UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
Faculdade de Engenharia Mecânica
Edgard de Oliveira
Prototipagem de Arquitetura de Supervisão
e Controle de Células Robotizadas com
ênfase na sua Integração em Ambientes
Automatizados
CAMPINAS 2017
Ficha catalográfica
Universidade Estadual de Campinas Biblioteca da Área de Engenharia e Arquitetura Elizangela Aparecida dos Santos Souza - CRB 8/8098
Oliveira, Edgard de,
OL4p OliPrototipagem de arquitetura de supervisão e controle de células robotizadas com ênfase na sua integração em ambientes automatizados / Edgard de Oliveira. – Campinas, SP : [s.n.], 2017.
OliOrientador: João Maurício Rosário.
OliTese (doutorado) – Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica.
Oli1. Automação. 2. Prototipagem. 3. Instrumentação. 4. Controle. 5. Mecatrônica. I. Rosário, João Maurício,1959-. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecânica. III. Título.
Informações para Biblioteca Digital
Título em outro idioma: Prototyping of robotic cell supervision and control architecture with
emphasis on integration in automated enviroments
Palavras-chave em inglês: Automation Prototyping Instrumentation Control Mechatronics
Área de concentração: Mecânica dos Sólidos e Projeto Mecânico Titulação: Doutor em Engenharia Mecânica
Banca examinadora:
João Maurício Rosário [Orientador] Marcos Antonio Porta Saramago Leonimer Flavio de Melo
Ely Carneiro de Paiva
Francisco Carlos Parquet Bizarria
Data de defesa: 18-08-2017
Programa de Pós-Graduação: Engenharia Mecânica
COMISSÃO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
MECÂNICA
DEPARTAMENTO DE PROJETO MECÂNICO
TESE DE DOUTORADOPrototipagem de Arquitetura de Supervisão e
Controle de Células Robotizadas com ênfase
na
sua
Integração
em
Ambientes
Automatizados
Autor: Edgard de OliveiraOrientador: Prof. Dr. João Maurício Rosário
A Banca Examinadora composta pelos membros abaixo aprovou esta Tese: Prof. Dr. João Maurício Rosário,
Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP. Prof. Dr. Marcos Antonio Porta Saramago
Universidade Estadual de Campinas – UNICAMP.
Prof. Dr. Leonimer Flavio de Melo Universidade Estadual de Londrina
Prof. Dr. Francisco Carlos Parquet Bizarria Universidade de Taubaté
Prof. Dr. Ely Carneiro de Paiva
Universidade Estadual de Campinas - UNICAMP.
A Ata da defesa com as respectivas assinaturas dos membros encontra-se no processo de vida acadêmica do aluno.
Este trabalho não poderia ser terminado sem a ajuda de diversas pessoas às quais presto minha homenagem:
A meus pais, minha esposa e filho, pelo incentivo em todos os momentos da minha vida.
Ao meu orientador, prof. Dr. João Maurício Rosário, pela forma como conduziu este trabalho e principalmente pela confiança que depositou em mim.
Oliveira, Edgard, Prototipagem de Arquitetura de Supervisão e Controle de Células
Robotizadas com ênfase na sua Integração em Ambientes Automatizados, Faculdade
de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2017. 268 p. Tese (Doutorado)
Por meio da integração de conhecimentos nas diferentes áreas da engenharia, física, matemática e computação, surgiu uma ciência multidisciplinar denominada mecatrônica. Com o rápido avanço das tecnologias e a crescente demanda por soluções que as acompanhem, criou-se uma necessidade, no mercado tecnológico, de reduzir o tempo de implementação de um projeto através da utilização de ferramentas de prototipagem rápida que permitissem a sua integração em Ambientes Automatizados. O objetivo do presente trabalho é a apresentação de metodologias de Prototipagem de Arquitetura de Supervisão e Controle de Células Robotizadas com ênfase na sua Integração em Ambientes Automatizados, através de ambiente voltado à capacitação e desenvolvimento de projetos na área de automação industrial, onde os principais conceitos, como por exemplo, prototipagem de sistemas, identificação e calibração de dispositivos robóticos, sistemas de supervisão e sua integração, entre outros, possam ser verificados e posteriormente implementados e validados através de problemas industriais, fornecendo subsídios para a análise e estratégias para concepção destas aplicações. A proposta final foi validada a partir da implementação de uma célula robotizada no Laboratório de Automação e Robótica onde foram integrados diversos dispositivos robóticos diferentes.
Palavras Chaves
Oliveira, Edgard: Prototyping of Robotic Cell Supervision and Control Architecture with emphasis on Integration in Automated Environments, Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, 2017. 268 p. Tese (Doutorado)
Through the integration of knowledge in the different areas of engineering, physics, mathematics and computing, a multidisciplinary science called mechatronics emerged. With the rapid advancement of technologies and the growing demand for accompanying solutions, there has been a need in the technology market to reduce the implementation time of a project through the use of rapid prototyping tools that allow its integration into Environments Automated. The objective of the present work is the presentation of prototyping methodologies for the Supervision and Control Architecture of Robotized Cells with emphasis on their Integration in Automated Environments, through an environment focused on the qualification and development of projects in the area of industrial automation, where the main concepts such as prototyping of systems, identification and calibration of robotic devices, supervisory systems and their integration, among others, can be verified and later implemented and validated through industrial problems, providing subsidies for the analysis and strategies for the design of these applications . The final proposal was validated from the implementation of a robotic cell in the Laboratory of Automation and Robotics where several different robotic devices were integrated.
Keywords
Industrial automation, Virtual Instrumentation, Rapid Prototyping, Control, Mechatronics
Figura 1.1 Integração de Célula de Manufatura – LAIR 26 Figura 2.1 Concepção de um dispositivo mecatrônico desenvolvido em CAD 31 Figura 2.2 Hardware In the Loop através do Mathworks® 32
Figura 2.3 Ciclo em V (Isermann, 2005). 34
Figura 2.4 Exemplo de Célula Robotizada 36
Figura 2.5 Exemplo de Células Robotizadas (Pinotti e Amaral, 2006) 37
Figura 2.6 Robô centralizado na célula 38
Figura 2.7 Prototipagem de uma Célula Flexível de Manufatura 39 Figura 2.8 Utilização de redes de Petri no modelamento e análise de sistemas 40
Figura 2.9 Exemplo de GRAFCET 42
Figura 2.10 Fluxograma das diferentes fases de implementação de uma Célula
Robotizada 43
Figura 2.11 Simulação off-line de operações numa célula de trabalho 44
Figura 2.12: Gerador de trajetórias 46
Figura 2.13 Perfis de Movimento para dispositivo robótico 47 Figura 2.14 Principais aplicações em Visão Robótica em Automação 52
Figura 2.15 Célula Automatizada 53
Figura 2.16 Sistemática utilizada para cálculo de posicionamento do Robô 54 Figura 2.17 Célula de Paletização de Vidros (indústria automobilística) 55
Figura 2.18 Célula de montagem 55
Figura 2.19 Célula de Soldagem 56
