Master's Thesis

Optimizing the control of the robotic arm using the SIMATIC control system

Final Thesis 2.21 MB Appendix 4 MB

Author of thesis: Ing. Ondřej Gajda

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. František Bradáč, Ph.D.

Reviewer: Ing. Adam Koncer

Abstract:

This thesis deals with the design and implementation of a control system for the serial kinematics of a six-axis robot. Hardware components produced by Siemens are used. The PLC control program, including the operator visualization, is developed in the TIA Portal software. Standardized libraries managed by PLC Open for kinematics transformations and motion control are being used in the control system. The work includes virtual model created in NX MCD software. Model is used for virtual commissioning and for verifying the required functionality of the control system algorithms. The outcome of the thesis is a design of a new control system, including visualization, hardware configuration, electrical wiring diagrams and virtual model.

Keywords:

Motion control, serial kinematics, virtual commissioning, Siemens, PLC, TIA Portal

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Prezentace: - Cíle práce - Současný stav - Návrhy řešení - Zvolené řešení - Struktura PLC programu - Stavový automat - Vizualizace - Virtuální zprovoznění - Simulace PLC - Propojení PLC a NX MCD - Zhodnocení Student seznámil členy komise s výsledky své práce a odpověděl na otázky oponenta. Otázky členů komise: - Co si představit pod pojmem snížení přesnosti vlivem vůlí a jak vůli vymezit? Zodpovězeno. - Proč je pro řízení použito PLC a ne CNC? Je schopno použité PLC z hlediska výkonu řídit robot v reálném čase? Zodpovězeno. - Na co je použit protokol OPC UA? Zodpovězeno. - Jak sestavit sekvenci z jednotlivých pohybových bloků robotu? Zodpovězeno. - Co je v práci optimalizováno dle názvu DP? Zodpovězeno. Student bez problémů odpověděl na otázky komise.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Production Machines, Systems and Robots (N-VSR-P)

Composition of Committee

Ing. Tomáš Marek, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Vetiška, Ph.D. (člen)
Ing. Jan Vlček (člen)
doc. Ing., Dipl.-Ing Michal Holub, Ph.D., FEng. (předseda)
Ing. Rostislav Huzlík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Petr Kolář, Ph.D. (místopředseda)

Supervisor’s report
Ing. František Bradáč, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá optimalizací řízení robotického ramene, přičemž hlavní důraz je kladen na vytvoření virtuálního zprovoznění již existujícího šestiosého robota. Úvod práce v rešeršní části popisuje obecně typy kinematik robotů a dále pak různé používané programové vybavení pro virtuální zprovoznění. Dále již práce obsahuje popis současného stavu nejen robotického ramene, ale celé robotické buňky včetně bezpečnostních prvků a pomocného rozvaděče.

Na základě rozboru současného stavu autor následně navrhuje vlastní řešení, kde z tří variant, vybírá dle multikriteriální analýzy nejvhodnější variantu, kterou bude zpracovávat.

Tato vítězná varianta je následovně zpracovávána, kde je nejprve prováděna hardwarová konfigurace řídicího systému včetně konfigurace kinematické transformace robota a jeho os. Poté je popisována vytvořená softwarová část a její členění na jednotlivé funkční bloky, kde každý má vlastní funkčnost v řídicím algoritmu. Softwarovou část doplňuje popis vytvořeného uživatelského rozhraní pro uživatelské rozhraní (HMI).

Nezbytně byla v rámci zhodnocení ekonomická rozvaha s porovnáním vůči potenciálním konkurenčním řešením. V přílohách lze nalézt vývojové algoritmy programů, elektro zapojení rozvaděče robota a nezbytné video dokládající oživení virtuálního modelu. Závěrem práce autor DP předkládá cenovou kalkulaci a hodnotí dosažené výsledky.

Práci doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Adam Koncer

Diplomová práce je výborně strukturovaná a prochází celým procesem vedoucím k vývoji softwaru pro řízení šestiosého robota vlastního návrhu.

V úvodních částech práce autor popisuje mechanický model a elektrickou výbavu stroje. V části popisu elektrického pohonu se vyskytují drobné nepřesnosti.

Dále autor popisuje možnosti engineeringu – HW konfiguraci je možné vytvořit v offline prostředí, v praxi je velmi často využívána možnost „Download device as new station“, kdy je HW konfigurace vytvořena stažením konfigurace ze zařízení do projektu.

SW prostředky dle normy PLCopen jsou velmi dobře popsány a je zřejmé, že autor funkcím jednotlivých bloků velmi dobře porozuměl, umí je používat a jejich funkci adekvátně popsat. Popis působí až "slangovým" dojmem, což mě zároveň utvrzuje v pochopení problematiky - autor je schopen funkci popsat svými slovy.

Návrh hlavního stavového automatu je přehledný a dle výsledků práce plně funkční. V příloze je uvedena grafická podoba automatu, nebyl však přiložen projekt TIA Portal, který by umožnil detailnější posouzení.

Jako velmi přínosnou část hodnotím virtuální zprovoznění stroje v prostředí NX MCD, které je v průmyslové praxi stále častěji využíváno.

Oceňuji použití moderního komunikačního protokolu OPC UA i zamyšlení nad kybernetickou bezpečností dané sestavy.

Autor představuje hotové HMI obrazovky, které hodnotím jako přehledné a uživatelsky přívětivé.

Oceňuji také zhodnocení možností konkurenčních řešení a především ekonomickou rozvahu, která poukazuje na technickou i finanční náročnost tohoto prototypového zařízení.

Práce poukazuje na limit prototypu robota v jeho pracovním rozsahu vlivem vedení kabeláže a na vysokou cenu prototypu i náročnost práce programátora při uvedení do provozu.

Funkčnost navrženého řešení byla dle závěru práce ověřena ve virtuálním prostředí. Chybí však informace, zda bylo řešení testováno také na reálném stroji a do jaké míry se výsledky simulace shodují s provozem na skutečném zařízení.

Hlavním cílem bylo navrhnout řídicí systém robotického ramene, což autor plně splnil.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Fukce byla ověřena ve virtuálním prostředí, v závěru není uvedeno, zda byl ověřen návrh řízení také na skutečném stroji. Můžete porovnat výsledky virtuálního ověření s výsledky na skutečném HW /stroji?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová