54 Ventil 23 /2017/ 1 ROBOTIKA ■ 1 Uvod Leta 2006 sta bili večjemu proizva- jalcu elektromotorjev po naročilu dobavljeni dve avtomatski liniji za Optimizacija robotske manipulacije in programske opreme na liniji za sestavo elektromotorjev Darko KORITNIK Povzetek: Prispevek opisuje zamenjavo robota in programske opreme na 10 let stari avtomatski liniji za sestavo in meritve DC elektromotorjev. Zaradi zahtev po zmanjšanju taktnega časa in sprememb v manipu- laciji je bil stari robot močno obremenjen in sčasoma se je pokazala potreba po nadgradnji. Zahteve po večji fleksibilnosti proizvodnje so narekovale tudi zamenjavo programske opreme in uporabniškega vmesnika na liniji. Opisan je tudi princip optimiranja gibanja robota z zveznim prehodom med gibi v notranjih in zunanjih koordinatah za zmanjšanje taktnih časov. Ključne besede: zamenjava robota, nadgradnja krmilne programske opreme, nadgradnja uporabniškega vmesnika, gibanje v notranjih koordinatah, gibanje v zunanjih koordinatah Darko Koritnik, univ. dipl. inž., DAX, d. o. o., Trbovlje Slika 1. Ena od linij za sestavo in meritve DC motorjev pred nadgradnjo sestavo in meritve DC motorjev (sli- ka 1). V letih, ki so sledila, se je zara- di čedalje težjega dohajanja naročil okrepila želja po krajših taktnih časih 55Ventil 23 /2017/ 1 in robot, ki je skrbel za posluževanje stroja za obdelavo gredi motorja, je deloval čedalje bolj na meji zmo- gljivosti. Prišlo je tudi do precejšnje diverzifikacije števila različnih tipov in različnih obdelav, kar je nareko- valo večjo fleksibilnost proizvodnje na liniji. Pri tem je povpraševanje po tovrstnih elektromotorjih konstan- tno veliko in nič ne kaže na zmanj- šanje naročil. Vse to je vodilo v od- ločitev, da se ena od linij temeljito nadgradi s sodobno programsko opremo in vmesnikom ter novejšim, zmogljivejšim in hitrejšim robotom za manipulacijo. Nadgradnja je bila izvedena v letu 2016. ■ 2 Linija pred nadgradnjo Za časovno kritično operacijo – po- služevanje stroja za obdelavo gredi motorja – je skrbel šest-osni antro- pomorfni robot EPSON PS3L, ki lah- ko nosi do 5 kg. Uporabniški vme- snik, ki deluje na sistemu Microsoft Windows 2000, je bil izveden kar v okviru glavnega krmilnega progra- ma na robotskem krmilniku. Zaradi potrebe po krajših taktnih časih je bilo treba prijemalo robota kmalu nadgraditi v dvojno prijemalo, kar je učinkovalo kot sprotni zalogovnik in je omogočilo manj daljših gibov robotske roke (krajša kumulativ- Slika 2. Stari robot EPSON PS3L z dvojnim prijemalom na pot za isto število motorjev) ter krajše mrtve čase (čase neizkorišče- nosti) stroja za obdelavo gredi. Na- sprotni učinek dvojnega prijemala je bil povečanje mase in rotacijske vztrajnosti. Slednja ima na hitrost gibanja pri spreminjanju orientaci- je prijemala še posebno negativen učinek, ker vztrajnostni moment narašča s kvadratom razdalje (glej sliko 2). Praktično non-stop obra- tovanje robota na skrajnih mejah (veliko prijemalo in (pre)hitri premi- ki, tresenje) je v 10 letih povzročilo pojavljanje rahle zračnosti v sklepih, posledično puščanje masti in s tem povečanje možnosti odpovedi. ■ 3 Nadgradnja opreme Robot PS3L smo zamenjali z novim robotom EPSON C8 (slika 3), ki lah- ko nosi do 8 kg in pri gibanju ak- tivno duši vibracije. Izmed variant s 700, 900 in 1400 mm dosega smo izbrali tisto z 900 mm dosega, kar je le nekoliko večje delovno področje od PS3L. Namesto starega krmilni- ka z integriranim Windows računal- nikom novi robot C8 poganja na- menski hitri krmilnik RC700, dodali pa smo industrijski panelni računal- nik na dotik, na katerem teče v je- ziku Python