Educational robotic cell for product palletisation

diploma thesis

Pane Panov (Author), Matjaž Mihelj (Mentor), Sebastjan Šlajpah (Co-mentor)

Abstract

Danes se robotske celice pogosto uporabljajo v industrijskih kompleksih in na montažnih linijah, da nadomestijo ljudi pri nalogah, ki zahtevajo ponavljanje in izjemno natančnost. Robotske celice opravljajo naloge, ki bi sicer lahko predstavljale nevarnost za človeške delavce, vključno z nalogami, ki uporabljajo ostra orodja, procese, ki uporabljajo jedke ali strupene kemikalije, in korake s težkimi stroji ali deli. Robotske celice so sestavljene iz več delov, ki delujejo kot celota in zagotavljajo pravilno in učinkovito izvajanje dodeljene naloge. V tem diplomskem delu bomo izdelali robotsko celico in dokumentirali postopek korak za korakom. Diplomsko delo je razdeljeno na štiri dele. Prvi del služi kot uvod v diplomsko delo. Tukaj pojasnjujemo naš miselni proces in cilje raziskave. Opisujemo zgodovino in razvoj industrijskih robotov. Razvoj industrijskih robotov lahko razdelimo v štiri kategorije, pri čemer prve tri zajemajo časovni razpon od 1950-ih do konca 1990-ih. Za robote četrte generacije (v razponu od leta 2000 do danes) so značilne inteligentne lastnosti (kot so zmožnost izvajanja naprednih izračunov, logično sklepanje, globoko učenje, kompleksne strategije, sodelovalno vedenje). Predstavljamo varnostne standarde in vidike, ki so pomembni za zagotavljanje zanesljivosti robotske celice. V drugem delu predstavimo metode, ki jih nameravamo uporabiti, ter splošne principe načrtovanja robotske celice. Pregledali bomo štiri splošne korake za ustvarjanje robotske aplikacije. Prvi korak zahteva analizo tradicionalnega človeškega opravila in preoblikovanje v opravilo, primerno za robota. Gre za nalogo "izberi in postavi", ki jo je za robota enostavno prevesti. V drugem koraku identificiramo naloge in jih razdelimo na ustrezne podnaloge. Za našo aplikacijo so premikanje, nabiranje in postavitev. Nato identificiramo dve delovni postaji, dve stacionarni paleti, ena vsebuje kovinske kose, druga pa je prazna in čaka, da se napolni. V tretjem koraku določimo zaporedje nalog glede na odnos posameznega para dejavnosti v diagramu odnosov. Našo aplikacijo sestavljajo tri prej omenjene naloge. Začnemo tako, da se iz začetnega položaja premaknemo na prvo delovno mesto (prva paleta), poberemo kos, se premaknemo na drugo delovno mesto (druga paleta), odložimo kos in se vrnemo na začetni položaj. Zadnji korak je določitev prostora za robotsko celico. Uporabimo mizo, na katero je integriran robot in ustrezno postavimo obe paleti. Opišemo strojno in programsko opremo, ki jo nameravamo uporabljati, in razložimo njihov namen. Strojna oprema je sestavljena iz treh delov: robotski sistem (robot UR5e, pnevmatsko orodje, senzor diferenčnega tlaka), ki izvaja nalogo izbire in postavitve; PLK in HMI (vgrajeni računalnik, zaslon na dotik, tipka za klic v sili), ki nam pomagata vzpostaviti nadzor in upravljati aplikacijo; varnostni sistem (LBK radar in krmilnik) za vzpostavitev varnostnih funkcij. Programsko opremo uporabljamo za programiranje treh enot strojne opreme. Na koncu dokumentiramo komunikacijske, električne in pnevmatske povezave. Tretji del obravnava konstrukcijo robotske celice. Robot programiramo za izvajanje aplikacije primi in postavi. Izvajamo spremembe namestitve robota. Dodelimo splošne vhode in izhode za komunikacijo s pnevmatskim sistemom. Iz varnostnih nastavitev izberemo kot vhod “Reduced Mode” (robotu ukažemo, naj se počasi premika) in “Robot is Moving” kot izhod (sporoča nam, kdaj se robot premika). Definiramo Modbus signale, za komunikacijo s PLK. Na koncu kalibriramo orodje, oz. določanje koordinat x, y in z (izmerjenih od konca robotovega končnega sklepa), njegove mase in težišča. Robota programiramo za aplikacijo primi in postavi. Aplikacija je razdeljena na dva načina delovanja: samodejno in ročno. Kateri način je aktiven izberemo preko HMI. Robot prejme te informacije prek PLK in izvede se ustrezen segment kode. Koda za oba načina delovanja je podobna, pri čemer je koda za ročni način segmentirana, kar omogoča izvajanje na podlagi vnosa prek HMI. Programska oprema PolyScope nam omogoča definiranje palet. Vsaka paleta ima deset elementov, dve vrstici in pet stolpcev (kot prave palete). Na ta način moramo samo enkrat programirati nalogo primi in postavi. Spremenljivke, imenovane "ctr", nam omogočajo da izberemo na katerem elementu palete se bo naloga izvajala. Pri samodejnem načinu ne spreminjamo vrednosti "ctr", ampak to program naredi sam, od 1 do 10, končna vrednost pa je enaka številu elementov. V ročnem