Průmyslové roboty - střední průmyslová škola strojírenská a

AUTOMATIZACE
A
ROBOTIZACE
I.
Učební text pro žáky 3. ročníku oboru 23-41-M/001 Strojírenství
1
3 Průmyslové roboty
Širokému publiku představil slovo robot Karel Čapek ve své divadelním dramatu
R.U.R. (Rossumovi Univerzální Roboti) při premiéře v roce 1921. Hra začíná v továrně na
výrobu „umělých lidí“, tzv. robotů, kteří jsou ale bližší moderní myšlence androidů nebo
dokonce klonů, tvorů, kteří se mohou lidstvu vymknout z ruky. Mohou jasně uvažovat ve svůj
prospěch, ačkoliv se zdá, že jsou šťastni, když slouží. Karel Čapek sám nebyl původcem slova
robot; ve svém krátkém dopise v článku pro etymologický slovník oxfordské angličtiny uvádí
jako skutečného původce tohoto pojmu svého bratra, malíře a spisovatel Josefa Čapka. V
článku v českých Lidových novinách v roce 1933 také vysvětlil, že původně chtěl ty tvory
nazvat „laboři“ (z latinského labor, práce). Ale toto slovo se mu nelíbilo, protože bylo příliš
umělé, a tak požádal o radu svého bratra Josefa, který navrhl termín „roboti“.
Existuje řada různých definic robotů. Proto je někdy obtížné srovnávat počty robotů v
různých zemích. Ve snaze poskytnout všeobecně přijatelnou definici stanovila Mezinárodní
organizace pro standardizaci definici robota v normě ISO 8373, kde je robot definován jako
„automaticky řízený, opětovně programovatelný, víceúčelový manipulátor pro činnost ve
třech nebo více osách, který může být buď upevněn na místě nebo mobilní k užití v
průmyslových automatických aplikacích“.
5.1 Úvod do robotizace
5.1.1 Historie a vývoj
Myšlenka umělých lidí se datuje minimálně od časů starověké legendy o Kadmovi,
který zasel dračí zuby, a ty se proměnily ve vojáky, a od báje o Pygmalionovi, jehož socha
Galatea obživla. V řecké mytologii vytvářel zmrzačený bůh kovářství (Vulkán či Hefaistos)
mechanické sluhy od inteligentních, zlatých služebných, užitkovějších třínožek pohybujících
se na vlastní pohon až po robota Talose, který střežil Krétu. Návrhy podobající se robotům se
objevily již ve 4. st. př. n. l., kdy řecký matematik Archytas z Tarentu sestavil mechanického
ptáka poháněného parou a nazval ho „holub“. Jeden z prvních zachovaných návrhů
humanoidního robota je od Leonarda da Vinciho (1452–1519) přibližně z roku 1495. Da
Vinciho poznámky znovuobjevené kolem roku 1950 obsahují podrobné náčrty mechanického
rytíře schopného sedět, mávat pažemi, hýbat hlavou a čelistmi. Není však známo, zdali se mu
podařilo robota sestavit. Raný automat vytvořil v roce 1738 Jacques de Vaucanson, který
sestavil mechanického kačera schopného jíst a trávit zrní, mávat křídly a vyměšovat.
Společnost Westinghouse Electric Corporation vytvořila v roce 1926 Televox – prvního
robota schopného vykonávat užitečnou práci. Biolog Makoto Nishimura vyvinul a
zkonstruoval v roce 1928 prvního japonského robota Gakutensoku. První elektronické
samostatné roboty byly vytvořeny Williamem Greyem Walterem z neurologického institutu
Burden Neurological Institute v Bristolu v Anglii v letech 1948 a 1949. Byly nazvány Elmer a
Elsie. Tito roboti vnímali světlo, kontaktovali vnější objekty a používali tyto stimuly k
2
navigaci. Americký vynálezce George C. Devol vyvinul robotickou paži přibližně v roce
1982.
Obr. 109 Robotická paže
Trvalo až do druhé poloviny dvacátého století, než byly vynalezeny integrované obvody a
počítače, které rychle zdvojnásobovaly svou výkonnost, čímž bylo umožněno postavit takové
roboty, jaké si představujeme. Až do té doby byly automaty věci blízké robotům, a přestože
mohly vypadat jako humanoidi a jejich pohyby byly komplexní, nebyly schopny
samokontroly a rozhodování jako dnešní roboti.
Prvního skutečně moderního robota, digitálního, programovatelného a učenlivého, vyvinul
George Devol v roce 1954. Nakonec byl pojmenován Unimate. Prvního robota Unimate
prodal Devol firmě General Motors v roce 1960 a byl instalován roku 1961 v továrně v
Trentonu ve státě New Jersey, kde sloužil ke zvedání a skladování horkých kusů kovu z
tlakové slévárny.
5.1.2 Současné aplikace
Roboty lze rozdělit zhruba do dvou kategorií podle práce, kterou dělají:
3
•
práce, které umí robot dělat lépe než člověk (roboti mohou zvyšovat produktivitu,
přesnost a odolnost);
•
práce, které by člověk mohl udělat lépe než robot, ale je žádoucí, aby je člověk z
určitých důvodů nedělal (roboti lidem ušetří špinavé, nebezpečné a nudné práce).
Práce vyžadující rychlost, přesnost, spolehlivost nebo odolnost provádějí roboti
mnohem lépe než lidé. Tudíž mnoho pracovních činností v továrnách, kde je tradičně
vykonávali lidé, se nyní robotizuje. To vede k výrobě levnější hromadné produkce včetně
automobilů a elektroniky. V současné době již pracují roboty v továrnách více než 50 let, a to
od doby, kdy byl instalován robot Unimate, aby automaticky odebíral horký kov z tlakové
slévárny. Následně se automatizace výroby prostřednictvím velkých stacionárních
manipulátorů stala největším odbytištěm pro roboty. Počet instalovaných robotů rostl rychleji
a rychleji a dnes je na světě v provozu více než 1 mil. robotů. Polovina populace robotů je v
Asii, třetina v Evropě a 16 % v Severní Americe. V Oceánii a Africe je po 1 % robotů.
Nasazování PRaM (průmyslové roboty a manipulátory)
technologických profesí (viz. použitá literatura [6]):
Manipulace na obráběcích strojích, paletizace
Bodové odporové svařování karosérií a podvozku
Povrchové úpravy
Tlakové lití kovů a plastických hmot
Manipulace u tvářecích strojů
Obloukové svařování pod ochrannými plyny
Montážní a měřící práce
V hutích (odpichové roboty, těžké manipulační roboty)
Jiné práce (hlubinné dobývání, apod.)
z
pohledu
jednotlivých
52 %
15 %
12 %
8%
7%
2%
2%
1%
1%
Oblasti nasazení továrních robotů
Výroba automobilů
Dnes se jedná o primární příklad tovární automatizace. Během uplynulých třech
desetiletí v automobilkách začaly roboty převládat. Typická továrna je vybavena stovkami
průmyslových robotů pracujících v plně automatizovaných výrobních linkách; jeden robot na
každých deset lidských pracovních sil.
4
Obr. 110 Montážní linka
Obr. 111 Robotizace svařování
5
Obr. 112 Robotická obsluha vstřikovacího lisu
Balicí technika
Průmyslové roboty se také ve značné míře používají k paletizaci a balení vyráběné produkce,
např. k odebírání nápojových kartonů z konce dopravníkového pásu a rychlému umístění do
přepravek nebo k nakládání a vykládání v obráběcích centrech.
6
Obr. 113 Robotizovaná paletizace
Obr. 114 Robotizovaný balící stroj
Elektronický průmysl
Při hromadné výrobě tištěných obvodů jsou téměř výlučně používány roboty typu
„pick and place“ (seber a umísti). Takové roboty mohou přemístit několik součástek za
vteřinu (desítky tisíc za hodinu), což značně překoná člověka v rychlosti, přesnosti a
7
spolehlivosti. V případě automaticky řízených vozidel sledují mobilní roboty značky nebo
dráty na podlaze, případně používají zrak nebo lasery. Používají se k přepravě zboží v
prostoru velkých zařízení, jako jsou obchodní domy, přístaviště kontejnerů nebo nemocnice.
Obr. 115 Robot typu „pick and place“
Další aplikace
Existuje mnoho pracovních činností, které by člověk mohl dělat lépe než robot, ale z různých
důvodů je dělat nechce nebo nechce být přítomen u této práce. Práce může být příliš nudná,
např. vysávání prachu v domácnosti, nebo příliš nebezpečná, např. průzkum uvnitř vulkánu.
Tyto práce jsou známy jako „nudné, špinavé a nebezpečné“. Jiné činnosti mohou být zase
fyzicky nedostupné. Jde např. o průzkum nějaké planety, čištění vnitřku dlouhého potrubí
nebo provádění laparoskopické chirurgie.
Obr. 116 Úklidový robot
8
Obr. 117 Kování
Obr. 118 Laparoskopický robotický chirurgický přístroj
9
Protože cena robotů klesá a jejich výkon a použitelnost počítače se zvyšuje, jsou roboty
dostupné i dostatečně nezávislé, aby mohly být stále častěji vidět v domácnostech, kde
vykonávají jednoduché a nezábavné práce, jako např. vysávání prachu, čištění podlah a sekání
trávníků. Pokud nemůže být člověk přítomen na místě, kde se práce provádí, protože je to
nebezpečné, vzdálené nebo nepřístupné, používají se dálkově ovládané roboty neboli
teleroboty. Na rozdíl od sledování předem určené sekvence pohybů je telerobot řízen na dálku
člověkem operátorem. Robot může být v jiné místnosti nebo v jiné zemi, případně může být
ve velmi rozdílném poměru k operátorovi. Dálkově řízené letadlové roboty se stále častěji
používají pro armádní účely. Tyto roboty mohou být řízeny odkudkoli na světě a umožňují
armádě průzkum terénu, a dokonce i střelbu na cíl, aniž by byla ohrožena řídící obsluha.
5.1.3 Fakta versus fikce ohledně robotové automatizace
Existují určité úporně přetrvávající mýty o využívání robotu ve výrobních procesech.
Říká se, že použití robotu je rentabilní pouze pro velké série, říká se, že jsou nákladné a
realizace je obtížná. Nic nemůže být dále od pravdy. Díky současnému stavu techniky je
využití robotu mnohem snazší, flexibilnější a rentabilnější než tomu bylo dříve. Dnes lze
snadno automatizovat i malé série, čímž vzniknou zajímavé příležitosti také pro malé a střední
výrobce!
Fikce......
Nepravdivé tvrzení 1. Programování robota je složité, časově náročné a obtížně se učí.
Nepravdivé tvrzení 2. Svařovací robot se nikdy nemůže vyrovnat řemeslné zručnosti
kvalifikovaného svářeče.
Nepravdivé tvrzení 3. Využití svařovacího robota je rentabilní pouze při výrobě ve velkých
sériích.
Nepravdivé tvrzení 4. Pro provoz robota jsou zapotřebí vysoce kvalifikovaní pracovníci.
Nepravdivé tvrzení 5. Robot může provádět pouze jeden úkol a pracovat pouze s jedním
nástrojem.
Nepravdivé tvrzení 6. Robot je mimořádně nákladná záležitost.
.... a fakta:
1. Programování robota není obtížné ani časově náročné. Řídící panel robota má grafické
symboly, které programování usnadňují. Kromě toho většina řídících panelů využívá softwaru
Microsoft, se kterým je uživatel dobře obeznámen. Pro další usnadnění programovacích
činností existují na trhu různé nástroje. Roboty mohou být nyní například programovány přes
10
počítač pomocí tzv. off-line programovacího softwaru.
2. Není pochyb o tom, že kvalifikovaný svářeč má vlastnosti, které u robota chybí, ale na
druhé straně má zase svařovací robot mnoho výhod ve srovnání s člověkem. Ve většině
případů se člověk a stroj dobře doplňují. Svařovací robot nemá vůbec žádné problémy s
monotónní a náročnou prací: nikdy není nemocen, neobtěžují ho škodlivé výpary a je schopen
svařovat výrobek za výrobkem s tou největší možnou přesností.
3. Samozřejmě, že ne! I malé série lze perfektně automatizovat pomocí svařovacího robota. I
výroba jediného kusu je možná! Existuje několik výrobků na trhu, které dovolují flexibilní
výrobu jediných kusů a nebo malých sérií. Například: off-line programovací software pro
programování robota z PC bez nutnosti jej zastavit a flexibilní a multifunkční upínací rámy,
které robotu nabízejí několik výrobků.
4. Není pravda. Řídit robota je tak snadné, že instalace udělá práci pouhým stisknutím
tlačítka. Operátor musí jen umístit materiál a odebrat dokončené svařené výrobky. Pomocí
jednoduchého „uživatelského rozhraní“ může sám operátor vytvářet programy podle potřeby.
5. Také není pravda. Robot může nezávisle měnit nástroje a využívat například zachycovač,
svařovací hořák nebo plazmový řezací hořák. S těmito nástroji muže robot dělat lehké
montážní práce, a poté nakonec výrobek svařit a provést požadované drážky ve výrobku. A to
vše zcela bez zásahu obsluhy!
6. Robot nemusí být drahý. Existují nejrůznější „nízkorozpočtové“ robotové systémy na trhu,
se kterými lze většinu výrobku automatizovat. Je zřejmé, že pokud porovnáte nákupní cenu s
výkonem a úsporami mzdových nákladů, robotová automatizace se bude jevit jako velice
lukrativní záležitost!
11
5.1.4 Desatero dobrých důvodů, proč investovat do robotů
Použití robotů přináší mnoho výhod v širokém spektru aplikací. Výrobci, kteří uvádějí roboty
do výroby zaznamenávají významnou změnu v produktivitě a efektivitě.
Obr. 119 Ilustrační
1. snížení provozních nákladů
2. snížení zmetkovitosti
3. zlepšení opakované kvality a úrovně výrobků
4. zvýšení produkce za jednotku času
5. úspora pracovního místa
6. vylepšení pracovních podmínek pro zaměstnance
7. nahrazení nedokonalosti člověka
8. snížení odpadu materiálu
9. neporovnatelně lepší flexibilita výrobních linek
10. navýšení výtěžnosti a zisku
12
5.1.5 Rozdělení robotů
Členění manipulátorů, robotů a průmyslových automatů není dosud jednotně stanoveno a
v odborné literatuře najdeme celou řadu různých výkladů. Mezi nejčastější rozdělení patří
člení robotů do tří tříd:
1.
ruční manipulační zařízení uváděné do chodu operátorem (teleoperátory)
Manipulátory (teleoperátory) jednoúčelové i víceúčelové jsou manipulační zařízení
ovládané člověkem. Jejich úkolem je zesilňovat síly, respektive moment a pohybové možnosti
operátora. Rozdíl mezi jednoúčelovými a univerzálními je v konstrukčním provedení.
Jednoúčelové manipulátory mají omezenou možnost použití pro jiné případy manipulace.
Jako příklad lze uvést jednoúčelové teleoperátory (balancéry) pro zdvihání těžkých předmětů.
Univerzální manipulátory jsou konstrukčně složitější, kopírují pohyby člověka (řídícího
pracovníka). Manipulátor a člověk tvoří vlastně uzavřenou regulační smyčku.
Jsou nazývány zařízeními pracujícími na principu master-slave. Na obsluhovaném stroji
jsou nezávislé. Manipulátor a člověk (řídící pracovník) tvoří uzavřenou smyčku. Tato zařízení
přenášejí na dálku příkazy člověka.
Současná představa automatizace manipulačních cyklů je spojována jen s uplatněním
univerzálních manipulátorů a robotů, které jsou poměrně komplikované, a tedy i drahé. Potom
je jejich nasazení v jednodušších případech nevýhodné (z ekonomického hlediska, ale i z
hlediska malého využití jejich celkových možností). Při současné úrovni výroby je možné
řadu problémů, spojených s její automatizací, řešit pomocí jednoúčelových manipulátorů.
Několik příkladů manipulátorů:
Obr. 120 Přemisťování pytlů - přisátí pod tlakem
13
Obr. 121 Manipulace s válcovými částmi: rolemi a rourami
Obr. 122 Závěsný manipulátor
14
Obr. 123 Portálový manipulátor v kombinaci s manipulační paží doplňující palivo do
stíhacího letounu
15
Obr. 124 Manipulátor plochých předmětů
2. robot s pevnou sekvencí
Manipulátory s pevným programem pracují automaticky bez přímé účasti člověka.
Mohou opakovat jednodušší, pevně stanovené pracovní cykly, sestavené z dílčích pohybů,
jejichž velikosti je možné seřídit. Pracovní cyklus lze měnit - pokud je to vůbec možné bez
zásahu do konstrukce jen jiným zapojením řídícího obvodu, výměnou vaček apod.
3.robot s proměnlivou sekvencí snadno měnitelnou řídící sekvencí
Manipulátory s pružným programem (volně programovatelné manipulátory) pracují
automaticky na základě reprodukce vloženého programu, který se dá rychle změnit
přestavením zadaných prvků řídícího systému anebo výměnou nositele programu.
16
Průmyslové roboty jsou volně programovatelné manipulátory projevující se větším
rozsahem pohybových funkcí s .možností realizace manipulačních i technologických operací.
Charakteristickou vlastností adaptivních průmyslových robotů je schopnost korigovat zadaný
program podle informací získaných z pracovního prostředí pomoci čidel. Rozsah zásahu je
třeba chápat v několika stupních od úpravy parametrů jednotlivých pohybových úkonů přes
výběr pracovního cyklu z určitého souboru.
Kognitivní roboty jsou manipulační zařízení využívající prvky umělé inteligence, s
komplexním vnímáním okolí a s rozhodováním o své činnosti podle zadaných cílů a s
vysokou úrovní komunikace s člověkem. Roboty této kategorie sou schopny vytvářet
program své činnosti na základě požadovaných výsledků a to samozřejmě podle vložených
algoritmů zpracovaných člověkem. V souvislosti s touto generací robotů přicházejí v úvahu
ve větším rozsahu mobilní roboty a roboty s novými kinematickými principy realizace
pohybových funkcí. V současné době zcela výrazně převažuji v praktických aplikacích
zařízení do úrovně adaptivních robotů.
5.2 Stavba robotů
5.2.2 Základní části a jejich funkce
