ROK WYD. LXV

O ZESZYT 1/2006

1 1

Wa˝nym zagadnieniem w budowie maszyn do

robót ziemnych wyposa˝anych w systemy mecha-
troniczne w celu automatyzacji ruchów roboczych
ich osprz´tów jest zastosowanie w tych systemach
odpowiednich metod programowania ruchów. Uk∏a-
dy mechatroniczne w dost´pnych obecnie na rynku
maszynach do robót ziemnych stosowane sà g∏ównie
do monitorowania i sterowania silnikiem i uk∏adem
hydraulicznym oraz jako uk∏ady monitorowania
osprz´tu i uk∏ady zabezpieczeƒ. Uk∏ady automaty-
zujàce ruchy robocze w maszynach katalogowych
oferowane sà rzadziej, mimo ˝e systemy takie na
targach i wystawach pokazywane sà od d∏u˝szego
czasu (przyk∏adowo koparki: FUTURE firmy Orenstein
& Köppel – rok 1983 czy Komatsu PF 55L – rok 1989)
[1, 2]. Brak autonomicznych, zrobotyzowanych ma-
szyn do robót ziemnych wynika przede wszystkim
z trudnoÊci wypracowania koncepcji zastosowania
takich maszyn w sposób przynoszàcy korzyÊci eko-
nomiczne, kompensujàce bardzo wysokie w porów-
naniu z maszynami klasycznymi koszty samej ma-
szyny oraz jej eksploatacji [2]. Zatem obecnie realne
jest wprowadzenie uk∏adów automatyzujàcych ruchy
robocze osprz´tu jako elementów systemu wspoma-
gania operatora pracujàcego bezpoÊrednio w ma-
szynie lub przy zdalnym jej sterowaniu [1, 2].

Dotychczasowe prace dotyczàce sterowania ru-

chami roboczymi osprz´tu pozwoli∏y na okreÊlenie
ogólnej zasady wspomagania operatora polegajàcej
na takim wspó∏dzia∏aniu operatora i systemu ste-
rowania, przy którym ruchami osprz´tu steruje bez-
poÊrednio operator, zaÊ system cyfrowy koryguje
w razie potrzeby jego dzia∏ania oraz na rozkaz ope-
ratora realizuje automatyczne sterowanie osprz´tem.
Zastosowanie takiej zasady dzia∏ania ma pozwoliç
m.in. na:

– automatyczne odtwarzanie zaprogramowanych

lub zapami´tanych ruchów osprz´tu,

– koordynacj´ ruchów kilku si∏owników osprz´tu

dla realizacji trajektorii niemo˝liwych do wykonania
przy sterowaniu r´cznym,

– automatycznà korekcj´ ruchów osprz´tu, równie˝

przy sterowaniu r´cznym, np. dla omini´cia prze-
szkody czy uwzgl´dnienia ró˝nego rodzaju ogra-
niczeƒ,

– automatycznà realizacj´ trajektorii spe∏niajàcych

za∏o˝one kryteria, np. korzystnych energetycznie.

Budujàc system sterowania ruchami roboczymi

osprz´tu, nale˝y zarówno opracowaç procedury poz-

walajàce na programowanie ruchów osprz´tu, jak
i zaplanowaç dzia∏anie systemu w celu wykonania
pozosta∏ych wymienionych zadaƒ. Programowanie
ruchów osprz´tu w systemie wspomagania opera-
tora musi byç realizowane z wykorzystaniem metod
uwzgl´dniajàcych specyfik´ maszyn do robót ziem-
nych oraz wymienione zadania systemu.

Nale˝y w zwiàzku z tym zaproponowaç metody

programowania umo˝liwiajàce:

1. Rozpocz´cie zaprogramowanego ruchu osprz´tu

z dowolnego punktu przestrzeni roboczej maszyny.

2. Deklarowanie pr´dkoÊci i innych parametrów

ruchu zarówno dla poszczególnych nap´dów, jak
i narz´dzia skrawajàcego.

3. Tworzenie rozga∏´zionej struktury programu oraz

stosowanie p´tli.

4. Wykorzystanie sygna∏ów wyst´pujàcych pod-

czas urabiania oÊrodka, zw∏aszcza si∏, co odpowiada
sterowaniu typu si∏a – przemieszczenie.

