Piotr KOMISARCZUK, Izabela TOMCZUK

Piotr KOMISARCZUK
Izabela TOMCZUK-PIRÓG
Politechnika Opolska
MANIPULATOR USPRAWNIAJĄCY PRACĉ
STANOWISKA PRODUKCYJNEGO
1. WstĊp
Wspóáczesna gospodarka rynkowa wymaga od wszystkich gaáĊzi przemysáu
duĪej konkurencyjnoĞci. Utrzymanie siĊ przedsiĊbiorstwa na rynku zaleĪy m.in.
od staáego obniĪania kosztów produkcji, podwyĪszenia jakoĞci, niezawodnoĞci,
nowoczesnoĞci i trwaáoĞci produktu. Oznacza to koniecznoĞü stosowania wáaĞciwych metod zarządzania produkcją. OsiągniĊcie ww. celów nie jest obecnie
moĪliwe bez wprowadzenia na szeroką skalĊ automatyzacji i robotyzacji procesów produkcyjnych [8].
Robotyka przemysáowa jest ĞciĞle związana z elastycznymi systemami wytwórczymi (FMS, ang. Flexible Manufacturing System), zintegrowanymi systemami wytwarzania ze sterowaniem komputerowym (CIM, ang. Computer Integrated Manufacturing) oraz tzw. bezludnymi fabrykami (AF, ang. Automated
Factory). W celu zautomatyzowania zadaĔ w elastycznych systemach produkcyjnych powszechnie stosowane są roboty i manipulatory IR, IM (ang.: Industrial Robot, Industrial Manipulator). Odgrywają one szczególną rolĊ w produkcji
zautomatyzowanej, wspomaganej komputerowo. Mogą byü one wykorzystywane
do robotyzacji takich procesów, jak: odlewnictwo, spawalnictwo, lakiernictwo,
pokrycia powierzchni, obsáuga pras, montaĪ, itp. Pierwsze roboty pojawiáy siĊ
w amerykaĔskim przemyĞle samochodowym na początku lat szeĞüdziesiątych
[7]. Gáównym celem stosowania robotów i manipulatorów jest podwyĪszenie
jakoĞci wykonywanych prac oraz zastąpienie pracownika podczas wykonywania
ciĊĪkich fizycznych i monotonnych prac, a zwáaszcza od prac niebezpiecznych
dla zdrowia, a nawet Īycia [6].
Robotyzacja umoĪliwia odsuniĊcie (lub caákowite zastąpienie) czáowieka od
procesów wytwarzania. Czáowiek jednakĪe zawsze odgrywa nadrzĊdną rolĊ:
konstruuje, programuje czy teĪ konserwuje roboty [2].
Celem niniejszej pracy jest zaprojektowanie i wykonanie zrobotyzowanego
stanowiska produkcyjnego. Praca na danym stanowisku bĊdzie realizowana
przez manipulator o szeĞciu stopniach swobody. Manipulator ma na celu wspomaganie pracy na stanowisku poprzez przemieszczanie metalowych elementów
pomiĊdzy stoáami obrotowymi. Stanowisko sterowane jest za pomocą pulpitu
sterującego zaprogramowanego przy uĪyciu komputera.
106
Piotr Komisarczuk, Izabela Tomczóg-Piróg
2. Podstawowe podzespoáy zautomatyzowanego
stanowiska
Struktury mechaniczne, elektryczne oraz systemy sterowania robotów mogą
znacznie róĪniü siĊ miĊdzy sobą, jednakĪe wszystkie zrobotyzowane stanowiska
posiadają cztery wspólne podzespoáy: manipulator, ukáad zasilania, system sensoryczny oraz sterowniki [3].
Rys. 1. Zrobotyzowane stanowisko produkcyjne
Manipulator jest utworzony poprzez ogniwa poáączone záączami, które tworzą áaĔcuch kinematyczny. Na koĔcu tego áaĔcucha znajduje siĊ efektor manipulatora, którym moĪe byü chwytak lub odpowiednie narzĊdzie. Záącza napĊdzane
są odpowiednimi zespoáami, tj. silnikami wraz z przekáadniami lub siáownikami,
które zapewniają ruchy efektora manipulatora w róĪnych kierunkach. Ukáad
zasilania stanowi element skáadowy stanowiska przetwarzający energiĊ pierwotną dostarczaną do robota (zwykle energiĊ elektryczną) na odpowiedni rodzaj
energii, w zaleĪnoĞci od zastosowanych zespoáów napĊdowych manipulatora
(np. pneumatyczne lub hydrauliczne). Stanowisko obejmuje system sensoryczny,
który dostarcza informacji sterownikowi o stanie manipulatora i jego otoczenia.