Obr. 125 Konstrukční skupiny
Periferie (vstupní a výstupní zařízení) :
Vstupní a výstupní zařízení usnadňují obsluhu a programování.
• panel pro ruční ovládání;
• terminál;
• mechaniky pro externí paměti;
• tiskárna.
Řízení:
17
řídící systém řídí podle uloženého programu činnost robotu ovládáním pohonů a ostatních
mechanismů, dále zajišťuje komunikaci s řídícím systémem výrobního stroje.
Konstrukce robotu:
• pohony
- pohybují osami průmyslového robotu do požadované polohy rychlostí zadanou
řízením;
•
kinematika
- mechanická konstrukce průmyslového robotu složená z kloubů a ramen určuje
pohybové možnosti chapadla, nástroje, apod.;
•
odměřovací zařízení
- snímají okamžitou polohu v každé souřadné ose;
•
senzory
- jedná se o měřící čidla, která zjišťují např. polohu součásti a úchylky jejich rozměrů.
5.2.2 Kinematické struktury
Vlastní mechanickou konstrukci průmyslového robotu tvoří pohybový systém, který je
většinou rozdělen do dvou oddělených částí.
První část tvoří hlavní pohybový systém, který zajišťuje nastavení polohy těžiště
objektu v prostoru (polohovací systém) a druhou část představuje vedlejší pohybový systém
(orientační systém), který určuje natočení - orientaci objektu v prostoru. Orientační systém
často rozšiřuje i funkci hlavního polohovacího systému a je konstrukčně soustředěn v
podskupině, která se označuje jako zápěstí.
Na výstupu celého pohybového systému je umístěna pracovní hlavice přizpůsobená
způsobu použití manipulátoru nebo robotu pro provádění manipulačních, popřípadě i jiných
technologických operací.
Manipulační schopnosti manipulátoru nebo robotu jsou určeny počtem kinematických
dvojic realizovaných v rámci konstrukce a způsobem řízení jejich relativního pohybu. Počet
nezávislých pohybů se vyjadřuje počtem stupňů volnosti. Zatím nejsou k dispozici objektivní
kriteria, která by umožnila hodnotit kvalitu jednotlivých kinematických struktur. Proto se v
průběhu vývoje objevilo velké množství variant konstrukcí tvořených různými kombinacemi
rotačních a translačních dvojic. Jednotlivé translační, popřípadě rotační pohyby se vyskytují u
jednoduchých manipulátorů, u universálních konstrukcí manipulátorů, popřípadě u robotů se
setkáváme se třemi pohyby v rámci hlavního polohovacího systému a dvěma až třemi pohyby
vedlejšího orientačního systému.
I když rozmanitost pohybových funkcí robotů se zdá být srovnatelná s pohyblivostí
lidské paže, je ve skutečnosti výrazný rozdíl nejen ve struktuře pohybového systému, ale i v
rozsahu jeho možností. Zásadní rozdíl mezi pohybovým systémem lidské paže a ramenem
robotu spočívá v tom, že výsledná pohybová funkce u robotu se dosahuje superpozicí
18
oddělených jednoduchých translačních a rotačních pohybů, zatímco elementy částí paže
člověka jsou pohyblivé v několika osách. Dílčí pohyby se přitom většinou ani nedají
jednoznačně označit za čistě rotační nebo translační.
Výrazný rozdíl je v rozsahu nezávislých pohybů. U technických zařízení se zatím počet
nezávislých pohybů drží na úrovni minima pro dosažení libovolné polohy ve volném
prostoru, zatímco lidská paže disponuje v tomto smyslu skoro pětinásobnou nadbytečností.
V rámci konstrukce průmyslových manipulátorů a robotů se rozlišují tyto základní typy
kinematických struktur hlavního pohybového systému:
a) kartézská kinematická struktura - tvořená třemi translačními kinematickými
dvojicemi: označení TTT;
b) cylindrická kinematická struktura - tvořená dvěma translačními a jednou rotační
kinematickou dvojicí: TRT;
c) sférická kinematická struktura – tvořená dvěma rotačními a jednou translační
kinematickou dvojicí: RRT;
Obr. 126 Kinematické struktury
d) Angulární kinematická struktura - tvořená třemi rotačními kinematickými dvojicemi :
označení RRR.
Obr. 127 Angulární kinematická struktura
Charakteristickou vlastností kinematické struktury manipulačního zařízeni je tvar a
rozměry pracovního prostoru, který opíše koncový referenční bod při využití všech
pohybových možností dané struktury.
Dalším důležitým parametrem, který vychází z konstrukčního zpracování příslušné
kinematické struktury je tzv. operační prostor vyjádřený rovněž tvarem, rozměry, popřípadě i
objemem. Je to prostor, který opisuje daná konstrukce při realizaci činnosti s využitím celého
pracovního prostoru.
19
Manipulační zařízení s kartézskou strukturou hlavního pohybového systému pracuje v
prostoru tvaru kvádru a charakteristickou vlastností je, že při polohování nedochází ke
změně orientace objektu.
Pravoúhlá kinematická struktura se vyskytuje u tzv. portálových konstrukcí
manipulačních zařízení.
Obr. 128 Portálová konstrukce
Manipulační zařízení s cylindrickou strukturou hlavního pohybového systému pracuje v
prostoru tvaru válcového prstence a charakteristickou vlastností je, že při polohování dochází
ke změně orientace objektu.
Válcová struktura je často provedena jako konstrukce s otočným základním sloupem,
který nese vertikálně a horizontálně pohyblivé hlavní manipulační rameno. Na konci ramene
je umístěn vedlejší pohybový systém. Konstrukce s válcovou strukturou jsou rozšířené v aplikacích obsluhy výrobních strojů. V těchto případech je většinou zápěstí opatřeno posuvným
pohybem nezbytným pro zasouvání a vyjímání objektů z upínače stroje.
Angulární kinematická struktura s torusovým prostorovým pracovním prostorem je v
současné době nejrozšířenější v konstrukcích univerzálních robotů, které mají zpravidla v
rámci zápěstí zařazeny dva, případně tři rotační pohyby.
20
Obr. 129 Robot s angulární kinematickou strukturou
Obr. 130 Pracovní rozsah robota s angulární kinematickou strukturou
Robot disponuje rotačními pohyby, které jsou odvozeny od kompaktních
elektromechanických motorových jednotek. Elektromechanický pohon je v současné době u
univerzálních robotů malé a střední nosnosti (do 150 kg) samozřejmostí. Motorová jednotka
obsahuje vedle motoru převodovku s velkým převodovým poměrem dopomala,
elektromagnetickou brzdu, čidlo rychlosti (tachogenerátor) a čidlo polohy (nejčastěji optické
čidlo s kódovými obrazci nebo inkrementální). V současné době se uplatňují převážně
stejnosměrné motory s buzením permanentními magnety, ale současně do konstrukcí pohonů
robotů rychle pronikají perspektivní střídavé motory. Motorová jednotka tvoří kompaktní
celek nasunutý do příslušného kloubu, přičemž mechanickou vazbu zajišťuje pevná spojka a
elektrické spoje - výkonové i signální, jsou provedeny přes konektory.
Vlastní konstrukce mechanické části manipulátorů a robotů je tvořena především
pohybovými jednotkami, které jsou konstrukčním zpracováním příslušné kinematické
struktury a tzv. pracovní hlavice, což je funkční část umístěná na konci celého pohybového
systému, tj. hlavního a vedlejšího a je svým provedením přizpůsobena charakteru dané
aplikace.
21
Pracovní rozsah manipulátorů a robotů se zvětšuje jejich umístěním na tzv. transportní
moduly.
Obr. 131 Lineární podlahový modul
Obr. 132 Rotační modul
22
Obr. 133 Portálový modul
Souřadnicové systémy robotů
Pomocí souřadnic jsou stanovovány body v pracovním prostoru robotu. Rozlišujeme :
• Prostorové souřadnice (pravoúhlé, kartézské).
Podobně jako u číslicově řízených obráběcích strojů jsou polohy bodů v pracovním
prostoru stanovovány pomocí pravoúhlého kartézského systémy. Poněvadž se přitom vždy
vztahují k počátku souřadného systému, jsou také označovány jako absolutní souřadnice.
Ke třem pravoúhlým osám X, Y, a Z je často zapotřebí definovat natočení kolem těchto os
(rotační pohyb).
Obr. 134 Souřadnicové systémy robotů
23
K najetí na požadovaný bod v prostoru s příslušnou orientací chapadla potřebuje koncový
člen robotu 6 na sobě nezávislých směrů pohybu. Na sobě nezávislé směry pohybu
označujeme jako stupně volnosti.
Poloha koncového členu označeného např. „F1“ je určena následujícími údaji:
F1 = (X, Y, Z, A, B, C),
kde X, Y, Z jsou souřadnice v lineárních osách (mm)
kde A, B, C určuje natočení kolem lineárních os (stupně)
Souřadnice chapadla (souřadnicový systém vztažený k nástroji).
V mnoha případech je výhodnější programovat polohu robotu v souřadném sytému,
který je vztažen k chapadlu. Počátek souřadnicových os je přitom umístěn do středu
chapadla. Kladný směr osy „Z“ směřuje od chapadla směrem k součásti – hlavní pracovní
směr.
Souřadné osy chapadla XG, YG, ZG
Přidáním písmene „G“ (gripper – chapadlo) se tyto osy odlišují od prostorových
souřadnicových os.
•
Obr. 135 Souřadnice chapadla
Souřadnice stroje (souřadnice kloubů).
U robotů s kloubovými rameny lze udávat polohu jednotlivých os uvedením úhlu
natočení. Úhly natočení kloubu jsou souřadnice vztažené ke stroji, které mohou být
přepočítány řízením na pravoúhlé prostorové souřadnice. Dále je uveden zjednodušený
výpočet pouze pro rovinu X/Z. Pomocí goniometrických funkcí lze na základě
pravoúhlých trojúhelníků dle obr. 136 odvodit následující vztahy:
•
24
Obr. 136 Transformace souřadnic
hodnota X = L2 . sin β + L3 . cos (β + γ – 90)
hodnota Z = L1 + L2 . cos β – L3 . sin (β + γ – 90)
Z tohoto musí řízení ve zlomcích milisekundy vypočítat hodnoty úhlů β a γ .
5.2.3 Pohony průmyslových robotů a manipulátorů
Funkcí pohonu manipulátoru i průmyslového robotu je přeměna vstupní - primární
energie na mechanický pohyb. Pohon je tvořen motorem, který zprostředkovává tuto
přeměnu, blokem pro ovládání energie do motoru a spojovacím blokem, který
zprostředkovává vazbu mezi výstupem motoru a pohyblivou částí pohybové jednotky. Pohyb
z výstupu motoru se na výstup pohybové jednotky přenáší buď přímo nebo přes transformační
blok.
V souvislosti s průmyslovými manipulátory a roboty jsou na jejich pohony kladeny především
tyto požadavky:
1. plynulý bezrázový rozběh a brzdění;
2. vysoká přesnost polohování;
25
3. dostatečná polohová tuhost;
4. minimální hmotnost;
5. minimální rozměry;
6. vhodné prostorové uspořádání.
Plynulý bezrázový rozběh a brzdění
Plynulý bezrázový chod je požadován z několika důvodů. Prvním je bezpečnost držení
přenášeného objektu, pro jejíž zaručení je při plynulém pohybu třeba menší úchopná síla než
při pohybu s rázy. Dalším důvodem je vyloučení kmitání pracovních hlavic kolem konečné
polohy, ke kterému by vzhledem k malé tuhosti konstrukcí mohlo docházet. Je zřejmé, že při
pohybu s rázy je nepříznivější namáhání konstrukce a dochází k jejímu rychlejšímu
opotřebení. To se projevuje ve snížení spolehlivosti a životnosti zařízení.
Vysoká přesnost polohování
Přesnost polohování pracovní hlavice je závislá na kinematické struktuře a na tuhosti její
realizace, na přesnosti ovládání pohonu a na způsobu registrace polohy. Při ovládání pohonu
v souvislosti s řízením pohybu se rozlišují dva základní principy:
1.
2.
řízení pohybu bez zpětné vazby - otevřený systém;
řízení pohybu se zpětnou vazbou - uzavřený systém.
Dostatečná polohová tuhost
Charakteristickou vlastností činnosti pohybových jednotek manipulátorů a robotů jsou
přetržité vratné pohyby. Od pohonu pohybové jednotky, která je v klidu, se požaduje udržení
dosažené polohy i při působení vnějších sil do určité úrovně. Polohovou tuhostí se potom
rozumí schopnost pohonu udržet dosaženou polohu. Tato se zajišťuje v rámci konstrukce
vazby mezi výstupem motoru a výstupem pohybové jednotky. Vysokou polohovou tuhostí
disponují např. hydraulické motory při zablokování kapaliny v pracovním prostoru motoru
prostřednictvím rozvaděče. Minimální polohovou tuhost mají elektromotory a pneumatické
motory. V tomto případě je řešením např. umístění brzdy mezi výstup motoru a výstup
pohybové jednotky. Toto uspořádání je ovšem problematické s ohledem na dále uvedené
požadavky na pohon.
Minimální hmotnost
Hmotnost pohonu ovlivňuje celkovou hmotnost pohybové jednotky. U sériových
koncepcí kinematických struktur, kdy pohony mohou být umístěny přímo v prostoru
jednotlivých pohybových jednotek ovlivňuje hmotnost pohonů dynamické chování celé
26
konstrukce manipulátoru nebo robotu. Požadavkem na minimální hmotnost pohonu se sleduje
dosažení situace s minimálními hmotnostmi pohybujících se částí konstrukce s ohledem na
dynamiku a energetickou náročnost.
Minimální rozměry
Minimální rozměry pohonu souvisí jednak s předcházejícím požadavkem na
minimální hmotnost a jednak s vytvořením předpokladů pro dosažení co nejlepších
manipulačních vlastností. V druhém případě jde o problém překrývání pracovního prostoru
manipulátoru nebo robotu částmi jeho konstrukce.
Vhodné prostorové uspořádání
Vhodné prostorové uspořádání pohonu ovlivňuje celkové uspořádání konstrukce
manipulátoru nebo robotu, a tím se podílí na pracovních možnostech celé konstrukce ve
vztahu k úrovni schopností pro činnost v prostoru s překážkami apod.
Hlavním prvkem pohonu je motor. Podle druhu energie přiváděné na vstup motoru se rozlišují
pohony:
•
elektrické;
•
tekutinové;
•
kombinované.
Elektrické pohony pracují s elektromotory. Tekutinovým pohonem se rozumí hydraulický,
popřípadě pneumatický pohon. Kombinované pohony lze chápat buď v rámci pohonu jedné
pohybové jednotky nebo v rámci celého manipulátoru. V prvním případě jde např. o spojení
elektromotoru přes kopírovací systém s hydromotorem a v druhém případě je např. některá
pohybová jednotka manipulátoru vybavena elektromotorem a jiná tekutinovým motorem.
V poslední době je nejrozšířenější v oblasti konstrukce robotů elektrický pohon.
Hydraulický pohon byl do značné míry postupně vytlačen do prostoru zařízení vyšších
nosností. Pneumatický pohon zaujímá významné postavení v konstrukcích jednoduchých
manipulátorů s nižší nosností (asi do 10kg). Je třeba připomenout, že na počátku novodobého
vývoje manipulačních prostředků, tj. asi před třiceti lety byly s výraznou převahou používány
tekutinové pohony. Podstatným důvodem byla jednoduchá konstrukce motoru s významnou
předností rozměrových a provozních parametrů přímočarých tekutinových motorů, které
mohou pracovat s přímou vazbou na výstup pohybové jednotky, a tedy bez transformačního
bloku. Elektrický pohon se dostal do popředí zásluhou moderních typů mechanických
převodů, které s moderními typy elektromotorů umožnily nástup výhodných kloubových
kinematických struktur.
Strukturu pohonu manipulátoru i robotu tvoří podle blokového znázornění tyto hlavní funkční
části:
27
1.
motor (elektrický, hydraulický, pneumatický);
2.
ovládací blok (elektrický, hydraulický, pneumatický, kombinovaný);
3.
transformační blok (zařízení pro přizpůsobení charakteru pohybu a parametrů pohybu
mezi výstupem motoru a výstupem pohybové jednotky).
Elektrický pohon
Postupným rozšířením moderních stejnosměrných, a v poslední době i střídavých
motorů, v kombinaci s harmonickými a cykloidními převodovkami se dostal elektrický pohon
na přední místo v konstrukcích, zejména u robotů střední nosnosti. Zatím převažují pohony do
maximálního výkonu asi 6 kW. Tím je dána možnost využívat servopohony určené pro CNC
obráběcí stroje, které se vyznačují velkým regulačním rozsahem rychlosti (při rotačním
pohybu až 1:20000) a ve spojení s číslicově řízenými systémy velkou přesností nastavení
polohy v uzavřené smyčce.
Za výhody elektrického pohonu je považována činnost se snadno dostupným zdrojem
energie, jednoduchost vedení zdroje k motoru, jednoduchost spojení s řídícími prvky,
poměrně jednoduchá údržba, čistota provozu. V porovnání s hydraulickým pohonem
vystupuje do popředí především nižší hlučnost, menší nároky na chlazení i na celkový
instalovaný prostor a nižší pořizovací, provozní i udržovací náklady. Za nevýhody se
považuje závislost na dodávce elektrické energie, která není u průmyslových zařízení
významná, značné požadavky na kvalitu provedení všech částí mnohdy složitých systémů a
nebezpečí úrazu elektrickým proudem, které je většinou zaviněno nedodržením
bezpečnostních předpisů. V pohonech manipulátorů a robotů se uplatňují prakticky všechny
základní typy elektrických motorů. Jde o motory:
1.
s rotačním výstupem:
•
•
•
rotační motory se spojitým pohybem;
rotační krokové motory;
otočné elektromagnety.
2. s přímočarým výstupem
•
•
•
•
lineární motory se spojitým pohybem;
lineární krokové motory;
hybridní motory;
přímočaré elektromagnety.
28
