Robot som 3D fres BACHELOROPPGAVE FORPROSJEKTRAPPORT Prosjektgruppe: Christian Marås Morten Sundsøy Svanhild Thomsen Lars Martin Gjeraker
Referanseside TITTEL RAPPORTNR. DATO Bacheloroppgave HO2-300 Forprosjektrapport 01 21.02.2015 PROSJEKTTITTEL TILGJENGELIG TALL SIDER Robot som 3D fres Åpen 18 FORFATTERE - Morten Sundsøy - Christian Marås - Svanhild N. Thomsen ANSVARLIGE RETTLEDERE RETTLEIARAR/syt RETLEIARARsvarlege Joar Sande - Prosjektansvarlig er STYRINGSGRUPPE RETTLEIARAR - Lars Martin Gjeraker OPPDRAGSGIVAR - nlink AS SAMMENDRAG Vi er en gruppe på fire studenter som gjennomfører Bachelorprosjekt ved HiSF våren 2015. Vi oppsøkte den lokale robotbedriften nlink i Sogndal og fikk tildelt en oppgave med å finne, teste og anbefale en programvareløsning til deres Motoman IA20 robot, som gjør det mulig å bruke den som 3D fres. nlink utvikler nye løsninger for bruk av robot i byggebransjen. Løsningene de utvikler skal bidra til å minimalisere yrkesskader som er relatert til tungt arbeid. I forprosjektfasen har vi kommet fram til tre programvareløsninger med ulik funksjonalitet og pris. Målet videre blir å jobbe grundigere med de ulike programvarene for så å teste ut løsningene i lag med roboten og til anbefale en løsning til nlink. EMNEORD HO2-300, 3D fres, Robot, Automasjon, Elektro, Bachelor, Prosjekt 1
Forord Ved Høgskolen i Sogn og Fjordane våren 2015 skal avgangsstudentene gjennomføre et prosjekt som skal resultere i en bacheloroppgave. Det skal dannes prosjektgrupper på 2-4 personer, der gruppen står fritt til å definere oppgaven selv eller få tildelt oppgave fra en ekstern arbeidsgiver. Ved et tidligere prosjekt som omhandlet roboter, fikk gruppen mersmak og har valgt å jobbe med dette temaet i bacheloroppgaven. Vi oppsøkte den lokale robotbedriften nlink i Sogndal og fikk tildelt en oppgave der vi skulle sette opp en Motoman IA20 robot som en 3D fres. Dette gir nlink muligheten å lage sine egne delere til utvikling av nye robotløsninger. Prosjektgruppen har laget en nettside hvor all informasjon og dokumentasjon rundt prosjektet vil bli lagt ut. Nettside: http://studprosjekt.hisf.no/~15nlink/ Prosjektgruppen Christian Marås Lars Martin Gjeraker Morten Sundsøy Svanhild Nævdal Thomsen Prosjektleder Undersøkelse og nettside Robotansvarlig Rapportansvarlig Styringsgruppen Joar Sande Prosjektansvarlig Førde, 21.02.2015 Christian Marås Morten Sundsøy Lars Martin Gjeraker Svanhild Thomsen 2
Sammendrag Vi er en gruppe på fire studenter ved ingeniørutdanningen, automatiseringsteknikk ved Høgskulen i Sogn og Fjordane. I faget Hovedprosjekt ved HiSF våren 2015 skal gruppen gjennomføre et prosjekt. Gruppen hadde et ønske om å jobbe med roboter og tok derfor kontakt med nlink om en mulig oppgave. nlink ble startet i 2010 og har hovedkontor i Sogndal på Fosshaugane Campus. De utvikler nye løsninger for bruk av robot i byggebransjen. Løsningene de utvikler skal bidra til å minimalisere yrkesskader som er relatert til tungt arbeid. nlink har gitt studentgruppen utfordringen med å finne, teste og anbefale en programvareløsning til deres Motoman IA20 robot, som gjør det mulig å bruke den som 3D fres. I forprosjektfasen har vi kommet fram til tre programvareløsninger. Programmene har både positive og negative sider, mest med tanke på pris og funksjonalitet. Målet videre blir å jobbe grundigere med de ulike programvarene for så å teste ut løsningene i lag med roboten. Hva vi vil anbefale nlink ved prosjektets slutt, vil være avhengig av brukervennlighet, pris, kompatibilitet, service og resultat. 3
