DISEÑO Y CONTROL DE UNA CÉLULA ROBOTIZADA DE LLENADO...
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Jorge Peñuelas López DISEÑO Y CONTROL DE UNA CÉLULA ROBOTIZADA DE LLENADO DE ENVASES, EQUIPADA CON VISIÓN ARTIFICIAL Trabajo final de grado Dirigido por: Dr. Albert Oller Pujol Grado de Ingeniería Electrónica industrial y automática Tarragona 2016
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Jorge Peñuelas López
DISEÑO Y CONTROL DE UNA
CÉLULA ROBOTIZADA DE
LLENADO DE ENVASES,
EQUIPADA CON VISIÓN
ARTIFICIAL
Trabajo final de grado
Dirigido por: Dr. Albert Oller Pujol
Grado de Ingeniería Electrónica industrial y automática
Tarragona
2016
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5
ÍNDICE
1. Hoja de identificación ............................................................................................... 5
2. Definición de proyecto .............................................................................................. 6
3. Descripción de la empresa......................................................................................... 8
4. Descripción de proyecto I+D .................................................................................. 10
5. Antecedentes de la Robótica Industrial ................................................................... 11
6. Descripción general de los componentes del proyecto ........................................... 14
6.1 Robot Industrial ............................................................................................... 14
6.2 Visión Artificial ............................................................................................... 32
6.3 PLC (Controlador de lógica programable) ...................................................... 47
6.4 Transportadores ............................................................................................... 49
6.5 Sistemas de pesaje electrónico. ........................................................................ 52
7. Análisis de viabilidad técnica .................................................................................. 54
7.1 Análisis 1: Posición del robot con respecto al transportador. .......................... 54
7.2 Análisis 2: Cálculo de la distancia de trabajo entre cámara y objetos a localizar.58
7.3 Análisis 3: Posición de instalación del robot con respecto al suelo ................. 63
7.4 Análisis 4: Estudio del peso que deberá soportar el robot. .............................. 67
7.5 Análisis 5: Velocidad máxima del robot a la hora de realizar el escaneado
mediante la cámara ..................................................................................................... 73
7.6 Análisis 6: Conectividades entre PLC y periféricos ........................................ 75
7.7 Análisis 7: Margen de error entre caña y brocal del bidón. ............................. 77
8. Descripción de la línea ............................................................................................ 78
9. Descripción del proceso. ......................................................................................... 83
9.1 Descripción del proceso de llenado ................................................................. 85
9.2 Descripción del proceso de tapado .................................................................. 91
10. Descripción de componentes principales de la línea: .......................................... 93
10.1 Robot MOTOMAN-ES200N (YASKAWA) ............................................... 93
10.2 Controladora robot YASKAWA NX100 ..................................................... 96
10.3 Elemento terminal ........................................................................................ 97
10.4 Transportador Báscula.................................................................................. 99
10.5 Transportador de rodillos con capacidad para un palet .............................. 101
10.6 Transportador de rodillos con capacidad para tres palets .......................... 102
10.7 Sistema de control PLC .............................................................................. 103
10.8 Sistema de Visión artificial ........................................................................ 104
6
10.9 Sensores ...................................................................................................... 106
10.10 Motores de los transportadores. ................................................................. 108
10.11 Barreras fotoeléctricas con función muting. .............................................. 109
10.12 Vallado de seguridad .................................................................................. 110
11. Modo de operación del sistema ......................................................................... 111
11.1 Ajuste de los parámetros de llenado:.......................................................... 111
11.2 Proceso de funcionamiento en marcha ....................................................... 113
11.3 GRAFCETS ............................................................................................... 117
11.3.1 Grafcet transportadores .......................................................................... 118
11.3.2 Grafcet General ...................................................................................... 123
11.3.3 Grafcet llenado ....................................................................................... 129
11.3.4 Grafcet báscula ....................................................................................... 133
11.3.5 Grafcet sistema de visión ....................................................................... 136
11.3.6 Grafcet Tapado ....................................................................................... 137
11.3.7 Grafcet emergencia: ............................................................................... 139
11.3.8 Tabla de Entradas PLC .......................................................................... 140
11.3.9 Tabla de Salidas PLC ............................................................................. 141
12. Descripción de la solución adoptada ................................................................. 142
13. Comprobaciones prácticas ................................................................................. 143
13.1 Comprobación practica del error obtenido en el sistema de visión artificial.... 143
13.2 Comprobación práctica del error de posicionamiento del robot ................ 146
13.3 Configuración de las coordenadas de usuario ............................................ 148
14. Puesta en marcha del sistema ............................................................................ 150
14.1 Configuración sistema de visión artificial .................................................. 150
14.2 Implementación de las comunicaciones ..................................................... 158
14.2.1 Comunicación PLC-Sistema de visión mediante PROFINET............... 158
14.2.2 Comunicación PLC-Robot industrial mediante PROFIBUS ................. 164
14.2.3 Comunicación PLC- Báscula mediante PROFIBUS ............................. 172
14.3 Cronología del desarrollo del prototipo ..................................................... 173
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1. Hoja de identificación
Título del proyecto: Diseño y control de una célula robotizada de llenado de envases,
equipada con visión artificial.
Emplazamiento:
El proyecto se realizara en la empresa Automatització i Control Rovira situada en el
Polígono Industrial Riuclar, Carretera Constantí Parcela privada 5.1.5, ES, 43006
Tarragona- España.
Empresa:
Nombre: AiCROV
Dirección: Polígono Industrial Riuclar, Carretera Constantí Parcela privada 5.1.5, ES,
43006 Tarragona- España
El Autor del Proyecto:
Autor: Jorge Peñuelas López
Titulación: Grado en Ingeniería electrónica industrial y automática.
Director del Proyecto:
Jaume Tiñena
Director técnico de AiCROV
Representante de la empresa:
Albert Rovira
Gerente de AiCROV
Fecha y firma de los mencionados:
Jorge Peñuelas Jaume Tiñena Albert Rovira
Tarragona, 12 de Enero de 2015
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2. Definición de proyecto
Nombre del Proyecto:
Robot Filler SP3 – CL
Objeto:
El objeto del presente proyecto es el de realizar un proyecto I+D de la empresa AiCROV
que se basa en diseñar, fabricar y programar una línea de llenado robotizada para poder
ser ofertada por la empresa a futuros clientes interesados en el llenado de envases de
manera totalmente automática.
Características generales:
- Robot capaz de realizar el destapado, llenado y tapado de envases.
- Cámara de visión artificial instalada en el robot para poder visualizar la posición
del brocal de cada uno de los envases.
- Cinco transportadores de palets: buffer de entrada (capacidad para tres palets),
entrada (capacidad para un palet), báscula (zona de llenado, capacidad para un
palet), salida (capacidad para un palet), buffer de salida (capacidad para tres
palets).
- Transportador báscula encargado de informar del estado de llenado de los envases.
- Sistema de configuración de envase por pantalla y visualización de peso neto.
Lugar de fabricación:
Polígono Industrial Riuclar, Carretera Constantí Parcela privada 5.1.5, ES, 43006
Tarragona- España.
Normativas:
Todos y cada uno de los componentes del proyecto cumple con los mínimos requisitos
legales y técnicos en materia de seguridad y normalización:
- Ley 31/1995 8 de Noviembre de Prevención de Riesgos Laborales.
- RD 842/2002: Reglamento Electrotécnico de Baja Tensión.
- RD 486/1997: Disposiciones mínimas de seguridad y salud en los lugares de
trabajo.
- EN 60848:2013 Lenguaje de especificación GRAFCET para diagramas
funcionales secuenciales.
- EN ISO 6433:2010 Dibujos técnicos. Referencia de partes.
- EN ISO 10209:2012 Documentación técnica de producto. Vocabulario. Términos
relacionados con los diseños técnicos, la definición de productos y productos
relacionados.
- UNE 1027:1995 Dibujos técnicos. Plegado de planos.