Elektrické motory se uplatňují ve dvou verzích:
• střídavé motory;
• stejnosměrné motory.
Součástí elektrického pohonu jsou vedle elektromotorů ovládací a jistící prvky, říditelné
zdroje elektrické energie pro napájení hlavních a budících vinutí a prvky pro automatické
řízení výstupních parametrů pohybových jednotek. Nejjednodušším typem elektrického
pohonu s rotačním pohybem je pohon s asynchronním elektromotorem s kotvou nakrátko. Pro
menší výkony se používají jednofázové motory s pomocnou fází a kondenzátorem. Pro větší
výkony se používají asynchronní motory třífázové s kotvou nakrátko. V asynchronním
motoru trojfázové střídavé napětí vytváří magnetické točivé pole, které obíhá ve vzduchové
mezeře mezi statorem a rotorem a prostřednictvím proudů v rotoru (kotva nakrátko) vzniká
síla, která otáčí rotorem. Vzniklý točivý moment již můžeme mechanicky odebírat na hřídeli
rotoru.
Obr. 137 Asynchronní elektromotor
Krokové motory
Vzhledem k rozvoji číslicové techniky, a s tím souvisejícího zpracování digitální
informace, se rozšiřuje užití tzv. krokových motorů, jejichž úhel natočení hřídele je dán
počtem impulzů přivedených na řídící vinutí. Charakteristickým znakem je proto nespojitý
pohyb hřídele, daný úhlovými skoky – kroky, které jsou odezvou rotoru na jeden řídící
impulz.
Pracují s využitím nespojité změny složek elektromagnetického pole. Této diskrétní změny
se dosahuje impulsním buzením vinutí motoru. Proudovými impulsy do prostorově
rozložených cívek se vytváří nespojitě se otáčející pole, které unáší působením
synchronizačního momentu rotor. Poloha hřídele motoru je úměrná počtu přivedených
impulsů, rychlost otáčení je závislá na frekvenci impulsu. Předností krokových motorů je
jednoduché řízení rychlosti pohybu prostřednictvím jejich počtu. Podstatnou nevýhodou je
poměrně malý kroutící moment, který klesá s rostoucí frekvencí řídících impulsů. Z těchto
29
důvodů lze elektrické krokové motory použít k přímému pohonu pohybových jednotek
menších výkonů. V případě konstrukcí manipulátorů a robotů jde o výkony odpovídající
nosnosti do 1 kg. Pro větší výkon se elektrický krokový motor používá v kombinaci s
hydraulickým zesilovačem.
Obr. 138 Krokový motor
Otočné elektromagnety
Používají se pro natáčení o určitý úhel, k realizaci přímočarých vratných pohybů,
popřípadě ve spojení s rohatkovým mechanismem i k realizaci kratších přímočarých pohybů.
Výhodná je možnost řízení kroutícího momentu změnou proudu. Otočné elektromagnety
přicházejí v úvahu pro pohon ústrojí přídavných pohybů pracovních hlavic a k ovládání
úchopných čelistí. Výkon většiny vyráběných typů leží v rozmezí 3-300 W, úhel natáčení 25 o95o a kroutící moment až do 5 Nm.
Obr. 139 Otočný elektromagnet
Lineární motory
Patří mezi nejmodernější typy převodníků energie. Umožňují přímou transformaci
elektrické energie na mechanickou energii translačních pohybů postupných nebo kmitavých.
Pro číslicové řízení jsou vhodné zejména krokové a hybridní motory. U lineárních krokových
30
motorů se v podstatě uplatňuje princip činnosti rotačních krokových motorů. Lineární
krokový motor charakterem funkce nahrazuje rotační krokový motor s převodem rotačního
pohybu na translační. Při stejných požadavcích na parametry výstupu bude u lineární verze
jemnější krokování a nižší pracovní frekvence. Mechanický přenosový systém je při použití
lineárního motoru jednodušší, neboť odpadají převody, což se příznivě projevuje na
dynamických vlastnostech. Určitým nedostatkem je menší konečná polohová tuhost, kterou u
rotačních krokových pohonů zajišťuje samosvornost převodu. Lineární hybridní motor
odpovídá z hlediska činnosti spojení lineárního indukčního motoru se spojitým přímočarým
pohybem na výstupu a lineárního krokového motoru. Nejde ovšem o konstrukční spojení
dvou lineárních motorů, ale o jedinou jednotku, schopnou pracovat ve dvou režimech.
Lineární elektromotory jsou vzhledem k parametrům a k možnosti řízení předurčeny
především pro pohon hlavních pohybových jednotek manipulátorů a robotů. Jistou překážkou
jejich uplatnění u stávajících konstrukcí je zatím jejich poměrně značná robustnost a problém
s chlazením.
Obr. 140 Elektrický lineární pohon
Obr. 141 Aplikace lineárního pohonu
Přímočaré elektromagnety
31
Používají se v konstrukcích ovládacích mechanismů úchopných hlavic, popřípadě v
pohonech pohybových jednotek s menšími rozsahy pohybu - jde tedy především o realizaci
přídavných pohybů pracovních hlavic, ovládání přestavitelných dorazů apod. Rozsáhlé
využití nacházejí jako ovládací prvky rozvaděčů, ventilů, spojek a brzd. Stejnosměrné
magnety jsou vhodné pro větší stálé síly a menší zdvihy, zatímco střídavé elektromagnety se
používají pro větší zdvihy. U běžných provedení elektromagnetů lze uvažovat rozsah zdvihů
10 až 50 mm a rozsah silových účinků 10 - 250 N.
Obr. 142 Přímočarý elektromagnet
Pneumatický a hydraulický pohon
Pneumatický a hydraulický (tekutinový) pohon se v konstrukcích manipulátorů a robotů
uplatňuje ve dvou hlavních oblastech. Hydraulický pohon v zařízeních především větších
výkonů a to jak se spojitým řízením pohonu, tak i při realizaci jednoduchých pohybových
funkcí. Pneumatický pohon je zajímavý pro konstrukce jednodušších manipulátorů s menší
nosností a periferních prvků a zařízení automatizovaných pracovišť. V souvislosti s
konstrukcemi manipulátorů a robotů lze uvést tyto přednosti tekutinového pohonu:
•
možnost realizace přímočarých pohybů konstrukčně jednoduchými, rozměrově
malými a spolehlivými motory bez nutnosti zařazení transformačního bloku;
•
jednoduché spojité řízení základních parametrů pohonu, tzn. síly, kroutícího momentu,
rychlosti v celém rozsahu prostřednictvím řízení tlaku a proudu tekutiny;
•
nízká hodnota poměru hmotnosti a výkonu, zejména u hydraulických motorů;
•
možnost přetížení motoru bez nebezpečí poškození.
Hydraulické i pneumatické pohony pracují se stejným druhem média, s tekutinou. Z
rozdílných vlastností kapalin a plynů se na rozdílných vlastnostech mechanismů podílí
především různá poddajnost a viskozita. Jako pracovní kapaliny se v hydraulických
mechanismech používají minerální oleje, pracovním médiem pneumatického pohonu je
stlačený vzduch.
U hydraulických pohonů se projevují v porovnání s pneumatickými pohony tyto přednosti:
32
•
velká tuhost;
•
plynulý chod, možnost dosažení i malých rychlostí pohybů bez převodů, a to s velmi
dobrou rovnoměrností;
•
velká účinnost.
Obr. 143 Hydrogenerátor
Nedostatkem hydraulického pohonu je:
•
potřeba samostatného, odděleného energetického bloku;
•
poměrně obtížné dosažení vyšších pohybových rychlostí;
•
závislost viskozity kapaliny na teplotě, což se projevuje ve změně tlakových poměrů a
případně i rychlosti pohybu motoru;
•
hořlavost některých druhů pracovních kapalin.
Přednosti pneumatického pohonu jsou:
•
možnost připojení na centrální rozvod stlačeného vzduchu v rámci pohonu,
jednoduchý rozvod bez zpětného odvádění vzduchu z motoru;
•
možnost dosažení rychlých přímočarých pohybů;
•
možnost činnosti ve velkém tepelném rozsahu, ve výbušném prostředí a v provozech s
nebezpečím vznícení od otevřeného ohně.
Obr. 144 Pneumatický pohon
33
Obr. 145 Kloubová hlavice pneumatického pohonu
Nedostatky pneumatického pohonu:
•
obtížné udržování rovnoměrného pohybu, zejména při malých rychlostech;
•
poměrně komplikované mazání pohyblivých částí prvků mechanismu;
•
poměrně drahý provoz, výroba stlačeného vzduchu je (6 - 8)krát dražší než výroba
elektrického proudu a asi 4krát dražší než výroba tlakové kapaliny.
S ohledem na uvedené skutečnosti lze říci, že použití pneumatického pohonu je účelné u
manipulátorů menších výkonů, tj. asi do 1 kW, jednodušších pracovních cyklů, kde se vystačí
s nastavováním polohy na pevné dorazy a kde nevadí obtížné řízení rychlosti pohybu a jeho
nerovnoměrnost.
Kombinovaný pohon
Smyslem této koncepce pohonu je soustředění výhodných vlastností různých druhů
pohonů v jednom pohonu. Kombinované pohony pracují s různými druhy nositele energie a
většinou se pod tímto označením rozumí kombinace v bezprostřední blízkosti motoru. I když
je teoreticky možné při použití elektrického, hydraulického a pneumatického pohonu vytvořit
6 různých typů kombinovaného pohonu, má zatím praktický význam jen elektrohydraulický a
pneumohydraulický pohon.
V případě elektrohydraulického pohonu se sleduje využití možností řízení
elektromotorů, jejich jednoduchého spojení s elektrickými řídícími systémy a výhodnými
vlastnostmi hydromotorů. U tohoto typu pohonu je na vstupu elektromotor, nejčastěji
stejnosměrný nebo krokový, a na výstupu hydromotor. Způsob spojení mezi oběma motory je
proveden tak, že dochází k přenosu pohybu od elektromotoru na hydromotor v přesně
definovaném poměru natočení, popřípadě natočení - posunutí a s výkonovým zesílením.
Podstatnou vlastností spojení je tedy polohová zpětná vazba. Elektromotor plní řídící funkci a
jeho pohyb je sledován hydromotorem se zesíleným výkonem.
34
Rozlišují se elektrohydraulické pohony rotační a přímočaré. U obou je na vstupu
elektromotor s rotačním pohybem, který představuje prvek pro ovládání rozvodu tlakové
kapaliny do hydromotoru. V rámci tohoto prvku je zároveň realizována mechanická polohová
zpětná vazba od výstupu pohonu na vstup.
Nevýhodou elektrických krokových motorů je poměrně malý kroutící moment a jeho
velká závislost na pracovní frekvenci, nebo naopak závislost kritické frekvence na zátěži,
zejména na jejím momentu setrvačnosti. Tento nedostatek odstraňuje spojení s hydraulickými
zesilovači, kde zatížení krokového motoru představují jen odpory šoupátka rozvodu.
Kombinovaný pohon uvažovaný v rámci celé konstrukce manipulátoru nebo robotu znamená
uplatnění různých druhů primární energie na vstupu různých pohybových jednotek. V tomto
případě jde např. o využití elektrického pohonu u transportního modulu s větším rozsahem
pohybu a hydraulického pohonu na úrovni základního pohybového systému robotu nebo
manipulátoru. Rozšířené jsou kombinace na úrovni pohybový systém - ovládací systém pracovní hlavice.
Z čistě provozního hlediska je samozřejmě výhodnější uplatnění pohonů se stejným druhem
pracovního média, a z tohoto důvodu nejsou kombinované pohony uvedeného typu příliš
rozšířené. Dá se říci, že kombinace různých typů pohonů u jedné konstrukce je častější u
jednoúčelových provedení, zejména u manipulátorů.
Uspořádání pohonu pohybových jednotek v konstrukci PRaM
V rámci konstrukce manipulátoru nebo robotu může být pohon jednotlivých pohybových
jednotek uspořádán:
•
odděleně, každá pohybová jednotka je opatřena pohonem se samostatným motorem;
•
společně, jednotlivé pohybové jednotky mají pohon odvozen od společného motoru.
Oddělené uspořádání pohonu je typické pro konstrukce robotů a často i manipulátorů.
Společné řešení pohonu se zatím vyskytuje především u manipulátorů, přičemž se rozlišují
tyto modifikace společného pohonu:
•
paralelní uspořádání, u kterého je od výstupu společného motoru odvozen pohon dvou,
popřípadě i několika pohybových jednotek v paralelních větvích. Rozvětvení za
motorem může být řešeno např. prostřednictvím společného transformačního bloku,
třeba v podobě vačkového hřídele. Druhým příkladem řešení je umístění dílčích
ovládacích bloků na vstupech paralelních větví. Konkrétním provedením v tomto
případě je spínání rotačních pohybů na vstupu paralelních větví prostřednictvím
spojek v kombinaci s brzdami;
•
sériové uspořádání, u kterého je pohyb každé následující pohybové jednotky odvozen
od pohybu předcházející jednotky;
•
semiparalelní uspořádání vychází z kombinace společného sériového a paralelního
pohonu v jedné konstrukci manipulátoru.
Možnost oddělení motoru od pohonu vede k uvažování uspořádání pohonu v rámci
konstrukce manipulátoru na dvě koncepce:
•
vnitřní pohon;
35
•
vnější pohon.
V případě vnitřního pohonu je motor součástí konstrukce manipulátoru, u vnějšího
pohonu se využívá odvození pohybu od pohonu spolupracujícího zařízení. Takováto verze
pohonu má smysl jen v souvislosti s koncepcí označenou jako společný pohon. Vyskytuje se
zejména u účelových manipulátorů, např. pro automatickou výměnu nástrojů výrobních
strojů.
5.2.4 Pracovní hlavice
Pracovní hlavice je funkční část umístěná na konci celého pohybového systému, tj.
hlavního a vedlejšího a je svým provedením přizpůsobena charakteru dané aplikace.
Činnost manipulátoru nebo robotu spočívá v nastavování diskrétních poloh pracovní
hlavice nebo ve spojitém pohybu pracovní hlavice po obecně definované prostorové dráze,
přičemž se zpravidla řídí i orientace pracovní hlavice. Pracovní hlavice je tedy funkční část,
která podle charakteru požadované činnosti určuje využití pohybového systému
manipulačního prostředku. Pracovní hlavice je umístěna na výstupu pohybového systému
manipulátoru nebo robotu, a proto se setkáváme v této souvislosti i s označením výstupní
hlavice.
Provedení pracovní hlavice odpovídá charakteru aplikace manipulátoru nebo robotu a ve
výrobě lze uvažovat těchto charakteristických typech aplikací:
1.
vkládání objektů do pracovního prostoru výrobních zařízení a jejich vyjímání;
2. mezioperační manipulace;
3.
technologická operace;
4.
kontrolní operace.
Podle charakteristických typů operací prováděných manipulátory nebo roboty lze
uvažovat těchto typech pracovních hlavic:
•
úchopné hlavice;
•
technologické, kontrolní a měřící hlavice;
•
speciální hlavice;
•
kombinované hlavice.
Úchopné hlavice umožňují zachycení objektů při manipulaci. Hlavní částí
technologické hlavice je příslušný nástroj, nebo systém nástrojů, u kontrolní nebo měřící
hlavice jde potom o čidla pro sledování jistých veličin. Kombinované hlavice mohou
zajišťovat v rámci jedné konstrukce dvě i několik funkcí.
36
Technologické hlavice, umožňují provádění technologických operací a jejich,
charakteristickým znakem je odpovídající nástroj. Příkladem může být stříkací pistole, kleště
pro bodové svařování, brousící vřeteno atd.
Koncepce pracovní hlavice umožňuje buď realizaci jediné operace a nebo několika
operací. Příslušná operace může být ovšem dále vázána například v případě úchopných hlavic
na určitý typ objektu určitého tvaru a rozměrů. Z hlediska rozsahu realizovaných operací lze
rozlišit dvě kategorie pracovních hlavic:
•
monofunkční;
•
multifunkční.
Pro konstrukci multifunkčních pracovních hlavic jsou v současné době k dispozici dva
koncepční přístupy:
•
změna funkce aktivací pracovní pozice revolverové pozice revolverové hlavy;
•
změna funkce automatickou výměnou pracovní hlavice.
Úchopné hlavice
Při zachycení objektu v úchopné hlavici jsou v rovnováze vnější síly působící na objekt.
Síly, jejichž působením je držen objekt, označujeme jako úchopné síly.
Uchopení objektu je doprovázeno mechanickým stykem tzv. úchopných prvků hlavice s
povrchem objektu a prakticky použitelné technické prostředky umožňují uchopení objektu
dvěma způsoby:
a.
s oboustranným mechanickým stykem s hlavicí;
b.
s jednostranným mechanickým stykem s hlavicí.
V prvním případě jsou úchopné síly vyvozeny mechanickými prostředky a působí proti
sobě v protilehlých částech povrchu tělesa. Jde o stejný princip mechanického uchopení, jaký
je s velkou rozmanitostí využíván lidskou rukou. U technických realizací jde o konstrukce
úchopných hlavic s mechanickými čelistmi. Při uchopení s jednostranným mechanickým
stykem s hlavicí se využívá působení gravitačních, magnetických a podtlakových sil.
Hlavními částmi struktury úchopné hlavice jsou tzv. úchopné prvky, které jsou umístěny
na nosné části hlavice. Úchopné prvky přicházejí do styku s povrchem objektu a realizují
zachycení objektu v hlavici.
Úchopné prvky, jejichž funkce může být bezprostředně ovládána řídícím systémem se
označují jako aktivní úchopné prvky. Obdobně pod označením pasivní úchopné prvky se
rozumí prvky, které umožňují uchopení objektů při manipulaci, ale úchopnou sílu nelze přímo
ovládat řídícím systémem (úchopné prvky bez přímého ovládacího vstupu). V souvislosti s
37
principy uchopení objektů a s uvažováním rozdělení podle možnosti ovládání úchopné síly
budeme rozlišovat úchopné prvky:

mechanické
•
pasivní (pevné opěry, odpružené čelisti);
•
aktivní (pohyblivé čelisti s pohonem).
Mezi nejjednodušší prostředky k zachycení objektů při jejich přenášení patři různé typy
tvarových lůžek, čepy, vidlice, háky, pružné čelisti apod., které označujeme jako pasivní
mechanické úchopné hlavice. Například hák nebo čep je podle uvedené klasifikace úchopnou
hlavici s jedním pasivním prvkem.
Poměrně často se u nejjednodušších manipulátorů - jednoúčelových podavačů, používají
prizmatická lůžka. Úchopná síla se v tomto případě vyvozuje vlastní tíhou objektu, kterou je
objekt přitlačován k pevným opěrám. Pohyb ramene manipulátoru musí být plynulý, bez rázů,
aby nedošlo k vypadnutí objektu. Pro určitý směr pohybu, a k tomu vztaženou orientaci lůžka,
je třeba respektovat maximální přípustné zrychlení vzhledem k bezpečnému zachycení
objektu.
Aktivní mechanické úchopné hlavice jsou často označovány jako mechanická chapadla.
Jsou vybaveny ovládanými pohyblivými čelistmi - aktivní úchopnými prvky. K uchopení
objektů dochází jako v případě uchopování lidskou rukou. Vzhledem k velkému počtu
použitelných řešení a jejich různorodosti je možné sledovat konstrukce mechanických
úchopných hlavic jen s uvažováním omezeného počtu hledisek.
Obr. 146 Úchopná hlavice robota
38
Obr. 147 Schéma mechanické úchopné hlavice

