Dominującym sposobem projektowania stacji zrobotyzowanych jest dziś podejście mechatroniczne. Oczywiście wybranie tej metody nie daje odpowiedzi na wszystkie pytania dotyczące sposobu modelowania i wytwarzania elementów, i narzędzi koniecznych w symulacjach czy projektowaniu, ale najczęściej wydatnie skraca proces projektowania i powoduje powstawanie coraz doskonalszych i bardziej zaawansowanych stanowisk zrobotyzowanych [1]. Kluczem do takiego projektowania staje się wykorzystanie systemów CAD, narzędzi wirtualnego projektowania oraz metod programowania off-line.
Stosując dostępne obecnie narzędzia do projektowania i programowania, można zaplanować ustawienie robotów oraz innych elementów stanowiska, uwzględniając przestrzenie robocze czy dostępną powierzchnię hali. Możliwe jest uzyskanie szybkiego i automatycznego generowania programów na podstawie geometrii detali. Zastosowanie odpowiedniego oprogramowania pozwala weryfikować różne warianty organizacyjne stanowiska i scenariusze pracy przy zachowaniu możliwości łatwego i szybkiego wprowadzania korekt. Wszystkie prace realizowane są z zachowaniem bezpieczeństwa testowania (np. wykrywanie kolizji) programu, dzięki symulacji w środowisku wirtualnym.
Jednym z najważniejszych, a często pomijanym problemem w projektowaniu i programowaniu off-line jest dokładność robotów przemysłowych oraz różnica pomiędzy dokładnością a powtarzalnością. Projektowanie wirtualne stacji i programowanie off-line opiera się na dokładności robotów. Dokładność robota określa, jak blisko robot może dojść do zadanego (najczęściej poprzez współrzędne) punktu w przestrzeni roboczej. Powtarzalność jest wielkością określającą jak blisko robot może dojść do pozycji uprzednio osiągniętej.
Producenci robotów w kartach katalogowych podają powtarzalność i bardzo trudno uzyskać informacje o ich dokładności. Z doświadczenia można powiedzieć, że jeżeli powtarzalność robota wynosi np. 0,03 mm to dokładność może wynosić nawet kilkanaście mm.
Rozwiązaniem problemu małej dokładności robotów jest zastosowanie systemów korekcji wcześniej zaprojektowanych off-line ścieżek. Takie systemy mogą być oparte na np. układach kontroli siły. Często systemy korekcji wykorzystują sensory optyczne w postaci czujników laserowych lub kamer, stosowane są również czujniki dotykowe i inne systemy sensoryczne. Systemy korekcji potrafią zapewnić wymaganą dla danej aplikacji dokładność realizacji ścieżek robota.
Przykład stacji zrobotyzowanej dla przemysłu lotniczego zaprojektowanej wirtualnie i zaprogramowanej off-line
Stanowisko do kontroli grubości ścianek segmentów aparatów kierujących (Rys. 2) zostało zaprojektowane i wykonane dla Laboratorium Badań Materiałów dla Przemysłu Lotniczego Politechniki Rzeszowskiej im. Ignacego Łukasiewicza, a docelowo dla zakładów Consolidated Precision Products (CPP). Aparat kierujący jest odlewem z nadstopu niklu, wykonywanym metodą traconego wosku z wykorzystaniem odlewu rdzeniowanego.
W przypadku tego typu aparatu krytycznym jest zapewnienie powtarzalności wymiarowej grubości ścianek piór aparatu w procesie ich wytwarzania. Kontrola grubości ścianek piór jest realizowana metodą ultradźwiękową (Rys. 3) w sposób ręczny. Rozwiązanie to charakteryzuje się długim czasem wykonywania, jeden segment aparatu kierującego kontrolowany jest w czasie ok. 6 h. Generuje to ryzyko powstawania błędów związanych ze zmęczeniem.
Jako alternatywne automatyczne rozwiązanie kontroli grubości ścian piór aparatów kierujących zaproponowano wykorzystanie robota. W zaprojektowanym stanowisku zadaniem robota jest chwycenie kasety z aparatem i wykonanie pomiarów grubości ścianek piór wchodzących w skład aparatu kierującego silnika turbowentylatorowego samolotu Airbus A380.
Projekt stanowiska zrobotyzowanego rozpoczęto od przyjęcia założeń. Na podstawie modelu CAD aparatu kierującego i podanej jego masy dobrano chwytak, zaprojektowano szczęki oraz kasetę mocującą mierzony detal. Ponadto zaprojektowano stację dokującą dla czterech aparatów kierujących. Przyjęta masa aparatu kierującego chwytaka i kasety oraz wymagany zakres ruchów zdeterminował typ zastosowanego robota. W dalszych krokach na podstawie dokumentacji przyjęto pozycję punktów pomiarowych umiejscowionych na powierzchni piór aparatu kierującego. Prace wykonywano przy pomocy oprogramowania RobotStudio (Rys. 4).
