Wprowadzenie do zagadnień robotyzacji procesów

Współczesne formy i metody realizacji procesów produkcyjnych charakteryzują:

1) wyeliminowanie (lub ograniczenie) udziału człowieka przy wykonywanu prac nudnych, monotonnych, powtarzających się,

2) tendencje zwiększania poziomu bezpieczeństwa podczas wykonywania pracy,

3) dążenie do zapewnienia wysokiej i stałej jakości wytwarzanych produktów oraz świadczonych usług,

4) maksymalnego wykorzystania czasu pracy drogich i skomplikowanych maszyn i urządzeń,

5) możliwość szybkiego przystosowania linii produkcyjnych (stanowisk produkcyjnych) do produkcji innego asortymentu produktów,

6) obniżenie kosztów realizacji procesów produkcyjnych oraz usług.

Istotne znaczenie ma w tych przypadkach zastąpienie pracy człowieka podczas wykonywania czynności manipulacyjnych przez pracę maszyn – tzw. maszyn manipulacyjnych.

Czynności manipulacyjne polegają na uchwyceniu określonego obiektu (przedmiotu), zmienianiu jego położenia, transportowaniu, pozycjonowaniu lub orientowaniu względem przyjętej bazy, przygotowaniu obiektu do wykonywania na nim lub za jego pomocą operacji technologicznych. Z pewnym uproszczeniem
można stwierdzić, iż wykonywanie czynności manipulacyjnych przez człowieka wymaga wydatkowania energii (funkcje energetyczne) oraz zaangażowania pracy umysłowej (funkcje intelektualne). Maszyny manipulacyjne są to urządzenia (maszyny) lokomocyjne przeznaczone do częściowego lub całkowitego
zastępowania funkcji energetycznych oraz intelektualnych człowieka. Wśród maszyn manipulacyjnych wyróżnia się dwie ich podstawowe kategorie:

• manipulatory,
• roboty.

Manipulator przemysłowy jest to urządzenie przeznaczone do wspomagania, częściowego albo całkowitego zastępowania człowieka przy wykonywaniu czynności manipulacyjnych w przemysłowym procesie produkcyjnym. Robotem (przemysłowym) jest manipulator wielofunkcyjny przeznaczony do przemieszczania w przestrzeni materiałów, części, narzędzi lub specjalnych przyrządów mający programowane ruchy w celu wykonania różnorodnych zadań [Heimann B., Mechatronika. PWN, Warszawa, 2001]. Cechą odróżniającą roboty od manipulatorów jest ich uniwersalność polegająca na możliwości zastosowania tego samego urządzenia technicznego do realizacji różnych funkcji w procesie produkcji. Wymaga to zapewnienia większych możliwości ruchowych oraz realizacji mniej lub bardziej złożonych automatycznych czynności związanych z procesem sterowania ruchem. Charakterystycznymi właściwościami robotów są:

• programowalność,
• możliwość wykonywania ruchów po różnych torach.

Struktura funkcjonalna układów manipulacyjnych i robotów

W skład każdego robota przemysłowego wchodzą następujące układy:

• układ zasilania,
• układ sterowania,
• układ ruchu (jednostka kinematyczna) – rys. 7.13.,

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).

Rys. 7.13. Struktura funkcjonalna robota przemysłowego
[Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka – robotyka. WSiP, Warszawa 1999]

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:
o serwonapędami uładu ruchu,
o układami pomiarowymi przemieszczeń,
o czujnikami położeń chwytaków i narzędzi,
o 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. 7.14).

Rys. 7.14. Budowa układu ruchu robota przemysłowego
[Kordowicz-Sot A.: Automatyka i robotyka – robotyka. WSiP, Warszawa 1999]

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). Efektory traktowane muszą być jako urządzenia specjalne dokonstruowywane do robota.

Rys. 7.15. Przykłady efektorów [opracowanie własne]

Jedną z cech charakteryzujących roboty przemysłowe jest ich struktura kinematyczna – czyli rozmieszczenie elementów składowych robota wraz z przedstawieniem współzależności między tymi elementami dla danego układu. Stosowane są roboty o strukturach:

• kartezjańskiej,
• cylindrycznej,
• SCARA,
• sferycznej,
• antropomorficznej,
• równoległej.

