ZROBOTYZOWANE STANOWISKO Z KONTROLĄ SIŁY

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE nr 53, ISSN X ZROBOTYZOWANE STANOWISKO Z KONTROLĄ SIŁY Andrzej Burghardt 1a, Krzysztof Kurc 1b, Magdalena Muszyńska 1c, Dariusz Szybicki 1d 2 Katedra Robotyki Katedra Mechaniki Stosowanej i Robotyki, Politechnika Rzeszowska a andrzejb@prz.edu.pl, b kkurc@prz.edu.pl, c magdaw@prz.edu.pl, d dszybicki@prz.edu.pl Streszczenie Tematem artykułu jest zrobotyzowane stanowisko służące do zatępiania krawędzi elementów o zmiennym kształcie, z wykorzystaniem systemu automatycznej adaptacji trajektorii narzędzia. Zmienna geometria obrabianego detalu wynika z dokładności wykonania form odlewniczych i zjawiska skurczu. Fakt ten skutkuje koniecznością stosowania ręcznej obróbki, brak możliwości powtarzalnego określenia ścieżki narzędzia. W proponowanym rozwiązaniu wykorzystany zostanie robot z pozycjonerem wyposażony w aktywne narzędzia oraz układ sterowanie siłą interakcji przedmiot-narzędzie. Proponowane rozwiązanie dotyczy analizy układów z kontrolą siły docisku. Propozycja przetestowania aplikacji kontroli siły, która ułatwia interakcje robota z otoczeniem. Bazuje na strategii sterowania, gdzie ruchy robota są dostosowywane do informacji zwrotnych z czujników siły. Słowa kluczowe: manipulatory, zrobotyzowana obróbka, kontrola siły, stanowisko z robotami ROBOTIC STATION WITH FORCE CONTROL Summary The article presents the conception problem solution of robots machining mechanical parts whose shape is randomly changed. Inaccurate shape is the result of cast technology. The author s propos robot station equipment positioner, force control, active tool. Option Force Control makes the robot possess the capability of quickly and accurately adapting machining to the surface contour and consistency of the materials and component parts to be processed. The proposed solution has been simulated in a virtual environment RobotStudio. Additionally in this approach I proposed the communication system between elements stations and built user library. Keywords: manipulators, robotic machining, force control, robotized station 1. WSTĘP Problem analizowanej w tym artykule zrobotyzowanej obróbki z kontrolą siły związany jest z metodą wytwarzania dyfuzorów silników lotniczych, na których elementy (rys.1) mogą być losowo przesunięte lub obrócone w pewnym zakresie. Dzieje się to dlatego, gdyż stosowana w wytwarzaniu tych elementów metoda odlewania powoduje zmienną geometrię detali w zależności od skurczu oraz precyzji wykonania form odlewniczych. Powoduje to problemy z dokładnym określeniem kształtu detalu, co skutkuje brakiem możliwości precyzyjnego określenia ścieżki narzędzia, to z kolei uniemożliwia obróbkę z wykorzystaniem obrabiarek sterowanych numerycznie. W procesie zatępiania krawędzi stosuje się zatem obróbkę ręczną. Jest ona obciążona dużym ryzykiem ze względu na czynnik ludzki i związane z nim błędy spowodowane stresem, zmęczeniem itd. Proces zatępiania występuje jako jeden z ostatnich etapów obróbki, więc pojawienie się w tym wypadku braku spowodowałoby bardzo duże koszty. W artykule przedstawiono metodę z obróbki tego typu elementów z wykorzystaniem zrobotyzowanej stacji obróbczej. Głównym obszarem zastosowań manipulatorów realizujących obróbkę ślusarską są operacje zatępiania krawędzi detali lub usuwanie nierówności powierzchni elementów odle- 30

