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“DISEÑO DE CELDA ROBOTICA MARCA WEST ARCO/ABB, PARA PROCESO DE SOLDADURA POR ARCO, POR MEDIO DEL SOFTWARE ROBOTSTUDIO ABB”
31 de mayo de 2011
AUTOR: Miguel Ernesto Romero Duarte
DIRECTOR INTERNO: Ing. Wilson Infante Moreno DIRECTOR EXTERNO: Ing. Jaime Humberto Sanchez Jefe Centro de Servicio Equipos y Automatización
Ingenieria en Control - Facultad Tecnológica Universidad Distrital Francisco Jose de Caldas 1
Índice 1. INTRODUCCIÓN
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2. ROBOT INDUSTRIAL 2.1. Morfología del Brazo Articulado . . . . . . . . . . . 2.2. Brazo Robotico ABB IRB 1600ID . . . . . . . . . . 2.2.1. Fiable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2. Rápido . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3. Preciso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4. Potente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5. Versátil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3. SOFTWARE DE SIMULACION ROBOT STUDIO 2.3.1. Herramientas . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4. PARAMETROS DE CINEMATICA DIRECTA . . 2.4.1. Parámetros de Denavity Hartenberg
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5 . 5 . 5 . 6 . 6 . 6 . 6 . 7 . 7 . 8 . 10
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3. ESTADO DEL ARTE
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4. JUSTIFICACIÓN
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5. DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
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6. OBJETIVOS 13 6.1. Objetivo General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 6.2. Objetivo Específico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 7. ALCANCES Y LIMITACIONES 14 7.1. Alcances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 7.2. Limitaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 8. RESULTADOS
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9. METODOLOGÍA
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10.CRONOGRAMA
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11.PRESUPUESTO
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Índice de figuras 1. 2. 3. 4.
Morfologia . . . . . . . . Locomocion . . . . . . . IRB 1600 ID . . . . . . . Celda Robótica Simulada
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1.
INTRODUCCIÓN
En la actualidad, la robótica industrial, ha generado un cambio dentro de los procesos de fabricación de automóviles, electrodomésticos, autopartes y elementos donde la salud e incluso la vida del operador o el usuario final pueden estar en riesgo. Por esta razón hoy en día, son confiados estos procesos a brazos robóticos, que soldan, cortan, pegan y realizan tareas con mayor productividad y calidad que el ser humano. En esta ocasión en especial, enfocaremos nuestro estudio, hacia el sector autopartista y el proceso de soldadura por arco GMAW[?], solucionando problemas de calidad y productividad en la fabricación de tolvas de camiones de carga pesada por medio de una celda robótica, compuesta por un robot especializado en el proceso de soldadura llamado IRB 1600ID marca ABB y una fuente de soldadura Auto-Axcess 450 marca Miller[?, ?, ?]. Se planteará una solución virtual por medio del software de simulación RobotStudio de ABB y con la colaboración en cuanto a la aplicación de soldadura, por parte de la empres Soldaduras West Arco Ltda. con el fin de presentar una propuesta al cliente final, que se encuentra interesado en adquirir un sistema de automatización programable robotizada. Comercialmente, se plantea como estrategia, realizar una simulación virtual de la celda robótica que se ofertara al cliente, con el fin de demostrar el funcionamiento del sistema robotizado y del resultado final de la inversión a realizar. Dentro de la fabricación de autopartes, es necesario implementar tareas realizadas por brazos robóticos industriales, por esta razón se decide realizar, por parte de la compañía West Arco, la incursión en el mercado de automatización y mecanización de soldadura por arco; en este orden de ideas, en cuanto a sistemas de automatización robotizada, se decide realizar una simulación en un software suministrado por la empresa que se va a representar en este mercado, con el fin de presentar propuesta y presentaciones mas solidas y puntuales a el cliente final, generando buenas expectativas e introduciendo al cliente en el nuevo sector de automatización industrial.[?]
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2.
