Програмиране на индустриални роботи

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 8/2017 • 30.11.2017

Програмиране на индустриални роботи
Програмиране на индустриални роботи

В практическите индустриални приложения днес се използват две основни категории методи за програмиране на роботи – онлайн програмиране (включително lead-through и walk-through техники) и офлайн програмиране (OLP). Един от най-популярните методи за програмиране е чрез обучение. Според Британската асоциация за автоматизация и роботи, над 90% от съществуващите роботи са програмирани по този метод.

Устройствата за обучение на роботи (т. нар. teach pendants) са се променили много за периода си на съществуване. Първите версии са големи, сиви кутии с магнитна лента за запазване на данните. По-новите терминали за обучение представляват точно това, на което приличат - гигантски преносими калкулатори.

Съвременните устройства могат по-скоро да бъдат оприличени на таблети, а технологията се е развила така, че да отговаря на съвременните изисквания на приложенията.

За да програмира робота с подобен терминал, операторът го премества от точка до точка, като използва бутоните за обучение и записва всяка позиция поотделно. Когато цялата програма е готова и въведена, роботът може да възпроизвежда точките с пълна скорост.

Особености
Стандартно, когато се изпълнява онлайн програмиране, терминалът за обучение се използва за ръчно преместване на манипулатора до желаната позиция и с желаната ориентация на всеки етап от задачата на робота.

Съответните конфигурации на робота се записват от неговия контролер. След това се написва програма, която трябва да управлява робота така, че той да премине през вече записаните позиции на манипулатора. Конвенционалното онлайн програмиране е изцяло ръчен процес. Операторът на робота има свободата да го движи, да избира конфигурацията и да планира процеса. Това е ефективно и рентабилно решение за всяка проста роботизирана система.

С усложняването на процеса обаче рентабилността на онлайн програмирането намалява. От друга страна, офлайн програмирането е напълно автоматичен процес. След като цялата работна клетка се моделира в CAD и се разработи OLP код за конкретното приложение, програмата за робота се генерира автоматично. Тъй като моделирането и OLP кодирането традиционно са свързани с по-големи разходи, този вид програмиране в общия случай е икономически по-рентабилен за производства с големи обеми, обикновено в по-мащабни предприятия.

Основи на програмирането
Има две основни неща, на които трябва да бъдат обучени (или програмирани) роботите: позиционни данни и процедура. Когато трябва да се премести един винт от захранващото устройство към отвора, в който трябва да бъде монтиран например, първо трябва да се програмират позициите на захранващото устройство и на отвора.

След това се програмира процедурата за закрепване на винта от захранващия механизъм към отвора, заедно с всички необходими входно-изходни сигнали, като например сигнала, който индикира, че винтът в захранващо устройство е готов за вземане. Целта на софтуера на робота е да улесни програмирането на всяка една от тези задачи. Обучението на роботите по отношение на позиционирането може да се постигне по няколко начина:

Чрез позиционни команди - роботът може да бъде насочен към желаната позиция, като се използват графичен интерфейс или текстови команди, чрез които може да бъде зададена и редактирана необходимата позиция по X-Y-Z осите.

Чрез терминал за обучение - позициите на роботите могат да бъдат програмирани чрез терминал за обучение. Терминалът е преносимо устройство за управление и програмиране. Сред общите характеристики на тези устройства е възможността ръчно да се изпрати роботът на желаната позиция, придвижвайки го постепенно чрез “стъпка” или “бавен ход”, с които се променя позицията му.

Те също така имат възможности за промяна на скоростта, тъй като за внимателно позициониране или при тестване на нови или модифицирани процедури обикновено се изискват ниски скорости. Обичайно разполагат и с голям бутон за аварийно спиране. В повечето случаи, когато роботът е веднъж програмиран, повече не се налага използването на терминала за обучение.

Lead-by-the-nose - това е техника, предлагана от много производители на роботи. При този метод един потребител държи манипулатора на робота, докато друг човек въвежда командата, която деактивира робота, докато той спре движението си. След това потребителят премества робота ръчно в необходимите позиции и/или по необходимата траектория, докато софтуерът регистрира тези позиции в паметта. По-късно програмата може да води робота до тези позиции или по запазената траектория. Тази техника е популярна при изпълнението на задачи като боядисване със спрей.

Предимства и недостатъци на терминалите за обучение
Повечето традиционни промишлени роботи имат терминал за обучение, което ги прави достъпни за техниците. Тези терминали дават възможност за точно позициониране, тъй като роботът може да бъде програмиран с помощта на цифрови координати в глобални координати, координати на робота или в друга координатна система.

Неблагоприятен ефект от използването на такива терминали е застоят на цялата система заради принудителния престой на робота. Роботът трябва да бъде поставен в режим на обучение и всички операции, включващи робота, трябва да бъдат прекратени, докато трае програмирането. В допълнение, терминалите изискват обучение за работа с тях и могат да се окажат предизвикателство за хора, добре запознати с работата, но не и с програмирането.

