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Conceção e instalação de um controlador de um spindle para

1.
2. Neste tipo de sistemas que possui ferramentas de corte em rota o a elevadas velocidades a seguran a do sistema e dos utilizadores do equipamento um fator essencial e indispens vel de ser assegurado Por este motivo foram desenvolvidos dois GRAFCETSs que funcionam em paralelo sendo que um deles trata da seguran a do sistema figura 39 e o outro da sequ ncia correta de funcionamento figura 40 O GRAFCET 1 implementa os dois modos de funcionamento o modo normal e o modo de seguran a O GRAFCET 2 implementa a sequ ncia dos ciclos de aquecimento e o funcionamento manual e autom tico Bot o de Emergencia Actuado Ou Temperatura Excessiva Ou Press o Ar Insuficiente Ou Cabos Desconectados Modo de Seguran a For ar Etapa 4 Bot o de Emergencia N o Actuado E Temperatura Normal E Press o Ar Normal E Cabos Conectados E Bot o Confirmar Actuado Figura 39 GRAFCET 1 modos de funcionamento 50 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica fico due rerio Prodertado ne ee re Ein a era God DEDO a Pei T EMP T Figura 40 GRAFCET 2 sequncia de opera o 51 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica 4 3 2 Implementa o dos Modos de Funcionamento do sistema O funcionamento do sistema foi estruturado a partir da cria o de dois modos de funcionamento Modo Normal e
3. A ideia da constru o de rob s surgiu no in cio do s culo XX com vista a aumentar a produtividade e a melhorar a qualidade dos produtos Um rob industrial oficialmente definido pela norma ISO como um manipulador multitarefa controlado automaticamente reprogram vel com movimento em tr s ou mais eixos 4 Os rob s t m vindo a ser utilizados numa gama muito variada de aplica es industriais Estes equipamentos s o especialmente utilizados em tarefas facilmente automatiz veis como por exemplo algumas opera es de carga e descarga ou em ambientes onde as condi es de trabalho sejam adversas para o ser humano temperatura e ru do elevados ambientes radioativos presen a de fumos ou poeiras etc 5 Em ambientes extremamente ruidosos poeirentos e perigosos a automatiza o do processo altamente recomendada Este facto assim um impulsionador para o aumento da utiliza o de rob s em determinados processos industriais 5 A figura 1 apresenta um gr fico da evolu o do n mero de rob s fornecidos entre o per odo de 1998 a 2010 Algumas das aplica es t picas dos rob s industriais incluem pintura soldadura montagem movimenta o de cargas inspe o de produtos e realiza o de testes de qualidade tudo realizado com uma precis o velocidade e robustez relativamente elevadas 5 Estimated worldwide annual supply of industrial robots 140 120 118 120 12 ad 3 100 8 199
4. D Figura 10 Sete Camadas do Modelo OSI 18 As camadas do modelo OSI apresentam as seguintes fun es F sica Physical Layer controla a transmiss o dos bits atrav s do meio f sico Tipicamente h defini o das tens es associadas aos uns e zeros e a dura o de um bit Liga o de Dados Data Link Layer controla o acesso ao meio o fluxo de dados e a dete o e corre o de erros Rede Network Layer gere o encaminhamento dos dados quando estes fluem entre diferentes redes Transporte Transport Layer isola os n veis 1 2 e 3 dos n veis 5 6 e 7 Recebe mensagens do n vel 5 divide as em pacotes e passa as para o n vel 3 ou vice versa Pretende garantir que as mensagens s o trocadas correta e eficientemente Sess o Session Layer gere os di logos entre utilizadores Apresenta o Presentation Layer modifica o de dados para compatibiliza o das aplica es Exemplos convers o de ficheiros encripta o compress o Aplica o Aplication Layer proporciona servi os de rede s aplica es caso os haja 177 A elabora o do modelo OSI representou um esfor o na tentativa de padroniza o das novas tecnologias para que a implementa o de produtos de redes fossem compat veis entre si N o existe nenhum protocolo que cubra completamente todas as camadas do modelo OSI Existem protocolos que cobrem um ou mais layers do modelo e que conjugado
5. Darmstadt University of Technology 2007 9 http www rodin4d com en Products manufacturing robots Acesso em 2012 06 14 10 JUN MARTIN B et al Evaluation of a spindle based force sensor for monitormg and fault diagnosis of machining operations Department of Mechanical and Industrial Engineering University of Illinois at Urbana Champaign 2001 11 DYNOMAX The Book of spindles Part 1 Dispon vel em http pt scribd com doc 85229016 35 Corporate Overview 12 HSD Installation operation and maintenance manual of Electrical Spindles Electro Spindle Department of the technical office at HSD S p a Dispon vel em www eagleeyecnc com manual hsd manual pdf 13 www larkencnc com spindles htm Acesso em 2012 06 14 13 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica 14 http www pdscolombo com prod gcstone php Acesso em 2012 06 14 16 BORGES F TIMA O que um PLC aut mato Centro de Forma o Schneider Electric 2008 15 PIRES JJNORBERTO Automa o Industrial Lidel edi es t cnicas 2002 17 MAGALH ES ANT NIO PESSOA Apontamentos da unidade curricular de Computa o Industrial Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto 2011 18 http pplware sapo pt networking redes sabe o que e o modelo os1 Acesso em 2012 06 14 19 http www interfacebus com Design Connector RS422 html Acesso em 2012 06
6. RAPID Configuration Tese_HandShake View1 7Ox E Tese HandShake ra HA cellal df Output RAPID Watch Offline Simulation Watch Find Results Show messages from Al messages h Time Category i celula1 Write access held by FexPendant 20 06 2012 20 32 25 Controllers i celula 1 Automatic mode requested 20 06 2012 20 32 38 Controlers i celula 1 Motors OFF state 20 06 2012 20 32 38 Controllers i celula 1 Write access available 20 06 2012 20 32 39 Controllers z i celula1 Automatic mode confirmed 20 06 2012 20 32 43 Controllers Movel v1000 z100 Tooldata 1v IWObj wobjJ Selection Levelr Snap Mode UCS Station 808 10 1 60 527 57 Controller status 1 1 Figura 33 Ambiente de Trabalho do software RobotStudio O software DeltaSoft um software disponibilizado pela Delta Electronics inc que pode ser utilizado nos variadores de frequ ncia da fam lia Delta VFD B VFD F VFD M VFD S VFD E VFD L e VFD VE Este software permite fazer download de todos os par metros de configura o do variador de frequ ncia que podem ser alterados de forma mais f cil e comoda e posteriormente feito o upload dos novos par metros Este software possui tamb m uma melhor explica o das fun es dos diversos par metros Uma vez que estes variadores de frequ ncia possuem uma porta RS485 e os computadores normalmente possuem portas RS232 foi tamb m necess ria a utiliza o de um conversor R 2
7. grande parte dos sistemas operativos utilizados nos computadores j possui interfaces de TCP IP instados em virtude da sua utiliza o pela Internet A figura 22 apresenta os layers inferiores do modelo OSI e os protocolos que podem ser utilizados para implementa o destes 28 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica u t tmtmtmtmtm8e88e eeo Transport Layer TCP UDP Transport Layer Network Layer IP Network Layer F Data Link Layer Ethernet Data Link Layer ha Physical Layer Cable Fiberglass Physical Layer Data Transter Figura 22 Implementa o comum do protocolo TCP IP e Ethernet com os respetivos layers do modelo OSI 31 A figura 23 apresenta a estrutura do campo de dados de um frame Ethernet uma Headers IP e TCP Dados 40 bytes at 1460 bytes Figura 23 Campo de dados de um frame Ethernet usando TCP IP O protocolo TCP IP pode ser dividido em dois protocolos de forma a esquematizar o seu funcionamento gt O protocolo TCP gt O protocolo IP O IP Internet Protocol um protocolo de n vel da camada rede Network Layer do modelo OSI A principal fun o do protocolo IP transportar os frames de uma rede para outra O protocolo IP fornece os seguintes servi os gt Endere amento o cabe alho IP possui o endere o IP do remetente e do destinat rio da mensagem Estes endere os s o utiliza
8. user to send L Pi Phys Addresses are Assemble a frame used MAC addresses F ET F s some other statig transmitting q Tas 1 No Transmit bit of the frame Recoverad eal Collision recovery Collision detected A subalgorithm id ini e Transmit next bit of the frame A racovarad No Transmission finisheg F Frame transmission faile Tas itoo many collisions Frame transmitted 1 e successfully End E Figura 18 Protocolo de Acesso ao meio utilizado na Ethernet CSMA CD 23 A primeira experi ncia usando o sistema Ethernet foi realizada no final de 1972 na comunica o entre dois computadores Xenox Alto e foi atingida uma velocidade de transmiss o de dados de 2 94 Mbps Desde esta altura j foram desenvolvidos diversas evolu es ao sistema desenvolvido por Bob Metcalfe A Ethernet trata das duas ltimas camadas do modelo OSI ou seja da camada f sica physical layer e camada de liga o l gica data link layer Existem neste momento 3 tipos diferentes de Ethernet no que se relaciona com camada f sica do modelo OSI gt 10Mbps Ethernet 22 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica gt 100 Mbps Ethernet ou Fast Ethernet gt 1000Mbps Ethernet ou Gigabit Ethernet Cada uma destas evolu es trouxe consigo uma forte evolu o na velocidade e diversidade de aplica es em que pode ser utilizada O formato da
9. 14 20 KRON MEDIDORES Conceitos B sicos de RS 485 e R 422 Kron Dispon vel em http www kronweb com br 21 PERRIN BOB The Art and Science of RS 485 Circuit Cellar Online 1999 22 SPURGEON CHARLES E Ethernet The definitive Guide O Reilly amp Associates Inc 2000 23 http en wikipedia org wiki Carrier sense multiple access with collision detection Acesso em 2012 06 14 24 http www technicalhowto com Networking Juniper Certifications JNCIA nf networking fundamentals html Acesso em 2012 06 14 25 http www simplymodbus ca FAQ htm Acesso em 2012 06 14 26 ACROMAG INCORPORATED Introduction to Modbus TCP IP Acromag Inc 2005 27 MODICON Modicon Modbus Protocol Reference Guide Modicon Inc Industrial Automation Systems Revis o J Junho 1996 28 http www kiming co kr bbs bbs board php bo_table pds amp wr_id 30 Acesso em 2012 06 14 29 http www abb com product seitp3277 657d58e39c804164c1256efc002860a7 aspx produ ctLanguage pt amp country PT Acesso em 2012 06 14 30 MARSHALL PETER S RINALDI JOHN S Industrial Ethernet ISA The Instrumentation Systems and Automation Society segunda edi o 2005 31 http www uxsup csx cam ac uk pub doc suse suse9 3 suselinux adminguide en cha basicnet html Acesso em 2012 06 14 32 http www gta ufrj br grad 06 1 pv6 Acesso em 2012 06 14 33 http www clubedohardware com br prin
10. E E E E E A E E E E E E 5 Figura 3 Exemplo de um Rob equipado com um spindle numa opera o de maquinagem EAEE EE a E AT E EA A AT S E ET Ra 6 Figura 4 Um spindle com motor integrado Integrated Motor Spindle esquerda e um spindle acionado por correia Belt Driven Spindle direita 11 12 acnnenenssensseessesseessees 7 Figura 5 Estrutura caracter stica de um PLC 15 e e erereereeerrenem 10 Figura 6 Ciclo de funcionamento de um PLC 16 erereereeerrenem 11 Figura 7 Modos de comunica o utilizados 15 essenin A 12 Picara o Comunica o Serie ET asaan a di a 13 Firoga 9 Comunica o Paralela TIZ sioasoa rasas Eai aaa E sa asas dons 13 Figura 10 Sete Camadas do Modelo OST 18 en err eerereeere erraram 15 Figura 11 Camadas do modelo OSI com exemplo de protocolos 18 16 Figura 12 Valores de Tens o correspondentes aos valores l gicos 0 e 1 19 17 Figura 13 Diferentes tipos de termina o que podem ser utilizados 20 17 Figura 14 Velocidade m xima usando EIA485 em rela o ao comprimento do cabo 20 19 Figura 15 Diferentes topologias de rede que podem ser usadas com EIA 485 20 19 Fema 1G R5409 Hal Duplex 8 amp 2 N08 20 nuni e E E 20 Figura 17 RS 485 Full Duplex a 4 fios 20 eee eeeerreraeeereaaaeaea 21 Figura 18 Protocolo de Acesso ao meio utilizado
11. Ferramenta 1 49 prender ferramenta 50 desativar troca ferramenta 51 ENDPROC Figura 58 Exemplo de aplica o das rotinas desenvolvidas 4 4 Testes do Sistema Ap s a montagem de todos os componentes programa o do aut mato e implementa o de todas as comunica es foram realizados os testes finais do sistema implementado As figuras 59 e 60 mostram o aspeto final do spindle montado no rob ABB IRB2400 durante estes testes Estes testes foram conclu dos com sucesso uma vez que o sistema final cumpre com todos os requisitos previamente especificados O funcionamento manual e o funcionamento autom tico foram testados e funcionam como esperado Uma das limita es encontradas e que j era esperada foi o reduzido comprimento dos cabos de liga o do arm rio el trico ao spindle como vis vel na figura 60 Este fato poder limitar alguns deslocamentos que o rob possa efetuar quando o spindle est em funcionamento 6 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Figura 59 Aspeto final do spindle montado no rob ABB IRB2400 Figura 60 Spindle montado no rob ABB IRB 2400 68 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Cap tulo 5 Conclus es e Trabalhos Futuros 5 1 Conclus es A utiliza o de rob s industriais para realiza o de algumas opera es de maquinagem onde os requisit
12. Rr RT TAL z Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica IN r sentido Sinol alterar PH ii Ferromento inol Ator _ irgo ferromerdo Esquema de Enfrodos de PLE m m m m m m EE opo pe ie E Ooo 1 a S a S e S S A am f Sinal miteror sentido muto LA GEIE e pinl speed Entradas LC 85 sopp a opaa ap maase MP ki poor Wa BJ r wg pafadi i XBM SHMDYS MBA aay 86 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica EE TS E TRE DE a Eee JOUL LICEN e T a Z liiig E aD isg JOQ Ly Ed FR TO O O F AME S Ag JEN TOUS JAAD yug Ea Ni a j eii da DJU O Er LE Tiina FATE CE SCHOOL LICENCE Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Anexo B Circuito Pneum tico Implementado 87 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Tool Actuator AVE MEIN ALA Pressure Sensor 1 sa Air Drier Q EN 88 E E Spindle cooling Snindia Spindle and pressurization Cone Cleaning pressurization mm 6 bar dmm 2 bar 4mm Zbar LL i T Pressure Sensor 2 Flow 110 l min o 2 bar Filt
13. Windmill ComDebug 4 2 Instala o el trica e pneum tica O aut mato e o variador de frequ ncia juntamente com outros dispositivos de comando e prote o foram instalados num quadro el trico Foi tamb m concebido e projetado um esquema el trico apresentado no anexo A e que serviu de base para a montagem do quadro el trico Neste esquema el trico foram utilizados alguns componentes el tricos que por serem muito comuns n o ser o abordados aqui com grande detalhe 45 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Os componentes presentes no esquema el trico e instalados no quadro el trico foram Comando e Prote o v Interruptor seccionador de 4 polos Porta fus veis para fus veis de dimens o 10Omm 38mm 4 Fus veis de cartuxo dimens o 1Omm 38mm de 4 A Cooper Bussmann Interruptor diferencial Kopp 25A sensibilidade ao disparo de 20 mA Contator 3P com 1 contacto auxiliar marca Telemecanique Disjuntor 5A Se Ne No So SS Fus vel de cartuxo 5mm 20mm 2A v Bot o Emerg ncia com 3 contactos normalmente fechados marca Telemecanique Variador de Frequ ncia e Aut mato v Variador de frequ ncia Delta VFD VE VFDO037V43A 2 v Aut mato Unitronics Vision 350 Fonte de alimenta o v Fonte SIEMENS SITOP PSU100C 24 V 2 5 A Conectores el tricos e sinalizadores luminosos v Conector f mea de 9 pinos v Conector f mea de 25 pinos Harting v Sinalizador Lumi
14. com um variador de frequencia para controlo da velocidade e sentido de rota o da ferramenta atrav s de uma liga o RS 485 e com o controlador ABB IRC 5 atrav s de uma rede Ethernet Com vista utiliza o segura do equipamento a press o do circuito pneum tico a temperatura no interior do spindle a presen a de ferramenta de corte e o estado dos bot es de emerg ncia s o permanentemente monitorizados O controlador do spindle desenvolvido permite operar em dois modos manual e autom tico No modo manual o operador comanda o spindle via consola HMI do aut mato No modo autom tico o spindle comandado via controlador do rob tendo sido desenvolvidas rotinas de programa o em linguagem RAPID para integra o na programa o do rob VI Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Abstract Design and installation of a spindle s driver for integration into robotic cell Typical applications of robots include welding painting assembly pick and place such as packaging palletizing product inspection and machining operations all accomplished with high endurance speed and precision Machining robots must be extremely rigid and strong to be able to machine hard materials such as metal A spindle must be attached to the end of the robotic arm in order to provide th
