Konstruujeme ve výuce robotickou linku řízenou mikropočítači

Tags: Mikropočítače | Petr Fořt | Robotická linka | SPŠ | Vzdělávání | Žďár nad Sázavou

Spo­je­ní tech­no­lo­gií a ná­stro­jů pro tvor­bu di­gi­tál­ních pro­to­ty­pů s do­sa­ži­tel­nos­tí po­třeb­né­ho tech­nic­ké­ho a soft­wa­ro­vého vy­ba­ve­ní dává ve výuce nové a je­di­neč­né mož­nos­ti. Ve výuce jsme zku­si­li na SPŠ ve Žďáru nad Sá­za­vou za­jí­ma­vý pro­jekt, kte­ré­ho cílem bylo po­sí­lit zna­los­ti na­šich stu­den­tů v ob­las­ti na­vr­ho­vá­ní pra­co­višť.

Úko­lem pro naše stu­den­ty bylo re­a­li­zo­vat di­gi­tál­ní pro­to­typ ro­bo­tic­ké linky od ná­vr­hu a kon­struk­ce jed­not­li­vých ro­bo­tů, přes ře­še­ní je­jich ki­ne­ma­ti­ky až po kom­plet­ní pro­gra­má­tor­skou pří­pra­vu ří­ze­ní celé linky.

Adaptivní 3D model robota při dynamické simulaci pohybových uzlů

Úkol be­ze­spo­ru ne­leh­ký, ale měli jsme již mož­nost těžit ze zku­še­nos­tí z loňského roku, kdy se našim stu­den­tům po­da­ři­li pěkné re­a­li­za­ce ro­bo­tic­kých ramen a ří­ze­ní po­mo­cí mi­k­ro­po­čí­ta­če Ar­dui­no. Ně­kte­ré z pro­jek­tů byly ná­sled­ně vy­ro­be­ny po­mo­cí tech­no­lo­gie 3D tisku. Dneš­ní stu­den­ti mají proti naší ge­ne­ra­ci je­di­neč­nou mož­nost pro­jít si celý pro­ces pro­duk­ce za­ří­ze­ní od pr­vot­ních kon­cep­tů až pro je­jich vý­ro­bu a od­la­dě­ní.

Dostupnost potřebných technologií

Zá­kla­dem pro­jek­tu ře­še­né­ho na­ši­mi stu­den­ty byla apli­ka­ce tech­no­lo­gic­kých no­vi­nek v ob­las­ti hard­ware, soft­ware a pro­dukč­ních za­ří­ze­ní, které jsme na­sa­di­li do výuky v le­toš­ním roce. Od po­čát­ku zpra­co­vá­ní pro­jek­tu jsme měli ví­ce­mé­ně ne­o­me­ze­né mož­nos­ti na­příč PLM vy­ba­ve­ním, které jsme opře­li v le­toš­ním roce tra­dič­ně o nej­no­věj­ší pro­duk­to­vá ře­še­ní. Stu­den­ti měli mož­nost v rámci pro­jek­tu apli­ko­vat li­bo­vol­ný soft­wa­ro­vý ná­stroj, který je do­stup­ný v rámci ce­lo­svě­to­vých ko­mu­nit na­šich do­da­va­te­lů.
Stra­te­gie pro­jek­tu vy­chá­ze­la ze zku­še­nos­tí zís­ka­ných ve spo­lu­prá­ci s na­ši­mi part­ne­ry v prů­mys­lu a měla umož­nit stu­den­tům na­hléd­nou do tajů re­a­li­za­ce roz­sáh­lej­ších pro­jek­tů. Od sa­mot­né­ho po­čát­ku jsme byli li­mi­to­vá­ni pouze cenou ro­bo­tic­ké linky, která by měla být vy­ro­bi­tel­ná v pro­stře­dí školy. Pří­jem­nou po­lož­kou v ob­las­ti re­a­li­za­ce škol­ních pro­jek­tů je mož­nost je­jich vý­ro­by přímo ze 3D dat po­mo­cí tech­no­lo­gie 3D tisku, pří­pad­ně na CNC stro­jích. Zá­ro­veň je kon­struk­ce ně­kte­rých částí ro­bo­tů při­způ­so­be­na i tra­dič­něj­ším po­stu­pům vý­ro­by.

