Plik PDF - PAR Pomiary - Automatyka

NAUKA
dr inĪ. Stanisáaw Krenich
mgr inĪ. Marcin Spyrka
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji
Politechnika Krakowska
MODELOWANIE I SYMULACJA ZROBOTYZOWANEGO
GNIAZDA PRODUKCYJNEGO Z WYKORZYSTANIEM
APLIKACJI ABB ROBOT STUDIO
Artykuá prezentuje zagadnienie tworzenia wirtualnego systemu produkcyjnego
i jego symulacjĊ. Na podstawie istniejącego gniazda do táoczenia blach stworzono
jego komputerowy model oraz wykonano symulacjĊ z wykorzystaniem aplikacji
ABB Robot Studio. Rzeczywisty proces produkcyjny zostaá znacząco zautomatyzowany przez wprowadzenie robotów przemysáowych. Symulacja pracy gniazda
pozwoliáa na wykrycie i wyeliminowanie wystĊpujących kolizji elementów systemu
oraz umoĪliwiáa zadaniowe programowanie robotów. Przeprowadzone eksperymenty pozwalają stwierdziü, Īe wykorzystana aplikacja Robot Studio jest efektywnym narzĊdziem do projektowania i symulacji zautomatyzowanych systemów produkcyjnych, w których podstawową rolĊ peánią roboty przemysáowe.
MODELLING AND SIMULATION OF THE AUTOMATED
PRODUCTION CELL USING ROBOT STUDIO APLICATION
The paper presents an approach to modeling of virtual production systems and
their simulation. Based on the real working press forming cell a virtual model of
this production system was built and simulated using ABB Robot Studio application. The existing production process was significantly automated by industrial
robots which were introduced to the system. During the work simulation of the
production system the task programming procedure of the robots and the collision
faults detecting were applied. Thus the correction of the cell layout was available.
The carried out experiments indicate as a conclusion that the Robot Studio application is an efficient tool for creating and simulating of automated production
systems.
1. WPROWADZENIE
WiĊkszoĞü procesów technologicznych jest przygotowywana obecnie za pomocą narzĊdzi
informatycznych. PodejĞcie to jest szczególnie przydatne w projektowaniu zintegrowanych
wielomaszynowych systemów produkcyjnych. Wymagania, jakie są stawiane projektantowi
dotyczą nie tylko samego procesu doboru elementów skáadowych realizujących okreĞlone
zadania technologiczne, ale takĪe ich optymalnego rozmieszczenia, koordynacji pracy i wykrycia ewentualnych kolizji oraz przygotowania oprogramowania dla sterowników maszyn
i urządzeĔ technologicznych czy transportowych. Ponadto waĪnym aspektem jest tu równieĪ
szybkie i sprawne przeprowadzenie zmian w procesie technologicznym, jeĞli zajdzie taka
potrzeba, co wiąĪe siĊ nie tylko z koniecznoĞcią fizycznego przezbrojenie linii produkcyjnej,
ale takĪe pociąga za sobą czĊsto koniecznoĞü zmiany programów sterujących pracą poszczególnych urządzeĔ, w tym równieĪ robotów przemysáowych. NarzĊdziami, które zasadniczo
uáatwiają i wspomagają te procesy są aplikacje do tworzenie wirtualnych modeli systemów
648 Pomiary Automatyka Robotyka 2/2011
NAUKA
wytwarzania oraz przeprowadzanie symulacji ich dziaáania. Wiele firm oraz instytutów badawczych prowadzi prace nad tworzeniem i unowoczeĞnianiem tego typu narzĊdzi, czego
efektem są miĊdzy innymi znane komercyjne aplikacje Cosimir, Roboguide, Delmia V5 Automation czy RobotStudio.
1.1. Zrobotyzowany system produkcyjny
Organizacja przestrzenna stanowiska polega na konfiguracji geometrycznej wszystkich obiektów zrobotyzowanego systemu. W skáad takiego systemu wchodzą m.in: obrabiarki i inne
urządzenia technologiczne, magazyny wejĞciowe i wyjĞciowe, bufory przystanowiskowe,
stanowiska reorientacji itp., które wpáywają bezpoĞrednio na ksztaátowanie przepáywu i ruchu
przedmiotów wytwarzanych. Szczególną rolĊ w systemie wytwarzania peáni podsystem transportu i manipulacji integrujący fizycznie elementy systemu a czĊsto takĪe peániący rolĊ koordynatora pracy caáego systemu. Robot przemysáowy jest jednym z elementów zrobotyzowanych systemów technologicznych, który moĪna wykorzystaü jako Ğrodek transportu lub teĪ
maszynĊ technologiczną. Poprawna wspóápraca robotów z innymi urządzeniami jest uwarunkowana programami sterującymi, które uwzglĊdniają fizyczne jak i informacyjne powiązanie
robota z tymi urządzeniami. Przy koniecznoĞci wprowadzania czĊstych zmian w systemie
produkcyjnym standardowe podejĞcie do programowania robotów wiązaáoby siĊ z dáugimi
przestojami. Celowe, zatem wydaje siĊ wspomaganie tego procesu poza rzeczywistym systemem wytwarzania. Wspomaganie programowania robota odbywa siĊ wtedy na zasadzie planowania zadaĔ robota i bezkolizyjnej trajektorii jego ruchów. Problem ten moĪe byü rozwiązany w wewnĊtrznej przestrzeni stanu robota, jak i w przestrzenia zewnĊtrznej, w której jest
on zdefiniowany jako element do obsáugi systemu technologicznego. ĝrodowisko technologiczne robota ma konkretnie okreĞloną organizacyjna strukturĊ wraz z okreĞloną liczbą obiektów. PrzejĞcie robota miĊdzy kolejnymi operacjami jest to zdarzenie, które jest wczeĞniej
przewidziane i zaplanowane. W bardziej skomplikowanych procesach, w których zdolnoĞci
manipulacyjne mają takĪe maszyny, sekwencje ruchów robota muszą przewidzieü zmianĊ
poáoĪenia danej maszyny.
2. APLIKACJA ROBOT_STUDIO 5.x.
RobotStudio to oprogramowanie umoĪliwiające zarówno zaprojektowanie stanowiska produkcyjnego poprzez odpowiednie rozmieszczenie jego elementów skáadowych jak równieĪ
programowanie oraz przeprowadzanie symulacji pracy robotów jako elementów skáadowych
tego stanowiska w trybie „off-line”. Programowanie w trybie ”off-line” jest moĪliwe dziĊki
zastosowaniu technologii wirtualnego robota VirtualRobot™ firmy ABB, która umoĪliwia
caákowite odzwierciedlenie rzeczywistego kontrolera robota w Ğrodowisku programowym.
MoĪliwoĞci pakietu Robot Studio to miĊdzy innymi:
x Modelowanie systemów wytwarzania realizujących róĪnorodne procesy technologiczne.
Aplikacja ma moĪliwoĞü zaprojektowania stanowiska produkcyjnego poprzez odpowiednie rozmieszczenie jego elementów skáadowych. Elementy skáadowe moĪna przemieszczaü w dowolne ĞciĞle okreĞlone w zaáoĪonym ukáadzie wspóárzĊdnych miejsce jak równieĪ Ğledziü ich poáoĪenie przy pomocy funkcji „Set Local Origin”. Rozmieszczone elementy moĪna wprowadzaü w ruch przez tworzenie wirtualnych ĞcieĪek zadając punkty
w przestrzeni, wykorzystując tzw. wirtualny joystick – „Virtual FlexPendant lub za pomocą jĊzyka Rapid.
2/2011 Pomiary Automatyka Robotyka
649
NAUKA
x
x
x
x
x
x
x
MoĪliwoĞü programowania wykorzystanych elementów skáadowych systemu wytwarzania. MoĪna generowaü automatycznie programy sterujące robotami oraz ingerowaü w te
programy w razie potrzeby.
MoĪliwoĞü symulacji pracy systemu.
DziĊki tej opcji moĪna sprawdziü dziaáanie caáego systemu wytwarzania i poprzez korekcje zoptymalizowaü jego pracĊ.
Tworzenie zdublowanych ruchów – Funkcja „MultiMove”.
Opcja ta umoĪliwia narzucanie wspóápracy dwóch robotów przy obsáudze jednego przedmiotu.
Wykrywania kolizji i alarmowanie uĪytkownika o stanie przed alarmowym.
RobotStudio umoĪliwia nam ustawienie dwóch stanów alarmowania o zagroĪeniu: stan
tuĪ przed kolizją i stan kolizji. Dla tych stanów moĪemy dla potrzeb wizualizacji ustawiü
odpowiednią kolorystykĊ.
Informowanie o alarmach za pomocą Internetu.