15. custo relativamente baixo Dentro das aplica es de maquinagem os rob s industriais s o usados predominantemente em aplica es de prototipagem limpeza e pr maquinagem de pe as de fundi o assim como em opera es de acabamento em aplica es onde a toler ncia dimensional n o muito exigente 8 Apesar disto n o existem muitos exemplos de sucesso da utiliza o de rob s industriais neste tipo de solu es a n vel industrial 5 O maior obst culo utiliza o de rob s neste tipo de aplica es o facto de a rigidez de um rob industrial ser muito menor do que a de uma m quina CNC standard A rigidez t pica de um rob articulado normalmente menor que 1N um enquanto uma m quina CNC possui uma rigidez por volta de 50N um 5 Este facto leva a que a precis o dimensional do rob seja substancialmente menor do que uma m quina CNC o que poder ser um impedimento sua utiliza o em algumas aplica es Existem tamb m problemas relacionados com vibra es no manipulador problemas de precis o na programa o off line e calibra o que dificultam a utiliza o de rob s neste campo 5 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Tem existido uma intensa investiga o neste campo de forma a desenvolver estrat gias para aumentar a precis o do rob e compensar o baixo valor da rigidez de um manipulador rob tico Estrat gias como a utili
16. de Corrente Recebido Mensagens de Erro 01XX01 Enviadas Quando o Variador de 01XX02 Frequ ncia N o Entende o Pedido 01XX03 XX depende do Pedido Efetuado 4 3 4 Implementa o dos Ciclos de Aquecimento do spindle indicado no manual de utiliza o do spindle a necessidade de proceder a um ciclo de aquecimento antes do equipamento ser utilizado Se esta indica o n o for seguida o equipamento pode ser danificado e a garantia do fabricante deixa de ser v lida Assim quando o sistema iniciado e a etapa 4 fica ativa o ecr mostrado na figura 43 apresentado Ciclo de Aquecimento a Efectuar Figura 43 Ecr apresentado para sele o do ciclo de aquecimento 55 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica O utilizador dever indicar o ciclo de aquecimento a efetuar O tempo e as velocidades que devem ser utilizadas em cada ciclo s o descritos na tabela 5 apresentada no cap tulo anterior Ap s a sele o do ciclo de aquecimento a efetuar aparece um novo ecr que indica quais as etapas que ir o ser realizadas e sinaliza com um visto as que j foram conclu das A qualquer altura poss vel terminar o ciclo de aquecimento premindo o bot o Saltar como apresentado na figura 44 Quando o ciclo de aquecimento terminado o sistema encontra se pronto a ser utilizado sem restri es Assim o ecr da figura 43 n o ser mais apresentado quando
17. gt A atua o de qualquer um dos bot es de emerg ncia provoca a paragem da movimenta o do rob e da rota o do spindle Para voltar a utilizar os equipamentos necess rio colocar os bot es de emerg ncia n o atuados e ap s confirmar a reativa o num bot o existente na HMI gt Quando existe algum problema este pode ser identificado pelo sistema como por exemplo temperatura excessiva no spindle ar comprimido press o inferior a recomendada bot o de emerg ncia atuado etc A descri o do problema identificada na HMI gt Antes de poder ser utilizado o spindle em pleno funcionamento o aut mato executa o ciclo de aquecimento do spindle Ap s terminado este ciclo indicado na HMI que o spindle est pronto a ser utilizado gt O sinalizador luminoso existente no arm rio el trico est ligado quando o spindle est em rota o 41 42 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica gt As condi es seguintes impedem o arranque do spindle ou provocam a sua paragem caso j esteja em funcionamento O N o se encontrar uma ferramenta montada ou o sistema de mudan a de ferramenta se encontrar aberto A temperatura no seu interior for superior a 130 C N o existir ar comprimido s press es recomendadas Algum dos bot es de emerg ncia estar atuado Algum equipamento n o estiver a comunicar devidamente A combina o dos estados do
18. mensagem a enviar permanece o mesmo em todas as evolu es A migra o entre as diferentes evolu es assim bastante f cil e barata uma vez que praticamente todas as especifica es t cnicas s o mantidas inalteradas A 10 Mbps Ethernet surge no in cio dos anos 90 Dentro deste sistema surgiram duas variantes importantes 22 gt 10 Base T utiliza 2 pares de condutores entrela ados sendo que um fio transposta o sinal positivo 0 a 2 5V e outro o sinal negativo 0 a 2 5V tendo um alcance de aproximadamente 100 metros Nesta configura o normalmente cada esta o de trabalho ligado a um hub ou switch Estes equipamentos permitem gerir o processo de transmiss o da informa o e envi la para v rios recetores ao mesmo tempo gt 10 Base F utiliza fibras ticas e tem um alcance de aproximadamente 2 quil metros arquitetura normal neste tipo de rede apresenta uma estrutura em estrela na qual todas as esta es est o ligadas a um Hub Switch central A Fast Ethernet surge por volta de 1995 e conseguiu elevar a velocidade de transmiss o de dados para 100 Mbit s A Fast Ethernet garante compatibilidade com as redes Ethernet anteriormente utilizadas e apresenta uma rela o custo benef cio muito satisfat ria sendo por Isso a mais utilizada Possui dois padr es bastante difundidos que s o 22 gt 100 Base TX utiliza 2 pares de condutores entrela ados e o mais utilizado dentro da Fast Ethernet gt 100 B
19. na Ethernet CSMA CD 23 22 Figura 19 Estrutura da Mensagem segundo o standard IEEE 802 3 utilizada no protocolo TEN PE aaa A E A E E ATEA A 24 Figura 20 Estrutura da Mensagem em Modbus RTU 28 26 Figura 21 Estrutura da Mensagem em Modbus ASCII 28 nsnnssennsennsennsensseesssesseesssesse 26 XIII Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Figura 22 Implementa o comum do protocolo TCP IP e Ethernet com os respetivos layers do modelo OSEI sus arenosa nt a o a a 29 Figura 23 Campo de dados de um frame Ethernet usando TCP IP eennn 29 Figura 24 Conte dos de um cabe alho IP 32 erre erre rreanaaa 31 Figura 25 Estrutura cabe alho de TCP 34 erre rere rare 32 Figura 26 Estrutura de uma mensagem usando TCP IP e Ethernet 35 32 Figura 27 Diagrama do Sistema de Controlo a Implementar seseneeseeesseesssersssersssersse 33 Peia S RODO ABB A00 a a E DR 34 Pema 29 Spinale PDS XECOTO PG sic friso li o pa a T 35 Eisura 50 Esquema do SIStemA asa staisans ita si diana a a a a Ma 36 Figura 31 Aut mato Unitronics Vision 350 cceee eee erere re rree narrar aa reaa 38 Figura 32 Variador de Frequ ncia Delta VFD VE 38 rrenan 39 Figura 33 Ambiente de Trabalho do software RobotStudio ciiieiiiiie 44 Figura 34 Ambiente do soft
20. o variador de frequ ncia este ltimo envia uma nova mensagem de volta a indicar se a mensagem foi recebida corretamente ou se ocorreu um erro Durante o funcionamento do sistema diversas mensagens s o trocadas entre estes equipamentos A tabela 8 apresentada na p gina seguinte exibe as mensagens mais comuns O endere o do variador de frequ ncia sempre 01 pelo que os primeiros dois d gitos nas mensagens trocadas tomem o valor 01 As unidades das inc gnitas II TTTT e CCCC na tabela 8 correspondem a 0 1 Hz 0 1V e 0 014 respetivamente Os c digos de erro apresentados t m significados diferentes 01 C digo de fun o inv lido 02 Endere o de dados inv lidos 03 Valor atribu dos aos dados inv lidos Para informa es mais detalhadas sobre a comunica o entre estes equipamentos deve consultar se a refer ncia 40 54 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Tabela 8 Algumas das mensagens enviadas e recebidas pelo aut mato durante o funcionamento do sistema excluindo o LRC e End bits Mensagem Enviada Mensagem Recebida Alterar Frequ ncia de Sa da 01062001 0I 01062001011 III frequ ncia desejada 010620000002 010620000002 010620000001 010620000001 Alterar Sentido 010620000040 010620000040 Ler Tens o de Sa da 010321060001 010304TTTT IHI Valor de Tens o Recebido Ler Corrente Consumida 010321040001 010304CCCC IHI Valor
21. por exemplo o sistema passar do Modo de Seguran a para o Modo Normal e a etapa 4 ficar ativa Neste caso a vari vel Ciclo de Aquecimento Efetuado tem o valor 1 o que desativa a etapa 4 e ativa a etapa 13 Aquecimento Normal Aquecimento Prolongado 1500 seg a 4600 rpm 20 vel Max p00 seg a 12000 rpm 50 vel Max vd 300 seg a 12000 rpm 50 Wel Max 4 180 seg a 18000 rpm 75 Yel Max b00 seg a 18000 rpm 755 vel Max 4 180 seg a 24000 rpm 0 0054 Wel Max 900 seg a 24000 rpm 100 Wel Max Figura 44 Ecr s apresentados durante a realiza o do ciclo de aquecimento direita no ciclo de aquecimento normal esquerda no ciclo de aquecimento prolongado O ciclo de aquecimento dever ser repetido sempre que o equipamento for arrefecido at a temperatura ambiente O spindle existente n o possui o sensor RTD descrito no manual de utiliza o deste equipamento Assim n o poss vel comparar a temperatura do equipamento com a temperatura presente na sua envolv ncia Para contornar esta limita o foi programada a condi o de que se o sistema estiver completamente imobilizado durante 30 minutos o ecr da figura 43 ir aparecer novamente e um novo ciclo de aquecimento dever ser efetuado Ap s o ciclo de aquecimento estar conclu do o ecr da figura 45 aparece na HMI 56 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica 0 equipamento e
22. sistema 3 1 Arquitetura do sistema de controlo A arquitetura do sistema de controlo desenvolvida no mbito desta disserta o apresentada na figura 27 p Figura 27 Diagrama do Sistema de Controlo a Implementar Este sistema est baseado num aut mato com uma HMI integrada O aut mato comunica com o sistema pneum tico respons vel pelo fornecimento de ar ao spindle para refrigera o e acionamento do sistema de troca de ferramenta atrav s de linhas de I O dedicadas Este aut mato comunica tamb m com o variador de frequ ncia atrav s de uma liga o f sica RS485 e com o controlador do rob por uma liga o Ethernet 33 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Uma alternativa a esta arquitetura de controlo poderia passar pela utiliza o do controlador do rob em substitui o do aut mato Contudo esse processo seria mais dispendioso uma vez que seria necess rio adquirir cartas de expans o para o controlador do rob seria necess rio adquirir um conversor Ethernet RS485 a configura o das comunica es e a programa o das diferentes tarefas seriam mais complexas ficando o sistema sempre dependente do controlador do rob 3 2 Principais componentes utilizados Para a implementa o a arquitetura apresentada no subcap tulo anterior ser o usados os seguintes equipamentos 3 2 1 Rob ABB IRB 2400 O rob utilizado um AB
23. 2 ENDEROC m bo Ba BJ BJ BJ ba ba BJ BJ Ba j D D Do i Li Lui j Jo in b ts do h ly dy L Ly Ly L Figura 52 Rotina set speed Ap s declarar as vari veis necess rias o numero indicado dentro de parenteses dividido pela constante 70 Este valor ser igual ao n mero de transi es ascendentes e descendentes que o controlador dever enviar ao aut mato Para o envio do n mero de pulsos correto foi usada uma instru o While Enquanto a vari vel ndex for inferior ao n mero de transi es feito o set da vari vel DOIO 10 set speed e adicionada uma unidade ao valor ndex Ap s isto se o ndex for menor que o n mero de transi es feito o reset da vari vel DOIO 10 set speed e adicionada outra unidade ao valor ndex Este ciclo repetido at que o ndex seja igual ao n mero de transi es Quando isto acontece o sistema espera um tempo igual vari vel tempo valor necess rio para completar 1 1 segundos desde que a primeira transi o ocorreu O aut mato est programado para contar o n mero de transi es ascendentes e descendentes durante 1 segundo ap s a primeira transi o ascendente e dada uma margem de seguran a de 0 1s 64 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Ap s este tempo feito o reset da sa da DO1O 10 set speed e o programa espera at que a entrada DIIO 9 handshake tenha o va
24. 32 RS485 para a sua liga o Este programa tem funcionalidades que permitem operar o variador podendo ser dadas ordens simples como arrancar parar inverter sentido o que se revelou muito til na verifica o dos dados a enviar em cada mensagem Estas funcionalidades foram tamb m uteis para teste de mensagens para configura o de par metros como potencia do motor frequ ncia m xima corrente e tens o m ximas entre outros 44 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica O Windmill ComDebug um software gratuito que permite comunicar com praticamente qualquer dispositivo que suporte R 232 RS422 RS485 ou Modbus poss vel introduzir e exibir os dados em formato hexadecimal ASCII ou bin rio Com este software poss vel enviar mensagens para um dispositivo que esteja conectado porta s rie do computador e ver qual a resposta que o dispositivo envia Foi muito til na implementa o da comunica o aut mato variador de frequ ncia Uma imagem deste software apresentada na figura 34 o Windmill combebug Terminal Screen E ul ES Edit MonPrint Outputs at CRC Parse ComPort Status Prompt Reply Acknowledgement Byte Char Hex a Bute Char Hex a gt COM Port Settings Ioj x Comms Settings Com Fort coma x Baud Aate Data Bits Farity Stop Bits Flow Control Help Cancel Figura 34 Ambiente do software
25. 51 Rotina ativar spindle Esta rotina bastante simples A primeira linha de c digo faz o set sa da DO1O 11 ativar spindle enquanto a segunda coloca o programa em espera at que a entrada DIO 9 handshake tenha o valor 1 Esta linha d a indica o que o aut mato recebeu corretamente a indica o que lhe foi enviada 63 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica AS rotinas desativar_spindle desligar_spindle ativar_troca_ferramenta desativar_troca_ferramenta libertar_ferramenta e prender_ferramenta t m um c digo e modo de funcionamento muito semelhante a esta sendo que apenas alterada a vari vel a que a rotina refere e em algumas delas a opera o de set substitu da por reset Por este motivo estas rotinas n o s o abordadas em detalhe neste cap tulo mas s o apresentadas no anexo C O c digo RAPID da rotina set_speed apresentado na figura 52 15 PROC set speed num x var nom pulsos Var nom index 0 Hi p J mn Do I DD A Ia Var nom setenta T70 Var nom tempo 1 1 pulsos x Div setenta While index lt pulsos Do set D010 10 set speed WaitTime 0 05 tempo tempo 0 05 index index 1 j l E mn EM ab if index lt pulsos then Reset D010 10 set speed WaitTime 0 05 tempo tempo 0 05 index index 1 ENDIF ENDWHILE WaitTime tempo Reset D010 10 set speed WaitDI DI10 9 handshake 1 WaitTime 0
26. 6 29 34 Tabela 3 Elementos importantes presentes no Spindle XLC 070 36 e e 36 Tabela 4 Poss veis combina es dos sinais sensores e condi es correspondentes 37 Tabela 5 Ciclos de Aquecimento do Spindle PO esssiscsrsssisdsnonini arina 37 Tabela 6 Caracter sticas Variador Delta VFD VE VFDO37V4I3A Z 40 40 Tabela 7 Caracter sticas necess rias no ar comprimido a ser utilizado no spindle 48 Tabela 8 Algumas das mensagens enviadas e recebidas pelo aut mato durante o funcionamento do sistema excluindo o LRC e End bits eee eee 55 Tabela 9 Condutores utilizados na comunica o Aut mato Controlador IRCS 60 XVII Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica XVIII Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Cap tulo 1 Introdu o 1 1 Introdu o Uma das aplica es t picas de rob s industriais diz respeito a opera es de acabamento rebarbagem polimento fresagem estando o rob equipado com um motor rvore a spindle No spindle montada uma ferramenta adequada opera o de acabamento pretendida Tipicamente o spindle controlado a partir de um variador de frequ ncia devendo o seu comando estar integrado com o controlador do rob de modo a ser poss vel definir as condi es
