas y éstas a su vez se unen

constituyendo un proyecto.

En el apéndice aparecen dos manuales que describen paso a paso

como llevar a cabo una programación On-Line y una programación Off-Line

con eM-Workplace. Estos manuales actualmente son utilizados de prácticas

de la asignatura “Industrial Robot” del “Departamento de Fabricación” de la

“Universidad Técnica de Graz” que imparte el profesor Dr. Kovăc Igor.

En este punto sólo se menciona los pasos más importantes para

efectuar una programación Off-Line. Los detalles para elaborar este tipo de

programación aparecen en el manual mencionado anteriormente.

Setup→Define→ The name of the project is introduced

En el nuevo proyecto, se crea una celda llamada “Laborcell”. En esta

celda se extrajeron todos los componentes necesarios para la programación.

Las características completas del robot: Motoman UP-20 se incluyen en el

programa a modo de librería, pero el resto de los componentes tuvieron que

ser creados para el desarrollo de la programación.



Para la creación de esta

celda, simplemente se hace click

en Load Cell dentro del proyecto

Motoman. Se introduce el nombre

que se le desea dar a la celda, en

nuestro caso se designó por

“Laborcell,” y se acepta.

Fig. 8.5. Motoman UP-20. Librería de eM-Workplace

Para cargar el robot desde la librería, se siguen los pasos siguientes:

Layout→Get Component→Library→Files→up20_a00.co

La creación de los componentes puede ser efectuada directamente en el

entorno de eM-Workplace.



8.4.2 DISEÑO DE LOS COMPONENTES EN EM-WORKPLACE.

Para la creación de los componentes nos vamos al módulo Modelling,

dentro de la celda de trabajo.

Los componentes que tendremos que crear son:

• Conjunto del elemento hidráulico de extracción y la pieza de conexión

entre esté último elemento de extracción y la cabeza del robot.

• Envases de PVC.



Todos los componentes fueron dibujados de forma esquemática, para

que el programa funcionara correctamente, ya que demasiados detalles

pueden ralentizar el buen funcionamiento del software.

Abrimos con el comando Open el nuevo componente, introduciendo el

nombre que se le desea dar.



Pieza de conexión entre el elemento hidráulico de extracción y esté último elemento de extracción y la cabeza del robot.

El diseño en eM-Workplace del conjunto de ambas piezas fue

realizado sin mucho detalle, por las razones expuestas anteriormente.

Por lo que, tanto la pieza conectora, como la herramienta hidráulica se

dibujaron de forma esquemática.

El diseño de la pieza de conexión fue comentado en un punto

previo (Ver punto 8.3.).

Se dibujaron mediante el uso de figuras geométricas simples, y

posteriormente se guardaron como si de una única figura se tratase.

Esta pieza está almacenada bajo el nombre de tool1.

Fig. 8.6. Diseño del elemento hidráulico de extracción unido a la pieza que la conecta en la cabeza del robot.



Envases de PVC.

Los envases de PVC, que en nuestro ensayo real fueron botellas, se

modelizaron a partir de los envases reales. Las dimensiones de estos

elementos aparecen en la siguiente figura (Fig. 8.7.).

Fig. 8.7. Diseño de las envases de PVC en eM-Workplace.

Dicho componente permanece guardado bajo el nombre de

bottle1.



Contenedores.

Asimismo, respetando el mismo criterio de simplicidad se dibujaron

los contenedores sin lujos de detalles.

Este componente aparece almacenado con el nombre de box1.

Fig. 8.8. Diseño de los contenedores en eM-Workplace.



Apoyos de los contenedores.

Por último se dibujaron los apoyos. Se guardan bajo la

denominación de basis1.

Fig. 8.9. Diseño de los apoyos de los contenedores en eM-Workplace.



8.4.3 CONEXIÓN DEL ELEMENTO HIDRÁULICO DE EXTRACCIÓN JUNTO CON LA

PIEZA CONECTORA EN LA CABEZA DEL ROBOT.

La conexión de la herramienta al Motoman, es algo importante que

tiene que ser efectuado de manera precisa, ya que el buen funcionamiento

del programa depende de su correcta posición.

La programación se realizó, usando el sistema de coordenada de la

herramienta. Llegados a este punto, queremos hacer un énfasis especial en

la importancia que en este tipo de programación tienen tanto el correcto

dimensionado de las herramientas como la exactitud de los sistemas de

referencia elegidos.

Para conectar la herramienta al robot, extraemos en la celda de

trabajo el componente correspondiente tool1. Para ello, nos vamos a get

component.

Fig. 8.10. Conexión de la pieza conectora y el elemento hidráulico de extracción en eM-Workplace.



Una vez extraída la herramienta se hace click sobre create frame, y se

hace click con el ratón en el punto de la pieza donde se desea tener el origen

de coordenadas. En nuestro caso es el centro de la circunferencia de la base

y de la circunferencia de la parte superior.

Para orientar correctamente los sistemas de referencia se usa el

comando display.

Con Object se selecciona el sistema de referencia y se orienta de la

forma deseada.

Una vez colocado los sistemas de referencia correctamente se va a:

Motion→Setting→Conect

Se selecciona los sistemas de referencia que conectan la herramienta

al robot y se acepta.

Posteriormente se selecciona el sistema de coordenadas de la

herramienta con el que el robot trabajará. Para ello, se usa:

Motion →Setting→Tpcf→ The tool coordinate system is selected.

Desde este momento, el robot trabaja con el sistema de coordenadas

de la herramienta.



8.4.4 DEFINICIÓN DEL PUNTO DE TRABAJO USANDO LA PROGRAMACIÓN ON-

LINE.

Para la colocación de los componentes en la celda, cuatro puntos de

referencia fueron tomados en el laboratorio a través de la programación On-

Line.

Estos puntos de referencia fueron tomados rápidamente sin afectar

apenas a la marcha de la producción y proporcionando fiabilidad a la

programación Off-Line, Este vínculo entre la programación On-Line y la

programación Off-Line da seguridad al correcto funcionamiento del

programa.

Una vez instalada, físicamente, la herramienta en el robot, se debió

ordenar al robot que trabajase con el sistema de referencia de dicha

herramienta. Esto se hace con el panel de control del robot.

Menú→ Roboter →WKZ →it is introduced the coordinated origin (x=0, y=0, z=80)

Se marcaron en el suelo del laboratorio los puntos de referencia

donde se encontraban dos esquinas opuestas de los apoyos de los

contenedores. Con el Panel de control se programó una trayectoria formada

por estos cuatro puntos de referencia. Los movimientos usados fueron

movimientos de punto a punto, MOVJ (ver apéndice 2. y punto 8.4.8.), con

una velocidad adecuada.



Tanto el Programa como los Parámetros tuvieron que ser almacenados

para su exportación a eM-Workplace con el comando Sicher.

A continuación, se transfirió el programa a eM-Workplace. Para la

exportación de un programa en nuestro software se abre el módulo OLP y

en la opción correspondiente de OLP se hace click sobre Set up. Se activa

Tool frame y All param. Posteriormente nos vamos a upload, introducimos el

nombre del programa que se realizó con los puntos de referencia y hacemos

click sobre Program in. Comprobamos que se ha recibido correctamente la

trayectoria y que aparecen visualizados los cuatro puntos donde se situaron

los dos apoyos de los contenedores.



8.4.5 COLOCACIÓN DE LOS COMPONENTES EN LA CELDA DE TRABAJO

A continuación, el programa es exportado a eM-Workplace. Abrimos el

módulo Off-Line programming (OLP) y en la opción correspondiente de OLP

se hace click sobre Set up. Se activa Tool frame y All param. Posteriormente

nos vamos a upload, introducimos el nombre del programa que fue

generado con los puntos de referencia y hacemos click sobre Program in.

Comprobamos que la trayectoria ha sido recibida correctamente. Y se dejan

visualizados los cuatro puntos donde se situarían los dos apoyos de los

contenedores.

Fig. 8.11. Puntos de referencia obtenidos con la programación On-Line y exportados a eM-Workplace.



Colocación de los apoyos de los contenedores.

Se extraen en la celda de trabajo los dos apoyos de las

contenedores, basis1, y con el comando Place of Display colocamos las

esquinas de los apoyos en los puntos de referencia.

La colocación de las esquinas sobre los puntos de referencia se

lleva a cabo creando unos sistemas de coordenadas en las esquinas,

que queremos hacerlas coincidir con dichos puntos de referencia.

Fig. 8.12. Colocación de las bases en los puntos de referencia.

Fig. 8.13. Vista inferior de la colocación de la base.



Colocación de los contenedores.

Seguidamente se extraen los contenedores, box1, y se colocan con

el mismo comando anterior, Place of Display, sobre cada uno de los

apoyos. Su ubicación será centrada respecto a los apoyos; es decir, a

una distancia de los bordes laterales de 9mm y de los bordes superior e

inferior 2,5mm.

Fig. 8.14. Colocación de los contenedores sobre los apoyos.



Colocación de las envases de PVC.

Para la colocación de las envases de PVC, en el interior de los

espacios interiores de los contenedores, se tuvo que realizar una

operación previa para definir los puntos donde iban a ser dispuestos

cada uno de estos envases.

Para ello, se definieron sistemas de coordenadas en las

posiciones centrales de las bases de las cavidades, donde iban a ser

alojado cada envase. Al mismo tiempo, se ubicó un sistema coordenado

principal en la esquina inferior izquierda del interior de la contenedor, y

a partir de este sistema de referencia principal se fue anotando la

distancia existente entre éste y cada sistema de referencia dispuesto en

las cavidades.

Para organizar todos los sistemas coordenados de referencia, se

les otorgó una denominación. Los sistemas coordenados centrales de

cada base de la cavidad fueron designados, como: axXXX.

