Instituto Politécnico do Cávado e do Ave Escola Superior de Tecnologia Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Luís Queirós 19446 Automatização de uma Máquina CMM Ju n ho de 20 2 2 Instituto Politécnico do Cávado e do Ave Escola Superior de Tecnologia Engenharia Eletrotécnica e de Computadores Relatório de Estágio Trabalho efetuado sob a orientação de Eng. Gonçalo Costa Professor António Moreira Ju n ho de 20 2 2 Automatização de uma Máquina CMM 5 Luís Queirós Agradecimentos Gostaria de agradecer a toda a empresa Kristaltek e a todos os que esta compõem pela sua disponibilidade e pela ajuda na realização deste estágio, com especial agradecimento ao meu orientador de estágio, Gonçalo Costa e também ao Tiago e Luis pela ajuda oferecida. Ao meu orientador de estágio, António Moreira, pela sua disponibilidad e ao longo do estágio. A todos os docentes responsáveis pela minha formação no IPCA. E um agradecimento especial aos meus amigos , Nuno, Rafa, Morais, Rodrigo e B runo, que me suportaram durante este período de estágio encontrando - se sempre disponíveis, e à minha família pelo seu apoio incondicional Obrigado. Automatização de uma Máquina CMM 6 Luís Queirós Automatização de uma Máquina CMM 7 Luís Queirós Resumo Neste trabalho foi efetuada a analise da possível automação de uma máquina CMM (máquina de medição por coordenadas) , identificando as diferentes componentes e como estas devem ser realizadas. Foi determinado que o uso de um braço robótico controlado por um PLC é a solução ideal para o problema Foi realizada uma investigação dos ro bôs possíveis para o projeto, uma demonstração de possível programação do robô e verificado possíveis alterações a serem efetuadas. É analisada a máquina CMM e o seu funcionamento, verificando como esta poderá ser automatizada. Com o controlo d o robô e d a máquina foi então desenvolvido um programa PLC para controlo integrado de todo o sistema Foi também desenvolvido um programa para controlar o sistema e monitorizar o estado deste através de um computador, permitindo também simula r a máquina CMM para tes te do código PLC. Automatização de uma Máquina CMM 8 Luís Queirós Índice Índice ................................ ................................ ................................ ................................ ............. 8 Índice de Figuras ................................ ................................ ................................ ........................... 9 Índice de Ta belas ................................ ................................ ................................ ......................... 10 Lista de acrónimos ................................ ................................ ................................ ...................... 11 1. Introdução ................................ ................................ ................................ ........................... 12 1.1. Enquadramento ................................ ................................ ................................ ........... 12 1.2. Apres entação do Projeto ................................ ................................ ............................ 12 1.2.1. Planeamento do Projeto ................................ ................................ ..................... 13 1.3. Apresentação da organização ................................ ................................ ..................... 13 1.4. Contributos do Trabalho ................................ ................................ ............................. 13 1.5. Organização do Relatório ................................ ................................ ............................ 14 2. Contexto ................................ ................................ ................................ .............................. 15 3. Braço Robótico ................................ ................................ ................................ .................... 17 3.1. Colaborativo vs. Industrial ................................ ................................ ........................... 17 3.2. Programação do Robô ................................ ................................ ................................ 18 3.3. Escolha do robô adequado ................................ ................................ .......................... 20 3.4. Possibilidades do Gripper ................................ ................................ ............................ 22 4. Máquina ZEISS ................................ ................................ ................................ ..................... 23 5. PLC ................................ ................................ ................................ ................................ ....... 26 5.1. Introdução ................................ ................................ ................................ ................... 26 5.2. Programação do PLC ................................ ................................ ................................ ... 27 5.3. Protocolo Hostlink ................................ ................................ ................................ ....... 29 6. Programa Controlador ................................ ................................ ................................ ........ 31 6.1. Funcionamento Normal ................................ ................................ .............................. 31 6. 2. Simulação ................................ ................................ ................................ .................... 32 6.3. Comunicação ................................ ................................ ................................ ............... 32 7. Conclusão ................................ ................................ ................................ ............................ 34 7.1. Objetivos Realizados ................................ ................................ ................................ ... 34 7.2. Limitações e Trabalho futuro ................................ ................................ ...................... 35 Referências ................................ ................................ ................................ ................................ .. 36 Bibliografia ................................ ................................ ................................ ................................ .. 37 Anexos ................................ ................................ ................................ ................................ ......... 39 Automatização de uma Máquina CMM 9 Luís Queirós Índice de Figuras Figura 1: Diferentes posições programas ................................ ................................ ....... 20 Figura 2: Máquina CMM ZEISS Du ramax ................................ ................................ ........ 23 Figura 3: PLC ................................ ................................ ................................ ................... 26 Figura 4: Trama do protocolo HOSTLINK ................................ ................................ ........ 30 Figura 5: Programa de Controlo ................................ ................................ ..................... 31 Figura 6: Programa COM0COM ................................ ................................ ...................... 33 Figura 7: Programa de controlo em funcionamento ................................ ...................... 33 Automatização de uma Máquina CMM 10 Luís Queirós Índice de Tabelas Tabela 1: Comparação de caraterísticas de robôs ................................ ......................... 17 Tabela 2: Comparação de diferentes robôs ................................ ................................ ... 21 Tabela 3: Bits IO da máquina CMM ................................ ................................ ................ 24 Tabela 4: Diferentes Variáveis e posição na memoria do PLC ................................ ....... 28 Automatização de uma Máquina CMM 11 Luís Queirós Lista de acrónimos CMM - Coordinate - measuring machine. CNC - Computer numerical control COM - C ommunication port FCS - Frame check sequence IO – Input/Output PLC - Programmable logic controller PCB - Printed circuit board UI – User interface Automatização de uma Máquina CMM 12 Luís Queirós 1. Introdução 1.1. Enquadramento Na Indústria de fabrico de peças , através de processos de maquinação usando máquinas CNC , é cada vez mais comum a adesão à automação E sta é devido às propriedades do trabalho em si, repetitivo, simples e muitas vezes perigoso, levand o a uma geral dessatisfação dos operadores com o seu trabalho, o que resulta em grandes dificuldades em encontr ar e reter trabalhadores. Devido a estas dificuldades encontradas pela parte da empresa, a indústria de fabrico com máquinas CNC é um dos setores que mais investe em automação. 1.2. Apresentação do Projeto A Kristaltek Laser e Mecânica de Precisão, SA é uma emp resa do setor de fabrico de peças de metal através de vários processos de maquinação e máquinas CNC. Para garantir a alta qualidade das peças esperada pelos clientes, esta possui um departamento de qualidade responsável por verificar as peças fabricadas E sta verificação consiste em garantir que as propriedades das peças produzidas se encontram nos valores esperados, e que não ocorreu nenhum erro durante o fabrico. Neste trabalho será executada a a nálise de um processo de carregamento de uma máquina CMM e identificação de possíveis soluções na automatização do mesmo Foi escolhido pois contêm caraterísticas ideais para automatiza ção de um processo , é um trabalho repetitivo e simple s. Este processo c onsiste no carregamento e descarregamento de uma máquina ZEISS DURAMAX , esta é capaz de automaticamente medir uma peça predefinida e determinar se esta cumpre os parâmetros previamente estabelecidos, este processo é essencial para o sucesso de empresas na área. O trabalho a ser executado neste estágio consistirá em determinar possíveis soluções, a viabilidade da automatização e toda s as alterações necessárias para automatizar o processo em estudo. Automatização de uma Máquina CMM 13 Luís Queirós 1.2.1. Planeamento do Projeto Para a realização bem - sucedida deste projeto foram def inidos os seguintes objetivos: • Verificação das etapas e detalhes do processo a executar • Estudo da área de automação de máquinas CNC e automação em geral. • Escolha do método de automação ideal para o problema. • Apresentação de soluções possíveis. • Escolha de solução final. • Desenvolvimento de todo o material necessário para implementação da solução. 