Специфика на методите
Офлайн програмирането представлява техника, при която цялата клетка, роботът и всички машини или инструменти в работното пространство графично се картографират. След това роботът може да бъде местен по екрана и процесът да бъде симулиран. Роботен симулатор се използва за създаването на вградени приложения за робота, без зависимост от физическата работа на рамото на робота и манипулатора.

Предимството на роботизираната симулация е, че спестява време в дизайна на роботизирани приложения. Тя може също така да повиши нивото на безопасност, свързана с роботизираното оборудване, тъй като чрез нея могат да бъдат изпробвани различни сценарии от типа “какво ще стане, ако”, преди системата да бъде активирана. Софтуерът за симулиране на роботи осигурява платформа за обучение, тестване, стартиране и отстраняване на грешки в програми, написани на различни езици за програмиране.

Програмните инструменти за симулиране на роботите позволяват програмите за управление на роботи да бъдат подходящо написани и дебъгвани в офлайн режим с окончателната версия на програмата, тествана на действителен робот. Възможността за визуализация на поведението на роботизираната система във виртуална среда позволява да бъдат изпробвани и тествани различни механизми, устройства, конфигурации и контролери, преди да бъдат внедрени в реална система. Симулаторите на роботи имат способността да предоставят изчисления в реално време на симулираното движение на промишлен робот, като използват геометрично моделиране и моделиране на кинематиката.

Освен това операторите на машини често използват устройства с потребителски интерфейс, обикновено такива със сензорен екран, които им служат като контролен панел. Операторът може да преминава от програма към програма, да извършва настройки в рамките на дадена програма и също така да управлява множество периферни устройства, които могат да бъдат интегрирани в една и съща роботизирана система.

Такива устройства са: манипулатори, захранващи устройства, които доставят компоненти на робота, конвейерни ленти, контроли за аварийно спиране, системи за машинно наблюдение, блокиращи системи за безопасност, принтери за баркодове и още много други промишлени устройства, които могат да се управляват чрез контролния панел от оператора.

Терминалът за обучение или компютърът обикновено се изключват след завършването на програмирането, след което роботът работи с програмата, която е била инсталирана в неговия контролер. Въпреки това, компютърът често се използва за наблюдение на робота и периферните устройства или като допълнително хранилище за достъп до по-голям обем от данни за по-сложни траектории и процедури.

Онлайн програмиране
Онлайн програмирането традиционно се изпълнява от по-опитни оператори на роботи чрез насочване на робота по желаната траектория, използвайки обучаващ терминал, или иначе казано, чрез метода lead-through. Обикновено този метод включва прекарване на робота на бавен ход през желаната траектория, записване на специфичните точки в контролера на робота и използване след това на записаните точки за създаване на команди за движение.

Операторът, който програмира даден робот, използвайки lead-through метода, е отговорен за насочването на робота и за поддържането на желаното позициониране и ориентацията на робота спрямо т. нар. шест степени на свобода (degrees of freedom, DOF).

Въпреки че традиционният метод за онлайн програмиране е прост и широко използван, той има няколко недостатъка. На първо място, придвижването на робота на бавен ход с помощта на терминал за обучение не е интуитивно, тъй като много често координатните системи са предварително дефинирани за една роботизирана система.

Следователно, операторът винаги трябва да следи коя координатна система е заложена в робота при придвижване на бавен ход. Направляването на робота по желаната траектория точно и без да допуска сблъсък с други обекти в обхвата на работното пространство, обикновено е много трудна и времеемка задача, особено когато детайлът има комплексна геометрия или самият процес е много сложен.

Освен това, след като се напише една програма, по нея тепърва предстои сериозен обем тестова работа, докато се докаже, че тя е достатъчно надеждна и безопасна.

Програмата за управление на роботи, създадена чрез lead-through метод, не се отличава с голяма гъвкавост и не може да бъде повторно използвана. Дългият и еднообразен цикъл на програмиране трябва да бъде повторен от самото начало, дори когато става дума за детайл, в който има съвсем малка разлика.

Сред другите недостатъци на lead-through метода са: фактът, че роботът не може да бъде използван в производството по време на периода за извършване на обучението, операторът е изложен на враждебна среда и качеството на обучените движения се основава на нивото на уменията на оператора. Независимо от всички горепосочени недостатъци, онлайн програмирането все още е предпочитан избор за програмиране в повечето малки и средни предприятия (МСП).

Офлайн програмиране
В днешно време OLP методът, който се основава на 3D модел на цялостната работна клетка на робота, става все по-популярен. Без да премахва режийните разходи, свързани с отегчителното програмиране, OLP пренасочва тежестта на тази задача от оператора на робота в сервиза към софтуерен инженер в офиса. OLP има предимство при програмирането на сложни системи и е доказано по-ефективно и рентабилно решение за големите производства.