2 Andrzej Burghardt, Krzysztof Kurc, Magdalena Muszyńska, Dariusz Szybicki wanych [6]. W odniesieniu do obróbki skrawaniem jest wiele publikacji dotyczących różnego rodzaju problemów występujących podczas jej robotyzacji, np. modelowania procesu skrawania [4], poprawy dokładności czy tłumie- nia drgań narzędzia [3]. Istnieje szereg publikacji [1,9] dotyczących kontroli siły podczas współpracy robot powierzchnia obrabiana, bardzo rzadko mają one charak- ter aplikacyjny, a prezentowane w nich rozwiązania nie znajdują bezpośredniego zastosowania w pracy produk- cyjnej. Jednym z nielicznych, ale bardzo istotnym mate- zroboty- riałem źródłowym, jest opracowanie dotyczące zowanej obróbki skrawaniem z wykorzystaniem układów z kontrolą siły zweryfikowane na przykładzie pracy przemysłowej [7]. Odmiennym problemem jest przyjęcie metodologii programowania robota, stosowane są tu rozwiazania on-line i of-line [2,8] oraz programowanie przez pokazywanie [5]. Zaproponowane rozwiązanie sprzętowo-programowe pozwoliło na wykonanie prac badawczych dotyczących robotyzacji operacji ślusarskich, wymaganych narzędzi, otrzymanej dokładności, możliwych do obróbki detali oraz materiałów. 2. BUDOWA STANOWISKA Zrobotyzowanie stanowisko z kontrolą siły (rys.2) wykorzystuje rozwiązanie Robot Ware Machining FC (ang. Force Control) firmy ABB. Rozwiązanie to składa się z następujących elementów: kontrolera IRC5 robota ABB z szybkim inter- z czujnikami; fejsem służącym do komunikacji środowiska programowania pozwalającego na automatyczne znajdowanie optymalnej trajek- do regulacji pręd- torii przez robota; pętli sprzężenia zwrotnego kości posuwu narzędzia; pętli sprzężenia zwrotnego do sterowania naci- skiem narzędzia; czujnika sił i momentów. Zastosowanie takiego rozwiązania umożliwia interak- sterowania pozwala na cje robota z otoczeniem. Strategiaa dostosowanie ruchów robota do informacji zwrotnych z czujników siły. Elementy składowe pakietu Force Control ą to: A. skrzynka pomiaru napięcia; rem; B. przewody łączące szafę sterującą z manipulato- C. przewód ochronny i płyta oddzielająca korpus zaworu; D. czujnik sterowania siłą; E. kołnierz między czujnikiem siły a robotem. Rys.1. Elementy detalu przeznaczone do zatępienia Prowadzone prace badawcze polegające na opraco- manipu- waniu technologii obróbczych z wykorzystaniem latorów przyczynią się do zmniejszenia kosztów wykona- powtarzalność nia detali, poprawią dokładność oraz zatępiania. Zaprezentowane w artykule zrobotyzowane stanowisko składające się z dwóch manipulatorów, pozycjonera oraz systemu Force Control pozwoliło na wykonanie prac badawczych, dobranie niezbędnych parametrów oraz wykonanie bardzo istotnego elementu, jakim jest zaawansowane oprogramowanie sterujące. Innowacyjne stanowisko pozwoliło na prowadzenie prac o charakterze poznawczym, dotyczących zrobotyzowanych operacji, gdzie trajektoria automatycznie adaptuje się do zmiennego kształtu elementu. Rys.2. Elementy pakietu Force Control Zastosowane rozwiązanie zapewnia dwie podstawowe funkcje, tj. FC Pressure oraz FC SpeedChange. Pierwsza z nich (rys.3) wykorzystuje pętle sprzężenia zwrotnego i umożliwia manipulatorom polerowanie lub szlifowanie elementów odlewanych z zachowaniem stałego nacisku narzędzia na powierzchnię obrabianego detalu. 31