načinu se vrednosti "ctr" spremenijo glede na naš vnos prek HMI. Vključujemo PLK za komunikacijo z robotom in HMI za pošiljanje ukazov. Aktiviramo tri licence: za PLK, HMI in Modbus povezavo. Vzpostavimo povezavo Modbus in ugotovimo, katere Modbus funkcije so na voljo za robota. Namesto da bi te funkcije uporabljali same, uvajamo funkcijske bloke. Ustvarimo tri funkcijske bloke, za branje in pisanje registrov ter za branje binarnih signalov. Omogočajo nam enkapsulacijo funkcij Modbus. To počnemo, da zmanjšamo število komunikacijskih kanalov, ustvarjenih v vsakem ciklu PLK. Namesto branja in pisanja vseh spremenljivk v enem ciklu, jih omejimo na en cikel. Vsak cikel traja 0,1 ms, več kot dovolj za našo aplikacijo. Ogledamo si funkcijski blok, ki se uporablja za branje registrov iz robota. Kot vhodne podatke uporablja IP naslov robota, njegova TCP vrata in niz spremenljivk, v katere zapišemo vrednosti registrov. Izhodi nas obveščajo o napakah med izvajanjem kode. Nazadnje analiziramo, kako se znotraj uporablja funkcija Modbus. Ustvarimo spremenljivko, ki spremeni vrednost vsak cikel PLK in deluje kot indeks polja, kar omogoča ciklično naravo funkcijskega bloka. Zadnji del PLK je HMI. Izdelujemo strani z vizualizacijami, ki se prikažejo na zaslonu na dotik. Skupno je pet strani in za vsako obstaja blok diagram, ki podrobno opisuje njihove funkcije. Na prvi strani lahko izbiramo med obema načinoma delovanja ali pa aplikacijo v celoti ponastavimo. Obstaja tudi razdelek, kjer lahko vidimo, kateri kosi so bili odvzeti in kam so bili postavljeni. Če izberemo samodejni način, smo preusmerjeni na novo stran, kjer lahko ustavimo aplikacijo ali pa se odločimo, da se vrnemo na prvo stran in počakamo, da se vsak del prenese. Če izberemo ročni način, smo preusmerjeni na stran, kjer izberemo, kateri kos bomo vzeli. Po potrditvi izbire se prikaže nova stran, kjer izberemo kam bomo kos postavili in to izbiro tudi potrdimo. Na koncu smo preusmerjeni na stran, kjer lahko izberemo, ali želimo nadaljevati v ročnem načinu ali se vrniti na prvo stran. Nato izvajamo varnostne ukrepe z volumetričnim varnostnim sistemom LBK. Sistem sestavljata radar in krmilnik. Radar zazna, ko nekdo vstopi v njegovo vidno polje, in pošlje signal krmilniku. Krmilnik je povezan z robotom prek varnostnih vhodov na krmilni omarici. Radar postavimo na isto mizo kot robot in z njim gledamo proti vhodu robotske celice. Glavna funkcija varnostnega sistema je ustaviti robota, če nekdo vstopi v vidno polje radarja. Po izbranem številu sekund radar poišče aktivnost v istem vidnem polju. Če ne zazna ničesar, se robot znova aktivira. Dodamo predalarmno območje, ki se začne tam, kjer se konča primarno vidno polje. Ko nekdo vstopi v to območje, vendar ne primarno, se aktivira pomožni izhod. To uporabljamo kot vnos za “Reduced Mode” za upočasnitev robota. Nato dodamo gumb za nujne primere. Uporablja se za ročno in hitro zaustavitev robota. Razlika med tipko za nujne primere in sistemom LBK je v tem, da moramo ročno deaktivirati tipko, da omogočimo robota, medtem ko se robot samodejno aktivira, ko se oseba, ki je vstopila v alarmno območje LBK sistema, umakne. Robot UR5e je sodelujoč, kar pomeni, da ima vgrajene varnostne funkcije. Če zazna trk med seboj in okoljem, se ustavi, odbije nazaj in se premakne v nasprotno smer. Vedeti moramo, ali je to trčenje dovolj varno za sodelovanje robota in človeka. S sistemom Pilz PRMS analiziramo tveganja, ki jih celica predstavlja za operaterja. Sistem uporabljamo za modeliranje hrbtne strani dlani, saj predstavlja del telesa, ki ga robot najbolj ogroža. Merimo silo in pritisk za tri vrednosti hitrosti in pospeška orodja, pri čemer začnemo z vrednostmi, uporabljenimi v aplikaciji, nato pa jih postopoma znižujemo. Vsak primer merimo trikrat, kar je potrebno za potrditev rezultatov. Največjo vrednost vzamemo za silo in pritisk, saj predstavljata največje tveganje. Te vrednosti se nato primerjajo s pragovi, ki jih določa standard ISO 15066. Meritve sile so precej pod mejo, ki jo določa standard. Meritve tlaka so precej nad mejo. To je posledica majhne površine priseska. Lahko poskusimo še znižati hitrost in pospešek robota, vendar bo to zelo zmanjšalo učinkovitost aplikacije. Aplikacija ne izpolnjuje varnostnih zahtev, ni varna. Zato je pomembno, da implementiramo varnostni sistem LBK, ki ne dovoli nikomur, da bi se približal robotu, medtem ko ta deluje. Zadnji del sestavljajo rezultati in zaključki. Predstavljamo možne nadgradnje celice in kako jo je mogoče izboljšati za industrijsko okolje. Opišemo tudi težave, ki smo jih imeli pri izdelavi robotske celice in kako smo jih obvladovali.

