och placerar föremål i flykten, som människan gör, men mer än dubbelt så snabbt. Praliner, kakor och andra livsmedel,

Transkript

1 FlexPickerTM med PickMasterTMrevolutionerar plockningsarbetet Håkan Brantmark, Eric Hemmingson IRB 340 Flexpicker TM Under många år har ABB varit normgivande för flexibel automation inom ett brett register av tillverkningsindustrin. Genom kombinationen av fart och precision öppnar FlexPicker TM med PickMaster TM nya marknader och sänker drastiskt kostnaden för plockningsarbetet. Ett område med förfinade tillämpningar, som omfattar en ny mjukvara för synkroniserad PickMaster TM, en tvättbar version av IRB 340 och en uppgraderad styrning för icke parallell rörelse och hastighetsstyrning, ger nu FlexPicker TM ännu mer kapacitet. B ehovet av att sänka produktionskostnaden för plockningsoperationerna inom den hårt konkurrensutsatta konsumentvaruindustrin är mycket stort. Produkterna och deras förpackningar ändras i allt snabbare takt för att tilltala oss konsumenter, och plockningsindustrin måste ta hänsyn till detta. Människan är både snabb och flexibel då det gäller att plocka t.ex. kakor i sina respektive förpackningar. Detta sammantaget ställer mycket höga krav på automationsutrustningen för plockningsoperationer i fabriken. Kärnan i automatiseringen av plockningsoperationer inom konsumentvaruindustrin, som svarar mot dessa höga krav, är FlexPicker med PickMaster. Välkända fördelsfaktorer med robotar är deras snabba omställbarhet/mångsidighet, höga tillförlitlighet/tillgänglighet och stora uthållighet. Det nya systemet är baserat på en extremt snabb robot med en tillämpningsmjukvara, som identifierar, plockar och placerar föremål i flykten, som människan gör, men mer än dubbelt så snabbt. Praliner, kakor och andra livsmedel, elektronik- och verkstadskomponenter samt läkemedel är exempel på produkter där FlexPicker med PickMaster revolutionerar plockningsarbetet. Snabb återbetalning För att möta de tuffa målen på återbetalning av investeringar inom konsumentvaruindustrin, lanserade ABB Flexible Automation hösten 1997 en ny paletteringsrobot, FlexPalletizer IRB 640, med de nya tillämpningsmjukvarorna PalletWare och PalletWizard samt ett komplett paletteringssystem, Flex- Palletizer System, som nu skördar framgångar världen över. Denna satsning följs nu upp av FlexPicker IRB 340, en extremt snabb, tvättbar plockningsrobot med transportör (Conveyor Tracking) och PickMaster, en tillämpningsmjukvara för PC-programmering i datormiljö för ABB tidning 1/

2 1 IRB 340 plockar ostbitar från ett kontinuerligt 2 Den täta korrossionshärdiga tvättbara versionen av IRB 340 gående transportband och placerar dem i en förpackningsmaskin. FlexPicker TM är speciellt anpassad för hygienutrymmen och kan rengöras med diskmedel och vatten under lågt tryck. mycket snabba plockningsoperationer i på rörligt transportband för såväl plockning som avlägg. Den tvättbara roboten flykten. Med det avses identifiering och val samt plockande från ett (eller flera) kan även arbeta i öppen mat -miljö transportband med avlämning till likaledes rörligt transportband. Systemet består av roboten IRB 340 (hygienklassade utrymmen) 1. Baserad på Delta-konceptet 1 är Flex- eller den tvättbara varianten IRB 340SA Picker en s.k. parallellrobot, där 2, styrsystemet S4Cplus, Conveyor huvudaxlarna arbetar parallellt med Tracking och PickMaster samt standardkomponenter som visionkameror varandra. Roboten har fyra frihetsgrader och en rörlig massa på ca 4 kg, för optisk identifikation, PC och bildskärm. exklusive hanteringskapaciteten på 1 kg. Tack vare detta och styrsystemet S4Cplus med QuickMove TM kan roboten utföra mer än 150 plockningar i Följande områden har särskilt priorite- Prioriterade