Калибриране на роботи за МСП

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 3/2018 • 04.05.2018

Калибриране на роботи за МСП
Калибриране на роботи за МСП

 

Благодарение на тяхната висока гъвкавост и ефективност, интеграцията на роботи е съществена част от иновационния процес в малките и средни предприятия (МСП). За да ги адаптират максимално към изискванията на производствата в този сегмент, производителите на роботизирани системи поставят фокус върху тяхната компактност, универсалност и мобилност.

Все по-търсени сред МСП са индустриалните роботи, които са бързи, сръчни и възприемчиви, безопасни и с възможности за колаборативна работа, а също и моделите, които позволяват лесно преместване от една линия в друга, както и бързо програмиране и препрограмиране при промяна на приложението. За да запазят високата си прецизност и функционалност по време на целия си експлоатационен цикъл и да оправдаят необходимите капиталовложения в закупуването и внедряването им, роботите е необходимо да бъдат периодично калибрирани.

Тази процедура е от особена важност за предприятията от малкия и среден бизнес, които очакват бърза възвръщаемост на инвестицията в роботизирано оборудване и постоянно високо качество на работа на средствата си за автоматизация.

Предизвикателства пред МСП
По данни на Международната федерация по роботика (IFR) разходите, свързани с внедряването на роботизирани системи за производствена автоматизация, могат да бъдат най-общо поделени по следния начин: 20-25% за закупуване на самия робот, 20-30% за спомагателно оборудване и 45-60% за системна интеграция. Наред с разходите за интеграция на роботите и свързаните с експлоатацията им сензорни системи, значителни са и необходимите усилия.

За да се поддържа високата ефективност на този ценен актив, е важно роботите и сензорите в експлоатация регулярно да се калибрират, да се измерват и идентифицират грешките и отклоненията в работата им и своевременно да се компенсират. Графиците за калибриране е необходимо да се адаптират към темповете на амортизиране на роботите, а проверките да се инициират с по-голяма честота при извънредни събития като промяна на процесните потоци, модернизация на производствените линии, ремонт и ретрофит на оборудването и инструментите, въвеждане на нови доставчици и продуктови програми и др.

Калибрирането е от особена важност в МСП, където всяка по-мащабна инвестиция е ключова и високорискова. Специфични са и бизнес моделите, прилагани в тези предприятия, които често включват производство на специализирани и нестандартни изделия в малки партиди или еднократно.

Друга статистика на IFR сочи, че 45% от доставките на роботи са за 10% от индустриалните компании, предимно такива с над 500 служители в автомобилния сектор. Това показва, че при малките и средни предприятия (които по данни на Федерацията са около 98% от всички производствени компании) е налице огромен потенциал за технологична автоматизация чрез внедряване на роботи. Колкото по-добре върши работата си интегрираният в производството робот (който в малките компании често е един-единствен), толкова по-големи са ползите за предприятието. За такива сценарии калибрирането е от критична важност.

Тенденции
Актуалните тенденции на пазара на средства за индустриална автоматизация включват нови генерации роботи с универсализиран или модулен дизайн и възможности за колаборативна работа. Тези модели обикновено са с широкоспектърна функционалност, а не специализирани за изпълнението на конкретна задача.

Това ясно декларира желанието на производителите да предоставят гъвкави решения не само за автомобилостроенето и космическия сектор, където по традиция намират приложение големите специализирани в една дейност индустриални роботи, но и за други производства в сферата на малкия и средния бизнес.

Все повече производители на стоки за дълготрайна употреба (например домакински уреди и градинско оборудване), електроника и медицински изделия внедряват роботи в цеховете си с цел увеличаване на производствения си капацитет и ефективност и подобряване на конкурентоспособността си.