Figura 2.20 Célula de Usinagem 57
Figura 2.21 Célula de Dobramento de Chapas 57
Figura 2.22 Célula de colagem de Vidros Automotivos 57
Figura 2.23 Células de Corte 58
Figura 2.24 Célula de Polimento 58
Figura 2.28 Estrutura de Controle de uma Junta Robótica 60 Figura 2.29 Conceito de repetibilidade e posicionamento de precisão de
Posicionamento 62
Figura 2.30 Control Motion da NI 62
Figura 2.31 Plataforma Control Motion da NI 63
Figura 2.32 Gerador de Movimentos de Juntas Robóticas 64 Figura 2.33 Assistente do software de prototipagem – Control Motion 64
Figura 2.34 Concepção de Instrumentos Virtuais (NI) 68
Figura 2.35 Camadas de Software para Instrumentação Virtual (NI Instruments) 69 Figura 2.36 Exemplo de sistema de instrumentação virtual baseado em LAN/Ethernet 71 Figura 2.37 Exemplo de Célula de Manufatura multi-usuário 73 Figura 3.1 Célula Robotizada e Mesa Robótica de Posicionamento 77
Figura 3.2 Estrutura de Controle 79
Figura 3.3 Estrutura Cinemática 81
Figura 3.4 Diagrama de blocos e Estrutura de Controle de um Dispositivo Mecatrônico 86 Figura 3.5 Simulador de uma mesa de 3 GL’s usando ambiente Simulink® 88 Figura 3.6 Sinal de referência de posição para cada junta 89
Figura 3.7 Malha de controle de posição de uma junta 90
Figura 3.8 Estrutura de controle na forma RST 90
Figura 3.9 Modelo Dinâmico implementada nos blocos do Matlab-Simulink® 91
Figura 3.10 Menu do simulador robótico 3 GL 92
Figura 3.11 Haste colocada sobre a mesa para visualização dos movimentos 92 Figura 3.12 Perfil velocidade das juntas com acionamento somente do motor 2 93 Figura 3.13 Deslocamento angular das juntas (acionamento da junta 2) 94
Figura 3.16 Projeção dos movimentos da haste no centro da mesa em relação aos
eixos x, y e z 96
Figura 3.17 Movimentação espacial da haste no centro da mesa com apenas o motor
2 acionado 96
Figura 3.18 Estudo do Erro 97
Figura 3.19 Estudo do Erro de Posicionamento entre o Robô e Painel de atuação 99
Figura 3.20 Definição dos referenciais de medida 101
Figura 3.21 Pontos de medição do palete conhecidos 102
Figura 3.22 Sistema Externo utilizado para Calibração do Robô ABB 104 Figura 3.23 Identificação dos Parâmetros de Posicionamento 105
Figura 3.24 Ferramenta de Soldagem de um Robô 106
Figura 3.25 Referenciais de Medição utilizados 107
Figura 3.26 Plataforma de Stewart-Gough 110
Figura 3.27 Modelo Geométrico da Plataforma 111
Figura 3.28 Sistemas de Referência associados à base superior e inferior 112 Figura 3.29 Pontos de Referência de fixação dos atuadores na base superior e inferior 113
Figura 3.30 Plataforma antes e depois do movimento 121
Figura 3.31 Modelo completo criado com submodelos no 20SIMTM 123
Figura 4.1 Plataforma de Posicionamento 127
Figura 4.2 Elementos Mecânicos da Plataforma de Posicionamento 128 Figura 4.3 Plataforma de Posicionamento implementada no LAR-UNICAMP 129
Figura 4.4 Sensor de posicionamento de junta linear 130
Figura 4.7 Estrutura de Controle da Plataforma de Posicionamento (6 juntas) 133
Figura 4.8 Tela principal do programa implementado 135
Figura 4.9 Telas de Controle 136
Figura 4.10 Procedimento de Calibração 137
Figura 4.11 Geração de Arquivos para movimentação da Plataforma (6 GL) 139 Figura 4.12 Tela de Carregamentos de arquivos com tempo associado 139 Figura 4.13 Leitura de dados e o cálculo das distensões dos atuadores
(Diagrama Principal) 140
Figura 4.14 Programa de Inicialização dos Atuadores Hidráulicos da Plataforma 141 Figura 4.15 Leitura do arquivo de dados e cálculo das distensões de cada atuador 142 Figura 4.16 Dispositivo Robótico Cartesiano e seus eixos de movimentação 144
Figura 4.17 Fluxograma da Parte Comando proposta 145
Figura 4.18 Tela típica do Aplicativo 146
Figura 4.19 Elementos integradores do Control Motion da NI 147 Figura 4.20 Sistema de Controle e Etapas de implementação do Control Motion da NI 148 Figura 4.21 Control Motion da NI – assistente do software de prototipagem 148 Figura 4.22 Diferentes elementos de uma malha de controle 149 Figura 4.23 Critérios utilizados para Seleção de Motores (NI instruments) 151
Figura 4.24 Tipos de Sistemas de Transmissão Mecânica 151
Figura 4.25 Proposta de dispositivo 152
Figura 4.26 Tela típica da implementação proposta 153
Figura 4.27 Diferentes fases da implementação proposta 154
Figura 4.28 Célula integrada de manufatura 155
Figura 4.31 Tela diagrama de blocos implementados em LabVIEWTM 158 Figura 4.32 Telas implementadas para o sistema de Supervisão e Controle 159
Figura 4.33 Esquema Geral da Plataforma Implementada 161
Figura 4.34 Célula de manufatura BYTRONIC - ICT3 162
Figura 4.35 Implementação do Painel de Comando (infraestrutura de comando) 164
Figura 4.36 Dispositivo Robótico Cartesiano 165
Figura 4.37 Sistemas de Coordenadas e Espaço de Trabalho 166 Figura 4.38 Metodologia para Implementação da Logica da parte de Comando 168 Figura 4.39 Especificação GRACET Funcional do SubProcesso Classificação 169 Figura 4.40 Especificação GRACET Funcional do SubProcesso Montagem 170 Figura 4.41 Especificação GRACET Funcional do SubProcesso Inspeção 171 Figura 4.42 Especificação GRACET Funcional do SubProcesso Controle de Qualidade 172 Figura 4.43 Especificação GRACET Funcional do SubProcesso Movimentação de peças 173 Figura 4.44 Diagrama de Integração utilizado na Validação dos Sub–Processos 176 Figura 4.45 Instrumento Virtual de Supervisão e Comando implementado 177 Figura 4.46 Diagrama de Blocos do Instrumento Virtual Desenvolvido 179 Figura 4.47 Diagrama de Blocos do Sistema de Controle de Qualidade 181
Figura 4.48 Imagem Original Capturada pela Câmera 181
Figura 4.49 Processos Realizados Sobre a Imagem 182
Figura 4.50 Identificação da peça 182
Figura 4.51 Arquitetura Geral do Laboratório Remoto 183
Figura 4.52 Diagrama de Blocos para Configuração da Realimentação de Vídeo 184
Figura 5.3 Estruturação de tarefas 190
Figura 5.4 Célula Robotizada Integrada 191
Figura 5.5 Tela do software supervisório implementado 192
Figura 5.6 Estrutura GRAFCET – Parte 1 (início) 195
Figura 5.7 Estrutura GRAFCET – Parte 2 (final) 196
Figura 5.8 Célula Automatizada 197
Figura 5.9 Programa Gestor 198
Figura 5.10 Sistemática utilizada para cálculo do posicionamento 199
Figura 5.11 Sistema de Visão Robótica implementado) 202
Figura 5.12 Tela inicial do Sistema de Calibração 204
Figura 5.13 Tela de Calibração de Parâmetros 205
Figura 5.14 Telas típicas obtidas durante o Ajuste Focal 206 Figura 5.15 Tela de Ajuste do raio de referência da esfera de calibração e tolerância 207 Figura 5.16 Tela típica do programa de calibração desenvolvido em LABVIEW 208
Figura 5.17 Tela de Calibração e parâmetros 209
Figura 5.18 Aspectos de um Ambiente de Ensino e Pesquisa Virtual 211 Figura 5.19 Proposta de Implementação – Projeto Kyatera 213 Figura 5.20 Proposta de pagina HTML Controle Implementado em LabVIEW 214
Figura 5.21 Tela típica de Implementação em LabVIEW 215
Tabela 3.2 Parâmetros Propostos 122 Tabela 4.1 Código que determina condição e direção de acionamento dos cilindros 138
Tabela 4.2 Parâmetros Denavit-Hartenberg do Manipulador 167