Variantní řešení v otevřeném prostředí nápadů a cloudu

Pro re­a­li­za­ci pro­jek­tu jsme dali stu­den­tům čás­teč­ně vol­nou ruku. Ome­zi­li jsme pouze vstup­ní spe­ci­fi­ka­ce po­ho­nu a ří­ze­ní jed­not­li­vých ro­bo­tic­kých ramen. Kom­po­nen­ty ro­bo­tů mu­se­ly vy­chá­zet z fi­nanč­ně do­stup­ných typů ser­vo­po­ho­nů s di­gi­tál­ním od­mě­řo­vá­ním dráhy po­u­ží­va­ných na­pří­klad pro přes­né ří­ze­ní vět­ších mo­de­lů vr­tu­l­ní­ků a ak­ro­ba­tic­kých le­ta­del. Di­gi­tál­ní ser­vo­po­ho­ny mají vý­bor­nou přes­nost, rych­lost a pre­ciz­ní ří­ze­ní po­hy­bu s ohle­dem na taž­nou i přídrž­nou sílu. Pří­liš jsme ne­za­sa­ho­va­li do kon­cep­ce a vý­rob­ních po­stu­pů v pří­pa­dě kon­struk­ce ro­bo­ta. Tech­no­lo­gie vý­ro­by mu­se­la být pouze op­ti­ma­li­zo­vá­na proti tech­nic­ké­mu vy­ba­ve­ní školy a na­še­mu pro­dukč­ní­mu stro­jo­vé­mu parku. Pro­jekt jsme za­há­ji­li od prv­ních ná­čr­tů a skic ve tře­tím roč­ní­ku, kdy již mají stu­den­ti jisté zku­še­nos­ti s vy­u­ži­tím di­gi­tál­ních tech­no­lo­gií ve výuce.

Pohybová analýza stupňů volnosti na konceptu robotického ramene

Za zá­klad ří­ze­ní jed­not­li­vých ro­bo­tic­kých pra­co­višť v po­stu­po­vé lince byla zvo­le­na sada mi­k­ro­po­čí­ta­čů. Jeho do­stup­nost, cena a ote­vře­nost přímo na­bá­dá k prv­ním krůč­kům v ob­las­ti mi­k­ro­pro­ce­so­ro­vé­ho ří­ze­ní. Velmi pří­jem­nou je také ce­lo­svě­to­vá do­sa­ži­tel­nost ti­sí­ců zdro­jo­vých kódů v rámci stu­dent­ské ko­mu­ni­ty Au­to­de­s­ku. Lze si tak v si­mu­lač­ním soft­waru Tin­ker­cad do­slo­va po­hrá­vat s ná­vrhy a ře­še­ním jed­not­li­vých po­hy­bo­vých uzlů. Ko­mu­nit­ní pří­stup k pro­blé­mu navíc po­sky­tu­je mož­nost kon­zul­to­vat pří­pad­né pro­blémy do­slo­va na­příč celým svě­tem.

Od náčrtů až ke kompletnímu návrhu

Stu­den­ti měli na­vrh­nout ro­bo­tic­ké ra­me­no tak, aby bylo vy­ro­bi­tel­né v pro­stře­dí škol­ních dílen. Z to­ho­to dů­vo­du jsme je na­před se­zná­mi­li s do­stup­ný­mi tech­no­lo­gi­e­mi a pro­dukč­ní­mi mož­nost­mi. Zvá­že­ní po­u­ži­tých vý­rob­ních po­stu­pů bylo zá­kla­dem ná­vr­hu kon­cep­tu ře­še­ní ro­bo­tic­ké­ho ra­me­ne. Za naši ukáz­ku jsme zvo­li­li pěk­nou stu­dii Ji­ří­ho Je­řáb­ka, který při­stou­pil k ře­še­ní kon­cep­ce ro­bo­ta s po­dí­lem jak kla­sic­ké vý­ro­by s vy­u­ži­tím ohý­bá­ní ple­chu, tak apli­ka­ce 3D ná­vrhů pro­vá­za­ných na vý­ro­bu po­mo­cí 3D tisku.
V kon­cepč­ním ná­vr­hu bylo nutné zvá­žit ně­ko­lik aspek­tů vý­raz­ně ovlivňují­cích cel­ko­vé kon­strukč­ní ře­še­ní ro­bo­ta. Jed­ním z hlav­ních pro­blé­mů je pře­de­vším tu­host po­hy­bo­vých uzlů ramen a je­jich op­ti­mál­ní ki­ne­ma­ti­ka s ohle­dem na po­u­ži­té ser­vo­po­ho­ny. Jako velmi vhod­ná po­můc­ka v této ob­las­ti se uká­za­la mož­nost ná­hra­dy 3D mo­de­lů ramen ki­ne­ma­tic­kou stu­dií adap­tiv­ních ná­čr­tů. Tato funkč­nost umož­ňuje efek­tiv­ně op­ti­ma­li­zo­vat ře­še­ní se­sta­vy a je­jich vazeb bez nut­nos­ti na­vr­ho­vat jed­not­li­vé 3D sou­čás­ti. Jedná se tak do jisté míry o přes­nou 2D stu­dii bu­dou­cí­ho mo­de­lu s přes­nou ki­ne­ma­ti­kou.

Finální prezentace konstrukčního návrhu

V dal­ším kroku byly při­pra­ve­ny de­tail­ní kon­strukč­ní se­sta­vy ro­bo­tic­kých ramen s vy­u­ži­tím 3D mo­de­lo­vá­ní a s po­dí­lem do­dá­va­né­ho 3D ob­sa­hu. Tato fáze pro­jek­tu byla již přes­ně la­dě­na s ohle­dem na po­hy­bo­vé vazby a roz­mě­ry ser­vo­po­ho­nů. Pro dí­len­skou vý­ro­bu sou­čás­tí byla také při­pra­ve­na vý­kre­so­vá do­ku­men­ta­ce. Pro sou­čás­ti vy­rá­bě­né po­mo­cí 3D tisku vznik­ly kon­t­rol­ní vý­kre­sy.
Sa­mo­stat­nou fází ná­vr­hu bylo ře­še­ní ří­ze­ní ser­vo­po­ho­nů po­mo­cí za­po­je­ní mi­k­ro­po­čí­ta­če Ar­dui­no. Tento mi­k­ro­po­čí­tač dává skvě­lé mož­nos­ti za velmi níz­kých ná­kla­dů. Ob­di­vu­hod­ná je pře­de­vším va­ri­ant­nost a do­stup­nost růz­ných sen­zo­rů. Vý­ho­dou je mož­nost pří­mé­ho spo­je­ní mi­k­ro­po­čí­ta­če přímo se ser­vo­po­ho­ny a pro­gra­mo­vá­ní je­jich dráhy bez nut­nos­ti in­te­gro­vat do ob­vo­du další pře­vod­ní­ky. Celá si­tu­a­ce a ří­dí­cí pro­gram byl vy­la­děn v cloud si­mu­lá­to­ru.

Interakce robota s výrobním procesem

Po vy­ře­še­ní všech kon­strukč­ních nu­an­cí a cel­ko­vém zpra­co­vá­ní tech­nic­ké do­ku­men­ta­ce do­sta­li stu­den­ti další úkol. Ten byl zadán jako prak­tic­ké ře­še­ní vý­rob­ní linky, která re­a­li­zu­je pro­ces vý­ro­by se­sta­vy s vy­u­ži­tím na­vr­že­né­ho ro­bo­ta. Pro zjed­no­du­še­ní si­tu­a­ce ve vý­u­ko­vém pro­stře­dí jsme ve vý­rob­ní lince vy­pus­ti­li usta­vo­va­cí a po­lo­ho­va­cí členy, je­jichž kon­strukč­ní ře­še­ní bylo nad rámec ča­so­vých mož­nos­tí vě­no­va­ných tvor­bě pro­jek­tu. Stu­den­ti měli de­tail­ně po­psat vý­rob­ní takt linky a jed­not­li­vé ope­ra­ce dříve pro­vá­dě­né ručně na­hra­dit ro­bo­tic­kou ma­ni­pu­la­cí. Vznik­la pes­t­rá mo­zai­ka za­jí­ma­vých ře­še­ní, která byla od­la­dě­na v zá­vis­los­ti na kon­strukč­ním ná­vr­hu ro­bo­tů. Rádi bychom tímto po­dě­ko­va­li stu­den­tům za je­jich pří­spěv­ky. Více in­for­ma­cí o vý­u­ko­vých pro­jek­tech na­jde­te na www.spszr.cz.

Analýza produkčního taktu linky vytvořená na základě 3D simulace