Stanowisko dydaktyczne: manipulator PR 02. Artur Palewski Marek Wnuk

Transkrypt

1 INSTYTUT CYBERNETYKI TECHNICZNEJ POLITECHNIKI WROCŁAWSKIEJ Raport serii: Sprawozdania nr Na prawach rekopisu Stanowisko dydaktyczne: manipulator PR 02 Artur Palewski Marek Wnuk Słowa kluczowe: robot, manipulator, sterownik Wrocław 2002

2 1 Wst ep System robotów PR-02 został opracowany w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów w Warszawie w latach Roboty przemysłowe PR-02 [1]: CECHY: programowalna maszyna manipulacyjna o budowie modułowej, dyskretna przestrzeń robocza, naped pneumatyczny, sygnały steruj ace w standardzie przemysłowym 0V 24V, ZASTOSOWANIE: automatyzacja dyskretnych procesów produkcyjnych w zakresie prostych czynności manipulacyjnych w operowaniu: materiałami i detalami, wyspecjalizowanymi narzedziami. współpraca z: obrabiarkami skrawaj acymi, maszynami odlewniczymi, maszynami do obróbki plastycznej, gniazdami i stanowiskami montażowymi, innymi robotami i manipulatorami. Cech a systemu robotów przemysłowych PR-02 jest modułowa budowa cześci mechanicznej manipulatora. Poszczególne moduły ruchome posiadaj a tylko jeden stopień swobody. Manipulator o wiekszej liczbie stopni swobody można zbudować z odpowiednio poł aczonych modułów ruchomych i nieruchomych. W zależności od potrzeb użytkownik może zmieniać kształt przestrzeni roboczej manipulatora. Realizuje sie to poprzez bezstopniow a regulacje ustawienia zderzaków mechanicznych, ograniczaj acych ruch w poszczególnych modułach. Przykłady konfiguracji zawiera opracowanie [1]. W skład systemu wchodz a nastepuj ace moduły [1, 2]: moduły translacyjne moduły podstawowych przesuniec linowych (6 modułów o wysuwie max. 200 mm 600 mm) moduły lokalnych przesuniec linowych (6 modułów o wysuwie max. 32 mm 80 mm) moduły rotacyjne (obrotowe) 1

3 moduły podstawowych ruchów obrotowych (3 moduły o max. k acie obrotu ) moduły lokalnych ruchów obrotowych (3 moduły o max. k acie obrotu ) moduły napedów chwytaków (3 moduły o max. k acie rozwarcia szczek ) miniaturowe Miniman (4 moduły: 2 obrotowe i 2 translacyjne) moduły nieruchome (specjalne płyty i wsporniki ł acz ace moduły ruchome) Elementy napedowe modułow ruchomych [1]: siłowniki liniowe dwustronnego działania - moduły dwupołożeniowe, pneumatyczne silniki obrotowe - moduły trójpołożeniowe. W modułach ruchomych stosuje sie amortyzatory pneumatyczne i hydrauliczne, które łagodz a uderzenia w zderzaki. Predkość ruchu reguluje sie przy pomocy dławików pneumatycznych. Zatrzymanie ruchu cześci ruchomej modułu podstawowego na zderzaku sygnalizowane jest poprzez ł aczniki elektryczne (czujniki położeń krańcowych). Moduły ruchów lokalnych nie posiadaj a ł aczników elektrycznych, sygnalizuj acych położenia skrajne. 2 Stanowisko robota przemysłowego PR 02 Stanowisko dydaktyczne (rys. 1) robota PR 02 umożliwia zapoznanie sie z: systemem robotów przemysłowych PR 02, różnymi rodzajami sterowników robotów prostych. 2.1 Budowa stanowiska Stanowisko ma postać typowego stojaka 19, w którym zamocowano: manipulator o strukturze kinematycznej przedstawionej na rysunku 2, palete wyposażon a w stykowy czujnik obecności detalu, fotoelektryczny czujnik obecności / barwy powierzchni detalu, prosty sekwencyjny sterownik programowany matryc a diodow a (PR-02/SD), programowalny sterownik logiczny (TSX 17), mikroprocesorowy sterownik programowalny w jezyku BASIC/PR-02, kasetke ze zł aczami sygnałów manipulatora (Z1). 2

