mgr inż. Krzysztof Olejnik

1

WYKORZYSTANIE ROBOTÓW W

SPAWALNICTWIE

Część 1
•

PODSTAWOWE OKREŚLENIA I PODZIAŁ ROBOTÓW

•

UKŁADY SENSORYCZNE W ROBOTYCE

Część 2
•

ZROBOTYZOWANE STANOWISKA SPAWALNICZE

•

ZASTOSOWANIE ROBOTÓW W PRACACH SPAWALNICZYCH

•

PROBLEMATYKA BEZPIECZEŃSTWA PRACY NA STOWISKU
ZROBOTYZOWANYM

Część 3
•

UKŁADY ADAPTACYJNE W SPAWANIU

•

TECHNIKI PROGRAMOWANIA ROBOTÓW

mgr inż. Krzysztof Olejnik

2

PODSTAWOWE OKREŚLENIA I PODZIAŁ ROBOTÓW

Norma ISO 8373 wprowadza definicje pojęć i odpowiadających im
terminów dotyczących robotów i manipulatorów.

MANIPULACJA – tok czynności w przemysłowym procesie produkcyjnym,
polegający na: uchwyceniu określonego obiektu manipulacji, transportowaniu,
pozycjonowaniu lub orientowaniu tego obiektu względem przyjętej bazy, oraz
przygotowujący ten obiekt do wykonywania na nim lub za jego pomocą operacji
technologicznych.

MANIPULATOR (przemysłowy) – urządzenie przeznaczone do wspomagania lub
całkowitego zastąpienia człowieka przy wykonywaniu czynności manipulacyjnych w
przemysłowym procesie produkcyjnym, sterowane ręcznie lub automatycznie za
pomocą własnego układu sterującego stałoprogramowanego lub zewnętrznego
układu sterującego.

ROBOT (przemysłowy)

–

urządzenie automatyczne przeznaczone do

wykonywania czynności manipulacyjnych w przemysłowym procesie produkcyjnym,
mające układ ruchu składający się co najmniej z trzech zespołów ruchu i własny
układ sterujący programowalny.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

3

PODSTAWOWE OKREŚLENIA I PODZIAŁ ROBOTÓW

Norma ISO 8373 wprowadza definicje pojęć i odpowiadających im
terminów dotyczących robotów i manipulatorów.

ROBOTYZACJA – działania mające na celu automatyzację pracy produkcyjnej za
pomocą manipulatorów i robotów.

MECHANIZACJA – polega na zastępowaniu w procesie produkcyjnym pracy
fizycznej człowieka poprzez prace maszyn.

AUTOMATYZACJA

–

zastępowanie człowieka w sterowaniu ręcznym

urządzeniami pracującymi bez bezpośredniego udziału człowieka. Urządzenia te
przejmują funkcje człowieka związane głównie z jego wysiłkiem umysłowym.
Sterowanie wykonywane przez urządzenia nazywa się sterowaniem
automatycznym. AUTOMATYZACJA wiąże się z uprzednim lub równoczesnym
wprowadzeniem MECHANIZACJI

mgr inż. Krzysztof Olejnik

4

1. ELEMENTY I ZESPOŁY ROBOTÓW

1 – człon roboczy – kiść, wykonująca ruchy obrotowe w zakresie kąta t i v,
2, 3

– ramiona, wykonujące ruchy obrotowe w zakresie kąta

α i θ,

4 – korpus,

wykonujący ruch obrotowy w zakresie kąta

ϕ,

5 – podstawa

robota,

6, 7

– przekładnie śrubowe toczne do obrotu ramienia dolnego i górnego,

8, 9

– silniki napędowe członu roboczego (kości),

10, 11

– silniki napędowe przekładni śrubowych,

12 – silnik

napędzający korpus.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

5

1. ELEMENTY I ZESPOŁY ROBOTÓW

PODSTAWA – płyta lub inna konstrukcja, która stanowi pierwszy człon układu
kinematycznego lub z którą jest połączony w sposób nieruchomy pierwszy człon
układu kinematycznego robota (manipulatora) przemysłowego.

KORPUS – element konstrukcyjny robota (manipulatora) przemysłowego
stanowiący obudowę elementów zespołów ruchu ramienia.

UKŁAD KINEMATYCZNY – układ przenoszący ruch od zespołów napędowych do
elementu roboczego, będący zbiorem członów mechanicznych połączonych
ruchowo.

UKŁAD RUCHU – układ wykonujący pożądane zmiany położenia elementu
roboczego, składający się z układu kinematycznego oraz napędów
wprowadzających w ruch odpowiednie człony układu kinematycznego.

