dr inĪ. Stanisáaw Krenich mgr inĪ. Marcin Spyrka
Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji Produkcji Politechnika Krakowska
MODELOWANIE I SYMULACJA ZROBOTYZOWANEGO
GNIAZDA PRODUKCYJNEGO Z WYKORZYSTANIEM
APLIKACJI ABB ROBOT STUDIO
Artykuá prezentuje zagadnienie tworzenia wirtualnego systemu produkcyjnego i jego symulacjĊ. Na podstawie istniejącego gniazda do táoczenia blach stworzono jego komputerowy model oraz wykonano symulacjĊ z wykorzystaniem aplikacji ABB Robot Studio. Rzeczywisty proces produkcyjny zostaá znacząco zautomaty-zowany przez wprowadzenie robotów przemysáowych. Symulacja pracy gniazda pozwoliáa na wykrycie i wyeliminowanie wystĊpujących kolizji elementów systemu oraz umoĪliwiáa zadaniowe programowanie robotów. Przeprowadzone ekspery-menty pozwalają stwierdziü, Īe wykorzystana aplikacja Robot Studio jest efektyw-nym narzĊdziem do projektowania i symulacji zautomatyzowanych systemów pro-dukcyjnych, w których podstawową rolĊ peánią roboty przemysáowe.
MODELLING AND SIMULATION OF THE AUTOMATED PRODUCTION CELL USING ROBOT STUDIO APLICATION
The paper presents an approach to modeling of virtual production systems and their simulation. Based on the real working press forming cell a virtual model of this production system was built and simulated using ABB Robot Studio applica-tion. The existing production process was significantly automated by industrial robots which were introduced to the system. During the work simulation of the production system the task programming procedure of the robots and the collision faults detecting were applied. Thus the correction of the cell layout was available. The carried out experiments indicate as a conclusion that the Robot Studio appli-cation is an efficient tool for creating and simulating of automated production systems.
1. WPROWADZENIE
WiĊkszoĞü procesów technologicznych jest przygotowywana obecnie za pomocą narzĊdzi informatycznych. PodejĞcie to jest szczególnie przydatne w projektowaniu zintegrowanych wielomaszynowych systemów produkcyjnych. Wymagania, jakie są stawiane projektantowi dotyczą nie tylko samego procesu doboru elementów skáadowych realizujących okreĞlone zadania technologiczne, ale takĪe ich optymalnego rozmieszczenia, koordynacji pracy i wy-krycia ewentualnych kolizji oraz przygotowania oprogramowania dla sterowników maszyn i urządzeĔ technologicznych czy transportowych. Ponadto waĪnym aspektem jest tu równieĪ szybkie i sprawne przeprowadzenie zmian w procesie technologicznym, jeĞli zajdzie taka potrzeba, co wiąĪe siĊ nie tylko z koniecznoĞcią fizycznego przezbrojenie linii produkcyjnej, ale takĪe pociąga za sobą czĊsto koniecznoĞü zmiany programów sterujących pracą poszcze-gólnych urządzeĔ, w tym równieĪ robotów przemysáowych. NarzĊdziami, które zasadniczo
wytwarzania oraz przeprowadzanie symulacji ich dziaáania. Wiele firm oraz instytutów ba-dawczych prowadzi prace nad tworzeniem i unowoczeĞnianiem tego typu narzĊdzi, czego efektem są miĊdzy innymi znane komercyjne aplikacje Cosimir, Roboguide, Delmia V5 Au-tomation czy RobotStudio.