Tabela 4.3 Relação E/S utilizadas para o Comando da Célula de Manufatura 174 Tabela 4.4 Relação Entradas-Saidas para o Comando do Manipulador 175 Tabela 4.5 Indicadores Implementados no Sistema Supervisor 177 Tabela 4.6 Controles Implementados no Sistema Supervisor 178
CCD - Charge-Coupled Device
CLP - Controlador Lógico Programável DSP – Digital Signal Processor
FDB - Function Block Diagram
FPGA - Field Programmable Gate Array
GRAFCET - Grafo de Comando Etapa e Transição HIL - Hardware In-the-Loop
HTML - HyperText Markup Language
IEC - International Electrotechnical Commission IP - Internet Protocol
LabVIEW - Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench LAN - Local Area Network
LD - Ladder Diagram NI – National Instruments
PAC - Programmable Automation Controller PCI - Peripheral Component Interconnect PXI - PCI eXtensions for Instrumentation RdP – Redes de Petri
SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition SED - Sistemas a Evento Discreto
SFC - Sequential Function Chart USB - Universal Serial Bus WWW - World Wide Web
Capítulo 1 – Introdução 23
1.1 Apresentação do Problema em Estudo 24
1.2 Motivação do Trabalho 25
1.3 Objetivos do Trabalho 25
1.4 Delineamento do Trabalho 27
1.5 Estrutura do trabalho 27
Capítulo 2 – Revisão Bibliográfica
2.1 Introdução 29
2.2 Utilização da Prototipagem Rápida em Automação 29
2.2.1 Aplicações em Engenharia da Prototipagem Rápida 31 2.2.2 Principais Vantagens da utilização de Prototipagem Rápida 33 2.2.3 Descrição das Etapas para a Prototipagem Rápida 33 2.3 Modelagem e Integração de Células Robotizadas em Automação 35 2.3.1 Características de uma Célula Robotizada e Exemplos de Aplicação 36 2.3.2 Prototipagem Rápida em Células Flexíveis de Manufatura 39 2.3.3 Ferramentas Matemáticas para Automação e Integração de Células
Robotizadas 39
2.3.3.1 Redes de Pétri (RdP) 39
2.3.3.2 SFC (GRAFCET) 41 2.3.4 Metodologia para Prototipagem Rápida de uma Célula Robotizada 42 2.4 Programação de Dispositivos Robóticos e Geração de Tarefas Off-line 43
2.4.1 Programação Off-line e On-line 43
2.4.2 Geração de Trajetórias para Robôs Industriais 46
2.5 Visão Robótica 48
2.5.1 Características do Sistema de Visão 49
2.5.2 Características de um Algoritmo de Visão Robótica 50
2.7 Projeto, Desenvolvimento de Ferramentas Dedicadas para Dispositivos
Robóticos 54
2.7.1 Ferramentas Dedicadas para utilização em Dispositivos Robóticos 55
2.7.2 Controle de Juntas Robóticas 59
2.7.3 Estrutura de Controle e Modelagem de uma Junta Robótica 60
2.7.4 Desempenho de um Dispositivo Robótico 61
2.7.5 Hardware de Controle NI Control Motion 62
2.7.6 Software de Supervisão e Controle NI Control Motion 63 2.8 Sistemas de Supervisão em Células Robotizadas usando Instrumentação Virtual 64
2.8.1 Instrumentação Virtual x Tradicional 66
2.8.2 Concepção de Instrumentos Virtuais 66
2.8.3 A função do Software na Instrumentação Virtual 68 2.8.4 A função do Hardware na Instrumentação Virtual 69 2.9 Redes de Comunicação para Supervisão e Controle Remoto de Células
Automatizadas 70
2.10 Considerações Finais 73
Capítulo 3 – Descrição de Ferramentas de Modelagem e Controle de Células Robotizadas
3.1 Introdução 75
3.2 Modelagem de um Dispositivo Robótico PRR 75
3.2.1 Descrição da Plataforma 76
3.2.2 Modelagem Matemática 78
3.2.2.1 Modelo Cinemático Direto 79
3.2.2.2 Modelo Cinemático Inverso 82
3.2.2.3 Modelo Dinâmico 84
3.2.2.4 Modelo do Atuador 86
3.2.3 Simulador Virtual 87
3.2.3.1 Módulo Geração de Trajetórias 89
3.2.3.2 Módulo Acionamento 89
3.2.3.3 Módulo cinemático 90
3.3.1 Erro de Posicionamento de um Robô em relação ao referencial de
Trabalho 98
3.3.2 Fatores de Imprecisão de um Robô em relação ao seu painel de
Atuação 99
3.3.3 Cálculo de Posicionamento do Robô em relação ao referencial de
Trabalho 100
3.3.3.1 Definição dos parâmetros de medida 101
3.3.4 Metodologia de Calibração da Ferramenta Terminal 106
3.3.4.1 Referenciais de Medição 107
3.3.4.2 Implementação em MatlabTM 108
3.3.4.3 Valores utilizados na medição 108
3.4 Modelagem de uma Plataforma de Stewart-Gough 109
3.4.1 - Descrição do Projeto Petrobrás-UNICAMP 110
3.4.2 - Definição de Sistemas de Referência 112
3.4.3 - Modelagem Cinemática 113
3.4.3.1 Cálculo da Matriz de Orientação 114
3.4.3.2 Modelo Geométrico Inverso 117
3.4.4 Definição dos pontos de posicionamento dos atuadores na Base Superior e
Inferior 118
3.4.4.1 Parametrização do Modelo 118
3.4.4.2 Cálculo dos Comprimentos dos atuadores 121
3.4.5 Parâmetros Propostos 122
3.4.6 Implementação do Modelo Cinemático em Matlab-SimulinkTm 123
3.5 Considerações finais 123
Capítulo 4 – Estudo de caso I: Arquitetura de Supervisão e Controle – Implementação de Células Automatizadas Industriais
4.1 Introdução 125
4.2.3 Arquitetura Operativa 129 4.2.4 Arquitetura de Controle de Posição de Juntas 131
4.2.5 Arquitetura de Supervisão e Controle 133
4.2.5.1 Estrutura de Controle dos Atuadores 133 4.2.5.2 Tela Principal do Programa Desenvolvido 134
4.2.5.3 Procedimento de Calibração 136
4.2.5.4 Arquivos de Geração de Movimentos da Plataforma 137 4.2.6 Descrição dos Programas implementados em LabVIEWTM 140
4.2.7 Resultados 143
4.3 Dispositivo de Controle de PPP (Robô Cartesiano) 143
4.3.1 Descrição do Dispositivo 146
4.3.2 Arquitetura Operativa 147
4.3.3 Arquitetura de Comando 149
4.3.4 Resultados 153
4.4 Dispositivo de Posicionamento PRR para trabalho cooperativo de 2 robôs 154
4.4.1 Descrição e Objetivo do Projeto 154
4.4.2 Arquitetura Operativa 155
4.4.3 Arquitetura de Comando 156
4.4.4 Resultados 159
4.5 Célula Automatizada de Montagem e Inspeção de Produtos 160
4.5.1 Descrição da Célula de Manufatura 161
4.5.2 Arquitetura Operativa 162
4.5.3 Arquitetura de Comando 163
4.5.4 Dispositivo Robótico de Desmontagem e Movimentação de Peças 164
4.5.4.1 Modelagem Cinemática 166
4.5.5 Implementação Lógica da Arquitetura de Comando 167 4.5.5.1 Descrição Funcional do Sub-Processo na Estação de Classificação
de Peças 168
4.5.5.2 Descrição Funcional do Sub-Processo na Estação de Montagem 169 4.5.5.3 Descrição Funcional do Sub-Processo na Estação de Inspeção 170
4.5.5.5 Descrição Funcional do Sub-Processo na Estação de Movimentação
de Peças 172
4.5.5.6 Descrição das E/S 173
4.5.5.7 Implementação dos Sub-Processos nos CLPs 175 4.5.6 Implementação do Módulo de Supervisão e Controle 176 4.5.7 Implementação do Módulo de Controle de Qualidade 179
4.5.8 Teleoperação e WebLab 183
4.6 - Considerações Finais 185
Capitulo 5 – Estudo de Caso II: Integração de Células Robotizadas
5.1 Introdução 187
5.2 Dispositivo Mecatrônico PRR Colaborativo Integrado a Célula Robotizada 187 5.2.1 Ambiente de Validação e Arquitetura de Funcionamento 190 5.2.2 Descrição do Sistema de Supervisão e Controle 193
5.2.3 Protocolo de Comunicação 194
5.2.4 Grafcet Operativo 194
5.3 Metodologia de Posicionamento de Robôs em Células Robotizadas 197 5.3.1 Célula Robotizada para Soldagem de Veículos 197 5.3.2 Metodologias para Identificação de Posicionamento de Robôs 198 5.3.3 Requisitos necessários e configuração requerida 201
5.3.3.1 Dispositivos Mecânicos 201
5.3.3.2 Hardware e Software 201