Do określenia wymiarów stacji, wysokości zamocowania robota, odległości do kaset z aparatami oraz stref bezpieczeństwa kluczowa (już na etapie projektowania) okazała się wymiana informacji pomiędzy programem CAD a oprogramowaniem RobotStudio (Rys. 5). Do oprogramowania eksportowano – w postaci plików *.sat – kolejne wersje stanowiska zaprojektowane w CAD. Następnie, przy pomocy zaawansowanych narzędzi sprawdzano możliwości realizacji ścieżek skanowania oraz bezpiecznego zabierania i odkładania detali. Wyznaczono minimalne wymiary zbiornika z wodą oraz odległości pomiędzy kasetami aparatów.
Współpraca i wymiana danych pomiędzy systemem CAD a oprogramowaniem do programowania robotów pozwoliła na uniknięcie ewentualnych możliwych błędów konstrukcyjnych oraz prawidłowy dobór niezbędnych elementów. W programie CAD zaprojektowano wzajemne położenie ultradźwiękowej głowicy pomiarowej oraz aparatu w każdym ze stu sześćdziesięciu ośmiu punktów pomiarowych (Rys. 6).
Oprogramowanie kontrolera wykonano w środowisku RobotStudio, w którym symulacją robota steruje system operacyjny stosowany w rzeczywistych kontrolerach. Zapewnia to pełną zgodność tworzonych programów z rzeczywistym środowiskiem. Oprogramowanie robota zostało napisane w języku RAPID. Podstawowym elementem struktury tego języka jest program, w którego skład wchodzą moduły, procedury, zmienne dla obecnego w systemie Tasku – stanowiącego jeden program związany z robotem lub procesem. Programy tworzone są tutaj jako moduły składające się z danych oraz z kodu operującego na tych danych. Projektując program przyjęto założenie, że robot operuje na trzymanym obiekcie – segmencie aparatu kierującego, narzędziami zaś są ultradźwiękowe głowice skanujące (Rys. 7). Jest to założenie bardzo istotne w punktu widzenia programistycznego, znacząco ułatwiające proces projektowania.
Przyjęcie rozwiązania, gdzie ruchomy jest obiekt skanowany i powiązane z nim układy współrzędnych, a dwa narzędzia pozostają nieruchome, pozwala na szybkie zaprojektowania ścieżek ruchu i ich łatwą modyfikacje.
Każde z sześciu piór aparatu musiało zostać przebadane w siedmiu przekrojach i dwudziestu ośmiu punktach pomiarowych, co zostało zrealizowane w czterech ścieżkach manipulatora. Oprogramowanie robota zostało tak zaprojektowane, że dwie spośród ścieżek związane są z prawą głowicą skanującą, a dwie – z lewą.
Pomimo zdefiniowania bardzo dokładnych położeń elementów stacji w zbudowanym rzeczywistym stanowisku (Rys. 9), wykonano weryfikację położeń, zarówno zamontowanych głowic skanujących, jak i mocowań kaset aparatów kierujących – wskazując robotem IRB140 w układzie globalnym punkty charakterystyczne elementów stacji.
Pozwoliło to na korekcję położeń elementów wynikającą z niedokładności wykonania i błędów montażu.
Opisana tutaj stacja została szerzej opisana w kilku innych publikacjach [2, 3].
Wnioski
Zaprezentowane oprogramowanie pozwala na zautomatyzowaną kontrolę aparatów kierujących, uwzględniającą losową zmienność geometryczną detali. Konstrukcja stanowiska jest w dalszym ciągu rozwijana, szczególnie w kierunku spełnienia standardów BHP i kompatybilności informatycznej zgodnych z wymogami przyjętymi w zakładzie CPP Rzeszów.
dr inż. Dariusz Szybicki
Literatura:
[1] Giergiel J., Kurc K., Szybicki D.: Mechatronika gąsienicowych robotów inspekcyjnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2014.
[2] Burghardt A., Kurc K., Szybicki D., Muszyńska M., Szczęc, T.: Robot-operated inspection of aircraft engine turbine rotor guide vane segment geometry. Tehnicki Vjesnik-Technical Gazette, 2017.
[3] Burghardt A., Kurc K., Szybicki D., Muszyńska M., Nawrocki J.: Software for the robot-operated inspection station for engine guide vanes taking into consideration the geometric variability of parts. Tehnicki Vjesnik-Technical Gazette, 24, 2017.
artykuł pochodzi z wydania 12 (123) grudzień 2017