La primera posición indica si es:

• 1: Contenedor de origen.

• 2: Contenedor de destino.

Las otras dos posiciones, corresponderían a cada cavidad

distinguida por filas y por columnas. La denominación de cada cavidad

aparece en la Fig. 8.15.



Fig. 8.15. Esquema para la colocación de los sistemas coordenados en las bases de las cavidades de los contenedores.

Para la colocación de estos sistemas de referencia se utiliza, como

ya hemos comentado anteriormente el comando: new frame en Layout.

Para tomar los valores del origen de nuestro sistema de

coordenadas principal, es decir, los valores correspondientes a las

coordenadas x, y, z respecto a un sistema de referencia global del

programa, se utiliza el comando con display, Se selecciona este sistema

de coordenadas como objeto y aparecen los datos de su posición.

Nota: Todos los datos están en mm.



Valores del contenedor de origen:

Contenedor de

origen 1XX

X y z

Sistema de referencia principal 943,1 293,9 240

Sistema de referencia central - + +

11 48,3 894,7 47,5 341,4 15 255 12 145,0 798,1 47,5 341,4 15 255 13 241,7 701,4 47,5 341,4 15 255 21 47,5 894,7 142,5 436,4 15 255 22 145,0 798,1 142,5 436,4 15 255 23 241,7

=

01,4 142,5

=

436,4 15

=

255 Fig. 8.16. Cálculo de los sistemas de referencia centrales a partir del sistema de referencia principal del contenedor de origen.

Valores del contenedor de destino:

Contenedor de origen 2XX

X y z

Sistema de referencia principal 526,7 -548,6 240

Sistemas de referencias centrales - + +

11 48,3 478,4 47,5 -501,1 15 255 12 145,0 381,7 47,5 -501,1 15 255 13 241,7 285,0 47,5 -501,1 15 255 21 47,5 478,4 142,5 -406,1 15 255 22 145,0 381,7 142,5 -406,1 15 255 23 241,7

=

285,0 142,5

=

-406,1 15

=

255 Fig. 8.17. Cálculo de los sistemas de referencia centrales a partir del sistema de referencia principal del a contenedor de destino.



A continuación, se cargan los envases de PVC en la celda de

trabajo. El mismo componente se va extrayendo repetidas veces hasta

obtener el número de envases necesarios, en nuestro caso seis.

A cada envase extraído se le colocó en su base un sistema de

coordenadas que permitiera su correcto posicionamiento en el interior

de las cavidades de los contenedores. Y otro sistema coordenado en su

parte superior, para que el robot los tome con su sistema coordenado

en la herramienta (Todos los sistemas de coordenadas deben ser

orientados adecuadamente).

Para seguir utilizando un sistema de nomenclatura lógico, los

sistemas de coordenadas situados en la base de los envases se les

denominó, como: frbasisbot1XX. Y a los sistemas de coordenadas en la

parte superior del envase: frbottle1XX. Las letras XX hacen referencia al

nombre otorgado a cada una de las cavidades (Ver Fig. 8.15).

Lo siguiente, será colocar cada envase en el interior de los

contenedores de origen, que será el estado de partida. Para llevar a cabo

este propósito, se utiliza el comando Display. A continuación, se utiliza

Place para hacer coincidir el sistema de referencia de la base de los

envases con su correspondiente en las cavidades de los contenedores de

origen; es decir, se hace corresponder los sistemas de coordenadas

frbasis1XX con su correspondiente axXX.



Fig. 8.17. Colocación de los envases de PVC en las cavidades del contenedor de origen, valiéndose de los sistemas de referencia.

Fig. 8.18. Otra vista de la colocación de la colocación de los envases de PVC en el interior del contenedor de origen.



Una vez que tenemos todo nuestro sistema definido, lo

guardaremos, haciendo:

Layout→Store

Fig. 8.19. Vista superior de la colocación de los envases de PVC.



8.4.6 DEFINICIÓN DE LAS TRAYECTORIAS.

El siguiente paso será definir las trayectorias que definen el

movimiento de nuestro robot.

La definición de cada trayectoria se realiza introduciendo una serie de

puntos. Éstos posteriormente se agrupan formando las trayectorias

correspondientes. Todo este proceso es efectuado con Motion en Robot Jog; se

van introduciendo los puntos exactos por lo que queremos que se mueva el

robot y consecutivamente lo marcamos con loc. En cada momento se podrá

visualizar la ubicación del robot y verificar su correcta posición con ayuda de

los sistemas de coordenada anteriormente creados.

Fig. 8.20. Programación de los puntos que componen las trayectorias.

Fig. 8.21. Programación de los puntos cuando el robot toma los envases.



Además, será necesario marcar las posiciones del robot cuando la

herramienta toma los envases de PVC. Este paso se realiza con Pos.

Llegados a este punto, se puede realizar una comprobación para

verificar la correcta posición de todos los componentes en la celda de

trabajo. Esto se lleva a cabo confirmando que el sistema coordenado de la

herramienta coincide en todo momento con los sistemas de referencia

frbottleX.

Posteriormente, con Creathe Path, se agrupan todos los puntos.

Dichos puntos son agrupados en trayectorias, una de ellas será la seguida

por el robot cuando se dirige a tomar uno de los envases (en nuestro caso

botellas), y la otra la seguida para transportar cada envase desde el

contenedor de origen al contenedor de destino (y así para las seis botellas

que, en nuestro caso completan el ensayo). Este paso es requerido para la

realización de la simulación completa de nuestro programa utilizando para

ello el módulo SOP de eM-Workplace. Cada trayectoria empieza y termina en

una posición definida.



Fig. 8.22. Creación de las

trayectorias.

La distancia entre el contenedor y la herramienta cuando ésta última

se aproxima o se aleja de la primera; y entre un envase de PVC y otro,

cuando salen del contenedor de origen y se introducen en el contenedor de

destino, es de 75mm.

Asimismo, la distancia entre cada envase y el borde superior de ambos

contenedores cuando están siendo transportadas es de 50mm.



Fig. 8.23. Programación de los puntos cuando el robot toma un envase y la transporta al contenedor de destino.

Fig. 8.24. Programación de los puntos cuando el robot está transportando los envases de PVC.



A continuación se dan los datos de cada posición para cada

trayectoria.

La posición se toma del mismo modo que se hacía con los sistemas de

referencia principales de los contenedores.

A continuación podemos ver una tabla donde aparecen los cálculos

realizados para tomar los valores de todos los puntos del programa en

términos coordenados x, y, z.

Ciclo del programa principal

x y z lo1 Posición inicial 725,0 0 1220

lo2 Se dirige al 1° envase 894,7 341,4 255+230+75=560 pa1

lo3 Toma el 1° envase 894,7 341,4 255+230=485 lo4 Toma el 1° envase 894,7 341,4 255+230=485 lo5 Sale el envase del contenedor 894,7 341,4 485+75+230=79

0 lo6 Se dirige al contenedor destino 478,4 -501,1 790

pa2

lo7 Introduce el 1° envase 478,4 -501,1 485 lo8 Suelta el 1° envase 478,4 -501,1 485 lo9 Sale del contenedor destino 478,4 -501,1 560

lo10 Se dirige al 2° envase 894,7 436,4 560 pa3

lo11 Toma al 2° envase 894,7 436,4 485 lo12 Toma el 2° envase 894,7 436,4 485 lo13 Sale el envase del contenedor 894,7 341,4 790 lo14 Se dirige al contenedor destino 478,4 -406,1 790 pa4

lo15 Introduce el 2° envase 478,4 -406,1 485 lo16 Suelta el 2° envase 478,4 -406,1 485 lo17 Sale del contenedor destino 478,4 -406,1 560 lo18 Se dirige al 3° envase 798,1 341,4 560

pa5

lo19 Toma el 3° envase 798,1 341,4 485 lo20 Toma el 3° envase 798,1 341,4 485 lo21 Sale el envase del contenedor 798,1 341,4 790 lo22 Se dirige al contenedor destino 381,7 -501,1 790 pa6

lo23 Introduce al 3° envase 381,7 -501,1 485 lo24 Suelta al 3° envase 381,7 -501,1 485 lo25 Sale del contenedor destino 381,7 -501,1 560 lo26 Se dirige al 4° envase 798,1 436,4 560 pa7

lo27 Toma el 4° envase 798,1 436,4 485



lo28 Toma el 4° envase 798,1 436,4 485 lo29 Sale el envase del contenedor 798,1 436,4 790 lo30 Se dirige al contenedor destino 381,7 -406,1 790 pa8

lo31 Introduce el 4° envase 381,7 -406,1 485 lo32 Suelta el 4° envase 381,7 -406,1 485 lo33 Sale del contenedor destino 381,7 -406,1 560 lo34 Se dirige al 5° envase 701,4 341,4 560 pa9


lo39 Introduce el5° envase 285,0 -501,1 485 lo40 Suelta el 5° envase 285,0 -501,1 485 lo41 Sale del contenedor destino 285,0 -501,1 560 lo42 Se dirige al 6° envase 701,4 436,4 560 pa11


lo47 Introduce el 6° envase 285,0 -406,1 485 lo48 Suelta el 6° envase 285,0 -406,1 485 lo49 Sale del contenedor destino 285,0 -406,1 560 pa13 lo50 Posición inicial 725,0 0 1220

Fig. 8.25. Cálculo de los puntos que componen cada trayectoria del programa principal.



8.4.7 PROGRAMACIÓN OFF-LINE DEL MOTOMAN UP-20.

eM-Workpace posee un menú específico para la realización de

programas utilizando la metodología Off-Line.

Lo primero que se debe hacer es introducir el controlador de nuestro

robot. El controlador del Motoman UP-20 se llama: “yas_xrc_arc_rrs”.

