Piotr KOMISARCZUK Izabela TOMCZUK-PIRÓG Politechnika Opolska

MANIPULATOR USPRAWNIAJ CY PRAC STANOWISKA PRODUKCYJNEGO

1. Wst p Wspó czesna gospodarka rynkowa wymaga od wszystkich ga zi przemys u

du ej konkurencyjno ci. Utrzymanie si przedsi biorstwa na rynku zale y m.in.

od sta ego obni ania kosztów produkcji, podwy szenia jako ci, niezawodno ci,

nowoczesno ci i trwa o ci produktu. Oznacza to konieczno stosowania w a-

ciwych metod zarz dzania produkcj . Osi gni cie ww. celów nie jest obecnie

mo liwe bez wprowadzenia na szerok skal automatyzacji i robotyzacji proce-

sów produkcyjnych [8].

Robotyka przemys owa jest ci le zwi zana z elastycznymi systemami wy-

twórczymi (FMS, ang. Flexible Manufacturing System), zintegrowanymi syste-

mami wytwarzania ze sterowaniem komputerowym (CIM, ang. Computer Inte-

grated Manufacturing) oraz tzw. bezludnymi fabrykami (AF, ang. Automated

Factory). W celu zautomatyzowania zada w elastycznych systemach produk-

cyjnych powszechnie stosowane s roboty i manipulatory IR, IM (ang.: Indu-

strial Robot, Industrial Manipulator). Odgrywaj one szczególn rol w produkcji

zautomatyzowanej, wspomaganej komputerowo. Mog by one wykorzystywane

do robotyzacji takich procesów, jak: odlewnictwo, spawalnictwo, lakiernictwo,

pokrycia powierzchni, obs uga pras, monta , itp. Pierwsze roboty pojawi y si

w ameryka skim przemy le samochodowym na pocz tku lat sze dziesi tych

[7]. G ównym celem stosowania robotów i manipulatorów jest podwy szenie

jako ci wykonywanych prac oraz zast pienie pracownika podczas wykonywania

ci kich fizycznych i monotonnych prac, a zw aszcza od prac niebezpiecznych

dla zdrowia, a nawet ycia [6].

Robotyzacja umo liwia odsuni cie (lub ca kowite zast pienie) cz owieka od

procesów wytwarzania. Cz owiek jednak e zawsze odgrywa nadrz dn rol :

konstruuje, programuje czy te konserwuje roboty [2].

Celem niniejszej pracy jest zaprojektowanie i wykonanie zrobotyzowanego

stanowiska produkcyjnego. Praca na danym stanowisku b dzie realizowana

przez manipulator o sze ciu stopniach swobody. Manipulator ma na celu wspo-

maganie pracy na stanowisku poprzez przemieszczanie metalowych elementów

pomi dzy sto ami obrotowymi. Stanowisko sterowane jest za pomoc pulpitu

steruj cego zaprogramowanego przy u yciu komputera.

Piotr Komisarczuk, Izabela Tomczóg-Piróg

106

2. Podstawowe podzespo y zautomatyzowanego stanowiska

Struktury mechaniczne, elektryczne oraz systemy sterowania robotów mog

znacznie ró ni si mi dzy sob , jednak e wszystkie zrobotyzowane stanowiska

posiadaj cztery wspólne podzespo y: manipulator, uk ad zasilania, system sen-

soryczny oraz sterowniki [3].

Rys. 1. Zrobotyzowane stanowisko produkcyjne

Manipulator jest utworzony poprzez ogniwa po czone z czami, które two-

rz a cuch kinematyczny. Na ko cu tego a cucha znajduje si efektor manipu-

latora, którym mo e by chwytak lub odpowiednie narz dzie. Z cza nap dzane

s odpowiednimi zespo ami, tj. silnikami wraz z przek adniami lub si ownikami,

które zapewniaj ruchy efektora manipulatora w ró nych kierunkach. Uk ad

zasilania stanowi element sk adowy stanowiska przetwarzaj cy energi pierwot-

n dostarczan do robota (zwykle energi elektryczn ) na odpowiedni rodzaj

energii, w zale no ci od zastosowanych zespo ów nap dowych manipulatora

(np. pneumatyczne lub hydrauliczne). Stanowisko obejmuje system sensoryczny,

który dostarcza informacji sterownikowi o stanie manipulatora i jego otoczenia.