podtlakové
•
pasivní (deformační přísavky);
•
aktivní (podtlakové komory s řízeným vyvození podtlaku).
Pasivnými podtlakovými prvky jsou pryžové deformační přísavky. K vyvození úchopné
síly dochází po přitlačení přísavky na povrch objektu. Její deformací se nejdříve zmenší
objem vnitřního prostoru a při zpětném pohybu, kdy se pružnost stěn přísavky opět do určité
míry zvětší, vzniká podtlak. Úchopná síla závisí kromě změny vnitřního objemu i na tvaru a
tuhosti přísavky.
Používají se dvě základní provedení deformačních přísavek. Na obr. a) je uveden příklad
řešení pryžové deformační přísavky s uchycením na čep. Delší poddajná válcová část
umožňuje přizpůsobení i mírně zakřivenému povrchu objektu.
Není-li zaručen dostatečně hladký povrch objektu, je možné použít provedení podle b)
Proměnný vnitřní objem je vytvořen jako válec s odpruženým pístem. V závislosti na
velikosti proměnného objemu je možné 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 objektů z přísavek se provádí stejným způsobem jako u ostatních typů
pasivních úchopných prvků, tj. stržením při zpětném pohybu po zachycení objektu nějakým
jiným zařízením.
Velkou výhodou úchopných hlavic s deformačními přísavkami je jejich jednoduchost.
Přitom mohou pracovat jak v plynném, tak v kapalném prostředí.
Aktivní podtlakové úchopné prvky, které jsou označovány také jako podtlakové komory,
využívají při vyvození úchopné síly podtlaku, který se vytváří buď vývěvou, nebo ejektorem.
39
Obr. 148 a) schéma pryžové deformační přísavky s uchycením na čep
b) schéma přísavky s odpruženým pístem
Obr. 149 Přísavky
Obr. 150 Přísavky na různé tvary karoserie

