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Kinetica van robots
verhoogt flexibiliteit in verpakkingsmachines
Ing. Xavier De Buysscher, Control & Automation Magazine
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Robots zijn ‘in’ en worden alsmaar meer en meer in verpakkingsmachines
geïmplementeerd, wat de flexibiliteit van de verpakkingsmachines sterk verhoogt.
Zeker in een tijdperk waar er meer dan ooit een focus ligt op de functionaliteit
van de verpakking, is deze machineflexibiliteit van goudwaarde als men wil
tegemoetkomen aan de eisen van de distributeurs en retailers.
Door een groeiende hoeveelheid van verpakkingsvarianten is vandaag de dag de
flexibiliteit van een verpakkingsmachine even belangrijk als de snelheid er van.
Snelle ombouwen van een formaat naar een ander zijn gemakkelijker te realiseren
met robots dan met conventionele technieken. Waar vroeger robots vooral ingezet
werden in ontlaadstations voor het palletiseren van grotere lasten met
repeterende en in verhouding tragere bewegingen, dan zien we vandaag een
toenemende trend van robottoepassingen in het primaire en secundaire
verpakkingsproces. Robotbewegingen kunnen zeer eenvoudig, zonder de ingreep van
de operator in de machine, veranderd worden. Deze eigenschap maakt de robot
flexibel bij de behandeling van verschillende producten in verschillende
formaten en grootten: aanpassingen zijn zowaar door een druk op de knop
mogelijk. Door het gebruik van robotkinematica kan men zelfs de flexibiliteit
van verpakkingsmachines voor kleinere lasten en hogere snelheden nog verder
vergroten. Dit zorgt ervoor dat er hogere eisen gesteld worden aan de
baansturing van de robot, egaal of de robot nu de contouren van een rundbiefstuk
moet afgaan om er kruiden op te spuiten, of dat een grijper pralines met
moeilijk te grijpen gladde folieverpakking, zonder afdrukken of beschadigingen
in de verpakking moet leggen. In al deze gevallen wordt een grote nauwkeurigheid
van de baan en de beweging vereist.
Techniek vandaag de dag
Voor conventionele robotsystemen bestaan meestal fabrikantafhankelijke
besturingsarchitecturen, die op desbetreffende robot afgestemd en
geoptimaliseerd zijn. Bij het gebruik van dergelijke sturingen in
verpakkingsmachinebouw ontstaat er dan meestal een grote en moeilijke opdracht
om deze sturing te synchroniseren met de sturing van de verpakkingsmachine zelf,
die op haar beurt de rest van het verpakkingsproces automatiseert. Wanneer het
proces hoge eisen stelt aan de performantie van de verpakkingsmachine, dan komen
hier meestal de problemen op de proppen door een tekortschietende realtime
synchronisatie van de twee sturingen, om nog maar over de tijdslopende
programmering van de interface te zwijgen. Dit laatste is sowieso al een
moeilijke opdracht omdat de robotprogrammeertaal meestal niet gestandaardiseerd
is en toch extra kennis vereist voor programmering. Daarnaast is er voor de
synchronisatie van de verpakkingsturing en de robotsturing dikwijls nog nood aan
extra hardware waaronder encoders en sensoren om de verschillende posities te
registreren en door te geven. In de verpakkingsindustrie worden vandaag de dag
overwegend knikarmrobots met tot zes bewegingsarmen ingezet, die op basis van
hun massaproductie voor een relatief voordelige prijs aan te schaffen zijn. Deze
robots zijn op basis van grootte en functionaliteit vaak overgedimensioneerd en
hebben dikwijls door het grote assenaantal een onnodig grote elektrische kast
nodig. Omdat de sturing van deze robots modulair opgebouwd is, is het soms zeer
lastig om meerdere robots met elkaar te laten samen werken. Meestal moet er een
centrale sturing aan te pas komen om de verdeling van de verschillende taken
voor de individuele robots te regelen. Zeker wanneer de robots in het zelfde
werkgebied actief zijn, dan is het oppassen geblazen en moet men de nodige
voorzieningen treffen om ongelukken of ongewenste situaties te vermijden. Zo is
de opstart na een stilstand of bijvoorbeeld een noodstop altijd een kritiek
moment, want de afgebroken baanbeweging moet exact en synchroon met de
verpakkingsmachine voorgezet worden, zelfs wanneer een grijper manueel
verschoven zou zijn. Door de sturingfunctionaliteit voor de verpakkingsmachine
en de robot te integreren worden deze nadelen en gevaren geëlimineerd.
Sturingsintegratie
Door robotica, motion controle en PLC-functionaliteit in een sturingssysteem
te integreren kunnen de nadelen van conventionele robotsturingen geëlimineerd
worden. De sturing bezit een PC-gebaseerde sturingshardware, de beweging van
alle assen wordt via servomotoren met servoversterkers gerealiseerd, die over
een realtime en deterministisch aandrijfbussysteem aangestuurd worden. De
sturing van meerdere modules van de verpakkingsmachine, zoals robots, wordt
geregeld door het zeer krachtige PC-gebaseerde sturingssysteem. Het
sturingssysteem C600 van het Duitse Elau bijv. is gebaseerd op de Pentium M
processor technologie en werkt parallel aan het PLC programma, de aansturing van
maximaal 24 assen in minder dan een milliseconde af.
Het PacDrive-systeem in kwestiebiedt functionaliteiten ter ondersteuning van
verschillende robotsystemen, waaronder knikarm-, Gantry-, delta-, scara- of
portaalrobots. Afhankelijk van het bouwprincipe kunnen robotmodules eenvoudig in
de machinesoftware geïntegreerd worden.
Na het selecteren van de gewenste kinematica wordt de bewegingsbaan van de robot
in de vorm van bewegingssequenties ingegeven. De eenvoudige omrekening van de
coördinaten in het cartesiaanse stelsel naar posities van iedere robot-as wordt
door de software in realtime doorgevoerd. De structuur van de besturingssoftware
is zo opgebouwd dat iedere robotmodule zich zoals elke andere meer-assige
machinemodule in het totale programmeerproject laat integreren. Dit zorgt er
voor dat de programmeur snel zijn weg vindt en zich volop kan concentreren op
het daadwerkelijk programmeren van de robotbewegingen.
Door meerdere robots via een zelfde sturing aan te sturen en synchroon in te
grijpen op de positiewaarde, is het dus ook perfect mogelijk om botsingen te
vermijden. Trouwens programmatie van de functies gebeurt volgens IEC 61131-3.
Door het wegvallen van de robotsturing wordt er natuurlijk weer wat plaats
bespaard in de schakelkast en kunnen de hardwarekosten van de totale installatie
sterk gereduceerd worden. Door de integratie van de robotsturing in het
programma van de verpakkingsmachine kunnen de diagnose- en
foutbehandelingsfunctionaliteiten eenvoudig overgenomen worden.
Verschillende modules
Afhankelijk van het type van de robot kan men dus kiezen uit een aantal
standaard programmamodules die de cartesiaanse coördinaten realtime omzet in de
positie van respectievelijke assen van desbetreffend robottype.
Daarnaast kan men aan de hand van een universele bouwsteen zijn specifieke
kinematica en zijn eigen knowhow realiseren. Bijkomstig aan de omrekeningen die
de transformatiebouwsteen uitvoert, zorgt hij ook voor het in- en uitschakelen
van de reële assen, evenals de foutenbehandeling en het “teachen” van posities
door het binnenlezen van de actuele positiewaarde omgerekend in het cartesiaanse
stelsel.
Baansturing
De trajecten van de robots worden door middel van speciale
bewegingsinstructies in de cartesiaanse bewegingsruimte ingegeven. Hierdoor
wordt het gemakkelijker om de bewegingssequentie te herstellen na een stop of
een noodstop, zowel voor de robots als voor de assen van de verpakkingsmachine.
Bijkomstig is er in de sturing een intelligente versnellingsbewaking ingebouwd,
die online de versnelling van het tool-center-point meet en daarmee de
vliegkracht van het product in de grijper van de robot kan bewaken. De robot
berekent zelf de mogelijke snelheid van de beweging en reduceert deze dan
zodanig dat de ingegeven maximumwaarde niet overschreden wordt en het product op
een veilige en kwalitatieve manier verplaatst wordt zonder dat het uit de
grijper vliegt.
Band-tracking
De functie “Belt-tracking” geeft de mogelijkheid om de robot te
synchroniseren met de beweging van een product op een transportband. Dit gebeurt
door middel van een verschuiving van het coördinatensysteem van de robot.
Hierbij definieert de gebruiker een versnellings-, synchronisatie- en remweg.