1.1. Zrobotyzowany system produkcyjny
Organizacja przestrzenna stanowiska polega na konfiguracji geometrycznej wszystkich obiek-tów zrobotyzowanego systemu. W skáad takiego systemu wchodzą m.in: obrabiarki i inne urządzenia technologiczne, magazyny wejĞciowe i wyjĞciowe, bufory przystanowiskowe, stanowiska reorientacji itp., które wpáywają bezpoĞrednio na ksztaátowanie przepáywu i ruchu przedmiotów wytwarzanych. Szczególną rolĊ w systemie wytwarzania peáni podsystem trans-portu i manipulacji integrujący fizycznie elementy systemu a czĊsto takĪe peániący rolĊ koor-dynatora pracy caáego systemu. Robot przemysáowy jest jednym z elementów zrobotyzowa-nych systemów technologiczzrobotyzowa-nych, który moĪna wykorzystaü jako Ğrodek transportu lub teĪ maszynĊ technologiczną. Poprawna wspóápraca robotów z innymi urządzeniami jest uwarun-kowana programami sterującymi, które uwzglĊdniają fizyczne jak i informacyjne powiązanie robota z tymi urządzeniami. Przy koniecznoĞci wprowadzania czĊstych zmian w systemie produkcyjnym standardowe podejĞcie do programowania robotów wiązaáoby siĊ z dáugimi przestojami. Celowe, zatem wydaje siĊ wspomaganie tego procesu poza rzeczywistym syste-mem wytwarzania. Wspomaganie programowania robota odbywa siĊ wtedy na zasadzie pla-nowania zadaĔ robota i bezkolizyjnej trajektorii jego ruchów. Problem ten moĪe byü rozwią-zany w wewnĊtrznej przestrzeni stanu robota, jak i w przestrzenia zewnĊtrznej, w której jest on zdefiniowany jako element do obsáugi systemu technologicznego. ĝrodowisko technolo-giczne robota ma konkretnie okreĞloną organizacyjna strukturĊ wraz z okreĞloną liczbą obiek-tów. PrzejĞcie robota miĊdzy kolejnymi operacjami jest to zdarzenie, które jest wczeĞniej przewidziane i zaplanowane. W bardziej skomplikowanych procesach, w których zdolnoĞci manipulacyjne mają takĪe maszyny, sekwencje ruchów robota muszą przewidzieü zmianĊ poáoĪenia danej maszyny.
2. APLIKACJA ROBOT_STUDIO 5.x.
RobotStudio to oprogramowanie umoĪliwiające zarówno zaprojektowanie stanowiska pro-dukcyjnego poprzez odpowiednie rozmieszczenie jego elementów skáadowych jak równieĪ programowanie oraz przeprowadzanie symulacji pracy robotów jako elementów skáadowych tego stanowiska w trybie „off-line”. Programowanie w trybie ”off-line” jest moĪliwe dziĊki zastosowaniu technologii wirtualnego robota VirtualRobot™ firmy ABB, która umoĪliwia caákowite odzwierciedlenie rzeczywistego kontrolera robota w Ğrodowisku programowym. MoĪliwoĞci pakietu Robot Studio to miĊdzy innymi:
x Modelowanie systemów wytwarzania realizujących róĪnorodne procesy technologiczne. Aplikacja ma moĪliwoĞü zaprojektowania stanowiska produkcyjnego poprzez odpowied-nie rozmieszczeodpowied-nie jego elementów skáadowych. Elementy skáadowe moĪna przemiesz-czaü w dowolne ĞciĞle okreĞlone w zaáoĪonym ukáadzie wspóárzĊdnych miejsce jak rów-nieĪ Ğledziü ich poáoĪenie przy pomocy funkcji „Set Local Origin”. Rozmieszczone ele-menty moĪna wprowadzaü w ruch przez tworzenie wirtualnych ĞcieĪek zadając punkty w przestrzeni, wykorzystując tzw. wirtualny joystick – „Virtual FlexPendant lub za po-mocą jĊzyka Rapid.
x MoĪliwoĞü programowania wykorzystanych elementów skáadowych systemu wytwarza-nia. MoĪna generowaü automatycznie programy sterujące robotami oraz ingerowaü w te programy w razie potrzeby.
x MoĪliwoĞü symulacji pracy systemu.
DziĊki tej opcji moĪna sprawdziü dziaáanie caáego systemu wytwarzania i poprzez korek-cje zoptymalizowaü jego pracĊ.
x Tworzenie zdublowanych ruchów – Funkcja „MultiMove”.
Opcja ta umoĪliwia narzucanie wspóápracy dwóch robotów przy obsáudze jednego przed-miotu.
x Wykrywania kolizji i alarmowanie uĪytkownika o stanie przed alarmowym.
RobotStudio umoĪliwia nam ustawienie dwóch stanów alarmowania o zagroĪeniu: stan tuĪ przed kolizją i stan kolizji. Dla tych stanów moĪemy dla potrzeb wizualizacji ustawiü odpowiednią kolorystykĊ.
x Informowanie o alarmach za pomocą Internetu.