Akronymer og Forkortelser AIN HiSF FTP CAD CAM G-Code EOAT Jbl-Fil Robotcelle Avdeling for ingeniør og naturfag Høgskulen i Sogn og Fjordane File transfere protocol Computer-aided design Computer-aided manufacturing Språk for kordinater(x,y,z) til CNC End of arm tooling Robotkodefil Ett eller flere robot systemer inkludert tilhørende maskineri, utstyr og beskyttelsestiltak 4
Innholdsliste Referanseside... 1 Forord... 2 Sammendrag... 3 Akronymer og Forkortelser... 4 1.0 Innledning... 6 1.1 Bakgrunn... 6 1.2 Problemstilling... 6 2.0 Programvareløsninger... 7 2.1 Løsning 1... 8 2.2 Løsning 2... 9 2.3 Løsning 3... 9 3.0 Spørreundersøkelse... 11 4.0 Konklusjon... 12 5.0 Budsjett... 12 6.0 Organisering... 13 6.1 Oppdragsgiver... 13 6.2 Styringsgruppen... 14 6.3 Prosjektgruppen... 14 7.0 Framdriftsplan... 15 7.1 Tidsressurser... 15 7.2 Møteplan... 16 7.3 Milepæl... 16 8.0 Tabell-liste... 16 9.0 Figurliste... 16 11.0 Vedleggsliste... 17 12.0 Kilder... 17 5
1.0 Innledning I faget H02-300 Hovedprosjekt, 6. semester ved HiSF-AIN våren 2015 skal gruppen gjennomføre et prosjekt. I dette prosjektet har vi valgt å samarbeide med bedriften nlink som holder til i Sogndal. 1.1 Bakgrunn nlink er en bedrift som utvikler robotløsninger innen byggebransjen. Selv om teknologien har kommet langt er det fortsatt arbeid som tunge løft og repeterende arbeidsoppgaver som blir utført manuelt. Det er med på å bidra til yrkesskader som kunne vært unngått dersom man setter en robot til å gjøre de oppgavene. Forprosjektet tar for seg hva vi har jobbet med fram til nå i prosjektfasen og hvordan vi har kartlagt den videre prosessen for å fullføre hovedprosjektet. 1.2 Problemstilling Oppdragsgiver ønsker å bruke sin Motoman IA20 robot som 3D fres. Fra design til ferdig produkt, er det flere program som må samkjøres. Utfordringen er at det eksisterer mange ulike programvarer for 3D fresing; både gratis og betalingsprogram. nlink har gitt studentgruppen utfordringen med å finne, teste og anbefale en programvareløsning til deres robot. 1.3 Avgrensinger Det var ønske fra nlink om å holde budsjettet lavest mulig, dette kan være med på å utelukke innkjøp og installering av freseverktøy til Motoman. Motoman IA20 er en gammel modell, noe som kan føre til at programvarer ikke er kompatible. 6
2.0 Programvareløsninger Hva programvarer kreves det for å anvende en robot som 3D fres? For å svar på dette har vi rådført oss med produsenten av vår Motoman robot, Yaskawa. Det første en må gjøre er å tegne eller 3D modellere det som skal freses ut, til dette brukes det et CAD-program. Det neste steget er å omgjøre tegningen vår til fresebane og deretter omforme banen til robotkoordinater, slik at roboten forstår hva og hvor den skal frese. Til slutt laster en opp robotkoordinatene til roboten og starter fresejobben. Det finnes mange forskjellige programvareløsninger for vår oppgave, enten det er gratis eller betalings program. Ut i fra råd fra Yaskawa har vi laget tre mulige programvareløsninger for å anvende roboten vår som en 3D fres. Vi vil nå gå steg for steg gjennom hver av løsningene ut ifra Figur 1. Figur 1: Illustrasjon fra Yaskawa på de ulike stegen fro å anvende robot som 3D fres Oversikt over programmene vi har i løsningene våre FreeCAD [1] Slice3r [2] G-code converter EG [3] Pointsimporter EG [4] Motosim EG [5]. SolidWorks [6] RobotWorks [7] Robotmaster [8]. 7
