Instrukcja z przedmiotu Napęd robotów

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY INSTYTUT MASZYN, NAPĘDÓW I POMIARÓW ELEKTRYCZNYCH Instrukcja z przedmiotu Napęd robotów Wieloosiowy liniowy napęd pozycjonujący robot kartezjański SAMSUNG RCM-4M Prowadzący ćwiczenie: mgr inŝ. Mateusz Dybkowski

CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z budową, zasadą działania i sterowania robota przemysłowego RCM-4M w aspekcie zastosowania w procesie obróbki skrawaniem. ZAKRES ĆWICZENIA Zakres ćwiczenia obejmuje zapoznanie się z budową i zasadą działania zautomatyzowanego stanowiska do obróbki metodą grawerowania lub frezowania, którego głównym elementem jest robot kartezjański. Ponadto zapoznanie się z oprogramowaniem wspomagającym proces projektowania i wykonania obróbki metodą grawerowania (frezowania) oraz ostatecznie uruchomienie i przetestowanie stworzonego programu. ELEMENTY SKŁADOWE CENTRUM OBRÓBKOWEGO Sam robot nie stanowi jeszcze plotera grawerskiego, lecz jest tylko jednym z wielu elementów składających się na zautomatyzowany system obróbkowy, którego zasadniczymi elementami są: robot SAMSUNG RCM-4M, element wykonawczy wiertarko-frezarka, specjalne dodatkowe rozwiązania konstrukcyjne i sprzętowe, oprogramowanie sterujące i wspomagające obróbkę. ROBOT KARTEZJAŃSKI RCM-4M są: Istotnymi parametrami robota z punktu widzenia zastosowania do obróbki mechanicznej obszar roboczy, moc napędów poszczególnych osi, dokładność pozycjonowania, stabilność konstrukcji. Widok ogólny robota RCM-4M Obszar roboczy wyznacza moŝliwości manipulacyjne efektora (w tym przypadku wiertarkofrezarki). W płaszczyźnie poziomej (w osiach X, Y) grawerka ma moŝliwość obrabiania elementów o maksymalnych wymiarach 1000x1000mm. Z mocy napędów osi robota wynikają własności dynamiczne układu. Niewątpliwie z tego robota nie moŝna zrobić maszyny do tłoczenia, która wymagałaby duŝej siły nacisku na element

obrabiany. Moc 100W w osiach X,Y oraz 200W w osi Z pozwala na swobodne skrawanie materiałów o niezbyt duŝej twardości oraz na manipulowanie elementem roboczym o cięŝarze do 7kg. Roboty przemysłowe w porównaniu do obrabiarek charakteryzuje duŝa dokładność pozycjonowania napędów, poniewaŝ zwykle ich konstrukcja nie zapewnia odpowiedniej stabilności, a przez to dokładności wykonywanych operacji. Dokładność na poziomie ±0,03mm jest dobrym osiągnięciem, aczkolwiek gorszym od typowych ploterów. NaleŜy równieŝ zwrócić uwagę na fakt, iŝ robot będący w połoŝeniu bliskim maksymalnemu wychyleniu kaŝdej z osi jest mniej stabilny, więc obróbka w tym obszarze będzie mniej dokładna. robot przemysłowy RCM-4M wyprodukowany przez firmę SAMSUNG ElectronicsZ alicza się do grupy robotów współrzędnościowych (kartezjańskich), charakteryzujących się prostopadłościenną przestrzenią roboczą, moŝliwą do osiągnięcia dzięki trzem liniowym zespołom ruchu w osiach X- Y-Z. Jest on osadzony na specjalnej konstrukcji wykonanej z profili montaŝowych firmy BOSCH Rexroth. Jak kaŝdy robot składa się on z kilku zespołów funkcjonalnych tj. : sterownika (jednostki sterująco-logicznej), terminala ręcznego T/P (Teach Pendant), oprogramowania sterującego. Rolę sterownika pełni komputer przemysłowy SRC+C firmy FARA ROBOCON SRC, oparty na architekturze typowych komputerów PC. Jego zadaniem jest sterowanie w trybie czasu rzeczywistego nawet kilkoma robotami równocześnie, ponadto wykonywanie szeregu zadań związanych z obsługą urządzeń dodatkowych oraz kontrolowanie stanu wejść i wyjść niosących informacje o warunkach zewnętrznych pracy robota. Sterownik SRC+C składa się z następujących podzespołów: płyty głównej z procesorem Intel PENTIUM MMX 223, karty MIO (ang. Multi Input Output), karty BSC (ang. Bus Servo Controller), karty BSI (ang. Bus Servo Inverter), karty USER I/O (ang. User Input Output), karty Ethernet. Płyta główna sterownika wyposaŝona jest w procesor Intel PENTIUM MMX 223, pamięć operacyjną DRAM 16MB, sterowniki dysku twardego HDD i stacji dyskietek FDD 3,5", kartę graficzną VGA, port szeregowy RS-232C, jak równieŝ złącza klawiatury i myszy. Karta wejść i wyjść (MIO) ma za zadanie zarządzać pracą robota przy sterowaniu zewnętrznym, przy pomocy sygnałów doprowadzonych do złącza karty. Zawiera 1MB pamięci SRAM, słuŝącej do przechowywania parametrów sterownika, której zawartość podtrzymywana jest za pomocą baterii. Oprócz tego zawiera pamięć typu ROM o pojemności 4MB, w której zapisany jest system operacyjny i program związany z obsługą sterownika. Karta BCS stanowi sterownik serwonapędów. Za jej pośrednictwem odbywa się sterowanie połoŝeniem maksymalnie czterech napędów robota. WyposaŜona jest w procesor sygnałowy TMS320C32-50, słuŝący do generowania sygnałów sterujących pracą przemienników częstotliwości (BSI), w oparciu o informację o parametrach ruchu robota (kształt toru, prędkość, przyspieszenie) i o aktualnym połoŝeniu serwonapędów. Informacja o aktualnym połoŝeniu serwonapędów jest otrzymywana z enkoderów, sprzęŝonych mechanicznie z silnikami osi robota. Moduł przemienników częstotliwości w postaci karty BSI wytwarza trójfazowe napięcia o zadanych częstotliwościach dla silników robota. Sterownik jest wyposaŝony w dwa moduły BSI zawierający trzy przemienniki częstotliwości o mocy znamionowej do 400W (osie X,Y,Z) oraz jeden o mocy do 200W do sterowania silnikiem dodatkowej osi, stworzonej na potrzeby realizacji procesu automatyzacji. Karta wejść i wyjść uŝytkownika (USER I/O) posiada 32 wejścia i 32 wyjścia binarne. Wejścia

słuŝą do podłączania cyfrowych sygnałów z czujników, wyłączników lub innych urządzeń o wyjściach dwustanowych. Wyjścia natomiast mogą być wykorzystywane do załączania zewnętrznych urządzeń sterowanych cyfrowo. Karta wejść i wyjść uŝytkownika pozwala na realizację rozbudowanych procesów automatyzacji. Sterownik SRC+C jest w stanie obsłuŝyć do czterech kart we/wy uŝytkownika. Karta Ethernet słuŝy do podłączenia sterownika robota do lokalnej sieci komputerowej i wymianę danych z urządzeniami zewnętrznymi za pomocą protokołu TCP/IP. Maksymalna prędkość transmisji wynosi 10Mb/s. Kolejnym elementem wyposaŝenia robota jest panel operatorski T/P. Jest to urządzenie łączące w sobie funkcje klawiatury i monitora, umoŝliwiające łatwą i efektywną komunikację pomiędzy operatorem a sterownikiem. Za jego pomocą uŝytkownik jest w stanie dokonać wielu niezbędnych operacji z zakresu konfiguracji i diagnostyki systemu oraz programowania robota. Operator za pomocą klawiatury moŝe realizować wszystkie dostępne funkcje takie jak np.: włączanie/wyłączanie napędu, manipulowanie kaŝdym zespołem ruchu, tworzenie, edytowanie i zapisywanie dowolnego programu przejazdu robotem, ustawianie parametrów. Ekran LCD oraz zestaw diod LED słuŝą do informowania uŝytkownika o błędach i o aktualnym stanie, w jakim się znajduje robot. W skład zestawu, dającego moŝliwość pełnego wykorzystania moŝliwości robota wchodzi równieŝ specjalistyczne oprogramowanie na komputer PC. Jest to program o nazwie SRCWin, za pomocą którego operator moŝe wykonywać wszystkie dostępne funkcje robota, podobnie jak z poziomu T/P, jednakŝe daje dodatkowo duŝą swobodę w obsłudze robota. Komputer jest niewątpliwie poręczniejszym medium słuŝącym do programowania robota. Program SRCWin zostanie szczegółowiej omówiony przy opisie przebiegu procesu obróbki na specjalnie przygotowanym stanowisku laboratoryjnym. PODSTAWOWE PARAMETRY NajwaŜniejsze, charakterystyczne parametry robota RCM-4M Powtarzalność pozycjonowania ± 0,03mm Liczba osi 3 Długości ogniw X: 1000mm Y: 1000mm Z: 600mm Moc znamionowa napędów X: 100W Y: 100W Z: 200W Maksymalna prędkość 1400 mm/s Maksymalny przenoszony ładunek 7kg Rodzaj silników osi Silniki synchroniczne PMSM Enkodery Przyrostowe Mając pewien przegląd parametrów innych konstrukcji robotów moŝna wnioskować o niektórych właściwościach specyficznych dla tego robota. WyróŜniającą się cechą na tle innych podobnych urządzeń są gabaryty. Model RCM-4M posiada stosunkowo duŝy obszar ruchu ograniczony prostopadłościanem o wymiarach 1000x1000x600 mm. Wielkość obszaru roboczego wpływa negatywnie na dokładność pozycjonowania, która w tym przypadku wynosi ±3mm i moŝna uznać tę wartość za przyzwoitą, choć rzeczywista dokładność zaleŝy dodatkowo od stabilności konstrukcji całego układu. Równie istotnym parametrem decydującym o zastosowaniu robota do konkretnych zadań jest udźwig, mówiący jaki maksymalny cięŝar robot zdoła przemieścić. Wynika on z mocy znamionowych poszczególnych napędów osi. Roboty przemysłowe pracujące pod duŝymi obciąŝeniami wyposaŝone są w specjalne zespoły pneumatyczne czy elektrohydrauliczne wspomagające wykonywanie czynności wymagających siły. KaŜda konstrukcja robota posiada specyficzne parametry, które nie sposób wymienić i szczegółowo omawiać. O rodzaju zastosowania robota decydują przede wszystkim: rodzaj struktury kinematycznej, wymiary (gabaryty), moc napędu poszczególnych par kinematycznych,

