Mechatronika - ADAM - Leonardo da Vinci Projects and Products

Transkript

Mechatronika
Modul 10: Robotika
Učebnice
Cvičebnice
Řešení
(koncept)
Doc. Ing. Petr Blecha, Ph.D.
Prof. Ing. Zdenêk Kolíbal, CSc.
Doc. Dr. Ing. Radek Knoflícek
Ing. Aleš Pochylý
Ing. Tomaš Kubela
Radim Blecha
Doc. RNDr. Ing. Tomás Březina, CSc.
Vysoké učení technické v Brně
Česká republika
Evropský koncept pro doplňkovou kvalifikaci mechatronik odborných
procovníků v globalizované průmyslové výorbě.
EU – Projekt č. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110
„MINOS++“, platnost od 2008 do 2010
Tento projekt byl realizován za finanční
podpory Evropské unie.
Za obsah publikací (sdělení ) odpovídá
výlučně autor. Publikace (sdělení)
nereprezentují názory Evropské komise a
Evropská komise neodpovídá za použití
informací, jež jsou jejich obsahem.
www.minos-mechatronic.eu
Partneři pro provádění, hodnocení a šíření výsledků projektů MINOS a MINOS**.
-
Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production
Processes, Germany
np – neugebauer und partner OhG, Germany
Henschke Consulting, Germany
Corvinus University of Budapest, Hungary
Wroclaw University of Technology, Poland
IMH, Machine Tool Institute, Spain
Brno University of Technology, Czech Republic
CICmargune, Spain
University of Naples Federico II, Italy
Unis a.s. company, Czech Republic
Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic
Tower Automotive Sud S.r.l., Italy
Bildungs-Werkstatt Chemnitz gGmbH, Germany
Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany
Euroregionala IHK, Poland
Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen
Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland
Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary
Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary
Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary
Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany
Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden
Obsah studijních podkladů
Minos: moduly 1 – 8 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: základy /
interkulturní kompetence, projektový management / fluidní techniku / elektrické pohony a
řízení/ mechatronické komponenty / mechatronické systémy a funkce / uvedení do provozu,
bezpečnost, vzdálený servis / dálková údržbu a diagnostiku.
Minos **: moduly 9 – 12 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: rychlé
vytváření prototypů / robotiku / migraci / rozhraní.
Všechny moduly jsou dostupné v následujících jazycích:
němčina, angličtina, španělština, italština, polština, čeština a maďarština.
Pro více informací prosím kontaktujte:
Technical University Chemnitz
Dr. Ing. Andreas Hirsch
Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz
Tel.: + 49(0)0371 531-23500
Fax.: + 49(0)0371 531-23509
Email: [email protected]
Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch www.minos-mechatronic.eu
Mechatronika
Modul 10: Robotika
Učebnice
(koncept)
Ing. Aleš Pochylý
Ing. Tomaš Kubela
Radim Blecha
Česká republika
Minos++
Robotika – Učebnice
OBSAH
1. HISTORIE, VÝVOJ A DEFINICE ROBOTŮ..................................................................... 1 1.1. OD MECHANICKÝCH PÍSAŘŮ K ROBOTŮM ............................................................... 1 1.2. DEFINICE ROBOTŮ ....................................................................................................... 4 2. STAVBA PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ A MANIPULÁTORŮ ......................................... 6 2.1. KINEMATICKÁ STRUKTURA PRAM ............................................................................. 6 2.1.1. Akční systém stacionárních PRaM .................................................................................. 6 2.1.2. Kinematické dvojice v konstrukci PRaM .......................................................................... 7 2.1.3. Problematika přesnosti polohování základních typů PRaM .......................................... 14 2.1.4. Průmyslové roboty s paralelní kinematikou ................................................................... 16 2.1.5. Automatické dopravní vozíky – ADV (Automatic guide vehicle-AGV)........................... 17 2.2. PŘÍKLADY TYPICKÝCH PŘEDSTAVITELŮ PRaM Z HLEDISKA KONSTRUKČNÍHO18 2.2.1. Základní typy průmyslových robotů ............................................................................... 18 2.2.2. Odvozené typy průmyslových robotů ............................................................................ 20 2.2.3. Typy PRaM z odvozených spojení kinematických dvojic .............................................. 22 3. KONCOVÉ EFEKTORY ................................................................................................. 24 3.1. Účel a rozdělení koncových efektorů ............................................................................ 24 3.2. Technologické výstupní hlavice .................................................................................... 24 3.3. Manipulační výstupní hlavice – chapadla...................................................................... 25 3.3.1. Kombinované výstupní hlavice ...................................................................................... 34 3.3.2. Speciální výstupní hlavice ............................................................................................. 35 3.3.3. Síly, působící na uchopené předměty při pohybu robotu .............................................. 36 3.3.4. Automatická výměna koncových efektorů ..................................................................... 39 3.4. PERIFERNÍ ZAŘÍZENÍ K PRaM ................................................................................... 40 3.4.1. Úvod, rozdělení, účel použití ......................................................................................... 40 3.4.2. Rozdělení PZ podle funkce ........................................................................................... 41 3.4.3. Rozdělení PZ podle charakteristické konstrukce .......................................................... 42 3.4.4. Rozdělení PZ podle umístění v robotizovaném pracovišti ............................................ 48 4. Robotizovaná pracoviště ............................................................................................. 51 4.1. Základní prvky robotizovaného pracoviště .................................................................... 51 4.2. Řízení pracoviště .......................................................................................................... 53 4.3. Typy robotizovaných pracovišť ..................................................................................... 56 4.3.1. Svařovací ....................................................................................................................... 56 4.3.2. Manipulační ................................................................................................................... 58 4.3.3. Nanášení barev ............................................................................................................. 60 4.3.4. Technologické operace ................................................................................................. 62 5. Programování průmyslových robotů.......................................................................... 66 5.1. Úvod .............................................................................................................................. 66 5.2. Online programování..................................................................................................... 66 5.2.1. Uživatelské rozhraní - teach-pendanty .......................................................................... 67 5.2.2. 6 DOF průmyslový robot ................................................................................................ 69 5.2.3. Hlavní typy pohybů ........................................................................................................ 72 5.2.4. Aproximace pohybů ....................................................................................................... 74 5.2.5. Základní přehled instrukcí pro roboty ABB .................................................................... 76 5.2.6. Základní přehled instrukcí pro roboty KUKA ................................................................. 77 5.2.7. Případová studie: Paletizační úloha .............................................................................. 78 5.3. Off-line programování ................................................................................................... 81 3
Minos++
6. BEZPEČNOST ROBOTIZOVANÝCH PRACOVIŠŤ ...................................................... 83 6.1. Základní termíny a definice ........................................................................................... 83 6.2. Požadavky na konstrukci robotu ................................................................................... 84 6.2.1. Silové hnací komponenty .............................................................................................. 84 6.2.2. Výpadek nebo kolísání napájení ................................................................................... 84 6.2.3. Napájecí zdroje .............................................................................................................. 85 6.2.4. Skrytá energie................................................................................................................ 85 6.2.5. Elektromagnetická kompatibilita (EMC) ........................................................................ 85 6.2.6. Elektrické zařízení ......................................................................................................... 85 6.2.7. Ovládací prvky ............................................................................................................... 85 6.3. Požadavky na bezpečnostní části řídicích systémů ...................................................... 85 6.3.1. Funkce nouzového zastavení ........................................................................................ 86 6.3.2. Bezpečnostní zastavení ................................................................................................ 86 6.3.3. Redukovaná rychlosti .................................................................................................... 86 6.3.4. Pracovní režimy ............................................................................................................. 87 6.3.5. Řízení pomocí ručního ovládacího panelu .................................................................... 87 6.3.6. Požadavky na provozní spolupráci ................................................................................ 88 6.4. Popis kategorií bezpečnostních částí řídicích systémů................................................. 88 6.4.1. Kategorie B .................................................................................................................... 88 6.4.2. Kategorie 1 .................................................................................................................... 89 6.4.3. Kategorie 2 .................................................................................................................... 90 6.4.4. Kategorie 3 .................................................................................................................... 90 6.4.5. Kategorie 4 .................................................................................................................... 91 6.5. Bezpečnostní ochranná zařízení................................................................................... 92 6.5.1. Zařízení nouzového zastavení (Emergency stop device) ............................................. 92 6.5.2. Bezpečnostní světelné závory (Safety Ligt Curtain)..................................................... 93 6.5.3. Bezpečnostní laserový scanner..................................................................................... 94 6.5.4. Pevné zábrany ............................................................................................................... 95 6.5.5. Bezpečnostní dveřní snímače ....................................................................................... 96 6.5.6. Nášlapné rohože............................................................................................................ 97 6.6. Příklad zabezpečení robotizovaného pracoviště........................................................... 97 7. Použitá literatura .......................................................................................................... 98 4
Minos++
1. HISTORIE, VÝVOJ A DEFINICE ROBOTŮ
1.1. OD MECHANICKÝCH PÍSAŘŮ K ROBOTŮM
Snahy zapojit stroje podobné člověku nebo živým organismům do služeb člověka jsou téměř
tak staré jako lidská kultura. Historie konstrukce pohyblivých figurín sahá až do období antiky
a byzancie. Už Homér ve své Illiadě hovořil o tom, že Hefaistos, jeden z bohů na Olympu,
zaměstnával ve svém domě služky vykované z čistého zlata. V r. 400-365 p. n. l. Archytus
vytvořil model dřevěného holuba. Holub údajně obsahoval ve svých útrobách malý balón.
Herón Alexandrijský, proslulý mechanik a stavitel figurín, poháněných párou1 a silou,
vyvozenou tepelnou roztažností různých látek, např.rtuti), konstruktér samočinných jevištních
zařízení, mechanismů, otevírajících brány chrámů apod. K pohonu využíval páru a zahřátý
vzduch. Příkladem je zařízení oltáře, znázorněné na Obr. 1-1a. Při rozdělání ohně na oltáři
se zahřeje voda v nádobě A, unikající pára tlačí na hladinu vody ve spodní části oltáře,
provedeného jako nádrž. Voda je vytlačována trubkami L do nádobek, které drží sochy
v rukách. Po naplnění nádobek se ruce skloní a vytékající voda z nádobek uhasí oheň na
oltáři.
Obr. 1-1 Příklady historických automatů
a. Příklad antického oltáře s figurínami, které samočinně vylévají vodu na obětní oheň
b. Mechanický automat Jacquete Droze
c. Hosogavův mechanický automat
V historii automatů nemohl chybět ani geniální umělec a technik Leonardo da Vinci (14521519). Pro uvítání krále Ludvíka XII. v Miláně sestrojil mechanického lva, který kráčel k jeho
trůnu a zdvihnutím tlapy pozdravil krále.
S biorobotikou souvisí více vynikajících mechanických konstrukcí umělých lidí realizované
v 18. století. Okolo r. 1738 francouzský mechanik Jacques de Vaucanson sestrojil skutečně
fungující robot – flétnistu, který dokázal zahrát 12 skladeb. Zvuk vyluzoval obyčejným
vydechnutím vzduchu přes ústa do hlavního otvoru flétny a tóny měnil přikládáním prstů na
ostatní otvory nástroje.
V r. 1772 Jacquet Droz zkonstruoval automat s podobou dítěte (viz Obr. 1-1b), který psal
pasáže textu skutečným perem, byl řízený vačkami a poháněný pružinami. V r. 1796
Hosogawa z Japonska zkonstruoval další známý automat - chlapce nosícího čaj (viz Obr.
1-1c).
1
Viz známý fyzikální pokus: „Herónova baňka“
1
Minos++
Velký rozvoj přírodních věd dával dokonalejší prostředky do rukou stavitelů automatů.
Poznatky z akustiky umožňovaly konstrukce mechanismů, vydávajících jednoduché zvuky,
například samočinné hrající hudební nástroje a mluvící figuríny.
V období po první světové válce roboty nesměly chybět na žádné zajímavější výstavě o
technice. Měly podobu zbrojnošů, pohybovaly rukama a odpovídaly na jednoduché otázky
hlasem reprodukovaným z gramofonové desky. Roboty dostaly elektrický pohon, který bylo
možné řídit inteligentněji než páčky, vačky a pružiny. Např. robot TELEVOX, zkonstruovaný
v r. 1927 Angličanem R. J. Wenslym dokázal na zapísknutí zdvihnout telefonní sluchátko a
ozvat se lidským hlasem Američan Whitman zase sestrojil „radiočlověka“ OCCULTA. Tento
byl určený na bojové účely, měl ničit ostatní zátarasy a překonávat některé vojenské
překážky.
Slovo "robot" je postaveno na staroslovanském základu "-rob-", od kterého je též odvozena
slova "robota", majícího v češtině význam těžké až nepříjemně unavující práce, dále slovo
"robit", ale i slova "výroba", "obrábět" a pod. Geniální český spisovatel Karel Čapek použil
tohoto slova k označení uměle vytvořených bytostí ve svém dramatu "R.U.R." z roku 1920.
Výraz "R.U.R." znamená: "Rossum´s Universal Robots", tedy: "Rossumovi universální
Roboti", volně pak přeloženo: "Universální Roboti pana Rozuma (přesněji Mozku či
Intelektu)". Karel Čapek své Roboty nazýval původně "Laboři" (chtěl zřejmě jednoznačně
využít latinského „labore“, potažmo anglického slova: labour = těžká, nebo alespoň plně
zaměstnávající práce) a použití slova "robot" mu poradil jeho bratr malíř Josef Čapek.
Nicméně je skutečností, že od roku 1921, kdy bylo Čapkovo dílo R.U.R. poprvé uvedeno, se
jeho popularita velmi rychle rozšířila po celém světě a s ní i toto české slovo "robot".
Například v Japonsku se děti ve školách učí, že slovo „robot“ je českého původu.
Od té doby se však začalo tímto slovem označovat jakékoli automatické i mechanizační
zařízení a to od kuchyňských strojků až po automatické piloty. Nechyběla, v průběhu historie
se v podstatě opakující, i celá řada pokusů o umělé konstrukce člověku se podobajících
zařízení, zejména na mechanickém principu. Dlužno podotknout, že tento princip byl Karlu
Čapkovi cizí; jeho "Roboti" byli koncipováni pouze na biochemické bázi. My však počítáme
roboty, zejména ty průmyslové, mezi neživé stroje a proto je také podle neživotného vzoru
„hrad“ skloňujeme.
V průmyslové výrobě se široce využívané stroje, které plní určité funkce za člověka, obvykle
nenazývají roboty, ale automaty. To je dáno především tím, že tyto automaty jednak svým
vzhledem velmi málo člověka připomínají a jednak je jejich funkce většinou poměrně úzce
specializovaná (autooperátory, jednoúčelové manipulátory).
Na Obr. 1-3 je znázorněn historický vývoj výrobních strojů a robotů. Přestože vývoj
výrobních strojů započal mnohem dříve, je zde za výchozí období zvolen přelom XV. a
XVI.století. Můžeme sledovat skutečný vývoj výrobních strojů s jejich
postupným
zlepšováním a mechanizací a současně sledovat fiktivní představy o umělé bytosti (Golem)
směrem k Čapkovým robotům z R.U.R. Společný osud spojuje tyto dva proudy vynález
číslicového řízení (NC – Numerical Control) v polovině XX. století. NC výrobní stroje spolu
s manipulátory, obdařenými NC – průmyslovými roboty - začaly realizovat představy o
automatické výrobě.
V roce 1961 totiž přišla americká firma AMF (American Machine and Foundry Corporation)
na trh s mnohoúčelovým automatem pod názvem "Průmyslový robot VERSATRAN"
(VERSAtile TRANsfer), který zastává funkci člověka u výrobního stroje, avšak nemá jeho
podobu a pak již vývoj nabral neuvěřitelné obrátky. Symbióza průmyslových robotů a NC
výrobních strojů na přelomu XX. a XXI. století umožnila vznik plně automatizovaných
továren, jakou provozuje na příklad japonská firma FANUC. Jiné průmyslové roboty
směřovaly do nestrojírenských aplikací včetně zemědělství. V červeně orámované části
2
Minos++
obrázku č. Obr. 1-3 jsou znázorněna některá typická provedení průmyslových robotů. Ten
vlevo je programován bezprostředním učením, tedy tak, že jej programátor původně v režimu
„TEACH“ vede po požadované dráze, která se nahraje do řídícího systému a po aktivování
nahraného programu robot naučenou činnost v režimu „REPEAT“ neúnavně opakuje.
Uplatnění takového robotu je zejména při průběžném svařování po požadované dráze, nebo
při nanášení nátěrových či ochranných hmot. Ten vpravo je programován zprostředkovaně
pomocí programovacího panelu, při čemž programátor navede robot vždy do požadovaného
bodu, který si robot zapamatuje a pak vykonává práci podle zadané činnosti mezi
jednotlivými body nebo v těchto bodech. Takový robot je velmi vhodný například pro bodové
svařování karoserií v automobilkách.
Obr. 1-2 Bezprostřední učení průmyslového robotu
HONDA
Humanoidní
roboty
XX/XXI.
století
Stavebnictví,
zemědělství,
textilní prům.,
sklářství a j.
Piano player
Prof.Ichiro Kató
UNIVERSITY of
WASEDA, Tokyo
Nestrojírenské
aplikace
Biorobotické
(protetické)
aplikace
NC 50-60. léta
XX.století
MASTER
SLAVE
K.Čapek:
Numerical
Control
XVIII/XIX.
století (James
Průmyslový robot (ABB)
R.U.R. ⇒ „robot“
Watt 1736-1819)
(Rosum`s Universal Robots)
1580:
„GOLEM“
Rabbi Jehuda Löw ben
Becael (Staré Město Pražské)
Japonská
automatizovaná továrna
Způsob
řízení:
Způsob řízení:
1921:
FANUC
zdokonalil parní stroj
XV/XVI.
století
Leonardo
da Vinci
(1452-1519)
Francouzský kopírovací
soustruh se šlapacím
pohonem z XVI.stol.
Obr. 1-3 Nástin vývoje výrobních strojů a robotů
3
různé pohony a
technická zdokonalení,
m.j.válečková ložiska,
lanové převody, vrtule
Minos++
S určitým odbočením od NC řízení se vyvinuly biorobotické (protetické) aplikace, řízené
systémy MASTER-SLAVE, případně nervovými EMG (elektromyogrammetrickými) signály.
Přímý vývoj v robotice však sleduje nejfantastičtější směr, tedy vývoj mobilních, kráčejících a
humanoidních robotů (např. HONDA). Podoba těchto zařízení s fiktivním Golemem je až
fascinující, ale i bezprostřední učení průmyslových robotů vedením za jejich koncový člen a
nahráním tohoto pohybu do řídícího systému nám může připomenout oživování Golema
tajemným „šémem“, vkládaným do jeho hlavy.
Piano-player profesora Ichiro Kató z Wasedské university v Tokyu doprovázel celý
symfonický orchestr na světové výstavě v Ósace. Humanoidní robot Honda ale i jiní
„androidi“ dokáží chodit i po schodech, nosit předměty, tančit a pod. Pomalu si tak i
zaslouží životnou podobu jejich názvu, tedy „roboti“.
1.2. DEFINICE ROBOTŮ
Pro obecné porovnání vlastností stroje s člověkem ve výrobním procesu mohou sloužit
následující kategorie:
fysické možnosti
funkční možnosti
úroveň intelektu
Jako hranice pro výrobní proces potřebné a možné úrovně intelektu slouží lidské vědomí, v
daném případě jde především o vnímání, chápání a rozhodování, paměť a logiku. Funkční
možnosti zahrnují přizpůsobivost, universálnost, možnost přemisťování v prostoru,
manipulovatelnost apod. Mezi fysické možnosti patří síla, rychlost, schopnost nepřetržité
práce, stabilita charakteristik, trvanlivost, spolehlivost atd. Uvedené tři kategorie je možno
znázornit v prostorovém diagramu v kartézských souřadnicích x, y a z. [4; s.38]
Obr. 1-4 Schematické porovnání člověka a stroje ve výrobním procesu [NODA;s.xx]
Na Obr. 1-4 je velmi schematicky znázorněn člověk ve výrobním procesu, vyznačující se
vysokou úrovní intelektu (potřebného pro daný výrobní proces), poměrně vysokou úrovní
funkčních možností, avšak velmi nízkými fyzikálními možnostmi. Tohoto si byl člověk od
pradávna velmi dobře vědom, a proto všechny dosavadní stroje prakticky napomáhaly
4
Minos++
člověku rozšířit především tyto jeho nízké fyzikální možnosti a v diagramu jsou znázorněny
pouze jako jednorozměrné a to na ose fyzikálních možností.
Stavební a jim podobné stroje, ovládané a řízené přímo člověkem, jako jsou na příklad
bagry, scrapery, ale též i balancery, teleoperátory a pod. představují v daném diagramu
dvourozměrné stroje v rovině dané osami fysických možností a funkčních možností.
Na druhé straně matematické a jim podobné informační stroje (computery, řídící systémy)
jsou stroje rovněž v daném diagramu dvourozměrné, ale v rovině dané osami fysických
možností a úrovní intelektu, možnost pohybu nemají.
Teprve spojením, prolnutím, obou výše dvourozměrně znázorněných strojů vzniká
průmyslový manipulátor - robot, představující stroj, odpovídající v tomto schématu
trojrozměrnému znázornění člověka ve výrobním procesu.
Je přirozené, že v rámci studia robotiky se hledá též vhodná definice jak manipulátoru,
průmyslového robotu, tak i samotného robotu. Pojem "robot" je doposud ve světové literatuře
definován poněkud nejednotně, avšak některé definice, odvozené od počtu stupňů volnosti
takového zařízení, jako například: "Robot je zařízení od tří stupňů volnosti, do tří stupňů jde o
manipulátor", nebo "Průmyslový robot je automatické manipulační zařízení libovolně
programovatelné ve třech osách s podávacíma rukama (chapadly) nebo technologickými
nástroji, určené pro použití v průmyslu", svědčí o nepochopení základní filosofie robotů.
Nicméně posledně uvedená definice naznačuje ještě i další otázku a to, zda robot je totéž,
co průmyslový robot. Již samotný přívlastek „průmyslový" naznačuje, co má závěrečná část
této definice na mysli, že totiž průmyslový robot je určitou podmnožinou robotů jako
takových. Pro všeobecný pojem "robot" lze přijmout definici, původně vyslovenou
Ing. Ivanem M.Havlem, CSc. [2] ve znění [3; s.20]:
"Robot je automatický nebo počítačem řízený integrovaný systém, schopný
autonomní, cílově orientované interakce s přirozeným prostředím, podle instrukcí od
člověka. Tato interakce spočívá ve vnímání a rozpoznávání tohoto prostředí a v
manipulování s předměty, popř. v pohybování se v tomto prostředí"
Tato definice nepochybně zahrnuje různé robotické systémy pro rozmanitá, nejen
průmyslová, použití. Povahu "průmyslového robotu" pak vystihuje velmi dobře definice podle
prof. P. N. Beljanina [1]:
"Průmyslový robot je autonomně fungující stroj-automat, který je určen k reprodukci
některých pohybových a duševních funkcí člověka při provádění pomocných a
základních výrobních operací bez bezprostřední účasti člověka a který je k tomuto
účelu vybaven některými jeho schopnostmi (sluchem, zrakem, hmatem, pamětí a
podobně), schopností samovýuky, samoorganisace a adaptace, t.j. přizpůsobivostí k
danému prostředí".
Definované zařízení je právě onou žádanou náhradou člověka ve výrobním procesu. O tom,
zda jde o průmyslový robot či manipulátor je nutno rozhodnout na základě analysy úrovně
inteligence, tj. úrovně jeho řídicího systému podle textu k Obr. 1-4, jednotné měřítko na
přesné oddělení manipulátorů od průmyslových robotů prakticky neexistuje.
5
Minos++
2. STAVBA PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ A MANIPULÁTORŮ
2.1. KINEMATICKÁ STRUKTURA PRAM
2.1.1. Akční systém stacionárních PRaM
Z uvedených definic robotů a i z celkového pohledu na tato složitá zařízení jednoznačně
vyplývá, že průmyslové roboty je nutno chápat jako určitou podmnožinu robotů jako
takových, kterými mohou být zejména mobilní roboty pojízdné na různých typech kolových a
pásových podvozků, či roboty kráčející, zkonstruované až do podoby zvířat či androidů.
Zejména pak u mobilních robotických systémů představuje manipulační rameno
mechanismus, který v globálním pojetí je prakticky samostatným akčním systémem, který
může být použit jako stacionární průmyslový robot, vybavený navíc případně i jednoduchým
či složitějším lokomočním ústrojím.
Akční systém PRaM se z konstrukčního hlediska rozděluje na:
−
pojezdové (lokomoční) ústrojí
−
polohovací ústrojí
−
orientační ústrojí
−
výstupní hlavice (koncové efektory)
Mezi polohovacím a orientačním ústrojím se nachází referenční bod Br, který zakončuje
základní kinematický řetězec (ZKŘ), jenž zahrnuje polohovací ústrojí a někdy též zasahuje i
do pojezdového ústrojí, kinematický řetězec (KŘ) pak obsahuje základní kinematický řetězec
a orientační ústrojí. Mezi orientačním ústrojím a výstupní hlavicí bývá umístěn kompensátor
polohy. Ukázka rozdělení akčního systému na robotech, které jsou vybaveny i lineárním
pojezdovým ústrojím je na Obr. 2-1.
a.
b.
Obr. 2-1 Ukázka rozdělení akčního systému na stacionárních průmyslových robotech
a. Adaptivní průmyslový robot APR- 20 VUKOV-PREŠOV (SK)
b. Průmyslový robot BEROE RB-321(BG)
X - pojezdové ústrojí
polohovací ústrojí - CBB’ (APR-20), CZY (BEROE RB-321)
Br - referenční bod
A0, B0, C0 - orientační ústrojí (jedno z možných uspořádání)
Poznámka:
X, Y, Z - souřadnice translačního pohybu
A, B, C - souřadnice rotací kolem os x, y, z
A0, B0, C0 - souřadnice rotací orientačního ústrojí
6
Minos++
2.1.2. Kinematické dvojice v konstrukci PRaM
Akční systém průmyslových robotů a manipulátorů je ve své podstatě pohybovým
mechanismem, který sestává z více binárních členů, vázaných mezi sebou prostřednictvím
kinematických dvojic (KD). Každé z těchto kinematických dvojic přísluší většinou jeden
stupeň volnosti, kinematické dvojice o více stupních volnosti (na příklad KD válcová či
rovinná) nejsou pro stavbu PRaM typické. Ani spojení dvou otočných kinematických dvojic
do jednoho kloubu, tedy jako sférická kinematická dvojice, se běžně nevyskytuje, neboť
taková soustava se jen velmi těžko osazuje servopohony.
Při stavbě PRaM se nejčastěji používají kinematické dvojice posuvné (translační) a otočné
(rotační). Protože kinematické struktury PRaM je potřebné (a to nejen pro potřeby této práce)
často znázorňovat v různých postaveních, používají se jejich určitá schematická označení,
které vycházejí z jejich konstrukční podstaty.
Kinematická dvojice translační (T)
Znázornění této kinematické dvojice je poměrně jednoduché, neboť stačí napodobit lineární
posuv dvou těles po sobě. Je však nutno respektovat relativnost možného pohybu
posouvajících se těles:
a)
b)
c)
po delším vedení se posouvá kratší těleso - tzv. suportové, či saňové provedení (viz
Obr. 2-2a)
v kratším vedení se posouvá delší těleso - tzv. smykadlové provedení (viz Obr. 2-2b)
výsuvné, příp. teleskopické provedení (viz Obr. 2-2c)
a)
b)
c)
Obr. 2-2 Schematické znázornění translační KD: a) suportové, b) smykadlové, c) výsuvné
Bez dalšího vyznačování se předpokládá, že pohyblivý člen v kinematické dvojici z Obr. 2-2
nemá možnost se současně též otáčet.
Kinematická dvojice rotační (R)
Při znázorňování rotačních KD je nutno respektovat jejich specifika, která představují buď
rotaci kolem vlastní osy, nebo rotaci ramene o délce „r“ kolem mimostředné osy (kloub) a
rovněž i směr pohledu (nárys, půdorys, příp. bokorys) na otočný kloub.
Obr. 2-3 Otočné kinematické dvojice bez omezení úhlu otáčení: a),c) - s ramenem "r" a
b),d) - kolem vlastní osy (r = 0)
Nelze ponechat bez povšimnutí, že i jednoduché schematické znázornění je spojeno s
konstrukční představou o možném rotačním pohybu a svým pojetím znázorňovaný rotační
pohyb buď omezuje, nebo dává představu o možném otáčení kolem osy bez omezení.
Typické případy jsou znázorněny na Obr. 2-3 a Obr. 2-4
7
Minos++
Obr. 2-4 Klouby (rotační KD s ramenem "r") v nárysu a půdorysu:
a) bez omezeného úhlu otáčení b) s omezeným otáčením
Základní kinematický řetězec PRaM – polohovací ústrojí
Všechny běžné kinematické struktury základních kinematických řetězců (polohovacího
ústrojí) průmyslových robotů, jsou struktury se sériovou kinematikou. Je to dáno použitím
výše uvedených kinematických dvojic vždy o jednom stupni volnosti (translačních nebo
rotačních), které se posouvají či otáčejí nezávisle na sobě a výsledný pohyb je složen z řady
pohybů v jednotlivých těchto kinematických dvojicích. Tak vzniká sériová kinematika nejen u
robotických systémů, ale na příklad i u výrobních strojů, u kterých pak převládá struktura,
složená převážně z translačních kinematických dvojic, tedy struktura kartézská, zatímco
v morfologii průmyslových robotů se rozvinuly i jiné struktury.
Polohovací ústrojí slouží k požadovanému ustavení referenčního bodu Br. Požaduje-li se
jeho postavení a pohyb po přímce (úsečce), nebo křivce (kružnici) postačí k tomu l stupeň
volnosti a to buď translační (T), nebo rotační (R), ", k polohování referenčního bodu Br v
rovině, případně ploše, je zapotřebí již určitého spojení dvou kinematických dvojic. Teprve
přidáním třetí kinematické dvojice může pohyb referenčního bodu základního kinematického
řetězce obsáhnout i určitý prostor, závislý na celkovém spojení KD v ZKŘ. V praxi se na
počátku rozvoje robotiky nejvíce rozšířily čtyři, možno říci základní, typy spojení KD:
1.
2.
3.
4.
Spojení tří translačních KD:
Spojení jedné rotační a dvou translačních KD:
Spojení dvou rotačních a jedné translační KD:
Spojení tří rotačních KD:
TTT
RTT
RRT
RRR
Shodou okolností má struktura těchto čtyř základních spojení charakter postupného
nahrazování translací rotacemi a výsledný obsluhovaný prostor je v těchto čtyřech
případech:
1.
2.
3.
4.
Kvádr (pravoúhlý, kartézský pracovní prostor)
Válcový (cylindrický) segment
Kulový (sférický) segment
Torusový 2 (složený, anthropomorfní, anglulární) segment.
