MOŻLIWOŚCI SYMULACJI PRZEBIEGU PROCESÓW PRODUKCYJNYCH W MODUŁOWYM SYSTEMIE MECHATRONICZNYM Rafał KLUZ, Barbara CIECIŃSKA Zmiana sytuacji na rynkach światowych przejawiająca się przede wszystkim przekształceniem rynku producenta na rynek nabywcy, postawiła przed przemysłem jakościowo nowe wyzwania, czego wyrazem było pojawienie się koncepcji wytwarzania elastycznego, a w szczególności elastycznie zautomatyzowanego [1, 2]. Rozwój koncepcji elastycznych systemów wytwarzania stał się źródłem nowych problemów w zakresie organizacji i sterowania przepływem produkcji. Stało się zatem niezbędne uwzględnienie tej tematyki w programach studiów, szczególnie na wydziałach mechanicznych. Ta potrzeba stała się bodźcem do opracowania i uruchomienia w Katedrze Technologii Maszyn i Organizacji Produkcji Politechniki Rzeszowskiej miniaturowego badawczo-dydaktycznego elastycznego systemu wytwarzania, umożliwiającego prowadzenie doświadczalnej weryfikacji klasycznych metod planowania i harmonogramowania produkcji oraz opracowywania i weryfikacji metod nowych z wykorzystaniem narzędzi programowych z obszaru sztucznej inteligencji. W skład systemu wchodzą (rys. 1: podsystem technologiczny w postaci elastycznego gniazda obróbkowego (EGO: centrum tokarskie i frezarskie, podsystem manipulacji przedmiotami obrabianymi: robot antropomorficzny firmy Fanuc M-10iA oraz modułowy robot kartezjański, podsystem magazynowo-transportowy z paletami przedmiotowymi, modułowy system montażowy MM2 zbudowany na bazie modułów firmy Bosch Rexroth, zrobotyzowane stanowisko montażowe (robot Mitsubishi RV-M2. Elastyczne gniazdo obróbkowe Zaprojektowane gniazdo jest najczęściej spotykaną strukturą w EGO (elastycznych gniazdach obróbkowych, wyposażonych w wolno stojący robot przemysłowy. Elementami gniazda są: robot przemysłowy Fanuc M-10iA zintegrowany z systemem wizyjnym irvision podsystem manipulacji, Rys. 1. Schemat elastycznego systemu wytwarzania; 1 elastyczne gniazdo obróbkowe, 2 system magazynowo-transportowy, 3 manipulator kartezjański, 4 modułowy system montażowy MM2, 5 zrobotyzowane stanowisko montażowe 62
Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2012 centrum tokarskie CNC ST-20 (4-osiowe z napędzanymi narzędziami i frezarskie CNC VF-2 (5-osiowe podsystem wytwarzania, magazyn chwytaków, magazyn wejściowy podsystem magazynowania. Głównym podsystemem funkcjonalnym gniazda jest podsystem wytwarzania, który tworzą w gnieździe centrum obróbcze tokarskie i frezarskie. Są one przeznaczone do obróbki przedmiotów typu wałki, tuleje, tarcze o skomplikowanych kształtach, produkowanych w małych i średnich seriach. Centrum tokarskie umożliwia obróbkę w jednym zamocowaniu powierzchni wewnętrznych i zewnętrznych. Ze względu na możliwość występowania różnych kształtów obrabianych przedmiotów EGO wyposażone jest w magazyn mający trzy chwytaki: dwuszczękowy KGG 60, trzyszczękowy JGZ 64 i podciśnieniowy VGS 2010 FC25P (rys. 2. Zmiana chwytaka odbywa się dzięki pneumatycznemu urządzeniu do wymiany narzędzi SWS-041, zamontowanemu na końcówce robota, zapewniającemu samoczynne ich orientowanie i pozycjonowanie w trakcie pobierania narzędzia z magazynu, z powtarzalnością pozycjonowania nieprzekraczającą 0,01 mm. a b c d Rys. 2. Oprzyrządowanie robota Fanuc M10: a chwytak dwuszczękowy KGG 60, b chwytak trzyszczękowy JGZ 64, c chwytak podciśnieniowy VGS 2010 FC25P, d urządzenie do wymiany narzędzi SWS-041 Robot przemysłowy Fanuc M-10iA (rys. 3 stanowiący podsystem manipulacji posiada wąskie ramię oraz kiść, pozwalające robotowi