razviti grafični uporab- niški vmesnik (slika 4) s podatkovno Slika 3. Novi robot EPSON C8 ROBOTIKA 56 Ventil 23 /2017/ 1 bazo. Robotski krmilni program in uporabniški vmesnik sta povezana preko EPSON-ovega vmesnika API. ■ 4 Optimizacija gibanja Opisana nadgradnja opreme vse- kakor pomeni izboljšanje v smislu surove moči, vendar je tudi vodenje robotov v desetih letih napredova- lo in zdaj omogoča optimiranje, ki takrat ni bilo možno, npr. že ome- njeno aktivno zmanjševanje vibracij v realnem času pri robotu C8 zaradi piezo tehnologije. Prostor za opti- mizacijo je tudi v združevanju raz- ličnih načinov gibanja, ki jih robot omogoča. V grobem lahko vode- nje robota razdelimo na vodenje v zunanjih koordinatah (kartezične koordinate) in vodenje v notranjih koordinatah (koti v sklepih robota). Slednje je enostavnejše od obeh principov in se uporablja, kadar že- limo, da se robot kar najhitreje pre- stavi iz točke A v točko B, pri čemer nas vmesna pot oz. gibanje ne zani- ma: servosistem za vsak sklep (mo- tor) robota posebej in neodvisno predvidi trapezno krivuljo toka in jo regulira, dokler sklep ni v končni legi. Če so vsi sklepi obremenjeni z maksimalnim dopustnim tokom, je to teoretično najhitrejša pot od A do B. Navadno se sicer obremenitev vseh sklepov prilagodi tistemu, ki bi ROBOTIKA Slika 4. Uporabniški vmesnik v slovaškem jeziku (linija obratuje na Slovaškem) za premik v novo lego potreboval največ časa, zato da je gibanje sin- hrono in vsi sklepi hkrati dosežejo končno lego. Pri vodenju v zunanjih koordina- tah nas poleg začetne in končne lege robota zanima tudi, kakšna je vmesna pot, npr. premica, krožni- ca, hitrostni profil ... Profili tokovne obremenitve za vsak sklep niso več neodvisni, gibanje med njimi mora biti koordinirano, da je rezultat predpisano gibanje prijemala ro- bota. Inverzna kinematika se mora izračunavati za vsak kvant vmesne poti. Večina robotskih aplikacij zahteva oba pristopa vodenja, npr. vstavlja- nje kosa po določeni krivulji z dolo- čeno hitrostjo, nato čim hitrejši pre- mik v drugo območje po poljubni poti in tam spet linearen gib ... Kot problematičen se tu izkaže preklop med obema načinoma gibanja. Če se robot v točki preklopa ustavi, to pomeni izgubo časa za zaviranje in pospeševanje, robot pa ima v tej vmesni, načeloma manj pomembni točki, hitrost nič. Pri časovno kritič- nih operacijah je te desetinke, vča- sih sekunde, izjemno težko izboriti drugje. Cilj je torej doseči zvezen prehod med gibanjem robota v no- tranjih in zunanjih koordinatah ter obratno. Enostavna superpozicija prispevkov k tokovnim referencam v motorjih iz enega in drugega re- gulatorja v okolici točke preklopa ni primerna, ker lahko hitro pride do preobremenitve motorja, ki je pra- viloma že samo s prispevkom vode- nja v notranjih koordinatah polno obremenjen. Poleg tega v okolici preklopa vodenje v zunanjih koor- dinatah ne bi bilo pozicijsko točno. Prednost je torej treba dati gibom v zunanjih koordinatah. Poskrbeti je treba, da robot v točki preklopa iz vodenja v zunanjih koordinatah ne zmanjša hitrosti, temveč nada- ljuje gib. To je najlažje doseči tako, da mu gib enostavno podaljšamo z novo pomožno točko, ki leži na ekstrapolirani obstoječi trajektoriji in je od točke preklopa oddaljena vsaj za robotovo minimalno zavor- no razdaljo do hitrosti nič. Ko robot doseže želeno končno točko giba v zunanjih koordinatah, preklopi na vodenje v notranjih koordinatah in zvezno nadaljuje gibanje, razlika je samo v tem, da trapezni profili to- kov nimajo izhodišča v nič, temveč v trenutni vrednosti, ki ustreza tre- nutni hitrosti posameznega sklepa. Pomožne