"TORUS", česky: "OBLOUN", je pojem ze stavitelství a jedná se o článek zhruba půlkruhového průřezu,
vyskytující se (střídaje se s výžlabky) na příklad ve vodorovném provedení v patkách aticko-iónských (antická
patka),nebo asijsko-iónských (iónská patka) sloupů, nebo ve svislém provedení v profilaci gotického ostění.
2
8
Minos++
Přehled o pracovních prostorech, daných základním spojením tří kinematických dvojic dává
Obr. 2-5 a-d.
Obr. 2-5 Znázornění pracovních prostorů základních typů průmyslových robotů:
a. Kartézký (pravoúhlý) pracovní prostor (TYP „K“)
b. Cylindrický (válcový) pracovní prostor (TYP „C“)
c. Sférický (kulový) pracovní prostor (TYP „S“)
d. Multiúhlový (anthropomorfní, torusový, angulární) pracovní prostor (TYP „A“)
Další praxe a sledování rozvoje robotů ukázaly, že se vyskytují průmyslové roboty i o jiné
struktuře spojení kinematických dvojic, než odpovídají základním pracovním prostorům, jako
na příklad u průmyslového robotu "UM-160", jehož strukturu ZKŘ je možno podle Obr. 2-5
vyjádřit spojením kinematických dvojic TRR, podobně jako u robotů RENAULT – Horizontal
Type či PROB-5. Takové kinematické struktury průmyslových robotů nazýváme strukturami
odvozenými.
a)
b)
b)
Obr. 2-6 Metamorfóza struktur průmyslové roboty koncipovaných ve spojení TRR
a. Schéma a nákres průmyslového robotu UM-160 (RUS)
b. Schéma a nákres průmyslového robotu PROB-5 (CZ)
kde: X,Z.…pojezdy kolem os x,z; A, A‘, C, C‘…rotace kolem os x, z; Br…referenční bod
Praxe tedy potvrdila teorii, která pro n-stupňů volnosti stanovuje počet možných spojení
kinematických dvojic T a R:
m = 2n……..…………………………………..(2.1)
kde n je číslo přirozené.
Pro praktický a běžný počet stupňů volnosti n = 3 se základní počet spojení rozšiřuje na
celkem m = 23 = 8 skupin podle tabulky č.2.1:
9
Minos++
Tabulka č.2.1: Základní a odvozená spojení KD
Toto schéma již zmíněnou strukturu robotů z obr. 2.6 obsahuje (TRR) a je tedy možno
hovořit o odvozené struktuře základního kinematického řetězce tohoto robotu z titulu spojení
jeho kinematických dvojic.
Na rozdíl od příkladu struktury průmyslového robotu na obr. 2.6 vyjadřuje sice strukturu
základního kinematického řetězce průmyslových robotů typu „SCARA“ (GEC ROBOTS
BODY, BOSCH SR-800) základní spojení RTT, avšak rozdíl od nejrozšířenějšího základního
uspořádání průmyslových robotů tohoto typu spojení se sférickým pracovním prostorem (na
příklad UNIMATE) je zřejmý z Obr. 2-7.
Obr. 2-7 Metamorfóza typů průmyslových robotů různým uspořádáním KD ve spojení RRT
a. Schéma a nákres průmyslového robotu „UNIMATE“ (CBY)
b. Schéma a nákres průmyslového robotu typu „SCARA“ (CC'Z)
Odlišit strukturu CC'Z základního kinematického řetězce uvedeného průmyslového robotu
typu „SCARA“ od struktury CBY základního typu ve spojení RRT (na př.UNIMATE) z titulu
analysy pouze spojení kinematických dvojic však nelze, přesto, že jde o zařízení navzájem
značně rozdílná. Různým uspořádáním kinematických dvojic došlo totiž v tomto spojení
k metamorfóze sférického typu na typ cylindrický. Podobně je tomu i u struktur
koncipovaných ve spojení TRR na obr. 2.6. Jde totiž o to, že každá z kinematických dvojic,
používaných v základním kinematickém řetězci, může být situována v jednom ze tří různých
směrů, daných kartézským souřadnicovým systémem x,y,z a to:
− translace (T) ve směru souřadnic X,Y,Z,
− rotace (R) kolem těchto souřadnic A,B,C,
čímž v rámci jednotlivých spojení vznikají dále různá možná uspořádání, na př.Tx,Ty,Tz
(X,Y,Z) na rozdíl od Tx,Tz,Ty (X,Z,Y) a pod. Takových různých uspořádání pro počet stupňů
volnosti n = 3 je teoreticky w3teor = 165, prakticky se jich využívá cca w3prakt = 13.
Spojení a uspořádání KD základního kinematického řetězce (polohovacího ústrojí) má
zásadní význam při posuzování morfologie určitého konkrétního průmyslového robotu a je
tedy i třídícím kriteriem pro jeho zařazení mezi základní či odvozené typy (viz kapitola 2.2).
10
Minos++
Orientační ústrojí
Na představených různých typech průmyslových robotů je možno si povšimnout m.j., že
polohovací ústrojí jakéhokoliv typu souřadnicového systému PRaM dopraví při třech stupních
volnosti referenční bod "B" do požadovaného místa obsluhovaného prostoru. Aby uchopený
a manipulovaný předmět byl dále patřičně orientován, je nutné použít orientačního ústrojí.
Toto ústrojí prakticky nemá zásadní vliv na architekturu daného robotu, kterou zásadně
určuje jeho polohovací ústrojí. Orientační ústrojí je pouze jeho doplněním pro umožnění
dosažení nejen polohy předmětu, ale i jeho jednoznačné orientace.
Teoreticky by tedy struktura kinematického řetězce PRaM měla mít (pro základní spojení
KD) charakter podle tabulky č.2.2:
Tabulka č.2.2 3: Nesprávné použití KD v orientačním ústrojí
Polohovací ústrojí
TTT
RTT
RRT
RRR
RRR
TRR
TTR
TTT
Vyhodnocení
- NE!
- NE!
- NE!
Přesto, že obecně je poloha tělesa v prostoru dána šesti stupni volnosti, z toho třemi
translacemi a třemi rotacemi (viz obr.8.5), nelze pro manipulační účely užít těchto kombinací
vždy. Pokud jsou v polohovacím ústrojí použity translace, musí být pro obecnou orientaci
použito u orientačního ústrojí rotací. Pokud jsou však v polohovacím ústrojí rotace, musí
orientační ústrojí, jako součást kinematického řetězce průmyslového robotu obsahovat
rovněž rotační kinematické dvojice, aby bylo možno těleso zpětně orientovat do původního
směru po pootočení robotu.
V tabulce č.2.2 je tedy správný pouze její první řádek pro spojení kinematických dvojic TTT.
Správná struktura kinematického řetězce PRaM musí odpovídat tabulce č.2.3:
Tabulka č.2.3: Správné použití KD v orientačním ústrojí
Polohovací ústrojí
TTT
RTT
RRT
RRR
RR(R)
RR(R)
RR(R)
RR(R)
Je tedy možno říci, že orientační ústrojí PRaM je nutno konstruovat převážně z rotačních
kinematických dvojic. Výjimky mohou být dány speciální konkrétní potřebou.
Orientační ústrojí PRaM může mít obecně libovolný počet stupňů volnosti, který se
připočítává k počtu stupňů volnosti polohovacího ústrojí a tvoří tak dohromady počet stupňů
volnosti průmyslového robotu. Použití třetí rotace však předmět v podstatě orientuje pouze v
ose otáčení této kinematické dvojice, což nebývá vždy (zejména u běžných rotačních
součástí) zapotřebí. Často jsou tedy průmyslové roboty vybavovány pouze dvěma rotacemi
v orientačním ústrojí, aby se tak eliminovalo natáčení polohovacího ústrojí a třetí otáčení v
ose předmětu nebývá použito. To je v tabulce č.2.3 vyjádřeno závorkami.
Použije-li se však všech tří rotačních kinematických dvojic, může být vykonávána orientace
předmětu na příklad pro montáž čepu, opatřeného perem, nebo drážkováním do příslušného
3
Znázornění kinematických dvojic polohovacího ústrojí výraznějšími písmeny než orientačního ústrojí má
vyjádřit jejich konstrukční odlišnost v postupném snižování robustnosti.
11
Minos++
otvoru. Předpokládá se
tedy umístění otáčeného předmětu v ose rotace koncové
kinematické dvojice. V jiném případě může být koncová kinematická dvojice opatřena
určitým ramenem, na jehož konci bývá umístěna na příklad svařovací hubice. Je zřejmé, že
teorie orientačního ústrojí se bezprostředně dotýká jeho praktické stránky řešení.
Z předcházející analysy vyplývá, že rotační kinematická dvojice v orientačním ústrojí může
být (podobně jako v polohovacím ústrojí) provedena buď jako otočná přímo ve vlastní ose
(bez dalšího rotujícího ramene), nebo s ramenem "r" (viz
Obr. 2-8 Realizace kinematické dvojice
Obr. 2-9 Dvě základní varianty uspořádání tří
rotačního ústrojí PRaM
rotačních KD v orientačním ústrojí PraM:
a) osové provedení
a) Osy první a třetí KD v základní poloze
b),c) s rotujícím ramenem
rovnoběžné,
b) Osy všech tří KD na sebe kolmé
). Při tom u orientačního ústrojí je již obtížné stanovovat její příslušnost k ose x, y či z, neboť
se jedná o značně pohyblivou soustavu. Vhodnější je označování rotačních kinematických
dvojic v orientačním ústrojí jako ϕ1, ϕ2, ϕ3, ....atd.
Obr. 2-8 Realizace kinematické dvojice
rotačního ústrojí PRaM
a) osové provedení
b),c) s rotujícím ramenem
Obr. 2-9 Dvě základní varianty uspořádání tří
rotačních KD v orientačním ústrojí PraM:
a) Osy první a třetí KD v základní poloze
rovnoběžné,
b) Osy všech tří KD na sebe kolmé
Obr. 2-10 Nejpoužívanější uspořádání při spojení dvou KD v orientačním ústrojí PRaM
Samozřejmé je střídání směrů rotací při spojování více kinematických dvojic. Podobně jako
u polohovacího ústrojí, je i v tomto případě potřebné sledovat jejich uspořádání, důsledné
sledování souřadných os není tak závažné, jako u polohovacího ústrojí, neboť u orientačního
ústrojí se automaticky předpokládá jeho činnost v různých pracovních polohách. Principiálně
při spojení dvou rotačních kinematických dvojic u orientačního ústrojí jsou používána
uspořádání dle Obr. 2-10.
Při spojení tří kinematických dvojic se počet možných uspořádání dále, jako u polohovacího
ústrojí, zvyšuje, avšak v praxi se ustálilo použití následujících dvou variant (vizObr. 2-9). V
případě na Obr. 2-9a je třetí KD po pootočení druhé kinematické dvojice oproti první KD
vychýlená.
12
Minos++
Konkrétní provedení orientačních ústrojí PRaM mají úzkou návaznost na jejich stavebnicové
(modulární) či nestavebnicové (integrované) konstrukční řešení.
13
Minos++
2.1.3. Problematika přesnosti polohování základních typů PRaM
Vůle v pohybovém ústrojí kinematické dvojice lze rozlišit na vůle základní vz a vůle vzniklé
opotřebením vo. Celková vůle pohybového ústrojí kinematické dvojice po počátečním
záběhu a určité funkční době je pak: vc = vz + vo = n . vz, kde n..... součinitel, jehož velikost
je úměrná délce doby používání dvojice. V sériovém systému řazení kinematických dvojic
PRaM, z nichž každá vykazuje chybu Δi, pak výsledná chyba Δc je dána geometrickým
součtem chyb jednotlivých souřadnic (Δ1, Δ2 , Δ3 ....... ). Pro tři stupně volnosti je celková
chyba: Δc = Δ1 + Δ2 + Δ3. Tato celková chyba nesmí překročit hodnotu dovolené nepřesnosti
v polohování (orientaci) Δc < Δc dov.
U pravoúhlého souřadnicového systému (K) na Obr. 2.5a a Obr. 2-11a je chyba
v jednotlivých souřadnicích: Δx = Δ1 = x2 – x1; Δy = Δ2 = y2 – y1; Δz = Δ3 = z2 – z1
kde x2 , y2 , z2 jsou souřadnice požadované polohy A2 a
x1 , y1 , z1 jsou souřadnice skutečné polohy A1
Celková chyba v systému (K) je:
Δ cK = A1A 2 =
(x 2 − x1 )2 + (y 2 − y1 )2 + (z 2 − z1 )2 ……………………………………………...(2.2)
Za zjednodušujícího předpokladu, že se chyby na jednotlivých souřadnicích rovnají: Δx = Δy
= Δz = Δ, je pak výsledná chyba rovna výrazu: ΔcK = A1 A2 = 1,73 Δ. Velikost chyby není
závislá, za předpokladu stejné výrobní přesnosti po celé délce pohonného prvku (např.
šroubu nebo hřebene) a pro zjednodušení i stejného opotřebování, na odlehlosti výsledné
polohy výstupní hlavice od počátku souřadnicového systému.
U válcového systému (C) na Obr. 2.5b a Obr. 2-11b jsou souřadnice požadované polohy A2 (
r + Δ r, ϕz + Δϕz , z + Δz ) a souřadnice skutečné polohy A1 (r, ϕz,z). Za zjednodušujícího
předpokladu, že ϕz = 0, Δz = Δr, z = 0 je výsledná chyba po dosazení do vztahu (2.2):
(
)
Δ cC = A1A 2 = 2 ⋅ Δr 2 + 2 ⋅ (1 − cos Δϕ z ) ⋅ r ⋅ Δr + r 2 ……………………………………….(2.3)
Velikost chyby ΔcC je závislá na odlehlosti r výsledné polohy výstupní hlavice od počátku
souřadnicového systému. Čím je větší odlehlost, tím větší je výsledná chyba.
U sférického systému (S) na Obr. 2.5c a Obr. 2-11c jsou souřadnice bodů A1 a A2
vyjádřeny:
A1 ( r, ϕz , ϕx ), A2 ( r + Δ r, ϕx + Δϕx , ϕz + Δϕx ). Za zjednodušujícího předpokladu, že ϕx = 0 a
ϕz = 0 a Δϕx = Δϕx = Δϕ, je výsledná chyba po dosazení do vztahu (2.2):
(
)
Δ cC = A1A 2 = 2 ⋅ r 2 + r ⋅ Δr ⋅ sin 2 Δϕ + Δr 2 …………………………………………......(2.4)
Také zde, stejně jako u válcového systému, je výsledná chyba závislá na velikosti odlehlosti
r výstupní hlavice od počátku souřadnicového systému, čím větší je odlehlost, tím větší je
výsledná chyba.
14
Minos++
a.
b.
c.
d.
Obr. 2-11 Polohování v kartézském (a), cylindrickém (b), sférickém (c) a antropomorfním (d)
souřadném systému
U anthropomorfního (multiúhlového) systému (A) na Obr. 2.5d jsou souřadnice požadované
polohy A2 ( R1 , ϕx + Δϕx , ϕz + Δϕz , R2 , α + Δα ) a souřadnice skutečné polohy A1 (R1 , ϕx ,
ϕz, R2, α ), jejichž pravoúhlé průměty jsou podle Obr. 2.10d:
1. Pro bod A1:
x1 = [ R1 cos ϕx + R2 cos ( α - π + ϕx ) ] cos ϕz
y1 = [ R1 cos ϕx + R2 cos ( α - π + ϕx ) ] cos ϕz
z1 = R1 cos ϕx + R2 cos ( α - π + ϕx )
2. Pro bod A2:
x2 = cos (ϕz + Δϕz ) R1 cos (ϕx + Δϕx ) + R2 cos (α - π + ϕx + Δϕx + Δα )
y2 = sin (ϕz + Δϕz ) R1 cos (ϕx + Δϕx ) + R2 cos (α - π + ϕx + Δϕx + Δα )
z2 = R1 sin (ϕx + Δϕx ) + R2 sin (α - π + ϕx + Δϕx + Δα )
Na změnu polohy referenčního bodu Br, nacházejícího se na konci ramene R2 , má v tomto
případě vliv nejen změna úhlu ϕz a úhlu α, který svírá rameno R2 s ramenem R1, ale
současně též změna základního úhlů ϕx , a to i bez změny úhlu ϕ. Velikost úhlu ϕ má vliv na
velikost odlehlosti referenčního bodu Br od počátku souřadnicového systému, za jejíž
absolutní hodnotu má současně vliv též délka ramen R1 a R2 . Za zjednodušujícího
předpokladu, že ϕz = 0 a ϕx = 0, který analogicky předcházejícím případům znamená
pouze natočení souřadného systému tak, že osa x se ztotožní se základním otáčivým
ramenem R (R1) základního kinematického systému a za dalších zjednodušujících
předpokladů, že Δϕx = Δα = Δϕ, R1 = R2 = R, a konečně α = π, což znamená, že i rameno
R2 leží v prodloužení ramene R1 v ose x a dochází tak k největší odlehlosti referenčního
bodu Br od počátku souřadnicového systému, je výsledná celková chyba po dosazení do
vztahu (2.2):
Δ cA = A1A 2 =
[R ⋅ cos Δϕ ⋅ (cos Δϕ + cos 2Δϕ ) − 2R ]2 +
+ [R ⋅ sin Δϕ ⋅ (cos Δϕ + cos 2Δϕ )] + [R ⋅ (sin Δϕ + sin 2Δϕ )]
2
2
po úpravě:
Δ cA = 2 ⋅ R sin 2 Δϕ + 0,5 ⋅ sin Δϕ ⋅ sin 2Δϕ − 0,5 ⋅ cos Δϕ ⋅ cos 2Δϕ + 0,5 …………….(2.5)
Např. pro R = 1 000 mm, Δϕ = 10′, Δ = 0,1 mm vychází po dosazení do vztahů (2.2 – 2.5):
ΔcK = 0,2 mm,
ΔcC = 2,9 mm, ΔcS = 4,1 mm, ΔcA = 10,5 mm a porovnání
dosažitelné přesnosti u jednotlivých systému polohování v nejnepříznivějším případě největší
odlehlosti referenčního bodu Br od počátku souřadnicového systému a za předpokladu
pohonu systému v otevřené vazbě vychází následovně:
ΔcA = 52,5 ΔcK
ΔcS = 20,5 ΔcK
15
ΔcC = 14,5 ΔcK
Minos++
Komplexním rozborem všech čtyř systémů polohování vychází, že při stejné výrobní
přesnosti součástí kinematických dvojic, bude nejpřesnější průmyslový robot, pracující bez
zpětnovazebního řízení polohy, vytvořený z posuvných jednotek v systému TTT, tj.
polohujícím v kartézském souřadnicovém systému „K“.
2.1.4. Průmyslové roboty s paralelní kinematikou
V poslední době se ve stavbě výrobních strojů, jmenovitě obráběcích center, začaly
uplatňovat zajímavé konstrukce, využívající původní myšlenky uložit obráběcí nástroj na
upínač (plošinu), která bude zavěšena na délkově proměnlivých a kloubově uchycených
závěsech, pomocí nichž ji bude možno natáčet a různě orientovat vzhledem k obrobku.
Protože těchto závěsů musí být pro určení polohy této plošiny minimálně 3 a osvědčilo se
použití 6-ti závěsů, ujal se pro takovou konstrukci název HEXAPOD. Nejstarší známá
konstrukce HEXAPODu, navržená V.Goghem, je známá od roku 1949, v roce 1965 popsal
D.Stewart vlastnosti jednoduchého HEXAPODu a odtud pochází i dnes obecně užívaný
název „Stewartova plošina“.
Oproti strojům, dosud využívajících sériové kinematiky, tedy využívajících kombinaci
rotačních a translačních pohybů, je výsledný pohyb u HEXAPODů dán simultánním řízením
a kontrolou pohybu šesti (obecně však minimálně tří) kloubově zavěšených podpěr
s proměnnou délkou, které Stewartovu plošinu v prostoru přestavují. Jedná se tedy o stroje
s paralelní kinematickou strukturou. V letech 1970-1990 bylo vyrobeno několik modelů
takových strojů, vyskytovaly se však potíže zejména v oblasti hardwarové a softwarové.
Průlom v této skupině učinily dvě firmy: GEODETICS a INGERSOLL.
Vedle plně paralelních kinematik strojů se šesti stupni volnosti, jako u výše uvedených
HEXAPODů, bylo v rámci společného projektu BMBF DYNAMIL vyvinuto a realizováno
obráběcí centrum Dyna-M s hybridní pohonovou strukturou. Tyto nové principy užití
paralelní kinematické struktury neminuly v současné době ani stavbu průmyslových robotů.
Na mezinárodní výstavě EMO-95 v Miláně byl firmou COMAU-Division Robotica, Torino,
představen průmyslový robot TRICEPT HP1, jehož orientační ústrojí je sice tvořeno běžnou
kombinací rotačních kinematických dvojic, avšak je umístěno na přírubě, zavěšené a
polohované jako Stewartova plošina pomocí tří délkově posuvných a řízených podpěr,
zavěšených na kloubových závěsech v podobě otočných třmenů.
Nosnou část
průmyslového robotu TRICEPT HP1 s
paralelní kinematickou strukturou polohovacího
ústrojí tvoří stojan, který je pevně usazen na základové desce. Horní konec stojanu
obdélníkového průřezu nese vodorovný příčník tvaru písmene „U“ , na nějž jsou kloubově
připevněny horní části tří svislých ramen – přímočarých (translačních) pohybových jednotek.
Klasické polohovací ústrojí (sériově na sebe navazující kinematické dvojice a pohybové
jednotky) je tedy u tohoto robotu nahrazeno prostorovou prutovou soustavou lineárních
pohybových jednotek (aktuátorů), které jsou dolními konci navzájem kloubově připojeny na
Stewartovu plošinu. Toto kloubové připojení je v geometrických místech, odpovídajících
vrcholům rovnostranného trojúhelníku, v jehož středu se nachází referenční bod Br
základního kinematického řetězce a je geometrickým místem pro připojení orientačního
ústrojí robotu. Toto orientační ústrojí je poháněno soustavou převodů, umístěných ve svislém
tubusu, nacházejícím se uprostřed svazku tří pohybových jednotek (viz Obr. 2.11b). Celkově
jde tedy o zařízení, zatříďující jej morfologicky do struktur s hybridní kinematikou (viz
schéma na Obr. 2.11a), jeho polohovací ústrojí je však plně provedeno jako paralelní
kinematická struktura.
16
Minos++
a.
b.
Obr. 2-12 Morfologické třídění kinematických struktur stavby strojů a robotů (a) a
průmyslový robot s hybridní kinematickou strukturou polohovacího ústrojí
TRICEPT HP1 (b)
b.
2.1.5. Automatické dopravní vozíky – ADV (Automatic guide vehicle-AGV)
Prvním stupněm vývoje mobilních robotů byla konstrukce automatického dopravního vozíků
(ADV), jako mezioperačního manipulačního zařízení, používaného v pružných výrobních
soustavách (PVS). ADV jsou určeny pro převoz těžkých dílců nebo součástí, nástrojů,
výrobních pomůcek ap., např. mezi jednotlivými výrobními stroji (především obráběcími
centry - OC). Jejich nevýhodou je pevně určená dráha, kterou v naprosté většině tvoří do
podlahy zapuštěný el. vodič - indukční řízení ADV.
Obr. 2-13 Způsob vedení ADV:
1-snímací anténa s cívkou,
2-zapuštěný kabel, 3-elektronický ŘS,
4-amplifikace, 5-ovládací motor,
6-mag. Pole
Obr. 2-14 Princip snímání trasy:
1-vodič, 2-drážka, 3-elmag. pole 4-cívka
17
Minos++
Obr. 2-15 Princip laserového vedení ADV
ADV jsou napájeny z trakčních akumulátorových baterií, které se opětovně nabíjejí
samočinným připojením a to podlahovým (Obr. 2.20), výškovým (Obr. 2.21), nebo jsou
vybaveny vlastním nabíjecím zařízením a připojí se ručně nebo automaticky.
Obr. 2-16 Znovunabíjení samočinným
připojením podlahovým:
1-zásuvka, 2-nabíječka mimo ADV,
3-baterie
Obr. 2-17 Znovunabíjení samočinným připojením
výškovým:
1-zásuvka, 2-nabíjecí stožár, 3- nabíječka v ADV,
4-baterie
Systém kontroly stavu baterie vydává signál, jakmile se kapacita baterií přiblíží svému
minimálnímu stavu. Tento minimální stav je volen tak, aby vozík mohl dokončit svoji činnost
a ještě se dopravit do nabíjecí stanice.
2.2. PŘÍKLADY TYPICKÝCH PŘEDSTAVITELŮ PRaM Z HLEDISKA
KONSTRUKČNÍHO
2.2.1. Základní typy průmyslových robotů
Za základní typy průmyslových robotů a manipulátorů lze pokládat takové, jejichž základní
kinematický řetězec je odvozen od základních spojení kinematických dvojic a) TTT, b) RTT,
c) RRT, d) RRR v uspořádáních, umožňujících dosahování základních pracovních prostorů
podle obr.2.5.
aa) Základní uspořádání XYZ ve spojení TTT se vyznačují svislým pohybem koncového
členu jejich ZKŘ. Obsluhovaným prostorem je kvádr. Velmi často je realizováno jako
portálové provedení jednostranné (viz Obr. 2-18a,b), nebo celoportálové (viz Obr.
2-18c,d,e,f,g). Translační kinematická dvojice vodorovného posuvu Y bývá buď typu
smykadlového (viz Obr. 2.2a), jako u robotu MANTA (viz Obr. 2-18a), nebo suportového (viz
Obr. 2-18b), jako u robotu PRKM-20 (viz Obr. 2-18b).
18
Minos++
a.
b.
c.
e.
d.
f.
g.
Obr. 2-18 Schéma portálového robotu (a) MANTA (J) a provedení robotu PRKM-20 (VUT
v Brně - CZ) (b), francouzského průmyslového robotu RENAULT PORTIQUE-80
(c,d), německého REIS (e) a KUKA (f) a švédského ABB (g):
ba) Uspořádání CZY (CZX) v základním spojení RTT nemá sice svislý pohyb koncového
členu, jeho představitelem je však první z průmyslových robotů VERSATRAN-500 (viz Obr.
Obr. 2-19a). Je to velmi rozšířený typ (např. viz robot BEROE na Obr. 2.1b a Obr. 2-19b)
s mnoha modifikacemi vodorovného výsuvu. Obsluhovaným prostorem je válcový segment
podle Obr. 2.5b.
ca) Typickým představitelem základního uspořádání CBX (CAY) v základním spojení RRT je
průmyslový robot UNIMATE (USA). Obsluhovaným prostorem je sférický (kulový) segment
podle Obr. 2.5c.
a.
b.
c.
Obr. 2-19 Nákresy průmyslových robotů:
a. VERSATRAN-500 (GB); b. BEROE RB-321 (BG); c. UNIMATE-2000 (USA)
19
Minos++
da) V základním uspořádání CAA' (CBB') jsou koncipovány průmyslové roboty
světoznámých firem např. ABB a ASEA (S), KUKA a REIS (D), FANUC (J) a další. Většina
je programována zprostředkovným učením, norský robot firmy TRALLFA (dnes ABB), nebo
japonský MITSUBISHI, je programován bezprostředním učením (viz Obr. 1.2).
a.
b.
c.
d.
Obr. 2-20 Schéma a provedení švédského průmyslového robotu ASEA-6 (a,b), provedení
německého robotu KUKA KR-125 a původního norského robotu TRALLFA (d),
dnes ABB (S)
2.2.2. Odvozené typy průmyslových robotů
Typy odvozené ze základních spojení jiným uspořádáním KD
Za nejdůležitější odvozené typy PRaM, vzniklé v základních spojeních jsou odvozené typy
ve spojení TTT (XZY a ZXY), typ s převisem ve spojení RTT (CYZ) a typ SCARA (CC’Z) ve
spojení RRT. V rámci spojení TTT vyhodnoceny tři uspořádání PRaM, z nichž uspořádání
XYZ zejména v portálovém provedení je možné pokládat za uspořádání základní, zbývající
dvě XZY a ZXY představují uspořádání odvozená.
ab) Uspořádání XZY (TTT) má na rozdíl od základního typu posuv ve svislé ose z uprostřed
základního kinematického řetězce. Tím vzniká zvýšený nárok na dimenzování zejména
pohonu tohoto svislého pojezdu. Je to však situace, která se běžně vyskytuje např. i u
základního typu VERSATRAN ve spojení RTT (viz Obr. 2-19a) a proto se tento typ robotu
rovněž často vyskytuje i ve spojení TTT. Je možno ho demonstrovat na průmyslovém robotu
ROBOLANG-50 francouzské firmy LANGUEPIN na Obr. 2-21a.
bb) Uspořádání ZXY (TTT) se vyznačuje tou zvláštností, že svislý posuv má na začátku
svého základního kinematického řetězce (v ose z) a že tudíž v této souřadnici jsou
mimořádné nároky na dimenzování pohonu. Obecně se jeví takové uspořádání jako
neobvyklé, ale přesto je v některých případech použito. Příkladem je průmyslový robot
rakouské firmy IGM s označením LIMAT-2000 (viz Obr. 2-21b,c).
20
Minos++
a.
b.
c.
Obr. 2-21 Schéma a provedení prům. robotů: a. LANGUEPIN ROBOLANG-50 (F) a
průmyslového robotu IGM LIMAT-2000 (A)(b,c)
cb) Uspořádání CYZ (RTT) je uspořádání „s převisem" (P). Má podobně jako základní typ ve
spojení TTT svislý posuv v ose z na konci základního kinematického řetězce (na rozdíl od
jeho příbuzného základního typu VERSATRAN ve sledovaném spojení RTT). Z praktického
hlediska je toto uspořádání mnohdy žádoucí, neboť má jednak snížené nároky na konstrukci
koncového členu ZKŘ a jednak může obsluhovat prostor za svislou překážkou. Dlouho se
však mezi vyráběnými typy neobjevovalo. Na Obr. 2-22 je představen jeden z členů
modulárního robotického systému z VUKOVu Prešov APR-2,5 a sice jeho typ 03.
Obr. 2-22 Schéma a model modulárního (stavebnicového) průmyslového robotu APR 2,5 –
03 (SK)
db) Uspořádání CC’Z (RRT) Podobně jako předcházející uspořádání odvozeného typu ve
spojení RTT se toto odvozené uspořádání ve spojení RRT původně v praxi nevyskytovalo a
objevilo se cca v r.1986 u několika firem téměř současně jako velmi propagovaný typ
montážního průmyslového robotu pod tehdy nově zavedeným názvem "SCARA".
a.
b.
c.