Komt het tot een stilstand van het product tijdens de synchronisatie of de
remfase van de beweging, dan kan de synchronisatie van de robotarm direct
afgebroken worden. Men kan zowel translatie- als rotatiebewegingen zonder enig
probleem volgen.
Praktijkvoorbeeld
De Cavanna Cartesio Model G35EFC gerobotiseerde kartonneermachine voor
chocolade repen, integreert het vormen, vullen en sluiten van kartonnen
verpakkingen in een enkele machine. Het systeem wordt gedreven door 16
servomotoren beheerd door een enkele PacDrive C600 controller. De controller en
alle servomotoren en drives worden geleverd door Elau. Volgens Alessandra
Cavanna, managing director marketing bij Cavanna, zou een traditioneel
mechanische machine nooit zo’n vloeiende en nauwkeurige positionering kunnen
opleveren. Gevoed door een 600 stuks/minuut flow wrapper, die de chocolade repen
in hun primaire verpakking steekt, is de G35EFC het meest indrukwekkend door
zijn synchronisatiecapaciteiten. De drie robotarmen gebruiken elk drie
servomotoren. De overige 7 servomotoren zijn verantwoordelijk voor het
synchroniseren van de invoerband, een oscillator, een dubbele collectorband en
een invoerband voor karton. Deze moeten niet alleen onderling maar ook met de
drie robotarmen gesynchroniseerd worden. Dit noemt robot-kinetica, en de
objectgeoriënteerde software conform aan de IEC 61131-3 standaard speelt een
sleutelrol in het doen slagen van deze toepassing. Modulariteit is de
onderscheidende factor van deze objectgeoriënteerde software. Het idee
hierachter is dat het is samengesteld uit individuele objecten in plaats van een
lange lijst van instructies. Elk object heeft de mogelijkheid berichten te
ontvangen, te verwerken en te zenden naar ander objecten. Door aan het
toepassingsprogramma in de PacDrive controller een robotsoftware toe te voegen
die conform is aan de IEC 61131-3, bevrijdt Elau Cavanna van een propriëtaire
software die meestal gangbaar is bij traditionele robottoepassingen. De
robotsoftware maakt deel uit van de Elau bibliotheek die verder nog gevuld is
met allerhande functieblokken. Daarnaast speelt de PacDrive hardwarearchitectuur
ook een sleutelrol in het geheel. Hij is gebaseerd op een embedded Pentium M
processor die mathematische berekeningen, bestandbeheer en gesofisticeerde
softwarestructuren voor zijn rekening neemt. Met de introductie van de G35EFC,
brengt Cavanna inderdaad een nieuw niveau van modulariteit in zijn
verpakkingsautomatiseringstrategie. <<
La cinématique des robots
accroît la flexibilité des machines d’emballage
Ing. Xavier De Buysscher, Control & Automation Magazine
Les robots sont ‘à la mode’ et sont de plus en plus implémentés dans les
machines d’emballage, augmentant ainsi leur flexibilité de manière
substantielle. Cette flexibilité est précieuse pour rencontrer les exigences des
distributeurs et revendeurs, surtout à une époque où l’attention se porte plus
que jamais sur la fonctionnalité de l’emballage.
Vu la quantité croissante d’emballages différents, la flexibilité d’une machine
d’emballage a aujourd’hui autant d’importance que sa vitesse. Les robots
permettent une conversion plus rapide d’un format à l’autre que les techniques
conventionnelles. Alors qu’autrefois, les robots étaient surtout utilisés dans
les stations de décharge pour la palettisation de grandes charges avec des
mouvements répétitifs et proportionnellement plus lents, nous notons aujourd’hui
une tendance croissante vers des applications de robotisation dans les processus
d’emballage primaire et secondaire. Les mouvements des robots peuvent être
modifiés très simplement, sans l’intervention de l’opérateur sur la machine.
Cette caractéristique rend le robot flexible lors du traitement de divers
produits de différents formats et tailles : une simple pression sur une touche
suffit pour apporter les adaptations. L’utilisation de la cinématique dans les
robots permet d’accroître davantage encore la flexibilité des machines
d’emballage devant faire face à de plus petites charges et à des vitesses plus
grandes. Cela permet de poser des exigences plus strictes à la commande de
trajectoire du robot, que le robot doive suivre les contours d’un beefsteak pour
y saupoudrer des épices ou qu’un préhenseur doive placer dans un emballage des
pralines emballées dans un film lisse difficile à saisir sans laisser de traces
ou sans l’abîmer. Tous ces cas requièrent une grande précision de la trajectoire
et du mouvement.
