AVTOMATIZIRANA ROBOTSKA CELICA S SISTEMOM FANUC … · robotov proizvajalca Fanuc. Konkretno je v aplikaciji, ki je opisana v mojem diplomskem delu uporabljen robot Fanuc M-710iC/50

Aleš Škrobar

AVTOMATIZIRANA ROBOTSKA CELICA S

SISTEMOM FANUC VISION

Diplomsko delo

Maribor, maj 2013

Aleš Škrobar, Diplomsko delo I

Diplomsko delo visokošolskega študijskega programa

AVTOMATIZIRANA ROBOTSKA CELICA S SISTEMOM

FANUC VISION

Diplomsko delo

Študent: Aleš Škrobar

Študijski program: visokošolski, elektrotehnika

Smer: avtomatika in robotika

Mentor: red. prof. dr. Riko Šafarič

Somentorica: doc. dr. Suzana Uran

Maribor, maj 2013

Aleš Škrobar, Diplomsko delo II

Aleš Škrobar, Diplomsko delo III

ZAHVALA

Za pomoč pri nastajanju diplomskega dela se

zahvaljujem obema mentorjema, red. prof. dr.

Riku Šafarič in doc. dr. Suzani Uran.

Zahvalo namenjam tudi g. Alešu Simon za vso

strokovno pomoč in podporo s strani robotov

Fanuc.

Hvala tudi mojim sodelavcem, ki so me podpirali

in nadomeščali v času študija.

Posebno zahvalo namenjam mojim domačim za

vso podporo in spodbujanje v času študija.

Aleš Škrobar, Diplomsko delo IV

AVTOMATIZIRANA ROBOTSKA CELICA S SISTEMOM

FANUC VISION

Ključne besede: robot, robotska celica, robotski vid, kamera.

UDK: 681.51:007.52(043.2)

Povzetek:

Za podjetje, ki je močno vpeto v avtomobilsko industrijo, smo izdelali že več popolnoma

avtomatiziranih linij za izdelavo zobatih vencev avtomobilskih vztrajnikov. Avtomatizirana

linija med sabo povezuje različne obdelovalne stroje (rezkanje, kaljenje, struženje,

merjenje). Za posluževanje med stroji je na avtomatizirani liniji nameščenih več različnih

robotov proizvajalca Fanuc. Konkretno je v aplikaciji, ki je opisana v mojem diplomskem

delu uporabljen robot Fanuc M-710iC/50 z nameščeno pnevmatsko prijemalno glavo

prilagojeno za pobiranje zobatih vencev s stolpca na transporterju. Na fiksnem delu, na

mestu pobiranja, je nameščena robotska kamera, ki skrbi za nastavljanje položaja robota

pri pobiranju, saj je stolpec zobatih vencev med transportom pogosto nagnjen ali

raztresen v več smeri. S kamero tako kontroliramo nagnjenost in raztresenost stolpca in

na podlagi tega spreminjamo koordinate robota pri pobiranju. Naloga kamere je tudi

zaznavanje zadnjega kosa na transporterju in nastavljanje položaja robota pri pobiranju

novega kosa z novega stolpca, saj tudi ustavljanje na transporterju kljub mehanski blokadi

zaradi vztrajnosti ni optimalno.

Aleš Škrobar, Diplomsko delo V

AUTOMATED ROBOT CELL WITH FANUC VISION

SYSTEM

Key words: robot, robot cell, robot vision, camera.

UDK: 681.51:007.52(043.2)

Abstract:

For a company strongly presented in automotive industry we have made several

completely automated lines for production of gear rings. Automated line links together

different machines (milling, hardening, turning machine, measurement). For operation

between the machines there are Fanuc robots placed on automated line. Application

presented in this paper work is using robot Fanuc M-710iC/50 with pneumatic head for the

purpose of collecting gear rings from transporter. On fixed / collection part there is a

robotic camera assuring appropriate position of a robot, because column of gear rings

often inclined or distracted in different directions. On this basis one is able to change

coordinates on collection. Camera also perceives the last piece on transporter and

adjusting position of robot while collecting new pieces from a new column. Due to

persistence, stopping on transporter is not optimal regardless of mechanical interlock.

Aleš Škrobar, Diplomsko delo VI

KAZALO VSEBINE

1 UVOD ........................................................................................................................ 1

2 ROBOT FANUC ......................................................................................................... 4

2.1 Predstavitev robota ............................................................................................. 4

2.2 Tehnični podatki robota ...................................................................................... 7

2.3 Upravljanje robota............................................................................................... 8

2.4 Prijemalo robota ................................................................................................11

2.5 Robotska celica .................................................................................................12

3 ROBOTSKI VID ........................................................................................................13

3.1 Teorija robotskega vida .....................................................................................13

3.2 Predstavitev kamere in značilnosti .....................................................................20

3.3 Povezava kamere v sistem Fanuc Vision ...........................................................22

3.4 Nastavitev kamere .............................................................................................23

3.5 Programska oprema in nameščanje ..................................................................24

3.6 Nastavitev sistema Fanuc Vision V-500iA/2DV ..................................................25

4 IZVEDBA ROBOTSKEGA PROGRAMA ...................................................................28

4.1 Opis naloge .......................................................................................................28

4.2 Gibanje robota ...................................................................................................34

4.3 Diagram poteka .................................................................................................37

4.4 Program za nastavljanje položaja robota s sistemom Fanuc Vision ...................39

4.5 Opis programa ...................................................................................................42

5 SKLEP ......................................................................................................................47

6 VIRI IN LITERATURA ...............................................................................................50

7 PRILOGE..................................................................................................................52

Aleš Škrobar, Diplomsko delo VII

KAZALO SLIK

Slika 2.1: Robot Fanuc M-710iC/50 .................................................................................. 4

Slika 2.2: Ročna konzola robota ....................................................................................... 6

Slika 2.3: Koordinatni sistemi robota ................................................................................. 9

Slika 2.4: Prijemala robota ...............................................................................................11

Slika 2.5: Robotska celica ................................................................................................12

Slika 3.1: Perspektivistična projekcija ..............................................................................13

Slika 3.2: Ekvivalentna ravnina slike ................................................................................14

Slika 3.3: Postavitev koordinatnih sistemov pri geometrijski projekciji robotskega vida ....17

Slika 3.4: Preslikava treh točk ..........................................................................................19

Slika 3.5: Kamera Sony XC-HR50 ...................................................................................20

Slika 3.6: Komponente kamere Sony XC-HR50 ...............................................................20

Slika 3.7: Povezava kamere v sistem Fanuc Vision .........................................................22

Slika 3.8: Zadnja stran kamere za nastavitve ...................................................................23

Slika 3.9: Kalibracija kamere ............................................................................................26

Slika 3.10: Projekcija mrežastega vzorca v kameri ..........................................................26

Slika 3.11: Različni primeri spremembe koordinatnega izhodišča robotovega prijemala ..27

Slika 4.1: Avtomatizirana linija za izdelavo zobatih vencev ..............................................29

Slika 4.2: Težave robota pri pobiranju kosov ....................................................................30

Slika 4.3: Pobiranje zobatega venca s transporterja ........................................................31

Slika 4.4: Namestitev kamere z dodatno osvetlitvijo .........................................................32

Slika 4.5: Kako kamera vidi stolpec zobatih vencev? .......................................................33

Slika 4.6: Prikaz gibanja robota ........................................................................................36

Slika 4.7: Diagram poteka robotskega programa za vision sistem....................................38

Aleš Škrobar, Diplomsko delo VIII

KAZALO TABEL

Tabela 2.1: Tehnični podatki robota Fanuc M-710iC/50 .................................................... 7

Tabela 3.1: Tehnični podatki kamere Sony XC-HR50 ......................................................21

Aleš Škrobar, Diplomsko delo IX

UPORABLJENE KRATICE IN SIMBOLI

2D dvodimenzionalna slika

3D tridimenzionalna slika

A/D analogno / digitalna pretvorba

ASCII American Standard Code for Information Interchange

DC Direct Current

fps Frames per second

HD High-definition video

IP Ingress Protection Rating, ponekod tudi

International Protection Rating

J1, J2, J3, J4, J5, J6 Oznake osi robota

PUMA Programmable Universal Manipulation Arm TCP Tool Center Point

VD Video digital

VGA Video Graphic Array

Aleš Škrobar, Diplomsko delo 1

1 UVOD

V diplomskem delu sem želel svoje pridobljeno znanje pri predmetu ROBOTIKA I in

ostalih strokovnih predmetih, ki sem jih poslušal v času študija, še nadgraditi s praktičnim

delom. Področje robotike je močno povezano in vpeto v različne industrijske procese, ki

jih med delom srečujem. Robotika je področje, ki si je v industrijskih okoljih že pred časom

izborilo svoj prostor in je z različnimi aplikacijami in novimi tehnološkimi rešitvami še

vedno v precejšnjem vzponu.

Ker sem se skozi moje delo v razvojnem podjetju srečal z zanimivo robotsko aplikacijo z

vgrajenim robotskim vidom, ki skrbi za korekcijo nastavljanja položaja robota pri pobiranju

kosov s transporterja, sem se odločil to področje podrobneje raziskati in opisati.

Za podjetje, ki je močno vpeto v avtomobilsko industrijo, smo izdelali že več popolnoma

avtomatiziranih linij za izdelavo zobatih vencev avtomobilskih vztrajnikov. Avtomatizirana

linija med sabo povezuje različne obdelovalne stroje (rezkanje, kaljenje, struženje,

merjenje). Za posluževanje med stroji je na avtomatizirani liniji nameščenih več različnih

robotov proizvajalca Fanuc. Konkretno je v aplikaciji, ki je opisana v mojem diplomskem

delu uporabljen robot Fanuc M-710iC/50 (6 osni rotacijski – antropomorfni ″PUMA1″ robot)

z nameščeno pnevmatsko prijemalno glavo prilagojeno za pobiranje zobatih vencev s

stolpca na transporterju. Na fiksnem delu, na mestu pobiranja, je nameščena robotska

kamera Sony XC-HR50, ki skrbi za nastavljanje položaja robota pri pobiranju, saj je

stolpec zobatih vencev med transportom pogosto nagnjen ali raztresen v več smeri. S

kamero tako kontroliramo nagnjenost in raztresenost stolpca in na podlagi tega

spreminjamo koordinate robota pri pobiranju. Naloga kamere je tudi tipanje zadnjega kosa

na transporterju in nastavljanje položaja robota pri pobiranju novega kosa z novega

stolpca, saj tudi ustavljanje na transporterju kljub mehanski blokadi zaradi vztrajnosti ni

optimalno.

1 Univerzalna programabilna roka industrijskega robota povzeta po človeški zgradbi roke.


Na začetku zagona avtomatizirane linije so se na mestu pobiranja zobatih vencev s

transporterja pojavljale velike težave zaradi nagnjenosti in raztresenosti stolpca zobatih

vencev. Ti zaradi potrebe po ohlajanju po postopku kaljenja najprej potujejo skozi več

verižnih transporterjev. Na prehodih med transporterji se stolpec višine okrog 800 mm

pogosto nagne, posamezni zobati venci v njem pa se raztresejo v več smeri. Ko takšen

stolpec prispe na zadnji transporter je pogosto tako nagnjen in raztresen, da je bilo

pobiranje zobatih vencev z robotom praktično nemogoče in na liniji so se pojavljali zastoji.

Prav tako je bil stolpec večkrat zamaknjen v levo ali desno stran. Druga težava, ki se je

pojavljala, je bilo tipanje zadnjega kosa na transporterju. Tipanje prisotnosti je bilo sprva

izvedeno z zrcalno zaporo, vendar zaradi različnih debelin zobatih vencev nezanesljivo.

Posledično je zaradi tega večkrat prišlo do nenadzorovanega premika stolpcev zobatih

vencev na transporterju in tako do trka robota v stolpec. To je povzročalo poškodbe na

prijemalih robota, močno krajšanje življenjske dobe robota in seveda dolge zastoje na

liniji, ki pa so v tem času nesprejemljivi.

V ta namen je bila na tej lokaciji predlagana rešitev uporabe robotskega vida. Nad zadnjim

stolpcem na transporterju smo namestili fiksno nameščeno dvodimenzionalno kamero

Sony XC-HR50 s sistemom Fanuc Vision V500iA/2DV. S kamero gledamo in določimo

center stolpca, ki predstavlja tudi center robotovih prijemal. S tem zlahka ugotovimo koliko

je zgornji zobati venec v stolpu zamaknjen in korigiramo koordinate robota za pobiranje.

Prijemala robota so izdelana tako, da se pri pobiranju naslonijo na zgornji rob zobatega

venca. Tu koristimo senzor za merjenje sile in tako določimo globino pomika robota, ki je

potrebna za prijem kosa. V primeru, da je zobati venec zamaknjen, ga robot ne bo mogel

prijeti, zato bo izvršil prijem v prazno. Pri ponovnem poizkusu bo kamera robotu že

sporočila korekcijo zamika in prijem zobatega venca bo uspešen.

Z vlogo kamere pri pobiranju zadnjega kosa s transporterja smo se rešili nezanesljivega

delovanja zrcalne zapore. Kamera zazna, da je bil s transporterja pobran zadnji kos in

kdaj je transporter prazen. Preko digitalnih signalov sporoči transportnemu sistemu, da se

lahko izvrši premik stolpcev zobatih vencev naprej. Ko kamera ponovno zazna zobati

venec, robotu sporoči koordinate centra in podatek, da je na transporterju nov stolpec

zobatih vencev. Robot v tem primeru preide v režim za tipanje višine stolpca, v katerem

se s počasnim premikom približuje vrhu stolpca. Ko senzor za merjenje sile zazna

nastavljeno silo, robot ve da je dosegel vrh stolpca in preide v normalni režim za pobiranje

zobatih vencev s transporterja.


V naslednjem poglavju diplomskega dela je opisan robot Fanuc M-710iC/50 (opis

mehanske enote, krmilne enote in ročne konzole), njegovi tehnični podatki in način

upravljanja (načini gibanja, ročno pomikanje, programiranje). Prav tako je zaradi lažjega

razumevanja problematike na kratko opisana izvedba robotske celice v kateri je

nameščen robot z robotskim vidom.

V tretjem poglavju je na kratko predstavljena teorija robotskega vida. Tu je podrobneje

opisana kamera s svojimi značilnostmi, način povezave kamere z robotom, postopek

kalibriranja kamere, potrebna programska oprema, način instaliranja in postopek

programiranja kamere in Fanuc Vision sistema.

Četrto poglavje predstavlja jedro diplomskega dela v katerem je podrobno predstavljena

problematika zaradi katere je bilo potrebno uporabiti robotski vid, analiza problematike,

podrobna predstavitev uporabljenih rešitev, delovanje in predstavitev programa izvedbe

robotskega vida v aplikaciji.


2 ROBOT FANUC

2.1 Predstavitev robota

Robot serije M-710iC/50 predstavlja zadnjo generacijo 6 osnih rotacijskih

(antropomorfnih2) industrijskih robotov namenjenih za srednje obremenitve. Robot je

primeren za različne možnosti uporabe (prenašanje materiala, posluževanje obdelovalnih

centrov, nameščanje elementov, pakiranje in paletiziranje, varjenje, uporabo v livarstvu,

uporabo v okoljih z visokimi temperaturami…). Uporaba robota pri aplikacijah z zelo hitrimi

pomiki še vedno zagotavlja dobro nastavljanje položaja in ponovljivost. Robot je zgrajen z

IP67 zaščito, kar omogoča njegovo uporabo tudi v agresivnejših okoljih. Vsaka od osi

robota ima svoj reduktor. Osi v zapestju so vgrajene ena v drugo tako, da na samem

zapestju robota ni motorjev [10].

Slika 2.1: Robot Fanuc M-710iC/50

2 Antropomorfni robot je robot s samimi rotacijskimi sklepi, katerega gibanje je podobno

gibanju človeške roke [1].


Prednosti in značilnosti robota so:

o več rešitev za namestitev zunanjih komponent (prijemalna glava, ventili,

senzorji...),

o vitka roka in gibljivo zapestje omogoča gibanje v omejenih prostorih,

o robot je zasnovan tako, da ne potrebuje protiuteži,

o možna velika bremenitev J3-osi (do 15 kg),

o pripravljena električna in pnevmatska instalacija za enostavno priključitev orodja,

o robustno zapestje omogoča prenašanje težkih obdelovancev,

o velika hitrost, ki omogoča optimalne taktne čase,

o zasnova robota s čim manj komponentami, kar poveča zanesljivost delovanja in

zmanjša možnosti okvar,

o veliko območje dosega vrha robota,

o 360° vrtenje J1-osi robota,

o omogočeno nastavljanje hitrega ustavljanja robota v oseh J1, J2 in J3 [10].

Krmilna enota robota R30iA/R-J3C je ločena od same mehanske enote robota. Na vratih

krmilne enote je nameščeno glavno stikalo za vklop napajanja robota, osnovne komandne

tipke in lučke (rdeča gobasta tipka blokadne izvedbe za izklop v sili, preklopnik s ključem

za izbiro režima delovanja robota, zelena tipka za vklop avtomatskega cikla delovanja,

modra tipka za brisanje napake, bela lučka za prikaz vklopljenega napajanja in rdeča

lučka za prikaz napake) in števec delovnih ur robota. Znotraj krmilne enote robota se

nahajajo servo regulatorji posameznih pogonov osi, krmilnik z vhodno / izhodnimi

perifernimi enotami in varnostna elektronika. Krmilnik lahko komunicira s sodobnimi

komunikacijskimi protokoli (ethernet, profibus, DeviceNet, CCLink). Varnostna elektronika

je namenjena priključitvi varnostnih signalov za vrata robotske celice, rdeče gobaste tipke

blokadne izvedbe za izklop v sili in varnostne signale za delovanje krmilne enote. Vsi

varnostni signali se priključujejo dvokanalno. Na krmilni enoti je običajno nameščena tudi

ročna konzola (Teach iPendant) za upravljanje z robotom. Z ročno konzolo ga lahko ročno

upravljamo, programiramo, spreminjamo program in parametre, spremljamo diagnostiko,

spremljamo stanja digitalnih vhodov / izhodov, simuliramo pogoje za delovanje [11].


Na čelni strani ročne konzole najdemo naslednje pomembnejše elemente:

o rdeča gobasta tipka blokadne izvedbe za izklop v sili,

o preklopnik za vklop / izklop ročne konzole (ON / OFF),

o barvni LCD zaslon,

o funkcijske F1 – F5 za potrditev trenutne funkcije na zaslonu,

o tipka MENU za vstop v menijska okenca robota,

o tipka FCTN za priklic podmenija,

o kurzorske tipke za pomikanje med meniji na zaslonu,

o numerične tipke za vnos parametrov,

o tipka STEP za izvajanje programa po korakih,

o tipka ENTER za potrditev vstopa v izbrani meni ali za potrditev vnosa,

o tipke za ročno pomikanje robota (za vseh 6 osi J1, J2, J3, J4, J5 in J6),

o tipka HOLD za ″mehko″ ustavljaje robota,

o tipki FWD in BWD za izvrševanje programa naprej / nazaj,

o programske tipke (SELECT, EDIT, DATA) za izvršitev programskih funkcij,

o tipki ″+%″ in ″-%″ za dviganje oziroma zmanjševanje hitrosti pomikanja robota [2].

Na zadnji strani ročne konzole je sprožilec - varnostno stikalo (deadman) za ročno

pomikanje robota [2].

Slika 2.2: Ročna konzola robota


2.2 Tehnični podatki robota

Tehnični podatki robota Fanuc M-710iC/50 so predstavljeni v spodnji tabeli [10]:

Tabela 2.1: Tehnični podatki robota Fanuc M-710iC/50

TEHNIČNI PODATEK

VREDNOST

Število osi 6 Maksimalna obremenitev 50 kg Maksimalna obremenitev J3-osi 15 kg Maksimalni doseg 2050 mm Ponovljivost ±0,07 mm Radij robota 368 mm

Območje gibanja posamezne osi robota

J1 320 ° / 360 ° / 370 ° J2 225 ° J3 440 ° J4 720 ° J5 250 ° J6 720 °

Hitrost gibanja posamezne osi robota

J1 175 °/s J2 175 °/s J3 175 °/s J4 250 °/s J5 250 °/s J6 335 °/s

Moment v zapestju J4 206 Nm J5 206 Nm J6 127 Nm

Vztrajnostni moment zapestja

J4 28 kg⋅m2 J5 28 kg⋅m2 J6 11 kg⋅m2

Mehanska zavora na vseh oseh Teža 560 kg Temperaturno območje delovanja 0 °C do +45 °C Vlažnost 75 % ali manj Povzročanje vibracij 4,9 m/s2 ali manj (0,5 G ali manj) IP zaščita telo robota IP54, zapestje IP67


2.3 Upravljanje robota

Ročno upravljanje robota poteka preko tipk za ročno pomikanje na ročni konzoli, na kateri

moramo držati pritisnjeno stikalo sprožilca (deadman) z vključenim stikalom za

programiranje. Za gibanje robota v ročnem režimu moramo poznati koordinatne sisteme

robota, saj se ta lahko giblje v petih različnih koordinatnih sistemih med katerimi

preklapljamo s tipko COORD:

o Kartezični (pravokotni) koordinatni sistem (WORLD FRAME) je osnovni

koordinatni sistem robota, kjer so osi X, Y in Z med seboj pravokotne. Ta

koordinatni sistem je določen z zgradbo robota in se ga ne da spreminjati.

o Notranji koordinatni sistem (JOINT FRAME) predstavlja vrtišče vsake osi okrog

svojega središča in ga tudi ni možno spreminjati.

o Koordinatni sistem orodja (TOOL FRAME) lahko določimo poljubno in

predstavlja relativno gibanje okrog koordinatnega izhodišča (lahko določimo

poljubno), ki je definirano kot center orodja (Tool Center Point – TCP). Privzeti

TCP se nahaja na sredini prirobnice J6-osi. Koordinatni sistem orodja lahko

določimo po metodi treh točk (definiramo tri položaje iz treh smeri), metodi šestih

točk (definiramo tri položaje iz treh smeri in dodatne tri točke, ki definirajo smer) ali

z direktnim vnosom (potrebujemo natančne podatke proizvajalca orodja).

o Uporabniški koordinatni sistem (USER FRAME) je prav tako kartezični

(pravokotni) koordinatni sistem, le da mu lahko izhodišče določimo poljubno, ni pa

to nujno in obnaša se kot kartezični koordinatni sistem. Uporabniški koordinatni

sistem določimo po metodi treh točk (definiramo tri položaje iz treh smeri).

o JOG koordinatni sistem (JOG FRAME) se uporablja za lažje premikanje robota v

ročnem režimu in se uporablja kadar je ravnina gibanja različna od privzete [2] in

[5].


S pomočjo koordinatnih sistemov določamo položaj vrha robota v prostoru oziroma orodja

robota v prostoru, kjer je njegova lokacija določena s koordinatami X, Y in Z v milimetrih

(mm) in orientacijami R (nagib – roll), P (naklon – pitch) in Y (odklon – jaw), ki

predstavljajo rotacije okrog X, Y in Z v stopinjah (°). Vrh robota predstavlja sečišče vseh

treh osi, ki predstavljajo orientacijo robota in središčna točka prijemala robota skupaj z

orientacijo robota [5] in [6].

Slika 2.3: Koordinatni sistemi robota


Pred začetkom programiranja poti gibanja robota kreiramo robotski program in ga

poimenujemo. Za kreiranje robotskega programa uporabimo učni postopek robota (teach-

in), kjer robota ročno vodimo med zastavljenimi in ključnimi točkami na poti gibanja. V

vsaki točki določimo način gibanja robota do naslednje ciljne točke. Načini gibanja so

naslednji:

o JOINT – izračun gibanja po najhitrejši trajektoriji,

o LINEAR – pomik v naslednjo točko se izvede linearno,

o CIRCULAR – TCP med gibanjem opiše lok skozi tri točke [2] in [5].

V vsaki točki določimo tudi hitrost gibanja robota v naslednjo točko, ki pa je odvisna od

izbire načina gibanja. Pri gibanju po izračunani najhitrejši trajektoriji (JOINT) se simultano

premikajo vse osi, hitrost gibanja pogojuje najpočasnejša os, hitrost pa je določena z

odstotkom skupne vrednosti hitrosti. Pri linearnem gibanju (LINEAR) in krožnem gibanju

(CIRCULAR) so hitrosti določene v enotah mm/s, cm/min, in/min ali °/s. Način, kako bo

robot dosegel posamezno točko, določimo na dva načina:

o z natančnim določanjem položaja (FINE) v katerem robot natančno doseže položaj

in se v položaju pred gibanjem do naslednjega položaja ustavi in

o z neprekinjenim določanjem položaja (CONTINOUS), kjer nastavljeni položaj

predstavlja vmesno točko pomika robota in jo ta obide brez ustavljanja. Kako

natančno se robot približa tej točki nastavimo med 0 in 100 [5].


2.4 Prijemalo robota

Robot za pobiranje zobatih vencev uporablja tipsko triprsto pnevmatsko prijemalno glavo

proizvajalca Schunk na kateri so nameščena prilagojena triprsta prijemala za prijem

zobatega venca z zunanje strani. Prijemalna glava je pnevmatsko krmiljena, za kontrolo

stanja prijemala (prijemalo odprto / zaprto) pa sta nameščena dva magnetna (reed)

stikala.

Slika 2.4: Prijemala robota


2.5 Robotska celica

Robotska celica predstavlja zaključeno skupino robotov, obdelovalnih strojev in dodajalnih

naprav, v kateri se proizvajajo določeni sestavni deli, izdelki ali delovne operacije [1].

Robotska celica je sestavljena iz verižnega transporterja, robota 4 z robotskim vidom

(kamera na fiksnem delu), stružnice, merilnice, robota 5 in izhodne palete. Stolpec zobatih

vencev se ustavi na koncu verižnega transporterja nad katerim je nameščena robotska

kamera. Ko ta zazna prisotnost zobatih vencev sporoči robotu 4 center zobatega venca.

Robot 4 začne pobirati zobate vence s stolpca in jih vstavlja v obdelavo v stružnico. Po

vsakem odlaganju kosa v stružnico počaka na vmesnem položaju, da stružnica odda že

obdelani kos, ki ga nato odloži na odlagalno mesto v merilnici. Zobati venec nato potuje

skozi merilne postaje v merilnici do konca, kjer ga pobere robot 5 in odloži na eno od

izhodnih palet.

Robotska celica je varovana z zaščitno ograjo. Na mestu vstopa v robotsko celico so

nameščena vrata varovana z varnostnim stikalom, ki je direktno vezano na varnostni vhod

(FENCE) varnostne elektronike robota. V primeru odprtja vrat se pomik robota takoj

ustavi.

Slika 2.5: Robotska celica


3 ROBOTSKI VID

3.1 Teorija robotskega vida

Robotski vid predstavlja uporabo senzorjev vida (kamera) in računalnika za zajemanje,

interpretacijo in procesiranja vidne informacije. V robotiki je na osnovi vidne informacije

pomembno vodenje robotske roke. Z uporabo robotskega vida se izognemo natančnemu

nastavljanju položaja predmetov, s katerimi manipulira robot. Ravno ta razlog je bil ključen

tudi pri uporabi robotskega vida v naši aplikaciji. Naloga robotskega vida je prepoznavanje

geometrije predmeta z digitalne slike. Kot osnovo robotskega vida predstavlja zveza med

koordinatami točk dvodimenzionalne (2D) slike p[u,v] iz kamere in koordinatami točk

tridimenzionalne (3D) slike P[xc, yc, zc] iz resničnega okolja. Iz osnov optike poznamo, da

se pri projekciji točke preslikajo na isto ravnino preko premic, ki se sekajo v skupni točki

(središče projekcije). Ta točka se nahaja v središču objektiva kamere. S koordinatnim

sistemom opišemo tudi lego kamere v prostoru. Preslikavo lahko predstavimo s

poenostavljenim matematičnim modelom kamere, kjer objektiv obravnavamo kot luknjico

skozi katero priteka svetloba na ravnino slike (slika 3.1). Takšno projekcijo imenujemo

perspektivistična projekcija [1].

Slika 3.1: Perspektivistična projekcija


Pri kinematiki robotskih mehanizmov smo na vsako togo telo postavili koordinatni sistem.

Prav tako storimo tudi s kamero. S tem lahko preko lege izbranega koordinatnega sistema

opisati položaj kamere. Os zc koordinatnega sistema kamere smo usmerili vzdolž optične

osi, izhodišče pa postavili v središče projekcije. Po metodi desnosučnega koordinatnega

sistema določimo še osi xc (vzporedna z vrsticami slike) in yc (vzporedna s stolpci slike).

Razdalja med lečo in dvodimenzionalno sliko se imenuje goriščna razdalja fc. Ravnina

dvodimenzionalne slike kamere je za središčem projekcije, zato je goriščna razdalja

negativna. To lahko poenostavimo tako, da dvodimenzionalno sliko kamere prestavimo

pred središče projekcije in dobimo ekvivalentno dvodimenzionalno ravnino slike, ki je

simetrična in vzporedna z ravnino slike (slika 3.2), razlika pa je samo v predznaku

goriščne razdalje [1].

Slika 3.2: Ekvivalentna ravnina slike

Na ravnino slike pripnemo koordinatni sistem pri katerem izhodišče postavimo v

presečišče optične osi z ravnino slike, osi x in y pa sta vzporedni osem xc in yc

koordinatnega sistema kamere. S tem je kamera predstavljena z dvema koordinatnima

sistemoma: koordinatni sistem kamere in koordinatni sistem ravnine slike [1].

Preslikavo predmeta iz 3D robotskega delovnega prostora v 2D slikovni prostor zapišemo

v matrični obliki, ki predstavlja direktno projekcijo robotskega vida:

0 0 0

0 0 0

1 0 0 1 01

c

c

c

c

c

xfx

ys y f

z

= ⋅

, (3.1)


kjer je:

o s je faktor skaliranja, ki ga ne poznamo;

o vektor [x y 1]T predstavlja projicirane koordinate točke p ali q v koordinatnem

sistemu slike – inverzna projekcija robotskega vida in

o vektor [xc, yc, zc, 1]T predstavlja koordinate originalnih točk P ali Q v koordinatnem

sistemu kamere – inverzna projekcija robotskega vida [1].

Zaradi lažjega programiranja in ker je slika v kameri razdeljena na piksle (najmanjši

element rastrske računalniške slike), uvedemo indeksni koordinatni sistem. Vrednost

piksla dobimo z A/D pretvorbo izhoda senzorja, ki zajema osvetljenost geometrijske točke

piksla pravokotnika z dimenzijami Dx in Dy. Shranjena slika se opiše z matriko vrednosti

pikslov po vrstičnih in stolpčnih indeksih u in v, ki predstavljata indeksni koordinatni sistem

in sta brez enot. Izhodišče indeksnega koordinatnega sistema predstavljata točki u0 in v0.

Preslikavo iz koordinatnega sistema ravnine slike x, y v ravnino slike indeksnega

koordinatnega sistema zapišemo z enačbo:

0

10

10 0

1 10 0 1

x

y

uD

u x

v yD

= ⋅

, (3.2)

kjer sta zvezi med koordinatnim sistemom [x,y] in [u,v] naslednji:

0

0

x

y

xu u

D

yv v

D

= +

= +

, (3.3)

zvezi x

x

D in

y

y

D pa pomenita število digitalnih pretvorb vzdolž vrstice oziroma stolpca [1].


Z združitvijo obeh enačb (3.1) in (3.2) dobimo naslednji zapis:

00

10 00

0 0 01

0 0 0 0 0 0 0 0

1 0 0 1 01 1 10 0 1 0 0 1 0

c

c c cxxc

c c ccc

y c y c c

fuu

x x xDDfu

y y yfs v f P

D z D z z

= ⋅ ⋅ = ⋅ =

(3.4)

kjer je:

0

0

0 0

0 0

0 0 1 0

x

y

f u

P f v

=

in (3.5)

cx

x

c

y

y

ff

D

ff

D

=

=

, (3.6)

pri tem matrika P predstavlja perspektivistično projekcijo iz koordinatnega sistema kamere

v pripadajoči indeksni koordinatni sistem, spremenljivki fx in fy pa goriščni razdalji kamere

vzdolž osi x in y. Parametre fx, fy, u0 in v0 imenujemo tudi lastne parametre kamere, ki pa

jih je zaradi netočnih specifikacij kamere skoraj nemogoče poznati, zato pa jih ocenimo s

procesom kalibracije kamere. Parametra Dx in Dy izračunamo iz resolucije digitalne slike rx

in ry. Tako lahko iz dveh parametrov izračunamo širino w in višino h slike z naslednjima

enačbama [1]:

x x

y y

w r D

h r D

=

=. (3.7)


Na podlagi parametrov kamere (goriščna razdalja kamere fc, resolucija digitalne slike (rx in

ry) in kotu odprtine v vertikalni θv in horizontalni θu smeri), ki jih poda proizvajalec

izračunamo velikost piksla z naslednjima enačbama [1]:

2tan

2

2tan

2

c ux

x

c vy

y

fD

r

fD

r

θ

θ

=

=

. (3.8)

Na naslednji sliki (slika 3.3) je prikazana preslikava točke Q iz 3D robotskega delovnega

prostora v točko q v 2D prostoru slikovne ravnine glede na referenčni koordinatni

sistem robota [1].

Slika 3.3: Postavitev koordinatnih sistemov pri geometrijski projekciji robotskega vida

Preslikava točke Q iz referenčnega koordinatnega sistema xr, yr, zr v koordinatni sistem

kamere xc, yc, zc je podana z naslednjo enačbo:

11

c r

c r

rc

x x

y yM

zz

=

, (3.9)


kjer matrika M predstavlja matriko 4 x 4 preslikave iz referenčnega koordinatnega sistema

v koordinatni sistem kamere oziroma položaj in orientacijo fiksno nameščene kamere v

prostoru. Z združitvijo obeh enačb (3.4) in (3.9) dobimo enačbo direktne projekcijske

preslikave:

11 1

r r

r r

r r

x xu

y ys v P M H

z z

= ⋅ =

, (3.10)

kjer so koeficienti matrike P lastni parametri kamere, koeficienti matrike M pa zunanji

parametri kamere. Matriko H imenujemo kalibracijska matrika kamere. Zgornjo enačbo

uporabimo pri zapisu navidezne kamere v simulacijskih programih ali pri kalibraciji

kamere, kjer določimo lastne in zunanje parametre kamere [1].

Za določitev koordinat [xr, yr, zr] pri znanih koordinatah slike točke in kalibracijske matrike

H vpeljemo inverzno projekcijsko preslikavo. Faktor skaliranja s je še vedno neznan.

Za eno točko imamo tri enačbe in štiri neznanke. Rešitev poizkusimo poiskati s tremi

točkami (slika 3.4). Za tri točke (A, B, C) poznamo razdalje med njimi in njihove koordinate

(xri,yri,zri), i = 1,2,3. Koordinate pripadajočih točk so (ui,vi), i = 1,2,3. Pri tem zapišemo

direktno projekcijsko preslikavo v obliki zapisa:

11

ri

i

ri

i

ri

xu

ys v H

z

=

, (3.11)

iz katerega dobimo 9 enačb in 12 neznank. Do rešitve pridemo samo, če dodamo še tri

enačbe, ki pa jih lahko dobimo iz velikosti trikotnika, ki ga omejujejo točke A, B in C.

Dolžine stranic AB, BC in CA nadomestimo z razdaljami l12, l23 in l31 [1].


Dobimo naslednje enačbe:

2 2 2 2

12 1 2 1 2 1 2

2 2 2 2

23 2 3 2 3 2 3

2 2 2 2

31 3 1 3 1 3 1

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

r r r r r r

r r r r r r

r r r r r r

l x x y y z z

l x x y y z z

l x x y y z z

= − + − + −

= − + − + −

= − + − + −

, (3.12)

s katerimi lahko pridemo do rešitve. Ker so zadnje tri enačbe nelinearne, jih moramo

reševati numerično s posebnim računalniškim programom (Matlab) [1].

Slika 3.4: Preslikava treh točk


3.2 Predstavitev kamere in značilnosti

V aplikaciji smo uporabili dvodimenzionalno kamero Sony XC-HR50. Kamero lahko

uporabimo v najrazličnejših aplikacijah, še posebno kjer je potrebna hitrost. Vgrajena je v

robustno ohišje, ki omogoča zadostno odpornost v industrijskih okoljih in enostavno

namestitev. Primerna je za uporabo v zaprtih in čistih prostorih. Kamera uporablja VGA

standard z zadovoljivo resolucijo kamere 659 x 494 pikslov in hitrostjo 60 fps (frames per

second) [9].

Slika 3.5: Kamera Sony XC-HR50

Pri uporabi kamere Sony-HR50 potrebujemo še kabel za povezavo kamere ustrezne

dolžine (2 – 25 m), adapter kamere z napajalnikom DC-700/700CE, nosilec kamere in

ustrezen objektiv VCL-50Y-M [7].

Slika 3.6: Komponente kamere Sony XC-HR50


Tehnični podatki kamere Sony XC-HR50 so predstavljeni v spodnji tabeli [9]:

Tabela 3.1: Tehnični podatki kamere Sony XC-HR50

TEHNIČNI PODATEK

VREDNOST

Resolucija kamere 659 (H) x 494 (V) Število vrstic 648 (H) x 494 (V) - VGA Velikost celice 7,4 µm (H) x 7,4 µm (H) Frekvenca izhodnega signala 59,94 Hz Zunanji signali HD/VD (2 – 5 Vp-p, 75 Ω) Odzivnost manj kot 20 ns Video izhod 1,0 Vp-p, negativen, 75Ω Horizontalna resolucija 500 vrstic Občutljivost 400 lx (F 5.6, γ=OFF, FIX GAIN (0 dB)) Minimalna osvetlitev 1.0 lx (F 1.4, γ=OFF, GAIN (+18 dB)) Razmerje signal / šum 58 dB Ojačenje 0 do 18 dB Beli šum 820 mV ± 70 mV

Hitrosti komunikacije 1/100, 1/125, 1/500, 1/1000, 1/2000, 1/4000, 1/10000, 1/15000, 1/30000 s

Zunanje prožilne hitrosti 1/100, 1/125, 1/250, 1/500, 1/1000, 1/2000,

1/4000, 1/10000, 1/25000, 1/50000, 1/100000 s

Zunanje proženje 2 µs do 250 µs, vhodna impedanca 10 kΩ Napajanje 12 V DC Moč 1,8 W Dimenzije 29 x 29 x 30 mm Teža 50 g Delovna temperatura -5 do +45 °C Temperatura shranjevanja -30 do +60 °C Vlažnost za obratovanje 20 do 80 % Vlažnost za shranjevanje 20 do 95 % Povzročanje vibracij 20 Hz do 200 Hz


3.3 Povezava kamere v sistem Fanuc Vision

Pri povezavi kamere XC-HR50 s kablom do dolžine 10 m uporabimo adapter z

napajalnikom Sony DC-700CE. Kamero povežemo z originalnimi kabli preko adapterja na

sistem Fanuc Vision V-500iA/2DV, ki predstavlja vgrajeno vmesniško kartico Aval Data

APC-3322 v računalniku. Za komunikacijo med računalnikom in krmilno enoto robota

R30iA/R-J3C uporabimo eno od standardnih povezav ethernet ali RS-232-C. Povezavo

sistema robotskega vida Fanuc Vision predstavlja spodnja slika [3].

Slika 3.7: Povezava kamere v sistem Fanuc Vision


3.4 Nastavitev kamere

Kamero pripravimo na uporabo z nastavitvami na zadnjem delu kamere, kar je prikazano

na spodnji sliki.

Slika 3.8: Zadnja stran kamere za nastavitve

Nastavljamo lahko naslednje:

o Na stikalu za nastavitev hitrosti in režima (položaj 2) nastavimo:

o bite 1 – 4 nastavimo na OFF (normalni odzivni čas kamere),

o bit 5 = OFF (visoka stopnja skeniranja vključena),

o bite 6 = OFF, 7 = ON in 8 = ON (stalno proženje),

o bit 9 = OFF (nastavitev ojačenja je izklopljena),

o bit 0 = OFF (povezovalni način je izklopljen).

o Na stikalu za izbiro HD / VD vhodno / izhodnih signalov (položaj 4) izberemo EXT

– zunanji signali.

o Potenciometra za nastavitev ojačenja ne spreminjamo.

o Če uporabljamo adapter Sony DC-700CE izključimo 75 Ω zaključni upor tako, da

stikalo 75 Ω (položaj 5) prestavimo na OFF [3] in [7].


3.5 Programska oprema in nameščanje

Za delovanje sistema Fanuc Vision V-500iA/2DV moramo v računalniku namestiti nekaj

programske opreme. Namestiti je potrebno gonilnike za vmesniško kartico Aval Data

APC-3322 in program Fanuc Vision V-500iA/2DV, ethernet komunikacijo in nekatere

opcijske programe (vhodno / izhodni vmesnik, če je v uporabi). Pri nameščanju

upoštevamo naslednji vrstni red:

o na računalniku mora biti nameščen operacijski sistem Windows,

o vgradimo vmesniško kartico Aval Data APC-3322 in namestimo njene gonilnike,

o namestimo program vmesniške kartice Aval Data APC-3322,

o vgradimo vhodno / izhodni vmesnik in namestimo potrebne gonilnike (opcija),

o namestimo program za vhodno / izhodne vmesnike (opcija),

o namestimo komunikacijske programe,

o namestimo program Fanuc Vision V-500iA/2DV [4].

Za pravilno in nemoteno delovanje sistema je potrebno upoštevati nekaj pravil, ki jih

opisuje ta odstavek. Na računalniku nastavimo 32 bitno kakovost barve z resolucijo 1024

x 768. Pri nastavitvah napajalne sheme računalnika izklopimo vse možnosti izklopov, prav

tako izklopimo funkciji požarnega zidu in avtomatske nadgradnje programov. Za ethernet

komunikacijo med krmilno enoto robota in računalnikom najprej povežemo obe enoti z

ethernet kablom, nato nastavimo IP naslova obeh enot (za krmilnik robota 172.16.0.1 in

za računalnik 172.16.0.03 z masko 255.255.0.0). Pri nameščanju vmesniške kartice Aval

Data APC-3322 in Fanuc Vision V-500iA/2DV ni nekih posebnih zahtev, zato samo

sledimo čarovniku za nameščanje, ki nas uspešno vodi skozi postopek nameščanja.

Vhodno / izhodnih vmesnikov pri tej aplikaciji nismo uporabljali, zato jih ni potrebno

nameščati. V primeru, da bi se odločili za njihovo uporabo si pri nameščanju pomagamo s

čarovnikom za nameščanje [4].


3.6 Nastavitev sistema Fanuc Vision V-500iA/2DV

Ko na računalniku zaženemo program Fanuc Vision V-500iA/2DV, se nam na monitorju

že pokaže živa slika s kamere. S pomočjo programskih ukazov lahko to sliko zajamemo v

računalnik ali prikazujemo živo sliko. Prikazano sliko lahko povečamo ali manjšamo,

vendar ne manj od originalne slike, prav tako lahko povečano sliko za pregled detajlov

premikamo. Pri zajemu slike iz kamere vision sistem robotu posreduje položaj centra

objekta in jo zapiše v njegov register. Ker nastavljanje položaja robota temelji na položaju

objekta, mora biti ta položaj znotraj koordinatnega sistema robota. To pomeni, da mora

vision sistem pretvoriti položaj objekta iz koordinatnega sistema slikovnega prostora

kamere v referenčni koordinatni sistem robota. Pri tem je pomembna kalibracija kamere,

saj nam ta podatek pove dejanski položaj kamere in njeno območje gledanja [4].