Фокус при новото поколение гъвкави и мобилни роботи за МСП са лесното програмиране и инсталация. Често обаче при тези модели се налага компромис в дадени отношения, за да е възможно понижаване на цената и разширяване на функционалния обхват в комбинация със запазването на висока безопасност и надеждност. При някои роботи компромисът е свързан с точността на работа, при други – с повторяемостта.

Дадени системи са с оптимизирана гъвкавост и модулни възможности, но с по-посредствени възможности по отношение на планирането на работни траектории и структурната здравина. Дълготрайната приложимост и ефективност на тези роботи в малкия и среден бизнес зависи от тяхната оптимална поддръжка, включваща навременно калибриране. При методите и системите за калибриране на роботи, специално проектирани за приложения в МСП, се наблюдава тенденция към улесняване, за да е възможно извършването на тази процедура от наличния персонал след провеждането на необходимата инструкция.

Калибриране при индустриалните роботи
Калибрирането включва измерване на характеристиките и ефективността на дадена система, разработването на неин математически модел на базата на тези измервания и последваща проверка и валидиране на точността на модела в течение на експлоатацията на системата. Този модел се използва за оценяване и адаптиране на системата към най-ефективния й вид чрез непрекъсната оценка на грешките между идеалното (моделирано) и действителното й поведение.

В контекста на индустриалните роботизирани системи моделирането на системата включва измерване на кинематичните и динамични характеристики на физическия робот. Генерираните модели се верифицират посредством детайлни измервания. Наред с това, специален подбор от параметризирани контроли, които представят поведението на робота, се интегрира в цикъла на движение. Калибрирането е от изключителна важност за потребителите от сегмента на МСП с оглед извличането на максималния работен потенциал на робота.

Калибрирането обхваща идентифицирането на по-точна функционална връзка, например между измерванията на сензорите в ставите между отделните сегменти на роботизираните рамена и действителната позиция на манипулатора в работната зона. На база измерените отклонения (ако има такива) между двата потока данни системата се коригира и се внасят необходимите изменения в настройките на софтуера за позициониране.

Преди роботът да може да планира траектория или да извърши дадено движение, е важно да познава собствената си конфигурация. Информацията, получена от енкодерите и резолверите например, е безполезна, ако няма референтна рамка, с която всички последващи измервания да бъдат сравнявани.
Процесът на калибриране в много приложения в МСП включва ръчно преместване на робота в предварително генерирана и одобрена конфигурация и записване на показанията на измервателните датчици.

Най-общо в практиката се прилагат два типа калибриране – динамично и кинематично. Използваните в процеса измервателни средства включват: контактни и безконтактни сонди, телескопични измервателни уреди, камера-базирани устройства за 3D позициониране, акустични и други типове сензори, широкообхватни 3D измервателни устройства, включително лазерни тракери, координатни измервателни машини, теодолити, лазерни интерферометрични и фотограметрични инструменти и др.

Функции на калибрирането
Калибрирането повишава точността при позициониране на робота и гарантира, че системите за машинно зрение адекватно идентифицират и локализират обектите в работната зона, а силовите сензори на колаборативния робот различават лекия допир с човека от удар, който може да причини нараняване. Калибрирането позволява на потребителите да “върнат” робота обратно към заводската му конфигурация, дори след продължителна експлоатация, механично износване, пространствени измествания, смяна на компоненти и др.

Що се отнася до роботите и манипулаторите, грешките, изискващи калибриране за възстановяване на точността, могат да бъдат класифицирани в пет категории: свързани с работната среда отклонения (например вследствие на температурни промени); параметрични (вследствие на производствени и монтажни дефекти); измервателни (свързани с ограничена резолюция на моторните енкодери например); изчислителни (във връзка с компютърни закръгления и стационарни контролни грешки) и приложни отклонения (вследствие на инсталационни грешки).

По подобен начин могат да бъдат подразделени и настъпилите отклонения в отчитанията на сензорите и датчиците в системата. Без периодична калибровка, роботите и сензорите могат значително да се отклонят от желаната точност на работа, а това да доведе до скъпи и продължителни прекъсвания на производството, бракувана продукция и други пагубни за малкия и среден бизнес негативи.