2.1 Løsning 1 Denne løsningen er laget ut ifra ønsket til nlink om at programvaren skulle være gratis dvs. åpen kildekode. Vi fant ikke åpen kildekode på steg 3, derfor vil vi anbefale nlink å kjøpe programvaren fra Yaskawa. STEG1: Design modell: FreeCAD er et gratis 3D modelleringsprogram. Vi har testet programmet for alle de nødvendige funksjonene til et CAD program trenger STEG2: Forberede bevegelse: Slice3r, er program som konvertere tegningen fra FreeCAD til G- Code. I denne løsningen må vi bruke dette programmet som et mellomledd mellom CAD- og CAM-programmet. STEG3: Robot koordinater: Her foreslår vi å bruke 3 programmer etter anbefaling fra Yaskawa; G-code converter EG, Pointsimporter EG og Motosim EG. Der G-code converter EG kan konvertere G-code til en XML-fil, deretter bruker vi Pointsimporter EG til å lage en jbl-fil av XML-filen. Begge disse programmene er en utvidelse til Motosim EG, et simuleringsprogram for robotceller og operasjoner. Dette programmet kan blant annet detekter kollisjon, kalkulere sykluser, analyserer og optimalisere bevegelsene til roboten. STEG4: Bevegelse: Etter simulering i Motosim EG kan vi laste opp jbl-filen til robotens kontroller, ved å sette opp en FTP server slik som vist i vedlegg 3. Forventet pris: Ukjent. 8
2.2 Løsning 2 Denne løsningen vil i teorien bli den billigste løsningen ettersom nlink allerede har lisens på CAD-programmet. Denne løsningen har vi ikke testet, men ut ifra informasjonen vi har innhentet vil den fungere. STEG 1: Design modell: SolidWorks som CAD- program. STEG 2 / 3: Forberede bevegelse / robot koordinater: I denne løsningen kan vi altså slå i sammen forberedende og etterprosess ved å bruke RobotWorks. Dette programmet er en utvidelse til SolidWorks, det vil altså kjøre i et kjent SolidWorks miljø. RobotWorks kan brukes til å simuler bevegelse, baner og hele robotceller. RobotWorks bruker SolidWorks grafikk og kinematikk motor til å skape en robotbane langs kanter og kurver på CAD -objektet. I tillegg gjør den om baner til robotspråk som støttes av Motoman. STEG 4: Bevegelse: Etter simulering og redigering av baner i RobotWorks kan vi sende banen til roboten, ved å sette opp en FTP server slik som vist i vedlegg 3. Forventet pris: 132 000,- 2.3 Løsning 3 Programmet vi går ut i fra i denne løsningen heter Robotmaster, dette programmet har integrert steg 1 til 3 i ett. Steg 4 vil fortsatt bli gjort på samme måte som i de to foregående løsningen. Robotmaster er et kombinert CAD/CAM program som også kan simulere frese operasjonen. Figur 2 viser prosessen i programmet Robotmaster Forventet pris: 350 000,- 9
Figur 2: Hvordan Robotmaster fungerer Forklaring til Figur 2: 1. Tegningen av objektet og redigering av de ulike banene på objektet du vil frese ut. 2. Du kan velge hvilken robot og EOAT du skal bruke deretter settes det inn i en robotcelle som består av en robot og et objekt. 3. Finjustere eksempelvis startpunkt på objektet og posisjon til robot. 4. Simulerer freseoperasjonen. 5. Til slutt får du en fil som du sender til robot for utfresing av tegnet gjenstand. 10
