Aktuální vydání

celé číslo

02

2021

Systémy pro řízení vodárenských sítí a ČOV

Hladinoměry

celé číslo

Vytisknutý robotický paletizační robot si vychystal červený diplom

Zkonstruovat a zprovoznit tříosý paletizační robot jako diplomovou práci ve spolupráci s brněnskou pobočkou B&R Automation a zároveň úspěšně dokončit prezenční studium na Fakultě elektrotechniky a informatiky Vysoké školy báňské – Technické univerzity v Ostravě bylo velkou výzvou. Otevřelo mi to však spousty dveří, do kterých jsem mohl nahlédnout. 

Vše začalo na 60. ročníku MSV v roce 2018, kde jsem hledal inspiraci pro svou diplomovou práci v oblasti automatizace. Upoutal mě mimo jiné i stánek firmy B&R Automation, kde mi doporučili vyzkoušet jejich akademii, která je pro studenty zdarma. V té jsem si na konci roku 2018 prošel základním školením Controls a později také Safety. Přístup školitelů a přívětivost programovacího prostředí Automation Studio mě dostali do bodu, kdy jsem zažádal vedení jejich aplikačního oddělení o témata diplomové práce a možnost stáže. Takže jsem se z rodné Ostravy přestěhoval do Brna a začal v létě 2019 pracovat jako brigádník na projektu kompletního řízení CNC strojů. Mým cílem bylo seznámit se s reálným využitím průmyslových automatů a pochytit co možná nejvíce zkušeností před samotnou diplomovou prací.

 

3D tisk reálného modelu paletizačního robotu

Návrh a realizace modelu robotu pro ověření jakosti průmyslového řídicího systému – takhle zní finální zadání mé diplomové práce. Přesněji řečeno, měl jsem za cíl upravit finančně dostupný model tříosého paletizačního robotu s paralelogramem, osadit ho krokovými motory od B&R implementovat a porovnat mezi sebou tři způsoby řízení. Nabízené modely robotu mi však nevyhovovaly a já si chtěl na robotiku sáhnout hlouběji, tak jsem se vydal cestou návrhu vlastního modelu. Modelování v softwaru Fusion 360 je poměrně intuitivní, ale moje dosavadní znalosti nestačily na tak komplexní záležitost, jakou návrh vlastního robotu je. Naštěstí je uživatelská základna tak široká, že doplnit mezery ve znalosti modelování nebyl problém a po několika iteracích jsem byl schopen navrhnout funkční model.

Z virtuálního modelu bylo třeba vytvořit model reálný, a to pomocí 3D tisku. Využil jsem otevřenou dílnu FabLab v Brně a absolvoval základní školení práce na 3D tiskárně. Stroj, který všechny díly tiskl, je velmi populární 3D tiskárna Prusa i3 MK3S. Práce s ním byla velmi přínosná a pozitivní zkušenost. Jako materiál jsem zvolil PETG, jelikož má skvělou mechanickou odolnost a pevnost. K finální verzi vedla cesta plná nepovedených nebo špatně navržených dílů. Od prvního náčrtu po finální verzi uplynulo půl roku, spotřebovalo se 747 m filamentu a doba čistého tisku se pohybuje okolo 362 h.

Problém nastal po spojení hřídele krokového motoru s tisknutou součástí. Moment motorů při rozběhu je tak velký, že se hřídel v otvoru plastového dílu protočila. Proto jsem přikročil k pevnějšímu materiálu nylon-karbon a spojení ve tvaru hvězdy. Hvězda je vložena do plastového dílu a rovnoměrně rozkládá moment motoru ze středu do jednotlivých cípů. Ani tento materiál ale nápor motorů nezvládl, proto jsem přikročil k již funkčnímu robustnímu řešení využívajícímu tvarově identickou hvězdu, ale vyřezanou laserem na řezacím stroji Vanad Kompakt z ocelové desky tloušťky 6 mm.

 

Hardware řídicího systému a krokové motory

Řízení a motory byly vybírány kompletně ze sortimentu firmy B&R Automation a sestava byla skládána s ohledem na co největší kompaktnost celého systému. Procesorový modul je X20CP0484, který je osazen procesorem ARM s frekvencí 667 MHz. Karty použité k řízení tří krokových motorů velikosti NEMA 23 jsou typu X20SM1446-1 a z důvodu odvodu tepla (derating) vždy sousedí s prázdnými kartami X20ZF000. Systém je s motory propojen hybridními kabely, které značně usnadnily kompletaci celého systému. Napájení je zajištěno zdrojem 24 V s proudem až 20 A, což je naprosto dostačující i v případě, že by každým z motorů protékal maximální dostupný proud 5 A. Schéma konfigurace je na obr. 2.

 

Řízení polohy a pohybu

První ze způsobů řízení je režim rampy, jehož rychlostní profil je lichoběžníkový. Jde o prosté nastavení požadované polohy každé z os, bez omezení proudu motorem. Zprovoznění tohoto způsobu řízení je založeno na důkladné znalosti principu funkce modulu řízení motoru. Komunikace procesoru a karty probíhá pomocí dvou slov o velikosti 16 bitů, kterými je možné nastavovat chování a číst stavy modulu. Veškeré potřebné informace jsou důkladně a srozumitelně popsány v dokumentaci. Tento způsob řízení rozhodně není jednoduchý, neobsahuje možnost vzájemného propojení os, není implementována jejich interpolace v prostoru a už vůbec není dostupné řízení plynulého rozběhu a brzdění. Jako výhodu bych viděl kompletní kontrolu nad tím, co se v programu děje, s možností jej poupravit, což u předem připravených konfigurovatelných balíčků mnohdy není možné.

Druhý způsob je řízení prostřednictvím knihovny Motorky, kterou vyvinula pobočka B&R Automation v Brně a která je používána v mnoha úlohách po celém světě nejen s krokovými motory. Prvotní oživení systému je díky přehledně zpracované dokumentaci znatelně jednodušší a intuitivnější než při řízení v režimu ramp. V základu pouze stačí propojit vstupy a výstupy funkčního bloku s procesorem a každou jednotlivou kartou řízení. Pro plynulejší průběh rychlosti je možné omezovat zrychlení, proudy, filtrovat vstupní hodnoty a spousty dalších nastavení. Opět však není možné propojovat jednotlivé osy mezi sebou a interpolovat jejich vzájemnou polohu. Výhodou je bleskové zprovoznění systému s jednou nebo několika navzájem nezávislými osami.

Třetí způsob řízení využívá komponentu mapp Motion s balíkem mapp Robotics, která od verze 5.9, jež byla oficiálně vydána na počátku roku 2020, podporuje řízení krokových motorů. Zprovoznění systému je záležitostí spíše konfigurace než programování, což značně spoří čas. Jako první ze způsobů řízení dokáže mapp Motion interpolovat vzájemnou polohu os díky možnosti jejich propojení a jednoduchému vložení popisu reálného modelu robotu, který je v tomto případě umocněn unikátností hardwarové sestavy paletizéru. Robot je díky této komponentně možné polohovat v několika přednastavených nebo uživatelských systémech souřadnic, např. pomocí velmi rozšířeného G-kódu. Ladění systému usnadňuje komponenta mapp Cockpit, což je v podstatě vizualizace vytvořená v mapp View umožňující sledování grafů rychlosti, polohy a zrychlení jednotlivých os, manuální polohování robotu, změny konfigurace modulů řízení v reálném čase bez nutnosti restartu a mnoho dalších možností ladění.

Porovnání zmíněných způsobů řízení bylo nutné doložit měřením jakosti pohybu, a to konkrétně měřením opakovatelnosti polohy, oteplení motorů a měřením akcelerace ve třech osách při cyklickém pohybu. Pro všechny tři způsoby řízení byl vytvořen identický program s devíti polohami každé z os, který byl cyklicky opakován. Cílem bylo dotknout se v každém cyklu panelu, který je umístěn před základnou robotu. Opakovatelnost polohy spočívá v přesnosti, s jakou robot dosahuje určitého bodu na panelu. Oteplení motorů při cyklickém pohybu vypovídá o schopnosti ovládat proud motorem během pohybu. Akcelerace měří velikost ryvu efektoru při pohybu (obr. 3; ryv je třetí derivace polohy).

Výsledky měření prokazují, že mapp Motion je nejlepší variantou řízení. Opakovatelnost polohy je srovnatelná s knihovnou Motorky, oteplení motorů při použití mapp Motion je nejmenší ze tří způsobů řízení a akcelerace při pohybu je výrazně lépe kontrolována než u knihovny Motorky a režimu ramp. Tento výsledek navíc umocňuje jednoduchost konfigurace s možností vzájemné interpolace os a další již zmíněné výhody. Řízení v režimu ramp neumožňuje řízení proudu během pohybu, což se projevilo zejména na grafu akcelerace. Pohyb je znatelně trhaný a vyžaduje velký proud, což má za následek velké oteplení motorů.

 

Smart Green Island Makeathon

Své nabyté zkušenosti z této velmi komplexní diplomové práce jsem využil také na akci Smart Green Island Makeathon na Kanárských ostrovech, kde jsem, spolu s dalšími jedenácti lidmi, zastupoval firmu B&R Automation při konstrukci prototypu automatizovaného zařízení pro třídění odpadu. Mým cílem zde bylo zprovoznit během tří dnů robot SCARA s využitím mapp Motion, což se povedlo a projekt zaznamenal velký úspěch. Celkem byly v prototypu dva delta-roboty a jeden robot SCARA, komunikující prostřednictvím OPC UA využívajícím hardware i software od B&R Automation.

 

Obhajoba diplomové práce

Obhájit tuto diplomovou práci nebyl problém, komise na VŠB-TUO měla možnost si vytvořený model robotu vyzkoušet a podělit se o nasbírané zkušenosti bylo pro mě příjemné a naplňující. Zpětnou vazbou byl velmi pozitivní přístup zkušební komise a výborný výsledek státní závěrečné zkoušky, který velkou měrou pomohl k získání červeného diplomu.

Do budoucna je na robotu velké množství práce. Je třeba přidat převodový systém, upravit mechaniku robotu, rozložení hmotnosti a rovněž vyvinout pro tento model použitelnou aplikaci. Mou představou je zmíněný kompaktní systém dostat do škol, kde by díky svým rozměrům a reálným vlastnostem mohl být cennou pomůckou při výuce robotiky a programování PLC, nejen na vysokých školách.

Na videozáznamu https://youtu.be/qrbeBkvM5vQ je vidět konfigurace řídicího systému, provedení robotu a průběh testování. Video je dostupné též prostřednictvím QR kódu umístěného v obr. 1.

Ing. Ondřej Petr

 

Ing. Ondřej Petr vystudoval Fakultu elektrotechniky a informatiky Vysoké školy báňské v Ostravě. Diplomovou práci obhájil v červnu 2020. Během studia pracoval jako stážista – aplikační inženýr ve firmě B&R Automation. V současné době, od září 2020, je softwarovým inženýrem ve firmě ICE Industrial Services.

Obr. 1. Robotický paletizační robot – sestava pro měření

Obr. 2. Logické schéma hardwaru konfigurace řízení paletizačního robotu

Obr. 3. Graf akcelerace pohonu – srovnání tří metod řízení