Oprogramowanie ma moduá umoĪliwiający wysyáanie alarmów lub ostrzeĪeĔ o stanie maszyn. Poprzez odpowiednie zdeklarowanie stanów alarmowych w fazie tworzenia projektu
moĪna mieü bieĪący podgląd na pracĊ caáego systemu wytwarzania w tym na przykáad
moĪna uzyskaü informacje na temat ewentualnych kolizji, braku zasilania poszczególnych
elementów, informacje o prĊdkoĞciach obrotowych czĊĞci ruchomych, informacje o poáoĪeniu ramion robota lub teĪ o pojawiających siĊ przeszkodach na drodze manipulatorów.
Na podstawie powyĪszych danych w niektórych przypadkach moĪna w sposób zdalny
usuwaü usterki lub báĊdy w dziaáaniu.
MoĪliwoĞü importowania plików CAD.
RobotStudio nie ma rozbudowanych narzĊdzi, które umoĪliwiaáyby tworzenie rozbudowanych elementów zagospodarowania hali produkcyjnej. W celu wzbogacenia wyposaĪenia hali moĪemy skorzystaü importowaü elementy z innych aplikacji, przykáadowo
z programu AUTOCAD, CATIA, Solid Works.
MoĪliwoĞü odczytu sygnaáów stanu wejĞü i wyjĞü I/O.
Na tej podstawie uĪytkownik jest w stanie okreĞliü zaleĪnoĞci miedzy poszczególnymi
elementami systemu.
3. MODELOWANIE I SYMULACJA GNIAZDA PRODUKCYJNEGO
DO TàOCZENIA BLACH DACHÓWKOWYCH.
Analizie zostanie poddany projekt zrobotyzowanego gniazda do táoczenia blach dachówkowych MetroRoman o wymiarach 1330×410 [mm] zrealizowany na bazie istniejącego stanowiska, na którym wszystkie czynnoĞci manipulacyjno-transportowe byáy realizowane rĊcznie.
Wprowadzenie robotów do czynnoĞci technologicznych oraz manipulacyjnych umoĪliwiáo
zautomatyzowanie pracy istniejącego stanowiska. Wymagane operacje technologiczne to:
x ciĊcie na gilotynie blachy z rozwijanych waáów,
x dostarczanie pociĊtych arkuszy na stanowisko do táoczenia,
x táoczenie profilu dachówkowego,
x odebranie wytáoczonego elementu,
x malowanie wytáoczonego elementu,
x wygrzewanie pomalowanych elementów w piecu nawiewowym,
x ostemplowanie wykonanych profili dachówkowych i przekazanie ich do magazynu.
650 Pomiary Automatyka Robotyka 2/2011
NAUKA
Rys. 1. Wytáoczony profil/panel blachy MetroRoman
3.1. ZaáoĪenia konstrukcyjne do modelu wirtualnego
Na podstawie analizy kolejnych wymaganych operacji technologicznych zaproponowano
rozkáad elementów skáadowych gniazda produkcyjnego jak na rys. 2. CzĊĞü wymaganych
operacji technologicznych tj. ciĊcie blachy na arkusze oraz wygrzewanie pomalowanych elementów wyáączono z projektowanego gniazda gdyĪ wykonywane są one na stanowiskach
znajdujących siĊ w innych pomieszczeniach zakáadu produkcyjnego.
Rys. 2. Schemat projektowanego zrobotyzowanego gniazda do táocznie blach
Zaproponowano nastĊpujące operacje technologiczne i manipulacyjno-transportowe przypisane poszczególnym elementom skáadowym gniazda:
x wózek widáowy:
operacja01 – dostarczanie palet z pociĊtymi arkuszami blachy na stanowisko
operacja02 – wywóz pustych palet do magazynu w celu uzupeánienia blachy
x robot pierwszy – ROB1:
operacja01 – pobieranie arkusza blachy gáadkiej z palet
operacja02 – transport arkusza na prasĊ táoczącą
operacja03 – wysterowanie sygnaáu do powodującego zamkniĊcie siĊ mechanizmu
táoczni
2/2011 Pomiary Automatyka Robotyka
651
NAUKA
x
x
robot drugi – ROB2:
operacja01 – pobieranie wytáoczonych profili z prasy táoczącej
operacja02 – odkáadanie profilu blachy na taĞmociąg
operacja03 – wysterowanie sygnaáu uruchamiającego pracĊ trzeciego robota
robot trzeci – ROB3:
operacja01 – rozpoczĊcie malowania wytáoczonego profilu
operacja02 – wysterowanie sygnaáu taktującego ruch taĞmociągu.
3.2. Tworzenie modelu wirtualnego
Wirtualny model gniazda produkcyjnego tworzymy korzystając z istniejących w aplikacji
Robot Studio bibliotek robotów lub innych urządzeĔ jak np. taĞmociąg oraz projektując
i wprowadzając wáasne elementy skáadowe, przy czym projektowanie odbywa siĊ w innych
aplikacjach typu CAD ze wzglĊdu na ograniczone moĪliwoĞci programu Robot Studio w tym
zakresie. Kolejne etapy tworzenia wirtualnego modelu gniazda do táoczenia blachy dachówkowej:
x zdefiniowanie stanowiska jako bazy do umieszczania elementów skáadowych, przy czym
moĪna wykorzystaü istniejący model systemu produkcyjnego lub wybraü opcjĊ pustej stacji, którą moĪna konfigurowaü od podstaw, co zrealizowano;
x wprowadzenie do wirtualnego Ğrodowiska projektowanego systemu robotów z bibliotek
robotów firmy ABB. Wybrano dwa Ğrednich gabarytów roboty IRB 4400L o udĨwigu
10 kg i zasiĊgu 2.55 m, oraz jeden robot o mniejszych gabarytach IRB 2400 o noĞnoĞci
10 kg i zasiĊgu 1,5 m;
x uzbrojenie robotów w narzĊdzia, przy czym chwytaki przyssawkowe zostaáy zaprojektowane w zewnĊtrznej aplikacji i wprowadzone do systemu;
x wprowadzenie z bibliotek aplikacji urządzenia transportującego (taĞmociąg), palet, wózka
widáowego i innych elementów koniecznych do ustawiania elementów systemu;
x wprowadzenie modelu prasy táoczącej zrealizowanego w zewnĊtrznej aplikacji (Catia).
W wyniku wprowadzania i rozmieszczania elementów skáadowych, których poáoĪenie
moĪna ĞciĞle zdefiniowaü w przyjĊtym ukáadzie wspóárzĊdnych, otrzymano przestrzenny model gniazda produkcyjnego, który zostaá przedstawiony na rys. 3.
Rys. 3. Zaprojektowane stanowisko do táoczenia blachy
652 Pomiary Automatyka Robotyka 2/2011
NAUKA
3.3. Symulacja pracy gniazda produkcyjnego
Po wprowadzeniu i przeanalizowaniu rozmieszczenia poszczególnych elementów na stanowisku przeprowadzono symulacjĊ pracy gniazda. SymulacjĊ pracy poprzedza wprowadzenie
w tryb ruchu elementów skáadowych systemu oraz ich wzajemne skorelowanie, co zrealizowano m.in. nastĊpująco:
x przez wykorzystanie opcji Create Mechanizm, która umoĪliwia zdefiniowanie czĊĞci podlegających ruchowi i nieruchomych, zakresów ruchu oraz sygnaáów wyzwalających ruch
i potwierdzających wykonanie ruchu. W ten sposób wprowadzono w tryb ruchu prasĊ táoczącą oraz taĞmociąg;
x przez wykorzystanie opcji Teach Target w celu programowania zadaniowego robotów, co
w praktyce realizowane byáo jako zadawanie punktów w przestrzeni robotów, przez które
przemieszczana jest koĔcówka robota wraz z narzĊdziem lub przedmiotem. Na podstawie
zadanych punktów utworzono ĞcieĪki ruchu (Path) a nastĊpnie przeprowadzono synchronizacjĊ kaĪdego z trzech wystĊpujących w systemie robotów z wirtualnymi kontrolerami;
x przez wykorzystanie opcji Events, która umoĪliwiáa ustawienie zaleĪnoĞci i powiązaĔ
ruchowych jak i sygnaáowych pomiĊdzy poszczególnymi elementami systemu. Istnieje
równieĪ moĪliwoĞü ustawienia trybu znikania elementów systemu podczas symulacji pracy. W analizowanym systemie definiowanie powiązaĔ miĊdzy obiektami odbywaáo siĊ na
zasadzie ustawiania odpowiednich sygnaáów wywodzących siĊ z poszczególnych robotów
przez opcjĊ Offline i Comunication.