1.3. Apresentação da organização A empresa de acolhimento deste estágio, como previamente mencionada, foi a Kristaltek Laser e Mecânica de Precisão, SA Fundada em 2009, Kristaltek fornece serviços de mecânica de precisão, metalomecânica, metalurgia, torneamento, fresagem e corte laser. K ristaltek realiza todo o processo de produção, desde a encomenda e a receção da matéria - prima, a programação, a usinagem (alumínio, aço, titânio, polímeros), o controlo de qualidade até ao embalamento do produto, com a sua documentação técnica e de qualid ade 1.4. Contributos do Trabalho Com este trabalho foi possível identificar a melhor forma de automatizar um processo que requeria um operador, reduzindo o tempo que este passaria a cuidar da máquina de medição , permitindo a realiza ção de outras tarefas. Além de identificada a melhor solução ao problema, foi também criada todos os programas e controladores de suporte ao sistema completo. Automatização de uma Máquina CMM 14 Luís Queirós 1.5. Organização do Relatório Nos capítulos seguintes serão abordados os diferentes temas relacionados a este estágio Primeiro será realizada uma análise do tema de automação e robótica em geral, investigando a pesquisa e trabalhos previamente realizados na área No capítulo 3 será considerado o problema do robô na sua totalidade, incluindo o tipo de rob ô, como este será programado e controlado. De seguida, o capítulo 4 será uma análise da máquina de medição, verificando como é o funcionamento desta e como será possível automatizar as medições. O capítulo 5 tem como tema o PLC, neste será realizada a an á lise de montagem, o funcionamento e a programação. Para controlar o PLC é realiz ado um program a n o capítulo 6, aqui serão abordadas as ideias por detrás do programa, o funcionamento deste e o seu desenvolvimento. Com o capítulo 7 é simulado o sistema, demonstrando o funcionamento dos sistemas previamente realizados. Por fim é feita uma conclusão do trabalho inteiro no capítulo 8, onde serão debatidos os resultados deste trabalho e o que poderá ser feito no futuro para continuar com esta automação. Automatização de uma Máquina CMM 15 Luís Queirós 2. Contexto Com o aparecimento das tendências de indústria 4.0, automatização em indústria é um tópico cada vez mais relevante na atualidade, com um crescente número de pesquisa e investigação sobre o tópico, analisando as diversas facetas da área. Análises gerais de automação e robótica por Sanneman, L., Fourie, C., & Shah, J. A. [1] , e por Dzedzickis, A., Subačiūtė - Žemaitienė, J., Šutinys, E., Samukaitė - Bubnienė, U., & Bučinskas, V. [2] permitem compreender o estado atual do campo em si, as dificuldades de implementação devido ao alto custo, que tem vindo a diminuir com os avanços na tecnologia, e a dificuldades d a força de trabalho em aceitar automação. Estas demonstram como automação acaba por criar mais postos de trabalho que substitui, contrariando um dos maiores medos em relação a automação em geral. Tam bem referem o potencial futuro que automação e robótica poderão ter com a junção de tecnologia IoT Nyameke, E. [3] e Hovey, J. [4] tal como este projeto, investigam a possibilidade de automação de certos processos, investigando os diferentes problemas a r esolver, comparando soluções e apresentado as possibilidades, sendo o segundo especialmente relevante para o nosso trabalho devido a ser uma automação comparável à efetuada neste projeto. The Institution of Engineering and Technology, London, United Kingdo m [ 5 ] apresenta um guia de todas as facetas a considerar para a implementação de robótica, indicando todos os fatores a considerar para esta ser bem - sucedida Dhakal, P [6] e Leitão, P. J [7] investigam a possibilidade da criação de um sistema automático de al teração do end efector do robô, permitindo a este alterar a forma que pode interagir com o ambiente. Estes identificam os problemas e apresentam soluções para como esta pode ser realizada. Andersson, S., & Carlstedt, G. [8] apresenta m uma solução inovadora para a simulação de robôs, permitindo a identificação de bugs em ambiente virtual e comparando com um robô real. Automatização de uma Máquina CMM 16 Luís Queirós Com a pesquisa efetuada foi possível então compreender a melhor abordagem para tomar neste projeto, identificando todas as diferentes componen tes deste e os seus desafios, foi decidido que o uso de um robô controlado por um PLC seria a forma adequada para automatizar este problema, pois esta iria permitir o controlo paralelo da máquina CMM pelo PLC e seria uma forma flexível de automatizar o pro cesso, permitindo a sua alteração conforma as necessidades. Automatização de uma Máquina CMM 17 Luís Queirós 3. Braço Rob ótico U m braço robótico será a melhor opção para automatizar este processo, devido à flexibilidade em termos de número de peças diferentes , ao baixo custo em termos de horas de trabalho humano e à disponibilidade do robô para outros usos futuros 3.1. Colaborativo vs. Industrial Quando se refere a robôs na indústria é importante distinguir entre os dois tipos: Colaborativo e Industrial. Um robô industrial é o robô típico da indústria , feitos para trabalharem isolados dos humanos, pois estes não têm sensores de segurança incluídos e movimentam - se a alta velocidade, ou seja , são um perigo se estiverem em proximidade com pessoas. Para evitar este perigo são no rmalmente usadas vedações de segurança, que evitam que a área à volta do robô seja acessível. Esta solução vem com o