Marko Abdulaj, Andrija Puškaš, Nenad Posedi, 06/2020
Sažetak
Tvrtka Proton EL d.o.o. je u sklopu IRI projekta razvila robotsku stanicu za automatsku obradu elektro-ormara. Naziv projekta je RoCa (Robotic Station For Cabinet Milling). Poticaj na izradu ovakvog sustava bilo je traženje rješenja koje bi omogućilo olakšanje i ubrzanje obrade elektro-ormara s ciljem povećanja efikasnosti cijelog procesa.
Robotska stanica sastoji se od robota Motoman GP25 marke Yaskawa s upravljačkom jedinicom YRC1000. Nosivost robota je 25kg što je potpuno dovoljno za nošenje vretena i sve popratne opreme. Uz robota unutar stanice se nalazi i kontrolna elektronika razvijena u potpunosti od strane Proton EL tvrtke. Cijela robotska stanica je ograđena metalnom ogradom s polikrabonatnim pločama, čime se ostvaruje zaštita operatera pri radu stanice.
Nadalje, stanica je opremljena svim sigurnosnim značajkama kao što su sigurnosna brava na ulaznim vratima stanice, svjetlosna zavjesa s bočne strane te tipke za zaustavljanje u nuždi. Rad sustava je moguće nadzirati i upravljati direktno s udaljenog mjesta pomoću programskog rješenja razvijenog također unutar tvrtke.
1. Osnovni podaci
Ukupne dimenzije robotske stanice iznose 3.0×3.5m dok visina prostorije u kojoj se nalazi robotska stanica mora biti viša od 3m. Ukupni radni prostor (stol za poluproizvod) je dimenzija 2000x800mm što je dovoljno za većinu vrata elektro ormara. Materijali koje je moguće obrađivati su definirani tipom glodala, no zbog nemogućnosti vodenog hlađenja nije uputno obrađivati materijale tvrdoća većih od nehrđajućeg čelika (60HRC). Maksimalna dubina obrade definirana je glodalom te ne smije prelaziti dubinu preporučenu od strane proizvođača glodala (5-10mm). Shodno pretpostavci da su sva vrata elektro-ormara ravne ploče, sustav omogućuje samo planarno glodanje tj. izrezivanje. Prema svim prethodno definiranim ograničenjima, te imajući u vidu specifikacije elektro-ormara, jasno je da ova stanica ima mogućnost obrađivati cijeli asortiman izuzev vrlo male količine specijalnih ormara.
2. Hardverski dio sustava
Robot Motoman GP25 odabran je zbog svojih tehničkih karakteristika koje zadovoljavaju prije navedene zahtjeve. Robot ima maksimalni doseg od 1730mm na visini 550mm od vlastite baze, dok mu je maksimalna ispružena visina 2085mm pri čemu je potrebno ubrojiti i visinu samog postolja robota. Maksimalna nosivost robota je 25kg što je dovoljno za svladavanje masa cijele obradne glave 8kg i sila koje nastaju obradom poluproizvoda. Kako se radi o robotu s 6 stupnjeva slobode gibanja, moguće je dosegnuti svaku točku unutar obradnih dimenzija. Robot ima ponovljivost od ±0.06mm čime je omogućena dovoljno kvalitetna obrada.
Standardan problem smanjene krutosti sustava uslijed 6 rotacijskih zglobova riješen je smanjenjem brzine posmaka te detaljno definiranim postupkom rezanja koje smanjuje rezne sile i vibracije. Glavno vreteno je snage 2.2kW maksimalne brzine vrtnje 24000 o/min. Motor vretena je hlađen vodom dok je alat hlađen zrakom. Prihvat alata je ISO 20 ER koji omogućuje automatsku izmjenu alata. Maksimalni promjer alata na prihvatu je 10mm. Brzinom vrtnje vretena, te njegovim uključivanjem i isključivanjem upravlja robot preko PLC-a.
Stol za pričvršćivanje obratka je izrađen od metalnih kvadratnih cijevi koje garantiraju dovoljnu krutost dok je površina za obradu od MDF ploče što omogućuje obradu bez mogućnosti oštećenja alata. Površina stola je lako zamjenjiva te relativno jeftina, te je prihvatljivo da glodalo ulazi u materijal. Cilj ovako odabrane obradne površine je jednostavnost namještanja nul-točke (polazne točke) u smjeru vertikalne osi, pošto je jedino važno da glodalo kod prilaza ne udari u obradak nego ulazi postepeno. Suprotno tome završetak izreza može biti na manjoj visini od donje strane obratka što garantira potpun izrez.
Robotska stanica je, kako je i ranije definirano, ograđena metalnom ogradom na koju su pričvršćene polikarbonatne ploče. Svrha metalne ograde je blokirati fizički prilaz robotu kada isti radi, dok polikarbonatne ploče sprječavaju izlaz strugotine (metalne piljevine) iz kruga obrade. Dodatna funkcija ploča je zaštita operatera robotske stanice u slučaju pucanja glodala za vrijeme rada. Iako stanica ima ulazna vrata sa sigurnosnom bravom koja služe unosu obratka u radni prostor stanice, s bočne strane stanice dodan je prolaz sa svjetlosnim zavjesama što omogućuje brz pristup radnom prostoru u slučaju nepredviđenog zastoja. Ako operater uđe kroz prolaz u radnu stanicu robota za vrijeme rada, sigurnosni sustav će zaustaviti robota i svrdlo te aktivirati alarm.
3. Elektronički dio sustava
Izvan radne stanice nalazi se upravljački elektro ormar sustava na kojem se nalazi HMI, glavna sklopka za nuždu te tipka za reset alarma. Preko HMI-a se omogućuje praćenje procesnih vrijednosti sustava te ručno upravljanje perifernim dijelovima sustava. Moguće je vidjeti popis aktivnih alarma te resetirati iste. Unutar elektro ormara nalazi se upravljački i sigurnosni PLC, frekventni pretvarač za kontrolu glavnog vretena, uređaj za udaljeni pristup (VPN) te sva popratna relejna i upravljačka tehnika.
Upravljačka kutija robota nalazi se neposredno pored elektro ormara te je spojena na upravljački PLC pomoću Ethernet kabela. Komunikacija između PLC-a i robota se odvija pomoću PROFINet protokola. Izuzetak od ovakvog spajanja su sigurnosni signali koji su povezani direktno s upravljačke kutije prema sigurnosnom PLC-u i obrnuto. Na upravljačku kutiju robota je spojen Teach pendant, no kod normalnog rada stanice on neće biti potreban već je spojen samo radi testiranja. Jedina svrha u kasnijoj eksploataciji sustava je za nadogradnju sustava i testiranje novih načina rada.
4. Programski dio sustava
Potpuna funkcionalnost robotske stanice postignuta je programskim rješenjem koje omogućuje korištenje standardnog G-koda za kontrolu procesa rezanja. Ovakvo programsko rješenje je bilo potrebno pošto sam robot ne „razumije“ G-kod nego samo svoj vlastiti jezik, u ovom slučaju Inform jezik koji je razvila kompanija Yaskawa. Osim osnovne funkcionalnosti pretvaranja G-koda u nešto razumljivo robotu ovo programsko rješenje omogućuje kontrolu svakog aspekta procesa, promjenu parametara, te udaljeno servisiranje sustava. Ovaj dio je postignut preko SCADA sustava koji implementira Python skriptni jezik. SCADA sustav omogućuje praćenje istih podataka kao i lokalni HMI uređaj uz dodatak upravljanja sustavom te praćenja procesnih vrijednosti u realnom vremenu. Unutar ovog sustava prati se vrijednost vibracija na vretenu te temperatura alata.
Sustav omogućuje direktni unos DXF dokumenta u kojem se nalaze definirani prorezi, koje automatski pretvara u validan G-kod. Ovako kreiran kod odmah je dostupan operateru i spreman za izradu ormara. Sljedeći dio sustava omogućuje automatsko kreiranje i pohranjivanje radnih naloga te ispis naljepnice sa svim značajkama elektro ormara koje su unaprijed definirane od strane projektanta.
Cijeli proizvodni proces je moguće pratiti s udaljene lokacije pomoću dvije kamere postavljene iznad robotske stanice. Dodatna fleksibilnost je mogućnost zakretanja kamere te približavanje slike. Na ovaj način inženjer održavanja uz sve podatke koji su mu dostupni putem SCADA sučelja može u realnom vremenu pratiti proces obrade kako bi unaprijed predvidio i uklonio eventualne kvarove i zastoje sustava. Uz praćenje samog sustava, kamere mogu poslužiti i kao sredstvo za uklanjanje kvara. Naime, većina kvarova koji se mogu dogoditi ne iziskuju preveliku tehničku stručnost te inženjer nekim od sredstva komunikacije, kao naprimjer mobilni telefon može vrlo brzo pronaći rješenje s operaterom koji se nalazi kod robotske stanice. Imajući u vidu ovakvu pretpostavku dolazi se do zaključka da će kamere biti velika pomoć u dijagnostici kao i u davanja uputstva kako otkloniti određeni problem.
5. Proces izrade
Proces izrade jednih vrata elektro ormara kreće od izrade G-koda. Kod se može kreirati direktno unutar upravljačkog dijela SCADA sustava tako da se odabiru unaprijed definirani elementi, kao što su tipke, svjetla, HMI itd. te se odabire položaj istih na vratima ormara. Kada se dodaju svi elementi generira se G-kod i proces je spreman za slijedeću fazu. Druga mogućnost izrade koda je uz pomoć unaprijed definirane DXF datoteke koja unutar sebe posjeduje rezni sloj. U tom slučaju inženjer može operateru pripremiti sustav tako da unese datoteku te iz nje izravno generira G-kod. Bez obzira o odabranoj metodi, drugi dio procedure je postavljanje vrata elektro ormara na za to predviđeno mjesto na obradnom stolu te dodatno pričvršćivanje istih.
Kada je to obavljeno, robotska stanica s obzirom na vrstu materijala vrata uzima sukladno glodalo određeno u Gkodu. Kada traje proces zadatak operatera je pratiti da li robot radi zadane operacije, te zaustaviti sustav u slučaju eventualnog nepredviđenog ponašanja. Nakon što sustav završi izrezivanje, operater pristupa čišćenju radnog stola te skidanju obrađenog proizvoda. Operater potvrđuje da je proizvod dobro obrađen. Sustav i industrijski printer automatski ispisuju naljepnicu s potrebnim podacima o trenutno definiranom proizvodu. Sustav je nakon toga spreman za ponavljanje procesa tj. obradu sljedećeg poluproizvoda.
6. Zaključak
Sustav ovog tipa pruža mogućnost vrlo brze i kvalitetne obrade elektro-ormara. Ovakav sustav je jedan od prvih ovog tipa te kao takav predstavlja dokaz mogućnosti koje pruža korištenje robota u području obrade elektro ormara. Velika prednost je radno područje koje je mnogo veće nego kod tipičnih obradnih centara te fleksibilnost izrade. Ovakav sustav omogućuje dodatna proširenja prema ne-planarnom glodanju što proširuje moguće područje djelatnosti. Dobiveno je pojednostavljenje samog procesa izrade sa stajališta operatera, koji više nije primoran raditi s ručnim alatom što se pokazuje kao vrlo mukotrpan i relativno vremenski zahtjevan proces. Robotska obradna stanica za razliku od klasičnih CNC strojeva pruža više stupnjeva slobode (kretnje), fleksibilnu obradu više vrsta proizvoda, uz manju cijenu stanice u odnosu na klasične CNC strojeve iste namjene.
Literatura
[1] Yaskawa Motoman GP25 Datasheet, Motoman Robotics Division, Yaskawa America Inc.