ROBOT INDUSTRIAL
Existen ciertas dificultades a la hora de establecer una definición formal de lo que es un robot industrial. La primera de ellas surge de la diferencia conceptual entre el mercado japonés y el euro-americano de lo que es un robot y lo que es un manipulador. Así, mientras que para los japoneses un robot industrial es cualquier dispositivo mecánico dotado de articulaciones móviles destinado a la manipulación, el mercado occidental es más restrictivo, exigiendo una mayor complejidad, sobre todo en lo relativo al control. En segundo lugar, y centrándose ya en el concepto occidental, aunque existe una idea común acerca de lo que es un robot industrial, no es fácil ponerse de acuerdo a la hora de establecer una definición formal. Además, la evolución de la robótica ha ido obligando a diferentes actualizaciones de su definición.[?] La definición mas comúnmente aceptada posiblemente sea la de la Asociación de Industrias Robóticas (RIA)[?], según la cual: Un robot industrial es un manipulador multifuncional reprogramable, capaz de mover materias, piezas, herramientas, o dispositivos especiales, según trayectorias variables, programadas para realizar tareas diversas.
2.1.
Morfología del Brazo Articulado
Robot industrial es Anatomía de un brazo Humano; brazo articulado conformado por cuerpo, brazo, codo y muñeca. Cadena cinemática abierta formada por eslabones interrelacionados mediante articulaciones. (ver Figura 1).
2.2.
Brazo Robotico ABB IRB 1600ID
Robot dedicado a la Soldadura al arco En el IRB 1600ID (Integrated Dressing), todo el cableado y las mangueras del proceso de soldadura pasan por el interior del brazo superior del robot, haciendo de este robot, la herramienta perfecta para la soldadura al arco. El paquete de mangueras incluye todo lo necesario para las aplicaciones de soldadura al arco, incluyendo la potencia, hilo, gas y aire.[?] El concepto de movimiento hacia atrás, así como las diferentes opciones de montaje (en la pared, en el suelo, o con inclinaciones de la base de +-30º) hacen del IRB1600ID un robot versátil, preparado para cumplir con las más elevadas exigencias de una producción e integración flexibles. [?] 5
Figura 1: Morfologia 2.2.1.
Fiable
Alta disponibilidad Los fallos en el cableado de procesos son una causa común de paradas de producción impredecibles. Con el IRB1600ID los fallos en el cableado se reducen al mínimo debido a que todo el cableado pasa a través del brazo superior facilitando la predicción de sus movimientos y en consecuencia aumentando su vida útil. 2.2.2.
Rápido
Reducidos tiempos de ciclo Más rápido que cualquier otro robot de la competencia en su clase.
2.2.3.
Preciso
Calidad uniforme de las piezas producidas La programación de soldadura al arco con robots convencionales es siempre arriesgada, debido principalmente a los movimientos impredecibles de la manguera de proceso, los programadores tienen que utilizar su imaginación para asegurar que el cableado no colisionará con piezas y utillajes durante el proceso. Una repetibilidad extraordinaria (± 0,05mm) y una muy buena precisión en trayectoria. 2.2.4.
Potente
Utilización Optima Capacidad de carga de 4Kg y un alcance máximo de 1.5m.
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Figura 2: Locomocion 2.2.5.
Versátil
Accesibilidad incrementada La integración del cableado y mangueras permiten que el robot sea de menor tamaño. Esto extiende el área de trabajo real del robot, un factor crucial al soldar en utillajes con una geometría compleja. También elimina el riesgo de dañar el cableado y mangueras en caso de la colisión con el utillaje.
2.3.
SOFTWARE DE SIMULACION ROBOT STUDIO
! Programar offline con la Tecnología de Robot Virtual (VRT) es como tener el robot real en el PC ¡ [?] La programación offline es la mejor forma de aumentar la rentabilidad de la inversión en sistemas de robots. La simulación de ABB y el software de programación offline RobotStudio permiten programar los robots en un PC sin necesidad de parar la producción. También se pueden preparar los programas de los robots anticipadamente, lo que implica un aumento de la productividad.[?] RobotStudio aporta herramientas que aumentan la rentabilidad del sistema de robots, pues permite realizar tareas tales como formación, programación y optimización de programas sin alterar la producción. Esto añade muchas ventajas, entre ellas: Reducción de riesgos Arranques más rápidos Menor tiempo para modificaciones Aumento de la productividad[?] RobotStudio se basa en el controlador virtual de ABB, una copia exacta del software real que emplean los robots en la producción. Ello permite ejecutar simulaciones muy realistas, utilizando programas de robots reales y archivos de configuración idénticos a los que se emplean en la fábrica.