Obr. 2-23 Průmyslové roboty typu "SCARA"
a.: BOSCH SR 800 (D), b.: GEC „BODY“ (GB), c.: Pana-Robot Hr-155C (J)
21
Minos++
Robot na rozdíl od příslušnosti ke spojení RRT, které v základním uspořádání představuje
sférický systém typu UNIMATE transformuje svůj obsluhovaný prostor do cylindrického
systému. Dochází tak tedy k metamorfóze sférického uspořádání robotu do cylindrického a
to v rámci základního spojení KD RRT.
eb) Uspořádání ABZ (RRT) je uspořádání, odvozené přímo ze základního typu UNIMATE,
avšak jde o závěsný typ na boční stranu (Hanging-Type). Praktickým řešením je na příklad
takto zavěšený robot KAWASAKI-UNIMATE Hanging-Type. Technickým problémem zde
mohou být zejména otázky spojené s utěsněním hydraulických prvků a dynamika
přetransformovaných pohybů vzhledem ke gravitaci. Závěsný typ průmyslového robotu
UNIMATE, instalovaného nad svářecí linkou automobilových karoserií znázorňuje Obr. 2-24.
KAWASAKIUNIMATE
Hanginig type
Obr. 2-24 Průmyslový robot KUKA KR 125
„Wandrobot“
Obr. 2-25 Svařovací linka automobilo-vých
karoserií s roboty UNIMATE
v základním a závěsném
provedení (J)
fb) Uspořádání ABB' (BAA') je uspořádání, odvozené přímo ze základního typu spojení KD
RRR. Podobný bočně závěsný typ (Hangig-Type), jako v předcházejícím případě ad.eb), byl
totiž od základního typu robotu KUKA (viz Obr. 2.26c), majícího v základním spojení RRR
uspořádání kinematických dvojic CAA' (jako např. základní typy v tomto spojení ASEA,
TRALLFA a pod. ) odvozen průmyslový robot KUKA „KR 125 wall-mounted robot“ (D)
s uspořádáním kinematických dvojic ABB' (BAA'). U tohoto typu je z morfologického a
z konstrukčního hlediska pozoruhodné použití protizávaží – viz Obr. 2-25.
2.2.3. Typy PRaM z odvozených spojení kinematických dvojic
ac) Uspořádání ZCY (RTR) je případ uspořádání, které bezprostředně navazuje na základní
typ PRaM ve spojení RRT (VERSATRAN). Dochází pouze k výměně prvních dvou
kinematických dvojic. Jde o podobnou výměnu, která ve spojení TTT se realizuje v rámci
uspořádání, v tomto případě jde o totéž v rámci spojení. Jako první pohyb se tedy zde
uskutečňuje svislá translace ve směru osy z, jako u robotu IGM LIMAT-2000, který je však
ve své kategorii robotů typu "K" spíše výjimkou. Naproti tomu předmětných typů,
vycházejících z odvozeného spojení RTR je v praxi poměrně hodně a tyto roboty jsou často
nesprávně zařazovány mezi základní typy "C". Cylindrický charakter pracovního prostoru
robotu se totiž u nich oproti základnímu typu vůbec nemění, pouze je nutné svislý posuv
dostatečně dimenzovat. Protože se u známých řešení jedná vesměs o jednodušší systémy s
pneumatickým pohonem, není tato podmínka závažnějším problémem. V tomto systému byl
postaven i původní čs.průmyslový robot PR 16-P ve VUKOVu Prešov. Za prioritního výrobce
takových robotů je možno pokládat švédskou firmu ELEKTROLUX.
22
Minos++
a.
b.
c.
d.
Obr. 2-26 Generace průmyslových robotů firmy Elektrolux - MHU (S) a robot z VUKOVu
a.: MHU Minior; b.: MHU Junior; c.: MHU Senior; d.: PR-16P
V dalších odvozených spojeních TTR a RTR byla sice vyhodnocena konstrukčně možná
uspořádání, avšak jejich praktické využití není prozatím známo. Nejzajímavější odvozená
uspořádání vycházejí z odvozeného spojení TRR a zajímavě korespondují s odvozeným
uspořádáním CC'Z ze základního spojení RRT.
bc) Uspořádání ZCC’ (TRR) je v podstatě typem SCARA, avšak s přemístěním koncového
svislého posuvu základního kinematického řetězce na jeho počátek. Tím se toto uspořádání
podobá odvozenému uspořádání ZXY (robot IGM LIMAT-2000) ze základního spojení TTT
(viz Obr. 2-21b,c), avšak na rozdíl od něj se v poslední době velmi rozšířilo. Jeden z prvních
modelů tohoto typu vyvinula francouzská firma RENAULT pod označením ROBOT
HORIZONTAL 80 (viz Obr. 2-27). Tento průmyslový robot je typický svou stavebnicovou
koncepcí na rozdíl od původního čs.robotu téhož typu, avšak nestavebnicové (integrované)
koncepce PROB-5 z ČZM Strakonice (viz Obr. 2.6b).
cc) Uspořádání XAA' (TRR) je velmi zajímavou modifikací předcházejícího uspořádání ZCC'.
Prakticky se jedná o jeho přeorientování v rámci téhož spojení do vodorovné polohy.
a.
Obr. 2-27 Průmyslový robot RENAULT
HORIZONTAL-80 (F
b.
Obr. 2-28 Pohledy na průmyslové roboty
a. UM-160 (RUS);
b. GE-ROBO R-60 (J)
Ze schématu a axonometrického pohledu na robot UM-160 na Obr. 2.6a a Obr. 2-28a je
zřejmé, že se jedná o zařízení, které pracuje s otočnými rameny podobně jako systémy ve
spojení RRR (ASEA, TRALLFA a pod), avšak místo první rotace je použito přímočarého
pohybu ve směru os obou následujících rotací. Došlo tedy, jako ve výše uvedeném případě
ad.bc) opět k metamorfóze pracovního prostoru, který se tak přetransformoval z torusového
23
Minos++
(antropomorfního, angulárního, multiúhlového) rotačního útvaru na obecný válcový segment.
Současné praktické řešení takového typu robotu představuje například japonský robot GEROBO R-60 na Obr. 2-28.
3. KONCOVÉ EFEKTORY
3.1. Účel a rozdělení koncových efektorů
Otevřený kinematický řetězec průmyslových robotů a manipulátorů je zakončen vlastním
pracovním ústrojím (výkonným orgánem – koncovým efektorem – výstupní hlavicí), který
odpovídá způsobu nasazení. U průmyslových robotů a manipulátorů jde především o
realizaci:
1.
2.
3.
4.
5.
Vkládání objektů do pracovního prostoru výrobních zařízení a jejich vyjímání;
Mezioperační manipulace;
Technologické operace;
Kontrolní operace;
Speciální práce.
Proto termín „chapadlo“, jako častý název pro koncový efektor průmyslového robotu a
manipulátoru není zcela přesný a je nutné jej chápat jako označení části z celkové množiny
výstupních hlavic (koncových efektorů) PRaM, zajišťujících uvedené činnosti. Samotný
koncový efektor může být aplikován na různě koncipovaný robot a podobně jako orientační
ústrojí vlastní morfologickou stavbu
(architekturu robotu)
v podstatě nijak výrazně
neovlivňuje.
Koncové efektory PRaM lze z konstrukčního hlediska rozdělit na výstupní hlavice:
−
−
−
−
technologické
manipulační (chapadla)
kombinované
speciální
Postupující automatizace si vynutila i další stupeň, kterým je jejich automatická výměna
během pracovního procesu, ale zejména jejich adaptivita jako jeden z významných prvků
zvýšení autonomnosti a kognitivnosti, tedy zvýšení umělé inteligence robotických systémů.
3.2. Technologické výstupní hlavice
Typickou technologickou operací, která je předmětem aplikací průmyslových robotů, je
elektrické svařování a nanášení ochranných materiálů a nátěrových hmot, případně
technologické operace, při kterých průmyslový robot je bezprostředně účasten na dané
operaci tím, že tuto ope0raci sám vykonává pomocí uzpůsobeného nástroje či přímo stroje
(např. elektrické ruční brusky apod).
24
Minos++
Technologické výstupní hlavice PRaM se tedy dělí na výstupní hlavice pro:
−
-
-
tavné elektrické svařování a to:
- obloukové svařování (viz Obr. 3-1a)
- odporové svařování bodové (viz Obr. 3-1b)
stříkání ochranných a nátěrových hmot (viz Obr. 1-2)
obrábění obsluhou uzpůsobeného nářadí (viz Obr. 3-1c)
montážní práce a to: - prostou montáží, tj. sestavování součástek (zde se jedná
prakticky o manipulační činnost
- spojováním
obsluhou
příslušných
automatů
(sponkovače, hřebíkovače apod.)
- lepením
kontrolní operace
speciální práce
a.
b.
c.
Obr. 3-1 Příklady technologických výstupních hlavic PRaM
a. Hlavice pro bodové svařování
b. Hlavice pro obloukové svařování
c. Aplikace obráběcího stroje (elektrické nářadí)
Vyšší využití těchto hlavic v budoucnosti předpokládá aplikaci senzorů (čidel) pro činnost
adaptivních řídících systémů.
3.3. Manipulační výstupní hlavice – chapadla
Rozdělení úchopných prvků
Manipulační (úchopné) výstupní hlavice slouží k uchopování objektů za účelem další
manipulace s nimi. Jsou převážně konstruovány pro jednotlivé aplikace přímo uživateli
průmyslových robotů a manipulátorů. Části hlavic, které přicházejí bezprostředně do styku
s přenášenými objekty se označují jako „úchopné prvky“. Podle,charakteru styku s objekty
při vyvození úchopné síly se tyto dělí na úchopné prvky:
−
−
−
mechanické
magnetické
podtlakové
Současně je možno dělit úchopné prvky na:
−
−
pasivní
aktivní
25
Minos++
Pasivní úchopné prvky neumožňují samy o sobě, na rozdíl od prvků aktivních, ovládání
úchopné síly. Úchopné hlavice, vytvořené jen z pasivních prvků, mohou povětšinou objekt
uchopit, ale uvolnění lze provést jen vnějším zásahem.
Podle těchto hledisek platí pro úchopné prvky následující klasifikační schéma:
Úchopné prvky:
mechanické:
- pasivní: - pevně a stavitelné opěry
- pružné a odpružené čelisti
- aktivní:
magnetické:
podtlakové:
- s hydromotorem
- s pneumotorem
- s elektromotorem
- s elektromagnetem
- pasivní:
- permanentní magnety
- aktivní:
- elektromagnety
- pasivní:
- aktivní:
- deformační přísavky
(alternativa: s pomocným ventilem)
- s vývěvou
- s ejektorem
speciální
Pasivní úchopné prvky:
1. Pasivní úchopné prvky mechanické
Mimo nejjednodušších pasivních mechanických prvků, kterými jsou různá prizmatická lůžka
a podpěry, sloužící prakticky k podebrání, přenesení a odložení součástky, jsou zajímavé
konstrukce s pružnými, nebo odpruženými čelistmi či kleštinami podle Obr. 3-2.
F
a.
b.
Obr. 3-2 Příklady pasivních mechanických výstupních hlavic
a: s pružnými čelistmi, b: s odpruženými čelistmi
26
Minos++
Kleštinové provedení (s pružnými čelistmi) je znázorněno na Obr. 3-2a. Uchopení součástky
se provádí najetím pružných čelistí na vnější povrch součásti (horní část obrázku 1 – nad
osou), nebo na vnitřní povrch součásti (dolní část obrázku 2 – pod osou). Při uchopení se
využívá pohybu ramene robotu, k uvolnění lze využít zpětného pohybu ramene po uchopení
předmětu jiným manipulátorem, nebo upnutím ve sklíčidle stroje, stažením jednosměrnou
západkou v zásobníku a pod. Někdy může být kleština doplněna vyhazovačem, kterým se
součást vytlačí z čelistí. Může být využito například pneumatického válce apod. Kleštinové
úchopné hlavice (chapadla) jsou vhodné pro menší a lehčí součástky poměrně přesných
rozměrů s hladkým povrchem.
Na Obr. 3-2b je příklad hlavice s dvojicí odpružených čelistí, které jsou otočně uloženy a
vzájemně vázány ozubeným soukolím. Princip uchopení a uvolnění je obdobný, jako u
kleštinových hlavic. Aby se při najíždění na součást nepoškodil její povrch, jsou na koncích
čelistí umístěny kladky. Uvolnění čelistí je možné provést také pákou s kladičkou, která po
najetí na šablonu či doraz vlivem vzniklé síly F čelisti rozevře.
2. Pasivní úchopné prvky magnetické
Jedná se o úchopné prvky s permanentními magnety. Používají se při manipulaci
s magnetickými předměty většinou menších rozměrů a hmotností. Je například o plechové
výlisky, kroužky, podložky a pod. Jejich velkou předností je především jednoduchá
konstrukce, představující většinou soustavu,
složenou ze vsazených tyčových
permanentních magnetů. Počet a rozmístění magnetů se jednoduše přizpůsobí tvaru
předmětu a požadované úchopné síle. Nevýhodou pasivních magnetických chapadel jsou
zvýšené požadavky na přídavné mechanismy pro oddělení uchopených předmětů od
chapadel. V nejjednodušších případech se uvolnění uchopených předmětů realizuje
tangenciálním stáhnutím chapadla z předmětu pohybem ramene robotu, přičemž předmět je
zadržený narážkou, dorazem, nebo zachycený spolu komunikujícím zařízením. Převážná
část magnetických chapadel s permanentními magnety využívá vlastní mechanismus k
uvolnění uchopených předmětů. Táto přídavná funkce je programově řízená, čímž se fáze
uvolňování stává aktivní. Řešení chapadla na Obr. 3-3 má permanentní magnety uložené v
samostatných pouzdrech, připevněných k nosnému rámu chapadla. Pro vyhazování
uchopených předmětů je použitý pneumatický válec, orientovaný kolmo na uchopované
předměty, jehož pístnice je spojená s výsuvnou deskou, uloženou v posuvných vedeních
nosného rámu.
Obr. 3-3 Magnetické chapadlo s výsuvným vyhazovačem: 1 – pouzdro s permanentními
magnety, 2 - výsuvná deska
Nevýhodou je to, že hlavice zachycuje též i jiné magnetické předměty, především drobné
částice, což se v některých případech může nepříznivě projevit především narušením
správné polohy uchopovaného předmětu.
27
Minos++
3. Pasivní úchopné prvky podtlakové
Pasivními podtlakovými úchopnými prvky jsou pružné deformační přísavky. K uchopení
předmětu dochází přitlačením přísavky na jeho povrch, neboť deformací přísavky se zmenší
objem jejího vnitřního prostoru, který se pružností stěn po uchopení opět do určité míry
zvětší, čímž vznikne žádoucí podtlak. Vyvozená úchopná síla závisí vedle plochy styku
s předmětem též na tvaru a tuhosti přísavky. Definitivní stanovení úchopné síly se neobejde
bez experimentu, při čemž je nutno vycházet z údajů výrobce přísavek.
Podstatnou podmínkou pro bezpečné uchopení předmětu je vysoká těsnost styku. Ta je
podmíněna především hladkým a kvalitním povrchem. Z těchto důvodů se deformačních
přísavek používá u úchopných hlavic při manipulaci s předměty typu rovných desek,
například plechových a skleněných tabulí apod. K zaručení těsného přilnutí přísavky na
povrch předmětu se někdy používá viskosních tekutých látek, které se před najetím přísavky
rozstřikují do prostoru styku.
Používají se dvě základní provedení deformačních přísavek. Na Obr. 3-4a je uveden příklad
řešení pryžové deformační přísavky s uchycením na čep. Delší poddajná válcová část
umožňuje přizpůsobení i mírně zakřivenému povrchu manipulovaného objektu.
Není-li zaručen dostatečně hladký povrch objektu, je možno použít provedení podle Obr.
3-4b. Proměnný vnitřní objem je vytvořen jako válec s odpruženým pístem. V závislosti na
velikosti proměnného objemu je možno udržovat podtlak i při určitých netěsnostech styku
pryžové planžety s povrchem objektu. Velikost úchopné síly se dá nastavit při stejné činné
ploše manžety změnou tuhosti pružiny.
Uvolňování objektu z přísavek se provádí stejným způsobem jako u ostatních typů pasivních
úchopných prvků, nejlépe pohybem v tangenciálním směru. U deformačních přísavek je
možno řešit uvolnění objektu i některým způsobem, naznačeným na Obr. 3-5 (vybavení
přísavek pomocnými ventily).
a.
b.
a.
b.
Obr. 3-4 Základní provedení deformačních Obr. 3-5 Deformační přísavky s pomocnými
přísavek:
ventily:
a. Pryžová deformační přísavka
a.
Uvolnění objektu zrušením
s uchycením na čep
ovládacího signálu ovládacího
b. Přísavka s odpruženým pístem
signálu
b. Uvolnění objektu přivedením
Na Obr. 3-5a je přísavka doplněna pomocným ventilem, ovládaným prostřednictvím
membrány, která je tlakem vzduchu (ovládacím signálem) prohnutá směrem dolů a uzavírá
tak proti síle pružiny podtlakovou komoru přísavky. Při zrušení pneumatického ovládacího
28
Minos++
signálu nad membránou se tato vyrovná, čímž se otevře šipkou naznačená cesta pro
vyrovnání tlaku uvnitř přísavky s okolím a dojde ke zrušení úchopné síly bez nutnosti
odtrhávání přísavky. Obdobným způsobem může být provedeno toto řešení s ventilem,
ovládaným elektromagnetem. U provedení podle Obr. 3-5b se při uvolňování objektu zavede
pneumatický tlakový impuls pod membránu. Kromě zrušení podtlaku uvnitř přísavky se
zároveň dosáhne stržení zejména lehčích předmětů, které mohou jinak na přísavce ulpět.
Aktivní úchopné prvky:
1. Aktivní úchopné prvky mechanické
Aktivní mechanické úchopné hlavice jsou mechanismy, které jsou část a v daném případě
právem označovány jako „chapadla“. Jsou vybavovány pohyblivými čelistmi – aktivními
úchopnými prvky, jejichž pohyb mohou vyvozovat různé druhy a typy motorů.
Nejvhodnějším uchopovacím orgánem je lidská ruka, jejíž technické napodobení je ovšem
velmi obtížné. Jako optimální se jeví tříprsté řešení podle Obr. 3-15. Pro běžné manipulace
s objekty se však obvykle vystačí se dvěma prvky (čelistmi), které se k sobě pohybují
lineárně (posuvně), nebo rotačně. Motory, které těmito aktivními prvky pohybují jsou rovněž
buď lineární (především pneumatické a hydraulické válce, elektromagnety s posuvnou
kotvou), nebo rotační (pneumatické a hydraulické motory, elektromotory, otočné elektromagnety). Mezi motor a čelisti je nutno instalovat transformační blok, realizující převod
posuvného (rotačního) pohybu motoru na posuv (rotaci) čelistí. Následující tabulky 3.1 až 3.4
ukazují různé možnosti kinematických struktur chapadel v jednotlivých transformacích T1 až
T4, k nimž jsou na Obr. 3-6a-e přiřazeny možné příklady řešení.
Tabulka 3.1: Kinematická struktura
uchopovacích efektorů
s převodem T1
uchopovacích efektorů
s převodem T2
29
uchopovacích efektorů s převodem T3
Minos++
Tabulka 3.4: Kinematická struktura uchopovacích efektorů s převodem T4
Na následujícím obrázku Obr. 3-6 jsou znázorněny některé konkrétní příklady řešení
výstupních hlavic v jednotlivých transformacích T1 až T4 s uvedením čísla typu převodu
v příslušné tabulce.
a.
b.
c.
d.
e.
Obr. 3-6 Konkrétní příklady chapadel v transformacích T1 až T4
a. Chapadlo typu T1 s pohonem lineárním pneumatickým motorem a posuvnými
protiběžnými čelistmi (typ převodu č.3)
b. Chapadlo typu T2 s pohonem hydraulickým válcem a otočnými čelistmi,
otevíranými tažnými pružinami (typ převodu č.2)
c. Chapadlo typu T2 s pohonem lineárním elektromagnetem, paralelogramově
uchycenými otočnými čelistmi, zavíranými tlačnou pružinou (typ převodu č.8)
d. Chapadlo typu T3 (typ převodu č.2) s pohonem posuvných čelistí rotačním
elektromotorem přes třecí spojku, pomocí které je možno nastavit potřebnou
úchopnou sílu čelistí
e. Chapadlo tyu T4 s ozubeným převodem (typ převodu č.1) a elektrickým
rotačním motorem: 1 – elektromotor, 2 – kuželová třecí spojka, 3 – kuželový
ozubený převod, 4 – čelní ozubený převod, 5 – vyložené rameno, 6 – čelisti
30
Minos++
2. Aktivní úchopné prvky magnetické 4
Aktivní magnetické úchopné hlavice využívají elektromagnetů, ponejvíce napájených
stejnosměrným proudem, při čemž jejich funkce je obdobná, jako u pasivních hlavic,
využívajících permanentních magnetů, pouze k uvolňování součástek není třeba strhávacího
pohybu, ale mělo by stačit vypnutí proudu do elektromagnetu, jehož budící vinutí bývá někdy
uloženo přímo ve stykové desce. Působením stejnosměrného magnetického pole se objekt
při uchopení zmagnetuje, což může působit potíže při jeho uvolňování. Proto se většinou po
přerušení přívodu proudu provádí odmagnetování krátkodobým obrácením směru proudu
v magnetických cívkách. Tím se zruší remanentní magnetismus v objektu a usnadní se
uvolnění objektu z hlavice.
Obr. 3-7 Elektromagnetické chapadlo s dvojicí uchopovacích jednotiek
Konkrétní aplikaci dvou uchopovacích jednotek z elektromagnetů kruhového průřezu,
přišroubovaných k ramenu, které je v centrální časti opatřené tvarově i rozměrově
přizpůsobenou připojovací hlavicí pro upevnění k robotu, využívá chapadlo na Obr. 3-7.
3. Aktivní úchopné prvky podtlakové
Mezi aktivní úchopné výstupní hlavice PRaM patří podtlakové systémy, které jsou
označovány také jako podtlakové komory, využívající ke své činnosti vývěv nebo ejektorů.
Ejektor je odsávací nebo čerpací tryskové zařízení, které je poháněno proudem vody, plynu
nebo páry. Při použití vývěvy se připojuje na společné odsávací vedení i více podtlakových
komor. Velikost podtlaku je dána typem vývěvy, běžný je rozsah 30 až 80 kPa. U úchopných
hlavic s ejektorem se používá jednak připojení několika podtlakových komor na společný
ejektor, nebo je každá komora vybaveny samostatným ejektorem. V druhém případě tvoří
většinou podtlaková komora s ejektorem jeden celek (viz Obr. 3-8a).
Předností ejektorových podtlakových hlavic vzhledem k řešení s vývěvou je nesrovnatelně
nižší cena, na druhé straně je ale nepříznivě veliká spotřeba stlačeného vzduchu. Ejektory
jsou tedy vhodné pro menší úchopné hlavice. Ovládání ejektorové podtlakové hlavice,
vybavené na výfuku tlumičem hluku, je na Obr. 3-8b; ejektorový blok je doplněný o další
vstup, kterým je možné přivádět do podtlakové komory tlakový vzduch a to v případě potřeby
rychlého uvolňování uchopených objektů.
4
Aktivní magnetické úchopné hlavice s elektromagnety nelze zaměňovat s mechanickými úchopnými hlavicemi
(chapadly) elektromagnety pouze ovládanými!
31
Minos++
a.
b.
c.
Obr. 3-8 Příklady aktivních podtlakových prvků
a. Integrovaná podtlaková přísavka s ejektorem: 1 – přísavková hlavice, 2 – ejektor
b. Příklad ovládání ejektorové přísavky: 1 – ejektorová hlavice, 2 – uchopovací
manžeta, 3 – tlumič hluku
c. Provedení aktivního podtlakového prvku s vyrovnáním polohy na kulovém čepu
Společným problémem při použití podtlakových hlavic při manipulaci s plechy je oddělování
jednotlivých plechů po uchopení. Řešením bývá zařazení do manipulačního cyklu pohyb
v tangenciálním směru, v němž se vždy horní plech sesune.
Vlastní konstrukce podtlakových komor je jednoduchá. U jednodušších provedení je možné
podtlakovou komoru vytvořit z pryžového kotouče, který se stažením mezi kovové vložky
zdeformuje do nálevkovitého tvaru. Odsávací vedení se připojí na montážní šroub
s průchozím otvorem. Dokonalejší, zejména pokud jde o těsnost, jsou podtlakové komory
vytvarované průmyslově ve vulkanizačních formách. Podtlaková úchopná hlavice sestává
z jedné, nebo více podtlakových komor s příslušným uložením a vybavením. Příklad
provedení podtlakového prvku je na Obr. 3-8c. Hlavní částí je podtlaková komora 1, která je
v tomto případě řešena jako pryžová manžeta, nasazená na dříku kulového čepu 2, který
umožňuje přizpůsobení polohy povrchu předmětu.
4. Speciální úchopné prvky
Za typické speciální úchopné prvky lze považovat například prvky, využívající princip
deformace tvarových dutých těles. Tělesa jsou vyhotovená z elastického materiálu s
nesouměrným průřezovým profilem, s použitím asymetricky rozložených výztuh, s
asymetrickým vlnovcovitým tvarem a podobně. Takto řešené koncové interaktivní prvky při
naplnění tlakovým médiem vykonají prostorový pohyb (na straně tenčí stěny) směrem k
povrchu uchopovaného předmětu, přizpůsobí se jeho vnějšímu tvaru a v konečné fázi
pohybu vyvodí uchopovací sílu (viz Obr. 3-9a).
a.
b.
Obr. 3-9 Speciální úchopný prvek (a) a jeho použití u chapadla na dlouhé součástky (b)
32
Minos++
Obr. 3-10 Chapadla s integrovanou funkcí pohonu a uchopovacího prvku
Zajímavá jsou řešení, u nichž funkce akčního členu splývá s uchopovacím prvkem.
Z pohledu složitosti struktury chapadla to jsou řešení optimální. Chapadla mohou být
koncepčně sestavená na principu využití tekutinového motoru a lana (Obr. 3-10a),
resp. pružného ocelového pásu (Obr. 3-10b1 – vnější uchopení a b2 – vnitřní uchopení).
Dalším příkladem aplikace speciálních úchopných prvků jsou jejich komplikované sestavy v
chapadlech pro manipulaci s tvarově složitými objekty (viz Obr. 3-11). Takový koncový
efektor je koncepčně řešený na posuvně uložených uchopovacích prvcích, které jsou do
kontaktu s manipulovaným objektem natlačované přes silový pás, aktivovaný pohonem (tah
pásu) proti tlačným pružinám. V momentě kontaktu všech uchopovacích prvků s povrchem
objektu dochází k rovnoměrnému napnutí pásu po celé jeho délce a vyvození silového
účinku.
a.
b.
c.
Obr. 3-11 Koncové efektory pro manipulaci s tvarově složitými objekty pro vnější uchopení
(a,b) a pro vnitřní uchopení (c)
Zvláštní formou jsou chapadla pro skokovou změnu polohy čelistí uchopovacího
mechanismu. Chapadlo podle uspořádání na Obr. 3-12a má pohyblivou kotvu 1, která je
přitahovaná k elektromagnetu 2 (čelist se uzavře), anebo 3 (čelist se otevře), v každé poloze
je čelist zajištěná tlačnou pružinou. U chapadla podle uspořádání na Obr. 3-12b se otvírání
a zavírání čelistí realizuje zapnutím elektromagnetů 1 anebo 2, udržování v poloze
zabezpečují permanentní magnety 3, anebo 4. Chapadlo je vhodné jako úzkorozsahové,
výhodou řešení je to, že udržování uchopovací síly je realizované pasivními prvky s časově
neomezeným účinkem.
33
Minos++
Obr. 3-12 Chapadla se skokovou změnou polohy čelistí s aretací pružinou (a) nebo
magnety (b)
3.3.1. Kombinované výstupní hlavice
Kombinované výstupní hlavice
a technologické pracovní hlavice.
jsou
kombinací
uchopovacího
efektoru
(chapadla)
Často se tato řešení používají při automatizaci manipulace s odlitky u lisů pro plastické
hmoty. Chapadlo na Obr. 3-13a je sestaveno z čtyřech podtlakových komor 1
a z pneumaticky ovládaného střihacího zařízení (nůžky) 2. Čelisti 3 nůžek 2 jsou určené pro
odstřihávání vtokového nálitku odlitku.
a.
b.
Obr. 3-13 Kombinované koncové efektory
a. Kombinovaníé chapadlo pro manipulaci s tlakovými odlitky
b. Kombinovaný efektor pro manipulaci a ohřev manipulovaného objektu
Jiným příkladem může být kombinovaný efektor pro manipulaci a technologii tepelného
zpracování, resp. technologii tváření za tepla na Obr. 3-13b. Efektor je koncepčně řešený
jako chapadlo (uchopovací rameno 3, držák čelisti 2, uchopovací prvok – čelist 1)
a současně jako technologická hlavice (čelist 1), určená pro ohřev povrchu manipulovaného
objektu (předmět 5). Geometrie čelistí (1) v místě kontaktu s předmětem (5) je účelově
34
Minos++
přizpůsobená vnějšímu tvaru a rozměrům manipulovaného objektu (5) a může byť řešena
jako výměnná. Čelist je realizovaná z elektricky dobře vodivého materiálu, přičemž příčný
průřez je dimenzovaný na potřeby vodivého proudového přenosu, i jako dle potřeby
uchopovací síly. Efektor je vybavený chladícím systémem (chladič 4) pro potřeby odvodu
tepla. Mechanika efektoru je elektricky a tepelně izolovaná.
3.3.2. Speciální výstupní hlavice
Speciální efektory plní funkce, které se z pohledu systémového přístupu nedají zařadit do
rozsahu funkcí, uvedených pro předcházející kategorie efektorů. Jsou to zejména efektory,
použité při speciálních aplikacích robotů, resp. při aplikacích servisních robotů. Vybavení
těchto efektorů příslušnými senzory (snímači, čidly) je nezbytnou podmínkou pro rozvoj
adaptivity robotů a robotických systémů.
a.
b.
Obr. 3-14 Speciální výstupní hlavice
a. Speciální efektor pro práci pod vodou:1 – pružiny z tvarově-paměťové slitiny
(SMA – shape memory alloys), 2 – přísavný sběrač, 3 – shrnovací prsty, 4 – sací
trubice, 5 - ultrazvukový senzor, 6 – snímací kamera
b. Senzorické chapadlo adaptivního robotu firmy UNIMATE (USA)
Ze všech senzorů pro automatickou montáž a adaptivitu robotů je nejdůležitější taktilní
(hmatový) senzor. Současné taktilní senzory jsou v podstatě důmyslná silová, resp. tlaková
čidla, která snímají silové a tlakové hodnoty a převádějí je na napěťové impulsy. Tímto typem
senzorů je vybavena i úchopná hlavice, vyvinutá pro adaptivitu robotů UNIMATE. Provedení
takové speciální adaptivní hlavice je znázorněno na Obr. 3-14b.
