Pracownia Nauki Programowania i Aplikacji Robotów Przemysłowych Instrukcja laboratoryjna R 1 Robot o równoległej strukturze kinematycznej i czterech stopniach swobody. Instrukcja dla studentów studiów dziennych. Przygotował: mgr inż. Paweł Żak Łódź 2011 r.
Zajęcia odbywają się na aparaturze zakupionej w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Łódzkiego na lata 2007-2013. Oś priorytetowa :V Infrastruktura Społeczna, Działanie :V.3 Infrastruktura edukacyjna pt.: Dostosowanie infrastruktury edukacyjnej Wydziału Mechanicznego Politechniki Łódzkiej do prognozowanych potrzeb i oczekiwań rynku pracy województwa łódzkiego poprzez zakup wyposażenia przeznaczonego do nowoczesnych metod nauczania. str. 2
1. Cel ćwiczenia Celem niniejszego ćwiczenia jest zapoznanie studentów z podstawami obsługi robota przemysłowego IRB-360, tj. przedstawienie jego budowy i zasady działania, przegląd elementów wchodzących w skład stanowiska, opis zasady działania panelu sterującego oraz wstęp do języka programowania tego typu robotów. Ponadto, po zapoznaniu się z podstawami programowania robota, przeprowadzone zostanie jedno z zadań dodatkowych sprawdzających parametry omawianego robota. 2. Opis stanowiska Rys. 1. Stanowisko laboratoryjne W skład stanowiska (rys. 1) wchodzą: 1 - Robot IRB-360 2 - Przenośnik taśmowy 3 - Szafa sterująca 4 - Panel sterowania str. 3
5 - Kamera przemysłowa 6 - Układ zasilania sprężonym powietrzem 7 - Komputer Najważniejszym elementem wykorzystywanego w niniejszym ćwiczeniu stanowiska jest robot typu Delta zamocowany wewnątrz klatki bezpieczeństwa. Całość skojarzona jest z przenośnikiem taśmowym, który sprzęga trzy stanowiska dydaktyczne dotyczące robotów przemysłowych. Obok znajduje się skrzynia wykorzystywana jako korpus kamery przemysłowej, za pomocą której układ sterowania robota może rozpoznawać przedmioty jadące na przenośniku. Na wspomniany układ sterowania składa się szafa sterująca, komputer klasy PC oraz panel sterujący (teach pendant). 3. Opis robota Rys. 2. Robot Delta str. 4
W ramach zajęć zostaną państwo zapoznani z robotem przemysłowym IRB-360 (rys. 2) szwedzkiej firmy ABB, którego na tle większości stosowanych w przemyśle robotów cechuje równoległa struktura kinematyczna; jest to konstrukcja typu DELTA, bądź TRIPOD, co oznacza, że robot ten wyposażony jest w trzy nogi, dzięki którym może realizować przemieszczenia w układzie kartezjańskim, czyli w trzech stopniach swobody. Warto nadmienić, że ten model został wyposażony w wał kardana, dzięki któremu dodany został czwarty stopień swobody odpowiedzialny za obrót efektora. Równoległa struktura kinematyczna niesie za sobą szereg zalet, pośród których wymienić należy: bardzo wysoką dokładność i powtarzalność (odpowiednio 0,1 mm i 0,06 mm), znacznie większą siłę dostępną na efektorze niż w konstrukcji wyposażonej w analogiczne napędy, ale o szeregowej strukturze kinematycznej. Ostatnia cecha wynika z faktu, że napędy zamontowane są w we wspólnej ostoi (Rys. 3) i, co za tym idzie, cała ich moc wykorzystywana jest do generowania ruchów końcówki roboczej. Maksymalny udźwig prezentowanego robota wynosi 3 kg. Rys. 3. Napędy robota IRB 360. Litery A, C, E wskazują umieszczenie przekładni, natomiast B, D, F skojarzone z powyższymi silniki. str. 5