Features.

Para la creación del programa se selecciona Features, con Create

se le da un nombre al programa (en este caso se le ha dado el nombre

de “labproje”) y se seleccionan las trayectorias creadas, que conforman

el programa.

Fig. 8.26. Función de Programación Off-Line en eM-Workplace.



Teach Pendant.

A continuación, se selecciona Teach Pendandt, se elige el

programa creado anteriormente y se van introduciendo las velocidades

de cada punto. La velocidad que el robot adopta en cada

desplazamiento dependerá del valor dado a ésta en su punto de destino

En esta opción también se introducen las pausas que el robot

debe de realizar, es decir, el intervalo de tiempo entre un

desplazamiento y otro durante el cual, el robot permanece inmóvil. Las

pausas dadas fueron de un segundo cada vez que el robot toma una

envase y de dos segundos cada vez que suelta un envase.

Estas aparecen en el código del programa como TIMER (Ver

punto 8.4.8. y apéndice 2)

Llegados a este punto, se define el tipo de movimiento que posee

el robot. Todas las velocidades fueron constantes (MOVL) y con un valor

de 100mm/s cuando el robot se acerca a tomar una envase, cuando

transporta la envase y cuando se aleja del contenedor de destino; y con

un valor de 500mm/s cuando se dirige al contenedor de origen y cuando

vuelve a la posición original. (Ver punto 8.4.8. y apéndice 2)



Motion.

Para ver en cada momento el valor coordenado de un punto

utilizamos la opción del menú denominada Motion. Para realizar esta

observación, puede ser seleccionado tanto un punto, como una

trayectoria o el programa completo.

Se eligió un movimiento lineal, porque con el movimiento punto a

punto, aparecían graves colisiones.



Código del programa

Para visualizar el código del programa en el Teach Pendandt, se

activa Show Program, y se vuelve a seleccionar el programa, “labprojet”,

en la ventana del Teach Pendandt. El código del programa aparecerá en

una nueva ventana. (Ver código del programa en el apartado 8.4.8.)

Las instrucciones del programa son:

• NPOS: Posición inicial del robot y que por defecto queda

marcado con Pos. (Ver apartado 8.4.6.).

• TOOL: eM-Workplace ofrece la posibilidad de trabajar con un

robot que posea cambio automático de herramienta. El lugar

en donde queda almacenada cada herramienta viene definido

por un número.

El Motoman UP-20 no posee cambio automático de herramienta,

por lo que el valor en TOOL siempre será el mismo en todos los

programas.

• PULSE: Generación de los valores que definen la posición de los

puntos. Cada uno viene definido por COO(xxxx). Dentro del

paréntesis aparecen definidos seis datos, que corresponden a

las posiciones de cada articulación en cada punto.

• NOP: El programa queda definido.

A continuación aparece el conjunto de instrucciones referentes a

posición, velocidad, pausas, etcétera.



Simulación.

Seguidamente, utilizando esta herramienta, se puede generar una

simulación para comprobar el correcto funcionamiento de nuestro

programa.

Antes de generar la simulación, queremos paramos a reflexionar algo

referente a los puntos. Estos puntos programados anteriormente con

Motion, pertenecen a los envases de PVC y no son puntos propios del robot;

por consiguiente, aparecerá un error a la hora de descargar el programa, ya

que los puntos serán falsos para éste. Para solventar este problema en

Simulation hay una opción Auto Teach que, al activarla se pone en marcha

la simulación, y automáticamente el programa va creando y almacenando

nuevos puntos pertenecientes ahora al robot. Tras su ejecución aparecerá

en la ventana de información el mensaje:

Auto Teach simulation complete. Re-run with Auto Teach off to get an accurate cycle it

Ahora puede ser seguido con la simulación cada paso del

programa sin ningún problema adicional.

Con la simulación podemos visualizar las posibles colisiones

existentes en el programa, para ello utilizaremos la instrucción Toolbox

window (All en la parte inferior derecha de esta Toolbox window).



Otra prestación que posee la simulación es obtener el tiempo de

ciclo del programa.

Fig. 8.27. Ejemplo de colisión de la herramienta del robot con el contenedor.

Fig. 8.28. Visualización de las componentes que colisionan.

El tiempo de ciclo de este programa es de:

Tiempo de ciclo = 2min 13,74s.

Tras realizar el estudio de colisiones con la simulación, se

detectaron leves colisiones que corresponden al roce de los envases con

los contenedores, pero que no afectan al desarrollo del programa y a su

objetivo final. Este hecho se pudo corroborar en la ejecución real del

programa en el laboratorio.

Algo importante a destacar en esta simulación es que, se simulan

sólo los movimientos del robot, es decir, no será visualizado el objetivo

real del programa, es decir el transporte de los envases desde el

contenedor de origen al contenedor de destino.



8.4.8 CÓDIGO DEL PROGRAMA

El código regenerado por eM-Workplace de este primer programa es el

siguiente:

/JOB //NAME labproje //POS ///NPOS 50,0,0,0,0,0 ///TOOL 0 ///POSTYPE PULSE ///PULSE C00000=0,0,1,0,-1,0 C00001=22885,50029,-22038,0,39429,-8874 C00002=22885,56322,-23805,0,43725,-8874 C00003=22886,56322,-23805,0,43725,-8874 C00004=22886,35741,-11879,0,25614,-8874 C00005=-48285,-5146,-47146,0,28614,18723 C00006=-48285,23131,-60875,0,51742,18723 C00007=-48285,23131,-60875,0,51742,18723 C00008=-48285,14205,-58754,0,45904,18723 C00009=28708,53794,-17663,0,38408,-11132 C00010=28708,59876,-19421,0,42593,-11132 C00011=28708,59876,-19421,0,42593,-11132 C00012=28708,40026,-7511,0,24854,-11132 C00013=-40979,-12931,-52476,0,28270,15890 C00014=-40979,16890,-66850,0,52591,15890 C00015=-40979,16890,-66850,0,52591,15890 C00016=-40979,7322,-64606,0,46353,15890 C00017=24968,39350,-33967,0,42010,-9682 C00018=24968,46307,-35789,0,46672,-9682 C00019=24968,46307,-35789,0,46672,-9682 C00020=24968,23568,-23624,0,27330,-9682 C00021=-54015,-16213,-54591,0,28037,20945 C00022=-54015,14251,-69262,0,52875,20945 C00023=-54017,14253,-69261,0,52874,20945 C00024=-54017,4402,-66959,0,46458,20945 C00025=31215,43387,-29542,0,41091,-12104 C00026=31215,50083,-31339,0,45606,-12104 C00027=31215,50083,-31339,0,45606,-12104 C00028=31215,28176,-19297,0,26759,-12104 C00029=-46356,-25380,-60088,0,27116,17975 C00030=-46356,6820,-75674,0,53421,17975 C00031=-46356,6820,-75674,0,53421,17975 C00032=-46356,-3862,-73191,0,46471,17975 C00033=27451,28721,-45057,0,44061,-10644 C00034=27451,36439,-46976,0,49165,-10644 C00035=27451,36439,-46976,0,49165,-10644 C00036=27451,11421,-34311,0,28360,-10644 C00037=-60951,-27108,-61058,0,26899,23634 C00038=-60951,5405,-76830,0,53482,23634 C00039=-60951,5405,-76830,0,53482,23634 C00040=-60951,-5441,-74309,0,46427,23634



C00041=34168,33186,-40501,0,43267,-13249 C00042=34168,40571,-42374,0,48176,-13249 C00043=34168,40571,-42374,0,48176,-13249 C00044=34168,16525,-29950,0,28013,-13249 C00045=-53087,-38029,-66722,0,25217,20585 C00046=-53087,-3708,-83761,0,53537,20585 C00047=-53087,-3708,-83761,0,53537,20585 C00048=-53087,-15621,-80977,0,45777,20585 C00049=0,0,1,0,-1,0 //INST ///DATE 2004/02/05 10:53 ///ATTR SC,RW ///GROUP1 RB1 NOP MOVL C00000 V=500.0 MOVL C00001 V=500.0 MOVL C00002 V=100.0 MOVJ C00003 TIMER T=1.00 MOVL C00004 V=100.0 MOVL C00005 V=100.0 MOVL C00006 V=100.0 MOVJ C00007 TIMER T=2.00 MOVL C00008 V=100.0 MOVL C00009 V=500.0 MOVL C00010 V=100.0 MOVJ C00011 TIMER T=1.00 MOVL C00012 V=100.0 MOVL C00013 V=100.0 MOVL C00014 V=100.0 MOVJ C00015 TIMER T=2.00 MOVL C00016 V=100.0 MOVL C00017 V=500.0 MOVL C00018 V=100.0 MOVJ C00019 TIMER T=1.00 MOVL C00020 V=100.0 MOVL C00021 V=100.0 MOVL C00022 V=100.0 MOVJ C00023 TIMER T=2.00 MOVL C00024 V=100.0 MOVL C00025 V=500.0 MOVL C00026 V=100.0 MOVJ C00027 TIMER T=1.00 MOVL C00028 V=100.0 MOVL C00029 V=100.0 MOVL C00030 V=100.0 MOVJ C00031 TIMER T=2.00 MOVL C00032 V=100.0 MOVL C00033 V=500.0



MOVL C00034 V=100.0 MOVJ C00035 TIMER T=1.00 MOVL C00036 V=100.0 MOVL C00037 V=100.0 MOVL C00038 V=100.0 MOVJ C00039 TIMER T=2.00 MOVL C00040 V=100.0 MOVL C00041 V=500.0 MOVL C00042 V=100.0 MOVJ C00043 TIMER T=1.00 MOVL C00044 V=100.0 MOVL C00045 V=100.0 MOVL C00046 V=100.0 MOVJ C00047 TIMER T=2.00 MOVL C00048 V=100.0 MOVL C00049 V=500.0 END

Nota: Para cualquier duda referente al código del programa ver el punto 8.4.7. y el apéndice 2.



8.4.9 SIMULACIÓN CON EM-WORKPLACE.

Para proceder a realizar una simulación del programa y de su objetivo

final, transporte de envases desde un origen a un destino, utilizaremos la

opción de simulación, SOP.

El primer paso es el de proporcionar un nombre a la secuencia, el

nombre dado en este caso fue: sop1. En la opción de Operation se van

introduciendo las distintas operaciones que componen el programa.

Para cada operación, se tendrá que:

proporcionar un calificativo, en nuestro caso ha sido de takebottleX o

carrybottleX, donde en X se especifica el número de envase de PVC.

Introducir el tiempo que se le da de pausa antes que empiece cada

operación. Se le dio un tiempo de un segundo para los takebottleX y

de dos segundos para los carrubottleX.

Se selecciona qué objeto realiza la operación, que en nuestro caso

siempre será el robot.

Se selecciona el robot y la trayectoria correspondiente a cada

operación.

Se especifica la operación precedente.

Se introducen los eventos que tendrán lugar en cada operación, que

serán:



• Para los takebottleX:

o creación de un grupo formado por el robot y el envase

a transportar, denominado con el nombre de: grX.

o Ataque del envase por el punto de la herramienta

correspondiente que, corresponderá al sistema

coordenado dado anteriormente. (Ver punto 8.4.5.).

• Para los carrybottleX:

o Suprimir el ataque al envase correspondiente.

o Eliminar el grupo formado anteriormente, grX.

Fig. 6.28. GeFig. 8.29. Generación de las secuencias que componen la simulación.

A continuación, se procede a visualizar la simulación. En una ventana

aparecerá un esquema del conjunto de operaciones para poder seguir el

desarrollo de las operaciones a modo de control.



8.4.10 DOWNLOAD.

A continuación se procede a descargar el programa en una Memory

Stick, dispositivo utilizado para trasladar el programa al robot.

Para ello, de nuevo en Teach Pendant y seguidamente Download,

seleccionamos el programa que se desea cargar que en este caso será

“labproje”. Seguidamente aparece una serie de campos que deben de

rellenarse como aparece a continuación:

• Local Name: "labproje"

• File type: JBI

• Remote Name: "labproje"

• Program out: "labproje"

Y se hace click sobre "Send".



8.5 EJECUCIÓN DEL PROGRAMA.

Se introduce la Memory Stick en la CPU del Motoman y con el panel de

control se carga el programa.

En el menú principal del panel de control nos vamos FP/PC_KARTE y

se siguen los siguientes pasos:

FP/PC_KARTE → Select → Laden → Job → “Test” → Select → Enter → Ja

Regresamos al menú principal y seleccionamos el programa descargado

anteriormente, “labproje”. En la pantalla se puede visualizar la lista de

instrucciones que compone el código, además de poder ir siguiendo las

órdenes que se van ejecutando en cada momento.

Se coloca el sistema de aire comprimido y a continuación los apoyos de

los contenedores, los contenedores y los envases de PVC, que para nuestro

ensayo consistieron en botellas de plástico.

Primero se ejecutó el programa manualmente desde el controlador, por

motivos de seguridad; y luego se activó el sistema de seguridad y se ejecutó

el programa automáticamente.

Ambas ejecuciones se realizaron sin ningún problema, obteniéndose los

resultados deseados.



Nota: Para más información sobre como se manipula el Motoman UP-20

ver apéndice 1.

Fig. 8.30. Ejecución del programa principal en el Motoman UP-20 del laboratorio del “Departamento de Fabricación” de la “Universidad Técnica de Graz”.

Posteriormente se midió el tiempo de ciclo del programa. Dicho tiempo

fue de:

Tiempo de ciclo = 2min 14,41s



Por lo que el error cometido con el eM-Workplace fue de:

ε = 10041,14

74,1341,41∗

− =0,49%

A la vista de este reducido error, podemos concluir que la simulación

realizada por el programa eM-Workplace es muy exacta, pudiéndose acusar

de este pequeño error al empleo manual del cronómetro.

OPTIMIZACIÓN DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE DEL MOTOMAN UP-20 CON EM-WORKPLACE 9-115


9 OPTIMIZACIÓN DE LA PROGRAMACIÓN OFF-LINE DEL MOTOMAN UP-20 CON EM-WORKPLACE

El objetivo en este apartado es optimizar el programa diseñado y

ejecutado anteriormente. Se tratará de reducir el tiempo de ciclo del

programa en un 50%, esto significa que el nuevo tiempo de ciclo será de:

Tiempo de ciclo = 1min 6,87s

Para ello se aumentó la velocidad en las trayectorias tanto como fue

posible, y se redujo al mínimo la trayectoria seguida por el robot.



9.1 REDUCCIÓN DE LAS TRAYECTORIAS.

La modificación de las trayectorias se llevo a cabo disminuyendo la

altura en la que el robot efectúa todos sus movimientos en 40cm, excepto

en su posición original.

Para reducir el tiempo en los desplazamientos se programaron

nuevas trayectorias disminuyendo la altura de movimiento del robot en

todos los puntos, excepto en su posición original. Esta disminución se

tradujo en la reducción del valor de la coordenada z en 40mm. Ahora, la

distancia entre un envase y la herramienta del robot cuando éste se acerca

a tomarla o se aleja del contenedor de destino, y entre un envase y otro

que está siendo transportado cuando el robot sale del contenedor de origen

y cuando es introducida en el contenedor de destino, es de 35mm.

Asimismo, la distancia entre un envase y el borde superior de ambos

contenedores es de 10mm.

Fig. 9.1. Reducción de la altura del robot cuando se dirige a tomar lOs envases.



Fig. 7.2. Distancia entre el envase transportado y el borde superior del contenedor.

Con Motion y Create Path se van copiando las trayectorias anteriores y

se van marcando nuevos puntos con la nueva altura deseada.

Se van copiando directamente los puntos que no necesitan

modificación alguna y que corresponden a las posiciones que marcábamos

con el comando Pos (Ver apartado 8.4.6.), es decir, cuando el robot toma y

suelta los envases. Las otras posiciones se crean tomando como referencia

las anteriores con Movie Commands y modificando la altura con Robot jog.

Movie Commands→ Target=loX→play→Robot jog→z=-30mm→Marc loc



Primer ciclo del programa optimizado x y z

lo51 Posición inicial 725,0 0 1220 lo52 Se dirige al 1° envase 894,7 341,4 255+230+35=530pa14 lo53 Toma el 1° envase 894,7 341,4 255+230=485 lo54 Toma el 1° envase 894,7 341,4 255+230=485 lo55 Sale el envase del contenedor 894,7 341,4 485+45+230=760lo56 Se dirige contenedor destino 478,4 -501,1 760 pa15


lo61 Toma el 2° envase 894,7 436,4 485 lo62 Toma el 2° envase 894,7 436,4 485 lo63 Sale el envase del contenedor 894,7 341,4 760 lo64 Se dirige contenedor destino 478,4 -406,1 760 pa17







lo89 Introduce el 5° envase 285,0 -501,1 485



lo90 Suelta el 5° envase 285,0 -501,1 485 lo91 Sale del contenedor destino 285,0 -501,1 530 lo92 Se dirige al 6° envase 701,4 436,4 530 pa24

lo93 Toma el 6° envase 701,4 436,4 485 lo94 Toma el 6° envase 701,4 436,4 485 lo95 Sale el envase del contenedor 701,4 436,4 760 lo96 Se dirige contenedor destino 285,0 -406,1 760

pa25

lo97 Introduce el 6° envase 285,0 -406,1 485 lo98 Suelta el 6° envase 285,0 -406,1 485 lo99 Sale del contenedor destino 285,0 -406,1 530 pa26 lo100 Posición inicial 725,0 0 1220

Fig. 9.3. Cálculo de los puntos que componen cada trayectoria del programa optimizado.

Posteriormente se crea un nuevo programa con Features en OLP (Ver

punto 8.4.7.). A este nuevo programa se le dio el nombre de “labpropt” y se

tomaron las nuevas trayectorias que componen el programa.



9.2 INCREMENTO DE LA VELOCIDAD

Se aumentó ligeramente las velocidades en las trayectorias donde

existía peligro de colisión. Y donde no existía tal peligro se tomó la máxima

velocidad a la que el robot era capaz de funcionar.

Para aumentar la velocidad en nuestro nuevo programa creado,

“labpropt”, nos vamos al Teach Pendant de la función OLP.

Ahora las velocidades dadas fueron de 300mm/s cuando el robot se

acerca a tomar un envase, cuando transporta dicho envase y cuando se

aleja del contenedor de destino; y se cambió el tipo de movimiento, a un

movimiento punto a punto (MOVJ) del 100% cuando se dirige al contenedor

de origen y cuando vuelve a la posición original una vez finalizadas todas

las operaciones. (Ver punto 8.4.8. y apéndice 2).



9.3 SIMULACIÓN Y EJECUCIÓN DEL PROGRAMA OPTIMIZADO

En este nuevo programa, se pueden utilizar movimientos punto a

punto, cuando el robot se dirige al contenedor de origen y cuando vuelve a

la posición original, porque son movimientos libres del robot y no hay

ningún peligro de colisión.

Mediante la simulación obtenemos el nuevo valor del tiempo de ciclo

del programa.

Tiempo de ciclo = 54,32s

La simulación se llevó a cabo del mismo modo que se hizo

originalmente; pero en este caso, se usaron las nuevas trayectorias

creadas, por lo que no se entrará en detalles. (Ver punto 8.4.9.). La

secuencia fue llamada, sop2.