5.3.4 Metodologia de Calibração utilizando Visão Robótica 202 5.3.5 Descrição dos Aplicativos Implementados 203 5.3.5.1 Sistema de Calibração (SIST_CAL) 203 5.3.5.2 Ajuste de parâmetros de calibração 204
5.3.5.3 Procedimento de Ajuste Focal 205
5.3.5.4 Procedimento de Calibração 207
5.3.6.2 Calibração do Palete de Precisão 210
5.4 Célula Robotizada Cooperativa através da WEB 210
5.4.1 Ambientes Colaborativos para Ensino e Pesquisa através da WEB 211
5.4.2 Laboratório Virtual em Automação 212
5.4.3 Proposta de Arquitetura WEB 212
5.5 Considerações Finais 216
Capítulo 6 - Conclusões e Perspectivas Futuras 217
Referências Bibliográficas 219 ANEXO I – Modelagens / Programas para Calibração da Ferramenta Terminal 229
ANEXO II - Especificações Entradas e Saídas da Célula Colaborativa 255 ANEXO III - Programação Robô ABB na Célula Colaborativa 261
23
Capítulo 1
Introdução
Com rápido avanço das tecnologias e a crescente demanda por soluções que as acompanhem, criou-se uma necessidade no mercado tecnológico de reduzir o tempo de implementação da integração de células flexíveis robotizadas dentro de ambientes industriais. Manipuladores Robóticos são encontrados na indústria, desenvolvendo as mais diversas funções, atuando em ambientes insalubres, educacional, ou simplesmente em trabalhos que requerem força e agilidade. Um robô industrial (manipulador) é composto de uma estrutura mecânica complexa, com acoplamento dinâmico entre as articulações. Cada grau de liberdade é constituído por atuadores, sensores de posicionamento e pelo sistema de acionamento e controle. A robótica industrial possibilita que produtos sejam realizados de maneira mais rápida e eficiente do que no passado (Rosário, 2004).
Este trabalho tem como principal objetivo a utilização de ferramentas para integração de sistemas mecatrônicos a fim de torná-los mais precisos e eficientes na execução de tarefas em conjunto dentro de uma célula flexível, aliando conceitos de prototipagem rápida para a integração dos diversos dispositivos existentes. A integração de uma célula robotizada deve também incluir a automação de procedimentos, especificação e desenvolvimento de ferramentas para inicialização, correção de posicionamento e calibração da ferramenta de trabalho.
Este capítulo apresenta um panorama geral do trabalho desenvolvido, sendo apresentado o conceito de Células Flexíveis Robotizadas, com ênfase na integração de ambientes automatizados, justificando o desenvolvimento desse projeto de pesquisa, seus objetivos gerais e específicos, a necessidade de capacitação nessa importante área e a forma como foi delimitada esta questão, além da estrutura geral dos capítulos da tese.
24 1.1 Apresentação do Problema em Estudo
O desenvolvimento tecnológico permitiu uma melhoria nos processos de produção, através do aumento da quantidade produzida, como também, na qualidade do produto. A partir daí surgiu a Mecatrônica, área multidisciplinar que envolve a integração de conhecimentos nas áreas de engenharia, matemática, física e computação, permitindo o desenvolvimento com maior rapidez de sistemas compostos de uma estrutura mecânica complexa, geralmente composta por atuadores, sensores de posicionamento e um sistema de acionamento e controle, inserindo-se dentro desse contexto o uso de dispositivos robóticos.
A integração de diferentes dispositivos mecatrônicos atuando dentro de um mesmo ambiente e com um objetivo em comum, geram uma célula robotizada. Geralmente, as funções de cada dispositivo, que são definidas na fase de projeto da célula, são elaboradas visando um determinado produto e/ou família de produtos. Essas funções obedecem a uma arquitetura de controle geral da célula, onde cada dispositivo possui uma interface de comunicação com os outros componentes da célula e respondem ao comando de um sistema supervisório que faz a integração de todos os dispositivos.
O estudo de novas arquiteturas de controle das células robotizadas torna-se muito importante para que haja uma melhoraria no desempenho dos dispositivos e robôs industriais face às mudanças evolutivas dos produtos e dos próprios dispositivos mecatrônicos. A flexibilização das células robotizadas possibilita que sejam adaptadas cada vez mais rapidamente podendo interferir em uma grande variação de trabalho, dessa forma, novas técnicas de controle da célula e sua integração são estudadas com a finalidade de torná-las mais eficientes.
Mais especificamente na área de integração dos dispositivos de uma célula, se faz necessária uma ferramenta que possibilite a simulação e a rápida implementação da metodologia aplicada, validando assim o projeto da célula na prática. Esse tipo de ferramenta pode ser extremamente útil na área de desenvolvimento industrial, para a validação de estudos e comprovação de sua eficiência.
As validações dos conceitos e ferramentas de prototipagem desenvolvidos nos capítulos desta tese de doutorado foram realizadas através da implementação no Laboratório de
25 Automação Integrada e Robótica da UNICAMP de diferentes projetos direcionados ao Ensino, Formação e Pesquisa em Instrumentação Industrial e Controle.
1.2 Motivação do Trabalho
Considerando-se o atual cenário tecnológico e o alto desenvolvimento de soluções cada vez mais integradas para concepção e validação de dispositivos mecatrônicos formando uma célula robotizada, a utilização de ferramentas de prototipagem rápida para integração desses dispositivos industriais torna-se uma indispensável opção para agilizar e facilitar a implementação de diferentes arquiteturas de controle nas células, possibilitando assim a redução do tempo de finalização de um projeto de uma célula e/ou uma adaptação necessária, atendendo assim uma eficiência desejada.
Diante do apresentado, a motivação encontrada para o desenvolvimento deste trabalho de pesquisa deve-se ao fato da necessidade de uma metodologia para a concepção e implementação de células robotizadas, visando permitir de forma mais rápida e com significativa redução de custos, a integração mais adequada das tecnologias que compõem a mesma, tornando a célula mais flexível e integrada à ambientes automatizados.
1.3 Objetivos do Trabalho
O objetivo do presente trabalho é a apresentação de metodologias de Prototipagem de Células Flexíveis Robotizadas com ênfase em sua Integração em Ambientes Automatizados, através de ambiente voltado à capacitação e desenvolvimento de projetos de integração na área de automação industrial, onde os principais conceitos possam ser verificados e posteriormente implementados e validados na prática, fornecendo subsídios para a análise e estratégias para concepção dessas aplicações. Esses procedimentos incluem automação de procedimentos, especificação, e desenvolvimento de ferramentas para inicialização, correção de posicionamento e calibração de ferramenta de trabalho.
26 Neste trabalho de pesquisa são apresentadas ferramentas para prototipagem rápida de células robotizadas utilizando-se o conceito de instrumentação virtual, que deverá permitir a implementação de novas arquiteturas de processos para sistemas mecatrônicos, a fim de torná-los mais precisos e eficientes na execução de tarefas.
