Packaging con varios robots compartiendo la zona de trabajo

El punto de inicio en la industria del packaging

El "pick&place" automatizado está generalmente asociado a un incremento de la productividad. Aquí, la referencia es el número de productos por minuto que se pueden colocar con éxito en la posición destino. Con el fin de obtener los resultados óptimos, se requiere una programación muy depurada con una predicción en el seguimiento de la cinta transportadora.

La productividad disminuye en el momento en que el robot tiene momentos de espera y en consecuencia el robot está parado. Este puede ser el caso, por ejemplo, si el flujo de producto sobre la cinta transportadora se interrumpe y no hay ningún producto a recoger en el área de trabajo. El robot ha de esperar incluso habiendo producto hasta que éste ha llegado a la zona apropiada, y en estos casos podría suponer una inactividad del robot durante algunos segundos.

Estos problemas son causados por la falta de planificación en las trayectorias. Como regla general los sistemas Motion/PLC pueden calcular con antelación un sólo segmento de movimiento, lo que significa un alcance de planificación limitado, y da como resultado un tiempo de inactividad que penaliza la productividad.

Este tiempo de inactividad con productividad limitada se puede observar también cuando los robots comparten un mismo área de trabajo. Independientemente del hecho de que es necesario elaborar un sistema de bloqueo para el área de trabajo compartida, los robots una y otra vez se ven obligados a la inactividad cuando se acercan al área de trabajo por que dicha área está ocupada por otro robot.

Problemas comunes de los sistemas de control convencionales.

Operaciones "Stop & Go " : Hacen referencia a las bruscas frenadas seguidas de unas rápidas aceleraciones del robot. Además de suponer un mayor consumo de energía debido a las numerosas frenadas y aceleraciones en los procesos, esto supone también una presión adicional a los elementos mecánicos del robot. El riesgo de paro de una instalación aumenta debido a las vibraciones adicionales. Los efectos del "Stop & Go" por lo tanto suponen unas intervenciones de mantenimiento mas frecuentes y en el peor de los casos, una limitación en las velocidades y aceleraciones máximas del robot, lo que reduce aún mas la productividad.

Pérdida de tiempo: Los tiempos muertos son una maldición para la productividad especialmente en los robots. Los constantes "Stop & Go"tienen un impacto negativo en el rendimiento del "Pick&Place". Para conseguir los tiempos deseados, el robot debe siempre acelerar desde parado, lo que implica un valioso coste de tiempo y energía.

Espacio de trabajo limitado : La falta de una antelación en la planificación de trayectoria, obliga al usuario a configurar el área de trabajo del robot siguiendo el caso más desfavorable. Lo cual podría significar que el área de trabajo utilizada sea la mitad de la teóricamente disponible. Esto está provocado por el hecho de que el robot no puede aproximarse a la pieza a recoger hasta que ésta no entra en el área de trabajo. Como resultado del área de trabajo reducida el número de producto en la cinta es menor y el volumen del 'buffer' de piezas está mas restringido. El robot no puede compensar las fluctuaciones de flujo de producto. En algunos casos, será necesario el uso de un robot adicional para conseguir la productividad deseada.

Figura 1

Figura 1: La limitación s en el área de trabajo es el resultado de multiplicar el tiempo t por la velocidad de la cinta transportadora v. El tiempo t es la duración del movimiento desde la posición de dejada hasta la posición de cogida.

Ejemplo: Un robot tipo delta tiene un diámetro de trabajo de 1.400 mm. El tiempo t desde la zona de dejada hasta la zona de cogida es de 300 ms. Si la velocidad v de la cinta es de 800 mm/s el resultado es una limitación s de 240mm, lo que implica una reducción del área de trabajo de 480mm y sólo alrededor del 35% de la teórica área de trabajo

Ayuda desde KeMotion gracias a la previsión de trayectoria "Intelligent Motion"

El especialista en control robótico KEBA, ha tomado precisamente estos retos y ha añadido la opción "Intelligent Motion" al sistema KeMotion Packaging para robots de packaging.

Esto significa, que ahora es posible incluir una planificación de trayectoria del robot con los elementos externos, por ejemplo otros robots u otros productos móviles en la cinta transportadora.

La anticipación de planificación de trayectoria permite al sistema de control reaccionar a los eventos futuros en el momento adecuado y así usa de forma automática la estrategia más inteligente en el sentido de mejorar la productividad sin la necesidad de una programación adicional.

Beneficios a través de una innovadora combinación de control de Robot y PLC

KeMotion combina las altas prestaciones del control de un robot con la programabilidad libre del PLC y todo ello sobre una plataforma de hardware común. La gestión de los procesos cíclicos y el control de los equipos periféricos se manejan desde el entorno CoDeSys. Por otro lado, el sistema robótico basado en eventos, es responsable de toda la planificación de los movimientos del robot, teniendo en cuanta la dinámica óptima. Esta combinación única, permite usar ambas tecnologías simultáneamente con un resultado optimizado para cada aplicación.

KeMotion controla hasta 64 servo-ejes. Con un sólo sistema de control, pueden ser controlados hasta 8 robots.

El amigable lenguaje de KEBA llamado KAIRO, es el utilizado en la programación del robot.

KAIRO contiene un fácil conjunto de comandos típicos de robot auto explicativos con instrucciones claras y sencillas.

Los programas KAIRO pueden ser escritos y modificados offline en un PC y también directamente sobre la máquina. Al contrario de los demás sistemas convencionales de mercado, un programa típico de Pick&Place escrito en KAIRO necesita sólo unas pocas líneas.

Este modo representativo tan claro hace más fácil para el usuario crear secuencias de movimiento.