na dostanie się oraz manewrowanie w ograniczonym obszarze pracy oraz redukujące potrzebę wychodzenia robota poza obszar pracy w maszynie w celu reorientacji narzędzia. Wyposażony jest ponadto w system antykolizyjny HSCD (High Sensitive Collision Detection, zapewniający natychmiastowe zatrzymanie (przez załączenie hamulców na wszystkich osiach robota jednocześnie w przypadku, gdy robot natrafi podczas swojego ruchu na przeszkodę. Podsystem manipulacji wyposażony jest w system wizyjny zintegrowany z systemem sterowania robota, pozwalający mu rozpoznać położenie i orientację przedmiotów na płaszczyźnie. Rys. 3. Robot Fanuc M-10iA [3] irvision pozwala na realizacje wielu czynności związanych z pozycjonowaniem. Istnieją trzy rodzaje sprzężenia zwrotnego robota z kamerą wynikające ze sposobu jej zamocowania: zamocowanie na statywie umożliwia pozycjonowanie obiektów w przestrzeni roboczej (jego podstawową zaletą jest możliwość identyfikacji wzorców, zamocowanie na chwytaku rozwiązanie pozwala na ciągłą obserwację położenia elementu względem chwytaka (umożliwia pracę w środowisku, w którym robot operuje bezpośrednio nad elementem, zamocowanie na statywie w sposób umożliwiający obserwację narzędzia robota rozwiązanie to pozwala na bazowanie elementów w chwytaku robota (umożliwia np. określenie kąta obrotu przedmiotu przenoszonego przez chwytak. W przedstawionym gnieździe wykorzystany został tryb pracy z kamerą na statywie. Robot ma za zadanie odnalezienie wcześniej nauczonego wzorca w magazynie wejściowym. Po rozpoznaniu wzorca i naniesieniu korekty położenia, robot powinien uchwycić rozpoznawany przedmiot i przenieść go do przestrzeni roboczej obrabiarki. Do celów dydaktycznych istnieje możliwość pominięcia w systemie gniazda obróbkowego. W tym rozwiązaniu robot, wykorzystując system wizyjny, podaje do podsystemu transportowo-magazynowego wyroby znajdujące się w magazynie, zgodnie z przyjętym harmonogramem lub według założonej intensywności strumieni zapotrzebowań. Podsystem magazynowo-transportowy Zadaniem paletowego systemu transportowego (dwupasowego z paskiem zębatym ze zmianą kierunku ruchu jest przemieszczenie przedmiotów z przestrzeni robota Fanuc do przestrzeni roboczej manipulatora kartezjańskiego i zrobotyzowanego stanowiska montażowego. 63
przystosowany jest do precyzyjnego transportu palet z regulowaną prędkością (zakres od 6 do 18 m/min. blokad pneumatycznych, zakrętów i przerzutów poprzecznych umożliwia dowolną konfigurację systemu transportowego palet, zapewniając możliwość symulacji zróżnicowanych procesów produkcyjnych. Modułowa budowa podzespołów umożliwia łatwy montaż i modyfikację systemu. Układ odznacza się ponadto wysoką dokładnością oraz powtarzalnością pozycjonowania (0,01 mm zapewnioną przez laserowy czujnik przemieszczenia. Zadaniem trzyosiowego robota kartezjańskiego jest przemieszczanie elementów z palet systemu transportowego i podawanie do przestrzeni roboczej zasobnika. Robot zbudowany jest na bazie modułów firmy Bosch Rexroth oraz wyposażony w chwytak podciśnieniowy. Podstawowe parametry techniczne robota podano w tabeli 1. W tabeli 2 podano parametry techniczne stanowiska. Tabela 1. Specyfikacja techniczna robota kartezjańskiego [5] Powtarzalność pozycjonowania ± 0,1 mm Liczba osi 3 Długość ogniw X: 600 mm Y: 500 mm Z: 600 mm Maksymalna prędkość 1400 mm/s Maksymalny przenoszony ładunek 5 kg Modułowy system montażowy Modułowy system montażowy MM2 składa się z trzech stanowisk: stanowiska kontrolno-pomiarowego pełniącego dodatkowo rolę zasobnika dla części