tb1mNeustále znižovanie času výroby v podmienkach súčasných automatizovaných systémov si vyžaduje použitie off-line programovania. Táto technológia je však na jednej strane podmienená reálnosťou namodelovaného stavu v porovnaní so skutočným stavom, na strane druhej geometrickou presnosťou reálneho prostredia v porovnaní s nominálnymi hodnotami.

 

 

Emulované (emulovanie = napodobňovanie, pozn. red.) prostredie robota umožňuje naprogramovať robota pomocou počítača bez nutnosti zastavenia výroby a vopred pripraviť programy robotov, čo zvyšuje celkovú produktivitu. Dokážeme tak vytvoriť realistické simulácie s využitím reálnych robotických programov a konfiguračných súborov identických s tými, ktoré sú využívané vo výrobe. Programovanie robotov off-line predstavuje určitú výhodu nielen z hľadiska času a dostupnosti reálneho robota, ale aj z hľadiska bezpečnosti. Vo virtuálnom prostredí totiž neexistujú žiadne reálne bezpečnostné riziká prípadného úrazu v dôsledku zlyhania techniky či personálu. Program je možné vytvoriť a otestovať priamo vo virtuálnom prostredí, čím odpadá nutnosť disponovať naraz všetkými hardvérovými a technologickými prostriedkami výroby, prípadne pozastavenia výroby minimálne do doby nahrania programov online.

 

Princípy kinematickej simulácie robotov

Kinematická simulácia robotov je založená na použití softvéru reálneho kontroléra pre plánovanie pohybu, ktorý umožňuje extrémne presné výpočty času a pohybov [2]. Simulácia sa vykonáva pre každú pracovnú stanicu/bunku a zahŕňa aj vstupno-výstupný tok súčastí dielov a technologických zariadení.

Simulačný model sa používa počas celého životného cyklu staníc pre návrh a verifikáciu zmien geometrických, ako aj procesného toku. Počet naplánovaných zmien sa zvyšuje úmerne s počtom projektov prechádzajúcich stanicou/linkou a počtom projektov prebiehajúcich súbežne s rôznymi aktivitami na rovnakých staniciach, ale v rozdielnych časových rámcoch [1]. Uvedené fakty naznačujú, že je dôležité mať správne modely všetkých bežiacich staníc. Pre robotické stanice je preto nevyhnutné použiť RCS-moduly za účelom docieliť rozhodnutia na základe správnych analýz.

 

Vytvorenie geometrie a väzieb medzi jednotlivými telesami

Najprv je potrebné definovať model geometrie objektu. Väčšina súčasných CAPE nástrojov obsahuje integrované moduly pre modelovanie jednoduchých geometrických útvarov. Pre realistickú simuláciu môžeme využiť reálny 3D model robota priamo od jeho výrobcu s vopred definovanou geometriou a kinematikou. Rovnako však môžeme navrhnúť geometriu s vlastnou kinematikou, prípadne upraviť kinematiku existujúceho modelu. Elementárne geometrické útvary budú potom predstavovať jednotlivé ramená a väzby, medzi nimi kĺby robota. Pre klasický priemyselný robot so 6 stupňami voľnosti treba definovať 6 osí. Každý kĺb bude definovaný pevným a pohyblivým článkom a osou, ktorá vymedzuje stred otáčania daného kĺbu.

 

Pre realistickú simuláciu je nevyhnutné preddefinovať aj hraničné hodnoty rotácií jednotlivých kĺbov. Na to je ideálne použiť strojové dáta reálneho robota, pretože tie nemusia byť pre rovnaké manipulátory použité na rôznych miestach výrobného systému identické.

 

Definovanie prejazdových bodov a generovanie pohybu

Aj keď väčšinu bodov trajektórie robota nemusia vždy tvoriť výlučne pracovné pozície, výsledná trajektória je v konečnom dôsledku sekvenciou prejazdových a pracovných pozícií. Spravidla platí, čím ťažšie prístupné sú pracovné body, tým viac prejazdových pozícií bude obsahovať trajektória robota. Plánovanie dráhy sa uskutočňuje bod za bodom, pričom úlohou je dostať sa do pracovného bodu cez čo najmenej pomocných prejazdových bodov. V konečnom dôsledku môže priveľa prejazdových pozícií robota narušiť výsledný takt pracovného cyklu na linke. V tomto smere je kinematická simulácia nápomocná najmä pri odhaľovaní nedostatkov plánovania.

tb2m

Na dosiahnutie čo najlepšieho času simulácie treba umiestniť a natočiť prejazdové body tak, aby robot využíval najmä pohyby kĺbov s rýchlejšími pohonmi. V pracovných pozíciách sa robot pohybuje pomalšie, pretože parametre pohybu sú obmedzené presnosťou a rýchlosťou technologického procesu.