35
Minos++
3.3.3. Síly, působící na uchopené předměty při pohybu robotu
Na předmět, uchopený průmyslovým robotem například podle Obr. 3-15 budou působit
vnější a setrvačné síly.
Obr. 3-15 Prstové chapadlo robotu
Obr. 3-16 Schéma působení sil v
chapadle s dvojstranným uchopováním
Mezi vnější síly patří především tíha předmětu:
Fg = m . g [N]……………………………………………………………………..……………….(2.6),
kde m [kg] je hmotnost předmětu a
g = 9,81 [m.s-2] je geocentrické zrychlení
a třecí síla (příp. suma třecích sil):
Ft = Fn . f [N]……………………………………………………………..…….……………….…(2.7),
kde Fn [N] je přítlačná (normálová) síla čelistí, kolmá k povrchu předmětu a
f [1] je koeficient tření.
Při lineárním (přímočarém) vodorovném pohybu začne na předmět působit po dobu
rozjezdu, nebo brzdění setrvačná síla:
Fx (Fy) = m . ax (ay) [N]……………...………………………………………………………..…..(2.8),
kde ax , (ay) [m.s-2]
vodorovném směru.
jsou příslušná zrychlení/zpomalení (akcelerace/decelerace) ve
Při lineárním svislém pohybu na začne na předmět působit po dobu rozjezdu (brzdění)
setrvačná síla:
Fz = m . az - Fg (sgn az . sgn vz) [N]……………………………………….………….……….(2.9),
kde az [m.s-2] je zrychlení/zpomalení (akcelerace/decelerace) ve svislém směru a
sgn az = (+) pro akceleraci, sgn az = (-) pro deceleraci a
sgn vz = (+) pro pohyb nahoru a sgn vz = (-) pro pohyb dolů.
36
Minos++
Při otáčení uchopeného předmětu o hmotnosti m [kg] po předpokládané kruhové dráze o
poloměru r [m] obvodovou rychlostí v [m.s-1] způsobuje změnu směru vektoru rychlosti a tím
zakřivení trajektorie dostředivá síla Fd [N] o velikosti:
Fd = m . v2 / r [N]…………………..……………….…………………………….………………(2.10)
Obvodová rychlost v [m.s-1] je závislá na poloměru r [m] a úhlové rychlosti ω [rad.s-1] podle
vztahu:
v = ω / r [m.s-1]…………………………….………………..……………………………..…..…(2.11)
a odtud také:
Fd = m . r . ω2 [N]……………..…………….…………….……………………...………………(2.12)
Úhlová rychlost ω [rad.s-1] je závislá na otáčkách n [s-1] podle vztahu:
ω = 2 . π . n [rad.s-1]……………………………………….………………………...................(2.13)
V otáčející se neinerciální vztažné soustavě vzniká odstředivá síla Fo, která se často
označuje jako reakce k síle dostředivé v inerciální vztažné soustavě. V tomto případě je
velikost odstředivé síly stejná jako velikost dostředivé síly Fd. Směr odstředivé síly je od
středu křivosti trajektorie tělesa (od středu kružnice). Důsledkem odstředivé síly je odstředivé
zrychlení ao.
Dostředivou sílu Fd zachycují různé druhy čelistí a opěr úchopných mechanismů koncových
efektorů průmyslových robotů, v případě dle Obr. 3-15 to je suma třecích sil, působících na
uchopovaný předmět. Třecí síly jsou závislé na normálových silách v čelistech a jejich
výpočet je analogický k pevnostním výpočtům zmíněných čelistí a opěr.
Pro vyvození potřebné upínací síly je zapotřebí hnací síly (případně momentu) použitého
motoru v závislosti na použité transformaci (převodu) od motoru k upínacím čelistem.
Pro výpočet průměru lineárního tekutinového (pneumatického nebo hydraulického) motoru,
určeného například pro chapadlo s mechanikou podle Obr. 3-16 je možno použít postup,
odvozený od určení hnací sily Fv, pro kterou platí
π.D2
Fv = p.
.ηv ………………………..………………………………………………………….(2.14)
4
kde D je průměr výkonného motoru, ηv je účinnost tekutinového motoru. Pro poměr hnací Fv
a uchopovací síly Fu platí
Fv 2b
=
. cos 2 γ …….…………………………………………………………………………….(2.15)
Fu
a
a pro výpočet potřebného průměru výkonného motoru (pohonu) platí
D = 4. cos γ.
Fu .b
………….……………………………………………………………..(2.16)
a.π.p.ηv .ηi
kde γ je úhel přenosu, ηi je účinnost převodového mechanismu mezi výstupnou pístnicí
motoru a čelistmi.
Chapadla, sestavená s využitím pasivních podtlakových hlavic (deformačních přísavek), dle
Obr. 3-17, mají uchopovací sílu závislou od velikosti aktivní (efektivní) úchopné (dotykové)
37
Minos++
plochy manžet, závislou od tvaru a tuhosti ε (parametr 0,6 – 0,8) aktivních deformačních
manžet.
Obr. 3-17 Deformační manžeta podtlakové hlavice
Uchopovací normálová sila procházející těžištěm kontaktní plochy se určí ze vztahu:
π.D02 ⎛
V ⎞
.⎜⎜1 − 1 ⎟⎟ ………………….………………………………………………………….(2.17)
4 ⎝
V0 ⎠
kde D0 je činný kontaktní průměr nedeformované manžety přísavky, poměr vnitřních objemů
manžety V1/V0 je obyčejně v rozsahu 0,2 až 0,5.
Fnp = ε
Normálová uchopovací síla Fna vyvozená podtlakem Δp je závislá od efektivní plochy
kontaktní manžety přísavky Se (0,6 až 0,7) z plochy, ohraničující linii kontaktu manžety
přísavky s předmětem (v mm2) a od rozdílu vnitřního pv (v MPa) a venkovního pa
(atmosférický tlak, v MPa) tlaku, určí se ze vztahu:
Fna = k e .S e (pa − p v ) ………………………………………………………………..……………..(2.18)
Vytvořený podtlak je daný rozdílem tlaků (pro vakuové přísavky bez těsnících kroužků, pro
neregulované hlavice s těsnícími kroužky rozsah 0,030 – 0,035 MPa)
Δp = pa − p v
Tangenciální uchopovací síla se určí v závislosti od koeficientu kf (1,00 – 1,25)
zohledňujícího řešení kontaktní plochy manžety přísavky, zohledňující kvalitu a stav povrchu
uchopovaného předmětu a v závislosti od součinitele tření μ0 (0,25 – 0,60) mezi materiálem
manžety přísavky a uchopovaným předmětem v místě jejich přímého kontaktu
Ft = k f .μ 0 .Fn ……………………………….………………………………………………………(2.19)
Počet přísavek, potřebných pro bezpečné uchopení předmětu manipulace při respektovaní
potřebných uchopovacích sil se určí ze vztahu:
Fu
n=
………………………………………………………………………………..……..(2.20)
k t .Δp.S
kde kt je tvarový koeficient (pro kruhový tvar v rozsahu 0,8 – 0,9).
Chapadla, sestavená s využitím magnetických hlavic na bázi pasivních magnetů, které jsou
orientované kolmo na kontaktní povrchy, mají uchopovací normálovou sílu Fnp:
Bž
Fnp = (
)2 . S ž …………….………………………………………………………………..(2.21)
−3
1,6.10
kde Bž je magnetická indukce v pólových nástavcích, Sž je plocha průřezu pólových nástavců
(v m2).
Průřez činného magnetu (v m2), instalovaného mezi pólovými nástavci
B .S
Sm = k r . ž ž ………..………………………………………………………………………….(2.22)
Bm
je závislý od koeficientu rozptylu kr (1,1 až 1,2) a od magnetické indukce aktivního
permanentního magnetu Bm.
38
Minos++
Tangenciální uchopovací síla se určí podle vztahu, platného pro tangenciální sílu
podtlakových hlavic. Dimenzování pasivních magnetických hlavic je založené na určení
počtu základných jednotek a kontrole celkové uchopovací síly vzhledem k potřebné hodnotě
této síly Fu vyplývající z vnějších dynamických a statických účinků.
Chapadla, sestavená s využitím magnetických hlavic na bázi aktivních magnetů mají
uchopovací normálovou sílu Fna:
(l.n)
= 2.
2
Fna
μ 0 .Sp
.
1
………….……………………………………………………(2.23)
(Rm1 + Rm2 + Rm3 )
kde I je elektrický proud budíací cíevky elektromagnetu, n je počet závitů budíací cívky, μ0 je
permeabilita vakua, Sp je plocha čela elektromagnetické jednotky (plocha pólových
nástavců), Rm1 je magnetický odpor jádra elektromagnetu, Rm2 je magnetický odpor
vzduchové mezery, Rm3 je magnetický odpor uchopovaného feromagnetického materiálu.
3.3.4. Automatická výměna koncových efektorů
Systém automatické výměny koncových efektorů přispívá k flexibilnímu využití průmyslových
robotů. Automatická výměna koncových efektorů představuje stěžejní proces pro průmyslové
roboty, které jsou založeny na koncepci jednoho robotu, který vykonává několik
technologických a manipulačních operací. Předností tohoto systému je možnost přizpůsobit
se změně rozměrů a tvarů manipulovaných objektů nebo změně technologických operací
bez přerušení automatického pracovního cyklu. Robot si sám podle programu upne
požadovaný nástroj a po vykonání operace provede opět automatickou výměnu koncového
efektoru.
Obr. 3-18 Princip automatické výměny koncových
efektorů
Obr. 3-19 Detail upínacího
mechanismu
Princip spočívá v tom, že každý jednotlivý koncový efektor je opatřen připojovací přírubou
koncového efektoru, která koresponduje s jednotnou připojovací přírubou, umístěnou na
39
Minos++
konci kinematického řetězce průmyslového robotu. Příruby musí současně zabezpečit
připojení silových a ovládacích médií pro potřeby funkce samotného mechanizmu
automatického upínání, a i pro potřeby funkce aplikovaných koncových efektorů, t. j.
dotyková plocha jejich čel musí byť podle potřeby vybavená konektory, resp. automatickými
spojkami pro přivedení tlakového média (hydraulika, pneumatika), pro přivedení silového
elektrického proudu, pro přivedení elektrických signálů pro řízení a potřeby funkce
samotného mechanismu automatického upínání a potřeby funkce aplikovaných koncových
efektorů. Jako příklad je na Obr. 3-19 znázorněn systém spojování přírub, vyvinutý na
ÚVSSR FSI VUT v Brně.
Jedná se o mechanický princip automatické výměny koncového efektoru. Systém je ovládán
pneumaticky. Princip této automatické výměny je založen na hákovém mechanismu. Hák 1
je upevněn na čepu, který umožňuje jeho otáčení. Polohu háku určuje posuvné šoupátko 2
s válcovým čepem uloženým kolmo k ose šoupátka, který je nasunut do otvoru v háku.
Pneumatický ventil řídící soustavy umístěný na jiném místě robotu otevře přívod tlakového
vzduchu, který je tlakovou soustavou veden až do pneumatického válce 5. Pneumatické
médium působí na pneumatický píst 3 a iniciuje jeho vertikální posuv do druhé mezní polohy.
Pneumatický píst je šroubovým spojem upevněn k šoupátku a přenáší na ně silové
působení. Na druhém konci šoupátka je pružina, která umožní posuv. Pohyb válcového čepu
na šoupátku otáčí s hákem okolo středového čepu. Hák zaujímá druhou mezní polohu (v
obrázku vyznačena čerchovaně). V tomto okamžiku je příruba robotu připravena upnout
přírubu koncového efektoru. Středění zajišťuje zkosení na válcové části příruby koncového
efektoru a středící kolíky 6. V dané vzdálenosti obou přírub dojde k zastavení přísunu.
Pneumatická soustava je dekompresována, celý mechanismus se silou pružiny 4 vrací do
původní polohy a hák zachytí upínací čep koncového efektoru a zajistí jeho polohu.
V případě odepnutí je uplatněn opačný postup. V případě ztráty tlaku je příruba koncového
efektoru upnuta stále stejnou silou.
Systémy automatické výměny koncových efektorů představují alternativu k univerzálním a
víceúčelovým robotům. Při realizaci výrobní linky je nutné posoudit, který systém představuje
pro dané zadání výhodnější řešení. Systém automatické výměny přináší totiž kromě výhod
také vyšší náklady na pořízení a vyšší riziko závady.
3.4. PERIFERNÍ ZAŘÍZENÍ K PRaM
3.4.1. Úvod, rozdělení, účel použití
Periferní zařízení (PZ) k PRaM (někdy označované jako pomocné manipulační prostředky
nebo také mezioperační mechanismy) slouží k vykonávání jednoduchých pohybů s objektem
robotizace (například obrobek, odlitek, svařenec, část montážního celku apod.) do míst
dosahu ramene stacionárního průmyslového robotu (PR), nebo manipulátoru (M). PZ tedy
zprostředkovávají pohyb mezi jednotlivými pracovními operacemi v rámci robotizovaného
pracoviště (RP), které neobsáhne ani robot ani manipulátor, vytvářejí také potřebnou zásobu
objektu, nebo také mění jeho orientaci v prostoru. PZ tedy umožňují dopravu a skladování
objektů, jednoduchou manipulaci atd. PZ podstatně zjednodušují náročnost programování
řídícího systému RP a dále umožňují použít M nebo PR s nižším počtem stupňů volnosti
nebo méně náročnými technickými parametry.
Spolupráce manipulátoru nebo průmyslového robotu s periferními zařízeními přináší
zrychlení manipulačního procesu, zkracováním potřebných časů na manipulaci, ale často
také vyšší přesnost polohování s objektem. Vyšší přesnost je dosažena tím, že při použití
periferií můžeme:
• manipulovaný objekt přesně ustavit, např. v přípravcích,
• periferie konstruovat s tuhostí vyšší než vlastní M a PR,
40
Minos++
•
použít PRaM s menším počtem kinematických dvojic (otáčivých nebo posuvných),
tvořící základní kinematický řetezec.
Konstrukční řešení periferních zařízení je velmi mnohotvárné a většinou jsou přizpůsobené
určitému konkrétnímu projektu RP, lze tedy obtížně najít základ pro jejich roztřídění. I přesto
lze periferní zařízení rozdělit podle několika hledisek a to podle :
1. funkce kterou mají plnit
2. charakteristických znaků konstrukce
3. umístění v robotizovaném pracovišti.
Podle funkce jsou periferní zařízení rozdělena do třech základních skupin:
a) periferie přemísťují objekty tak, že mění polohu svého těžiště, avšak orientace v
prostou zůstává zachována
b) periferie mění orientaci objektu, tzn. že se otáčí podle osy ve svém těžišti, ale objekt
se nepřemisťuje
c) periferie mění polohu těžiště i orientaci objektu.
Podle charakteristické konstrukce dělíme periferní zařízení na:
dopravníky,
• otočné a křížové stoly,
• zvedací a podávací zařízení,
• podávací zařízení se zásobníkem a násypkou,
• palety,
• dopravní vozíky.
Periferní zařízení jsou tedy nezbytnou součástí navrhovaných a realizovaných
robotizovaných pracovišť, přičemž jen část je vyráběna sériově a velmi často se konstrukce a
jejich výroba přizpůsobuje potřebám RP pro danný účel manipulace, svařování, nanášení
nátěrových hmot a pod. Takto se PZ stávají často jednoúčelovými strojními zařízenmi
(společně s některými koncovými efektory).
•
3.4.2. Rozdělení PZ podle funkce
V tomto případě se PZ používají pro změnu polohy těžiště objektu. Přemisťování objektu se
děje tak, že se mění poloha těžiště, avšak orientace objektu zůstává zachována.
Rozlišujeme tyto PZ se změnou těžiště (dle jeho polohy):
• změna polohy těžiště po přímce,
• změna polohy těžiště po kružnici,
• změna polohy těžiště v rovině
• změna polohy těžiště v prostoru
Příklad PZ pro změnu polohy těžiště objektu po přímce – tento druh PZ slouží k vykonávání
pohybu po přímce o určenou rozteč – viz obr. 2.56, aniž se mění orientace objektu. Tato
skupina je jedna z nejdůležitějších.
Obr. 3-20 Pohyb objektů po přímce se zachováním orientace
(pohyb o rozteč t)
41
Minos++
3.4.3. Rozdělení PZ podle charakteristické konstrukce
Konstrukční řešení periferních zařízení je velmi pestré a vždy přizpůsobené výrobnímu stroji,
manipulátoru nebo průmyslovému robotu, ale zeména účelu pracoviště, ale také objektu
robotizace (jeho tvarům, rozměrům, hmotnosti, počtu kusů atd.). Dále budou uvedeny
názorné příklady z konstrukce a použití PZ v RP.
3.4.3.1.
Dopravníky
Dopravníky jsou základním činitelem dopravy součástek a dílců (objektů manipulace) a jsou
různého provedení a typu. Tvoří důležitý článek mezi jednotlivými stroji, pracovištěmi a
dílnami. Dopravují polotovary, hotové součásti, nástroje, výrobní pomůcky, montážní celky i
odpad. Nejpoužívanějšími dopravníky jsou:
• pásové dopravníky,
• článkové dopravníky,
• podvěsné dopravníky,
• vibrační dopravníky,
• dopravníky v automatických výrobních a montážních linkách,
• válečkové tratě
Obr. 3-21 Příklad použití pásovného dopravníku pro přísun součástek pro následnou
manipulaci pomocí robotu
42
Minos++
Obr. 3-22 Příklad použití pásového dopravníku s plastovými články při manipulaci s pizzami
(potravinářský průmysl)
Vedle výše uvedených pásových a článkových dopravníků se používají i nové typy. Mezi ně
patří plastové modulární pásy, které jsou často používány pro dopravu lehkého a středně
těžkého zboží v různých oblastech průmyslu. Velkou výhodou je vysoká flexibilita při
přestavbě linek do jiných tvarů a jednoduchá ůdržba s nízkými náklady – viz obr níže.
Obr. 3-23 Výrobní linka skleněných čoček – dopravníky s modulárními pásy
43
Minos++
Obr. 3-24 Článkový dopravník – konstrukce hliníkové slitiny, kluzná zatáčka, vysoké tažné
síly, materiál článkového řetězu: plast nebo ocel
Obr. 3-25 Článkový dopravník s nastavitelným bočním vedením
44
Minos++
Obr. 3-26 Článkový dopravník, kluzné vedení v plastovém provedení
Obr. 3-27 Příklad použití podvěsného dopravníku: v těchto dvou projektech je podvěsný
dopravník proveden obvyklým řešením pro dopravovaná zavěšená břemena do
hmotnosti 80 kg
Obr. 3-28 Příklad použití válečkových dopravníků v RP manipulace a stohování dřevitých
desek
45
Minos++
Obr. 3-29 Příklad použití válečkových dopravnůků v RP manipulace a stohování s
kartonovými krabicemi
Obr. 3-30 Mezioperační válečkové dopravníky ve výrobě automobilových disků z lehkých
slitin
46
Minos++
Obr. 3-31 Ukázka válečkových dopravníků v RP s mostovými manipulátory
3.4.3.2.
Svařovací polohovadla přípravky
Na níže uvedeném obrázku je ukázka svařovacího RP, které využívá pro ustavení polohy
svařence zvláště konstruovaného a vyrobeného stolu se svařovacím přípravkem.
Obr. 3-32 Polohovadlo a svařovací přípravek jako periferní zařízení pro robotické svařování
elektrickým obloukem. Dva PR typu RRR provádí bodové svařování eletrickým
proudem. Polohovadlo provádí držení (fixaci) svařence a jednoduché pohyby
vzhledem k pohybům ramen obou průmyslových robotů
47
Minos++
Obr. 3-33 Periferní zařízení pro robotické svařování elektrickým obloukem – polohovadlo
svarku pro jeho fixaci a jednoduché pohyby vůči rameni PR s technilogickou hlavicí
– svařovací hubicí pro svařování elektickým obloukem
Obr. 3-34 Automatizovaná výroba vidlic pro vysokozdvižné vozíky s volně
programovatelnými rotačními sklápěcími moduly (jako periferním zařízením RP) a
portálem robotu s převislým koncem
3.4.4. Rozdělení PZ podle umístění v robotizovaném pracovišti
Jak již bylo řečeno v úvodu, jedná se o zařízení, která se často vyvíjí v různých
konstrukčních a projekčních kacelářích a jsou následně vyráběny pro potřeby RP, resp.
zákazníka. V praxi záleží na konstruktérovi a projektantovi, jakým způsobem daný technický
problém návrhu vhodného PZ vyřeší. Na základě dosavadních zkušeností je možné
konstatování, že jednotlivé druhy periferních zařízení se málo opakují v realizovaných
robotizovaných pracovištích (četnost cca 5 – 10 %). Ve zbývajících případech se periferie
řeší jako účelové nebo upravené tak, že mají charakter nového (jednoúčelového) zařízení.
48
Minos++
Obr. 3-35 Propojení robotizovaných pracovišť pomocí dopravníků. Popis dispozičního
uspořádání robotizovaného technilogického pracoviště (RTP) ve vyobrazení: PR
jsou trojho typu – sériových kinematických struktur typu RRR a SCARA a
paralelních kinematických struktur typu TRIPOD. Úkolem robotů je provádět
manipulaci a montáž s drobnými a málo hmotnými součástkami, pro kterýžto účel
se práve tyto typy PR velmi hodí. Dopravníky zajišťují propojení jednotlivých dílčích
pracovišť montáže
Obr. 3-36 Průběžný a vstupně – výstupní dopravník v robotizovaném pracovišti. Popis
dispozičního uspořádání robotizovaného technilogického pracoviště (RTP) ve
vyobrazení: Roboty typu TRIPOD provádí napulaci v ochranné atmosféře (obr.
vlevo) a stohování předmětů na EURO paletu (obrázen vpravo)
49
Minos++
Obr. 3-37 Vstupní a výstupní dopravníky při ukládání dílců do krabic a odkládání výlisků z
plastu. Popis dispozičního uspořádání robotizovaného technilogického pracoviště
(RTP) ve vyobrazení: PR provádí manipulaci se součástkami odebíráním ze
zásobníku, majícího funkci i dopravníku a ukládá je do krabic, které se pohybují
pomocí pásového dopravníku (obrázek vlevo) a PR provádá vyjímání vylisovaného
dílce (nárazníky automobilů) a jejich manipulaci na výstupu z linky tvořené
vstřikovacími lisy (obrázek vpravo)
Obr. 3-38 Ukázka složitějšího robotizovaného pracoviště s periferními zařízemi v technologii
tváření kovů (překládací stoly, vstupně-výstupná zásobníky). Popis dispozičního
uspořádání robotizovaného technilogického pracoviště (RTP) ve vyobrazení: PR
slouží k manipulaci operační i mezioperační s polovýrobky a hotovými výrobky z
oblasti plošného tváření dílců v automobilovém průmyslu
50
Minos++
4. Robotizovaná pracoviště
Na robotizovaná pracoviště lze pohlížet jako na velmi komplexní systém, který v sobě
zahrnuje celou řadu různorodých prvků. Pro správné fungování celého pracoviště je nutné,
aby tyto prvky dokázaly mezi sebou správně spolupracovat. Například v případě jednoduché
paletizační úlohy musí být rychlost pohybu samotného robotu vhodně synchronizována s
rychlostí použitého dopravníku. Spektrum průmyslových činností, která lze s úspěchem
robotizovat je velmi široké. V průběhu zavádění robotizovaných pracovišť do praxe se sice
vyprofilovalo několik odvětví, kde je robotizace využívána více než jinde a tudíž zde lze
uplatnit ustálené návrhové postupy, přesto je vhodné ke každé nové úloze přistupovat
individuálně, snažit se obsáhnout všechny ovlivňující faktory a tomu přizpůsobit výsledné
řešení. Faktory jež ovlivňují nasazení robotizovaného pracoviště lze rozdělit do tří hlavních
skupin, které se navzájem prolínají a částečně ovlivňují.
Předně je to výsledná funkce pracoviště u kterého má být průmyslový robot nasazen.
Musíme zde posoudit typ průmyslového robotu, který dané situaci nejlépe vyhovuje,
nezbytné periferie a hlavně samotnou vhodnost zavedení a uskutečnitelnost robotizace.
S tím velmi úzce souvisí limitující faktory prostředí. Jedná se zde o teplotu, energetickou
náročnost, zda-li je nutné při provozu dodržet určitou čistotu prostředí (např. potravinářské
provozy), nakolik je okolní prostředí variabilní apod.
A v poslední řadě je to cena, nebo-li ekonomické možnosti odběratele, kterou je možné za
dané pracoviště zaplatit. Jeden typ úlohy, lze totiž řešit mnoha způsoby. Například cena
zcela automatizovaného pracoviště může být vyšší, než cena pracoviště, které pracuje
s pomocí lidského operátora v poloautomatickém režimu.
Z výše uvedeného tedy vyplývá už jednou řečené pravidlo, že ke každému pracovišti je
nutné přistupovat individuálně a snažit se vyvíjet vlastní potupy. Zejména dnes, kdy stále
klesající cena senzorického vybavení robotizovaných pracovišť otevírá nové možnosti řešení
již zavedených úloh.
4.1. Základní prvky robotizovaného pracoviště
Základním prvkem robotizovaného pracoviště je samozřejmě průmyslový robot s příslušným
řídícím systémem a ovládacím panelem (teachpendant). Pomocí ovládacího panelu lze
s robotem pohybovat v prostoru a zapsat tak dráhu kterou má robot vykonávat
v automatickém režimu (více viz. kapitola 4). Skříň řídícího systému obsahuje mimo
základního řízení robotu také frekvenční měniče pohonů jednotlivých os, bezpečnostní
obvody pro vyhodnocení chybových stavů a další periferie nutné ke spojení řídícího systému
s okolím. Těmito periferiemi mohou být např. rozšiřující karty pro připojení různých typů
průmyslových sběrnic (Profibus, DeviceNet apod.) nebo jen sady digitálních vstupů a
výstupů.
Představu o velikosti těchto prvků lze získat při pohledu na Obr. 4-1. Na Obr. 4-2 lze vidět
strukturu řídících systémů robotu KUKA.
51
Minos++
Obr. 4-1 Základní systém robotu: robot (1), spojovací vedení (2), řídící systém (3),
ovládací panel (4); zdroj - KUKA Industrial Robots
Obr. 4-2 Struktura řídícího systému robotů KUKA; zdroj - KUKA Industrial Robots
Dalším nezbytným prvkem je koncový efektor, který je umístěn na hlavici a slouží k
vykonávání operací u konkrétní aplikace. Takovým efektorem mohou být jednoduché
uchopovací kleště, svařovací hubice, lepící pistole nebo brousící či obráběcí hlava.
Koncových efektorů je celá řada a stále vznikají nové, tomuto tématu se podrobněji věnuje
kapitola KONCOVÉ EFEKTORY3 Koncové efektory.
52
Minos++
U robotizovaných pracovišť je největší výhodou jejich vysoká sériovost a spolehlivost s jakou
při takovém objemu výroby pracují. Je tedy logickým závěrem, že doprava materiálu nutného
k výrobě konečného produktu, by měla být co nejplynulejší. To zajišťují různé typy
dopravníků a válečkových tratí. Více se o tom zmiňuje kapitola 2.4 Periferní zařízení k
PRAM. Avšak existují také pracoviště, kde materiálový tok nedosahuje takových objemů a
kde přísun jednotlivých polotovarů zajišťuje lidská obsluha. Tyto pracoviště bývají většinou
vybaveny otočnými stoly nebo přijímacím místem, senzoricky zabezpečeným tak, aby se zde
v jednu chvíli mohl nacházet pouze člověk nebo pouze robot. Toto opatření je zavedeno
z důvodu bezpečnosti pracoviště.
Samotný průmyslový robot nemá v základní výbavě, vyjma snímačů pro řízení pohonů,
žádnou senzoriku kterou by monitoroval své okolí. Aby celé pracoviště mohlo pracovat
s dostatečnou spolehlivostí v automatizovaném režimu je potřeba jej vybavit příslušnými
senzory známými z obecné průmyslové automatizace (např. optické závory, indukční čidla,
kontaktní čidla uzavření dveří). Příklady senzorů jsou na Obr. 4-3.
Obr. 4-3 Příklady senzorů použivaných v průmyslové automatizaci; zdroj - Siemens
Jak již bylo naznačeno výše celé pracoviště je nutné dostatečně zabezpečit proti případné
kolizi s člověkem. Podrobněji se tomuto tématu věnuje kapitola 5., avšak stručně lze říci, že
většina pracovišť je z tohoto důvodu minimálně ohrazena pletivem, které zabraňuje přístupu
lidské obsluhy k robotu během jeho činnosti. Pokud je přeci jen nutné, aby se člověk nalézal
v bezprostřední blízkosti robotu (např. z důvodu programování dráhy), je možný přístup do
zabezpečené robotické buňky přes senzoricky zabezpečené dveře, které při svém otevření
průmyslový robot zastaví a vyřadí jej z automatického režimu.
4.2. Řízení pracoviště
Řízení robotizovaného pracoviště lze provádět několika způsoby podle složitosti úlohy,
kterou má robot nebo řada robotů vykonávat.
Nejjednodušším způsobem je využít samotný řídící systém průmyslového robotu a na jeho
digitální vstupy a výstupy připojit potřebné senzory a ovládací prvky pracoviště. Takto
můžeme řídit jednoduché úlohy jako je skládání lahví do přepravek, různé druhy paletizace,
depaletizace apod. Předností tohoto uspořádání jsou nižší pořizovací náklady a do jisté míry
vyšší flexibilita, avšak při možném budoucím rozšíření pracoviště narazíme na limity, co se
týče počtu vstupů a výstupů, variabilnosti programu apod. Takový typ řízení lze vidět na Obr.
4-4.
53
Minos++
Obr. 4-4 Řízení robotického pracoviště pouze s využitím řídícího systému robotu
Pokud budeme po pracovišti požadovat maximální flexibilitu výrobního programu, vzdálené
řízení a podrobnou vizualizaci celého procesu, lze celé pracoviště z předchozího příkladu
vzdáleně řídit pomocí sítě Ethernet a tzv. OPC serveru k připojenému terminálu PC (Obr.
4-5). Odtud lze již provádět změnu výroby, řízení skladu apod. Jedná se o tzv. řízení typu
CIM (Computer Integrated Manufacturing). Tento způsob je již velmi flexibilní, avšak při jeho
zavádění je nutné podchytit maximum stavů v nichž se může daný systém nalézat a
odpovídajícím způsobem ošetřit jeho chování. Tomuto požadavku pak odpovídá i cena.
Obr. 4-5 Řízení robotické linky pomocí sítě ethernet
54
Minos++
Obr. 4-6 Příklad řízení pomocí několika propojených PLC na sběrnici DeviceNet; zdroj –
Phoenix Contact Inc.