- UNE 1032:1982 Dibujos técnicos. Principios generales de representación.
- UNE 1039:1994 Dibujos técnicos. Acotación. Principios generales, definiciones,
métodos de ejecución e indicaciones especiales.
9
- UNE 1135:1989 Dibujos técnicos. Lista de elementos.
- UNE 157001:2002 Criterios generales para la elaboración de proyectos.
- UNE-EN 60027 Símbolos literales utilizados en electrotecnia.
- UNE-EN 60445:2012 Principios fundamentales y de seguridad para la interfaz
hombre máquina, el marcado y la identificación. Identificación de los bornes de
equipos y de los terminales de ciertos conductores designados, y reglas generales
para un sistema alfanumérico.
- UNE-EN 60617: Símbolos gráficos para esquemas.
- UNE-EN 61082-1:2007 Preparación de documentos utilizados en electrotecnia.
- UNE-EN 61131 Autómatas programables.
- UNE-EN 80416: Principios básicos para los símbolos gráficos utilizables en los
equipos.
- UNE-EN ISO 3098: Documentación técnica de productos. Escritura.
- UNE-EN ISO 5455:1996 Dibujos técnicos. Escalas.
- UNE-EN ISO 5456-1 Dibujos técnicos. Métodos de proyección.
- UNE-EN ISO 5457:2000 Documentación técnica de producto. Formatos y
presentación de los elementos gráficos de las hojas de dibujo.
- UNE-EN ISO 7200:2004 Documentación técnica de productos. Campos de datos
en bloques de títulos y en cabeceras de documentos.
- UNE-EN ISO 9000:2005 Sistemas de gestión de calidad Fundamentos de
documentos.
- UNE-EN ISO 11442:2006 Documentación técnica de productos. Gestión de
documentos.
- UNE-EN ISO 81714: Diseño de símbolos gráficos utilizables en la
documentación técnica de productos.
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3. Descripción de la empresa
Figura 1: Logotipo de la empresa AiCROV.
AicrovGroup está formado por dos empresas, Aicrov Filling y Aicrov Services. Ambas
empresas se complementan, trabajan al unísono y ofrecen distintas soluciones a todos sus
clientes.
- Aicrov Filling es la parte que se dedica al diseño, ingeniería, fabricación e
instalación de equipos, maquinaria para el llenado y paletizado de envases, diseño
de finales de línea, proyectos de ingeniería y todas las posibilidades para la
industria del envasado.
- Aicrov Services es la parte del grupo dedicada al mantenimiento preventivo,
predictivo y correctivo, asistencia técnica, implantación de modificaciones,
adaptar soluciones técnicas, reconstrucciones, y prestar toda la ayuda a tiempo
para que sus clientes no se detengan y continúen trabajando a buen ritmo.
AiCROV nace de la necesidad de automatización de los procesos de envasado, paletizado
y mantenimiento integral.
La empresa Funciona de la siguiente manera:
1. Diseñan: Asesoran. Su equipo de ingenieros realiza un estudio de integración del
producto Aicrov en su empresa.
2. Fabrican: Una vez aprobado procedemos a la compra de materiales y máquinas y
comenzamos la customización.
3. Pruebas F.A.T. y S.A.T.: Las pruebas F.A.T.(Factory Acceptance Test) y las
S.A.T. (Site Acceptance Test) garantizan el funcionamiento y calidad de la
maquina o línea de llenado, al ser totalmente ensamblada en nuestras instalaciones
y probada en condiciones casi reales.
4. Instalan: Una vez validada la maquina o línea de llenado, ésta es enviada al cliente
para su montaje y posterior puesta en producción. En función de su complejidad,
el ensamblaje final y puesta en marcha es realizado por el propio cliente o por
nuestros técnicos especializados en montajes.
5. S.A.T.: Se preocupan. Su departamento post venta realiza un seguimiento
personalizado de sus productos una vez estos se encuentran produciendo. De esta
forma, garantizamos la plena satisfacción de nuestros clientes, obteniendo
información de vital importancia para nuestra política de mejora continua.
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Localización:
Polígono Industrial Riuclar, Carretera Constantí
parcela privada 5.1.5, ES, 43006 Tarragona –
España
Contacto:
Teléfono: +34 977 206 391
Fax: +34 977 206 392
www.aicrov.com
Figura 2: Localización de AiCROV
12
4. Descripción de proyecto I+D
Los proyectos de Investigación y Desarrollo son proyectos empresariales de carácter
aplicado para la creación y mejora significativa de un proceso productivo, producto o
servicio presentados por una única empresa o por una agrupación empresarial. Dichos
proyectos pueden comprender tanto actividades de investigación industrial como de
desarrollo experimental.
Ciclo de investigación y desarrollo:
Figura 3: Ciclo de investigación y desarrollo.
En este tipo de proyectos, se estudia la necesidad de la empresa y en que ámbito, producto
o servicio puede mejorar para poder satisfacer al cliente y a la vez aumentar sus ingresos
económicos.
El I+D se desglosa en 3 clases:
- Investigación Básica: Se basa en todos los estudios o trabajos que tienen como
objetivo adquirir conocimientos científicos nuevos, se analizan propiedades, se
realizan estructuras y relaciones con el fin de formular hipótesis, teorías y leyes.
En esta etapa los científicos realizan “Descubrimientos”.
- Investigación Aplicada: Parten de los descubrimientos dados por la investigación
básica, pero con el objetivo de adquirir nuevos conocimientos orientados a un
objetivo practico determinado, dichos resultados son susceptibles de ser
patentados, para una futura explotación comercial. En esta etapa los científicos o
técnicos “Inventan”.
- Desarrollo tecnológico: Comprende la utilización de los recursos adquiridos en la
investigación aplicada para la producción de materiales, dispositivos,
procedimientos o servicios nuevos. En esta etapa la empresa ha conseguido los
conocimientos “Know How” (Saber cómo) y desarrolla los prototipos o plantas
pilotos.
Por último si los resultados del prototipo son eficaces y viables, se realiza inversiones
para producir en grandes series y vender al mercado, entonces cuando el mercado acepta
el producto o servicio, se convierte en innovación.
En nuestro caso, este proyecto de innovación y desarrollo viene dado por el interés de
varios clientes por automatizar por completo sus líneas de llenado de bidones. Es por ello
que se realiza el siguiente proyecto de dicha manera, dado que si los resultados son
favorables, los clientes interesados aceptarían el proyecto y se instalarían en sus factorías.
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5. Antecedentes de la Robótica Industrial
Durante todas las épocas y culturas, la humanidad ha intentado crear máquinas
automáticas que faciliten su trabajo, hagan más cómoda su existencia, satisfagan su
curiosidad y su afán de aprender e investigar o simplemente, como entretenimiento.
Ya en la antigua Grecia, le pusieron nombre de Autómata [griego: automatos] a la
máquina que se mueve por sí misma, refiriéndose sobre todo a las máquinas que imitan
los movimientos de los hombres y de los animales.
Posteriormente, en la Edad Media y en el Renacimiento se siguieron fabricando diversos
autómatas, entre los que se conocen como:
- “El hombre de hierro” de Alberto Magno (1204-1282)
- “El gallo de Estrasburgo” (1230)
- “El león mecánico” de Leonardo da Vinci (s. XV-XVI)
- “El hombre de palo” de Juanelo Turriano (s. XV-XVI)
Figura 4: “El gallo de Estrasburgo “
Seguidamente, durante los siglos XVII-XVIII se crearon ingenios mecánicos de mayor
complejidad como por ejemplo:
- “El pato de Vaucanson” (1738): bebía, comía, digería y evacuaba.
