Upload
lamtram
View
219
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
CENTRUM KSZTAŁCENIA PRAKTYCZNEGO
PODSTAWY ROBOTYKI
Roboty przemysłowe
- wprowadzenie
Sławomir Siewruk
2003 r.
Spis Treści
I. Wstęp.
II. Podstawowe klasy robotów przemysłowych.
III. Podstawowe elementy robota i ich definicje.
IV. Najważniejsze cechy mechaniczne robotów.
V. Konfiguracje robotów.
VI. Wybrane zastosowania robotów i manipulatorów przemysłowych.
VII. Zakończenie.
I. Wstęp
Większość maszyn wytwarzanych mniej więcej od połowy dwudziestego wieku
należała do klasy maszyn: roboczych silnikowych, technologicznych i transportowych.
Pojawienie się nowej grupy maszyn, a mianowicie maszyn cybernetycznych, do
których zaliczamy układy modelujące procesy biologiczne i fizjologiczne
przebiegające w przyrodzie ożywionej, w tym u człowieka i u zwierząt, spowodowało
konieczność rozszerzenia klasycznej definicji maszyny zaproponowanej jeszcze przez
F. Reuleaux w 1875 roku. W roku 1963 I. Artobolewski zaproponował następujące
określenie maszyny: maszyna jest to sztuczne urządzenie przeznaczone do
częściowego lub całkowitego zastępowania funkcji energetycznych, fizjologicznych i
intelektualnych człowieka. Funkcje energetyczne należy tutaj rozumieć jako
zastępowanie pracy fizycznej, funkcje fizjologiczne jako zastępowanie organów np.:
kończyny dolnej lub górnej, a możliwości intelektualne jako właściwości adaptacyjne
przy współdziałaniu maszyny cybernetycznej z otoczeniem. Tak określoną maszynę
nazywa się maszyną cybernetyczną. Aby przejść do zdefiniowania robota
przemysłowego, który jest głównym tematem niniejszej pracy, należy zapoznać się
jeszcze z określeniami: mechanizm cybernetyczny, manipulator, manipulator
antropomorficzny. Mechanizm cybernetyczny – część maszyny cybernetycznej
zastępującej czynności ruchowe człowieka np.: w zakresie manipulacyjnym lub
lokomocyjnym. Manipulator – mechanizm cybernetyczny przeznaczony do realizacji
niektórych funkcji kończyny górnej człowieka. Wyróżnia się tutaj dwa rodzaje funkcji:
manipulacyjne (manus – ręka) wykonywane przez chwytak i wysięgnikowe
realizowane przez ramię manipulatora.
Manipulator antropomorficzny – układ podobny do kończyny człowieka
(anthropos – człowiek i morphe – kształt) pod względem kształtu (w sensie
anatomicznym) oraz fizjologicznym (w sensie funkcji) czyli działania.
Robot – urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych funkcji
manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka, mające określony poziom energetyczny,
informacyjny i inteligencji maszynowej (autonomii działania w pewnym środowisku).
1
Pedipulator z
siłownikami
Manipulator z
siłownikami
Schemat blokowy robota przedstawia rysunek:
sterowanie
informacja
wewnętrzna
Szczególnym przypadkiem robota jest robot przemysłowy.
Robot przemysłowy – wielofunkcyjny manipulator przeznaczony do przenoszenia
materiałów, części lub wyspecjalizowanych urządzeń poprzez różne programowane
ruchy, w celu zrealizowania różnych zadań.
Według definicji ISO – manipulacyjny robot przemysłowy jest automatycznie
sterowaną, programowaną, wielozadaniową maszyną manipulacyjną o wielu
stopniach swobody, stacjonarną lub mobilną dla różnych zastosowań przemysłowych
(ISO / TR8373 3.3). Celem niniejszej pracy jest zaprezentowanie podstawowych
elementów robota (i ich definicji), wyodrębnienie najważniejszych cech
mechanicznych robotów, prezentacja niektórych typów robotów najczęściej
wykorzystanych w procesach przemysłowych oraz przedstawienie przykładowych
zastosowań zrobotyzowanych stanowisk przemysłowych.
Komputer
Otoczenie Zadanie
2
II Podstawowe klasy robotów przemysłowych
Wyróżnia się cztery podstawowe klasy robotów przemysłowych:
1. Robot sekwencyjny.
Jest to robot, który ma sekwencyjny układ sterowania (ISO 28806 3.1.07). Typowym
przykładem jest tutaj robot typu Non – servo PIP.
2. Robot realizujący zadaną trajektorię.
Jest to robot, który realizuje ustaloną procedurę sterowanych ruchów w instrukcji,
które specyfikują żądaną pozycję (zwykle uzyskiwaną przez interpelację) oraz żądaną
prędkość w danym położeniu. Typowym przykładem jest tutaj robot typu playback,
CALC lub continuans path (ISO / TR 837 33.4).
3. Robot adaptacyjny.
Jest to robot mający sensoryczny (ISO / TR 8373 6.3.3) lub adaptacyjny (ISO / TR
8373 6.3.4) układ sterowania albo uczący się układ sterowania (ISO / TR 8373
6.3.5). Przykładami takich układów są układy o możliwościach zmiany własności
drogą wykorzystania informacji sensorycznej lub nagromadzonych doświadczeń,
planowanie zadań przez nauczanie lub trening. Typowym przykładem jest tutaj robot
wyposażony w czujniki wizyjne, w którym jest możliwa korekta ruchu podczas
pobierania elementów, montażu lub spawania łukowego.
4. Teleoperator.
Jest to robot ze sterowaniem zdalnym realizowanym przez operatora lub komputer.
Jego funkcje są związane z przenoszeniem na odległość funkcji motorycznych i
sensorycznych operatora.
3
III. Podstawowe elementy robota i ich definicje
Nadgarstek
Sterownik Jednostka mechaniczna
Efektor końcowy – narzędzie, lub urządzenie, mocowane do nadgarstka robota.
Istnieją dwa podstawowe rodzaje efektora końcowego:
1 – chwytak – służący do chwytania części w celu ich przemieszczenia
2 – efektor reprezentujący urządzenie wykonujące procesy technologiczne (np.:
pistolet malarski, palnik, elektroda)
Jednostka mechaniczna (manipulator) – urządzenie mechaniczne, które
porusza i podnosi efektory końcowe i przedmioty procesowane. W skład
manipulatora wchodzą: podstawa, ramiona i nadgarstek, które są połączone ze sobą
przegubowo lub liniowo. Połączenia te nazywa się osiami robota, które mogą być
obrotowe (przeguby) lub liniowe (pryzmatyczne). Osie robota napędzane są silnikami
(serwosilnikami). Są to najczęściej silniki elektryczne zaopatrzone w czujniki
położenia wału (enkodery).
Efektor końcowy (chwytak)
Ekran Klawiatura Serwosiinik
Efektor końcowy (chwytak)
Serwosilnik – jest silnikiem, którego położenie, prędkość i przyspieszenie wału są
sterowane.
4
Przedmiot procesowany – część lub rzecz, którą efektor końcowy przemieszcza
podczas wykonywania operacji technologicznej.
Nadgarstek – urządzenie mechaniczne, umożliwiające robotowi obracanie
efektorem końcowym nie mniej niż dokoła trzech osi.
Pulpit sterowniczy – przenośna skrzynka przełączników elektrycznych,
umożliwiająca operatorowi poruszanie robota do żądanych punktów, oraz
umożliwiają operatorowi odczyt stanu wejść, wyjść i pozycji robota.
Sterownik – jest to oprzyrządowanie komputerowe i elektryczne, które umożliwia
sterowanie ruchem i opracowywanie programu oraz dostarcza przyłączy do
komunikowania się robota z innymi urządzeniami.
Sygnały wejściowe i wyjściowe – sygnały elektryczne pozwalające robotowi na
komunikowanie się z otoczeniem. Sygnały wejściowe umożliwiają urządzeniom
komunikację z robotem, a sygnały wyjściowe są rozkazami z robota do urządzeń
sterujących lub do przesyłania wiadomości. Sygnały wejściowe i wyjściowe mogą być
cyfrowe, analogowe lub szeregowe.
Język sterownika (komputerowy) – w zależności od rodzaju zastosowanego
sterownika określa reguły niezbędne do prawidłowej interpretacji stanu wejść i
wyjść, które są rozumiane przez maszynę lub system.
