Ačkoliv akcelerace koncových bodů robotů tohoto typu může dosahovat až desítek m/s2 [1], maximální hodnota akcelerace chapadla byla zvolena jako 20% gravitačního zrychlení, tedy cca 2 m/s2, což je velmi důležitý údaj promítající se do velikosti setrvačných sil při výpočtu minimální potřebné síly stisku čelistí chapadla.
Odebírání probíhá v uzavřené místnosti s pokojovou teplotou, tedy v podmínkách s definovanými vlastnostmi, které také mohou hrát roli v návrhu chapadla či ovlivňování měření (faktory jako znečišťující prostředí, kolísání teploty, vzdušné či tekutinové proudy, vibrace apod. Žádné z vyjmenovaných ani dalších nezmíněných činitelů do řešené úlohy nezasahují). Jelikož se poloha odebíraného dílu určuje na základě kamerového systému, vzniká nutnost v manipulační úloze počítat s tím, že se objekt nachází v jiné poloze, než bylo vyhodnoceno systémem robotického vidění, a to zejména ve vertikální ose (důvodem je přepočet z plošného obrazu, který poskytuje kamera, na prostorový, získaný triangulační metodou díky 3D scanneru renomované fy SICK).
3.2. Layout laboratorního pracoviště
Prvním krokem v úspěšném implementování Bin Picking systému je volba vhodného layoutu (rozmístění, rozestavení) jednotlivých nejdůležitějších prvků, kterými jsou následující komponenty:
a) Průmyslová přepravka s odebíranými díly b) Vizualizační systém
c) Průmyslový angulární robot d) Odkládací stanoviště
31 Dalšími prvky, které zde přichází v úvahu, je pomocná poloha pro přesné uchopení dílu za pomoci speciální vychystávací pozice, většinou řešené mechanickým středěním (není povolena) a pomocná přídavná zařízení v podobě kontrolních či bezpečnostních zařízení.
Komponenty uvedené mimo seznam nebudou v úloze uvažovány, což redukuje počet řešených prvků na čtyři. Při návrhu layoutu bude postupováno postupně po jednotlivých komponentech tak, jak jsou uvedeny v seznamu.
Standardní kovová bedna VW 111902 (viz Obrázek 21) s vnějšími rozměry 1000x600x517 mm (vnitřní rozměry jsou 920x520x325) je používána ve firmě Škoda Auto pro přepravování ocelových lisovaných kotoučů v množství do 350 kusů v celkové hmotnosti cca 200 kg, přičemž maximální nosnost přepravky činí 1000 kg.
Pro detekci disků je na základě spolupráce firmy SICK s katedrou KSR zvolen scanner SICK RULER (podrobněji popsán v kapitole 2.3.3). Pro správnou funkci vision systému je nutné ho umístit ve správné výšce, která je rozvedena v kapitole s návrhem rámu (4.1).
Vzhledem k poměrně velkému rozsahu scanneru v horizontální rovině není nutné příliš se věnovat umístění přepravky pod přístrojem, který se v optimálním případě nachází přímo nad zásobníkem, tolerance pro nepřesnost umístění bedny je v podélném směru zvolena
±200 mm a v příčném směru ±100 mm pro bezproblémovou funkci, větší tolerance by pouze zbytečně zvyšovala velikost rámu a tím pádem rozměry celého pracoviště.
S přihlédnutím k velikosti přepravky a prostoru, který je nutné kolem ní ponechat jako rezervu, jsou půdorysné rozměry rámu navrhnuty na 1000x2000 mm.
Průmyslový robot vhodný pro řešení úlohy daného typu již má katedra k dispozici, jedná se o angulární robot KUKA KR 16-2 CR se šesti stupni volnosti, maximální nosností 16 kg a přesností polohování koncového bodu jeho příruby ±0,05 mm. Vhodným ho činí jak jeho nosnost (kromě hmotnosti dílu se musí počítat také s hmotností celého koncového efektoru), tak pracovní prostor, který je uveden na Obrázek 22.
Obrázek 21 - Přepravní bedna VW 111902 [35] Obrázek 22 - Pracovní prostor robotu KUKA KR 16-2 [36]
32 Pro vypracování layoutu pracoviště ve variantách je nejprve nutné přihlédnout k současné situaci v provozu. Ta je v řešena lidským pracovníkem, který ručně vykládá polotovary určené k následnému svařovacímu procesu z výše zmíněného kontejneru a umisťuje je na skluzový systém, kterým díly prochází otvorem v bezpečnostním plotu k dalšímu zpracování a který současně funguje jako zásobník. Ve výrobním závodě fy Škoda Auto byly zadány hrubé informace o stávajícím řešení a požadavky na řešení nové, tato diplomová práce je studií proveditelnosti automatizovaného odebírání náhodně orientovaných dílů. Pevné komponenty nového řešení je průmyslový robot KUKA KR 16 a 3D skener SICK RULER S2114, přičemž vzájemná poloha kontejneru a vizualizačního systému je předem daná jeho technickou dokumentací, lze tedy upravovat jejich umístění vůči robotu. Na základě těchto podmínek byly sestaveny 3 možné varianty:
3.2.1. Varianta A: Floor mount
Názvy konceptů jsou pojmenovány podle polohy průmyslového robotu, jejíž variace je předmětem vytvoření tří možných řešení. První varianta, ve které je robot upevněn „na zem“ je nejobvyklejší a nejjednodušší z hlediska montáže a přizpůsobení pracoviště; jak již vyplývá z názvu, robot je situován do vertikální polohy směrem vzhůru. To u angulárního robotu tohoto typu vytváří relativně velký pracovní prostor ve 360° rozsahu kolem vertikální osy, což ho činí vhodným zejména pro Pick & Place operace na větší vzdálenosti.
Vytvořit se musí pouze rám pro 3D skener s minimální nosností, důraz by měl být ale kladen na jeho tuhost pro co nejmenší vibrace vedoucí ke zhoršení kvality získaných 3D dat.
Obrázek 23 - Layout pracoviště varianty A - ISO pohled (vlevo), půdorys (vpravo)
33
3.2.2. Varianta B: Ceiling mount
V pořadí druhá varianta je realizována umístěním robotu opět ve vertikálním směru, ale v tomto případě se základnou nahoře a ramenem směřujícím směrem dolů. Toto řešení přináší výhodu v podobě spolehlivého pokrytí pracovní oblasti nacházející se pod robotem a o něco menšího půdorysného zástavbového prostoru, ve svislém směru dochází naopak k jeho poměrně velkému zvětšení, vertikální rozměry ale nejsou v tomto případě podstatné.
Při porovnání s variantou A se využitelné pracovní prostory robotu liší – ceiling mount se vyznačuje v půdorysném pohledu kruhovou pracovní oblastí, floor mount mezikruhovou. Od toho se odvíjí i trajektorie koncového bodu při manipulaci (nejkratší dráha pro pohyb z bodu X do bodu Y je úsečka, která s variantou A nemusí být dosažitelná), a tím pádem i časy manipulace.
Pro připevnění robotu v požadované pozici je nutné vyrobit masivní rám zachycující statické a dynamické síly způsobené robotem. Na již zmíněném rámu bude zároveň umístěn vizualizační systém v předepsané výši nad zásobníkem s díly. Nežádoucím jevem je vždy vznik vibrací, které se odvíjí od hmotnosti systému, jeho tuhosti a tlumení. Rozměrnější rám může znamenat sníženou hodnotu tuhosti, tedy větší pohybové výchylky. To vede potenciálně ke snížení přesnosti manipulátoru či zhoršení kvality snímaných 3D dat.
