DOBÓR PARAMETRÓW SYSTEMU ZROBOTYZOWANEGO Z UKŁADEM KONTROLI SIŁY

(1)

DOBÓR PARAMETRÓW

SYSTEMU ZROBOTYZOWANEGO Z UKŁADEM KONTROLI SIŁY

Andrzej Burghardt

^1a

, Dariusz Szybicki

^1b

, Krzysztof Kurc

^1c

, Paweł Obal

^1d

, Magdalena Muszyńska

^1e

1Katedra Mechaniki Stosowanej i Robotyki, Politechnika Rzeszowska

aandrzejb@prz.edu.pl, ^bdszybicki@prz.edu.pl,^ckkurc@prz.edu.pl, ^dp.obal@prz.edu.pl,

emagdaw@prz.edu.pl

Streszczenie

Geneza powstania rozważanej tematyki badawczej wywodzi się z potrzeby implementacji robotów w miejscach, gdzie występuje brak możliwości określenia powtarzalnej ścieżki narzędzia, co skutkuje koniecznością stosowanie ręcznej obróbki. Fakt ten wprowadza duże ryzyko powstania elementów brakowych związanych z występowaniem czynnika ludzkiego (błąd, zmęczenie, stres). Zastosowanie pakietu Force Control w zbudowanym stanowisku pozwala na kontrolę siły wywieranej przez narzędzie na obrabiany przedmiot, dzięki czemu pozycja obrabianego detalu musi być znana z dokładnością do kilku milimetrów. Proponowany sposób sterowania pozwala na dostosowanie ruchów robota do informacji zwrotnych z czujników siły w czasie rzeczywistym. Wykorzystanie dodatku ForceControl wymaga określenia szeregu parametrów. W pracy przebadano wpływ zmiany wybranych parametrów na proces obróbki skrawaniem. Otrzymane wyniki zestawiono w formie wykresów.

Słowa kluczowe: robotyka przemysłowa, układy kontroli siły, zrobotyzowane obróbka skrawaniem

PARAMETER SELECTION OF ROBOTIZED SYSTEM WITH FORCE CONTROL

Summary

Origins of the research topics under consideration stems from the need to implement robots in places where there is no possibility to determine repeatable tool paths, resulting in the need to use manual machining. This fact introduces a high risk of defective elements associated with the presence of the human factor (error, fatigue, stress).

Application of Force Control Package in enclosed station allows to control the force exerted by the tool on the workpiece. Therefore, the position of the workpiece must be known to an accuracy of a few millimeters. Such approach enables the robot interactions with the environment. The proposed method of control allows to adjust the movements of the robot to feedback from the force sensors in real time. Use of Force Control Package requires the determination of several parameters. In this paper the influence of changing selected parameters on the machining process was investigated. The results are summarized in graphs.

Keywords: industrial robotics, force control system, robotic machining

1. WSTĘP

W ostatnich latach zwiększa się spektrum zastosowań ro- botów przemysłowych. Zastosowanie robotów wymaga powtarzalności kształtu, położenia i orientacji obrabia-

nym zakresie w zależności od precyzji wykonania form oraz występowania takich zjawisk fizycznych jak skurcz podczas krzepnięcia [3]. Wiąże się to z koniecznością ob-

(2)

DOBÓR PARAMETRÓW SYSTEMU ZROBOTYZOWANEGO Z UKŁADEM KONTROLI SIŁY

6 center point) robota. Obecnie prowadzone są liczne bada- nia nad metodami adaptacji ruchu robota w zależności od zmian warunków wykonywanego procesu. Najczęściej sto- sowane metody adaptacji trajektorii narzędzia to [6, 7]:

• narzędzia aktywne:

− narzędzia pneumatyczne o regulowanej sile docisku,

− manipulatory z systemem kontroli siły.

• systemy optyczne:

− laserowe systemy adaptacji trajektorii,

− systemy wizyjne,

• aplikacje uczące się

• narzędzia dedykowane.

Układy sterowania siłowego pozwalają na kontrolowanie siły wywieranej przez narzędzie robota na obrabiany przedmiot. W takim przypadku wystarczy, że położenie przedmiotu będzie znane z dokładnością do kilku milime- trów. Układ sterownia wykrywa położenie detalu na podstawie sygnału z czujników siły zaimplementowanych na manipulatorze i dostosowuje ruchy narzędzia [4, 8].

W pracy wykorzystano pakiet ForceControl manipulato- rów ABB. Umożliwia to sterowanie procesem obróbki z wykorzystaniem dwóch strategii: FC Pressure oraz FC SpeedChange. Strategia FC Pressure pozwala na obróbkę materiału ze stałą prędkością i kontrolą siły nacisku pro- stopadłą do obrabianej powierzchni. Ścieżka ruchu jest dostosowywana do krzywizny powierzchni (rys. 1).

