VŠB – Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky
DIPLOMOVÁ PRÁCE
2019 Bc. Martin Halama
VŠB – Technická univerzita Ostrava Fakulta elektrotechniky a informatiky Katedra kybernetiky a biomedicínského
inženýrství
Aplikace robotického ramene
v laboratorním prostředí s důrazem na funkční bezpečnost komponovaného
pracoviště
2019 Bc. Martin Halama
Poděkování
Na tomto místě bych rád poděkoval vedoucímu diplomové práce panu doc. Ing. Jiřímu Koziorkovi, Ph.D. za odborné konzultace a vstřícný přístup při tvorbě této práce. Také bych chtěl poděkovat firmě ELVAC a.s. za ochotu a možnost tvorby této práce.
Abstrakt
V této diplomové práci je popsáno použití jednotlivých bezpečnostních norem, které se uplatňují při návrhu a konstrukci robotických pracovišť. Je zde uveden samotný popis robotického pracoviště s odhadem možných rizik, které mohou vzniknout při jeho provozu. Praktická část práce se zabývá řešením demonstračních úloh s robotickým ramenem ABB IRB 1200. Tyto demonstrační úlohy řeší složení a rozložení dané stavby z kostek pomocí robotu. Poslední částí je celkové zhodnocení a ověření funkční bezpečnosti vytvořeného pracoviště s robotickým ramenem.
Klíčová slova
ABB, RobotStudio, robot, bezpečnost, robotické pracoviště
Abstract
In this diploma thesis is described the use of individual safety standards, which are applied in the design and construction of robotic workplaces. There is a description of the robotic workplace itself with an estimate of possible risks that may arise during operation. The practical part deals with the solution of demonstration tasks with the ABB IRB 1200 robot arm. These demonstration tasks solve the composition and decomposition of a given building from cubes using a robot. The last part is the overall evaluation of the functional safety of the created workplace with the robotic arm.
Key words
ABB, RobotStudio, robot, safety, robotic workplace
8
Obsah
Seznam použitých zkratek... 10
Seznam ilustrací a tabulek ... 11
1 Úvod ... 13
2 Robotika ... 14
2.1 Rozdělení robotů ... 14
2.2 Typy robotů ... 15
3 Normy a předpisy pro stavbu a provoz robotických pracovišť ... 17
3.1 Normy pro robotické pracoviště ... 17
3.1.1 ČSN EN ISO 10218-1 – roboty a robotická zařízení ... 18
3.1.2 ČSN EN ISO 10218-2 – integrace robotických systémů ... 18
3.2 Normy pro ověření bezpečnostních zařízení pracoviště ... 19
3.2.1 Norma ČSN EN ISO 13849-1 ... 19
3.2.2 Norma ČSN EN 62061 ... 19
3.3 Specifika pro laboratorní a vývojové pracoviště s robotem ... 19
3.4 Bezpečnostní zařízení na robotických pracovištích ... 20
3.4.1 Bezpečnostní optoelektronické zařízení ... 20
3.4.2 Tlačítko nouzového zastavení ... 21
3.4.3 Nášlapné rohože ... 21
3.4.4 Obouruční ovládání ... 21
3.4.5 Konstrukční zábrana ... 21
3.4.6 Zvukové a vizuální prvky ... 22
3.4.7 Bezpečnostní zámky a bezkontaktní snímače ... 22
4 Seznámení a popis laboratorního robotického pracoviště s šestiosým robotem ABB ... 23
4.1 ABB IRB 1200 ... 24
4.2 Řídicí jednotka IRC 5 ... 26
4.2.1 Pracovní režim robotu ... 26
4.3 Ovládací zařízení FlexPendant ... 27
4.4 Robot studio ... 28
4.4.1 Terminologie programování ... 29
4.4.2 Monitorování pohybu ... 31
4.5 Efektor ... 31
4.5.1 Pneumatický efektor Schunk ... 32
9
4.5.2 Vývoj a testování čelistí efektoru: ... 33
4.5.3 Senzor pro indikaci polohy čelistí efektoru ... 34
4.6 Bezpečnostní světelný závěs SICK deTec4 Core ... 35
4.6.1 Bezpečnostní relé UE48-2OS ... 36
4.7 Tlačítka nouzového zastavení ... 37
5 Analýza rizik laboratorního robotického pracoviště s šestiosým robotem ABB IRB 1200 ... 39
5.1 Postup odhadu rizika pomocí normy ČSN EN 62016 ... 41
5.2 Postup odhadu rizika pomocí normy ČSN EN ISO 13849-1 ... 43
5.3 Ochrana uživatele ... 43
5.4 Požadavky na bezpečnou funkci pracoviště ... 45
6 Návrh a vývoj testovací úlohy na robotickém pracovišti s využitím ABB RobotStudio ... 46
6.1 Aktualizace počítadel otáčení ... 46
6.2 Metody definice objektů a výchozích bodů ... 46
6.3 Metody definice trajektorií ... 47
6.4 Optimalizace rychlostí pohybů robotu ... 49
6.5 Postup tvorby aplikace ... 50
6.5.1 Založení projektu ... 50
6.5.2 Vytvoření nástroje ... 52
6.5.3 Konstanty pozic bodů ... 53
6.5.4 Modelování stanice ... 54
6.6 Tvorba kódu v programu RobotStudio ... 58
6.6.1 Testování demonstračních aplikací ... 63
7 Ověření návrhu bezpečnosti ... 65
7.1 Využití nástroje Sistema ... 66
7.2 Výpočet reakčních časů bezpečnostních prvků ... 69
7.3 Výpočet minimální vzdálenosti světelného závěsu ... 69
7.3.1 Výpočet minimální vzdálenosti při vertikální instalaci světelného závěsu ... 69
7.3.2 Výpočet minimální vzdálenosti při horizontální instalaci světelného závěsu ... 69
7.4 Reakční časy bezpečnostních prvků ... 70
8 Závěr ... 71
Seznam literatury ... 73
Seznam příloh ... 75
10
Seznam použitých zkratek
Zkratka Celý název Význam
ABB Asea Brown Boveri Název firmy
RS Robot Studio Program pro roboty ABB
TCP Tool Center Point Střed nástroje
BF Base Frame Souřadný systém základny
TF Task Frame Souřadný systém světa
PL Performance Level Úroveň vlastností
PLr Performance Level required Požadovaná úroveň vlastností
SIL Safety Integrity Level Úroveň integrity bezpečnosti
DC Diagnostic Converage Diagnostické pokrytí
PFHD Probability of dangerous failure per hour
Pravděpodobnost nebezpečného selhání za hodinu
SCARA
Selective Compliance Articulated Robot Arm
Selektivní kompatibilní kloubové robotické rameno
ISO
International Organization for
Standardization Mezinárodní organizace pro standardizaci
IEC
International Electrotechnical
Commission Mezinárodní elektrotechnická komise
EN Evropská norma Harmonizované evropské normy
ČSN Česká technická norma Česká technická norma
IRC 5 Industrial robot controller Řídicí systém robotu
TM Mission time Doba předpokládaného používání
MTTFD Mean Time to Dangerous Failure Střední doba do nebezpečného selhání
I/O Inputs/Outputs Vstupy/Výstupy
PLC Programmable Logic Controller Programovatelný logický automat
CAD Computer Aided Design Počítačem podporovaný návrh
IP Internet Protocol IP adresa
11
Seznam ilustrací a tabulek
Obr. 1 SCARA robot firmy Fanuc s označením SR-3iA [3] ... 15
Obr. 2 Delta robot firmy ABB s označením IRB 360 FlexPicker [5] ... 15
Obr. 3 Šestiosý robot firmy Kuka s označením KR30 [6] ... 16
Obr. 4 Kolaborativní robot firmy ABB s označením YUMI [7] ... 16
Obr. 5 Struktura bezpečnostních norem ... 17
Obr. 6 Diagram pěti kroků priority bezpečnostních opatření [14] ... 20
Obr. 7 Pohled na robotické pracoviště ... 23
Obr. 8 Robotické rameno ABB IRB 1200 [16] ... 24
Obr. 9 Zobrazení natáčení jednotlivých os robotu ABB IRB 1200 [17] ... 25
Obr. 10 Vzhled virtuálního FlexPendantu v programu RobotStudio ... 28
Obr. 11 Struktura programu RobotStudio ... 29
Obr. 12 Ukázka rozdílného nastavení zóny ... 31
Obr. 13 Efektor Schunk PGN plus 50/1[19] ... 32
Obr. 14 Původní konstrukce čelistí – model č.1 ... 33
Obr. 15 Vylepšená konstrukce čelistí – model č.2 ... 34
Obr. 16 Magnetický senzor polohy Schunk MMS-P 22 [20]... 34
Obr. 17 Světelný závěs SICK deTec4 s vyhodnocovací jednotkou [22] ... 36
Obr. 18 Tlačítko nouzového zastavení na operátorském panelu ... 38