Obrázek 24 - Layout pracoviště varianty B - ISO pohled (vlevo), půdorys (vpravo)
34
3.2.3. Varianta C: Wall mount
Poslední základní možnost, jak průmyslový robot umístit, je v horizontální poloze. Při dosahování krajních bodů pracovní oblasti jsou na přírubu rámu vyvíjeny velké síly, opět tedy musí být dostatečně mohutný, aby byl schopen tyto síly zachytit bez vzniku výrazného pohybu rámu. Toto řešení je poměrně výhodné díky velkému pracovnímu prostoru v úrovni přepravky a skluzu. Kompaktnost je u všech řešení výrazně omezena nutností poskytnout vizualizačnímu systému nezakrytý výhled na zásobník, robot musí být tím pádem posunut tak, aby byl schopen pohled uvolnit.
Obrázek 25 - Layout pracoviště varianty C - ISO pohled (vlevo), půdorys (vpravo)
Jelikož je cílem práce sestavit testovací laboratorní pracoviště, přirozeně je tedy snaha navrhnout pokud možno co nejjednodušší a nejúčelnější zařízení schopné plnohodnotným způsobem plnit dané požadavky. Z toho důvodu byla zvolena varianta A, která poskytuje nejvýhodnější parametry z hlediska ceny, složitosti řešení a zástavbového prostoru.
Následující kapitoly jsou věnovány návrhům dílčích komponent, zpracovanému v podobě výkresové dokumentace, nacházející se v příloze.
3.3. Efektor
Pro manipulaci s objektem je nutné navrhnout a zkonstruovat chapadlo schopné plnit manipulační úlohu se zadanou součástí. V první řadě je nutné vyřešit několik základních otázek, které jsou založeny na požadavcích zákazníka, v tomto případě se jedná například o samostředící vlastnost, která při relativně nepřesném detekování objektu umožňuje přesnost zvýšit na přijatelnou hodnotu. To je v řešeném případě žádaný jev zvyšující přesnost uchopení, tím pádem je efektor navržen tak, aby k samovystředění došlo a to různými způsoby, které jsou uvedeny níže. Druhou otázkou je, kolik dílů má být odebíráno
35 najednou. Jelikož se musí po každém odebraném dílu z bezpečnostních důvodů provést sken, musel by pokaždé robot odjet do výchozí polohy, tím pádem odebírání více než jednoho dílu najednou ztrácí význam, nemluvě o velmi znatelném navýšení rozměrů efektoru. Další parametry a atributy chapadla jsou možné volit až po výběru hlavního principu, na kterém je úchopná hlavice založena. Základní a přehledné rozdělení, podle kterého je realizována volba chapadla, je uvedena ve skriptech Efektory průmyslových robotů:
Obrázek 26 - Charakteristika uchopení a držení objektu [37]
Tvarové držení by se v řešeném případě jen obtížně realizovalo, proto je zvoleno držení silové. Využití molekulárních sil je také nevhodné, vylučovací metodou tedy zbyly 3 způsoby uchopení objektu, které jsou na obrázku červeně vyznačeny, tedy držení magnetické, podtlakové nebo pomocí třecích sil. Ty budou dále rozebrány a pro konečnou aplikaci bude používána nejvýhodnější varianta, jejíž návrh bude následně detailně rozebrán.
3.3.1. Varianta A: Magnetické chapadlo
Protože není nutno manipulovat s objekty o vysoké hmotnosti nebo s velkými hodnotami zrychlení, dostačující síly poskytují magnety pasivní. Tím pádem je však potřebné určitým způsobem vyřešit upuštění předmětu. Dorazy pro uvolnění v tomto případě nejsou vhodné, proto je zvolen systém s nepohyblivým uvolňovacím dorazem na pneumatickém principu, držení i uvolnění dílu je navrženo za jeho horní mezikruhovou plošku, což umožňuje odebírat objekt pouze v poloze ležící na široké základně (samozřejmě s náklonem, který byl navolen na max. 30°). Vyvození úchopné síly zajišťují 4 zapuštěné
36 permanentní neodymové magnety, umístěné na speciálním kříži, o který se také objekt opírá. V případě upuštění dílu je kříž díky pneumotoru zasunut dovnitř chapadla, čímž se hliníkovým válcem odtlačí od magnetů a díl za působení gravitační síly opouští chapadlo.
Chapadlo je zpracováno formou výkresové dokumentace (viz 3-DP S15000338-1-5-00).
Obrázek 27 - Magnetické chapadlo s drženým objektem
3.3.2. Varianta B: Pneumatické chapadlo
Dalším možným řešením je manipulování s předmětem díky podtlakovému držení.
Zdrojem vakua je ejektor, který byl zvolen díky svému optimálnímu poměru sacího výkonu (ten zde nemusí dosahovat příliš vysokých hodnot) a úrovně vakua (viz Obrázek 28), výhodou je i jeho jednoduchá konstrukce (viz Obrázek 29) a tím pádem nízká pořizovací cena oproti ostatním zdrojům vakua.
Obrázek 28 - Porovnání charakteristik zdrojů vakua [37] Obrázek 29 - Princip ejektoru [37]
37 Podtlakové uchopování je oblíbeným způsobem držení předmětu především z důvodu celkové ceny a jednoduchosti chapadla. Pro kontakt přísavek s objektem je výhodné zde zvolit mezikruhovou širokou plochu nacházející se přibližně uprostřed výšky objektu (viz Obrázek 30). Z důvodu nutnosti určité míry přizpůsobení přísavky povrchu kvůli nahodilosti předmětů a relativní nepřesnosti 3D skeneru je zvolen skládaný typ přísavky s 1,5 záhybem.
Pro zamezení přílišného pohybu při deformaci přísavek zavedením vakua je implementován dorazový systém v podobě plastových dorazů pro daný typ přísavky našroubovaných do těla chapadla. Rozvod vakua pro jednotlivé přísavky je pak řešen utěsněným kanálkem vytvořeným spojením dvou válcových desek z hliníkové slitiny (viz výkresy v příloze). Zde opět vzniká problém s dostupným odebráním pouze v jedné poloze z toho důvodu, že naváděcí trn nelze navrhnout příliš dlouhý - s velkou pravděpodobností by kolidoval s ostatními díly v zásobníku. Teoreticky by bylo chapadlo schopné díl odebrat a v obrácené poloze, nebylo by však docíleno přesného uchopení bez mezipolohy, což je jedním ze zadaných kritérií. Detailně lze konstrukci pozorovat v sestavném výkresu 3-DP S15000338-1-3-00 a dále v jednotlivých výrobních výkresech.
Obrázek 30 - Pneumatické chapadlo s drženým objektem
3.3.3. Varianta C: Mechanické chapadlo
Poslední uvažovanou možností je držení objektu čelistmi, využívajíce třecích sil vyvozených úchopnou silou, jejímž původem může být pohon v podobě elektromotoru, pneumotoru, hydromotoru nebo v případě pasivního efektoru např. pružina. Jelikož není nutné dosahovat extrémně velkých úchopných sil a rychlost uchopení objektu je výhodné navrhnout tak, aby byla pokud možno co nejvyšší, pneumaticky poháněné chapadlo je zde nejlepší volbou. Středící trn je v tomto případě zbytečný, protože je možné samostředění
38 realizovat přímo tvarem čelistí. Z důvodu absence středícího trnu lze úchopné prvky navrhnout tak, aby bylo možné objekt odebrat v obou popsaných polohách, od čehož se také bude odvíjet volba ploch, za které bude předmět držen. Sice by se objekty v zásobníku měly nacházet pouze v základní poloze, při neopatrné manipulaci však může dojít k jejich přemístění, tato míra flexibility bude hrát při výběru vhodného chapadla významnou roli.
