Struktura funkcjonalna układów manipulacyjnych i robotów

Współczesne roboty przemysłowe nie są budowane zgodnie z jednym schematem konstrukcyjnym. Jednakże w skład każdego robota przemysłowego wchodzą następujące układy: 

- układ zasilania,
- układ sterowania,
- układ ruchu (jednostka kinematyczna) (rys.4.1),

Rys. 4.1. Struktura funkcjonalna robota przemysłowego

W przypadku manipulatorów wszystkie układy zazwyczaj zabudowane są w jednym korpusie, natomiast dla robotów stanowią one odrębne urządzenia połączone ze sobą w sposób umożliwiający przepływ pomiędzy nimi energii oraz sygnałów.

Zadaniem układu zasilania jest dostarczenie do poszczególnych elementów robota energii niezbędnej do poprawnego ich działania. Może to być energia elektryczna, hydrauliczna lub pneumatyczna. W zależności od rodzaju energii zasilającej robot, w skład układu zasilania mogą
wchodzić:

– urządzenia zasilania silników prądu stałego oraz przemiennego, falowniki oraz niezbędne układy przekaźnikowe (w przypadku zasilania energią elektryczną),

– stacja olejowa oraz niezbędny osprzęt hydrauliczny (w przypadku zasilania energią hydrauliczną),

– stacja przygotowania powietrza, jeśli sprężone powietrze nie jest pobierane z sieci (w przypadku zasilania energią pneumatyczną).

Często spotykane jest mieszane zasilanie robotów, np. energią elektryczną i pneumatyczną lub energią elektryczną i hydrauliczną.

Zadaniem układu sterowania jest generowanie sygnałów sterujących poszczególnymi napędami robota i urządzeń współpracujących z robotem.

Sygnały te generowane są w oparciu o informacje dotyczące aktualnego stanu układu ruchu i urządzeń współpracujących i przetwarzane zgodnie z programem działania robota. Układ sterowania robotów jest zwykle wykonywany jako szafa sterownicza zawierająca:

a) główny pulpit sterowniczy z urządzeniami do uruchamiania robota lub ręcznego sterowania,

b) przenośny sterownik ręczny połączony z szafą długim kablem, służący do programowania robota i doprowadzania układu ruchu robota do kolejnych położeń wynikających z realizowanej trajektorii ruchu (ręczny programator, panel sterowania),

c) jednostkę sterująco–logiczną (komputer), zawierającą pamięć operacyjną programów pracy robota i współpracującą przez układy wejścia-wyjścia (interfejsy) z:

– serwonapędami uładu ruchu,
– układami pomiarowymi przemieszczeń,
– czujnikami położeń chwytaków i narzędzi,
– czujnikami stanu pracy urządzeń współpracujących z robotem.

Zadaniem układu ruchu jest fizyczna realizacja zaprogramowanej trajektorii ruchu robota, czyli przemieszczanie obiektu, którym robot manipuluje po określonym torze. Układ ruchu składa się z układu kinematycznego (zbioru członów mechanicznych połączonych ruchowo), napędów wprawiających w ruch odpowiednie człony układu kinematycznego oraz sensorów umożliwiających pomiary pozycji poszczególnych członów (rys. 4.2).

Rys. 4.2. Budowa układu ruchu robota przemysłowego

Układ ruchu maszyn manipulacyjnych (manipulatorów i robotów) wzorowany jest na budowie ciała ludzkiego.

Zarówno w maszynie manipulacyjnej, jak i u człowieka można wyróżnić analogiczne człony składowe bardzo zbliżone do siebie pod względem funkcjonalnym: tzn. podstawa (korpus), dołączone do niego ramię (ramiona), kiść oraz mechanizm chwytowy. Układ kinematyczny stanowiący układ nośny maszyny manipulacyjnej odpowiada szkieletowi człowieka, natomiast mięśniom odpowiadają napędy poszczególnych członów mechanicznych układu ruchu.

Rola, jaką spełniają podstawowe zespoły funkcjonalne układu ruchu jest następująca:

– podstawa – płyta lub inna konstrukcja stanowiąca pierwszy człon układu kinematycznego robota albo konstrukcja, z którą jest połączony nieruchomo pierwszy człon układu kinematycznego,

– ramię – zespół połączonych członów i napędzanych przegubów, który ustawia położenie kiści,

– kiść – zespół połączonych członów i napędzanych przegubów między ramieniem, a elementem roboczym, który podtrzymuje, ustawia i orientuje element roboczy, 

– efektor – urządzenie przeznaczone do chwycenia i utrzymania obiektu manipulacji albo do bezpośredniego wykonania operacji technologicznej realizowanej przez robot.

Szczególne miejsce wśród wymienionych powyżej zespołów układu ruchu stanowią efektory (chwytaki). Wynika to z autonomicznych w stosunku do samego robota zadań związanych bezpośrednio z samym przemiotem manipulacji oraz realizowanym procesem (chwycenie, odpowiednia orientacja przedmiotu lub narzędzia, wykonanie procesu technologicznego). 

Efektory traktowane muszą być jako urządzenia specjalne dokonstruowywane do robota. 

We współczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych robotów układ ruchu jest z reguły wydzielony i stanowi odrębną jednostkę strukturalną robota. Układ sterowania oraz układ zasilania znajdują się w pewnym oddaleniu od układu ruchu. Wynika to z konieczności zapewnienia tym układom warunków bezpiecznego i pewnego działania poprzez wyeliminowanie lub ograniczenie szkodliwego wpływu zakłóceń mechanicznych (np.drgań), cieplnych, elektrycznych, itp., których źródłem mogą być urządzenia procesu produkcyjnego (urządzenia współpracujące), jak również sam układ ruchu robota.

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZiU.