V današnjem času si je težko predstavljati industrijo brez uporabe robotiziranih sistemov. Robotizirani sistemi v splošnem pri delovnih opravilih nadomeščajo človeka. Pogosto se pojavlja vprašanje upravičenosti uporabe robotiziranega sistema. V kolikor gre za proizvodnjo specifičnih izdelkov, ki se izdelujejo v velikih količinah, je smiselna uporaba namenskih strojev. V maloserijski proizvodnji, kjer je potrebno hitro prilagajanje iz ene na drugo vrsto izdelka, pa je smiselna uporaba robotiziranega sistema.

Glavni cilj našega dela je bil zgraditi manipulator z dvema prostostnima stopnjama, kjer konstrukcija ne omejuje dostopa do delovnega področja. Začetek konstruiranja je nedvomno tesno povezan z zahtevami, kot so:

Odločali smo se med dvema tipoma, SCARA in t.i. štiri-zgibnim paralelnim manipulatorjem ali na kratko ?PARMAN?-om (PARalelni MANipulator). Po tehtnem razmisleku smo se na podlagi naslednjih argumentov odločili za slednjega:

Eden od možnih namenov uporabe našega stroja je plazemski razrez pločevine, ki zahteva natančne in hitre gibe do mesta rezanja in nato točno vodenje po konturi rezanja. Pri rezanju s plazmo se srečujemo z zelo slabimi delovnimi pogoji: visoka temperatura ter močno prašenje, tako da je treba vse občutljive dele posebej zaščititi. Ker vemo, da orodje za rezanje nima pretirane teže, smo celotno konstrukcijo konstruirali na maksimalno statično obremenitev 100N, kar zadošča za uporabo manipulatorja tudi za druge namene (npr. zlaganje manjših elementov, …).

Konstrukcija je izdelana tako, da je možna namestitev tudi drugačnih orodij na vrh manipulatorja. Pri uporabi orodij, kot so pnevmatska prijemala, rezkalniki, pisala, je potrebno zagotoviti še spuščanje in dvigovanje orodja.

Varnost mehanizma je zagotovljena s končnimi stikali in ustrezno elektroniko, prav tako je potrebno zagotoviti varnost uporabnika, zato je potrebno med drugim tudi ustrezno barvanje mehanizma. Pri gibljivih delih strojev, kot so robotske roke, je potrebno uporabiti svetle, izstopajoče barve, ki so dobro opazne. V našem primeru smo se odločili za uporabo svetlo rumene barve, ki je zelo dobro opazna tako v okolju laboratorija kot tudi v industriji.

Manipulator ( slika 2.1) je sestavljen iz nosilnih palic (cevi) označenimi s števili od 1 do 4, ki so med seboj gibljivo povezane z vležajenimi členki 7, 8, 9. Gibanje končne točke 8 po ravnini omogočata motorja 5 in 6, pritrjena na konzolo 10.

Slika 2.1 : Osnovni deli štirizgibnega mehanizma

Delovno območje ( slika 2-2) je omejeno z izbiro dolžine palic. Za osnovo smo si izbrali delovno področje pravokotne oblike s širino 800 mm in višino 400 mm. S pomočjo simulacije smo izvedli analizo izbire dolžine palic. Dolžina palice je bila prav tako omejena z aktuatorji, ki smo jih imeli na voljo, in seveda z maksimalno obremenitvijo oziroma maso orodja.

Slika 2.2 : Delovno območje mehanizma

Osnovo celotnega sistema PARMAN ( slika 2-3) predstavlja nosilna konstrukcija (4), ki združuje funkcijo nosilca štirizgibnega mehanizma (1), osnovo delovne površine (2) in nosilec krmilne omare (3). Celotna konstrukcija se prilagaja podlagi s pomočjo nastavljivih nog (8), saj je za delovanje brez dodatnih vibracij potrebno zagotoviti stabilnost konstrukcije glede na podlago.

