Seria: A U T O M A T Y K A z. 115 N r kol. 1251
Jerzy H O N C Z A R E N K O , A ndrzej JA R D ZIO CH Instytut T echnologii M echanicznej
Politechnika Szczecińska
M O D E L O W A N IE I S Y M U L A C J A Z R O B O T Y Z O W A N Y C H S Y S T E M Ó W O B R Ó B K O W Y C H Z Z A S T O S O W A N IE M P R O G R A M U S IM P L E + +
Streszczenie: W referacie przedstaw iono sposób budow y m odeli zrobotyzow anych system ów obróbkow ych z zastosow aniem zorientow anego obiektow o oprogram ow ania.
D obrym przykładem takiego systemu sym ulacyjnego jest program S IM PLE ++.
Z b udow any m odel o raz przeprow adzone badania sym ulacyjne pozw oliły porów nać różne algorytm y sterow ania. O kreślono istotne param etry e k sp lo atacy jn e,tak ie jak:
w ykorzystanie obrabiarek, liczbę koniecznych operacji transportow ych o raz stan załadow ania m agazynów przystanow iskow ych.
M O D E L L IN G A N D S IM U L A T IO N O F R O B O T IZ E D M A C H IN IN G S Y S T E M S W IT H U SE O F S IM P L E + + P R O G R A M
Sum m ary: In the article w e presented a m ethod o f building robotized m achining system s using an object-oriented program m ing system. T he adequate exam ple o f program o f this kind is "SIM PLE++". Own built model and sim ulation experim ents allow ed to co m p are different algorithm s. Main w orking variables a capability o f m aking use o f a m achine tool; a num ber o f necessary transportations; a state o f th e engagem ent o f by-stand storages are specified.
M O D E L L IE R U N G U ND S IM U L A T IO N R O B O T IS IE R T E R
F E R T IG U N G S S Y S T E M E M I T A N W E N D U N G V O N P R O G R A M M S IM P L E + + Zusam m enfassung: D er A ufsatz stellt die Art und W eise des B aus von M odellen der robotisierten Fertigungssystem e mit A nw endung der objekt-orientierten S oftw are dar.
Ein gutes Beispiel für solches Sim ulationssystem ist das P rogram m SIM PL E + + . Das g eb au te M odell und durchgeführte Sim ulationsuntersuchungen ließen verschiedene A lgorithm en d er S teuerung vergleichen. M an hat auch so w ichtige L eistungsparam eter w ie Fertigungsm aschinenbelastung, Zahl der notw endigen T ransp o rto p eratio n en und Z ustand der B eladung von M aschinennahelagern bestimmt.
1. W stę p
Z dośw iadczeń przodujących firm i instytutów naukow ych w ynika, że zastosow anie badań sym ulacyjnych podczas projektow ania elastycznych system ów obróbkow ych przynosi
26 J.H o n czaren k o . A. Jardzioch
w ym ierne efekty. Stosow anie tradycyjnych narzędzi sym ulacyjnych stanow i bow iem istotną p o m o c przy optym alizow aniu now ych p rojektów lub o cenie projektow anych zm ian w procesach o b róbkow ych, jed n ak ż e w praktyce użytkow nik spotyka się z w ielom a problem am i.
M odel sym ulacyjny w ykorzystany do badania funkcjonow ania zro b o ty zo w an eg o system u o b ró b k o w eg o musi o d w zo ro w y w ać działanie systemu nie tylko w stanie ustalonym , ale także w stanach przejściow ych zw iązanych z urucham ianiem produkcji, w stanach aw arii urządzeń technologicznych czy w nagłych zm ianach planu produkcji. D ynam ika m od elo w an eg o system u o d w zo ro w y w an a je st ja k o kom binacja przebiegających rów nolegle i w zajem nie na siebie w pływ ających p rocesów [1], Dla popraw nego, sto su n k o w o łatw eg o i szybkiego b u d o w an ia m odeli system ów obróbkow ych duże znaczenie m a sposób opisu realizow anych p ro cesó w o raz w łaściw ości opro g ram o w an ia kom puterow ego. N ajlepsze rozw iązanie to takie, gdy uży tk o w n ik , który najlepiej zn a projektow any system , m oże sam zb u d o w ać je g o model, określić w y m ag an e param etry i przeprow adzić badania sym ulacyjne. W ym óg ten są w stanie najlepiej w ypełnić z o rien to w an e obiektow o system y sym ulacyjne - rys. 1.
