Ansteuerung des Mitsubishi Roboters

Fachpraktikum Produktionstechnik (Wintersemester 2016/2017)

Projektteam: Tobias Päschel, Khaled AL-Hushibiri

Studiengang: Mechatronik (7. Fachsemester)

Schwerpunkt: Global Production Engineering

Einleitung

Von der Produktentwicklung bis zum Recycling, lokale Nischen und globale Märkte: Der Schwerpunkt Global Production Engineering bietet ein umfangreiches Repertoire für die Planung und Umsetzung von Produktionsprozessen. Unter Prodktionstechnik versteht man die Transformation wissenschaftlicher Erkenntnisse in Verfahren und Prozesse, die einerseits vom Menschen (technologisch) beherrscht werden und sich andererseits in wirtschaftlich nutzbare Produktionssysteme integrieren lassen. Sie strebt nach Effizienz und wirtschaftlichem Erfolg und genau hier setzt dieses Fachpraktikum an, um eine Verknüpfung zwischen Theorie und Praxis herzustellen. Neben der Ansteuerung eines Industrieroboters gehören die Planung und virutelle Inbetriebnahme einer automatisierten Anlage mit Werkzeugen der Digitalen Fabrik, die praktische Automatisierungstechnik, der Umgang mit der SPS-Programmierung an der Schulungsanlage des Labors, Übungen zur CAD-CAM-CNC-Kette sowie die Fertigung von Teilen an den Werkzeugmaschinen des Labors zu den vielfältigen Themenfeldern.

Einführung in das Projekt

Automatisierte Roboter sind aus dem 21. Jahrhundert nicht mehr wegzudenken. Historisch einmalig ist an der heutigen Lage aber nicht nur, dass die Automatisierung schneller wächst als die Märkte, sondern auch, dass die Maschinen weit mehr Jobs ersetzen, als zu ihrer Herstellung notwendig sind. Nahezu jedes größere Wirtschaftsunternehmen verlässt sich auf automatisierte Systeme, wie das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic GmbH & Co. KG. Daher ist die Nachfrage nach automatisierten Systemen gewaltig.

Unter der Automatisierung versteht man die Systemübertragung von Funktionen des Produktionsprozesses, insbesondere Prozesssteuerungs- und -regelungsaufgaben vom Menschen auf künstliche Systeme.

Die Automatisierungsziele in technischen Anlagen werden vor allem durch folgende Punkte geprägt:

Die Automatisierung wird eingesetzt, weil die Überwachung und Steuerung des Prozesses für den Menschen zu schwierig ist.

Durch die Automatisierung lassen sich bessere wirtschaftliche Ergebnisse als durch manuelle Steuerung erzielen.

Mittels Automatisierungsanlagen können die Unzulänglichkeiten des Menschen, wie z.B. Fehlhandlungen oder Überbeanspruchung vermindert werden.

Die Automatisierung ermöglicht eine Verbesserung der Arbeits- sowie Lebensbedingungen, indem sie von monotoner, anstrengender oder gefährlicher Arbeit befreit wird.

Aufgabenstellung

Tabelle 1 beschreibt die Anforderungen an das Projekt durch Herrn Mirek Göbel, Betreuer des Fachpraktikums im Wintersemester 2016/2017. Diese Tabelle wurde durch das Projektteam überarbeitet.

Tab. 1 Anforderung an das Projekt (Göbel, 2016)

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Projektziele

Aus den dargestellten Zielen der Automatisierung lassen sich die Projektziele ableiten. Ein wichtiges Projektziel ist die Förderung der Prozessstabilisierung. Diese muss durch die Automatisierungstechniken die Einhaltung der geforderten Prozessgrößen garantiert werden. Insbesondere kann dies durch die Beseitigung der Auswirkungen von Störungen erreicht werden. Weiterhin ist es notwendig, dass der Industrieroboter gefährliche Extremsituationen des Prozesses alarmierend aufzeigt, damit Maßnahmen zur Abwendung eines größeren Schadens eingeleitet werden können. Bei vollautomatisierten Prozessabläufen (z.B. bei der Einbindung in die MPS-Anlage) müssen solche Extremzustände verhindert werden.