Conseqüentemente, esta tese de doutorado pretende disponibilizar uma ferramenta de fácil acesso e que faça com que o projetista tenha seu foco no assunto desenvolvido e não em como implementar sua solução. Para validação final deste trabalho será realizada a modelagem de uma Plataforma Robótica de três graus de liberdade com a função de apresentar o posicionamento de uma peça a ser trabalhada e para ser integrada a uma célula robotizada constituída de dois robôs industriais que trabalham num sistema colaborativo através da web ( Fig. 1.1 ).
Figura 1.1: Integração de Célula de Manufatura – LAIR
Com a utilização desta ferramenta, diferentes técnicas de integração poderão ser facilmente implementadas, testadas e validadas, permitindo verificar os seus desempenhos com diferentes variações de parâmetros de controle. Esses procedimentos de prototipagem rápida para a integração de células flexíveis robotizadas baseados em instrumentação virtual permitem a realização de grande parte do projeto dentro de um ambiente de instrumentação virtual, diminuindo tempo de projeto e custos envolvidos durante a sua fase de concepção.
27 1.4 Delineamento do Trabalho
O desenvolvimento deste trabalho de pesquisa envolve o Laboratório de Automação Integrada e Robótica (LAIR) do Departamento de Sistemas Integrados da Faculdade de Engenharia Mecânica da UNICAMP e a National InstrumentsTM, onde foram realizados ao longo dos últimos anos diversos projetos conjuntos de parceria e pesquisa, com ênfase na área de implementação de dispositivos mecatrônicos utilizando conceitos de instrumentação virtual baseada em LABVIEWTM. A integração desses projetos de forma a constituírem uma célula flexível robotizada, permitiu testar e validar e propor metodologia para o desenvolvimento de células robotizadas que poderão ser aplicados em diferentes situações.
A partir da realização deste projeto de Pesquisa torna-se possível o integração de Células Robotizadas, utilizando os conceitos de Prototipagem Rápida, permitindo assim, o desenvolvimento, simulação e implementação de células flexíveis robotizadas.
1.5 Estrutura do trabalho
Esta tese de doutorado tem como proposta validar uma ferramenta que permita a rápida integração de dispositivos mecatrônicos para operação em conjunto formando uma célula robotizada e que permita uma grande flexibilidade no uso dos diversos tipos de controle disponíveis. Para atingir os objetivos delineados, este projeto foi dividido nas seguintes etapas:
No Capítulo 1 desta tese foram introduzidos os objetivos e apresentada a estrutura geral proposta para o desenvolvimento deste trabalho de pesquisa.
No Capítulo 2 é realizado uma pesquisa bibliográfica aprofundada direcionada a prototipagem rápida de células robotizadas de manufatura, com ênfase nos procedimentos necessários para a sua integração, que envolve procedimentos de identificação, calibração, inicialização (startup), projeto e desenvolvimento de dispositivos robóticos e geração de trajetórias off-line, assim como também as principais etapas que envolvem este importante conceito para a integração de dispositivos mecatrônicos, sistemas de supervisão e controle industrial e redes de comunicação baseados no uso de instrumentação virtual.
28 No Capítulo 3 são descritas ferramentas direcionadas ao controle e automação de células robotizadas, através do desenvolvimento de modelo matemático para o posicionamento cinemático de um manipulador robótico numa célula automatizada e procedimento de automação e integração de dispositivos numa célula automatizada.
No Capítulo 4 são apresentados diferentes estudos de casos envolvendo as metodologias de integração de dispositivos automatizados e sistemas robóticos utilizando ferramentas de prototipagem baseadas no ambiente LabVIEWTM, constituindo assim uma célula flexível robotizada integrada. Foi utilizado o conceito de instrumentação virtual e ferramentas descritas nos capítulos anteriores para integração de controle de dispositivo mecatrônicos dentro da célula. São apresentados estudos de casos baseados na implementação de uma Plataforma de Stewart, desenvolvimento do sistema de acionamento e controle de um dispositivo robótico cartesiano (PPP), integração cooperativa de dois robôs industriais com um dispositivo de posicionamento (PRR) e uma célula automatizada de montagem e inspeção de produtos. Esses exemplos práticos foram implementados no Laboratório de Automação Integrada e Robótica da UNICAMP e no final deste capitulo são apresentados os resultados e discussões, demonstrando pelos resultados obtidos que o ambiente escolhido é eficaz e eficiente para a solução proposta.
O Capítulo 5 aborda metodologias para automação e integração de dispositivos robóticos em células automatizadas, com ênfase na arquitetura operativa e comando, sistema de supervisão e controle baseado em rede de comunicação, e sistema de diagnóstico, controle de gestão e produção, constituindo assim o conceito de célula flexível robotizada integrada. São apresentados estudos de casos baseados na implementação de dispositivo mecatrônico PRR colaborativo integrado a uma célula robotizada, metodologia de posicionamento de robôs em células robotizadas e integração de uma célula robotizada cooperativa através da WEB.
Finalmente, no último capítulo deste trabalho, são apresentadas as conclusões e perspectivas pertinentes ao desenvolvimento deste trabalho, bem como o uso de novas ferramentas do ambiente que justificam ainda mais a escolha do mesmo para soluções com prototipagem de células flexíveis robotizadas.
Capítulo 2
Revisão Bibliográfica
2.1 Introdução
Este capítulo apresenta uma revisão de conceitos abordando a prototipagem rápida de células flexíveis de manufatura, com ênfase nos procedimentos necessários para a sua integração, que envolve procedimentos de identificação, calibração e startup, com ênfase ainda no projeto e desenvolvimento de dispositivos robóticos e geração de trajetórias off-line, referente às áreas de integração de dispositivos mecatrônicos, instrumentação virtual e redes de comunicação. Também serão apresentados os conceitos das diversas etapas de desenvolvimento de uma célula robotizada e as ferramentas utilizadas neste processo.
2.2 Utilização da Prototipagem Rápida em Automação
Nos dias atuais, a evolução tecnológica está direcionando ao desenvolvimento de células flexíveis de manufatura integrando diferentes dispositivos robóticos em função de necessidades específicas da área de engenharia, acarretando em alterações drásticas na concepção de um projeto de uma célula automatizada no que diz respeito às evoluções do projeto e concepção mecânica, sistema de acionamento e de controle. Como exemplos, podemos citar a intensidade crescente de componentes eletromecânicos inteligentes, de máquinas automatizadas, de veículos com grande número de sensores e eletrônica embarcada e de dispositivos mecânicos de precisão.
Essas novas células robotizadas emergem da combinação apropriada dos dispositivos mecatrônicos e do processamento em tempo real dos sistemas de controle e tratamento de informações, através da implementação de diversificadas funções de controle embarcadas e integradas à célula automatizadas.
Um fator de grande importância industrial consiste na redução de tempo de desenvolvimento de um produto com a diminuição do número de etapas, gerando a produção de novos e diferenciados produtos. Isso é indispensável no mundo globalizado e particularmente necessário nas indústrias de alta tecnologia, como por exemplo, no que diz respeito à implementação de controladores cada vez mais rápidos e eficientes.
Muitos processos e produtos técnicos nas diferentes áreas da engenharia, principalmente na engenharia mecânica e elétrica, apresentam uma integração crescente dos sistemas mecânicos com processamento da eletrônica digital e de informação. O seu desenvolvimento envolve a busca de uma solução otimizada entre a estrutura mecânica básica, o sistema de sensoriamento e o elemento de atuação e controle, através do processamento automatizado de informações e controle global do sistema.
Tudo isso acarretará no desenvolvimento e utilização de ferramentas para o projeto simultâneo dos sistemas mecânicos e hardware de acionamento e controle, através da implementação do software e funções de controle embarcadas dentro de um ambiente de simulação, tendo como resultado e principal objetivo a eliminação da totalidade ou parte de protótipos intermediários e a geração de um componente ou um sistema integrado de controle. Para tal propósito descrito existe um conceito atual denominado prototipagem rápida de sistemas mecatrônicos.
A prototipagem rápida é uma ferramenta que permite a construção de protótipos de uma maneira econômica e segura. Um conceito de prototipagem rápida utilizado anteriormente referia-se a construção de protótipos de peças mecânicas a partir de um projeto desenvolvido em CAD (Computer Aided Design) ou da implementação de componentes eletrônicos em FPGA’s a partir de um CAD de eletrônica. Mais recentemente, esse conceito é utilizado de forma mais ampla, envolvendo a concepção de todo um projeto de um sistema mecatrônico desde as fases de modelagem, simulação e arquitetura de controlador até a sua implementação final em hardware dedicado.
Assim sendo, a prototipagem rápida tem como objetivo a geração automática do código equivalente ao controlador para testar os células reais, resultando em diminuição nos custos de implementação de um controlador, principalmente se esse for desenvolvido para um projeto específico, ou seja, a prototipagem rápida é uma ferramenta que possibilita a
construção de protótipos de uma maneira econômica e segura, onde hardware pode ser implementado num sistema embarcado (embedded system) a partir de componentes virtuais.
Nos dias atuais o conceito de Prototipagem Rápida envolve a concepção de todo o projeto de um sistema mecatrônico através de ferramentas colaborativas, desde as etapas de modelagem, simulação e arquitetura de controlador, até a sua implementação final em hardware dedicado. Este conceito pode ser estendido à implementação em ambiente virtual do modelo do sistema (modelagem cinemática e dinâmica), simulação e hardware de supervisão e controle.
2.2.1 Aplicações em Engenharia da Prototipagem Rápida
Inicialmente, o conceito de prototipagem rápida possuía um vínculo muito forte relacionado à área mecânica, associado sempre a construção de peças mecânicas a partir de um projeto desenvolvido em CAD (Computer Aided Design). A Fig. 2.1 apresenta um exemplo de aplicação da técnica de prototipagem rápida na concepção de um dispositivo mecatrônico.
Este conceito foi estendido a outras áreas da engenharia, como para sistemas eletrônicos embarcados, como acontece no caso de aplicação do conceito de Hardware In the Loop (HIL), baseado na implementação de componentes eletrônicos em FPGA´s a partir de um CAD dedicado.
A Fig. 2.2 exemplifica a implementação do HIL em ambiente de simulação MathWorks®, utilizado para validação e testes do modelo físico em estudo, e implementação automática do hardware de controle a partir deste ambiente de prototipagem, permitindo assim, sua validação e testes.
Figura 2.2 – Hardware In the Loop através do Mathworks®.
As aplicações do HIL são utilizadas para avaliar e validar os elementos desenvolvidos por um novo sistema, possibilitando assim, testar esses elementos, antes de concretizar o sistema real, a partir unicamente da simulação do resto do sistema. Os componentes do hardware testados respondem aos sinais enviados pelo computador e simulam o resto do sistema, como se encontrassem dentro de um sistema real.
Outra área que abrange o conceito de prototipagem rápida é a implementação de instrumentos virtuais, muito úteis na implementação de controle de sistemas mecatrônicos através de software, hardware e Controladores Programáveis para Automação (PAC).
2.2.2 Principais Vantagens da utilização de Prototipagem Rápida
Dentre as principais vantagens dos sistemas de prototipagem rápida é que após a simulação do modelo virtual do sistema, o sistema total ou partes desse modelo poderão ser facilmente trocados pelo hardware de controle real para validação e testes do modelo, de modo que o protótipo virtual se transformará num produto muito próximo do real, simplificando etapas de concepção, validação e testes. Conseqüentemente, após a fase de simulação do sistema, que deverá incluir o modelo virtual do hardware, esta parte do modelo poderá ser trocada pelo hardware ou sistema real, possibilitando assim que este elemento passe ser integrado no modelo de simulação virtual e possibilitando o estudo do comportamento do novo componente com o resto do sistema, em particular o estudo do comportamento global do sistema.
2.2.3 Descrição das Etapas para a Prototipagem Rápida
A implementação das diferentes etapas relacionadas à prototipagem rápida de um sistema mecatrônico deverá seguir a orientação do modelo ciclo em V (Isermann, 2005), que é uma metodologia para concepção e desenvolvimento para sistemas mecatrônicos, freqüentemente utilizada para o projeto e concepção de Sistemas Automatizados (Fig. 2.3).
O ciclo de desenvolvimento de um produto sintetiza as diferentes etapas associadas à concepção de um produto.
Ele é composto de uma fase inicial: Projeto e Concepção que abrange requisitos, especificações, modelo, componentes e prototipagem e uma segunda fase de implementação final: Integração de Sistemas que abrange a integração final a nível hardware e software, testes e certificações, produção, controle e supervisão.
Figura 2.3– Ciclo em V (Isermann, 2005).
Dentre as principais vantagens da utilização de Sistemas de Prototipagem Rápida para a concepção de produtos podemos destacar:
Detecção mais rápida de possíveis erros decorrentes da fase de implementação de um projeto, acarretando um menor custo de correção e/ou modificação do projeto, Concepção dentro de um ambiente de simulação e prototipagem comum,
acarretando de tal modo na economia no desenvolvimento do projeto atual e de futuros projetos,
Ambiente apropriado para Engenharia Colaborativa, com forte integração e conceito de equipe de trabalho.
Como principais resultados da utilização de Sistemas de Prototipagem Rápida podem ser destacados:
Melhor produtividade, acarretando menores atrasos, custos de desenvolvimento reduzidos e uma melhor qualidade.
Busca de ambiente de integração único, possibilitando o cálculo cientifico, modelagem de sistemas e simulação, análise de dados e visualização, e implementação de software embarcado em tempo real.
Atualmente, os principais softwares tradicionais de modelagem e simulação de sistemas mecânicos e/ou eletrônicos direcionaram á área de prototipagem rápida em mecatrônica, com módulos e bibliotecas direcionadas a aplicações no campo automobilístico, indústria aeronáutica e aeroespacial, etc. Esses ambientes de prototipagem rápida permitem a simulação, implementação e testes num ambiente cooperativo integrado. Dentre os principais aplicativos utilizados na indústria, podemos destacar dentre os mais utilizados os seguintes: SolidWorks, LabVIEW da National Instruments (NI), DSpace, AMESim, Mathworks (Matlab-Simulink), Altera, RobotStudio da ABB, RobCAD, e outros.
2.3 Modelagem e Integração de Células Robotizadas em Automação
Diferentes aplicações industriais envolvem a utilização de células flexíveis robotizadas em ambientes de manufatura, agregando novas tecnologias em automação da manufatura, com o objetivo de trabalhar os conceitos de modularidade, comunicação de dados, processamento em tempo real, otimização de processos, gerência da qualidade, gestão tecnológica e integração.
Manipuladores robóticos podem ser utilizados em diversas aplicações industriais por apresentarem uma elevada gama de capacidades e funcionalidades. No entanto, para que seja realizada uma dada operação são necessários sistemas auxiliares: sistemas de movimentação linear/angular, ferramentas, máquinas de produção e produtos.
Uma célula robotizada pode ser descrita como uma área de trabalho devidamente estruturada com um objetivo de produção comum, onde as tarefas são distribuídas (Fig. 2.4), compartilhadas entre diferentes sistemas automatizados interligados entre si, na qual estará um ou mais robôs, permitindo assim a otimização e realização de atividades colaborativas. Para que se torne possível a integração e coordenação dos diversos equipamentos com as
atividades a serem realizadas torna-se indispensável um planejamento do layout da célula robotizada.
Figura 2.4 – Exemplo de Célula Robotizada.