Keywords

robotska celica;PLK;HMI;Modbus;varnostne funkcije;

Data

Language:	English
Year of publishing:	2022
Typology:	2.11 - Undergraduate Thesis
Organization:	UL FE - Faculty of Electrical Engineering
Publisher:	[P. Panov]
UDC:	007.52(043.2)
COBISS:	120703491
Views:	16
Downloads:	4
Average score:	0 (0 votes)
Metadata:

Other data

Secondary language:	Slovenian
Secondary title:	Educational robotic cell for product palletisation
Secondary abstract:	Today, robotic cells are widely used in industrial complexes and assembly lines to replace humans in tasks which require repetition and extreme precision. Robotic cells handle tasks that might otherwise pose a danger to human workers, including tasks that use sharp tools, processes that use caustic or toxic chemicals, and steps with heavy machinery or parts. Robotic cells are composed of multiple parts working as a whole to ensure proper and efficient execution of the assigned task. In this thesis, we will construct a robotic cell and document the step by step process. The thesis is divided into four parts. The first part serves as an introduction of the thesis to the reader. Here we explain our thought process and the goals of the research. In the second part we lay out the methods we intend to use, as well as the general principals of designing a robotic cell. We describe the hardware and software equipment we intend to use and explain their purpose. The third part discusses the construction of the robotic cell. The robot is programmed to execute a pick and place application. We include PLC control to communicate with the robot and an HMI to send commands. Next, we implement safety measures and analyze the risk the cell imposes on the operator. The last part consists of the results and conclusions. Here we present possible upgrades to the cell and how it can be bettered for an industrial setting.
Secondary keywords:	robotske celice;PLK;programirljivi logični krmilniki;HMI;vmesniki človek-stroj;Modbus;varnostne funkcije;univerzitetni študij;Elektrotehnika;diplomske naloge;
Type (COBISS):	Bachelor thesis/paper
Study programme:	1000313
Embargo end date (OpenAIRE):	1970-01-01
Thesis comment:	Univ. v Ljubljani, Fak. za elektrotehniko
Pages:	XXIII, 43 str.
ID:	16401032