27. 8 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Source IFR Statistical Department 000 of units Figura 1 N mero de rob s industriais fornecidos em 2010 6 Em 2008 cerca de 70 dos rob s existentes s o usados em opera es de soldadura e de carga descarga como mostra a figura 2 7 4 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Dispirsia Curti millii andpmuntira aniciher Assermbling and EHEHE e LE LEF ig maT p ARTE Electrical amd Oiher b pecias i Unspecified n Chigal iubber BY APPLICATION and plasties Machinery Metal predicis Comemanicati es o p r Waldin 15 45 Handing Unspecified Food pa of materials soldering l i and pribiti Dther Precision and optos Figura 2 Utiliza o de Rob s por tipo de ind stria esquerda e por aplica o direita em 2008 7 2 2 Rob s Industriais em Opera es de Maquinagem Tipicamente as opera es de maquinagem s o realizadas recorrendo a um centro de maquinagem CNC Estas solu es de maquinagem CNC possuem custos elevados e alguma dificuldade de retorno de investimento 5 assim que surge a ideia da utiliza o de rob s industriais para realiza o de algumas opera es de maquinagem onde os requisitos de precis o dimensional da pe a n o sejam muito elevados uma vez que os rob s s o bastante adapt veis e flex veis f ceis de programar e possuem um
28. B IRB 2400 16 figura 28 com uma capacidade de carga de 20kg e um alcance de 1 5m um modelo recomendado para aplica es de soldadura a arco opera es de corte e de rebarbagem manuseio e montagem de componentes 29 Algumas caracter sticas do rob s o apresentadas na tabela 2 Tabela 2 Caracter sticas do rob ABB IRB 2400 16 29 Repetibilidade Posi o Repetibilidade Traget rias Velocidade M xima 450 s no Eixo 6 360 s nos Fixos 4 e 5 e 150 s Figura 28 Rob ABB 2400 nos Fixos 1 2 e 3 34 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica 3 2 2 Controlador ABB IRC5 Este controlador a quinta gera o de controladores rob ticos da ABB e sucede ao S4 Possui avan os significativos na precis o previs o e repetibilidade de trajet rias e pontos relativamente ao seu antecessor Suporta a linguagem de programa o RAPID desenvolvida pela ABB Possui at 8192 entradas e sa das 6 entradas anal gicas 1 porta de comunica o s rie RS S 232 suporta redes de comunica o DeviceNet Profinet e Ethernet IP e possui tamb m interfaces para controlo de for a sistemas de vis o e conveyor tracking 3 2 3 Spindle PDS XLC 070 O spindle utilizado um equipamento da marca PDS Precise Drive Systems modelo XLC 070 com uma pot ncia de 2 2 KW 3 HP Este modelo alimentado a uma tens o de 380V corrente m xima admiss vel de 4 1A ve
29. BB Permite que o programador crie cen rios com modelos de unidades ABB tanto a n vel de representa o 3D como de emula o f sica Este software constru do com base na tecnologia VirtualController ABB uma c pia exata do software real que 43 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica comanda os seus rob s no processo de produ o Deste modo possibilita simula es muito realistas utilizando programas de rob s verdadeiros id nticos aos utilizados numa f brica A linguagem de programa o de rob s suportada o RAPID A figura 33 apresenta uma imagem do ambiente de trabalho deste software Este software foi utilizado para programar rotinas em linguagem RAPID que permitem controlar a opera o do spindle quando em funcionamento autom tico td es Handshaks Ass RobotStudio 5 77 PR aT File Home Modeling Simulation Offline Online Add Ins A E tu p t RAPID Tasks 53 New M Adjus t T P ters Q Eh Y Virtual FlexPendan Ah E PID Tasks pA E ew Module Adjust Robtargets Tg Load Parameters ES 5 ETA 0 Run Mode e ORestart 8 Load Module RAPID Profiler Save Parameters A Synchronize Synchronize Events RA Inputs Backup ScreenMaker System Configuration Set Task System er to Station to VC 8 Control Panel Outputs Shutdown i GA Load Program Builder Editor Frames Configuration Synchronize Virtual Controller Controller Tools
30. Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica F bio Andr Fonseca de Castro Disserta o do MIEM Orientadores Prof Paulo Augusto Ferreira de Abreu Prof Ant nio Pessoa de Magalh es LOS PORTO FEU FACULDADE DE ENGENHARIA UNIVERSIDADE DO PORTO Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mec nica Julho 2012 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica A mente que se abre a uma nova ideia jamais voltar ao seu tamanho original Albert Einstein Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Resumo Os campos de aplica o dos rob s industriais v o desde opera es de simples manipula o montagem soldadura at opera es de controlo de qualidade e maquinagem Dentro destas opera es de maquinagem necess rio que o rob possua um motor rvore ou em ingl s spindle para fornecer o movimento de rota o necess rio ferramenta de corte a instala o de um destes equipamentos num rob ABB IRB 2400 que abordada nesta disserta o A arquitetura de controlo implementada utiliza um aut mato que comunica
31. Modo de Seguran a que se encontram representados no GRAFCET da figura 39 Os modos de funcionamento do sistema s o controlados pelo GRAFCET 1 figura 39 O sistema iniciado na etapa O Quando a condi o de transi o da etapa O verdadeira o sistema transita de etapa As condi es monitorizadas para a seguran a do sistema s o Estado do bot o de seguran a Estado do contacto que monitoriza a temperatura do spindle Estado de liga o dos cabos do arm rio el trico ao spindle Exist ncia de press o no sistema pneum tico instalado Se alguma das condi es indispens veis seguran a do sistema n o for verificada o sistema transita para a etapa 2 Modo de Seguran a Se todas as condi es de seguran a forem verificadas o sistema transita para a etapa 1 que foi chamado de Modo Normal Isto acontece porque foi utilizada programa o ass ncrona na programa o do PLC Se fosse utilizada programa o s ncrona que permite apenas uma transi o por ciclo de funcionamento o sistema iria percorrer um ciclo de funcionamento em Modo Normal mesmo que uma das condi es de seguran a fosse falsa o que n o cumpre com as especifica es de seguran a deste sistema Modo de Seguranca Figura 41 Ecr apresentado no Modo de Seguran a 52 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Quando o sistema se encontra no Modo de Seg
32. a 4 Poss veis combina es dos sinais sensores e condi es correspondentes Sistema Fixa o Aberto Sistema Fixa o Fechado sem Ferramenta Ferramenta Presa Embolo n o Recuado Ferramenta Presa Embolo Recuado O modelo existente no laborat rio n o possui o sensor RTD de temperatura apresentado no manual 36 Assim a monitoriza o detalhada da temperatura no interior do spindle n o poss vel Em vez disso para a monitoriza o da temperatura do spindle ser usado um contacto t rmico localizado no interior do estator do motor AC normalmente fechado e projetado para abrir a 130 C Quando este contacto abrir a utiliza o do spindle n o ser permitida Antes do in cio das opera es com o equipamento dever ser realizado um ciclo de aquecimento do spindle que depender do tempo de paragem do spindle A tabela 5 indica a sequ ncia de a es que deve ser realizada de acordo com o ciclo a efetuar Tabela 5 Ciclos de Aquecimento do Spindle 36 Ciclo de Aquecimento Normal Aquecimento Prolongado paragem superior a 6 meses 5 Minutos a 20000 rpm 25 minutos a 8000 rpm 2 3 Minutos a 30000 rpm 10 minutos a 20000 rpm 3 Minutos a 40000 rpm 10 minutos a 30000 rpm 37 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Mais informa es sobre a manuten o aquecimento e opera o do spindle bem como informa es mais detalhadas sobre o equipamento po
33. a Arte 2 1 Rob s Industriais O termo Rob foi usado pela primeira vez pelo escritor checo Karel Capek 1890 1938 na pe a de teatro R U R Rossum s Universal Robots estreada em Janeiro de 1921 na cidade de Praga A origem da palavra rob vem da palavra checa robota que significa trabalho for ado da a ideia que existe do rob que imita o homem em todas as atividades funcionando como um empregado mec nico 1 J o termo Rob tica foi popularizado pelo escritor e cientista americano Isaac Asimov na sua obra Z Robot de 1950 Neste mesmo livro Asimov criou tr s leis que segundo ele regeriam os rob s no futuro 1 Um rob n o pode fazer mal a um ser humano e nem por omiss o permitir que algum mal lhe aconte a 2 Um rob deve obedecer s ordens dos seres humanos exceto quando estas contrariarem a Primeira lei 3 Um rob deve proteger a sua integridade f sica desde que com isto n o contrarie a Primeira e a Segunda leis 2 Neste livro os rob s s o desenhados com muitas semelhan as esp cie humana J existiam at desenhos de Leonardo Da Vinci para um projeto de um aut mato humanoide que dever o 3 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica ter sido feitos por volta do ano de 1495 Este projeto continha desenhos detalhados de um cavaleiro mec nico que seria capaz de se sentar mover a cabe a maxilar e mexer os bra os 3
34. a para comunica o entre o variador de Classifica o de frequ ncia e o aut mato anteriormente apresentado 40 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica 3 3 Especifica o dos requisitos do sistema Tendo por base as especifica es gen ricas da aplica o de controlo a desenvolver apresentada no subcap tulo 1 2 Objetivos foram elaboradas as seguintes especifica es funcionais que serviram de base ao desenvolvimento da programa o do aut mato conce o dos circuitos el tricos do arm rio de controlo e configura o do variador de frequ ncia gt O equipamento pode operar num modo Manual e num modo Autom tico o No modo Autom tico o controlador do rob dever enviar os par metros de funcionamento necess rios velocidade sentido de rota o etc para o aut mato n o sendo poss vel a altera o de par metros na HMI o No modo manual os par metros de funcionamento do spindle podem ser alterados a qualquer altura na HMI gt O sistema iniciado quando o interruptor seccionador movido para a posi o ON gt Os par metros de funcionamento que podem ser controlados s o a velocidade de rota o o sentido de rota o abertura e fecho do sistema para mudan a de ferramenta rampa de acelera o e rampa de desacelera o gt O aut mato controla a opera o ligar e desligar o variador de frequ ncia
35. ado Integrated Motor Spindle esquerda e um spindle acionado por correia Belt Driven Spindle direita 11 12 Os spindle acionados por correias s o normalmente constituidos por um eixo apoiado num sistema de rolamentos que s o introduzidos dentro de um corpo normalmente met lico O eixo do spindle incorpora tambem o sistema de fixa o da ferramenta O sistema que possiblita a mudan a da ferramenta geralmente montado externamente 11 A pot ncia e o momento de rota o s o fornecidos ao spindle por meio de um motor externo O motor transmite o bin rio usualmente usando correntes dentadas ou correias em V As principais vantagens deste tipo de spindles s o 11 gt Custo reduzido como o spindle constituido por um n mero menor de componentes o seu custo reduzido quando comparado com os spindles com motor integrado gt Grande variedade poss vel de caracter sticas como a pot ncia o bin rio e a velocidade m xima s o muito dependentes do motor externo poss vel variar os valores destas caracter sticas simplesmente alterando este ltimo o que n o poss vel num spindle com motor Integrado gt Grande pot ncia e bin rio dispon vel uma vez que o motor montado externamente ao eixo do spindle muitas vezes poss vel utilizar motores de grandes dimens es Motores de grandes dimens es possuem habitualmente grandes pot ncias e bin rios que podem ser transmitidos ao spindle No caso dos spindles c
36. am criados alguns modelos de forma a orientar o processo de implementa o de uma rede de comunica o Existem diversos modelos que est o orientados para reas de aplica o espec ficas Os mais utilizados s o o modelo OSle o modelo IEEE 802 LAN 2 6 Modelo OSI A utiliza o de normas nas comunica es de dados uma necessidade bvia Estas s o necess rias para gerir o uso e interliga o de equipamentos tanto a n vel f sico como el trico e mesmo a n vel dos processos e procedimentos manipula o os dados Assim em 1978 proposto pela International Organization for Standardization ISO o modelo OSI numa tentativa de implementar um standard na comunica o entre computadores N o especifica a utiliza o de um equipamento espec fico modem tipo de liga o etc O modelo divide as redes de computadores em sete n veis ou camadas de forma a obter n veis de abstra o Cada camada tem as suas fun es tem caracter sticas espec ficas e usada para executar determinadas tarefas Cada camada possui uma estrutura pr pria e trata de um problema particular sem se preocupar com a estrutura das outras camadas Cada camada apenas ter de receber dados de um determinado tipo processa los e enviar num determinado formato para o pr ximo layer 14 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica 7 Aplica o 6 5 Sess o ooo 4 3 2 Liga o de dados
37. aracter stica de um par tran ado de aproximadamente 120 ohms sendo este um valor adequado para a resist ncia de termina o a ser instalado 21 O R S 485 apresenta uma velocidade m xima de 10 Mbps com comprimentos de cabo inferiores a 10 metros e tem um alcance m ximo de 1200 metros A figura 14 apresenta um gr fico da evolu o da velocidade m xima com o aumento do comprimento do cabo Estas velocidades podem ainda ser afetadas por outros fatores externos como por exemplo caracter sticas dos equipamentos instalados capacidade dos cabos de comunica o topologia da rede instalada e interfer ncias presentes no ambiente de comunica o 20 18 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica 1200 1000 100 Comprimento do cabo metros 1k 10k 100k 1M 10M Velocidade da comunica o bps Figura 14 Velocidade m xima usando EIA485 em rela o ao comprimento do cabo 21 Enquanto os comprimentos de cabo s o relativamente curtas a influ ncia da topologia da rede no seu desempenho n o significativa Contudo quando os efeitos de linhas de transmiss o longas come am a aparecer h uma topologia simples que permite corrigir os problemas que da adv m A figura 15 mostra alguns tipos de topologias utilizadas Apenas no tipo daisy chain onde todos os dispositivos s o conectados diretamente aos condutores da linha de comunica o principal f c
38. ase FX uma evolu o da 10 Base F utiliza tamb m fibras ticas com uma velocidade 10 vezes Pode ter um alcance at 2000 metros A Gigabit Ethernet possui uma velocidade de transmiss o de 1 Gbps Existem atualmente v rias tecnologias diferentes dentro da Gigabit Ethernet sendo as mais importantes 22 gt 1000 Base T pode ser utilizada em redes com uma dist ncia inferior a 100 metros Utiliza cabos com pares entrela ados como as redes de Fast Ethernet e usa 4 pares de fios dispon veis 23 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica gt 1000 Base CX o padr o inicialmente desenvolvido na Gigabit Ethernet Utiliza cabos de pares entrela ados como meio de transmiss o e tem um alcance at 25 metros Devido a esta limita o de dist ncia a menos usada dentro da Gigabit Ethernet sendo dificilmente encontrada em aplica es nos dias de hoje gt 1000 Base SX esta tecnologia utiliza fibras ticas e recomendada para dist ncias at 550 metros Possui um custo mais baixo do que a 1000 Base LX que utiliza tamb m fibras ticas gt 1000 Base LX esta tecnologia a mais cara das aqui apresentadas utiliza tamb m fibras ticas como meio de transmiss o e possui um alcance m ximo de 5 km Um outro ponto fulcral para o sucesso das comunica es a estrutura da mensagem a enviar aos diversos dispositivos Inicialmente a estrutura da mensagem uti
39. bits 32 bits no total que s o representados atrav s de n meros de O a 255 como 200 156 23 43 ou 64 245 32 11 O IPV6 uma expans o do anterior e foi desenvolvido para ultrapassar algumas das limita es do IPV4 A mais importante o tamanho do endere o de IP passando de 32 bits para 128 bits uma vez que os endere os IPV4 come am a ser escassos A figura 24 apresenta os conte dos enviados num cabe alho IP 30 O protocolo IP n o possui mecanismos de retransmiss o nem d garantia de uma transmiss o integra ou ordenada 32 Assim todas as quest es de consist ncias para a integridade dos dados transmitidos ter o de ser tratadas com o protocolo TCP 30 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Vers o IHL Tipo de Servi o p Tamanho Total kienttica o E Identifica o de Fragmento Tempo para Viver Protocolo Checksum do Cabe alho Endere o da Fonte Endere o do Destino Op es i HF H o Fragmentar Identifica o todos os fragmentos de um datagrama tem o MF Mais Fragmentos mesmo valor nesse campo IHHL Tamanho do Cabe alho Identifica o de Fragmento serve para descobrir qual amp a ordem do fragmento no datagrama Protocolo campo que identifica qual dever o protocolo a ser usado pela camada acima camada de transporte Figura 24 Conte dos de um cabe alho IP 32 O TCP Transmission Control Protocol ou e