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2.3.1.
Herramientas
Importar CAD RobotStudio puede importar fácilmente datos de la mayoría de formatos CAD incluyendo IGES, STEP, VRML, VDAFS, ACIS y CATIA. Trabajando con estos datos muy exactos, el sistema permite al programador generar programas de robot más precisos, lo que implica una alta calidad de la producción. AutoPath™ Es una de las características del RobotStudio que permiten ahorrar tiempo. Usando un modelo CAD de la pieza que debe procesarse, es posible generar automáticamente las posiciones del robot que se necesitan para seguir una curva en unos minutos, que de otra forma se necesitarían horas o días. Editor de Programas El editor de programas (ProgramMaker) genera los programas del robot programas y le ayuda a desarrollar y mantener los programas del robot offline en un entorno Windows. El tiempo de programación se reduce drásticamente y se mejora la estructura del programa. Optimización de trayectoria RobotStudio puede detectar automáticamente y avisar cuando un programa incluye movimientos cerca de una singularidad, para que se tomen las medidas pertinentes para evitar estas situaciones. El Monitor de Simulación es una herramienta visual para la optimización de los movimientos del robot. Unas líneas rojas indican que posiciones se deben modificar para que el robot se mueva de la manera más efectiva. Es posible optimizar la velocidad del TCP, aceleración, singularidades o ejes para reducir el tiempo de ciclo. Autoreach™ Autoreach automáticamente analiza el alcance y es una práctica característica y que basta que mueva el robot o la pieza de trabajo para verificar que se pueden alcanzar todas las posiciones. Esto permite que se pueda validar y optimizar el layout de la célula de trabajo en pocos minutos.
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Unidad de Programación Virtual Es una representación gráfica de la unidad de programación real asociada al VirtualRobot. Esencialmente, cualquier cosa que se puede hacer con la unidad de programación real, también se puede hacer con la virtual lo que transforma a la Unidad de Programación Virtual en una herramienta muy útil para la formación. Tablas de Eventos Esto es una herramienta ideal para verificar la estructura del programa y la lógica. Cuando se ejecuta el programa, se puede visualizar los estados de las E/S de su célula de trabajo. Las E/S se pueden conectar a los eventos de simulación permitiendo la simulación del robot y de todo el equipamiento de la célula de trabajo. Es una herramienta muy interesante para los trabajos de depuración. Detección de Colisión La detección de colisión previene costosas averías en sus equipos. Seleccionando los objetos que le interesen, RobotStudio automáticamente lo monitoriza y le indica si se produce alguna colisión durante la ejecución del programa. Visual Basic for Applications (VBA) Usar VBA para adaptar y ampliar la funcionalidad RobotStudio. VBA le permite crear potentes plu-in, macros o interfaces con el usuario personalizados para adaptarse a las necesidades del usuario. } PowerPac’s ABB han utilizado VBA para diseñar aplicaciones por encima de RobotStudio para optimizarlo para aplicaciones especificas tales como soldadura al arco, plegadoras, soldadura por puntos, CalibWare (precisión absoluta), pintura. Carga y Descarga real Todo el programa del robot se puede descargar al sistema real sin necesidad de ningún tipo de adaptación. Esta es una única característica que gracias a la tecnología del VirtualRobot la hacen una técnica única proporcionada por ABB. 9
2.4. 2.4.1.