Další možností je rozšířit počty vstupů a výstupů připojením externího PLC přes různé typy
průmyslových sběrnic (DeviceNet, Profibus apod). Takto je možné propojit i několik robotů
nebo jiných výrobních strojů na jednom pracovišti a centrálně je ovládat nadřazeným PLC
(např. Siemens Simatic) v reálném čase. Obecně lze prohlásit, že tento způsob je v praxi
nejpoužívanějším (Obr. 4-6).
55
Minos++
4.3. Typy robotizovaných pracovišť
4.3.1. Svařovací
Svařovací pracoviště lze podle způsobu technologie rozdělit na dva druhy. Tyto dva způsoby
si vyžadují nasazení i různých periferií.
Pracoviště pro obloukové svařování je, vyjma základního příslušenství jako je svařovací
zdroj, hořák a jednotka pro podávání drátu, vybaveno také doplňkovými prvky, které zvyšují
automatizaci provozu. Z důvodu bezpečnosti je na přírubě robotu používán kolizní senzor,
který v případě nechtěného kontaktu hořáku s překážkou změní logickou hodnotu svého
výstupního signálu. Tato změna je pak dále vyhodnocena v řídícím systému robotu jako
chybový stav a všechny pohony se okamžitě zastaví. U pracoviště, které je vybaveno
kolizním senzorem, proto nemusí dojít k poškození jinak mnohem nákladnějšího prvku,
jakým je svařovací hořák. Kdyby robot svařoval nepřetržitě, narůstala by chyba způsobená
postupným zanášením svařovací hlavice a podstatně by se tak zhoršila jakost svarů. Z
tohoto důvodu bývají svařovací pracoviště vybavena jednotkou na čištění hořáku a
zastřihávání svařovacího drátu. Volitelně bývají tyto jednotky osazeny také automatickou
kalibrací TCP (tool center point). Vždy po několika svarech, robot najede k této jednotce a
provede se automatická údržba. Poté je robot opět připraven svařovat. Na Obr. 4-7 jsou tyto
prvky vyobrazeny.
Obr. 4-7 Příslušenství pro obloukové svařování: svařovací zdroj (1), svařovací hořák
(2), svazek hadic (3), jednotka na podávání drátu (4), kolizní senzor (5), jednotka na
čištění hořáku, zastřihávání drátu a kalibraci TCP (6-8), příslušenství pro řízení procesu
(9); zdroj – ABB
Velmi často se u pracovišť s obloukovým svařováním používají různé typy polohovadel
jejichž pohyb je svázán s pohybem robotu. Robot pak svařuje kontinuálně při současném
pohybu svařované součásti, která je uchycena v polohovadle. V poslední době nabízí několik
výrobců průmyslových robotů jednoduché typy svařovacích pracovišť, kde jsou všechny
prvky, včetně polohovadel a bezpečnostních senzorů integrovány do jedné buňky. Na Obr.
4-8 lze vidět robotickou svařovací buňku pro jeden robot s jednoosým polohovadlem, kterou
ve svém sortimentu nabízí firma ABB.
56
Minos++
Obr. 4-8 Integrovaná robotická buňka pro obloukové svařování; zdroj – ABB
V případě bodového svařování je situace, co se týká příslušenství poněkud odlišná.
Předně je to úplně jiný nástroj. Bodové svařovací kleště (Obr. 4-9) jsou mnohem
rozměrnější a těžší než je hořák pro obloukové svařování. Z toho důvodu se pro bodové
svařování obecně používají roboty s vyšší nosností. Většinou je nutné kleště během provozu
dostatečně chladit. Obvykle se tak děje pomocí oběhu přídavného vodního chlazení.
Obr. 4-9 Kleště pro bodové svařování; zdroj –
Robot určený pro bodové svařování musí být vybaven procesní jednotkou, která je obvykle
umístěna na jeho patě a zajišťuje pravidelný oběh a hlídání chladící kapaliny. Její detail lze
vidět na Obr. 4-9.
57
Minos++
Obr. 4-10 Detail procesní jednotky pro bodové svařování robotů ABB; zdroj - ABB
Ačkoliv by se mohlo zdát, že bodové svařování je technologicky náročnější vzhledem
k vybavenosti průmyslových robotů, je např. v automobilovém průmyslu mnohem
rozšířenější. Obecně se dá říci, že cca 70 až 80 % svarů je realizováno pomocí bodového
svařování. Na Obr. 4-11 je vyobrazeno základní potřebné příslušenství.
Obr. 4-11 Základní příslušenství pro bodové svařování robotů KUKA; zdroj - KUKA
Industrial Robots
4.3.2. Manipulační
Často se průmyslový robot využívá pro účely manipulace s obrobky ve výrobním procesu.
Zejména je to v případě zakládání polotovarů do výrobního stroje. Na Obr. 4-12 lze vidět
integrovanou robotickou buňku určenou pro tento typ operace. Doprava polotovarů je zde
realizována ručně pomocí pojízdných vozíků. Obvykle jsou tyto buňky vybaveny také
systémy strojového vidění pro automatickou detekci polohy obrobků a systémy automatické
výměny uchopovacích kleští, jestliže je požadována co největší adaptabilita buňky na
vyráběný sortiment.
58
Minos++
Obr. 4-12 Integrovaná robotická buňka pro zakládání polotovarů do obráběcího stroje;
zdroj – Fastems
Dalším typem manipulační operace je jednoduchá paletizace a depaletizace výrobků na
konci nebo na začátku výrobního procesu. U takto jednoduché úlohy není potřeba měnit
orientaci manipulované součásti ve všech osách. Z toho důvodu je v těchto případech
využíván robot s redukovaným počtem os (viz.Obr. 4-13). Jeho předností je jednodušší
ovládání a vyšší nosnost, kterou je schopen poskytnout použitý paralelogram. Robot je tedy
schopen vykonávat translační pohyb ve všech třech osách, avšak rotaci pouze v ose která je
kolmá k základně robotu. Obvykle je to osa „z“ ve světovém souřadném systému
(podrobnější pojednání o souřadných systémech viz. kapitola 4. Programování průmyslových
robotů).
Obr. 4-13 Paletizační robot s redukovaným počtem os; zdroj - KUKA Industrial Robots
Na Obr. 4-14 je zobrazena paletizační buňka se dvěma odběrnými místy. Jelikož u tohoto
typu pracovišť dochází často ke vstupu obsluhy do pracovní zóny robotu z důvodu odebírání
naplněných palet, je nutné tyto zóny dostatečně zabezpečit tak, aby nedošlo ke kolizi robotu
s jiným zařízením nebo s obsluhou. Obvykle jsou tyto pracoviště vybavena nějakým typem
59
Minos++
laserového scanneru nebo optické závory, jejichž úkolem je případné narušení těchto zón
neustále monitorovat.
Obr. 4-14 Paletizační buňka se dvěma odběrnými místy; zdroj – trillium automation Inc.
4.3.3. Nanášení barev
Robotický nástřik barev je ideální v případě, kde výpary z nátěrových hmot mohou být
nebezpečné pro zdraví člověka. Navíc tento způsob umožňuje ušetřit 25 – 30% nátěrových
hmot oproti ručnímu způsobu. Z dalších výhod lze jmenovat nižší nároky na údržbu a
zvyšování bezpečnosti redukováním přítomnosti lidské obsluhy v prostředí nebezpečném pro
lidské zdraví.
Pro tuto oblast jsou určeny roboty speciálnější konstrukce, jenž jsou již v základním
uspořádání vybaveny procesními jednotkami včetně rozvodu pro dopravu laků ke stříkací
hlavici. Vnější rozvod hadic a kabelů, který byl používán v minulosti, je v současné době ve
většině případů nahrazován integrováním těchto částí do dutých ramen robotů. Jelikož vně
nejsou přítomny žádné deformovatelné prvky, jejichž polohu nelze přesně předvídat, je
zřejmé, že tento typ konstrukce umožňuje zvýšení dosahu robotu, minimalizaci kolizí a
jednodušší programování.
60
Minos++
Obr. 4-15 Pracoviště pro nanášení barev; zdroj - ABB
Pro nástřik barev nabízí výrobci robotů různé stříkací pistole. Obvykle jsou pneumatického
nebo elektrostatického typu. Doprava nátěrových hmot je realizována zubovým čerpadlem a
dávkování je zajištěno pneumaticky ovládanými regulátory tlaku s měřením průtoku. Tímto
způsobem řízení je garantováno nanesení barvy v požadovaném množství a tloušťce vrstvy.
Zubové čerpadlo je možné pro jeho pohon vybavit klasickým servomotorem, který se po
připojení k řídícímu systému robotu chová jako jeho sedmá osa a lépe lze synchronizovat
pohyb robotu s množstvím nanášené barvy. Navíc je zde možnost ovládat nanášení barvy
přímo pomocí TechPendantu. V případě nástřiku více druhů nátěrových hmot jsou používány
pneumaticky ovládané ventily pro rychlou změnu druhu barvy. Tyto ventily umožňují
automatickou změny barvy během 15 až 30 vteřin, což dovoluje nanášení podkladových,
základních i finálních barev na různé části jedné součásti v libovolných vrstvách. Samotný
robot je proti nechtěnému ulpívaní barev a hromadění nánosu chráněn dodatečným krytím
textilií (Obr. 4-15), avšak z důvodu snadné údržby je zde v poslední době trend ošetřit vnější
i vnitřní povrch teflonovou vrstvou.
Pracoviště je nutné dělit také podle typu nanášených hmot. U tekutých barev, které jsou
ředitelné pouze speciálními rozpouštědly je vyšší riziko výbuchu. Z toho důvodu musí mít
robot dostatečné krytí elektrických částí. Oproti tomu většina práškových barev je
nevýbušná, avšak rychlost nanášení je pomalejší, daná jejich menší přilnavostí. V některých
případech, zejména při stříkaní plastů, používán ještě jeden robot pro úpravu přilnavosti
povrchu. Obvykle je proveden předehřev povrchu pomocí plazmy nebo plamene namísto
tradičního oplachování vodou.
Jako i u jiných robotických pracovišť, je i zda snaha prosazovat moderní způsoby řízení. Pro
detekci chyb jako jsou případné bublinky nebo trhliny v nanášené vrstvě, nabízí někteří
výrobci robotů implementaci kamerového systému.
61
Minos++
Obr. 4-16 Robotická linka se dvěma stanovištěmi pro nanášení barev; zdroj - ABB
Většinou jsou buňky vybaveny závěsným typem dopravníku pro přísun stříkaných dílů a
místem kde díly s nanesenou barvou schnou. Může to být průchodná vypalovací pec nebo
jen odkládací místo pro volné schnutí. Na Obr. 4-16 lze vidět robotickou linku se dvěma
buňkami pro nástřik barev a dvěma dalšími roboty, které zajišťují přísun dílů na dopravník a
odkládání nalakovaných dílů na vysychací místo. Častá je i montáž stříkacích robotů na
strop. Toto uspořádání šetří zastavěnou plochu buňky a robot je méně kontaminován
nechtěným nánosem barev, z čehož vyplývají také nižší náklady na jeho údržbu.
4.3.4. Technologické operace
Mezi technologické operace se řadí celé spektrum činností, kdy je průmyslového robotu
využito přímo jako výrobního stroje. Tato oblast se neustále rozšiřuje a to zejména díky
zvyšujícím se možnostem přesnosti polohování robotu.
Jednou z již zavedených oblastí je proces ohýbání plechů nebo tvarování trubek. V obou
případech pracuje průmyslový robot jako pomocný manipulátor, který mění polohu a
orientaci ohýbané součásti v ohýbacím stroji. Na Obr. 4-17 lze vidět průmyslový robot Kuka
při ohýbání plechových dílců. Samozřejmě je nutné pracoviště vybavit také automatickým
podavačem polotovarů, který zajistí jejich přesnou polohu před tím než jej převezme robot.
V poslední době se v některých případech nasazují také systémy strojového vidění pro
automatickou kontrolu vyráběných dílců.
62
Minos++
Obr. 4-17 Robot KUKA využívaný jako pomocný manipulátor při ohýbání plechových
dílců; zdroj - KUKA Industrial Robots
Na Obr. 4-18 lze vidět pracoviště pro tvarování trubek, které je vybaveno automatickým
podavačem polotovarů. V těchto případech se využívají většinou tzv. schodové zásobníky
které zajišťují plynulý přísun materiálu.
Obr. 4-18 Robotická buňka určená pro tvarování trubek; zdroj – Mewag Innovation
Další technologickou oblastí ve které lze využít průmyslový robot je obrábění. Využití
maximální pohyblivosti šestiosého robotu se zdá být logické, avšak je třeba brát v úvahu to,
že se stále jedná o sériovou kinematiku a tudíž maximální dosažitelná přesnost
pravděpodobně nikdy nebude konkurovat klasickým obráběcím strojům. Z tohoto důvodu lze
pro účely obrábění použít průmyslový robot v aplikacích s nižšími nároky na výslednou
přesnost. Na Obr. 4-19 je vyobrazena obráběcí hlava firmy ABB.
63
Minos++
Obr. 4-19 Obráběcí hlavice robotu ABB; zdroj – ABB
V oblasti brousících operací je průmyslový robot celkem využíván, avšak ke své činnosti
obvykle potřebuje tzv. silomomentový senzor, který je umístěn mezi přírubou robotu
brousícím efektorem. Tento senzor měří síly a momenty ve všech směrech a jestliže je
začleněn do řídícího systému, jsme s jeho pomocí schopni dodržovat např. konstantní
přítlačnou sílu vyvozovanou brousícím kotoučem na broušenou součást. Na Obr. 4-20 je
vyobrazeno zabrušování ráfků kol robotem Fanuc.
Obr. 4-20 Zabrušování ráfků kol; zdroj – PushCorp, Inc.
Mezi další technologické operace lze zařadit lepení (viz.Obr. 4-21). V tomto případě je
pracoviště vybaveno lepící pistolí, automatickým dávkovačem lepidla a vyhřívacím
stanovištěm. Tohoto zařízení robot využívá k udržování teploty lepící pistole, aby nedošlo
k nechtěnému zaschnutí lepidla v případě, kdy je pistole delší dobu v nečinnosti. Například
v situacích, kdy není zajištěn plynulý přísun polotovarů určených k lepení. Podobně jako u
pracovišť pro nanášení barev je i zde často používán druhý robot k úpravě přilnavosti
povrchu lepeného dílu. Obvykle se pro tuto činnost využívá předehřátí plastového povrchu
pomocí plazmového hořáku.
64
Minos++
Obr. 4-21 Lepení robotem KUKA; zdroj – Blumenbecker Prag s.r.o.
Další, poměrně rozšířenou oblastí je robotizovaná montáž. Tento typ pracoviště potřebuje
pro svoji činnost sadu periferních zařízení, která jsou pro automatizovanou montáž nezbytná.
Předně je to systém dopravy a indexování jednotlivých dílů, které jsou přesně orientovány.
K tomuto účelu slouží většinou různé typy automatizovaných zásobníků (viz. kapitola 2.4),
které současně na svém výstupu kontrolují, zda právě dodávaná součást vyhovuje či nikoliv.
Dále jsou pracoviště vybavena dostatečným počtem senzorů a robotickým viděním, které je
podle volby využíváno k identifikaci dílů, verifikaci správného sestavení výrobku nebo k
navádění robotu v případě dodávání neorientovaných součástí. V neposlední řadě, systémy
vidění velmi zvyšují flexibilitu pracoviště. Robot je poté využíván pro finální kontrolu
sestaveného výrobku, opět záleží na konkrétní aplikaci, z čehož vyplývá co je potřeba
testovat. V zásadě lze tyto testy rozdělit na testy správného sestavení výrobku – zde se
testuje např. síla mezi dvěma prvky, moment nebo možnost pootočení a na testy funkčnosti
výsledného výrobku.
Jak zde již bylo naznačeno, v případě montážních operací je obecná snaha o co největší
flexibilitu pracoviště. Jelikož možnosti montážního efektoru průmyslového robotu jsou, co se
týká hmotnosti, konečné, často se tento typ pracoviště vybavuje tzv. automatickou výměnou
nástrojů. Jestliže tedy robot vykonává větší spektrum činností, je výhodné pro tyto činnosti
vyčlenit specializované efektory, které budou na robot v případě potřeby automaticky
nasazeny.
65
Minos++
5. Programování průmyslových robotů
5.1. Úvod
V následujících kapitolách budou rozebrány základní aspekty programování průmyslových
robotů. Průmyslových robotů však existuje celá řada a můžeme je dělit např. podle stupňů
volnosti (Degree of freedom, DOF), podle kinematické struktury (sériové, paralelní), druhu
pohonu, atd. Může se tedy jednat o standardní 6 DOF robot, 4 DOF SCARA robot, popř.
různé kartézské systémy. Dále existuje řada výrobců průmyslových robotů (KUKA, ABB,
FANUC, MOTOMAN, PANASONIC, REIS, COMAU, Mitsubishi, atd.) a je zde nutné
konstatovat, že každý výrobce používá pro své roboty specifický programovací jazyk. Z
tohoto důvodu není možné jednoduše postihnout danou problematiku na obecné úrovni,
neboť pro každého výrobce platí pro programování určitá specifika včetně odlišné syntaxe
programového kódu.
Pro účely této kapitoly se dále zaměříme na typického představitele – 6DOF robotu, který lze
považovat za nejvíce univerzální a též nejvíce používaný v průmyslu. Uvedeme si obecně
platné principy pro tuto skupinu robotů, které budou spočívat v zápisu pohybových instrukcí,
aproximace pohybů či sestavení jednoduché aplikace pro manipulační/paletizační úlohy.
Dále se zaměříme na roboty dvou největších výrobců – KUKA a ABB a níže uvedené
příklady budou respektovat jejich příslušný programovací jazyk – KRL a RAPID.
Průmyslové roboty lze dále programovat různými způsoby. V současné době je stále
nejpoužívanější metoda on-line, kdy obsluha provádí programování robotu přímo na
pracovišti pomocí ručního ovládacího panelu (pendant, teach-pendant). Další možný způsob
je tzv. off-line. Tato metoda je obecně založena na softwarovém systému umožnujícím 3D
virtuální simulaci konkrétního robotizovaného pracoviště, kde je možné definovat pohyby a
dráhy robotu a ty pak exportovat do příslušného formátu programovacího jazyku (KRL,
RAPID apod.). Takto vytvořený program (vygenerovaný off-line) je pak možné nahrát do
řídicího systému robotu. Výhodou je, že v průběhu vytváření programu nemusíme mít
příslušný robot fyzicky k dispozici. V současné době je dále snahou určitým způsobem
propojovat předchozí dva způsoby (online/off-line) a využívat tak jejich dílčích výhodných
vlastností.
Výše uvedené metody či možnosti programování průmyslových robotů budou v dalších
kapitolách podrobněji rozebrány, důraz je však kladen především na metodu online.
S ohledem na současné trendy je také nutné zmínit tzv. interaktivní programování
průmyslových robotů. Jedná se o novou oblast založenou na interakci (popř. i spolupráci)
mezi robotem a obsluhou, tzv. human-robot interaction, human-robot cooperation. Tato
oblast však nebude dále podrobněji rozebrána, více lze najít např. zde: www.smerobot.org.
5.2. Online programování
Metoda programování online dnes hraje stále hlavní roli při programování průmyslových
robotů. Obecný princip spočívá v tom, že obsluha/programátor pomocí uživatelského
rozhraní (pendant či tech-pendant) navádí robot nebo programuje konkrétní aplikaci přímo
na pracovišti, kde je robot fyzicky přítomen. Na dalším obrázku (Obr. 5-1) jsou znázorněny
základní prvky robotického systému: 6 DOF průmyslový robot, příslušný řídicí systém a
teach pendant. Pro programování robotu je také možné využít specifický off-line systém a
vytvořené programy pouze vložit do řídicího systému robotu (CD-ROM, USB apod.).
66
Minos++
Obr. 5-1 Základní prvky robotického systému
5.2.1. Uživatelské rozhraní - teach-pendanty
Typický teach-pendant je v současné době stále propojen s řídicím systémem robotu pomocí
kabelu. Pracuje se nicméně i na bezdrátovém řešení (wireless teach-pendat), kde je však
hlavní problém stále v oblasti bezpečnosti, mezinárodních bezpečnostních standardů,
koncepci tzv. bezdrátového bezpečnostního stopu (wireless emergency stop) apod.
Současné teach-pendanty je pak možné rozdělit do dvou hlavních kategorií v závislosti na
jejich koncepci a základním layoutu:
•
„portrait” design (Obr. 5-2)
Charakteristická je větší výška než šířka, relativně malý display umístěný v horní části
pod nímž jsou pak ovládací tlačítka. Pro správnou funkci ovládacího panelu je pro
operátora obvykle nutné používat obě ruce.
Obr. 5-2 Příklady teach-pendantů portrait koncepce (zleva: Motoman; Reis; Kawasaki;
Fanuc)
67
Minos++
•
„landscape” design (Obr. 5-3 a Obr. 5-4)
Zde je charakteristická větší šířka než výška a obsahují většinou i větší displej v porovnání s
předchozí skupinou. Lze zde opět použít obě ruce nebo je možné použít pro držení jen levou
ruku. Pendanty v této skupině pak většinou obsahují vstupní prvky pro manuální ovládání
pohybu robotu v ručním režimu (tzv. jogging). Jedná se především o 3 DOF joystick nebo 6
DOF prostorovou myš a tyto prvky jsou pak ovládány zpravidla volnou pravou rukou.
Obr. 5-3 Příklady teach-pendantů ABB (zleva: starší teach-pendant pro řídicí systémy ABB
S4CPlus; nový teach-pendant pro ABB IRC5 - tzv. flex pendant)
Obr. 5-4 Příklady teach-pendantů KUKA (zleva: současná koncepce; prototyp bezdrátového
pendantu KUKA s dotykovým displejem a hlasovým rozhraním)
68
Minos++
5.2.2. 6 DOF průmyslový robot
Pro ovládání pohybu robotu v ručním režimu má operátor k dispozici dvě možnosti (režimy
pohybu):
•
Osově specifický pohyb (Axis-specific jogging, Joint motion)
V tomto režimu lze pohybovat individuálně s každou jednotlivou osou (osa A1 až A6)
zvlášť - v pozitivním nebo negativním směru (Obr. 5-5). Konstrukční uspořádání,
poloha a umístění jednotlivých os má vliv na celkový pracovní prostor robotu. Na
následujícím obrázku ( Obr. 5-6) jsou pak pro ilustraci zobrazeny příklady typických
pracovních prostorů pro 6 DOF roboty.
Obr. 5-5 Specifikace (poloha) jednotlivých os průmyslového 6 DOF robotu
Obr. 5-6 Typické pracovní prostory 6 DOF robotů (zleva: KUKA KR150-2 K: pracovní prostor,
který vymezují osy 2 a 3; ABB IRB 4400: plný pracovní prostor)
69
Minos++
•
Pohyb v kartézských souřadných systémech (Cartesian jogging)
V tomto režimu je možné pohybovat referenčním bodem nástroje - dále jen jako TCP
(Tool Centre Point) - ve směru (negativním či pozitivním) jednotlivých os (x, y, z)
zvoleného kartézského souřadného systému. Dále je pak možné provádět rotace
TCP kolem každé jednotlivé osy x, y, z.
Označování souřadných systémů je opět odlišné s ohledem na výrobce robotů. Na
obrázcích níže jsou platné specifikace souřadných systémů pro roboty KUKA a ABB
(obr.Obr. 5-7 a Obr. 5-8), vzájemné srovnání viz tabulka 5.1. Lze však obecně
konstatovat, že se používají tři základní kartézské souřadné systémy:
o Světový souřadný systém (World Coordinate System)
Jedná se o defaultní hlavní kartézský souřadný systém. S tímto systémem
souvisí kartézský souřadný systém umístěný v patě robotu - ROBROOT pro
roboty KUKA, Robot Base Coordinate System pro roboty ABB. Tyto
systémy definují polohu robotu relativně vzhledem ke Světovému souřadnému
systému, který je defaultně umístěný v patě robotu.
o Souřadný systém báze (Base Coordinate System)
Jedná se o kartézský souřadný systém (definovaný uživatelem), který definuje
polohu konkrétní součásti, obrobku, palety apod. relativně vzhledem ke
Světovému souřadnému systému. Kuka používá označení báze (Base), ABB
používá systémy User Coordinate System a Object Coordinate System (obr.
4.8), význam a účel je však shodný. Definovat bázi je možné např. pomocí tří
bodů - standardní 3-bodová metoda (viz Obr. 5-8, body X1, X2, Y1).
Obr. 5-7 Souřadné systémy (KUKA)
70
Minos++
o Souřadný systém nástroje (Tool Coordinate System)
Tento systém je kartézský souřadný systém umístěný v TCP (Tool Centre
Point) a je relativní vzhledem k určité bázi.
Obr. 5-8 Souřadné systémy (ABB)
Tab. 5.1: Srovnání souřadných systémů používaných u robotů KUKA a ABB
KUKA
ABB
Světový souřadný systém
- World Coordinate System
- World Coordinate System
Souřadný systém paty robotu
- ROBROOT
- Robot Base Coordinate
System
Souřadný systém báze
- BASE
- User Coordinate System
- Object Coordinate System
Souřadný systém nástroje
- Tool Coordinate System
- Tool Coordinate System
Kartézské souřadné systémy (viz výše) se používají především pro usnadnění samotného
programování průmyslových robotů. Použití pouze Osově specifického pohybu by bylo
značně nepraktické. Z tohoto důvodu provádí řídicí systém robotu tzv. transformaci
souřadnic, přičemž opět platí určitá specifika s ohledem na výrobce robotů (KUKA vs. ABB
viz Obr. 5-9). Mluvíme o přímé transformaci (forward/direct transformation) v případě, že
převádíme hodnoty jednotlivých os na kartézské souřadnice. V opačném případě mluvíme o
inverzní transformaci (inverse transformation).
71
Minos++
Obr. 5-9 Transformace souřadnic
5.2.3. Hlavní typy pohybů
K hlavním typům pohybů patří především následující:
•
Obecný pohyb (Obr. 5-10)
Obr. 5-10 Obecný pohyb
72
Minos++
U tohoto typu pohybu se TCP robotu pohybuje z bodu P1 do P2 nejrychlejším
možným způsobem. V tomto případě neplatí, že nejrychlejší vykonaná dráha musí být
i nejkratší a obecně se tedy nejedná o přímku. Pohyby jednotlivých os robotu (6 DOF)
jsou rotační, to znamená, že vykonávání různých zakřivených drah (obecně v
prostoru) je rychlejší než vykonávání přímé dráhy. Dále je nutné konstatovat, že poté
co operátor uloží souřadnice daných dvou bodů a definuje mezi nimi obecný pohyb,
výsledná dráha není předem známá. Daný typ pohybu se používá víceméně pro
rychlé (pomocné) polohování v prostoru a obecně tam, kde nehrozí žádná kolize.
KUKA tento pohyb označuje jako PTP (PTP motion, point-to-point), ABB má pro tento
typ pohybu pohybovou instrukci MoveJ (joint move).
•
Lineární pohyb (Obr. 5-11)
Obr. 5-11 Lineární pohyb
U tohoto pohybu se TCP robotu pohybuje přesně po přímce mezi definovanými body
P1 a P2 konstatní definovanou rychlostí (mm/s).
KUKA tento pohyb označuje jako LIN (LIN motion), ABB má pro tento typ pohybu
pohybovou instrukci MoveL (Linear move).
•
Kruhový pohyb (Obr. 5-12)
Obr. 5-12 Kruhový pohyb
U kruhového pohybu se TCP robotu pohybuje definovanou konstatní rychlostí (mm/s)
po kruhové dráze z výchozího bodu do koncového bodu (target point, end point).
73
Minos++
Kruhový pohyb je definován počátečním bodem (P start), koncovým bodem (PEND) a
tzv. pomocným bodem (PAUX, auxiliary point, via point), který vymezuje samotnou
kruhovou dráhu mezi počátečním a koncovým bodem.
KUKA tento pohyb označuje jako CIRC (CIRC motion), ABB má pro tento typ pohybu
pohybovou instrukci MoveC (Circular move).
5.2.4. Aproximace pohybů
Obecně se dá říci, že používání ryze základních pohybů (obecný, lineární, kruhový) by bylo
pro vetšinu praktických aplikací nedostatečné. Společnou vlastností pro všechny předchozí
pohyby je, že v koncových bodech (P2, PEND, viz výše) se rychlost a zrychlení blíží nule,
resp. robot v těchto bodech téměř zastaví a pak teprve pokračuje ve vykonávání další
pohybové instrukce. Z tohoto důvodu se používají tzv. aproximace pohybů. V případě použití
aproximace však již TCP robotu nenajede přesné souřadnice dílčích bodů, nicméně
vykonávaná dráha je plynulejší a rychlejší. Aproximace také souvisí se snižováním
celkového pracovního cyklu, což je časový údaj, který lze považovat za jeden z hlavních
parametrů při návrhu robotické buňky.
•
Aproximace obecného pohybu (Obr. 5-13)
TCP robotu opustí dráhu, která by vedla přímo do dílčího koncového bodu (P2) a
pohybuje se dále po rychlejší dráze do bodu P3. Charakter aproximované dráhy u
tohoto typu pohybu opět není možné předvídat.
Obr. 5-13 Obecný pohyb (PTP, MoveJ); bod P2 je aproximován
•
Aproximace lineárního pohybu (Obr. 5-14)
TCP robotu opustí dráhu, která by vedla přímo do dílčího koncového bodu (P2) a
pohybuje se dále po rychlejší dráze do bodu P3. Aproximační vzdálenost (poloměr) je
možné definovat.
Obr. 5-14 Lineární pohyb (LIN, MoveL), bod P2 je aproximován
•
Aproximace kruhového pohybu (Obr. 5-15)
TCP robotu opustí dráhu, která by vedla přímo do dílčího koncového bodu (PEND) a
pohybuje se dále po rychlejší dráze do bodu P. Aproximační vzdálenost (poloměr) je
možné definovat.
74
Minos++
Obr. 5-15 Kruhový pohyb (CIRC, MoveC), bod PEND je aproximován
•
Příklad dráhy s aproximací pohybu (Obr. 5-16)
Obr. 5-16 Příklad dráhy robotu s aproximací: bod P1 je aproximován
Předpokládejme, že počáteční poloha robotu je v bodě p0. Zápis programového kódu
pro vykonání dráhy z bodu p0 do p3 (přes p1, p2) je pak následující:
1.
2.
3.
MoveL p1, v200, z10, tool1
MoveL p2, v100, fine, tool1
MoveJ p3, v500, fine, tool1
Uvedený příklad respektuje syntaxi pro roboty ABB (jazyk RAPID). Pro aproximaci je
rozhodující hodnota z10 (poloměr 10 mm). Hodnota fine se používá pro pohyby bez
aproximace.
75
Minos++
5.2.5. Základní přehled instrukcí pro roboty ABB
•
robtarget – definuje bod (teach-point), resp. polohu robotu v prostoru (příklad vizObr.
5-17)
Obr. 5-17 Příklad definice bodu - robtarget, jazyk Rapid, ABB
•
wobjdata – work object, definuje polohu uživatelského souřadného systému (User
frame a Object frame, přičemž Object frame může být nulový, příklad viz Obr. 5-18)
Obr. 5-18 Příklad definice systému work object - wobjdata, jazyk Rapid, ABB
•
tooldata – definuje souřadný systém nástroje a jeho další charakteristiky (příklad viz
Obr. 5-19)
Obr. 5-19 Příklad definice systému work object - wobjdata, jazyk Rapid, ABB
76
Minos++
•
základní pohybové instrukce – obecný pohyb, lineární pohyb, kruhový pohyb
(příklad viz Obr. 5-20)
Obr. 5-20 Příklad zápisu pohybových instrukcí, jazyk Rapid, ABB
5.2.6. Základní přehled instrukcí pro roboty KUKA
Základní struktura programu pro roboty KUKA (jazyk KRL) je uvedena níže (Obr. 5-21).
Obr. 5-21 Příklad zápisu pohybových instrukcí, jazyk KRL, KUKA
77
Minos++
5.2.7. Případová studie: Paletizační úloha
Zadání:
Po dvou dopravnících (Feeder_1, Feeder_2) je zajištěn postupný (nepravidelný) přísun
komponent k robotu. Robot může uchopovat komponenty z polohy 1 (Position_1) nebo
polohy 2 (Position_2). Přítomnost komponent v příslušných polohách signalizují optické
snímače (digitální vstupy). Úlohou robotu je umístit celkem 45 komponent na paletu (Pallet) a
poté by měl robot odeslat paletu po dopravníku k dalšímu zpracování (Obr. 5-22).
Obr. 5-22 Schéma pracoviště pro paletizaci
•
Vývojový diagram obecně
Vytvoření struktury programu představuje důležitou část při řešení určité úlohy.
Můžeme použít standardní vývojový diagram, tzv. Flowchart, pomocí něhož si
rozdělíme úlohu na dílčí části/operace reprezentované různými symboly, které jsou
propojeny šipkami. Graficky tak znázorníme celý algoritmus, což nám výrazně
napomůže při sestavování samotného programového kódu.
K základním symbolům patří obdélník, obdélník se zaoblenými rohy a kosočtverec
(viz. tab. 5.2).
Tab. 5.2: Základní symboly pro vývojový diagram - Flowchart
• počátek nebo ukončení
zpracování programu
• větvění programu
(podmínky apod.)
•
78
• dílčí krok/operace
zpracování programu
Minos++
•
Vývojový diagram pro zadanou paletizační úlohu (Obr. 5-23)
Definujeme tyto proměnné, signály a procedury:
o čítač pro 45 komponent - Counter
o digitální vstupy pro signalizaci komponent na pozicích 1 a 2 - Di1 a Di2
o procedura pro uchopení komponenty robotem z pozic 1 a 2 - Get_From_Pos1 a
Get_From_Pos2
o procedura pro umístění komponent na paletu - Palletize
o digitální výstup pro odeslání palety - Release_Pallet
Obr. 5-23 Vývojový diagram pro paletizační úlohu
79
Minos++
•
Program pro paletizační úlohu (struktura programu viz Obr. 5-24)
Obr. 5-24 Příklad zápisu programového kódu pro paletizační úlohu – syntaxe ABB Rapid
80
Minos++
5.3. Off-line programování
Mimo použití standardního ovládacího panelu (teach-pendantu) pro online programování
průmyslových robotů je možné využít metody tzv. Off-Line Programování (OLP). Tato
metoda je založena na softwarových systémech, které umožnují 3D návrh robotizovaného
pracoviště ve virtuálním prostředí (Obr. 5-25 a Obr. 5-26) založeném na kinematickém, popř.
i dynamickém simulačním modelu vybraného robotu. Dále je možné zapisovat body,
definovat dráhy a jiné činnosti robotu s ohledem na konkrétní aplikaci. Na základě simulace
daných činností je pak možné upravovat a optimalizovat chod robotické buňky. Obvykle je
možné sledovat celkový pracovní čas robotu - tzv. cycle time, lze vykreslovat pracovní
prostory robotu, testovat dosažitelnost robotu na dílčí body, dráhy, komponenty apod.
Některé systémy umožňují např. i automatické generování dráhy tvarově složitých dílců s
ohledem na konkrétní CAD objekt. Z hlediska bezpečnosti obsahují OLP systémy většinou i
automatickou detekci kolizí. Nejde však jen o simulaci robotické buňky, ale klíčovou
vlastností je právě možnost exportovat vytvořené body a dráhy robotu do programu, který
plně respektuje syntaxi programovacího jazyka konkrétního robotu (např. jazyk RAPID pro
roboty ABB, KRL pro roboty KUKA atd.). Přestože je tato vlastnost velmi důležitá a
představuje největší potenciál s ohledem na praktické využití, spoléhá většina produktů
hlavně na samotnou simulaci a export off-line programů je více či méně omezen.
Využitím výše uvedených vlastností systémů pro OLP lze teoreticky dosáhnout zvýšení
produktivity, zvýšení kvality, snížení nákladů, snížení časů potřebných pro výrobu, sestavení
robotické buňky či změny ve výrobě. Prakticky je však většinou nutné vygenerované off-line
programy alespoň částečně modifikovat přímo na pracovišti. Je to dáno tím, že vytvořený
simulační model robotické buňky nemusí obecně odpovídat reálné situaci - rozmístění
různých komponent se může lišit. Obecně tedy závisí na přesnosti simulačního modelu
pracoviště, resp. do jaké míry odpovídá reálnému pracovišti. Informace výrobců těchto SW
systémů, že je možné jen exportované programy nahrát do řídicího systému robotu a robot
spustit, je tedy nutné brát s jistou rezervou.
Komerčně dostupné softwarové systémy pro simulaci a OLP lze v zásadě rozdělit do dvou hlavních kategorií: • systémy vyvíjené výrobci průmyslových robotů (např. ABB, KUKA aj.)
•
univerzální systémy vyvíjené softwarovými společnostmi
První skupina může být použita zpravidla pouze s průmyslovými roboty konkrétního výrobce,
což představuje určitou nevýhodu (není univerzální). Na druhé straně hlavní výhodou těchto
produktů je, že jsou většinou založeny na bázi tzv. virtuálního kontroléru (Virtual Controller),
který garantuje shodné možnosti programování jako na teach-pendantu robotu a i výstup
v podobě off-line programů by měl plně respektovat syntaxi a možnosti programování
reálných robotů. Typickými představiteli těchto systémů mohou být např. ABB RobotStudio
(http://www.abb.com/), Kuka.Sim (www.kuka.com) a další.
Druhá skupina představuje univerzální řešení, jehož výhodou je možnost použít všechny
dostupné roboty různých výrobců s jejich vzájemně odlišnými programovacími jazyky, popř.
lze vytvořit i vlastní model robotu (z dostupných CAD modelů). Lze pak tedy jednoduše zvolit
robot nejlépe vyhovující našim potřebám při návrhu robotické buňky. Nevýhodou však může
být nižší přesnost při výpočtech pracovních cyklů a taktéž simulovaná dráha může vykazovat
drobné odchylky v porovnání s reálnou dráhou robotu: to však platí především pro tzv.
obecné pohyby (PTP motion, joint move). Jelikož se však typická dráha robotu v praxi skládá
převážně z lineárních a cirkulárních pohybů, může být drobná odchylka při obecném pohybu
zanedbatelná. Popsané odchylky mohou vznikat především na základě obecných metod pro
výpočet kinematiky (popř. i dynamiky robotu), neboť výrobci robotů obvykle nejsou ochotni
poskytovat své algoritmy třetím stranám. Typickými představiteli těchto systémů mohou být
např. EASY-ROB (http://www.easy-rob.de/), RobotWorks (http://www.robotworks-eu.com),
81
Minos++
Workspace5 (www.workspace5.com), eM-Workplace (Robcad, http://www.robcad.de/),
DELMIA (www.delmia.com).
Obr. 5-25 Příklad simulace pracoviště s robotem ABB, manipulační aplikace
Obr. 5-26 Příklad simulace pracoviště s robotem FANUC, svařovací aplikace
82
Minos++
6. BEZPEČNOST ROBOTIZOVANÝCH PRACOVIŠŤ
Před uvedením robotizovaného pracoviště do provozu je potřeba provést u tohoto pracoviště
analýzu rizika. Tato analýza spočívá v identifikaci všech nebezpečí spojených s celým
životním cyklem tohoto robotizovaného pracoviště. To znamená zahrnout následující fáze
životnosti: doprava, montáž a instalace, uvedení do provozu, používání (provoz a údržba),
vyřazení z provozu (demontáž a likvidace). Po identifikaci všech nebezpečí se provede
odhad rizika spojeného s každým nebezpečím. Odhad rizika se provádí na základě určení
pravděpodobné škody (úrazu) a pravděpodobnosti jejího vzniku. U nebezpečí s vysokou
mírou rizika musí být přijata ochranná opatření snižující toto riziko. Riziko se snižuje v první
řadě pomocí konstrukčních opatření. Není-li to možné, přistupuje se k aplikaci
bezpečnostních ochranných opatření (krytování, bezpečnostní senzory apod.). Posledním
stupněm snižování rizika je informování uživatele pomocí bezpečnostních štítků umístěných
na robotu a instrukcí v návodu k používání robotizovaného pracoviště. Uživatel musí být
rovněž informován o zbytkových rizicích.
6.1. Základní termíny a definice
škoda (harm) – fyzické zranění nebo poškození zdraví, majetku či hospodářských zvířat
nebezpečí (hazard) – potenciální zdroj škody (úrazu)
nebezpečný prostor (hazard zone, danger zone) – jakýkoliv prostor uvnitř a/nebo kolem
robotu, ve kterém může být osoba vystavena nebezpečí
nebezpečná událost (hazardous event) – událost, která může způsobit škodu (úraz)
nebezpečná situace (hazardous situation) – okolnosti, při kterých je osoba vystavena
alespoň jednomu nebezpečí
nebezpečný pohyb (hazardous motion) riziko (risk) – kombinace pravděpodobnosti výskytu škody (úrazu) a závažnosti této škody
(tohoto úrazu)
odhad rizika (risk estimation) – vymezení pravděpodobné závažnosti škody (úrazu) a
pravděpodobnosti jejího (jeho) výskytu
hodnocení rizika (risk evaluation) – rozhodnutí, na základě analýzy rizika, zda bylo
dosaženo cílů snížení rizika
posuzování rizika; posouzení rizika (risk assessment) – celkový proces zahrnující analýzu
rizika a hodnocení rizika
zbytkové riziko (residual risk) – riziko, které zůstává i po použití ochranných opatření
ochranné opatření (protective measure) – opatření určené k dosažení snížení rizika
předpokládané používání robotu (intended use of a robot) – používání robotu podle
informací uvedených v instrukcích pro používání
předvídatelné nesprávné použití (reasonably foreseeable misuse) – používání stroje
způsobem, který není předpokládán konstruktérem, ale který může vyplývat ze snadno
odhadnutelného lidského chování
robot (robot), průmyslový robot (industrial robot) – automaticky řízený, reprogramovatelný
víceúčelový manipulátor, programovatelný ve třech nebo více osách, který může být buď
pevný, nebo mobilní, a který je určený k použití v průmyslové automatizaci
koncový efektor (end-effector) – zařízení speciálně konstruované pro připojení k
mechanickému rozhraní, které robotu umožňuje vykonávat svou úlohu
robotický systém (robot system), průmyslový robotický systém (industrial robot system)
– systém zahrnující robot, koncový efektor (koncové efektory) a vybavení, zařízení nebo
senzory potřebné k tomu, aby robot splnil svoji úlohu
bezpečnostní (ochranné) zastavení (protective stop) – typ přerušení činnosti, které
dovoluje pro zabezpečovací (ochranné) účely řádné zastavení robotu a které zajistí
zachování logiky programu usnadňující restart
prostor (space) – tří rozměrný prostor zahrnující přesuny všech částí robotu ve svých osách
83
Minos++
maximální prostor (maximum space) – prostor, který mohou obsáhnout pohybující se části
robotu stanovené výrobcem a dále prostor, který obsáhne koncový efektor a obrobek
vymezený prostor (restricted space) – část maximálního prostoru ohraničená omezujícími
prostředky vytvářejícími meze, které nebudou překročeny
provozní prostor (operating space), operační prostor (operational space) – část mezního
prostoru, která se skutečně využívá při vykonávání všech pohybů zadaných pomocí
uživatelského programu
chráněný prostor (safeguarded space) – prostor, který vymezuje uzavřený obvod
bezpečnostních zařízení
bezpečnostní část řídícího systému (safety-related part of a control system) – část
ovládacího (řídícího) systému, která reaguje na bezpečnostní vstupní signály a vytváří
bezpečnostní výstupní signály
kategorie (category) – klasifikace bezpečnostních částí ovládacího (řídícího) systému
vzhledem k odolnosti proti závadám a jejich následnému chování v podmínce závady,
kterého je dosaženo konstrukčním uspořádáním částí, detekcí závady a/nebo jejich
spolehlivostí
bezpečnostní funkce (safety function) – funkce stroje, jejíž porucha může vést k
okamžitému zvýšení rizika (rizik)
neřízené zastavení (uncontrolled stop) – zastavení pohybu robotu odpojením přívodu
elektrické energie do ovládacích částí robotu (na robotu mohou být použita neelektrická
zařízení pro zastavování, jako jsou např. mechanické nebo hydraulické brzdy)
řízené zastavení (controlled stop) – zastavení pohybu stroje, přičemž ovládací částí stroje
zůstanou během procesu zastavování pod napětím
provozní spolupráce (collaborative operation) – stav, ve kterém účelově zkonstruované
roboty pracují za přímé součinnosti člověka uvnitř stanoveného pracovního prostoru
6.2. Požadavky na konstrukci robotu
Průmyslový robot má uvnitř své konstrukce a kolem sebe tzv. nebezpečný prostor, ve kterém
může dojít (například v důsledku automatické činnosti nebo vlastností robotu či jeho částí) ke
zranění obsluhy. Do tohoto prostoru je většinou potřeba zamezit přístupu osob pomocí
vhodných ochranných opatření. Následující podkapitoly se zaměřují na jednotlivé typy
nebezpečných prvků či vlastností robotů.
6.2.1. Silové hnací komponenty
Mezi tyto komponenty patří např. hřídel motoru, otevřený pohon, hnací řemeny nebo jiná
hnací ústrojí. Nebezpečím, jejichž příčinou mohou být tyto komponenty, se musí předcházet
buď pevnými, nebo pohyblivými ochrannými kryty. Pohyblivé kryty musí blokovat
nebezpečné pohyby takovým způsobem, že jim zamezí dříve, než nebezpečí vznikne.
Blokovací systém musí z hlediska svých vlastností související s bezpečností vyhovovat
požadavkům uvedeným v kapitole 5.3.
6.2.2. Výpadek nebo kolísání napájení
Roboty a koncové efektory musí být konstruovány a provedeny tak, aby výpadek nebo
kolísání elektrického, hydraulického, pneumatického nebo podtlakového napájení nevyvolaly
nebezpečnou situaci. K uchopení manipulovaného předmětu je potřeba využívat mechanické
principy nezávislé na přívodu energie (např. pružiny) a energii využívat pokud možno pouze
k uvolnění manipulovaných předmětů. Pokud to není proveditelné, potom se vzniku
případných nebezpečných situací musí předcházet jinými metodami bezpečností ochrany
(hydraulický zámek, akumulátor energie apod.). Obnovení dodávky energie nesmí vest k
samočinnému pohybu robotu nebo jeho koncového efektoru.
84
Minos++
6.2.3. Napájecí zdroje
Robot musí být vybaven prostředky umožňující vypnutí každého svého nebezpečného zdroje
energie (např. elektrického, mechanického, hydraulického, pneumatického, potenciálního
apod.) Tyto prostředky musí mít možnost blokovaného nebo jinak zabezpečeného vypnutí.
6.2.4. Skrytá energie
Obsluha robotu (seřizovač, údržbář) musí mít k dispozici prostředky pro řízené uvolnění
skryté energie. Každý zdroj skryté energie (např. zásobník stlačeného vzduchu a kapalin,
kondenzátor, baterie, pružina, vyvažovací závaží, setrvačník) musí být opatřen vhodným
výstražným štítkem.
6.2.5. Elektromagnetická kompatibilita (EMC)
Konstrukce a provedení robotu musí být v souladu s IEC 61000, aby se zabránilo
nebezpečným pohybům nebo situacím v důsledku rušivých signálů způsobených
elektromagnetickou interferencí (EMI), interferencí radiových vln (RFI) nebo elektrostatickým
výbojem (ESD).
6.2.6. Elektrické zařízení
Elektrické zařízení robotu musí být konstruováno a provedeno podle příslušných požadavků
IEC 60204-1. V této normě jsou uvedeny požadavky a doporučení týkající se elektrických
zařízení strojů zaměřené na bezpečnost osob a majetku, shodnost reakce na řídicí signál a
snadnost údržby.
6.2.7. Ovládací prvky
Provedení a umístění ovládacích prvků musí být takové, aby se zamezilo neúmyslné
manipulaci (použití klíčem uzamykatelného přepínače nebo krytého tlačítka). Stav
ovládacích prvků musí být zřetelně indikován (např. zapnuto napájení, detekování závady,
automatický provoz) a popsán takovým způsobem, aby jasně zobrazoval svoji funkci. Řídicí
systém robotu musí být konstruován a proveden tak, že v případě ovládání robotu pomocí
jednoho programovacího zařízení (panelu), musí být zamezeno jeho spuštění nebo změně
volby lokálního ovládání z jakéhokoliv jiného zdroje (např. druhého panelu).
6.3. Požadavky na bezpečnostní části řídicích systémů
Vlastnosti bezpečnostního řídicího systému robotu jsou stanoveny podle kategorií
popsaných v ISO 13849-1 (Popis kategorií viz kapitola 5.4). Tato norma uvádí bezpečnostní
požadavky a pokyny pro zásady konstrukce a integrace bezpečnostních částí řídících
systémů (SRP/CS), včetně návrhu software. Pro tyto části SRP/CS specifikuje norma
vlastnosti, které zahrnují úroveň vlastností požadovanou k vykonávání bezpečnostních
funkcí. Norma platí pro bezpečnostní části ovládacích systémů (SRP/CS) bez ohledu na
druh používané technologie a energie (elektrické, hydraulické, pneumatické, mechanické,
atd.) pro všechny druhy strojních zařízení.
Bezpečnostní části řídicího systému robotu musí být navrženy tak, aby:
• jednotlivá závada v jakékoliv z těchto částí nevedla ke ztrátě bezpečnostní funkce;
• je-li to rozumně možné, byla jednotlivá závada detekována při nebo před nejbližší
vyžadovanou bezpečnostní funkcí;
85
Minos++
•
•
výskyt jednotlivé závady vedl vždy k provedení bezpečnostní funkce a do té doby,
než je detekovaná závada odstraněna, byl udržen bezpečný stav;
všechny racionálně předvídatelné závady byly detekovány.
Tyto požadavky odpovídají požadavkům na kategorii 3 uvedeným v ISO 13849-1.
Požadavek detekce jednotlivé závady však neznamená, že všechny závady budou
detekovány. Následkem toho může nahromadění nezjištěnýích závad vést k nežádoucím
výstupním signálům a ke vzniku nebezpečné situace u robotu. Příkladem praktických
opatření k detekci závady jsou nucená zapojení kontaktů relé nebo kontrola nadbytečných
elektrických výstupních signálů. Na základě výsledků posouzení rizika u robotu a jeho
předpokládaného užití se může zjistit, že u konkrétní aplikace jsou požadovány jiné
vlastnosti bezpečnostního řídicího systému robotu, než které odpovídají požadavkům
kategorie 3 (např. kategorie 2 nebo 4).
6.3.1. Funkce nouzového zastavení
Každé stanoviště umožňující spuštění robotu nebo iniciaci jiné nebezpečné situace, musí mít
možnost ručního ovládání funkce nouzového zastavení, která:
• musí fungovat buď jako zastavení kategorie 0 nebo jako zastavení kategorie 1 (výběr
kategorie nouzového zastavení závisí na výsledcích hodnocení rizika);
• musí být nadřazena všem ostatním funkcím a činnostem ve všech režimech (má
nejvyšší prioritu);
• umožňuje zastavení při jakémkoli nebezpečí;
• přeruší přívod energie ke všem pohonům robotu (zastavení kategorie 0), nebo musí
být řízena tak, aby byl nebezpečný pohyb zastaven co nejrychleji (zastavení
kategorie 1), aniž by vznikla jiná nebezpečí;
• kde je použito více než jedné řídicí jednotky, musí být účinné povely funkce
nouzového zastavení z jakékoliv řídicí jednotky,
• odstraní jakékoliv jiné nebezpečí vzniklé následkem řízení robotu;
• zůstává stále aktivní až do doby, než dojde k jejímu zrušení (reset) a
• zrušení (reset) musí být provedeno výlučně ručně a nesmí způsobit opětné spuštění
robotu, ale pouze povolí restart.
6.3.2. Bezpečnostní zastavení
Robot musí mít alespoň jeden bezpečnostní vypínací obvod (kategorie zastavení 0 nebo 1)
zajišťující propojení na externí ochranná zařízení, přičemž:
• zastavení kategorie 0 představuje zastavení robotu okamžitým odpojením přívodu
energie do ovládacích částí robotu (tzv. neřízené zastavení) a
• zastavení kategorie 1 představuje řízené zastavení robotu s energií přiváděnou do
ovládacích částí stroje za účelem dosažení zastavení (po zastavení je přívod energie
odpojen).
Bezpečnostní vypínací obvod musí při aktivaci externího ochranného zařízení iniciovat
zastavení všech pohybů robotu, přerušení přívodu energie ke všem pohonům robotu a do
zastavení zamezit vzniku jakýchkoliv jiných nebezpečných situací vyvolaných následkem
řízení robotnickým systémem. Toto zastavení se může iniciovat ručně nebo pomocí řídicí
logiky.
6.3.3. Redukovaná rychlosti
Pokud je nastaven chod s redukovanou rychlostí, rychlost upevňovací příruby koncového
efektoru a referenční bod manipulovaného předmětu nesmí překročit 250 mm/s.
86
Minos++
Řízení při redukované rychlosti musí být konstruováno a provedeno tak, že v případě
jakékoliv jednotlivé racionálně předvídatelné závady (špatné funkci) nedojde k překročení
této rychlosti.
6.3.4. Pracovní režimy
Pracovní režimy (automatický a ruční) musí být voleny bezpečnými prostředky (např.
přepínačem pracovního režimu) které musí:
• jednoznačně indikovat vybraný pracovní režim; a
• nesmí sami uvést robot do chodu nebo vyvolat jiné nebezpečí.
Automatický režim je určen výhradně pro práci robotu podle uživatelského programu.
Kontrolér robotu nesmí být v ručním režimu a ochranná opatření musí být v činnosti. Při
detekování jakékoliv podmínky zastavení se musí zabránit spuštění provozu v automatickém
režimu. Povel k přepnutí automatického režimu do jiného režimu musí vést k jeho zastavení.
Ruční režim je používán při popojíždění, učení, programování a ověřování programu robotu.
Tento režim se může použít při údržbě robotu. Při volbě ručního režimu je možno pohybovat
robotem buď v režimu redukované rychlostí, nebo v režimu ručního zvýšení rychlosti. Provoz
robotu v automatickém režimu nesmí být při navoleném ručním režimu umožněn.
6.3.5. Řízení pomocí ručního ovládacího panelu
Lze-li použít ruční ovládací panel nebo jiné řídicí zařízení určené k ovládání robotu uvnitř
chráněného prostoru, musí splňovat následující požadavky:
• Při uvedení robotu do pohybu z ručního ovládacího panelu nebo programovacího
zařízení se musí použít řízení při redukované rychlosti
• Pokud panel poskytuje možnosti výběru vyšších rychlostí, musí umožňovat:
pozastavit běh zařízení, nastavit rychlosti od výchozí základní hodnoty do nejvyšší
naprogramované hodnoty a indikovat nastavenou rychlost (např. pomocí zobrazení
informace o nastavené rychlosti na displeji ručního ovládacího panelu).
• U všech tlačítek a ostatních prostředků na panelu, kterými lze uvést robot do chodu,
musí po uvolnění dojít k zastavení pohybu robotu.
• Aktivační prostředky na ovládacím panelu musí mít tři polohy, jejich uvolnění nebo
stlačení mimo střední polohu musí zamezit nebezpečí (např. chodu robotu).
• Aktivační prostředky mohou být součástí ručního ovládacího panelu nebo mohou být
zvlášť (např. u aktivačních prostředků ovládaných tlakem) a musí fungovat nezávisle
na všech ostatních funkcích řízení chodu nebo zařízení;
• Je-li na jednom aktivačním prostředku více spínačů, potom úplné stlačení jakéhokoliv
tlačítka musí zamezit ovládání z jiných tlačítek a vyvolat bezpečnostní zastavení;
• Je-li umožněno ovládání z několika samostatných aktivačních zařízení (tj. v
chráněném prostoru je více osob s aktivačními prostředky), chod robotu je možný
pouze v případě, když všechna tato zařízení mají v daném okamžiku nastavenu
střední (aktivační) polohu;
• Vysazení funkce aktivačních prostředků nesmí mít za následek selhání, které by
umožnilo aktivovat chod robotu.
• Ruční ovládací panel nebo programovací zařízení musí mít funkci nouzového
zastavení.
• Ruční ovládací panelu nesmí umožnit spuštění automatického provozu robotu. Před
spuštěním automatického režimu je nezbytné nezávislé potvrzení z vnější strany
chráněného prostoru.
• Umožňuje-li ruční ovládací panel řízení skupiny robotů, musí umožňovat ovládání
chodu jednoho nebo více robotů samostatně nebo současně. Při provozu v ručním
87
Minos++
režimu musí být všechny funkce robotnického systému pod kontrolou jediného
ovládacího panelu.
6.3.6. Požadavky na provozní spolupráci
Roboty navržené pro provozní spolupráci musí:
• mít vizuální indikaci, která ukazuje, který robot je v režimu provozní spolupráce;
• stát, když při provozní spolupráci je obsluha v pracovním prostoru. Když obsluha
pracovní prostor opustí, může dojít k návratu do režimu automatického chodu.
• Provádí-li se ruční vedení robotu, musí být zařízení ručního vedení umístěno těsně
na koncovém efektoru a musí být opatřeno: nouzovým zastavením a aktivačními
prostředky. Robot musí mít nastaven chod s redukovanou rychlostí, která nesmí
překračovat 250 mm/s.
• Robot musí udržovat odstup od obsluhy. Tato vzdálenost musí být ve shodě s ISO
13855. Porucha z důvodu nedodržení určené vzdálenosti musí vyvolat bezpečnostní
zastavení.
• Robot musí mít nastaven chod s redukovanou rychlostí nepřesahující 250 mm/s a
jeho poloha se musí monitorovat.
• Robot musí být konstruován tak, aby zajistil na přírubě nebo v referenčním bodu
manipulovaného předmětu buď maximální funkční výkon 80 W, nebo maximální sílu
150 N (stanoveno pomocí posouzení rizika). Při návrhu robotu se musí konstrukčně
(nebo pomocí jeho řídícího systému) zajistit, že se tyto hodnoty nepřekročí.
6.4. Popis kategorií bezpečnostních částí řídicích systémů
6.4.1. Kategorie B
Kategorie B je nejzákladnější z bezpečnostních kategorií, které normy a nařízení definují.
V těchto systémech není žádné diagnostické pokrytí a střední doba do nebezpečné poruchu
může být krátká až střední.
Typický případ zapojení kategorie B je možno vidět na Obr. 6-1, kde ovládání motoru
START/STOP je provedeno pomocí standardního tlačítka START, zamykatelného
zaskakovacího tlačítka STOP.
V případě, že je STOP, lze pomocí tlačítka start motor přes stykač R spustit a vlivem
pomocného kontaktu stykače R je zajištěn běh motoru i po uvolnění startovacího tlačítka.
Vypnutí lze provést stiskem tlačítka E-STOP. Ovšem v případě poruchy, např. svaření
kontaktů stykače R, nedojde k zastavení nebezpečného pohybu.
88
Minos++
Obr. 6-1 Příklad technického řešení řízení kategorie B
6.4.2. Kategorie 1
Tato kategorie ve svém principu vychází z kategorie B, kde ovšem musí být použity
osvědčené bezpečnostní zásady a ovládací prvky musí být navrženy a vyrobeny za použití
osvědčených součástí.
Pro názornost je možné tuto kategorii definovat schématem zpracování dle Obr. 6-2 .
Z osvědčených součástí, které mohou a jsou v této kategorii používány, můžeme jmenovat
např. polohový spínač pro bezpečné použití.
Z osvědčených principů to jsou mimo jiné např.
• nucené rozpínání - kde např. kontakty jsou pomocí pevného spojení spojeny
s ovládací vačkou viz. Obr. 6-3.
• pozitivní ovládání
• nucené vedení
• předimenzování
Jako příklad je možno ukázat zapojení na Obr. 6-2b, kde zapojení ovládacích prvků se v
zásadě neliší od kategorie B, pouze s tím rozdílem, že je zde vložena signálka, která
detekuje obsluze stav motoru (zdali je motor spuštěn či nikoliv).
V systému s kategorií 1 není opět žádné diagnostické pokrytí, ale střední doba mezi
poruchami jednotlivých kanálů zapojení musí být dlouhá.
Obr. 6-2 Blokové schéma a příklad technického řešení řízení kategorie 1
89
Minos++
Obr. 6-3 Nucené rozpínání kontaktů
6.4.3. Kategorie 2
Tato kategorie ve svém principu vychází z kategorie B v kombinaci s kategorií 1. Dále ovšem
musí splňovat požadavky na ovládací prvky tak, aby jejich funkce byla v určitých případech
kontrolována.
Kontrola by měla být prováděna buďto při spuštění stroje nebo před inicializací jakékoliv
nebezpečné situace.
Pro názornost je možné tuto kategorii definovat schématem zpracování dle Obr. 6-4a., kde je
názorně zobrazen rozdíl oproti předcházejícím kategoriím a to částí periodického
(cyklického) testování.
Jako příklad je možno ukázat zapojení na Obr. 6-4b, kde tlačítko START zajišťuje dvojí
funkci a to funkci START, pokud tlačítko stisknu a pustím, případně funkci TEST, pokud
tlačítko držím. V průběhu funkce TEST výstupní motor je stále v klidovém stavu a zapíná se
až uvolněním tohoto tlačítka.
Vyšší zabezpečení tohoto zapojení zajišťuje sériové zapojení dvou spínacích kontaktů.
V systému s kategorií 2 musí být průměrné diagnostické pokrytí všech
bezpečnostních částí ovládacího systému, včetně detekce závady, na nízké úrovni.