40. ca es Esta o A m Esta o B Esta o B Modo Half Duplex A transmiss o ocorre de para B ou de B para mas n o simultaneamente Esta o A gt Esta o B Modo Full Duplex A transmiss o ocorre de A para B e de B para simultaneamente Figura 7 Modos de comunica o utilizados 15 No modo unidirecional a transmiss o de dados s se processa num sentido No caso da figura 7 a transmiss o dos dados ocorre da esta o A para a esta o B No modo Half Duplex a transmiss o dos dados pode ocorrer em ambos os sentidos mas nunca ocorre simultaneamente em ambos os sentidos No modo Full Duplex a transmiss o dos dados pode ocorrer em ambos os sentidos simultaneamente 177 Para haver comunica o sempre necess rio 17 gt Um sistema de transmiss o hardware capaz de gerar e transmitir sinais atrav s de um meio gt Software de comunica o software de gest o do hardware que lhe diz como e quando transmitir gt Protocolos acordos entre os intervenientes que gerem a transmiss o rece o e interpreta o da informa o 12 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Existem basicamente dois tipos de comunica o entre diferentes equipamentos a comunica o s rie e a comunica o paralela A comunica o em s rie permite transmitir apenas um bit de cada vez Assim a mensagem a tra
41. cionamento Autom tico presente no ecr da figura 45 Quando ocorre esta a o surge na HMI o ecr apresentado na figura 50 Figura 50 Ecr vis vel durante o Funcionamento Autom tico do Sistema 62 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Aqui s o apresentadas algumas informa es do estado atual do sistema como a velocidade de refer ncia o sentido de rota o o estado da ferramenta e do sistema de fixa o desta O bot o conclu do est apenas vis vel quando n o est a ser feita nenhuma opera o no equipamento ou seja quando o GRAFCET tem a etapa 20 ativa A atua o deste bot o faz surgir de novo na HMI o ecr da figura 45 Para o controlo das a es que o sistema pode realizar foram desenvolvidas rotinas que podem ser incorporadas num programa RAPID executado pelo controlador do rob Foram desenvolvidas 11 rotinas com diferentes fun es e ativar spindle e desativar spindle e ligar spindle e desligar spindle e set speed e ativar troca ferramenta e libertar ferramenta e prender ferramenta e ativar troca ferramenta e sentido inverso e sentido inverso O c digo de programa o destas rotinas pode ser analisado no anexo C A titulo de exemplo o c digo RAPID da rotina ativar spindle apresentado na figura 51 39 PROC ativar spindle ao Set DO1O 11 ativar spindle 41 WaitDI DI10 9 handshake 1 42 ENDPROC Figura
42. controlador IRCS ligada entrada 3 do aut mato tem como fun o ligar desligar do spindle Quando as sa das DOIO 9e DO10_11 t m o valor 1 e o sistema est configurado para funcionamento autom tico o spindle inicia o seu funcionamento Quando esta sa da comuta para O o spindle p ra a rota o A sa da DOIO 12 do controlador IRCS ligada entrada 5 do aut mato tem como fun o a ativa o desativa o da troca de ferramenta do spindle A ativa o da troca de ferramenta feita quando esta entrada toma o valor l gico 1 e o sistema est configurado para funcionamento autom tico Nesta situa o apenas poss vel abrir o sistema de fixa o da ferramenta do spindle ou proceder desativa o da troca de ferramenta sendo que a opera o de iniciar a rota o do spindle se encontra bloqueada A desativa o da troca de ferramenta do spindle feita colocando esta sa da com o valor l gico Q A sa da DOIO 13 do controlador IRCS ligada entrada 6 do aut mato tem como fun o abrir fechar o sistema de fixa o da ferramenta do spindle Quando as sa das DO10_13 e DOIO 12 t m o valor 1 e o sistema est configurado para funcionamento autom tico a electrov lvula existente dentro do arm rio el trico abre permitindo o fluxo de ar comprimido a 6 bar para o interior do spindle O ar comprimido ir comprimir a mola do sistema de fixa o permitindo que a ferramenta fique solta Quando a opera o de mudan a de fer
43. de dados o cabe alho ser removido antes de os dados serem enviados para a porta apropriada Este cabe alho possui v rias informa es de controlo em particular o n mero da porta de origem o n mero 31 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica da porta de destino um n mero de sequ ncia para a confirma o de rece o e mecanismos de reordenamento usado pelo TCP e uma soma de verifica o CRC c lculo utilizado para verificar se os dados foram recebidos corretamente no destino O cabe alho TCP tem entre 20 e 24 bytes dependendo se o campo op es estiver sendo ou n o usado e a sua estrutura apresentada na figura 22 N mero de Sequ ncia N mero de Confirma o ACK Checksum Urgent Pointer Op es 0 ou mais palavras de 32 bits Figura 25 Estrutura cabe alho de TCP 34 Assim sendo a estrutura de uma mensagem utilizando os protocolos TCP IP e Ethernet tem a estrutura apresentada na figura 23 Usage Data maximum 1460 bytes TCP Layer 4 Protocol Header approx 20 bytes IP Layer 3 Protocol Header approx 20 bytes Ethernet Layer 2 Protocol Header approx 14 bytes Checksum 2 bytes Figura 26 Estrutura de uma mensagem usando TCP IP e Ethernet 35 32 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Cap tulo 3 Conce o e Especifica o do
44. de opera o Os rob s equipados com spindles possuem geralmente um baixo custo facilidade de programa o e boa adaptabilidade e flexibilidade quando comparados com as m quinas CNC normalmente utilizadas para este tipo de aplica es Como desvantagem os rob s apresentam alguns problemas de precis o dimensional mas a evolu o tecnol gica destes equipamentos tem vindo a reduzir cada vez mais este tipo de problemas A utiliza o de rob s industriais equipados com spindles tamb m muito comum na rea da prototipagem As diferentes tecnologias que ir o ser utilizadas na implementa o da arquitetura de controlo apresentada est o descritas com algum detalhe ao longo do segundo cap tulo No terceiro cap tulo apresentado em pormenor a arquitetura de controlo a implementar bem como todos os componentes principais necess rios sua Implementa o S o tamb m descritos todos os requisitos que o sistema dever respeitar A implementa o de todas as comunica es necess rias e descri o de todas funcionalidades implementadas v m descritas no cap tulo quarto Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Para finalizar as conclus es da disserta o e as sugest es de trabalhos futuros s o apresentadas no cap tulo cinco 1 2 Objetivos da disserta o Este trabalho prop e a instala o de um spindle da marca PDS no rob industrial ABB IRB 2400 exis
45. dem ser encontradas em 36 3 2 4 Aut mato Unitronics Vision 350 Ap s uma an lise dos aut matos existentes no mercado nomeadamente os das marcas Omron Schneider Unitronics e Siemens a escolha recaiu no aut mato da marca Unitronics modelo V350 Este modelo possui todas as funcionalidades de interfaces de comunica o necess rias para a aplica o e possui uma HMI integrada o que permite ter uma rela o custo funcionalidade vantajosa O aut mato selecionado Unitronics Vision 350 35 R34 figura 31 possui 20 entradas digitais 2 entradas Anal gicas Digitais 12 Sa das por rel s e possui uma porta RS485 A porta Ethernet adquirida a parte Possui mem ria com capacidade para 8192 vari veis 512 long integers 256 double integers e 384 contadores Este modelo suporta Ethernet via TCP IP protocolo MODBUS e CANDus Possui a op o de Web server envio autom tico de emails e SMS 37 Quanto HMI integrada TFT LCD possui 65536 cores tamanho de 3 5 e uma resolu o de 320 240 pixels Existem ainda 5 bot es program veis que podem ser utilizados para navega o ou associados a bot es e vari veis Figura 31 Aut mato Unitronics Vision 350 38 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica 3 2 5 Variador de Frequ ncia O variador de frequ ncia utilizado um variador Delta VFD VE figura 32 Este modelo foi recomendado pelo fornecedor do Spindle e f
46. dos pelos routers interm dio para selecionar o caminho a seguir pelos dados gt Fragmenta o na grande maioria dos casos a mensagem a enviar n o cabe num pacote apenas Assim eles t m de ser fragmentados em pacotes mais pequenos Isto ir 29 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica permitir enviar grandes volumes de dados atrav s da rede O protocolo IP do destinat rio ir remontar os diferentes fragmentos da mensagem enviada gt Packet timeout cada pacote possui um campo TTL Time To Live que decrementado sempre que passa por um router Se o campo TTL atingir O o pacote descartado evitando assim que ele viaje em c rculos e obstrua o fluxo da rede gt Tipo de Servi o o protocolo IP suporta prioridades no tr fego permitindo que alguns pacotes sejam rotulados de acordo com o servi o gt Op es o protocolo IP fornece muitas fun es opcionais como por exemplo especifica o do caminho que o pacote deve seguir ou verifica o do caminho seguido pelo pacote bem como algumas fun es de seguran a 30 O endere amento IP um tema importante j que ele que permite que o grande n mero de redes que existem sejam capazes de comunicar entre si Existem duas vers es do protocolo IP o IPV4 que utilizado na grande maioria das situa es enquanto o IPV6 a vers o atualizada No IPV4 os endere o IP s o compostos por 4 blocos de 8
47. e rotation speed required for the cutting tool This equipment must be flexible durable and meet the payload limitations of the robot In this project we will discuss the installation of one of these devices in a robot ABB IRB 2400 The spindle is controlled by a PLC which communicates with an AC Motor Drive via a RS485 link and with an ABB IRC5S controller via an Ethernet network The pressure of the pneumatic circuit the temperature inside the spindle the status of the cutting tool and the emergency buttons are controlled to ensure the safety of the system The system can be controlled manually by HMI console or by the robot controller via RAPID routines VII Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica VIII Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Agradecimentos Come o por expressar aqui um profundo agradecimento aos meus orientadores Professor Paulo Abreu e Professor Ant nio Pessoa de Magalh es pelo seu apoio disponibilidade e incans vel dedica o ao longo de todo este trabalho Pelas longas horas que despenderam comigo na procura de solu es para os diversos problemas que surgiram com o desenrolar deste projecto e pela partilha de conhecimentos que me ajudaram em v rias fases a melhorar este projeto deixo aqui o meu sincero Obrigado Agrade o tambem ao coordenador da op o de Automa o do MIEM Profess
48. e de transfer ncia 17 13 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Tamb m os equipamentos perif ricos que est o pr ximos de um computador s o muitas vezes ligados ao hardware central por meio de interfaces paralelas Por m para maiores dist ncias este tipo de comunica o n o utilizado uma vez que se torna bastante cara e porque o ru do existente n o permite garantir a transmiss o da informa o sem erros Estas quest es s o resolvidas com a comunica o s rie a qual tem contudo o inconveniente de ser muito mais lenta e de apresentar maiores dificuldades a n vel da implementa o 177 Existem dois modos de comunica o s rie o modo s ncrono e o modo ass ncrono Ambos efetuam processos de sincroniza o antes de iniciarem a transmiss o de uma dada mensagem Por m no modo ass ncrono a sincroniza o feita por um bit ao passo que no s ncrono feita por um byte A quantidade de informa o enviada ap s uma sincroniza o varia bastante da comunica o s ncrona para a ass ncrona na comunica o ass ncrona o n mero de bits enviado ap s uma sincroniza o tipicamente 5 a 8 bits na comunica o s ncrona esse n mero muito maior poder o ser dezenas ou centenas de bits 177 Dada a complexidade inerente nas comunica es que podem envolver diferentes dispositivos os quais podem ser de diferentes marcas for
49. ecetor Este par metro cont m um byte de informa o Os endere os v lidos est o entre O e 247 Os valores entre 1 e 247 est o atribu dos para dispositivos Modbus individuais enquanto o valor O utilizado para difundir mensagens para todos os escravos da rede 25 Estes respondem sempre a uma mensagem usando o mesmo endere o que o master aquando da pergunta Desta forma o master sabe sempre que dispositivo est a responder ao seu pedido O segundo par metro em cada mensagem Modbus o c digo da fun o Este define o tipo de a o a ser executada pelo escravo Cont m um byte de informa o Os c digos de fun o v lidos v o desde 1 at 255 mas nem todos os dispositivos Modbus reconhecem o mesmo conjunto de c digos de fun o A tabela 1 apresenta os mais comuns 27 Tabela 1 C digos das fun es Modbus 277 O o pacs OOOO o pams OO o amne OO o frias DS mesma DE DT DE DE e 0 0 0 0 0 Preset Single Register 0 Read Exception Status Loop detection Diagnostic Force Multiple Coils Preset Multiple Registers l 2 3 4 5 r 15 16 17 No protocolo Modbus existem duas formas de verificar se existem erros durante a transmiss o ou n o paridade da mensagem e frame checking A verifica o da paridade da mensagem pode ser adicionada opcionalmente Existem dois tipos de c digo de paridade a paridade par e a paridade mpar A paridade ser par quando o n mero de bits de valor 1 fo
50. ema 52 4 3 3 Implementa o da comunica o Aut mato Variador de DE o E e EE S TE EEE EEE E EE EE e 53 4 3 4 Implementa o dos Ciclos de Aquecimento do spindle cc 55 4 3 5 Implementa o do Funcionamento Manual esseesseesseesseesssesssessserss 57 4 3 6 Implementa o da comunica o Aut mato Controlador IRCS 59 4 3 7 Implementa o do Funcionamento Autom tico sssesseesseesssessserssees 62 A Testes dO SSe Maretia e E E A E T 67 Cap tulo 5 Conclus es e Trabalhos Futuros esseessessensseesssrsssesssesseesseesssesssessserssersserss 69 Sel CONCI OOS Lara A E S T E 69 32 Erabalhos FUTUROS esien E aa ad na 70 E E E E S E EE E EE EE E e A E 73 DBIDHOS TATA aaa aa a E E E ad alas II Anexo A Esquema El trico Implementado neneneeenssensseessersserssersserssersssrsseessersseesseesses 79 Anexo B Circuito Pneum tico Implementado nesenesenssensseesseessersserssersserssersserssersssessss 87 Anexo C Rotinas RAPID Desenvolvidas nsnnnseenssenssensserssersserssersserssersserssersssrsseessersses 91 XII Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Lista de Figuras Figura 1 N mero de rob s industriais fornecidos em 2010 6 eeesiee ii 4 Figura 2 Utiliza o de Rob s por tipo de ind stria esquerda e por aplica o direita em ZOO sap
51. enhuma das mensagens em condi es e n o enviou a confirma o da rece o dos dados Assim as esta es que estavam a enviar os dados deveriam escolher um tempo de paragem aleat rio e ap s esse tempo tentar enviar os dados novamente 22 Uma das desvantagens deste sistema era que quando o tr fego fosse intenso o n mero de colis es iria aumentar exponencialmente o que iria tornar morosa a transmiss o dos dados 21 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Assim Bob Metcalfe percebeu que poderia melhorar o sistema Aloha introduzindo alguns melhoramentos Para isso desenvolveu um novo sistema que possu a um mecanismo para dete o de colis es durante a comunica o collision detect O sistema inclu a tamb m a estrat gia listen before talk segundo a qual as esta es deviam verificar se existia atividade no meio carrier sense antes de iniciarem a transmiss o dos seus dados Este sistema permitia tamb m o acesso rede por v rias esta es multiple access Assim surge o protocolo de acesso ao meio utilizado na Ethernet o Carrier Senser Multiple Access with Collision Detect CSMA CD Juntamente com um algoritmo de back off mais sofisticado a Ethernet poderia funcionar com 100 de tempo de utiliza o do meio O protocolo de acesso ao meio usado na Ethernet de forma simplificada apresentado na figura 18 22 EFD There is data from Start