Slika 2.3 : Sestavni deli sistema PARMAN

Delovna površina (2) je na osnovno nosilno konstrukcijo (4) pritrjena s pomočjo devetih vijačnih zvez (7). Te vijačne zveze omogočajo dviganje in spuščanje celotne delovne površine za 150 mm, v odvisnosti od pritrjenega orodja. Prav tako je s pomočjo teh vijačnih zvez možno uskladiti vzporednost med ravnino štirizgibnega mehanizma (1) oziroma orodja (6) in ravnino delovne površine (2). Za dodatno varnost je na vrhu konstrukcije štirizgibnega mehanizma (1) dodano stikalo za zasilni izklop (5).

Za pogon štirizgibnega manipulatotja smo izbrali aktuatorja proizvajalca HarmonicDrive in sicer aktuatorja družine FHA, ki za reduktor uporabljajo harmonično gonilo. Prednost tega gonila je veliko prestavno razmerje in sorazmerno malo sestavnih delov. FHA servoaktuator je v osnovi trifazni AC sinhronski motor s permanentnimi magneti. Osnovne gradnike aktuatorja predstavljajo harmonično gonilo, AC motor in inkrementalni dajalnik, ki je nameščen neposredno na os motorja. Vse skupaj je zaprto v zelo majhno robustno ohišje, ki omogoča uporabo na različnih področjih zmogljivih servo sistemov. Prednosti, ki jih ponuja, so med drugim tudi sorazmerno visok navor in natančnost pozicioniranja kot tudi majhna teža, s tem pa tudi visoka dinamika na celotnem hitrostnem področju.

Vodenje motorjev je preko servoojačevalnikov izvedeno na PC platformi, v kateri je nameščena regulacijska kartica DS1102 proizvajalca dSPACE, ki je specifično načrtovana za razvoj hitrih digitalnih regulatorjev in izvajanje simulacij v realnem času na področjih, kot so robotika, mehatronika, servohidravlični in električni aktuatorji, vodenje pogonov, itd. Prav tako je primerna za procesiranje digitalnih signalov, saj je zasnovana okoli jedra tretje generacije DSP procesorja s plavajočo vejico proizvajalca Texas Instruments. DSP procesor TMS320C31 predstavlja glavno procesno enoto in hkrati zagotavlja kratke instrukcijske cikle pri izvajanju zapletenih numeričnih algoritmov. DSP procesor je dopolnjen z nekaj dodatne periferije, ki se jo mnogokrat uporablja pri digitalnih regulacijskih sistemih. Analogno digitalni in digitalno analogni pretvorniki, mikrokrmilniško zasnovan podsistem digitalnih I/O linij in vmesnik za inkrementalna dajalnika postavljata regulacijsko kartico DS1102 v zelo uporabno samostojno kartico za široko področje izvajanja digitalnih regulacij.

Pri izvedbi celotnega sistema stroja je bilo potrebno zagotoviti ustrezno namestitev elektronskih, krmilnih in varnostnih komponent. Pri tem smo upoštevali dejstvo, da obstaja možnost namestitev stroja v industrijskih objektih, ki pa zahtevajo uporabo ustreznih materialov in ustrezno stopnjo zaščite, ki omogoča kvalitetno zaščito pred vdorom vlage kot tudi mehanskih tujkov v sistem. V ta namen smo izbrali krmilno omaro namenjeno za uporabo v industrijskih okoljih.

Pri snovanju stroja kot tudi ožičenja se pojavljajo zahteve po uporabi varnostnih sistemov, ki bodo v razmerju varnost-cena zagotovili ustrezno varnost tako oseb kot tudi stroja. Pri opredelitvi varnostnih meril je potrebno predhodno izvesti analizo nevarnih mest na stroju. Glede na analizo nevarnih mest lahko razporedimo nevarnosti v naslednje segmente:

V grobem lahko potrebne povezave razdelimo v tri osnovne segmente, ki so: povezave potrebne za pogon motorjev, povezave inkrementalnega dajalnika in krmilne povezave. Povezave potrebne za pogon motorja so sestavljene iz analogne signalne povezave med dSPACE kartico in servoojačevalnikom ter močnostne povezave med servoojačevalnikom in motorjem. Pri tem smo posebno pozornost namenili uporabljenim kablom, saj smo za obe vrsti povezave uporabili kable z oklopom, kar posledično zmanjša možnost vnosa napak. Naslednji segment, ki zajema povezave inkrementalnega dajalnika, poteka v obratni smeri od zgoraj opisanega. Signal, ki predstavlja trenutni položaj motorja, je preko servoojačevalnika priključen na inkrementalni vhod dSPACE kartice. Seveda sta zgoraj opisana segmenta povezav izvedena za vsak pogon posebej.