5. Uwzgl´dnianie ograniczeƒ dotyczàcych zarówno

realizacji okreÊlonych zadaƒ (korekcja trajektorii), jak
i zabezpieczenia maszyny.

6. PrzejÊcie na r´czne sterowanie osprz´tem w do-

wolnym momencie na ˝àdanie operatora lub prog-
ramowo.

Wymienione zasady, wed∏ug których nale˝y opra-

cowaç sposoby programowania ruchów osprz´tu,
wskazujà na ma∏à mo˝liwoÊç stosowania metod
wykorzystywanych do programowania klasycznych
robotów przemys∏owych [3, 4]. W artykule przed-
stawiona zostanie metoda programowania ruchów
roboczych osprz´tu jako zbioru tzw. ruchów ele-
mentarnych, spe∏niajàca wymienione wymagania.

Zasady programowania

Opracowana metoda programowania polega na

potraktowaniu ruchu roboczego osprz´tu koniecz-
nego do wykonania przewidywanego zadania jako
zbioru tzw. ruchów elementarnych.

Ruch elementarny scharakteryzowany jest przez

zbiór parametrów okreÊlajàcych sposób dzia∏ania
poszczególnych nap´dów osprz´tu lub zbiór wielkoÊci
okreÊlajàcych parametry ruchu narz´dzia czy cha-
rakter jego oddzia∏ywania z urabianym oÊrodkiem.
Ka˝dy ruch elementarny ma tak˝e okreÊlony co naj-
mniej jeden warunek jego zakoƒczenia i przejÊcia do
ruchu nast´pnego. Dopuszczenie kilku warunków
przejÊcia pozwala na rozga∏´zienie procedury. Za-
stosowanie licznika umo˝liwia tworzenie p´tli.

W systemie wspomagania operatora komunika-

cja operator – system jest realizowana przez panel
systemu sterowania lub ekran monitora. Stàd do
realizacji omawianej metody programowania opra-
cowano procedury pozwalajàce na tworzenie tablicy

O programowaniu ruchów roboczych
osprz´tu maszyn do robót ziemnych

JULIAN CENDROWICZ
LESZEK P¸ONECKI
KAZIMIERZ SOKO¸OWSKI
WIES¸AW TRÑMPCZY¡SKI

Mgr in˝. Julian Cendrowicz, mgr in˝. Kazimierz So-

ko∏owski i prof. dr hab. in˝. Wies∏aw Tràmpczyƒski sà
pracownikami Katedry Geotechniki Politechniki Âwi´-
tokrzyskiej, a prof. ndz. dr hab. in˝. Leszek P∏onecki jest
pracownikiem Centrum Laserowych Technologii Metali
Politechniki Âwi´tokrzyskiej.

ROK WYD. LXV

O ZESZYT 1/2006

1 2

Rys. 1. Tablica – ekran operatora
z pokazanymi wielkoÊciami wy-
korzystywanymi podczas progra-
mowania

przedstawionej na rys. 1 w
wersji przeznaczonej dla
stanowiska z osprz´tem typu
∏adowarkowego [5], którego
nap´dy realizujà ruch po-
ziomy (

x), pionowy (y) oraz

obrót ∏y˝ki (

w). Nap´dom

tym odpowiadajà kolumny
tablicy. Poszczególne wiersze
tablicy okreÊlajà natomiast
poszczególne ruchy elemen-
tarne. Dla ka˝dego nap´du
i wiersza w tablicy mo˝na
przyjàç wielkoÊci cechujàce
dany ruch. Sà to m.in. pr´dkoÊç, przemieszczenie,
si∏a (wówczas dla danego nap´du dzia∏a uk∏ad sta-
bilizacji si∏y z sygna∏em sprz´˝enia zwrotnego z uk∏a-
du pomiaru si∏y na t∏oczyskach poszczególnych

si∏owników lub na z´bach ∏y˝ki) czy sygna∏ z poten-
cjometru pulpitu sterowniczego (sterowanie r´czne).
Ostatnia kolumna s∏u˝y do okreÊlania warunków
przejÊcia do innego wiersza tablicy. Warunki te mo-