dokładność pozycjonowania. W wielu przypadkach pewne cechy są zupełnie nie istotne w wyborze odpowiedniego robota, ale czasem z pozoru mało istotny parametr np. zalecanej temperatury pracy moŝe stać się kluczowy. Widok konstrukcji blatu oraz ścisków mocujących PYTANIA KONTROLNE 1. Wyjaśnić pojęcia: robot, manipulator. 2. Robot wyjaśnić pojęcie oraz podać przykłady zastosowań. 3. Omówić budowę robotów kartezjańskich na przykładzie robota SAMSUNG RCM-4M. LITERATURA 1. W. Henno Sterowanie robotami przemysłowymi, 2002; 2. Marwick Manufacturing Group Introduction to industrial robots ; 3. Barbara Krasnoff ROBOTS: REEL TO REAL, 1982;

ZADANIA DO WYKONANIA Ćwiczenia laboratoryjne zostały podzielone na dwie części: 1. Zapoznanie się z budową,, zasadą działania robota kartezjańskiego SAMSUNG RCM4M, oraz sposobami sterowania (terminal ręczny T/P (Teach Pendant) oraz język skryptowy) 2. Proces obróbki plastycznej z wykorzystaniem robota RCM4M firmy SAMSUNG (Wykonanie programów do grawerowania w materiałach plastycznych przy wykorzystaniu podstawowych komend języka tekstowego (przedstawione w dalszej części instrukcji)) Ćwiczenie 1 Napisać program w którym robot będzie wykonywał ruch po kwadracie z uwzględnieniem zadanych punktów. W kaŝdym punkcie ma być dokonywany postój narzędzia na 2[s]. Program ma być wykonywany cyklicznie. Ruch ma się odbywać najkrótszą drogą. Prędkość powinna być ustawiona na 50% prędkości maksymalnej. Dodatkowo w programie naleŝy ją ograniczyć do 40% prędkości ustawionej wcześniej. X Y Z P1 100 300 300 P2 300 300 300 P3 300 100 300 P4 100 100 300 P2 (300,300,300) P3 (300,100,300) P1 (100,300,300) P4 (100,100,300) LOC, LSET, SPEED/P, MOVE, DELAY, GOTO, END Ćwiczenie 2 Napisać program w którym robot będzie wykonywał ruch po kwadracie z uwzględnieniem punktów zadanych jak w ćwiczeniu 1. Ruch ma się odbywać w taki sposób aby robot przy przejściu z punktu do punktu omijał przeszkody. W kaŝdym punkcie ma być dokonywany postój narzędzia na 2[s]. Program ma być wykonywany cyklicznie. Prędkość powinna być ustawiona na 50% prędkości maksymalnej. Dodatkowo w programie naleŝy ją ograniczyć do 40% prędkości ustawionej