Cargamos el programa en la Memory Stick, como se hizo

anteriormente y lo descargamos en el Motoman UP-20.

Se realizó nuevamente la ejecución en modo manual, por motivos de

seguridad, y posteriormente una vez activado el sistema de seguridad, se

ejecutó el programa en modo automático.

Se midió el tiempo de ciclo del programa. Éste fue de:

Tiempo de ciclo = 54,65s



El nuevo error cometido con eM-workplace fue de:

ε = 10032,54

32,5465,54∗

− =0,60%

Con este nuevo programa, se pudo volver a comprobar la exactitud de

las programaciones creadas utilizando eM-Workplace.



9.3.1 CÓDIGO DEL PROGRAMA OPTIMIZADO

El código de este nuevo programa optimizado, generado

automáticamente por eM-Workplace es el siguiente: /JOB //NAME labpropt //POS ///NPOS 50,0,0,0,0,0 ///TOOL 0 ///POSTYPE PULSE ///PULSE C00000=0,0,1,0,-1,0 C00001=22885,52460,-22833,0,41163,-8874 C00002=22885,56322,-23805,0,43725,-8874 C00003=22886,56322,-23805,0,43725,-8874 C00004=22886,37145,-13611,0,27456,-8874 C00005=-48286,-3319,-49060,0,30788,18723 C00006=-48286,-3319,-49060,0,30788,18723 C00007=-48285,23131,-60875,0,51742,18723 C00008=-48286,17633,-59706,0,48237,18723 C00009=28709,56142,-18456,0,40099,-11132 C00010=28708,59876,-19421,0,42593,-11132 C00011=28708,59876,-19421,0,42593,-11132 C00012=28709,41377,-9242,0,26670,-11132 C00013=-40980,-11065,-54462,0,30510,15890 C00014=-40979,16890,-66850,0,52591,15890 C00015=-40979,16890,-66850,0,52591,15890 C00016=-40980,10985,-65612,0,48839,15890 C00017=24970,42037,-34787,0,43887,-9682 C00018=24968,46307,-35789,0,46672,-9682 C00019=24968,46307,-35789,0,46672,-9682 C00020=24970,25126,-25369,0,29257,-9682 C00021=-54017,-14333,-56607,0,30304,20945 C00022=-54015,14251,-69262,0,52875,20945 C00023=-54017,14253,-69261,0,52874,20945 C00024=-54017,8166,-67992,0,49011,20945 C00025=31216,45973,-30353,0,42911,-12104 C00026=31215,50083,-31339,0,45606,-12104 C00027=31215,50083,-31339,0,45606,-12104 C00028=31216,29678,-21032,0,28652,-12104 C00029=-46357,-23493,-62202,0,29451,17975 C00030=-46356,6820,-75674,0,53421,17975 C00031=-46356,6820,-75674,0,53421,17975 C00032=-46357,203,-74300,0,49225,17975 C00033=27450,31696,-45922,0,46111,-10644 C00034=27451,36439,-46976,0,49165,-10644 C00035=27451,36439,-46976,0,49165,-10644 C00036=27450,13109,-36109,0,30387,-10644 C00037=-60951,-25226,-63192,0,29245,23634 C00038=-60951,5405,-76830,0,53482,23634 C00039=-60951,5405,-76830,0,53482,23634 C00040=-60951,-1323,-75438,0,49219,23634



C00041=34169,36036,-41343,0,45241,-13249 C00042=34168,40571,-42374,0,48176,-13249 C00043=34168,40571,-42374,0,48176,-13249 C00044=34169,18161,-31721,0,29997,-13249 C00045=-53089,-36201,-68983,0,27621,20585 C00046=-53087,-3708,-83761,0,53537,20585 C00047=-53087,-3708,-83761,0,53537,20585 C00048=-53088,-11133,-82219,0,48828,20585 C00049=0,0,1,0,-1,0 //INST ///DATE 2004/02/11 09:26 ///ATTR SC,RW ///GROUP1 RB1 NOP MOVJ C00000 VJ=100.00 MOVJ C00001 VJ=100.00 MOVL C00002 V=300.0 MOVJ C00003 TIMER T=1.00 MOVL C00004 V=300.0 MOVL C00005 V=300.0 MOVL C00006 V=300.0 MOVJ C00007 TIMER T=2.00 MOVL C00008 V=300.0 MOVJ C00009 VJ=100.00 MOVL C00010 V=300.0 MOVJ C00011 TIMER T=1.00 MOVL C00012 V=300.0 MOVL C00013 V=300.0 MOVL C00014 V=300.0 MOVJ C00015 TIMER T=2.00 MOVL C00016 V=300.0 MOVJ C00017 VJ=100.00 MOVL C00018 V=300.0 MOVJ C00019 TIMER T=1.00 MOVL C00020 V=300.0 MOVL C00021 V=300.0 MOVL C00022 V=300.0 MOVJ C00023 TIMER T=2.00 MOVL C00024 V=300.0 MOVJ C00025 VJ=100.00 MOVL C00026 V=300.0 MOVJ C00027 TIMER T=1.00 MOVL C00028 V=300.0 MOVL C00029 V=300.0 MOVL C00030 V=300.0 MOVJ C00031 TIMER T=2.00



MOVL C00032 V=300.0 MOVJ C00033 VJ=100.00 MOVL C00034 V=300.0 MOVJ C00035 TIMER T=1.00 MOVL C00036 V=300.0 MOVL C00037 V=300.0 MOVL C00038 V=300.0 MOVJ C00039 TIMER T=2.00 MOVL C00040 V=300.0 MOVJ C00041 VJ=100.00 MOVL C00042 V=300.0 MOVJ C00043 TIMER T=1.00 MOVL C00044 V=300.0 MOVL C00045 V=300.0 MOVL C00046 V=300.0 MOVJ C00047 TIMER T=2.00 MOVJ C00048 VJ=100.00 MOVJ C00049 VJ=100.00 END

Como ya se comentó en el punto 8.4.8., para cualquier duda referente

al código del programa ver el punto 8.4.7. y el apéndice 2.

Fig. 9.4. Imagen del Motoman UP-20 en el laboratorio.



9.4 RESULTADOS DE LA OPTIMIZACIÓN DEL PROGRAMA CON EM-WORKPLACE

El objetivo inicial era reducir la velocidad de ejecución del programa

en un 50%. Tras los ensayos realizados se obtuvo un resultado mejor al

objetivo esperado.

El tiempo de ciclo se redujo en un 59,58%.

ε = 10042,134

32,5441,134∗

− =59,58%

Esto quiere decir que, el programa optimizado se ejecutó con un

tiempo del 40,42% del tiempo de ciclo del programa principal.

Además es necesario decir que las ejecuciones en ambos programas

se llevaron a cabo con éxito sin ningún tipo de incidente.

Los resultados obtenidos fueron muy satisfactorios.

CONCLUSIONES 10-127


10 CONCLUSIONES

La programación Off-Line fue experimentada en un robot industrial

de Producción. Posteriormente se realizó una optimización de este mismo

programa, consiguiéndose disminuir el tiempo de ejecución del programa

en un 60%; el programa original poseía un tiempo de ejecución de 2min

13,74s y el optimizado se consiguió realizar en 54,32s. Asimismo, se evaluó

el error cometido entre la simulación realizada mediante el software eM-

Workplace y la realización práctica en el robot Motoman UP-20 del

laboratorio, obteniéndose un desfase porcentual del 0,49% para el

programa original y 0,60% para el programa optimizado.

A la vista de los resultados obtenidos, podemos concluir nuestro

estudio con las siguientes reflexiones; por un lado, como ventajas de la

programación Off-Line frente a la On-Line tendremos:

La programación Off-Line simplifica de manera notable las

tareas de optimización.

El modelo virtual obtenido mediante el software eM-Workplace

consigue simular de manera muy exacta el comportamiento

real del robot.

La eficiencia del robot aumenta considerablemente, al poder

programar puntos virtualmente.

Se pueden realizar verificaciones del programa antes de su

implementación en la producción.

CONCLUSIONES 10-128


La integración con los sistemas CAD/CAM hace posible la

utilización de datos procedentes de éstos.

Ventajas laborales en cuanto a un mayor confort en el trabajo

y un aumento de la seguridad laboral. El trabajo se realiza

lejos del área de operación del robot.

La producción no es detenida mientras se esté diseñando ó

rediseñando el programa.

Como desventajas de la programación Off-Line, podemos citar las

siguientes:

El principal inconveniente que tiene la programación Off-Line

frente a la On-Line es la exactitud exigida en la posición de los

objetos por este tipo de programación. Este inconveniente se

confirmó en nuestro experimento, al producirse errores en los

puntos en los que el robot toma los envases, debido a la

holgura existente entre la cavidad donde se aloja el envase y

ésta. Estas inexactitudes no tuvieron mayor relevancia en

nuestro caso, debido al amplio margen de error que ofrecía

nuestra herramienta; pero para usos más precisos puede ser

un inconveniente que haga inviable la programación Off-Line.

Es necesario de un buen conocimiento del software utilizado,

así como de la programación On-Line.

CONCLUSIONES 10-129


Desde el punto de vista económico no es viable hoy en día este

tipo de programación. Principalmente debido a la falta de

cualificación por ser una nueva tecnología.

Necesidad de una calibración muy precisa o de la obtención de

puntos de referencia valiéndonos de la programación On-Line.

BIBLIOGRAFÍA 11-130


11 BIBLIOGRAFÍA

[1] Die Virtuelle, robotisierte Fertigungslinie für Fahrwerke. WorkArea

4/ Project P2. vif 2003.