4 PR-02/SD TSX 17 Z1 BASIC/PR-02 MANIPULATOR Rysunek 1: Stanowisko laboratoryjne robota PR Zasady uruchamiania i podłaczania stanowiska Ogólne zasady podł aczania i uruchamiania stanowiska robota przemysłowego PR-02: sprawdzenie montażu mechanicznego stanowiska, sprawdzenie poł aczeń elektrycznych manipulatora, sprawdzenie poł aczeń pneumatycznych manipulatora, sprawdzenie poprawności poł aczeń elektrycznych wybranego urz adzenia steruj acego, 3

5 sprawdzenie poł aczeń manipulatora z wybranym urz adzeniem steruj acym, wł aczenie zasilań, test stanowiska. 3 Cz eść mechaniczna stanowiska robota PR 02 W stanowisku wykorzystano cztery moduły z zestawu PR-02: dwa moduły przesunieć liniowych (tab. 1), moduł obrotowy (tab. 2), chwytak (tab. 3). Tablica 1: Parametry techniczne modułów przesunieć liniowych Typ Rodzaj Zakres Powtarzalność Predkość, Obci ażalność, N modułu ruchu wysuwu, pozycjonowania, w osi prostopadle mm mm mm s ruchu do osi ruchu MA 3001 podstawowy MC 321 lokalny Tablica 2: Parametry techniczne modułów ruchów obrotowych Typ Rodzaj Zakres Powtarzalność Predkość, Nominalny moment modułu ruchu obrotu, pozycjonowania, obrotowy stopnie stopnie stopnie s N m ME 1801 lokalny Tablica 3: Parametry techniczne modułu napedu chwytaka Typ Zakres k ata Moment zacisku Masa, modułu rozwarcia szczek, przy ciśnieniu 0.6 MPa i i k acie rozwarcia 0 stopnie N m kg MF

6 3.1 Struktura kinematyczna Struktura kinematyczna manipulatora PR 02 jest przedstawiona na rysunku 2. Robot ma trzy stopnie swobody (TTR 1 ): PRZÓD TYŁ : wysuw i wsuw ramienia (MA 3001), GÓRA DÓŁ : podnoszenie i opuszczanie chwytaka (MC 321), LEWO PRAWO : obrót chwytaka (ME 1801). MA 3001 ME 1801 MC 321 MF 20 Rysunek 2: Struktura kinematyczna robota PR 02 Robot PR 02 jest wyposażony w chwytak o napedzie pneumatycznym (MF 20). Chwytak posiada dwie sztywne końcówki (palce), które w trakcie chwytania obiektu wykonuj a ruch nożycowy. 3.2 Przestrzeń robocza i konfiguracyjna manipulatora Przestrzeń zadaniowa (zewnetrzna) manipulatora w opisywanym stanowisku ma charakter dyskretny, zawiera cztery stabilne położenia (rys. 3) uzyskiwane dzieki zderzakom krańcowym w modułach MA 3001 i MC 321. W każdym z położeń orientacja chwytaka może przyjmować dwie stabilne wartości (ustalane zderzakami modułu ME 1801). Opisane położenia i orientacje odpowiadaj a bezpośrednio ośmiu punktom w (również dyskretnej) przestrzeni konfiguracyjnej (wewnetrznej) manipulatora odpowiadaj acym kombinacjom wł aczenia poszczególnych par elektrozaworów steruj acych siłownikami modułów (tab. 4). 1 T - translacja (przesuni ecie), R - rotacja (obrót). 5

7 Czujnik fotoelektryczny III IV I II Czujnik stykowy Rysunek 3: Przestrzeń zadaniowa manipulatora Tablica 4: Transformacja kinematyki manipulatora Przestrzeń zadaniowa Przestrzeń konfiguracyjna Położenie Orientacja Wysuw Podniesienie Obrót I 0 TYŁ DÓŁ LEWO I π TYŁ DÓŁ PRAWO II 0 PRZÓD DÓŁ LEWO II π PRZÓD DÓŁ PRAWO III 0 TYŁ GÓRA LEWO III π TYŁ GÓRA PRAWO IV 0 PRZÓD GÓRA LEWO IV π PRZÓD GÓRA PRAWO 4 Zasady sterowania modułami robota PR-02 Moduł MA 3001 zawiera dwukierunkowy siłownik sterowany dwoma elektrozaworami przył aczonymi jako EZ2-1 i EZ2-2 (rys. 4). Wł aczanie elektrozaworu nastepuje po wymuszeniu na odpowiednim styku niskiego potencjału (0V). Ruch jest uzyskiwany przez wł aczenie dokładnie jednego z zaworów (tab. 5). Osi agniecie odpowiednich położeń krańcowych jest sygnalizowane zwarciem styków wył aczników WK2-1 lub WK2-2 do masy (rys. 4.1, tab. 6). Moduły MC 321 i ME 1801 zawieraj a dwukierunkowe siłowniki sterowane elektrozaworami EZ3-1 i EZ3-2 oraz EZ4-1 i EZ4-2 w sposób analogiczny jak MA Moduł chwytaka MF 20 zawiera jednokierunkowy siłownik sterowany elektrozaworem EZ5-1, powoduj acy zwieranie palców. Otwieranie chwytaka odbywa sie dzieki spreżynie, po zamknieciu elektrozaworu EZ5-1. UWAGA: Moduły MC 321, ME 1801 i MF 20 nie zawieraj a wył aczników krańcowych, wiec dla zapewnienia poprawnej sekwencji wykonania ruchów z ich udziałem niezbedne jest zastosowanie w programie steruj acym odpowiednich opóźnień czasowych. 2 Zawory EZ3, EZ4, EZ5 sa zamontowane na module MA 3001, powietrze do modułów ruchów lokalnych jest doprowadzone odpowiednimi przewodami pneumatycznymi. 6

8 4.1 Oznaczenia EZn-m-(z) elektrozawory: EZ - elektrozawór, n - numer modułu, m - numer elektrozaworu w module, z - numer wyprowadzenia elektrozaworu. WKn-m-(z) wył aczniki krańcowe w modułach robota: WK - wył acznik krańcowy, n - numer modułu, m - numer wył acznika w module, z - numer wyprowadzenia wył acznika. Vn-I wejścia dodatkowe: V - zestaw wejść/wyjść n - numer zestawu I - wejście Vn-O wyjścia dodatkowe: V - zestaw wejść/wyjść n - numer zestawu O - wyjście +24V EZn-2 EZn-1 EZn-2 EZn-1 Rysunek 4: Elektrozawory w poszczególnych modułach 7

9 Tablica 5: Sposób sterowania elektrozaworów NAPI ECIE NA ZACISKACH STAN ELEKTROZAWORÓW EZn-2 EZn-1 EZn-2 EZn-1 +24V +24V wył aczony wył aczony +24V 0V wył aczony wł aczony 0V +24V wł aczony wył aczony 0V 0V wł aczony wł aczony 0V WKn-2 WKn-1 WKn-2 WKn-1 Rysunek 5: Wył aczniki krańcowe w poszczególnych modułach Tablica 6: Sygnały wył aczników krańcowych NAPIECIE NA ZACISKACH STAN SYGNAŁU WKn-2 WKn-1 WKn-2 WKn-1 +24V +24V nieaktywny nieaktywny +24V 0V nieaktywny aktywny 0V +24V aktywny nieaktywny 0V 0V aktywny aktywny 4.2 Złacza W celu zapewnienia współpracy manipulatora z różnymi sterownikami dokonano unifikacji przył aczeń elektrycznych stanowiska. Sygnały steruj ace zaworów manipulatora, sygnały wył aczników krańcowych, sygnały czujników zewnetrznych i wejścia zasilaj ace wyprowadzono z manipulatora przez dwa zł acza szufladowe umieszczone w kasetce Z1 zamocowanej na bocznej ścianie stojaka (rys. 1). Zł acze 50 stykowe (tab. 7) zawiera sygnały steruj ace elektrozaworami i sygnały sprzeżenia zwrotnego od wył aczników krańcowyh, a zł acze 37 stykowe (tab. 8) zawiera sygnały i zasilania czujników zewnetrznych. 8

10 Tablica 7: Zł acze 50 stykowe kasetki Z1 (F) STYK NAZWA ZŁ ACZA SYGNAŁU OPIS 1 EZ1-1 NC 2 EZ1-2 NC 3 EZ2-1 Ramie wsuw/wysuw 4 EZ2-2 Ramie wsuw/wysuw 5 EZ3-1 Chwytak góra/dół 6 EZ3-2 Chwytak góra/dół 7 EZ4-1 Chwytak lewo/prawo 8 EZ4-2 Chwytak lewo/prawo 9 EZ5-1 Chwytak otwieranie/zamykanie 10 EZ5-2 NC 11 EZ6-1 NC 12 EZ6-2 NC 13 EZ7-1 NC 14 EZ7-2 NC 15 EZ8-1 NC 16 EZ8-2 NC 18 NAP-EZ Napiecie zasilaj ace elektrozawory: +24V 33 NAP-WK Napiecie zasilaj ace wył aczniki krańcowe: 0V 34 WK1-1 NC 35 WK1-2 NC 36 WK2-1 Ramie 37 WK2-2 Ramie 38 WK3-1 NC 39 WK3-2 NC 40 WK4-1 NC 41 WK4-2 NC 42 WK5-1 NC 43 WK5-2 NC 44 WK6-1 NC 45 WK6-2 NC 46 WK7-1 NC 47 WK7-2 NC 48 WK8-1 NC 49 WK8-2 NC 9

11 Tablica 8: Zł acze 37 stykowe kasetki Z1 (F) STYK NAZWA ZŁ ACZA SYGNAŁU OPIS 1 NC-P 2 NC-D 3 V1-O 4 NC-P 5 NC-D 6 V2-O 7 NC-P 8 NC-D 9 V NC-P 11 NC-D 12 V4-O 13 NC-P NC 20 NC-P 21 0V 22 V1-I 23 NC-P 24 0V 25 V2-I Czujnik stykowy 26 NC-P 27 0V 28 V3-I 29 NC-P 30 0V 31 V4-I Czujnik fotoelektryczny 32 NC-P NC 10

12 5 Czujniki zewn etrzne w stanowisku PR-02 Stanowisko jest wyposażone w dwa czujniki zewnetrzne: stykowy czujnik obecności detalu na palecie, fotoelektryczny czujnik obecności / barwy górnej powierzchni detalu. Czujnik stykowy jest podł aczony jako sygnał wejścia dodatkowego V2-I (tab. 8). Styki s a zwarte, jeśli na przycisku wył acznika leży detal (rys. 6). V2-I 0V Rysunek 6: Zasada pracy czujnika stykowego Czujnik fotoelektryczny działa na zasadzie pomiaru ilości światła odbijanego przez powierzchnie detalu (rys. 7). V4-I µc A/C "! "! 0V Rysunek 7: Zasada pracy czujnika fotoelektrycznego Źródło światła stanowi podczerwona dioda LED, a detektorem jest odpowiedni fototranzystor. Pomiar nateżenia światła jest wykonywany dwukrotnie (przy wł aczonym i wył aczonym oświetleniu), a wynik jest pozytywny, jeśli różnica pary pomiarów nie przekracza zadanego progu. Czujnik zbudowano z wykorzystaniem mikrokontrolera MC68HC11A, zawieraj acego przetwornik analogowo cyfrowy. Próg można zadawać przy pomocy potencjometru przył aczonego do wejścia przetwornika. Wyjściem czujnika jest klucz tranzystorowy, który jest wł aczany przy wyniku pozytywnym, wyprowadzony jako sygnał wejścia dodatkowego V4-I (tab. 8). 11