3 ZROBOTYZOWANE STANOWISKO Z KONTROLĄ SIŁY przemieszcza się po zadanej trajektorii, usuwając narzę- Zrobotyzowana dziem materiał ze stałą wydajnością. obróbka wykonywana jest z maksymalną prędkością, przy czym prędkość obróbki manipulatorem jest zmniej- siły występujące szana przez układ sterowania,wkiedy podczas obróbki przekraczają założone wartości. Rys.3. Zasada działania funkcji FC Pressure Funkcja ta przeznaczona jest przede wszystkim do procesów, gdzie istotna jest wysoka jakość wykończenia powierzchni. Dzięki czujnikowi siły i zaawansowanemu układowi sterowania manipulator utrzymuje kontakt z powierzchnią detalu, dostosowując swoją pozycję tak by przyłożyć zadaną siłę do powierzchni, nawet gdy jej dokładna pozycja nie jest znana. Zadany stały docisk powoduje, że występujące zadziory usuwane są do tej samej głębokości. Zastosowanie tej funkcji umożliwia obróbkę materiału ze stałą prędkością i kontrolą siły prostopadłą do obrabianej powierzchni. Ścieżka ruchu narzędzia (rys.4) dostosowywana jest do krzywizny powierzchni. Rys.5. Zasada działania funkcji FC SpeedChange Rys.4. Ścieżka ruchu narzędzia w funkcji FC Pressure Zastosowanie tej funkcji pozwala na uzyskanie poobróbkę pomimo wierzchni wysokiej jakości, umożliwia niedokładności odlewów, ogranicza ryzyko uszkodzenia powierzchni. Funkcję tę można zastosować w operacjach, gdzie uzyskana powierzchnia ma być równa i gładka, w takich jak np: szlifowanie i polerowanie felg aluminiowych; polerowanie obudów do urządzeń elektronicz- itp.; nych, tj. laptopy, telefony komórkowe polerowanie zderzaków samochodowych, polerowanie zlewów lub stalowych szaf, tj. za- mrażarki, lodówki itp; szlifowanie zaworów, turbin lub łopat śmigieł. Funkcja FC SpeedChange (rys.5) pozwala manipula- naddatków torowi na gratowanie odlewu lub usuwania z prędkością zależną od występujących sił oporu. Stosuje się ją w sytuacjach, kiedy istotna jest dokładność odtwa- rzania trajektorii, a celem obróbki jest uzyskanie zada- nych wymiarów. Po zastosowaniu tej funkcji manipulator Zastosowanie tej funkcji ogranicza niepożądaną zmianę wymiarów na skutek odchylenia ramienia robota oraz pozwala na uniknięcie uszkodzenia detalu lub narzędzia w wyniku nadmiernego naprężenia i ciepła. Dzięki stałej sile nacisku i kontrolowanej prędkości (rys.6) funkcję tę stosuje się do oczyszczania lub grato- wania części. Rys.6. Ścieżka ruchu narzędzia w funkcji FC SpeedChange Inne typowe zastosowanie FC SpeedChange: usuwanie pozostałości po wcześniejszej obróbce; frezowanie wzdłuż krawędzi obrabianego ele- rozmieszczonych mentu; usuwanie nierównomiernie nadmiarów materiału po odlewie; szlifowanie nierównomiernie rozłożonego mate- riału na powierzchni odlewów. Pakiet Force Control oraz obydwie omówione funkcje badano oraz dobierano niezbędne parametry na zapro- badawczym. jektowanym i zbudowanym stanowisku Stanowisko to składało się z następujących elementów: manipulatora IRB 140 z Pakietem Force Conze skanerem optycznym trol; manipulatora IRB 1600 GOM Atos II e; dwuosiowego pozycjonera IRBP A250 o maksymalnym udźwigu 250 [kg]. 32