52. ente longo podem come ar a surgir problemas de reflex o dos sinais Para minimizar este problema uma das solu es passa pela necessidade de usar termina o nas linhas de comunica o com um valor de imped ncia correspondente imped ncia caracter stica da linha de transmiss o Uma correta termina o atenua reflex es que distorcem os dados transmitidos aumentando os limites de velocidade e ou comprimento da rede Alguns m todos de termina o s o apresentados na figura 13 21 Redes n o terminadas s o baratas de menor consumo e simples de implementar A desvantagem que as taxas de comunica o devem ser lentas ou os cabos curtos o suficiente para manter a rede confi vel Redes com cabos curtos at 100 m e que operem a baixa velocidade funcionam adequadamente mesmo sem a utiliza o de resist ncias de termina o 21 A termina o paralela oferece excelentes taxas de comunica o mas limitada a redes com um nico master onde um dispositivo fala e os demais apenas escutam Nesses casos o master deve ser posicionado numa extremidade da rede e a resist ncia de termina o na outra O ltimo m todo representado a termina o bidirecional que permite uma excelente integridade do sinal Com esta t cnica os masters podem estar localizados em qualquer ponto da rede mas tem a desvantagem de aumentar o consumo da rede Este seguramente um dos m todos mais confi veis de termina o 21 imped ncia c
53. er amp Drain L Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Lista de material preum tico Unidade de tratamento do ar Unidade de tratamento do ar 13 E V lvula Direcional air on off 3 rn o V lvula manom trica Raccord Raccord conector unid trat ar v lvula shutoff 3 8 rede com engate r pido para tubo 6mm Raccord conector para unid trat Ar v lvula redutora de press o 1 4 rede com engate r pido para tubo 6mm Raccord conector para v lvula redutora press o 1 4 rede com engate r pido para tubo 6mm Raccord conector para v lvula redutora press o 1 4 rede com engate r pido para tubo 4mm Raccord de Uni o Passamuros para tubo 4mm 4mm engates r pidos Raccord de Uni o Passamuros para tubo bmm bEmm engates r pidos Raccord conector para pressotato 1 8 rede com engate r pido nara tubo 6mm Raccord conector para pressotato 1 8 rede com sda p engate r pido para tubo 4mm Raccord conector pneum tico em T engate Raccord conector pneum tico em T engate r pido tubo 4 mm Raccord conector para v lvula distribuidora 1 8 rede com engate r pido para tubo mm Raccord conector para v lvula distribuidora 1 4 rede com engate r pido para tubo 6mm Tubo pneum tico PVC diam amp mm 30metr
54. er ncia dos programas monitoriza o das vari veis do aut mato e debug Os 2 terminais restantes da porta do aut mato s o utilizados para a comunica o RS485 com o variador de frequ ncia Computador Figura 42 Esquema do cabo utilizado nesta aplica o 53 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica A utiliza o deste cabo envolve a necessidade de alguns cuidados especiais uma vez que n o poss vel a utiliza o simult nea de RS232 e RS485 Para al m disso estando o aut mato configurado para utilizar a comunica o RS485 quando utilizada a porta RS232 por exemplo o envio de um novo programa para o aut mato a comunica o RS485 fica automaticamente desativada Para a comunica o RS485 ficar ativa novamente necess rio reiniciar o aut mato A monitoriza o dos par metros do aut mato n o poss vel quando o equipamento est em funcionamento normal uma vez que n o poss vel a utiliza o simult nea de RS232 e RS485 O protocolo Modbus utilizado na troca de mensagens por RS485 entre o aut mato e o variador de frequencia Neste caso e uma vez que o aut mato s suporta Modbus RTU utilizado este modo S o utilizados 8 bits na comunica o paridade none e 1 stop bit O sistema funciona segundo uma arquitetura master slave na qual o master o aut mato e o slave o variador de frequ ncia Quando o aut mato envia uma mensagem para
55. erso 83i set DOIO 14 sentido rotacao spindle a4 WaitTime 0 05 as Reset D010 14 sentido rotacao spindle 26 WaitDI DI10 9 handshake 1 87 WaitTime 0 2 88 L ENDPROC Figura 55 Rotina sentido_inverso 90H Proc sentido direto 91 set D010 14 sentido rotacao spindle g2 WaitTime 0 05 93 Reset D010 14 sentido rotacao spindle 24 WaitTime 0 05 35 set D010 14 sentido rotacao spindle g6 WaitTime 0 05 97 Reset D010 14 sentido rotacao spindle 38 WaitDI DI10 9 handshake 1 99 WaitTime 0 2 100 ENDEROC Figura 56 Rotina sentido direto Ambas as rotinas utilizam a sa da DOIO 14 sentido rotacao spindle para enviar ao aut mato qual o sentido de rota o desejado Na rotina sentido inverso enviado um pulso ao aut mato Na rotina sentido direto s o enviados dois pulsos Ap s enviado o n mero de pulsos desejado o programa espera at que a entrada DIIO 9 handshake tenha o valor 1 A figura 54 apresenta a evolu o do sinal DOIO 14 sentido rotacao spindle dependendo da rotina desejada sentido direto a e pp fe pu Lp Os 0 01s 0 35s 0 05s 0 015s sentido inverso c e eso 0 co co ooo ic Os 0 01s 0 35s 0 05s 0015s Figura 57 Evolu o da sa da DOIO 14 sentido rotacao spindle dependendo da rotina utilizada 66 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Todas as rotinas anteriormente apresentadas devem ser co
56. et A principal dificuldade sentida durante a realiza o deste trabalho prendeu se com a implementa o da comunica o aut mato variador de frequ ncia por uma liga o RS485 O 69 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica manual de utiliza o do aut mato n o possui informa es detalhadas de como configurar e implementar estas comunica es Este facto levou a v rios dias despendidos procura de correto funcionamento da comunica o entre os dispositivos O manual de utiliza o do aut mato n o indica que este equipamento n o suporta MODBUS ASCII o que levou a perda de mais algumas horas a tentar implementar este modo Este projeto envolveu a compra de diverso material pneum tico el trico a montagem de um quadro el trico bem como a realiza o de cabos el tricos O tempo de espera por algum deste material foi bastante longo em particular no caso do material pneum tico Este fato tamb m levou a alguns per odos menos produtivos durante a fase de montagem dos componentes Apesar destes contratempos foi poss vel cumprir os objetivos propostos e ter um sistema funcional A realiza o desta disserta o permitiu uma aprendizagem importante em diversas reas da engenharia nomeadamente gt Sele o de material el trico e pneum tico para que um sistema cumpra determinados requisitos funcionais e de seguran a gt Conce o de uma arquitetura de co
57. etetada ir representar 40000 20 2000 rpm Este valor ser a resolu o m nima de velocidade quando o sistema estiver em funcionamento autom tico Seria poss vel descer o valor desta resolu o m nima aumentando o n mero de pulsos enviados mas foi considerado que o valor de 2000 rpm suficiente para a aplica o As outras entradas do aut mato n o necessitaram de ser configuradas como high speed counters uma vez que n o necessitam de contar transi es A sa da 5 do aut mato funciona como uma linha de handshake indicando ao rob que a ordem que foi enviada anteriormente foi realizada com sucesso e que se encontra livre para 60 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica processar a pr xima ordem O controlador do rob espera sempre a rece o do sinal de handshake antes de proceder pr xima instru o A sa da DOJO 11 do controlador IRCS ligada entrada 4 do aut mato tem como fun o a ativa o desativa o do spindle A ativa o do spindle feita quando esta entrada toma o valor l gico 1 e o sistema est configurado para funcionamento autom tico No caso de o spindle estar ativo apenas podemos iniciar a rota o do spindle ou proceder desativa o do spindle sendo que a opera o de trocar ferramenta se encontra bloqueada nesta etapa A desativa o do spindle feita colocando esta sa da com o valor l gico Q A sa da DOIO 9 do
58. ias ou correntes traz alguns problemas associados Em primeiro lugar os problemas de escorregamento das correias impossibilitam que se use toda a energia fornecida Para al m disso as temperaturas geradas pelo atrito de contacto da correia com o eixo do spindle a elevadas velocidades pode danificar as correias A utiliza o de rodas dentadas e correntes elimina estes problemas mas induz vibra es prejudiciais ao tipo de opera o que estes equipamentos realizam Nos spindle com motor integrado o motor acoplado diretamente ao eixo do spindle eliminando os problemas anteriormente apresentados e permitindo que velocidades superiores sejam atingidas gt Esfor os menores nos rolamentos as correias necessitam de estar tensionadas para funcionarem Este tensionamento vai exercer uma for a radial nos rolamentos onde o eixo do spindle est apoiado Esta for a radial aumenta com a pot ncia e velocidade transmitida o que poder danificar os rolamentos se velocidades ou pot ncias demasiado elevadas forem atingidas Nos spindle com motor acoplado o acoplamento do motor ao eixo n o ir exercer for as radiais significativas nos rolamentos Este facto pode reduzir a necessidade de manuten es frequentes Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Com vista ao correto funcionamento e longevidade destes spindles existem alguns par metros de seguran a que tem de ser obrigatoriamente
59. il controlar as reflex es causadoras de erros de comunica o Barramento com deriva es toler vel Barramento com estrelas evitar Daisy Chain recomendada Estrela Anel evitar evitar Figura 15 Diferentes topologias de rede que podem ser usadas com EIA 485 21 19 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Numa rede RS485 deve ser tamb m instalado um terceiro condutor de forma a garantir o equil brio de tens o entre os diversos dispositivos da rede Caso o condutor comum n o seja instalado entre todos os dispositivos todos os dispositivos devem ser adequadamente ligados a terra de forma a garantir a compatibilidade el trica de todos os equipamentos 21 Existem dois tipos de redes que podem ser implementadas R S 485 half duplex 2 fios ou RS 485 full duplex 4 fios O tipo R 485 half duplex a configura o mais usual Utiliza um nico par de fios para transmiss o e rece o de dados M ltiplos dispositivos s o ligados na forma de um barramento conforme ilustra a figura 16 PC e Conversor Barramento RS485 Gerindo a Rede Figura 16 RS 485 Half Duplex a 2 fios 20 O R S 485 full duplex utiliza dois pares de fios para a comunica o A imagem 17 apresenta um exemplo de uma rede deste tipo Por um par de fios fluem os dados transmitidos no sentido Conversor Dispositivos da rede par de transmiss o do conversor e pelo o
60. istema de fixa o Estas informa es ser o alteradas consoante as a es que forem tomadas Neste ecr existem dois bot es que controlam a atua o da electro v lvula existente no interior do quadro el trico e que controla o fluxo de ar para o sistema de fixa o da ferramenta Quando o bot o Abrir atuado a v lvula comuta e o sistema de fixa o da ferramenta liberta a ferramenta Se o bot o Fechar for atuado o fluxo de ar interrompido e o sistema de fixa o fechado O bot o Conclu do leva o sistema ao ecr da figura 47 4 3 6 Implementa o da comunica o Aut mato Controlador IRC5 A ideia inicial para a implementa o da comunica o entre o aut mato e o controlador IRCS era a utiliza o de uma liga o Ethernet possivelmente Fast Ethernet e do protocolo de comunica o TCP IP Esta estrat gia envolve a comunica o recorrendo a sockets entre o aut mato e o controlador IRC5 Assim foi programada no software RobotStudio uma rotina para teste desta comunica o Quando fo1 feita a tentativa de implementa o no controlador real verificou se que para utiliza o dos comandos essenciais para este tipo de comunica o como o Create Socket Connect Socket entre outros era necess rio a op o PC Interface estar ativa no controlador IRCS utilizado Uma vez que esta op o n o se encontrava ativa e que o custo da sua aquisi o n o era comport vel foi necess rio encont
61. lizada era standard DIX DEC Intel Xerox sendo mais tarde alterada para o standard IEEE 802 3 sendo este ltimo atualmente o formato oficial Esta estrutura apresentada na figura 19 IEEE 802 3 Length T byws 1 byte G bys 6 byes 2 byms 46 1500 byms 4 byws Figura 19 Estrutura da Mensagem segundo o standard IEEE 802 3 utilizada no protocolo Ethernet 24 Preamble SOF Serve para sincroniza o do hardware existente na rede utilizado no sistema de 10 Mbps Ethernet O preamble existe para permitir que os primeiros bits da mensagem possam ser perdidos devido aos delays que possam acontecer nos equipamentos Os sistemas mais recentes de 100 Mbps e 1000 Mbps utilizam mecanismos mais complexos para codifica o dos sinais o que elimina a necessidade de um pre mbulo Ainda assim mesmo nestes sistemas o pre mbulo transmitido de forma a que a estrutura permane a a mesma em todos os sistemas Ethernet 22 Destination Address Field e Source Address Field o endere o do destinat rio e do remetente da mensagem respetivamente Length Type Field Se neste campo o valor apresentado for igual ou inferior a 1500 este campo funciona como length field Assim indica o n mero de bytes de dados que ir o ser 24 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica transmitidos de seguida Se o valor for superior a 1536 este campo funciona como type field Assim neste camp
62. lletproof RS485 Interfaces Texas Instruments Outubro 1996 11 78 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Anexo A Esquema El trico Implementado 79 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica mma Ls O DOU CICER a pe os Es E l H p Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica INI JH 100HJS EM Lag pd mi Er um de Lad E que Gr Mt k Pg TIS HAI OE ooo na np Q L s E z Ea LA O Ras pauanbad4 apf JOPDIJDA E Dc Nii Ed At Ep 81 puts Sp sadosuas o0I0hr L ixan SHIS BOL 82 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica E A SOUL LICENCE gt Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica IN o Nox Talal shimis Snol Thermal Switch Sinal Thorral Swileh Date IFure lion Locations 27 20 Project Drawing nos fsqueno Elec rico sino Progostoto 2 bo a E l d4 SO a A Sinal Bolgi Emar Esquema de Enfrodos do PLE Entrados PLL e RO O RT O O 83 Frei aBtjS 53H UM FANS 2w a E RR
63. locidade m xima de 40000 rpm e bin rio m ximo de 0 97 Nm Este spindle possui um sistema autom tico de mudan a de ferramenta HSK E32 acionado pneumaticamente O arrefecimento do spindle feito por ar comprimido apresentada na figura 29 uma imagem deste equipamento bem como a legenda dos seus principais componentes Figura 29 Spindle PDS XLC 070 36 35 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Tabela 3 Elementos importantes presentes no Spindle XLC 070 36 Conector com 5 pinos para 3 fases el tricas e sensor de Ficha de Pot ncia temperatura Conector com 6 pinos para alimenta o e monitoriza o 2 Ficha de Comando dos sensores existentes Ar a 6 bar caudal de 155 min para arrefecimento e 3 Conector Ar de 6mm pressuriza o Coe Arden o comsor rieimm Arecselimpaniarrmmesn o MES E Este spindle recomendado para a maquinagem de diversos tipos de madeiras contraplacado MDF aglomerados de madeira pinho madeiras macias e alguns tipos de pol meros PVC pl sticos flex veis espumas r gidas tamb m poss vel a maquinagem de madeiras r gidas carvalho madeiras duras macieira ligas leves alum nio e pl sticos duros mas necessita de especial cuidado durante a maquinagem N o adequado para ligas de tit nio e n quel a os granito e pedra 36 Este spindle possui 4 sensores PNP que permitem monito
64. lor 1 Quando esta vari vel toma o valor l gico 1 aguardado um tempo de 0 2 segundo e a rotina terminada A figura 53 apresenta um esquema da evolu o temporal da sa da ativa nesta rotina Numero de Transi es Impares ntra e e o As 0055 auis ns Numero de Transi es Pares n transi es l ie o e Os 0 015 0 05s 0 015s e Figura 53 Esquema da contagem do n mero de transi es da sa da DOIO 19 set speed O c digo RAPID da rotina ligar spindle apresentado na figura 54 44 PROC ligar spindle num speed 45 set speed speed 46 set DOIDO 9 on off spindle 47 WaitDI DI10 9 handshake 1 48 WaitTime 0 2 49 ENDPROC Figura 54 Rotina ligar spindle Esta rotina utiliza a rotina set speed para o envio da velocidade indicada para o aut mato Ap s a conclus o da rotina set speed feito o set sa da DOIO 9 on off spindle e o programa espera at que a entrada DI10 9 handshake tenha o valor l gico 1 Quando esta vari vel tem o valor 1 aguardado um tempo de 0 2 segundo e a rotina terminada Foram tamb m elaboradas rotinas que permitem definir o sentido de rota o da ferramenta e que poder o ser utilizadas em qualquer ponto do programa principal mesmo com o spindle parado Estas rotinas s o apresentadas na figura 55 e na figura 56 65 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica 32 E Proc sentido inv