Oprogramowanie ma moduá umoĪliwiający wysyáanie alarmów lub ostrzeĪeĔ o stanie ma-szyn. Poprzez odpowiednie zdeklarowanie stanów alarmowych w fazie tworzenia projektu moĪna mieü bieĪący podgląd na pracĊ caáego systemu wytwarzania w tym na przykáad moĪna uzyskaü informacje na temat ewentualnych kolizji, braku zasilania poszczególnych elementów, informacje o prĊdkoĞciach obrotowych czĊĞci ruchomych, informacje o poáo-Īeniu ramion robota lub teĪ o pojawiających siĊ przeszkodach na drodze manipulatorów. Na podstawie powyĪszych danych w niektórych przypadkach moĪna w sposób zdalny usuwaü usterki lub báĊdy w dziaáaniu.
x MoĪliwoĞü importowania plików CAD.
RobotStudio nie ma rozbudowanych narzĊdzi, które umoĪliwiaáyby tworzenie rozbudo-wanych elementów zagospodarowania hali produkcyjnej. W celu wzbogacenia wyposaĪe-nia hali moĪemy skorzystaü importowaü elementy z innych aplikacji, przykáadowo z programu AUTOCAD, CATIA, Solid Works.
x MoĪliwoĞü odczytu sygnaáów stanu wejĞü i wyjĞü I/O.
Na tej podstawie uĪytkownik jest w stanie okreĞliü zaleĪnoĞci miedzy poszczególnymi elementami systemu.
3. MODELOWANIE I SYMULACJA GNIAZDA PRODUKCYJNEGO DO TàOCZENIA BLACH DACHÓWKOWYCH.
Analizie zostanie poddany projekt zrobotyzowanego gniazda do táoczenia blach dachówko-wych MetroRoman o wymiarach 1330×410 [mm] zrealizowany na bazie istniejącego stano-wiska, na którym wszystkie czynnoĞci manipulacyjno-transportowe byáy realizowane rĊcznie. Wprowadzenie robotów do czynnoĞci technologicznych oraz manipulacyjnych umoĪliwiáo zautomatyzowanie pracy istniejącego stanowiska. Wymagane operacje technologiczne to: x ciĊcie na gilotynie blachy z rozwijanych waáów,
x dostarczanie pociĊtych arkuszy na stanowisko do táoczenia, x táoczenie profilu dachówkowego,
x odebranie wytáoczonego elementu, x malowanie wytáoczonego elementu,
x wygrzewanie pomalowanych elementów w piecu nawiewowym,
Rys. 1. Wytáoczony profil/panel blachy MetroRoman
3.1. ZaáoĪenia konstrukcyjne do modelu wirtualnego
Na podstawie analizy kolejnych wymaganych operacji technologicznych zaproponowano rozkáad elementów skáadowych gniazda produkcyjnego jak na rys. 2. CzĊĞü wymaganych operacji technologicznych tj. ciĊcie blachy na arkusze oraz wygrzewanie pomalowanych ele-mentów wyáączono z projektowanego gniazda gdyĪ wykonywane są one na stanowiskach znajdujących siĊ w innych pomieszczeniach zakáadu produkcyjnego.
Rys. 2. Schemat projektowanego zrobotyzowanego gniazda do táocznie blach
Zaproponowano nastĊpujące operacje technologiczne i manipulacyjno-transportowe przy-pisane poszczególnym elementom skáadowym gniazda:
x wózek widáowy:
operacja01 – dostarczanie palet z pociĊtymi arkuszami blachy na stanowisko operacja02 – wywóz pustych palet do magazynu w celu uzupeánienia blachy x robot pierwszy – ROB1:
operacja01 – pobieranie arkusza blachy gáadkiej z palet operacja02 – transport arkusza na prasĊ táoczącą
operacja03 – wysterowanie sygnaáu do powodującego zamkniĊcie siĊ mechanizmu táoczni
x robot drugi – ROB2:
operacja01 – pobieranie wytáoczonych profili z prasy táoczącej operacja02 – odkáadanie profilu blachy na taĞmociąg
operacja03 – wysterowanie sygnaáu uruchamiającego pracĊ trzeciego robota x robot trzeci – ROB3:
operacja01 – rozpoczĊcie malowania wytáoczonego profilu operacja02 – wysterowanie sygnaáu taktującego ruch taĞmociągu.
3.2. Tworzenie modelu wirtualnego
Wirtualny model gniazda produkcyjnego tworzymy korzystając z istniejących w aplikacji Robot Studio bibliotek robotów lub innych urządzeĔ jak np. taĞmociąg oraz projektując i wprowadzając wáasne elementy skáadowe, przy czym projektowanie odbywa siĊ w innych aplikacjach typu CAD ze wzglĊdu na ograniczone moĪliwoĞci programu Robot Studio w tym zakresie. Kolejne etapy tworzenia wirtualnego modelu gniazda do táoczenia blachy dachów-kowej:
x zdefiniowanie stanowiska jako bazy do umieszczania elementów skáadowych, przy czym moĪna wykorzystaü istniejący model systemu produkcyjnego lub wybraü opcjĊ pustej sta-cji, którą moĪna konfigurowaü od podstaw, co zrealizowano;
x wprowadzenie do wirtualnego Ğrodowiska projektowanego systemu robotów z bibliotek robotów firmy ABB. Wybrano dwa Ğrednich gabarytów roboty IRB 4400L o udĨwigu 10 kg i zasiĊgu 2.55 m, oraz jeden robot o mniejszych gabarytach IRB 2400 o noĞnoĞci 10 kg i zasiĊgu 1,5 m;
x uzbrojenie robotów w narzĊdzia, przy czym chwytaki przyssawkowe zostaáy zaprojekto-wane w zewnĊtrznej aplikacji i wprowadzone do systemu;
x wprowadzenie z bibliotek aplikacji urządzenia transportującego (taĞmociąg), palet, wózka widáowego i innych elementów koniecznych do ustawiania elementów systemu;
x wprowadzenie modelu prasy táoczącej zrealizowanego w zewnĊtrznej aplikacji (Catia). W wyniku wprowadzania i rozmieszczania elementów skáadowych, których poáoĪenie moĪna ĞciĞle zdefiniowaü w przyjĊtym ukáadzie wspóárzĊdnych, otrzymano przestrzenny mo-del gniazda produkcyjnego, który zostaá przedstawiony na rys. 3.
3.3. Symulacja pracy gniazda produkcyjnego
Po wprowadzeniu i przeanalizowaniu rozmieszczenia poszczególnych elementów na stanowi-sku przeprowadzono symulacjĊ pracy gniazda. SymulacjĊ pracy poprzedza wprowadzenie w tryb ruchu elementów skáadowych systemu oraz ich wzajemne skorelowanie, co zrealizo-wano m.in. nastĊpująco:
x przez wykorzystanie opcji Create Mechanizm, która umoĪliwia zdefiniowanie czĊĞci pod-legających ruchowi i nieruchomych, zakresów ruchu oraz sygnaáów wyzwalających ruch i potwierdzających wykonanie ruchu. W ten sposób wprowadzono w tryb ruchu prasĊ táo-czącą oraz taĞmociąg;
x przez wykorzystanie opcji Teach Target w celu programowania zadaniowego robotów, co w praktyce realizowane byáo jako zadawanie punktów w przestrzeni robotów, przez które przemieszczana jest koĔcówka robota wraz z narzĊdziem lub przedmiotem. Na podstawie zadanych punktów utworzono ĞcieĪki ruchu (Path) a nastĊpnie przeprowadzono synchro-nizacjĊ kaĪdego z trzech wystĊpujących w systemie robotów z wirtualnymi kontrolerami; x przez wykorzystanie opcji Events, która umoĪliwiáa ustawienie zaleĪnoĞci i powiązaĔ
ruchowych jak i sygnaáowych pomiĊdzy poszczególnymi elementami systemu. Istnieje równieĪ moĪliwoĞü ustawienia trybu znikania elementów systemu podczas symulacji pra-cy. W analizowanym systemie definiowanie powiązaĔ miĊdzy obiektami odbywaáo siĊ na zasadzie ustawiania odpowiednich sygnaáów wywodzących siĊ z poszczególnych robotów przez opcjĊ Offline i Comunication.
Po zrealizowaniu powyĪszych zadaĔ przeprowadzono symulacjĊ pracy caáego gniazda produkcyjnego. W wyniku procesu symulacji stwierdzono nieprawidáowe zdefiniowanie po-áoĪenia robota ROB1 oraz báĊdy w zadanych punktach na trajektorii ruchu robota ROB2, co prowadziáo do wystĊpowania kolizji chwytaków obydwu robotów z prasą táoczącą. W związ-ku z tym wprowadzono korekcje w ustawieniu robota oraz wprowadzono dodatkowe punkty do ĞcieĪki ruchu robotów (rys. 4 i 5). Korekcje te pozwoliáy na przeprowadzenie poprawnej symulacji dziaáania caáego systemu, nie wykryto Īadnych báĊdów kolizji. W efekcie koĔco-wym wygenerowano automatycznie programy sterujące robotami, które moĪna wprowadziü do rzeczywistych sterowników robotów wystĊpujących w systemie. Do generowania progra-mu
i okreĞlania punktów moĪe posáuĪyü takĪe moduá „Virtual Flex Pentand”. DziĊki niemu moĪ-na definiowaü poszczególne punkty, a takĪe mieü peány dostĊp do jĊzyka programowania robotów. Fragment wygenerowanego programu dla robota ROB1 przedstawia listing:
MODULE Module1
PROC Path_10()
MoveL Target_10,v1000,z10,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
MoveL Target_50,v1000,z10,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
MoveL Target_20,v1000,fine,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
SetDO signal1,1;
MoveL Target_50,v1000,z10,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
MoveL Target_10,v1000,z10,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
MoveL Target_60,v1000,fine,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
}
MoveL Target_10,v1000,fine,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
SetDO signal2,1;
MoveL Target_10,v1000,fine,chwytak_1\WObj:=blacha_gl;
SetDO signal2,0; ENDPROC PROC main() Path_10; ENDPROC ENDMODULE
Rys. 4. Lokalizacja pierwszego robota IRB 4400L
4. WNIOSKI I UWAGI KOēCOWE
Aplikacja Robot Studio 5.x jest wystarczającym narzĊdziem do projektowania systemów technologicznych, co przedstawiono w opracowaniu. Zaprojektowany model wirtualny gniazda produkcyjnego w peáni odzwierciedla istniejące elementy, jakie znajdują siĊ w rze-czywistej fabryce oraz umoĪliwia wprowadzenie dodatkowych w tym robotów. Rozmiesz-czanie elementów na stanowisku jest bardzo elastyczne i w zasadzie poprawki dotyczące przestawienia urządzenie nie stanowią problemu. Po kaĪdej zmianie moĪna przeprowadziü symulacje i w ten sposób na bieĪąco korygowaü pracĊ systemu wytwarzania. W programie RobotStudio projektant moĪe importowaü gotowe obiekty i zachowaü ich rzeczywiste wymia-ry w odpowiedniej skali, co uáatwia odwzorowanie rzeczywistego systemu. Przeprowadzone symulacje umoĪliwiáy wprowadzenie korekcji na etapie projektowania oraz umoĪliwiáy wy-generowanie gotowych programów sterujących robotami. Wykorzystanie aplikacji do mode-lowania i symulacji gniazda do táoczenia blach dachówkowych spowodowaáo skrócenie czasu tworzenia
i testowania systemu produkcyjnego, a takĪe prowadziáo do obniĪenie kosztów związanych z nieprawidáowym rozmieszczeniem elementów systemu, co skutkowaü moĪe miĊdzy innymi obniĪeniem wydajnoĞci pracy. Podsumowując zastosowanie pakietu RobotStudio pozwala na uzyskanie:
x redukcji ryzyka popeánienia báĊdu w projektowaniu poprzez wizualizacje, x potwierdzenie przyjĊtej koncepcji dziaáania systemu produkcyjnego, x optymalizacji programów robotów w celu zwiĊkszenia produktywnoĞci, x wprowadzenia do systemu nowych komponentów bez dáuĪszych przerw.
5. BIBLIOGRAFIA
1. Zdanowicz R.: Robotyzacja procesów technologicznych. Wyd. Politechniki ĝląskiej, Gliwice, 2007.
2. Katalogi i materiaáy firmowe ABB 2007- 2010. 3. www.abb.com