La technique actuelle
Les systèmes de robotisation traditionnels disposent généralement
d’architectures de commande propriétaires, adaptées et optimisées pour le robot
en question. En construction de machines d’emballage, l’utilisation de telles
commandes entraîne généralement un travail important et complexe de
synchronisation de cette commande avec la commande de la machine d’emballage qui
automatise le reste du processus d’emballage. Des problèmes de manque de
synchronisation temps réel des deux commandes, pour ne pas parler de la
programmation fastidieuse de l’interface, apparaissent généralement lorsque le
processus impose à la machine d’emballage de grandes exigences en termes de
performance. La programmation s’avère de toute façon une tâche difficile car le
langage de programmation du robot n’est habituellement pas standardisé et
requiert malgré tout des connaissances spécifiques. Par ailleurs, la
synchronisation de la commande d’emballage et de la commande du robot
nécessitent souvent le recours à du matériel supplémentaire, comme des encodeurs
et des capteurs, afin d’enregistrer et de transmettre les différentes positions.
L’industrie de l’emballage actuelle utilise principalement des robots à bras
articulé, comprenant maximum six axes de mouvements. En raison de leur
production en masse, ceux-ci peuvent être acquis à un prix assez avantageux. Ces
robots sont souvent surdimensionnés en taille et fonctionnalités et nécessitent
de par le grand nombre d’axes une armoire électrique inutilement grande. Vu la
construction modulaire de la commande de ces robots, il est parfois très pénible
de faire travailler plusieurs robots ensemble. En général, il faut recourir à
une commande centrale qui distribue les différentes tâches entre tous les
robots. Et lorsque les robots sont actifs dans le même champ de travail, il faut
être très vigilant et prendre les mesures nécessaires pour éviter tout accident
ou situation indésirable. Le démarrage après un arrêt ou un arrêt d’urgence est
toujours un moment critique car le mouvement de trajectoire interrompu doit être
poursuivi de manière précise et synchrone avec la machine d’emballage, même si
un préhenseur a été bougé manuellement. L’intégration de la fonctionnalité de
commande de la machine d’emballage et du robot élimine ces inconvénients et
dangers.
Intégration de la commande
L’intégration de la robotique, du contrôle de mouvement et de la
fonctionnalité PLC dans une commande permet d’éliminer les inconvénients des
commandes de robot traditionnelles. Le hardware de la commande repose sur un PC.
Le mouvement de tous les axes est assuré par des servomoteurs entraînés par des
servovariateurs pilotés au travers d’un bus d’entraînement temps réel et
déterministe. La commande de plusieurs modules de la machine d’emballage, tels
que les robots, est réglée par le système de commande ultra puissant basé sur
PC. La commande C600 de la société allemande Elau s’appuie sur la technologie du
processeur Pentium M et traite en parallèle le programme PLC et la commande de
maximum 24 axes en moins d’une milliseconde. Le système PacDrive offre des
fonctionnalités soutenant différents systèmes de robots, parmi lesquels les
robots à bras articulé, Gantry, delta, scara ou portiques. En fonction du
principe de construction, les modules de ces robots peuvent être intégrés
simplement dans le logiciel machine. Après la sélection de la cinématique
souhaitée, la trajectoire du mouvement du robot est introduite sous forme de
séquences de mouvement. La conversion aisée des coordonnées cartésiennes en
positions pour chaque axe du robot est assurée en temps réel par le logiciel. La
structure du logiciel de commande est conçue de manière à intégrer dans le
projet de programmation complet chaque module de robot comme tout autre module
de machines multiaxes. Le programmeur peut ainsi rapidement s’y retrouver et se
concentrer pleinement sur la programmation effective des mouvements du robot. La
commande de plusieurs robots via une commande unique et l’intervention
synchronisée sur les positions permet d’éviter toute collision. La programmation
des fonctions s’effectue par ailleurs selon la norme IEC 61131-3. L’abandon de
la commande du robot permet naturellement d’économiser à nouveau de l’espace
dans l’armoire de distribution et de réduire fortement les frais de matériel de
l’ensemble de l’installation. L’intégration de la commande du robot dans le
programme de la machine d’emballage permet également d’intégrer aisément les
fonctionnalités de diagnostic et de traitement des erreurs.