 

Koncept off-line programovania v súradnicovom systéme obrobku

Cieľom väčšiny výrobcov je, aby sa programovanie všetkých robotov robilo v off-line režime. To umožňuje vykonávať rýchle zmeny vo výrobe (cca desiatky hodín), zavedenie výroby nadchádzajúcich modelov (produktu) a dosiahnutie plnej výroby s vysokou kvalitou do niekoľkých týždňov [2]. Tým, že programy sú tvorené v režime off-line, programátorské práce, ako aj simulácia, môžu byť vykonané ešte pred začiatkom inštalačných prác. Programy možno otestovať a po inštalácii robotov sú pripravené na spustenie výroby.

tb3m

Pre jednoduchšiu realizáciu je vhodné programovať roboty v súradniciach výrobku. Súradnicový systém obrobku býva používaný v CAD a CAPE systémoch (napr. Catia, Robcad). Aby bolo možné použiť koordináty z týchto systémov a previesť ich na roboty, teda naprogramovať off-line, roboty musia byť naprogramované v súradnicovom systéme obrobku (Schlempp, 2005). Uľahčuje to aj plánovanie dráh pre všetky príslušné diely, ak napríklad každá použitá póza či dráha má len jednu sadu súradníc. Programovanie v súradnicovom systéme výrobku je spôsob, ktorý umožňuje rýchle a ľahké vyváženie póz a dráh medzi rôznymi robotmi a stanicami.

 

Kompenzácia odchýlok medzi simuláciou a realitou

Pre zabezpečenie presnosti reálneho technologického procesu treba off-line programy kalibrovať. Kalibrácia má najväčší vplyv na akceptovateľnosť off-line programovania, pretože len v prípade, že virtuálne prostredie dokáže byť exaktne mapované do reálneho prostredia, môžeme automaticky generovaný program použiť v praxi [1].

Pred kalibráciou je potrebné odmerať presnú polohu obrobku vzhľadom k robotovi. Model obrobku musí presne korešpondovať s reálnym prípravkom. Pomocou kalibračného nástroja zistíme polohu TCP. Pre potreby kalibrácie stačí odmerať tri súradnice, z ktorých max. dve môžu ležať na rovnakej priamke (Pires, 2007). Čím väčšia je vzájomná vzdialenosť bodov, tým presnejšia bude kalibrácia. Je dôležité poznamenať, že predmetné súradnice musia mať svoj ekvivalent vo virtuálnom prostredí, ktorý musí byť presne identifikovateľný.

tb4m

Hlavným problémom pri zavádzaní offline programov sú tolerancie robota. Je to spôsobené meracím systémom robota, ktorý meria polohu osí rotora v kĺboch, celkové odchýlky mechaniky, ako napríklad pružnosť pohonu a výrobné nepresnosti, sa nezohľadňujú. Vzhľadom na tieto faktory je kvôli presnosti merania dobré zvoliť také body, pri ktorých konfigurácia kĺbov nedosahuje krajné polohy (robot je príliš „napnutý“ a to zvyšuje hodnoty odchýliek). Pri vytváraní bodov vo virtuálnom prostredí sa tento efekt javí ako skutočná chyba. Napríklad pri bodovom zváraní je potrebné dosiahnuť celkovú presnosť od 2 do 2.5 mm. S ohľadom na robota musí byť teda absolútna presnosť menej ako 1 mm. V prípade „Teach-in“ metódy sú tieto odchýlky úplne vykompenzované, lebo pohyb TCP nástroja s plánovaným zaťažením sa zaznamenáva online programátorom (Poljovka, 2007). Tolerancia pre nahrané via pozície je ~1 mm a ~0,2 stupňov.

 

Pokiaľ sú via pozície v tolerancii, nie sú potrebné žiadne ďalšie opatrenia. Konštantné odchýlky sa označujú ako geometrické chyby a variabilné odchýlky ako negeometrické chyby. Ak existujú odchýlky medzi nominálnymi pozíciami a nahraným programom, môžu nastať tri rôzne prípady, ktoré vyžadujú rôzne riešenia:

- Všetky nahrané pozície sú v poriadku, okrem via pozícií, ktoré nie sú v tolerancii.

Riešenie: Aktualizovanie via pozícií v bunke.

- Všetky nahrané pozície majú konštantnú odchýlku.

Riešenie: Kontrola presnosti robota vzhľadom na mechanické požiadavky inštalácie na funkčné balíky a súvisiace objekty. Ak sa riešenie sa nenájde, alebo je zdĺhavé a nákladné, môže byť použitá kalibrácia.

- Náhodné odchýlky nahraných pozícií.

Riešenie: V prípade, že sa nenájde iné riešenie (podobné ako v bode 2) môže ísť o geometrickú nepresnosť nástroja, resp. prípravku.

