1. Введение
Прототип одного из первых роботов DELTA 580
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.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.
Общий вид дельта робота
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.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:
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.
2. Выбор компонентов
Приводы и двигатели от компании ABB
Контроллер Siemens s7-300 (а) и модуль X20 B&R (б)
Выбор компонентов был обусловлен имеющимися в наличие компонентами, а также надежностью данных компонентов, точностью данных и низкой степенью простоты интеграции. Таким образом, были выбраны приводы ABB BSD 1500. А также сервоприводы той же марки, в основном из-за малого временем отклика и высокой точности позиционирования. Модель приводов – BSM 1500CN01. Указанное оборудование представлено ниже, на рисунке 3.Интеграция системы управления обеспечивает взаимодействие всех компонентов робота, включая сервоприводы, сенсоры и исполнительные механизмы. Ключевыми аспектами завершения создания системы робота стало программирование и подключение контроллера Siemens s7-300 контроллера [2] и модуля X20 B&R [3], представленных ниже на рисунке 4.После установки и подключения электронных компонентов, включая сервоприводы, датчики и систему управления, было реализовано управление через блок питания на 24 В 5А, с подключением энкодеров приводов через модуль расширения Х20 [4].
3. Разработка программного обеспечения
Алгоритм перемещения рабочего органа в целевую координату
Конфигурирование контроллера и модуля расширения в среде TIA Portal
Пример главной ветки программы
Коммутация котроллера, блока питания и модуля расширения
Программные переменные в среде TIA Portal
Пример обработки значений энкодера в среде TIA Portal
В основу разработки был положен алгоритм по перемещению рабочего органа в пространстве.Было произведено конфигурирование контроллера и модуля расширения в среде TIA Portal (см. рисунок 6):При разработке программы в основном использовались языки программирования, поддерживаемые средой TIA Portal, такие как Ladder Diagram (LD) и, в редких случаях – Structured Text (ST). Ниже, на рисунке 7, на примере главной ветки программы показан фрагмент программного обеспечения.Настройка связи с приводами BSM модуля X20 была выполнена через промышленный коммуникационный интерфейс ProfiBus [5], для обеспечения высокоскоростного обмена данными и командами в реальном времени [6]. Ниже, на рисунке 8 показана коммутация контроллера, блока питания и модуля расширения.Процесс написания программы включал создание переменных обработки положений энкодера двигателя, передающихся через частотные преобразователи [7]. Далее, значения масштабировались, путем увеличения количества точек положения вала двигателя через модуль расширения и передавались в контроллер. Также использовались дискретные переменные: подачи управляющего сигнала на частотные преобразователи, положения начальной позиции двигателей энкодеров, направления вращение моторов. Окно программы, содержащее используемые переменные, представлено ниже на рисунке 9:Также, для управления рабочим органом робота и обработки значений энкодера, использовались блоки данных, представленные на рисунке 10:В целях соблюдения тайны коммерческой информации не представлен полный текст программного обеспечения данного робота, а приведены лишь избранные моменты. Это касается и схем электрических подключений узлов, а также фото щита управления.
4. Тестирование
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 [8]. Во время отладки программного обеспечения были применены корректировки конвертации углов поворотов энкодеров путем задания коэффициента-делителя в координаты рабочего органа робота.
Подход к разработке и интеграции промышленного дельта-робота потребовал взаимодействия между специалистами разных специализаций. К решению задач были привлечены механики, инженеры-электроники, программист АСУТП.
5. Перспективы улучшений
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.
6. Заключение
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 [9]. Выбор высококачественных компонентов от ведущих производителей, таких как ABB для сервоприводов и B&R, Siemens для контроллера, обеспечил не только высокую эффективность работы робота, но и его долговечность [10]. Такие решения способствуют минимизации простоев и снижению эксплуатационных затрат. В статью не включена часть по разработке программного обеспечения панели оператора робота, так как размер статьи не позволяет представить необходимые пояснения. Описание решения этой части может быть изложена в следующей публикации.
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.