Ein weiteres Ziel ist die Einhaltung der Prozessführung. Bei der Prozessführung sind die technologisch vorgegebenen Prozessabläufe und Anlagenzustände im zeitlichen Ablauf einzuhalten. Dies kann durch die Durchführung eines entsprechend vorgegebenen Programms oder die Nutzung von Datenbanken erfolgen. Möglichst optimale Arbeitspunkte, insbesondere durch die Optimierung von Übergangsvorägngen, sollen automatisch ermittelt und herbeigeführt werden.

Projektplanung

Die Abbildung 2 beschreibt das Konzept der Projektplanung. Diese wurde weitestgehend eingehalten.

Abb. 2 Projektplanung (AL-Hushibiri, 2016)

Systemübersicht

Der Aufbau der Station Roboter besteht aus:

Roboter RV-2AJ mit Steuergerät,
Modul Rutsche,
Modul Aufnahme,
Modul Montageaufnahme,
Modul Magazin,
Profilplatte und
Wagen.

Betriebsdruck: 600 kPa (6 bar)

Spannungsversorgung: 24 V DC, 4,5 A

Referenzdaten

Zum Transport der Werkstücke wird ein Vertikal-Knickarmroboter eingesetzt. Eshandelt sich hierbei um einen industriellen Roboter mit 5 Achsen. Die Wiederholgenauigkeit der Roboterpositionierung beträgt ± 0,02 mm. Die maximale Geschwindigkeit beträgt 2200 mm/s. Eine Endstellungs- und Überlastüberwachung ist integriert. Die maximale Reichweite des Roboterarms beträgt 410 mm. [...]

Funktion

Die Aufgabe der Station Roboter ist es:

DieMaterialbeschaffenheit eines Werkstückes festzustellen,
Werkstücke aus einer Aufnahme zu entnehmen,
Die Werkstücke an eine Montageposition zu transportieren und orientiert abzulegen
Werkstücke zu einem Magazin zu transportieren und sie dort abzulegen oder
Die Werkstücke an eine Folgestation weiter zugeben.

Die Werkstücke werden durch eine Rutsche eine Aufnahme transportiert. Der Roboternimmt die Werkstücke dort mit einem pneumatischen Greifer auf. Die Werkstücke werden in die Montageaufnahme transportiert. Mit einem optischen Sensor wird die Orientierung der Werkstücke kontrolliert. Ein weiterer optischer Sensor ist im Greifer montiert. Dieser Sensor unterscheidet „schwarze“ und „nicht schwarze“ Werkstücke. In Abhängigkeit von der Farbe werden die Werkstücke in verschiedenen Magazinen abgelegt. Die Werkstücke können auch zu einer Folgestation transportiert werden. In Kombination mit der 'Station Montieren' können die Werkstücke zu einfachwirkenden Zylindern montiert werden.

Ablaufbeschreibung

Startvoraussetzung:

Ein Werkstück in der Aufnahme

Ausgangsstellung:

Roboterarm in Grundstellung

Greifer geöffnet

Ablaufbeschreibung:

1. Wird ein Werkstück in der Aufnahme erkannt und der START Taster gedrückt, holt der Roboter das Werkstück ab.

2. Das Werkstück wird zur Position „Umgreifen“ in der Montageaufnahme transportiert und abgelegt.

Werkstück schwarz:

3. Das Werkstück wird zur Position „Montage“ in der Montageaufnahme transportiert und abgelegt.

4. Der Roboter greift um und transportiert das Werkstück zum Magazin „Schwarze Werkstücke“.

5. Das Werkstück wird abgelegt.

Werkstück rot/silber:

6. Das Werkstück wird zur Position „Montage“ in der Montageaufnahmetransportiert und abgelegt.

7. Der Roboter greift um und transportiert das Werkstück zum Magazin „Rot/Silberne Werkstücke“.

8. Das Werkstück wird abgelegt.

Inbetriebnahme des Roboterarms

Die Sichtprüfung muss vor jeder Inbetriebnahme durchgeführt werden!