4 Andrzej Burghardt, Krzysztof Kurc, Magdalena Muszyńska, Dariusz Szybicki Jako narzędzie do obróbki wykorzystano elektrowrzecio- prędkości no (rys.7) produkcji włoskiej o maksymalnej obrotowej [obr/min], mocy 4000 [W] sterowane z falownika firmy KEB. Po imporcie tych modeli możliwe było dobranie odpowiedniego usytuowania robota IRB 140 wykonującego obróbkę, pozycjonera IRBP A250, na którym zamocowano detal oraz robota IRB 1600 ze skanerem GOM. Wzajemne ustawienie robotów jest bardzo istotne ze względu na skomplikowane ścieżki obróbki. Należy je tak dobrać, by wszystkie punkty ścieżki były osiągalne przez manipulator. Po przeprowadzeniu testów zadanych trajektorii robotów okazało się, że w stosunku do modelu CAD (rys.8) konieczne jest obrócenie i rozsunięcie robotów. Ostateczne ustawienie robotów w oprogramona waniu RobotStudio widoczne jest rys.9. Rys.7. Elektrowrzeciono stosowane jako narzędzie manipulatora IRB140 Zrobotyzowane stanowisko zostałoo zamodelowane przed zestawieniem w oprogramowaniu RobotStudio. Jest to oprogramowanie pozwalające na budowę wirtual- oraz nych stanowisk zrobotyzowanych, programowanie symulację pracy robotów w trybie off-linkomputera klasy PC z systemem operacyjnym Microsoft przy użyciu Windows. By umożliwić programowanie off-line, opro- technologię gramowanie RobotStudio wykorzystuje VirtualRobot, opracowaną przez firmę ABB. Dzięki zastosowaniu tej technologii możliwe jest pełne odwzo- w wirtualnym rowanie rzeczywistego kontrolera robotów środowisku. Pozwala to na wykonywanie realistycznych symulacji przy użyciu wybranych typów robotów, plików konfiguracyjnych, rzeczywistych programów oraz modeli obrabianych detali. Wykonywanie modeli obrabianego detalu, narzędzi, elementów stanowiska typu mocowania robotów, w środowisku RobotStudio jest możliwe, ale znacząco utrudnione przez brak rozbudowanych narzędzi modelowania CAD. Problem ten rozwiązano, modelując obrabiany detal, narzędzia, mocowania robotów oraz inne elementy stanowiska w oprogramowaniu CAD, a następnie je eksportując do RobotStudio za pomocą przenośnych plików *.SAT. Zamodelowane zostało całe laboratorium z robotami widoczne na rys.8. Rys.9. Zrobotyzowane stanowisko z kontrolą siły w oprogramo- waniu RobotStudio Zaprojektowane stanowisko zrealizowano w laboratorium (rys.10). Rys.10. Zdjęcie zrobotyzowanego stanowiska z kontrolą siły Dokładne odwzorowanie zaprojektowanego w Robot- umożliwiło genero- Studio stanowiska w rzeczywistości wanie ścieżek robota na podstawie modelu CAD oraz zapewniło realizację ścieżek obróbki wszystkich założo- nych elementów detalu. Rys.8. Model CAD zrobotyzowanego stanowiska z kontrolą siły 33

5 ZROBOTYZOWANE STANOWISKO Z KONTROLĄ SIŁY 3. PROGRAMOWANIE ROBOTA Z KONTROLĄ SIŁY Programowanie robota z pakietem Force Control mo- i off-line. Pro- że być realizowane zarówno on-line jaki gramowanie on-line może być zrealizowane za pomocą czujnika siły, który służy do definiowania trajektorii manipulatora. Programowaniem sterujee się z poziomu panelu FlexPendant oraz dedykowanegoo modułu aplika- obróbki cji przeznaczonego do generowania programu opartego na sterowaniu siłą (rys.11). Rys.13. Przykładowa trajektoria robota wygenerowana w module Force Control Poza omówionym programowaniem on-line możliwe jest programowanie z kontrolą siły off-line. Do progradokładny model narzę- mowania off-line niezbędny jest dzia, detalu oraz