problema de que irá ser necessário mais espaço dedicado ao robô, o que , com o espaço limitado na maior parte das empresas pode ser um fator que impossibilita o uso deste tipo de robô. Nos últimos anos tem surgindo uma nova solução, robôs colaborativos . Estes robôs são diferentes dos robôs industriais num aspeto importante, podem trabalhar em proximidade , ou até em redor, de humanos. Esta capacidade é devido a este tipo de robô detetar possíveis colisões e rapidamente parar em caso de emergência, evitando o ferimento de pessoas, ao contrário de robôs industriais que geralmente não possuem sensores de forç a Tabela 1 : Comparação de caraterísticas de robôs Características Colaborativo Industrial Velocidade Menor Maior Preço Igual Igual Capacidade Menor Maior Espaço Ocupado Menor Maior Facilidade de Operação Maior Menor Automatização de uma Máquina CMM 18 Luís Queirós Na Tabela 1 é possível verificar ambos os robôs têm os seus pontos fortes e fracos. Ambos os tipos de robô terão um custo parecido, dependendo mais da capacidade do robô do que se este é colaborativo ou industrial. Em geral um robô industrial será capaz de manipular mais peso, mas ao mesmo tempo ocupa mais espaço e será mais difícil de operar. Como ambos os tipos de robôs não terão problemas a executar a nossa tarefa , as caraterísticas mais importantes a considerar serão o tamanho ocupado, facilidade de ope ração e as necessidades de reutilizar o robô para outros processos. Como esta escolha será referente a questões de logística e planos futuros, a escolha do robô não será realizada neste relatório, apenas serão feitas algumas recomendações de robôs. 3.2. Programação do Robô Tal como o tipo de robô, a forma em que este será programado também requer alguma consideração, pois existe uma grande quantidade de possibilidades com diferentes vantagens. Neste estudo serão considerados 3 métodos: Programação offline , Programação através da consola do robô e Programação através de demonstração. Programação offline envolve usar software offline para a criação do movimento do robô, normalmente simulando a área de trabalho real, criando um programa que poderá ser transfe rido para um robô mais tarde. Este método tem a desvantagem de ter de ser recreada a área de trabalho, e de o robô ter de ser calibrado antes de poder funcionar com o programa. Este método também é geralmente o mais complexo e requere um computador onde re alizar o programa. Em contraste, este programa tem a vantagem de poder - se programar sem parar a produção. Programação online pode ser através da consola de programação que vem com o robô, ou a guiar o robô para as posições pretendidas. A consola é o método mais popular de programar o robô, mas requer conhecimento de como programar o robô, todas as marcas tendo uma forma diferente. Guiar o robô só pode ser usado nos robôs colaborativos , pois só estes podem usar os sensores de força para poderem ser guiados pelo operador até a posição pretendida. Automatização de uma Máquina CMM 19 Luís Queirós Para o nosso estudo a única programação que é possível usar será a offline, pois esta análise será feita sem comprar o robô. Como a programação é dependente do robô escolhido, esta foi considerada apenas impo rtante para exemplificar como o robô seria programado, não será a programação final do robô. Para criar o programa do robô será usado o software “RoboDK”, pois este possui a possibilidade de usar uma versão teste de 30 dias que nos irá permitir usar um pr ograma com todas as funções de um programa profissional. RoboDK é um software d e programação de robôs capaz de simular um ambiente virtual para facilitar a programação. Este também simula colisões neste ambiente virtual e permite programar uma grande quant idade de robôs diferentes, o que nos deixa perceber as diferenças entre o movimento dos diferentes robôs. Programar robôs com um programa que permite simulações facilita bastante a programação do robô, esta consistindo essencialmente em definir os diferent es pontos que o robô tem de seguir e o tipo de movimento entre est e s. O movimento de um robô entre dois pontos normalmente pode ser um movimento de juntas ou linear. Movimentos lineares são preferíveis para um programa mais simples e fácil de perceber o m ovimento do robô, mas estes têm a desvantagem de permitirem o robô passar por singularidades. Singularidades são o problema maior que se deve evitar ao programar um robô, est a s são posições onde 2 ou mais eixos se alinham, o que resulta no robô perder pelo menos um dos seus graus de liberdade e muitas vezes em este precisar de rodar certos eixos grandes quantidades para pouco movimento do end ef f ector. Estes cenários obrigam o robô a desacelerar o end ef f ector perto destas posições ou a rodar certos eixos a velocidades extremamente elevadas , o que é indesejável na maior parte dos cenários. Automatização de uma Máquina CMM 20 Luís Queirós Tendo em conta todas as dificuldades e possíveis problemas em programar um robô podemos então criar o programa e simular. Para programar o robô é usada a simulação para definir as diferentes posições que este irá tomar na sua tarefa. Figura 1 : Diferentes posições programas 3.3. Escolha do robô adequad o Como referido previamente, a escolha do robô não será efetuada neste relatório, mas irá ser indicada uma lista de robôs adequados para o trabalho.