arbetsområden minuten, vilket är mer än dubbelt så rats vid utvecklingen av FlexPickersystemet: snabbt som en människa. Robotsystemet är moduluppbyggt Hög produktivitet säkerställs med en och kan utföra plockningsarbetet lika extremt snabb robot som i plockningsoperationer (hämta, orientera, lägga) flexibelt som människan: välja objekt, gripa och lämna i flykten, dvs. arbeta klarar mer än 150 standardcykler per 1 Delta-konceptet är ett rörelsekoncept, uppfunnet av professor Clavel, EPFL, Lausanne (École Polytechnique Fédérale de Lausanne) minut. Den har en maximal hastighet av 10 m/s, en maximal acceleration av dryga 10 g (>100 m/s 2 ), och den kan gripa och lämna hanteringsobjektet i flykten. Omställningen vid produktionsbyte till olika produkter kan hållas mycket kort. Visionidentifiering och inprogrammering i förväg är lösningen. Genom moduluppbyggnad och standardalternativ kan en FlexPicker installation mycket lätt optimeras för olika användningsområden. För roboten finns många tillämpningsanslutningar som elkraft och signalanslutning, vakuumsystem och vakuumslangar. Styrskåpet har många optioner, som Multitasking, Conveyor Tracking, ScreenViewer och Ethernet Services. Visionsystemet är inte kopplat till respektive styrsystem, utan byggs upp av moduler kopplade till antalet kameror som används i installationen. Pick- Master med programmering i Win- 12 ABB tidning 1/2001

3 dows-miljö är en nyutvecklad ABBprodukt för plockning i farten, identifiering av objektet och programmering av snabba plockningsoperationer. Hög tillgänglighet och enkelt handhavande säkerställs genom moduluppbyggnaden och att bilindustrins hårda tillgänglighetskrav på mer än 99 % är inbyggda i robotsystemet. Genom att Axis Axis 3 Med sina tre huvudaxlar i samverkan plockar och lämnar roboten objektet parallellt med horisontalplanet inom ett fördefinierat arbetsområde i en cylinder med diameter 1130 mm och höjden 250 mm. Den 4:de axeln sköter en ändlös rotation av objektet. PickMaster-funktionerna programmeras off-line, blir handhavandet enkelt och består huvudsakligen av start/stopp och enkla korrigeringar av stationen under drift. Utrymmessnålhet och stort arbetsområde garanteras av att roboten arbetar hängande ovanför sitt arbetsområde, som i horisontalplanet är en omskriven cirkel med en diameter av 1130 mm. I vertikalplanet är höjden på det valda arbetsområdet maximalt 250 mm 3. Roboten är tvättbar; den är tätad enl. IP 67, målad i en specialanpassad färg, och alla aluminiumdetaljer är anodiserade. Den kan arbeta i hygienklassade miljöer och rengörs enligt gällande industrikrav. Servicevänligt. Robotsystemet är uppbyggt i moduler där ingen komponent tar mer än 30 min att byta ut. FlexPicker med PickMaster är lönsamma investeringar FlexPicker IRB 340 är utvecklad för mycket snabba plockningsoperationer inom bl.a. livsmedels-, läkemedels- och elektronikindustrin, där enstycks plockningsoperationer ofta förekommer 4. Genom konceptets höga produktionskapacitet och att produktbundna hårdvarulösningar för transportbanor och paletter löses med mjukvara, som Conveyor Tracking och PickMaster, blir investeringen lönsam, även räknat med konsumentvaruindustrins hårda krav på återbetalning. Beaktar man dessutom att Flex- Picker eliminerar monotona plockningsarbeten, som riskerar belastningsskador på arbetaren, blir automatisering med FlexPicker ännu mer intressant. Lika flexibel som människan Robotsystemet plockar detaljer från ett kontinuerligt gående transportband och placerar dem på ett annat band, också det kontinuerligt gående. Med visionsystemet identifieras produkten och plockas. Felaktig produkt, dvs. en som inte har programmerats in, plockas följaktligen inte. Omställningen av produktion/plockning