ekstrapolirane točke sicer robot nikoli ne doseže, vendar to ni pomembno. Preklop v obratni sme- ri poteka v obratnem vrstnem redu, želeno krivuljo v zunanjih koordina- tah je treba ekstrapolirati pred gib in ne za gib, preklop med načinoma vodenja pa se mora zgoditi pred ekstrapolirano pomožno točko v trenutku, ko bi pri sicer izoliranem gibu robot začel zavirati. Na opisani način dosežemo, da se robot med gibi ne ustavlja, glad- ko preklaplja med načini vodenja, hkrati pa zadovoljimo zahteve po pozicijski točnosti v območjih giba- nja v zunanjih koordinatah. Vpelja- va pomožnih točk za pridobivanje hitrosti je sicer kontraintuitivna, vendar je ključ v zveznosti, tako kot slalomist ni najhitrejši po najkrajši poti po daljicah med količki, tem- več po kumulativno daljši zvezni poti. Samo omenimo, da zvezno spajanje odsekov gibanja z med- sebojno enakimi načini vodenja ni problematično in se v robotskem krmiljenju že dolgo uporablja. 57Ventil 23 /2017/ 1 ROBOTIKA Izvedljivost in pravilnost gibanja robota ter taktne čase smo pred izvebo na liniji preverili s simulacijo v robotskem programskem okolju. Primerjava med gibanjem z nezve- znimi in zveznimi preklopi med na- čini vodenja ter varianto z zveznimi preklopi med gibi izključno v zuna- njih koordinatah je pokazala, da je gibanje robota najhitrejše pri opi- sanem zveznem preklapljanju med načinoma vodenja v zunanjih in no- tranjih koordinatah. ■ 5 Zaključek Linija po nadgradnji na zunaj obra- tuje tako kot prej, s tem da robot tudi pri novih zahtevanih taktnih časih ni obremenjen 100-odstotno, po potrebi lahko dela tudi hitreje. Spreminjanje parametrov in vnos novih tipov sta močno olajšana, za- gotovljena je polna sledljivost pre- ko podatkovne baze. Novi robot C8 deluje skoraj brez tresljajev in je z bolj varno rezervo dimenzioniran na aplikacijo (predvsem prijema- lo). Doseženi sta visoka zveznost in gladkost gibanja, ki sta, tako kot pri športu, vedno znak visoke hitrosti in učinkovitosti, zahvaljujoč gladkim prehodom med vodenjem v zuna- Slika 5. Simulacija gibanja z robotom EPSON C8 njih in notranjih koordinatah. Stari robot in krmilnik nista popolnoma odslužena, rezervni deli ob more- bitni okvari na drugi enaki liniji so na voljo takoj, kar je pomembno, če pomislimo na dobavljivost delov po izteku sedemletnega obdobja garantirane dobave delov po pre- nehanju izdelovanja starega modela robota. Po šestih mesecih obratova- nja so izkušnje pozitivne, v investi- cijskem planu naročnika pa je tudi zamenjava robota na drugi liniji. DC elektromotor z minimalnimi spre- membami vztraja že zelo dolgo in videti je, da bo tako ostalo. Viri [1] Epson R1102S-Prosix-User- Manual-Rev2, Seiko Epson Corporation 2015 Optimisation of robotic manipulation and software upgrades on a production line for DC electric motor assembly and measurements Abstract: The article describes the replacement of robot arm and soft- ware on a 10-years old production line for DC electric motor assembly and measurements. The robot had reached performance limits due to manipulation modifications and persistent demands to shorten the cycle times. Under heavy load the robot had worn out considerably and needed to be upgraded. At the same time the main control and user interface software were upgraded to enable greater production flexibility and traceabiity. Additionally we present in principle the opti- misation of robot motion for speed by a continuous transition betwe- en joint motion and cartesian motion control. Key words: robot arm replacement, control software upgrade, user interface upgrade, joint motion, cartesian motion