DEVELOPMENT OF SOFTWARE AND ELECTRONIC PART OF INDUSTRIAL DELTA ROBOT ON ABB DRIVES

Дельта-робот

[1]

– это манипулятор, придуманный Рэймондом Клавэлем, директором лаборатории в Федеральной политехнической школе Лозанны (EPFL, Швейцария) в конце прошлого столетия. Фотография одного из первых дельта-роботов представлена ниже, на рисунке 1. Его выходное звено имеет три поступательные степени свободы. Он относится к механизмам параллельной структуры. Обычные механизмы (не параллельные) представляют собой последовательность звеньев (шарнирный робот, портальный манипулятор). В отличие от них, рабочее звено дельта-робота соединено с неподвижным основанием тремя независимыми кинематическими цепями, а сам механизм воспринимает нагрузку, как пространственная структура.

Рисунок 1 - Прототип одного из первых роботов DELTA 580

DOI:10.60797/IRJ.2024.145.83.1

При создании специализированного промышленного дельта-робота, оптимизированного под выполнение конкретных задач, выбор компонентов, проектирование и сборка системы являются ключевыми этапами, влияющими на итоговую производительность и надежность оборудования.

Задача создания дельта-робота для корректировки укладки продукции на пищевом предприятии появилась из необходимости заменить ручной труд. Не всегда продукт на линии правильно паковался в тару в силу ряда причин, таких как пересортировка при укладке вала, остановки оборудования в процессе упаковки и прочие причины. В связи с этим предприятием в сотрудничестве с БФУ им. И. Канта была поставлена задача решить данную проблему. После разработки, изготовления и проведения ресурсных испытаний, созданный дельта-робот, представленный на рисунке 2, был передан в производство, для проведения этапа стыковочных испытаний и внедрения в производственный процесс.

Рисунок 2 - Общий вид дельта робота

DOI:10.60797/IRJ.2024.145.83.2

В ходе этого этапа стало понятно, что необходимы не только мелкие корректировки аппаратной и программной части, а полная модернизация основных узлов. Это было обусловлено необходимостью приведения узлов робота к высоким технологическим нагрузкам и использующимся на предприятии моделям контроллеров и соответствующему им программному обеспечению.

В процессе модернизации аппаратной части была произведена замена редукторов электродвигателей на имеющиеся в наличии на предприятии и использующиеся в похожем производственном оборудовании. Затем была произведена установка и настройка приводов путем подключения сигналов, и выставление задержек момента, тока, задание типа управления. Все это не составило больших затруднений, так как похожие параметры настроек часто производятся в процессе эксплуатации упаковочных машин. После этого был сделан монтаж трансформатора для питания всех узлов автоматики, так как для силовой части использовалось питание 110 В на одну фазу вместо обычно подаваемых 220 В. Затем был произведен монтаж блока питания и установка контроллера. В конце произведена установка и подключение остальных электронных управляющих компонентов, в виде кнопок, датчиков позиционирования. Далее, было произведено программирование контроллера SIEMENS и настройка связи в специализированной для данных контроллеров среде TIA Portal. После механической сборки и подключения электроники было разработано и загружено программное обеспечение для управления тягами через электродвигатели. В целом движение рабочего органа сводится к математической задаче обратной кинематики. Это требует математического преобразования координат в углы поворота валов электродвигателей.

Ниже приведен пример программных вычислений модели обратной кинематики:

// вспомогательная функция, расчет угла theta1 (в плоскости YZ)

int delta_calcAngleYZ(float x0, float y0, float z0, float &theta) {

 float y1 = -0.5 * 0.57735 * f; // f/2 * tg 30

 y0 -= 0.5 * 0.57735 * e; // сдвигаем центр к краю

 // z = a + b*y

 float a = (x0*x0 + y0*y0 + z0*z0 +rf*rf - re*re - y1*y1)/(2*z0);

 float b = (y1-y0)/z0;

 // дискриминант

 float d = -(a+b*y1)*(a+b*y1)+rf*(b*b*rf+rf);

 if (d < 0) return -1; // несуществующая точка

 float yj = (y1 - a*b - sqrt(d))/(b*b + 1); // выбираем внешнюю точку

 float zj = a + b*yj;

 theta = 180.0*atan(-zj/(y1 - yj))/pi + ((yj>y1)?180.0:0.0);

 return 0;

}

// обратная кинематика: (x0, y0, z0) -> (theta1, theta2, theta3)

// возвращаемый статус: 0=OK, -1=несуществующая позиция

int delta_calcInverse(float x0, float y0, float z0, float &theta1, float &theta2, float &theta3) {

 theta1 = theta2 = theta3 = 0;

 int status = delta_calcAngleYZ(x0, y0, z0, theta1);

 if (status == 0) status = delta_calcAngleYZ(x0*cos120 + y0*sin120, y0*cos120-x0*sin120, z0, theta2); // rotate coords to +120 deg

 if (status == 0) status = delta_calcAngleYZ(x0*cos120 - y0*sin120, y0*cos120+x0*sin120, z0, theta3); // rotate coords to -120 deg

 return status;

}

Алгоритм работы робота сводится к позиционированию двигателей в начале запуска робота по датчикам нулевого положения двигателей и движению в точку с целевой координатой. Затем происходит сработка рабочего органа по сигналу с контроллера.

В процессе тестирования и отладки были проведены испытания для проверки движения в начале калибровки нуля по датчикам положения нулевой точки энкодера, затем выход на позицию

Подход к разработке и интеграции промышленного дельта-робота потребовал взаимодействия между специалистами разных специализаций. К решению задач были привлечены механики, инженеры-электроники, программист АСУТП.

На базе полученного опыта и собранных данных планируется дальнейшая оптимизация работы дельта-робота, в частности разработка дополнительных модулей компьютерного зрения для расширения функционала робота, а также новые типы конечных эффекторов для работы с различными видами пищевой продукции.

Оптимизация работы дельта-робота путем внедрения компьютерного зрения является важным шагом для улучшения его функциональности, точности и эффективности. Этапами внедрения компьютерного зрения может быть установка и калибровка камеры, разработка алгоритмов обработки изображений для анализа визуальных данных, выделения объектов, распознавания образов и позиционирования в рабочем пространстве, интеграция с системой управления для принятия решений на основе полученных визуальных данных. Для более сложных задач компьютерного зрения можно использовать программирование и обучение нейронных сетей для распознавания образов, классификации объектов и принятия решений.

Использование компьютерного зрения позволило бы значительно расширить возможности и функциональность дельта-робота, сделать его более адаптивным к изменяющимся условиям и задачам, а также повысить производительность и точность его работы.

В заключении разработки и интеграции специализированного промышленного дельта-робота на основе приводов ABB, контроллера Siemens и модуля X20 от B&R можно подчеркнуть несколько ключевых аспектов, которые стали основой для успешной реализации проекта

В итоге данный проект подчеркивает значимость междисциплинарной работы и инновационного мышления в разработке современных промышленных решений. Он показывает успешное сочетание теоретических знаний и практического опыта, направленных на решение сложных инженерных задач.

Надеемся, что этот материал инициирует сотрудников различных предприятий на деятельность в сфере разработки производственного оборудования.