В сравнение с метода за онлайн програмиране, OLP е по-надежден и дава известна гъвкавост за промени в дизайна на продукта. Тъй като разчита основно на моделирането на робота и заготовката, обикновено са необходими допълнителни процедури за калибриране, за да се постигне съответствие с изискванията за точност на процеса.

Въпреки че на пазара вече има много различни софтуерни OLP пакети, използването на OLP система обикновено означава инвестиране на много труд за програмиране, както и на сериозни капиталови инвестиции и дълго време за доставка. Редица научни работници се стремят да обединят познанията от опита в реалния свят с CAD модела в едно, за да се възползват от предимствата на двата метода.

Програмирането на роботи с помощта на добавена реалност (RPAR) е типичен пример, който наскоро беше разработен с цел подобряване на интуитивността и гъвкавостта на OLP дейностите. При различните нива на участие на взаимодействието между човека и робота, сензорната технология и CAD, границата между онлайн и офлайн програмирането все повече се размива.

Симулация
Симулацията най-често се използва при научни изследвания, свързани с роботите, за да се гарантира, че новите алгоритми за управление функционират правилно, преди да се програмират на истински робот. Използва се също така и в индустрията за намаляване на времето за принудителен престой и подобряване на ефективността.

Това може да бъде особено ползотворен метод за МСП, тъй като при тях вероятността да възникне нужда от преконфигуриране на роботите е по-голяма, отколкото в масовото производство. Самото название на програмирането в офлайн режим подсказва, че то не пречи твърде много на процеса на производството. Офлайн програмирането позволява роботът да бъде програмиран чрез виртуален макет на робота и задачата. Ако симулационният софтуер е интуитивен, използването му може да бъде бърз начин да се тества идеята, преди да се програмира в робота.

Някои съвременни симулационни пакети са съвсем лесни за използване. Симулацията може да бъде настроена за няколко минути, след като операторът вече е запознат със софтуера, като използва библиотека от често използвани роботи и обекти. Някои симулатори позволяват въвеждането на CAD част и автоматично генериране на траекторията на робота. Това може да подобри още повече ефективността на програмирането.

Предимства и предизвикателства при офлайн програмирането
Този метод намалява времето за принудителен престой, необходимо за програмиране на робота. Програмите се разработват офлайн, така че роботът трябва да бъде спрян от работа само, докато новата програма се зарежда на него и се тества.

Може да бъде доста интуитивно, особено ако роботът може да бъде движен в 3D CAD среда чрез drag-and-drop техника. Подходът дава възможност за лесно тестване на много различни подходи към един и същ проблем, което би било неефективно за онлайн програмните методи.

Виртуалните модели (вероятно) никога няма да могат да представят истинския свят със 100% точност. Програмите понякога трябва да бъдат променяни, дори след като са вече програмирани на истинския робот. Процесът като цяло може да отнеме повече време. Въпреки че офлайн програмирането намалява времето за принудителен престой, то също така предполага, че някой трябва да прекарва допълнително време в разработването на симулацията, както и да я тества на робота.

Понякога може да се окаже, че се губи прекалено много време за разрешаване на проблемите на симулатора, вместо да се решават производствените проблеми. Това може да бъде свързано с качеството на симулатора.

Обучение чрез демонстрация
Обучението чрез демонстрация предлага интуитивно допълнение към класическия терминал за обучение. Тези методи осигуряват движението на робота, което може да става или чрез управление на силов датчик, или чрез джойстик, прикрепен към китката на робота, по-точно над манипулатора. Както при използването на терминал за обучение, операторът съхранява всяка позиция в компютъра на робота. Много колаборативни роботи са програмирани с този метод.

Обучението чрез демонстрация е по-бързо от традиционните терминали за обучение. Премахва необходимостта от натискане на няколко бутона, което позволява на оператора просто да премести робота в желаното положение. Обучението чрез демонстрация е по-интуитивно от традиционните терминали за обучение и симулационните програми, тъй като задачата се програмира по почти същия начин, по който човек ще го изпълни. 

Това улеснява възприемането му от операторите. Обикновено този метод не изисква познаване на концепции за програмиране или познаване на 3D CAD среда (както е при симулацията). Методът е много добър за изпълнение на детайлни задачи, които изискват много редове код за постигането на същия ефект, като например заваряване или боядисване на сложни форми.

Както и при традиционния терминал за обучение, този метод използва физическия робот за програмиране. Това означава, че не намалява времето за принудителен престой, колкото офлайн програмирането.

Преместването на робота на точни координати не е толкова лесно, колкото при другите методи. Това важи в особена степен за някои системи, управлявани чрез джойстик, при които няма способ за въвеждане на цифрова стойност.

Новият брой 8/2017

брой 8-2017

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top