Kolejną wartą podkreślenia cechą charakteryzującą tę konstrukcję jest maksymalna prędkość, z jaką może się przemieszczać końcówka robocza. Prędkość ta może być w płynny sposób skalowana w programie sterującym aż do jej górnej wartości, tj. 7000 m/s, co jest liczbą nieczęsto spotykaną w robotach przemysłowych. Rys. 4. Skrajne położenia ramion robota IRB 360 Na rysunku 4 pokazane zostały zakresy ruchu ramion. W przypadku prezentowanego robota wartości (w mm) są następujące: A B C D E F R 1115 865 646 28,5 389,5 275 366 str. 6
4. Opis panelu Rys. 5. Panel sterujący Rysunek 5 przedstawia panel sterujący zastosowany w robotach ABB. Należy zadbać, by został podłączony do szafy sterującej za pomocą kabla A. Wyposażony jest w ciekłokrystaliczny ekran dotykowy o znacznej odporności na uszkodzenia, na którym wyświetlane jest menu i program sterujący (B), zestaw przycisków funkcyjnych, analogową gałkę, za pomocą której przemieszczać można robota w wybranym układzie współrzędnych (D), przycisk bezpieczeństwa deadman switch (F). Istnieje możliwość podłączenia pendrive'a wprost do panelu za pomocą złącza E. Na wyposażeniu znajduje się również rysik służący do pracy z ekranem, umieszczony jest w gnieździe G. W razie konieczności urządzenie resetuje się za pomocą przycisku H. str. 7
5. Przyciski sprzętowe Rys. 6. Przyciski sprzętowe Przyciski sprzętowe (rys. 6) służą do: A-D Klawisze programowalne E Wybór urządzenia mechanicznego F Przełączanie trybu ruchu (liniowy, przegubowy) G Przełączanie trybu ruchu (wybór osi) H Przełączanie regulacji J-M Przyciski sterujące przebiegiem programu Przycisk bezpieczeństwa umieszczany jest standardowo na panelach sterujących robotów przemysłowych. Aby ruch robota mógł się rozpocząć należy wdusić go do położenia, w którym odczuć można będzie stawiany przez niego, niewielki opór. Poprawność położenia potwierdzona zostanie dźwiękiem załączanych serwomechanizmów oraz pojawieniem się w górnej części ekranu komunikatu Motors On. str. 8
6. Uruchamianie stanowiska Aby uruchomić stanowisko (rys. 1) należy po kolei: Umieścić kluczyk w stacyjce szafy sterującej 3 i ustawić go w wybranej pozycji pracy Uruchomić szafę sterującą Zapewnić dopływ sprężonego powietrza za pomocą zaworu 6 Odblokować wszystkie przyciski bezpieczeństwa (na klatce bezpieczeństwa, na szafie sterującej, na panelu sterowania) Uruchomić komputer 7 i po załadowaniu systemu uruchomić program Robot Studio Zamontować na robocie odpowiedni chwytak Po wykonaniu powyższych czynności robot jest gotowy do pracy. str. 9
7. Menu panelu Po wczytaniu do pamięci robota systemu operacyjnego oczom operatora ukaże się pulpit dostosowanego do pracy z robotem Windowsa CE. Dostęp do programów uzyskuje się poprzez rozwiniecie menu (rys. 7). Menu rozwijane przyciskiem Restart pozwala na bezpieczne wyłączenie robota. Rys. 7. Menu główne Przed wyłączeniem robota zalecane jest zapisanie wykonywanej pracy, wybranie z menu Restart opcji Shutdown i oczekiwanie na wyświetlenie się na panelu komunikatu o braku łączności. W tym momencie można bezpiecznie wyłączyć zasilanie. Istnieje możliwość zablokowania ekranu, by uniemożliwić osobom nieupoważnionym korzystanie z robota; należy w tym celu posłużyć się opcją Lock Screen a dalej postępować zgodnie z pojawiającymi się na ekranie instrukcjami podobnie przy próbie odblokowania. str. 10