[2] Motoman. Technical Specificacions Subject. DS-164-C. October

2003. Yaskawa company. Motoman Corporate Headquarters.

[3] eMPower for Manufacturing Process Management. 2003. Tecnomatix

Technologies Ltd.

[4] Industrieroboter. Dr Igor Kovač. Ausgabe Nr. 2, März.

[5] Homepage of Auscartec. http://www.auscartec.com

[6] Häufig gestellte Fragen zum Thema Roboter - Simulation. Gregor

Gerlach. Homepage http://offliners-site.de.

[7] Robot Dynamics and Control. Mark W.Spong, M. Vidyasagar. Ed.

1989, by John Wiley & Sons, Inc.

[8] On-Line Release Notes. Version 6.0.3. February 2003. Tecnomatix

Technologies Ltd.

[9] eM-Workplace. Trainingshandbuch Grundlagen. Tecnomatix GmbH.

1999-2002.

[10] Unix Grundlagen und Befehle. Tecnomatix GmbH.

8.8.2001/v1.0/blank.



[11] Leitfaden für die Baschweissuntersuchung und Off-Line

Programming in eM-Workplace. Tecnomatix GmbH. März 2003.

[12] Robcad Version 3.7.1. Handbuch. Andreas Rose. Studienarbeit. 20

Juni 2000. Institut für Robotik und Prozessinformatik. Prof. Dr. F.

Wahl. Technische Universität Braunschueig.

[13] Robcad Version 3.7.1. Tutorial. Andreas Rose. Studienarbeit. 20

Juni 2000. Institut für Robotik und Prozessinformatik. Prof. Dr. F.

Wahl. Technische Universität Braunschueig.

[14] Schulungsunterlagen. Robcad Base. Seminarnr 00363. BMW AG.

[15] Einweisung in Robcad Version 3.7.1. Modellierung und Simulation

von Robotern. Andreas Rose. Studienarbeit. 20 Juni 2000. Institut

für Robotik und Prozessinformatik. Prof. Dr. F. Wahl. Technische

Universität Braunschueig.

[16] Yaskawa XRC Arc RRS Off-Line Programming Bedienungshandbuch.

Version 2.0. für eM-Power 4.0. Tecnomatix GmbH. April 2002.

[17] Yasnac XRC Bedienungshandbuch. Zur Universellen Verwendung

Handbuch. Nummer RE-CSO-A015. Tecnomatix GmbH.

[18] Yasnac XRC. Anleitungen für den Europaischen Standard Nummer

RE-CTO-A205. Überarbeitung vom 2001.04. Tecnomatix GmbH.

[19] Yasnac XRC Optionen Bedienungseinleitug für Relativ Job-function.

Manual Nummer RE-CKI-A415. Tecnomatix GmbH.



[20] Yasnac XRC Options Instructions for the servofloat function. Manual

Number RE-CKI-A430.Tecnomatix GmbH.

[21] Tabellenbuch Metall. U. Fisher. R. Kilgus. H. Paetzold. K. Schilling.

M. Heinzler. F. Näher. W. Röher. A. Stephan. Europa-Fach

Buchreibe für Metallberufe. Buch nummer 2026.

APÉNDICES 12-133


12 APÉNDICES

12.1 PÉNDICE 1. PRÁCTICA DE LABORATORIO 1: ON-LINE PROGRAMMING OF THE MOTOMAN UP20.

APÉNDICE 1. PRÁCTICA DE LABORATORIO 1: ON-LINE PROGRAMMING OF THE MOTOMAN UP20. 12-134


ON-LINE PROGRAMMING OF THE MOTOMAN UP-20

1. INTRODUCTION. At this practice, we will develop

an On-line program with a robot

jointed arm. This robot is a Motoman

UP-20, which can be found at the

“Institute of Production Engineering”

from the “Graz University of

Technology”.

We will familiarize ourselves with

its interface, and to study the

motions of the robot. Also, we will

carry out an On-line programming.

Fig. A1.1, Motoman UP20. Photography in the laboratory of the “Institute of Production Engineering”.



2. FEATURES

Motoman needs a Computer, where is lodged the memory and

where the main functions are carried out: the control to activate the

automatic and manual functioning and the emergency stop.

The Motoman is programmed whit a Teach Pendant, which will be

described along the practice.

Fig. A1.2. Teach Pendant of the Motoman UP-20.

Fig. A1.3. Controller of the Motoman UP-20 in the laboratory.



The Working Field is represented in the following figures:

Fig. A1.4. UP-20 Dimensions. Dates issued by Yaskawa Company.



In the next figure, the features of the Motoman UP-20 are shown.

UP20 SPECIFICATIONS

Controlled Axes 6 UP 20

Maximum Motion Range

Maximum Speed

Allowable Moment

Allowable Moment

of Inertia. Payload 20 kg

S ±180° 165°/s – – Precision ± 0,06 mm

Horizontal Reach

1658 mm L + 155° / –

110° 165°/s – – Vertical Reach 2947mm

U + 255° / – 160° 165°/s – – Allowed

Temperature 0 -

+45°C

R ±190° 335°/s 31,4 Nm 0,7 kg m2 Allowed air humidity

20 - 80 % RH

B ±140° 335°/s 31,4 Nm 0,7 kg m2 Weight of the robot

280 kg

AX

ES

T ±360° 510°/s 15,7 Nm 0,2 kg m2 Middle

Connection Power

2,8 kVA

Fig. A1.6. Technical information issued by Yaskawa Company.

Fig. A1.5. View of details.



3. PRINCIPAL FUNCTIONS

3.1 STARTER AND PRINCIPAL OPTIONS

First, we will start the Controller by turning the

black wheel of the Computer. Servo On Ready and

then Teach lock are pressed in the teach pendant.

A green light must appear flicking. This will indicate that we are

able to handle and control the robot from the teach pendant. Whereas

this modus is activated, the button Play of the computer will not be

operative.

A very important button is the Emergency Stop. It will stop the

execution of the program and therefore the motion of the robot before a

mistake takes place. This button appears in the teach pendant and in

the Computer, and we must always have it on mind.

Fig. A1.7. Detail of the teach pendant.



To move on the screen, a Cursor is used. The arrangement of the

Selection Button and the Cursor one could be seen in the teach pendant

at Figure 7.

Now, we will take the teach pendant where it is

possible to observe that the screen is divided in two areas

of menus. To choose what menu is represented at the

screen we will have to press the button showed of the

picture box at the left.

Main functions are represented at the low menu, which is set as

default and takes most of the screen. By clicking at the button

described before, we can change to the top menu, where some other

functions are included.

Fig. A1.8. Screen of the teach pendant.



The button TOP MENU always returns to the main menu.

This button gives the position where the robot will go at the

following command from the program.

This button represents a function developed for complex

programs, and consequently we will not use it in this

practice.

This button selects the reference coordinate system. We are

able to choose from four different coordinate systems. In this

practice we will use only two:

The base coordinate system. We would recognise it when

a coordinated axis appears on the screen.

The tool coordinate system. This time, a drawing of the

robot appears on the screen.

With these buttons, the speed can be chosen to be faster or

slower. The indication of the speed appears on the screen in

a bar series.

This button, High SPD, makes the motions quicker



3.2 SAFETY SYSTEM

The robot programs can be executed in manual mode from the

teach pendant, or in automatic mode from the computer.

When the automatic way is selected, we will have to activate the

safety system. Otherwise, the robot will not work.

This system has a sensor that

limits the working area of the

robot. If someone gets across this

limit, the program and the robot

are stopped automatically. .

This safety system is activated

from the emergency switchboard

showed above, by turning the red

wheel and pressing the black

button.

Fig. A1.9. Safety system of the laboratory, to use the Motoman UP-20.



3.3. MOTION OF THE ROBOT.

The first thing to do to get the robot moving is to choose the

reference coordinate frame. After that, we will choose the speed and we

must observe that the Teach Lock of the teach pendant is activated. We

may detect this activation by a green light flicking which says Servo On.

At this point, we are able to control the motions of the robot

manually.

When it is desirable to move the robot from the teach pendant, it

will be necessary to hold the trigger called Teach depend, and keeping it

held we are able to control the robot by pressing the directions of the

different reference axes.

The speed can be

increased on a higher rate

by pressing simultaneously

the corresponding button,

High SPD, and FST or SLW.

The amount of this

increment will be much

larger if the combination

includes the FST option,

Faster. By pressing the SLW

option, the increment will be smaller.

Fig. A1.10. Detail of the teach pendant.



With the button Relative Job, the robot position would appear on

the screen in the base coordinate frame.

If this button is pressed, the robot returns to the

original position. We can observe how the values that

appear in the function Relativ Job are all zeros.



3.4. SELECTION OF A PROGRAM

Manual control.

We have to select JOB from the main menu. We can observe a list

of programs on the screen, and after selecting one of them, the

instructions of the program will appear on the screen.

We are able to observe that the light Servo On flicks.

To get the program into operation, it is necessary

to hold pressed Inter lock and simultaneously Test Start

to allow the Motoman motion,. The program begins to

work as soon as Test Start is free. Inter lock must be

placed on while the program is executing; if we release

it, the program halts.

We can move the robot to an explicit position of the program using

FWD. To carry out this action, this button has to be clicked until the

required position is reached.



Automatic control

Before changing to the automatic mode we

have to select the execution way of the program.

In the top menu, we need to select Zyclus. After

that, three options will appear:

Still: It means that the program will be executed step by step

demanding a confirmation from the programmer.

Zyclus: The program will be executed from the beginning to the

end without the intervention of the programmer but only once.

Auto: The program will be executed the same way that the option

described before, but cyclically.