Rys. 1. Schemat strategii FC Pressure

Typowe zastosowanie strategii FC Pressure:

• szlifowanie zaworów, turbin lub łopat śmigieł,

• szlifowanie i polerowanie felg aluminiowych,

• polerowanie zderzaków samochodowych,

• polerowanie obudów do urządzeń elektronicz- nych.

Strategia sterowania siłą z ang. FC SpeedChange [1] po- zwala na usuwanie wypływek lub oczyszczanie części i powierzchni obrabianego przedmiotu ze zmienną prędkością przy stałej wartości siły kontaktu na kierunku ruchu.

W przypadku napotkania problemu z usunięciem mate- riału następuje spowolnienie ruchu robota (rys. 2).

Rys. 2. Schemat strategii FC SpeedChange Typowe zastosowanie FC SpeedChange:

• frezowanie wzdłuż krawędzi obrabianego elementu,

• usuwanie pozostałości po wcześniejszej obróbce,

• szlifowanie odlewów,

• usuwanie nadlewek odlewniczych.

Zastosowanie aplikacji ForceControl wymaga określenia szeregu parametrów takich jak: współczynnik zmiany prędkości (Threshold [%]), współczynnik narastania siły (Force Change Rate [N/s]), tłumienie (Dumping [%]), maksymalny czas oczekiwania na kontakt (Timeout [s]), procent zadanej siły z jaką robot rozpoczyna proces (Zero Contact Force [%]), poziom filtracji dla filtru dolnoprze- pustowego (Noise level [Hz]).

W pracy przeprowadzono badania eksperymentalne ma- jące na celu określenie wpływu kilku wybranych parame- trów na stabilizowanie zadanej siły. Wybrano następujące parametry: współczynnik zmiany siły FC [N/s] oraz współczynnik tłumienia D [%]. Eksperyment przeprowadzono na próbkach wykonanych z jednakowego mate- riału.

2. STANOWISKO BADAWCZE

W celu przeprowadzenia badań systemu kontroli siły za- proponowano stanowisko zrobotyzowane [1, 2] wyposa- żone w (rys. 3.):

A. elektrowrzeciono zamocowane na czujniku siły, B. kontroler IRC5

C. czujnik sterowania siłą zamocowany na kiści robota IRB 140,

D. pozycjoner ABB A250, E. robot ABB IRB 140, F. robot ABB IRB 1600,

(3)

Rys. 3. Stanowisko obróbcze

Robot e wykonuje operacje ślusarskie przy użyciu narzę- dzi skrawających. Do flanszy robota jest zamocowany czujnik siły c, do którego zamocowano elektrowrzeciono z narzędziem obróbczym a. Obrabiany detal jest moco- wany na pozycjonerze d, który ustawia go w zaprogramo- wanej pozycji. Proces jest sterowany przez kontroler robota IRC5 b.

Rys. 4. Schemat komunikacji urządzeń stanowiska zrobotyzowanego

Rys. 4 przedstawia schemat komunikacji poszczególnych urządzeń stanowiska zrobotyzowanego. Do sterowania pracą wrzeciona zastosowano przemiennik częstotliwości, podłączony do kontrolera poprzez protokół DeviceNet.

Kontroler IRC5 steruje ruchem robota i pozycjonera. Zo- stał on wyposażony w opcje Absolute Accuracy, która po- prawia dokładność robota.

3. BADANIA KSPERYMENTALNE

Jakość obrabianej powierzchni jest znaczącym kryterium wykonania zdefiniowanej czy zadanej operacji. Głównym motorem przeprowadzenia badań była konieczność pozna- nia wpływu poszczególnych parametrów układu Force- Control na proces obróbki skrawaniem w procesie zatę- piania krawędzi. Wiedza ta jest wymagana do zaprogra-

metrach układu kontroli siły. Przebieg eksperymentu ob- razuje schemat na rys. 5. W procesie obróbki wykorzy- stano strategię FC Preasure, stabilizującą zadaną siłę do- cisku narzędzia do obrabianej powierzchni.

Rys. 5. Schemat przebiegu eksperymentu

W eksperymencie przebadano wpływ współczynnika tłu- mienia D oraz współczynnik narastania siły FC na stabi- lizacje zadanej siły docisku wynoszącej F=12 [N]. Sygnały z czujnika siły zarejestrowano z wykorzystaniem aplikacji ABB Signal Test Viewer, dedykowanej do pobierania wartości sygnałów z kontrolera robotów firmy ABB.

W dalszej części zaprezentowano zarejestrowane dane dla przykładowego testu. Na rys. 6 przedstawiono przebiegi wartości rzutów wektora siły na osie układu współrzęd- nych (xS, y_S, z_S) związanego z czujnikiem siły.