Roboty kartezjańskie (rys. 7.16), nazywane również bramowymi, mają przestrzeń roboczą w kształcie prostopadłościanu nieraz o bardzo dużych wymiarach. Typowym zastosowaniem robotów kartezjańskich jest:

• przemieszczanie materiałów pomiędzy maszynami na duże odległości,
• przemieszczanie (oraz wyszukiwanie) obiektów w zautomatyzowanych magazynach.

Rys. 7. 16. Robot o strukturze kinematycznej kartezjańskiej; a) schemat konstrukcyjny i przestrzeń robocza [http://www.old.imnipe.pwr.wroc.pl/lab_lap/roboty.htm], b) widok robota
http://www.automationstechnik.pl/ósub=oferta_firmy&id=20&t_id=2]
 

Rys. 7. 17. Robot o strukturze kinematycznej cylindrycznej: a) schemat konstrukcyjny i przestrzeń robocza, b) widok robota
[http://www.asimo.pl/teoria/roboty-przemyslowe.php]

Przestrzeń robocza robotów cylindrycznych (rys. 7.17) ma kształt wydrążonego cylindra, może posiadać dużą objętość. Mniejsze roboty cylindryczne stosowane są do szybkiego precyzyjnego montażu, natomiast duże roboty wykorzystywane do przenoszenia, podawania i odbierania obiektów, załadunku i rozładunku maszyn technologicznych.

Rys. 7. 18. Robot o strukturze kinematycznej SCARA: a) schemat konstrukcyjny i przestrzeń robocza, b) widok robota.
[http://www.asimo.pl/teoria/roboty-przemyslowe.php

Roboty SCARA (Selective Compliance Assembly Arm) mają największą szybkość i powtarzalność ze wszystkich konfiguracji robotów. Roboty stosowane są do precyzyjnego, bardzo szybkiego, lekkiego montażu. Typowymi zastosowaniami robotów SCARA są: wkładanie elementów w płytki obwodów drukowanych, montaż małych urządzeń elektromechanicznych, montowanie napędów dysków w komputerach (rys. 7.18).
 

Rys. 7. 19. Robot o strukturze kinematycznej równoległej: a) schemat konstrukcyjny i przestrzeń robocza, b) widok robota
[http://www.asimo.pl/teoria/roboty-przemyslowe.php]

Istnieją również roboty równoległe o zamkniętym łańcuchu kinematycznym. Zasada działania tego typu robotów opiera się na odpowiednio zaprojektowanych ramionach robota. Użycie tych ramion pozwala ustawić pozycję i orientację ruchomej platformy. Takie roboty posiadają 3 ramiona. Ruchoma platforma jest wyposażona w efektor który posiada dodatkowy stopień swobody umożliwiający np. obrót. (rys. 7.19). Przykładem zastosowania tych robotów jest przenoszenie i odpowiednie ustawienie ciężkiego mikroskopu używanego do przeprowadzania skomplikowanych operacji chirurgicznych.

Rys. 7. 20. Robot o strukturze kinematycznej sferycznej – schemat konstrukcyjny i przestrzeń robocza
[http://www.asimo.pl/teoria/roboty-przemyslowe.php]

Roboty sferyczne (rys. 7.20) charakteryzują się dużą przestrzenią roboczą przy stosunkowo niewielkiej jednostce mechanicznej. Ruchy robota nie są płynne, co jest powodem obniżenia ich szybkości i dokładności.
 

Rys. 7. 21. Robot o strukturze kinematycznej antropomorficznej
http://www.rywal.com.pl/katalog_produktow/index.phpógrupa=d69b&podgrupa=2410&producenci=0

Roboty antropomorficzne (rys. 7.21) charakteryzują się dużą przestrzenią roboczą w porównaniu z wielkością ich jednostki mechanicznej, bardzo dobrą gibkością kiści umożliwiającą jej orientację prawie w każdym położeniu. Powtarzalność i dokładność pozycjonowania są dobre, lecz nie nadające się do montażu precyzyjnego. Typowymi zastosowaniami robotów antropomorficznych są: spawanie, malowanie, gratowanie, podawanie, przemieszczanie i odbieranie materiału.
 

Opracowano na podstawie materiałów KOWEZIU.