POLITECHNIKA RADOMSKA

im. Kazimierza Pułaskiego

Wydział Transportu

PRACA PRZEJŚCIOWA

MARCIN KATANA

gr. ISP

ROBOTYZACJA W PRZEMYŚLE

Radom 2008

Spis Treści:

1. Wstęp...................................................................................................................................... 3

2. Rys historyczny ...................................................................................................................... 4

3. Podstawowe terminy i pojęcia................................................................................................ 5

3.1 Co to jest robotyka i czym się zajmuje …………………………………………………..5

3.2 Podstawowe pojęcia.……………………………………………………………………..6

4. Klasyfikacja i podział robotów.……………………………………………………………..7

4.1 Roboty militarne………………………………………………………………………...7

4.2 Roboty medyczne ……………………………………………………………………....8

4.3 Roboty mobilne ……………………………………………………………………...…9

4.4 Nano roboty …………………………………………………………………………….9

4.5 Roboty do rozrywki …………………………………………………………………...10

4.6 Roboty przemysłowe ………………………………………………………………….10

4.6.1 Roboty spawalnicze ……………………………………………………………11

4.6.2 Roboty malarskie ……………………………………………………………....12

4.6.3 Roboty montażowe …………………………………………………………….12

4.6.4 Roboty paletyzujące ……………………………………………………………13

4.6.5 Roboty do utylizacji i zabezpieczenia odpadów ……………………………….13

5. Elementy pracy układu zrobotyzowanego ………………………………………………...13

5.1 Ogólna budowa systemu pracy robota………………………………………………..13

5.2 Budowa systemu pracy robota przemysłowego……………………………………....14

6 Języki programowania robotów przemysłowych…………………………………………15

Bibliografia …………………………………………………………………………………..18

Strona | 2

1. WSTĘP

Nie ma bardziej uniwersalnego „narzędzia” niż człowiek i dlatego tak często tak

trudno zastąpić go robotem. Jednocześnie nie ma tak ułomnego „narzędzia”

jakim jest człowiek i dlatego tak łatwo zastąpić go robotem.

Te dwie sprzeczności doskonale obrazują obecną sytuację w robotyzacji.

Człowiek dostosuje się do każdych warunków – jak trzeba będzie, to się pochyli,

nagnie, sam oceni sytuacje i odpowiednio zmodyfikuje swoje działanie. Tymczasem dla

robota trzeba te warunki odpowiednio stworzyć i muszą one być niezmienne. Ale za to robot

będzie pracował szybciej i wydajniej, bez zmęczenia i zawsze tak samo. Taka sama czynność

zostanie wykonana po raz tysięczny z taką samą dokładnością jak za pierwszym razem, bez

potrzeby przerw w pracy, przez cała dobę. Uciążliwość środowiska lub warunki

niedopuszczalne dla pracy ludzi nie są przeszkodą dla pracy.

Szybkość, dokładność, wydajność, jakość pracy robota powodują obniżenie kosztów

wytwarzania. Z tych powodów niektóre powtarzalne czynności w przemyśle w coraz

większym stopniu wykonywane są przez maszyny.

Robotyka to dziedzina, której wykorzystanie sięga bardzo wielu aplikacji. Roboty stosowane

są na świecie w wielu sektorach produkcyjnych, co sprawia, że ich rynek rozwija się obecnie

bardzo szybko. Postęp nie omija również Polski, co jest ważne, gdyż dla krajowego

przemysłu robotyzacja może być jednym z kluczowych czynników decydujących o dalszym

wzroście.

Analiza bieżących statystyk i prognoz na przyszłość pozwala sądzić, że tempo rozwoju

robotyki na świecie pozostanie w kolejnych latach bardzo duże. O ile wartość całego rynku w

2005r. szacowana była na około 5,4 mld dolarów, to ocenia się, że do roku 2010 osiągnie

poziom 17,1 mld dolarów, czyli będzie ponad trzykrotnie większa.