- “El escriba, organista, dibujante” de la familia Droz (1770)
Figura 5: “El pato “de Vaucanson
14
A finales del siglo XVIII y también a principios del XIX, en pleno auge de la Revolución
Industrial, se inventaron una serie de máquinas aplicadas a la industria textil como son:
- “Hiladora giratoria” de Hargreaves (1770)
- “Hiladora mecánica” de Crompton (1779)
- “Telar mecánico” de Cartwrigth (1785)
- “Telar de Jacquard” (1801): Incorporaba un programa en cinta de papel perforado.
- “La niña que dibujaba”, de Henry Millardet (1805).
Figura 6: “Hiladora giratoria” de Hargreaves
Al llevar a cabo la utilización de dispositivos mecánicos en la producción, se inició la
automatización industrial durante el inicio del siglo XX, en el que ya comenzaron a
aparecer máquinas de vapor, motores eléctricos, etc.
En el año 1921, apareció el término ROBOT, por Karel Kapek y ya en el 1942,
aparecieron las Leyes de la Robótica de la mano de Isaac Asimov.
A mediados del siglo XX, aparecieron las máquinas-herramienta con papel perforado y
dos años más tarde en la MIT se desarrolló la máquina de control numérico con control
digital.
En 1954, George C. Devol patentó el primer robot industrial y juntamente con Endelberg,
fundaron UNIMATION, donde crearon el robot industrial UNIMATE. Seguidamente,
GM instaló los primeros en el año 1959.
Figura 7: Robot UNIMATE fabricado por Kawasaki
A partir del año 1968, Kawasaki comenzó a fabricar el UNIMATE y dos años después,
se creó el Robot Stanford (1970), el cual incorporaba 6 GdL, control por computador,
PID y motores.
En el 1973, Cincinatti Milacron creó el primer robot con microcomputador y seis años
después, se presentaron los populares robots PUMA (GM) y SCARA (Japón).
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Actualmente, los robots industriales los podemos encontrar en cualquier tipo de
industrias, definidos como manipuladores reprogramables y multifuncionales, diseñados
para mover materiales, piezas, herramientas o artefactos especializados, mediante
movimientos variables preprogramados para realizar diversas tareas.
Figura 8: Robots trabajando en la fábrica KIA Motors en Zilina, Eslovaquia (Autor:Vladimir Weiss)
16
6. Descripción general de los componentes del proyecto
6.1 Robot Industrial
A día de hoy, hay más de 800.000 unidades de robots trabajando por todo el mundo y
alrededor de 32.000 en España.
En el ámbito nacional, según la estadística realizada por AER-ATP, el número de
unidades robóticas instaladas durante el 2014 asciende a 2.194 unidades, lo que significa,
una disminución del 25 % en relación al número de unidades instaladas en 2013 y un
incremento del 6,6 % del número total de robots incorporados al parque nacional. Este
aumento está en línea con las previsiones de la IFR (International Federation of Robotics),
que reflejan para el período 2014-2017, donde cada año el incremento de robots debe
situarse alrededor del 7 % anualmente. En la siguiente figura 9 se muestra el número de
unidades de robots industriales instalados en España desde el 2002 al 2014:
Figura 9: Registro de robots industriales instalados en España (fuente: AER-ATP)
Mundialmente, durante el 2014 la demanda de robots industriales se disparó, llegando por
primera vez en su historia a superar las 200.000 unidades, según datos del presidente de
IFR, Arturo Baroncelli. Se estima que supuso un incremento del 27 % respecto a 2013.
El principal impulso vino de Asia y principalmente de China y Corea del Sur, donde se
llevó a cabo un incremento del 54 % respecto al año anterior. La figura 10 muestra al
detalle el número de robots vendidos desde 2010 al 2014 en Asia, Europa y America:
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Figura 10: Ventas de robots industriales por años y continentes. (fuente: IFR)
Aplicaciones
El diseño y control de los robots industriales, facilitan su incorporación a un campo de
tareas muy extenso. En las tareas a realizar, las más demandadas son soldadura y
manipulación, pero respecto a años anteriores, cabe destacar, que la demanda de robots
de soldadura ha disminuido considerablemente y los robots de manipulación y
carga/descarga son los más utilizados (véase figura 11):
Figura 11: Gráfico de distribución de robots por aplicaciones. Año 2014 (fuente: AER-ATP)
Si nos referimos a sectores industriales, véase figura X, destacar el liderazgo del sector
de la automoción, con cerca del 32 % de los robots incorporados. Pero año tras año, el
sector de la alimentación y bebidas va recortando distancias y podría ser líder en pocos
años.
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Figura 12: Gráfico de la distribución de robots por sectores. Año 2014 (fuente: AER-ATP)
Impacto social
Los robots industriales, han sido diseñados para realizar tareas de fabricación de mayor
calidad y menor coste que si las realizase un ser humano. En cambio, no todo son ventajas,
puesto que provocan un impacto social y económico que viene dado por la pérdida de
empleos no cualificados, especialmente en cadenas de montajes.
La robotización industrial, provoca una mayor especialización y formación a empleados,
dado que se crean trabajos en los sectores de soporte lógico y desarrollo de sensores, en
la instalación y mantenimiento de robots y en la conversión de fábricas antiguas a fábricas
nuevas. Por estos motivos, se podría orientar a la sociedad hacia la tecnología, para formar
a los trabajadores que pierden su empleo debido a la automatización, para que puedan
tener acceso a un puesto de trabajo del siglo XXI.
Figura 13: Robot ABB realizando la tarea de soldadura.
19
Definición de Robot industrial
Hay varias definiciones de robot industrial, pero las más destacadas son:
“Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover
piezas, materias, herramientas o dispositivos especiales, según trayectorias variables,
programadas para realizar tareas diversas”.
Definición de la Robot Institute of America (RIA-1979)
“Un robot industrial es un manipulador de 3 o más ejes, con control automático,
reprogramable, multiplicación, móvil o no, destinado a ser utilizado en aplicaciones de
automatización industrial. Incluye al manipulador (sistema mecánico y accionadores) y
al sistema de control (Software y hardware de control y potencia)”.
Definición de la Asociación Internacional de Estándares (ISO-8373-1998)
Partes de un robot industrial.
Un robot industrial está formado por diferentes elementos:
- Manipulador: Componente principal formado por una serie de elementos
estructurales sólidos o eslabones unidos mediante articulaciones.
- Controlador: Regula cada uno de los movimientos del manipulador, las acciones,
cálculos y procesado de información.
- Dispositivos de entrada y salida de datos: Teclado, monitor y caja de comandos
(teach pendant).
- Dispositivos especiales: Dispositivos que facilitan el movimiento o la tarea del
mismo robot manipulador.
Figura 14: Ejemplo de componentes que forman un robot industrial con visión artificial.
La unidad de control incluye un dispositivo de memoria ocasionalmente de percepción
del entorno (cámara de visión artificial). Normalmente, su uso es el de realizar una tarea
de manera cíclica, pudiéndose adaptar a otra sin cambios permanentes en su material.
20
Componentes básicos de un robot manipulador:
- Estructura mecánica: Es una cadena cinemática formada por una secuencia de
cuerpos rígidos, conectados entre ellos mediante articulaciones. Esta estructura
tiene como objetivo, orientar y posicionar el elemento terminal a la posición
deseada.
o Brazo: Desde la base del robot hasta la muñeca del mismo, ofreciendo
movilidad al conjunto.
o Muñeca: Desde el final del brazo del robot hasta el elemento terminal,
ofreciendo destreza al conjunto.
o Elemento terminal: Herramienta con la que realizará la tarea, ya sea soldar,
pintar, llenar un envase, paletizar…
- Actuadores: El objetivo de los actuadores, es el proporcionar movimiento al
manipulador a través de las articulaciones.
- Sensores: Los sensores tienen como principal objetivo, medir el estado del
manipulador o del entorno.
- Sistema de control: El sistema de control realiza la supervisión y control del
movimiento del manipulador. Es un sistema basado en microcomputador.
Grados de libertad (GdL):
- Los grados de libertad de un robot se definen como la suma de cada uno de los
movimientos independientes, que puede realizar cada una de las articulaciones.
Generalmente, los GdL de un robot son igual al nombre de articulaciones del
mismo.
Dependiendo del tipo de articulación, se podrán conseguir más o menos grados de
libertad:
Figura 15: Tipos de articulaciones y sus GdL
Cada uno de los ejes articulados utiliza un motor eléctrico como fuerza motriz
para lograr el movimiento del brazo, ya sea movimientos independientes o
coordinados con todos los ejes del conjunto.
La mayoría de robots de seis ejes, por norma general, son utilizados para realizar
tareas de soldadura o de pintado. Estos son llamados robots antropomórficos, por
simular la forma y movimiento del brazo humano (véase figura 16):
21
Figura 16: Comparación brazo humano con robot antropomórfico.
Estos ejes, siempre se nombran partiendo desde la base de la estructura hasta la
muñeca. Es normal nombrar los ejes con números del uno al seis o también
mediante letras, como es el caso del robot Motoman, que los nombra con las letras
S, L, U, R, B y T (véase figura 17). Esta nomenclatura, viene dada por
abreviaciones del inglés y cada una de las compañías a nivel mundial, los puede
nombrar diferente.
Figura 17: Ejes y nombres de los seis ejes de un Motoman
22
Capacidad de movimiento:
o Volumen de trabajo: Se refiere al volumen de espacio accesible por el
elemento terminal y se define hasta la muñeca.
Depende de:
o La estructura del robot.
o Los números de ejes.
o Las dimensiones de los elementos de la cadena
cinemática.
o Los límites de las articulaciones.
Figura 18: Dimensiones y volumen de trabajo Motoman ES200N
o Accesibilidad y maniobrabilidad: Viene dado por el número de GdL y la
capacidad de orientar el elemento terminal. Por ejemplo, para una tarea de
paletizado sencilla, necesitaremos un robot como mínimo de 4 GdL y si
realizamos una tarea de pintura, necesitaremos un robot de 6 GdL. El grado
de maniobrabilidad, es definido como el número de GdL redundantes.
Como es lógico, si el número de GdL es elevado, el coste del robot será mayor.
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Precisión del movimiento:
- Un Robot industrial, tiene la capacidad de realizar una tarea de forma rápida y
flexible, con un error de posicionamiento pequeño. Sin embargo, los conceptos
que se definen a continuación, vienen dados para la configuración del brazo más
desfavorable, que se suelen incorporar en los folletos de características de los
mismos. Estas características son:
o Resolución: Es definido, como el mínimo incremento de movimiento que
puede generar la unidad de control. El valor de la resolución, vendrá dado
por el sistema de control y de las inexactitudes de las medidas de
posicionamiento obtenidas de la parte mecánica del brazo, es decir:
Resolución sensores de posición.
Resolución sistema de control.
Figura 19: Descripción gráfica de la resolución.
o Precisión: Se define como la distancia entre el punto programado (definido
por sus coordenadas espaciales) y el valor medio de los puntos realmente
alcanzados por el robot, al repetir el movimiento al punto de destino.
Se suele definir la precisión máxima como ½ LSB de la resolución.
Las causas de estos errores de precisión vienen dados por:
Errores de calibración del robot.
Deformaciones de origen térmico y dinámico.
Errores de redondeo en los cálculos.
Dimensiones reales diferentes a dimensiones teóricas.
Modelo cinemático y dinámico del robot.
Figura 20: Diferencia visual entre los puntos realmente realizados por el robot y el valor del
punto programado.
o Repetibilidad: Se entiende, como el grado de exactitud en la repetición del
movimiento cuando el robot intenta acceder a un punto previamente
enseñado.
Los valores nominales de la repetibilidad para tareas de ensamblaje ha de
ser ≤ 0.1 mm, mecanizado ≤ 1 mm, soldadura y pintura 1 – 3 mm.
24
La repetibilidad es menor en las zonas más alejadas del origen del robot,
es decir, con el brazo del robot extendido. Esto viene dado por diferentes
causas:
Fregamientos, histéresis y zonas muertas del sistema
mecánico de transmisión.
Figura 21: Descripción gráfica del grado de exactitud en la repetición de un movimiento.
o Docilidad: Es el desplazamiento del extremo del brazo, debido a pesos o
fuerzas externas aplicadas sobre el robot, provocando errores en la
precisión del mismo.
Figura 22: Gráfica de la capacidad de carga del elemento terminal de un robot industrial
modelo Motoman ES200N.
Cómo se puede observar en la figura 22, para diferentes distancias respecto
al origen de la muñeca, se puede cargar más o menos carga sin perder la
precisión y la seguridad de la tarea.
25
Características dinámicas de los manipuladores industriales:
o Capacidad de carga: Peso máximo que puede manipular o transportar el robot,
garantizando sus posibles prestaciones y considerando la configuración más
desfavorable.
Esta característica depende de:
Dimensiones del robot.
Configuración (cartesiana, cilíndrica)
Materiales de construcción.
Tipos de actuadores y del tipo de transmisión de movimiento.
En varios modelos comerciales nos podemos encontrar robots que mueven
desde los 2 kg a los 800 kg. La siguiente figura muestra las características de
dos modelos de la marca Motoman.
Figura 23: Varios modelos del catálogo de MOTOMAN.
o Velocidad y aceleración: Velocidad de cada una de las articulaciones del robot
o la velocidad media de la herramienta colocada en la muñeca. La velocidad
máxima del robot no es una constante, sino que depende de la carga que
transporta y de la precisión exigida al manipulador.
Figura 24: Descripción gráfica de la velocidad y aceleración de un robot industrial.
o Estabilidad: Se refiere a la capacidad por mantener una determinada posición
a lo largo del tiempo.
Figura 25: Descripción gráfica de la estabilidad de un robot manipulador.
26
Tipos de configuraciones morfológicas:
La estructura del manipulador y la relación entre sus elementos, proporcionan una
determinada configuración que resultará específica para una u otra tarea.
- Cartesiana
o 3 articulaciones prismáticas ortogonales entre ellas.
o Volumen de trabajo en forma de paralelepípedo.
o GdL robot equivalentes a GdL del espacio.
o Alta rigidez mecánica.
o Precisión alta y constante.
o Buena repetibilidad.
o Poca maniobrabilidad.
o Manipulación de material y encajonado.
Figura 26: Robot configuración Cartesiana.
- Pórtico
o Equivalente al manipulador cartesiano.
o Para manipular objetos desde arriba.
o Gran volumen de trabajo.
o Manipulación de objetos de grandes dimensiones y pesos.
Figura 27: Robot configuración Pórtico.
- Cilíndrica
o Dos articulaciones paralelas y una perpendicular entre las otras dos.
o Volumen de trabajo en forma de porción de cilindro hueco.
o Buena rigidez estructural, excepto la articulación rotacional.
o Precisión disminuye al aumentar la distancia horizontal.
o Posibilidad de acceder a cavidades verticales.
o Movimiento de objetos.
27
Figura 28: Robot configuración Cilíndrica.
- Esférica o polar
o Tres articulaciones perpendiculares entre ellas.
o Volumen de trabajo es una porción de esfera hueca.
o Construcción mecánica más compleja.
o Rigidez mecánica menor.
o Manipulación de objetos situados por sobre de él.
o Movimiento vertical limitado.
o Carga/Descarga de máquinas.
Figura 29: Robot configuración Esférica.
- SCARA
o Tres articulaciones paralelas entre ellas.
o Precisión menor al aumentar distancia al primer eje.
o Mucha rigidez estructura para las cargas verticales.
o Mucha docilidad para cargas horizontales.
o Tareas de encajonado vertical o paletización.
Figura 30: Robot configuración SCARA.
- Articulado o angular (el más común)
o Manipulador antropomórfico.
o Primera articulación ortogonal a las otras dos que son paralelas entre ellas.
o Volumen de trabajo es una porción de esfera hueca.