Za kalibracijo kamere imamo na razpolago dva načina: enostavna 2-točkovna kalibracija

ali kalibracija z mrežastim vzorcem. Mi smo uporabili slednjo, ki je natančnejša. Kalibracija

z mrežastim vzorcem se uporablja za kalibracijo kamere pri dvo-dimenzionalnih 2D in tri-

dimenzionalnih 3D aplikacijah. Kot osnova služi posebno kreirana mreža, ki jo postavimo

v vidno polje kamere. Mrežo izberemo glede na velikost objekta, saj je priporočljivo, da je

kalibracijska mreža večja od objekta, ki ga bomo s kamero zaznavali. Pred kalibracijo

nastavimo še razmik med točkami izbranega mrežastega vzorca. Ko mrežasti vzorec

postavimo v vidno polje kamere, to sliko zajamemo in kliknemo na funkcijo ″Find Grid

Pattern″, da se najdene točke v mreži označijo (slika 3.9). Ko je mreža pravilno zaznana,

se na štirih večjih krogih pojavi rdeči kurzor v obliki kroga s križcem. Če to ni tako,

postopek kalibracije ponavljamo tako dolgo, da to dosežemo. V okencu za nastavitev

mreže se pojavijo koordinate kalibrirane kamere znotraj koordinatnega sistema robota.

Položaj in orientacija kamere se direktno prebere v formatu XYZWPR (položaj X, Y, Z v

milimetrih in orientacije W-jaw (odklon), P-pitch (naklon), R-roll (nagib) v stopinjah). Poleg

položaja in orientacije kamere s postopkom kalibracije dobimo tudi nekatere pomembne

parametre za kamero, kot so skala kamere (mm/piksel), faktor skaliranja, center slike

(piksel) in velikost piksla [4].


Slika 3.9: Kalibracija kamere

Spodnja slika prikazuje projekcijo štirih točk iz mrežastega vzorca za kalibracijo, ki

določajo položaja osi X in Y v kameri. Koordinatni sistem mrežastega vzorca je pri tem

vzporeden koordinatnemu sistemu mrežastega vzorca v kameri [8].

Slika 3.10: Projekcija mrežastega vzorca v kameri


V naslednjem koraku moramo nastaviti vidno polje kamere. Tu s kamero zajamemo živo

sliko objekta in sliko zajamemo. Vidno polje kamere nastavljamo s funkcijo ″Train″. Po

vklopu funkcije se pojavi rdeči kvadratek, ki ga premaknemo v center objekta (zobatega

venca), stranice pa povlečemo tako, da kvadratek razširimo toliko, kot naj bi bilo veliko

vidno polje kamere. Če se v vidnem polju kamere poleg objekta pojavijo tudi drugi

elementi, ki bi lahko zmotili pravilno delovanje vision sistema, s posebnim orodjem

izločimo okolico ali elemente, ki jih ne želimo zaznavati. Ko vklopimo funkcijo se slika

znotraj označenega vidnega polja obarva rdeče, nato preprosto z miško pobarvamo polja,

ki jih želimo gledati. Ostala polja, ki ostanejo obarvana rdeče, ne bodo zajeta v vidno polje

kamere. S to funkcijo tudi odstranimo prisotnost šumov v sliki [4].

Na koncu nastavitev sistema Fanuc Vision moramo določiti še funkcijo delovanja vision

sistema. V okencu ″Vision Process″ izberemo hitrost zajemanja slike, način shranjevanja

in tip izhodnega podatka. Pri izbranem izhodu za 2D slike, položaja X in Y predstavljata

položaj objekta, rotacija R-roll (nagib) pa orientacijo objekta. Vrednosti položaja Z in

orientacij W-jaw (odklon) in P-pitch (naklon) so vedno 0. Z nastavitvijo sistema Fanuc

Vision določimo položaj centra objekta in njegovo orientacijo, ki jo program modelira in

posreduje robotu. Ta center nato predstavlja tudi center robotovih prijemal. Pri zaznavanju

zobatega venca v 2D sliki bosta aktualni samo koordinati centra, medtem ko zaradi

okrogle oblike zobatega venca orientacija ni pomembna. Center zobatega venca se bo

spreminjal glede na različne premere zobatega venca in glede na zamike, ki pa morajo biti

znotraj vidnega polja kamere. Slika 3.11 prikazuje primere sprememb koordinatnega

izhodišča robotovega prijemala [4].

Slika 3.11: Različni primeri spremembe koordinatnega izhodišča robotovega prijemala


4 IZVEDBA ROBOTSKEGA PROGRAMA

4.1 Opis naloge

Kot je bilo omenjeno že v uvodu, je robotska aplikacija z vgrajenim robotskim vidom

namenjena korekciji nastavljanja položaja robota pri pobiranju zobatih vencev s

transporterja, kot del avtomatizirane linije za obdelavo zobatih vencev. Avtomatizirana

linija je zgrajena precej kompleksno, saj povezuje različne obdelovalne stroje s petimi

roboti Fanuc v treh robotskih celicah, ki morajo imeti med sabo usklajene taktne čase, saj

skupni taktni čas obdelave naj nebi presegal 18 sekund. Robotske celice linije so

naslednje:

o robotsko celico 1 sestavlja robot 1 in rezkalni stroj Liebherr,

o robotsko celico 2 sestavljajo robot 2, robot 3, brusilna enota in kalilni stroj Eldec,

o robotsko celico 3 sestavljajo robot 4, robot 5, stružnica Okuma, merilnica in

avtomatske izhodne palete.

Na začetku linije je nameščen robot 1, ki ima vgrajen sistem Fanuc Vision s kamero

nameščeno na roki robota in skrbi za nastavljanje položaja robota 1 pri pobiranju

neobdelanih kosov iz palete. Robot 1 ima nameščeno prilagojeno prijemalno glavo za

pobiranje obročev do višine stolpca 250 mm. Robot 1 pobrani stolpec odloži v čeljusti

glave rezkalnega stroja Liebherr. Po odmiku robota 1 iz delovnega območja rezkalnega

stroja, se ta zasuče in robot 1 lahko iz drugih čeljusti pobere rezkane kose zobatih vencev

in jih odloži na posebno odlagalno mesto.

Zobate vence na odlagalnem mestu posamezno pobira robot 2. Robot 2 vsak kos odnese

v brusilno enoto, kjer ga na posebni brusilni glavi obrusi in ščetka, ter ga odloži na glavo v

kalilnem stroju Eldec. Tu se zobati venec kali. Po končanem kaljenju robot 3 iz kalilnega

stroja pobere zobati venec in ga odloži na verižni transporter 1. Robot 3 nalaga zobate


vence v stolpec do višine 800 mm. Ko je višina stolpca dosežena, se transporterji

premaknejo za en položaj naprej.

Transportni sistem je zgrajen iz štirih verižnih transporterjev. Njegova naloga je v

nekakšnem zalogovniku stolpcev zobatih vencev, ki se morajo po postopku kaljenja dovolj

ohladiti pred nadaljnjo obdelavo v stružnici in kasneje za merjenje dimenzijske ustreznosti.

Posamezne zobate vence s konca verižnega transporterja 4 pobira robot 4 z vgrajenim

sistemom Fanuc Vision, ki skrbi za nastavljanje položaja robota 4 pri pobiranju zobatih

vencev s stolpca. Ta aplikacija je tudi podrobneje razdelana in predstavljena v tem

diplomskem delu. Robot 4 pobere zobati venec s stolpca na transporterju 4 in ga vstavi v

obdelavo v stružnico Okuma. Po vsakem odlaganju kosa v stružnico robot 4 počaka na

vmesnem položaju, da stružnica odda že obdelani kos in ga nato odloži na odlagalno

mesto v merilnici. V merilnici se na treh merilnih postajah izvedejo dimenzijske meritve

zobatega venca (zunanji in notranji premer, krožnost, premer naseda, debelina zobatega

venca), ter vizualna kontrola (razpoka zvara, igla na zobu, ustreznost zobljenja), ki se

izvaja na spodnji in zgornji površini zobatega venca. Na koncu se ustrezni venci signirajo

z ustrezno karakteristično kodo. Na tem položaju vsak zobati venec prevzame robot 5, ki

ustrezne zobate vence odlaga po slojih na več stolpcev na eno od izhodnih palet. Ko

robot 5 napolni izhodno paleto, se ta pomakne izven linije, zobate vence pa začne

nalagati na naslednjo izhodno paleto, da lahko posluževalec brez ustavljanja linije

zamenja paleto. Robot 5 iz linije izloča vse neustrezne zobate vence in sicer na zato

pripravljenih pet odlagalnih mest po določenih kriterijih napak.

Slika 4.1: Avtomatizirana linija za izdelavo zobatih vencev


Pri pobiranju zobatih vencev z robotom 4 iz transporterja 4 so se pojavljale velike težave

zaradi nagnjenosti in raztresenosti stolpca zobatih vencev. Ti zaradi potrebe po ohlajanju

po postopku kaljenja najprej potujejo skozi več verižnih transporterjev. Na prehodih med

transporterji se stolpec višine okrog 800 mm pogosto nagne, posamezni zobati venci v

njem pa raztresejo v več smeri. Ko takšen stolpec prispe na zadnji transporter je pogosto

precej nagnjen, kosi v njem pa raztreseni, kar je oteževalo pobiranje zobatih vencev z

robotom, pojavljali pa so se precejšnji zastoji na liniji. Težava pri pobiranju je nastajala tudi

zaradi pogostih zamikov celega stolpca v levo ali desno stran. Druga težava se je

pojavljala pri zaznavanju zadnjega kosa na transporterju. Tipanje prisotnosti je bilo sprva

izvedeno z zrcalno zaporo, vendar zaradi različnih debelin zobatih vencev nezanesljivo.

Posledično je zaradi tega prihajalo do nenadzorovanega premika stolpcev zobatih vencev

na transporterjih naprej in premika stolpca v točki pobiranja. Pogosto so se stolpci

nakopičili eden do drugega, kar je povzročalo trk robota v stolpec, s tem pa poškodbe na

prijemalih robota in posledično močno krajšanje življenjske dobe robota. Tudi zastoji linije,

ki so se s tem povzročali so v tem tempu proizvodnje nesprejemljivi.

Slika 4.2: Težave robota pri pobiranju kosov

V ta namen je bila na tej lokaciji predlagana rešitev uporabe robotskega vida. Nad zadnjim




je zgornji zobati venec v stolpu zamaknjen in korigiramo koordinate robota za pobiranje.


Prijemala robota so izdelana tako, da se pri pobiranju naslonijo na zgornji rob zobatega

venca. Tukaj koristimo senzor za merjenje sile, in tako določimo globino pomika robota, ki

je potrebna za prijem kosa. V primeru, da je zobati venec zamaknjen, bo kamera robotu

pred pobiranjem že sporočila korekcijo zamika in prijem zobatega venca bo uspešen.

Slika 4.3: Pobiranje zobatega venca s transporterja

Z vlogo kamere pri pobiranju zadnjega kosa s transporterja smo se rešili nezanesljivega

delovanja zrcalne zapore. Kamera zazna, da je bil s transporterja pobran zadnji kos in

kdaj je transporter prazen. Preko digitalnih signalov sporoči transportnemu sistemu, da se

lahko izvrši premik stolpcev zobatih vencev naprej. Ko kamera ponovno zazna zobati

venec, robotu sporoči koordinate centra in podatek, da je na transporterju nov stolpec

zobatih vencev. Robot v tem primeru preide v režim za tipanje višine stolpca, v katerem

se s počasnim premikom približuje vrhu stolpca. Ko senzor za merjenje sile zazna

nastavljeno silo robot ve, da je dosegel vrh stolpca in preide v normalni režim za pobiranje

zobatih vencev s transporterja.

Pri uporabi robotskega vida smo sicer naleteli na nekaj novih, manjših težav, ki pa smo jih

brez večjih težav uspešno odpravili.


Največ motenj na zanesljivo delovanje sistema Fanuc Vision je povzročalo spreminjanje

svetlobe okolice (sonce, noč, oblačno vreme). To težavo smo odpravili z dodatno

osvetlitvijo z belo svetlobo, ki poudarja črno barvo objekta in zagotavlja konstantne pogoje

za kamero. Druga težava povezana s svetlobo pa je nastala pri pojavljanju sence objekta.

Vpliv sence smo uspešno odpravili z namestitvijo rdeče svetlobe. Da smo še dodatno

zmanjšali vpliv svetlobe iz okolice, smo kamero z obema osvetlitvama namestili v zaščitni

okrov, ki preprečuje direktni vstop svetlobe do kamere.

Slika 4.4: Namestitev kamere z dodatno osvetlitvijo

Nekaj začetnih težav na zanesljivo delovanje vision sistema je predstavljalo tudi

spreminjanje višine stolpca zobatih vencev med pobiranjem. Ker je razdalja med kamero

in transporterjem fiksna, vmes pa se spreminja višina stolpca za vsaj 800 mm, kamera

stolpec vidi kot stožec katerega premer se z oddaljenostjo od kamere manjša. To kamera

z nižanjem stolpca zobatih vencev prepozna kot dva zobata venca z drugačnima

premerom vendar istim centrom (vzporednost). Težava se pojavi pri zamiku enega od

zobatih vencev v stolpcu glede na drugega, kar pomeni dva različna centra objekta. V tem

primeru kamera na podlagi obeh centrov izračuna novi center katerega koordinate

posreduje robotu kot spremenjeni center pobiranja, ki pa ni pravilen in robot ni mogel

prijeti kosa pravilno. Ta pogrešek smo zmanjšali tako, da smo v več slojih npr. na vsake


200 mm uporabili drugo kalibracijsko masko in s tem zmanjšali vpliv spremembe centra

objekta glede na razdaljo med kamero in objektom. S tem smo zagotovili zadostno

zanesljivost pobiranja zobatih vencev s stolpca.

Slika 4.5: Kako kamera vidi stolpec zobatih vencev?


4.2 Gibanje robota

Gibanje robota je prikazano na sliki 4.6. Izhodiščni položaj robota se nahaja v bližini

stolpca zobatih vencev na transporterju. Pot gibanja robota poteka po naslednjih korakih:

o KORAK 1: Robot se pomakne nad stolpec obročev zobatih vencev.

o KORAK 2: Robot se s polno hitrostjo spusti nad stolpec na višino, ki jo je izračunal

pri pobiranju predhodnega kosa. Ta višina je z vsakim pobranim kosom nižje. Pri

pobiranju kosa z vrha novega stolpca je ta fiksno določena, saj je takrat robot v t.i.

režimu za tipanje višine stolpca. V tem režimu se drugi korak preskoči.

o KORAK 3: Ko robot doseže določeno višino, ki predstavlja tudi varno razdaljo pred

trkom v zgornji zobati venec v stolpcu, se hitrost gibanja zmanjša. V tem režimu

se robot vedno pomika po Z osi z zmanjšano hitrostjo. Ko čeljusti robota dosežejo

zgornji rob zobatega venca se s pomočjo senzorja sile na glavi robota prebere

trenutni položaj robota. S tem se ugotovi položaj vsakega zobatega venca za

prijem.

o KORAK 4: V tem koraku se konča tipanje zgornjega roba zobatega venca in robot

se nekoliko odmakne od stolpca.

o KORAK 5: Robot se ponovno pomakne na položaj za prijem zobatega venca,

vklopijo se prijemala in zobati venec se pobere s stolpca.

o KORAK 6 in 7: Robot se s prijetim zobatim vencem pomakne v bližino stružnice,

kjer čaka na pogoj stružnice, da lahko odda zobati venec na odlagalno mesto v

stružnici.

o KORAK 8: Ko stružnica odda signal pogoja za odlaganje zobatega venca na

odlagalno mesto v stružnici, se robot pomakne v stružnico in zobati venec z

zgornje strani odloži na odlagalno mesto v stružnici, kjer ga nato pobere

prijemalna glava stružnice.

o KORAK 9, 10 in 11: Po končanem odlaganju zobatega venca se robot odmakne iz

območja stružnice, obrne prijemalo in počaka na mestu za prevzem zobatega


venca iz stružnice. Po končanem struženju se prijemalna glava stružnice

pomakne na mesto nad robotova prijemala, odprejo se prijemala na glavi

stružnice in zobati venec se spusti v prijemala robota. Za prijem obroča se dvakrat

vklopijo prijemala robota. S tem je zagotovljen dober prijem in je nemogoče, da bi

bil kos prijet postrani.

o KORAK 12 in 13: Robot se pomakne proti merilnici. Za odlaganje v merilnico sta

na voljo dva načina: z zgornje oz. s spodnje strani. Če robot zobati venec odloži z

zgornje strani, je potrebno prijemala robota pred odlaganjem še obrniti. Robot

počaka v bližini odlagalnih vilic v merilnici na pogoj, da lahko odloži zobati venec v

merilnico.

o KORAK 14: Ko so odlagalne vilice v merilnici prazne, se robot pomakne nad vilice

v merilnici in odloži zobati venec. Da je odlaganje čim bolj točno, na robotu

dvakrat vklopimo in izklopimo prijemala. S tem se zagotovi dobro centriranje kosa

pred merjenjem.

o KORAK 15, 16 in 17: V teh korakih se robot vrne v izhodiščni položaj. Če je robot

kos v merilnico odlagal s spodnje strani, je potrebno prijemala robota še obrniti

tako, da so ta z zgornje strani.

Koraki 1 – 5 gibanja robota predstavljajo program za nastavljanje položaja robota s

sistemom Fanuc Vision in so podrobneje opisani v naslednjih treh točkah diplomskega

dela.

Naloga robota je tudi vstavljanje kalibracijskega zobatega venca v merilnico. Kalibracija

merilnice poteka ciklično po nastavljenem številu izmerjenih kosov (na primer vsakih 100

kosov). V tem primeru je manipulacija robota nekoliko drugačna. Namesto da se robot iz

izhodiščnega položaja pomakne v točko pobiranja, se ta pomakne v točko kjer pobere

kalibracijski zobati venec in ga odnese direktno merilnico, ga tam odloži in se vrne nazaj v

izhodiščni položaj.


Slika 4.6: Prikaz gibanja robota


4.3 Diagram poteka

ZAČETEK VISION PROGRAMA

DEFINICIJA PROIZVODNIH PARAMETROV DELOVANJA

INICIALIZACIJA

NAPAKA

BRANJE REFERENČNGA POLOŽAJA OBJEKTAPR[30:MasterPos24]

PODATKI PREBRANIR[40:VisionSTATUS]=1

DA

NE

SKOK V ZANKO LBL[2]

SKOK V ZANKO LBL[99]

BRANJE DEJANSKEGA POLOŽAJA OBJEKTA IZ KAMERE, PR[32:FoundPos]

BRIŠI NAPAKO

PODATKI PREBRANIR[40:VisionSTATUS]=1

DA

NE

IZRAČUN ZAMIKA POLOŽAJA OBJEKTAPR[33:VisionOFST]=PR[32:FoundPos]-PR[30:MasterPos24]


Slika 4.7: Diagram poteka robotskega programa za vision sistem


4.4 Program za nastavljanje položaja robota s sistemom Fanuc

Vision

Program za nastavljanje položaja in korekcijo pobiranja robota s sistemom Fanuc Vision

poteka po vrsticah in zgleda takole:

/PROG VISION

/ATTR

OWNER = MNEDITOR;

COMMENT = "Neparni red";

PROG_SIZE = 1194;

CREATE = DATE 12-10-27 TIME 14:14:18;

MODIFIED = DATE 12-10-27 TIME 14:26:18;

FILE_NAME = VISION_1;

VERSION = 0;

LINE_COUNT = 67;

MEMORY_SIZE = 1690;

PROTECT = READ_WRITE;

TCD: STACK_SIZE = 0,

TASK_PRIORITY = 50,

TIME_SLICE = 0,

BUSY_LAMP_OFF = 0,

ABORT_REQUEST = 0,

PAUSE_REQUEST = 0;

DEFAULT_GROUP = 1,*,*,*,*;

CONTROL_CODE = 00000000 00000000;

/APPL

/MN

1: UFRAME_NUM=0 ;

2: PR[97:ACT]=LPOS ;

3: CALL MATRIX(97,98,99) ;

4: ;

5: UFRAME_NUM=9 ;

6: ;

7: UFRAME[9]=PR[99:VOFST] ;


8: PR[99,1:VOFST]=0 ;

9: PR[99,2:VOFST]=0 ;

10: PR[99,3:VOFST]=270 ;

11: PR[99,4:VOFST]=(-180) ;

12: PR[99,5:VOFST]=0 ;

13: PR[99,6:VOFST]=0 ;

14: ;

15: ;

16: IF (F[15:VisNomRun]),JMP LBL[2] ;

17: ;

18: ;

19: !******** REFRENCE RUN **** ;

20: R[40:VisonSTATUS]=(-1) ;

21: PCVIS RUN ODLJEV1 [ST=R[40],OF=PR[30]] ;

22: WAIT R[40:VisonSTATUS]=1 ;

23: F[15:VisNomRun]=(ON) ;

24: IF R[40:VisonSTATUS]=(0), JMP LBL[99] ;

25: ;

26: LBL[2] ;

27: !******** NOMINAL RUN **** ;

28: R[40:VisonSTATUS]=(-1) ;

29: PCVIS RUN ODLJEV1 [ST=R[40],OF=PR[32]] ;

30: WAIT R[40:VisonSTATUS]=1 ;

31: IF R[40:VisonSTATUS]=(0), JMP LBL[99] ;

32: ;

33: ;

34: PR[33:VisonOFST]=PR[32:FoundPos]-PR[30:MasterPos24] ;

35: ;

36: R[42:VOFST -X]=PR[33,1:VisonOFST] ;

37: ;

38: R[43:VOFST -Y]=PR[33,2:VisonOFST] ;

39: ;

40: R[44:VOFST -Z]=PR[33,6:VisonOFST] ;

41: ;

42: ;


43: PR[61,3:PickUp13]=R[36:VisHvat13] ;

44: ;

45: OpenGriper ;

46: ;

47: !Aproach Point ;

48: J PR[61:PickUp13] 50% CNT100 Tool_Offset,PR[10:TollOffset]

Offset,PR[33:VisonOFST] ;

49: ;

50: !PickUp Point ;

51: L PR[61:PickUp13] 80mm/sec FINE Offset,PR[33:VisonOFST] ;

52: ;

53: CloseGriper ;

54: ;

55: !Retreat Point ;

56: L PR[61:PickUp13] 250mm/sec CNT100 Tool_Offset,PR[10:TollOffset]

Offset,PR[33:VisonOFST] ;

57: ;

58: END ;

59: ;

60: ;

61: !***** ERROR - NOT FOUND *** ;

62: LBL[99] ;

63: SO[5:User LED#1]=ON ;

64: WAIT SI[4:User PB#1]=ON ;

65: SO[5:User LED#1]=OFF ;

66: JMP LBL[2] ;

67: END ;

/POS

/END


4.5 Opis programa

V tej točki je opisan program za korekcijo nastavljanja položaja robota pri pobiranju

zobatih vencev s stolpca in predstavlja samo del robotskega programa (podprogram) za

celotno manipulacijo zobatega venca med transportnim sistemom, stružnico in merilnico

(koraki 1 – 5 pri opisu gibanja robota – točka 4.2).