Sensory dziel si na dwie grupy: sensory wewn trzne (zwi zane z a cuchem

kinematycznym manipulatora) s u ce do pomiaru wzajemnych przemieszcze

i pr dko ci poszczególnych z czy (czujników po o enia) oraz sensory zewn trzne

(s u ce do pomiarów wzajemnych po o e efektora manipulatora i elementów

Manipulator usprawniaj cy prac stanowiska produkcyjnego

107

otoczenia). Przyk adami sensorów s czujniki zbli eniowe, dotykowe i systemy

wizyjne. Sterownik stanowiska wykonuje nast puj ce funkcje: przechowuje w pa-

mi ci sekwencje danych dotycz cych ruchów manipulatora oraz elementów stano-

wiska, zbiera i przetwarza informacje z systemu sensorycznego, koordynuje

ruchy zespo ów nap dowych manipulatora oraz komunikuje si z innymi zespo-

ami zrobotyzowanego stanowiska [3]. Rysunek 1 przedstawia zrobotyzowane

stanowisko produkcyjne w przedsi biorstwie produkuj cym podzespo y samo-

chodów osobowych Tower Automotive. Na stanowisku tym, za pomoc manipu-

latora, wykonywane s operacje zgrzewania, np. szyny drzwiowej przy u yciu

robota firmy MOTOMAN Robotem.

3. Zaprojektowanie i wykonanie stanowiska roboczego Ze wzgl du na wiele trudno ci wyst puj cych przy projektowaniu i konstruowa-

niu manipulatorów i robotów obecnie stosuje si rozbudowane programy grafiki

komputerowej s u ce do generowania obrazów i wizualizacji rzeczywistych

danych. Grafika komputerowa umo liwia rozwój metod symulacji w zakresie

projektowania robotów i stanowisk zrobotyzowanych w systemie off-line [6].

Do powszechnie u ywanych programów projektowania grafiki 3D mo na zali-

czy 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 obs udze, umo liwia atwe

i sprawne rysowanie oraz wprowadzanie ruchu. Za pomoc programu zaprojek-

towano kszta t poszczególnych elementów sk adowych manipulatora, po czenie

z czy, zobrazowano jego mo liwo ci ruchowe oraz przeprowadzono animacj .

Struktura manipulatora to struktura typu 5R, co oznacza, e wszystkie z cza

s obrotowe. Jest ona powszechnie stosowana w wielu przedsi biorstwach

przemys owych (np. Tower Automotive) i umo liwia pe n swobod ruchu, np.

podczas przenoszenia obiektów w przestrzeni. Zalet tej struktury jest stosun-

kowo du a przestrze robocza, która ma kszta t zbli ony do sfery kulistej, przy

czym mo liwe jest osi gni cie punktów w pobli u rodka tej strefy oraz dotarcie

do wielu punktów poza przeszkodami umieszczonymi w polu roboczym [3].

Dlatego te struktura ta zosta a u yta do opracowania manipulatora. Manipulator

posiada sze stopni swobody: obrót podstawy, zginanie ramienia, okcia, nad-

garstka, obrót nadgarstka i chwytak (rysunek 2). Pierwsze trzy stopnie swobody

umo liwiaj poruszanie chwytaka w kierunku zadanej pozycji, a pozosta e stop-

nie s u do odpowiedniej orientacji chwytaka w przestrzeni. Dla robotów nieru-

chomych otoczenie ogranicza si do przestrzeni roboczej, w której mo e poru-

sza si chwytak. Nale y podkre li , e otoczenie nie jest rozumiane tylko

w sensie geometrycznym, lecz równie w sensie fizycznym w asno ci otoczenia

oraz uwzgl dnienia wszystkiego, co w tym otoczeniu wyst puje, np. przeszkód [6].

Oznacza to, e robot musi by przystosowany do wspó dzia ania z otoczeniem.

Piotr Komisarczuk, Izabela Tomczóg-Piróg

108

Rys. 2. Manipulator opracowany w programie 3D Studio MAX

W opracowanym manipulatorze, do poruszania z czami (stawami), zasto-

sowano serwomechanizmy modelarskie, które charakteryzuj si miniaturow

wielko ci , ma wag , i du ym momentem obrotowym. Serwo to ma y, bardzo

mocny silniczek, który poprzez zastosowane przek adnie (zwykle plastikowe)

osi ga bardzo du y moment obrotowy, dok adno oraz szybko .

Zaprojektowane stanowisko robocze sk ada si z manipulatora znajduj cego

si pomi dzy obrotowymi sto ami. W sto ach wykonane s otwory, w których

umieszczono metalowe konstrukcje. Pod sto ami zainstalowano czujniki induk-

cyjne, które umo liwi y wprowadzenie zautomatyzowanego rodowiska pracy.

Na stanowisku umieszczono, do dyspozycji operatora, zestaw pod wietlanych

przycisków. Odpowiednie uk ady zasilaj ce elementy czynne stanowiska oraz

steruj ce zadaniami umieszczono w rodku obudowy, do których operator sta-

nowiska nie posiada dost pu.

Po zaprojektowaniu dwóch sto ów obrotowych i manipulatora dokonano

zwymiarowania poszczególnych elementów stanowiska w programie graficz-

nym AutoCAD 2004. Kolejnym etapem podczas projektowania stanowiska by o

frezowanie elementów konstrukcji manipulatora przy u yciu frezarki numerycz-

nej obs ugiwanej przez program GTJ 2000. Dzi ki zastosowaniu ww. techniki

osi gni to wysok dok adno wykonanych elementów, co w pó niejszych eta-

pach monta u i programowania pozwoli o unikn cz sto wyst puj cych trud-

no ci.

Manipulator usprawniaj cy prac stanowiska produkcyjnego

109

4. Opracowanie uk adu steruj cego Ze wzgl du na sposób programowania i mo liwo ci komunikowania si robota

ze rodowiskiem zewn trznym (otoczeniem) mo na podzieli roboty na trzy

generacje: I – roboty nauczane, II – roboty ucz ce si , III – roboty inteligentne.

Robotami I generacji nazwano urz dzenia wyposa one w pami , do której s

wprowadzane rozkazy, a nast pnie – ju bez ingerencji operatora – zdolne do wy-

konywania czynno ci zaprogramowanych. Roboty tej generacji nie s zdolne do

samodzielnego zbierania informacji o zewn trznym rodowisku pracy. Roboty

pierwszej generacji stanowi wi c wi kszo wspó czesnych robotów przemy-

s owych [2]. Maj one ograniczone w a ciwo ci funkcyjne i tylko sporadycznie

s wyposa one w czujniki do zbierania informacji z otaczaj cego rodowiska.

Nale do nich programowane manipulatory lub roboty przemys owe ni szego

rz du, przeznaczone do podawania i odbierania obiektów z maszyn wytwór-

czych. Maj one du y ud wig i wysok dok adno pozycjonowania, a tak e

mo liwo sterowania drog i pr dko ci przesuwu [1].

Sterowanie ruchami manipulatorów i robotów odbywa si za pomoc skom-

plikowanych uk adów sterowniczych, tzw. szaf sterowniczych, które zawieraj

mi dzy innymi sterowniki logiczne PLC (ang. Programmable Logic Conroller),

wzmacniacze serwomechaniczne, uk ady pozycjonuj ce.

W pracy zaprojektowano uk ad sterownika sk adaj cy si z dwóch mikro-

kontrolerów Atmega 8. Ze wzgl du na rozbudowane czynno ci ruchowe mani-

pulatora uk ad zosta rozbudowany o dodatkow pami EEPROM. Po pod -

czeniu uk adu steruj cego do stanowiska zosta on zaprogramowany

i manipulator by przygotowany do pracy.

Praca manipulatora polega na przenoszeniu metalowych konstrukcji

(np. rub) pomi dzy obrotowymi sto ami (rysunek 3). Manipulator mo e rozpo-

cz prac po naci ni ciu odpowiedniego przycisku przez u ytkownika. Opera-

tor dysponuje panelem sterowniczym, który umo liwia mu pe n kontrol pracy

zrobotyzowanego stanowiska. Wstrzymanie pracy nast puje po naci ni ciu

czerwonego przycisku, wznowienie pracy-bia ego, zezwolenie na prac -

zielonego. Po prze o eniu wszystkich elementów manipulator oczekuje na usta-

wienie w pozycji wej ciowej, sygnalizuj c to czerwon migaj c kontrolk . Po

jej naci ni ciu ustawia si w pozycji startowej i sygnalizuje bia ym mrugaj cym

wiat em gotowo do wznowienia pracy

Piotr Komisarczuk, Izabela Tomczóg-Piróg

110

Rys. 3. Wykonane stanowisko

Zastosowanie czujników indukcyjnych umo liwia znaczn automatyzacj

pracy stanowiska, gdy po ka dorazowym obrocie sto u sprawdzany jest stan

czujników, które s odpowiedzialne za dalsz prac b d wykrycie b dów. Pa-

nel sterowniczy sygnalizuje u ytkownikowi zaistnia e b dy oraz usterki poprzez

zapalenie ó tej kontrolki. Do najcz ciej spotykanych nale te, w których ro-

bot nie zabra ruby, zgubi w trakcie przenoszenia lub nieprawid owo od o y .

Opracowane stanowisko robocze stanowi praktyczny przyk ad wykorzystania

manipulatora do wspomagania procesów produkcyjnych.

5. Podsumowanie Utrzymanie sta ych, dok adnych parametrów procesu produkcyjnego przy

uwzgl dnieniu ró norodnych czynników zak ócaj cych ten proces wymaga za-

st powania b d eliminowania cz owieka z procesu wykonania wielu czynno ci.

Dzi ki zastosowaniu robotów i manipulatorów mo liwe jest poprawienie jako ci

wyrobów, zwi kszenie wydajno ci pracy i przesuni cie wielu pracowników do

innych prac. Rol cz owieka przejmuje wówczas odpowiednio skonstruowany

uk ad techniczny w postaci uk adu sterowania, uk adu automatycznej regulacji,

b d specjalistycznego robota przemys owego.

Opracowany manipulator mo e by stosowany do usprawniana pracy w ra-

mach danego stanowiska produkcyjnego. Mo e zast powa operatora w wyko-

Manipulator usprawniaj cy prac stanowiska produkcyjnego

111

nywaniu zada polegaj cych na przemieszczaniu elementów. Opracowane sta-

nowisko umo liwia u ytkownikowi – operatorowi wydawanie podstawowych

polece dotycz cych wstrzymania, wznowienia pracy oraz dostarcza komunika-

ty o wyst puj cych b dach.

Bibliografia: 1. Honczarenko J.: Roboty przemys owe – budowa i zastosowanie, WNT, War-

szawa 2004.

2. Honczarenko J.: Roboty przemys owe – elementy i zastosowanie, WNT, War-

szawa 1996.

3. Jezierski E.: Dynamika robotów, WNT, Warszawa 2006.

4. Koz owski K., Dutkiewicz P., Wróblewski W.: Modelowanie i sterowanie

robotów, PWN, Warszawa 2003.

5. Kwa niewski J.: Programowalne sterowniki przemys owe w systemach stero-

wania, Kraków 1999.

6. Morecki A. i Knapczyk J. (red): Podstawy Robotyki – Teoria i elementy ma-

nipulatorów i robotów, WNT, Warszawa 1999.

7. Morecki A., Knapczyk J., K dzior K.: Teoria mechanizmów i manipulatorów

– podstawy i przyk ady zastosowa w praktyce, WNT, Warszawa 2002.

8. wider J. (red): Sterowanie i automatyzacja procesów technologicznych

i uk adów mechatronicznych – uk ady pneumatyczne i elektropneumatyczne ze

sterowaniem (PLC), Wydawnictwo Politechniki l skiej, Gliwice 2002.