2 irb 120 badanie funkcjonalne robota przemysłowego
DESCRIPTION
Instrukcja do laborki WAT mechatronika PARTRANSCRIPT
WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA
WYDZIAŁ MECHATRONIKI I LOTNICTWA
KATEDRA MECHATRONIKI
INSTRUKCJA
DO PRZEPROWADZENIA ĆWICZENIA LABORATORYJNEGO
NA TEMAT:
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
Ppłk dr inż. Wojciech KACZMAREK
WARSZAWA 2014
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
3
1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie studentów z budową robota przemysłowego. Studenci
podczas ćwiczenia zapoznają się elementami szafy sterowniczej, funkcjonalności panelu nauczania
oraz budowy manipulatora. Ponadto, studenci poznają podstawy programowania robota
przemysłowego metodą nauczania z wykorzystaniem panelu nauczania.
2. WPROWADZENIE Słowo robot oznacza w języku czeskim robotnika. W 1920 roku, pisarz czeski Karel Ćapek
nazwał robotami sztuczne, inteligentne istoty pozbawione ludzkich uczuć. Pisząc „R.U.R. – Roboty
Uniwersalne Rossuma” stworzył wizję świata, w którym jedyną drogą jest dążenie do rozwoju
technicznego, a wszystko to, co postępowi nie służy jest nieważne.
Ćapek pisał: „…produkować sztucznych robotników, to przecież to samo co wyrabiać silniki
spalinowe. Produkcja musi być jak najprostsza, a produkt jak najlepszy, najpraktyczniejszy(…). Jaki
robotnik jest dla fabryki najlepszy? (...) Taki, który jest najtańszy. Który ma jak najmniej potrzeb. Młody
Rossum skonstruował robotnika mającego minimum potrzeb. Musiał go uprościć. Odrzucił wszystko, co
bezpośrednio nie wiąże się z wykonaniem pracy. W ten właśnie sposób zlikwidował człowieka
i stworzył Robota…”
Określenie przyjęło się na całym świecie i dziś robotem nazywane jest urządzenie techniczne
przeznaczone do realizacji niektórych funkcji manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka, mające
pewien poziom inteligencji maszynowej. Dążeniem człowieka od zawsze było stworzenie maszyny na
swój obraz (humanoida). Wraz z rozwojem technologii roboty wyposażano w coraz lepsze,
nowocześniejsze źródła energii, czujniki, urządzenia wykonawcze i sterujące. Na początku XX wieku,
wraz z wykorzystaniem elektryczności roboty wyposażono w mikrofony, fotokomórki i głośniki, a do
sterowania zaczęto używać aparatury bezprzewodowej. W latach pięćdziesiątych wyprodukowano
pierwsze modele maszyn manipulacyjnych z programowym sterowaniem.
Do pionierów robotyki można z całą pewnością zaliczyć konstruktora Joe Engelbergera, który
wraz ze swoim przyjacielem o nazwisku Devol skonstruował w 1958r. kanciastą i przysadzistą maszynę
UNIMATE. UNIMATE (rys.2.1) w roku 1961 został włączony do procesu technologicznego w fabryce
General Motors w Ternstedt w stanie New Jersy. Zadaniem, wyposażonego w teleskopowe ramię
hydrauliczne z przegubem robota było przenoszenie, dziewięciokilogramowych odlewów ze stali. Robot
przepracował przez blisko 50 lat około 100 tys. godzin wytyczając nowy kierunek w przemyśle.
Rys.2.1. Robot UNIMATE podczas pracy
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
4
Prawa robotyki
Pierwsze prawo: Robot nie może ingerować w działanie człowieka, oprócz tych działań,
które szkodzą człowiekowi.
Drugie prawo: Robot musi być posłuszny rozkazom wydawanym przez człowieka, oprócz
tych rozkazów, które są sprzeczne z pierwszym prawem.
Trzecie prawo: Robot musi chronić swoją egzystencję, oprócz tych przypadków, które są
sprzeczne z pierwszym lub drugim prawem.
