Wiktor Miszke Janusz Pomirski Akademia Morska w Gdyni ZROBOTYZOWANE STANOWISKO DO PALETYZACJI W artykule omówiono konstrukcję mechaniczną i elektryczną zrobotyzowanego stanowiska do paletyzacji opracowanego w Katedrze Automatyki Okrętowej Akademii Morskiej w Gdyni. Do budowy stanowiska wykorzystano robota przemysłowego Kawasaki FS003N oraz zbudowano taśmociąg transportujący elementy i paletę, na której elementy są składowane. Stanowisko będzie wykorzystywane do celów dydaktycznych i eksperymentalnych. 1. WSTĘP W wielu zakładach produkcyjnych jednym z elementów zautomatyzowanej taśmy produkcyjnej jest stanowisko paletyzacyjne. Na tym stanowisku urządzenie pakujące pobiera z jednej lub kilku linii produkty przeważnie są to kartony, butelki, worki i odstawia je według pewnych ustalonych reguł na palety. Paletyzacja jest dziedziną, w której wykorzystanie systemów zrobotyzowanych przynosi szczególnie dużo korzyści. Wykorzystanie robota pozwala oszczędzić pracownikom monotonnych, nużących, czasami też niebezpiecznych lub wręcz niemożliwych do wykonania czynności. Przewaga robotów przemysłowych nad urządzeniami dedykowanymi (np. paletyzatorami) przejawia się przede wszystkim w ich elastyczności: jeden robot jest w stanie paletyzować różnego rodzaju produkty, obsługując jednocześnie wiele linii produkcyjnych [2, 4]. W laboratorium robotyki Katedry Automatyki Okrętowej Akademii Morskiej w Gdyni zainstalowano zestaw edukacyjny, który stanowi doskonałą bazę do nauki obsługi i programowania najnowocześniejszych robotów przemysłowych. Mała waga i kompaktowe wymiary wszystkich elementów zapewniają wysoką mobilność całego zestawu. Warto podkreślić, że zarówno robot, jak i kontroler to w pełni funkcjonalne urządzenia stosowane na co dzień w przemyśle. W skład zestawu wchodzi: robot przemysłowy Kawasaki FS003N (6 osi ruchu, udźwig 3 kg, powtarzalność +/- 0,05 mm, zasięg 620 mm, waga 20 kg), kontroler FD70 (32 I/O, Ethernet / RS 232C, pamięć 2 MB, wielozadaniowość, waga 30 kg),
70 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzień 2009 ręczny programator Teach Pendant (kolorowy dotykowy ekran 6.4 z funkcją panelu operatorskiego), oprogramowanie: KCWin (do komunikacji z robotem), PCROSET (program do symulacji robota wraz ze środowiskiem pracy), chwytak podciśnieniowy (przyssawka). W laboratorium zdecydowano się na skonstruowanie na potrzeby dydaktyczne stanowiska roboczego do paletyzacji. Paletyzacji będą poddawane klocki z tworzywa sztucznego. Założono, że w ramach projektu zostaną wykonane: podajnik trzech rodzajów klocków, taśmociąg o trzech prędkościach przesuwu taśmy z czujnikiem położenia klocków, miejsce składowania elementów (paleta) z czujnikami zajętości gniazd palety. Zarówno podajnik, jak i taśmociąg będą pozwalały na sterowanie lokalne przez operatora, a także zdalne przez sterownik robota [3]. 2. STANOWISKO DO SKŁADOWANIA (PALETA) Stanowisko do paletyzacji wykonano z dwóch części: pierwszej stałej powstałej z połączenia dwóch płyt pleksiglasowych oraz z części wymiennej (pokrywy). Na rysunku 1 przedstawiono poglądowy projekt części stałej palety, natomiast rysunek 2 stanowi fotografię gotowej części palety. Pokrywę zrobiono w taki sposób, aby można było zmieniać konfigurację przedmiotów paletyzowanych, ich wielkość i rodzaj. W ramach projektu wykonano dwie pokrywy zawierające po dziewięć pól okrągłych: pola pierwszej są jednakowej średnicy wynoszącej około 5 centymetrów, pola drugiej mają różne średnice. Na każdej pozycji w palecie umieszczono elektryczny czujnik zajętości. Zbudowany jest on z dwóch elektrod wystających ponad pleksiglasową powierzchnię palety. Klocki, które w stanowisku dydaktycznym są obiektami poddawanymi paletyzacji, pokryte są cienką folią miedzianą, więc po umieszczeniu na palecie zwierają sąsiednie elektrody, co może być odczytane przez sterownik robota. Do palety dodano dodatkową część wymienną pokrywę wykonaną ze stali nierdzewnej (rys. 3), która ma za zadanie ograniczenie kształtu klocków umieszczanych na palecie, a także precyzyjne określenie docelowej pozycji klocka.