Différents modules
Selon le type de robot, il est possible de choisir parmi plusieurs modules
de programme standard qui convertissent en temps réel les coordonnées
cartésiennes en positions d’axes respectifs pour le type de robot concerné.
Un module universel permet de réaliser sa propre cinématique et d’intégrer son
propre savoir-faire. En plus des conversions effectuées par le module de
transformation, il se charge aussi d’activer et de désactiver les axes réels. Il
effectue par ailleurs le traitement des erreurs et ‘l’apprentissage’ des
positions par la lecture de la valeur de position actuelle, convertie dans le
système cartésien.
Commande de trajectoire
Les trajectoires des robots sont introduites dans le débattement cartésien
au moyen d’instructions de mouvement spécifiques. Cela permet de reprendre plus
aisément la séquence de mouvement après un arrêt ou un arrêt d’urgence, tant
pour les robots que pour les axes de la machine d’emballage. En outre, une
surveillance intelligente des accélérations est intégrée dans la commande. Elle
mesure en ligne l’accélération du point d’effecteur et peut ainsi surveiller la
capacité de vol du produit dans le préhenseur du robot. Le robot calcule
lui-même la vitesse possible du mouvement et réduit celle-ci afin que la valeur
maximale introduite ne soit jamais dépassée et que le produit soit déplacé de
manière sécurisante et qualitative sans risque d’échapper au préhenseur.
Band-tracking
La fonction ‘belt-tracking’ permet de synchroniser le robot avec le
mouvement d’un produit déposé sur une bande transporteuse. Cela se fait au moyen
d’un glissement du système de coordonnées du robot. L’utilisateur définit une
distance d’accélération, de synchronisation et de freinage. Si le produit
s’arrête durant la synchronisation ou la phase de freinage du mouvement, la
synchronisation de l’axe du robot peut être directement interrompue. Les
mouvements de translation et de rotation peuvent ainsi être suivis sans aucun
problème.
Exemple pratique
La machine de cartonnage robotisée Cavanna Cartesio Model G35EFC destinée à
l’emballage de bâtons de chocolat assure le formage, le remplissage et la
fermeture d’emballages en carton. Le système est entraîné par 16 servomoteurs
pilotés par un seul contrôleur PacDrive C600. Le contrôleur et tous les
servomoteurs et entraînements sont fournis par Elau. Selon Alessandra Cavanna,
managing director marketing chez Cavanna, une machine mécanique traditionnelle
ne pourrait jamais assurer un positionnement aussi fluide et précis. Alimentée
par une emballeuse traitant 600 pièces à la minute, qui met les bâtons de
chocolat dans leur emballage primaire, la G35EFC impressionne surtout par ses
capacités de synchronisation. Les trois axes du robot utilisent chacun trois
servomoteurs. Les 7 autres servomoteurs sont chargés de la synchronisation de la
bande d’alimentation, de l’oscillateur, de la double bande collectrice et de la
bande d’alimentation des cartons. Ceux-ci doivent non seulement être
synchronisés entre eux mais aussi avec les trois axes du robot. Ceci s’appelle
la cinétique de robot. Le logiciel orienté objet conforme au standard IEC
61131-3 joue un rôle clé dans la réussite de cette application. La modularité
est le facteur distinctif de ce logiciel orienté objet. L’idée sous-jacente
repose sur une composition d’objets individuels au lieu d’une longue liste
d’instructions. Chaque objet a la possibilité de recevoir des messages, de les
traiter et de les envoyer vers d’autres objets. En ajoutant au programme
applicatif du contrôleur PacDrive un logiciel de robot conforme à la norme IEC
61131-3, Elau libère Cavanna d’un logiciel propriétaire généralement rencontré
dans les applications de robot traditionnelles. Le logiciel de robot fait partie
de la bibliothèque d’Elau qui est encore complétée de toutes sortes de blocs de
fonction. Par ailleurs, l’architecture matérielle PacDrive joue aussi un rôle
clé dans cet ensemble. Elle est basée sur un processeur Pentium M embarqué qui
se charge des calculs mathématiques, de la gestion du fichier et des structures
logicielles sophistiquées. Avec l’introduction de la G35EFC, Cavanna franchit un
nouveau cap de modularité dans sa stratégie d’automatisation des emballages. <<
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