Curs Robotica 3 - PDF

Florin Adrian NICOLESCU CURS ROBOTICA 3 Bogdan-Marian VERDETE CAPITOLUL 1. STRUCTURA SISTEMULUI “ROBOT INDUSTRIAL INTEGRAT ÎN MEDIUL TEHNOLOGIC”. SUBSISTEME COMPONENTE. CARACTERIZAREA GENERALĂ A SUBSISTEMELOR ŞI PRINCIPII FUNCŢIONALE GENERALE. 1.1. ST...

Florin Adrian NICOLESCU CURS ROBOTICA 3 Bogdan-Marian VERDETE CAPITOLUL 1. STRUCTURA SISTEMULUI “ROBOT INDUSTRIAL INTEGRAT ÎN MEDIUL TEHNOLOGIC”. SUBSISTEME COMPONENTE. CARACTERIZAREA GENERALĂ A SUBSISTEMELOR ŞI PRINCIPII FUNCŢIONALE GENERALE. 1.1. STRUCTURA SISTEMULUI “ROBOT INDUSTRIAL INTEGRAT ÎN MEDIUL TEHNOLOGIC”. Referitor la conceptul sistemic unitar de “robot industrial integrat în mediul tehnologic” se consideră universal acceptată definirea structurii acestuia ca incluzând urmatoarele patru subsisteme majore: SS1 = subsistemul structurii mecanice articulate a RI incluzand si echiparea tehnologica a RI (efectorul RI, sistemul de cuplare-decuplare a efectorului, sistemul de asigurare a compliantei efectorului etc.), echipată cu motoare de acţionare, senzori si traductoare ce furnizeaza informatii privind functionarea proprie a robotului. Acest subsistem este cunoscut, uzual si sub denumirea de “unitate operaţională a robotului“; SS2 = subsistemul de conducere (programare si comanda) a robotului - Fig.1.1 denumit, uzual si "unitate informaţională" (de tip PLC - automat programabil, echipament de comandă numerică sau calculator industrial). Acest subsistem este cunoscut, uzual si sub denumirea de „controllerul RI”; SS3 = subsistemul mediu tehnologic în care acţionează robotul industrial (incluzind maşini, utilaje, echipamente tehnologice, componente perirobotice si sisteme conexe, obiecte asupra carora actioneaza RI etc.). SS4 = subsistemul de comunicare cu operatorul uman şi programare prin instruire a robotului (de tip tastatura / terminal de comanda prin instruire). Acest subsistem este cunoscut, uzual si sub denumirea de „teach-pendant”. Schema bloc ce permite evidenţierea acestor patru subsisteme şi a legăturilor dintre ele este prezentată în fig.1.1. În fig.1.1. au fost reprezentate simbolic următoarele legături dintre subsisteme: a - instructiuni de comandă transmise de catre unitatea informaţională unitatii operaţionale; b - informaţii proprio-receptive, (privind modul de funcţionare proprie a unităţii operaţionale a robotului), provenind de la senzorii şi traductoarele cu care este echipat robotul; c - informaţii extro-receptive, (privind modificarile ca apar in starea mediului tehnologic în care acţionează robotul industrial), furnizate de catre sisteme senzoriale suplimentare, ce nu fac parte din senzorii si traductoarele cu care este echipat RI; d - instrucţiuni de programare a sistemului de conducere a robotului industrial sau, respectiv, de programare prin instruire a robotului prin învăţare directă ("TEACH - IN"); e - acţiunea RI asupra mediului tehnologic. 1 Florin Adrian NICOLESCU CURS ROBOTICA 3 Bogdan-Marian VERDETE Utilizând denumirile consacrate ale acestor subsisteme şi reprezentarea simbolică a principalelor legături dintre acestea, în fig. 1.2 este ilustrată forma finală a conceptului sistemic de “RI integrat în mediul tehnologic”. Fig.1.2 Pentru exemplificarea concretă a modului în care unitatea operaţională şi cea informaţională a unui RI formează un ansamblu unitar ce constituie robotul industrial propriu- zis, în fig.1.3.a sunt prezentate trei variante de robot industriali de tip brat articulat şi ansamblul sistemelor de conducere a acestuia / comunicare cu operatorul uman realizati de firma ABB, iar in fig 1.3.b alte trei variante de RI de acelasi tip realizati de catre firmele Kuka, Fanuc si Kawasaki. Fig. 1.3 a Spre deosebire de robotii prezentati in figura 1.3 a pentru care sunt evidentiate unitatile operationale complete ale RI (cei trei RI fiind echipati cu efectori specializati pentru realizarea de operatii de sudare in puncte, vopsire si sudare cu arc electric), RI prezentati in figura 1.3 b nu include in structura unitatii operationale nici un fel de efectori (fiind prezentati asa cum sunt livrati de catre firma producatoare). 