Robotski program, ki je namenjen pregledovanju na računalniku je zapisan v ASCII

formatu v datoteki s končnico *.ls. Datoteko lahko odpremo in urejamo v beležnici.

Robotski program mora biti napisan in izveden tako, da čas gibanja robota ne bo daljši od

taktnega časa obdelave linije, ki znaša največ 18 sekund. Robot ima za manipulacijo na

razpolago celih 18 sekund, podprogram za nastavljanje položaja robota in pobiranje

zobatega venca pa potrebuje 4 – 6 sekund, odvisno od višine stolpca zobatih vencev.

Taktnemu času linije z gibanjem robota brez težav sledimo, saj nastavljene hitrosti robota

še niso maksimalne, kar zaradi občasne počasnosti stružnice ali merilnice tudi ni

potrebno.

Robotski program vision sistema je zgrajen po naslednji strukturi:

o glava programa z osnovnimi opisi programa,

o definicija proizvodnih parametrov delovanja,

o programske vrstice:

o začetne nastavitve parametrov in registrov (inicializacija),

o branje referenčnih položajev objekta (zobati venec) iz kamere,

o glavni program:

o branje dejanskih položajev objekta (zobati venec) iz kamere,

o postavitev vrednosti registrov za položaje X, Y in Z,

o definicija pomika in pristopne točke robota,

o definicija pomika in točke pobiranja robota,

o definicija pomika in točke umika robota,

o napaka v iskanju objekta (zobati venec).


Delovanje robotskega programa temelji na registrih:

o registri R, ki predstavljajo posamezne vrednosti,

o registri položaja PR, ki so zapisan v formatu XYZWPR in predstavljajo položaje X,

Y, Z in orientacije W-jaw (odklon), P-pitch (naklon) in R-roll (nagib),

o zastavice F, ki predstavljajo posamezne spominske bite v programu.

Številko registra zapišemo v oglatih oklepajih, lahko mu določimo tudi ime registra. To

naredimo tako, da za številko registra napišemo dvopičje in ime registra.

Robotski program je zapisan v vrsticah, vsako vrstico zaključimo s podpičjem. Komentarje

v programu označimo na dva načina:

o komentarji pred programskimi vrsticami se označijo s poševno črtico in

o komentarji v programskih vrsticah se označijo s klicajem in zaključijo s podpičjem.

Na začetku robotskega programa je glava programa, ki vsebuje naslednje podatke:

o podatke o avtorju programa,

o komentar programa,

o datum in čas nastanka programa,

o datum in čas zadnjega popravka,

o ime datoteke,

o verzijo programa,

o število vrstic, ki jih program vsebuje,

o velikost pomnilnika, ki ga program zaseda,

o vrsta zaščite programa (branje, branje / popravljanje).

Glavo programa lahko tudi prikažemo ali skrijemo na prikazovalniku ročne konzole robota

s kombinacijo tipk SELECT in DETAIL.

Pred programskimi vrsticami definiramo proizvodne parametre, ki so vezani na

posamezne tipe zobatih vencev in posredno vplivajo na delovanje robotskega programa.


Na začetku programskih vrstic se izvede inicializacija programa, kjer postavimo začetne

vrednosti posameznih registrov pri vklopu (vrstice 1 – 18).

Na začetku je za iskanje referenčne slike zobatega venca (vrstice 19 do 25) register

R[40:VisionSTATUS] na vrednosti -1. Z ukazom PCVIS RUN zajamemo podatke o sliki

zobatega venca iz vision programa ODLJEV1. Počakamo, da se preberejo podatki o

referenčni sliki zobatega venca v register položaja PR[30:MasterPos24] – referenčni

položaj zobatega venca pri prvem branju slike, register R[40:VisionSTATUS] se postavi

na 1. Če se podatki ne preberejo, se register R[40:VisionSTATUS] postavi na 0. V tem

primeru skočimo v zanko LBL[99] v vrstico 62, kjer so koraki za napako. Branje

referenčnega položaja zobatega venca se izvrši samo enkrat po vklopu robota ali pri vsaki

menjavi stolpca zobatih vencev in služi kot referenčno izhodišče pri pobiranju prvega kosa

z vrha stolpca zobatih vencev.

Glavna programska zanka LBL[2] je napisana od vrstice 26 naprej. V registru

R[40:VisionSTATUS] je vpisana vrednost -1. Z ukazom PCVIS RUN zajamemo podatke o

sliki zobatega venca iz vision programa ODLJEV1. Počakamo, da se preberejo podatki o

dejanski sliki zobatega venca v register položaja PR[32:FoundPos] – dejanski položaj

zobatega venca, register R[40:VisionSTATUS] se postavi na 1. Če se podatki ne

preberejo, se register R[40:VisionSTATUS] postavi na 0. V tem primeru skočimo v zanko

LBL[99] v vrstico 62, kjer so koraki za napako. Branje trenutnega položaja zobatega

venca se izvrši v vsakem ciklu pobiranja novega kosa s stolpca zobatih vencev.

V register položaja PR[33:VisionOFST] zapišemo razliko registrov položajev

PR[32:FoundPos], ki predstavlja dejanski položaj zobatega venca in PR[30:MasterPos24],

ki predstavlja referenčni položaj zobatega venca. Register položaja PR[33:VisionOFST]

predstavlja trenutni zamik zobatega venca glede na referenčni položaj zobatega venca.

Vrednosti v registrih položajev so zapisane v formatu XYZWPR in predstavljajo položaje

X, Y, Z in orientacije W-jaw (odklon), P-pitch (naklon) in R-roll (nagib). Razlika vrednosti v

obeh registrih predstavlja dejanski zamik zobatega venca glede na prebrano referenčno

vrednost (vrstica 34).

V registre R[42:VOFST –X], R[43:VOFST –Y] in R[44:VOFST –Z] vpišemo dejanske

položaje iz registra položaja PR[33:VisionOFST] vseh treh položajev X, Y in Z

zamaknjenega zobatega venca. S tem dobimo potrebne nove koordinate za pomik robota


v položaj za pobiranje zobatega venca. Orientacij zobatega venca W, P in R zaradi

okrogle oblike ne potrebujemo (vrstice 36, 38 in 40).

V vrstici 43 v register položaja PR[61,3:PickUp13] zapišemo vrednost registra

R[36:VisHvat13] v katerem je zapisana vrednost položaja Z osi, ki predstavlja točko

pobiranja robota. V register R[36:VisHvat13] se ob vsakem pobranem kosu zapiše nova

vrednost, ki se pri vsakem naslednjem pobiranju zmanjša za nastavljeno debelino

zobatega venca. Vrednosti registra R[36:VisHvat13] se računajo v enem od drugih

podprogramov robota.

Način pomika robota v točko za pobiranje zobatega venca določimo s tremi različnimi

pomiki:

o točka pristopa robota pomeni končno točko pomika robota po X in Y osi iz

njegovega izhodiščnega položaja v točko, ki je v bližini pobiranja zobatega venca,

o točka pobiranja robota predstavlja točko v katero se robot pomakne po Z osi in bo

dejansko pobral zobati venec z vrha stolpca,

o točka umika robota predstavlja končno točko pomika robota po X in Y osi v katero

se robot pomakne pred naslednjim pomikom, ki je že definiran v drugem

podprogramu v robota.

Pred pomikom robota na položaj za pobiranje odpremo prijemala, nato določimo način

pomika robota na ta položaj. V vrstico 48 zapišemo ukaz za pomik robota po najhitrejši

trajektoriji (J) na položaj za pobiranje, ki je zapisana v registru položaja PR[61:PickUp13].

Pomik robota po najhitrejši trajektoriji (J) smo izbrali, ker pot do točke pobiranja ni

pomembna in jo želim čim hitreje doseči. Pri tem pomiku se med gibanjem simultano

premikajo vse osi robota, hitrost pomika pa pogojuje najpočasnejša os robota. Določimo

hitrost pomika na 50 %, končno točko pa dosežemo tako, da obidemo vmesno točko po

najkrajši poti (CNT100). Ukaz Tool_Offset premakne robota v položaj glede na vrednost

registra PR[10:TollOffset] in predstavlja višino glede na predhodno točko pobiranja. Ukaz

Offset premakne robota v položaj glede na vrednost registra PR[33:VisionOFST], ki

predstavlja korekcijo zamika točke na podlagi točke zobatega venca iz vision sistema

(vrstice 45 – 49).


Ko se z robotom približamo položaju za pobiranje, določimo še točko pobiranja (vrstica

51). V točki pobiranja izberemo linearni pomik robota (L) na položaj v registru položaja

PR[61:PickUp13]. Linearni pomik robota (L) smo izbrali zaradi tega, ker je robot že v

položaju pobiranja (osi X in Y) in v tej vrstici izvršimo le še linearni pomik robota po Z osi v

točko prijema zobatega venca. Ukaz Offset premakne robota v položaj glede na vrednost

registra PR[33:VisionOFST], ki predstavlja korekcijo zamika točke na podlagi točke

zobatega venca iz vision sistema. Določimo hitrost pomika 80 mm/sek z natančnim

ustavljanjem v končni točki. Po premiku robota v končno točko zapremo prijemala (vrstice

50 – 54).

Po prijemu zobatega venca s stolpca definiramo naslednjo točko (vrstica 56). Z robotom

se umaknemo po linearnem gibu (L) na položaj, ki je zapisan v registru položaja

PR[61:PickUp13]. Linearni gib v tem primeru uporabimo zato, da ne zrušimo stolpca

zobatih vencev. Določimo hitrost pomika na 250 mm/sek, končno točko pa dosežemo

tako, da obidemo vmesno točko po najkrajši poti (CNT100). Ukaz Tool_Offset premakne

robota v položaj glede na vrednost registra PR[10:TollOffset] in predstavlja višino glede na

predhodno točko pobiranja. Ukaz Offset premakne robota v položaj glede na vrednost

registra PR[33:VisionOFST], ki predstavlja korekcijo zamika točke na podlagi točke

zobatega venca iz vision sistema (vrstice 55 – 57).

Zanko LBL[2] zaključimo z ukazom END (vrstica 58).

Kot je že bilo omenjeno, se ob neprebranih podatkih iz vision sistema register

R[40:VisionSTATUS] postavi na 0 in izvrši skok v zanko [99] v vrstico 62, kjer so koraki za

napako. Napaka je definirana tako, da najprej vklopi sistemski izhod za takojšnjo

prekinitev izvajanja robotskega programa in izhod za rdečo lučko FAULT na krmilni enoti

robota. Program v vrstici 64 nato čaka, da se vklopi sistemski vhod (modra tipka RESET

FAULT) na krmilni enoti robota, s katerim brišemo pojav napake v delovanju (izklopimo

sistemski izhod za prekinitev izvajanja robotskega programa). Za ponovno izvajanje

robotskega programa skočimo nazaj v glavno programsko zanko LBL[2] v vrstico 26.

Zanko LBL[99] zaključimo z ukazom END (vrstice 61 – 67).