65. m portugu s Protocolo de Controlo da Transmiss o um protocolo de n vel da camada de transporte camada 4 do Modelo OST Durante a rece o de dados o protocolo TCP processa os pacotes enviados pela camada inferior do modelo OSI normalmente o protocolo IP colocando os pela ordem correta J que os pacotes podem chegar ao destinat rio fora de ordem verifica se os dados dentro dos pacotes est o ntegros e envia um sinal de confirma o ao transmissor confirmando que o pacote foi recebido corretamente e sem erros Se nenhum sinal de confirma o acknowledge for recebido ou porque o pacote n o chegou ao destinat rio ou porque os dados estavam corrompidos o transmissor enviar novamente o pacote perdido 29 Enquanto que o TCP reordena os pacotes e usa mecanismo de confirma o de rece o desej vel na transmiss o de dados existe um outro protocolo que opera nesta camada que n o tem esses recursos o protocolo UDP User Datagram Protocol Por essa raz o o TCP considerado um protocolo confi vel enquanto que o UDP considerado um protocolo n o confi vel O UDP tipicamente usado quando nenhum dado importante est sendo transmitido Como o UDP n o reordena os pacotes e nem usa mecanismo de confirma o ele mais r pido do que o TCP Durante a transmiss o de dados o TCP ir receber os dados passados da camada de Aplica o Application Layer e ir adicionar a estes um cabe alho Na rece o
66. ma press o de aproximadamente 7 bar Como referido anteriormente o spindle necessita de ar comprimido a 6 e a 2 bar 47 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Tabela 7 Caracter sticas necess rias no ar comprimido a ser utilizado no spindle Dimens o aceit vel das part culas Concentra o aceit vel de part culas 0 1 mg m Dimens o aceit vel das part culas de lubrificante 0 01 mg m Ponto de condensa o a 6 bar 3 C Ponto de condensa o a press o atmosf rica Com vista a cumprir os requisitos da norma ISO 8573 1 Classe 1 e os requisitos do spindle foi projetado um circuito pneum tico figura 36 que permite tratar e controlar o fluxo de ar a fornecer ao spindle durante o seu funcionamento Tool Actusor V E E Spindo cooling Spinde mm Eba amm 2 bar Ed Fa Tr TEINI 0 Fira 110 imin EE Z bar a ir Drier Fier amp Drain i A r gt am E Creep 3 0 O H d a ra il Figura 36 Circuito Pneum tico Utilizado 48 Spindo pressurizadon Hmm 2bar Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Este sistema incorpora numa unidade de tratamento de ar e num conjunto de electrov lvulas e pressostatos que levar o o fluxo de ar at ao spindle A unidade de tratamento de ar est instalada fora do arm rio el trico e constitu da por um um filtro de part culas de dimen
67. noso de cor verde marca Telemecanique Foi instalado um bot o de emerg ncia que est ligado ao controlador ABB IRC5 de modo a que quando atuado tanto o rob como o spindle parem o funcionamento Os conectores que foram instalados para o exterior s o tamb m de tipo f mea de modo a assegurar que nenhum utilizador apanhe um choque el trico por contacto com os pinos dos conectores O sinalizador luminoso instalado indica ao utilizador que o spindle se encontra em funcionamento A figura 35 apresenta o aspeto final do interior e exterior do quadro el trico 46 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Figura 35 Aspeto final dos componentes montados no interior esquerda e exterior direita do quadro el trico Sistema Pneum tico A qualidade do ar utilizado no spindle fundamental para o seu correto funcionamento e longevidade Em equipamentos que utilizam ar comprimido a probabilidade ocorrer condensa o da humidade presente no ar devido a varia es de press o e temperatura s o significativas Isto pode prejudicar gravemente o funcionamento dos rolamentos de precis o do spindle e a fiabilidade do sistema de fixa o da ferramenta Assim recomendado pelo fabricante que o ar utilizado cumpra a norma ISO 8573 1 Classe 1 como apresentado na tabela 7 O laborat rio onde o spindle est instalado j possui uma rede de ar comprimido que fornece ar a u
68. nsmitir tem de ser dividida em palavras e de seguida em bits sendo estes enviados individualmente como mostrada na figura 8 Utiliza normalmente um canal de transmiss o de dados que pode ser por exemplo uma linha de telefone normal 177 bit 5 BEEN fehiahrdz a E E Palapor 3 di nho gi 1 z tah drmerrferere Canal de Comunica o AE Receptor bit 6 Figura 8 Comunica o S rie 17 J a comunica o paralela conta com um canal de comunica o que permite transmitir v rios bits normalmente 7 ou 8 bits em simult neo em paralelo como representado na figura 9 Utiliza v rios condutores para transmiss o de dados 177 E f m riran a O m rrara ja arrra a E I E E I E E E CACCE TEL ELS AE AEL EIE TE TEH ETTEN EN Mensagem I i T I I i I i I Receptor Figura 9 Comunica o Paralela 17 Como vantagens a comunica o paralela r pida simples a n vel de hardware e software e boa para pequenas dist ncias J a comunica o em s rie possui um baixo custo adaptada a canais telef nicos e hertzianos e por isso boa para comunica es a grandes dist ncias A comunica o paralela muito utilizada para ligar perif ricos s portas do hardware central Os controladores de ecr de discos de um computador s o vulgarmente ligados ao hardware central por uma comunica o em paralelo maximizando se assim a velocidad
69. ntares como gt Timers permitem a implementa o de fun es de temporiza o gt Contadores contar eventos uma das atividades mais comuns na sua utiliza o Na maioria dos PLC existem contadores de alta velocidade para utiliza es mais exigentes gt Registos permitem a escrita e consulta de dados em mem ria Podem guardar desde bits a double words A capacidade de mem ria aumenta muito com a gama do PLC gt Opera es l gicas elementares permitem manipular informa o e construir sequ ncias l gicas de instru es essenciais ao seu funcionamento Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica gt Entradas e Sa das Digitais e Anal gicas s entradas podem ser ligados entre muitos outros dispositivos comutadores bot es sensores de proximidade pressostatos encoders sondas de temperatura etc As sa das s o utilizadas para atuar v lvulas motores atuadores pneum ticos ou hidr ulicos l mpadas rel s etc Alguns PLC tem um esquema modular permitindo a expans o de I O com m dulos dedicados a fun es espec ficas Possibilidade de liga o remota de modo geral todos os PLC permitem comunica es por liga es ponto a ponto normalmente por RS232 ou RS485 Os mais avan ados podem suportar redes Ethernet baseadas em TCP IP redes CAN e profibus etc Fun es matem ticas muito teis para c lculo de determinadas vari veis O n mero das p
70. ntrolo com a integra o de equipamentos diversos comunicando entre eles por diferentes tipos de liga es gt Configura o de diversos tipos de comunica es gt Conce o de um sistema pneum tico para cumprir os requisitos do sistema de refrigera o e do sistema autom tico de mudan a de ferramenta requeridos pelo equipamento gt Programa o de um aut mato num sistema com alguma dimens o e complexidade 5 2 Trabalhos Futuros No final deste trabalho passa a ser poss vel realizar pequenos trabalhos de maquinagem de materiais pl sticos espumas e alguns metais entre outros recorrendo ao sistema correntemente implementado Apesar de o sistema estar funcional e pronto a ser utilizado existem ainda alguns melhoramentos que podem ser implementados Assim como trabalhos futuros sugere se a implementa o da liga o Ethernet entre o controlador do rob e o aut mato Esta comunica o iria permitir aumentar a resolu o de velocidade no funcionamento autom tico e iria eliminar as sete linhas de I O dedicadas instaladas que seriam substitu das por um cabo Ethernet 70 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica A monitoriza o remota das condi es de opera o do spindle durante a opera o de maquinagem registo da velocidade corrente consumida tens o fornecida for as e bin rios entre outros seria tamb m um melhoramento consider vel ao sistema a
71. o identificado o protocolo que foi utilizado 22 Data Field cont m os dados a ser enviados que podem variar o seu n mero entre 46 a 1500 bytes FCS Frame Check Sequence tamb m chamado de Cyclic Redundancy Check CRC Este campo cont m valores utilizados para verifica o da integridade dos dados Neste campo s o enviados os coeficientes de um polin mio que s o calculados utilizando os dados do Destination Adress Field Source Adress Field Length Type Field e Data Field n o sendo utilizados dados do Preamble ou SOF Field 22 2 9 Protocolo ModBus Criado no ano de 1979 pelo fabricante de PLC s Modicon atualmente uma marca da Schneider Electric s Telemecanique o Modbus tinha como finalidade a comunica o entre n s duma rede multi drop baseada numa arquitetura master slave Rapidamente o Modbus foi implementado nos equipamentos de diversos fabricantes uma vez que sendo um protocolo aberto evita a necessidade de compra de licen as de outros protocolos 25 O Modbus original corria atrav s de RS232 mas posteriores implementa es suportam tamb m RS485 sendo uma vantagem uma vez que permite maiores dist ncias velocidades de comunica o e a possibilidade de usar uma rede multi drop utilizado em redes com arquitetura Master Slave Este protocolo que foi inicialmente usado em linhas de comunica o s rie atualmente tamb m usado em comunica es sem fio e redes TCP IP 26 comunica o em M
72. o Autom tico do GRAFCET 2 62 Figura 50 Ecr vis vel durante o Funcionamento Autom tico do Sistema 62 Pisura Rotina ativar Ssp me s Sa E 63 Fierro 2A KONA set SPECO rua abeiad es dns e OS EE DS O O o 64 XIV Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Figura 53 Esquema da contagem do n mero de transi es da sa da DOIO 19 set speed 65 Peura ote Rotina ligar Spindie a sissees si ess ivieDiosishessar abater Dire Obs passa dao id 65 Eisurado Rotina Sentido ANVELSO iron basais pude Es E Ng E Sa 66 Heura oo Rotina sentido dieles isa badnededs so isa da a nadelzoosi soda de adadcano 66 Figura 57 Evolu o da sa da DO10 14 sentido rotacao spindle dependendo da rotina GUNZ A sra e ai AR a Ra E A 66 Figura 58 Exemplo de aplica o das rotinas desenvolvidas ciccei ires 67 Figura 59 Aspeto final do spindle montado no rob ABB IRB2400 68 Figura 60 Spindle montado no rob ABB IRB 2400 e erre 68 XV Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica XVI Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Lista de Tabelas Tabela 1 C digos das fun es Modbus 27 erre eerrere erre reeneranaas 2 1 Tabela 2 Caracter sticas do rob ABB IRB 2400 1
73. odbus n o se prende apenas com dispositivos Inteligentes como micro controladores PLC s etc Tamb m existem sensores equipados com um interface Modbus de forma a poderem transferir informa o aos sistemas anfitri es O Modbus muito utilizado para a transmiss o de sinais de sensores atuadores e outros instrumentos de medi o para o controlador central do sistema Por exemplo um sistema de medi o de temperatura e humidade envia os resultados medidos para um computador central tamb m bastante usado em aplica es com sistemas SCADA s supervisory control and data acquisition 25 Atrav s de interfaces simples as mensagens Modbus s o enviadas para a rede num form comum Apesar da principal estrutura da mensagem do protocolo ser peer to peer o Modbus capaz de funcionar em ambas as redes point to point e multi drop 25 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica As liga es s rie Modbus podem ser feitas em dois modos b sicos de transmiss o ASCII ou RTU Remote Terminal Unit O modo de transmiss o em comunica es s rie define como as mensagens Modbus s o codificadas Usando Modbus ASCII a mensagem codificada no formato ASCII enquanto o formato Modbus RTU usa c digo bin rio o que reduz o seu tamanho permitindo maior transmiss o de informa o no mesmo espa o de tempo Todos os n s do mesmo segmento de rede Modbus devem usar o mesmo modo de transmis
74. oi adquirido ao mesmo tempo que este O variador Delta VFD VE VFD037V43A 2 Frame B adequado para motores de 0 75 KW a 3 7 KW Este variador possui as seguintes caracter sticas 32 33 ver tabela 6 gt Economia autom tica de energia a carga leve Prote o contra o sobreaquecimento do motor fun o PTC Fun o de desacelera o de energia de travagem Controlo de posi o Contro de malha fechada faixa de controlo de velocidade 1 1000 Controlo PID integrado 4 Ajustes de tempo de curva S acelera o desacelera o independentes Sintoniza o autom tica de par metros do motor e in rcia da carga Controlo de posi o por impulso E S Figura 32 Variador de Frequ ncia Delta VFD VE 38 39 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Tabela 6 Caracter sticas Variador Delta VFD VE VFD037V43A 2 40 Corrente de Sa da Nominal para Bin rio Constante Corrente de Sa da Nominal para Bin rio Vari vel Sa da m xima Aplic vel ao Motor 7 5 HP Trif sico Proporcional Tens o de o go N d aw M O Eo ae On q o q o y N N o e Q Tens o de Sa da M xima Entrada Frequ ncia de Sa da 0 00 600 00 Hz Corrente de Entrada Nominal 9 9 A Tens o Frequ ncia Nominal Trif sico 380 480V Toler ncia de Voltagem 10 Toler ncia de Frequ ncia 5 Possui tamb m uma porta RS485 a qual ser utilizad
75. om motor integrado o espa o livre limitado o que impede o uso de motores de grandes dimens es Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Este tipo de spindles est o geralmente limitados a uma velocidade m xima entre 12000 e 15000 rota es por minuto e podem encontrar se no mercado com pot ncias at cerca de 30HP 11 Nos spindles com motor integrado o motor montado dentro da estrutura e acoplado ao eixo do spindle Isto permite que o spindle atinga velocidades elevadas sem problemas adicionais relacionados com os esfor os induzidos pelas correias ou rodas dentadas O eixo do spindle posicionado por um conjunto de rolamentos de precis o Estes rolamentos podem necessitar de manuten o frequente 11 Neste caso as caracter sticas do spindle est o diretamente ligadas s do motor A pot ncia e velocidades m ximas do spindle est o limitadas s caracter sticas do motor n o sendo geralmente poss vel a substitui o deste por um de caracter sticas diferentes Assim a motor utilizado um dos crit rios mais importantes neste tipo de equipamento 11 Nestes equipamentos necess rio providenciar o arrefecimento do motor interno Este arrefecimento efetuado geralmente por ar ou gua As principais vantagens deste equipamento em compara o com os spindles acionados por correia s o 11 gt Velocidades m ximas mais elevadas a utiliza o de corre
76. or Francisco Freitas pelo acompanhamento e criticas contrutivas feitas ao longo deste projeto Gostaria tamb m de agradecer a ajuda do Assistente T cnico Eng Joaquim Silva pela ajuda na montagem dos diversos componentes e dicas para resolu o de problemas que foram surgindo A todos os meus colegas da op o de Automa o em especial ao Ruben Almeida Sara Fernandes e Daniel Angelino pela ajuda e conselhos que deram e pelos bons momentos de descontra o e companheirismo minha namorada C tia Lima Silva por todos os momentos de felicidade apoio e confian a que me d Por fim gostaria de agradecer minha fam lia em especial aos meus pais que s o um exemplo de vida para mim e sempre me apoiaram em todas as circunst ncias fazendo me perceber que nem sempre o caminho mais f cil o mais proveitoso Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica ndice INC SUO as aa A E IEA I ETEA A E ada AR RA OR RS O SOS T e O V AOS E E a T VH OEE a E O EEE A ENE a a e de dE IX DR a EA A AAA RR E XI Era T e O a E NG E E EA a a XMI Eistade Tapeli Senn a a a Di ini DA ia XVII Capitulo L Introdu o nri a DU La l LE MOda E E A AA Aa l bZ Objctimvos da dSn Oneca a a a 2 Capitulo 2 Estado da AE ea T E 3 2 RODOS TOdUSIHA I S a ri E E T E EG N 3 2 2 Rob s Industriais em O