Obr. 19 Blokové schéma analýzy rizik ... 39
Obr. 20 Vhodná struktura bezpečnostní funkce ... 40
Obr. 21 Pohled z vnitřní strany robotického pracoviště s vyznačením rizikových oblastí ... 41
Obr. 22 Diagram znázorňující určení požadované velikosti PLr ... 43
Obr. 23 Ukázka aplikace světelných závěsů na bezpečnostní mříž ... 44
Obr. 24 Operátorský panel ... 44
Obr. 25 Aktualizace počítadel otáčení robotu s vyznačením daných pozic ... 46
Obr. 26 Bod popsán pomocí kartézských souřadnic ... 46
Obr. 27 Bod popsán pomocí natočení jednotlivých os ... 46
Obr. 28 Definice souřadného systému objektu ... 47
Obr. 29 Ukázka instrukce lineárního pohybu... 48
Obr. 30 Ukázka pohybové instrukce po křivce ... 48
Obr. 31 Ukázka pohybové instrukce po kružnici ... 48
Obr. 32 Pohybová instrukce absolute ... 49
Obr. 33 Pohybová instrukce offset ... 49
Obr. 34 Nastavení globální akcelerace ... 49
Obr. 35 Nastavení globální rychlosti ... 49
Obr. 36 Kostka duplo 2x4 a 2x2 ... 50
Obr. 37 Přidání reálného kontroléru do programu RobotStudio ... 50
Obr. 38 Přidání kontroléru pomocí IP adresy ... 51
Obr. 39 Robot ABB IRB 1200 v prázdné stanici RobotStudio ... 51
Obr. 40 Vytvoření nástroje v RobotStudio ... 52
Obr. 41 Nástroj vytvořený v programu RobotStudio s modelovými čelistmi č.1 ... 52
Obr. 42 Vytvořený nástroj robotu s modelovými čelistmi č.2 a vyznačeným TCP nástroje ... 53
12
Obr. 43 Zobrazení stavby ELVAC s vyznačením referenčních kostek ... 54
Obr. 44 Výsledná namodelovaná stanice v programu RobotStudio ... 55
Obr. 45 Přiřazení funkcí programovatelným tlačítkům na FlexPendantu ... 55
Obr. 46 Seznam digitálních vstupů a výstupů na robotickém pracovišti ... 56
Obr. 47 Blokové schéma průběhu programu ... 57
Obr. 48 Ukázka části kódu main ... 58
Obr. 49 Ukázka části kódu rutiny inicializace ... 58
Obr. 50 Rutina pro odkládání kostek mimo stavěnou plochu ... 59
Obr. 51 Ukázka části rutiny pro skládání stavby ... 60
Obr. 52 Ukázka části rutiny pro uchopení kostky v dráze zásobníku ... 60
Obr. 53 Konfigurace robotu při uchopení kostky v zásobníku ... 61
Obr. 54 Doložení kostky na skládanou plochu ... 61
Obr. 55 Ukázka tří výškových staveb ... 62
Obr. 56 Vývojový diagram rutiny inicializace ... 62
Obr. 57 Blokové schéma dosažené úrovně integrity bezpečnosti světelné clony ... 65
Obr. 58 Blokové schéma dosažené úrovně integrity bezpečnosti tlačítka nouzového zastavení .... 65
Obr. 59 Dosažená hodnota SIL tlačítka nouzového zastavení na operátorském panelu ... 66
Obr. 60 Dosažená hodnota SIL světelného závěsu ... 66
Obr. 61 Určení hodnoty PLr v programu Sistema pomocí grafu rizik ... 68
Obr. 62 Ukázka struktury vyhodnocení bezpečnosti v programu Sistema ... 68
Obr. 63 Výsledná hodnota úrovně vlastností určená programem Sistema ... 69
Tab. 1 Rychlost robotu v jednotlivých osách [16] ... 25
Tab. 2 Pracovní rozsah robotu v jednotlivých osách[17] ... 25
Tab. 3 Konstrukční parametry robotu[17] ... 26
Tab. 4 Doplňující parametry robotu[17] ... 26
Tab. 5 Parametry efektoru Schunk PGN plus 50/1 [19] ... 33
Tab. 6 Technický popis programovatelného senzoru Schunk MMS-P 22 [20] ... 35
Tab. 7 Parametry bezpečnostního světelného závěsu SICK deTec4 Core [21] ... 36
Tab. 8 Bezpečnostní parametry SICK UE48-2OS [23] ... 37
Tab. 9 Určení výsledné úrovně integrity bezpečnosti ... 41
Tab. 10 Třída frekvence a doba trvání ... 42
Tab. 11 Třída pravděpodobnosti ... 42
Tab. 12 Třída pravděpodobnosti vyvarování se škod ... 42
Tab. 13 Velikosti použitých kostek ... 50
Tab. 14 Konstanty pozic bodů ... 54
Tab. 15 Testování aplikace skládání nápisu ELVAC s malými čelistmi efektoru ... 63
Tab. 16 Testování aplikace skládání nápisu ELVAC s velkými čelistmi efektoru ... 63
Tab. 17 Testování aplikace výškové stavby s velkými čelistmi efektoru ... 63
Tab. 18 Testování aplikace domek s velkými čelistmi efektoru ... 64
Tab. 19 Testování aplikace trojúhelník s velkými čelistmi efektoru ... 64
13
1 Úvod
Robotika je v dnešní době velmi populární a samotné nasazení robotických ramen do průmyslu je žádoucí díky zvýšení efektivity výroby a vysoké přesnosti. Použití je vhodné zejména při stále se opakujících a fyzicky namáhavých činnostech, ve kterých člověk není schopen stoprocentně splnit daný úkol opakovaně. Roboty se s úspěchem používají v prostředí, které bývá pro člověka nebezpečné.
Trendem, narůstajícím v dnešní době je využití robotů pro svařování, lakování či nanášení pasty a kolaborace robotů s člověkem.
Tato práce se zabývá tvorbou demonstrační aplikace pro firmu ELVAC a.s. na pracovišti s robotickým ramenem ABB. Pracoviště slouží pro testovací a demonstrační účely, při kterých se verifikuje splnitelnost daných požadavků zákazníka. Robotické rameno nalezne uplatnění zejména při manipulaci s předměty a jejich přemisťování. Jako úchop pro robotické rameno je použit pneumatický efektor s hliníkovými čelistmi.
Robotické pracoviště je posouzeno z hlediska své bezpečnosti vzhledem k obsluze, kdy jsou popsána nebezpečná rizika, jež mohou na stroji nastat. Taktéž je určena požadovaná hodnota bezpečnosti všech bezpečnostních prvků pomocí normy ČSN EN ISO 13849-1 a ČSN EN 62061.
Pracoviště obsahuje zásobník s kostkami duplo, které robot odebírá a následně je umisťuje na podložku určenou pro skládání kostek. Aplikace po složení dané stavby také rozloží kostky zpět na svá místa v zásobníku. Byly vytvořeny dvě aplikace, z nichž jedna slouží jako demonstrační, kdy robot skládá název firmy a následně jej rozloží. Druhá aplikace slouží jako testovací, pro možnost tvorby výškových staveb z kostek a jejich přesné umístění těsně vedle sebe. Obě tyto aplikace mají implementovány programové ošetření proti možnosti kolize při přerušení programu pomocí bezpečnostní funkce nebo softwarovým zastavením robotu. Je zde také řešena možnost kolize při opětovném spuštění programu v případě, že již robot drží kostku v efektoru. Poslední možná kolize může nastat při opětovném spuštění programu, kdy robot nejprve zjistí svou aktuální pozici a až poté odjíždí do výchozí pozice po specifické trajektorii.
Dalším požadavkem bylo ověření návrhu funkční bezpečnosti vytvořeného pracoviště. Toto ověření je zejména z hlediska bezpečnosti robotického pracoviště vzhledem k obsluze stroje. Pomocí programu Sistema bylo provedeno ověření požadované bezpečnosti pracoviště u všech bezpečnostních prvků.
14
2 Robotika
Robotika je odvětví vědy a inženýrství, která se zabývá aspekty v souvislosti s roboty, jež se dále rozděluje na robotiku teoretickou, technickou a aplikační. Robotika se zabývá návrhem, konstrukcí, provozem a nasazením robotů. Roboty naleznou uplatnění zejména v průmyslovém odvětví, kde slouží pro neustále opakující se operace. Dnešním trendem robotiky je spojení robotu s člověkem, do určité formy kolaborace, což znamená přímé nasazení kolaborativního robotu do prostoru, ve kterém se nachází člověk. Rozšiřuje se také navádění robotů pomocí kamer a strojového vidění.
2.1 Rozdělení robotů
Obecně lze roboty rozdělit podle těchto kritérií:
Počet stupňů volnosti
• Deficitní robot – méně než šest stupňů volnosti (například roboty SCARA, roboty se 3-4 stupni volnosti, pohyb a montáž prvků pouze v rovině).
• Univerzální robot – šest stupňů volnosti, nejvíce používaný typ robotu v průmyslu, jasné vymezení polohy a orientace předmětu v prostoru, většina průmyslových robotů.
• Redundantní robot – více než šest stupňů volnosti, možnost vyhnutí se překážkám v prostoru, mobilita.
Typ pohonu
• Elektrický
• Pneumatický
• Hydraulický Oblast a typ použití
• Průmyslové roboty – nejvíce používané roboty, montování součástek, svařování, přemisťování, lakování, nanášení pasty apod.
• Servisní roboty – obsluha, zdravotnictví, služby, armáda [1]
Motory robotů
Na motory robotů jsou kladeny vysoké požadavky, protože jejich parametry přímo ovlivňují kinematiku robotu. Mezi klíčové požadavky patří plynulý rozběh a brždění, přesnost polohování, minimální konstrukční rozměry, polohovací tuhost, minimální hmotnost a vysoký měrný výkon.
Trendem výrobců je umístit motor do konstrukce robotu a tím minimalizovat celkový zastavěný prostor.
Mezi nejvíce používaný typ motorů se řadí elektrický, který je díky své univerzálnosti vhodný pro většinu aplikací. Pro rychlé pohyby lze použit pneumatický pohon, pro nutnost vysoké nosnosti nákladu se používají hydraulické pohony.
15
2.2 Typy robotů
SCARA – Tyto roboty se vyznačují vysokou rychlostí, přesností pohybů a svou kompaktností.
Využití v praxi nacházejí při montáži a manipulaci součástek nad rovinou. Jelikož roboty SCARA postrádají pohybové možnosti šestiosých robotů, jimiž jsou sklápění a natáčení, je potřeba doplnit aplikaci s nutností sklápění či natáčení o další manipulační prvky. Mezi hlavní výhody robotů SCARA se řadí rychlý pohyb nad rovinou, jednoduchost programování i snadná integrace. [2]
Obr. 1 SCARA robot firmy Fanuc s označením SR-3iA [3]
Delta robot – Jedná se o kombinací tří či více paralelogramů, které zajistí posuvný pohyb koncové plochy. Tyto roboty vynikají svou vysokou rychlostí a přesností. Hlavní nasazení v praxi naleznou při přemisťování drobných součástek či předmětu na pohybujícím se dopravníkovém pásu. V dnešní době se již vyrábějí tyto verze robotů z omyvatelných materiálů s bezpečnou konstrukcí, která zamezí vniku nečistot do výrobního procesu, takže své uplatnění nacházejí také v potravinářském a farmaceutickém průmyslu. Při návrhu robotických pracovišť s delta roboty je potřeba pamatovat na dostatečné dimenzování tuhosti konstrukce. Jelikož mají tyto roboty vysokou dynamiku, může docházet při vysokých rychlostech k vibracím a lehkým otřesům konstrukce. [4]
Obr. 2 Delta robot firmy ABB s označením IRB 360 FlexPicker [5]
16
Šestiosý robot – Jak již napovídá samotný název, šestiosé roboty mají šest stupňů volnosti. Své uplatnění nacházejí zejména v průmyslových aplikacích, jimiž jsou například svařování, lakování, přemisťování součástek a nanášení pasty. Většina firem již umožňuje montáž robotu pod jakýmkoliv úhlem, což je výhodou pro možnost zmenšení prostoru robotické buňky nebo pracoviště. Tyto roboty mohou nést vysoké hmotnosti závaží, záleží pouze na robustnosti dané konstrukce. Obecně se jedná o nejuniverzálnější a nejvíce používaný typ robotu pro většinu aplikací v průmyslu.
Obr. 3 Šestiosý robot firmy Kuka s označením KR30 [6]
Kolaborativní robot – Kolaborace znamená možnost činnosti robotu a člověka v bezprostřední blízkosti, aniž by došlo k nebezpečí pro člověka. Roboty jsou vybaveny řadou senzorů pro zjištění aktuální pozice, vyvíjeného tlaku na překážku a kamerami snímající oblast robotu. Obecně jsou kolaborativní roboty rychlostně omezeny pro možnost práce zároveň s člověkem, aby nedošlo ke zranění a jsou schopny zastavit svůj pohyb v řádech milisekund. Držené předměty dosahují většinou pouze nízkých hmotností. Uplatnění nachází zejména při asistenci operátorovi při výrobě a montování drobných součástek. [7]
Obr. 4 Kolaborativní robot firmy ABB s označením YUMI [7]
17
3 Normy a předpisy pro stavbu a provoz robotických pracovišť
Norma EN ISO 12100 slouží pro ucelení a vymezení pojmů pro konstruktéry, kteří vyrábějí dané stroje v souladu s bezpečností konstruovaného pracoviště.
Struktura norem
• Normy typu A – vymezují základní pojmy, zásady pro konstrukci a všeobecná hlediska, která mohou být aplikována na všechny strojní zařízení.
• Normy typu B – skupinové bezpečnostní normy, specifikují již určité bezpečnostní hledisko nebo typ bezpečnostního zařízení. Dále se dělí na:
• Normy typu B1 – popisují jednotlivá bezpečnostní hlediska (teplotu povrchu, hluk, bezpečnou vzdálenost apod.).
• Normy typu B2 – popisují jednotlivá bezpečnostní zařízení (blokovací zařízení, dvouruční ovládací prvky, ochranné kryty apod.).
• Normy typu C – bezpečnostní normy pro stroje, ještě vyšší specifikace detailů bezpečnostních požadavků pro daný stroj nebo skupinu strojů.
Obr. 5 Struktura bezpečnostních norem
Rozdělení popisu norem
ISO – International Organization for Standardization – Mezinárodní organizace pro standardizaci IEC – International Electrotechnical Commission – Mezinárodní elektrotechnická komise EN – Harmonizované evropské normy
ČSN – Česká technická norma
3.1 Normy pro robotické pracoviště
Mezi základní normu se řadí ČSN EN ISO 12100.Tato norma definuje terminologii, zásady a metodiku dosažení bezpečnosti strojního zařízení. Stěžejní normou pro konstrukci robotických pracovišť je norma ČSN EN ISO 10218, která pojednává o bezpečnosti průmyslových robotů a dále se dělí na ČSN EN ISO 10218-1 – roboty a robotická zařízení a ČSN EN ISO 10218-2 – integrace robotických systémů.
18
Mezi doplňující normy pro robotická pracoviště se řadí norma ČSN EN ISO 13850, která popisuje funkci nouzového zastavení z hlediska zásad pro konstrukci, kdy tato norma je normou typu B2. Další používanou normou je norma ČSN EN ISO 13855, která definuje minimální vzdálenost umístění bezpečnostních zařízení s ohledem na rychlost, se kterou se může přiblížit část lidského těla do nebezpečného prostoru. Mezi bezpečnostní zařízení, se kterými tato norma pracuje, se řadí elektronická snímací ochranná zařízení, jež jsou světelné clony a laserové snímače. Následně zde patří ochranná zařízení, která jsou citlivá na tlakovou sílu, kdy se jedná zejména o nášlapné rohože a mezi poslední bezpečnostní zařízení se řadí dvouruční ovládání.
Norma ČSN EN ISO 14120 definuje požadavky na konstrukční opatření pomocí pevných a mobilních ochranných krytů pracovišť vzhledem k ochranně osob proti mechanickému nebezpečí, které může vykazovat stroj. Jelikož tato norma nedefinuje použití blokovacích zařízení, je nutné použít normu ČSN EN ISO 14119, která popisuje správné zásady pro konstrukci a také volbu blokovacích zařízení, které jsou spjaty s ochrannými kryty. Mezi blokovací zařízení se řadí bezpečnostní magnetické a mechanické zámky. [8] [9] [10] [11]
Norma ČSN EN ISO 10218 je normou typu C, jak je uvedeno v ČSN EN ISO 12100. Pokud jsou ustanovení této normy odlišná od těch, která jsou zmíněna v normách typu A nebo B, pak ustanovení této normy typu C mají přednost před ustanoveními ostatních norem. [12]
3.1.1 ČSN EN ISO 10218-1 – roboty a robotická zařízení
Norma ČSN EN ISO 10218-1 definuje požadavky a nařízení pro bezpečnou konstrukci, ochranná opatření při použití průmyslových robotů. V této normě se nachází základní výčet nebezpečí, které jsou spjaty s roboty a udává možné požadavky k snížení či úplné eliminaci těchto rizik. Samotná část normy nenakládá s robotem jako s celkovým strojem, kdy například emise hluku, které robot vytváří, nejsou považovány jako nebezpečí. Obecně je nebezpečí spojené s roboty snadno rozeznatelné, ale zdroj nebezpečí je vždy specifický a odlišný pro danou aplikaci s robotem. Jednotlivá rizika závisí na typu použitého robotu i na jeho samotné instalaci, provozu a údržbě.
Normu lze aplikovat na průmyslové roboty, ale bezpečnostní principy uvedené v této normě lze použít i u ostatních typů robotů. Při speciálních aplikacích robotů, jež jsou svařování, různé druhy obrábění či řezání pomocí laseru, může dojít k specifickému nebezpečí. Při těchto aplikacích je nutno uvažovat tyto nebezpečí již při konstrukci robotu a robotického pracoviště. [12]
3.1.2 ČSN EN ISO 10218-2 – integrace robotických systémů
Tato část normy je doplňující k normě ISO 10218-1 a specifikuje bezpečnostní požadavky na aplikaci průmyslových robotů a průmyslových buněk robotů. Jednotlivé robotické buňky mohou obsahovat kromě robotů další stroje či zařízení. V této části normy je uveden návod k ochranně obsluhy během integrace robotu, jeho instalace, uvádění do provozu, programování a údržby.
Integrace zahrnuje tyto jednotlivé podbody:
a. Konstrukci, výrobu, instalaci, provoz, údržbu a vyřazení z provozu průmyslového systému robotu či buňky.
b. Nezbytné informace pro konstrukci, výrobu, instalaci, provoz, údržbu a vyřazení z provozu průmyslového robotu či buňky.
19
c. Součásti zařízení průmyslového systému robotu nebo buňky. [13]
3.2 Normy pro ověření bezpečnostních zařízení pracoviště
Pro posouzení rizik a ověření bezpečnosti pracoviště z pohledu použitých bezpečnostních zařízení lze použít normu ČSN EN ISO 13849-1 (PL) nebo normu ČSN EN 62061 (SIL). Obě tyto normy lze použít pro robotické pracoviště, ale je mezi nimi drobný rozdíl, kdy normu PL lze aplikovat na většinu bezpečnostních řešení, jež jsou například elektrické, mechanické, pneumatické a hydraulické bezpečnostní prvky. Oproti tomu norma SIL se zaměřuje pouze na elektrické, elektronické nebo programovatelné bezpečnostní prvky. [14]
3.2.1 Norma ČSN EN ISO 13849-1
Tato norma definuje bezpečnostní požadavky pro návrh a integraci bezpečnostních částí ovládacích systémů. Pro výpočet požadované úrovně vlastností (PLr) je potřeba určit tři parametry rizik, kdy výsledná úroveň vlastností dosahuje pěti hodnot PLa – Ple. Z nichž „a“ je nejnižší riziko a „e“ je nejvyšší riziko. Výsledná hodnota se nejlépe určí pomocí grafu rizik. Norma dále zohledňuje strukturu zapojení jednotlivých komponentů, jejich spolehlivost a možnost odolávat poruchám. [15]
• S – Závažnost zranění
• S1 – lehké s přechodnými následky zranění
• S2 – vážné s trvalými následky zranění nebo smrtí
• F – četnost nebo doba trvání expozice vůči zranění
• F1– četnost zranění nebo doba expozice je krátká
• F2 – četnost zranění nebo doba expozice je dlouhá
• P – možnost vyhnout se nebezpečí nebo omezení škody
• P1 – možné za určitých podmínek
• P2 – stěží možné 3.2.2 Norma ČSN EN 62061
Také norma SIL má specifické určení výsledné úrovně integrity bezpečnosti. Jedná se o numerické sečtení dosažených hodnot jednotlivých parametrů, mezi které se řadí:
• Se – závažnost zranění
• Fr – frekvence ohrožení nebo doba trvání
• Pr – pravděpodobnost výskytu nebezpečí
• Av – pravděpodobnost vyvarování se škod
S využitím tabulkových hodnot lze určit výslednou třídu „Cl“ a pomocí určené závažnosti naleznout hodnotu SIL. Nejnižší hodnota je SIL1 a nejvyšší SIL3. Existuje také hodnota SIL4, která se nepoužívá u strojů, ale pouze v oblasti procesů a vlaků.
3.3 Specifika pro laboratorní a vývojové pracoviště s robotem
U takových to pracovišť je nutné se vyvarovat konstrukčním nedostatkům již při samotném návrhu.
Mezi nedostatky se zejména řadí ostré a vyčnívající hrany, nezakryté nebezpečných částí stroje či
20
možnost vstupu do nebezpečného prostoru při probíhajícím pracovním cyklu. Vhodným opatřením je vymezení vstupu do nebezpečného prostoru robotu žlutočernou barvou umístěnou na podlahu.
Určení priority bezpečnostních opatření probíhá pomocí pěti kroků, kdy největší podíl na bezpečnosti má prvotní snížení rizik celkové konstrukce pracoviště. Čím dále od středu kruhu, tím více dopadá odpovědnost na obsluhu stroje. Jednotlivé segmenty se skládají z těchto pěti bodů:
1. Eliminace nebo snížení rizik návrhem a celkovou konstrukcí pracoviště.
2. Přemístění pracovních úkonů mimo nebezpečnou oblast.
3. Použití ochranných a bezpečnostních zařízení.
4. Vyvíjení bezpečnostních pracovních úkonů, větší informovanost a vzdělání obsluhy.
5. Použití výstrah pomocí piktogramů, světelné a zvukové signalizace.[14]
Obr. 6 Diagram pěti kroků priority bezpečnostních opatření [14]
Existuje několik přístupů k realizaci pracoviště s robotem. Je možno postupovat podle normy ČSN EN ISO 10218 a následnou bezpečnost pracoviště ověřit pomocí normy ČSN EN ISO 13849-1 nebo pomocí normy ČSN EN 62061.
Vždy je nutné vytvořit seznam nebezpečných míst, které se nachází na stroji a podrobně je popsat.
Mezi hlavní nebezpečí se například řadí stlačení, navinutí, střih, výpary, radiace, hluk, horko, nabodnutí apod. Další důležitým a vhodným aspektem je použití bezpečnostních zařízení od ověřených výrobců, kde jsou již předem vypočteny a uvedeny hodnoty dosahující bezpečnosti.
Posledním krokem je ověření dosažení bezpečnosti pomocí ručního výpočtu nebo pomocí výpočetního softwaru Sistema (norma ČSN EN ISO 13849-1) nebo online nástroje Safety Evaluation Tool (norma ČSN EN 62061).
3.4 Bezpečnostní zařízení na robotických pracovištích
Zde je uveden výčet jednotlivých bezpečnostní prvků, které se používají při konstrukcích robotických pracovišť, či automatizovaných buněk s robotem. Tyto bezpečnostní zařízení slouží k ochraně osob v nebezpečných prostorech kolem robotů, vysokotlakých lisů, výrobních linek a strojů.
Mezi nepoužívanější zařízení se řadí níže uvedená.
3.4.1 Bezpečnostní optoelektronické zařízení
Bezpečnostní světelný závěs plní funkci okamžitého zastavení při přerušení paprsku mezi vysílačem a přijímačem. Z toho plyne, že pro funkci je potřeba vždy alespoň jeden pár světelných závěsů, kdy
21
jeden z nich plní funkci vysílače a druhý plní funkci přijímače. Rozlišení jednotlivých světelných závěsů se liší v rámci konstrukčního provedení. Mezi typicky používané rozlišení se řadí velikosti 14 mm a 30 mm. Kdy rozlišení 14 mm se používá u aplikací, kde je nutné detekovat vniknutí prstů či drobných předmětů do nebezpečné zóny. Naopak rozlišení 30 mm se používá v aplikacích s možností vniknutí větších předmětů či ruky operátora. [14]
3.4.2 Tlačítko nouzového zastavení
Tlačítko nouzového zastavení musí být konstruováno podle příslušných norem, které definují červeně zbarvenou hlavičku tlačítka se žlutým pozadím nebo krytem. Zastavení stroje pomocí nouzového tlačítka musí být okamžité. Takového zastavení je docíleno pomocí odpojení stroje od napájení, nebo programové rampy pomocí měniče a následného odpojení od zdroje napájení. Jedním z hlavních požadavků je, aby tlačítko nouzového zastavení nezpůsobilo další nebezpečí. Samotný signál z nouzového tlačítka musí mít přednost před ostatními signály ve všech pracovních režimech. Nutností je i vhodné umístění tlačítka nouzového zastavení, aby bylo přístupné a dobře viditelné. Žádoucím doplňkem je možnost aretace tlačítka po zmáčknutí. Důležitým aspektem je také, aby po resetu tlačítka nedošlo k opětovnému spuštění stroje. [14]
3.4.3 Nášlapné rohože
Jedním z dalších řešení je využití nášlapných rohoží. Najdou uplatnění zejména v prostorech, kde může dojít ke zranění v důsledku zasáhnutí operátora pohybující se částí stroje. Z toho vyplývá jejich instalace na zem před vstup do nebezpečného prostoru. Nášlapné rohože musí splňovat pro svou instalaci definovanou bezpečnou vzdálenost dle normy ČSN EN ISO 13855. Jedná se o nejmenší povolenou vzdálenost mezi nebezpečnou oblastí a vnější hranou rohože, tím je také definováno bezpečné vypnutí stroje. Jestliže by byla tato vzdálenost menší než vypočtená hodnota, mohlo by dojít ke zranění obsluhy z důvodu časové prodlevy vypnutí vzhledem k rychlosti vyhodnocení. [14]
𝑆 = (𝐾 ∙ 𝑇) + 𝐶 (1)
Kdy:
S = nejmenší povolená bezpečná vzdálenost v mm K = rychlost pohybu tělesa (mm/s)
C = doplňující vzdálenost v mm, která závisí na velikosti pronikajícího objektu do nebezpečné zóny
3.4.4 Obouruční ovládání
Obouruční ovládání je vhodné v takových aplikacích, kde je potřeba zamezit možnosti konfrontace obsluhy s pracovním prostorem stroje. Operátor je nucen pro potvrzení nebo chod stroje přiložit obě ruce na obouruční ovladač a tím spustit daný cyklus. Toto se využívá zejména u vysokotlakých lisů či nůžek, kdy operátor vloží daný předmět do prostoru stroje a následně je již pomocí obouručního ovladače znemožněno zranění při probíhajícím cyklu stroje.