Rys. 6. Wykres sygnałów siły w układzie współrzędnych umiesz- czonym na czujniku siły

Na rys. 7 przedstawiono przebiegi wartości rzutów wektora siły na osie układu współrzędnych (xT, yT, zT) zwią-

(4)

8 Rys. 7. Wykres sygnałów siły w układzie współrzędnych narzę- dzia robota

Układ pomiarowy automatycznie przelicza zmierzone wartości sygnałów z czujnika na wartości rzutów wektora siły w układzie (xT, yT, zT) na podstawie informacji o po- łożeniu tego układu oraz układu związanego z czujnikiem względem układu (x0, y0, z0) związanego z kołnierzem robota. Na rys. 8 przedstawiono przebieg uchybu wartości siły.

Rys. 8. Wykres błędu realizacji stabilizacji zadanej wartości siły Przebieg uchybu wyznaczono, analizując sygnał 209, który odpowiada rzutowi wektora siły wzdłuż osi zT

układu współrzędnych narzędzia, czyli na kierunku pro- stopadłym do powierzchni detalu.

Rys. 9.Porównanie przebiegów siły zadanej oraz zmierzonej

Na rys. 9 przedstawiono porównanie siły zadanej oraz siły zmierzonej podczas eksperymentu. W wyniku przeprowa- dzonego procesu krawędź próbki została zatępiona, co wi- dać na rys. 10.

Rys. 10. Zdjęcie przykładowej próbki

Do analizy zastosowano dwa wskaźniki jakości realizacji sterowania siłą: pierwiastek błędu średniokwadratowego RMSE oraz odchylenie standardowe zgodnie z zależno- ściami:

n 2 k 1 k

1

λ n

ε =

∑

₌λ (1)

( )

²

n k

k 1

1

σ= n

∑

₌ λ −λ (2) gdzie: 𝜀𝜀𝜆𝜆 – pierwiastek błędu średniokwadratowego, 𝜎𝜎 – odchylenie standardowe, n - liczba próbek, k - nr. próbki, 𝜆𝜆̅𝑘𝑘 – błąd siły docisku w k-tym pomiarze, 𝜆𝜆̿ – średnia aryt- metyczna błędu siły.

W pierwszej części eksperymentu wykonano siedem te- stów zmieniając parametr tłumienia w zakresie 25÷175 [%], przy stałym współczynniku narastania siły FC=50 [N⁄s]. Wyniki obliczeń dla poszczególnych testów przedstawiono w tabeli 1.

Tab. 1. Zestawienie wyników obliczeń dla zmiany parametru tłumienia

Lp. F [N] D [%] F_C

[N/s] ελ σ

1 12 25 50 1,8734 3,6931

2 12 50 50 1,8356 3,5858

3 12 75 50 1,8291 3,5436

4 12 100 50 1,8604 3,6497

5 12 125 50 1,8807 3,7274

6 12 150 50 1,884 3,8056

7 12 175 50 1,9106 3,8239

W drugiej części eksperymentu przeprowadzono testy dla ośmiu wartości współczynnika narastania siły FC w zakresie 10÷150 [N⁄s], przy stałym współczynniku tłumienia wynoszącym D=100 [%]. Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli 2.

(5)

(6)

10

Dalsze prace badawcze będą dotyczyły analizy wpływu obu parametrów jednocześnie.

zetknięcia się narzędzia z materiałem. Zauważono, że zwiększenie parametru D powoduje zmniejszenie oscylacji przebiegu siły.

LITERATURA

1. Burghardt A., Kurc K., Muszyńska M., Szybicki D.: Zrobotyzowane stanowisko z kontrolą siły. „Modelowanie Inżynierskie” 2014. t. 22, nr. 53, s. 30 - 36.

2. Burghardt A., Kurc K., Muszyńska M., Szybicki D.: Zrobotyzowane stanowisko weryfikacji procesów obróbki.

„Modelowanie Inżynierskie” 2014. t. 21, nr. 52, s. 23 - 29.

3. Burghardt A., Kurc K., Szybicki D.: Robotic automation of the turbo-propeller engine blade grinding process.

„Applied Mechanics & Materials” 2016, p. 206-213.

4. Hendzel Z. et al.: Conventional and fuzzy force control in robotised machining. In: Solid State Phenomena. 2014, p. 178-185.

5. Norberto Pires J., Afonso G., Estrela N.: Force control experiments for industrial applications: a test case using an industrial deburring example. „Assembly Automation” 2007, 27.2, p. 148-156.

6. Odham A.: Successful robotic deburring is really a matter of choices. „Tool Prod Mag” Dec, 2007, p. 14-19.

7. Shiakolas P. S., Labalo D., Fizgerald J. M.: RobSurf: A near real time OLP system for robotic surface finishing.

Proceedings of the 7th Mediterranean Conference on Control and Automation (MED99) Haifa, Israel - June 28- 30, 1999, p. 2315-2328.

8. Syciliano B., Villani L.: Robot force control, Kluwer Academic Publisher 2000.

Artykuł dostępny na podstawie licencji Creative Commons Uznanie autorstwa 3.0 Polska.

http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/pl