ła tw o ś ć m o d elo w an ia
Rys. 1. Z ależn o ść m iędzy zakresem zastosow ań i łatw ością im plem entacji m odeli dla różnych system ów sym ulacyjnych [6]
Fig. 1. R elationship betw een rangę o f application and easness o f m odel im plem entation for different Sim ulation System s [6]
P o zw alają on e zach o w ać zaletę języ k ó w sym ulacyjnych - szeroki zakres zastosow ań, p rzezw yciężając jed n o cz eśn ie niedogodności zw iązane z d u ż ą p ra c o c h ło n n o śc ią budow anych m odeli. P ro jek to w an ie m odelu po leg a w takim przypadku na łączeniu w stępnie zdefiniow anych
\ zaleta: szeroki zakres zastosowań poprzez
\ udostępnienie standardowych obiektów g e n e ra c ja (SIMULA)
obiektów , w yposażeniu ich w unikalne atrybuty i sterow anie o raz określeniu p aram etrów , które m ają być n ad zo ro w an e w trakcie przyszłych badań. P o p rzez stw o rzen ie m ałych, zam kniętych o b iek tó w zw iększona jest pew ność projektow ania i łatw ość w szukaniu ew entualnych błędów .
2. Z o r ie n to w a n e o b ie k to w o m o d e lo w a n ie z ro b o ty z o w a n y c h sy ste m ó w o b ró b k o w y c h
O b iek to w o zo rien to w an y system sym ulacyjny m ożna zdefiniow ać następująco [2]:
O biek to w o zo rien to w an y system sym ulacyjny służy do m odelow ania p ro cesó w o b ró b k o w y ch z a p o m o c ą w stępnie przygotow anych elem entów języ k o w y ch opisujących w sposób m ożliw ie ja k najbardziej realistyczny rzeczyw iste elem enty system u o b ró b k o w eg o .
Z asto so w an ie specyficznych (zależnych od zastosow ań), w stępnie zdefiniow anych o b iek tó w (m aszyn, ro b o tó w przem ysłow ych, przenośników , sto łó w o brotow ych, m agazynów ) przyczynia się do po p raw y przejrzystości i ułatw ia m odelow anie w p o rów naniu z m etodam i,w których użytkow nik p o sługuje się tylko elem entarnym i, abstrakcyjnym i instrukcjam i. W stępnie zam o d e lo w an e obiekty zaw ierają m ożliw e do zdefiniow ania param etry określające ich stan (np. długość, czas obróbki, m aksym alna pojem ność itp.), zw ane atry b u tam i,o raz w ew n ętrzn e sterow anie. S tero w an ie dzieli się na sterow anie podstaw ow e o raz sterow anie użytkow nika.
S tero w an ie p o d staw o w e definiuje zasadnicze zachow anie się obiektów przypisane niejako n atu rze dan eg o urządzenia. S terow anie użytkow nika pozw ala definiow ać specyficzne zach o w an ia się poszczególnych obiektów w m om encie tw orzenia m odelu (np. jeżeli o brabiarka M 3 sko ń czy pierw sza pracę, a ro b o t czeka przy m agazynie w yjściow ym , to ma w y k o n ać przejazd do M 3). O biekty posiadające zdefiniow ane stero w an ie m o g ą zo stać opisane ja k o elem enty aktyw ne, nie posiadające natom iast sterow ań (tylko a try b u ty ),jak o elem enty
pasyw ne.
