Tillverkning av industrirobot
Specialarbete
1996
av
Johan Grundström
NVMa3B
Allt om Hobby nr 4/87 - 7/87
Commodore 64 Användarmanual
Elektonik för alla del 1-8 av Lars Asplund och Berndt Andersson
Mätning - styrning - reglering med VIC 20/64 av Anders Andersson
Utlandsrapport från Sveriges tekniska attachéer Japan 9501: Industrirobotar i Japan av civ ing John Häger, Tokyo
Tillbaka
Specialarbetet består i att bygga en modell av en robotcell i vilken det finns en treaxlad robot i skala 1:10. Roboten
använder som verktyg en elektromagnet. Robotens uppgift är i det här fallet att flytta stålkulor mellan två platser.
Till styrningen används en liten hemdator och ett egentillverkat styrkort.
Grundstommen till manipulatorn är en skalamodell i plast av ABB Robotics’ IRB 2000. Modellen har anpassats så att små
servomotorer med växellådor har kunnat monteras. Datorn är en Commodore 64 och komponenterna till styrkorten har köpts
från företaget ELFA.
Målsättningen var att efterlikna en industriell automatiseringsprocess i vilken det ingick en fungerande robot och visa
hur man med relativt enkla medel kan bygga och styra en robot.
Tillbaka
Robotcellen består av manipulator (robotarm), styrkort och dator sammankopplade med en kabel som består av 14-ledare.
Tillbaka
Grundstommen är en skalamodell av ABB Robotics’ IRB 2000 i plast i vilken tre axlar används till positionering av
gripdonet.
Alla motorer drivs av likström och är avsedda för spänningar mellan tre och sex volt. Motorerna är av servomodell som
sitter tillsammans med växellådor direkt på varje axel.
Mätsystemet är absolut då det är en 5 kohm potentiometer på varje motoraxel som mäter vinklarna.
Robotens rörelsemönster kan beskrivas enligt följande:
Axel 0 - vridning av hela mekanikenheten med armsystemet.
Axel 1 - upp- eller nedåtgående rörelse av den övre robotarmen.
Axel 2 - fram- eller återgående rörelse av den undre robotarmen.
Manipulatorn styrs med axelorienterade robotkoordinater som definieras med fasta vinklar för varje axel.
Som gripdon används en 12V elektromagnet på 3 watt som drivs med en separat transformator.
Tillbaka
Styrkortet är uppbyggt av olika elektroniska komponenter monterade på ett veroboardkort. Enheten tar hand om och
förmedlar signaler mellan dator och manipulator.
Kortet klarar av att styra totalt fyra axlar men dock bara en åt gången då de styrs via en multiplexor. På kortet finns
också fyra reläer som kan styras separat. Vid användning av fyra axlar används två av dem för att styra signalerna från
potentiometrarna till rätt AD-omvandlare på datorn. I det här fallet används tre axlar så därför behövs bara ett relä.
Ett av de tre övriga reläerna används till att styra gripdonet. De två andra reläerna kan då användas till annan
kringutrustning.
På grund av att det är spänningsdelare vid utgångarna till motorerna måste en kylfläkt användas för att det inte skall
bli överhettning då motstånden utvecklar en värme på ca 3 watt. Kylfläkten är på 230V och har en luftkapacitet på 28 m3/h
vilket räcker bra.
Tillbaka
Varför en Commodore 64?
Som dator har valts en Commodore 64 för att den är billig, har många in- och utgångar och dessutom är relativt enkel att
programmera.
Datorn har en åttabitars parallellport som både kan läsa och skriva data samt en port med tio separata ingångar för
inläsning av data. Det finns också två analoga ingångar med var sin åttabitars AD-omvandlare.
De fyra första bitarna på parallellporten används för att styra multiplexorn på styrkortet som i sin tur styr åtta reläer.
Reläerna styr motorerna till de fyra axlarna. Resterande fyra bitar styr de övriga fyra reläerna. Den ena AD-omvandlaren
läser av potentiometern på axel 0 och den andra läser av axlarna 1 och 2 med hjälp av ett relä som växlar mellan de två
potentiometrarna efter styrsignal från datorn när den ena eller andra axeln har valts. I den här uppgiften används ingen
av de tio ingångarna i datorn men vid behov kan datorn hantera upp till tio kvittenssignaler.
Programmspråket är BASIC
Tillbaka
Efter ett samtal med ABB Robotics i Västerås erhöll jag en skalamodell av en IRB 2000. En begagnad dator inhandlades
därefter billigt av en skolkamrat. Nu började en lång period av räknande, lödande, experimenterande och testande av
styrkortet. När kortet väl fick började fungera så blev det tyvärr fort överhettat varvid de flesta av transistorerna
brann upp. För att lösa detta kopplade jag in ett 1kohm-motstånd vid varje transistors basingång. Efter detta höll
transistorerna. Ett annat problem var att motorerna roterade för fort varför en spänningsdelare fick installeras vid
varje motorrelä. Motstånden i spänningsdelarna utvecklade en värme på ca 3 watt som lätt spred sig till reläerna. Dessa
blev då instabila och ändrade läge utan signal från datorn. Enda lösningen för att med bibehållen strömstyrka till
motorerna få ner temperaturen var att tillföra en fläkt som kylde. Detta fungerade och kort därefter var ett styrprogram
klart för att testas. Därefter var det dags att montera motorerna med sina växellådor på respektive axel. Sidkåporna fick
modifieras en hel del då växellådorna inte gick att vända så att motorerna kunde placeras som orginalen dvs in mot mitten.