Now, we are able to switch the operating mode to automatic, and in

order to do that, the Teach Lock is necessary to be unlocked in the

teach pendant. Then we must activate the safety system by pressing

Play on the emergency switchboard. After that, we have to click on the

button Servo On and finally, the automatic control is activated.

By pressing Start on the Computer the program gets executing.

Teach Lock→ Play→ Activate Emergency System → Servo On → Start

Fig. A1.11. Detail of the screen of the tech pendant.



Whenever we want the program

to stop, we only need to press the

button Stop from the Computer. If we

press Play again, the program will

continue executing from the line

where it was stopped before.

After a click on Stop, the program can switch the mode of operation

from automatic to manual and it will continue with the teach pendant

from the line where it stopped before.

Warning: we always must keep the Emergency Stop button on our

minds.

Fig. A1.12. Detail of the controller.



4. ON-LINE PROGRAMMING

4.1. CREATION OF A NEW PROGRAM

From the main menu, we have to move with the cursor to the

NEW_JOB function and select it. After that, we are demanded to

introduce the desired name to the program. Next, we have different

options:

KCMM: by this option, we are able to write comments about

the program.

AUSW: this selection is used when there is more than one

Robot.

JOBTYP: here we have two different options: Parallel or

Roboterjob. Roboterjob is selected.

At this moment, we are able to continue with the practical work by

clicking on the AUSF control.



4.2. CREATION OF MOTIONS.

First, the robot is moved to the desired position, to

introduce it into the program, press Insert button and

Enter. These steps will achieve the first program line

to be stored.

In order to introduce a command in the middle of

the program, we place the cursor on the previous line

and the previous operation is executed, that is, the

command is executed and pressed Insert and Enter.

We are able to modify the

speed by changing the speed

information. To get into this menu,

we have to press Select button,

now we move with the cursor to

the right and press Select again.

The desired speed information is

introduced and to get it into the

program, press Enter twice.

There are four different types of motions that can be

selected by Motion Type.

Execute Previous Command → Insert→ Enter .

Fig. A1.13. Program on the scream of the teach pendant.



To do this selection, the command number has to be placed in the

program, and not in the speed information.

The different types of motions are:

MOVJ: Point to point motion. The speed is given by a

percentage.

MOVL: Linear motion. The speed is given by an absolute value.

MOVS: Spline motion. The speed is given by an absolute value.

MOVC: Circular motion. The speed is given by absolute value

too.

Attention: finish a program with this instructions is not possible.

To query the position value of the robot at a command, we must

place the robot on the mentioned command and press FWD (just as it

was previously explained). This option is interesting when we want to

start or finish a trajectory in an exact position. For example, if we want

to do a circular motion which has to be improved on a plane, we can

consider to introduce the final point that closes the circumference by

asking the robot for the initial point with this command, and we get the

exact value for that point.

Finally, a program must always begin and end in the initial-exit

position.



4.3. DELETE

In order to delete an instruccion is not possible to do it

directly from the teach pendant. In order to do it, we

have to place the robot on the command that we want

to delete by using the FWD button as we have seen

before. Next, we continue by pressing Delete and Enter

buttons to get the action done.

FWD→ Delete→ Enter

4.4. PAUSE.

We go to the previous menu and introduce the sequence shown

next:

Inform List → Control Timer → Introduce the Pause Seconds → Select → Enter → Insert



4.5. CREATION OF A CIRCUNFERENCE PATH.

To get the path following a circumference route it is necessary to

create three points with the MOVC function, which will be the points

that generate the semi-circumference. Previous to the first point it will

be necessary to create an exit point, which will be wherefrom the robot

will depart to later on, start tracing the circumference. Finally we will

give a completion position, which will be where the robot will go after

tracing the half circumference.

With another three opposite points to the ones showed before, we

will have the other semi circumference that will close the circle. To

create the complete circumference, the completion point of the first

semi circumference will have to coincide with the third point and with

the first point of the second semi circumference.

Fig. A1.15. Creation of a complete circumference.

Fig. A1.14. Creation of a half circumference.



4.6. SMOOTHED PATH.

If the robot has to trace an angle of 90 degrees, and the trajectory

is required to be smooth, it can be done using the next sequence:

On the speed value in the motion mode → Select → Unbenut→ on PL, smoothed is selected

The motion mode and the speed value are introduced before

pressing Select to get the values stored. A new screen appears with

several options, Unbenut is chosen and on PL we are able to choose the

smooth value from 0 to 4. The zero does not change the trajectory at

all, so we would obtain a perfect 90 degrees angle, and 4 is the

maximum value for the smoothness.

Note: If we have selected a high speed for the motion of the robot, it will

not allow us to introduce smoothness at all or will only allow us to

introduce low values for it.

Fig. A1.16. Different values to smooth a path



5. EXERCISE 5.1. Develop a program where appear three different kinds of

motions: point to point, linear and spline motion. The three of them will have to be programmed with three points and a pause of three seconds between them will have to be made. The motions will be carried out in the base coordinate frame.

The paths will be free but the differences between the different

motions must visualize clearly. Information: The value of the speed for each motion will be: MOVJ = 40 % MOVL = 70 mm/min MOVS = 70 mm/min The program will begin and end in the exit position.

5.2. Develop a program where the robot follows a trajectory formed

by a semi circumference, with a straight line after it and finally a complete circumference. The mentioned path will be traced on the x-plane of the base coordinated system.

The radio of the circumferences and the measure of the straight line

can be chosen freely. Information: The value of the speed for every motion will be: MOVJ = 40 % MOVC = 70 mm/min The program will begin and end in the exit position.



5.3. Develop a program where the robot traces a square and after that, you are required to smooth the angle of its corners. Select the four different smoothed paths. The aforementioned square will be traced on the plane z of the base coordinate system.

The length of the square will be of free election. Information: The value of the speed for each motion will be: MOVJ = 10 % PL=0,1,2,3,4. The program will begin and end in the exit position.

APÉNDICE S 12-155


12.2 APÉNDICE 2. PRÁCTICA DE LABORATORIO 2: OFF-LINE PROGRAMMING OF THE MOTOMAN UP-20 WITH EM-WORKPLACE.

APÉNDICE 2. PRÁCTICA DE LABORATORIO 2: OFF-LINE PROGRAMMING OF THE MOTOMAN UP-20 WITH EM-WORKPLACE. 12-156


OFF-LINE PROGRAMMING OF THE MOTOMAN UP-20

WITH EM-WORKPLACE

1. INTRODUCTION.

In this practical activity, an Off-line programming will be carried

out. Robot programming oriented to motion will be used, with the aid

of the newly developed software eM-Workplace. Once the programming

task is concluded, the program will be exported to the Motoman UP-20

robot of the Faculty laboratory and its operation will be verified.

Finally, the converse will be done, i.e. the operation of a program

written via the teach pendant of the Motoman UP-20 will be checked

within the eM-Workplace framework.



2. FEATURES.

eM-Workplace enables the design, simulation, optimization,

analysis and Off-Line programming of robots and automated

manufacturing processes in the context of product and production

resource information. It provides a

concurrent engineering platform to

optimize processes and calculate cycle

times. With eM-Workplace, you can design

complete manufacturing cells and systems

on 3D graphical computer workstations. FFig. A2.1. Screenshor of eM-Workplace.

As a scalable, standalone solution, eM-Workplace fully integrates

core technologies with a powerful set of process-specific applications

for a wide range of processes, including spot welding, arc welding,

laser and water jet cutting, drilling and riveting, and human

operations.

eM-Workplace simultaneously models all physical characteristics

of robots and other automated devices, enabling the user to verify the

accessibility limits (target reachability, path definition, collision

avoidance and cycle time calculation), while developing a

manufacturing plan.



Features:

Interoperability with major MCAD systems

Robots, machines, tools, equipment libraries

Modeling of components

Modeling of complex kinematics of robots and other

mechanisms

3D layout definition of workcells

3D path definition with reachability check, collisions

detection and optimized cycle time

Motion simulation and synchronization of several robots and

mechanisms

Modeling and optimization of the whole manufacturing

process SOP (Sequence of Operations)

OLP (Off-Line Programming)

• Optimized programs downloaded to robots on the shop

floor.

• Uploading existing production programs for

optimization.



3. BASIC CONCEPTS ABOUT EM-WORKPLACE.

The program eM-Workplace is designed for Unix. For this reason,

it does not exhibit the classic Win32 style interface.

The user should be familiar with Unix environments. For instance,

The windows properties as close, minimize, refresh, lower…

appear clicking in the top left button of all the windows.

It is not possible to use the numerical keyboard. Numbers

must be typed with the upper keys of the alphabetical

keyboard.

It is not possible to continue writing after the text has

already been inserted. If something must be added, it will be

necessary to rewrite the whole text field.

In the top part we have the information about the program

version, the menu that is being used, the cell and the project.

Physical elements in the robot workspace eM-Workplace are called

components, and they can be of diverse type, like mechanisms,

conveyors, tools, carried loads, persons, robots, etc.

The user interface of eM-Workplace has tree structure, i.e. the

components are grouped forming independent cells. The components

are inserted in the workspace by loading them from libraries or

drawing them. eM-Workplace offers the possibility of drawing in two

and three dimensions; even though, it offers the opportunity to import



drawings from other CAD programs, as AutoCAD for instance.

However, part of details and annotations will be lost in the conversion,

as drawing is not the objective of this tool.

Fig. A2.2. Structure of eM-Workplace.

A project in em-Workplace is a workspace a cluster of spatially

arranged components obtained from the cells, plus a series of

operations on those elements that will generate the path of the robot.

In the eM-Workplace working environment, one finds:

Main Menu: where all working options appear. In general, as

an option is selected, a window on the right part of the

screen will be opened, (see figure 3). In this figure, the

Layout window of the Workcell menu appears on the right

side.



eMPower: when this option is activated, a menu is opened to

choose the different basic modules as Workcell, Modeling,

OLP or OSP.

Graphical Window: the working area, where all the graphical

elements are displayed and where the simulations are

animated.

Notification window: in this window two message lines

display the system command-line interaction, like error or

warning messages, user input requests, etc.

Line of Command Introduction: in this area, the user types

the commands eM-Workplace must execute.

Information Window: this window displays all the

information explicitly requested by the user.

Toolbox Window: thought these icons, the user may quickly

access basic functions.



Fig. A2.3. Work Area of the eM-Workplace.



4. LOADING THE WORK CELL.

In order to generate code for the robot Motoman UP-20, a new

project will be opened. This is done by clicking on eMPower. Then,

Project is selected, and the option Motoman is clicked. The Layout

window will appear on the right hand side. Clicking on Load Cell, a

new window is opened where the we will select the file laborzelle.ce

click OK.

Now we have our Motoman loaded, hence we can proceed to create

the program.

eMwork→ Project→ Motoman→ Load Cell → laborzelle.ce → OK

Fig. A2.4. Cell of the Motoman (eM-Workplace).



5. DEFINITION OF THE TRAJECTORY 5.1. DEFINITION OF THE POINTS IN THE PATH.

An icon called Motion, in the Toolbox, is selected.

A window is opened on the right side, as usual. Above it there are

several icons:

Move commands Robot Jog Joint Jog Pose Settings Reachability

Move commands. It is the default option. The robot joint

needed to be activated is selected.

Active Mechanism→up20_a00

There are two ways of making a selection: double clicking

on the mechanism that the user wants to activate, or

selecting an option and then clicking on Select.

Robot Jog. In this option, the robot is moved. The motions

are referred to the base coordinate system (selecting

World), or to the tool coordinate system (Selecting Tcpf).



Next, we will familiarize ourselves with the motion in

the base coordinate system. For this, a direction or a

rotation will be chosen. Then, the Step size is controlled

with the side arrows at the bottom of the panel.

When the desired position of the robot has been

obtained, it is inserted pressing Marc loc. This operation

will be carried out as many times as points are needed for

the program.

At this point, positions can

be introduced in the project.

This is done by clicking on with

Mark Pose. By clicking on it,

the em-Workplace will store the

actual position of the robot.

These will be used as reference

positions in further motions or

position definitions. For

instance, a default position that

the program inserts is the

initial position, called Home. On

the other hand, a pose stored

with Mark pose could indicate

the desired position.

Fig. A2.5. The Motion Window to create the motions.



Now we will insert four points to learn the use of Mark Pose.:

Move the robot with Robot Jog →Marc loc

This is repeated four times.

Joint Jog. Each of the six axes is moved independently.

From here it is also possible to define locations and

positions.

Pose. With this option the robot is driven to one of the

marked positions or to the initial position.

Settings. It is used to connect the tool to the robot. From

now, the tool will be able to work with the corresponding

coordinate system.

Reachability. It is intended for checking which locations

are possible, i.e. it helps verifying whether the Motoman

can reach a specific pose without any of singularity or of

incompatibility.

In this activity we will not work with these four last options.



5.2. CREATION OF THE PATH.

For the definition of the Path, Create Path is used:

Then, a window is opened, normally on the right hand side of the

screen.

Holding the left button of the mouse, we will select the desired locs

that we want to group in the same Path. Later, the Path Editor

represented with this icon is clicked:

The desired name for the path is inserted.

“Create Path” → The four locations are selected →”Path Editor”→ The default name “pa1” is accepted →O.K.

Fig. A2.6. The Path Window is used to create the trajectories.

The Path Editor is closed either with the left top button Close or

clicking on Motion and then on Lower.



6. OFF – LINE PROGRAMMING.

6.1. INSERTION OF THE CONTROLLER AND OF THE MECHANISM.

In order to carry out the Off-Line

programming, eM-OLP from eMPower is

selected. In the main menu, a new

command called OLP will appear. By

clicking on it, a window will appear on the

left hand side of the screen.

eMPower →OLP Fig. A2.7. OLP Windows in eM-Workplace.

Now, the controller will be selected the joint will be activated.

Both things are necessary to carry out the programming.

The selected controller will be: “yas_xrc_arc_rrs”.

• yas: yaskawa

• xrc: controller version.

• arc: standars

• rrs: controller yam

Controller selection: “yas_xrc_arc_rrs” → Active mechanism: “up20_a00”



6.2. TEACH PENDANT.

By clicking on Teach Pendant we will edit the details of path

execution, like the velocity in each step, pauses, etc.

In the newly open window of the Teach Pendant, the option Path is

selected. Now, the type of motion and the speed for every step between

locations are introduced. This is carried out by navigating through the

different locations with the aid of the arrow buttons. The values and

characteristics of each location are introduced accordingly.

Teach Pendant → The Path: “pa1”is selected

In order to insert the speed of each motion step, we must click on

Speed/PL and then introduce the value of the speed in Vj. As we click

on O.K. the speed value will appear in a lower window.

Select the location→Speed/PL → The speed in “Vj” is inserted → O.K.

If we desire to insert a pause, we click on INFORM. Then, a new

window will appear. In this new window,

Structure is selected, and at this position,

the seconds of pause are introduced in

Timer. After that, the information can be

seen in a new window. Fig. A2.8. Part of the Teach Pendant Window.

“INFORM” →”structure” →Timer → The pause time is introduced



Now we insert the following values:

Location 1 →Vj:30 Location 2 →Vj:70 Pausa→Timer:4 Location 3 →Vj:50 Location 4 →Vj:70

In order to obtain the complete program information, Show

program must be activated, and then the Path is selected again. At this

moment, a window will be opened displaying the information about our

program.

Show program: On → The Path: “pa1” is selected

Now the program code is viewed in detail. The meaning of the

instructions are:

NPOS: initial position or the Home pose.

TOOL: the type of tool to be used, which is referred to with a

number.

PULSE: the position of every location is given. Each one is

defined by COO (). Inside the parentheses there are defined

six coordinates that will correspond to the position of each

axis at every location.

NOP: It defines the program. Below it the set of instructions

will appear.



6.3. SIMULATION.

A simulation of the program will be carried out, in order to see the

correct operation of the programmed path.

Now we introduce the name of the program that will be executed,

in this case pa1.

By clicking on Init simulation, the simulation is executed with Run,

it is paused with Freeze and it can executed step by step with Step.

Fig. A2.9. Selection of the Simulation function in the OLP window

Simulation → The program: “pa1” is introduced →Init simulation → Run



The robot can be moved by clicking on the

Motion button in the same way as we did with

Simulation. The most important thing in Motion

is to move a specific location or a specific

position.

At this point, we will carry out a test to

study the accuracy of the eM-Workplace

simulation environment. The execution time of

the program is estimated by eM-Workplace,

and then it is compared with the actual time

taken by the real Motoman to execute the same

program at the laboratory. Fig. A2.10. Selection Motion function in the OLP window.

The execution time of the program can be viewed, once the

simulation has come to conclusion, in the Information Window.

Note: in our program, there is no distinction between a program and a

path.

Simulating →View time data.



6.4. DOWNLOAD.

In the next step, the program is compiled in

order to download the program into the

Motoman robot in the laboratory.

The command Download of the menu OLP

is selected. A name to the compilation is given

and the desired Path is selected.

Fig. A2.11. Download functions.

Download

-Local Name: “Test” -Port: (Nothing is wrote) -File type JBI (It is for Motoman) -Remote Name: “Test” (The same name is wrote again) -Path out: “pa1”

And “Send” is clicked on.

Then, the compiled program is loaded in a memory stick.



7. EXECUTION OF THE PROGRAM.

At this point, we will go to the laboratory and execute the program

in the Motoman.

The program is loaded into the CPU of the Motoman. Then, the

CPU is started and the teach pendant is taken.

In the main menu of the teach pendant, the option FP/PC_KARTE

is selected and the following steps are carried out:

FP/PC_KARTE → Select → Laden → Job → “Test” → Select → Enter → Ja

Now the program will be executed the way we expected from the

previous session of On-Line Programming.

Now, the execution time will be verified. In order to measure it

in the real operation of the Motoman, we will let it work in automatic

way.



8. UPLOAD.

Finally, we will carry out the converse

operation. A program stored in the memory of

the Motoman will be extracted through teach

pendant and then loaded into the eM-

Workplace.

In order to export a program from Teach

Pendant to the memory stick the following steps

are followed:

After that, we return to the computer

room. In the menu OLP , Upload is selected.

Then, we introduce the following data Fig. A2.12. Selection of Upload function in the OLP window.

Upload -Local Name: “Test1” -Port: (Nothing is write) -File type JBI (It is for Motoman) -Remote Name: “Test1” (The same name is wrote again) And “Program in” is clicked on.

Finally, we will check the Path and every location and then we

simulate the imported program from the laboratory.

FP/PC_KARTE → Select → Sichern → Job → “Test1” → Select → Enter → Ja

Checking→ Simulating

APÉNDICES 12-176


12.3 APÉNDICE 3. PLANO DE LA PIEZA DE CONEXIÓN ENTRE LA CABEZA DEL ROBOT Y EL ELEMENTO HIDRÁULICO DE EXTRACCIÓN

Alle nichtbemassten Kanten abtragen 0.5/45°

Adapter15. 02. 04

1

Ø40

24 60

36

25

15

36

Ø60

Ø50±0.1

Ø40

710

5

ESTUDIO TÉCNICO Y DE VIABILIDAD DE LA PROGRAMACIÓN OFF...

Documents

Transcript of ESTUDIO TÉCNICO Y DE VIABILIDAD DE LA PROGRAMACIÓN OFF...