Strona | 3

2. Rys historyczny

Człowiek od początku swego istnienia zawsze starał się ułatwić sobie wykonywanie

pewnych czynności. Z tego powodu wymyślał różne narzędzia, początkowo będące tylko

przedłużeniem kończyn człowieka, które ciągle udoskonalał. Wraz z ich doskonaleniem

następowało ich specjalizowanie do konkretnych celów. W wyniku połączenia kilku narzędzi

i ich cech zaczęły powstawać pierwsze mechanizmy i maszyny. Z czasem człowiek zaczął

dążyć do tego, że maszyny mogły zastąpić podstawowe funkcje organizmów żywych, oraz

upodobnił je do samego siebie. Pojawienie się urządzeń elektrycznych, pneumatycznych i

hydraulicznych pozwoliło na budowanie coraz to bardziej zaawansowanych technicznie

urządzeń realizujących funkcje ręki człowieka. Zostały one nazwane manipulatorami

(łac. manus – ręka).

Po raz pierwszy terminu robot użył czeski pisarz Karel Capek w 1921 roku w swojej

sztuce. Terminem tym określił maszynę - niewolnika zastępującą człowieka w najbardziej

uciążliwych zajęciach. Nazwa wywodzi się od czeskiego robota czyli ciężka praca.

W języku angielskim pojecie to pojawiło się po raz pierwszy w krótkim opowiadaniu

Isaaca Asimova - Kłamca (Liar) w 1941 roku.

Rozwój współczesnych manipulatorów w świecie datuje się od 1950r. kiedy rozpoczęto

w USA prace nad budową urządzeń manipulacyjnych dla przemysłu nuklearnego.

Równolegle z rozwojem tego typu maszyn osiągnięto znaczny postęp w dziedzinie budowy

obrabiarek, układów sterujących i pomiarowych. Umożliwiło to wybudowanie pierwszych

maszyn manipulacyjnych ze sterowaniem programowym przeznaczonych do automatyzacji

czynności manipulacyjnych i produkcyjnych.

Strona | 4

3. Podstawowe terminy i pojęcia

3.1 Co to jest robotyka i czym się zajmuje

Początkowo najbardziej powszechnie akceptowana definicja robotyki była

zaproponowana w Stanach Zjednoczonych przez RIA (Robotic Industries Association):

Robot jest przeprogramowywalnym, wielofunkcyjnym manipulatorem (lub urządzeniem)

zaprojektowanym do przenoszenia materiałów, części, narzędzi, lub wyspecjalizowanych

urządzeń za pomocą zmiennych, programowanych ruchów do wykonywania wielu zadań.

Około 1942 roku amerykański pisarz Isaac Asimov w opowiadaniu „Zabawa w berka”

wprowadził trzy prawa robotyki, które jego zdaniem musiały być przestrzegane przez roboty:

• prawo pierwsze: Robot nie może skrzywdzić człowieka, ani przez zaniechanie

działania dopuścić, aby człowiek doznał krzywdy.

• prawo drugie: Robot musi być posłuszny rozkazom człowieka, chyba że stoją one w

sprzeczności z pierwszym prawem..

• prawo trzecie: Robot musi chronić sam siebie, jeśli tylko nie stoi to w sprzeczności z

pierwszym lub drugim prawem.

W wolnej encyklopedii internetowej Wikipedia termin robotyka widnieje jako:

robotyka – (ang. robotics) interdyscyplinarna dziedzina wiedzy działająca na styku

mechaniki, automatyki, elektroniki, sensoryki, cybernetyki oraz informatyki. Domeną

robotyki są również rozważania nad sztuczna inteligencja - w niektórych środowiskach

robotyka jest wręcz z nią utożsamiana.

Robotyka to dziedzina, która obejmuje wszystko co jest związane z teoria, budowa oraz

eksploatacja robotów.

Głównymi działami dzisiejszej robotyki są:

• kinematyka manipulatorów,
• dynamika manipulatorów,
• planowanie ruchów i optymalizacja trajektorii,
• sterowanie robotów,
• systemy sensoryczne,
• robotyka specjalna (roboty mobilne, podwodne, specjalne),

Strona | 5

• eksploatacja robotów,
• elastyczne systemy produkcyjne

3.2 Podstawowe pojęcia

Kinematyka - to dział mechaniki zajmujący się, matematycznym opisem ruchu ciał oraz

badaniem geometrycznych właściwości ich ruchu, pomijając przy tym działające siły i

bezwładność ciał

Robot – to urządzenie techniczne przeznaczone do wykonywania niektórych czynności

manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka, mające określony poziom energetyczny,

informacyjny i sztucznej inteligencji.

Robot przemysłowy – to urządzenie techniczne do zastępowania człowieka przy

wykonywaniu określonych czynności manipulacyjnych, przystosowane do realizacji różnych

łatwo zmiennych programów ruchu manipulacyjno – transportowego.

Manipulator – układ techniczny przystosowany do realizacji niektórych funkcji kończyny

górnej człowieka np. funkcji manipulacyjnej lub wysięgnikowej.

Jednostka kinematyczna – mechanizm z dołączonymi napędami, tworzący układ ruchu

maszyny manipulacyjnej.

Para kinematyczna – sposób połączenia ruchowego członów.

Przestrzeń robocza – obszar w obrębie którego porusza się konstrukcyjne zakończenie

ostatniego, wolnego członu mechanizmu jednostki kinematycznej.

Chwytak – element roboczy maszyny manipulacyjnej służący do uchwycenia obiektu

manipulacji, utrzymania go podczas manipulacji oraz uwolnienia po zakończeniu

manipulacji.

Pozycjonowanie – sterowanie przemieszczeniem chwytaka lub elementu maszyny

manipulacyjnej, przez doprowadzenie zespołu ruchów jednostki kinematycznej do zadanych

położeń.

Błąd pozycjonowania – różnica pomiędzy zadanym i rzeczywiście osiągniętym położeniem

zespołu ruchowego jednostki kinematycznej.

Powtarzalność pozycjonowania – wielkość określająca o ile różnią się zadane pozycje

końcówki manipulatora w kolejnych cyklach pracy.

Strona | 6

4. Klasyfikacja i podział robotów

W literaturze światowej ze względu na to, że nauka o robotach nie jest w pełni

sformalizowana spotyka się różne podejście do problemu klasyfikacji.

Klasyfikacja robotów

• Roboty militarne
• Roboty medyczne
• Roboty mobilne
• Nano roboty
• Roboty do rozrywki
• Roboty przemysłowe

4.1 Roboty militarne

Najczęstszym zastosowaniem w tej dziedzinie jest

rozbrajanie bomb. Roboty produkowane do tego

celu maja postać bardzo stabilnej ruchomej

platformy, na której zamocowana jest kamera i silne

źródło światła. Robot taki, kontrolowany zdalnie

przez operatora, jest w stanie rozbroić bombę lub

przy pomocy manipulatora przenieść ja w miejsce

gdzie detonacja nie wyrządzi nikomu szkody.

Zastosowaniem robotów często jest

eksploracja środowisk z jakichś powodów

niedostępnych dla człowieka. Przykładem są

roboty przeznaczone do pracy pod woda -

mające postać zdalnie sterowanych bądź w

większym stopniu autonomicznych mini-łodzi

podwodnych wyposażonych w kamery i

manipulatory.

Strona | 7

Istnieją też roboty przeznaczone do operowania w środowiskach o bardzo silnej radiacji, takie

jak zbudowany na wzór pająka

Robug III. Wdzięcznym dla inteligentnych maszyn zadaniem jest też eksploracja kosmosu, w

czym utwierdziły nas sukcesy takich konstrukcji jak Sojourner, Spirit oraz Opportunity

przeznaczonych do eksploracji Marsa.

4.2 Roboty medyczne

Strona | 8

4.3 Roboty mobilne

4.4 Nano roboty

Robot używa do poruszania się dwóch niezależnych

mikroaktywatorów, "muskułów".

Pierwszy umożliwia ruch do przodu, drugi zaś skręcanie.