Po zrealizowaniu powyĪszych zadaĔ przeprowadzono symulacjĊ pracy caáego gniazda
produkcyjnego. W wyniku procesu symulacji stwierdzono nieprawidáowe zdefiniowanie poáoĪenia robota ROB1 oraz báĊdy w zadanych punktach na trajektorii ruchu robota ROB2, co
prowadziáo do wystĊpowania kolizji chwytaków obydwu robotów z prasą táoczącą. W związku z tym wprowadzono korekcje w ustawieniu robota oraz wprowadzono dodatkowe punkty
do ĞcieĪki ruchu robotów (rys. 4 i 5). Korekcje te pozwoliáy na przeprowadzenie poprawnej
symulacji dziaáania caáego systemu, nie wykryto Īadnych báĊdów kolizji. W efekcie koĔcowym wygenerowano automatycznie programy sterujące robotami, które moĪna wprowadziü
do rzeczywistych sterowników robotów wystĊpujących w systemie. Do generowania programu
i okreĞlania punktów moĪe posáuĪyü takĪe moduá „Virtual Flex Pentand”. DziĊki niemu moĪna definiowaü poszczególne punkty, a takĪe mieü peány dostĊp do jĊzyka programowania
robotów. Fragment wygenerowanego programu dla robota ROB1 przedstawia listing:
MODULE Module1
PROC Path_10()
MoveL Target_10,v1000,z10,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
MoveL Target_50,v1000,z10,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
MoveL Target_20,v1000,fine,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
SetDO signal1,1;
MoveL Target_50,v1000,z10,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
MoveL Target_10,v1000,z10,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
MoveL Target_60,v1000,fine,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
}
MoveL Target_10,v1000,fine,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
SetDO signal2,1;
MoveL Target_10,v1000,fine,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
SetDO signal2,0;
ENDPROC
PROC main()
Path_10;
ENDPROC
ENDMODULE
2/2011 Pomiary Automatyka Robotyka
653
NAUKA
Rys. 4. Lokalizacja pierwszego robota IRB 4400L
Rys. 5. Modyfikacji ustawieĔ ruchów robota
654 Pomiary Automatyka Robotyka 2/2011
NAUKA
4. WNIOSKI I UWAGI KOēCOWE
Aplikacja Robot Studio 5.x jest wystarczającym narzĊdziem do projektowania systemów
technologicznych, co przedstawiono w opracowaniu. Zaprojektowany model wirtualny
gniazda produkcyjnego w peáni odzwierciedla istniejące elementy, jakie znajdują siĊ w rzeczywistej fabryce oraz umoĪliwia wprowadzenie dodatkowych w tym robotów. Rozmieszczanie elementów na stanowisku jest bardzo elastyczne i w zasadzie poprawki dotyczące
przestawienia urządzenie nie stanowią problemu. Po kaĪdej zmianie moĪna przeprowadziü
symulacje i w ten sposób na bieĪąco korygowaü pracĊ systemu wytwarzania. W programie
RobotStudio projektant moĪe importowaü gotowe obiekty i zachowaü ich rzeczywiste wymiary w odpowiedniej skali, co uáatwia odwzorowanie rzeczywistego systemu. Przeprowadzone
symulacje umoĪliwiáy wprowadzenie korekcji na etapie projektowania oraz umoĪliwiáy wygenerowanie gotowych programów sterujących robotami. Wykorzystanie aplikacji do modelowania i symulacji gniazda do táoczenia blach dachówkowych spowodowaáo skrócenie czasu
tworzenia
i testowania systemu produkcyjnego, a takĪe prowadziáo do obniĪenie kosztów związanych
z nieprawidáowym rozmieszczeniem elementów systemu, co skutkowaü moĪe miĊdzy innymi
obniĪeniem wydajnoĞci pracy. Podsumowując zastosowanie pakietu RobotStudio pozwala na
uzyskanie:
x redukcji ryzyka popeánienia báĊdu w projektowaniu poprzez wizualizacje,
x potwierdzenie przyjĊtej koncepcji dziaáania systemu produkcyjnego,
x optymalizacji programów robotów w celu zwiĊkszenia produktywnoĞci,
x wprowadzenia do systemu nowych komponentów bez dáuĪszych przerw.
5. BIBLIOGRAFIA
1. Zdanowicz R.: Robotyzacja procesów technologicznych. Wyd. Politechniki ĝląskiej,
Gliwice, 2007.
2. Katalogi i materiaáy firmowe ABB 2007- 2010.
3. www.abb.com
4. www.virtual-environments.com
2/2011 Pomiary Automatyka Robotyka
655