Sensory dzielą siĊ na dwie grupy: sensory wewnĊtrzne (związane z áaĔcuchem
kinematycznym manipulatora) sáuĪące do pomiaru wzajemnych przemieszczeĔ
i prĊdkoĞci poszczególnych záączy (czujników poáoĪenia) oraz sensory zewnĊtrzne
(sáuĪące do pomiarów wzajemnych poáoĪeĔ efektora manipulatora i elementów
Manipulator usprawniający pracĊ stanowiska produkcyjnego
107
otoczenia). Przykáadami sensorów są czujniki zbliĪeniowe, dotykowe i systemy
wizyjne. Sterownik stanowiska wykonuje nastĊpujące funkcje: przechowuje w pamiĊci sekwencje danych dotyczących ruchów manipulatora oraz elementów stanowiska, zbiera i przetwarza informacje z systemu sensorycznego, koordynuje
ruchy zespoáów napĊdowych manipulatora oraz komunikuje siĊ z innymi zespoáami zrobotyzowanego stanowiska [3]. Rysunek 1 przedstawia zrobotyzowane
stanowisko produkcyjne w przedsiĊbiorstwie produkującym podzespoáy samochodów osobowych Tower Automotive. Na stanowisku tym, za pomocą manipulatora, wykonywane są operacje zgrzewania, np. szyny drzwiowej przy uĪyciu
robota firmy MOTOMAN Robotem.
3. Zaprojektowanie i wykonanie stanowiska roboczego
Ze wzglĊdu na wiele trudnoĞci wystĊpujących przy projektowaniu i konstruowaniu manipulatorów i robotów obecnie stosuje siĊ rozbudowane programy grafiki
komputerowej sáuĪące do generowania obrazów i wizualizacji rzeczywistych
danych. Grafika komputerowa umoĪliwia rozwój metod symulacji w zakresie
projektowania robotów i stanowisk zrobotyzowanych w systemie off-line [6].
Do powszechnie uĪywanych programów projektowania grafiki 3D moĪna zaliczyü m.in.: Bender, Lightwave, Maya, Povray, Rasterman, SOFTIMAGEIXSI,
3D Studio i 3D Studio Max.
W celu zaprojektowania stanowiska roboczego wykorzystano program do
obróbki graficznej 3D Studio Max. Jest on prosty w obsáudze, umoĪliwia áatwe
i sprawne rysowanie oraz wprowadzanie ruchu. Za pomocą programu zaprojektowano ksztaát poszczególnych elementów skáadowych manipulatora, poáączenie
záączy, zobrazowano jego moĪliwoĞci ruchowe oraz przeprowadzono animacjĊ.
Struktura manipulatora to struktura typu 5R, co oznacza, Īe wszystkie záącza
są obrotowe. Jest ona powszechnie stosowana w wielu przedsiĊbiorstwach
przemysáowych (np. Tower Automotive) i umoĪliwia peáną swobodĊ ruchu, np.
podczas przenoszenia obiektów w przestrzeni. Zaletą tej struktury jest stosunkowo duĪa przestrzeĔ robocza, która ma ksztaát zbliĪony do sfery kulistej, przy
czym moĪliwe jest osiągniĊcie punktów w pobliĪu Ğrodka tej strefy oraz dotarcie
do wielu punktów poza przeszkodami umieszczonymi w polu roboczym [3].
Dlatego teĪ struktura ta zostaáa uĪyta do opracowania manipulatora. Manipulator
posiada szeĞü stopni swobody: obrót podstawy, zginanie ramienia, áokcia, nadgarstka, obrót nadgarstka i chwytak (rysunek 2). Pierwsze trzy stopnie swobody
umoĪliwiają poruszanie chwytaka w kierunku zadanej pozycji, a pozostaáe stopnie sáuĪą do odpowiedniej orientacji chwytaka w przestrzeni. Dla robotów nieruchomych otoczenie ogranicza siĊ do przestrzeni roboczej, w której moĪe poruszaü siĊ chwytak. NaleĪy podkreĞliü, Īe otoczenie nie jest rozumiane tylko
w sensie geometrycznym, lecz równieĪ w sensie fizycznym wáasnoĞci otoczenia
oraz uwzglĊdnienia wszystkiego, co w tym otoczeniu wystĊpuje, np. przeszkód [6].
Oznacza to, Īe robot musi byü przystosowany do wspóádziaáania z otoczeniem.
108
Piotr Komisarczuk, Izabela Tomczóg-Piróg
Rys. 2. Manipulator opracowany w programie 3D Studio MAX
W opracowanym manipulatorze, do poruszania záączami (stawami), zastosowano serwomechanizmy modelarskie, które charakteryzują siĊ miniaturową
wielkoĞcią, maáą wagą, i duĪym momentem obrotowym. Serwo to maáy, bardzo
mocny silniczek, który poprzez zastosowane przekáadnie (zwykle plastikowe)
osiąga bardzo duĪy moment obrotowy, dokáadnoĞü oraz szybkoĞü.
Zaprojektowane stanowisko robocze skáada siĊ z manipulatora znajdującego
siĊ pomiĊdzy obrotowymi stoáami. W stoáach wykonane są otwory, w których
umieszczono metalowe konstrukcje. Pod stoáami zainstalowano czujniki indukcyjne, które umoĪliwiáy wprowadzenie zautomatyzowanego Ğrodowiska pracy.
Na stanowisku umieszczono, do dyspozycji operatora, zestaw podĞwietlanych
przycisków. Odpowiednie ukáady zasilające elementy czynne stanowiska oraz
sterujące zadaniami umieszczono w Ğrodku obudowy, do których operator stanowiska nie posiada dostĊpu.
Po zaprojektowaniu dwóch stoáów obrotowych i manipulatora dokonano
zwymiarowania poszczególnych elementów stanowiska w programie graficznym AutoCAD 2004. Kolejnym etapem podczas projektowania stanowiska byáo
frezowanie elementów konstrukcji manipulatora przy uĪyciu frezarki numerycznej obsáugiwanej przez program GTJ 2000. DziĊki zastosowaniu ww. techniki
osiągniĊto wysoką dokáadnoĞü wykonanych elementów, co w póĨniejszych etapach montaĪu i programowania pozwoliáo uniknąü czĊsto wystĊpujących trudnoĞci.
Manipulator usprawniający pracĊ stanowiska produkcyjnego
109
4. Opracowanie ukáadu sterującego
Ze wzglĊdu na sposób programowania i moĪliwoĞci komunikowania siĊ robota
ze Ğrodowiskiem zewnĊtrznym (otoczeniem) moĪna podzieliü roboty na trzy
generacje: I – roboty nauczane, II – roboty uczące siĊ, III – roboty inteligentne.
Robotami I generacji nazwano urządzenia wyposaĪone w pamiĊü, do której są
wprowadzane rozkazy, a nastĊpnie – juĪ bez ingerencji operatora – zdolne do wykonywania czynnoĞci zaprogramowanych. Roboty tej generacji nie są zdolne do
samodzielnego zbierania informacji o zewnĊtrznym Ğrodowisku pracy. Roboty
pierwszej generacji stanowią wiĊc wiĊkszoĞü wspóáczesnych robotów przemysáowych [2]. Mają one ograniczone wáaĞciwoĞci funkcyjne i tylko sporadycznie
są wyposaĪone w czujniki do zbierania informacji z otaczającego Ğrodowiska.
NaleĪą do nich programowane manipulatory lub roboty przemysáowe niĪszego
rzĊdu, przeznaczone do podawania i odbierania obiektów z maszyn wytwórczych. Mają one duĪy udĨwig i wysoką dokáadnoĞü pozycjonowania, a takĪe
moĪliwoĞü sterowania drogą i prĊdkoĞcią przesuwu [1].
Sterowanie ruchami manipulatorów i robotów odbywa siĊ za pomocą skomplikowanych ukáadów sterowniczych, tzw. szaf sterowniczych, które zawierają
miĊdzy innymi sterowniki logiczne PLC (ang. Programmable Logic Conroller),
wzmacniacze serwomechaniczne, ukáady pozycjonujące.
W pracy zaprojektowano ukáad sterownika skáadający siĊ z dwóch mikrokontrolerów Atmega 8. Ze wzglĊdu na rozbudowane czynnoĞci ruchowe manipulatora ukáad zostaá rozbudowany o dodatkową pamiĊü EEPROM. Po podáączeniu ukáadu sterującego do stanowiska zostaá on zaprogramowany
i manipulator byá przygotowany do pracy.