Nie ma zaprogramowanych kierunków. Zamiast tego

reaguje odpowiednim ruchem na zmiany elektryczne

w siatce elektrod, która jednocześnie dostarcza mu mocy

do wykonania tych akcji.

Ten mikrorobot i jego wariacje mogą zostać wykorzystane do

celów ochrony i bezpieczeństwa, kontroli i napraw

układów scalonych, badania niebezpiecznych środowisk

czy nawet do manipulowania ludzkimi komórkami i tkankami

Strona | 9

4.5 Roboty do rozrywki

4.6 Roboty przemysłowe

Roboty przemysłowe znajdują głównie zastosowanie przy produkcji wielkoseryjnej, w

której skomplikowany cykl technologiczny musi być powtarzany wielokrotnie, z dużą

precyzją. Jednym z wymogów nowoczesnych linii produkcyjnych jest możliwość szybkiego

„przezbrojenia” procesu technologicznego. Najlepszym przykładem jest przemysł

samochodowy, gdzie na jednej taśmie montażowej może być produkowanych

kilka różnych modeli aut. Obecnie roboty przemysłowe stosuje się także przy produkcji

mało- i średnio-seryjnej, gdzie pracują przy uciążliwych lub niebezpiecznych dla człowieka

procesach technologicznych. Główne zastosowanie robotów to: spawanie, szlifowanie,

lakierowanie, odlewnictwo, obróbka cieplna, kucie, obróbka plastyczna, ciecie, przenoszenie

materiałów, paletyzacja, inspekcje itd.

Kolebką robotów przemysłowych były Stany Zjednoczone, natomiast ich dynamiczny

rozwój nastąpił w Japonii, która do dziś wiedzie prym w ich produkcji, będąc światowym

potentatem tej branży. Pod względem ilości, na świecie ponad 50% robotów pracuje właśnie

w Japonii, na drugim miejscu plasuje się Unia Europejska - około 30%, oraz USA – ok. 10%.

Wśród krajów europejskich największa liczba zainstalowanych robotów jest w Niemczech,

Włoszech, Francji oraz Wielkiej Brytanii.

Strona | 10

Definicja robota wg normy ISO ITR 8373 jest następująca:

„Robot przemysłowy jest automatycznie sterowana, programowana, wielozadaniowa

maszyna manipulacyjna o wielu stopniach swobody, posiadająca własności manipulacyjne

lub lokomocyjne, stacjonarne lub mobilne.”

Klasyfikacja ze względu na obszar zastosowań:

• Roboty spawalnicze
• Roboty malarskie
• Roboty montażowe
• Roboty do przenoszenia materiałów i załadunku palet
• Roboty stosowane do obróbki materiałów
• Roboty do utylizacji i zabezpieczania odpadów

4.6.1 Roboty spawalnicze

Roboty używane są do spawania w specjalizowanych stanowiskach wyposażonych w

roboty z końcówką spawającą, statyw lub stół do mocowania i zmiany położenia spawanych

elementów. Warunkiem poprawnej pracy układu jest zachowanie powtarzalnych warunków

dokładności przygotowania (wymiary, kształt, stan powierzchni) i mocowania względem

siebie łączonych elementów. Jednak sprawność całego węzła technologicznego jest wynikiem

wiedzy i doświadczenia projektanta, który spośród wielu wariantów wybierze najtrafniej typ

robota i zaprojektuje urządzenia współpracujące w jego otoczeniu. Wykorzystanie czasu

pracy robota wymaga co najmniej dwóch statywów lub stołów obrotowych. Równocześnie ze

spawaniem na jednym stanowisku trwają prace montażowe oraz przygotowanie elementów do

spawania na innym, obsługiwanym przez robota w następnej kolejności. Czynności

pomocnicze często wykonywane są ręcznie, co stanowi rozsądny kompromis granic

automatyzacji. Jakość wykonywanego połączenia jest kontrolowana przez układy pomiarowe

i sterujące spawarki a zgodność wyrobu z wymaganiami jest monitorowana przez obsługę.

Jakość połączenia wykonanego w ten sposób nie może przekroczyć założonych granic

tolerancji.