Obrázek 31 - Mechanické chapadlo s drženým objektem
Jelikož je vyžadována určitá míra flexibility pro podobné díly (vysvětleno níže), uchopování bude mechanického charakteru. Pro objekty válcových tvarů se s výhodou využívá pro držení jejich cylindrických ploch (viz Obrázek 36 - Výběr umístění ploch pro uchopení, vyznačeno modře), které mají při vhodně zvolených čelistech samostředící charakter, kompenzující nepřesnosti uchopování v horizontální rovině vnesené do systému optickým zařízením (3D skener). Dle zadání se může díl v kontejneru nacházet v poloze ležící jak na široké základně, což je standardní případ, nebo na úzké základně (tato poloha může vzniknout například neopatrnou manipulací s přepravkou), takže je nutné zvolit variantu, ve které musí být úchopy realizovány za obě plochy. Ve standardní poloze je využito menší válcové plochy, vyvození úchopných sil je způsobeno rozevřením čelistí, jejich sevření potom způsobuje úchop za druhou plochu při odebírání v odpovídající poloze.
Technická dokumentace tohoto efektoru se opět nachází v příloze s označením 3-DP S15000338-1-3-00.
39
4. Návrh komponentů laboratorního pracoviště
Tato kapitola je věnována kompletnímu návrhu pracoviště pro Bin Picking úlohu, kdy jsou podkapitoly zaměřeny na jednotlivé komponenty, které při vzájemné součinnosti umožňují manipulovat s náhodně loženými předměty. Veškerá výkresová dokumentace se nachází v příloze, zde budou rozebrány důležité body při jejich návrhu.
4.1. Rám
První komponenta, kterou je nutné popsat a zkonstruovat, je rám sloužící především pro docílení vzájemné polohy 3D skeneru vůči bedně s výrobky. Nejdůležitějším parametrem pro navolení rozměrů je požadovaná vzdálenost skeneru od kontejneru, která se má podle technické dokumentace pohybovat od 1000 do 2000 mm, pro spolehlivé obsáhnutí celé pracovní oblasti s rezervou a co největší jemnosti bodového mračna byla tato vzdálenost zvolena na 1500 mm.
Rámy podobných typů se v dnešní době nejvíce liší použitými materiály a technologií, kterou je docíleno spojení dílčích součástí, ze kterých se výsledný rám skládá. V podstatě je nejzákladnější rozdělení následující:
a) Svařované konstrukce
- Tento klasický přístup umožňuje vytvořit konstrukci snést vysoká zatížení, nejčastějším používaným materiálem je zde ocel.
- Svařovací technologie je v tomto případě silnou stránkou i slabinou – svary umožňují vytvoření velmi pevných nerozebíratelných spojení (nehrozí rozpojení či uvolnění), ale také mohou vnášet pnutí do rámu, které se může projevit v podobě jeho zkroucení. Pokud jsou vyžadovány přesné rozměry, téměř vždy musí svařování následovat obrábění či broušení což je v případech velkých rámů nákladné.
b) Modulární konstrukce
- Celý rám je sestrojen v drtivé většině z hliníkových extrudovaných profilů, spojených vzájemně různými způsoby. Jedná se o rozebíratelná spojení pomocí konektorů či úhelníků zajišťující tuhé konstrukce o vysoké tuhosti s vibracemi tlumícími schopnostmi.
- Výhodou je vysoká škála různých profilů, které lze sestavit téměř jakkoliv, včetně celé řady nabízených příslušenství.
- Lze docílit vysokých přesností během krátké doby montáže.
c) Zámečková konstrukce
- Unikátní přístup, na jehož optimalizaci se podílí katedra KSR, principem jsou laserem obrobené stavebnicové díly, které se vzájemně propojí a zaháknou zámečky a svaří se pouze tak, aby nedošlo k uvolnění
- Do konstrukce se nezanáší síly, namáhání je přenášeno tvarově díky zámečkům - Vhodné pro malé až středně velké konstrukce
40 Rám je založen na modulární konstrukci, důvodem pro tuto volbu je snadná montáž, doprava nesestaveného rámu, rychlost dodání, velikost a možnost eventuálních úprav či pozdějšího demontování. Upevnění skeneru k rámu je realizováno za 3 otvory s metrickým závitem na zadní straně zařízení za pomoci úhelníků, celý rám stojí na zemi na nohách s nastavitelnou výškou – viz příloha 2-DP S15000338-1-1-00.