till andra produkter/varianter sker snabbt, eftersom ingen hårdvara behöver ändras. Bytet sker med mjukvara som kan vara programmerad i förväg för den nya detaljen. En skiva eller CD med nya instruktioner matas in och bytet/ändringarna är gjorda. Plockningen kan utföras styckevis eller omfatta fler produkter åt gången i ett multipelgripdon med hanteringskapacitet upp till 1 kg. Dubbelt så snabb som människan och hängande Med en omloppstid för en standardcykel av 25 x 305 x 25 mm på mindre än 0,4 sek är robotsystemet mer än dubbelt så snabbt som människan. Repeternoggrannheten är ± 0,05 mm. Genom att roboten monteras hängande ovanför transportbanorna blir installationen mycket utrymmessnål. ABB tidning 1/

4 4 Sortering och kontroll med två separata FlexPicker TM i rad för att utföra plockning och placering mellan två olika transportband. Kameror används för att identifiera askar och kakor. PickMaster TM applikationen garanterar att kakorna placeras snabbt och korrekt i respektive ask. Design av en mekanisk robot Roboten är uppbyggd av tre par armar, överarm och underarm, ledade i armbågen. Underarmarna är fästade i en verktygsplatta med möjlighet till vakuumanslutningar. Överarmarna är fästade i en basplatta via växellåda och elmotor. Den 4:de axeln av teleskoptyp för vridrörelsen är fästad där som separat modul. Drivpaketen skyddas av en plastkåpa. För att hålla nere vikten på den rörliga delen och samtidigt optimera dess hållfasthet, är armarmarna av kolfiberarmerad plast. Infästningar för leder och gripdonsplattan är av anodiserad aluminium. De tre armpaketen med drivpaket är uppbyggda som moduler och identiskt lika. Underarmarna, som består av två ben vardera och hålls samman mot ledpunkterna med hjälp av två fjäderpaket, kan lätt och snabbt demonteras för rengöring eller utbyte. För kylning av elmotorerna är ett fläktsystem inmonterat i baslådan, som består av plastkåpa, basplatta och lock. Locket är av aluminium och basplattan, som har infästningsöron för upphängning i ett robotstativ, är utfört i stålgjutgods. Den karaktäristiska rörkröken ovanpå locket fördelar kylluften vid intern cirkulation. Vid extern cirkulation ansluts robotens luftuttag till ett externt ventilationssystem. Roboten kan fås med ett flertal fabriksmonterade tillämpningsanslutningar, såsom elsignal och kraftkabel till robotens basplatta, vakuumsystem för sugkoppar och separata luftslangar för anslutning till externt vakuumsystem. PickMaster nyutvecklad processmjukvara PickMaster är ett komplett funktionspaket för programmering, styrning och handhavande av en robotcell för plockningsarbeten. PickMaster kan levereras i olika uppsättningar av programvara och hårdvara, beroende på cellens eller linans utförande och ingående komponenter. En typisk robotlina, som således kan styras och kontrolleras av en PickMaster, kan bestå av följande delar: En eller flera FlexPicker IRB 340 robotar Till varje robot ett eller två transportband för plockning eller placering av produkter En eller flera kameror för identifiering och lokalisering av produkter på transportbanden En PickMaster PC som hanterar bildbehandling och koordination av hela linan Ett lokalt nätverk som utgör kommmunikationslänk mellan PickMaster PC:n och de olika robotarna och vision servrarna. Detta nätverk baseras på Ethernet. Innehållet i ett PickMaster-funktionspaket utgörs normalt av följande komponenter, med viss möjlig variation beroende på robotcellens utseende: PickMaster applikationsprogramvara, dvs. det styrprogram som ska installeras och användas på PickMaster PC:n Bildbehandlingsprogramvaran, dvs. det program som ska installeras och användas på varje vision server. Detta 14 ABB tidning 1/2001