Strona | 11

4.6.2 Roboty malarskie

Innym polem zastosowania robotów w przemyśle jest natryskowe malowanie wyrobów.

Powtarzalność i szybkość pracy robotów pozwala uzyskać prawie doskonałe pokrycie malowanego

materiału. Dodatkowym powodem stosowania robotów przy malowaniu natryskowym jest eliminacja

szkodliwości stosowanych substancji dla człowieka

4.6.3 Roboty montażowe

Z analizy rozwoju robotyki wynika, iż w przyszłości największym obszarem zastosowań

robotów będą prace montażowe. Prace te ze względu na dokładność i powtarzalność

czynności są idealne do robotyzacji i dlatego też większość obecnie produkowanych urządzeń

jest montowana automatycznie lub półautomatycznie.

Należy wspomnieć, iż procesowi montażu mogą podlegać różnego rodzaju operacje

technologiczne, od mało skomplikowanych (np. zakręcanie nakrętki na śrubie) do bardzo

skomplikowanych (operacje montażu układów elektronicznych).

Strona | 12

4.6.4 Roboty paletyzujące

Zastosowanie robotów do przenoszenia

materiałów pozwala nie tylko zredukować

koszty związane z zatrudnianiem

wykwalifikowanych pracowników do obsługi

urządzeń transportowych, ale także poprawić

bezpieczeństwo pracy. Innym bardzo ważnym

celem tego typu robotów jest zastąpienie

człowieka w wykonywaniu monotonnych

operacji takich jak np. układanie, sortowanie.

4.6.5 Roboty do utylizacji i zabezpieczania odpadów

Obecnie jednym z podstawowych zastosowań robotów jest utylizacja i zabezpieczanie

odpadów przemysłowych i militarnych. Przykładem takiego zastosowania może być

np. rozbrajanie amunicji. Roboty mogą być także wykorzystywane do zabezpieczania i

utylizacji substancji radioaktywnych.

5 Elementy pracy układu zrobotyzowanego

5.1 Ogólna budowa systemu pracy robota

Strona | 13

5.2 Budowa systemu pracy robota przemysłowego

Czujniki położenia, siły, odległości

panel

operatorski

szafka

sterownicza

Napędy: silniki elektryczne
Siłowniki pneumatyczne

Strona | 14

6 Języki programowania robotów przemysłowych

Podział metod programowania robotów przemysłowych:

Metody programowania robotów

przemysłowych

On-Line

(na stanowisku pracy robota)

Programowanie za pomocą

języków programowania

Programowanie

ręczne

Programowanie

ciągłe

Programowanie

dyskretne

Programowanie

przez nauczanie

Off-Line

(poza stanowiskiem pracy robota)

Ze względu na sposób programowania i komunikowania się ze środowiskiem zewnętrznym

dokonano klasyfikacji na trzy generacje:

• Pierwsza generacja – roboty nauczane; wyposażone w pamięć do której wprowadzane

są komendy, odtwarzany w sposób cykliczny bez ingerencji ze strony operatora. Nie

posiadają one sprzężeń zwrotnych od manipulowanego obiektu – manipulowanie

odbywa się w torze otwartym. Są aktualnie najbardziej rozpowszechnione.

• Druga generacja – roboty uczące się; są w stanie rozpoznawać żądany obiekt

(ograniczenia dotyczą kształt i u położenia)za pomocą złożonych systemów kamer i

czujników.

Strona | 15

• Trzecia generacja – roboty inteligentne; mają samodzielnie aktualizować i korygować

program pracy w zależności od napotkanych zmieniających się warunków pracy.

Obecnie nie istnieje jeszcze robot, który w pełni realizuje powyższe założenia.

Podstawowymi, najbardziej rozpowszechnionymi metodami programowania robotów

są: programowanie przez nauczanie oraz programowanie za pomocą tekstowych języków

nauczania. Programowanie przez nauczanie wymaga od programisty ręcznego lub

mechanicznego przemieszczenia manipulatora wzdłuż zadanego toru ruchu i wprowadzenia

tego toru do pamięci układu sterowania.