2 Florin Adrian NICOLESCU CURS ROBOTICA 3 Bogdan-Marian VERDETE Fig. 1.3 a Fiecare unitate operationala de RI cu o anumita arhitectura generala permite generarea unui spatiu de lucru cu o forma corespunzatoare sistemului de coordonate propriu in care opereaza modelul respectiv de RI. Reamintim in acest sens faptul ca forma spatiului de lucru a unui RI este definita in acord cu tipul miscarilor realizate (rotatie / translatie), ordinea de asociere si respectiv modul de dispunere reciproca a axelor de miscare corespunzatoare primelor 3 ACN (exceptie: RI de tip portal simplu). In acest sens, in figura 1.4 sunt prezentate principalele arhitecturi generale de RI si respectiv ACN caracteristice fiecaruia dintre acestia. Fig.1.4 3 Florin Adrian NICOLESCU CURS ROBOTICA 3 Bogdan-Marian VERDETE Pentru evidentierea conexiunilor realizate intre unitatea operationala, unitatea informationala si sistemul de comunicare cu operatorul uman si instruire a RI in fig.1.5 a se prezintă trei exemple de ansambluri generale ale unor roboti de tip brat articulat (ABB), SCARA si portal dublu (BoschRexroth) iar in fig 1.5 b pentru un RI de tip brat articulat (Kuka). In mod similar, in fig 1.6 sunt prezentate aceleasi tipuri de conexiuni pentru cazul unui RI integrat intr-o aplicatie de sudare in puncte. a Fig.1.5 b 4 Florin Adrian NICOLESCU CURS ROBOTICA 3 Bogdan-Marian VERDETE Fig.1.6. Subsisteme aferente conceptului sistemic unitar de RI integrat in mediul tehnologic si conexiunile dintre acestea: 1) unitatea operationala, 2) unitatea informationala, 3) controlerul de proces tehnologic, 4) suport magnetic pentru transferul de programe, 5) conexiuni cablate (alimentare cu energie + date), 6) terminal de instruire, 7) sistem de conducere a cablurilor si furtunelor pe unitatea operationala 8) end-efectorul RI, 9) sistem de management / calibrare a efectorului RI Pentru exemplificarea conceptului de robot industrial integrat in mediul tehnologic in fig.1.7 a este prezentata o celula de fabricatie robotizata destinata realizarii operatiilor de sudare cu arc electric in cadrul careia au fost evidentiate principalele subsisteme componente susmentionate. Un exemplu similar de aplicatie este prezentat si in fig 1.7 b fara a mai fi insa precizate denumirile specifice ale fiecarui subsistem, in scopul exersarii identificarii acestora. a b Fig.1.7 5 Florin Adrian NICOLESCU CURS ROBOTICA 3 Bogdan-Marian VERDETE 1.2 CARACTERIZAREA GENERALĂ A SUBSISTEMELOR Subsistemul SS1 - constituie unitatea operationala a RI si include: structura mecanica a RI, echipata cu motoare de acţionare, senzori si traductoare şi respectiv echiparea tehnologica a RI. Structura mecanică a RI este prevăzută cu maxim 6 grade de libertate, dintre care trei sunt utilizate pentru poziţionarea / generarea traiectoriei efectorului şi trei pentru orientarea efectorului RI. Cuplele de translatie / rotatie ce permit obţinerea celor 6 grade de libertate ale efectorului RI sunt numite şi “cuple majore active”, atunci când sunt prevazute cu motoare proprii de actionare. Cu excepţia unor cazuri speciale, fiecare lanţ cinematic ce permite obţinerea unui grad de libertate are câte un motor de acţionare propriu, gradele de libertate fiind caracterizate de variabile cinematice reciproc independente (“decuplate”). Sistemele de acţionare a RI pot fi: - pneumatice – pentru sarcini manipulate de ordinul daN; - electrice – pentru sarcini de ordinul zecilor / sutelor de daN; - hidraulice – pentru sarcini de ordinul sutelor / miilor de daN. Actual, cele mai răspândite şi, în acelasi timp, cele mai performante sisteme de acţionare sunt cele electrice, peste 85% din RI aflaţi în exploatare fiind echipaţi cu astfel de sisteme. Actionarile pneumatice se intalnesc la circa 10% din RI, iar cele hidraulice la doar circa 5% din RI aflati actual in exploatare. Senzorii si traductoarele cu care este echipata unitatea operationala a RI sunt din categoria traductoarelor de pozitie si viteza a elementelor mobile ale RI si senzorilor cu care este prevazut efectorul RI, sau respectiv celelalte subsisteme care alaturi de efector formeaza echiparea tehnologica a RI. In cadrul echiparii tehnologice a RI, elementul principal il constituie efectorul RI (ce poate fi din categoria sistem