3.4.5 Konstrukční zábrana
Mezi prvky konstrukčního řešení se řadí bezpečnostní mříže nebo plexisklo. Bezpečnostní mříž nalezne uplatnění u většiny konstruovaných robotických pracovišť s otevřeným prostorem. Takováto
22
mříž musí být pevně ukotvena k zemi, aby bylo zabráněno její následné manipulaci. Naopak plexisklo je vhodné použít u aplikací malých robotických buněk, u kterých je výhodou vidět na probíhající proces.
Využívá se i pro snížení hluku, který vydává robot při svém pohybu.
3.4.6 Zvukové a vizuální prvky
Mezi zvukové a vizuální bezpečnostní prvky se řadí výstražné majáky či zvukové sirény. Při pohybu robotu se rozsvítí příslušný maják, který informuje obsluhu o vykonávání pracovního cyklu.
Signalizační maják je vhodné umístit u vstupu k robotickému pracovišti. Jedním z doplňkových bezpečnostních opatření je také použití piktogramů, které zdůrazňující určité nebezpečí. Piktogramy je účelné umístit před nebezpečnou oblast či na samotnou robotickou buňku již při vstupu.
3.4.7 Bezpečnostní zámky a bezkontaktní snímače
Bezpečnostní zámky naleznou uplatnění při vstupech do robotických buněk, které obsahují pohyblivou část mříže či dveří, kterou je nutno zajisti proti otevření při probíhajícím cyklu. Tyto zámky mohou být tvořeny pomocí elektromagnetů nebo mechanického řešení.
Oproti tomu bezkontaktní snímače naleznou uplatnění při nutnosti zajištění dosáhnutí určitě polohy nebo detekce otevření dveří. Největší výhodou bezkontaktních snímačů je jejich dlouhá životnost, jelikož u nich nedochází k mechanickému poškození.
23
4 Seznámení a popis laboratorního robotického pracoviště s šestiosým robotem ABB
Robotické pracoviště se skládá z deseti stěžejních částí, které lze vidět na Obr. 7. Kolem pracoviště je instalována bezpečnostní mříž ze dvou stran, která je pevně upevněna k zemi, aby bylo zabráněno s její manipulací. Z přední části je vchod do robotického pracoviště, kde na vnitřních stranách mříží jsou instalovány dvojice světelných závor, které pokrývají prostor proti vniknutí osoby či cizího předmětu do pracovního prostoru robotu při probíhajícím cyklu.
Na levém stole se nachází zásobník s kostkami duplo, který má sklon 35°. Tímto náklonem je docíleno samovolnému posouvání kostek, které jsou robotem zakládány zpět do zásobníku. Zvýšené hrany zásobníků slouží k vytyčení jednoznačné polohy kostek a brání vyjetí kostek mimo dráhu zásobníku.
Samotné robotické rameno s typovým označením ABB IRB 1200 je upevněno na vyvýšené konstrukci, která zvyšuje dosažitelnost robotu vzhledem k výšce stolů.
Na pravém stole se nachází dvojice podložek pro možnost skládání kostek. V pravém stolu se také nachází řídicí kontrolér robotu s označením IRC5, ke kterému je připojen ovladač robotu FlexPendant.
Operátorský panel je umístěn na levé straně mříže u vstupu ve výšce 155 cm, aby bylo zajištěno jeho snadné obsluze. Panel obsahuje jednotlivá tlačítka pro zvolení, kterou aplikaci chce uživatel spustit.
Pod tlačítky se nacházejí indikátory, znázorňující aktivaci daného úkolu. Jednou z hlavních částí panelu je bezpečnostní tlačítko pro okamžité zastavení robotu, tlačítko pro resetování chyby robotu a reset bezpečnostních světelných závěsů po jejich aktivaci v automatickém režimu robotu. Nad panelem se nachází signalizační maják, který je taktéž připevněn k mříži.
Obr. 7 Pohled na robotické pracoviště
24 Vysvětlivky:
1. Zásobník s kostkami duplo 2. Robotické rameno ABB IRB 1200 3. Plocha pro skládání kostek
4. Ovládací zařízení FlexPendant 5. Bezpečnostní světelné závěsy 6. Řídicí kontrolér robotu IRC5 7. Vyvýšená podstava robotu 8. Operátorský panel
9. Signalizační maják 10. Mříž
4.1 ABB IRB 1200
Robot IRB 1200-5/0.9
Jedná se o šestiosý průmyslový robot od firmy ABB s označením IRB 1200-5/0.9. Robot je schopen nést závaží, které dosahuje hmotnosti 5 kg a jeho pracovní rozsah činí 901 mm, kdy v přední části dosáhne koncovým bodem až 324 mm pod úroveň své základny. Tento robot vychází z předešlého modelu IRB 120, kdy firma zapracovala na konstrukci, zvětšila pracovní dosah i celkovou nesenou hmotnost výrobku. Celkový cyklus se urychlil o 10 % oproti předešlému modelu. Svými rozměry i konstrukcí se skvěle hodí pro průmyslové použití, kde nalezne uplatnění zejména při překládání výrobků, jemné manipulaci s elektronickými součástkami, lakování, svařování apod. [16]
Výhodou je instalace robotu pod jakýmkoliv úhlem či ke stropu robotické buňky, tím se docílí i zmenšení celého pracoviště. Jelikož robot nemá žádnou kompenzaci v ose 2, je schopný pracovat ve větším rozsahu než roboty stejné kategorie. Základní verze robotu, je opatřena ochranou krytí IP 40, na vyžádání je možné zvýšit krytí na IP 66/67, tudíž je robot chráněn od paty k zápěstí proti vniknutí kapalin a drobných pevných částí. Samotná kabeláž je vedena vnitřkem robotu, taktéž přívod vzduchu pro efektor je veden vnitřkem robotu až k zápěstí, tím je docíleno vyšší bezpečnosti i omezení možného poškození kabeláže či vzduchových hadic. [16]
Obr. 8 Robotické rameno ABB IRB 1200 [16]
25
K robotu se dodává řídicí systém IRC5, který je v tomto případě ve variantě kompakt. Tato verze kontroléru je vhodná na tomto robotickém pracovišti zejména svými malými rozměry. K řídicímu systému je připojeno dotykové ovládací zařízení nazvané FlexPendant, pomocí kterého lze programovat robotické rameno přímo na místě. Robot má na své konstrukci také odbrzďovací tlačítko pro možnost rychlého uvedení zpět do provozu po kolizi či výskytu chyby.
Na Obr. 9 lze vidět, kde se nacházejí jednotlivé osy otáčení i jejich možný pohyb v kladném a záporném směru v prostoru.
Obr. 9 Zobrazení natáčení jednotlivých os robotu ABB IRB 1200 [17]
V Tab. 1 je znázorněna rychlost jednotlivých os robotického ramene ve stupních za sekundu.
Tab. 1 Rychlost robotu v jednotlivých osách [16]
IRB 1200-5/0.9 Osa 1 Osa 2 Osa 3 Osa 4 Osa 5 Osa 6
Rychlost 288 °/s 240 °/s 300 °/s 400 °/s 405 °/s 600 °/s
V Tab. 2 je znázorněn rozsah jednotlivých os robotu ve stupních.
Tab. 2 Pracovní rozsah robotu v jednotlivých osách[17]
Pohyb osy Pracovní rozsah
Osa 1 – rotace +170° až -170°
Osa 2 – rameno +130° až -100°
Osa 3 – rameno +70° až -200°
Osa 4 – zápěstí +270° až -270°
Osa 5 – ohyb +130° až -130°
Osa 6 – otáčení +360° až -360°
26
Tab. 3 Konstrukční parametry robotu[17]
Nosnost 5 kg
Nosnost na rameni 0,3 kg
Rozměry základny 210 mm x 210 mm
Hmotnost 54 kg
Tab. 4 Doplňující parametry robotu[17]
Signály Zabudovaných 10 signálu k zápěstí robotu
Přívod vzduchu Zabudované 4 přívody k zápěstí (5 barů)
Ethernet Zabudovaný jeden konektor 100/10 Base – TX
Opakovatelná přesnost (RP) 0,025 mm
Stupeň ochrany IP40
Řídicí systém IRC5 compact
PFHD vstupu nouzového zastavení 4,3 ∗ 10−8
Montáž robotu Pod libovolný úhlem
Výrobce robotu také udává přesnost pozice, kdy průměrná přesnost dosahuje hodnoty 0,14 mm a maximální přesnost pozice 0,45 mm.
4.2 Řídicí jednotka IRC 5
Řídicí jednotka IRC5 se skládá z výkonného procesoru Pentium, který zaručuje plynulý chod pracovního cyklu, karty digitálních vstupů/výstupů, konektoru pro připojení FlexPendantu i samotné napájení robotu. Kontrolér robotu podporuje sběrnice typu DeviceNet, PROFINET, PROFIBUS DP a Ethernet.
Řídicí jednotka obsahuje dvoukanálový vstup nouzového zastavení, který slouží pro připojení externího tlačítka nouzového zastavení. Tento vstup disponuje zastavením kategorie 0 a je aktivní v obou pracovních režimech robotu. Zvlášť pro automatický režim robotu je zde vyčleněn ochranný dvoukanálový stop vstup, který slouží pro připojení signálu z bezpečnostních prvků, jimiž jsou například světelné závěsy, nášlapné rohože, zámky apod. Jedná se také o zastavení kategorie 0. V ručním režimu robotu je tento vstup neaktivní, aby bylo možno provádět testování trajektorií v prostoru robotu.
V řídicí jednotce je naistalován software RobotWare, který obsahuje programovací jazyk RAPID, což je vysoce flexibilní programovací nástroj a jeden z nejvýkonnějších softwarových jazyků v robotickém průmyslu. Při demonstračních aplikacích byla použita verze RobotWare 6.06.01.
4.2.1 Pracovní režim robotu
Obecně má robot dva pracovní režimy, jimiž jsou ruční a automatický režim. Přepínání mezi těmito režimy se v tomto případě děje pomocí přepínače s klíčem, který je na přední straně kontroléru robotu.
Klíč by měl mít u sebe servisní technik, který zajišťuje správnou funkci robotu, aby nedošlo k nedovolenému přepínaní mezi režimy a vystavení se nebezpečné situaci, která by mohla nastat.
27 Ruční režim
Používá se zejména při testování, servisních zásazích či údržbě robotu. Je zde nutná přítomnost operátora. Slouží k projetí naprogramovaného cyklu redukovanou rychlostí, aby se zamezilo nebezpečným situacím, jakými jsou zejména kolize s pracovištěm a operátorem. Oproti automatickému režimu, je zde nejvyšší povolená rychlost 250 mm/s, kdy se dá tato hodnota procentuálně snížit pomocí FlexPendantu nebo programově ručním nastavením rychlosti. Vhodnou funkcí je i krokování programu a možné odhalení chyb v kódu. V ručním režimu není možno spuštění robotu bez aktivovaného třípolohového tlačítka ve střední poloze. Všechny bezpečnostní prvky, které jsou připojeny na vstup automatického bezpečnostního zastavení jsou v tomto režimu neaktivní.
Automatický režim
V automatickém režimu již není nutná přítomnost operátora a cyklus běží automaticky s naprogramovanou rychlostí. Rychlost může v tomto daném případě dosahovat hodnoty 5 000 mm/s při maximální akceleraci pohybu. Bezpečnostní opatření i samotný bezpečnostní obvod je plně aktivní, tudíž při ztrátě jakékoliv bezpečnostní funkce musí dojít k okamžitému zastavení robotu. Třípolohové aktivační tlačítko na FlexPendantu je v automatickém režimu překlenuto, takže není aktivní.
4.3 Ovládací zařízení FlexPendant
Jedná se o ovládací zařízení, které slouží operátorovi k programování a konfiguraci robotického ramene pomocí dotykového panelu, hardwarových tlačítek a joysticku. V ručním režimu robotu je nutné mít aktivováno bezpečnostní tlačítko „mrtvého muže“, které se nachází na boku a jeho aktivací se zapnout pohony robotu. Tlačítko musí být zmáčknuto do střední polohy, aby bylo možné pohybovat s robotem, naopak v nezmáčknuté, nebo promáčknuté poloze je pohon robotu vypnut.
Flexpendant se skládá z devíti stěžejních částí, jimiž jsou konektor, dotyková obrazovka, pákový ovladač, hardwarová tlačítka, aktivační zařízení, dotykové pero, USB port, tlačítko nouzového vypnutí, a resetovací tlačítko
PORT USB slouží k vložení flash disku či externího disku, kdy s jeho pomocí je možno zálohovat daný systém robotu nebo jej v případě poruchy obnovit nebo nahrát předešlou verzi systému, programu i dané konfigurace I/O.
Resetovací tlačítko se nachází na zadní straně FlexPendantu a pomocí něj lze resetovat jednotku.
Jedná se ale pouze o reset jednotky, nikoliv reset celého systému řadiče. Používá se při zastavení systému na FlexPendantu.
Pákový ovladač se používá k ručnímu přenastavení robotu do dané pozice. Uživatel si může vybrat jakým způsobem chce s robotem pohybovat pomocí přednastavených tlačítek na jednotce. Mezi přenastavené pohyby se řadí pohyb lineární, reorientace vůči TCP, nebo pohyb v jednotlivých osách.
Hardwarových tlačítek se na jednotce nachází celkem dvanáct, z toho jsou čtyři uživatelsky programovatelná. Dolní čtyři tlačítka slouží ke spuštění programu, k zastavení programu a ke krokování v programu vpřed či vzad. Ve střední části se nachází čtyři tlačítka, kterými si uživatel vybere zvolení pohybu v jednotlivých osách 1-3,4-6, lineární pohyb robotu nebo změnu orientace pohybu. V horní částí
28
se nachází čtyři uživatelsky programovatelná tlačítka, kterým lze přidělit některou z funkcí, které se nacházejí v programu RobotStudio.
Virtuální Flexpendant v RobotStudiu
Virtuální FlexPendant slouží pro simulaci a testování při offline režimu v programu RobotStudio.
Jedná se o kopii reálného ovladače. Uživatel může spustit daný proces, či testovat funkčnost celého programu nebo krokovat program a odhalit možné chyby. Při využití vyskakovacích oken lze tyto hlášky potvrdit nebo zamítnout a takto testovat správnou funkčnost programu.
Obr. 10 Vzhled virtuálního FlexPendantu v programu RobotStudio
4.4 Robot studio
Jedná se o nástroj pro programování robotů od firmy ABB. Uživateli poskytuje možnost programování online, kdy je uživatel připojen pomocí ethernetového kabelu k servisnímu portu kontroléru robotu, nebo offline ve virtuální stanici. Programátor nemusí tedy složitě vytvářet kód a zadávat jej do FlexPendatu ručně, ale stačí jej napsat v programovém editoru RAPID a následně jej nahrát do kontroléru robotu. Vytvořená offline stanice je totožná s reálnou stanicí, což vede k výhodě, že programátor nemusí být připojen k reálnému kontroléru. Program obsahuje možnost vložení CAD souborů reálných částí robotického pracoviště, tudíž lze dosáhnout věrné kopie reálného pracoviště a simulovat veškeré možné situace, které nastanou v průběhu programu.
Mezi hlavní výhody se řadí ověření pohybových trajektorií robotu, dosažitelnost naprogramovaných bodů a celkové urychlení času při tvorbě dané aplikace. Další výhodou je simulace cyklu programu a odhalení možných prodlev.
Struktura stromu programu:
• Stanice – Ve stanici se nachází virtuální kontrolér, který je kopií kontroléru reálného.
• Home – V záložce home se nachází uživatelská data, které se používají v programu. Jestliže se daný program zahesluje, je vhodné zde umístit textový soubor obsahující přístupová hesla.
• Configuration – V záložce konfigurace se nachází nastavení digitálních vstupů a výstupů, které se dají uživatelsky definovat.
29
• I/O Systém – Zde najdeme správu jednotlivých komunikačních periférií, které jsou podporovány řídicí jednotkou.
• Rapid – V rapidu se nacházejí programové a systémové moduly, ve kterých jsou vytvořené uživatelem rutiny.
Obr. 11 Struktura programu RobotStudio
4.4.1 Terminologie programování
Programovací jazyk pro roboty firmy ABB nese označení RAPID. Vychází z principu programovacích jazyků Pascalu a C#. Samotný kód RAPID se skládá z modulů, které obsahují rutiny, v nichž jsou jednotlivé instrukce. Jedná se o uživatelsky přehledné prostředí.
Zde je obsažena základní terminologie, která byla využita při programování robotického ramene.