3.0 Spørreundersøkelse Som et tillegg i vår bacheloroppgave har vi bestemt å undersøke kunnskapen, interessen og behovet for roboter i byggebransjen. nlink er først ute i verden med å lage en mobil robot som borer i betongtak for montering av F.eks. lysarmaturer og himlinger. På et middels stort prosjekt er det ikke umulig at det kan bli boret opp mot 1000 hull i betong for montering av utstyr. En slik robot er da med å spare arbeiderene for mye slitasje på skulder og ellers på kroppen. Med tanke på at slike roboter er ganske nytt for byggebransjen, er vi på jakt etter deres tanker rundt dette temaet. Dette er noen av de aktuelle spørsmålene vi har lyst å utfordre byggebransjen på. - Er arbeiderene redde for at roboten kan ta arbeidet deres? - Hva tenker bedriftslederen på det å investere mye penger på en slik robot? - Har de kunnskap i bedriften om roboter? - Følere de behovet for å automatisere oppgaver på en byggeplass? 11
4.0 Konklusjon Oppdragsgiver ønsker å bruke sin Motoman IA20 robot som 3D fres. Utfordringen var at det eksisterte mange ulike programvarer for 3D fresing. Utfordringen var å finne og teste de ulike programvaren. Vi har kommet fram til tre forskjellinge programvareløsninger med både positive og negative sider. Målet videre blir å jobbe grundigere med de ulike programvarene for så å teste ut løsningene i lag med roboten. Hva vi vil anbefale nlink ved prosjektets slutt, vil være avhengig av brukervennlighet, pris, kompatibilitet, service og resultat. 5.0 Budsjett Utlegg Kostnad Diverse per januar 31. 280,30 Kjøring per januar 31. 1916,00 Retur av robot 3055,00 Annet utstyr 4000,00 Programvare 0,00 Estimert sum 9251,30 Tabell 1: Estimert budsjett for prosjektet I prosjektet til nå har vi hatt utgifter på kjøring mellom Førde og Sogndal. I tillegg til dette har vi brukt litt på diverse utstyr til roboten. Vi beregner at vi må ha et budsjett på rundt 5000,- i tillegg til det vi har brukt til nå. Dette innebærer annet utstyr (EOAT) til robot samt kjøring til de ulike bedriftene og leie av bil for tilbakelevering av robot. Programvaren vi skal bruke i prosjektet vil bli sponset eller er være gratis open source, derfor er denne posten satt til null. 12
6.0 Organisering Figuren under viser hvordan prosjektgruppen er oppstilt. 6.1 Oppdragsgiver Figur 3: Prosjektorganisering nlink ble startet i 2010 og har hovedkontor og robotikk laboratorium i Sogndal på Fosshaugane Campus og et kontor i forskningsparken i Oslo. De utvikler nye løsninger for bruk av robot i byggebransjen. Løsningene de utvikler skal bidra til å minimalisere yrkesskader som er relatert til tungt arbeid. 13
6.2 Styringsgruppen Styringsgruppen sin oppgave er å ha det overordnede ansvaret gjennom prosjektfasen. Vår styringsgruppe består av Joar Sande (HiSF), Eli Nummedal (HiSF), Christian Marås (Prosjektleder) og Håvard Halvorsen (nlink) 6.3 Prosjektgruppen Christian Marås Stilling: Prosjektleder Epost: christian-marås@hotmail.com Morten Sundsøy Stilling: Robot ansvarlig Epost: morten.sundsoey@gmail.com Svanhild N. Thomsen Stilling: Rapport ansvarlig Epost: svanhild.thomsen@hotmail.com Lars Martin Gjeraker Stilling: Spørreundersøkelse og publisitet Epost: larsmgjeraker@gmail.com 14