de prehensiune, scula cu antrenare proprie sau respectiv dispozitiv de lucru) acestuia putandu-i-se adauga de la caz la caz si alte subsisteme (subsistemul de cuplare- decuplare automata a efectorului, subsistemul de asigurare a compliantei efectorului etc.) Subsistemul SS2 - de conducere (programare si comanda) a roboţilor industriali, denumit si „unitatea informationala a RI” este în general de tip automat programabil cu minicalculator integrat (PLC - programable logic controller) specializat pentru comanda RI / automatizarea proceselor electromecanice. Principial PLC sunt sisteme de comanda similare calculatoarelor de tip PC dar spre deosebire de acestea sunt special concepute sa poata primi / transmite o gama larga de semnale de intrare / iesire prin diferite formate de interfete industriale, pot functiona in mediul industrial (intre limite largi de variatie a temperaturii / umiditatii mediului ambiant), sunt imune la perturbatii electromagnetice, au o rezistenta mare la vibratii si socuri si dispun de memorii non- volatile (cu sisteme de alimentare de back-up prin baterii) pentru stocarea programelor care realizeaza comanda masinilor / echipamentelor industriale. Unitatea informationala a RI generează comenzile ce, în final, sunt traduse în mişcări sau acţiuni ale unităţii operaţionale a acestuia. Aceste comenzi sunt generate atât pe baza unor informaţii furnizate acestui subsistem anterior intrării în funcţiune a RI (instrucţiunile de programare textuala / prin instruire a RI), cât şi pe baza achiziţiei continue a unor informaţii obţinute ulterior intrării în funcţiune a RI (informaţiilor de tip proprio sau extro-receptive). Comenzile sunt elaborate pe baza unor strategii / algoritmi de conducere a RI ce includ: modelele geometrice, cinematice si dinamice direct si invers ale RI, cunoaşterea (definirea) stării iniţiale şi, respectiv, a stării finale în care trebuie adus mediul tehnologic precum şi a modului de desfăşurare a acţiunii robotului asupra mediului. Deşi strategiile de conducere sunt proprii fiecărui tip de robot industrial şi tip de aplicaţie robotizată, ele pot fi, frecvent, implementate pe un acelaşi tip de sistem de conducere (unitatile informationale fiind în general concepute pentru a putea comanda mai multe variante constructive diferite de RI). Subsistemul SS4. - de comunicare cu operatorul şi instruire a RI, permite selectarea, introducerea, rularea, executarea, schimbarea sau modificarea programului care trebuie incarcat 6 Florin Adrian NICOLESCU CURS ROBOTICA 3 Bogdan-Marian VERDETE in sistemul de conducere al RI (in unitatea informaţională a acestuia). Instrucţiunile de programare / învăţare pot fi, în totalitate, programate aprioric într-un limbaj accesibil minicalculatorului integrat în unitatea informaţională (pentru cazul programarii textuale a RI), pot fi completate pe măsura achiziţionării unor informaţii prioreceptive (parametrii geometrici / cinematici / dinamici) prin parcurgerea procedurilor specifice de programare prin învăţare / instruire a RI (teach-in) sau, respectiv pot fi incarcate in controllerul RI dupa elaborare in prealabil a unui program comlpet intr-un mediu de programare si simulare off-line a modului de functionare a RI. Pentru exemplificarea posibilităţilor de programare a RI in continuare sunt prezentate succesiv: - două sisteme ce permit programarea prin instruire a RI (teach-in) pe principiul „lead-trough”, prin comanda directă a robotului de la o tastatură de comandă (fig.1.8) sau respectiv de la un panou de comanda manuală a RI integrat sistemului de conducere a acestuia (fig.1.9); Fig.1.8 Fig.1.9 - un sistem (fig.1.10) ce permite programarea prin instruire a RI (teach-in) pe principiul „walk-trough”, in cadrul caruia comanda robotului este făcută prin intermediul unei “patine de comandă” atasata la nivelul efectorului RI; - un sistem (fig.1.11) ce permite programarea textuală a RI (utilizabil pentru comanda directa – on-line a RI) si respectiv - un sistem (fig.1.12) ce permite programarea RI in regim de „programare şi simulare off-line” utilizand software specializat pentru astfel de activitati instalat pe un laptop / PC independent de controlerul