2.3.1 Características de uma Célula Robotizada e Exemplos de Aplicação
Dentre os principais sistemas que uma célula robotizada (Abreu, 2001) deve possuir os seguintes sistemas:
• Alimentação e remoção de produtos: permitem a alimentação do produto, onde após a operação, deverão de ser retirados através do sistema de remoção;
• Posicionamento do produto: responsável pela colocação do produto no local apropriado para que possa ser realizada a operação de acabamento;
• Segurança: referem-se a sistemas que garantem a proteção do equipamento e operador; • Supervisão e controle de operações: poderá ser realizado através de um computador
responsável pela supervisão e gerenciamento do processo, informando ao operador sobre os diferentes estados da célula;
• Robô industrial com ferramenta de trabalho: destinado a realizar a tarefa principal; • Inspeção: sistema para avaliação do produto, ou seja, irá permitir comparar o resultado com
um produto de referência.
A Fig. 2.5 apresenta dois exemplos de aplicação de células robotizadas em Automação para paletização, o primeiro através da utilização do software de programação off-line ABB
RobotStudio™ para uma célula virtual de paletização desenvolvida para a simulação e
aprendizado, e desenvolvimento de projeto a partir de um ambiente virtual de prototipagem em robótica, e o segundo através de uma célula de soldagem robotizada de paletização de vidros voltada a indústria automobilística. (Pinotti e Amaral, 2006).
a) Paletização (programação off-line) b) Soldagem Robotizada
Figura 2.5: Exemplo de Células Robotizadas (Pinotti e Amaral, 2006).
As células robotizadas podem ser classificadas conforme a configuração dos dispositivos robóticos em relação aos outros dispositivos que auxiliam as tarefas numa célula robotizada, ou seja, um robô em relação a sua célula de trabalho poderá ser centralizado, alinhado ou móvel.
O conhecimento e estudo prévio destes diferentes tipos de configuração torna-se essencial antes de sua implementação em uma planta industrial, podendo estas células incorporar parte do layout da fábrica (Koren, 1987).
Na configuração centralizada, o robô localiza-se no centro da célula e o equipamento auxiliar é colocado à sua volta (forma circular), como ilustra a Fig. 2.6. Esta configuração vai permitir que o robô realize tanto uma operação de produção, quanto uma tarefa de alimentação ou remoção de um produto. Este tipo de configuração é muito utilizado nas indústrias de fundição, onde o robô é encarregado de remover o produto do molde (depois de realizar o ciclo completo de fundição) e, posteriormente, posiciona o produto para um banho de têmpera, movimentando assim a peça de uma operação para outra (Hunt, 1983).
Figura 2.6 – Robô centralizado na célula.
Na configuração onde o robô se encontra localizado ao longo de uma linha de produção (alinhado), o mesmo executa uma tarefa pré-destinada no momento em que o produto chegue numa posição pré-definida para a sua atuação. Nesta configuração normalmente é utilizado mais do que um robô na mesma linha de movimentação. (Groover, 1996).
Outra possibilidade cada vez mais utilizada é dar capacidade ao robô de se movimentar no interior da célula em direção aos diferentes postos de trabalho. Esta solução de configuração é normalmente é realizada integrando ao dispositivo robótico de uma base móvel, que poderá também ser constituída por um sistema de carris, que poderão estar ou não suspensos.
A configuração móvel torna-se muito útil quando o robô tem de atuar em diversas máquinas de uma célula de manufatura com ciclos elevados de produção. Neste caso é imprescindível a realização de um estudo de design associado a esta configuração, com a determinação do número de máquinas de produção para cada robô, dado que o principal objetivo é evitar a existência de possível tempo morto nas máquinas de produção (Hunt, 1983).
2.3.2 Prototipagem Rápida em Células Flexíveis de Manufatura
O conceito de prototipagem rápida poderá ser estendido à implementação de células flexíveis robotizadas (Fig. 2.7), permitindo assim uma integração entre os diferentes dispositivos em células automatizadas de manufatura (Computer Integrated Manufacturing). Esta ferramenta permitirá o correto tratamento das etapas necessárias à integração dos equipamentos de uma célula robotizada de forma rápida e precisa.
Figura 2.7 – Prototipagem de uma Célula Flexível de Manufatura
Dentre, os fatores mais críticos desta integração, como por exemplo, os procedimentos de inicialização, posicionamento e calibração de ferramentas, poderão ser realizados de forma otimizada, permitindo assim uma maior flexibilidade da célula robotizada.
2.3.3 Ferramentas Matemáticas para Automação e Integração de Células Robotizadas Diferentes ferramentas matemáticas poderão ser utilizadas para a descrição do comportamento sequencial de uma célula de manufatura robotizada, que incluem fluxogramas, diagramas de variáveis de estado, Rede de Petri (RdP/ diagrama trajeto-passo e o GRAFCET. A seguir serão descritas duas ferramentas muito utilizadas: RdP e o GRAFCET. 2.3.3.1 - Redes de Pétri (RdP)
A metodologia de modelagem de Sistemas Dinâmicos a Eventos Discretos (SED) utilizando Redes de Pétri (RdP) foi proposta pelo matemático alemão Carl Petri, no inicio dos
anos 60, inicialmente direcionado às comunicações com autômatos, originando posteriormente, duas grandes linhas de desenvolvimento nas áreas de Ciências da Computação e em Engenharia de Sistemas padronizando as RdP (Huber, Jensen e Shapiro, 1990).
Uma RdP pode ser definida por meio de conjuntos, funções e também por grafos, de maneira que suas propriedades possam ser obtidas pela teoria dos conjuntos e/ou pela teoria dos grafos. Ela apresenta uma linguagem formal que permite a modelagem de sistemas dinâmicos discretos com grande poder de expressividade, permitindo representar com facilidade todas as relações de causalidade entre processos em situações de: seqüencialidade, conflito, concorrência e sincronização (Matos e Santos, 2004).
Ao mesmo tempo, são ferramentas gráficas e matemáticas de modelagem para descrição e/ou especificação de sistemas que apresentam um bom nível de abstração em comparação à outros modelos gráficos, possibilitando ainda a verificação do sistema especificado, permitindo assim, a modelagem de sistemas paralelos, concorrentes, assíncronos e não-determinísticos (Melo e Sobreira, 2003).
Uma RdP poderá ser utilizada como uma ferramenta auxiliar de análise e sintese, sendo que nesta abordagem, outras técnicas e formalismos poderão ser utilizados para especificar o sistema. Com base nessa especificação, o sistema poderá ser modelado através de uma RdP para posterior analise, e caso sejam detectados problemas, procedem-se as alterações na especificação e o ciclo será repetido até que mais nenhum problema seja detectado. A Fig. 2.8 exemplifica este procedimento.
Descrição do sistema Rede de Petri Propriedades do sistema Modelagem Análise Revisão Implementação / simulação Execução
Figura 2.8 Utilização de redes de Petri no modelamento e análise de sistemas.
Sua utilização na Modelagem de Sistemas Automatizados apresenta como principais vantagens à possibilidade de captura das relações de precedência e os vínculos estruturais dos sistemas reais; serem expressas graficamente, permitindo assim, a modelagem de conflitos e filas; o fato de sua praticidade de utilização e apresentar um fundamento matemático e
prático; como também admitir diversas variações (RdPs temporizadas, coloridas, estocásticas, de confiabilidade, etc.).
2.3.3.2 - SFC (GRAFCET)
A diversidade de dispositivos mecatrônicos que integram uma célula robotizada, exige a utilização de ferramentas matemáticas que permitem a descrição e documentação das tarefas de trabalho dos diferentes elementos que integram uma planta automatizada. Consequentemente, o problema poderá ser dividido em várias etapas, tornando-o mais simples e facilitando a visualização do sequenciamento de operações, alteração de especificação e detecção de falhas conceituais na planta.
O GRAFCET (Grafo de Comando Etapa-Transição) teve sua origem na nos anos 70, França pela AFCET (Association Française pour la Cybernètique, Economique, Technique), sendo considerado uma particularização das RdP, pois as redes possuem uma possibilidade de aplicações bem superior às que estão restritos os comportamentos cíclicos das máquinas e sistemas automatizados.
