IMOSE: Impianto di MOvimentazione di Semilavorati

Author(s):
G. Conte - DIIGA – UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE
D. Scaradozzi - DIIGA – UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE
M. Rossettani - DIIGA – UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE
G. Vitaioli - DIIGA – UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE

Industry:
University/Education

Products:
LabVIEW

The Challenge:
Realizzare il modello di un’isola di spostamento semilavorati completamente automatizzata, al fine di esplorare le problematiche inerenti la coordinazione e la comunicazione degli agenti, la sensoristica e l’attuazione, la sicurezza dell’impianto.

The Solution:
Il modello è stato realizzato mediante componenti LEGO MINDSTORM NXT. In particolare lo spostamento dei semilavorati avviene tra due aree distinte tramite un braccio antropomorfo coordinato da un PC supervisore grazie all’ausilio di una telecamera mobile, installata a bordo di un robot bipede. Il software di supervisione dell’impianto è stato realizzato in LabVIEW.

Introduzione
Nell’ambito dell’Automazione Industriale esistono molti strumenti teorici utili all’analisi ed alla sintesi per la progettazione e la modifica di impianti. Per validare il progetto di un nuovo reparto si seguono usualmente due strade: l’inserimento diretto del prototipo nell’impianto, con necessaria interruzione del funzionamento, oppure la costruzione di modelli software di simulazione dell’intero sistema finale, con risparmio economico ma senza la garanzia di sufficiente affidabilità e complessità. Il Progetto IMOSE (Impianto di MOvimentazione SEmilavorati), sviluppato all’interno del corso di Laurea Specialistica di “Laboratorio di Meccatronica” all’Università Politecnica delle Marche, ha avuto come obiettivo la progettazione meccatronica di un modello hardware di una Cella Manifatturiera (CM) economicamente vantaggioso, di veloce prototipazione e sufficientemente complesso come strumento di analisi.

Descrizione del modello
Mediante elementi LEGO MINDSTORM NXT è stato realizzato il modello di un’isola di spostamento semilavorati, modellati con blocchetti lego di colore rosso (vedi Figura 1). Il semilavorato deve essere trasportato da un’area di lavoro (Area1) a un’altra (Area2) mediante braccio robotico antropomorfo supervisionato da una postazione computerizzata remota. Il software di supervisione dell’impianto, realizzato in LabVIEW, ha il compito di gestire il flusso delle operazioni e di coordinare il movimento di tutte le macchine presenti nell’isola di lavorazione. La supervisione sul campo è garantita dal flusso video proveniente da una telecamera montata a bordo di un robot bipede in grado di spostarsi autonomamente attraverso la zona di lavoro, di impostare il giusto angolo di visione e di elaborare l’immagine al fine di riconoscere l’esatta posizione dell’oggetto da movimentare. Il supervisore inoltre riceve informazioni da una rete sensoristica diffusa che, monitorando il campo elettrico, rileva la presenza di corpi estranei (esseri umani) pericolosamente vicini alla zona di lavoro.

Operazioni nell'isola di lavoro
In dettaglio i comportamenti esibiti dal sistema sono:
- La telecamera rileva la presenza di un oggetto nell’area d’ingresso e ne comunica la posizione al supervisore.
- Il supervisore passa tale informazione al manipolatore che preleva il pezzo dall’Area1 e lo posiziona nell’Area2 avvisando il supervisore dell’avvenuto trasferimento o di eventuali problemi incontrati.
- Il supervisore ordina al supporto mobile della telecamera (robot bipede) di spostarsi in una posizione in cui abbia una buona visuale dell’area di arrivo.
- La telecamera verifica la presenza del semilavorato nella posizione corretta all’interno dell’Area2 e ne informa il supervisore. Se il pezzo si trova effettivamente nell’area finale ed è nella posizione giusta, il ciclo termina con esito positivo.
- Se l’esito è negativo, tre possibilità riguardo al manipolatore vengono verificate: mancata presa del pezzo, perdita del pezzo durante lo spostamento oppure posizionamento in una cella errata. In questi casi il sistema è resettato.
- Se in un qualunque momento un corpo estraneo si avvicina troppo al manipolatore o vi entra in contatto, il sistema si blocca inviando un allarme a disarmo manuale.

Il supervisore
Ha il compito di realizzare la coordinazione e lo scambio d’informazioni tra le varie componenti del sistema, di dettare i tempi delle operazioni, di inviare i comandi e di sincronizzare il flusso degli eventi. Il supervisore è realizzato mediante software LabVIEW e comunica con l’impianto mediante Bluetooth o USB, utilizzando un particolare protocollo seriale elaborato in fase di progetto. In Figura 3 si può osservare il pannello relativo al programma principale. I dispositivi da controllare sono quattro: la telecamera e il bipede su cui è montata, il robot antropomorfo e il controllore per i sensori E-Field.

Il manipolatore
Gli oggetti sono movimentati da un sistema robotico costituito da un manipolatore antropomorfo a tre gradi di libertà su cui è montato un organo di presa pinza con relativo sensore di forza (vedi Figura 1). I tre giunti del braccio sono attuati da servomotori pilotati dalle uscite PWM del blocchetto LEGO NXT, mediante controllore PID numerico. L’End-Effector impiega un micromotore LEGO per trasmettere il moto alla pinza, un sensore di contatto (LEGO MINDSTORM) per monitorare la presenza o meno del pezzo ed un sensore di corrente per attuare un controllo di forza sulla presa. Il funzionamento dell’End-Effector è regolato dal blocchetto LEGO RCX.

Il sistema di visione e il robot bipiede
Il sistema di visione è costituito da una webcam montata, mediante suporto attuato per Pan&Tilt realizzato con sistema LEGO, a bordo di un robot bipede. Le immagini sono acquisite ed elaborate mediante un programma LabVIEW messo a punto con il pacchetto LabVIEW Vision Assistant. Il sistema di visione si occupa di dare le direttive al blocchetto NXT del bipede per orientare il sistema Pan&Tilt allo scopo di centrare l’area di lavoro nelle immagini catturate dalla telecamera e di rilevare con buona precisione la posizione degli oggetti all’interno della griglia. Il robot bipede, che riceve i comandi direttamente dal supervisore, si sposta parallelamente alla zona di lavoro tra le due aree di posizionamento dei semilavorati.

Il sensore e-field
Tale sensore ha il compito di rilevare la prossimità o l’avvicinamento di corpi estranei (esseri umani) al manipolatore e, in generale, all’area di lavoro. Il principio di funzionamento di tale sensore è basato sulle caratteristiche di interazione tra campi elettromagnetici e corpi conduttori. Il segnale è acquisito ed elaborato da un microcontrollore della famiglia Freescale, che ha il triplice compito di eccitare il sensore, di acquisire il segnale e di comunicare al supervisore eventuali situazioni di rischio.

Conclusioni
Il modello di un’isola di movimentazione di semilavorati è stato realizzato ed è stato messo in funzione, per verificarne il funzionamento e i punti deboli. Il risultato, documentato mediante un video (www.labmacs.diiga.univpm.it/IMOSE_download), è stato ampiamente soddisfacente. L’utilizzo di componenti LEGO MINDSTORM ha permesso un rapido ed efficace assemblaggio delle parti meccaniche, mentre la piattaforma LabVIEW ed i toolkit annessi, hanno reso semplice e veloce l’implementazione del software necessario alla coordinazione ed alla comunicazione (supervisore), all’elaborazione delle immagini (webcam) ed al controllo dei robot (manipolatore, supporto webcam).

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G. Conte
DIIGA – UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE

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