PARAMETROS DE CINEMATICA DIRECTA Parámetros de Denavity Hartenberg
Denavit-Hartenbergen 1955 un método matricial que permite establecer un sistema de coordenadas (Si) ligado a cada eslabón i de una cadena articulada, pudiéndose determinar a continuación las ecuaciones cinemáticas de la cadena completa. Losparámetros de DH (i,di,ai,i) dependen únicamente de las características geométricas de cada eslabón y de las articulaciones que le unen con el anterior y siguiente. Oi Es el ángulo que forman los ejes Xi-1 y Xi medido en un plano perpendicular al eje Zi-1, utilizando la regla de la mano derecha. di Es la distancia a lo largo del eje Zi-1 desde el origen del sistema de coordenadas (i-1) - esimo hasta la intersección del eje Zi-1 con el eje Xi. ai Es la distancia a lo largo del eje Xi que va desde la intersección del eje Zi-1 con el eje Xi hasta el origen del sistema i-esimo, en el caso de articulaciones giratorias. &i Es el ángulo de separación del eje Zi-1 y el eje Zi, medido en un plano perpendicular al ejeXi, utilizando la regla de la mano derecha. Obtenidos los parámetros DH, el calculo de las relaciones entre los eslabones del robot es inmediato; vienen dadas por las matrices A. La matriz T, expresara la orientación (submatriz(3x3)derotación) y posición (submatriz(3x1) de traslación) del extremo del robot en función de sus coordenadas articulares.
3.
ESTADO DEL ARTE
Brazo Robótico IRB 1600ID Robot dedicado a la Soldadura al arco En el IRB 1600ID (Integrated Dressing), ver figura 1, todo el cableado y las mangueras del proceso de soldadura pasan por el interior del brazo superior del robot, haciendo de este robot, la herramienta perfecta para la soldadura al arco. El paquete de mangueras incluye todo lo necesario para las aplicaciones de soldadura al arco, incluyendo la potencia, hilo, gas y aire. El concepto de movimiento hacia atrás, así como las diferentes opciones de montaje (en la pared, en el suelo, o con inclinaciones de la base de ±30°) hacen del 10
IRB1600ID un robot versátil, preparado para cumplir con las más elevadas exigencias de una producción e integración flexibles.[?] El area en la cual se encuentra enfocada la propuesta y la investigación, es el área de robótica industrial, y en este campo se han desarrollado innumerables investigaciones y desarrollos tecnológicos en cuanto a robótica se trata, pero cabe resaltar la aplicación en la cual se va a desempeñar el brazo robótico y es importante tener en cuenta que el brazo robótico a utilizar esta diseñado especialmente para el área de soldadura con proceso GMAW.[?] Teniendo en cuenta las cualidades principales de la celda robótica y de la aplicación, se reducen las posibilidades de encontrar un proyecto similar en la Facultad Tecnológica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas, por ello en la actualidad, existe un solo proyecto radicado, en el cual la aplicación del brazo robótico fue la soldadura por arco. A continuación se encontrará un resumen de este proyecto, el enfoque y sus características.
pPaul Fernández Ramírez & Juan Pablo Rubiano Guavita (2009)[4] Dis-
eño e Implementación de un Sistema Automatizado para Aplicación de Soldadura GMAW, Mediante Robot KUKA, en la empresa B Y V Estructuras Ltda. Tesis para Optar al Título de Ingeniería en Control e Instrumentación Electrónica. Descripción: Integración de el Robot Kuka con la fuente de potencia Cebora, implementado un sistema de comunicación entre la fuente y el brazo robótico. Es importante resaltar el trabajo de los compañeros, que diseñaron e implementaron el hardware de comunicación entre el brazo robótico y la fuente de soldadura. La propuesta, en este artículo mencionada, deja en claro que todo el sistema de integración entre la fuente y el brazo robótico será proveído por ABB Robotics, y se tendrán en cuenta factores ambientales y de seguridad industrial, en cuando al diseño de la celda robótica, con el fin de presentar al cliente la mejor opción del mercado. Cabe resaltar que Soldaduras West Arco Ltda., es líder en el mercado de soldadura por arco en sus diferentes tipos de transferencia, por lo cual se genera una propuesta y solución completa, desde la automatización del proceso hasta la aplicación como tal.
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Figura 3: IRB 1600 ID
4.
JUSTIFICACIÓN
En la actualidad, la industria autopartista se encuentra regidas por normas de fabricación, en donde se define, como debe ser el proceso de producción y por quien debe ser realizado; en este caso, la soldadura de ciertas partes de los vehículos, como los escapes, debe ser realizada por brazos robóticos o sistemas automatizados, los cuales garanticen la calidad de la soldadura y la pieza final, además que la inversión realizada, se vea retribuida en un aumento importante de la productividad.