77. os Tubo pneum tico PVC diam 4 mm 1 metros Raccord Raccord Raccord Tubo pneum tico Tubo pneum tico 89 90 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Anexo C Rotinas RAPID Desenvolvidas 91 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica MODULE Modulel PROC main WaitTime 1 ativar spindle ligar spindle WaitTime 10 desligar spindle desativar spindle WaitTime 5 ativar troca ferramenta libertar ferramenta prender ferramenta desativar troca ferramenta ENDPROC PROC ativar spindle Set DOIO 11 ativar spindle WaitTime 1 ENDPROC PROC ligar spindle Set DOIO 9 on off spindle WaitTime 1 ENDPROC Proc desligar spindle Reset DOIO 9 on off spindle WaitTime 1 ENDPROC Proc desativar spindle Reset DOIO 11 ativar spindle WaitTime 1 ENDPROC Proc ativar troca ferramenta Set DOIO 12 troca ferramenta spindle WaitTime 1 ENDPROC Proc libertar ferramenta Set DOIO 13 libertar ferramenta WaitTime 1 ENDPROC Proc prender ferramenta Reset DOIO 13 libertar ferramenta WaitTime 1 ENDPROC Proc desativar troca ferramenta Reset DOIO 12 troca ferramenta spindle WaitTime 1 ENDPROC ENDMODULE 92
78. os de precis o dimensional da pe a n o sejam muito elevados tem vindo a ganhar cada vez mais import ncia no mundo industrial uma vez que os rob s s o bastante adapt veis e flex veis f ceis de programar e possuem um custo relativamente baixo A maquinagem usando rob s industriais necessita que o rob esteja equipado com um spindle para fornecer a ferramenta de corte o movimento de rota o necess rio Como relatado ao longo deste relat rio este projeto passou pela instala o e implementa o de um spindle num rob industrial ABB IRB2400 A arquitetura de controlo do sistema a implementado passa pela utiliza o de um aut mato program vel que comunica com um variador de frequ ncia atrav s de uma liga o s rie RS485 e com o controlador do rob atrav s de 7 linhas I O dedicadas Com este sistema pode controlar se de a velocidade e sentido de rota o do spindle e a abertura e fecho do sistema autom tico de mudan a de ferramenta O sistema pode ser controlado manualmente pela consola HMI integrada ou pelo controlador IRC5 instalado O sistema final apresentado cumpre os requisitos funcionais que tinham sido inicialmente propostos sendo assegurados os cuidados indispens veis seguran a da utiliza o do equipamento H que referir que por indisponibilidade de hardware foi necess rio implementar a comunica o aut mato controlador do rob por meio de liga o via linhas de I O dedicadas substituto da liga o Ethern
79. oss veis fun es matem ticas depende muito da gama do PLC utilizado Fun es avan adas de controlo por exemplo blocos PID j constru dos e configur veis pelo utilizador uma das fun es normalmente existente nos PLC de gama m dia e alta 14 15 Atualmente os PLC apresentam velocidades de execu o da ordem de 0 5 a 1 8 us por Instru o o que uma performance bastante consider vel 15 A grande maioria dos PLC possui a estrutura representada na figura 5 Entradas Mem ria Digitais amp Programa Anal gicas saidas Mem ria Digitais amp Trabalho E E Anal gicas Figura 5 Estrutura caracter stica de um PLC 15 A CPU o elemento central do equipamento ela que monitoriza as entradas e atualiza as sa das de acordo com a programa o efetuada E tamb m respons vel por todas as opera es matem ticas por gerir timers contadores e outras fun es especiais A mem ria do programa 10 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica a zona de mem ria destinada a conter o programa em execu o sendo que os registos atualizados das entradas e sa das o registo das opera es matem ticas l gicas e registos do utilizador s o guardados na mem ria de trabalho 15 Os PLC funcionam normalmente em 4 etapas que est o apresentadas na figura 6 Estas etapas s o continuamente repetidas em loop d
80. pera es de Maquinagem ssesseesseesseesssesssessserssersserss 5 2e O DIRCE Seieren a la pl a aa ad ei a 6 Ze A tomatos Pro STAMANVEIS ratio ias Ta Eee TR a O a a 9 2 5 Meios de comunica o em ambientes industriais ciicii ci eeseeeereerererenes 12 26 Modelo OS Dadas pa a ia aa 14 PE E O O A E EA E A A A S O E A AD E 16 ZONED eraa AT AN E OE 21 29 Protocolo MOdDUS saia enredo a da a a EEE 29 AOTC P IP raia E PNR EAR SRD PR 28 XI Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Capitulo 3 Concecao e Especihicacad do SISTEMA sa as perisgsdApa sandes A A 33 31 Arquiteturado sistema de cono lo a usa pssressband E a ga cade 33 3 2 Principais componentes utilizados cc cr Ea EE rrenan renano 34 32 RODOADD IRD 2000 amas a epa AE SEDE CESSA 34 22 2 Controlador ABB IRCS dass ao inda bacon danada da da 35 323 OPd e PDS ALCO TO ana a E SR 39 3 2 4 Aut mato Unitronics Vision 330 sese a 38 dz Mador de PreQUeNCIA aspas ralar aos sairia ego nado guiar sanar so divina nd 39 3 Especiticacao dos FequisiLos do SISTEMA suas pasgua dada A ad 41 Capitulo H Imp lementa o do SISLCIA ss eras dass pao nessa Bad a Da ia pda 43 AT SOR mares UGZAdOS eneen a A 43 4 2 Instalacaoreletrneae phe umaH a psi sois ada Unai aA 45 43 Programacio do ANORMAL ssa sta sna da ves a Gg 50 do GRARCET Implementado ea 50 4 3 2 Implementa o dos Modos de Funcionamento do sist
81. piadas para o m dulo do programa principal que o rob ir seguir quando a utiliza o do spindle for necess ria Se a resposta do aut mato atrav s da linha de handshake n o funcionar o programa RAPID ficar bloqueado na primeira instru o enviada ao aut mato que dever ser ativar spindle ou ativar a troca de ferramenta Neste caso recomendado que se verifique se o aut mato se encontra em funcionamento ou se existe algum problema com a cablagem Ap s corrigido o problema o programa RAPID do controlador do rob deve ser reiniciado por forma a evitar maus funcionamentos do sistema A figura 58 apresenta um exemplo da poss vel utiliza o destas rotinas num programa RAPID de programa o de um rob PROC main 3 31 MoveJ Target 10 v1000 z100 Tooldata_ 1 W0bj wobj0 32 MoveL Target 40 2 v1000 z100 Tooldata 1i WObj Ferramenta 1 33 ativar spindle 34 sentido direto 35 ligar spindle 20000 36 MoveJ Target 10 vi000 2z100 Tooldata 1 WObj wobj0 37 MoveL Target 40 2 v1000 z100 Tooldata 1 W0bj Ferramenta 1 38 sentido inverso 39 set speed 25000 40 MoveL Target 90 2 v50 fine Tooldata 1 WO0bj Ferramenta 1 41 MoveL Target 140 2 v50 fine Tooldata 1 WObj Ferramenta 1 42 desligar spindle 43 desativar _ spindle 44 45 MoveJ Target 10 v1000 z100 Tooldata_ 1 W0bj wobj0 46 ativar troca ferramenta 47 libertar ferramenta 48 MoveL Target 90 2 2 v50 fine Tooldata 1YWObj
82. po passar a ser a velocidade de refer ncia quando for atuado o bot o Iniciar Rota o ou Alterar Velocidade Existem ainda outros dois bot es para altera o do movimento do spindle O bot o Alterar Sentido permite ao utilizador mudar o sentido de rota o do spindle A atua o do bot o Stop p ra o movimento do spindle Quando o estado da ferramenta n o pronto nenhum dos bot es de funcionamento Iniciar Rota o Alterar Sentido Stop e Alterar Velocidade s o vis veis Assim n o poss vel iniciar o movimento de rota o e apenas poss vel aceder ao ecr de mudan a de ferramenta figura 48 ou retroceder para o menu anterior figura 45 Ainda dentro do ecr da figura 46 poss vel aceder ao ecr para mudan a manual da ferramenta apresentado na figura 48 atrav s do bot o Trocar Ferramenta Quando o spindle est parado os bot es Alterar Velocidade Stop e Alterar Sentido n o se encontram vis veis Por outro lado os bot es Retroceder Troca Ferramenta e Iniciar Rota o n o est o vis veis quando o spindle est em funcionamento 58 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Figura 48 Ecr para a mudan a de ferramenta manual Neste ecr s o apresentadas algumas informa es do estado atual do sistema como o estado da ferramenta e o estado do s
83. r par caso contr rio ser mpar Por exemplo na mensagem 10100101 Se utilizar paridade par o bit de paridade ter o valor O Por outro lado se a 217 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica paridade for impar o bit de paridade ter o valor 1 Esta estrat gia apenas deteta erros quando um n mero impar de bits foi alterado durante a transmiss o da ser necess rio a utiliza o de outros mecanismos 26 Para al m disso frame checking calculado e enviado no final da frame No caso de Modbus RTU o m todo CRC Cyclical Redundancy Check utilizado enquanto em Modbus ASCII utilizado o m todo LRC Longitudinal Redundancy Check 27 Tanto o CRC como o LRC possuem 8 bits O emissor da mensagem calcula os valores e envia os no final da mensagem O recetor recalcula o CRC LRC e compara o com o que foi enviado no final da mensagem Se estes os dois valores n o forem iguais o recetor envia uma mensagem de erro 26 2 10 TCP IP O TCP IP um conjunto de protocolos de comunica o entre computadores ligados numa rede tamb m chamado de pilha de protocolos TCP IP O nome vem de dois protocolos o TCP Transmission Control Protocol e o IP Internet Protocol Este protocolo funciona normalmente em conjunto com Ethernet o seu suporte f sico preferencial Estes dois protocolos s o o suporte para a Internet utilizada abundantemente nos dias de hoje Atualmente
84. ramenta est conclu da esta toma o valor l gico O quer seja para agarrar uma nova ferramenta ou para fechar o sistema de fixa o sem nenhuma ferramenta montada Esta sequ ncia de opera es aqui apresentada ser melhor analisada em conjunto com as respetivas rotinas de programa o no subcap tulo seguinte 61 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica 4 3 7 Implementa o do Funcionamento Autom tico O Funcionamento Autom tico diz respeito ao funcionamento do spindle quando este controlado apenas pelo controlador IRC5 A comunica o entre estes dois equipamentos foi descrita em termos de hardware no subcap tulo anterior Aqui referida a implementa o de software que foi desenvolvida A parte do GRAFCET 2 que diz respeito ao funcionamento autom tico apresentado na figura 49 Aqui podemos ver que existem 2 a es distintas que podem ser executadas quando este modo est ativo a opera o de Ligar Desligar o Spindle e a opera o de troca de ferramenta Funcionamento Autom tico Ativar Troca Ativar Spindle Ferramenta Abrir Sistema Fixa o Bot o Concluido Ligar Spindle Fechar Sistema Fixa o Desativar ir Desativar Spindle Troca Ferramenta Fixa o Figura 49 Detalhe da parte de Funcionamento Autom tico do GRAFCET 2 O Funcionamento Autom tico ativado quando atuado o bot o Fun
85. rar uma alternativa para esta 59 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica comunica o entre o controlador do rob e o aut mato A solu o encontrada passa pelo recurso a uma comunica o utilizando as entradas e sa das digitais dispon veis existentes no controlador Assim sendo foram utilizadas 6 sa das digitais e 1 entrada digitais do controlador do rob A fun o de cada uma das entradas e sa das apresentada na tabela 9 Para que o controlador do rob possa especificar ao aut mato qual a velocidade de rota o do spindle foi adotada uma estrat gia de s usar uma linha de sa da e gerar nessa sa da um trem de impulsos proporcional velocidade desejada A sa da DO1IO 10 do controlador foi ligada a entrada O do aut mato Esta entrada pode ser configurada como high speed counter Assim foi implementado um contador que ir contar o n mero de transi es ascendentes e descentes que o sinal sofre durante 1 segundo a partir da primeira transi o ascendente do sinal Foram efetuados testes e verificado que o aut mato consegue detetar pelo menos 20 transi es ascendentes e descentes num segundo Tabela 9 Condutores utilizados na comunica o Aut mato Controlador IRCS Endere o Endere o Fun o Rob Aut mato DOlIO 9 Entrada 3 ON OFF Spindle Uma vez que o n mero de rota es m ximo do spindle s o 40000 rpm cada transi o d
86. rizar o seu funcionamento e o sistema autom tico de mudan a de ferramenta O sensor Sl regista a rota o do spindle Disponibiliza 2 impulsos por rota o do eixo do E cao J spindle Quando este sensor regista rota o n o seguro proceder a mudan a da ferramenta a ser Spina fiain Veio de Rota o utilizada O prop sito do sensor S2 registar se o sistema de fixa o da ferramenta est aberto ou fechado obrigat rio que o sistema de fixa o da ferramenta esteja corretamente fechado para uma utiliza o P j Figura 30 Esquema do sistema d l to segura do equipamento de mudan a de ferramenta 36 O sensor S3 regista se a ferramenta est corretamente 36 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica fixa O sensor n o ir ser atuado se existir uma m fixa o devido a detritos no cone ou outra qualquer interfer ncia O sensor S4 verifica se o mbolo do atuador de fixa o da ferramenta se encontra completamente recuado Isto assegura que o mbolo de atua o e o veio de rota o do spindle n o est o em contacto O contacto entre estes dois componentes pode levar a soldadura por fric o o que pode danificar ambos os componentes como esquematizado na figura 30 A tabela 4 apresenta as poss veis combina es dos sinais dos 3 sensores S2 S3 e S4 necess rios para controlo correto do sistema autom tico de mudan a de ferramenta Tabel
87. s es superior a 1 um um redutor de press o ajustado para 6 bar um filtro de coalesc ncia uma v lvula de fecho manual e um filtro de secagem drier A figura 35 mostra a unidade de tratamento de ar enquanto a figura 36 mostra os restantes componentes Figura 38 Sistema pneum tico 49 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica 4 3 Programa o do Aut mato 4 3 1 GRAFCET Implementado O Grafcet uma metodologia que surgiu com a necessidade do desenvolvimento de programas para controlo de processos sequenciais Ele n o pretende minimizar as fun es l gicas que representam a din mica do sistema O seu potencial reside na imposi o de um funcionamento rigoroso evitando desta forma incoer ncias bloqueios ou conflitos durante o funcionamento do mesmo Para al m disso uma metodologia de programa o estruturada que permite uma apresenta o sint tica do sistema de forma bastante clara Por estes motivos foi adotada esta metodologia para implementa o dos requisitos e funcionalidades propostas no cap tulo anterior O aut mato foi programado com programa o ass ncrona de modo a permitir mais do que uma transi o de estado por cada ciclo de funcionamento do aut mato Este facto importante no funcionamento do GRAFCET apresentado na figura 39 O GRAFCET da figura 40 apresenta o funcionamento que o sistema ter quando se encontra no Modo Normal
88. s o em s rie uma vez que um dispositivo configurado para funcionar em Modbus ASCII n o interpreta informa o em Modbus R TU e vice versa Em qualquer um dos modos de transmiss o s rie ASCI ou RTU uma mensagem Modbus colocada pelo transmissor num vetor que tem um in cio e fim conhecidos Isto faz com que os recetores iniciem a leitura no in cio da mensagem leiam o endere o e determinem qual o destinat rio da mensagem e saibam quando a mensagem terminou Caso algo de errado aconte a durante a transmiss o a resposta resultar numa mensagem de erro 4 __ MODBUS message 8 bits 8 bits N x 8 bits 16 bits Figura 20 Estrutura da Mensagem em Modbus RTU 28 2 chars 2 chars O up to 2x252 char s 2 chars CRLF Figura 21 Estrutura da Mensagem em Modbus ASCII 28 Todas as mensagens Modbus t m a mesma estrutura tendo quatro elementos b sicos sempre presentes 1l Device Adress 2 Function Code 3 Data 4 Error Check A sequ ncia destes elementos sempre a mesma em todas as mensagens O master da rede Modbus pode haver mais do que um inicia sempre a conversa o e aguarda a resposta do 26 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica escravo qual a mensagem foi endere ada Todos os outros escravos ignoram a mensagem se o endere o n o lhes corresponder 25 O primeiro par metro enviado em cada mensagem Modbus o endere o do r