Obrázek 32 - Upevnění 3D skeneru Obrázek 33 - Celkový pohled na rám se skenerem a přepravku s díly
4.2. Efektor
Zadání vyžaduje uchopování součásti ve dvou polohách (natočení kolem osy rotace objektu není uvažováno, jelikož je součást osově symetrická) a to v případě dílu ležícího jak na široké základně, tak na úzké části v obou případech s naklopením roviny základny do 30°. Základní rozdělení typu úchopu je určeno počtem úchopných prvků;
z důvodu možné pozice odebíraného dílu v rohu bedny vzniká nutnost při poloze dílu ležícího na úzké části, aby byl uchopován na jedné straně (směrem do roku kontejneru) pouze jedním kontaktem, na opačné straně jsou tedy tím pádem logicky zvoleny kontakty dva, pro dosažení statické určitosti kromě otáčení kolem osy rotace a vertikálního směru, ve kterém jsou síly zachycovány třením. V poloze ležící na široké straně problém způsobený rohem pracovního prostoru nevzniká, je tedy volen čtyřikrát čárový kontakt.
41 Jeden pohyblivý úchopný prvek je v našem případě nevhodný, z důvodu již zmíněné nepřesnosti, která je vnesena kamerovým systémem - při použití jednoho ÚP by docházelo při uchopení k přemístění objektu až do kontaktu s pevnou čelistí, což je v řešeném případě nežádoucí. Dále přichází v úvahu chapadla se dvěma nebo třemi ÚP.
Z důvodu již zvolených kontaktů a efektoru, který je již na katedře k dispozici, je tedy vybráno chapadlo se dvěma posuvnými úchopnými prvky.
První způsob uchopení je realizován za vnitřní válcovou plochu (Obrázek 34). Byly zvoleny čelisti s celkem čtyřmi čárovými kontakty, kdy vzniká staticky neurčitá úloha.
Pro tento typ manipulačních úloh však tento případ nezpůsobuje výrazné případy a v průmyslové praxi je uchopování tohoto typu za válcovou plochu běžné.
V druhém případě je z prostorových důvodů snížen počet kontaktů na 3 (Obrázek 35), které jsou všechny bodového charakteru z důvodu, že plocha, na kterou dosedají čelisti, je kuželovitá. Tím pádem dochází ke kontaktu pouze v rovině s největším průměrem kuželu. Ve skutečnosti nikdy síly nepřenáší jeden bod, ale vždy se z tvarových a deformačních důvodů síla rozloží na plošku určité velikosti.
Obrázek 34 - Znázornění rozmístění kontaktů mezi chapadlem a objektem v první poloze (vyznačeno
červeně)
Obrázek 35 – Znázornění rozmístění kontaktů mezi chapadlem a objektem v druhé poloze (vyznačeno
červeně)
42
4.2.1. Výpočet velikosti úchopných sil
Tato kapitola je věnována návrhu chapadla na numerické úrovni, kde je vyšetřována velikost úchopných sil efektoru především pomocí silové rovnováhy v případě obou výše zmíněných variant držení objektu. Prvním krokem je volba materiálu čelistí. Od toho se dále odvíjí vypočtené hodnoty při silovém držení dílu.
Tabulka 2 - Hodnoty koeficientu tření µ pro různé kontaktní materiály [1]
Kontaktní materiály Koeficient tření µ pro kontaktní povrch suchý čistý znečištěný/mazaný
Povrch není nikterak odmaštěný ani speciálně očištěný, koeficient tření je zvolen 0,1 pro zvýšení bezpečnosti. Vzhledem k relativně vysokým úchopným silám byl v druhé iteraci zvolen materiál čelistí ocel místo duralu z důvodu vyšších hodnot pevnosti a tvrdosti (tím pádem otěruvzdornosti).
V zásadě se výpočet úchopné síly rozděluje do dvou různých metod. První se nazývá orientační výpočet úchopné síly a používá se pouze v některých jednodušších případech
V zásadě se výpočet úchopné síly rozděluje do dvou různých metod. První se nazývá orientační výpočet úchopné síly a používá se pouze v některých jednodušších případech