5.
DEFINICIÓN DEL PROBLEMA
Dentro de la fabricación de camiones de carga pesada, se encuentra el proceso de soldadura de tolvas; en cuanto a este proceso de soldadura, la empresa que fabrica estas piezas se encuentra interesada en automatizar el proceso de unión por medio de celdas robóticas. Por esta razón Soldaduras West Arco se ha interesado en el proyecto, el cual se ha encaminado a mi área de trabajo y se me ha encargado la tarea de realizar la presentación de la propuesta, por medio de los brazos robóticos ABB, en especial el IRB 1600ID y conjunto con el software de simulación RobotStudio de ABB, con el cual se podrá realizar una réplica virtual de la celda robótica a ofertar y se realizará la programación del brazo robótico y de la celda para que pueda realizar la unión de las piezas de la tolva de los camiones de carga. Además, se deberán tener en cuenta los parámetros de seguridad para el diseño de la celda y la instrumentación correcta para el buen funcionamiento del equipo. 12
Para implementar el sistema robotizado de soldadura, se utilizarán los productos robóticos marca ABB. Esta es una de las multinacionales mejor posicionadas en el mercado, en donde encontraremos robots, herramientas y software especializado para soldadura; en este caso se utilizaran dos robots IRB 1600ID y un posicionador dependiendo de la necesidad que se genere por la pieza de trabajo; además, con esta empresa podremos obtener todos los accesorios adicionales para el funcionamientos de todo el sistemas que desde ahora lo llamaremos celda robotica.
6. 6.1.
OBJETIVOS Objetivo General Diseñar una celda robotica, por medio del software de simulacion RobotStudio de ABB, para realizar el proceso de soldadura por arco dentro del proceso de produccion de tolvas para camiones mineros.
6.2.
Objetivo Específico Realizar el metodo de Denavid y Hartemberg para el brazo robotico IRB1600ID. Diseñar las piezas de produccion en software de diseño para exportacion al software de simulacion. Traduccion de la Norma ANSI-RIA, para realizar el diseño de la celda robotica basado en los parametros de seguridad. Representar los datos obtenidos en el metodo D-H en el toolbox de robotica del software Matlab. Diseñar la celda robotica en el software de simulacion RobotStudio ABB
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7. 7.1.
ALCANCES Y LIMITACIONES Alcances
El diseño de una celda robótica por medio del software de simulacion RobotStudio de ABB para realizar el proceso de soldadura por arco, genera una alternativa para la programación fuera de producción con conexion remota ó en sitio, evitando paradas por cambios de aplicación y perdidas en la produccion y la calidad de las piezas a procesar. Conjunto a esta simulacion virtual del robot se aplicará el metodo matematico de Denavid y Hartemberg para el brazo robotico IRB1600ID, que permite generar un sistema de coordenadas ligado a cada eslavón de una cadena articulada, pudiendose determinar las ecuaciones cinemáticas de la cadena completa, y por medio de el la herramienta de robótica de Matlab, se representarán los datos obtenidos en el método, observando así el comportamiento cinemático del robot.
7.2.
Limitaciones
El software utlizado para realizar la simulacion de la celda robótica, se encuentra limitado en cuanto a funciones avanzadas de mejormaineto del procedimiento, sin embargo, las funciones contenidas en la version de prueba son las necesarias para poner en marcha el proyecto; si se quisiera optimizar el proyecto y mejorar los tiempos de ejecucion, se podrian utilizar las herramientas avanzadas del software licensiado. Conjunto con las limitaciones del software, hay que tener en cuenta que los temas de robotica industrial en las empresas son proyectos con informacion limitada y procesos muy largos de ejecucion, respecto a el estudio realizado por la empresa integradora del sistema automatizado.
8.
RESULTADOS Generar comparaciones y estudios de los brazos roboticos para soldadura, existentes en el mercado.[?][?, ?] Identificar las configuraciones más usadas en el mercado para la soldadura de arco automatizada.
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Figura 4: Celda Robótica Simulada Estudiar la manera de implementacion de seguridad de la celda robotica por medio del conocimiento adquirido en instrumentacion industrial y control. Generar diagramas y esquemas de la solucion planteada.