Folgende Punkte müssen vor dem Start der Station überprüft werden:

Die elektrischen Anschlüsse
Den korrekten Sitz und den Zustand der Druckluftanschlüsse
Die mechanischen Komponenten auf sichtbare Defekte (Risse, lose Verbindungen usw.)
Die NOT-AUS Einrichtungen auf Funktion

Gegebenenfalls vor dem Start der Station entdeckte Schäden/Fehler beseitigen!

Ansteuerung per Teaching Box

Schritt 1: Versorgungsspannung einschalten

1. Vergewissern, dass sich niemand im Bewegungsbereich des Roboterarms aufhält.

2. Den [POWER]-Schalter an der Seite des Steuergerätes in die Position „ON“ bringen.

3. Die Kontroll-LEDs des Steuergerätes blinken einen Moment. Auf der STATUS NUMBER-Anzeige erscheint die Anzeige „o.100“.

Schritt 2: Teaching Box einschalten

1. Den [MODE]-Schalter in die „TEACH“-Position stellen (s. Abb. 3).

2. Den [ENABLE/DISABLE]-Schalter in die Position „ENABLE“ drehen (s. Abb. 4).

3. Auf dem Display der Teaching Box erscheint das Hauptmenü (s. Abb. 4).

Positionen teachen

Zum Teachen der Positionen wie folgt vorgehen:

1. Nach dem Einschalten des Steuergerätes das Startdisplay durch Drücken der Taste MENU aufrufen. 'TEACH' durch Drücken der Taste INP/EXE wählen.

2. Programmnummer des aktuellen Programms eingeben. Danach INP/EXE Taste drücken.

3. POS Taste drücken. Mit den Tasten +/ FORWD bzw. -/ BACKWD Positionen P1, P2, P3, P4, P5 und P99 auswählen.

4. Verfahrgeschwindigkeit durch Drücken der Taste -/ BACKWD reduzieren.

5. Totmannschalter auf der Rückseite der Teachingbox sowie STEP/MOVE Taste drücken. Wenn die Servomotoren eingeschaltet sind, INP/EXE Taste drücken. Die gewählte Position wird angefahren. Dabei auf mögliche Kollisionen achten!

6. Angefahrene Positionen kontrollieren. Ist die Position korrekt, zu Schritt 3 zurückkehren und nächste Position prüfen. Ist die Position nicht korrekt, weiter mit Schritt 7 verfahren.

7. Totmannschalter drücken.

8. Koordinatensystem wählen, z.B. XYZ.

9. STEP/MOVE Taste drücken und Roboter durch Drücken der Tasten -X, +X, -Y, +Y, -Z, +Z, -A, +A, -B und +B bewegen.

10. Wenn die genaue Position angefahren ist, ADD Taste zweimal drücken. Die aktuelle Position wird in die Positionsliste übernommen.

(HINWEIS: Durch das Drücken der Tasten HAND und +C bzw. HAND und -C wird der Greifer geöffnet bzw. geschlossen).

Ansteuerung per CIROS Robotics

Folgende Schritte müssen ausgeführt werden, um ein Programm auf das Steuergerät zu laden:

1. PC und Steuergerät mit dem Programmierkabel verbinden.

2. Steuergerät einschalten.

3. Netzgerät einschalten.

4. Druckluftversorgung einschalten.

5. NOT-AUS Taster entriegeln.

6. Roboter Programmiersoftware (CIROS Robotics) Starten.

7. Das gewünschte Programm aus dem Verzeichnis auswählen.

8. MODE Schalter am Steuergerät in die Position AUT (ext) stellen.

9. Programm kompilieren.

10. Programm und Positionsliste in das Steuergerät laden.

Sicherheitshinweise und Wartung

Allgemein:

Die Studenten dürfen nur unter Aufsicht eines Betreuers/einer Betreuerin an der Station arbeiten.
Datenblätter der einzelnen Elemente beachten.

Elektrik:

Herstellen bzw. abbauen von elektrischen Verbindungen nur in spannungslosem Zustand.
Nur Kleinspannungen verwenden (max. 24 V DC).