W. Miszke, J. Pomirski, Zrobotyzowane stanowisko do paletyzacji 71 33 44 1 2 Rys. 1. Konstrukcja palety; 1 miejsca składowania z czujnikami zajętości, 2 podłączenie zasilania oraz wyjścia czujników, 3 część wymienna palety (pokrywa), 4 część stała palety Rys. 2. Część stała palety Rys. 3. Pokrywy palety
72 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzień 2009 3. TAŚMOCIĄG Taśmociąg wraz z urządzeniem podającym krążki będzie służył jako podajnik elementów, które robot ma składować na palecie. Podajnik ma za zadanie wypchnąć krążek w odpowiednim momencie, a taśmociąg przesuwać element z określoną prędkością. Sterowanie prędkością taśmociągu może odbywać się zdalnie ze sterownika robota Kawasaki, jak również lokalnie przez ustawienie przełącznika na panelu sterowniczym taśmociągu. Taśmociąg pracuje z trzema różnymi prędkościami. Wypychanie klocków także może być sterowane zdalnie i lokalnie z płyty czołowej taśmociągu za pomocą przycisków. Przy obu krawędziach taśmy zainstalowano także czujniki optyczne, które służą do określenia położenia klocka oraz wyznaczenia ustawionej prędkości przesuwu taśmy. Na rysunku 4 przedstawiono schemat poglądowy konstrukcji taśmociągu. Do napędu taśmociągu użyto silnika prądu stałego (pochodzącego z wycieraczek samochodu osobowego). Prędkość obrotowa silników zmienia się wraz ze zmianami napięcia zasilającego 12, 5 i 3,3 V DC. Napięcia te są uzyskiwane z wyjść standardowego zasilacza komputerowego ATX. Układ sterowania prędkością taśmociągu wyposażony jest w przekaźniki, które załączają odpowiednie napięcia na uzwojenia silnika (rys. 5). W układzie zastosowano diody prostownicze w celu ochrony wejść i wyjść sterownika robota przed przepięciami oraz ochrony zasilacza ATX przed zwarciem wyjść o różnych napięciach. Do lokalnego sterowania prędkością taśmociągu wykorzystano włącznik obrotowy o sześciu pozycjach. Rys. 4. Konstrukcja taśmociągu; 1 podajniki klocków, 2 czujniki optyczne położenia klocków na taśmie, 3 siłowniki podajników klocków, 4 mocowanie silnika napędowego taśmy, 5 panel sterujący
W. Miszke, J. Pomirski, Zrobotyzowane stanowisko do paletyzacji 73 Rys. 5. Układ sterowania prędkością taśmociągu Położenie klocków na taśmociągu jest wykrywane przez dwa czujniki optyczne rejestrujące moment, w którym klocek przesuwa się przed czujnikiem. Czujnik stanowi para dwóch elementów: diody świecącej i fototranzystora umieszczonych po przeciwnych stronach przesuwającej się taśmy. W momencie oświetlenia fototranzystora przez diodę świecącą zaczyna on przewodzić, a tym samym na wejściu sterownika zostaje rozpoznany stan logiczny 1. Gdy klocek znajdzie się pomiędzy diodą a fototranzystorem, fototranzystor nie jest oświetlony i przestaje przewodzić, a tym samym wejściowy transoptor kontrolera D70 nie jest zasilany, co sterownik rozpoznaje jako logiczne 0. Fototranzystory zamontowano w uchwytach po jednej ze stron pasa transmisyjnego (rys. 6), natomiast po przeciwnej stronie zainstalowano białe diody LED z soczewką skupiającą. Zastosowano dwie takie pary czujników, można więc także wyznaczyć prędkość, z jaką porusza się dany klocek po pasie transmisyjnym. Na rysunku 10 przedstawiono schemat elektryczny czujnika. Dioda LED Taśmociąg Klocek Fototranzystor Rys. 6. Optyczny czujnik położenia klocka na taśmociągu