7.1. Program Data Rys. 8. Menu Program Data W oknie tym znajdują się informacje dotyczące wszelkich zmiennych jakie mogą wystąpić w programie, w zależności od wybranej kategorii zyskujemy dostęp do poszczególnych typów danych. Najczęstsze zastosowanie tego menu to dodawanie do programu sterującego zmiennych, które wykorzystane są później do tworzenia offsetów oraz pętli. Kolejną funkcja spełnianą przez owo menu jest definiowanie parametrów założonego narzędzia czy chwytaka. str. 11
7.2. Program Editor oraz Production Window Rys. 9. Menu Program Editor z przykładowym programem Z programów tych korzystać będą państwo zdecydowanie najczęściej, bowiem to w nich właśnie powstaje program sterujący ruchami robota, definiowane są wartości zmiennych oraz za ich pomocą przekazywane są informacje odnośnie aktualnego przebiegu programu. Aktualnie wykonywana instrukcja zaznaczona jest strzałką (Program Pointer), którego położenie definiujemy za pomocą menu Routines (PP to Main, PP to routine). Operacje na programie, czyli zapis, odczyt, tworzenie nowego znajdują się w menu kryjącym się pod przyciskiem Task and Programs. Menu Add Instruction pozwala na dodawanie kolejnych instrukcji do programu, wszystkie pogrupowane pod kątem zastosowania. Edit zawiera instrukcje do pracy z programem, tzn. Cut, Copy, Paste (Wytnij, Kopiuj, Wklej). Menu Debug pozwala na przetestowanie napisanego programu. str. 12
7.3. Inputs and Outputs Rys. 10. Menu Inputs and Outputs z listą kategorii wyjść. Za pomocą tego menu zapoznać się można z listą dostępnych na stanowisku wejść oraz wyjść. Po uruchomieniu okno będzie puste i by ten stan zmienić należy rozwinąć listę pod przyciskiem View i wybrać kategorię, z której We/Wy chcemy obejrzeć. Podczas realizowania pierwszych zadań najbardziej interesować będzie państwa zawartość sekcji Groups Output znajdują się tam funkcje obsługujące chwytaki. Po zdecydowaniu się na którąś z opcji ukaże się lista dostępnych funkcji. Jeśli w tworzonym programie odwołują się państwo do zdefiniowanych wyjść należy podać ich dokładną nazwę (z uwzględnieniem wielkości liter), więc w przypadku braku pewności co do poprawności wpisanych nazw można odwołać się do tego menu i potwierdzić. Dostępne chwytaki dysponować mogą więcej niż dwoma stanami pracy, więc warto poeksperymentować z wpisywanymi wartościami i sprawdzić jaki efekt wywołują. Zmianę wartości sterującej dana funkcją realizuje się klikając na jej nazwę, a następnie na przycisk 132 Pojawi się panel, który umożliwi wprowadzenie zmian. str. 13
Rys. 11. Lista operacji na chwytakach z sekcji Group Output menu Inputs and Outputs. Rys. 12. Panel nastawiania stanu wyjść. str. 14
7.4. Jogging Rys. 13. Menu Jogging. Za pomocą tego menu możliwe jest odczytywanie aktualnego położenia końcówki roboczej w wybranym układzie odniesienia oraz wartości kwaternionów, sprawdzenie dostępnych ruchów gałki wraz z ich efektem oraz zmiana pewnych parametrów sterujących robotem. Dostępne opcje to: wybór sterowanego urządzenia (Mechanical unit), rodzaj sterowania (motion mode), układ odniesienia (Coordinate system), zamontowane narzędzie (Tool), przestrzeń robocza (Work object), informację nt. bezwładności (Payload), możliwość zablokowania osi gałki (Joystick lock), ustawienie przemieszczeń inkrementowanych (Increment). Do większości z powyższych opcji istnieje również dostęp za pośrednictwem menu kryjącego się pod przyciskiem o zmiennym wyglądzie umieszczonym w prawym-dolnym rogu ekranu, gdzie przedstawione są one w sposób graficzny. str. 15
7.4. Control Panel Rys. 13. Menu Control Panel. Dostępne na tym ekranie opcje umożliwiają na konfigurowanie opcji związanych z panelem sterowania, takich jak zmiana języka panelu (Language), ustawienie aktualnej daty i czasu (Date and Time) czy kalibracja ekranu dotykowego (Touch Screen). Możliwe jest dostosowanie go do użytku przez operatora leworęcznego (Appearance), co oznacza odwrócenie wyświetlanego obrazu o 180 o oraz zmianę interpretacji kierunku wychylenia gałki, dzięki czemu panel pomimo umieszczenia na lewej ręce używany jest dokładnie w taki sam sposób, jak klasycznie. Istnieje możliwość przypisania makr klawiszom A-D z rys. 6 (ProgKeys), co pozwala na szybki dostęp do normalnie ukrytych opcji. str. 16
8. Język programowania podstawowe informacje Język programowania zastosowany w robotach ABB składniom przypomina bardzo znany powszechnie C++ (rys. 6). Można podzielić go na kilka charakterystycznych modułów: 1 deklaracja zmiennych oraz stałych 2 programu główny, lub procedura Main() 3 podprogramy zwane także procedurami lub rutynami. Deklaracja stałych następuje w trakcie pisania programu, gdy wstawiane są kolejne punkty w trajektorii robota. Warto wyrobić sobie nawyk, by w trakcie wprowadzania owych punktów nadawać im oryginalne nazwy. W przeciwnym razie położenie robota zapisane zostanie bezpośrednio w linijce z instrukcją ruchu, która staje się w wyniku tego skrajnie nieczytelna. Zmienne deklarujemy za pomocą Program Data, co jest niestety pracochłonne i niezbyt wydajne. Znacznie lepiej wprowadzić te dane za pomocą komputera PC i zainstalowanego nań programu Robot Studio. Wykorzystuje się je przy pisaniu bardziej złożonych programów, w których korzysta się z pętli i offsetów. Niezależnie od wybranego trybu pracy przede wszystkim wykonywane są instrukcje zawarte wewnątrz procedury main(), z której wywoływać można zdefiniowane podprocedury (rutyny). Podstawowa instrukcja ruchu wygląda następująco: MoveJ p10, v1000, z50, CalGripper; MoveJ wybrany typ ruchu, w tym wypadku z interpolacją przegubową. p10 stała zawierająca informacje nt. współrzędnych punktu, do którego robot ma dojechać w wykonując daną instrukcję. v1000 szybkość ruchu robota w danej instrukcji ruchu, podana w mm/s. z50 dokładność z jaką robot dojedzie do zdefiniowanego punktu podana w mm. Największą precyzję zapewniają wartości z0 oraz fine, przy czym ta druga powoduje chwilowe zatrzymanie robota dla wytłumienia drgań (przydatne przy precyzyjnym odkładaniu elementu w zadanym punkcie palety). CalGripper zdefiniowane w danej operacji narzędzie. str. 17