89. s com outros protocolos que cobrem outros layers permitem que a comunica o entre os equipamentos 15 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica seja poss vel e segura A figura 10 apresenta alguns exemplos de protocolos e os respetivos layers do modelo OSI HTTP FTP DNS DHCP EBCDIC NDR RCP SSH SCP NetBios TCP UDP IP IPX ICMP ARP RARP Ethernet FDDI Frame relay Modem camada f sica ethernet Figura 11 Camadas do modelo OSI com exemplo de protocolos 18 2 7 RS 485 Uma das mais populares tecnologias para ligar equipamentos numa rede o RS 485 tamb m conhecido por EIA 485 O RS 485 baseado na transmiss o diferencial de dados o que o torna ideal para transmiss o em altas velocidades longas dist ncias e em ambientes prop cios a interfer ncia eletromagn tica Utiliza cabos com um ou dois pares de fios entran ados como meio de transmiss o e poss vel conectar at 32 dispositivos com carga unit ria na mesma rede Hoje em dia existem no mercado dispositivos com carga unit ria inferior a um e assim poss vel aumentar o n mero de dispositivos ligados mesma rede desde que a carga unit ria total dos dispositivos seja igual ou inferior a 32 16 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Walor m zimo da tens o 12 volts 6 volts 6 vol
90. s sensores existentes no spindle n o for a correta Outra qualquer condi o que n o garanta a seguran a na sua utiliza o Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Cap tulo 4 Implementa o do sistema 4 1 Softwares utilizados Para a implementa o do sistema de controlo foram usados quatro softwares que se revelaram importantes para a programa o e resolu o de problemas que surgiram durante o desenvolvimento do sistema Estes softwares foram Visilogic RobotStudio VFD Soft Windmill ComDebug O VisiLogic um software da Unitronics desenvolvido para a programa o dos aut matos da referida marca Este software possui os elementos de programa o normais dentro deste tipo de softwares como contactos abertos ou fechados blocos para c lculo matem tico somas multiplica es etc e blocos de convers o de vari veis etc e possui tamb m blocos para configura o das comunica es a efetuar que se revelaram bastante uteis durante a fase de programa o um software bastante intuitivo e f cil de utilizar Foi utilizado para programar todas etapas e a es dos GRAFCET s implementados bem como para construir todos os ecr s que surgem na HMI e implementar todas as comunica es com o variador de frequ ncia e o controlador do rob O software RobotStudio um ambiente virtual de simula o e programa o offline desenvolvido pela A
91. sta pronto a ser utilizado Figura 45 Ecr apresentado ap s a conclus o do ciclo de aquecimento 4 3 5 Implementa o do Funcionamento Manual O funcionamento manual do sistema iniciado quando o bot o Funcionamento Manual apresentado na figura 45 atuado Esta a o far com que a etapa 14 seja ativa e que o ecr da figura 47 surja na HMI Funcionamento Manual Bot o Retroceder Bot o Bot o Trocar Iniciar Rota o Ferramenta Ligar Motor a X RPM Bot o Cone luido Figura 46 Detalhe da parte de Funcionamento Manual do GRAFCET 2 F4 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Figura 47 Ecr para o Funcionamento Manual do Sistema Neste ecr s o apresentadas informa es do estado atual do sistema como o sentido de rota o o estado da ferramenta e a velocidade de refer ncia No ecr da figura 47 existe um campo onde poss vel selecionar a velocidade de refer ncia desejada Este valor pode ser alterado pela atua o das setas existentes sendo que por cada atua o o valor aumentado ou diminu do em 1000 unidades Este valor poderia ser menor mas foi feito um equil brio entre os requisitos da aplica o e o n mero de vezes que seria necess rio atuar as setas para atingir determinada velocidade O valor que este campo apresenta est limitado ao Intervalo entre O e 40000 rpm O valor que aparece neste cam
92. tente no laborat rio de Rob tica do Departamento de Engenharia Mec nica da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto A arquitetura de controlo do sistema a implementar passar pela utiliza o de um aut mato program vel que comunicar com o driver variador de frequ ncia do spindle atrav s de uma liga o s rie RS485 e com o controlador do rob atrav s de uma rede Ethernet As necessidades de comando do spindle passam por definir a velocidade de opera o sentido de rota o o comando on off do sistema pneum tico autom tico de mudan a de ferramenta e o comando on off do circuito de refrigera o a ar do spindle Na programa o do aut mato dever o ser implementadas as fun es de seguran a necess rias opera o do spindle o que requer a dete o da pressuriza o do circuito pneum tico da presen a de ferramenta do excesso de temperatura de funcionamento do spindle e da atua o dos bot es da emerg ncia instalados O sistema final deve possuir dois modos de funcionamento o Funcionamento Manual e o Funcionamento Autom tico No Funcionamento Manual o spindle controlado atrav s da HMI integrada no aut mato sendo que o utilizador indica os par metros de funcionamento J no Funcionamento Autom tico toda a opera o do spindle controlada pelo controlador do rob Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Cap tulo 2 Estado d
93. tidos em conta A temperatura no Interior do spindle no caso dos spindle com motor integrado e o bloqueio desbloqueio da ferramenta s o apenas dois dos par metros que t m de ser monitorizados durante o funcionamento do equipamento Durante as opera es de manipula o manuten o e repara o do spindle indispens vel que o spindle esteja parado e preferencialmente desconectado da corrente el trica 11 Existem spindles com uma pot ncia desde 100 W at 35 KW e com velocidades de rota o at cerca de 50000 rpm Existem ainda spindles especiais para maquinagem de pedra ou vidro 14 2 4 Aut matos program veis Os aut matos program veis vulgarmente conhecidos por PLC Programmable Logic Controllers s o elementos fundamentais nos sistemas modernos de automa o Estes equipamentos podem desempenhar diversas fun es como por exemplo coordena o geral do sistema aquisi o e processamento de dados gest o de diversos tipos de comunica es controlo local de baixo n vel de v rios sistemas entre muitos outros O primeiro PLC foi inventado por Dick Morley em 1969 Nesta altura os PLC surgiram como alternativa mais flex vel logica el trica eliminando a necessidade de substitui o de hardware para cada nova configura o l gica incrementando drasticamente as funcionalidades e reduzindo o espa o de montagem 16 Todos os PLC desde os mais elementares aos mais potentes possuem algumas capacidades eleme
94. tpage Como o Protocolo TCP IP Funciona Parte 1 1351 Acesso em 2012 06 14 14 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica 34 http under linux org albums magnun imagem para posts 2 146 7237 4 cabecalho tcp Acesso em 2012 06 14 35 http www novell com documentation suse9 suselinux adminguide html ch14 html Acesso em 2012 06 14 36 PDS PRECISE DRIVE SYSTEMS Operation Manual Spindle XLC XLA 070 PDS Dallas 37 http www unitronics com Series aspx page V1sion350 Acesso em 2012 06 14 38 http www wolfautomation com assets 15 VFD VEImi jpg Acesso em 2012 06 14 29 http www delta com tw product em drive ac motor ac motor product asp pid amp cid I amp itid 9 Acesso em 2012 06 14 40 DELTA ELECTRONICS VFD VE User Manual Delta Electronics Taiwan Dispon vel em http www delta com tw 75 76 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Bibliografia MARTINS IVO Introdu o aos Aut matos Program veis Texto de apoio s aulas Instituto Superior de Engenharia Universidade do Algarve 2010 SILVIO MARIANO GASPAR PEDRO Texto de Apoio s Aulas de Automa o Industrial Universidade da Beira Interior Portugal 2010 GOLDIE JOHN Ten ways to bu
95. ts 2 volts 200m WV A a Recetor ASAS SAP SELL DAGAA Emissor Oyolt 2 volts 6 volts 6 volts Valor minimo da tens o l2 volts Figura 12 Valores de Tens o correspondentes aos valores l gicos 0 e 1 19 Os circuitos emissores e recetores utilizados utilizam como informa o a diferen a entre os n veis de tens o em cada condutor do par entran ado Os c digos bin rios s o identificados pela polaridade ou da diferen a de tens o entre os condutores do par Quando a tens o 6 99 no condutor for maior que no condutor caracterizado um n vel l gico 1 Quando ao contr rio a tens o no condutor for maior que no condutor caracterizado um n vel l gico 0 Uma margem de ru do de 0 2 V definida para aumentar a toler ncia a interfer ncias O facto de se utilizar pares de condutores entran ados resulta no cancelamento dos ru dos induzidos no meio de transmiss o uma vez que se o mesmo ru do induzido nos 2 condutores a diferen a de tens o entre eles n o se altera e assim os dados mant m se inalterados 20 N o Terminada Ro E D Driver Transmissor R Receptor Termina o Bidirecional Figura 13 Diferentes tipos de termina o que podem ser utilizados 21 17 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Assumindo que o cabo de transmiss o suficientem
96. tual A implementa o da liga o Ethernet entre o controlador do rob e o aut mato iria simplificar bastante a monitoriza o do sistema A constru o de uma nova cablagem de maior extens o do que a atual seria tamb m importante para a utiliza o do rob com menos limita es nas duas desloca es 71 2 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Refer ncias 1 http www citi pt educacao final trab final inteligencia artificial robotica html acesso em 2012 06 14 2 http olhomagic blogspot com 2011 03 de onde vem palavra robo html acesso em 2012 06 14 3 KOREN YORAM Robotics for Engineers McGraw Hill 1985 4 ISO ISO Standard 8373 1994 Manipulating Industrial Robots 1994 5 ZHANG HUI et al Machining with Flexible Manipulator Toward Improving Robotic Machining Performance International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics 2005 6 WORLD ROBOTICS Executive Summary of World Robotics 2011 Industrial Robots and Service Robots 2011 7 http spectrum 1eee org robotics industrial robots the rise of the machines 0 acesso em 2012 06 14 8 ABELE E WEIGOLD M ROTHENBUCHER S Modeling and Identification of an Industrial Robot for Machining Applications Institute of Production Management
97. uran a o ecr a figura 41 apresentado na HMI As condi es de seguran a n o verificadas s o indicadas com o indicador de cor vermelha enquanto as verificadas s o indicadas com a cor verde O bot o Confirmar estar vis vel apenas quando todas as condi es de seguran a est o verificadas A atua o deste bot o faz com que o sistema entre no Modo Normal Uma vez no Modo Normal poss vel operar normalmente o sistema de acordo com o apresentado no GRAFCET 2 Quando uma das condi es de seguran a n o verificada o sistema entra no Modo de Seguran a a movimenta o do rob e a rota o do spindle s o imediatamente paradas e o estado do GRAFCET 2 for ado para a etapa 4 etapa segura em que o sistema est parado de modo a garantir o funcionamento seguro do sistema 4 3 3 Implementa o da comunica o Aut mato Variador de Frequ ncia O funcionamento do sistema envolve obviamente a troca de mensagens entre o variador de frequ ncia e o aut mato A comunica o entre estes dispositivos feita por RS485 e utilizando o protocolo MODBUS A porta RS 485 do aut mato e a porta RS485 do variador de frequ ncia n o apresentam o mesmo pin out Assim foi necess rio fazer um cabo espec fico para esta aplica o que est esquematizado na figura 42 Foram utilizados os 4 terminais da porta do aut mato dedicados a RS232 para serem ligados ao computador pela porta s rie existente para transf
98. urante o funcionamento do equipamento IN CIO Leitura entradas Actualiza o N Sa das N Execu o Programa Figura 6 Ciclo de funcionamento de um PLC 16 Geralmente a programa o do PLC pode ser efetuada segunda a norma IRC 61131 em 16 e Diagrama de Blocos Funcionais FBD e Texto Estruturado ST L2 e Lista de Instru es Booleana IL Diagrama Ladder LD GRAFCET SFC e Os PLC de gama baixa n o suportam normalmente todas estas linguagens As mais comuns de serem encontradas s o a programa o por diagrama Ladder LD ou por blocos funcionais FBD Hoje em dia existem v rios tipos de PLC dimensionados para diversos tipos de aplica es sendo os mais poderosos verdadeiros computadores industriais com elevada performance 11 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica 2 5 Meios de comunica o em ambientes industriais Em todas as comunica es necess rio existir um transmissor e pelo menos um recetor O principal objetivo permitir o envio de informa o do transmissor para um ou v rios recetores Assim necess rio existir um meio que lhes permita comunicar entre si A comunica o pode ser realizada por condutores el tricos cabos de fibra tica radia o eletromagn tica redes wireless entre outros A figura 7 ilustra os 3 modos de comunica o normalmente utilizados em comuni
99. utro par os dados transmitidos no sentido Dispositivos da Rede Conversor par de rece o do conversor 20 20 Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica PC e Conversor Barramento RS485 Gerindo a Rede i Rze Rz O Tr Tx DISPOSITIVO 4 Figura 17 RS 485 Full Duplex a 4 fios 20 2 8 Ethernet Ethernet a tecnologia LAN Local Area Network mais utilizada nos dias de hoje A Ethernet surge em 1973 quando Bob Metcalfe escreve um artigo descrevendo como o sistema Ethernet por ele inventado que permitia conectar diferentes esta es de trabalho sendo poss vel enviar dados de uma esta o para a outra e ainda para impressoras O sistema desenvolvido baseava se num sistema existente na altura o sistema Aloha Este sistema tinha sido desenvolvido na Universidade do Havai no final dos anos 60 para ser utilizado em comunica es de r dio entre as diferentes ilhas existentes no arquip lago 22 O algoritmo usado pelo sistema Aloha bastante simples qualquer esta o pode enviar dados quando mais lhe convier e depois aguarda a confirma o da rece o dos dados pela esta o de destino Se n o receber nenhuma confirma o num espa o relativamente curto de tempo a esta o assume que outra esta o estava a transmitir ao mesmo tempo e assim ocorreu uma colis o na transmiss o dos dados Assim a esta o que deveria receber a mensagem n o recebeu n
100. ware Windmill ComDebug cc erre 45 Figura 35 Aspeto final dos componentes montados no interior esquerda e exterior direta do quadro cleric Onean upa al a 47 FPizura S6 Circuito Eneum nico Utilizado visai E E E CR 48 Figura 37 Unidade de tratamento de ar utilizada cc eee errre renas 49 Fioura SS Sistema Preus iC O amarga staind RD a E O R 49 Figura 39 GRAFCET 1 modos de funcionamento cicee erre eerererereeaa 50 Figura 40 GRAFCET 2 sequncia de opera o ce re eereeeeerrerenereereeneneenano 51 Figura 41 Ecr apresentado no Modo de Seguran a ci erre erere renas 32 Figura 42 Esquema do cabo utilizado nesta aplica o senessessseessserssserssserssseressersseerssee 53 Figura 43 Ecr apresentado para sele o do ciclo de aquecimento eesseeeeseeeeseeesseeesse 55 Figura 44 Ecr s apresentados durante a realiza o do ciclo de aquecimento direita no ciclo de aquecimento normal esquerda no ciclo de aquecimento prolongado 56 Figura 45 Ecr apresentado ap s a conclus o do ciclo de aquecimento 57 Figura 46 Detalhe da parte de Funcionamento Manual do GRAFCET 2 57 Figura 47 Ecr para o Funcionamento Manual do Sistema c irreais 58 Figura 48 Ecr para a mudan a de ferramenta manual e errar 59 Figura 49 Detalhe da parte de Funcionament
101. za o de um Robot Stiffness Model para compensar as deforma es sofridas durante a maquinagem 5 a varia o da velocidade de rota o do spindle para redu o de vibra es 10 entre outros foram elaboradas e demonstraram bons resultados tornando cada vez mais vi vel a utiliza o de rob s neste tipo de aplica es Uma vez que estas estrat gias n o pertencem ao mbito desta disserta o n o ser o aqui abordadas em mais detalhe Figura 3 Exemplo de um Rob equipado com um spindle numa opera o de maquinagem 9 2 3 Spindles Para estas aplica es de maquinagem s o normalmente utilizados spindles ou motores rvore montados no extremo do manipulador rob tico como mostrado na figura 3 de modo a fornecer o movimento de rota o necess rio ferramenta de corte bem como a pot ncia necess ria para a opera o As caracter sticas mais importantes para caracterizar um spindle s o 11 a Potencia Nominal e Bin rio b M xima e M nima Velocidade de Rota o c Tipo e Tamanho de Ferramenta a utilizar d Tipo de refrigera o e Peso Conce o e instala o de um controlador de um spindle para integra o em c lula rob tica Existem basicamente dois tipos de spindles os spindles com motor integrado Integrated Motor Spindle e os spindles acionados por correias Belt Driven Spindle A figura 4 apresenta um exemplo de cada um dos tipos Figura 4 Um spindle com motor integr

Conceção e instalação de um controlador de um spindle para

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