Praca manipulatora polega na przenoszeniu metalowych konstrukcji
(np. Ğrub) pomiĊdzy obrotowymi stoáami (rysunek 3). Manipulator moĪe rozpocząü pracĊ po naciĞniĊciu odpowiedniego przycisku przez uĪytkownika. Operator dysponuje panelem sterowniczym, który umoĪliwia mu peáną kontrolĊ pracy
zrobotyzowanego stanowiska. Wstrzymanie pracy nastĊpuje po naciĞniĊciu
czerwonego przycisku, wznowienie pracy-biaáego, zezwolenie na pracĊzielonego. Po przeáoĪeniu wszystkich elementów manipulator oczekuje na ustawienie w pozycji wejĞciowej, sygnalizując to czerwoną migającą kontrolką. Po
jej naciĞniĊciu ustawia siĊ w pozycji startowej i sygnalizuje biaáym mrugającym
Ğwiatáem gotowoĞü do wznowienia pracy
110
Piotr Komisarczuk, Izabela Tomczóg-Piróg
Rys. 3. Wykonane stanowisko
Zastosowanie czujników indukcyjnych umoĪliwia znaczną automatyzacjĊ
pracy stanowiska, gdyĪ po kaĪdorazowym obrocie stoáu sprawdzany jest stan
czujników, które są odpowiedzialne za dalszą pracĊ bądĨ wykrycie báĊdów. Panel sterowniczy sygnalizuje uĪytkownikowi zaistniaáe báĊdy oraz usterki poprzez
zapalenie Īóátej kontrolki. Do najczĊĞciej spotykanych naleĪą te, w których robot nie zabraá Ğruby, zgubiá w trakcie przenoszenia lub nieprawidáowo odáoĪyá.
Opracowane stanowisko robocze stanowi praktyczny przykáad wykorzystania
manipulatora do wspomagania procesów produkcyjnych.
5. Podsumowanie
Utrzymanie staáych, dokáadnych parametrów procesu produkcyjnego przy
uwzglĊdnieniu róĪnorodnych czynników zakáócających ten proces wymaga zastĊpowania bądĨ eliminowania czáowieka z procesu wykonania wielu czynnoĞci.
DziĊki zastosowaniu robotów i manipulatorów moĪliwe jest poprawienie jakoĞci
wyrobów, zwiĊkszenie wydajnoĞci pracy i przesuniĊcie wielu pracowników do
innych prac. RolĊ czáowieka przejmuje wówczas odpowiednio skonstruowany
ukáad techniczny w postaci ukáadu sterowania, ukáadu automatycznej regulacji,
bądĨ specjalistycznego robota przemysáowego.
Opracowany manipulator moĪe byü stosowany do usprawniana pracy w ramach danego stanowiska produkcyjnego. MoĪe zastĊpowaü operatora w wyko-
Manipulator usprawniający pracĊ stanowiska produkcyjnego
111
nywaniu zadaĔ polegających na przemieszczaniu elementów. Opracowane stanowisko umoĪliwia uĪytkownikowi – operatorowi wydawanie podstawowych
poleceĔ dotyczących wstrzymania, wznowienia pracy oraz dostarcza komunikaty o wystĊpujących báĊdach.
Bibliografia:
1. Honczarenko J.: Roboty przemysáowe – budowa i zastosowanie, WNT, Warszawa 2004.
2. Honczarenko J.: Roboty przemysáowe – elementy i zastosowanie, WNT, Warszawa 1996.
3. Jezierski E.: Dynamika robotów, WNT, Warszawa 2006.
4. Kozáowski K., Dutkiewicz P., Wróblewski W.: Modelowanie i sterowanie
robotów, PWN, Warszawa 2003.
5. KwaĞniewski J.: Programowalne sterowniki przemysáowe w systemach sterowania, Kraków 1999.
6. Morecki A. i Knapczyk J. (red): Podstawy Robotyki – Teoria i elementy manipulatorów i robotów, WNT, Warszawa 1999.
7. Morecki A., Knapczyk J., KĊdzior K.: Teoria mechanizmów i manipulatorów
– podstawy i przykáady zastosowaĔ w praktyce, WNT, Warszawa 2002.
8. ĝwider J. (red): Sterowanie i automatyzacja procesów technologicznych
i ukáadów mechatronicznych – ukáady pneumatyczne i elektropneumatyczne ze
sterowaniem (PLC), Wydawnictwo Politechniki ĝląskiej, Gliwice 2002.