Koordinační systém
Využívá se pro definování pozice a orientace. Při programovaní robotu lze zvolit rozdílné koordinační systémy k jednodušší práci s objekty mezi sebou.[18]
Base Frame (BF)
Souřadný systém základny. Každý robot ve stanici RobotStudio i v reálném světě má souřadný systém, který je vždy umístěn v základně robotu. [18]
Task Frame (TF)
Souřadný systém světa robotu.
30 Pozice (Position)
Pozice bodu, definovaného v pracovním objektu koordinačního systému.[18]
Orientace (Orientation)
Orientace cílového bodu, relativní k orientaci pracovního objektu. Když robot dosáhne cílového bodu, srovná orientaci TCP s orientací cílového bodu. [18]
Konfigurace (Configuration)
Konfigurace hodnot, které specifikují, jak musí robot dosáhnout cílového bodu. [18]
Cesty (paths)
Jsou sekvence pohybových instrukcí. Používají se pro pohyb robotu po dráze k cílovému bodu.[18]
Nástroj (tool)
Nástroj, který má robot umístěn na svém koncovém bodu. Určuje robotu, vůči jakému nástroji se má pohybovat.[18]
TCP (tool center point) Středový bod nástroje.
SetDO
Slouží k nastavení digitálního výstupu do hodnoty logické jedničky či nuly.
WaitTime
Čas zastavení v probíhajícím programu, používá se především pro načasování pohybu, nebo lze použít pro dokmitání ramen robotu či nástroje.
Workobject
Určuje, vůči kterému pracovnímu objektu (workobjectu) se má robot pohybovat. Workobject je koordinační systém, který se používá k popisu pozice pracovního objektu. Výhoda je svázání všech bodů k danému objektu, kdy při jeho změně či naklonění, není potřeba naprogramovat všechny body znovu, ale pouze upravit pozici objektu a všechny body a trajektorie svázané k tomuto objektu se upraví automaticky. Což zvyšuje efektivitu programování a čas upravování kódu. [18]
CrobT
Slouží k zjištění aktuální pozice robotu, což odpovídá natočení jednotlivých os. Tuto instrukci je vhodné použít při inicializaci na začátku programu, zda se robot nachází ve výchozí pozici.
TPWrite
Vypsání hlášky do konzole operátorského okna.
TPErase
Vymazání předešlého textu v operátorském oknu.
31 UIMsgBox
Vyskakovací hláška v operátorském oknu, která nelze přeskočit, uživatel musí zvolit jednu ze dvou možností, jinak nebude pokračovat vykonávaní programu. Tuto instrukci je vhodné použít pro dotaz k operátorovi, při spouštění programu.
IF-Else-ENDIF
Rozhodovací podmínka, která je použita při nutnosti ověření, zda se má daná část kódu vykonat, jestliže je tato podmínka splněna.
Zóna
Pomocí velikosti zóny lze nastavit, jak má TCP robotu projet naprogramovaný bod. Zóna se dá nastavit dvěma rozdílnými parametry. Na Obr. 12 lze vidět rozdíl mezi definováním zóny pomocí parametru „z50“, kdy nedochází k protnutí naprogramovaného bodu „p1“, ale k projetí kolem bodu ve vzdálenosti 50 mm. Toto nastavení zóny s určitou vzdáleností se používá zejména při plynulých pohybech robotu, kdy není nutno dosáhnout naprogramovaného bodu přesně. Oproti tomu definováním zóny pomocí parametru „fine“ dojde k přesnému dosažení naprogramovaného bodu a k zastavení na tomto bodu.
Obr. 12 Ukázka rozdílného nastavení zóny
4.4.2 Monitorování pohybu
V RobotStudiu je možnost monitorovat danou proměnnou, která je obsažena v systémových proměnných. Pro případ monitorování pohybu v čase si uživatel zvolí například TCP robotu a jeho akceleraci. Poté stačí spustit tlačítko nahrávání a simulaci nebo samotný reálný proces je zaznamenáván do přehledného grafu. Monitorování zvolených systémových proměnných se automaticky spustí při startu programu či offline simulace a skončí po zastavení robotu nebo dané simulace. Touto analýzou lze například odhalit, ve kterých částech programu robot zbytečně čeká nebo naopak kde je nutno snížit akceleraci pro dojetí na daný bod s minimem zákmitů.
4.5 Efektor
Jedná se o prostředek mezi robotem a pracovištěm. Pomocí efektoru robot manipuluje s daným výrobkem či předmětem. Efektor přesně definuje natočení a orientaci drženého předmětu. Obecně se
32
dělí oblast použití efektoru do dvou kategorií, nimiž jsou uchopovací a technologické operace. Mezi technologické operace se například řadí svařování, lakování, nanášení pasty a obrábění, vrtání a podobně.
Jelikož se jedná o koncový bod robotu, jsou na efektor kladeny tyto požadavky:
• Minimální hmotnost, aby nedocházelo k zatížení robotu
• Dostatečná úchopová síla pro danou aplikaci
• Spolehlivost
• Přesnost
• Opakovatelnost
• Minimální konstrukční rozměry
Mezi nejpoužívanější typy efektorů se řadí mechanické úchopy, za nimi následují pneumatické úchopy, které se používají jako ejektor nebo přísavka s ejektorem. Hlavní výhodou pneumatických efektorů je jejich konstrukční rozměr vzhledem k držící síle. Posledním typem jsou magnetické efektory, kterými lze uchopovat feromagnetické materiály. Dělí se na pasivní efektory s permanentními magnety a aktivní efektory s elektromagnety. U efektoru s permanentními magnety je výhodou možná aplikace ve výbušném prostředí, ale je nutno řešit následné uvolnění manipulovaného objektu. [1]
Momentální trend efektorů je inspirován ze samotné přírody, kdy například firma FESTO, která vyrábí speciální efektory pro roboty se inspiruje zvířaty, kde nabízí jedno z konstrukčních řešení úchopu principu sloního chobotu, který je schopný uchytit i tvarově neobvyklý předmět. Mezi další zajímavost například patří efektor na bázi chapadla chobotnice, který obsahuje řadu přísavek.
4.5.1 Pneumatický efektor Schunk
Jedná se o robustní pneumatických efektor firmy Schunk s typovým označením PGN plus 50/1.
Tento model se vyznačuje svou univerzálností, kdy lze k jeho základně připevnit dvouprsté paralelní chapadlo. Výhodou je také malý konstrukční rozměr i nízká hmotnost, vzhledem k maximálnímu provoznímu tlaku 8 barů. Posuv jednotlivých čelistí je v rozmezí 4 mm. Samozřejmostí je také drážka pro možnost vsunutí magnetického senzoru k zjištění, zda je chapadlo otevřeno nebo zavřeno.[19]
Na Obr. 13 je vyobrazeno konstrukční uspořádání s vyznačením důležitých segmentů.
Obr. 13 Efektor Schunk PGN plus 50/1[19]
33 Popis konstrukčních částí efektoru:
1. Vodící zuby 2. Základna čelistí 3. Senzorický systém 4. Pouzdro
5. Možnost centrování a montáže 6. Klínový hák
Důležité parametry efektoru lze vyčíst z Tab. 5, kdy pro tuto aplikaci bylo stěžejní znát hodnotu posuvu jednotlivých čelistí.
Tab. 5 Parametry efektoru Schunk PGN plus 50/1 [19]
Popis Jednotka Hodnota
Posuv čelistí (mm) 4
Otevírací/zavírací síla (N) 140/145
Váha (kg) 0.17
Nominální tlak (bar) 6
Min/Max tlak (bar) 2.5/8
Opakovatelná přesnost (mm) 0.01
Krytí IP (-) 40
Čas otevření/zavření (s) 0.02/0.02
Max. délka kleští (mm) 72
Pracovní teplota (°C) 5-90
4.5.2 Vývoj a testování čelistí efektoru:
Pro demonstrační aplikaci byly zvoleny hliníkové čelisti z důvodu jejich nízké hmotnosti. Prvotní čelisti jsou vyrobeny pro univerzální použití, kdy jsou schopny uchytit předměty o maximálním rozměru 32 mm, kdy tato hodnota odpovídá rozměru šířky kostky duplo, se kterou je potřeba manipulovat v demonstrační úloze. V průběhu testování bylo zjištěno, že pro danou aplikaci jsou tyto čelisti nedostačují, jelikož omezují dokládaní kostek vedle sebe na podložku i samotné uchopení kostky ze zásobníku. Testovala se varianta uchycení kostky diagonálně za dva výstupky, kdy by nedošlo k omezení položení kostek vedle sebe. Při této orientaci nástroje a uchycení kostky diagonálně pomocí výstupků kostky vznikly dva závažné problémy, které vykazovali nepřesnosti. Při uchopení či dokládání kostky, může dojít k lehkému posunu kostky v čelistích, a tudíž k nepřesné poloze naprogramovaného bodu.
Obr. 14 Původní konstrukce čelistí – model č.1
34
Druhý model čelistí byl vytvořen pro vystředěný úchyt kostky duplo a její přesné dotlačení na skládanou plochu. Samotné chapadlo slouží k uchycení kostky vždy mezi dva protější výstupky, tudíž nemůže dojít při uchopování či přemisťování k nežádoucímu posunu kostky v efektoru. Tím se zamezí chybnému doložení kostky na skládanou plochu. Jelikož jako materiál byl opět použit hliník pro svou nízkou hmotnost a snadné opracování je nutno zvýšit třecí sílu mezi kostkou a čelistmi, aby nedocházelo k chybnému úchopu nebo vypadnutí kostky při pohybu mezi body. Je nutné použít tenkou pryžovou gumu, které se nalepí na vnitřní část čelistí, čímž je docíleno dostatečné třecí síle mezi kostkou a čelistmi.
Obr. 15 Vylepšená konstrukce čelistí – model č.2
4.5.3 Senzor pro indikaci polohy čelistí efektoru
Prvotním návrhem bylo použití dvou koncových senzorů SICK s označením MZCG, pro indikaci polohy čelistí efektoru. Toto řešení se jevilo jako dostačující pro danou aplikaci a oblast použití, ale po několika týdenním testování se tyto senzory neosvědčily, protože jejich funkčnost byla nestabilní.
Jednalo se zejména o detekci zavření efektoru, kdy senzor nebyl schopen detekovat danou změnu stoprocentně. Proto bylo nutno najít jinou variantu, která by byla přesná a vhodná pro danou aplikaci.
Nakonec byl zvolen a otestován programovatelný magnetický spínač Schunk s označením MMS-P 22, který je vhodný zejména svými miniaturními rozměry a funkcí detekce obou stavů efektoru, kdy se pomocí programového tlačítka nastaví, kdy je efektor otevřen a kdy zavřen a poté se uloží daná konfigurace do paměti senzoru.
Obr. 16 Magnetický senzor polohy Schunk MMS-P 22 [20]
Kdy:
1. Senzor Schunk MMS-P 22 2. Řídící elektronika senzoru
3. Programovatelné tlačítko senzoru pro uložení pozice
35 Popis senzoru Schunk MMS-P
• Programovatelný magnetický spínač, který je určen k monitorování pozice válce.
• Používá se k zjištění pozice efektoru robotu – otevřený/zavřený
• Detekuje kov bezkontaktně, je odolný vůči vibracím, prachu a vlhkosti.
• Jednoduchá a rychlá montáž, malé rozměry
• Flexibilní a odolný kabel z PUR materiálu, dlouhá životnost, odolnost vůči chemikáliím
• Programovatelný spínač, pro nastavení obou poloh – otevřeno, zavřeno
• LED ukazatel, pro ověření sepnutí v dané poloze
• Není nutnost používat dva senzory pro dvě pozice [20]
Tab. 6 Technický popis programovatelného senzoru Schunk MMS-P 22 [20]
Popis Jednotka MMS-P 22-S-M8-PNP
Typ spínání (-) PNP
Čas sepnutí (s) 0.001
Váha (kg) 0.01
Rozsah teploty (°C) 5-55
Třída IP senzoru (-) 67
Třída IP kabelu (-) 67
Typ napětí (-) DC
Jmenovité napětí (V) 24
Minimální napětí (V) 12
Maximální napětí (V) 30
Maximální spínací proud (A) 0.1
Počet vodičů (-) 4
4.6 Bezpečnostní světelný závěs SICK deTec4 Core
Tento bezpečnostní světelný závěs je instalován na bezpečnostní mříž pomocí dvou držáku, které dovolují natočení v rozmezí ±15°. Světelný závěs se používá pro zabránění přístupu nebo vniknutí cizího předmětu či osoby do nebezpečného prostoru. Její instalace spadá pod normu ISO 13855.
Světelný závěs se dělí do dvou kategorií, a to na světelný závěs s jedním paprskem, nebo světelný závěs s více paprsky. Více paprsků poskytuje přesnější detekci přítomnosti cizího předmětu nebo osoby.
Aktivací světelného závěsu dochází k přerušení bezpečnostního signálu a vypnutí daného stroje nebo okruhu, kde je závěs nainstalován. V Tab. 7 je zobrazen výčet hlavních parametrů bezpečnostního světelného závěsu.
36
Tab. 7 Parametry bezpečnostního světelného závěsu SICK deTec4 Core [21]
Rozlišení 30 mm
Výška ochranného pole 900 mm
Skenovaná oblast 15 m
Synchronizace optická
Úroveň integrity bezpečnosti SIL3 (ČSN EN 62061) Úroveň bezpečnosti PL e (ČSN EN ISO 13849)
Kategorie 4 (ISO 13849-1)
PFHD (1/h) 3,7 *10-9
TM (životnost) 20 let (ISO 13849-1)
Doba odezvy 11 ms
Na Obr. 17 je zobrazen pár světelných závěsů, který se skládá z přijímače a vysílače, bezpečnostní vyhodnocovací jednotka a konektorů k propojení.
Obr. 17 Světelný závěs SICK deTec4 s vyhodnocovací jednotkou [22]
4.6.1 Bezpečnostní relé UE48-2OS
K bezpečnostnímu relé EU48-2OS je možno připojit většinu bezpečnostních řešeních, jimiž jsou například tlačítka bezpečnostního zastavení, mechanické i bezkontaktní přepínače a optoelektronické ochrany. V tomto konkrétním případě je bezpečnostní relé použito k detekci přerušení dvojice bezpečnostních světelných závěsů. V aplikaci je použita dvojice bezpečnostních relé, pro každý pár světelných závěsů zvlášť.
37
Tab. 8 Bezpečnostní parametry SICK UE48-2OS [23]
Úroveň integrity bezpečnosti SIL 3 (ČSN EN 62061) Úroveň bezpečnosti PL e (ČSN EN ISO 13849-1)
Kategorie 4 (ČSN EN ISO 13849-1)
Hodnota B10d 1 * 107
PFHD 3,0 * 10-8 (ČSN EN ISO 13849-1)
TM (životnost) 20 let
Kategorie zastavení 0 (EN 60204-1) Četnost testovacího impulzu ≤ 10 Hz
4.7 Tlačítka nouzového zastavení
Tlačítko nouzového zastavení neboli stop tlačítko slouží k bezpečnému zastavení stroje v případě nouze. Musí mít vždy nejvyšší prioritu před ostatními bezpečnostními prvky a musí být aktivní ve všech režimech stroje. Kategorie zastavení dosahuje tří úrovní kdy:
• STOP kategorie 0 deklaruje okamžité neřízené zastavení stroje jeho odpojením od zdroje energie, kdy jsou v činnosti brzdy pohonů. Použití pro nouzové vypnutí.
• STOP kategorie 1 deklaruje řízené zastavení stroje, až poté dochází k odpojení od zdroje.
Použití pro nouzové zastavení.
• STOP kategorie 2 deklaruje řízení zastavení stroje, kdy aktuátory řídicího systému setrvávají pod napětím. Použití zejména pro provozní zastavení.
Při stisknutí kteréhokoliv ze tří tlačítek nouzového zastavení, je nutné pro opětovnou funkci robotu stisknout tlačítko „motors ON“ na řídicím kontroléru robotu.
Tlačítko nouzového zastavení na panelu
Tlačítko pro nouzového zastavení robotu bylo použito od firmy Schneider Electric s typovým označením XB5AS8444. Bezpečnostní tlačítko je umístěno na operátorském panelu ve výšce 155 cm čímž je docíleno jeho dobré viditelnosti i přístupnosti v případě nebezpečí. Tlačítko vyhovuje normě EN ISO 13850, jelikož má červenou hlavu se žlutým pozadím, a navíc je doplněno o žlutou podložku s nápisem „Emergency stop“. Po stisknutí je nutné jej od aretovat, aby došlo k návratu do původní pozice. Tlačítko nouzového zastavení je napojeno na bezpečnostní vstup robotu. Tento vstup odpovídá kategorii 0, tudíž se jedná o okamžité odpojení od zdroje energie. Tímto způsobem je robot zastaven ihned, takže nedochází k plynulému brždění. Z toho vyplývá, že tento způsob zastavení je určen jen v nebezpečných situacích, kdy by mohlo dojít ke škodě na majetku či zdraví.
38
Obr. 18 Tlačítko nouzového zastavení na operátorském panelu
Tlačítko nouzového zastavení na FlexPendantu
Je přístupné po celou dobu operátorovi a má hodnotu zastavení kategorie 0. Po stisknutí tlačítko zůstává aretováno.
Tlačítko nouzového zastavení na kontroléru
V tomto případě nelze tlačítko nouzového zastavení, které se nachází na kontroléru robotu počítat jako plnohodnotné bezpečnostní zařízení, protože se samotný kontrolér nachází uvnitř nebezpečného prostoru robotického pracoviště, konkrétně v pravém stole. Toto tlačítko nalezne uplatnění zejména při ručním režimu robotu, kdy se operátor může nacházet v prostoru pracoviště. Zastavení dosahuje kategorie 0.