RI. Fig.1.10 Fig.1.11 Fig.1.12 7 Florin Adrian NICOLESCU CURS ROBOTICA 3 Bogdan-Marian VERDETE Subsistemul SS3. - mediul tehnologic - într-o primă definire simplistă ar putea fi considerat ca delimitat de spaţiul de lucru baleiat de efectorul robotului în timpul execuţiei unui anumit program (dacă se consideră valorificarea integrală a curselor active pentru fiecare grad de libertate). Acest mediu tehnologic include, însă, în realitate şi alte subsisteme cu care RI interactioneaza / este interconditionat functional (echipamentele de proces tehnologic specific actiunii RI, maşini-unelte sau masini de lucru, utilaje tehnologice, componente perirobotice, obiecte manipulate sau asupra cărora se exercită acţiunea robotului), funcţionarea tuturor componentelor din mediu tehnologic fiind reciproc sincronizată şi, respectiv, controlată, preponderent, prin senzori / traductoare ce nu ţin de construcţia RI propriu-zis (senzori care transmit informaţii extro-receptive unităţii informaţionale a RI). Caracterizarea SS3 presupune deci, implicit, definirea caracteristicilor geometrice (de gabarit), a celor constructiv-funcţionale şi respectiv, a dispunerii spaţiale particulare a tuturor maşinilor, utilajelor şi componentelor perirobotice precum şi a poziţiei şi orientării iniţiale şi finale, a formei şi dimensiunilor obiectelor asupra cărora urmează să se exercite acţiunea robotului (pentru obiectul manipulat, sudat, vopsit, etc.), a ciclurilor funcţionale proprii ale acestor componente şi, respectiv, a intercondiţionărilor ce apar între acestea pe parcursul exploatării întregului sistem tehnologic. 1.2.1. ASPECTE PARTICULARE PRIVIND STRUCTURA SI FUNCTIILE SUBSISTEMUL SS2 - DE CONDUCERE (PROGRAMARE SI COMANDA) A ROBOŢILOR INDUSTRIALI In ceea ce priveste structura subsistemului SS2 de conducere (programare si comanda) a roboţilor industriali pot fi avute in vedere si o serie de optiuni pentru optimizarea costului cu sistemele hardware: - pentru aplicatii cu un singur robot – modulul de control al RI si modulul de servoactionare pot fi incluse in aceeasi unitate (in variante de execute a SS2 in conceptie "single cabinet") sau respectiv acestea pot fi incluse in doua unitati separate (in variante de execute a SS2 in conceptie "dual cabinet") denumite "modul de comanda" si respectiv "modul de servoactionare", acestea putand fi montate si intr-un rack vertical (fig.1.13 si fig. 1.14); - pentru aplicatiile in care este necesar controlul parametrilor de proces tehnologic este necesar a fi utilizata o unitate hardware complementara distincta de cele doua module specificate anterior, numita "controler de proces tehnologic" (fig. 1.14); - pentru aplicatii cu mai multi roboti, numarul unitatilor de control poate fi redus (1 unitate la 4-6 roboti), dar numarul unitatilor de servoactionare trebuie sa fie egal cu numarul de roboti din aplicatie (fig. 1.15). Fig.1.13. Distributivitatea echipamentelor hardware in aplicatiile robotizate 8 Florin Adrian NICOLESCU CURS ROBOTICA 3 Bogdan-Marian VERDETE Controlerul principal IRC 5 (in varianta single cabinet si respectiv dual cabinet) este este completat de un modul hardware suplimentar necesar pentru controlul parametrilor de proces tehnologic in cazul anumitor procese de fabricatie robotizate (sudare cu arc electric, vopsire, tăiere cu laser / sudura, taiere cu plasma / sudare, tăiere cu jet de apă etc). Fig.1.14 Fig.1.15. Distributivitatea echipamentelor hardware in aplicatiile robotizate corelativ cu partajarea functiilor modulelor de servoactionare si mentinerea unica a modulului hardware pentru controlul miscarilor de ansamblu ale RI si corelare functionala a acestora 9 Florin Adrian NICOLESCU CURS ROBOTICA 3 Bogdan-Marian VERDETE CAPITOLUL 2. STRUCTURA COMPLETA A SUBSISTEMULUI MECANIC AL RI. ASPECTE PARTICULARE PRIVIND MODUL DE AMPLASARE A RI SI ORDINEA DE DISPUNERE A ANSAMBLURILOR COMPONENENTE ALE ACESTORA Fig.2.1. Structura completa a subsistemului mecanic al RI 10 Florin Adrian NICOLESCU CURS ROBOTICA 3 Bogdan-Marian VERDETE Fig.2.1. Structura completa a subsistemului mecanic al RI - evidentierea unitatii operationale a RI 11 Florin Adrian NICOLESCU CURS ROBOTICA 3 Bogdan-Marian VERDETE 12