28
o Volumen de trabajo elevado dependiendo de las dimensiones del
manipulador.
o Es la estructura con más habilidad.
o Precisión varía en todo el espacio de trabajo.
o Control complicado.
o Rango de aplicación grande.
Figura 31: Robot configuración Articulado.
- Paralelo (P6)
o Estructura compacta, muy robusta y rígida.
o 6 GdL.
o Volumen de trabajo tipo plato.
o Capacidad de carga no depende de la configuración puntual.
o Velocidades y aceleraciones elevadas.
Figura 32: Robot configuración Paralelo marca ABB modelo FlexPicker.
- Paralelo (R E4)
o Robot Delta
o Tres cadenas cinemáticas cerradas separadas 120º
o Brazo central con 4 GdL.
o Velocidad lineal 10 m/s.
o Aceleración 100 m/s2
Figura 33: Robot configuración DELTA marca Fanuc modelo M-3
Unidad de control.
- La unidad de control, se considera el “cerebro” del robot. Es el componente
responsable de determinar los movimientos de cada una de las partes del
manipulador, consiguiendo una orientación y posición determinada.
En los modelos menos avanzados y antiguos, puede tratarse de un PLC
(Programmable Logic Controller), pero a día de hoy cada una de las marcas de
robots vende su propia controladora, dependiendo del modelo del robot y las
tareas que vaya a desarrollar. Dichas controladoras, están formadas por elementos
computacionales y su propio software, el cual regula el comportamiento del robot.
En función del tipo de parámetros que se regulan, existen varios tipos de unidades
de control:
Unidad de control de posición: En este caso, el controlador sólo
interviene en el control de la posición del elemento terminal.
Unidad de control cinemático: Se realiza el control de la posición
y la velocidad.
Unidad de control dinámico: Se regula la velocidad y posición y
además, las propiedades dinámicas del manipulador y de los
elementos asociados a él.
Unidad de control adaptativo: Incorpora todos los controles
anteriores y además, se ocupa de controlar la variación de las
características del robot al variar de posición.
A día de hoy, la mayoría de controladoras realizan un control adaptativo y
detallado de los movimientos, características y sistemas de seguridad.
Otra forma de clasificar las controladoras es distinguiendo entre:
Control en bucle abierto: Este tipo de control, no se admite en
aplicaciones industriales, dado que el control en bucle abierto da
lugar a muchos errores. Viene debido a que no se obtiene ningún
tipo de información sobre el estado en el que se encuentra
actualmente, es decir, la salida no tiene influencia sobre la señal de
entrada.
Figura 34: Control en bucle abierto donde la salida no influye sobre la entrada.
Control en bucle cerrado: La gran mayoría de robots utilizados hoy
en día en aplicaciones industriales llevan a cabo este tipo de
control, ya que se compara el estado actual, con el estado “orden”,
30
mediante un bucle de realimentación, que viene dado por cualquier
tipo de sensor que informe sobre el estado actual del manipulador
y de sus condiciones externas actuales.
Figura 35: Control en bucle cerrado donde la señal de salida influye sobre la señal de
entrada.
Cada marca de robots manipuladores fabrica su propia controladora específica.
Las más populares son:
o FANUC R30-Ib
Figura 36: Controladora FANUC R30-iB.
o YASKAWA DX100
Figura 37: Controladora Yaskawa MOTOMAN DX100.
o KUKA KR C4 con smartPAD
Figura 38: Controladora KUKA KR C4 con smartPAD.
31
Métodos de programación de robots:
A la hora de programar un robot industrial, se necesita situar su punto terminal en una
localización determinada del espacio, pero no sólo es importante que el manipulador
alcance un determinado punto del espacio, sino que lo haga en el momento preciso.
Programar un robot industrial, tiene como finalidad realizar una secuencia de operaciones
de forma totalmente automática: moverse de punto a punto, abrir o cerrar la pinza, realizar
el soldado, seguir un trazado, esperar, etc. Este tipo de secuencia de operaciones
(programa), se escribe en un determinado lenguaje, con el cual gobernaremos el robot.
En los robots industriales nos encontramos dos métodos de programación:
- Programación por aprendizaje (o programación por guiado): El programador hace
mover el brazo a lo largo de una trayectoria y memoriza una serie de puntos y
configuraciones en la controladora del robot. A continuación, se indica que realice
cíclicamente la trayectoria y puntos que hemos realizado anteriormente, así podrá
repetirlo tantas veces como deseemos. Este tipo de programación tiene una serie
de ventajas y de inconvenientes:
Ventajas: Fácil de aprender, se necesita poca memoria para
almacenar la información.
Inconvenientes: El robot y su entorno no pueden usarse en
producción durante su programación, dificultades para realizar
programas complejos y precisos. No compatible con ayudas a la
programación como el CAD/CAM, método antiguo de
programación de robots industriales.
Hay diferentes formas de guiar el robot:
o Guiado activo: El programador mueve el brazo robot con el propio sistema
de accionamiento del robot, a través del teach-pendant.
o Guiado pasivo: El programador mueve el brazo robot manualmente (véase
figura 39). Si su peso es elevado, este método es difícil de ejecutar. Se
emplea en aplicaciones de soldadura y pintura con un robot ligero y
manejable, donde el operario mueve la muñeca del robot y se memorizan
las trayectorias que seguidamente repetirá el robot.
Figura 39: Programación por aprendizaje con guiado pasivo marca Fanuc.
- Programación textual: A través de un lenguaje de programación de alto nivel, se
edita el programa off-line insertando una serie de instrucciones que indican las
acciones que debe de realizar el robot. La misma controladora, calcula la
trayectoria que debe realizar el robot en función de las coordenadas de los puntos
32
programados. Dependiendo del nivel de abstracción del lenguaje de
programación, tenemos tres niveles:
o Nivel tarea: El programa especifica qué debe hacer el robot, pero sin
especificarle cómo.
o Nivel objeto: El programa especifica qué debe hacer y cómo debe hacerlo.
o Nivel robot: El programa especifica todos los parámetros para realizar la
tarea, tales como: velocidad, tiempos, accionamientos, etc.
En la mayoría de tareas, se realiza una programación a nivel robot, ya que el nivel tarea
y el nivel objeto puede realizar acciones no deseadas. Actualmente, se realiza primero
una programación por aprendizaje para buscar puntos de coordenadas deseados y a
continuación; se insertan estos puntos de coordenadas en la programación textual
especificando todos los parámetros.
Lenguajes de programación de robots industriales:
En el ámbito de la programación de robots industriales, no hay un lenguaje normalizado
de programación. Cada uno de los fabricantes tiene su propio lenguaje de programación,
donde van realizando siempre nuevas versiones, pero a la vez, la mayoría de estos
lenguajes tienen algunas instrucciones análogas; porque se derivan de lenguajes
informáticos como el C y Pascal.
La mayoría de estos lenguajes, tienen instrucciones tipo: Goto, If…then…else,
for…to,end, etc. Y otras más específicas en el ámbito de la robótica como son: Move,
MoveL, MoveC, Appro, Speed,Open, Signal, Drive, etc.
A día de hoy, se pueden distinguir varios lenguajes de programación como son: RAPL-
II, RAPID de ABB, VAL II y VAL III de UNIMATION, KAREL de FANUC, etc.
33
Ayudas en la programación:
En la actualidad, existen varios software específicos para la simulación de tareas y
programación de robots off-line. La mayoría de ellos; permiten elaborar diseños en 3D
de instalaciones equipadas con robots y al mismo tiempo; simular y examinar sin coste
alguno cualquier diseño y concepto.
Algunos de ellos son:
- RoboMOVE
- KUKA.SIM
- MotoSIM
Figura 40: Software ejemplo de programación simulada de un robot industrial HandlingPro Especializado en
paletizado.