podawanych przez manipulator z przenośnika taśmowego, stanowiska z prasą hydrauliczną, stanowiska pełniącego rolę magazynu statycznego wyrobów gotowych. Stanowiska znajdują się obok siebie i sprzęgnięte są w sposób mechaniczny, pneumatyczny i elektryczny w celu automatycznej realizacji procesu. Stacje mają jednak możliwość działania autonomicznego, co zapewnia większą elastyczność systemu. Stanowisko kontrolno-pomiarowe (rys. 4 składa się z dwóch zasobników separujących (1. Każdy z nich zapewnia miejsce dla 10 przedmiotów obrabianych. Ich zadaniem jest wyrównanie chwilowych przerw w przepływie materiałów. Znajdujące się w dolnej części zasobników pneumatyczne cylindry wysuwają części na przenośnik taśmowy (2, który transportuje je do układu kontrolno-pomiarowego składającego się z 3 czujników. Czujniki: optyczny, pojemnościowy i indukcyjny umożliwiają pomiar własności materiału oraz określenie geometrii przedmiotu. Wyniki pomiarów zapisywane są w układzie sterowania i stanowią podstawę do uruchamiania określonej linii programu realizującej zdefiniowany własnościami części przepływ materiału przez system. Rys. 4. Stanowisko kontrolno-pomiarowe z zasobnikiem: a schemat stanowiska, b widok ogólny: 1 separatory zasobnika, 2 przenośnik taśmowy, 3 układ kontrolno-pomiarowy, 4 panel sterowania Tabela 2. Specyfikacja techniczna zasobnika [5] Wyszczególnienie Masa 40 70 kg Długość 1000 mm Wymiary Szerokość 1000 mm Wysokość 1500 mm Minimalna temperatura pracy 5 C Maksymalna temperatura pracy 30 C Względna wilgotność powietrza 25 70% pneumatyczny Minimalne 5 barów 6 barów Stanowisko z prasą hydrauliczną (rys. 5 składa się z manipulatora pracującego w przestrzeni cylindrycznej wyposażonego w chwytak podciśnieniowy, modułu reorientacji montowanej jednostki oraz prasy hydraulicznej. Na stanowisku istnieje możliwość montażu połączeń o powierzchniach cylindrycznych oraz płaskich, pasowanych z luzem dodatnim oraz ujemnym (wciskiem. 64
Technologia i Automatyzacja Montażu 3/2012 Przepływ części przez stanowisko może odbywać się w różny sposób. W przypadku połączeń pośrednich manipulator (1, pracujący w przestrzeni cylindrycznej, przemieszcza jedną część do modułu reorientacji (2, w którym następuje jej obrót o 90º i wciśnięcie do otworów bazowych trzpieni rozprężnych (3. Po wykonaniu zabiegu następuje ponowna zmiana orientacji części, która w dalszej kolejności transportowana jest przez manipulator do urządzenia bazującego prasy hydraulicznej (5. Następnie manipulator zbiera drugą część ze stanowiska kontrolno-pomiarowego, umieszcza ją powierzchniami ustalającymi na kołkach rozprężnych oczekującej już części pierwszej i umieszcza je w prasie hydraulicznej, gdzie realizowany jest kolejny zabieg montażu. Po opuszczeniu prasy jednostka montażowa umieszczana jest przez manipulator portalowy (4 na przenośniku taśmowym (6, który transportuje ją do przestrzeni roboczej stanowiska pełniącego rolę magazynu statycznego wyrobów gotowych. Tabela 3. Specyfikacja techniczna stanowiska z prasą hydrauliczną [5] Masa Wymiary Parametr Długość Szerokość Wysokość 100 kg 800 mm 980 mm 1350 mm Minimalna temperatura pracy 5 C Maksymalna temperatura pracy 30 C Względna wilgotność powietrza 25 70% pneumatyczny hydrauliczny Zasilanie Minimalne przepływu Moc Napięcie Częstotliwość napięcia zasilającego 5 barów 6 barów 50 barów 0,85 l/min 1100 W 200 240 V 50 60 Hz Rys. 5. Stanowisko z prasą hydrauliczną: a schemat stanowiska, b widok ogólny: 1 manipulator cylindryczny 2 moduł reorientacji, 3 moduł montażu kołków rozprężnych, 4 manipulator portalowy, 5 prasa hydrauliczna, 6 przenośnik taśmowy, 7 panel sterowania W przypadku, gdy na stanowisku realizowany jest montaż połączeń bezpośrednich, przepływ części na stanowisku ulega znacznemu uproszczeniu, gdyż odbywa się z pominięciem modułu reorientacji. Podstawowe parametry stanowiska podano w tabeli 3. Rys. 6. Stanowisko pełniące rolę magazynu statycznego wyrobów gotowych; a schemat stanowiska, b widok ogólny: 1 manipulator, 2 układarka regałowa, 3 regał, 4 panel sterowania 65
Stanowisko pełniące rolę magazynu statycznego wyrobów gotowych składa się z manipulatora pracującego w cylindrycznym układzie współrzędnym (1, którego zadaniem jest przetransportowanie zmontowanej jednostki do przestrzeni roboczej układarki regałowej (2 oraz statycznego wewnętrznego magazynu wysokiego składowania w postaci wysokiego stojaka z przegrodami (3 (rys. 6. Zrobotyzowane stanowisko montażowe Rys. 7. Przestrzeń robocza robota Mitsubishi RV-M2 [4] Podstawowym elementem stanowiska montażowego jest robot przemysłowy Mitsubishi RV-M2 wyposażony w 5 obrotowych par kinematycznych. Robot ten należy do lekkich robotów przemysłowych, który ze względu na wysoką niezawodność pracy i funkcjonalność znalazł, podobnie jak RV-M1, szerokie zastosowanie w przemyśle. W tabeli 4 podano podstawowe parametry robota, natomiast na rys. 7 przedstawiono zakres przemieszczeń współrzędnych uogólnionych determinujących rozmiar jego przestrzeni roboczej. Stanowisko montażowe i modułowy system montażowy mogą pracować w dwóch trybach: trybie pracy szeregowym, gdy zabiegi montażowe wykonywane są kolejno na każdym stanowisku oraz w trybie pracy równoległym, gdy pracują one niezależnie, co zwiększa elastyczność systemu. Podsumowanie Przedstawiony elastyczny system wytwarzania zaprojektowany w Katedrze Technologii Maszyn i Organizacji Produkcji stanowi bazę dydaktyczną z zakresu programowania obrabiarek, robotów przemysłowych i sterowników PLC oraz jest warsztatem badawczym umożliwiającym prowadzenie doświadczeń w obszarze sterowania produkcją. umożliwia ponadto doświadczalną weryfikację wyników modelowania symulacyjnego dotyczących planowania, harmonogramowania i sterowania produkcją oraz modeli sieci obsługi masowej i modeli sieci Petriego. Daje również możliwość prowadzenia prac badawczych związanych z wyznaczaniem poziomu montowalności systemów montażowych. Tabela 4. Podstawowe parametry techniczne robota Mitsubishi RV-M2 [4] Wyróżnienie Specyfikacja Struktura mechaniczna 5 niezależnych osi Obrót kolumny (q 1 300 5,2356 rad (max. 140 /sekundę Obrót ramienia (q 2 130 2,2690 rad (max. 79 /sekundę Obrót łokcia 120 2,0944 rad Przestrzeń (q 3 (max. 140 /sekundę robocza Ustawienie nadgarstka (q 4 ± 110 ± 1,9198 rad (max. 163 /sekundę Obrót nadgarstka (q 5 ±180 ± 3,1416 rad (max. 223 /sekundę Powtarzalność pozycjonowania ± 0,1 mm Temperatura pracy 5 C 40 C Dopuszczalna wilgotność w czasie pracy 45 85% RH LITERATURA 1. Honczarenko J.: Elastyczna automatyzacja wytwarzania. Obrabiarki i systemy obróbkowe. WNT, Warszawa 2000. 2. Zdanowicz R.: Robotyzacja procesów technologicznych. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002. 3. Fanuc Robot M-10iA. Podręcznik operatora. 4. Industrial Micro Robot RV-M2. Specyfications, Operation, Description of Commands, Maintenance and Inspection, Appendices. Mitsubishi. 5. MMS, Specifications, Operating. Rexroth Bosch Group. Dr inż. Rafał Kluz i dr inż. Barbara Ciecińska są pracownikami Katedry Technologii Maszyn i Organizacji Produkcji Politechniki Rzeszowskiej. 66