5
IV. Najważniejsze cechy mechaniczne robotów Udźwig użyteczny – określa obciążalność robota. Udźwig obliczany jest na
podstawie ciężaru i momentu bezwładności ładunku, którym robot manipuluje. Przestrzeń robocza – jest objętością, w której dowolnym punkcie może się znaleźć
nadgarstek robota. Przestrzeń robocza powinna być dostatecznie duża, aby robot
dosięgał punktów niezbędnych w jego zastosowaniu. Jeżeli przestrzeń ta jest zbyt
duża, może być ograniczona za pomocą ograniczników sprzętowych (hardware’
owych) i programowych (software’ owych). Poprzez dodanie efektora końcowego
robot ma możliwość poruszania się po całej przestrzeni roboczej, a nawet może tą
przestrzeń zwiększyć. Kierunek i przestrzeń rozszerzenia zależą od konfiguracji
efektora.
Liczba osi – aby robot spełniał założone zadania, musi mieć wystarczającą liczbę osi
w celu ustawienia efektora końcowego we wszystkich wymaganych pozycjach. Liczba
niezbędnych osi wynika z pożądanej orientacji efektora, konfiguracji robota, oraz
tego, w jaki sposób robot odkształca się w zależności od obciążenia i położenia. Na
liczbę wymaganych osi robota wpływa mechaniczna konfiguracja robota. W związku z
tym iż roboty nie są doskonale sztywne, przy dużych obciążeniach pochylają się
wskutek odkształcenia się szkieletu manipulatora. Aby skompensować odkształcenia
lub wychylenia całego robota w przeciwnym do odkształcenia kierunku roboty
zaopatrza się w dodatkowe osie.
Prędkość i czas cyklu – prędkość robota jest maksymalną prędkością kątową lub
liniową jego osi. Prędkość robota jest sterowana z pulpitu sterującego, bądź
programem poprzez sterownik.
Czas cyklu jest to całkowity czas potrzebny robotowi do wykonania danego zadania.
Czas cyklu zależy przede wszystkim od czasu przyspieszenia robota, prędkości
maksymalnej oraz czasów opóźnienia układów logicznych mechanizmów
wykonawczych i sterownika.
6
Sterowanie ruchem – jest kombinacją sterowania ścieżką (jak dokładnie robot
kopiuje daną ścieżkę) i sterowania prędkością (jak dalece prędkość robota jest
sterowana). Jest to bardzo ważna cecha robotów gdyż w znaczący sposób wpływa na
jakość operacji technologicznych wykonywanych przez robota.
Powtarzalność – jest miarą dokładności powracania robota do nauczonego punktu.
Jest to bardzo ważna cecha robota, szczególnie w sytuacjach, w których
przewidywano małe tolerancje.
Dokładność – jest miarą błędu (bliskości) osiągnięcia przez robota określonego
punktu w przestrzeni roboczej.
Niezawodność – jest jedną z najważniejszych cech robota. Od jego niezawodności
zależy niekiedy wstrzymanie pracy całego zakładu.
V. Konfiguracje robotów. 1. Roboty z ramionami wychylanymi w płaszczyźnie poziomej.
Roboty tego typu są zwykle nazywane robotami typu SCARA. Nazwa SCARA pochodzi
od Selective Compliance Assembly Robot Arm i w swobodnym przekładzie oznacza
robot montażowy z dokładnie dobraną podatnością.
Rysunek obrazuje robot klasy SCARA typu Bosch SR 60(E).
7
Robot ma cztery osie sterowane przy czym osie 1, 2 i 4 są zaprojektowane jako osie
obrotowe, zaś oś 3 jako liniowa oś sterowana. Roboty tej klasy mają największą
szybkość i najlepszą powtarzalność ze wszystkich postaci konstrukcyjnych robotów.
Szkielet robota ma dużą sztywność w osi pionowej, wskutek czego części montowane
ciągle będą trzymane prostopadle.
Rysunek poniżej obrazuje pracę robota przy układaniu czekoladek w pudełkach.