gà byç opisane m.in. war-
toÊciami po∏o˝eƒ poszcze-
gólnych si∏owników, przy-
rostów po∏o˝eƒ, pr´dkoÊci,
si∏ lub ich przyrostów, wspó∏-
rz´dnych z´bów ∏y˝ki czy
wskazaƒ licznika. W sumie
mogà zostaç wykorzystane
wartoÊci ponad 20 wielkoÊci.
Mo˝na podaç kilka wielkoÊci
dla danego wiersza (wów-
czas przejÊcie nastàpi po
spe∏nieniu któregoÊ z wa-
runków), koniunkcje lub al-
ternatywy warunków. Wy-
korzystanie sygna∏u z liczni-
ka pozwala na wielokrotnà
realizacj´ jednego lub kilku
ruchów elementarnych. Mo˝-
liwe do deklarowania wiel-
koÊci pokazano na rys. 1 na
zaczernionych polach. Ruch
narz´dzia mo˝na wywo∏y-
waç od dowolnego wiersza
w tablicy. Tablica zawiera te˝
wiele innych informacji, do-
tyczàcych m.in. parametrów
regulatorów czy ograniczeƒ
wartoÊci si∏ i pr´dkoÊci.

Omówiony sposób prog-

ramowania ruchów robo-
czych osprz´tu w∏àczono do
cyfrowego, laboratoryjnego
systemu sterowania osprz´-
tem koparki K-111 [2] oraz
systemu sterowania stano-
wiskiem z osprz´tem typu

Rys. 2. Realizacja automatyczne-
go ruchu narz´dzia wzd∏u˝ linii
poÊlizgu dla stanowiska z osprz´-
tem typu ∏adowarkowego, a) tabli-
ca z programem, b) tor narz´dzia
i zarys skarpy

ROK WYD. LXV

O ZESZYT 1/2006

1 3

Rys. 3. Realizacja schodkowego nape∏niania ∏y˝ki ∏adowarki ze sta∏à si∏à naporu: a) tablica z programem, b) tor narz´dzia i zarys
skarpy

a)

∏adowarkowego [5]. W dalszej cz´Êci artyku∏u przed-
stawiono przyk∏ady zastosowania omówionej metody
programowania ruchów roboczych.

Przyk∏ady zastosowania metody

programowania

Opracowana metoda zosta∏a wykorzystana w wielu

badaniach prowadzonych z wykorzystaniem obu
stanowisk laboratoryjnych. Przedstawione w artykule
przyk∏ady wybrano dla pokazania mo˝liwoÊci metody
oraz potwierdzenia spe∏niania przez nià omówionych
wczeÊniej wymagaƒ.

Pierwszy z przyk∏adów (rys. 2) dotyczy automa-

tycznego ruchu narz´dzia skrawajàcego z osprz´tem
∏adowarkowym wzd∏u˝ linii poÊlizgu wywo∏anej
w oÊrodku spoistym (trajektoria korzystna energe-
tycznie [6]). Ruch wzd∏u˝ tej linii, na granicy której
wyst´puje wyraêna zmiana spójnoÊci oÊrodka, reali-
zowany by∏ z wykorzystaniem sygna∏u si∏y na z´bach
∏y˝ki. Narz´dzie wprowadzane by∏o poziomo w oÊro-
dek, a nast´pnie przez obrót ∏y˝ki wywo∏ywano

powstanie linii poÊlizgu. Ta faza ruchu by∏a zapro-
gramowana. Nast´pnie realizowany by∏ automa-
tycznie ruch wzd∏u˝ linii poÊlizgu z wykorzystaniem
dwóch nastawionych wartoÊci si∏y na z´bach ∏y˝ki.
Narz´dzie porusza∏o si´ poziomo a˝ do przekroczenia
zadanej wartoÊci si∏y, po czym wycofywa∏o si´ (co
wiàza∏o si´ ze spadkiem si∏y a˝ do drugiej nasta-
wianej wartoÊci), a potem przemieszcza∏o si´ piono-
wo z jednoczesnym obrotem o ustalone wartoÊci.
Nast´pnie realizowany by∏ kolejny ruch poziomy
i w efekcie narz´dzie porusza∏o si´ schodkowo
wzd∏u˝ linii poÊlizgu. Wprowadzenie zarysu skarpy
(wiersze 13, 14 na rys. 2a) pozwala na unikni´cie
ruchu narz´dzia poza oÊrodkiem. W maszynie rze-
czywistej w takiej sytuacji system prze∏àczy∏by si´ na
r´czne sterowanie osprz´tem. Zarys skarpy wpro-
wadzany by∏ tak˝e w kolejnych testach.