Através do Diagrama Funcional Sequencial, o SFC (Sequential Function Chart), também conhecido como GRAFCET (Grafo de Comando Etapa-Transição), oferece inúmeras vantagens aos integradores em automação, principalmente na modelagem de problemas complexos que envolvem a integração de dispositivos robóticos numa célula robotizada, pois esta ferramenta vai permitir a estruturação do modelo proposto em várias partes, tornando simples e estruturado o modelo proposto, facilitando a visualização do sequenciamento das operações, alteração de especificação funcional e detecção de falhas conceituais no programa.
Através do GRAFCET torna-se possível a representação do Sistema Automatizado, onde são aplicadas regras de evolução comportamental do mesmo, permitindo assim uma visão dinâmica do mesmo.
A Fig. 2.9 exemplifica uma aplicação do uso do GRAFCET na operação de trabalho de um dispositivo robótico numa célula robotizada. Este dispositivo realiza a operação de montagem de dois tipos peças diferente em duas posições distintas pré-definidas, em função de ordens definidas a partir de um sistema supervisor. Neste exemplo, o robô poderá executar duas tarefas pré-programadas associadas às condições lógicas (transições) correspondente a
operação de montagem da peça 1 ou 2, onde o robô efetuará as trajetórias associadas a esta operação, e quando finalizar, deverá a retornar a sua configuração inicial, aguardando nova condição de montagem (peça 1 ou 2), e assim sucessivamente.
Figura 2.9 Exemplo de GRAFCET.
2.3.4 Metodologia para Prototipagem Rápida de uma Célula Robotizada
As diferentes fases necessárias para a implementação de uma célula robotizada deverá seguir várias etapas para a concepção de um sistema de supervisão e controle utilizando a técnica de prototipagem rápida.
Para a diminuição de custos, a maior parte da concepção resulta na realização de simulações antes da implementação real. Assim, o desenvolvimento de um ambiente virtual que permita analisar o melhor desempenho da técnica de controle a ser implementada se faz necessário.
O fluxograma apresentado na Fig. 2.10 mostra das diferentes fases que envolvem a concepção de uma célula robotizada a partir de um simulador virtual, que poderá ser generalizada para qualquer modelo de célula de manufatura integrada de dispositivos mecatrônicos.
Figura 2.10 Fluxograma das diferentes fases de implementação de uma Célula Robotizada.
2.4 Programação de Dispositivos Robóticos e Geração de Tarefas Off-line
A programação off-line de células robotizadas vem ganhando novos impulsos com o desenvolvimento de tecnologias tanto em nível de hardware quanto software tornando-se cada vez mais frequente a sua utilização na programação de robôs, aumentando de fato a flexibilidade de elaboração de novos arranjos para sistemas produtivos, possibilitando uma variedade ilimitada de cenários e funcionalidades dos elementos integrantes da célula.
Muitas aplicações de células robóticas envolvem processos de produção em massa, como ocorre na soldagem robotizada em linhas automotivas, que não permite uma reprogramação que acarretaria numa interrupção do processo produtivo. Contudo, em aplicações que utilizam robôs no campo de pequenos e médios lotes de produção, onde o tempo de programação possa ser vultoso, a utilização da programação off-line torna-se essencial.
2.4.1 Programação Off-line e On-line
O desenvolvimento do conceito de programação off-line incluem grandes sofisticações na unidade de controle do dispositivo robótico, melhorando a precisão de posicionamento, e
uso de novas tecnologias de sensores, e isto vêm proporcionando sua utilização de forma cada vez mais frequente.
Na programação on-line o usuário manipula as peças-produtos, os dispositivos de fixação e posicionamento, os robôs e seus periféricos e outros dispositivos em torno da célula produtiva. O robô e todos os elementos da célula de trabalho são integrados e programados com o auxilio do “Teach Pendant”. Nos dias atuais, a programação online é somente utilizada para o posicionamento inicial do robô em sua célula de trabalho.
Na programação off-line, o usuário trabalha num ambiente virtual baseado em modelagem gráfica do robô e dispositivos periféricos de sua célula de trabalho, onde através de um modelo preciso do ambiente de trabalho implementado em CAD são realizadas todas as operações de trabalho dentro da célula robotizada de forma que a programação seja rápida e efetiva, permitindo possíveis correções e otimização de tarefas. A Fig. 2.11 mostra um exemplo de robô atuando em sua célula de trabalho em ambiente virtual.
Figura 2.11 Simulação off-line de operações numa célula de trabalho.
Dentre as principais vantagens da programação off-line podemos destacar a efetiva programação da lógica de programação e cálculos com as facilidades do “estado da arte” de depuração, a construção de localização baseada no modelo com possibilidade efetiva de
identificação de localização, possibilidade de verificar e corrigir a programação através da simulação e visualização, utilização de diferentes ferramentas de trabalho e permitindo ainda um modelo bem documentado com possibilidade ainda de reutilização de dados obtidos no CAD implementado.
Entretanto, o grande diferencial da programação off-line é que durante o planejamento de células robotizadas não é necessário ter disponível os equipamentos para realizar a programação, e o investimento na compra dos equipamentos necessários para a constituição da célula só será realizado depois do estudo e otimização do processo, proporcionando assim, uma redução significativa de gastos, e este é um principais motivos que atualmente as células robotizadas estão sendo concebidas na forma off-line.
É importante destacar que a maior parte dos aplicativos de programação off-line suportam ferramentas avançadas de programação contendo algumas facilidades para depurar o programa, e ainda de suporte, como por exemplo, otimização do processo de soldagem, montagem, pintura, planejamento da produção, projeto de produtos e otimização de “layout”, coletando e supervisionando informações de um processo produtivo e construção de modelos de robôs e direcionados a educação, formação e treinamento.
A programação denominada Híbrida (Trotman, 1988) consiste numa forma mais abrangente de alternar os métodos de programação on-line e off-line, permitindo a melhor utilização desses recursos, além de otimizar as técnicas de programação conforme necessidade e facilidade de implementação de uma célula robotizada. Este modo de programação subdivide o problema em duas partes: a obtenção da localização do robô (posição e orientação) e sua lógica de programação (estrutura de controle, comunicação, cálculos). A correta combinação de programação on-line e off-line vai proporcionar uma redução de custo de produção.
A lógica de programação poderá ser desenvolvida de forma off-line com a efetiva facilidade de depuração e simulação, onde as principais partes de comandos de movimentos poderão ser criadas off-line pela reutilização dos dados obtidos em CAD e pela interação do programador. Movimentos complexos para localização e colocação de peças dentro das células robotizadas poderão ser programados on-line, ou seja, a utilização hibrida vai
proporcionar uma maior flexibilidade na produção. Após a verificação do programa do robô em simulação, o mesmo será transmitido para a unidade de controle do robô.
2.4.2 Geração de Trajetórias para Robôs Industriais
Os geradores de trajetória podem ser classificados em on-line e off-line (FREZZATTO, 2010). O gerador on-line executa as tarefas de interpolação e convergência dos dados ao mesmo tempo em que a máquina esta funcionando, com isto, para conseguir resultados satisfatórios, torna-se necessário ter algoritmos que apresentem alta velocidade de processamento; ao contrario do gerador off-line, que realiza os cálculos dos perfis de movimento sem que o dispositivo robótico esteja em funcionamento.
A Fig. 2.12 mostra um gerador de trajetórias que tem a função do processamento das informações de contorno da peça a ser produzida, e cálculo dos perfis de movimento, que são as referencias de entrada para o sistema de acionamento e controle das juntas do dispositivo robótico.
Figura 2.12: Gerador de trajetórias.
Este gerador utiliza diferentes métodos para interpolar os pontos de posição e definir os perfis de movimento (perfil de posição, velocidade, aceleração e jerk). Os métodos mais utilizados para a interpolação dos pontos são Bezier, NURBS (Non-Uniform Rational B-Splines) e splines. A Fig. 2.13 apresenta os perfis de movimento correspondentes a velocidade