5 5 En bildskärm visar resultatet efter en operation med fyra kameror. utgörs av program för bildigenkänning, för programmering av modeller samt för anpassning och justering under drift. Denna programvara, som utvecklats av Cognex, betecknas Cognex OMI. Ett hårdvarukort för bildbehandling, som ska installeras på varje vision server. Detta kort finns i två utföranden, för en eller upp till fyra kameror. Även detta kort har utvecklats av Cognex. Då flera kameror per kort används, kan dessa arbeta helt oberoende av varandra. Ett kontrollbord för realtids triggning Ett kodningsbord för avläsning av hastighet och lägen på transportbandet Kommunikationsprogramvara för Ethernet-förbindelsen mellan Pick- Master PC:n och de olika robotar, eller rättare robotstyrskåp, som ingår i cellen Förberedd för PickMaster : det speciella tilläggsprogrammet till robotens styrprogram, som ska installeras på varje robot. Programmet översätter positioner från de olika bildbehandlingssystemen till precisa och snabba robotrörelser. Plockcell, styrd av PickMaster En typisk robotcell för plockningsarbeten kan vara uppbyggd enligt följande: En FlexPicker robot plockar produkter, t.ex. kakor, från ett transportband 4, där varje produkt identifieras och lokaliseras av en kamera med bildbehandlingssystem 5. Kameran tar bilder, som är synkroniserade med bandets rörelse, så att varje del av bandet täcks av minst en bild. På så sätt kan samtliga produkter, som alla ligger oordnade på bandet, upptäckas och plockas. Synkronisering med bandets rörelser sker genom att en räknare, ansluten till bandets lägesgivare, håller reda på hur långt bandet rört sig, och för bestämda positioner skickas en synkroniseringspuls till kameran för tagning av en ny bild. De plockade produkterna ska placeras i kartonger på bestämda platser och i en bestämd ordning. På det utgående transportbandet kommer kartongerna åtskilda, en åt gången, men med slumpvis placering på bandet. Med en annan kamera kan dessa kartonger lokaliseras till plats och orientering. En ny bild tas varje gång en kartong passerar en optisk givare, dvs. bryter en ljusstråle över bandet. Pick- Master-systemet håller sedan själv reda på var de olika platserna finns i kartongen, där kakorna ska placeras. Enkel programmering och övervakning av en plockningslinje En typisk cell för plockningsarbeten kan vara komplex med flera robotar, kameror och bildbehandlingssystem som ska samverka för att uppnå önskat resultat, t.ex. en fylld chokladkartong med olika typer av praliner 6. PickMaster har ett flertal kraftfulla egenskaper för styrning av sådana celler. Det är dock långt ifrån tillräckligt att enbart kunna styra en cell under normal produktion då allt förlöper enligt förväntat beteende. Det är också nödvändigt att enkelt och snabbt kunna installera en cell och att sedan kunna hålla den i drift med omställ- ABB tidning 1/

6 6 Vid blandningskonceptet arbetar här tre seriekopplade FlexPicker TM och PickMaster TM med att plocka chokladbitar från många inmatningsbanor och placera bitarna i askar på en utmatningsbana. För att snabbt identifiera objekten och placera chokladbitarna på rätt plats i sin ask används också här kameror och PickMaster TM. Programmeringen sker på PC i Windows-miljö. ningar eller åtgärdande av fel. Därvid måste handhavande och operatörsfunktioner vara enkla och intuitiva och minimera risken för felaktiga åtgärder. Installation och programmering av en sådan cell kan vara ett tidsödande arbete med konventionella metoder, som normalt innefattar följande moment: Installation och igångkörning av programvaran på de olika datorer och robotar som ingår i cellen. Konfiguration av nätverkskommunikationen, dvs. varje ansluten enhet måste identifieras och beskrivas. Beskrivning av transportband. För