Czwarte prawo: Robot musi ujawnić swoją naturę robota. W szczególności robot nie może
udawać człowieka.
Piąte prawo: Im bogatsze jest wyposażenie robota w układy czujnikowe, zapewniające
percepcję warunków otoczenia, a w szczególności możliwości
autonomicznego określania działań przez jego układ sterowania, tym (do
pewnego dopuszczalnego stopnia) może być uboższe jego konstrukcja.
Ten dopuszczalny stopień jest zależny od celu, który został przed robotem
postawiony oraz od możliwości zrealizowania tego celu przez robota.
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
5
Klasyfikacja robotów
R
ob
ot
mo
blil
ny
sta
cjo
na
rny
z o
twa
rtym
łań
cu
ch
em
kin
em
aty
czn
ym
z z
am
kn
ięty
m
łań
cu
ch
em
kin
em
aty
czn
ym
po
rusza
jący
się
po
sta
łym
torz
e
mo
no
lityczn
e
mo
du
łow
e
pse
ud
om
od
uło
we
se
kw
en
cyjn
y
za
da
nio
wy
ad
ap
tacyjn
y
pn
eu
ma
tyczn
e
siło
wn
ik lin
ow
y
siln
ik o
bro
tow
y
str
uktu
rę
kin
em
aty
czn
ą
bu
do
wę
je
dn
ostk
i
kin
em
aty
czn
ej
ste
row
an
iaro
dza
j n
ap
ęd
ów
Kry
teria
po
dzia
łu
ze
wzg
lęd
u n
a
ka
rte
zja
ński
cylin
dry
czn
y
SC
AR
A
PU
MA
sfe
ryczn
y
po
larn
y
zło
żo
ny
trip
od
he
xa
po
d
au
ton
om
iczn
y
tele
op
era
tor
hyd
rau
liczn
e
siln
ik o
bro
tow
y
siło
wn
ik lin
ow
y
siło
wn
ik w
ah
ad
łow
y
ele
ktr
yczn
e
prą
du
sta
łeg
o
prą
du
prz
em
ien
ne
go
siln
ik s
ko
ko
wy
mie
sza
ne
Rys.2
.2. K
lasyfika
cja
ro
bo
tów
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
6
x
y
z
z
P
z
Układ
współrzęnych
Polarny
z
x
y
C
0
a1
a2
a3
Cylindryczny
z
x
y
C
P0
x
Kartezjński
z
y
C
0
SCARA
z
x
y
C
0
a1
a2 a
3
Robot i jego
przestrzeń roboczaDiagram
Sferyczny
z
x
y
C
0P
C
Typ RRT
C
Typ RRR
C
Typ RRT
C
Typ RTT
C
Typ TTT
P
Rys.2.3. Zestawienie podstawowych parametrów robotów stacjonarnych z otwartym łańcuchem kinematycznym
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
7
Dokładność i powtarzalność manipulatorów
Z punktu widzenia przebiegu procesu technologicznego po odpowiednim dobraniu
typu robota do wykonywania danej czynności (ze względu na jego budowę m.in. gabaryty,
stopnie swobody i ruchliwość) konieczne jest zweryfikowanie jego dokładności
i powtarzalności.
Dokładność definiuje się, jako miarę określającą, jak blisko manipulator może
przemieścić się do danego, wybranego punktu swojej przestrzeni roboczej.
Powtarzalność określa natomiast jak blisko, powtarzając ruch manipulator może
przemieścić się do tego samego punktu ponownie.
Przodujące, w produkcji robotów, na rynku światowym firmy oferują roboty
charakteryzujące się bardzo wysokimi wskaźnikami dokładności i powtarzalności (rzędu:
0,02-0,05mm) jednak należy pamiętać, iż uzyskanie takich powtarzalności jest obarczone
wysokimi kosztami. Podzielnie robotów na kategorie związane z ich zastosowaniem
pozwoliło na określenie wielu parametrów jakimi powinny się one charakteryzować w
różnych zastosowaniach. I tak dla przykładu, w procesie spawania łukowego wymagane są
duże dokładności i powtarzalności, natomiast w procesie malowania, gdzie średnica plamki
lakieru wynosi ok. 200mm nie jest konieczne konstruowanie manipulatora o dokładności
0,002mm.