 

Pozn.: Nominálne pracovné pozície nemusia byť nikdy upravované v simulačnom modeli.

tb5m

Rozlišujú sa tri spôsoby kalibrácie [1]:

1. Kalibrácia zariadenia; Zosúladenie pozícií robotov v simulácii s polohami na mieste ich použitia.

Tu ďalej rozlišujeme dva prípady:

a) Robot je kalibrovaný vzhľadom na polohu prípravku, v prípade že viacero robotov je pridružených k jednému prípravku.

b) Prípravok je kalibrovaný, v prípade že viacero prípravkov je pridružených k jednému robotovi.

2. Kalibrácia nástroja; Pri výrobou podmienených odchýlkach nástroja od požadovaných hodnôt.

3. Kalibrácia robota matematickou korekciou pozičnej chyby, ktorá môže vzniknúť výrobou podmienenými rozmerovými a uhlovými odchýlkami osí robota.

 

Vo väčšine prípadov sa pri zavádzaní off-line programov používa kalibrácia zariadenia, resp. obrobku. Ako bolo spomenuté vyššie, keďže off-line programy sú tvorené v súradnicovom systéme obrobku, pri kalibrácii dochádza na základe lineárnej transformácie kalibračných párov k posunutiu počiatku súradnicového systému obrobku. V skutočnosti sa však jeho poloha nezmení ani v simulácii ani v reálnom prostredí (Damotta et all, 2004). Nové hodnoty jeho počiatku kompenzujú práve nesúlad medzi off-line pracovnými pozíciami robota oproti skutočnosti. Získaná hodnota nahradí nominálnu hodnotu stanovenú simuláciou. Výhodou opísanej metódy je, že sa vlastne nemenia súradnice pracovných pozícií, ale celý súradnicový systém sa posunie tak, aby pri nahraní programu vykazovali natočenia kĺbov robota rovnaké hodnoty ako v simulácii a zároveň boli zachované nominálne hodnoty súradníc pracovných bodov danej technológie.

 

Záver

Výsledkom uvedenej metodiky je presný kinematický model s jednoducho identifikovateľnými parametrami. To zaručuje predovšetkým off-line programovanie v súradnicovom systéme obrobku. V súčasnosti používané CAPE nástroje predstavujú komplexný systém integrácie funkcionalít modelovania geometrie, kinematickej simulácie, off-line programovania a kalibrácie. Nastavenia všetkých parametrov pohybu robota môže programátor vykonávať priamo pomocou OLP kontroléra v závislosti od výrobcu robota. Každý bod dráhy robota si vyžaduje definovanie parametrov výrobného procesu a špecifických parametrov pohybu a rýchlosti práce robota. Rovnako dôležité sú inštrukcie a podmienená logika práce nástroja. Výsledkom takto nakonfigurovaného robota pre zvolenú operáciu je automatické vygenerovanie programu priamo v simulačnom prostredí. Tento program je vygenerovaný v natívnom jazyku podľa výrobcu a typu robota. Výstupný kód možno používateľsky upraviť v simulačnom prostredí alebo priamo v robotovi. Neoddeliteľnou súčasťou tejto metodiky je kalibrácia off-line programu na základe údajov z reálneho stavu. Výsledkom kalibrácie nemusí byť vždy nahranie nového programu. V mnohých prípadoch postačuje posunutie súradnicového systému pracovnej zóny robota. Kalibrácia môže byť napriek tomu zdĺhavým procesom a jej výsledok nie je vždy presný. Väčšinou je to však spôsobené chybami meraní a zle určeným pracovným bodom nástroja TCP. Ďalšie chyby sa môžu vyskytnúť pri zavedení nominálnej záťaže počas výroby. Tie môžu byť spôsobené neúmerným zaťažením robota počas merania. Preto je výhodnejšie realizovať merania pri reálnom zaťažení robota, čo však vyžaduje použitie odlišnej technológie (meranie laserom, optické snímače, kamery, atď.).

 

LITERATÚRA:

SCHLEMPP, H.: 2005. UGS eM-OLP und eM-Calibration mit VKRC ½. Tecnomatix eM-Workplace V7.12, 2005. s. 3 – 19.

PIRES, J. N.: 2007. Industrial Robots Programming: Building Applications for The Factories of The Future. Springer: University of Coimbra, 2007. s. 103 – 215. ISBN 0-387-23325-3.

POLJOVKA, P.: 2007. Model CAF. In: EE časopis pre elektrotechniku a energetiku. - ISSN 1335-2547. - Roč. 13, mimoriadne č (2007), s. 24 – 28

DAMOTTA, J. M., DESOUSA, C. A., AFONSO, F.: 2004. An off-line robot programming system including workcell and robot calibration. ABCM Symposium Series in Mechatronics – Vol. 1. Universidade de Brasília : 2004. s. 134 – 143.

 

Robcad Basics Student Guide. 2007. Version: 7.5.1.1,  UGS 2007.

http://www.plm.automation.siemens.com

 

TEXT/ FOTO: Kamil Trnka, Pavol Božek