Střední doba mezi poruchami jednotlivých kanálů zapojení musí být krátká až dlouhá.
6.4.4. Kategorie 3
musí splňovat požadavky na ovládací prvky tak, aby bylo možno detekovat závadu v
ovládání ještě předtím než tato závada způsobí narušení bezpečnostní funkce.
90
Minos++
Pro názornost je možné opět tuto kategorii definovat schématem zpracování dle Obr. 6-5a.,
kde je vidět v převážné většině používaný princip zdvojení se vzájemnou provázaností
jednotlivých větví ovládání.
Jako příklad je možno ukázat zapojení na Obr. 6-5b, kde je vidět zapojení dvou nezávislých
okruhů ovládání s redundantním (zdvojeným) zapojením jak pro tlačítko START, tak pro
tlačítko STOP. V případě jakékoliv poruchy v jednom z okruhů, dojde k ostavení ovládaného
pohonu přes sériové zapojení dvou spínacích kontaktů v silové části.
6.4.5. Kategorie 4
musí splňovat požadavky na ovládací prvky tak, aby bylo možno detekovat závadu v
ovládání ještě předtím než tato závada způsobí narušení bezpečnostní funkce, ale v případě
nahromadění více nedetekovaných závad nesmí dojít na rozdíl od kategorie 3 ke ztrátě
bezpečnostní funkce systému.
Pro názornost je možné opět tuto kategorii definovat schématem zpracování dle Obr. 6-6a,
kde je vidět v převážné většině používaný princip zdvojení se vzájemnou provázaností
jednotlivých větví ovládání s dodatečnou komunikací mezi nezávislými větvemi.
Jako příklad je možno ukázat zapojení na Obr. 6-6b, kde je vidět zapojení dvou nezávislých
okruhů ovládání s redundantním (zdvojeným) zapojením jak pro tlačítko START, tak pro
tlačíto STOP. V případě jakékoliv poruchy v jednom z okruhů, dojde k odstavení ovládaného
pohonu přes sériové zapojení dvou spínacích kontaktů v silové části. Do tohoto bodu je v
zapojení obdobné zapojení pro kategorii 3. Ovšem s rozdílem, že v případě, že dojde-li k
více poruchám, např. dojde ke svaření silových kontaktů obou stykačů K1 a K2, u tohoto
zapojení je zajištěna bezpečnostní funkce a pohyb nejde opět nastartovat.
91
Minos++
6.5. Bezpečnostní ochranná zařízení
6.5.1. Zařízení nouzového zastavení (Emergency stop device)
6.5.1.1.1.1 Požadavky na zařízení nouzového zastavení jsou uvedeny v EN ISO
13850. Toto mezinárodní norma specifikuje funkční požadavky a
konstrukční zásady pro funkci nouzového zastavení u strojních zařízení,
nezávisle na druhu energie použité pro ovládací funkci. Za zařízení
nouzového zastavení je zde považováno ručně ovládané ovládací
zařízení používané k iniciování funkce nouzového zastavení. Toto
zařízení může mít podobu hřibovitého tlačítka, drátu, lanka, tyče, páky
nebo nožního pedálu a musí být umístěno na každém ovládacím místě
obsluhy. Ovladač nouzového zastavení musí mít červenou barvu a pozadí
za ovladačem musí být žluté. Toto zařízení musí používat princip přímého
nuceného vypínání s mechanickým zajištěním západkou.
Obr. 6-7 Ukázka nouzových STOP tlačítek
92
Minos++
6.5.2. Bezpečnostní světelné závory (Safety Ligt Curtain)
Požadavky na umístění těchto ochranných zařízení uvádí EN 999. Pomocí bezpečnostní
světelné závory se kolem nebezpečného místa vytvoří tzv. „světelný plot“, který hlídá vstup
do tohoto prostoru. Světelné závory umožňují do hlídaného prostoru volný vstup, ale při
přerušení paprsku musí dojít k zastavení nebezpečných pohybů.
Instalují se do tzv. bezpečné vzdálenosti (safety distance) S, což je minimální vzdálenost od
paprsku světelné závory k nebezpečnému prostoru.
S = (K×T) + C
Kde:
K – rychlost přiblížení těla (částí těla) obsluhy. Pro tělo obsluhy platí K=1600mm/s.
T – čas potřebný k zastavení nebezpečných pohybů
C – doplňující vzdálenost respektující vniknutí směrem k nebezpečnému prostoru bez
přerušení paprsku závory. Pro nataženou paži platí C=850mm, tato hodnota zajistí, že nelze
dosáhnout do místa nebezpečí skrz paprsky světelné závory.
Pokud je počet vysílaných světelných paprsků menší než šest, hovoří se zpravidla o tzv.
bezpečnostních světelných mřížích Obr. 6-8.
Obr. 6-8 Bezpečnostní světelná mříž společnosti SICK
Extrémním případem jsou bezpečnostní světelné závory s jediným vysílaným světelným
paprskem. Pro svou jednoduchost a nízkou cenu se často používají pro některé méně
náročné aplikace. U těchto jednoduchých světelných závor může být vysílač i přijímač
ve společném pouzdře, potom se jedná o tzv. reflexní optické závory Obr. 6-9. Odrazka
umístěná na opačné straně odrazí paprsek zpět do přijímače. Snímaný objekt přeruší
odražený světelný paprsek a způsobí změnu stavu výstupního signálu. Vysílač i přijímač
pracuje se společnou čočkou. Vysílané světlo prochází rozdělovacím zrcadlem a čočkou na
odrazku. Odrazka odráží vysílané světlo zpět na čočku.
Obr. 6-9 Reflexní optická závora
93
Minos++
Druhou variantou je umístění vysílače a přijímače na opačných stranách, potom se jedná o
jednocestné optické závory Obr. 6-10. Předmět přerušuje světelný paprsek a způsobuje
sepnutí přijímače bez ohledu na vlastnost svého povrchu.
Obr. 6-10 Jednocestné optické závory
U vícepaprskových světelných závor rozteč, neboli vzdálenost sousedních světelných
paprsků definuje, jakou má bezpečnostní světelná záclona rozlišovací schopnost a jak je
účinná. Čím je rozteč světelných paprsků menší, tím menší vnikající objekt může světelná
záclona zjistit. Rozlišení světelné záclony musí odpovídat požadovanému stupni ochrany.
Má-li se např. zabránit, aby prst obsluhující osoby nemohl vniknout do chráněného prostoru,
je třeba použít světelnou záclonu s rozlišením 14 nebo 20 mm. Pro ochranu rukou obsluhy
vyhoví rozlišení 30 nebo 50 mm a pro ochranu přístupu osob do chráněných oblastí stačí
rozlišení větší než 100 mm.
Obr. 6-11 Příklad použití světelné závory
6.5.3. Bezpečnostní laserový scanner
Oproti světelným závorám se bezpečnostní laserový scanner používá pro detekci přítomnosti
obsluhy v chráněném prostoru. Zpravidla bývá umístěn 300mm nad podlahou.
94
Minos++
Obr. 6-12 laserové scanery
Princip činnosti scanneru je založen na impulsním infračerveném paprsku. Paprsek, který
vychází z fotodiody prochází optickou soustavou a dopadá na otočné zrcadlo. To jej
vychyluje tak, že vzniká hlídaná detekční zóna ve tvaru kruhové výseče.
Paprsek se šíří prostorem, odráží se od osob nebo objektů, které se nacházejí v hlídaném
prostoru. Tyto odražené paprsky jsou scannerem detekovány a zpracovány.
Na Obr. 6-13 jsou uvedeny dvě aplikace laserového scanneru společnosti SICK. Na Obr.
6-13a je použit scanner, který je naprogramován na dva hlídané prostory. Pokud obsluha
vstoupí do prvního hlídaného prostoru, scanner výstražným signálem upozorní obsluhu, že
se nachází v hlídaném prostoru. Pokud i přesto obsluha vstoupí do druhého hlídaného
prostoru, dojde k zastavení robotu. Na Obr. 6-13b je použit scanner naprogramovaný pro
dva hlídané pracovní prostory. Scanner může dle programu střídavě hlídat jedno a pak druhé
pracoviště.
a
b
Obr. 6-13 aplikace laserového scaneru
6.5.4. Pevné zábrany
Zabezpečení nebezpečného prostoru je často realizováno pomocí pevných zábran. Pokud
lze přes nebo skrze tyto zábrany (mříž, pletivo) dosáhnout do nebezpečného prostoru, musí
jejich vzdálenost od nebezpečného prostoru respektovat dosah horních a dolních končetin
přes nebo skrze tyto zábrany. Hodnoty bezpečných vzdáleností k zamezení dosahu
k nebezpečným prostorům jsou uvedeny v EN ISO 13857.
95
Minos++
Obr. 6-14
Příklady dosahu končetin přes nebo skrze zábranu
6.5.5. Bezpečnostní dveřní snímače
Je-li k ochraně nebezpečného prostoru použito pevných zábran, lze do nebezpečného
prostoru vstoupit pouze k tomu určenými přístupovými místy.
Tyto vstupu jsou opatřeny bezpečnostními dveřními snímači, které řídícímu systému
signalizují případný vstup do prostoru. Při otevření (např. dveří), dojde k rozpojení
bezpečnostního spínače a tím dojde k zastavení nebezpečných pohybů.
Obr. 6-15 bezpečnostní zámky společnosti SICK
Řešení A
Řešení B
Obr. 6-16 Princip funkce bezpečnostního zámku s blokováním a jištěním
Na Obr. 6-16 jsou v pozicích 1 dveře uzavřeny a zajištěny. Zatímco řešení A zajistí že i v
případě poruchy přívodu energie jsou uvolňovací kontakty (21-22) stále sepnuty a dveře
zajištěny, řešení B umožňuje v případě výpadku energie dveře otevřít.
96
Minos++
V pozici 2 se u řešení A přivádí napětí na cívku (A1, A2) a u řešení B odpojuje energie od
cívky, čímž dojde k rozepnutí uvolňovacích kontaktů (21-22) a odjištění dveří.
V pozici 3 je znázorněno otevření dveří, při kterém dochází k rozepnutí polohových kontaktů
dveří (11-12), které inicializují blokování pohonů.
6.5.6. Nášlapné rohože
Slouží k zajištění větších ploch kolem nebezpečných míst. Vstup osoby na rohož musí
vyvolat zastavení všech nebezpečných pohybů.
Rohož je tvořena dvěma kontaktními plochami, které se v klidu nedotýkají. Při vstupu na
rohož dojde důsledkem váhy obsluhy ke spojení kontaktních ploch 1 a 2 a vyvolání povelu k
zastavení nebezpečných pohybů.
Horní kontaktní plocha bývá opatřena ochrannou vrstvou s protiskluzovým povrchem, aby
nemohlo dojít k uklouznutí obsluhy.
obr. 6-17 Řez nášlapnou rohoží
6.6. Příklad zabezpečení robotizovaného pracoviště
Na Obr. 6-18 je uveden příklad kombinace bezpečnostních prvků robotizovaného pracoviště.
U každého vstupního místa je umístěn ovládací panel se zařízením nouzového zastavení.
Prostor otočného stolu je hlídaný vícepaprskovou optickou závorou a vstupní dveře pomocí
bezpečnostního zámku. Zbylý prostor je ohrazen pevnou zábranou. Druhý pracovní prostor
je ze tří stran opatřen pevnou zábranou a celý vnitřní prostor je hlídán laserovým scannerem.
Obr. 6-18 Příklad zabezpečení robotizovaného pracoviště
97
Minos++
7. Použitá literatura
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
[16]
[17]
[18]
[19]
[20]
[21]
[22]
BELJANIN,P.N.: Promyšlennyje roboty. Mašinostrojenie, Moskva, Rusko,1975
HAVEL,I.M.: Robotika. Úvod do teorie kognitivních robotů. SNTL, Praha,1980
MATIČKA,R.- TALÁCKO,J.: Mechanismy manipulátorů a průmyslových robotů.
SNTL Praha, 1991
NODA,K.: Posobije po primeněniju promyšlennych robotov. Mir, Moskva, Rusko,
1975 (translated from Japanese)
http://www.energo.sk/images/stories/produkty/robotizovane_pracoviska/systemova
_integracia/003.jpg
http://www.elpakupecek.cz/index_produkt_cz.html
http://www.tmt.cz/vyrobni-program/dle-zarizeni/dopravniky-s-modularnimipasy/dopravniky-s-modularnimi-pasy.php
http://www.ates.cz/produkty/dopravniky/clankove/clankove.html
http://www.tmt.cz/vyrobni-program/dle-zarizeni/podvesne-dopravniky/podvesnedopravniky.php
_integracia/002.jpg
http://www.tmt.cz/vyrobni-program/dle-funkce/vyrobni-linky/vyrobni-linky.php
_integracia/004.jpg
http://www.designtech.cz/c/plm/navrh-robotizovanych-pracovist-1-dil.html
http://arc-h.trade.cz/prumyslovy-robot
http://triapex-export.trade.cz/prumyslovi-roboti
http://www.abb.cz/product/seitp327/a723d86e05979eeac12574e80043bb73.aspx?
productLanguage=cz&country=CZ
http://www.abb.cz/product/us/9AAC100715.aspx
http://www04.abb.com/global/gad/gad02007.nsf/0/C1870C4D21F3933DC12570C8
0036BD83/$File/Hydroforming%20line%202_720.jpg
http://www.sick.cz/cz/produkty/00/00/cs.html
http://www.contra-brno.cz/html/Download/matte.pdf
http://www1.siemens.cz/ad/current/index.php?ctxnh=7fe288086c&ctxp=home
http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=33493
98
Mechatronika
Modul 10: Robotika
Cvičebnice
(koncept)
Ing. Aleš Pochylý
Ing. Tomaš Kubela
Radim Blecha
Česká republika
Minos++
Robotika – Cvičebnice
1.
Otázka: Popište způsoby programování robotů
On-line programování …………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
Off-line programování ...……………………………………..………………………………….
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………………………………..
Programování robotu bezprostředním učením ………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………..
.…………………………………………….………………………………………………………
.…………………………………………….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
Zprostředkované programování robotu ……………………………………………………….
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
1
Minos++
2.
Otázka: Popište rozdělení úchopných prvků
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
3.
Otázka: Stanovte potřebný průměr tekutinového motoru pro chapadlo dle
vyobrazení
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
2
Minos++
4.
Otázka: Popište a schematicky znázorněte různé druhy kinematických dvojic,
používaných ve stavbě průmyslových robotů a manipulátorů
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
5.
Otázka: Za jakým účelem se používají periferní zařízení (PZ) k průmyslovým
robotům a manipulátorům?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
3
Minos++
6.
Otázka: Jakou funkci mají periferní zařízení (PZ)?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
7.
Otázka: Jaké výhody přináší použití periferní zařízení (PZ) v robotizovaném
technologickém pracovišti (RTP)?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
8.
Otázka: Jaké jsou konstrukční řešení periferní zařízení (PZ) z hlediska jejich
rozdělení??
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
9.
Otázka: Jaké jsou kladeny požadavky na funkci periferní zařízení (PZ)?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
10. Otázka: Jak dělíme periferní zařízení (PZ) podle jejich základní charakteristicky
konstrukce?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
11. Otázka: Jak lze rozdělit periferní zařízení (PZ) podle funkce přemisťování objektu,
resp. jeho těžiště?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
4
Minos++
12. Otázka: Jak lze rozdělit periferní zařízení (PZ) podle charakteristické konstrukce?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
13. Otázka: Jaké znáte druhy dopravníků?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
14. Otázka: K čemu slouží svařovací polohovadlo a přípravky?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
15. Otázka: Uveďte základní prvky robotizovaného pracoviště a ty nejdůležitější
popište
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
5
Minos++
16. Otázka: Jakými způsoby je možné řídit robotizované pracoviště z hlediska
propojení s dalšími periferiemi. Nakreslete schéma
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
6
Minos++
17. Otázka: Jaké jsou nezbytné prvky robotizovaného pracoviště pro obloukové
svařování.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
18. Otázka: Jaké jsou nezbytné prvky robotizovaného pracoviště pro bodové
svařování.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
19. Otázka: Jaký typ průmyslového robotu se nejčastěji používá pro jednoduché
manipulační operace, jakou je např. paletizace. Popište jeho konstrukci a
vysvětlete její význam.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
7
Minos++
20. Otázka: Uveďte hlavní přednosti robotizovaného nanášení barev
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
21. Otázka: Popište základní vybavení průmyslových robotů používaných pro
nanášení barev.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
22. Otázka: Popište druhy pracovišť pro nanášení barev z hlediska technologie.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
23. Otázka: Popište robotizované pracoviště určené k nanášení barev.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
8
Minos++
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
24. Otázka: Popište pracoviště určené k technologickým operacím jako je tváření a
obrábění.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
25. Otázka: Popište robotizované pracoviště určené k lepení
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
9
Minos++
26. Manipulační a měřící úloha
Zadání:
Průmyslový robot uchopuje postupně součásti – hřídele ze zásobníku (Shafts storage)
a umísťuje je do automatické měřicí stanice (Automatic measuring system), kde je
vyhodnocována délka hřídelů. Robot dává řídicímu systému měřicí stanice signál k
zahájení měření (tento signál zároveň indikuje správné umístění součásti v měřicím
systému). Měřicí procedura trvá přibližně 2 s. Poté je řídicímu systému robotu předán
signál, že měření je ukončeno a robot může součást odebrat (součást je uvolněna k
odebrání). Hřídele mohou mít následující délky: 120 mm (Shaft 1), 140 mm (Shaft 2),
152 mm (Shaft 3). Mohou se samozřejmě objevit i vadné kusy, které se označí jako
zmetky (Scrap). V závislosti na výsledku měření pak robot umístí součást na správné
místo (Shaft positions). Program robotu by měl začít ověřením, zda proces běží či je
zastaven (production start/stop).
Na základě získaných znalostí (zejména z příkladu v kap. 4.2.7) proveďte tyto úkoly:
•
•
•
•
•
•
sestavte ideové schéma pracoviště (ve 2D či 3D),
definujte nutné vstupy a výstupy,
definujte pracovní procedury robotu,
definujte potřebné pracovní body robotu,
sestavte vývojový diagram (flow chart) pro zadanou úlohu,
sestavte program pro danou úlohu (syntaxe ABB Rapid).
10
Minos++
Řešení:
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
•
Vstupy:
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
•
Výstupy:
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
11
Minos++
•
Pracovní procedury robotu:
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
•
Pracovní body robotu:
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
12
Minos++
•
Vývojový diagram:
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
13
Minos++
•
Příklad programu:
Program data declaration
M
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
P
Subroutines
with instructions
R
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
14
Minos++
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
P
R
Main routine with instructions and subroutine calls
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
15
Minos++
27. Otázka: Uveďte a popište kategorie bezpečnostních částí ovládacího systému
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
Kategorie B
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
Kategorie 1
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
Kategorie 2
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
16
Minos++
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
Kategorie 3
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
17
Minos++
Kategorie 4
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
28. Otázka: Jaké kategorii odpovídá architektura uvedená na obrázku?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
29. Otázka: 1.1.1.2 Je li robotizované pracoviště zabezpečeno potřebnými pevnými
zábranami a dostatečným počtem bezpečnostních senzorů u všech možných
vstupů, musí být i přesto vybaveno nouzovým stop tlačítkem??
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
18
Minos++
30. Otázka: Do jaké bezpečné vzdálenosti S je potřeba umístit světelnou závoru od
nebezpečného prostoru, je-li čas potřebný k zastavení nebezpečných pohybů
T=0,5s?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
31. Otázka: Jakou barvu musí mít ovladač nouzového zastavení a pozadí za
ovladačem?
………………………………………….….………………………………………………………
32. Otázka: Co znamená pojem reflexní optická závora?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
33. Otázka: Co znamená pojem jednocestná optická závora?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
34. Otázka: S jakým maximálním rozlišením je potřeba použít světelné záclony pro
ochranu vniknutí prstů do chráněného prostoru?
………………………………………….….………………………………………………………
ochranu vniknutí ruky do chráněného prostoru?
………………………………………….….………………………………………………………
19
Minos++
ochranu vniknutí osob do chráněného prostoru?
………………………………………….….………………………………………………………
37. Otázka: V jaké minimální vzdálenosti musí být umístěna fyzická překážka od
nebezpečného prostoru, jestliže je umožněn dosah přes zábranu (vizobrázek)?
Výška zábrany je 1000mm a výška nebezpečného místa je 1000mm
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
20
Minos++
nebezpečného prostoru, jestliže je umožněn dosah dolních končetin (typ dosahu
viz. Obrázek)? Výška k ochranné konstrukci je 450mm.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
40. Otázka: Uveďte požadavky na silové hnací komponenty.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
41. Otázka: Uveďte požadavky na funkci nouzového zastavení.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
21
Minos++
42. Otázka: Uveďte požadavky na redukovanou rychlost.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
43. Otázka: Je robotizované pracoviště uvedené na obrázku dostatečně
zabezpečené? Pokud ne, co by bylo potřeba provést, aby zabezpečení bylo
maximální?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
22
Minos++
44. Otázka: Čím je nutné robotizované pracoviště uvedené na obrázku ještě vybavit,
aby splňovalo bezpečnostní normy?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
45. Otázka: Uveďte požadavky na napájecí zdroje.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
23
Minos++
46. Otázka: Jaké můžete použít bezpečnostní senzory pro zajištění vstupu do
samostatných pracovních prostorů 1 a 2?
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
47. Otázka: Uveďte požadavky na skrytou energii.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
24
Minos++
48. Otázka: Uveďte požadavky na ovládací prvky.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
49. Otázka: Uveďte požadavky na výpadek nebo kolísání napájení.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
50. Otázka: Uveďte požadavky na nouzové stop tlačítko.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
51. Otázka: Uveďte požadavky na elektrická zařízení.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
25
Minos++
52. Otázka: Vysvětlete pojem škoda.
………………………………………….….………………………………………………………
53. Otázka: Vysvětlete pojem riziko.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
55. Otázka: Vysvětlete pojem koncový efektor.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
56. Otázka: Vysvětlete pojem robotický systém.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
57. Otázka: Vysvětlete pojem maximální prostor.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
58. Otázka: Vysvětlete pojem vymezený prostor.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
59. Otázka: Vysvětlete pojem operační prostor.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
60. Otázka: Vysvětlete pojem předpokládané používání.
………………………………………….….………………………………………………………
………………………………………….….………………………………………………………
26
Mechatronika
Modul 10: Robotika
Řešení
(koncept)
Ing. Aleš Pochylý
Ing. Tomaš Kubela
Radim Blecha
Česká republika
Minos++
Robotika – Příručka pro učitele
1.
Otázka: Popište způsoby programování robotů
On-line programování – On-line programování probíhá přímo na pracovišti. Robot je
programován pomocí uživatelského rozhraní (tech-pendant). V porovnání s Off-line
programováním má On-line programování následující výhody a nevýhody:
Výhody:
- Snadný přístup
- Robot je programován v souladu s aktuální pozicí koncového
efektoru
Nevýhody:
- Zaměstnává cenné výrobní zařízení
- Pomalý pohyb robotu během programování
- Obtížné programování struktury programu a výpočtů
- Přerušení výroby během programování
- Náklady odpovídají výrobní hodnotě
- Nedostatečně dokumentované
Off-line programování – Off-line programování probíhá na počítači. Programy robotu
mohou být ve většině případů vytvořeny opětovným použitím existujících CAD dat tak,
aby bylo programování rychlé a efektivní. Programy robotu jsou ověřovány simulací a
jakékoli chyby jsou opraveny.
Výhody:
- Neblokuje výrobní zařízení
- Efektivní programování struktury programu a výpočtů
s vyvinutým vybavením pro odstraňování chyb
- Lokace jsou postaveny podle modelů, což může znamenat, že
programátoři budou muset odladit programy on-line nebo
použít senzory.
- Efektivní programování lokací
- Ověřování programu pomocí simulace a vizualizace
- Dobře dokumentované pomocí simulačního modelu s
vhodnými programy
- Opakované použití existujících CAD dat
- Náklad nezávisí na výrobě. Během programování není výroba
zastavena
- Nástroje na podporu procesu, např.: volba svařovacích
parametrů
Nevýhody:
- Nutná investice do off-line programovacího systému
1
Minos++
Hybridní programování – Využitím výhod on-line a off-line programování lze dosáhnout
optimálního výsledku. Tento přístup je obvykle označován jako hybridní programování.
Program pro robot se většinou skládá ze dvou částí: lokace (pozice a uspořádání) a
logiky programu (řídící struktury, komunikace, kalkulace). Logika programu a většina
pohybových příkazů mohou být efektivně vytvořeny off-line pomocí opakovaného
použití CAD dat a pomocí interakce s programátorem. Pohybové příkazy pro lokalizaci
umístění obrobku v pracovní buňce robotu mohou být v případě potřeby programovány
on-line. Tímto způsobem lze využít výhod obou metod.
Programování robotu bezprostředním učením - programátor v režimu „TEACH“ vede
koncový efektor (technologickou hlavici) po požadované dráze, která se nahraje do
řídícího systému. Po aktivování nahraného programu robot naučenou činnost v režimu
„REPEAT“ neúnavně opakuje. Uplatnění takového robotu je zejména při průběžném
svařování po požadované dráze, nebo při nanášení nátěrových či ochranných hmot.
Zprostředkované programování robotu – programátor pomocí programovacího panelu
navádí koncový efektor robotu do požadovaného bodu, který se uloží do paměti
řídicího systému. Robot potom vykonává práci podle zadané činnosti mezi jednotlivými
body nebo v těchto bodech. Takový robot je velmi vhodný například pro bodové
svařování karoserií v automobilkách.
2.
Otázka: Popište rozdělení úchopných prvků
mechanické:
magnetické:
podtlakové:
- pasivní:
- pevně a stavitelné opěry
- pružné a odpružené čelisti
- aktivní:
- s hydromotorem
- s pneumotorem
- s elektromotorem
- s elektromagnetem
- pasivní:
- permanentní magnety
- aktivní:
- elektromagnety
- pasivní:
- deformační přísavky
(alternativa: s pomocným ventilem)
- aktivní:
- s vývěvou
- s ejektorem
speciální
2
Minos++
3.
Otázka: Stanovte potřebný průměr tekutinového motoru pro chapadlo dle
vyobrazení
Pro výpočet průměru lineárního tekutinového (pneumatického nebo hydraulického)
motoru, určeného například pro chapadlo s mechanikou podle obr.č.2.60 je možno
použít postup, odvozený od určení hnací sily Fv, pro kterou platí
π.D2
Fv = p.
.ηv
4
kde D je průměr výkonného motoru, ηv je účinnost tekutinového motoru. Pro poměr
hnací Fv a uchopovací síly Fu platí
Fv 2b
=
. cos 2 γ
Fu
a
a pro výpočet potřebného průměru výkonného motoru (pohonu) platí
D = 4. cos γ.
Fu .b
a.π.p.ηv .ηi
kde γ je úhel přenosu, ηi je účinnost převodového mechanismu mezi výstupnou pístnicí
motoru a čelistmi.
4.
Otázka: Popište a schematicky znázorněte různé druhy kinematických dvojic,
používaných ve stavbě průmyslových robotů a manipulátorů
Kinematická dvojice translační (T) - Znázornění této kinematické dvojice je poměrně
jednoduché, neboť stačí napodobit lineární posuv dvou těles po sobě. Je však nutno
respektovat relativnost možného pohybu posouvajících se těles:
- po delším vedení se posouvá kratší těleso - tzv. suportové, či saňové provedení (a)
- v kratším vedení se posouvá delší těleso - tzv. smykadlové provedení (b)
- výsuvné, případně teleskopické provedení (c)
-
a)
b)
c)
Ve výše uvedeném vyobrazení se bez dalšího vyznačování předpokládá, že pohyblivý
člen v kinematické dvojici nemá možnost se současně též otáčet.
Kinematická dvojice rotační (R) - Při znázornění rotační kinematické dvojice (RKD) je
nutno respektovat jejich specifika, která představují buď rotaci kolem vlastní osy, nebo
3
Minos++
rotaci ramene o délce „r“ kolem mimostředné osy (kloub) a rovněž i směr pohledu
(nárys, půdorys, příp. bokorys) na otočný kloub.
-
5.
RKD s ramenem „r“ (a, c)
RKD s rotací kolem vlastní osy (b, d)
RKD bez omezení úhlu rotace (e)
RKD s omezením úhlu natáčení (f)
Otázka: Za jakým účelem se používají periferní zařízení (PZ) k průmyslovým
robotům a manipulátorům?
PZ jsou pomocné manipulační prostředky nebo také mezioperační mechanismy, které
slouží k vykonávání jednoduchých pohybů s objektem robotizace (například obrobek,
odlitek, svařenec, část montážního celku apod.), tak aby byl objekt v dosahu ramene
stacionárního průmyslového robotu (PR), nebo manipulátoru (M).
6.
Otázka: Jakou funkci mají periferní zařízení (PZ)?
Zprostředkovávají pohyb mezi jednotlivými pracovními operacemi v rámci
robotizovaného pracoviště (RP), které neobsáhne ani robot ani manipulátor svým
pracovním prostorem. Vytvářejí také potřebnou zásobu objektu, nebo také mění jeho
orientaci v prostoru. PZ tedy umožňují dopravu a skladování objektů, jednoduchou
manipulaci atd. PZ podstatně zjednodušují náročnost programování řídícího systému
RP a dále umožňují použít M nebo PR s nižším počtem stupňů volnosti nebo méně
náročnými technickými parametry.
7.
Otázka: Jaké výhody přináší použití periferní zařízení (PZ) v robotizovaném
technologickém pracovišti (RTP)?
Spolupráce manipulátoru nebo průmyslového robotu s periferními zařízeními přináší
zrychlení manipulačního procesu, zkracováním potřebných časů na manipulaci, ale
často také vyšší přesnost polohování s objektem.
8.
Otázka: Jaké jsou konstrukční řešení periferní zařízení (PZ) z hlediska jejich
rozdělení??
Konstrukční řešení periferních zařízení je vždy přizpůsobené určitému konkrétnímu
projektu RTP a lze je rozdělit podle několika hledisek a to podle: funkce kterou mají
plnit, charakteristických znaků konstrukce, umístění v robotizovaném pracovišti.
4
Minos++
9.
Otázka: Jaké jsou kladeny požadavky na funkci periferní zařízení (PZ)?
Funkce periferní zařízení lez rozdělit do třech základních skupin:
a)
periferie přemísťují objekty tak, že mění polohu svého těžiště, avšak orientace
v prostou zůstává zachována
b)
periferie mění orientaci objektu, tzn. že se otáčí podle osy ve svém těžišti, ale
objekt se nepřemisťuje
c)
periferie mění polohu těžiště i orientaci objektu.
10. Otázka: Jak dělíme periferní zařízení (PZ) podle jejich základní charakteristicky
konstrukce?
Podle charakteristické konstrukce dělíme periferní zařízení na dopravníky, otočné a
křížové stoly, zvedací a podávací zařízení, podávací zařízení se zásobníkem a
násypkou, palety, dopravní vozíky.