9.
METODOLOGÍA Se diseñarán las piezas de produccion en software de diseño para exportacion al software de simulacion. Se realizará una simulacion virtual de una celda robótica, por medio del software RobotStudio ABB, con el fin de hacer un demostracion a los clientes potenciales de automatizacion robotica de la compañia Soldaduras West Arco Ltda. Los datos obtenidos del metodo de Denaviti y Hartenberg serán representados en el toolbox de robotica del software Matlab.
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10.
CRONOGRAMA
11.
PRESUPUESTO
PRESUPUESTO GLOBAL DE LA PROPUESTA POR FUENTES DE FINANCIACIÓN RUBROS FUENTE EMPRESA U. DISTRITAL CONTRAPARTIDA TOTAL PERSONAL $6000000 EQUIPO $3000000 MATERIALES $6000000 VIAJES $6000000 BIBLIOGRAFIA $1000000 $200000 OTROS $15000000 TOTAL $30000000 $1000000 $6200000 $37200000
Cuadro 1: Presupuesto General
DESCRIPCIÒN APORTE PERSONAL (CONTRAPARTIDA)
CONCEPTO INVESTIGADORES TOTAL
Nº HORAS
VALOR UNITARIO
VALOR TOTAL
600
$60000
$36000000
600
$60000
$36000000
Cuadro 2: Aporte Personal Contrapartida
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DESCRIPCIÓN APORTE EQUIPOS (CONTRAPARTIDA)
CONCEPTO COMPUTADORES SOFTWARE ROBOTSTUDIO ABB SOFTWARE MATLAB TOTAL
Nº EQUIPOS
VALOR UNITARIO
VALOR TOTAL
1
$1500000
$1500000
$0 $1500000
$0 $0 $1500000
1 1 3
Cuadro 3: Aporte Personal Equipos Contrapartida
DESCRIPCIÓN APORTE EQUIPOS (EMPRESA)
CONCEPTO COMPUTADORES TOTAL
Nº EQUIPOS 1
VALOR UNITARIO
VALOR TOTAL
$1500000
$1500000
1
$3000000
Cuadro 4: Aporte Personal Equipos Empresa
Referencias [1] abb arc welding robot irb 1600id may 2007.pdf. [2] abb multimove functionality.pdf. [3] abb_casestudy_stros_1.pdf. [4] ISAD_Tema3_4.pdf. [5] morfologia de un robot.pdf. [6] pr_irb1600id may 9th 2007.pdf. [7] URL_10_MEC01.pdf. [8] weldguide iii rob0163 en_b.pdf. [9] ANSI. American national standard for industrial robots and robot systems : safety requirements (Libro, 1999) [WorldCat.org]. http://www.worldcat.org/title/americannational-standard-for-industrial-robots-and-robot-systems-safetyrequirements/oclc/43051507&referer=brief_results. 17
[10] FANUC. Fit for assembly. http://www.fanucrobotics.com/Assembly/?gclid=CIm6tq_N06cCF w. [11] DIRECT INDUSTRY. Robot - todas las empresas. http://www.directindustry.es/fabricante-industrial/robot-71206.html.
[12] ABB ROBOTICS MEXICO. ABB IRC5 - controladores 3 (Robà tica).http : //www.abb.com.mx/product/seitp327/c856731f 190645eec125716c0023a37 [13] ABB ROBOTICS. ABB RobotStudio community - robÃ3 tica. http : //www.abb.com.mx/product/ap/seitp327/6230bcade7a9d7d8c12573f 50042d0a9.aspx. [14] MILLER USA. Miller Auto-Line http://www.millerwelds.com/resources/autoline.html.
technology.
[15] MILLER USA. Miller - automated systems - Auto-Axcess⢠systems. http://www.millerwelds.com/products/advanced/autoaxcess_systems/. [16] MILLER USA. Miller - miller introduces accupulse â¢, the company’s first Software-Driven MIG weld process technology. http://www.millerwelds.com/resources/articles/index.php?page=articles32.html. [17] WEB. Robots industriales: definiciÃ3 nyclasif icaci3 n. http //cf ievalladolid2.net/tecno/cyr_01/robotica/industrial.htm.
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