Slika 3.1 : Princip izvedbe ožičenja

Tretji segment predstavlja krmilne signale. Le-ti so razdeljeni v dva dela. Prvi del predstavlja povezavo I/O digitalnih linij med dSPACE kartico in vmesnikom PARMAN. Naloga vmesnika je pretvorba digitalnih signalov (5V) v krmilne signale (24V), pri čemer je zagotovljena optična ločitev povezav. Drugi del pa predstavljajo krmilne povezave, ki so povezane s servoojačevalnikom in z mehanizmom. Pri tem predstavljajo povezave med vmesnikom PARMAN in servoojačevalnikom signal sprostitve regulatorja in varnostni signal sistema. Signali končnih induktivnih stikal, referenčnih stikal, izklop v sili, izhodi in vhodi na orodja pa predstavljajo povezavo med vmesnikom PARMAN in mehanizmom.

Za izgradnjo algoritmov smo uporabili programski paket MATLAB/Simulink. Izvajanje regulacijskih algoritmov in nadzor nad izvajanjem nam omogoča programski paket Control Desk. Ta deluje v treh načinih, med katerimi lahko izbiramo med načrtovanjem grafičnega vmesnika, testiranjem le-tega in delovanjem v realnem času. Potek načrtovanja algoritmov izhaja iz MATLAB-ovega podsistema Simulink, kateremu so dodane knjižnice RTI DS1102, ki so namenjene lažjemu dostopu do dSPACE kartice. Programska koda algoritma se nato s pomočjo posebnega orodja prenese na dSPACE kartico. S pomočjo grafičnega vmesnika, ki ga izdelamo v Control Desk-u, pa vodenje najrazličnejših sistemov ne predstavlja prevelikega napora. Načrtovanje grafičnega uporabniškega vmesnika (GUI) smo prilagodili oziroma izdelali glede na naš sistem mehanizma, pri čemer so smo GUI v osnovi razdelili na dva dela in sicer na krmilni vmesnik, kjer so veličine prikazane številčno in slikovno (opozorila), in na grafični vmesnik, kjer so posamezne veličine prikazane v odvisnosti od časa (grafi).

?

Kontrolni vmesnik je namenjen vodenju in opazovanju posameznih veličin. Pri snovanju vmesnika smo spremenljivke, namenjene posameznemu motorju oziroma aktuatorju, ločili po barvah in sicer segmenti označeni z vijolično barvo (levo) so povezani s spremenljivkami za motor 1, segmenti označeni z zeleno (desno) pa so povezani s spremenljivkami namenjenimi vodenju motorja 2 ( slika 4-1). Ostali varnostni in statusni segmenti so obarvani temno, saj le tako dosežemo kontrast pri posameznih opozorilih.

Slika 4.1 : Izgled kontrolnega vmesnika izdelanega v Control Desk-u

Mehanizem ?PARMAN? je v osnovi razvit kot študijski pripomoček za načrtovanje regulacij. Pri uporabi manipulatorja v industrijske namene (plazemski razrez pločevine) bi tako potrebovali programski vmesnik, ki bi omogočal povezavo našega sistema s CAD programi, kar bi še povečalo fleksibilnost v maloserijski proizvodnji.

Slika 5.1: Izgled mehanizma v laboratoriju

Andrej Plazovnik, Diplomsko delo: PARALELNI MANIPULATOR-?PARMAN?, Maribor, junij 2004

Tehnična dokumentacija HarmonicDrive, dSPACE, MATLAB…

Več o projektu lahko preberete še na....

Na to temo je bila narejena tudi diplomska naloga....

Posnetek delovanja Parmana....

Predstavitev diplomske naloge v Power Pointu.