Przykładami zastosowania robotów klasy SCARA są:
- wkładanie elementów w płytki obwodów drukowanych
- montowanie małych urządzeń elektromechanicznych
- montowanie napędów dyskietek komputerowych
2. Robot z ramionami wychylanymi w płaszczyźnie pionowej.
Roboty tego typu charakteryzują się przestrzenią roboczą o dużej wysokości, oraz
posiadają bardzo dobrą przegubowość (artykulację) nadgarstka. Robot o konstrukcji
przegubowej zapewnia dużą przestrzeń roboczą w stosunku do rozmiaru jednostki
mechanicznej (manipulatora). Przegubowość sześciu osi umożliwia orientację
8
przegubu praktycznie w każdej pozycji. Pomimo iż powtarzalność i dokładność robota
są dobre to jednak nie zawsze są wystarczające do niektórych zastosowań montażu
precyzyjnego. Wadą robotów tego typu są straty osiągów na brzegach przestrzeni
roboczej i mała sztywność szkieletu. Udźwig, dokładność i powtarzalność pogarszają
się na wewnętrznych i zewnętrznych brzegach przestrzeni roboczej.
Powyższy rysunek przedstawia robota z ramieniem przegubowym Kuka IR 364 (6
osi), oraz projekt w którym robot ten wykonuje zadanie polegające na wkładaniu 12
butelek (posortowanych np.: wg kolorów) do przeznaczonych na nie skrzynki.
Innym przykładem tego typu robotów jest robot z ramieniem przegubowym typu
Movemaster RVE 2 (6 osi):
W Polsce tego typu roboty są wytwarzane jako Irp 6 – Irp 10.
9
Typowe zastosowania tego typu robotów to:
- spawanie
- gratowanie
- malowanie
- uszczelnianie
- manipulowanie materiałem
3. Robot z cylindryczną przestrzenią roboczą.
Robot o takiej konfiguracji ma dużą przestrzeń roboczą. Przykład tego typu robota
ilustruje rysunek:
W robotach tych zwykle stosowane są śruby napędowe toczne (kulkowe) i
prowadnice liniowe w osi pionowej (2) i poziomej (3). Obrót jest osiągany za pomocą
oddzielnej osi (1). Wadą robota tego typu jest wystawanie obudowy osi
promieniowej (3) z tyłu robota. Za robotem nie może się nic znajdować aby podczas
obrotu o 1808 tył obudowy osi miał swobodę obrotu. W przeszłości roboty tego typu
używane były do bardzo szybkiego, lekkiego montażu. Obecnie w zadaniach tych
zastąpiły je roboty SCARA. Roboty z cylindryczną przestrzenią są idealne do
operowania częściami ciężkimi i tam gdzie jest wymagana duża przestrzeń robocza.
4. Robot z kulistą przestrzenią roboczą.
Robot taki obraca się dokoła środkowego punktu obrotu i dokoła osi pionowej. Do
orientacji chwytaka służy jedno – lub dwuosiowy nadgarstek. Ze względów
konstrukcyjnych prędkość i dokładność ruchów robotów tego typu jest mniejsza niż
robotów o innej konfiguracji, co ogranicza ich zastosowanie.
10
5. Roboty bramowe i mobilne.
Prosty robot bramowy
przedstawia rysunek:
Robot bramowy wygląda jak suwnica z zamontowanym nadgarstkiem robota. Robot
ma bardzo dużą przestrzeń roboczą, a zawieszony u góry, nie wymaga przestrzeni
podłogowej.
Typowym zastosowaniem robota bramowego jest przemieszczanie materiału między
maszynami na duże odległości lub znajdowanie materiału w zautomatyzowanym
składzie towarów.
11
Rysunek ilustruje zadanie z jednym robotem bramowym i jedną obrabiarką
(załadunek obrabiarki).
Roboty najbardziej zaawansowane mają własny napęd i mogą się poruszać do
różnych miejsc dzięki energii z własnych akumulatorów. Przy stanowiskach roboczych
energia robota pochodzi z gniazda stanowiska roboczego. Roboty mobilne
wyznaczają swój kurs przez śledzenie ścieżki przewodowej w podłodze lub za
pomocą systemu radarowego. Nawigacja za pomocą ścieżki przewodowej jest
metodą używaną coraz częściej przez pojazdy kierowane automatycznie. Pojazdy te
wyposażone są w czujniki, które wykrywają przewód w podłodze i korekcje sygnału
gdy pojazd odbiega od kursu. Przy nawigacji radarowej przewody w podłodze nie są
potrzebne. Ścieżki robota mobilnego można zmieniać przez napisanie nowego
programu komputerowego.