5 SKLEP

Težave pri nezanesljivem pobiranju zobatih vencev s stolpca, ki je lahko nekoliko nagnjen,

raztresen ali zamaknjen, smo uspešno rešili z uporabo robotskega vida. Prav tako smo s

tem rešili težavo, ki se je pojavljala pri tipanju zadnjega kosa na transporterju in s tem

preprečili možnost trka robota v premaknjen in nepravilno ustavljen stolpec, kar je

povzročalo poškodbe na prijemalih robota in posledično zastoje na liniji. Nad zadnjim




je zgornji zobati venec v stolpcu zamaknjen in korigiramo koordinate robota za pobiranje.

Ker robotski vid predstavlja uporabo senzorjev vida (kamera), potrebujemo za zajemanje

in procesiranje slike poleg kamere XC-HR50 in napajalnega vmesnika Sony DC-700CE

še nadzorni računalnik z vgrajeno vmesniško kartico Aval Data APC-3322 na katerem se

odvija vision sistem. Za komunikacijo med računalnikom in krmilno enoto robota R30iA/R-

J3C smo uporabili standardno ethernet povezavo.

Sliko zobatega venca zajamemo s programom Fanuc Vision V-500iA/2DV. Pri zajemu

slike iz kamere vision sistem robotu posreduje položaj centra zobatega venca in jo zapiše

v njegov register. Ker nastavljanje položaja robota temelji na položaju zobatega venca,

mora biti ta položaj znotraj koordinatnega sistema robota. To pomeni, da mora vision

sistem pretvoriti položaj zobatega venca iz koordinatnega sistema slikovnega prostora

kamere v referenčni koordinatni sistem robota. Pri tem je pomembna kalibracija kamere,

saj nam ta podatek pove dejanski položaj kamere in njeno območje zaznavanja. Mi smo

uporabili metodo kalibracije z mrežastim vzorcem, ki je primerna za natančno kalibracijo

kamere pri 2D aplikacijah. S kalibracijo dobimo položaj in orientacijo kamere, ki se

direktno prebere v formatu XYZWPR (položaj X, Y, Z v milimetrih in orientacije W-jaw

(odklon), P-pitch (naklon), R-roll (nagib) v stopinjah). Poleg položaja in orientacije kamere

s postopkom kalibracije dobimo tudi nekatere pomembne parametre za kamero, kot so

skala kamere (mm/piksel), faktor skaliranja, center slike (piksel) in velikost piksla.


Po kalibraciji nastavimo še vidno polje kamere, ki predstavlja območje tipanja zobatih

vencev. Če se v vidnem polju kamere poleg zobatega venca pojavijo tudi drugi elementi,

ki bi lahko zmotili pravilno delovanje vision sistema, s posebnim orodjem izločimo okolico

ali elemente, ki jih ne želimo zaznavati. Pri izbranem izhodu za 2D slike, položaja X in Y

predstavljata položaj zobatega venca, rotacija R-roll (nagib) pa orientacijo zobatega

venca. Vrednosti položaja Z in orientacij W-jaw (odklon) in P-pitch (naklon) so vedno 0. Z

nastavitvijo sistema Fanuc Vision določimo položaj centra zobatega venca in njegovo

orientacijo, ki jo program modelira in posreduje robotu. Ta center nato predstavlja tudi

center robotovih prijemal. Pri zaznavanju zobatega venca v 2D sliki bosta aktualni samo

koordinati centra, medtem ko zaradi okrogle oblike zobatega venca orientacija ni

pomembna. Center zobatega venca se bo spreminjal glede na različne premere zobatega

venca in glede na zamike, ki pa morajo biti znotraj vidnega polja kamere.

Pri uporabi robotskega vida smo sicer naleteli na nekaj novih, manjših težav, ki pa smo jih

brez večjih težav uspešno odpravili. Največ motenj na zanesljivo delovanje sistema Fanuc

Vision je povzročalo spreminjanje svetlobe okolice (sonce, noč, oblačno vreme). To

težavo smo odpravili z dodatno osvetlitvijo z belo svetlobo, ki poudarja črno barvo

zobatega venca in zagotavlja konstantne pogoje za kamero. Druga težava povezana s

svetlobo pa je nastala pri pojavljanju sence zobatega venca. Vpliv sence smo uspešno

odpravili z namestitvijo rdeče svetlobe. Da smo še dodatno zmanjšali vpliv svetlobe iz

okolice, smo kamero z obema osvetlitvama namestili v zaščitni okrov, ki preprečuje

direktni vstop svetlobe do kamere. Nekaj začetnih težav na zanesljivo delovanje vision

sistema je predstavljalo tudi spreminjanje višine stolpca zobatih vencev med pobiranjem.

Ker je razdalja med kamero in transporterjem fiksna, vmes pa se spreminja višina stolpca

za vsaj 800 mm, kamera stolpec vidi kot stožec katerega premer se z oddaljenostjo od

kamere manjša. To kamera z nižanjem stolpca zobatih vencev prepozna kot dva zobata

venca z drugačnima premeroma vendar istim centrom (vzporednost). Težava se pojavi pri

zamiku enega od zobatih vencev v stolpcu glede na drugega, kar pomeni dva različna

centra zobatega venca. V tem primeru kamera na podlagi obeh centrov izračuna novi

center katerega koordinate posreduje robotu kot spremenjeni center pobiranja, ki pa ni

pravilen in robot ni mogel prijeti kosa pravilno. Ta pogrešek smo zmanjšali tako, da smo v

več slojih npr. na vsake 200 mm uporabili drugo kalibracijsko masko in s tem zmanjšali

vpliv spremembe centra zobatega venca glede na razdaljo med kamero in zobatim

vencem. S tem smo zagotovili zadostno zanesljivost pobiranja zobatih vencev s stolpca.


V času po končani izvedbi robotskega vida v aplikaciji za korekcijo nastavljanja položaja

robota pri pobiranju kosov s transporterja je proizvajalec Fanuc ponudil nov sistem Fanuc

Vision (iRVision – integrated Robot Vision), ki je integriran v krmilno enoto R-30iA robota,

pri tem pa ne potrebujemo dodatnega računalnika. Če bi sistem Fanuc Vision V-

500iA/2DV še ne bil realiziran, bi zaradi nekaterih prednosti novega sistema uporabili

novejšo rešitev, ki pa bo verjetno uporabljena pri novih linijah. Kot je že bilo omenjeno,

novi integrirani ″vision″ sistem ne potrebuje dodatnega računalnika, saj je vsa elektronika

vgrajena v krmilno enoto robota, programiranje pa poteka kar preko ročne konzole robota.

Z uporabo robotskega vida smo dosegli rešitev glavnega problema zaradi nezanesljivega

pobiranja in s tem povezanimi zastoji na liniji. Sistem pobiranja zobatih vencev s

transporterja je z uporabo robotskega vida postal precej zanesljiv. Za realizacijo te

aplikacije je bilo potrebno predhodno preučiti delovanje in možnosti uporabe sistema

Fanuc Vision v povezavi z robotom Fanuc. Prav tako se je bilo potrebno naučiti

programiranja robota, za lažje razumevanje in reševanje problematike pa tudi teorijo

robotskega vida.

Za realizacijo aplikacije na podlagi katere je nastalo to diplomsko delo je bilo potrebno

namestiti in nastaviti izbrano kamero, jo povezati s sistemom Fanuc Vision in nastaviti

potrebne parametre in opraviti kalibracijo kamere. V programu robota je bilo potrebno

dodati podprogram za nastavljanje položaja robota glede na položaj zobatega venca, ki

ga zaznavamo s sistemom Fanuc Vision. Ker pa nikoli ne gre brez težav, je bilo potrebno

najti rešitev vpliva spreminjanja svetlobe iz okolice, kar pa smo rešili z namestitvijo

dodatne osvetlitve in s tem še povečali zanesljivost delovanja sistema.


6 VIRI IN LITERATURA

KNJIŽNI VIRI:

[1] Bajd, T., Mihelj, M., Lenarčič, J., Stanovnik, A., Munih, M. Robotika. Ljubljana:

Fakulteta za elektrotehniko, 2008.

[2] Fanuc LTD. FANUC Robot series R-J3/B CONTROLLER: Operators Manual.

Fanuc LTD, 2001.

[3] Fanuc LTD. FANUC VISION V-500iA/2DV: Operators Manual. Fanuc LTD, 2004.

[4] Fanuc LTD. V-500iA2DV: Operation Manual. Fanuc LTD, 2004.

[5] Fanuc robotics. R-J3iB/R-30iA-SLO: Priročnik za operaterje – TPEA. Praga. Fanuc

robotics Czech s.r.o., 2011.

[6] Lenarčič, J., Bajd, T. Robotski mehanizmi. Ljubljana: Fakulteta za elektrotehniko,

2003.

[7] Sony Corporation. CCD Black-and-White Video Camera Module: Operators

Manual XC-H50. Sony Corporation, 2002.


INTERNETNI VIRI:

[8] http://cdn.intechopen.com/pdfs/11037/In-Tech-

Advanced_techniques_of_industrial_robot_programing.pdf [2.4.2013]

[9] http://pro.sony.com/bbsccms/assets/files/Brochures/xchr2.pdf [14.3.2013]

[10] http://www.fanucrobotics.com/cmsmedia/datasheets/M-710iC%20Series_20.pdf

[7.3.2013]

[11] http://www.fanucrobotics.lu/en/products/controllers/r-30ia [18.3.2013]


7 PRILOGE

V prilogi so naslednji dokumenti:

o KRATEK ŽIVLJENJEPIS,

o IZJAVA O AVTORSTVU,

o IZJAVA O USTREZNOSTI DIPLOMSKEGA DELA,

o IZJAVA O ISTOVETNOSTI TISKANE IN ELEKTRONSKE VERZIJE


Kratek življenjepis

Ime in priimek: Aleš Škrobar

Naslov: Topolšica 49

Pošta: 3326 Topolšica

E-mail: [email protected]

Študijski program: visokošolski, elektrotehnika

Smer: Avtomatika in robotika

Rodil sem se 7.7.1980 v Slovenj Gradcu. Po končani osnovni šoli Karla Destovnika –

Kajuha v Šoštanju sem se vpisal na Poklicno in tehnično elektro in računalniško šolo

Šolskega centra Velenje, kjer sem najprej zaključil poklicno izobraževanje za poklic

elektrikar – elektronik, nato pa še poklicno – tehnično izobraževanje za poklic

elektrotehnik – elektronik. Po končani poklicni maturi sem šolanje nadaljeval s študijem

elektronike na Višji strokovni šoli v Velenju in si pridobil izobrazbo inženir elektronike. Po

zaključeni diplomi leta 2002 sem se zaposlil v podjetju Jan & Florjan d.n.o. iz Velenja na

delovnem mestu inženir elektroavtomatike, kjer sem zaposlen še danes.

Leta 2008 sem se vpisal na visokošolski izredni študij elektrotehnike, smer avtomatika in

robotika Fakultete za elektrotehniko, računalništvo in informatiko Univerze v Mariboru.




Documents

AVTOMATIZIRANA ROBOTSKA CELICA S SISTEMOM FANUC … · robotov proizvajalca Fanuc. Konkretno je v aplikaciji, ki je opisana v mojem diplomskem delu uporabljen robot Fanuc M-710iC/50