Metoda ta jest określana jako "programowanie przez obwiednie toru"(Leadtrough),

"teach-by-showing", lub "teach in". W fazie nauczania robota użytkownik może ręcznie

prowadzić robota lub sterować nim za pomocą ręcznego programatora. Programator jest

przenośnym pulpitem z klawiszami, które umożliwiają sterowanie każdym połączeniem

ruchowym manipulatora lub każdym stopniem swobody. Niektóre z takich sterowników

pozwalają na sprawdzenie warunków i wybór opcji działania, co umożliwia zapis prostych

programów logicznych. Niektóre programatory ręczne są wyposażone w alfanumeryczne

wyświetlacze i w swej złożoności są zbliżone do terminali komputerowych.

Metoda ta da się podzielić na:

• Programowanie dyskretne

•

Programowanie ciągłe

Podczas programowania dyskretnego wykorzystuje się sterownik ręczny do sterowania

silnikami wykonawczymi w celu mechanicznego prowadzenia robota przez szereg punktów w

przestrzeni. Każdy punkt jest wczytywany do pamięci układu sterowania w celu późniejszego

odtworzenia całego toru podczas cyklu pracy. Spośród wszystkich metod programowania

robotów programowanie dyskretne jest prawdopodobnie obecnie najbardziej

rozpowszechnione. Znaczna ilość zastosowań robotów przemysłowych wymaga

przemieszczeń manipulatora od punktu do punktu (PTP point to point), które są właśnie

programowane ta metodą. Dotyczy to na przykład takich zastosowań, jak przemieszczanie

części, zakładanie przedmiotów na obrabiarki i ich wyjmowanie po obróbce itp.

Programowanie ciągłe jest natomiast wykorzystywane tam, gdzie wymagane są płynne ruchy

ramienia robota wzdłuż toru będącego krzywą. Najczęściej spotykanym przykładem tego

rodzaju zastosowania robota jest malowanie natryskowe, podczas którego kiść robota, z

dołączonym do niej pistoletem do malowania musi wykonywać płynne regularne ruchy.

Strona | 16

Innym przykładem jest wykonywane przez robota spawanie łukowe. Programowanie off-line

polega na pisaniu programu sterowania robota z dala od jego stanowiska pracy. Najczęściej

opiera się ono na programowaniu za pomocą języków tekstowych. Programista pisze program

na monitorze komputerowym wykorzystując bazujący na angielskim język wysokiego

poziomu. W celu nauczenia robota położeń punktów w przestrzeni roboczej procedura ta jest

zwykle wspomagana technikami programowania przez nauczanie. Pozwala to na bardzo

dokładne "uchwycenie" punktów charakterystycznych przestrzeni. Język tekstowy

wykorzystywany jest do ustalenia logiki i kolejności programu, a ręczny sterownik do

definiowania położenia poszczególnych punktów w przestrzeni roboczej.

Strona | 17

Bibliografia:

1. Emil Rdzanek - Praca Dyplomowa Inżynierska „Opracowanie i wykonanie układu

mechaniki oraz sterowania manipulatora dydaktycznego” Warszawa 2003r. (PDF)

2. Artykuły: „Polski rynek robotyki”, „Roboty przemysłowe – moda czy konieczność?” –

Automatyka Podzespoły Aplikacje APA 3/2008r. (PDF)

3. Marcin Pawlak, Krzysztof Krawczyk – „Sterowanie wieloosiowym napędem

pozycjonującym robota przemysłowego IRB-6” - Zeszyty Problemowe – Maszyny

Elektryczne nr 77/2007. (PDF)

4. Andrzej Jardzioch – Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych „Uruchomienie i

sprawdzenie programów sterowania robota dla zadanych cyklów pracy gniazda

obróbki” – Politechnika Szczecińska 2005 (PDF)

5. Robotyka i napędy (PDF)

6. www.robotyka.com

7. www.thocp.net/

8. www.astor.com.pl

9. www.piap.pl

10. Roboty przemysłowe – laboratorium FANUK S-420S (PDF)

Strona | 18