magnetické
40
Používají se při manipulaci s objekty z feromagnetických materiálů. Mezi pasivní
úchopné prvky patří permanentní magnety, zatímco elektromagnety počítáme k úchopným
prvkům aktivním. Velkou předností magnetických úchopných hlavic je jednoduchost.
Výhodná je i možnost jednoduchého přizpůsobení tvaru objektu rozmístěním jednotlivých
magnetů. Jejich počtem je určena úchopná síla. Nevýhodou je zachycování i jiných
magnetických předmětů, zejména drobnějších částic, které mohou narušit polohu uchopeného
objektu.
Úchopné hlavice s permanentními magnety jsou vhodné pro manipulaci s magnetickými
objekty menších rozměrů o malé hmotnosti, jinak vznikají problémy s uvolňováním, které se
provádí stejným způsobem jako u ostatních typů pasivních úchopných hlavic. Aktivní
magnetické úchopné hlavice využívají elektromagnetů a jejich konstrukce je obdobná.
Nejvíce aplikací, ve kterých najdou uplatnění elektrické úchopné hlavice, souvisí s
manipulací s měkkými či křehkými výrobky, u kterých hrozí jejich rozbití nebo deformace
díky příliš velké úchopné síle. Další rozšířenou aplikací je kontrola kvality přenášených
výrobků měřením jejich rozměru již při samotném uchopení či detekce přítomnosti
přenášeného materiálu. Významnou výhodou je bezpečnostní funkce všech elektrických
úchopných hlavic. Při výpadku napájení totiž nedojde k uvolnění čelistí, takže se přenášený
výrobek nemůže uvolnit.
Obr. 151 Elektrická úchopná hlavice
Počet úchopných prvků v konstrukci úchopné hlavice závisí na prostorové členitosti,
rozměrech, tuhosti a hmotnosti objektu, podíl počtu pasivních a aktivních prvků v celkovém
počtu úchopných prvků je určován především požadavky na přesnost zachycení objektu v
hlavici.
Podle počtu úchopných prvků se rozlišují úchopné hlavice
•
jednoprvkové;
•
víceprvkové.
41
Obr. 152 Čtyřprstá úchopná hlavice
Obr. 153 Tříbodová chapadla
Technologické hlavice
Využívání průmyslových robotů pro realizaci technologických operací, popřípadě celých
procesů, lze v současné době pokládat za počátek předpokládaných možností. Na druhé straně
je ale velmi těžké odhadnout rozsah jejich dalšího uplatnění. Je totiž nutné počítat s vývojem
dosavadních technologií, se zaváděním úplně nových technologií, ale i s vývojem koncepcí i
konstrukčního provedení robotů. Předmětem úvah a diskusí je i uplatnění robotů v tradičních
výrobních oborech, které mají v současné době k dispozici výrobní prostředky na velmi
vysoké úrovní. Jde například o třískové obrábění, které je zajišťováno rozsáhlým sortimentem
univerzálních i jednoúčelových obráběcích strojů a v poslední době se ve zvýšené míře
uplatňují i obráběcí centra, bezobslužné obráběcí stroje a pružné výrobní systémy. Objekt
technologického procesu je umístěn v pracovním prostoru stroje a kolem jsou určitým
způsobem prostorově uspořádány funkční jednotky s příslušnými nástroji. V průběhu
technologického postupu může objekt svoji polohu měnit. Změna polohy je buď součástí dané
operace, jako například při frézování, anebo se díky změně polohy dostane objekt do
pracovního prostoru jiné skupiny nástrojů, jak je tomu u obráběcích linek. Operace mohou
probíhat současně na různých plochách objektu.
Výrobní možnosti zařízení typu obráběcích linek a pružných výrobních systémů, pokud
jde o produktivitu, jsou takové, že lze těžko v dohledné době očekávat jejich vhodnější
náhradu.
V kusové a malosériové výrobě se operace provádějí postupně většinou na různých
strojích a při různých polohách objektu. V takovém případě je možné uvažovat o nasazení
průmyslového robotu, vybaveného pracovním vřetenem s možností změny otáček a upnutí
různých typů nástrojů. Využití stávajících provedení robotů pro tyto účely je zatím velmi
problematické. Překážkou je především malá tuhost konstrukce, a s tím do značné míry
související i malá přesnost polohování. Proto se s roboty zatím setkáváme u takových
technologických operací, kde se tyto nedostatky neprojevují.
Technologické operace prováděné robotem můžeme rozdělit do dvou skupin:
42
1.operace, při nichž nedochází k mechanickému styku výstupní hlavice s objektem
technologického procesu;
2.operace s přímým mechanickým stykem výstupní hlavice s objektem technologického
procesu.
Obr. 154 Manipulátor obrobků integrovaný s obráběcím strojem
Do první skupiny patří operace, které lze z hlediska obtížnosti realizace označit jako
jednodušší. Je to zejména tím, že není nutné přesně přizpůsobovat polohu technologické
hlavice skutečné poloze objektu, vystačí se s jednodušším principem řízení bez potřeby
adaptivních schopností, jsou i menší požadavky na přesnost ustavení objektu v pracovní
poloze. Při provádění operace není konstrukce robotu zatěžována vnějšími silami, které by
nepříznivě ovlivňovaly především přesnost polohování. Do této skupiny operací spadá právě
většina současných technologických aplikací robotů. Jako příklad lze uvést povrchové úpravy,
čištění odlitků pískováním, obloukové svařování, svařování elektronovým paprskem aj.
Operace s přímým mechanickým stykem technologické hlavice s objektem jsou
provázeny vznikem vnějších sil, které zatěžují konstrukci robotu. Tyto operace mají většinou
takový charakter, že je nutné buď přesně nastavovat konečnou relativní polohu nástroje, nebo
řídit jeho relativní dráhu vzhledem k objektu. To lze zajistit v podstatě dvěma způsoby.
V prvním případě se vychází z přesně definované polohy objektu, na kterou je situována
činnost řídícího systému, který není vybaven adaptivními schopnostmi. Jde o jednodušší
řešení, pro jehož úspěšnost musí být splněny i některé další podmínky, jako například malý
rozsah tvarových a rozměrových nepřesností objektů.
Daleko větší možnosti lze očekávat od využití adaptivních systémů. Přizpůsobení pohybu
technologické hlavice skutečné dispozici objektu může být uskutečněno na úrovni řídícího
systému, anebo přímo v rámci konstrukce hlavice. Adaptivní řídící systémy jsou schopny
korigovat svoji činnost na základě informací čidel. V uvažované souvislosti jde o polohové
nebo dráhové korekce technologické hlavice s využitím údajů polohových čidel, která jsou
umístěna na hlavici a umožňují navádění nástroje vzhledem k objektu.
Se spojitým přenosem informací o skutečné poloze jednotlivých bodů na povrchu objektu
pracují kopírovací systémy. Tvar objektu i s uvažováním polohy v prostoru je sledován
mechanicky dotekem, jehož pohyby se transformují na odpovídající pohyby technologické
hlavice.
43
Při nastavování konečné relativní polohy nástroje, nebo při řízení relativního pohybu vůči
objektu, je možné využívat i přímého mechanického navádění hlavice. Vodicí plocha je buď
součástí objektu - například otvor, válcový nákružek apod., nebo je umístěna mimo objekt,
například na přípravku. Korekci polohy v tomto případě umožňuje kompenzátor, který je
součástí technologické hlavice.
Závažným problémem při realizaci operací této skupiny je zajištění polohové tuhosti
hlavice podle požadavků vyplývajících z charakteru operace. V jednodušších případech se
vystačí s vlastní tuhosti konstrukce robotu, kterou lze někdy i zvýšit mechanickým zpevněním
kloubů. Při vyšších požadavcích na polohovou tuhost v průběhu operace je nezbytné
mechanické vedení zpevnit proti objektu. To lze provést mechanickým zachycením hlavice na
objektu, na přípravku apod. Hlavice může být opatřena ovládanou čelistí, kterou se upne na
objekt. Příkladem operací s mechanickým stykem technologické hlavice s objektem je
odporové svařování a montáž.
Typy technologických hlavic odpovídají jednotlivým operacím, podle kterých se rozlišují
technologické hlavice:
- svářecí odporové;
- svářecí obloukové;
- stříkací;
- montážní, aj.
Obr. 155 Využití robotu pro polyesterové nástřiky syntetických koupacích van
44
Obr. 156 Svářecí robot
Je zřejmé, že počet různých typů a jejich provedení je tak velký, že není možné je
jednotlivě sledovat.
Společné charakteristické parametry, kterým je třeba při konstrukci věnovat pozornost,
jsou:
- hmotnost, rozměry;
- operační schopnosti;
- počet a uspořádání pomocných přívodů.
Požadavky na hmotnost a rozměry jsou obdobné jako u úchopných hlavic. Jde
samozřejmě o dosažení minimální hmotnosti, protože dynamické síly při rozběhu a
zastavování musí být co nejmenší, aby nedocházelo ke kmitání nástroje v pracovní poloze.
Toto nebezpečí vzniká při vedlejších pohybech, kterými se přemísťuje nástroj co nevyšší
rychlostí mezi jednotlivými pracovními polohami.
Operační schopnosti určuje kromě hlavního pohybového systému robotu i počet stupňů
volnosti orientačního, popřípadě polohovacího systému samotné technologické hlavice a
rozsah relativních pohybů.
Na rozdíl od úchopných hlavic mají technologické hlavice často kromě energetických
přívodů pohonných jednotek další přívody, které se označují jako pomocné nebo
technologické. Jde například o přívody elektrického proudu a chladicí vody ke svářecím
kleštím, přívody stlačeného vzduchu a barev k tryskám stříkacích hlavic. Uspořádání
technologických i energetických přívodů může výrazně omezovat operační možnosti hlavice.
Předpokládaná rozsáhlejší aktivní účast robotů při realizaci technologických operací v
budoucnosti bude nutně zpětně ovlivňovat nejen strukturu výrobních postupů, ale v některých
případech i konstrukci vyráběných součástí.
Speciální hlavice
45
Do této kategorie patří:
1-
jednoúčelové konstrukce, přísně přizpůsobené určité konkrétní aplikaci;
2-
konstrukce využívající vývojově nové, tedy zatím neobvyklé prvky.
Přizpůsobení úchopné hlavice způsobu nasazení může zahrnovat kromě vlastní
mechanické konstrukce i umístění čidel pro rozlišení vlastností přenášených objektů (tvar,
rozměr, hmotnost, teplota, drsnost povrchu apod.) nebo pracovního prostředí (teplota, tlak,
světlo, radioaktivní záření apod.).
5.2.5 Snímače
Snímač je takový prvek, který je schopen sledovat měřenou neelektrickou veličinu a v
závislosti na ní dodávat na výstupu veličinu jinou.
Informace nutné pro činnost řídícího systému podle zadaného programu v paměti
zprostředkovávají čidla, která lze rozdělit do dvou skupin :
•
čidla vnitřní informace (interorecepce systému);
•
čidla vnější informace (exterorecepce systému).
1. Čidla vnitřní informace slouží ke sledování činnosti systémů samotného manipulátoru
nebo průmyslového robotu. Jde především o snímače polohy pohybových ústrojí. Do
kategorie vnitřních informací patří dále rychlost a parametry, jejichž charakter souvisí s
koncepcí jednotlivých systémů (tlak v hydraulickém obvodu, proud v obvodu kotvy
elektromotoru apod.) a jejich vliv se projevuje přes doplňkové zpětnovazební smyčky při
udržování správného pracovního režimu systému, jeho stability apod.
Ke sledování polohy se používají :
a) dvoupolohové spínače - kontaktní,
bezkontaktní;
b) vícepolohové spínače.
46
Obr. 157 Snímač koncové polohy
Nejednodušší prostředky k rozlišení polohy jsou dvoupolohové spínače, které převádějí
změnu polohy na diskrétní změnu napětí nebo proudu elektrického signálu tlaku nebo proudu
tekutinového signálu. Spolehlivost a životnost elektrických kontaktních.prvků bývá nepříznivě
ovlivňována opalováním nebo korozí kontaktů. Jsou ale k dispozici i provedení s kontakty
chráněnými skleněným pouzdrem naplněným inertním plynem. Kontakty jsou ovládány
magneticky. Nejpoužívanější elektrické bezkontaktní prvky využívají fotoelektrický princip
nebo změnu magnetického odporu obvodu v závislosti na poloze sledovaného objektu.
Standardní fotoelektrické senzory zajišťují nejvyšší spolehlivost pro detekci objektů a
chodu, detekci na malé i na velké vzdálenosti.
Obr. 158 Příklad zapojení fotoelektrického senzoru
Pneumatické kontaktní spínače vznikly většinou miniaturizací klasických konstrukcí
rozvaděčů a ventilů. Pro svou jednoduchost a malé rozměry jsou výhodná provedení pracující
na principu klapka - tryska. U bezkontaktních pneumatických spínačů se nejčastěji využívá
přerušení proudu vzduchu mezi dvěma tryskami nebo změny výstupního odporu trysky, což
je doprovázeno změnou proudu, popřípadě tlaku.
Podle charakteru výstupního signálu se snímače polohy s větší rozlišovací
47
schopností dělí na :
a) analogové (odporové, indukční, kapacitní, selsyny, resolvery aj.);
b) číslicové (snímače s kódovými obrazci, impulsní snímače).
Potenciometry - převádějí přímočaré posunutí nebo natočení na spojitou změnu napětí
prostřednictvím změny odporu. Nejdůležitějšími parametry je přesnost, rozlišovací schopnost,
odolnost kontaktní dráhy proti korozi a mechanickému opotřebení.
Výhodná jsou víceotáčková provedení, která vzhledem k dlouhé dráze mají větší rozlišovací
schopnost a malé rozměry. Nedostatkem potenciometrů je vliv zátěže na průběh výstupního
napětí a mechanický kontakt, který nepříznivě ovlivňuje spolehlivost i životnost.
Obr. 159 Potenciometr
Indukční snímače - pracují s využitím změny indukčnosti v závislosti na změně polohy
některé části magnetického obvodu cívky. Předností je bezkontaktní činnost, nedostatkem
omezený rozsah.
Standardní indukční senzory zajišťují nejvyšší spolehlivost pro detekci kovových objektů a
částí strojů od detekce na malé vzdálenosti po detekci na velké vzdálenosti.
Obr. 160 Indukční senzory
Kapacitní snímače - jsou vhodné pro velmi přesná měření v malém rozsahu. Změnou
vzájemné polohy elektrod kondenzátoru, který se napájí střídavým signálem, se mění
impedance. Změna polohy se projevuje změnou plochy nebo změnou vzdálenosti elektrod.
48
Předností kapacitních snímačů je malá direktivní síla a velká životnost.
Obr. 161 Bezdotykový kapacitní senzor vzdálenosti
Kapacitní snímače měří např. odstup, délku, rozměry nebo polohu proti všem
elektricky vodivým předmětům (např. kovy). S využitím linearizační funkce je možné
i měření proti izolačním materiálům.
Selsyny – se nejčastěji používají pro:
dálkovou indikaci polohy nebo pohybu - přenášejí neelektrické veličiny na vzdálenosti, na
které by se mechanické veličiny nedaly přenést (např. poloha antény, tlakoměru, teploměru,
ventilu, šoupátka, plováku atd.);
dálkovou regulaci a programová řízení - např. pro natáčení ventilů a šoupátek, natáčení
antény atd.;
přenos točivého momentu (elektrický hřídel) - synchronizuje točivý pohyb dvou nebo
několika mechanismů (např. synchronizace papírenských strojů, textilních strojů, válcovacích
stolic, velkých portálových jeřábů atd.).
Obr. 162 Selsyn
Resolvery – speciální enkodéry umožňující velmi přesné měření úhlů. Princip činnosti je
stejný jako u selsynu, rotor i stator má dvě nezávislá vinutí, jejichž osy svírají úhel 900.
49
Obr. 163 Resolver
Snímače s kódovými obrazci - převádějí polohu na absolutní číslicový údaj. Kódový
obrazec je osvěcován světelným zdrojem a snímán fotoelektrickými prvky. Prostřednictvím
kódového obrazce, který je spojen s pohybující se částí, může být sledována velikost jak
přímočarého posunutí, tak i velikost natočení.
Snímače čárových kódů jsou velmi rychlá a spolehlivá vstupní zařízení logistického
systému. Obecně mohou být vstupními zařízeními pro jakýkoliv informační nebo řídící
systém. Uplatní se v logistice podniku, ve skladech, meziskladech, při mezioperační
přepravně a manipulaci, na příjmu a v expedici zboží. Jsou využívány i na montážních a
kontrolních pracovištích. Čárovými kódy bývají označeny součástky, polotovary a finální
výrobky (např. plošné spoje, moduly PLC, celá zařízení v obalech), manipulační palety nebo
pozice ve skladu. Údaje ze sejmutých kódů mohou být využity pro řízení manipulačních a
přepravních zařízení, např. pro přesunutí výrobku či palety na odpovídající větev dopravníku,
pro uložení na vhodné místo v regálovém skladu, pro určení potřebné polohy pro gondolu v
oběžném skladu a její nastavení, pro odebrání vhodné palety z dopravníku, pro kontrolu
správného typu součástí na montážním pracovišti. Výrobky označené trvanlivým čárovým
kódem pak mohou být dlouhodobě sledovány v rámci systému řízení jakosti, při vyřizování
reklamací, při určení viníka, který způsobil nekvalitní výrobu nebo ztráty (v čárovém kódu
mohou být uloženy údaje potřebné ke zjištění času ukončení výroby, k identifikaci pracoviště
a pracovníka nebo alespoň klíč do databáze pro získání potřebných údajů). Podobně lze
dlouhodobě dokumentovat celkový výrobní proces a podmínky výroby.
Obr. 164 Příklad čárového kódu
Impulsní snímače - převádějí změnu polohy na určitý počet impulsů, které se registrují
čítačem. Měření úhlové rychlosti pomocí impulsů odvozených z otáček hřídele patří mezi
nejpřesnější metody. Existuje množství čidel, které mohou snímat impulsy z hřídele (od
nejjednodušších mechanických kontaktů až po přerušované zdroje jaderného záření apod.).
Během jedné otáčky hřídele je možné získat jeden nebo více impulsů. U elektrokontaktních
čidel se používá výhodně jazýčkových kontaktů.
Impulsní snímače rychlosti vychází z definičního vztahu pro rychlost, tj. z podílu dráhy
50
∆x vykonané objektem za časový interval ∆t. Rychlost otáčení můžeme měřit pomocí el.
impulsů odvozených z otáček hřídele pomocí snímačů polohy.
Přesné informace o okamžité poloze rotujících dílů nebo součástí, které vykonávají
axiální posuvný pohyb, jsou velmi důležité v mnoha oblastech strojírenství. Přesná regulace
pohybu však nabývá na významu i s rostoucími nároky na automatizaci všech typů procesů. K
tomu požadavky na lehčí a jednodušší konstrukce vyžadují integrovaná systémová řešení,
jako např. ložiskové jednotky vybavené snímači, které zaznamenávají počet otáček, rychlost,
smysl otáčení, relativní polohu a zrychlení nebo zpomalení.
51
Obr. 165 Ložisková jednotka se snímačem
2. Čidla vnější informace zachycují stav pracovního prostředí a interakci robotů s prostředím.
Jsou buď přímo součástí robotu nebo jsou umístěna v jeho pracovním prostoru. Do této
skupiny patří především hmatová čidla úchopné hlavice, snímače přenášené síly a momentu,
snímače pro rozlišení tvaru a polohy objektů v prostoru, popřípadě dalších vlastností a
parametrů (teplota, radioaktivní záření apod.).
Počet druhů čidel vnější informace závisí na prováděné činnosti a na úrovni jejího
řízení. Soubor parametrů a vlastností, které mohou být do řízení zapojeny, je rozsáhlý, a
proto jsou dále popsány jen některé typy čidel, přicházejících častěji v úvahu.
Čidla pro indikaci styku s objektem - "hmatová" čidla se rozdělují do dvou
kategorií:
- kontaktní (taktilní) čidla;
- bezkontaktní čidla.
52
Obr. 166 Laserový senzor bezdotykového měření vzdálenosti
Obr. 167 Bezkontaktní laserový senzor
Laserové senzory řady E3Z, které jsou k dispozici ve verzích BGS (s potlačením pozadí),
představují ideální řešení pro přesné nastavování polohy a detekci malých předmětů například
v průmyslu výroby polovodičových součástí, při výrobě obalů nebo ve farmaceutickém
průmyslu. Řada laserových senzorů E3Z umožňuje snímání na dlouhé vzdálenosti pomocí
červených laserů třídy 1 (stejná klasifikace jako běžné LED). Tím rovněž významně přispívá
k ochraně uživatele (snížení nebezpečí poškození zraku). Použití nové, vysoce přesné
technologie seřizování polohy paprsků minimalizuje odchylku osy paprsků. Verze BGS se
navíc vyznačuje vynikající hodnotou černobílé chyby, která je nižší než 1,5% při vzdálenosti
100 mm a umožňuje tak mimořádně stabilní detekci i provoz.
Za nejjednodušší taktilní čidla lze pokládat mikrospínače, které jsou schopny
zaregistrovat jen existenci styku úchopného prvku s objektem.
Bez nebezpečí mechanického poškození pracují bezkontaktní pneumatická čidla na
principu klapka - tryska, jejichž velkou předností jsou i velmi malé rozměry a jednoduchost
montáže. Snímací tryska může být vytvořena přímo v úchopném prvku.
Na podobném principu pracují i ultrazvuková čidla, u nichž přiblížením objektu dochází
ke změně výstupní impedance snímacího kanálu. To se projeví ve změně zatížení budícího
generátoru a ve změně amplitudy akustického tlaku. Uchopení objektu je registrováno buď
prostřednictvím změny proudu v budícím obvodu generátoru, nebo prostřednictvím změny
amplitudy v akustickém obvodu.
Použití ultrazvukových senzorů:
-
kontrola navinutí (při použití senzoru dle obrázku je výstupní signál přímo úměrný
průměru);
53
Obr. 168 Kontrola navinutí
-
kontrola napnutí (při navíjení materiálu je důležité udržovat jeho stálé napnutí.
Ultrazvukovým čidlem je možno měřit průhyb materiálu před navinutím a udržovat
tento průhyb konstantní);
Obr. 169 Kontrola napnutí
-
stohování materiálu (velmi jednoduše lze měřit celkovou výšku naskládaného
materiálu, tím lze odvodit i počet naskládaných kusů);
Obr. 170 Stohování materiálu
-
měření výšky hladiny (ultrazvukem lze měřit výšku hladiny většiny sypkých
látek a kapalin);
Obr. 171 Měření výšky hladiny
-
třídění podle výšky (ultrazvukový senzor měří výšku – velikost - jednotlivých kusů,
příklad dopravníku. Na základě vyhodnocení je možno tyto kusy třídit, sčítat apod.).
Obr. 172 Třídění podle výšky
Indukční čidla pracují s využitím změny magnetického pole vyvolané změnou
polohy vodivého objektu.
Člověk při uchopení předmětu vnímá kromě přítomnosti předmětu i tlak, který působí na
povrch ruky a podle hmotnosti a tuhosti předmětu upravuje úchopnou sílu. Vzhledem k
54
realizaci stejného vztahu se věnuje velká pozornost čidlům, která reagují spojitě na změny
tlaku. Jedním řešením jsou tenzometry, které umožňují nepřímé sledování tlaku ve styku s
objektem prostřednictvím deformace vloženého tělíska. Tenzometr je snímač, jehož odpor se
mění dle působící síly. Převádí sílu, tlak, pnutí, hmotnost apod. na změnu elektrického odporu, který
pak může být změřen. Perspektivní jsou zejména polovodičové tenzometry, které mají malé
rozměry a velkou citlivost.
Obr. 173 Foliový tenzometr
Piezoelektrické snímače reagují na působení síly vznikem náboje na elektrodách
krystalu. Jsou velmi jednoduché, nevýhodný je však velký vnitřní odpor.
Snímače sil a momentů. Sledování velikosti sil a momentu, jako vstupních parametrů
pro řídící systém, přichází v úvahu zejména při náročnějších aplikacích, jako je například
montáž. Jsou k dispozici dvě metody měření :
1. přímé sledování prostřednictvím snímačů sil a momentů;
2. nepřímé sledování prostřednictvím měření parametrů v ovládacích obvodech pohonů
(proud v obvodu kotvy elektromotoru, tlak na vstupu hydromotoru apod.).
Snímače sil a momentů pracují s využitím deformace tělesa, změn magnetických
vlastností, změn odporových vlastností, piezoelektrického jevu aj. Přenášené momenty se
měří nejčastěji prostřednictvím deformace, kterou vyvolávají. Čidla jsou většinou umístěna v
blízkostí pracovní hlavice (v zápěstí) a registrují složky sil a momentů, ze kterých se stanoví
skutečný vektor síly a moment.
55
Obr. 174 Měřič momentu
Snímače vizuálních informací. V jednodušších případech je podkladem k indikaci polohy
objektu, k rozlišení tvaru, popřípadě rozměrů. Na této úrovni se vystačí s diskrétními
fotoelektrickými prvky typu fotodioda, fototranzistor. Složitější systémy pracují s využitím
rozsáhlejších souborů optických informací zprostředkovaných televizní kamerou. Signál z
kamery je digitalizován analogo-číslicovým převodníkem do tvaru vhodného pro zpracování
počítačem. Výsledkem sejmutí obrazu je matice údajů o intenzitě světla v jednotlivých
bodech. Na základě takto vytvořeného vnitřního modelu prostředí je řízena cílová činnost
robotu. Předpokládá se, že u budoucích typů robotů bude mít vizuální informace v porovnání
s ostatními formami informací převažující podíl zajišťování požadované činnosti.
5.3 Řízení robotů
5.3.1 Základní principy řízení
Řídící systém manipulátoru nebo robotu zajišťuje transformaci požadovaného programu
činnosti na odpovídající pohyb výstupu kinematické struktury a provedení příslušných
doprovodných funkcí. Program činnosti je tvořen jistým souborem elementárních úkonů –
operací, které mají jednoznačně definovanou vzájemnou souvislost. Tato souvislost může být
určena závislostí na průběhu změn času nebo závislostí na změnách charakteristických
parametrů sledovaných operací. Soubor funkcí zajišťovaných řídícím systémem manipulátoru
nebo robotu lze potom rozdělit do dvou hlavních skupin :
•
řízení souslednosti úkonů;
•
řízení průběhu jednotlivých úkonů.
Činnost manipulátorů je převážně tvořena sledem pohybů, takže v případě řízení průběhu
úkonů se jedná o nastavování polohy popřípadě řízení rychlosti v závislosti na poloze. U
manipulátorů přichází v úvahu z větší části nastavování určité polohy popřípadě orientace
pracovní hlavice, zatímco u průmyslových robotů, zejména určených pro technologické
operace, je nutné často zajistit pohyb po předepsané křivce. Pro realizaci řízení je nutná
možnost uložení (zapamatování) informací o požadovaném sledu funkcí pracovního cyklu a o
příslušných souřadnicích polohy. Soubor těchto informací se označuje jako program.
Podle způsobu zadání programu činnosti se rozlišuje řízení:
•
s pevným programem;
•
s pružným programem;
•
s adaptivním programem.
Řízení s pevným programem přichází v úvahu v souvislosti s činností jednoduchých
manipulátorů, u kterých se v časově delším období nepředpokládá změna jejich činnosti.
56
Řízení s pružným programem umožňuje rychlé – operativní zadání programu, který je potom
jednoznačně reprodukován, aniž by se projevily při jeho průběhu případné změny
v pracovním prostředí. Volně programovatelné řídící systémy umožňují měnit pracovní
cyklus manipulátoru či robotu buď výměnou nositele programu, nebo aktivací nového
programu uloženého v interní paměti elektronického systému, popřípadě převodem souborů
informací nového programu z externí paměti do interní paměti řídícího systému.
U řízení s adaptivním programem je zadána rámcová struktura činnosti robotu, která je
upřesňována a modifikována na základě zpracovaných informací interních a externích čidel,
kterými jsou sledovány změny určitého souboru parametrů v pracovním prostoru.
Podle způsobu, jakým jsou informace o sledu jednotlivých úkonů uvolňovány z paměti,
se rozlišuje řízení :
•
synchronní;
•
asynchronní;
•
kombinované.
V prvním případě zajišťuje řídící systém zadaný sled úkonů bez zpětné kontroly jejich
provedení. K jednotlivým funkčním jednotkám přicházejí v intervalech vymezených impulsy
a v daném pořadí signály pro zahájení činnosti. Synchronní systém není schopen zaregistrovat
nesplnění některého úkonu, a tak může dojít i opakování neúplného cyklu.
Činnost asynchronních systémů vychází ze sledování dokončení jednotlivých
elementárních úkonů, které je podmínkou pro zahájení následujícího úkonu. Řídící systém
pracuje s oddělenou pamětí umožňující volnou změnu programu a obsahuje kombinační
logický blok, ve kterém se provádí zpracování podmínek stanovených pro pokračování cyklu.
Kompromis mezi jednoduchým, ale časově náročným řízením synchronním a
složitějším asynchronním, je řízení kombinované. Většinou se synchronně řídí kratší operace,
zatímco delší, a zejména navazující na činnost jiného zařízení, se řídí asynchronně.
Hlavní funkce řídicího systému robotu jsou soustředěny do těchto dílčích částí:
•
ovládací blok;
•
blok řízení pohybů;
•
programovací blok.
Nejdůležitější částí, a přitom částí charakteristickou pro tuto kategorii řízení, je blok řízení
pohybů. Vedle vlastní realizace řízení pohybů jsou v tomto bloku zajišťovány další související
funkce :
- plánování pohybových křivek a jejich interpolace;
- transformace souřadnic;
- nastavování polohy v jednotlivých pohybových jednotkách;
- přijímání a vysílání řídících signálů.
Hlavní činnost řídícího systému vychází z uplatnění tzv. hardwarové části na bázi
mikroprocesorového řízení a softwarového (programového) vybavení.
57
Ovládací blok zprostředkovává styk řídicího systému, a tím i vlastního robotu, s
uživatelem. Umožňuje zadávání popřípadě ovládání těchto dílčích funkcí:
•
sepnutí a vypnutí řízení;
•
spuštění, přerušení a pokračování programu;
•
nastavení režimu provozu;
•
ovládání jednotlivých dílčích operací (úkonů) v různých režimech činnosti.
Komunikace uživatele prostřednictvím ovládacího bloku se uskutečňuje pomocí:
•
tlačítek, přepínačů, prostředků pro externí uložení informací a celých programových
souborů;
•
indikačních prostředků, tj. signální světelné prvky, display, obrazovka.
Jednou z nejdůležitějších ovládacích funkcí je nastavení (předvolba) režimu provozu.
Prostřednictvím specifikace režimu provozu se dají dále ovládat jednotlivé dílčí funkce. V
souvislosti s předvolbou režimu provozu lze uvést tyto možnosti provozu robotu, popřípadě
samostatně (například při simulaci) jen řídicího systému :
•
provoz s ručním řízením;
•
najetí do referenčního bodu;
•
provoz s automatickým řízením;
•
vložení programu;
•
programování;
•
testování programu;
•
korekce programu;
•
uložení programu;
•
tisk programu.
Základní činností robotu je automatická reprodukce pohybových úkonů zadaných
programem. Program je uložen v tzv. uživatelské paměti řídícího systému. Podstatnou část
programu tvoří tyto údaje :
•
souřadnice bodů dráhy pohybu;
•
doplňkové informace (rychlost, druh řízení, druh interpolace, přesnost najíždění,
vztažný systém relativní nebo absolutní).
Sled pohybů je určen programem průběhu činností. Z tohoto programu vyplývá pořadí v
jakém jsou nastavovány jednotlivé polohy pohybu popřípadě dráha pohybu a další úkony,
které jsou aktivovány v závislosti na pohybovém cyklu.
Informace pro provedení jednotlivých pohybů (geometrické informace) jsou uvolňovány z uživatelské paměti v pořadí určeném programem řídícím průběh činností. Při
dráhovém řízení jsou zadané body dráhy uloženy prostřednictvím kartézských souřadnic v
paměti. Plánování dráhy pohybu a interpolace probíhá ve stejném souřadném systému. S
ohledem na skutečnou kinematickou strukturu robotu musí být příslušné řídící instrukce
převedeny do tvaru a na hodnoty odpovídající charakteru kinematických dvojic.
58
5.3.2 Základy programování
V podstatě existují tři způsoby plánování dráhy robota – programování:
1. Přímé programování – učení. Při tzv. On-line (Teach-in) programování se program vytváří
přímým ručním řízením robotu (pozn. z angl. teach – učit). Přímé učení bývá prováděno
dvěma způsoby:
1.a Obsluha vede rameno a zápěstí robota po žádané dráze a žádanou rychlostí. To může být
zařízeno tak, že obsluha přímo drží pracovní nástroj v chapadle robota a vykonává s ním
operace, které má pak robot opakovat Takto bývají např. programovány roboty určené pro
stříkání barvy. Řídící systém robota si zapamatuje požadovaný pohyb ve formě tabulky údajů
a posléze tento pohyb vykonává. Určitou nevýhodou tohoto způsobu učení je, že člověk musí
provádět programovací pohyb dostatečně dokonale, robot všechny jeho případné chyby, jako
např. škubnutí rukou, opakuje. Pro tuto metodu se také používá anglický termín Play-back
(opakování záznamu).
Obr. 175 Přímé programování robota
1.b Obsluha navádí robota do požadovaných pozic v prostoru, např. pomocí tlačítek na
přenosném programovacím panelu. V požadované pozici, kterou může nastavovat velmi
přesně a libovolně dlouho, obsluha stiskne tlačítko „zapamatuj si tuto pozici“. Do paměti
robota se tak uloží posloupnost údajů o požadované pozici ve formě poměrně malého počtu
údajů q1, q2 … qn. K těmto údajům o poloze se před spuštěním robota v režimu plnění
programu musí dodat ještě vhodným způsobem údaj o čase a případně o způsobu, jak mají být
body v prostoru propojeny. Tyto dodatečné údaje pak určují, jak bude skutečně pohyb
vykonávat, v každém případě však projde robot posloupností pozic q1, q2 … qn. Výhodou
tohoto způsobu učení je, že údaje o pozicích mohou být zadávány velmi precizně a je jich
relativně málo. Nevýhodou je, že pohyb mezi těmito pozicemi nemusí být obsluze dostatečně
dobře znám.
Při přímém programování řeší vlastně inverzní úlohu kinematiky člověk spolu
s mechanizmem manipulátoru velmi jednoduchou a přirozenou cestou.
59
Obr. 176 Programovací panel robota
2. Nepřímé programování robota
Při tomto způsobu programování je programována trajektorie pohybu ve formě křivek
v prostoru, např. podle výkresů. Čas je parametrem těchto křivek a vyplývá z technologického
postupu, např. svařování. Offline je řešena i inverzní úloha kinematiky a údaje qž(t) jsou
použity pro řízení robota.
3. Přímé programování robota - online
Je podobné předchozímu způsobu s tím rozdílem, že inverzní úloha kinematiky se musí
řešit v reálném čase. Takový způsob plánování se používá v případě, že robot má svůj pohyb
provádět na základě údajů od senzorů ve měnícím se prostředí. Robot má např. uchopit
pohybující se objekt a trajektorie objektu není předem známa. Program je vytvářen
prostřednictvím speciálních programovacích jazyků s využitím počítačů zpravidla nezávisle a
odděleně od vlastního realizačního robotu.
Způsoby programování a řízení 1a, 2 a 3 se také nazývají CP (Continuos Path), způsob
1b se nazývá PTP (Point to Point).
Většina firem zabývající se průmyslovými robotickými systémy vyvíjí a dodává
softwarové balíčky pro programování v režimu off-line a simulaci.
Například firma ABB : Robot Studio.
Programování offline s využitím technologie virtuálního robotu funguje tak, jako byste měli
reálný robot na vašem počítači!
Programování offline je nejlepším způsobem, jak maximalizovat návratnost investic vašich
robotizovaných systémů. RobotStudio, software pro simulaci a offline programování od ABB,
umožňuje programování robotu na počítači bez nutnosti zastavení výroby. Rovněž umožňuje
dopředu připravit programy robotů, což zvyšuje celkovou produktivitu. RobotStudio
poskytuje nástroje ke zvýšení ziskovosti vašeho robotizovaného systému tím, že vám umožní
vykonávat úkoly, jakými je například školení, programování a optimalizace bez nutnosti
přerušení výroby. To přináší mnoho výhod - například:
•
snížení rizika;
60
•
rychlejší spuštění;
•
rychlejší změny nastavení;
•
zvýšenou produktivitu.
RobotStudio je založeno na Virtuálním řídícím systému od ABB – přesné kopii opravdového
softwaru, který řídí vaše roboty ve výrobě. Proto umožňuje velmi realistické simulace s
využitím reálných robotických programů a konfiguračních souborů, identických s těmi, které
jsou využívány ve výrobě.
5.3.3 Softwarové funkce robotů
Volitelná softwarová výbava robotů ABB
Collision detection