Z o rien to w a n y o b iektow o sposób budow y m odeli zrobo ty zo w an y ch system ów w y tw arzania realizow any je s t w program ie S IM P L E + + będącym p roduktem firm y A E S O P G m bH ze Stuttgartu. P ro g ram ten udostępnia projektantow i szereg w stępnie zdefiniow anych obiektów . N ajprostszym obiektem je st pojedyncze miejsce. P osiada o no po jem n o ść ró w n ą je d e n i m oże być aktyw ne lub pasyw ne. A ktyw ne m iejsce m a m ożliw ość przyjm ow ania p rzed m io tó w i p o określonym czasie obróbki, oddaw ania przedm iotów . P asyw ne m iejsce nie m a m ożliw ości sam o czy n n eg o oddania przedm iotu. P rzedm iot p rzebyw a w nim d o czasu, az
28 J.H o n czaren k o . A. Jardzioch nie zostanie pobrany p o p rzez inny aktyw ny elem ent system u. Podział elem en tó w językow ych m odelujących podsystem przepływ u m ateriałów przedstaw ia rys. 2.
O B IE K T Y P O D S Y S T E M U PR Z E P Ł Y W U M A T E R IA Ł Ó W
roboty przem ysłow e, w ózki transportow e, urządzenia tran sp o rto w e obsłu g u jące m agazyny
palety, .
urządzenia pom ocnicze bez w łasnego napędu
obrabiarki, stacje p o n u aro w e stanow iska m ontażow e
drogi, regały, magazyny
Rys. 2. E lem enty jęz y k o w e odw zorow ujące obiekty podsystem u przepływ u m ateriałów Fig. 2. L an g u ag e co m p o n en ts w hich represent objects o f ro w -flow sub-system
P ojedyncze m iejsca m o żn a w zajem nie łączyć szeregow o lub rów nolegle. P o łączo n e szereg o w o p o zw alają na przyjęcie w ięcej niż jed n eg o przedm iotu i tran sp o rto w an ie ich w jed n y m kierunku (sto so w an e do m odelow ania np. przenośnika taśm o w eg o z w ym uszonym kierunkiem ruchu realizującym zasadę FIFO [ 1 ] ) . Połączenie rów noległe pojedynczych miejsc opisuje o b iek t,k tó ry m a m ożliw ość przyjęcia w iększej liczby przed m io tó w b ez zach o w an ia ich kolejności (np. m agazyn, obrabiarka). N ie obow iązuje tu reguła FIFO . Przedm ioty m o g ą w zależności od param etru określającego czas ich przebyw ania w poszczególnych m iejscach w zajem nie się om ijać (obrabiarka w ielow rzecionow a, m agazyn).
M ożliw ość stero w an ia przepływ em m ateriałów w p rojektow anym m odelu dają projektantow i elem enty podsystem u inform atycznego. P ozw alają o n e na zm ianę atrybutów o b iek tó w o ra z ich w zajem nych pow iązań. W szystkie reguły składające się na system sterow ania m o g ą być zapisane w postaci jed n eg o d użego zbioru sterującego (tak to w ygląda w w iększości dostępnych system ów ). N ie je st to jed n ak najlepsze rozw iązanie, po n iew aż liczba różnych zależności w ystępująca w takim połączonym zbiorze czyni go nieprzejrzystym , a do k o n an ie jak ich k o lw iek zm ian je st trudne i w ym aga analizy całeg o zbioru. D użo lepsze rezultaty daje podział reguł sterow ania na oddzielne bloki o d pow iedzialne za działanie p oszczególnych obiektów .
K ażdy aktyw ny obiekt podsystem u przepływ u m ateriałów m a m ożliw ość w yw ołania stero w an ia w m om en cie je g o załadow ania lub rozładow ania. S terow ania przypisane w ejściu i wyjściu dan eg o obiektu m ożna nazw ać sterow aniam i lokalnym i,poniew aż są o n e w yw oływ ane p o p rzez lokalny przepływ przedm iotów . W przypadkach gdy realizow ane je st kom pleksow e stero w an ie w ielom a elem entam i system u lub podejm ow anie decyzji m a nastąpić na podstaw ie analizy stanu p aram etró w w ielu obiektów , celow e je st zastosow anie stero w an ia globalnego.