74 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzień 2009 4. PODAJNIKI KRĄŻKÓW Do wypychania klocków zastosowano siłowniki centralnego zamka używane w przemyśle motoryzacyjnym. Zasilane są one napięciem stałym o wartości 12 V. Siłowniki zbudowane są z silniczka prądu stałego oraz przekładni. Kierunek działania siłownika zależy od polaryzacji napięcia zasilającego. W pracy wykorzystano tylko jedną polaryzację. Powrót do pozycji spoczynkowej zapewnia sprężyna. Na rysunku 7 przedstawiono układ sterowania podajnika klocków. Do sterowania lokalnego zastosowano trzy włączniki zwierne k 1, k 2, k 3. W celu uzyskania niezależnego sterowania prędkościami przesuwu taśmociągu i podajnikami klocków linie sterujące silnikiem napędowym taśmy oraz siłownikami podajników powinny być podłączone do dwóch różnych połówek karty wyjściowej sterownika robota [1]. Rys. 7. Układu sterowania podajników klocków 5. PODSUMOWANIE Na rysunku 8 przedstawiono widok całego wykonanego stanowiska paletyzacyjnego. Będzie ono wykorzystywane w zajęciach dydaktycznych w laboratorium robotyki. Dalszym etapem prac będzie wykonanie innych typów palet, m.in. wyposażonych w czujnik optycznej zajętości pozwoli to na rezygnację
W. Miszke, J. Pomirski, Zrobotyzowane stanowisko do paletyzacji 75 z pokrywania klocków folią przewodzącą. Ponadto stanowisko zostanie wzbogacone w system wizyjny do rozpoznawania typu i położenia przedmiotów przesuwających się po taśmociągu. Pozwoli to na urozmaicenie zajęć laboratoryjnych, a prace konstrukcyjne będą dobrym poligonem doświadczalnym dla studentów, którzy w ramach prac dyplomowych będą chcieli zmierzyć się z rzeczywistymi warunkami pracy spotykanymi w zautomatyzowanych zakładach produkcyjnych. Rys. 8. Widok całości dydaktycznego stanowiska do paletyzacji LITERATURA 1. Kawasaki Robot Controller D Series. External I/O Manual, dokumentacja techniczna w postaci pliku pdf, Kawasaki Heavy Industries Ltd., 2006. 2. Lewandowska M., Robotyka przemysłowa raport branżowy, http://robotyka.raport.xtech.pl, 2007. 3. Miszke W., Projekt i wykonanie zrobotyzowanego stanowiska dydaktycznego do paletyzacji, praca dyplomowa inżynierska, Wydział Elektryczny Akademii Morskiej w Gdyni, Gdynia 2009. 4. Możaryn J., Piątek Z., Rynek robotyki przemysłowej bez tajemnic, http://automatykab2b.pl, 2008.
76 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 62, grudzień 2009 WORK-STAND FOR ROBOTIC PALLETIZING Summary The paper describes mechanical and electrical design of the work-stand for robotic palletizing, that was build in Department of Automation Control, GMA. The work stand was build for experimental and didactic purposes. The industrial robot Kawasaki FS003N was used in the stand. The stand was also equipped with a belt conveyor flight and a pallet. The conveyor is to transport elements which are stored by the robot on the pallet. The elements are placed on the conveyor by automatic feeder, which is controlled manually or by the robot controller. The pallet has sensors to indicate which slots of the pallet are occupied.