11. Otázka: Jak lze rozdělit periferní zařízení (PZ) podle funkce přemisťování objektu,
resp. jeho těžiště?
Přemisťování objektu se děje tak, že se mění poloha těžiště, avšak orientace objektu
zůstává zachována. Rozlišujeme tyto PZ se změnou těžiště (dle jeho polohy): změna
polohy těžiště po přímce, změna polohy těžiště po kružnici, změna polohy těžiště
v rovině, změna polohy těžiště v prostoru.
12. Otázka: Jak lze rozdělit periferní zařízení (PZ) podle charakteristické konstrukce?
Konstrukční řešení periferních zařízení je vždy přizpůsobené výrobnímu stroji,
manipulátoru nebo průmyslovému robotu, ale zeména účelu pracoviště, ale také
objektu robotizace (jeho tvarům, rozměrům, hmotnosti, počtu kusů atd.). Z hlediska
konstrukce je lze rozdělit na: dopravníky, savřovaí polohovadla a přípravky.
13. Otázka: Jaké znáte druhy dopravníků?
Dopravníky jsou základním činitelem dopravy součástek a dílců (objektů manipulace) a
jsou různého provedení a typu. Dopravují polotovary, hotové součásti, nástroje, výrobní
pomůcky, montážní celky i popřípadě odpad. Nejpoužívanějšími dopravníky jsou:
pásové dopravníky, článkové dopravníky, podvěsné dopravníky, vibrační dopravníky,
dopravníky v automatických výrobních a montážních linkách a válečkové tratě.
14. Otázka: K čemu slouží svařovací polohovadlo a přípravky?
Svařovacího polohovadlo s přípravkem se využívá pro ustavení polohy svařence.
Polohovadlo svarku fixuje svařenec (svařovanou součástku) a dále vykonává
jednoduché pohyby vůči rameni PR s technologickou hlavicí – svařovací hubicí pro
svařování elektrickým obloukem nebo se svařovacími kleštěmi (svařování bodové
odporové).
5
Minos++
15. Otázka: Uveďte základní prvky robotizovaného pracoviště a ty nejdůležitější
popište
- průmyslový robot (1)
- spojovací vedení (2)
- řídící systém – skříň jenž obsahuje řízení robotu, frekvenční měniče jednotlivých
pohonů a další možné periferie (3)
- ovládací panel (Teach pendant) – pomocí něj lze s robotem pohybovat v prostoru a
pomocí zaznamenaných bodů vytvořit tak dráhu kterou robot poté opakuje
v automatickém režimu (4)
- koncový efektor – je umístěn na hlavici robotu a slouží k vykonávání určité operace,
např. uchopování dílů, svařování apod.
- senzorické vybavení
- prvky zabraňující kolizi robotu s lidskou obsluhou např. mechanické zábrany
16. Otázka: Jakými způsoby je možné řídit robotizované pracoviště z hlediska
propojení s dalšími periferiemi. Nakreslete schéma
Řízení pouze s využitím základního řídícího systému robotu.
Propojení řídícího systému robotu s nadřazeným PLC pomocí průmyslové sběrnice
(fieldbus) (např. DeviceNet).
6
Minos++
Vzdáleným řízením komplexnějšího pracoviště s několika průmyslovými roboty pomocí
sítě Ethernet a OPC serveru.
17. Otázka: Jaké jsou nezbytné prvky robotizovaného pracoviště pro obloukové
svařování.
Základní prvky:
- svařovací zdroj
- hořák
- jednotka pro podávání drátu
Doplňkové prvky:
- kolizní senzor
- jednotka na čištění hořáku a zastřihávání drátu
- jednotka pro automatickou kalibraci TCP
- polohovadlo pro svařovaný dílec
7
Minos++
18. Otázka: Jaké jsou nezbytné prvky robotizovaného pracoviště pro bodové
svařování.
- svařovací zdroj
- kleště pro bodové svařování
- procesní jednotka zajišťující pravidelný oběh chladící kapaliny
19. Otázka: Jaký typ průmyslového robotu se nejčastěji používá pro jednoduché
manipulační operace, jakou je např. paletizace. Popište jeho konstrukci a
vysvětlete její význam.
Pro paletizační úlohy se využívá robot s redukovaným počtem os (4 DOF místo 6).
Není zde přítomna osa č. 4 a 5, jelikož takových úloh není nutné s polohovaným dílcem
natáčet v prostoru kolem os x a y. U paletizačního pracoviště postačuje rotace dílu
pouze kolem osy z. Správné natočení orientačního ústrojí robotu během jeho pohybu
zajišťují dvě táhla. Předností tohoto uspořádání je vyšší nosnost.
20. Otázka: Uveďte hlavní přednosti robotizovaného nanášení barev
Umožňuje ušetřit cca 25 – 30% nátěrových hmot oproti ručnímu způsobu nanášení
barev.
Je vhodný v případech, kdy výpary z nátěrových hmot mohou být nebezpečné pro
lidské zdraví.
21. Otázka: Popište základní vybavení průmyslových robotů používaných pro
nanášení barev.
- stříkací pistole
- procesní rozvod pro dopravu laků – externí, vedený vně robotů nebo integrovaný
uvnitř ramen (integrovaný převažuje)
- doprava barev - pomocí zubového čerpadla. Pohon čerpadla je realizován klasickým
servomotorem a po připojení k řídícího systému robotu se chová jako sedmá osa.
- dávkování barev – pomocí pneumaticky ovládanými regulátory tlaku s měřením
průtoku
8
Minos++
- změna druhu barvy – pneumaticky ovládané ventily
- vnější ochrana robotu – textilie, teflonový povrch
22. Otázka: Popište druhy pracovišť pro nanášení barev z hlediska technologie.
Nanášení tekutých barev, ředitelných pouze speciálními rozpouštědly – vyšší riziko
výbuchu, robot musí mít dostatečné krytí elektrických částí. Lepší přilnavost nanášené
vrstvy k povrchu.
Nanášení práškových barev – nehrozí riziko výbuchu, rychlost nanášení je pomalejší,
menší přilnavost nanášených vrstev k povrchu, někdy je pracoviště vybaveno ještě
jedním robotem, který připraví stříkaný povrch dílce pomocí předehřevu (např. plasma,
plamen).
23. Otázka: Popište robotizované pracoviště určené k nanášení barev.
(1) Místo pro nakládání a vykládání dílů z dopravníku, zajištěno průmyslovým robotem.
(2) Místo pro nástřik barev
(3) Místo pro schnutí barev (volné schnutí, průchodná vypalovací pec apod.)
(4) Buňky jsou vybaveny závěsným typem dopravníku pro přísun stříkaných dílů.
9
Minos++
24. Otázka: Popište pracoviště určené k technologickým operacím jako je tváření a
obrábění.
Pracoviště pro tváření – robot pracuje jako pomocný manipulátor, který mění polohu a
orientaci ohýbané součásti v ohýbacím stroji (ohýbání plechů, tvarování trubek)
Pracoviště pro obrábění – jako koncový efektor robotu je nasazena vysokorychlostní
obráběcí hlava
Pracoviště pro broušení – robot je vybaven brousící hlavou a silomomentovým
senzorem, který měří síly a momenty a zajišťuje tak konstantní přítlačnou sílu
vyvozovanou brousícím kotoučem
25. Otázka: Popište robotizované pracoviště určené k lepení
Robot je vybaven lepící pistolí a automatickým dávkovačem lepidla a vyhřívacím
stanovištěm, které zamezuje zatuhnutí lepidla v pistoli v případě, že je robot delší dobu
v nečinnosti. Někdy je pracoviště také vybaveno lokálním předehřevem lepeného dílu
z důvodu lepší přilnavosti povrchu (plazma).
26. Manipulační a měřící úloha
Zadání:
Průmyslový robot uchopuje postupně součásti – hřídele ze zásobníku (Shafts storage)
a umísťuje je do automatické měřicí stanice (Automatic measuring system), kde je
vyhodnocována délka hřídelů. Robot dává řídicímu systému měřicí stanice signál k
zahájení měření (tento signál zároveň indikuje správné umístění součásti v měřicím
systému). Měřicí procedura trvá přibližně 2 s. Poté je řídicímu systému robotu předán
signál, že měření je ukončeno a robot může součást odebrat (součást je uvolněna k
odebrání). Hřídele mohou mít následující délky: 120 mm (Shaft 1), 140 mm (Shaft 2),
152 mm (Shaft 3). Mohou se samozřejmě objevit i vadné kusy, které se označí jako
zmetky (Scrap). V závislosti na výsledku měření pak robot umístí součást na správné
místo (Shaft positions). Program robotu by měl začít ověřením, zda proces běží či je
zastaven (production start/stop).
Na základě získaných znalostí (zejména z příkladu v kap. 4.2.7) proveďte tyto úkoly:
•
•
•
•
•
•
sestavte ideové schéma pracoviště (ve 2D či 3D),
definujte nutné vstupy a výstupy,
definujte pracovní procedury robotu,
definujte potřebné pracovní body robotu,
sestavte vývojový diagram (flow chart) pro zadanou úlohu,
sestavte program pro danou úlohu (syntaxe ABB Rapid).
10
Minos++
Řešení:
•
Schéma pracoviště:
•
Vstupy:
•
Di_1
Začátek výroby
Di_2
Začátek měření
Výstupy:
Do_1
Stop výroby
Do_2
Měření ukončeno
Do_3
Hřídel 1 – 120 mm
Do_4
Do_5
Do_6
Odpad (není nutné)
11
Minos++
•
•
Pracovní procedury robotu:
Get_a_shaft
Robot uchopí hřídel ze skladu hřídelí
Shaft_placement_to_t
he_measuring_system
Robot umístí hřídel do měřícího systému
Shaft_1
Robot umístí hřídel do pozice Shaft 12
Shaft_2
Shaft_3
Scrap
Robot umístí hřídel do pozice Scrap
Grasp_shaft
Robot uzavře koncový efektor - hřídel uchopena
Release_shaft
Robot otevře koncový efektor - hřídel je uvolněna
Pracovní body robotu:
Get_a_shaft_position
Poloha k uchopení hřídele
Measuring_position
Měřící poloha pro měření hřídele
Shaft_1_position
Poloha pro hřídel 1 (120 mm length)
Shaft_2_position
Shaft_3_position
Scrap_position
Poloha pro odpad
12
Minos++
•
Vývojový diagram:
13
Minos++
•
Příklad programu:
Program data declaration
M
MODULE Shafts
CONST robtarget Get_a_shaft_position:=[[…]];
CONST robtarget Measuring_position:=[[…]];
CONST robtarget Shaft_1_position:=[[…]];
CONST robtarget Scrap_position:=[[…]];
PERS tooldata Gripper:= [[...]];
P
Subroutines with instructions
R
OC Grasp_shaft()
“Close Gripper”;
WaitTime 0.5;
ENDPROC ;
PROC Release_shaft()
“Open Gripper”;
ENDPROC
PROC Get_a_shaft()
MoveJ Get_a_shaft_position,v1000,z20,Gripper\wobj:= wobj0;
MoveL Offs(Get_a_shaft_position,0, 0,-50),v100, fine, Gripper\wobj:= wobj0;
Grasp_shaft;
MoveL Get_a_shaft_position,v100,fine, Gripper\wobj:= wobj0;
ENDPROC
PROC Shaft_placement_to_the_measuring_system()
MoveJ Measuring_position,v1000,z20,Gripper\wobj:= wobj0;
MoveL Offs(Measuring_position,0, 0,-50),v100, fine, Gripper\wobj:= wobj0;
Release_shaft;
MoveL Measuring_position,v100,fine, Gripper\wobj:= wobj0;
ENDPROC
PROC Shaft_1()
MoveL Measuring_position,v100,fine,Gripper\wobj:= wobj0;
Grasp_shaft;
MoveJ Shaft_1_position,v1000,z20,Gripper\wobj:= wobj0;
MoveL Offs(Shaft_1_position,0, 0,-50),v100, fine, Gripper\wobj:= wobj0;
Release_shaft;
MoveL Shaft_1_position,v100,fine, Gripper\wobj:= wobj0;
ENDPROC
PROC Shaft_2()
Grasp_shaft;
Release_shaft;
ENDPROC
14
Minos++
PROC Shaft_3()
Grasp_shaft;
Release_shaft;
ENDPROC
PROC Scrap()
Grasp_shaft;
MoveJ Scrap_position,v1000,z20,Gripper\wobj:= wobj0;
MoveL Offs(Scrap_position,0, 0,-50),v100, fine, Gripper\wobj:= wobj0;
Release_shaft;
MoveL Scrap_position,v100,fine, Gripper\wobj:= wobj0;
ENDPROC
P
Main routine with instructions and subroutine calls
R
OC Main()
IF Di_1=0 THEN
Set Do_1;
WaitUntil Di_1=1;
Reset Do_1;
ENDIF
Get_a_shaft;
Shaft_placement_to_the_measuring_system;
Set Di_2;
WaitUntil Do_2=1;
Reset Di_2;
IF Do_3=1 THEN
Shaft_1;
Reset Do_3;
ELSE
IF Do_4=1 THEN
Shaft_2;
Reset Do_4;
ELSE
IF Do_5=1 THEN
Shaft_3;
Reset Do_5;
ELSE
Scrap;
ENDIF
ENDIF
ENDIF
ENDPROC
ENDMODULE
15
Minos++
27. Otázka: Uveďte a popište kategorie bezpečnostních částí ovládacího systému
Kategorie (categoty) – představuje klasifikaci bezpečnostních částí ovládacího systému
(Safety-related parts of control systems) vzhledem k odolnosti proti závadám a jejich
chováni při vyskytující se závadě. Tuto klasifikaci ovlivňuje konstrukční uspořádání
částí, způsob detekce závady a spolehlivost použitých komponent. Těmto kategoriím je
přidělena jedna z pěti úrovní, označených jako kategorie B, 1, 2, 3 a 4.
Kategorie B - je základní kategorie. Bezpečnostní části ovládacího systému musí být
navrženy, vyrobeny, voleny, namontovány a kombinovány podle příslušných norem a
při použití základních bezpečnostních zásad pro specifická použití tak, aby odolávaly:
- očekávanému provoznímu namáhání (např. frekvenci spínání);
- vlivu zpracovávaného materiálu (např. barvy u robotizovaného pracoviště);
- jiným relevantním vnějším vlivům (např. mechanickým vibracím nebo poruchám v
dodávce energie).
V systémech kategorie B není žádné diagnostické pokrytí, takže výskyt závady může
vést ke ztrátě bezpečnostní funkce.
Na vyobrazení je uvedena stanovená architektura pro kategorii B, kde:
im – reprezentuje prostředky vzájemného propojení
I – představuje vstupní zařízení (např. polohový senzor)
L – zastupuje logické obvody ovládacího systému
O – znázorňuje výstupní zařízení (např. hlavní stykač)
Kategorie 1 – je kategorie se zlepšenou odolností proti závadám dosaženou především
volbou a použitím součástí. Pro tuto kategorii platí stejné požadavky jako pro kategorii
B, přičemž bezpečnostní části ovládacího systému kategorie 1 musí být navrženy a
vyrobeny použitím osvědčených součástí a osvědčených bezpečnostních zásad.
Za osvědčenou součást se považuje ta, která byla buď:
- již v minulosti široce používána se zdárnými výsledky v podobných použitích nebo
- vyrobena a ověřena při použití zásad, které prokazují její vhodnost a spolehlivost pro
bezpečnostní použití.
Stanovená architektura pro kategorii 1 je stejná jako u kategorie B. V systémech
kategorie 1 tedy rovněž není žádné diagnostické pokrytí, takže výskyt závady může
vést ke ztrátě bezpečnostní funkce.
Kategorie 2 – je kategorie se zlepšenou strukturou bezpečnostní částí řídícího
systému, která obsahuje periodickou kontrolu funkce ve vhodných intervalech. Kromě
toho musí tato kategorie rovněž splňovat požadavky kategorie B. Iniciování periodické
kontroly může být automatické a musí buď:
- umožnit provoz tehdy, nejsou-li detekovány žádné závady nebo
- vytvořit výstup, který iniciuje vhodnou kontrolní činnost, je-li detekována závada.
Tento výstup musí přednostně iniciovat bezpečný stav. Pokud to není
realizovatelné,musí alespoň vydat výstrahu o nebezpečí.
16
Minos++
Na vyobrazení je uvedena stanovená architektura pro kategorii 2, kde:
I – představuje vstupní zařízení (např. polohový senzor)
L – zastupuje logické obvody ovládacího systému
m – symbolizuje monitorování
O – znázorňuje výstupní zařízení (např. hlavní stykač)
TE – je zkušební zařízení
OTE – symbolizuje výstup ze zkušebního zařízení
Chování systému kategorie dva dovoluje, aby:
- výskyt závady mohl vést ke ztrátě bezpečnostní funkce mezi kontrolami;
- ztráta bezpečnostní funkce byla kontrolou detekována.
Kategorie 3 – bezpečnostní části ovládacího systému (SRPICS) kategorie 3 musí být
navrženy tak, aby jednotlivá závada v jakékoliv z těchto částí nevedla ke ztrátě
bezpečnostní funkce. Kdykoliv je to rozumně možné, musí být detekována jednotlivá
závada při nebo před nejbližší vyžadovanou bezpečnostní funkcí.
Na vyobrazení je uvedena stanovená architektura pro kategorii 3, kde:
c – znázorňuje křížové monitorování
I1, I2 – představují vstupní zařízení (např. senzory)
L1, L2 – zastupují oddělené logické obvody
m – symbolizuje monitorování
O1, O2 – znázorňuje výstupní zařízení (např. hlavní stykač)
17
Minos++
Chováni systému kategorie 3 dovoluje, aby:
- při výskytu jednotlivé závady byla vždy zajištěna bezpečnostní funkce;
- některé, ale ne všechny závady byly detekovány;
- nahromaděni nedetekovaných závad vedlo ke ztrátě bezpečnostní funkce.
Kategorie 4 – bezpečnostní části ovládacího systému (SRPICS) kategorie 3 musí být
navrženy tak, aby jednotlivá závada v jakékoliv bezpečnostní částí nevedla ke ztrátě
bezpečnostní funkce a jednotlivá závada byla detekovaná při nebo před nejbližšími
požadovanými bezpečnostními funkcemi, např. bezprostředně při zapnuti nebo na
konci provozního cyklu stroje. Jestliže tato detekce není možná, pak nahromadění
nedetekovaných závad nesmí vést ke ztrátě bezpečnostní funkce.
Stanovená architektura pro kategorii 4 je stejná jako u kategorie 3. Rozdíl mezi
kategorií 3 a kategorií 4 je vyšší průměrné diagnostické pokryti a použití součástí
s vyšší spolehlivostí a životností v kategorii 4.
Chováni systému kategorie 4 dovoluje, aby:
- při výskytu jednotlivé závady byla vždy zajištěna bezpečnostní funkce;
- závady byly detekovány dostatečně včas, aby bylo zamezeno ztrátě bezpečnostní
funkce;
- bylo přihlédnuto k nahromadění nedetekovaných závad.
28. Otázka: Jaké kategorii odpovídá architektura uvedená na obrázku?
Architektura uvedená na obrázku odpovídá stanovené architektuře kategorie 2. Jedná
se o architekturu, která obsahuje periodickou kontrolu funkce ve vhodných
intervalech. Iniciování periodické kontroly může být automatické a musí buď:
- umožnit provoz tehdy, nejsou-li detekovány žádné závady nebo
- vytvořit výstup, který iniciuje vhodnou kontrolní činnost, je-li detekována závada.
Chování systému kategorie dva dovoluje, aby:
- výskyt závady mohl vést ke ztrátě bezpečnostní funkce mezi kontrolami;
- ztráta bezpečnostní funkce byla kontrolou detekována.
29. Otázka: 1.1.1.2 Je li robotizované pracoviště zabezpečeno potřebnými pevnými
zábranami a dostatečným počtem bezpečnostních senzorů u všech možných
vstupů, musí být i přesto vybaveno nouzovým stop tlačítkem??
ANO
18
Minos++
30. Otázka: Do jaké bezpečné vzdálenosti S je potřeba umístit světelnou závoru od
nebezpečného prostoru, je-li čas potřebný k zastavení nebezpečných pohybů
T=0,5s?
S = (Vo * T) + C
Vo=1600mm (uvádí norma EN 999)
T= 0,5s
C = 850mm (uvádí norma EN 999)
S=(1600*0,5)+850
S=1650mm
31. Otázka: Jakou barvu musí mít ovladač nouzového zastavení a pozadí za
ovladačem?
Ovladač má barvu červenou, pozadí za ovladačem je barvy žluté.
32. Otázka: Co znamená pojem reflexní optická závora?
Jedná se o bezpečnostní světelnou závoru s jediným vysílaným světelným paprskem
určeným pro méně náročné aplikace. Vysílač i přijímač je ve společném pouzdře a
k odrazu paprsku je použita odrazka.
33. Otázka: Co znamená pojem jednocestná optická závora?
Jedná se o bezpečnostní světelnou závoru s jediným vysílaným světelným paprskem
určeným pro méně náročné aplikace. Vysílač i přijímač je umístěn na opačných
stranách. Tzn. vysílač i přijímač má vlastní samostatné pouzdro.
ochranu vniknutí prstů do chráněného prostoru?
Světelné záclony s rozlišením 14 nebo 20mm.
ochranu vniknutí ruky do chráněného prostoru?
Světelné záclony s rozlišením 30 nebo 50mm.
19
Minos++
ochranu vniknutí osob do chráněného prostoru?
Světelné záclony s rozlišením 100mm a větším.
Minimální bezpečná vzdálenost se určí pomocí normy ČSN EN 294. Jestliže z
nebezpečného místa plyne malé riziko, je minimální vzdálenost 1400mm. Jestliže z
nebezpečného místa plyne vysoké riziko, je minimální vzdálenost 1500mm.
Minimální bezpečná vzdálenost se určí pomocí normy ČSN EN 294. Pro otvor v
rozmezí 40 až 120mm je bezpečná vzdálenost minimálně 850mm.
20
Minos++
nebezpečného prostoru, jestliže je umožněn dosah dolních končetin (typ dosahu
viz. Obrázek)? Výška k ochranné konstrukci je 450mm.
Minimální bezpečná vzdálenost se určí pomocí normy ČSN EN 811. Pro výšku k
ochranné konstrukci 400 až 600mm a případu typu dosahu dle obrázku je minimální
bezpečná vzdálenost 800mm.
40. Otázka: Uveďte požadavky na silové hnací komponenty.
Mezi tyto komponenty patří např. hřídel motoru, otevřený pohon, hnací řemeny nebo
jiná hnací ústrojí. Nebezpečím, jejichž příčinou mohou být tyto komponenty, se musí
předcházet buď pevnými, nebo pohyblivými ochrannými kryty. Pohyblivé kryty musí
blokovat nebezpečné pohyby takovým způsobem, že jim zamezí dříve, než nebezpečí
vznikne.
41. Otázka: Uveďte požadavky na funkci nouzového zastavení.
Každé stanoviště umožňující spuštění robotu nebo iniciaci jiné nebezpečné situace,
musí mít možnost ručního ovládání funkce nouzového zastavení, která:
•
•
•
•
•
•
•
•
musí fungovat buď jako zastavení kategorie 0 nebo jako zastavení kategorie 1
(výběr kategorie nouzového zastavení závisí na výsledcích hodnocení rizika);
musí být nadřazena všem ostatním funkcím a činnostem ve všech režimech (má
nejvyšší prioritu);
umožňuje zastavení při jakémkoli nebezpečí;
přeruší přívod energie ke všem pohonům robotu (zastavení kategorie 0), nebo
musí být řízena tak, aby byl nebezpečný pohyb zastaven co nejrychleji (zastavení
kategorie 1), aniž by vznikla jiná nebezpečí;
kde je použito více než jedné řídicí jednotky, musí být účinné povely funkce
nouzového zastavení z jakékoliv řídicí jednotky,
odstraní jakékoliv jiné nebezpečí vzniklé následkem řízení robotu;
zůstává stále aktivní až do doby, než dojde k jejímu zrušení (reset) a
zrušení (reset) musí být provedeno výlučně ručně a nesmí způsobit opětné
spuštění robotu, ale pouze povolí restart.
21
Minos++
42. Otázka: Uveďte požadavky na redukovanou rychlost.
Pokud je nastaven chod s redukovanou rychlostí, rychlost upevňovací příruby
koncového efektoru a referenční bod manipulovaného předmětu nesmí překročit 250
mm/s.
Řízení při redukované rychlosti musí být konstruováno a provedeno tak, že v případě
jakékoliv jednotlivé racionálně předvídatelné závady (špatné funkci) nedojde
k překročení této rychlosti.
43. Otázka: Je robotizované pracoviště uvedené na obrázku dostatečně
zabezpečené? Pokud ne, co by bylo potřeba provést, aby zabezpečení bylo
maximální?
Zadní dveře nejsou zabezpečeny. Je potřeba tyto dveře opatřit bezpečnostním
dveřním snímačem.
22
Minos++
44. Otázka: Čím je nutné robotizované pracoviště uvedené na obrázku ještě vybavit,
aby splňovalo bezpečnostní normy?
Robotizované pracoviště nemá nikde nouzové stop tlačítko. Ke každému možnému
vstupu je potřeba umístit nouzové stop tlačítko.
45. Otázka: Uveďte požadavky na napájecí zdroje.
Robot musí být vybaven prostředky umožňující vypnutí každého svého nebezpečného
zdroje energie (např. elektrického, mechanického, hydraulického, pneumatického,
potenciálního apod.) Tyto prostředky musí mít možnost blokovaného nebo jinak
zabezpečeného vypnutí.
23
Minos++
46. Otázka: Jaké můžete použít bezpečnostní senzory pro zajištění vstupu do
samostatných pracovních prostorů 1 a 2?
- Jedna z možností je použití společného bezpečnostního laserového scanneru, který
je naprogramován zvlášť pro prostor 1 a zvlášt pro prostor 2.
- Jiná varianta je použití dvou světelných závor (pro každý prostor je použita
samostatná závora)
- Další z možných řešení by bylo použití nášlapných rohoží (pro každý prostor
samostatná rohož)
47. Otázka: Uveďte požadavky na skrytou energii.
Obsluha robotu (seřizovač, údržbář) musí mít k dispozici prostředky pro řízené
uvolnění skryté energie. Každý zdroj skryté energie (např. zásobník stlačeného
vzduchu a kapalin, kondenzátor, baterie, pružina, vyvažovací závaží, setrvačník) musí
být opatřen vhodným výstražným štítkem.
24
Minos++
48. Otázka: Uveďte požadavky na ovládací prvky.
Provedení a umístění ovládacích prvků musí být takové, aby se zamezilo neúmyslné
manipulaci (použití klíčem uzamykatelného přepínače nebo krytého tlačítka). Stav
ovládacích prvků musí být zřetelně indikován (např. zapnuto napájení, detekování
závady, automatický provoz) a popsán takovým způsobem, aby jasně zobrazoval svoji
funkci. Řídicí systém robotu musí být konstruován a proveden tak, že v případě
ovládání robotu pomocí jednoho programovacího zařízení (panelu), musí být
zamezeno jeho spuštění nebo změně volby lokálního ovládání z jakéhokoliv jiného
zdroje (např. druhého panelu).
49. Otázka: Uveďte požadavky na výpadek nebo kolísání napájení.
Roboty a koncové efektory musí být konstruovány a provedeny tak, aby výpadek nebo
kolísání elektrického, hydraulického, pneumatického nebo podtlakového napájení
nevyvolaly nebezpečnou situaci. K uchopení manipulovaného předmětu je potřeba
využívat mechanické principy nezávislé na přívodu energie (např. pružiny) a energii
využívat pokud možno pouze k uvolnění manipulovaných předmětů. Pokud to není
proveditelné, potom se vzniku případných nebezpečných situací musí předcházet
jinými metodami bezpečností ochrany (hydraulický zámek, akumulátor energie apod.).
Obnovení dodávky energie nesmí vest k samočinnému pohybu robotu nebo jeho
koncového efektoru.
50. Otázka: Uveďte požadavky na nouzové stop tlačítko.
Robot musí mít alespoň jeden bezpečnostní vypínací obvod (kategorie zastavení 0
nebo 1) zajišťující propojení na externí ochranná zařízení, přičemž:
zastavení kategorie 0 představuje zastavení robotu okamžitým odpojením přívodu
energie do ovládacích částí robotu (tzv. neřízené zastavení) a
zastavení kategorie 1 představuje řízené zastavení robotu s energií přiváděnou do
ovládacích částí stroje za účelem dosažení zastavení (po zastavení je přívod energie
odpojen).
Bezpečnostní vypínací obvod musí při aktivaci externího ochranného zařízení iniciovat
zastavení všech pohybů robotu, přerušení přívodu energie ke všem pohonům robotu a
do zastavení zamezit vzniku jakýchkoliv jiných nebezpečných situací vyvolaných
následkem řízení robotnickým systémem. Toto zastavení se může iniciovat ručně nebo
pomocí řídicí logiky.
51. Otázka: Uveďte požadavky na elektrická zařízení.
Konstrukce a provedení elektrických zařízení robotu musí být v souladu s
odpovídajícími požadavky ČSN EN 60204-1. Výše uvedená norma specifikuje
požadavky a pokyny pro elektrická zařízení strojů, se zaměřením na bezpečnost osob
a majetku, shodnost reakce na řídicí signál a snadnost údržby.
25
Minos++
52. Otázka: Vysvětlete pojem škoda.
Fyzické zraněn nebo poškození zdraví.
Situace, která může navodit zranění nebo poškození zdraví
Kombinace pravděpodobnosti výskytu škody (úrazu) a závažnosti této škody (tohoto
úrazu).
55. Otázka: Vysvětlete pojem koncový efektor.
Zařízení speciálně konstruované pro připojení k mechanickému rozhraní, které robotu
umožňuje vykonávat svou úlohu
56. Otázka: Vysvětlete pojem robotický systém.
Robotický systém zahrnuje robot, koncový efektor a jakékoliv zařízení, vybavení nebo
čidlo, které je potřebné pro plnění funkce robotu.
57. Otázka: Vysvětlete pojem maximální prostor.
Prostor, který mohou obsáhnout pohybující se části robotu stanovené výrobcem a dále
prostor, který obsáhne koncový efektor a obrobek
58. Otázka: Vysvětlete pojem vymezený prostor.
Část maximálního prostoru ohraničená omezujícími prostředky vytvářejícími meze,
které nebudou překročeny
59. Otázka: Vysvětlete pojem operační prostor.
Část mezního prostoru, která se skutečně využívá při vykonávání všech pohybů
zadaných pomocí uživatelského programu
60. Otázka: Vysvětlete pojem předpokládané používání.
Používání robotu podle informací uvedených v instrukcích pro používání.
26

Mechatronika - ADAM - Leonardo da Vinci Projects and Products

Transkript

Podobné dokumenty