3. B a d a n ia s y m u la c y jn e z ro b o ty z o w a n y c h sy stem ó w o b ró b k o w y c h
W ykorzystując staw iane do dyspozycji użytkow nika w stępnie zd efiniow ane obiekty zb u d o w an o m odel sym ulacyjny istniejącego w ITM PS zro b o ty zo w an eg o gniazda o b ró b k o w e g o , w skład którego w ch o d zą trzy obrabiarki skraw ające, dw a m agazyny przystanow iskow e, m agazyn w ejściow y oraz m agazyn wyjściowy. G niazdo o b sługiw ane je st przez ro b o t bram o w y typu A M 80. Celem przeprow adzonych badań sym ulacyjnych było określenie w pływ u różnych algorytm ów sterow ania p ra c ą ro b o ta p rzem y sło w eg o na efektyw ność pracy gniazda. Jako podstaw ow e kryterium p o ró w n aw cze przyjęto w spółczynnik w ykorzystania obrabiarek, d o d atk o w o oceniano liczbę koniecznych ru ch ó w transportow ych ro b o ta p rzem y sło w eg o , całkow ity czas pracy maszyn o raz czas oczekiw ania g o to w eg o przedm iotu na ro b o ta . B adano następujące algorytm y sterow ania nadzorujące przepływ p rzed m io tó w przez zro b o ty zo w an y system:
A lgorytm A lw O P T -algorytm pracy robota przem ysłow ego ze sterow aniem uzależniającym przebieg p ro cesó w tran sp o rto w y ch od aktualnych w arunków panujących w gnieżdzie (rys 3).
A lgorytm A lw B - realizujący obsługę bezpośrednią obrabiarek. W arunki sterow ania, a tym sam ym sposób obsługi obrabiarek są tak ustalone, aby przepływ przed m io tó w odbyw ał się bezp o śred n io m iędzy kolejnym i obrabiarkam i.
A lgorytm A lw P - realizujący obsługę pośrednią obrabiarek. W arunki stero w an ia są tak d obrane, aby przepływ p rzedm iotów odbyw ał się p o przez w szystkie m agazyny pośrednie.
Algorytm A lw N - realizujący przepływ bezpośredni przy jed n o czesn y m w ym uszonym o czekiw aniu ro b o ta przy obrabiarce do czasu zakończenia na niej pracy. T aki sposób pracy jest najbardziej o szczędny jeśli chodzi o liczbę koniecznych operacji tran sp o rto w y ch . C elem było zbadanie w ielkości strat w ynikających z niew ykorzystanego czasu pracy obrabiarek.
30 J.H onczarenko. A, Jardzioch
Rys.3. A lgorytm pracy ro b o ta przem ysłow ego uzależniający przebieg procesów transportow ych od aktualnych w arunków panujących w gnieździe
Fig. 3. D uty algorithm o f industrial robot w here transportation control depends from actual conditions in w ork-cell
R ysunek 4 przedstaw ia zm iany średniego w spółczynnika w ykorzystania obrabiarek ( l j śr) w zależności od czasu trw ania operacji obróbkow ej na maszynie M l dla algorytm ów A lw B , A lw N i A lw P . W idoczne jest, że algorytm realizujący przepływ bezpośredni zapew nia najlepsze efekty dla operacji technologicznych realizow anych na M l,k tó r y c h czas trw ania wynosi od 40 do 150 [s]. Dla dłuższych czasów obróbki efektywniejszy staje się algorytm realizujący przepływ pośredni (algorytm A lw P ). W celu popraw ienia efektyw ności pracy gniazda konieczne je s t w ięc dopasow anie algorytm u pracy robota przem ysłow ego do aktualnie produ k o w an eg o asortym entu charakteryzującego się różnym i czasam i obróbki na poszczególnych obrabiarkach.
Rys. 4. W artość średniego w spółczynnika w ykorzystania obrabiarek T]ir w zależności od czasu m aszynow ego Tm I na obrabiarce M 1
Fig. 4. V alue o f mean duty factor T|-r o f machine-tool in relation to the time o f m achining M I
Na rysunku 5 przedstaw iono w pływ algorytm ów sterow ania pracą robota na udziały składników czasow ych pracy obrabiarki. Algorytm A lw O P T p o z w a la n a zn aczną redukcję
Rys. 5. W pływ algorytm ów sterow ania na udziały składników czasow ych pracy obrabiarki (T m - czas m aszynow y, T o cz - czas przestoju obrabiarki zw iązany z oczekiw aniem na rozładow anie, T w - czas przestoju obrabiarki czekającej na załadow anie
Fig. 5. Effect o f the control algoritm s on the part o ftim e com ponents o f m achine-tool
czasu, w którym obrabiarka m usiała czekać na ro b o ta w celu załadow ania lub rozładow ania (T o cz + T w ). W tym przypadku m ożliw e jest zw iększenie efektywności w ytw arzania poprzez
32 J.H onczarenko. A. Jardzioch takie dopasow anie p aram etrów technologicznych (w ydłużenie czasów m aszynow ych), które zredukow ałoby oczekiw anie obrabiarki na rozładow anie przez robota,
W tablicy 1 przedstaw iono wyniki badań sym ulacyjnych w przypadku zastosow ania algorytm u A lw O P T /2 testującego w pływ w prow adzonego do algorytm u sterow ania do d atk o w eg o w arunku decyzyjnego. Z astosow ano specjalne opóźnienie At sterujące w arunkiem przejazdu robota do obrabiarek M l i M 2. D ziała ono w ten sposób, że ro b o t nie jed zie do m aszyny M 2 , m imo iż skończy ona najwcześniej p racę,jeżeli niedługo potem (z
opóźnieniem At) skończy pracę maszyna M l,
Tablica 1 W yniki badań sym ulacyjnych dla algorytm u A lw O P T /2 ________________________
Algorytm A 4w O PT2 T=3600[s] (O P T 31)
T M l 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 90 110 120
T M 2 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150
T M3 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150 150
At 0 10 20 30 40 50 60 70 100 150 20 20 20
ri M 1 77 80 80 80 80 80 83 83 83 83 80 84 84
r) M 2 78 80 80 80 80 80 65 65 62 62 68 78 79
ri M3 74 76 77 77 77 77 62 62 60 60 64 74 76
qśr 76 79 79 79 79 79 70 70 68 68 71 79 80
N Rr 140 140 106 106 106 106 91 91 90 90 113 102 100
N Rp 108 108 95 95 95 95 75 75 74 74 96 92 93
T Mi - At - r) Mi - rjśr N R r - N Rp
czas obróbki na obrabiarce "i" [s]
opóźnienie określające w arunek przejazdu robota do maszyny M 1 [s]
w spółczynnik w ykorzystania obrabiarki "i" [%]
średni w spółczynnik w ykorzystania obrabiarek [%]
liczba roboczych ruchów robota liczba pom ocniczych ruchów robota
Z przeprow adzonych eksperym entów w y n ik a, że w prow adzenie niew ielkiego opóźnienia At sterującego w arunkiem przejazdu robota do obrabiarek M l i M 2 pozw ala popraw ić w ykorzystanie obrabiarek i zw iększyć całkow ity czas ich pracy. P ozytyw ne efekty m oże dać rów nież dopasow anie czasów obróbki na poszczególnych obrabiarkach (d ru g a część tab. 1).