Pneumatik:

Den zulässigen Druck von 800 kPa (8 bar) nicht überschreiten.
Die Druckluft erst einschalten, wenn alle Schlauchverbindungen hergestellt und gesichert sind.
Keine Schläuche unter Druck entkuppeln.
Beim Einschalten der Druckluft besonders vorsichtig sein. Zylinder können selbsttätig aus- oder einfahren.

Robotik:

Kein bewegliches Teil des Roboters während des Betriebes berühren. Roboter vor jeder Arbeit in Reichweite des Roboters ausschalten.
Eine nicht angeschlossene Teaching-Box wegen der Nichtwirksamkeit der integrierten NOT-AUS Einrichtung nicht in der Nähe des Roboters aufbewahren.
Die elektrisch gesteuerte Hand des Roboters verliert bei Netzabschaltung, d.h. auch in einer NOT-AUS Situation, ihre Haltekraft.

Mechanik:

Alle Elemente fest auf die Platte montieren.
Nur bei Stillstand in die Station greifen.

Tägliche Inspektionspunkte

Abb. 5 Tägliche Inspektionspunkte (Päschel, 2016)

Periodische Inspektionspunkte

Abb. 6 Periodische Inspektionspunkte (Päschel, 2016)

Austausch der Pufferbatterien

Der Roboterarm verfügt über Pufferbatterien, um die Encoder-Positionsdaten auch im ausgeschalteten Zustand zu speichern. Ebenso befindet sich im Steuergerät eine Pufferbatterie, die zur Speicherung der Programme und Positionen dient. Ist die Lebensdauer der Batterien abgelaufen, wird eine Fehlermeldung mit der Fehlernummer 7520 ausgelöst. Die Batterien sind dann schnellstmöglich zu ersetzen, um einen Verlust der Daten zu verhindern. Die Batterien sind auf Lithiumbasis hergestellt. Der folgende Abschnitt beschreibt das Austauschen der Pufferbatterien.

(HINWEIS: Sowohl die Batterien im Roboterarm als auch die im Steuergerät immer gleichzeitig austauschen!)

(HINWEIS: Der gesamte Austauschvorgang darf maximal 15 Minuten dauern. Andernfalls kann es zu einem Datenverlust kommen!)

Austausch der Batterien im Roboterarm

1. Überprüfung der Kabelverbindung zwischen Roboterarm und Steuergerät.

2. Steuergerät einschalten.. Das Steuergerät liefert während des Batteriewechsels die Versorgungsspannung für die Encoder. Der Roboterarm muss mit dem eingeschalteten Steuergerät verbunden sein, damit die Positionsdaten nicht verloren gehen.

3. Mit dem Jog-Betrieb die angegebenen Achsen wie folgt verfahren: J2 = −20°, J3 = 90° und J5 = 90°.

4. Zur Sicherheit den NOT-HALT-Schalter betätigen.

5. Schulterabdeckung A entfernen.

6. Batteriefachabdeckung 2 entfernen (s. Abb. 7).

7. Schrauben 3 und die Batteriehalterung 4 entfernen (s. Abb. 7).

8. Alle alten Batterien aus dem Batteriehalter entnehmen und die Steckanschlüsse trennen.

9. Neue Batterien einsetzen. Anschließend Anschlussstecker wieder aufstecken.

10. Batteriehalterung montieren.

11. Abdeckung des Batteriefachs montieren.

12. Sachgerechte Entsorgung derBatterien.

Austausch der Batterie im Steuergerät

1. Steuergerät für ca. 1 Minute einschalten.

2. Netzschalter ausschalten und Netzzuleitung trennen.

3. Mindestens 3 Minuten warten, damit sich die Restspannungen abbauen können.

4. Befestigungsschraube des Gehäusedeckels lösen und Abdeckung entfernen (s. Abb 8).

5. Steckverbindung lösen und Batterie entnehmen.

6. Neue Batterie einsetzen.

7. Den Stecker der Batterie mit dem entsprechenden Anschluss verbinden. Kontaktseite dabei nach unten halten.

8. Alle Abdeckungen mit den Befestigungsschrauben montieren.

9. Batterie-Timer zurück (siehe Zurücksetzung des Batterie-Timers).

10. Sachgerechte Entsorung der Batterie.

Zurücksetzen des Batterie-Timers

Den Batterie-Timer sofort nach dem Austauschen der Batterie zurücksetzen. Dabei wie folgt vorgehen:

Abb. 9 Batterie-Timer zurücksetzen (Mitsubishi Electric)

Einbindung des Roboterarms in die MPS-Station

Zur Inbetriebnahme der MPS-Station Roboter wird benötigt:

Die montierte und justierte MPS-Station
Ein Steuergerät
Eine Teaching Box
Ein Netzgerät 24 V DC, 4,5 A
Eine Druckluftversorgung mit 600 kPa (6 bar), Saugleistung ca. 50 l/min
Einen PC mit installierter Roboter Programmiersoftware Cosirop, Cosimir Industrial oder Cosimir Professional

Fazit und Ausblick

Das Projekt "Ansteuerung des Mitsubishi Roboters" ist ein vielseitiges Projekt, welches sowohl für den Anfänger als auch für den fortgeschrittene Anwender gedacht ist. Das Lernsystem Automatisierung und Technik von Festo Didactic orientiert sich an unterschiedlichen Bildungsvoraussetzungen und beruflichen Anforderungen. Die Anlagen und Stationen des Modularen Produktions-Systems (MPS-System) ermöglichen eine an der betrieblichen Realität ausgerichtete Aus- und Weiterbildung. Die Hardware setzt sich aus didaktisch aufbereiteten Industriekomponenten zusammen.

Die Station Roboter liefert Ihnen ein geeignetes System, mit dem die Schlüsselqualifikationen

Sozialkompetenz,
Fachkompetenz und
Methodenkompetenz

praxisorientiert vermitteln werden. Zusätzlich können Teamfähigkeit, Kooperationsbereitschaft und Organisationsvermögen trainiert werden, die sowohl für den weiteren Verlauf des Studiums der Mechatronik als auch für das spätere Berufsleben von Vorteil sind.

Des Weiteren können z.B. in Lernprojekten die realen Projektphasen geschult werden. Hierzu gehören:

Planung,
Montage,
Programmierung,
Inbetriebnahme,
Betrieb,
Wartung und
Fehlersuche.

Die Projekterwartungen wurden größtenteils erfüllt, jedoch konnte kein vollständig funktionierendes Programm erstellt werden. Des Weiteren konnte der Roboterarm aufgrund verschiedener Probleme sowie mangelnder Zeit nicht in das MPS-System eingebunden werden.

Verbesserungsvorschläge/Aufgaben für zukünftige Projektteams:

Das Einbinden des Industrieroboterarms in die MPS-Station hat nicht funktioniert, da die MPS-System - Stand Dezember 2016 - nicht betriebsbereit ist. Dies führt z.B. dazu, dass sich der Roboterarm in Schleifen von Programmen permanent aufhängt.

Sämtliche Daten, die zur Bearbeitung des Projektes erstellt und benötigt wurden befinden sich im SVN der Hochschule.

Literatur

AL-Hushibiri, Khaled: Projektplanung. Selbsterstellte Grafik, Lippstadt, 2016.

Göbel, Mirek: Anforderungen an das Projekt. Überarbeitet durch AL-Hushibiri, Khaled und Päschel, Tobias, Lippstadt, 2016.

Festo Didactic GmbH & Co. KG (Hrsg.): Festo Station Roboter Handbuch. 2006.

Mitsubishi Electric (Hrsg.): MELFA Industrieroboter RV-2AJ Technisches Handbuch, wiederzufinden unter (s. [1] Weblinks).

(1) Päschel, Tobias: MELFA Industrieroboter RV-2AJ von Mitsubishi Electric. Selbsterstellte Grafik, Lippstadt, 2016.

(2) Päschel, Tobias: Tägliche Inspektionspunkte,Periodische Inspektionspunkte. Selbsterstellte Grafiken, Menden, 2016.

Weblinks

[1] http://int76.ru/upload/iblock/590/59087044d60f66709b56c2692d588250.pdf (Abgerufen am 02.01.2017, 21:04 Uhr)

Sonstiges

Autoren: Tobias Päschel, Khaled AL-Hushibiri

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