stanowiska w oprogramowaniu Robot- modelu został już Studio. Sposób wykonania takiego omówiony. Do programowania wykorzystuje się narzę- dzia dostępne w oprogramowaniu RobotStudio, takie jak możliwość generowania punktów trajektorii robota na podstawie np. krawędzi modelu CAD (rys.14, rys.15). Rys.11. Dedykowany moduł aplikacji do programowania Force Control Oprogramowanie to pozwala operatorowi ręcznie przemieszczać końcówkę manipulatora i uczyć go przy- bliżonej trajektorii. Oprogramowanie,,podpowiada", w jaki sposób narzędzie obróbki ma dojechać do obrama być po po- bianej powierzchni, jak prowadzone wierzchni oraz jak zakończyć obróbkę (rys.12). Rys.14. Generowanie trajektorii manipulatora off-line w opro- Otrzymane w ten sposób punkty trajektorii obróbki gramowaniu RobotStudio należy uzupełnić o niezbędny w przypadku pakietu Force Control wjazd oraz wyjazd narzędzia. Rys.12. Etapy ręcznego uczenia trajektorii obróbki w module Force Control Po wykonaniu tzw. uczenia trajektorii manipulator automatycznie wykorzystuje przybliżone informacje do ruchu wzdłuż trajektorii i w sposób automatyczny gene- (rys.13) ruje program robota. Wygenerowana trajektoria przedstawiana jest w graficznie w różnych widokach, co umożliwia edycję oraz zadanie wybranych wartości sił. Rys.15.Trajektoria manipulatora w oprogramowaniu RobotStu- wyjazdu dio z uwzględnieniem wjazdu oraz narzędzia Dzięki znajomości języka Rapid oraz jego rozszerzeuzupełnienie nia do kontroli siły możliwe jest instrukcji 34

6 Andrzej Burghardt, Krzysztof Kurc, Magdalena Muszyńska, Dariusz Szybicki ruchu manipulatora o parametry związane z pakietem Force Control. Przykładowy kod języka Rapid z funkcjami kontroli siły: MoveL Nab1_A1,VFm,z1,Frez_\WObj: :=Na; MoveL Nab1_A2,VFm,z1,Frez_\WObj: := Na; MoveL Nab1_A3,VFm,z1,Frez_PRz_2\ \WObj:= Na; FCPress1LStart Nab1_T1, v5 \Fx:= n1forcex \Fy:= n1forcey \Fz:= n1forcez,35 \ForceFrameRef:= FC_REFFRAME_PATH \ForceChange:=50 \DampingTune:=150 \TimeOut:=5, \UseSpdFFW, \PosSupvDist:=9e9, z1, Frez\WObj:=Na; FCPressL Nab1_T2,VF,F,z1,Frez_\WObj:= Na; FCPressC Nab1_T3,Nab1_T4,VF,F,z1,Frez\WObj:=Na; FCPressL Nab1_T5,VF,F,z1,Frez_\WObj:=Na; FCPressL Nab1_T6,VF,F,z1,Frez_\WObj:=Na; FCPressL Nab1_T7,VF,F,z1,Frez_\WObj:=Na; W języku Rapid można zdefiniować siłę, z jaką na- prędkości rzędzie porusza się po zadanej trajektorii, ruchu pomiędzy punktami, parametry wjazdu i wyjazdu narzędzia. Bardzo istotne są wartości parametrów tłu- z sterowaniem mienia, zmian siły i pozostałe związane siłą. Od ich dobrania zależy jakość otrzymanej po- wierzchni po obróbce, ilość zebranego materiału oraz różnice w punktach wjazdu i wyjazdu narzędzia w stodobrania wszyst- sunku do pozostałej trajektorii. W celu kich wymienionych parametrów konieczne było wykona- nie wielu prób na różnych materiałach oraz z różnymi narzędziami skrawającymi. Przykład takiej próbki wi- doczny jest na rys.16. Rys.16. Przykładowy element, na którym dopierano parametry obróbki z wykorzystaniem Force Contol Wykonano wiele próbek o zróżnicowanych kształparametry. Do tach, dobierając wszystkie niezbędne oceny otrzymanych powierzchni bardzo przydatny okazał się manipulator ze skanerem GOM. Po wykonanej ob- wykona- róbce robot IRB 1600 automatycznie skanował ną próbkę, a oprogramowanie skanera generowało raport widoczny na rys.17. Rys.17. Raport z oprogramowania skanera GOM 4. WNIOSKI Na otrzymanym raporcie widoczne są wielkości fazy na krawędzi próbki po wykonanej obróbce. Raport pokazuje, czy otrzymane zatępienie mieści się w przyję- wykonanych badań tych granicach tolerancji. W trakcie dobrano wartości zadanej siły, prędkości oraz parame- siłą w zależności od trów niezbędnych do sterowaniaa obrabianego materiału, narzędzia i kształtu detalu. Przetestowano funkcje FC Pressure oraz FC SpeedChanzdecydowano się stoso- ge i ze względu na ich charakter wać tę pierwszą. W artykule przedstawiono zrobotyzowane stanowisko z kontrolą siły przeznaczone do zatępiania krawędzi elementów o zmiennym kształcie. Omówiona została problematyka obróbki detali o niezdefiniowanym kształw postaci manipulatora cie. Zaproponowano rozwiązanie z kontrolą siły, pozycjonerem oraz manipulatorem ze skanerem optycznym. Zrobotyzowane stanowisko zostało najpierw zamodelowane w oprogramowaniu CAD. Na- dopracowano stępnie w oprogramowaniu RobotStudio wzajemne rozmieszczenie elementów i przeprowadzono testy trajektorii manipulatora. Zaprojektowane stanowi- możliwości jego sko zostało zbudowane oraz omówiono programowania z wykorzystaniem pakietu Force Control. Zaawansowany proces programowania z kontrolą siły został omówiono tutaj pokrótce ze względu na bardzo dużą liczbę parametrów i sposobów ich definiowania. Wykonane testy na różnego typu materiałach oraz przy różnych narzędziach pozwoliły dobrać parametry obróbki oraz niezbędne parametry sterowania siłą w taki sposób, by otrzymać powierzchnię o zadanych granicach toleran- zrobotyzowanej ob- cji. Otrzymane pozytywne wyniki róbki detali o niezdefiniowanym kształcie przełożą się na wdrożenie zaproponowanego rozwiązania do przemysłu. Pracę wykonano w ramach realizacji projektu badawczego INNOTECH-K2/IN2/66/182991/NCBR/13 35

7 ZROBOTYZOWANE STANOWISKO Z KONTROLĄ SIŁY Literatura 1. Alici G., Shirinzadeh B.: Enhanced stiffness modeling identification and characterization for robot manipulators. IEEE Transactions on Robotics 2005, Vol. 21, No. 4, p Basanez L., Rosell J.: Robotic polishing systems - from graphical task specification to automatic programming. IEEE Robotics & Automation Magazine 2005, Vol. 12, No. 2, p Budak E., Altintas Y.: Analytical prediction of chatter stability conditions for multi-degree of systems in milling. Part I: Modeling, Part II: Applications. "Transactions of ASME, Journal of Dynamic Systems, Measurement and Control 1998, Vol.120, p Kim S., Landers R., Ulsoy A.: Robust machining force control with process compensation. Journal of Manufacturing Science and Engineering 20003, Vol. 125, p Pan Z.: Intelligent robotic machining with force control. Stevens Institute of Technology, NJ, USA, Ph.D. dissertation, Pan Z., Zhang H. et al.: Chatter analysis of robotic machining process. Journal of Material Processing Technology 2006, Vol. 173, Iss. 3, p Pan Z., Zhang H.: Robotic machining from programming to process control. Industrial Robot: An International Journal 2008, Vol. 35, Iss. 5, p Pires J. et al.:, CAD interface for automatic robot welding programming. Industrial Robot: An International Journal,2004, Vol. 31, p Siciliano B., Villani L.: Robot force control. Kluwer Academic Publisher