Sólo un buen sistema de control sabe cuando el robot estará allí.

El programa KAIRO es interpretado 'online' desde el sistema de control Kemotion. El modo "Intelligent Motion" entra en juego aquí, y puede procesar hasta 30 lineas de programas KAIRO en anticipación y determina el trayecto de movimiento a realizar. Esto significa que el sistema de control puede saber exactamente con antelación cuando un robot estará en cierta posición de la cinta segundos antes de que el centro de su herramienta alcance dicha posición. Además de la posición, también se tienen en cuenta la velocidades y aceleraciones. De este modo, los picos no deseados en los procesos dinámicos pueden ser evitados con efectividad.

Con el fin de tener en cuenta los eventos externos como la velocidad establecida, paros de máquina, señales de seguimiento, etc.. la comprobación y cualquier corrección de la trayectoria tiene lugar en el ciclo de interpolación.

"Intelligent Motion" mejora esta sofisticada planificación de la trayectoria, y aún más, también tiene en cuenta los objetos que son ajenos al robot.

La clave del beneficio obtenido es que el patrón de tiempo de estos objetos está integrado en los cálculos.

Un ejemplo tomado de la vida real muestra claramente el principio de funcionamiento.

Imagínese que conduce su coche y se aproxima a un cruce con semáforo. La luz está roja y otro coche pasa en ese momento perpendicular por el cruce. Encima del semáforo hay una pantalla que le indica cuanto tiempo el semáforo permanecerá en rojo.

Gracias a esta información, usted podría ajustar la velocidad de su coche para no tener que parar. Dado que conoce cuando le será permitido seguir, podrá ajustar su velocidad sin parar incluso cuando la luz es roja, esto es debido a que conoce cuando el semáforo cambiará a verde.

La ventaja de esta pantalla es que el coche no tiene que pararse y como resultado usted puede atravesar el cruce a la máxima velocidad en cuanto el semáforo cambia de nuevo a verde. Esto significa que usted llegará a su destino lo antes posible y que también ahorrará gasolina al mismo tiempo.

Siempre deberá observar la pantalla y el semáforo por supuesto y siempre estará en disposición de hacer una frenada de emergencia, por ejemplo si otro coche se para de repente en el medio del cruce.

Si esto lo transferimos a dos robots trabajando en un área compartida, esto significa que uno de ellos dice al otro robot cuanto tiene que esperar en el área de trabajo utilizando la planificación con antelación. El segundo robot automáticamente optimiza la velocidad de su trayectoria basándose en la información del tiempo dada.

Y si lo llevamos un paso más allá, en una aplicación "pick&place" significará que el sistema de control KeMotion conoce cuando un producto va a llegar al área de trabajo del robot.

Basándose en la posición actual del robot, la velocidad de aproximación hacia el producto que va a entrar puede ser calculada de forma que pueda recoger el producto en cuanto éste entra en el área de trabajo. Como resultado se obtienen grandes optimizaciones en el área de trabajo y el rendimiento se incrementa considerablemente.

Figura 2

Figura 2: Una pantalla indica cuanto tiempo el semáforo estará en rojo. El coche se dirige a la velocidad máxima adecuada a la cual podrá pasar sin tener que detenerse por el semáforo

Mejor Rendimiento, movimientos mas suaves y menor consumo de energía.

En las aplicaciones "pick&place" los robots de flujo de producto desordenado están constantemente condenados al azar a tiempos de inactividad. Esto se evita ingeniosamente con la característica "Intelligent Motion" resultando un incremento significativo del rendimiento.

Gracias a esta previsión de la planificación del movimiento y teniendo en cuenta los objetos externos, se puede llegar a ganar hasta un 10% en tiempo, sólo con KeMotion y sin la necesidad de programación adicional.

Además de esta previsión de trayectoria se maximiza el área de trabajo. Los productos son recogidos en el tiempo mas corto posible. De esta forma el robot compensa de forma eficiente cualquier fluctuación de flujo de producto y así puede acceder a la cinta con un más amplio margen de tiempo.

En operaciones en planta, se puede observar claramente que los robots controlados desde KeMotion se mueven mucho mas suaves que otros robots con control tradicional. Gracias a la previsión de la trayectoria de movimiento los constantes paros y arranques que se producen en los robots que trabajan en un mismo área son ya cosa del pasado.

La reducción en la tensión mecánica, menores vibraciones de la máquina, reducción del consumo de energía con mejor rendimiento e incremento de la productividad, son algunas de las ventajas prácticas para el usuario.

En pocas palabras, la previsión de la trayectoria "Intelligent Motion" con KeMotion de KEBA viene con un gran potencial de ahorro.

Como resultado, los costes de energía y el mantenimiento que se necesita en planta se reducen.

Además de esto, la productividad también se incrementa y los tiempos de ciclo se reducen.

En definitiva, un conocido principio de las lecciones de conducción de coche se puede aplicar también en robótica : "Si piensas un paso por delante, llegarás a tu destino más seguro, mas barato y en menos tiempo."

Figura 3

Figura 3: Se muestran las gráficas de posición, velocidad y aceleración de una trayectoria convencional en rojo, comparada con una gráfica con "Intelligent Motion" de KEBA en verde. La cinemática roja, debe esperar a una señal externa durante un tiempo T1 (tiempo espera) mientras la cinemática verde es informada en t0 del tiempo de espera y reduce su velocidad acorde a este tiempo t0. Esto significa que la cinemática verde acabará antes su movimiento T2

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Entrevista a Jose Maria Mora : Comercial INTRA AUTOMATION, S.L. especialistas en Motion Control