Resultatet blev inte så illa i alla fall. Motorerna till axel 1 och 2 är inte fastsatta på annat sätt än att de är
pressade på plats i kåporna. När allt var ihopsatt och testat var det dags att göra ett program som fick manipulatorn att
köra en hel arbetscykel och efter en del experimenterande med vinklarna på de olika axlarna var programmet klart.
Tillbaka
Kopplingsschemat för alla delar syns på bilden nedan och därefter visas en förklaring till vad förkortningarna står för:
M0-M2 nummer på de motorer som används
MPot 0 - MPot 2 signaler från motorpotentiometer 0-2
Pot A och Pot B signaler till datorns två AD-omvandlare
PB0-PB7 signaler från datorns parallellport
PB0-PB3 används för att adressera motorerna M0-M2’s reläer via mutiplexorn
74LS138 multiplexorn
PB4 används för att växla mellan MPot 1 och MPot 2
PB5 styr elektromagneten
Tillbaka
1 st Commodore 64
1 st modell av ABB Robotics’ IRB 2000
3 st RC-servon utan elektronik
1 st tryckmagnet 12V 3W
1 st transformator 12V 0,25A
1 st kylfläkt 80x80mm 230V
1 st 2-pol strömställare
1 m 10-pol flatkabel
7 m 4-pol telefonkabel
1 st stiftlist delning 2,54mm
1 st hylslist delning 2,54mm
1 st Veroboardkort 100x160mm
1 st multiplexor 74LS138
1 st 16pin IC-hållare
12 st reläer 1-pol 2A 24V=, spolspänning 6V
12 st transistorer BC107
12 st motstånd 1kW ¼W
8 st motstånd 12W ½W
8 st motstånd 47W ½W
2 st kondensatorer 47nF
Total arbetstid ca 250 timmar
Tillbaka
Programmeringen är uppbyggd efter följande arbetsbeskrivning:
1. Datorn läser in vilken axel som skall ändras genom att ta data från ett register (DATA-sats) med fördefinierade
rörelsemönster.
2. Datorn läser in vilken vinkel som önskas på axeln, även det från registret (DATA-satsen).
3. Datorn läser av vilken vinkel axeln har med hjälp av en signal från motorpotentiometern som går till den ena inbyggda
AD-omvandlaren som då svarar med ett tal mellan 0 och 100.
4. Datorn jämför signalen in med den önskade och skickar då en signal till multiplexorn att starta önskad motor åt rätt
håll.
5. Datorn gör om steg 3 och 4 tills rätt vinkel är uppnådd. Och stannar då motorn.
6. Programmet går tillbaka till steg 1, läser in ny axel, ny vinkel osv.
Tillbaka
IRB 2000 är en sexaxlig robot med stor räckvidd, i första hand avsedd för bågsvetsning, limning och tätning. IRB 2000
passar även utmärkt för tillämpningar såsom montering, vattenskärning, laserskärning, materialhantering och bultsvetsning.
Hanteringsvikten 10 kg och de snabba handledsaxlarna är andra viktiga egenskaper för robotens avsedda applikationer.
En stor mängd kringutrustning för materialhantering och maskinbetjäning har utvecklats för att kunna anpassa roboten till
olika tillämpningar. Elektriska signaler och tryckluft kan överföras ända ut till gripdonen. IRB 2000 kan vara både golv-
och takmonterad.
Tillbaka
Vad gäller utvecklingen av industrirobotar är samtliga företag enade. Det viktigaste som företagen arbetar med nu är att
försöka göra robotarna mer tillgängliga för en större kundkrets. Nu, när de av tradition starka inhemska kunderna som
bilindustrin och elektronikindustrin ej längre investerar i samma takt som under början av 90-talet, måste tillverkarna
hitta nya kunder. Detta betyder att företagen framförallt inriktar sig på mindre företag, som tidigare inte haft vare sig
ekonomiska eller personella resurser som gjort det möjligt att satsa på robotteknik i tillverkningen. Dagens robotteknik
kräver att användaren har stort tekniskt kunnande, vilket saknas hos många mindre företag.
Masato Tanaka, forskningschef vid Yaskawas robottillverkningsanläggning på Kyushu, anser att den viktigaste uppgiften
för robottillverkaren är att göra systemen mer användarvänliga. Idag tar programmeringen för lång tid i anspråk, varför
behovet är störst av att utveckla programvaran samt att utveckla nya verktyg som förenklar programmeringen.
Användarvänlighet och användargränssnitt mellan människa och maskin är något som måste fokuseras i framtiden.
Företaget Yaskawa försöker hitta nya applikationsområden för sin robotteknik genom att nu rikta in sig mot mindre,
portabla, svetsrobotar avsedda för varvsindustri och huskonstruktioner.
Automatiseringsgraden i framtiden förväntas öka inom industrin då robotarna dels kommer att bli mer avancerade och dels
bli väsentligt billigare att tillverka.
Tillbaka
Tillbaka till hemsidan