7.0 Framdriftsplan Vi har lagt opp framdriftsplanen vår i programmet MS Project som er et prosjektstyringsverktøy fra Microsoft (se vedlegg 4). Fremdriften til gruppen vil være tilgjengelig på vår hjemmeside http://studprosjekt.hisf.no/~15nlink/. 7.1 Tidsressurser Det står i rammene for prosjektet i faget HO2-300 Bacheloroppgave 2015 at det er forventet et timeantall på 500 timer pr student. Det er forskjellig timeplan innad gruppen på grunn av at vi tar forskjellige valgfag. Dette vil ikke påvirke arbeidet med prosjektet ettersom vi har lager timeplan for hver uke med arbeidsoppgaver for hvert enkelt gruppemedlem. Når arbeidsoppgavene blir utført er ikke av betydning så lenge de er ferdig innen uken er omme. Det avtales felles arbeidsøkter på de ukentlige møtene. Figur 4: Ukeplan for uke 4 15
7.2 Møteplan Vi har lagt opp til å ha ukentlige statusmøter hver onsdag kl. 10. Møter mellom prosjektgruppen og styringsgruppen vil forekomme etter de store milepælene og ellers ved behov. I første omgang er det lagt opp til møte etter forprosjektrapport og midtveispresentasjonen. Møteinnkallinger og andre viktige beskjeder blir lagt ut på Facebook gruppen vår. 7.3 Milepæl Mandag 05.01.15 Fredag 16.01.15 Fredag 13.02.15 Onsdag 08.04.15 Fredag 22.05.15 Onsdag 27.05.14 Fredag 05.06.14 Prosjektstart Innlevering av prosjektbeskrivelse Innlevering av forprosjektrapport Midtveispresentasjon Innlevering av sluttrapport Presentasjon m/plakat Nettsiden ferdigstilt. Opprydding på Linus ferdig. 8.0 Tabell-liste Tabell 2: Estimert budsjett for prosjektet... 12 9.0 Figurliste Figur 1: Illustrasjon fra Yaskawa på de ulike stegen fro å anvende robot som 3D fres... 7 Figur 2: Hvordan Robotmaster fungerer... 10 Figur 6: Prosjektorganisering... 13 Figur 7: Ukeplan for uke 4... 15 16
11.0 Vedleggsliste 1.1 Prosjektavtale side 1 1.2 Prosjektavtale side 2 2.0 Robotworks Prisliste 3.0 FTP-setup 4.0 Gantt skjema 5.0 Retningslinjer for bruk av Motoman IA20 robot.docx 12.0 Kilder [1] FreeCaD, «sourceforge.net,» [Internett]. Available: http://sourceforge.net/projects/free-cad/. [Funnet 21 01 15]. [2] Slic3r, «slic3r.org,» [Internett]. Available: http://slic3r.org/. [Funnet 21 01 15]. [3] Yaskawa, «www.motoman.com,» [Internett]. Available: http://www.motoman.com/datasheets/g-codeeg.pdf. [Funnet 21 01 15]. [4] Yaskawa, «www.motoman.com,» [Internett]. Available: http://www.motoman.com/datasheets/pointsimporter%20eg.pdf. [Funnet 21 01 15]. [5] Yaskawa, «www.motoman.com,» [Internett]. Available: http://www.motoman.com/datasheets/motosim%20eg.pdf. [Funnet 21 01 15]. [6] SolidWorks, «solidworks.com,» [Internett]. Available: http://www.solidworks.com/sw/products/3d-cad/packages.htm. [Funnet 23 01 15]. [7] RobotWorks, «www.robotworks-eu.com,» [Internett]. Available: http://www.robotworkseu.com/products/rbwabout.htm. [Funnet 23 01 15]. [8] Robotmaster, «robotmaster.com,» [Internett]. Available: http://www.robotmaster.com/products. [Funnet 23 01 15]. [9] N. Olson, Praktisk Rapportskriving, Trondheim: Tapir Akademisk Forlag, 2011. [10] T. Busch, AKADEMISK SKRIVING FOR BACHELOR- OG MASTERSTUDENTER, Bergen: Fagbokforlaget Vigmostad & Bjørke AS, 2013. 17