34
6.2 Visión Artificial
La visión artificial, es definida como un campo de la “Inteligencia Artificial”; que
mediante la utilización de una serie de técnicas específicas y adecuadas, permiten la
obtención, procesamiento y análisis de cualquier tipo de información mediante sistemas
ópticos.
Figura 41: Detección facial y sonrisas mediante visión artificial, incorporada en cámara digital.
La visión artificial suele estar enfocada principalmente a la detección, segmentación,
localización y reconocimiento de ciertos objetos en imágenes captadas por la misma
cámara: caras humanas, sonrisas, determinados componentes, fisuras de materiales,
deformaciones, etc.
Los principales usos de la visión artificial en el sector industrial son:
- Identificación e inspección de objetos.
- Determinación de la posición de los objetos en el espacio.
- Establecimiento de relaciones espaciales entre varios objetos (como el guiado de
robots).
- Determinación de coordenadas importantes de un objeto.
- Relación de mediciones angulares.
- Mediciones tridimensionales
35
Aplicaciones industriales de la visión artificial:
- Automatizar tareas repetitivas de inspección.
- Realizar controles de calidad a productos que no era posible verificar con métodos
tradicionales.
- Realizar inspecciones de objetos sin contacto físico.
- Realizar inspección del 100 % de la producción a gran velocidad.
- Reducción del tiempo de ciclo en procesos automatizados.
- Realizar inspecciones en procesos, donde existe diversidad de piezas con cambios
frecuentes de producciones.
Figura 42: Control de botellas mediante visión artificial.
36
Componentes para el procesado de imágenes
Figura 43: Diagrama de bloques de procesado de imágenes.
Módulo de digitalización: Convierte la señal analógica proporcionada por la cámara a una
señal digital (para su posterior procesamiento).
Memoria de imagen: Almacena la señal procedente del módulo de digitalización.
Procesador de imagen: Procesa e interpreta las imágenes captadas por la cámara.
Módulo de visualización: Convierte la señal digital residente en memoria, a señal de vídeo
analógica para poder ser visualizada en un monitor.
Módulo de entradas y salidas: Gestiona la entrada de sincronismo de captación de imagen
y las salidas de control, que actúan sobre dispositivos externos en función del resultado
de la inspección.
Comunicaciones: Vía I/O, Ethernet, RS232…
37
Cámaras
Las cámaras que se utilizan en visión artificial suelen requerir una serie de características
específicas que permitan el control de disparo de la cámara, para capturar piezas en
movimiento que pasan por delante de la misma.
Este tipo de cámaras son más sofisticadas que las cámaras convencionales que podemos
encontrar en los móviles o cámaras digitales, ya que deben poder realizar un control
completo de: tiempos, señales, velocidad de obturación, sensibilidad, etc. La mayoría de
este tipo de cámaras se basan en la tecnología CCD, lo que les permite dar una calidad de
imagen excelente y poder observar cualquier mínimo defecto del producto.
Se pueden clasificar según el sensor de imagen o la disposición física:
- Sensor de imagen:
o Cámaras de tubo: Material fotosensible que capta la imagen, siendo leída
por un haz de electrones. (Configuración básica de cámara convencional).
o Cámaras de estado sólido CCD (Charge – Coupled – Device): Materiales
semiconductores fotosensibles para cuya lectura, no es necesario un
barrido electrónico (más pequeñas que las de tubo).
- Disposición física:
o Cámaras lineales: Sensor CCD lineal. Construyen la imagen línea a línea,
realizando un barrido del objeto junto con un desplazamiento longitudinal
del mismo. Las cámaras lineales, utilizan sensores que tienen entre los 512
y 8192 pixeles, con una longitud lo más corta posible y gran calidad de
imagen.
o Cámaras matriciales: Sensor CCD matricial, permite imágenes
bidimensionales.
Figura 44: Sensor CCD de NIKON D60, cámara no industrial.
38
Cámaras lineales
Las cámaras lineales se basan en construir la imagen línea a línea realizando un barrido
del objeto junto con un desplazamiento longitudinal del mismo.
Figura 45: Descripción de línea de pixeles realmente cuadrados gracias al sensor CCD.
Poder realizar imágenes de alta calidad a partir de captura de líneas individuales, requiere
una alta precisión. La alineación y el sincronismo del sistema, son críticos si se quiere
obtener una imagen precisa del objeto a analizar.
Estas cámaras son muy usadas para la inspección de objetos de longitud indeterminada,
tipo papel, vidrio, planchas de metal, etc.
Tienen varias características técnicas que determinan su uso:
- Número de elementos del sensor: A mayor número de píxeles, mayor tamaño de
la óptica.
- Velocidad: Número de píxeles capaces de ser leídos por unidad de tiempo. En las
lineales es un valor mucho más elevado que en las matriciales.
- Cámaras lineales a color: Tres sensores lineales, uno para cada color (rojo, verde
y azul). Pueden ser de dos tipos:
o Trisensor: Los sensores CCD están unos junto a otros separados por un
pequeño espacio. Tienen una buena sensibilidad, pero solo pueden
utilizarse en aplicaciones con superficies planas.
o Prisma: Los sensores están posicionados en las tres caras de un prisma.
Pueden utilizarse para cualquier tipo de aplicación pero necesitan de
mayor iluminación.
39
Cámaras matriciales
En las cámaras matriciales, el sensor cubre un área que está formada por una matriz de
píxeles. Los sensores de las cámaras modernas, son todos de tecnología CCD formados
por miles de diodos fotosensibles, posicionados de forma muy precisa en la matriz.
Tienen varias características técnicas que determinan su uso:
- Factor de relleno. Se refiere al porcentaje del área de píxel que es sensible a la luz
pero que debido a la separación entre los registros es imposible obtener el 100%.
- Según el tipo de transferencia de la información:
o Transferencia Inter-línea (ITL). Los más comunes, utilizan registros de
desplazamiento, situados entre las líneas de píxel para almacenar y
transferir los datos de la imagen, lo que permite, una velocidad de
obturación.
o Transferencia de cuadro. Disponen de un área dedicada al almacenamiento
de la luz, la cual está separada del área activa, esto permite un factor mayor
de relleno aunque se pierde velocidad de obturación.
o Cuadro entero. Son los de arquitectura más simple, emplean un registro
paralelo para exposición de los fotones, integración de la carga y
transporte del a misma, alcanzando con este sistema factores de relleno del
100 %.
40
Cámaras a color
El proceso de obtención de imágenes es más complejo, pero proporcionan una mayor
información que las monocromáticas.
- Cámara color de 1 CCD: Incorporan un sensor con filtro en forma de mosaico,
con los colores primarios RGB (filtro Bayer). Cabe observar que hay el doble de
píxeles de color verde, para así asemejar la percepción del sensor al ojo humano.
Véase detalle en la figura 46:
Figura 46: Diferencia entre los sensores monocromos y el filtro Bayer.
- Cámara color 3 CCD: Incorporan un prisma y tres sensores. La luz procede del
objeto que pasa a través de la óptica y se divide en tres direcciones al llegar al
prisma. En cada uno de los extremos del prisma, se encuentra un filtro de color
(rojo, verde y azul) además de un sensor que capta la luz de cada color que viene
del exterior.
Internamente, la cámara combina los colores y genera una señal RGB similar a la
que ve el ojo humano.
Figura 47: Prisma y tres sensores para cada uno de los colores.
Aunque la calidad de las imágenes de este tipo de cámaras respecto de las de 1
CCD es muy superior, tienen dos inconvenientes a tener en cuenta:
o La necesidad de una mejor iluminación para compensar el efecto
producido por el prisma.
o Efecto de aberración cromática, que se crea por la propia estructura del
sistema que se subsana colocando las ópticas adecuadas para este tipo de
cámara.
41
Ópticas
Las ópticas son utilizadas para transmitir la luz al sensor de la cámara de una forma
controlada para poder obtener una imagen enfocada de uno o varios objetos y a diferentes
distancias.
Para saber exactamente que óptica debe utilizarse, hay que tener en cuenta una serie de
parámetros:
- Tamaño del sensor.