Przestrzenie robota
GŁÓWNA PRZESTRZEŃ ROBOCZA – w jej obrębie przemieszcza się konstrukcyjne
zakończenie ramienia robota (najczęściej uchwyt do efektora).
POMOCNICZA PRZESTRZEŃ ROBOCZA – w jej obrębie przemieszcza się efektor,
ewentualnie dodatkowe zamienne elementy manipulatora.
PRZESTRZEŃ KOLIZYJNA – w jej obrębie przemieszczają się wszystkie elementy
robota.
STREFA ZAGOŻENIA – to przestrzeń zabroniona przepisami i normami (związana z
bezpieczeństwem pracy).
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
8
3. OPIS STANOWISKA LABORATORYJNEGO
Zasady bezpieczeństwa przy pracy z robotem
Każdy robot przemysłowy jest urządzeniem niebezpiecznym ze względu na
możliwość wykonywania nagłych ruchów z dużą prędkością, które są obarczone dużymi
siłami, w trakcie normalnej pracy robota zależnie od sygnałów zewnętrznych. Możliwe jest
również wykonanie niekontrolowanego ruchu spowodowanego np. zakłóceniem w zasilaniu
robota. Dlatego też przy wchodzeniu w przestrzeń roboczą robota należy zachować
maksymalną ostrożność. Podstawowym środkiem zabezpieczającym jest fizyczne
odseparowanie robota od otoczenia np. ogrodzeniem. Oprócz tego każde wejście w
przestrzeń roboczą manipulatora powinno być poprzedzone wyłączeniem jego silników. W
razie konieczności programowania robota z zakresu jego zasięgu, druga osoba powinna
znajdować się przy szafie sterowniczej robota, gotowa do użycia przycisku stopu
awaryjnego. W trakcie trwania zajęć laboratoryjnych ze względów bezpieczeństwa nie należy
przebywać w przestrzeni roboczej robota, która oddzielona jest od pozostałej części
laboratorium czarną taśmą. W przypadku konieczności natychmiastowego zatrzymania
robota należy wcisnąć przycisk ”STOP awaryjny” znajdujący się na panelu programowania
lub na panelu operatora.
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
9
Wstęp
Przemysłowy robot IRB120 składa się z dwóch zasadniczych części: sterownika oraz
manipulatora. Manipulator posiada 6 stopni swobody. Poszczególne osie wykonujące ruch
obrotowy napędzane są silnikami prądu zmiennego, i posiadają elektromechaniczne
hamulce. Manipulator ma możliwość zainstalowania różnych narzędzi na kołnierzu 6 osi,
maksymalna masa narzędzia lub ładunku zainstalowanego na 6 osi wynosi 3kg. Sterownik
robota posiada wydajną jednostkę centralną obsługują układy sterowania silników, posiada
również wejścia i wyjścia analogowe i dwustanowe, oraz dodatkowe układy wykonawcze
umożliwiające dołączenie dodatkowych, zewnętrznych silników (opcjonalnie). Robot może
być programowany zarówno w trybie on-line jak i off-line w języku programowania RAPID.
Program napisany przy użyciu zewnętrznego komputera może być wczytany do kontrolera
poprzez sieć Ethrrnet. Istnieje możliwość sterowania zarówno we współrzędnych
wewnętrznych jak i zewnętrznych. Dzięki dużej sztywności konstrukcji oraz dobrej
dokładności odtwarzania zadanej trajektorii robot ma szeroki zakres zastosowań. Po
wyposażeniu w odpowiednie urządzenia wykonawcze może służyć do wykonywania operacji
montażu, malowania, spawania, klejenia itp.
Kontroler robota
Kontroler IRC5 Compact zawiera wszystkie komponenty w jednej szafie.
Warunki przechowywania kontrolera: temp. min. -25oC
temp. Max. +55oC
wilgotność max. 95% w stałej temperaturze
Po przechowywaniu kontroler powinien znajdować się 4 godziny w warunkach operacyjnych
zanim zostanie uruchomiony.
Warunki operacyjne: temp. min. +5oC
temp. Max. +45oC
wilgotność max. 95% w stałej temperaturze
Waga kontrolera IRC5 Compact wynosi maksymalnie 27,5 kg.
Klasa bezpieczeństwa: kontroler IRC5 Compact IP20
FlexPendant IP54
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
10
Rys.3.1. Widok płyty czołowej kontrolera IRC 5 Compact
A - Przycisk zwalniania hamulców (pod plastikową pokrywką) manipulatora IRB 120.
Kontroler IRC5 Compact używany dla innych manipulatorów nie posiada przycisku zwalniania hamulców a jedynie zaślepkę (manipulator posiada przycisk zwalniania hamulców na sobie). Wciśnięcie przycisku powoduje zwolnienie hamulców wszystkich osi.
B - Przycisk załączenia napędów C - Przycisk bezpieczeństwa (Emergency Stop) D - Przełącznik głównego zasilania E - Przełącznik trybów pracy
Rys.3.2. Widok płyty czołowej kontrolera IRC 5 Compact
A - XS6 Option, złącze wewnętrznie podłączone do interfejsu karty DeviceNet, karty
zasilającej 24V (maksymalne obciążenie (podłączonych klientów) nie może przekroczyć 6A), karty bezpieczeństwa, komputera osi oraz jednostki napędowej (dostęne sygnały: DeviceNet, zwolnienie hamulców, komunikacja ethernetowa dla dodatkowych osi).
B - XS8 Additional axis C - XS7 I/O, złącze wewnętrznie podłączone do jednostki I/O (DSQC 652) (dostępne
sygnały: 16 wejść i 16 wyjść cyfrowych) i karty zasilającej 24V (maksymalne obciążenie (podłączonych klientów) nie może przekroczyć 6A).
D - XS9 Safety, złącze podłączone wewnętrznie do karty bezpieczeństwa, złącze zawiera sygnały: Auto stop, General stop, External emergency stop PB, External supply
E - XS4 FlexPendant (gniazdo podłączenia FlexPendanta) F - XS1 Power cable (podłączenie manipulatora – zasilanie) G - XS0 Power input (zasilanie kontrolera), w zależności od typu może być 1 lub 3
fazowe dla robotów IRB120, IRB140, IRB1450 1 x 220/230V H - XS41 Signal cable I - XS2 Signal cable (podłączenie manipulatora – sygnały)
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
11
Panel operatora
Na panelu operatora umieszczony został przycisk ”STOP awaryjny”, włącznik
załączenia napędów, przełącznik wyboru trybu pracy i zwolnienie hamulców.
Wybór trybu pracy
Włącznik główny
Załączenie napędów
Zwolnienie hamulców
STOP Awaryjny
Rys.3.3. Panel operatora
Wybór trybu pracy:
o AUTO – praca automatyczna (podczas produkcji),
o TEACH – tryb programowania/nauczania (sterowanie ręczne) – w trybie tym
możemy poruszać robotem za pomocą joystick’a, prędkość robota jest
zredukowana do 250mm/s.
Załączenie napędów:
o przycisk załączenia napędów (z sygnalizacją świetlną):
żarówka świeci ciągle – napędy robota są zasilone,
żarówka mruga – napędy robota nie są zasilone.
Zwolnienie hamulców:
o przycisk zwalniania hamulców – po wciśnięciu hamulce we wszystkich osiach
zostają zwolnione.
STOP Awaryjny:
o przycisk zatrzymania awaryjnego - natychmiastowe odłączenie zasilania
silników manipulatora.
Panel sterowania
Panel FlexPendant (nazywany czasem TPU lub panelem dotykowym) jest ręcznym
urządzeniem sterującym, służącym do wykonywania wielu zadań związanych z obsługą
systemu robota:
uruchamiania programów,
wykonywania ruchów impulsowych manipulatorem,
modyfikowania programów itp.
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
12
Panel FlexPendant może pracować w trybie ciągłym, w trudnych warunkach przemysłowych.