4. Z a k o ń c z e n ie
M etody kom puterow ego m odelow ania i symulacji pozw alają na jak o ścio w ą i ilościow ą o cen ę projektów konfiguracji urządzeń, harm onogram ów produkcji o raz algorytm ów
sterow ania. W ykorzystanie tych m ożliw ości podczas projektow ania u w arunkow ane je st jed n ak dostępnością prostych algorytm ów m odelow ania o raz istnieniem odpow iedniego o program ow ania. P rogram SIM PLE ++ spełnia wym ogi staw iane now oczesnym system om w spom agającym m odelow anie i symulację. Przeprow adzone badania sym ulacyjne podsystem u przepływ u m ateriałów pozw oliły ocenić w pływ zm ian w algorytm ach sterow ania p racą robota przem ysłow ego na param etry eksploatacyjne systemu obróbkow ego. Stw ierdzono znaczny w pływ różnych algorytm ów sterow ania pracą robota przem ysłow ego na osiągany w spółczynnik w ykorzystania obrabiarek, liczbę koniecznych operacji transportow ych o raz rozkład poszczególnych składników czasow ych. Badania sym ulacyjne m o g ą dostarczyć istotnych danych do korekcji param etrów technologicznych. A ktualnie pro w ad zo n e są prace zm ierzające do kom pleksow ego ujęcia problem ów zw iązanych z konfiguracją, planow aniem produkcji o raz sym ulacją. D opiero realizacja takiego podejścia pozw oli na pełne w ykorzystanie m ożliw ości podsystem ów transportow ych w zrobotyzow anych system ach obróbkow ych.
L IT E R A T U R A
[1] B anaszak Z.,M uszyński W.: Systemy elastycznej autom atyzacji dyskretnych procesów produkcyjnych. W ydaw nictw o Politechniki W rocławskiej. W rocław 1991, s .l 11.
[2] B ecker B.: Sim ulationssystem fur Fertigunsprozesse mit S tuckgutcharakter. Springer- Verlag. Berlin 1992, s. 8-36.
[3] H o n czaren k o J., Jardzioch A., K osecka A.: Z integrow any pakiet program ów do w spom agania projektow ania elastycznych systemów. V III K rajow a K onferencja
A utom atyzacji D yskretnych P rocesów Przem ysłow ych. Gliwice, K ozubnik 1992. Zeszyty N au k o w e Politechniki Śląskiej, n r 1176. Seria A utom atyka, nr 110, s.225-234.
[4] K ow alow ski H. (praca zbiorow a pod kier.): A utom atyzacja dyskretnych procesów przem ysłow ych. W N T , W arszaw a 1984.
[5] Santarek K., Strzelczak S.: Elastyczne systemy produkcyjne. W N T, W arszaw a 1989.
[6] SIM PL E + + . R eferenzbuch A ESO P GmbH. Stuttgart 1991.
Recenzent: Prof. dr inż. H enryk K ow alow ski W płynęło do Redakcji do 30.04 1994 r.
A b s tr a c t
T he basie condition o f correct, easy and fast designing o f th e m odels o f sim ulated m achining Systems is to acquire a productive softw are. T he best softw are fo r this kind o f expectations are object-oriented program m ing Systems such as "SIM PL E+ +" program by
34. J.H onczarenko. A. Jardzioch A ESO P. U sing defined objects: machine, store, transporter; w e m odelled robotized w ork centre. T h e purp o se o f o u r study w as to establish th e influence o f different control algorithm s on effectiveness o f the w ork-centre operation. Fig. 3 show s changes o f duty factor o f m achine-tools w ith respect to the time o f m achining. In the time intervalfrom 40 to 150 secondsthe best results are achieved with A lw B algorithm w hich im pels a direct flow o f w orkpieces. F o r longer m achining times the algorithm w hich forces an indirect flow is m ore effective. T h ere fore it is necessary to suit control algorithm o f industrial ro b o t to actually p roduced w orkpieces. Fig. 4 show s influence o f the control algorithm s on the part o f time com ponents o f m achine-tools. T he algorithm w hich interlocks transportation processes w ith actual conditions o f the system (A lw O P T ) allows to reduce w aiting tim es o f the m achine-tools. W e found out, that it is possible to increase efficacy o f duty o f robotized system s by m aking such corrections o f production technology factors, w hich w ould allow to reduce w aiting periods o f m achine-tool to be unloaded. Table 1 show s th e result o f an experim ental sim ulation, w hich tests influence o f the algorithm w ith additional decisive condition. O ur procedures enables to m easure the influence o f the t param eter on the duty facto r o f the m achine tool, a sum o f the w orking tim es o f m achines and a num ber o f necessary transportations. At present, w e conduct the research w hich takes into consideration all m ultiple problem s associated w ith a configuration, planning for production and sim ulation.