- Distancia del objeto a la cámara.
- Campo de visón que deseamos abarcar.
- El tipo de iluminación utilizado.
- Las especificaciones del sensor de la cámara.
Para saber realmente a la distancia focal de una óptica, se realiza la siguiente fórmula:
𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑓𝑜𝑐𝑎𝑙 = 𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑠𝑒𝑛𝑠𝑜𝑟 𝑥 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎𝑙 𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑜
𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑜
Algunos fabricantes de ópticas incluyen en las características de las lentes el ángulo de
apertura para los distintos tipos de sensores que pueden trabajar con esa óptica. A partir
de ese ángulo de apertura y de la distancia se puede también calcular el campo de visión
(o el tamaño del objeto). Para ello, se realiza la siguiente fórmula:
𝑇𝑎𝑚𝑎ñ𝑜 𝑑𝑒𝑙 𝑜𝑏𝑗𝑒𝑡𝑜 = 2 · 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑖𝑎 · 𝑡𝑔 (á𝑛𝑔𝑢𝑙𝑜
2)
En los sistemas industriales es necesario utilizar ópticas de calidad para tener la mejor
imagen posible y permitir las medidas con la mayor precisión.
42
Las lentes están compuestas por diferentes componentes:
- Anillo de enfoque: Cuanto más cerca enfocamos, más sobresale el objetivo.
- Diafragma: Se gira para seleccionar la entrada de luz a la cámara.
- Velocidad de obturación: Selecciona el tiempo que estará abierto el diafragma.
- Longitud focal: Valor en milímetros, que nos informa de la distancia entre el plano
focal (CCD) y el centro del objetivo.
- Profundidad de campo: Espacio en el cual se ve el objeto totalmente nítido.
- Precisión de la medida: Depende exclusivamente del campo de medida y de la
resolución de la cámara.
Clasificación de las lentes:
Gran angular (<50
mm)
Standard (=50 mm) Teleobjetivo (>50
mm)
Angulo de visión 70 grados 50 grados 30 grados
Tamaño Pequeño Medio Grande
Luminosidad Muy luminoso Luminoso Poco luminoso
Perspectiva Separación de
objetivos
Reproducción
correcta
Objetos próximos
Prof. De campo Muy grande Media Muy pequeña
Posibilidades Para grandes
espacios
Espacios no muy
grandes
Para acercar objetos
43
Iluminación
Dentro de un sistema de visión, la parte más crítica es la iluminación. El objetivo de la
iluminación es controlar la forma en que la cámara va a detectar el objeto. La luz se refleja
de forma distinta si se ilumina una bola de acero que si se ilumina una hoja de papel
blanco. Por lo tanto, la iluminación debe ajustarse al objeto a iluminar.
La iluminación se escoge dependiendo de una serie de consideraciones como son: color
de la captura, velocidad, campo de visión, reflejos, características a resaltar del objeto,
duración del sistema de iluminación, requisitos mecánicos y ambientales.
La iluminación en aplicaciones industriales puede ser de varias maneras:
- Fibra óptica: Proporciona una gran intensidad de luz uniforme, con ausencia de
sombras. Perfecta para iluminar objetos de reducidas dimensiones. Se les puede
acoplar filtros de colores, polarizadores/analizadores y difusores para eliminar
reflejos y aumentar el efecto difusor.
Figura 48: Iluminación por fibra óptica.
- Fluorescentes: Proporciona una luz brillante sin sombras. Pueden ser anulares,
lineales, lineales de apertura o de papel. Son diseñadas para suministrar el máximo
de intensidad durante al menos 700 horas. Existen lámparas blancas de diferentes
temperaturas de color, también ultravioletas (UV), usadas para proporcionar
mucha luz y ningún tipo de sombra en variadas aplicaciones: análisis biológicos,
inspección y microscopia, ensamblaje, inspección de circuitos, laboratorios,
visión industrial, fotografía, control de calidad, etc.
Figura 49: Iluminación por fluorescentes.
44
- Diodos LED: Utilizada actualmente en la mayoría de aplicaciones de visión
artificial debido a su reducido tamaño, eficiencia energética y bajo precio. Los
LED proporcionan una intensidad de iluminación relativa a un coste muy
interesante y además, tienen una larga vida útil de aproximadamente 100.000
horas. Los primeros sistemas basados en LED emitían únicamente luz de color
rojo pero actualmente se está extendiendo el uso de otros colores como infrarrojo,
verde, azul, ultravioleta y blanco.
Figura 50: Ejemplo de lámparas LED.
- Difusa: Proporciona el máximo nivel posible de rendimiento en iluminación
difusa. Diseñada para aplicaciones más complejas; puesto que combina
iluminación reflectante en una cúpula esférica e iluminación coaxial en la parte
superior. A esta iluminación, también se le denomina “Iluminación de Día
nublado”, ya que no produce ningún tipo de sombra. Puede utilizarse para
iluminar superficies peculiares más complejas, incluyendo instrumental médico,
espejos, compact disk, latas, etc.
Figura 51: Ejemplo de iluminación difusa.
45
- Láser: Este tipo de iluminación se utiliza normalmente para resaltar o determinar
la tercera dimensión de un objeto. El método utilizado, se basa en colocar la fuente
de luz láser en un ángulo conocido con respecto al objeto a iluminar y con respecto
a la cámara, de forma que viendo la distorsión de la luz, puede interpretarse la
profundidad de los objetos a medir. También se suele usar en numerosas ocasiones
para indicar el trazado por el que se debe ajustar un proceso, por ejemplo, en
aplicaciones de corte de madera o roca.
Figura 52: Ejemplo de iluminación por Láser.
46
Placa de captura de imágenes (Frame Grabbers).
En las aplicaciones de visión industrial y de análisis de imagen para entorno científico, es
necesario tomar las imágenes con la mejor calidad posible y enviarlas a la memoria del
ordenador, con el fin de procesarlas y visualizarlas.
A día de hoy, muchas de las cámaras utilizadas en los sistemas de visión artificial y
análisis de imagen, se conectan directamente al ordenador mediante diferentes puertos:
FireWire, USB y Ethernet. Sin embargo, algunas cámaras aún requieren una conexión
con el ordenador a través de una placa de captura.
Figura 53: Placa de captura de imágenes basada en la tecnología frame Grabbers.
Las placas de captura, que frecuentemente incluyen componentes imprescindibles para
las aplicaciones de visión, se denominan frame Grabbers.
Dependiendo del nivel de exigencia al equipo pueden ser:
- Estándar de bajo coste.
- Avanzados de altas prestaciones y con características multicanal.
- Con procesadores abordo.
47
Software
Las técnicas de proceso y análisis de imagen para entornos industriales y científicos son
relativamente recientes, sus inicios se pueden encontrar hace unos 30 años y han
evolucionado muy rápidamente, ayudados por el rápido avance de los ordenadores y su
potencia de cálculo. Antes no era posible hacer los procesos en tiempo real, debido a que
los ordenadores no eran lo suficientemente rápidos, para realizar los cálculos con las
imágenes. Con la llegada del bus PCI y con la rápida evolución de los procesadores de
los PC, se ha conseguido visualizar las imágenes en tiempo real y realizar la mayoría de
procesos en tiempos suficientemente cortos, como para que puedan resolver aplicaciones
de visión en entornos científicos e industriales.
Figura 54: Software ejemplo de procesamiento de imágenes, inspección de etiquetas DI Vision.
Básicamente, hay cuatro niveles de software de visión. Cada uno de estos niveles,
requiere diferentes grados de programación y conocimiento de los entornos de visión por
parte del programador o usuario:
- Sistemas de programación a bajo nivel basado en kits de desarrollo de software
(SDK): Normalmente, utilizan librerías en DLL o Active X y requiere un amplio
conocimiento de hardware y software de visión y un conocimiento de
programación en lenguajes estándar, tales como Visual C o Visual Basic.