W przypadku osprz´tu koparki K-111 automatyczny

ruch wzd∏u˝ linii poÊlizgu realizowany by∏ z wy-
korzystaniem dwóch algorytmów. Pierwszy z nich
powodowa∏ naprzemienne ruchy si∏ownika ramienia
a˝ do przekroczenia nastawionej wartoÊci si∏y na

b)

ROK WYD. LXV

O ZESZYT 1/2006

1 4

z´bach ∏y˝ki oraz si∏ownika wysi´gnika a˝ do spadku
tej si∏y do drugiej nastawionej wartoÊci. Drugi –
jednostajny ruch si∏ownika ramienia z zadanà pr´d-
koÊcià, zaÊ si∏ownik wysi´gnika rozpoczyna∏ ruch,
gdy si∏a na z´bach przekroczy∏a zadanà wartoÊç,
a zatrzymywa∏ si´ po spadku tej si∏y poni˝ej drugiej
nastawionej wartoÊci.

Drugi przyk∏ad (rys. 3) dotyczy realizacji na sta-

nowisku z osprz´tem typu ∏adowarkowego ruchów
roboczych symulujàcych urabianie schodkowe przy
sta∏ej sile naporu. Narz´dzie by∏o wprowadzane
w oÊrodek poziomo. Póêniej realizowany by∏ ruch
schodkowy, przy czym kolejny schodek inicjowany
by∏ po przekroczeniu zadanej wartoÊci si∏y poziomej,
zaÊ liczba schodków wynika∏a z ustawienia licznika
(oznaczenie LLL). Nast´pnie wykonywany by∏ ruch
ze sta∏à si∏à naporu z jednoczesnym obrotem ∏y˝ki.
Organizacj´ schodków zawierajà wiersze 3 – 5 tab-
licy przedstawionej na rys. 3a, zaÊ parametry ruchu
przy sta∏ej sile naporu – wiersz 8. Widoczny na rys. 3b
tor narz´dzia zosta∏ zatem (poza fazà wejÊcia w oÊro-
dek) utworzony automatycznie przez system po za-
programowaniu zasad ruchu.

Kolejny przyk∏ad (rys. 4) dotyczy ruchu po za-

planowanej trajektorii dla stanowiska z osprz´tem
typu ∏adowarkowego. Tor narz´dzia zosta∏ zapisany
poprzez wartoÊci zmiennych konfiguracyjnych dla
punktów w´z∏owych (uzyskane przez doprowadzenie
narz´dzia stanowiska przy sterowaniu r´cznym do
wybranych punktów). Nast´pnie dla zadanego czasu
przejÊcia pomi´dzy kolejnymi punktami w´z∏owymi
system obliczy∏, z wykorzystaniem zadaƒ kinematyki
osprz´tu, pr´dkoÊci na poszczególnych odcinkach
trajektorii, tworzàc tablic´ przedstawionà na rys. 4a.
Ten przyk∏ad dzia∏ania systemu odpowiada metodom
programowania robotów przez uczenie przy ste-
rowaniu punktowym, ale z mo˝liwoÊcià doboru czasu
ruchu w sposób umo˝liwiajàcy uwzgl´dnienie ogra-
niczeƒ, przyk∏adowo mocy uk∏adu zasilajàcego.

Ostatni z przedstawionych przyk∏adów (rys. 5)

dotyczy procedury omijania przeszkody przez osprz´t
koparki K-111. Informacjà o kontakcie ∏y˝ki z prze-
szkodà jest wzrost si∏y na z´bach ∏y˝ki ponad za∏o˝onà
wartoÊç. JeÊli zatem podczas np. ruchu ramienia
przyrost si∏y przekroczy ustalonà wartoÊç, wówczas
si∏ownik ramienia wycofuje si´ o nastawionà war-

a)

b)

Rys. 4. Realizacja ruchu narz´dzia stanowiska z osprz´tem typu ∏adowarkowego po zadanej trajektorii: a) tablica z programem,
b) tor narz´dzia i zarys skarpy

ROK WYD. LXV

O ZESZYT 1/2006

1 5

toÊç, a nast´pnie realizowany jest okreÊlony wysuw
si∏owników wysi´gnika i ∏y˝ki. W dalszej kolejnoÊci
wykonywany jest kolejny ruch s∏ownika ramienia
i w wyniku realizacji sekwencji takich ruchów nast´-
puje omini´cie przeszkody. Na rys. 5a przedstawiono
tablic´ zawierajàcà organizacj´ oraz dane procedury,
zaÊ na rys. 5b zarys przeszkody (oznaczenie Y)
i przebiegi zmian d∏ugoÊci si∏ownika wysi´gnika
oraz kàta obrotu ∏y˝ki (oznaczenie FiLyz). Procedura
o podobnej organizacji by∏a równie˝ wykorzystywa-
na do realizacji automatycznego ruchu wzd∏u˝ linii
poÊlizgu.

Podsumowanie

Budowa mechatronicznego systemu sterowania

ruchami roboczymi osprz´tu dzia∏ajàcego jako system
wspomagania operatora wymaga opracowania spe-
cyficznych metod programowania ruchów osprz´tu.
Opisana w tej pracy metoda programowania zosta∏a
opracowana tak, aby spe∏nia∏a za∏o˝enia tego rodzaju
metod, wymienione w rozdziale „Zasady programo-
wania”. Opracowana metoda programowania po-
twierdzi∏a w wyniku przeprowadzonych testów swà
poprawnoÊç i przydatnoÊç. Organizacja tablicy s∏u-
˝àcej do wprowadzania programu jest przejrzysta, co
umo˝liwia ∏atwe pos∏ugiwanie si´ nià, a przez to
realizacj´ programów o z∏o˝onym sposobie dzia∏ania.

Zaletà opracowanej metody jest równie˝ mo˝liwoÊç
tworzenia procedur ∏àczàcych ruchy programowane
i generowane automatycznie, zgodnie z przyj´tymi
za∏o˝eniami. Pokazane przyk∏ady nie ilustrujà w pe∏ni
mo˝liwoÊci metody, co wynika z ograniczonej obj´-
toÊci artyku∏u. Opracowana metoda programowania,
ze wzgl´du na mo˝liwoÊci techniczne, testowana by∏a
dotychczas jedynie w warunkach laboratoryjnych.

LITERATURA

1.

P∏onecki L., Cendrowicz J.: Koncepcja wspomagania ope-
ratora podczas sterowania ruchami roboczymi koparki
hydraulicznej. X Konferencja „Problemy Rozwoju Maszyn
Roboczych”, Zakopane 1997.

2.

P∏onecki L.: Cyfrowe sterowanie osprz´tem maszyn do robót
ziemnych na przyk∏adzie jednonaczyniowej koparki hydrau-
licznej. Wydawnictwo Politechniki Âwi´tokrzyskiej, Mono-
grafie, Studia, Rozprawy, Kielce 1999.

3.

Craig J. J.: Wprowadzenie do robotyki. Mechanika i Stero-
wanie. WNT, Warszawa 1993.

4.

Morecki A., Knapczyk J. i in.: Podstawy robotyki. Teoria
i elementy manipulatorów. WNT, Warszawa 1999.

5.

Cendrowicz J., Gierulski W., P∏onecki L., Tràmpczyƒski W.:
Stanowisko do badaƒ procesów urabiania gruntu ∏y˝kà
koparki. III Konferencja „Metody DoÊwiadczalne w Budowie
i Eksploatacji Maszyn”, Szklarska Por´ba 1997.

6.

Tràmpczyƒski W., P∏onecki L., Gierulski W., Cendrowicz J.,
Soko∏owski K.: Komputerowy system sterowania realizujàcy
energetycznie korzystne trajektorie urabiania rzeczywistym
osprz´tem typu ∏adowarka i koparka. Zeszyty Naukowe
Politechniki Opolskiej, Mechanika z. 64, Opole 2001.

Rys. 5. Omijanie przeszkody przez osprz´t koparki K-111: a) tablica z programem, b) profil przeszkody (oznaczenie Y) oraz zmiany
d∏ugoÊci si∏ownika wysi´gnika i kàta ∏y˝ki (oznaczenie FiLyz).

a)

b)