RAMIĘ – część układu ruchu, której podstawowym zadaniem jest pozycjonowanie
przyłącza.

KIŚĆ – część układu ruchu między ramieniem a elementem roboczym, której
zadaniem jest orientowanie elementu roboczego lub wprowadzanie niewielkich
zmian jego pozycji.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

6

1. ELEMENTY I ZESPOŁY ROBOTÓW

ZESPÓŁ RUCHU – część układu ruchu złożona z jednego napędu i członów układu
kinematycznego, których położenie względem siebie zmienia ten napęd.

MODUŁ RUCHU – zespół ruchu w postaci autonomicznej konstrukcji.

PRZYŁĄCZE ROBOTA (MANIPULATORA) PRZEMYSŁOWEGO – miejsce na
ostatnim członie układu kinematycznego robota (manipulatora) przemysłowego
przeznaczone do mocowania elementu roboczego.

ELEMENT ROBOCZY – urządzenie mocowane do przyłącza robota (manipulatora)
przemysłowego przeznaczone do chwytania i utrzymania obiektu manipulacji albo
do bezpośredniego wykonywania operacji technologicznych.

CHWYTAK – element roboczy służący do uchwycenia obiektu manipulacji
(odebrania mu liczby stopni swobody niezbędnej do wykonania czynności
manipulacyjnych), utrzymania go podczas manipulacji i uwolnieniu po jej
zakończeniu.

UKŁAD STERUJĄCY MANIPULATORA (PRZEMYSŁOWEGO) – urządzenie
manipulatora przemysłowego sterowane ręcznie lub działające automatycznie
według stałego programu, wytwarzające sygnały sterujące napędami manipulatora i
urządzeniami współpracującymi z manipulatorem.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

7

1. ELEMENTY I ZESPOŁY ROBOTÓW

UKŁAD STERUJĄCY ROBOTA (PRZEMYSŁOWEGO) – urządzenie robota
przemysłowego działające automatycznie, przeprogramowane, wytwarzające
sygnały sterujące napędami robota i urządzeniami współpracującymi z robotem.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

8

2. UKŁADY WSPÓŁRZĘDNYCH I RUCHY

Układy współrzędnych stosowane do robotów przemysłowych przyjęto
zgodnie z EN 29787.

Zgodnie z normą, wszystkie układy współrzędnych są układami prawo skrętnymi. A,
B, C określają ruchy obrotowe, odpowiednio wokół osi X, Y, Z.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

9

2. UKŁADY WSPÓŁRZĘDNYCH I RUCHY

Określa się trzy podstawowe układy współrzędnych:

• Globalny,
• Podstawowy,
• Interfejsu mechanicznego

mgr inż. Krzysztof Olejnik

10

2. UKŁADY WSPÓŁRZĘDNYCH I RUCHY

GLOBALNY UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH
Oznaczenie: X

0

– Y

0

– Z

0

Początek globalnego układu współrzędnych jest określany przez użytkownika,
stosownie do jego wymagań. Kierunek osi +Z

0

jest zgodny, a zwrot jest przeciwny

do wektora przyspieszenia ziemskiego. Oś +X

0

jest określona poprzez użytkownika,

stosownie do jego wymagań.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

11

2. UKŁADY WSPÓŁRZĘDNYCH I RUCHY

PODSTAWOWY UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH
Oznaczenie: X

1

– Y

1

– Z

1

Początek podstawowego układu współrzędnych powinien być określony przez
producenta robota. Kierunek osi +Z

1

jest zgodny z manipulatorem robota, a jej

zwrot jest skierowany od powierzchni mocowania robota. Zwrot osi +X

1

jest

skierowany od początku układu współrzędnych i przechodzi przez rzut środka
przestrzeni roboczej.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

12

2. UKŁADY WSPÓŁRZĘDNYCH I RUCHY

UKŁAD WSPÓŁRZĘDNYCH INTERFEJSU MECHANICZNEGO
Oznaczenie: X

m

– Y

m

– Z

m

[ m=liczba osi robota ].

Początkiem układu współrzędnych jest środek interfejsu mechanicznego robota.
Zwrot +Z

m

jest skierowany od interfejsu mechanicznego robota do elementu

roboczego. Oś +X

m

określa przecięcie płaszczyzny interfejsu mechanicznego

robota z płaszczyzną X

1

Z

1

(albo płaszczyzną równoległą do X

1

Z

1

).

mgr inż. Krzysztof Olejnik

13

3. RODZAJE ROBOTÓW I MANIPULATORÓW

PRZEMYSŁOWYCH

Norma ISO 8373 dzieli roboty i manipulatory przemysłowe na:

Manipulator (przemysłowy) ręczny
Serwomanipulator
Telemanipulator
Manipulator (przemysłowy) automatyczny
Robot (manipulator) przemysłowy:

- stacjonarny
- mobilny

- monolityczny
- modułowy

- konsolowy
- portalowy
- suwnicowy
- bramowy

- kartezjański
- cylindryczny
- sferyczny
- przegubowy
- typu SCARA

- lekki
- średni
- ciężki
- bardzo ciężki

mgr inż. Krzysztof Olejnik

14

3. RODZAJE ROBOTÓW I MANIPULATORÓW

PRZEMYSŁOWYCH

Klasyfikacja robotów przemysłowych wg przeglądu IRF z 1997 roku:

1.