VI. Wybrane zastosowania robotów i manipulatorów
przemysłowych w Polsce
Uniwersalne roboty przemysłowe (URP) są i powinny być stosowane między innymi
do:
- spawania łukowego
- zgrzewania punktowego
- gratowania
- klejenia
- obsługi pras i linii pras
- polerowania
- pokrywania warstwami ochronnymi i specjalnymi (natryskiwanie plazmowe,
pokrywanie grafitem)
- montażu
- pakowania i paletyzacji
- obsługi różnego typu urządzeń specjalistycznych gniazd technologicznych w
różnych gałęziach przemysłu
Do robotyzacji prostych procesów technologicznych z wielu przyczyn nie ma potrzeby
12 stosowania uniwersalnych robotów, przede wszystkim ze względu na koszt. W takich
przypadkach proste manipulatory, w połączeniu z odpowiednimi urządzeniami, mogą
być z powodzeniem wykorzystywane do obsługi gniazd technologicznych, które
przeważają w wielu zakładach przemysłowych.
Manipulatory PMM
Rodzina małych manipulatorów współpracujących w procesie montażu drobnych
elementów lub obsługujących prasy. Jednym z podstawowych zastosowań tego typu
manipulatorów jest ich użycie do podawania pojedynczych płaskich wyrobów z
magazynka do przestrzeni roboczej prasy za pomocą urządzeń podających.
Roboty RIMP
W zależności od zastosowanej odmiany najczęściej wykorzystywany jest do:
- obsługi linii lekkich pras (1 MN)
- zgrzewania punktowego
- nakładania powłok (malowanie, metalizacja natryskowa)
- spawania łukowego
- odlewania pod ciśnieniem
Roboty PRO 30
Wykorzystywane we współpracy z obrabiarkami numerycznie sterowanymi w
gnieździe obróbkowym, przy obróbce skrawaniem.
Roboty IRb i Irp
Do zadań tego typu robotów między innymi należy:
- przenoszenie przedmiotów od pozycji początkowej, poprzez różne położenia
pośrednie (maszyny obróbkowe, sprawdzania, obrotniki itp.) aż do pozycji
wyjściowej stanowiska
- obsługa maszyn
- spawanie elektryczne
- zgrzewanie punktowe
- czyszczenie (szlifowanie) odlewów
- gratowanie
13
VII. Zakończenie
Roboty przemysłowe są uniwersalnymi środkami automatyzacji procesów
przemysłowych, przede wszystkim procesów uciążliwych lub trudnych do wykonania
przez człowieka. Są urządzeniami, które pozwalają zastąpić człowieka wszędzie tam
gdzie istnieje zagrożenie zdrowia czy życia człowieka. Roboty przemysłowe to
urządzenia w istotny sposób wpływające na przebieg procesów technologicznych w
różnorodnych gałęziach przemysłu. Zadania wykonywane przez roboty pozwalają na
zwiększenie wydajności pracy, wpływają na jakość wyrobów, oszczędność
materiałową i energetyczną. Jednym z podstawowych czynników ograniczających
zastosowanie robotów w przemyśle są czynniki ekonomiczne. Jednak od roku 1985,
w którym szacuje się iż było zainstalowanych w Polsce około 100 krajowych i
importowanych robotów, głównie w przemyśle maszynowym, nastąpił znaczny
wzrost instalowanych robotów i stanowisk zrobotyzowanych. Szacuje się iż do 2000
roku w takich procesach jak spawanie wzrost nastąpił o 250%, przesuwanie
materiału 300%, montaż 350%, inne procesy 100%. Obecnie poważnym odbiorcą
robotów są takie gałęzie przemysłu jak: rolnictwo, sadownictwo, leśnictwo.
14
Literatura
1. F. Siemieniako, M. Gawryluk: Automatyka i robotyka. WSiP. Warszawa 1996
2. A. Morecki, J. Knapczyk - Praca zbiorowa: Podstawy robotyki – teoria i elementy
manipulatorów i robotów. WNT. Warszawa 1993
3. Program edukacyjny – Robin 1,6
4. Oferty – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów (PIAP) - Warszawa