funkce, která detekuje kolizi robota s překážkou.(na principu proudového přetížení
servopohonů);

po nárazu se robot mírně posune po původní trajektorii vzad, což usnadní jeho
vyvedení z kolize;

v současnosti je tento systém tak sofistikovaný, že plně nahradí kolizní členy (přímá
úspora nákladů);

citlivost robota na kolizi lze přímo nastavit.
Soft Move

robot pracuje jako pružina (vždy v jedné, zvolené ose kartézského souřadného
systému). V ostatních osách zůstává tuhost zachována;

tuto funkci lze využít v kombinaci s instrukcí pohybu;

umožňuje kompenzovat vliv gravitace;

vhodné soft. výbava pro obsluhu ohraňovacích lisů, jednoduché vkládací nebo
montážní operace nevyžadující zpětnou vazbu;

obsluha strojů(vyjímání);

kompenzace vibrací;

jednoduché broušení nebo leštění.
Path offset

korekce naprogramované trajektorie robota;

trajektorie robota je měněna na základě vstupního signálu ze senzoru;

korekce dráhy proběhne okamžitě po zpracování signálu ze senzoru;

minimální offset je 0.1 mm;

komunikace se senzorem pomocí analogového vstupu.
Path recovery
61

option, které je používáno k uložení všech systémových dat v případě, že nastane
přerušení (obvykle kolize robota nebo zhasnutí svařovacího oblouku);

data jsou automaticky obnovena (=navázání pohybu v bodě, kde došlo k chybě)
potom, co jsou provedena opravná opatření (např. zaštípnutí drátu ve štípačce drátu);
World zones

funkce robota sloužící k vymezení jeho pracovního prostoru. Jestliže robot, resp. jeho
TCP, dosáhne hranice nadefinovaného prostoru, dojde k zastavení robota. Z toho
plyne, že tuto funkci je vhodné použít pro aplikace s omezeným manipulačním
prostorem (obsluhy lisů, obráběcích strojů atd.) – předchází se možným kolizím
robota s rámem strojů a následným škodám. Tuto funkci není možné použít jako
součást zabezpečení pracoviště.
Absolute accuracy

kalibrační metoda robota, která zajišťuje maximální „přiblížení“(+/- 0.5 mm) pozice
TCP reálného robota a pozice TCP ideálního 3D modelu robota v software
RobotStudio. Tato funkce dále vylepšuje interpolační funkce robota, a dynamicky
koriguje pozici TCP co nejblíže ideálu (s ohledem na aktuální zatížení robota);

korekce na výrobní tolerance robota jsou zaneseny do výpočetního algoritmu, a
nejsou tedy třeba dodatečné zásahy;

výhodou je zaměnitelnost robotů, přenositelnost programů, off-line programování se
blíží reálnému modelu;

existují jistá omezení při programování robota, kdy tuto funkci není možné použít.
(např.MoveAbsJ a některé další).
Conveyor tracking

funkce, která umožňuje robotu následovat objekt pohybující se na dopravníku;

díky této funkci se přizpůsobuje rychlost TCP rychlosti dopravníku;

funguje pro lineární i rotační dopravníky;

lze sledovat až 4 dopravníky najednou;

robot může být instalován na pojezdu;

dopravník musí být nakalibrován, nepřesnost sledování dopravníku v TCP je max. 2
mm;

nutnou výbavou je enkodérová karta DSQC 377D a synchronizační čidlo;

robot je schopen sledovat až 256 objektů.
Sensor synchronization

tato funkce umožňuje nastavit rychlost robota dle rychlosti externího pohybujícího se
objektu (dopravník, vstřikolis) s pomocí senzoru;

zpoždění TCP je 50 ms za signálem senzoru;

je možné synchronizovat až 4 senzory s jedním robotem.
62
SmarTac

Vyhledávání místa svárového spoje (před začátkem svařování)

zejména pro koutové svary;

lze vyhledat koncovou i počáteční pozici svaru;

obě průsečné roviny určující hranu kořene svaru se definují vždy třemi body;

vyhledávání počátku sváru drátem nebo hubicí.
Remote service

typické užití

optimalizuje pracovní cyklus robota;

real-time monitoring robota, včetně okamžité notifikace v případě nenadálé
události;

diagnostika prediktivní údržby;

predikce poruchy;

on-line přístup přes MyRobot – analýza a řešení poruch.
True View
je obchodní značkou pro kamerový systém řízení robota od společnosti ABB. Je kombinací
průmyslového robota ABB, potřebného technického vybavení a softwaru eVisionFactory
(eVF). Veškeré vybavení tvoří plně integrovaný funkční celek, který eliminuje instalační
problémy z minulosti, které nastaly po pokuse skombinovat různorodý hardware a software
do funkčního systému.
Vlastnosti
S využitím kamery, nainstalované přímo na robotu a nastavení osvětlení, dokáže True View
pracovat v plných 6 osách volnosti v 3D rozměrech. Robot je naprogramovaný tak, aby
umístil kameru a přizpůsobil osvětlení k docílení optimálního zachycení obrazu. Software
eVF zpracuje obraz a pošle ho přes Ethernet přímo do paměti robota.Tento unikátní přístup
vizuálního zpracování přináší výhodu při manipulaci s dílci – již není třeba je ukládat na
přesně stanovené místo, což v konečném důsledku zkracuje výrobní čas.
Návratnost investicí TrueView se ukázal jako velice důležitý bod při návratnosti investicí v
následujících oblastech:
•
nižší náklady na práci – odpadá nutnost využití člověka;
•
nižší investiční náklady – eliminuje nutnost využití další automatizace a
příslušenství;
•
vyšší flexibilita – stačí jediný robot i při vyšší variabilitě výroby;
•
vyšší kvalita – schopnost rozpoznat případné chyby dílů;
•
vyšší bezpečnost – eliminuje ergonomické požadavky zaměstnanců, kteří
mohou být ze současného pracovního zařazeni na produktivnější úkol.
63
Obr. 177 Systém True View
5.3.4 Obecné parametry robotů
Typ manipulátoru nebo průmyslového robotu lze charakterizovat určitým souborem údajů
určujících rozsah jejich použitelnosti, provedením a způsobem řízení. Mezi hlavní údaje
především patří:
1. Geometrické charakteristiky - soubor parametrů určujících geometrické vlastnosti jednotek,
uzlů a systémů manipulátorů a robotů.
1.1 Pracovní prostor - prostor určený tvarem a objemem (m3), který opíše referenční bod
pracovní hlavice s využitím všech možností ohybového systému.
1.2 Provozní prostor - prostor určený tvarem a objemem (m3), který vyplní konstrukce
manipulátoru nebo robotu v rámci své činnosti při využití všech pohybových možností.
1.3 Opakovaná přesnost polohování.
2. Statické charakteristiky - soubor parametrů určujících statické projevy pohybového
systému manipulátoru nebo robotu jako celku.
2.1 Statická tuhost.
3. Kinematické charakteristiky - soubor parametrů určujících kinematické vlastnosti
jednotlivých pohybových jednotek a pohybového systému manipulátoru nebo robotu jako
celku.
64
3.1 Kinematická struktura, počet stupňů volnosti, druh dílčích pohybů, souřadnicový
systém.
3.2 Rychlost.
3.3 Zrychlení.
4. Dynamické charakteristiky - soubor parametrů určujících dynamické vlastnosti
jednotlivých pohybových jednotek a pohybového systému manipulátoru nebo robotu jako
celku.
4.1 Pohybové síly v rámci jednotlivých pohybových jednotek a celého pohybového
systému.
4.2 Dynamická tuhost.
5. Výkonové charakteristiky - soubor parametrů určujících výkon a energetickou náročnost
při určitých provozních podmínkách.
5.1 Jmenovitá nosnost.
5.2 Soubor parametrů, které charakterizují rozložení energie v jednotlivých pohybových
jednotkách, velikost účinností.
5.3 Nosnost vztažená k přesně specifikovaným provozním podmínkám:
- nosnost při 50% rychlosti;
- nosnost při 30% rychlosti.
6. Provozní charakteristiky - soubor parametrů určujících základní vlastnosti manipulátoru
nebo robotu s ohledem na parametry pracovního prostředí a charakter aplikace.
6.1 Montážní poloha.
6.2 Montážní plocha nepohyblivé části, tvar a rozměry připojovací části po instalaci.
6.3 Celková hmotnost konstrukce.
6.4 Celkový instalovaný výkon - součtová hodnota maximální hodnoty výkonu všech
motorů konstrukce.
6.5 Provozní příkon – průměrná hodnota příkonu.
6.6 Maximální provozní příkon - maximální hodnota příkonu.
6.7 Spotřeba energie - celková spotřeba energie za l hod.
6.8 Specifikace energetických přívodů.
7. Charakteristiky spolehlivosti - soubor parametrů, které vyjadřují spolehlivost a životnost
manipulátoru nebo robotu v souvislosti se specifikací pracovních podmínek.
7.1 Životnost fyzická - čas (hod.), po který je manipulátor nebo robot schopen dodržovat
předepsané parametry provozu nad stanovenou mezní hodnotu.
7.2 Životnost morální - čas (hod.), po jehož uplynutí zaostává manipulátor nebo robot ve
všech sledovaných parametrech za nově vyráběnými typy srovnatelného funkčního
určení.
8. Poměrové charakteristiky - soubor bezrozměrných parametrů určených poměrem vybraných parametrů různých charakteristik.
8.1 Poměrná hmotnost - poměr nosnosti manipulátoru nebo robotu vyjádřené hmotností
65
objektu a celkové hmotnosti konstrukce.
8.2 Poměrná energetická náročnost provozního příkonu k hmotnosti objektu manipulace.
8.3 Poměrný provozní prostor - poměr objemu provozního a pracovního prostoru.
8.4 Poměrná operační rychlost poměr maximální pracovní rychlosti k jmenovité
nosnosti.
9. Charakteristika řízení
9.1 Způsob řízení pohybu (PTP, CP).
9.2 Délka programu.
10. Charakteristika konstrukce
10.1 Koncepce - univerzální, jednoúčelová, modulová.
10.2 Typ pohonu - elektrický, tekutinový, kombinovaný.
10.3 Typ řídícího systému a rozsah senzorického vybavení.
11. Cena
V současné době se výrobou manipulátorů a průmyslových robotů zabývá velký počet
firem. Existuje tedy i velký počet typů, který se neustále zvyšuje a ne u všech lze
podchytit všechny uvedené parametry.
5.3.5 Příklady řešení pracovišť s PRaM
A) Automatizované pracoviště přípravy polotovarů
Paleta s polotovary 3 se přisune k manipulátoru 1, který po skončení pracovního cyklu stroje
2 vyjme úchopnou hlavici B obrobek ze stroje a vloží hlavicí A do pracovního prostoru stroje
polotovar. Potom vloží obrobek do palety 3 a hlavicí A vyjme z palety polotovar. Uložení
obrobku a vyjmutí polotovaru se provádí během činnosti stroje. Manipulátor čeká s
připraveným polotovarem nad pracovním prostorem na ukončení pracovního cyklu stroje.
Manipulátor je vybaven dvojicí manipulačních ramen, na kterých jsou umístěny úchopné
hlavice A, B
66
Obr. 178 Automatizované pracoviště přípravy polotovarů
1 - manipulátor
2 - obráběcí centrum
3 - systémová paleta
B) Automatizované pracoviště obrábění přírub
Robot 1 je otočený úchopnou hlavicí k soustruhu 2 a čeká na ukončení obrábění jedné strany
příruby. Po skončení operace uchopí přírubu a přemístí ji do obraceče přírub 6, který ji otočí
kolem horizontální osy o 180o. Otočenou přírubu znovu uchopí a vloží zpět do soustruhu 2.
Stejným způsobem robot obslouží i soustruh 3 a otočí se úchopnou hlavicí k soustruhu 2. Po
ukončení obrábění druhé strany příruby na soustruhu 2 robot uchopí obrobenou přírubu a
uloží ji do volného lůžka v otočném zásobníku 4. Po otočení zásobníku 4 robot uchopí
neobrobenou přírubu a vloží ji do soustruhu 2. Robot je vybaven pneumatickou úchopnou
hlavicí.
Obr. 179 Automatizované pracoviště obrábění přírub
1 - průmyslový robot
2, 3 - poloautomatický soustruh
4, 5 - otočný zásobník přírub
67
6 - univerzální obraceč přírub
C) Automatizované pracoviště obrábění hřídelí
Pracoviště je koncipováno s rozmístěním jednotlivých strojů a periferií v pracovní zóně
robotu - pracoviště tzv. pilotového typu. Součástí vstupují na technologické pracoviště přes
vstupní paletu 4 a vystupují z pracoviště přes výstupní paletu 5. Průmyslový robot obsluhuje
soustruhy 2 a 3 i palety 4 a 5.
Obr. 180 Automatizované pracoviště obrábění hřídelí
1 - průmyslový robot ; 2, 3 - obráběcí stroje; 4 - vstupní paleta ; 5 - výstupní paleta
D) Obsluha ohraňovacího lisu robotem ABB.
Manuální obsluha ohraňovacího lisu je monotónní a únavná práce. Pracovník je vystaven řadě
stresů, což způsobuje kolísání kvality a efektivity práce. Čím větší je list plechu, s kterým
obsluha manipuluje, tím se tyto faktory intenzivněji projevují. Přitom současný trend
vyžaduje stále kratší dodací lhůty a klade vysoké požadavky na přesnost a flexibilitu
dodavatele.
Automatizace ohraňovacího lisu založená na robotu ABB, nabízí maximální pružnost procesu
lisování a umožňuje zahrnout do procesu paletizaci hotových výrobků.
Robotizace ohraňovacího lisu přináší:
•
velmi snadnou a rychlou manipulaci i s rozměrnými plechy;
•
vysokou přesnost a opakovatelnost procesu, v podstatě nedosažitelnou při manuální
obsluze;
•
velmi krátké pracovní cykly;
•
maximálním využití lisu;
•
schopnost operativně přecházet podle potřeby na různé typy výrobků;
•
snadnou a rychlou přípravu nových programů pro zcela nové výrobky;
•
téměř bezúdržbový provoz.
68
Na příkladu je popsána obsluha ohraňovacího lisu v továrně, která vyrábí plechové skříně pro
elektrické rozvaděče. Pracoviště ohraňovacího lisu je plně automatizováno. Robot svým
chapadlem uchopí plech ze stohu, obsluhuje lis a hotový výlisek složí na paletu.
Obr. 181 Popis procesu
1. Vakuovým chapadlem s přísavkami robot uchopí plech ze zásobníku.
2.
Robot zasune plech do lisu. Přesná poloha plechu v lisu je zajištěna dojezdem na
dorazy, které jsou zasouvány a vysouvány servopohony.
3.
Robot vyšle lisu signál, a tím zahájí lisování. V okamžiku kontaktu lisovacího nástroje
s plechem vyšle lis signál do robotu a robot uvolní plech. V průběhu samotného
lisování chapadlo robotu sleduje dráhu plechu a pouze jej podpírá.
4. Když je lisování dokončeno a lisovací nástroj ještě svírá plech, dostane robot z lisu
signál a opět uchopí přísavkami plech.
5. Lis nastaví podle naprogramovaného cyklu příslušné dorazy.
6. Robot zasune plech na příslušné dorazy a operace lisování se opakuje.
69
7.
Cyklus se opakuje celkem devětkrát. Pak je plech položen na otáčecí stanoviště, robot
jej uchopí a vykonává lisovací operace z druhé strany.
8. Robot uloží hotový výlisek na paletu.
9. Celá operace se opakuje.
Během procesu komunikuje robot s lisem pouze jednoduchými signály. Popisované
pracoviště má roční produkci 30000 výlisků v několika verzích. Doba cyklu je 90 až 120 s v
závislosti na složitosti výlisků.
Robot s chapadlem plech optimálně drží a při lisování podpírá po celé ploše. To umožňuje
manipulovat s plechy o rozměru až do 3,5 m2 a hmotnosti do 50 kg, aniž by při lisování byly
plechy nežádoucím způsobem deformovány. Těchto výsledků nebylo možné dosáhnout při
ruční obsluze pracoviště.
Aplikace robotů u ohraňovacích lisů poskytla možnost operativně vyrábět velkou škálu
různých lisovaných skříní a pružně reagovat na neustálý vývoj jejich provedení.
Přesnost dosahovaná robotizací umožnila následně použít robotizované svařování, které
uskutečňuje další robot ABB.
70
71
5.3.6 Příklady robotů
Některé příklady z produktové řady robotů ABB
1. Robot IRB 140
Stručná technická data
 nosnost 6 kg;
 dosah 0.81 m;
 přesnost polohování 0.03 mm;
 hmotnost 98 kg;
 6 řízených os;
 2 typová provedení;
 standardní krytí IP 67;
 upevnění – konzola, zeď, invertované, nakloněné.
Obr. 182 Robot IRB 140
2. Robot IRB 660
Stručná technická data:
72








nosnost 180-250 kg;
dosah 3.15 m;
přesnost polohování 0.05 mm;
hmotnost 1.650 kg;
4 řízené osy;
2 typová provedení;
standardní krytí IP 67;
upevnění – konzola.
Obr. 183 Robot IRB 660
3. Svařovací sety
Firma ABB nabízí sestavy „setů“ SpotPack připravené k použití umožňující dosahování
vysoce kvalitního a vysoce výkonného bodového svařování. Sestava SpotPack je speciálně
navržena jako spolehlivé řešení způsobů využití bodového svařování. Obsahuje veškerý
hardware, software a elektrické moduly, které potřebujete k tomu, abyste měli kompletní
funkční sestavu. Jednotlivé díly jsou zkonstruovány a konfigurovány tak, aby umožňovaly
snadné vzájemné propojení.
Firma ABB nabízí tři hlavní úrovně řešení setů (DressPacks = vystrojení) pro bodové
svařování, protože mezi potřebami různých uživatelů existují velké rozdíly.
73
Obr. 184 Sestava systému SpotPack
74