wcześniej. Zakładamy, Ŝe koniec narzędzia roboczego (wiertło) powinno być uniesione 5mm ponad przeszkodę. Przeszkody rozmieszczono jak na rysunku: P2 (300,300,300) h=20mm P3 (300,100,300) h=95mm h=70mm P1 (100,300,300) h=45mm P4 (100,100,300) LOC, LSET, SPEED/P, MOVE, MOVEA, DELAY, GOTO, END Ćwiczenie 3 Ćwiczenie 3 wykonać podobnie jak ćwiczenie 2, z tą róŝnicą Ŝe narzędzie robocze naleŝy przy przechodzeniu ponad przeszkodą wznieść do poziomu 0 na osi OZ. W kaŝdym z zadanych punktów naleŝy zatrzymać narzędzie robocze na 2[s], następnie włączyć na 3[s], wyłączyć, odczekać 2[s], przejść do kolejnego punktu. LOC, LSET, SPEED/P, MOVE, MOVEA, DELAY, GOTO, END, SIG Ćwiczenie 4 Napisać program w którym robot będzie wykonywał ruch po kwadracie z uwzględnieniem punktów zadanych jak w ćwiczeniu 1. Ruch ma się odbywać w taki sposób aby robot przy przejściu z punktu do punktu omijał przeszkody. Narzędzie robocze ma być unoszone w górę, aŝ do współrzędnej 0 na osi OZ. Po osiągnięciu kaŝdego z punktów zadanych naleŝy zmniejszyć prędkość ruchu robota do 5% prędkości maksymalnej, włączyć i zatrzymać narzędzie robocze (wiertarkę) na 2[s]. Kolejno rozpoczynamy wiercenie obniŝając narzędzie do pozycji 350mm na osi OZ. Po osiągnięciu pozycji 350mm na OZ, zatrzymujemy narzędzie na 5[s], wracamy do pozycji pierwotnej, odczekujemy 2[s], wyłączamy narzędzie robocze, zwiększamy prędkość poruszania się robota do 60%, przechodzimy do kolejnego punktu. LOC, LSET, SPEED/P, MOVE, MOVEA, DELAY, GOTO, END, SIG Ćwiczenie 5 NaleŜy wykonać te same czynność co w ćwiczeniu 4, z tą róŝnicą, Ŝe przed rozpoczęciem wiercenia naleŝy odczytać aktualne połoŝenie robota, zapisać je pod nową zmienną np. #pps, następnie zwiększyć składową osi OZ kolejno dla punktów P1, P2, P3, P4 o 10mm, 30mm, 50mm, 70mm. Zapisać zmienione współrzędne pod nową zmienną np. #ppp, dokonać przesunięcia narzędzia do punktu #ppp, zatrzymać je na 5[s], powrócić do punktu poprzedniego, wyłączyć wiertarkę i po upływie 2[s] przejść do kolejnego punktu. Przy procesie wiercenia prędkość ma być zmniejszona do

5% wartości maksymalnej. Program ma być wykonywany cyklicznie. LOC, LSET, SPEED/P, MOVE, MOVEA, DELAY, GOTO, END, SIG, REAL, HERE, LDATA, Ćwiczenie 6 Napisać program w którym robot będzie wykonywał ruch z punktu P1 do punktu P3, przy czym trajektoria ruchu między wymienionymi punktami powinna zawierać punkt P2. Z P3 przechodzimy do P1 z uwzględnieniem P4. W P1 oraz P3 powinno nastąpić wiercenie według wzoru podanego w ćwiczeniu 5. X Y Z P1 20 200 200 P2 100 300 50 P3 200 200 200 P4 100 100 50 P3 (200,200,200) P2 (100,300,50) P4 (100,100,50) P1 (20,200,200) Polecenia potrzebne do napisania programu: LOC, LSET, SPEED/P, MOVE, MOVEC, DELAY, GOTO, END, SIG, REAL, HERE, LDATA, Opisy poleceń języka FARAL dostępne są przy stanowisku wraz z dokumentacją od robota.

Przykładowy program: INT A LOC #pos1, #pos2, #pos3, #pos4, #pos5 LSET #pos1=100,100,0 LSET #pos2=100,100,500 LSET #pos3=400,350,500 LSET #pos4=400,350,500 LSET #pos5=0,0,0 LSET #pos6=100,100,512 LSET #pos7=400,350,512 speed/p 40 MOVE #pos1 DELAY 2 A=-1 MOVE #pos2 DELAY 2 SIG 1,-10 DELAY 1 speed/p 5 MOVE #pos6 delay 2 speed/p 40 MOVE #pos2 delay 1 sig -1,10 DELAY 3 MOVE #pos3 DELAY 3 MOVE #pos4 DELAY 3 sig 1,-10 DELAY 1 speed/p 5 MOVE #pos7 delay 2 speed/p 40 MOVE #pos4 delay 1 sig -1,10 delay 5 SIG A MOVE #pos3 delay 1 MOVE #pos5 END