- Sistema de programación por menú: Sistemas de fácil utilización, que no
requieren ningún tipo de experiencia en programación.
- Aplicaciones específicas: Programas específicamente diseñados, para resolver
aplicaciones concretas.
Figura 55: Ejemplo de Software marca Keyence.
48
Ejemplos de Sistemas de visión artificial:
Guiado de robots:
- Localización y orientación para realizar el
ensamblaje de piezas.
- Manipulación y posicionado de piezas.
- Seguimiento.
Figura 56: Ejemplo de robot guiado por visión artificial.
Sistema de control de calidad:
- Medición.
- Control de calidad de componentes.
- Control de calidad de soldadura.
- Control de calidad superficial.
Figura 57: Ejemplo de medición piñonera.
Sistema de metrología y visión 3D:
- Dimensiones de piezas.
- Área de superficies.
- Distancias entre bordes.
- Ángulos.
- Posición de orificios.
Figura 58: Ejemplo de medición de cajas.
49
6.3 PLC (Controlador de lógica programable)
Un autómata programable es un equipo o máquina electrónica programable, diseñada para
controlar en tiempo real y en ambiente industrial procesos secuenciales o
combinacionales. En la actualidad, los autómatas tienen incorporados las funciones de
tratamiento lógico, funciones de cálculo numérico, de regulación de PID y de servo
control, entre otras.
La definición de autómata programable industrial según el National Electrical
Manufactures Association (NEMA) es:
“Aparato electrónico digital que usa memoria programable para el almacenamiento de
instrucciones que implementan funciones lógicas, secuenciales, temporizadores,
contadores y aritméticas para controlar a través de módulos de entrada/ salida digital y
analógica diferentes tipos de máquinas o procesos.”
El autómata programable industrial, nació como solución al control de circuitos
complejos de automatización. Por lo tanto, se puede decir que un PLC no es más que un
aparato electrónico que sustituye los circuitos auxiliares o de mando de los sistemas
automáticos. A él se conectan los captadores por una parte (sensores, pulsadores…) y los
actuadores por otra (bobinas de contactores, lámparas, pequeños receptores,…).
Figura 59: PLC Siemens modelo S7-1200
Los controladores lógicos programables ofrecen la flexibilidad y capacidad de controlar
una gran variedad de dispositivos para las distintas tareas de automatización.
50
Estos dispositivos incluyen CPU’s que suelen incorporar un microprocesador, una fuente
de alimentación integrada, así como circuitos de entrada y salida, pudiendo incorporar
módulos de entradas y salidas, comunicación, y muchos más.
Una vez se ha cargado el programa en la CPU, ésta contiene la lógica necesaria para
vigilar y controlar los dispositivos de la aplicación. La CPU vigila las entradas y cambia
el estado de las salidas según la lógica del programa de usuario, que puede incluir lógica
booleana, instrucciones de contaje y temporización, funciones matemáticas complejas,
además de comunicación con otros dispositivos inteligentes.
51
6.4 Transportadores
En todas las líneas de envasado, llenado, fabricación, etc., encontramos un elemento que
permite el transporte del producto desde su inicio hasta su final, sin que haga falta la
intervención física de un operario. Estos elementos garantizan la continuidad de las
operaciones teniendo en cuenta sus características, aplicaciones y tipo de cada una de
ellas.
Figura 60: Instalación industrial con transportadores de rodillos accionados por cadenas.
En el sector industrial, se pueden encontrar diversos tipos de transportadores:
- Transportadores de rodillos: Utilizados para el transporte de productos pesados y
ligeros sobre palet o libres.
o Rodillos metálicos
o Rodillos plásticos.
o Accionamiento:
Por gravedad.
Por rodillos de banda.
Rodillos accionados por cadenas.
Rodillos motorizados.
Figura 61: Rodillo de transportador motorizado con motor asíncrono.
52
- Transportadores de cinta: Utilizados para el transporte de productos ligeros, con
capacidad de realizar cambios de altura durante el recorrido.
o Con empujadores.
o Con ligas.
o De tablillas.
Figura 62: Transportador de cinta realizando un descenso con productos.
- Transportadores de cadenas: Transportadores utilizados para el transporte de
palets de gran pesaje.
Figura 63: Ejemplo de transportadores de cadenas.
- Transportadores aéreos: Utilizados para transportar productos con un peso no muy
elevado y sobretodo, minimizando superficie de instalación, especial largas
distancias.
Figura 64: Ejemplo de transportador aéreo.
53
Mesa de giro: Transportador con capacidad de giro de 90º,180º,360º del producto sobre
palet dependiendo de la utilidad. Ofrecen un giro del producto por la línea, sin tener que
realizar un cambio manual de línea transportadora.
Figura 65: Ejemplo mesa de giro de rodillos.
Reenvio Cadenas-Rodillos: Transportador que realiza el giro de 90º del producto sobre
palet, evitando la necesidad de instalar una mesa de giro, y aprovechando el cambio de
cadenas a rodillos.
Figura 66: Ejemplo de transportador de Reenvio Cadenas-rodillos fabricado en AiCROV.
54
6.5 Sistemas de pesaje electrónico.
Los sistemas de pesaje electrónicos se basan en un funcionamiento semiautomático o
automático, utilizando la acción de la gravedad para la determinación de la masa.
Estas básculas electrónicas son catalogadas como instrumentos de precisión y es por esto,
que deben ser utilizadas con mucha precaución, siguiendo siempre las recomendaciones
que encontramos descritas en los manuales y certificadas por empresas especializadas.
Las básculas deben ser calibradas donde se vayan a utilizar, debido a las diferencias que
existen en las fuerzas de gravedad en distintas partes del planeta. Para realizar una óptima
calibración, se realiza un método por comparación a patrones o estándares internacionales
definidos de masa (kilogramo, libra, etc). La división se realiza automáticamente por
comparación, ya que se toma de forma teórica una fuerza de gravedad constante, si la
misma resulta ser constante, entonces la masa es directamente proporcional a la fuerza.
En este ámbito del sector del pesaje, podemos encontrar mucha variedad tecnológica pero
realmente los componentes más importantes son las galgas extensiométricas.
Una galga extensiométrica o extensómetro, es un sensor para medir la deformación,
presión, carga, torque, posición, entre otras cosas. Basado en el efecto piezoresistivo,
propiedad que tienen ciertos materiales de cambiar el valor nominal de su resistencia,
cuando se les somete a ciertos esfuerzos y se deforman en dirección de los ejes mecánicos.
Figura 67: Puente de Wheatstone.
Realizando una diferencia de presión sobre las galgas, se provoca una alteración de su
resistividad y por tanto, una variación de tensión. Este valor analógico, es convertido por
un conversor analógico/digital de un microcontrolador y así, poder reflejar un cierto peso
para una determinada tensión.
55
Un esfuerzo que deforma la galga, producirá una variación en su resistencia eléctrica
debido a la variación de la impedancia, provocada por el campo magnético. Esta
variación, puede ser por el cambio de longitud o el cambio originado en la sección. Las
galgas extensiométricas, aprovechan la propiedad física de la resistencia eléctrica y su
dependencia no sólo de la resistividad del conductor, sino también de la geometría del
conductor.
Las básculas industriales pueden llegar a incorporar una gran cantidad de módulos. Los
más utilizados se basan en la impresión de datos de pesaje y los módulos capaces de
desviar productos de una línea de envasado dependiendo del peso.
Figura 68: Báscula Dibal con módulo de desvío.
Marcas como Mettler Toledo incorporan en sus catálogos productos basados en módulos
de pesaje de compresión. Es decir, galgas extensiométricas que permiten convertir de
forma rápida y segura un depósito, tolva, cinta transportadora o sistema de estructura en
una báscula. Así, permiten dar una libertad muy elevada al fabricante de maquinaria
industrial.
Figura 69: Galga extensiométrica Mettler Toledo.
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