В допълнение към потвърждението, че роботът позиционира прецизно и се придържа към зададените работни параметри, калибрираната система дава на операторите и възможност да осъществяват офлайн програмиране и симулация. След калибриране на робота програмите му могат да бъдат тествани офлайн преди практическото им приложение чрез специални инструменти за симулация, а по време на текущата програма операторът може лесно да симулира следващата, без нужда от прекъсване и извеждане на робота от работен режим.

Локализиране на детайли
В типичните роботизирани системи голямо внимание се отделя на позиционирането на обектите на манипулация в предвидими за робота локации, едни и същи всеки път. Традиционните индустриални роботи се отличават с висока повторяемост на движенията – те се връщат прецизно в същата изходна позиция, за да започнат последователността от движения отначало.

Тези системи обаче са безпомощни, ако обектът, с който трябва да боравят, не се намира на очакваното място. Те рядко разполагат със системи за машинно зрение, хаптични сензори или други технологии за проверка на местоположението на детайлите, а работните им цикли не включват етап локализиране. Ето защо позицията на хващача трябва да бъде предвидима, да съвпада с указаното местоположение на обекта и със записа в софтуера за управление на робота.

Всяко разминаване може да коства скъпи и времеемки прекъсвания на производството, особено нежелани в малките и средни компании. За да се гарантира прецизната позиция на хващача, е необходимо системата да се калибрира и да се идентифицират параметрите по отношение кинематиката на робота, базирани на физическите геометрии и връзки между сегментите, ставите на рамото, манипулатора и детайла.

Роботите от ново поколение, специално проектирани за приложения с идентифициране и локализиране на обекти, вече не зависят само от повторяемостта на движенията на рамото и точното поставяне на детайлите и частите на линията. Тези системи използват камери и сензори, за да разпознаят и изберат необходимия обект. Тук регулярната калибровка обаче отново е необходима с оглед на предотвратяването на различни грешки и отклонения като изкривяване на зрителното поле на сензорите и т. н. Еталонните параметри на сензорите трябва да бъдат съпоставени с тези на робота, за да са ясни указаните позиции на обектите и хващача. Ако в системата са интегрирани множество сензори, те се калибрират и един спрямо друг.

Захващане
В традиционните роботизирани работни клетки обектите на манипулация е необходимо да се намират на предварително указани позиции. Конструкцията на манипулатора е съобразена с вида на обекта и на необходимата манипулация с него, която трябва да бъде извършена. В някои поточни линии смяната на движещите се по лентата обекти предполага и смяна на хващача. При калибрирането на робота в такива приложения е необходимо да се вземе предвид позицията на инструмента при манипулиране и параметрите на управлението й.

Ако системата работи с множество инструменти и хващачи, в контролера на робота е необходимо да бъдат съхранени параметрите за управление на всеки от тях. Манипулаторите, които имат повече от 2 различни позиции при движение (възможно е вместо цялостно отваряне и цялостно затваряне на хващача да има позиции “50% отворен”, “75% отворен” и т. н.), е необходимо да бъдат прецизно калибрирани, за да се гарантира, че системата работи правилно.

С навлизането на мултифункционалните манипулатори във все повече приложения в областта на роботизираното захващане на части се предлагат и все по-широка гама сензорни системи, свързани с прецизната им работа. Вградените сензори за близост осигуряват потвърждение, че желаната част е захваната от манипулатора. Сензорите за сила, които гарантират, че съответният детайл няма да бъде повреден чрез оказване на прекалено голям натиск от хващача, също се нуждаят от регулярно калибриране.

При съвременните бионични ръце-роботи, които разполагат с три и повече пръста и тактилни сензори, изискванията и сложността на калибровка неимоверно нарастват, паралелно с важността й. Необходимо е калибриране на всеки пръст поотделно, както и един спрямо друг и към цялата ръка, а също и проверка на сензорите за сила и натиск, вибрация, температура, които асистират тактилната реакция на ръката.