8.1. Typy ruchów robota. MoveJ ruch z interpolacją przegubową. W trybie tym układ sterowania wyznacza trajektorię ruchu tak, by napędy rozpoczęły i zakończyły pracę w tym samym momencie, co pozwala na najszybsze uzyskanie maksymalnej prędkości. Tor ruchu jest nieznany. Rys. 14. Przykład toru ruchu (mocno przerysowany) z interpolacją przegubową. MoveL ruch z interpolacją liniową. Układ sterowania wyznacza tor ruchu do zadanego punktu jako linię prostą i steruje napędami tak, by rzeczywisty tor ruchu robota pokrywał się z założonym. Wymaga to stałego przyspieszania i hamowania napędów robota. Rys. 15. Przykład toru ruchu z interpolacją liniową. MoveC ruch z interpolacją kołową. Wymaga zdefiniowania dwóch punktów charakterystycznych (w poprzednich typach wystarczy jeden); pierwszy wypada w środkowej części kreślonego łuku, drugi - jest jego końcem. Rys. 16. Przykładowy tor zdefiniowany z użyciem interpolacji kołowej. Przykładowy program pozwalający wygenerować trajektorię w kształcie okręgu: MoveL p10, v1000, z0, CalGripper; MoveC p20, p30, v1000, z0, CalGripper; - rysuje półokrąg z punktu p10 do p30 przez p20 MoveC p40, p10, v1000, z0, CalGripper; - str. 18
Pierwsza linijka przemieszcza końcówkę roboczą z punktu początkowego i umieszcza ją w punkcie p10, który stanowi punkt początkowy okręgu. Kolejna instrukcja ruchu rysuje pierwszy, górny półokrąg; z punktu początkowego p10 osiągniętego w poprzednim kroku końcówka robocza przemieszcza się do p30 przez p20. Ostatnia instrukcja powtarza czynność z kroku poprzedniego, a ruch kończy się w punkcie p10, który jest jednocześnie punktem początkowym i końcowym okręgu. 8.2. Dodawanie instrukcji ruchu. Instrukcje ruchu podzielić można na dwie grupy: instrukcje wyzwalające ruch do konkretnego punktu oraz instrukcje opisujące ruch względem jakiegoś punktu. Te pierwsze przydatne są, gdy tworzymy punkty pośrednie przy w sekwencjach złożonych, położenia bezpieczne, punkty początkowe i końcowe. Druga grupa instrukcji bardzo przydaje się przy realizowaniu zadań zbliżonych do paletyzacji, czyli takich, gdzie kolejne położenia punktu docelowego mogą obliczone być za względem pewnego punktu wyjściowego. Po uruchomieniu Program Editor i stworzeniu nowego programu instrukcje ruchu dodaje za pomocą menu kryjącego się pod przyciskiem Add Instruction. Elementy składowe wprowadzonego polecenia mogą zostać zmodyfikowane należy w tym celu kliknąć dwukrotnie na wybrany element, co spowoduje otwarcie kolejnego okna (rys. 17), w którym dokonać można zmian. Rys. 17. Menu edycji składowych instrukcji ruchu. str. 19
By stworzyć nową stałą (co automatycznie przypisuje do niej aktualne położenie ramion robota) należy wybrać z listy w zakładce Data opcję New i za pomocą przycisku wprowadzić nazwę. Z poziomu tego samego okna możliwa jest zmiana pozostałych parametrów edytowanej instrukcji. Jeśli chcemy stworzyć sparametryzować instrukcję ruchu, tj. przemieścić robota względem jakiegoś punktu, należy: - dodać ten punkt w sposobem opisanym wyżej, - przejść do menu edycji stałej (dwukrotne kliknięcie), - przełączyć się na zakładkę Functions, - wybrać z listy Offs. Wygląd instrukcji zmieni się i konieczne będzie wprowadzenie 4 wartości: punktu odniesienia i trzech zmiennych opisujących wielkość przemieszczenia względnego w poszczególnych osiach układu kartezjańskiego. Rys. 18. Parametryzowanie instrukcji ruchu. str. 20
Punkt odniesienia zdefiniowany został w poprzedniej operacji i w tym momencie można się do niego swobodnie odwołać. Wartości przemieszczeń należy zdefiniować (można przypisać na sztywno, ale nie ma to większego sensu i lepiej zastosować w tym miejscu zmienne). Zmienne tworzymy wybierając opcję New, wprowadzając nazwę i określając typ zmiennej (definiuje jakie wartości mogą być w niej przechowywane). Druga opcja to skorzystanie z menu Program Data wybór należy do użytkownika. Domyślną wartością zmiennej jest 0. Rys. 19. Sparametryzowana instrukcja ruchu i deklaracja zmiennych., Przykład programu za pomocą którego przeprowadzić można końcówkę roboczą po torze przedstawionym na rys. 20. Punkt p10 pokrywa się z początkiem układu współrzędnych. Rys. 20. Przykładowy tor ruchu końcówki roboczej. str. 21
!Dojazd do punktu nr 1 y_przyrost := 40; MoveL Offs(p10, x_przyrost, y_przyrost, z_przyrost), v1000, z0, CalGripper;!Dojazd do punktu nr 2 x_przyrost := 60; y_przyrost := 35; MoveL Offs(p10, x_przyrost, y_przyrost, z_przyrost), v1000, z0, CalGripper;!Dojazd do punktu nr 4 x_przyrost := 70; y_przyrost := 5; MoveL Offs(p10, x_przyrost, y_przyrost, z_przyrost), v1000, z0, CalGripper;!Dojazd do punktu nr 3 x_przyrost := 10; y_przyrost := 0; MoveL Offs(p10, x_przyrost, y_przyrost, z_przyrost), v1000, z0, CalGripper;!Powrot do punktu nr 1 x_przyrost := 0; y_przyrost := 40; MoveL Offs(p10, x_przyrost, y_przyrost, z_przyrost), v1000, z0, CalGripper; W powyższym przykładzie zastosowano komentarze; wprowadza się je wstawiając symbol! (Opcja Comment Row). By przypisać zmiennym wartości należy z menu Add Instruction wybrać opcję := i uzupełnić wyrażenia przed i za symbolem. Jeśli w miejscu zmiennej przypisana ma zostać na sztywno wartość liczbowa należy miejsce to zaznaczyć, z menu Edit wybrać Only selected i wprowadzić żądaną wartość. Operację tę dużo wygodniej wykonuje się za pomocą załączonego komputera stacjonarnego i programu Robot Studio. Dodawanie zmiennych również jest za jego pomocą możliwe należy na początku programu, przed procedurą main() dodać stosowny wpis, np. VAR num x:=0;, gdzie: VAR określa czy mamy do czynienia ze zmienną, czy stałą (CONST), num typ zmiennej, w tym wypadku numeryczna (pełna lista w menu Program Data), x:=0 nazwa zmiennej wraz z przypisaniem wartości początkowej. str. 22
9. Zadania do wykonania 1. Zapoznanie się z możliwościami ruchowymi robota, a następnie stworzenie prostego programu, dzięki któremu robot narysuje efektorem szereg zdefiniowanych figur geometrycznych. Definicje kolejnych figur powinny znajdować się w osobnych rutynach, które wywoływane będą w pętli głównej programu. Dzięki wprowadzeniu różnych wartości charakteryzujących ruchy w poszczególnych przejściach unaocznione zostaną różnice w generowanej trajektorii ruchu. 2. Definiowanie własnego układu odniesienia (Work Objectu), dzięki czemu praca w dowolnie zorientowanym środowisku nie będzie nastręczać problemów. Procedura opisana zostanie przez prowadzącego w trakcie ćwiczenia. 3. Badanie podanej przez producenta w specyfikacji technicznej robota wartości dokładności i powtarzalności ruchów. Zamocowany w chwytaku robota wskaźnik zostawi ślad na arkuszu papieru milimetrowego, dzięki czemu możliwe będzie zmierzenie powyższych parametrów. 4. Badanie faktycznej wartości parametru z (dokładności) w zależności od prędkości ruchów robota. 5. Programowanie panelu (wyświetlanie informacji dla użytkownika, dodawanie aktywnych przycisków). 6. Realizacja zadania paletyzacji z wykorzystaniem ruchów sparametryzowanych. str. 23