Jego ekran dotykowy jest łatwy w czyszczeniu i odporny na:
wodę,
olej,
przypadkowe odpryski spawalnicze.
Panel FlexPendant - kompletnym komputerem. Stanowi integralną część sterownika IRC5,
podłączoną do niego za pomocą zintegrowanego kabla i złącza. Przycisk hot plug umożliwia
odłączenie panelu FlexPendant w trybie automatycznym i kontynuowanie pracy bez niego.
Rys.3.4. Panel sterowania
Manipulator
Robot IRB 120 posiada 6 stopni swobody.
Rys.3.5. Przestrzeń robocza robota IRB 120
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
13
Rys.3.5. Udźwig robota IRB 120
Uruchomienie i przygotowanie robota do pracy
Za pomocą wyłącznika głównego (patrz rys.3.1) należy załączyć zasilanie kontrolera.
Przez pewien czas trwa automatyczne testowanie układów elektronicznych. Po pełnym
uruchomieniu urządzenia na FlexPendancie powinien pojawić się obraz zgodny z rysunkiem
3.6.
Rys.3.6. Ogólny widok FlexPendanta robota IRB 120
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
14
4. WYKONANIE ĆWICZENIA
Przebieg ćwiczenia
a. Każdy ze studentów powinien uchwycić przedmiot manipulacji (np.: puszka, karton,
itp.) i przenieść go we wskazane przez prowadzącego miejsce,
b. Grupa tworzy program ruchu robota
a. Testuje go w trybie ręcznym
b. Uruchamia w trybie automatycznym
Sterownie ruchem robota za pomocą joisticka
1. Przełącz robota na tryb ręczny.
2. Wybierz parametry zgodnie ze wskazówkami prowadzącego ćwiczenie i sprawdź
znaczenie poszczególnych ikon podczas przemieszczania manipulatora.
3. Włącz przycisk załączenia napędów na FlexPendancie
4. Przemieść robota we wskazane miejsce korzystając ze sterowania poszczególnymi
osiami oraz w układach: bazowym i narzędzia.
5. Korzystając z okna Inputs and Outputs sprawdź możliwość sterowania sygnałami
cyfrowymi wejść/wyjść.
6. Zgodnie z poleceniem prowadzącego uchwyć i przemieść obiekt manipulacji we
wskazane miejsce.
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
15
Programowanie
Programowanie robota powinno rozpocząć się od ustalenia sposobu działania robota
w danej instalacji. Bardzo pomocny jest tu algorytm rysunkowy, przedstawiający przebieg
programu. Należy również ustalić podział całego cyklu pracy robota na program główny i
podprogramy, ustalić numery wejść i wyjść cyfrowych robota.
Każdy program składa się z kolejnych instrukcji, wykonywanych przez robot krok po
kroku. Bardziej złożony program może być podzielony na program główny i podprogramy, w
których wykonywane są czynności robota powiązane w pewien sposób ze sobą. Ten sposób
pozwala na bardziej czytelne przedstawienie całości procesu. Tworzenie nowego programu
odbywa się w trybie TEACH.
1. Korzystając z zakładki Program Editor napisz program zgodnie ze
wskazówkami prowadzącego.
5. WYKONANIE SPRAWOZDANIA W sprawozdaniu należy zamieścić:
cel ćwiczenia,
szkic manipulatora,
BADANIE FUNKCJONALNE ROBOTA PRZEMYSŁOWEGO
16
przykłady zastosowań analizowanego typu robota.
6. PYTANIA KONTROLNE (PRZYKŁADOWE) Skąd wzięło się słowo robot ?
Wymień prawa robotyki ?
Sklasyfikuj roboty względem wybranego kryterium ?
Wymień komponenty robota ?
Opisz panel sterowania ?
Opisz panel operatora ?
Opisz manipulator ?
Opisz cechy poruszania się robota we współrzędnych bazowych, osiowych,
narzędzia
7. LITERATURA Kaczmarek W.: „Podstawy robotyki” – opracowanie własne 2013.
Podręcznik użytkownika robot IRB120