Преместване
По време на монтажни операции движенията на робота могат да бъдат класифицирани като груби и фини. Грубите движения са свързани с преместването на детайла до мястото на асемблиране на разстояния, в пъти по-големи от размерите на самия детайл. Тези движения е необходимо да бъдат бързи, но не толкова прецизни. Ето защо при тях се допускат известни отклонения от точността при траекториите.

Конвенционалните рамена без системи за локализиране извършват тези движения “на сляпо”, тъй като те приемат, че се движат в контролирана среда между указани точки без наличие на каквито и да било препятствия. Системата следва програмирана траектория на движение, а за да се гарантира нейната правилност, е необходимо калибриране на рамото и манипулатора.

Колаборативните роботи за малки и средни предприятия обикновено включват функции за предотвратяване на колизии с всякакъв род пречки и обекти в работната зона въз основа на данните от съответните сензори (за сила, движение, допир, присъствие, вибрации и т. н.). Тези системи също е необходимо да бъдат регулярно калибрирани, тъй като някои отклонения имат тенденция да се увеличават с времето, а всяко отклонение може да доведе до понижаване на безопасността за работещите в споделеното пространство хора.

Поставяне на детайли и асемблиране
Фините движения на роботите при монтаж на сглобки и възли включват премествания, пространствено преориентиране и препозициониране на детайлите и монтажните елементи на малки в сравнение със собствените им размери разстояния. Грешките и отклоненията в този етап обикновено са много малки и могат да бъдат регистрирани само с помощта на датчици за сила или натиск.

Популярни в практиката са и различни пасивни механични устройства, които се използват за асистиране на финалното позициониране на детайлите, особено при поставяне на една част в друга. Някои широкоспектърни роботи, проектирани специално за приложения в малкия и средния бизнес, разполагат със сензори за сила, монтирани преди манипулатора, които управляват както движенията на рамото, така и на хващача и също се нуждаят от регулярна калибровка.

Рамената на роботите могат да регистрират сили както в нормално, така и в тангенциално направление. Техните мултимодални сензорни системи е необходимо да бъдат калибрирани помежду си. Финото позициониране, което изисква малки ъглови премествания, поставя допълнителни изисквания към точността на калибриране.

Затягане
При асемблирането на компоненти и възли в индустриалното производство се използват широка гама от монтажни методи. Сред тях са притискането, монтажът посредством шайби, щифтове, винтове, гайки и нитове, широка гама процеси като запояване, заваряване или залепване и т. н.

Монтажните роботи разполагат със специализирани инструменти за прецизно позициониране, затягане и асемблиране на съответния възел. Съвременните системи използват технологии за машинно зрение, които служат за прецизно идентифициране на правилната монтажна позиция, например локализирането на отвор, в който да бъде поставен съответният болт. Координатната еталонна рамка на системата за машинно зрение трябва да бъде прецизно калибрирана с тази на робота. В такива приложения се препоръчва често калибриране, в случай че камерата бива разместена при движенията на робота.

С нарастващото приложение на роботи в монтажните операции в малкия и среден бизнес и разширяването на обхвата и сложността на методите за асемблиране, все по-популярни стават и специализираните инструменти за извършването на дадени монтажни задачи във връзка със затягането. Калибрирането на вградените им сензори заедно с манипулатора на робота е задължително с цел постигане на унифициран поток от данни за позицията на инструмента, детайлите и свързващите елементи, въртящия момент, прилагания натиск и други критерии за ефективен монтаж и затягане.

Сензорите, интегрирани в специализирани инструменти, като бормашини, отвертки, нитовъчни пистолети и т. н., изискват периодично калибриране с датчиците в рамото на робота, камерите за машинно зрение и др.

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top