varje robot måste de transportband, som roboten ska arbeta mot, beskrivas och kalibreras, dvs. mätas upp till läge och orientering. Beskrivning av använda kameror och hur dessa ansluts till systemet. Översättning eller kalibrering av bildinformation till robotstorheter, dvs. till läge och orientering i robotens koordinatsystem 7. Beskrivning av de olika produkter som roboten ska arbeta med och som ska kunna kännas igen av bildbehandlingssystemet. Upplärande av bildbehandlingssystemet för igenkänning av olika produkter och hur dessa ska gripas. Beskrivning av hur flödet av plock och positioner, genererade från olika kameror, ska styras till olika robotar och i vilken ordning. Programmering och konfiguration av de olika robotarna vad gäller rörelsescheman för de olika plockoperationerna. För att underlätta detta arbete och för att minska risken för fel och skador, ingår i PickMaster ett antal s.k. wizards för konfiguration och programmering. En wizard kan tolkas som en skicklig vägledare med magiska egenskaper, och här blir alltså användaren ledd genom att ett antal fönster presenterad för olika frågor och med bestämda alternativ, kopplade till användarens behov. De wizards som finns tillgängliga är för: Konfigurering: beskrivning av alla ingående komponenter i cellen Kalibrering: uppmätning av transportband och kameror, så att alla mått och positioner kan anges i robotens koordinatsystem Modellbeskrivning: upplärning av bildbehandlingssystemet till att känna igen olika produkter Definition av plocklogik från kamerabild till robotpositioner Efter att konfigurationen har definierats med dessa hjälpmedel, kan den 16 ABB tidning 1/2001

7 7 Kalibrering av kamera och robot understöds av 8 Operatörspanel, som används för styrning och övervakning PickMaster TM wizards. av en robotcell under drift. visas i form av en trädstruktur där de olika komponenterna och deras inbördes relationer framgår. Inte enbart i en installations- och programmeringsfas är det nödvändigt med enkla hjälpmedel och stöd för handhavandet. Det gäller i lika hög grad under den dagliga driften för att hantera felsituationer eller vid omställning mellan olika produkter. För att hantera sådana situationer finns i Pick- Master ytterligare två kraftfulla hjälpmedel: Projekthanterare Operatörspanel Projekthanteraren (Project Viewer) är ett hjälpmedel för cellprogrammeraren för att kontrollera, ändra, ta bort eller lägga till komponenter eller operationer i en redan definierad plockningscell. PickMaster operatörspanelen 8 är ett hjälpmedel för operatören för att kontrollera och övervaka en cell under produktion. Operatören kan därvid få information om cellens status i olika delar, se felkoder och förslag till åtgärder, stanna och starta cellen eller enskilda robotar, kontrollera enskilda kameror etc. S4Cplus styr världens snabbaste robot S4Cplus 9 är det senaste i raden av styrsystem för robotar. Det bygger vidare på en tradition av tillförlitlighet, robusthet, enkelt handhavande och avancerad, unik rörelsestyrning med oöverträffad snabbhet. I jämförelse med sin föregångare S4C erbjuder S4Cplus följande nya funktioner och egenskaper: S4Cplus utnyttjar ett nytt internt datorsystem, baserat på Pentium processorer, och med PC-kompatibla enheter baserade på PCI-buss. Utökad processorkapacitet med förbättrad prestanda, dvs. en snabbare och noggrannare robot 9 Det nya styrsystemet S4Cplus, baserat på PC-teknologi för industrimiljö. ABB tidning 1/

8 Ethernet 10 Beskrivning av dataflödet vid en plocka-placera-operation. Pick- Master TM hämtar lägesinformation från kameran och bildbehandlingssystemet, som skickas till respektive robots lägesbuffert. Varje robot utför sedan rörelserna i den ordning de har i plocka- och placera-buffertarna. Vision board PickMaster S4C PickWare Image acquisition Camera Ny minnesarkitektur med hårddisk och kraftigt utökat minne Nya kommunikationslänkar, baserade på Ethernet och USB, som standard Ökad flexibilitet genom att kommersiellt tillgängliga enheter för anslutning till PCI-buss kan utnyttjas Effektivare diagnostik och åtgärdande av fel med testfunktioner på direktansluten PC Ett anpassat styrskåp S4Cplus är lika lätt att använda som sin föregångare S4C, eftersom samma programmeringsspråk, RAPID, används för att beskriva robotens rörelser och övriga funktioner, och att samma programmeringslåda med interaktiva operatörsfunktioner används vid programmering och handhavande. Robotens rörelsestyrning är baserad på samma programvara med avancerad modellering av robotens karakteristik, vilket ger en optimal banföljning oberoende av last, position eller programmerad hastighet. Rörelsestyrningen är baserad på de två principerna QuickMove och True- Move, där den förra garanterar att rörelsen utförs med en snabbhet som ligger nära vad som är fysiskt möjligt, och den senare att detta sker med specificerad noggrannhet i banföljningen. Förberedd för PickMaster TM Förberedd för PickMaster är den specialprogramvara som tagits fram för FlexPicker -robotar, som används i celler styrda av PickMaster. Det innebär att ingen egentlig programmering är nödvändig för själva roboten; alla rörelser är fördefinierade för en plockaplacera-operation, och ingen ytterligare information utöver den som Pick- Master-systemet själv genererar behöver tillföras. En typisk operation visas i 10. Roboten erhåller hämta- och lämnapositioner från PickMaster TM, vilka placeras i en intern buffert i robotsystemet. Roboten går till en position ovanför hämtaläget, dvs. ovanför produkten på det rörliga bandet, och synkroniserar där sin rörelse till bandets rörelse. Roboten går ned till hämtaläget samtidigt som den följer bandet. Efter att ha gripit, dvs. applicerat vakuum, och efter en kort väntetid går roboten upp och rör sig sedan mot utgående transportband till vars rörelse den nu synkroniseras. Ovanför lämnaläget går roboten ned, 18 ABB tidning 1/2001

9 11 Inbyggd i förpackningsmaskinen FlexWrapper TM utför IRB 340 plockningsarbetet för en färdig WA-låda (kundkartong). placerar objektet och släpper det. Efter en ny kort väntetid går den upp, varpå förloppet upprepas. Snabba och flexibla lösningar FlexPicker kan användas vid ett brett antal tillämpningar, där snabba plockningsoperationer är avgörande för en lönsam investering, t.ex. från dressning av monteringspaletter från materialpaletter vid montering av mobiltelefoner till packning av läkemedelsaskar i en kundlåda 11. Med dess extrema snabbhet, mer än 150 plockningar per minut och en tillgänglighet på >99 % (som krävs bland annat av bilindustrin), blir produktionskapaciteten mycket hög. PickMaster med sitt visionsystem, garanterar att roboten hittar rätt bland osorterade detaljer, att den snabbt kan placeras om för att plocka andra detaljer eller varianter och att den kan programmeras i en Windows miljö. Skötsel och underhåll av detta kompakta system utförs snabbt och enkelt genom sin modulära uppbyggnad och enkla mekaniska och elektriska anslutningar. I korthet är FlexPicker med PickMaster en revolution inom automatisering av hanteringen och plockningen på transportband. Fördelarna systemet erbjuder konsumentvaruindustrin kan dessutom enkelt föras över till andra branscher inom tillverkningsindustrin. Författare Håkan Brantmark Eric Hemmingson ABB Robotics AB SE Västerås hakan.brantmark@se.abb.com eric.hemmingson@se.abb.com Telefax: Referens [1] E. Hemmingson, H. Brantmark: Paletteringsrobot öppnar nya marknader. ABB Tidning 4/98, ABB tidning 1/