DOBÓR PARAMETRÓW SYSTEMU ZROBOTYZOWANEGO Z UKŁADEM KONTROLI SIŁY

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE 2018 nr 68, ISSN X DOBÓR PARAMETRÓW SYSTEMU ZROBOTYZOWANEGO Z UKŁADEM KONTROLI SIŁY Andrzej Burghardt 1a, Dariusz Szybicki 1b, Krzysztof Kurc 1c, Paweł Obal 1d, Magdalena Muszyńska 1e 1 Katedra Mechaniki Stosowanej i Robotyki, Politechnika Rzeszowska a andrzejb@prz.edu.pl, b dszybicki@prz.edu.pl, c kkurc@prz.edu.pl, d p.obal@prz.edu.pl, e magdaw@prz.edu.pl Streszczenie Geneza powstania rozważanej tematyki badawczej wywodzi się z potrzeby implementacji robotów w miejscach, gdzie występuje brak możliwości określenia powtarzalnej ścieżki narzędzia, co skutkuje koniecznością stosowanie ręcznej obróbki. Fakt ten wprowadza duże ryzyko powstania elementów brakowych związanych z występowaniem czynnika ludzkiego (błąd, zmęczenie, stres). Zastosowanie pakietu Force Control w zbudowanym stanowisku pozwala na kontrolę siły wywieranej przez narzędzie na obrabiany przedmiot, dzięki czemu pozycja obrabianego detalu musi być znana z dokładnością do kilku milimetrów. Proponowany sposób sterowania pozwala na dostosowanie ruchów robota do informacji zwrotnych z czujników siły w czasie rzeczywistym. Wykorzystanie dodatku ForceControl wymaga określenia szeregu parametrów. W pracy przebadano wpływ zmiany wybranych parametrów na proces obróbki skrawaniem. Otrzymane wyniki zestawiono w formie wykresów. Słowa kluczowe: robotyka przemysłowa, układy kontroli siły, zrobotyzowane obróbka skrawaniem PARAMETER SELECTION OF ROBOTIZED SYSTEM WITH FORCE CONTROL Summary Origins of the research topics under consideration stems from the need to implement robots in places where there is no possibility to determine repeatable tool paths, resulting in the need to use manual machining. This fact introduces a high risk of defective elements associated with the presence of the human factor (error, fatigue, stress). Application of Force Control Package in enclosed station allows to control the force exerted by the tool on the workpiece. Therefore, the position of the workpiece must be known to an accuracy of a few millimeters. Such approach enables the robot interactions with the environment. The proposed method of control allows to adjust the movements of the robot to feedback from the force sensors in real time. Use of Force Control Package requires the determination of several parameters. In this paper the influence of changing selected parameters on the machining process was investigated. The results are summarized in graphs. Keywords: industrial robotics, force control system, robotic machining 1. WSTĘP W ostatnich latach zwiększa się spektrum zastosowań robotów przemysłowych. Zastosowanie robotów wymaga powtarzalności kształtu, położenia i orientacji obrabianych detali [5]. W przeciwnym wypadku nie ma możliwości określenia powtarzalnej ścieżki narzędzia. Przykładem jest obróbka detali odlewanych, których kształt geometryczny może się zmieniać losowo w pewnym ograniczonym zakresie w zależności od precyzji wykonania form oraz występowania takich zjawisk fizycznych jak skurcz podczas krzepnięcia [3]. Wiąże się to z koniecznością obrabiania detali ręcznie, co zwiększa ryzyko powstawania elementów brakowych oraz generuje wyższe koszty. Rozwiązaniem tak zdefiniowanego problemu może być zastosowanie układów korekcji ścieżki punktu TCP (z ang. tool 5

2 DOBÓR PARAMETRÓW SYSTEMU ZROBOTYZOWANEGO Z UKŁADEM KONTROLI SIŁY center point) robota. Obecnie prowadzone są liczne badania nad metodami adaptacji ruchu robota w zależności od zmian warunków wykonywanego procesu. Najczęściej stosowane metody adaptacji trajektorii narzędzia to [6, 7]: narzędzia aktywne: narzędzia pneumatyczne o regulowanej sile docisku, manipulatory z systemem kontroli siły. systemy optyczne: laserowe systemy adaptacji trajektorii, systemy wizyjne, aplikacje uczące się narzędzia dedykowane. Układy sterowania siłowego pozwalają na kontrolowanie siły wywieranej przez narzędzie robota na obrabiany przedmiot. W takim przypadku wystarczy, że położenie przedmiotu będzie znane z dokładnością do kilku milimetrów. Układ sterownia wykrywa położenie detalu na podstawie sygnału z czujników siły zaimplementowanych na manipulatorze i dostosowuje ruchy narzędzia [4, 8]. W pracy wykorzystano pakiet ForceControl manipulatorów ABB. Umożliwia to sterowanie procesem obróbki z wykorzystaniem dwóch strategii: FC Pressure oraz FC SpeedChange. Strategia FC Pressure pozwala na obróbkę materiału ze stałą prędkością i kontrolą siły nacisku prostopadłą do obrabianej powierzchni. Ścieżka ruchu jest dostosowywana do krzywizny powierzchni (rys. 1). Rys. 2. Schemat strategii FC SpeedChange Typowe zastosowanie FC SpeedChange: frezowanie wzdłuż krawędzi obrabianego elementu, usuwanie pozostałości po wcześniejszej obróbce, szlifowanie odlewów, usuwanie nadlewek odlewniczych. Zastosowanie aplikacji ForceControl wymaga określenia szeregu parametrów takich jak: współczynnik zmiany prędkości (Threshold [%]), współczynnik narastania siły (Force Change Rate [N/s]), tłumienie (Dumping [%]), maksymalny czas oczekiwania na kontakt (Timeout [s]), procent zadanej siły z jaką robot rozpoczyna proces (Zero Contact Force [%]), poziom filtracji dla filtru dolnoprzepustowego (Noise level [Hz]). W pracy przeprowadzono badania eksperymentalne mające na celu określenie wpływu kilku wybranych parametrów na stabilizowanie zadanej siły. Wybrano następujące parametry: współczynnik zmiany siły FC [N/s] oraz współczynnik tłumienia D [%]. Eksperyment przeprowadzono na próbkach wykonanych z jednakowego materiału. 2. STANOWISKO BADAWCZE Rys. 1. Schemat strategii FC Pressure Typowe zastosowanie strategii FC Pressure: szlifowanie zaworów, turbin lub łopat śmigieł, szlifowanie i polerowanie felg aluminiowych, polerowanie zderzaków samochodowych, polerowanie obudów do urządzeń elektronicznych. Strategia sterowania siłą z ang. FC SpeedChange [1] pozwala na usuwanie wypływek lub oczyszczanie części i powierzchni obrabianego przedmiotu ze zmienną prędkością przy stałej wartości siły kontaktu na kierunku ruchu. W przypadku napotkania problemu z usunięciem materiału następuje spowolnienie ruchu robota (rys. 2). W celu przeprowadzenia badań systemu kontroli siły zaproponowano stanowisko zrobotyzowane [1, 2] wyposażone w (rys. 3.): A. elektrowrzeciono zamocowane na czujniku siły, B. kontroler IRC5 C. czujnik sterowania siłą zamocowany na kiści robota IRB 140, D. pozycjoner ABB A250, E. robot ABB IRB 140, F. robot ABB IRB 1600, 6

3 Andrzej Burghardt, Dariusz Szybicki, Krzysztof Kurc, Paweł Obal, Magdalena Muszyńska Jakość obrabianej powierzchni jest znaczącym kryterium wykonania zdefiniowanej czy zadanej operacji. Głównym motorem przeprowadzenia badań była konieczność poznania wpływu poszczególnych parametrów układu Force- Control na proces obróbki skrawaniem w procesie zatępiania krawędzi. Wiedza ta jest wymagana do zaprogramowania stacji zrobotyzowanej, aby wykonywała proces zgodnie z odpowiednimi wymaganiami technologicznymi. Eksperyment polegał na wykonaniu przejazdu wzdłuż jednej z krawędzi prostokątnej próbki przy zadanej sile kontaktu i rejestracji wartości siły przy zmiennych parametrach układu kontroli siły. Przebieg eksperymentu obrazuje schemat na rys. 5. W procesie obróbki wykorzystano strategię FC Preasure, stabilizującą zadaną siłę docisku narzędzia do obrabianej powierzchni. Rys. 3. Stanowisko obróbcze Robot e wykonuje operacje ślusarskie przy użyciu narzędzi skrawających. Do flanszy robota jest zamocowany czujnik siły c, do którego zamocowano elektrowrzeciono z narzędziem obróbczym a. Obrabiany detal jest mocowany na pozycjonerze d, który ustawia go w zaprogramowanej pozycji. Proces jest sterowany przez kontroler robota IRC5 b. Rys. 5. Schemat przebiegu eksperymentu Rys. 4. Schemat komunikacji urządzeń stanowiska zrobotyzowanego W eksperymencie przebadano wpływ współczynnika tłumienia D oraz współczynnik narastania siły FC na stabilizacje zadanej siły docisku wynoszącej F=12 [N]. Sygnały z czujnika siły zarejestrowano z wykorzystaniem aplikacji ABB Signal Test Viewer, dedykowanej do pobierania wartości sygnałów z kontrolera robotów firmy ABB. W dalszej części zaprezentowano zarejestrowane dane dla przykładowego testu. Na rys. 6 przedstawiono przebiegi wartości rzutów wektora siły na osie układu współrzędnych (x S, y S, z S ) związanego z czujnikiem siły. Rys. 4 przedstawia schemat komunikacji poszczególnych urządzeń stanowiska zrobotyzowanego. Do sterowania pracą wrzeciona zastosowano przemiennik częstotliwości, podłączony do kontrolera poprzez protokół DeviceNet. Kontroler IRC5 steruje ruchem robota i pozycjonera. Został on wyposażony w opcje Absolute Accuracy, która poprawia dokładność robota. 3. BADANIA KSPERYMENTALNE Rys. 6. Wykres sygnałów siły w układzie współrzędnych umieszczonym na czujniku siły Na rys. 7 przedstawiono przebiegi wartości rzutów wektora siły na osie układu współrzędnych (x T, y T, z T ) związanego z punktem TCP robota. 7

4 DOBÓR PARAMETRÓW SYSTEMU ZROBOTYZOWANEGO Z UKŁADEM KONTROLI SIŁY Na rys. 9 przedstawiono porównanie siły zadanej oraz siły zmierzonej podczas eksperymentu. W wyniku przeprowadzonego procesu krawędź próbki została zatępiona, co widać na rys. 10. Rys. 7. Wykres sygnałów siły w układzie współrzędnych narzędzia robota Układ pomiarowy automatycznie przelicza zmierzone wartości sygnałów z czujnika na wartości rzutów wektora siły w układzie (x T, y T, z T ) na podstawie informacji o położeniu tego układu oraz układu związanego z czujnikiem względem układu (x 0, y 0, z 0 ) związanego z kołnierzem robota. Na rys. 8 przedstawiono przebieg uchybu wartości siły. Rys. 8. Wykres błędu realizacji stabilizacji zadanej wartości siły Przebieg uchybu wyznaczono, analizując sygnał 209, który odpowiada rzutowi wektora siły wzdłuż osi z T układu współrzędnych narzędzia, czyli na kierunku prostopadłym do powierzchni detalu. Rys. 9.Porównanie przebiegów siły zadanej oraz zmierzonej Rys. 10. Zdjęcie przykładowej próbki Do analizy zastosowano dwa wskaźniki jakości realizacji sterowania siłą: pierwiastek błędu średniokwadratowego RMSE oraz odchylenie standardowe zgodnie z zależnościami: 1 n 2 ελ = λk (1) k= 1 n 1 n ( ) 2 σ = λk λ (2) k= 1 n gdzie: εε λλ pierwiastek błędu średniokwadratowego, σσ odchylenie standardowe, n - liczba próbek, k - nr. próbki, λλ kk błąd siły docisku w k-tym pomiarze, λλ średnia arytmetyczna błędu siły. W pierwszej części eksperymentu wykonano siedem testów zmieniając parametr tłumienia w zakresie [%], przy stałym współczynniku narastania siły FC=50 [N s]. Wyniki obliczeń dla poszczególnych testów przedstawiono w tabeli 1. Tab. 1. Zestawienie wyników obliczeń dla zmiany parametru tłumienia Lp. F [N] D [%] F C σ ε [N/s] λ ,8734 3, ,8356 3, ,8291 3, ,8604 3, ,8807 3, ,884 3, ,9106 3,8239 W drugiej części eksperymentu przeprowadzono testy dla ośmiu wartości współczynnika narastania siły FC w zakresie [N s], przy stałym współczynniku tłumienia wynoszącym D=100 [%]. Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 2. 8

5

6 DOBÓR PARAMETRÓW SYSTEMU ZROBOTYZOWANEGO Z UKŁADEM KONTROLI SIŁY zetknięcia się narzędzia z materiałem. Zauważono, że zwiększenie parametru D powoduje zmniejszenie oscylacji przebiegu siły. Dalsze prace badawcze będą dotyczyły analizy wpływu obu parametrów jednocześnie. LITERATURA 1. Burghardt A., Kurc K., Muszyńska M., Szybicki D.: Zrobotyzowane stanowisko z kontrolą siły. Modelowanie Inżynierskie t. 22, nr. 53, s Burghardt A., Kurc K., Muszyńska M., Szybicki D.: Zrobotyzowane stanowisko weryfikacji procesów obróbki. Modelowanie Inżynierskie t. 21, nr. 52, s Burghardt A., Kurc K., Szybicki D.: Robotic automation of the turbo-propeller engine blade grinding process. Applied Mechanics & Materials 2016, p Hendzel Z. et al.: Conventional and fuzzy force control in robotised machining. In: Solid State Phenomena. 2014, p Norberto Pires J., Afonso G., Estrela N.: Force control experiments for industrial applications: a test case using an industrial deburring example. Assembly Automation 2007, 27.2, p Odham A.: Successful robotic deburring is really a matter of choices. Tool Prod Mag Dec, 2007, p Shiakolas P. S., Labalo D., Fizgerald J. M.: RobSurf: A near real time OLP system for robotic surface finishing. Proceedings of the 7th Mediterranean Conference on Control and Automation (MED99) Haifa, Israel - June 28-30, 1999, p Syciliano B., Villani L.: Robot force control, Kluwer Academic Publisher Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska. 10