Klasyfikacja ze względu na liczbę osi:
•

wszystkie roboty z trzema osiami i więcej,

•

roboty z 4 osiami,

•

roboty z 5 osiami lub więcej,

2.

Klasyfikacja ze względu na rodzaj sterowania
•

roboty sekwencyjne (ang. sequence-controlled robots)

•

roboty realizujące zadaną trajektorię (ang. trajektory-operated robots)

•

Playback

•

CNC,CP

•

roboty adaptacyjne (ang. adaptive robots)

•

teleoperator (ang. teleoperated robots)

mgr inż. Krzysztof Olejnik

15

3. RODZAJE ROBOTÓW I MANIPULATORÓW

PRZEMYSŁOWYCH

3.

Klasyfikacja ze względu na strukturę mechaniczną:
•

roboty kartezjańskie i portalowe (ang. cartesian and gantry robots) (a)

•

SCARA (c)

•

roboty przegubowe (ang. articulated robots) (e)

•

roboty równoległe (ang. parallel robots) (f)

•

roboty sferyczne, cylindryczne (ang. Spherical,cylindrical robots) (d,b)

mgr inż. Krzysztof Olejnik

16

4. CHARAKTERYSTYKI FUNKCJONALNE ROBOTÓW

PRZEMYSŁOWYCH

W dokumentacji towarzyszącej producent powinien podać odpowiednie

informacje dotyczące różnych charakterystyk robota.

•

podstawowe rodzaje zastosowań,

•

wymagane źródła zasilania,

•

rodzaj manipulatora robota i liczba osi,

•

układy współrzędnych (podstawowy i interfejsu mechanicznego robota),

•

wymiary zewnętrzne i masa manipulatora robota i układu sterowania,

•

sposób mocowania robota,

•

opis interfejsu mechanicznego robota,

•

specyfikacja układu sterowania,

•

sposób programowania,

•

dopuszczalne warunki środowiskowe,

•

parametry dotyczące możliwości obciążania robota,

•

prędkości,

•

charakterystyki funkcjonalne.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

17

5. INTERFEJSY MECHANICZNE

Zakończenie mechaniczne kiści robota jest określone normą PN-EN 29409.
Zaleca się stosowanie wymiarów interfejsu mechanicznego wg tablicy.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

18

UKŁADY SENSORYCZNE W ROBOTYCE

Sensory taktylne przeznaczone są do zbierania informacji o bezpośrednim

(dotykowym) otoczeniu robota, a w szczególności o położeniu, orientacji i kształcie
obiektu manipulacji. Sensory taktylne mogą przekazywać nie tylko informacje o
kontakcie z otoczeniem, mogą również dokonywać pomiaru wartości i kierunku siły
w obszarze styku. Sygnały z czujników są wykorzystywane przede wszystkim do
kształtowania trajektorii ramienia robota przy wypełnieniu zadań montażowych, a
także przy operowaniu narzędziami obróbkowymi.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

19

UKŁADY SENSORYCZNE W ROBOTYCE

TYPOWE ZADANIA URZĄDZEŃ I UKŁADÓW TAKTYLNYCH ZWIĄZANE SĄ Z:
1.

pomiarami i sterowaniem parametrami:
•

chwytania, w przypadku wykonywania przez robota zadań transportowych,

•

obróbki, w przypadku wykonywania przez robota zadań technologicznych,

2.

rozpoznawania obiektu manipulacji, w tym:
•

wykrywanie obecności obiektu,

•

rozpoznawanie położenia i zorientowania obiektu,

•

rozpoznawanie kształtu,

3.

pomiarami i sterowaniem umiejscowienia obiektu manipulacji.

ZE WZGLĘDU NA SPEŁNIONE ZADANIA SYGNAŁY Z SENSORÓW MOŻNA

PODZIELIĆ NA:

¾

sygnały nadzoru przebiegu pracy i przestrzeni roboczej, które powodują przerwę w
realizacji bieżącej programu i stosownie do przekazanego sygnału powodują
zadziałanie odpowiednich funkcji specjalnych,

¾

dane do statycznej korekty programu, które odnoszą się zarówno do odstępstw od
położenia i orientacji przedmiotu, jak również do tolerancji wymiarów przedmiotów,

¾

dane do dynamicznej korekty programu, które są tworzone na podstawie odchyłek
od toru, jakie powstają podczas realizacji programu.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

20

1. SIŁOWE SENSORY TAKTYLNE

Do budowy siłowych sensorów taktylnych wykorzystuje się zarówno materiały o
różnych właściwościach, jak i różne metody wykrywania działających sił. Materiał
stosowany w czujniku powinien charakteryzować się następującymi cechami:

ƒ

zmiennością oporu wraz ze zmianą naprężeń w poszczególnych
punktach całej tablicy,

ƒ

minimalnym oporem

ƒ

dobrą powtarzalnością,

ƒ

małą histerezą

ƒ

odpornością na zmęczenie

ƒ

stałością charakterystyki.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

21

1. SIŁOWE SENSORY TAKTYLNE

Podstawowa konfiguracja matrycy oporowej.

Elektrody ułożone są w dwóch równoległych płaszczyznach w kierunkach
prostopadłych do siebie. Płaszczyzny elektrod oddzielone są od siebie
piezorezystancyjnym materiałem. Pojedynczy punkt pomiarowy matrycy
definiowany jest na przecięciu prostopadłych elektrod, znajdujących się na dwóch
płaszczyznach.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

22

1. SIŁOWE SENSORY TAKTYLNE

Magnetyczno-rezystancyjny sensor taktylny.

W sensorach taktylnych magnetorezystancyjnych wykorzystana jest zasada
magnetostrykcji, polegająca na występowaniu zjawiska zmiany pola
magnetycznego podczas przyłożenia zewnętrznego obciążenia (ściskania lub
rozciągania) na ten materiał.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

23

1. SIŁOWE SENSORY TAKTYLNE

Sensory taktylne z warstwą piezoelektryczną.

Konstrukcja opiera się na materiale piezoelektrycznym który wytwarza ładunek
elektryczny na skutek mechanicznego nacisku.
Zastosowanie efektu piezoelektrycznego w czujnikach taktylnych stosowanych w
chwytakach ogranicza się do sytuacji, w której części manipulowane szybko są
chwytane, transportowane i pozycjonowane (ze względu na występowanie błędów
zmiennych w czasie).

mgr inż. Krzysztof Olejnik

24

2. SENSORY TAKTYLNE PRZEMIESZCZENIOWE

Dotknięcie sensorem obiektu i określenie siły nacisku można również realizować
poprzez pomiar odkształceń, posługując się czujnikami przemieszczenia.
Dokładność pomiaru siły zależna jest od właściwości elastycznych materiału, z
którego wykonany jest czujnik i od dokładności wykonania przetworników.

Sensor taktylny z kulistym zakończeniem które składa się z dwóch warstw
przewodzącej gumy, oddzielonych warstwą powietrza. Siła pojawiająca się podczas
dotknięcia czujnikiem obiektu powoduje odkształcenie warstwy powierzchniowej i
zaistnienie kontaktu obu przewodzących warstw gumy.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

25

2. SENSORY TAKTYLNE PRZEMIESZCZENIOWE

Sensor taktylny z czujnikiem termicznym i źródłem ciepła w postaci rezystorów.
Jeżeli czujnik termiczny dotknie zewnętrznego obiektu, to temperatura czujnika
obniży się na skutek transmisji ciepła.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

26

3. SENSORY OPTYCZNE

Optoelektroniczny czujnik taktylny oparty na detekcji światła odbitego od badanej
powierzchni..

mgr inż. Krzysztof Olejnik

27

4. SENSORY OPTYCZNE LASEROWE

Laserowy czujnik odległości

mgr inż. Krzysztof Olejnik

28

4. SENSORY OPTYCZNE LASEROWE

Etapy postępowania przy wykorzystaniu laserowego czujnika odległości.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

29

4. SENSORY WIZYJNE

Schemat działania sensora wizyjnego pozwalającego wygenerować trójwymiarowe
odzwierciedlenie rowka spawalniczego.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

30

4. SENSORY WIZYJNE

System wizyjny składający się z kamery i oświetlenia wiązka lasera o odpowiednim
kształcie.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

31

4. SENSORY WIZYJNE

Przykład zastosowania laserowego sensora wizyjnego do lokalizowania krawędzi
blachy.

mgr inż. Krzysztof Olejnik

32

4. SENSORY WIZYJNE

Przykład zastosowania systemu wizyjnego do segregacji śrub według średnicy.