13 6 Sterowniki dost epne w stanowisku PR-02 Stanowisko jest wyposażone w trzy sterowniki o różnych właściwościach: PR-02/SD jest fabrycznym sterownikiem dla robotów PR-02 firmy PIAP. W stanowisku został on wbudowany do dwóch kaset 19 (4U i 6U). Pozwala na prace reczn a (sterowanie poszczególnymi osiami za pomoc a przycisków), programowanie liniowej sekwencji konfiguracji manipulatora złożonego z co najwyżej 7 modułów i wykonywanie tej sekwencji w sposób krokowy i cykliczny (automatyczny). Programowanie odbywa sie przez wł aczanie odpowiednich zworek w pola matrycy diodowej, której kolumny odpowiadaj a kolejnym krokom programu, a wiersze poszczególnym modułom i sygnałom dodatkowym. Można obsłużyć cztery sygnały dodatkowe i zaprogramować opóźnienia czasowe o dwóch wartościach. TSX 17 jest programowalnym sterownikiem logicznym (PLC - Programmable Logic Controller) firmy Telemechanique. Można go programować w jezyku schematów blokowych i jezyku drabinkowym. Program jest wprowadzany do pamieci sterownika przez ł acze szeregowe ze współpracuj acego ze stanowiskiem komputera klasy PC. Przygotowanie, transmisja i uruchamianie programu jest wspomagane przez odpowiednie oprogramowanie fabryczne. Sterownik jest zamontowany w kasecie 19 4U. BASIC/PR-02 jest sterownikiem mikroprocesorowym zbudowanym z wykorzystaniem mikrokontrolera MC Oprogramowanie sterownika stanowi kompilatoregzekutor jezyka BASIC przystosowanego do potrzeb sterowania sekwencyjnego i logicznego. Wejścia i wyjścia cyfrowe sterownika pozwalaje bezpośrednio współpracować z elektrozaworami i wył acznikami krańcowymi manipulatora. Program w jezyku BASIC w wersji źródłowej jest przesyłany przez ł acze szeregowe ze współpracuj acego ze stanowiskiem komputera klasy PC. W sterowniku nastepuje jego kompilacja na kod pośredni i wykonanie. Sterownik jest zmontowany w kasecie 19 3U. 7 Zasady BHP Obowi azuj a ogólne zasady dotycz ace pracy w laboratorium 010/C 3. UWAGA: Przy pracy z robotem PR-02 należy zachować szczególn a ostrożność i unikać zbliżania sie do ruchomych cześci manipulatora przy wł aczonym dopływie spreżonego powietrza. Bibliografia [1] Praca zbiorowa, Robotyka nr 3, Roboty przemysłowe PR-02. WNT, Warszawa [2] Praca zbiorowa, Podstawy robotyki, Teoria i elementy manipulatorów i robotów. WNT, Warszawa [3] Jacak W., Proste roboty przemysłowe, Laboratorium Robotyki, Materiały dydaktyczne. Raport serii: Usługi 14 84, ZPCiR, ICT PWr., Wrocław

14 mgr inż. Artur Palewski dr inż. Marek Wnuk Instytut Cybernetyki Technicznej Politechniki Wrocławskiej ul. Janiszewskiego Wrocław Niniejszy raport otrzymuj a: 1. OINT egz. 2. Biblioteka Wydziału Elektroniki egz. 3. Laboratorium Robotyki (010/C-3) egz. 4. Autorzy egz. Razem : 9 egz# Raport wpłyn ał do redakcji I-6 w lutym 2002 roku. 13