Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

1

Katedra Robotyki i Mechatroniki

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Wojciech Lisowski

14

Złącza ruchowe (przeguby) i człony manipulatorów

Roboty przemysłowe

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

2

Problemy:

Wymień i uzasadnij wymagania wobec konstrukcji

członów i złącz manipulatorów

Metody kształtowania sztywności manipulatorów

oraz ich członów i złącz

Materiały konstrukcyjne stosowane

w manipulatorach robotów

Technologie wykonania członów manipulatorów
Złącza toczne: klasyfikacja elementów stosowanych

w manipulatorach, zalety i wady

Mechatroniczne złącza manipulatorów: budowa

i własności

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

3

Pożądane cechy konstrukcji manipulatora robota

:

duża sztywność

mała masa (bezwładność)

małe tarcie o liniowej charakterystyce, brak luzu
odpowiednia wytrzymałość i trwałość

Warunek

dostatecznej sztywno

dostatecznej sztywno

ś

ś

ci

ci

wynika z potrzeby zapewnienia:

precyzji pracy robota
uniknięcia przeregulowań w czasie pozycjonowania
krótkich czasów pozycjonowania
dużych prędkości i przyspieszeń

Zapewnienie odpowiedniej sztywności manipulatora jest
szczególnie ważne w przypadku robotów:
- bardzo szybkich
- bardzo dużych

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

4

Klasyczne metody zwiększania sztywności

:

zwiększanie:

- powierzchni przekroju poprzecznego
- momentów geometrycznych przekroju poprzecznego

stosowanie materiałów o dużym module sprężystości podłużnej E

Postępowanie takie

nie jest w pełni efektywne

ze względu na:

równoczesne zwiększanie masy
duży koszt

Metody zwiększania sztywności przez dobór:

materiałów
konstrukcji
warunków obciążenia

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

5

MATERIA

MATERIA

Ł

Ł

Y KONSTRUKCYJNE

Y KONSTRUKCYJNE:

wysoka wytrzymałość materiałów konstrukcyjnych nie wpływa

bezpośrednio na sztywność

odkształcenia członów i złącz manipulatora powstają głównie na

skutek działania obciążeń dynamicznych w czasie ruchu

ρ

E

Stal: E = 2.1 10

11

[Pa],

ρ = 7860









3

m

kg

7

10

*

7

.

2

=

ρ

E













2

2

s

m

Rodzaje materiałów:

stal
stopy metali nieżelaznych
drogie metale
spieki ceramiczne
materiały wzmacniane włóknami

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

6

Porównanie własności materiałów konstrukcyjnych:

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

7

KONSTRUKCJA

Człony manipulatorów

- wymagania konstrukcyjne i funkcjonalne:

duża sztywność na zginanie i skręcanie (dokładność)
minimalna masa (obciążenia dynamiczne, statyczne,

zapotrzebowanie mocy)

minimalna objętość (przestrzeń robocza)
wydrążenie (przewody, układy transmisji ruchu)

Problemy budowy członów:

dobór materiału
dobór przekroju poprzecznego
technologia wykonania
kształtowanie sztywności

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

8

Dobór materiału: stal a stopy glinu

Powierzchnia przekroju poprzecznego wydrążenia członu stalowego

jest większa, dlatego człony ze

stopów glinu

projektuje się

o większej

średnicy

niż ze stali

Człon ze stopu glinu dla większej o 40 % średnicy podlega

mniejszym

obciążeniom

przy tej samej grubości ściany

Obciążenia statyczne i dynamiczne są około 3 razy większe dla członu

ze stali niż ze stopu aluminium (trzeba stosować napędy o większej
mocy/momencie)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

9

Dobór przekroju poprzecznego: kołowy i kwadratowy

Przy jednakowej grubości ścianki i wysokości członu

Sztywność:

Masa (moment dynamiczny)

≈ 1.698

≈ 1.273

Przy jednakowej powierzchni przekroju i wysokości członu przekrój

kwadratowy

ma znacznie

większą sztywność

i

powierzchnię

przekroju poprzecznego wydrążenia

przy

większej masie

Przekrój

kwadratowy

(prostokątny) pozwala łatwiej zabudować złącza

Przekrój

kołowy

(eliptyczny) lepiej nadaje się do budowy członów

teleskopowych

Zastosowanie

przekroju kwadratowego

jest

efektywniejsze

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

10

Dobór technologii wykonania:

ODLEWANIE

+ dobra powtarzalność wykonania
- duży koszt formy (wymagana duża seria)
- naprężenia technologiczne powstają w czasie stygnięcia
- należy przeprowadzić dokładną obróbkę gniazda złącza

SPAWANIE, KLEJENIE

+ mały koszt (możliwa jednostkowa produkcja)

- wymagane dokładne przygotowanie elementów przed połączeniem
- wymagane dokładne pozycjonowanie elementów przed połączeniem

- powstawanie naprężeń technologicznych (spawanie)
- trudność łączenia cienkościennych elementów

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

11

Technologia ‘PLASTER MIODU’

+ Niski koszt
+ Łatwa obróbka członu
+ Możliwość klejenia
+ dobra sztywność we wszystkich

kierunkach obciążenia

Przy porównywalnej
sztywności
i masie objętość ‘plastra
miodu’ jest większa

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

12

CZŁONY

KOMPOZYTOWE

WZMACNIANE W

WZMACNIANE W

Ł

Ł

Ó

Ó

KNAMI

KNAMI WĘGLOWYMI

(Hightex Verstaerkungstrukturen GmbH)

-Mała masa (o 60% mniejsza od stopu glinu)
-Duża wytrzymałość w razie kolizji
-Akceptowalne koszty wykonania

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

13

WARUNKI OBCIAŻENIA

Kształtowanie sztywności członów

Zwiększanie momentu geometrycznego powierzchni przy stałej masie.
- Jest to technika tradycyjna.
- Ograniczenie technologiczne: wytworzenie i łącznie elementów

cienkościennym

- Ograniczenie eksploatacyjne: niebezpieczeństwo utraty stateczności

konstrukcji przy dużym obciążeniu poprzecznym elementów
cienkościennych

Napinanie wstępne

– poprzez przyłożenie osiowej siły rozciągającej

Efekt usztywnienia

lepszy dla członu wspornikowego

niż dla

podpartego

Efekt usztywnienia

lepszy dla członów smukłych

Wartość napięcia wstępnego jest ograniczona wytrzymałościowo
Przyłożenie siły osiowej ściskającej powoduje obniżenie sztywności

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

14

Lekki robot DLR

LWR I
udźwig: 8 kg
masa: 17 kg
K

3

= 0.47

Ramiona manipulacyjne dla mobilnych
robotów usługowych:
- lekkie
- zręczne
- zużywające mało energii
- sterowanie pozycyjne, sterowanie

z siłowym sprzężeniem zwrotnym.

Konstrukcja członów: powłoka ażurowa z
elementami nośnymi wzmacnianymi
włóknami węglowymi.
Mechatroniczne złącza.
Przekładnie obiegowe, podwójne
o przełożeniu 600.
Sterowniki i wzmacniacze mocy
zintegrowane w manipulatorze

(DLR, Niemcy)

PRZYKŁADY

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

15

Lekki robot DLR

LWR II
udźwig: 8 kg
masa: 17 kg
K

3

= 0.47

Włókna węglowe

Konstrukcja członów: ramowa, w jednym z członów
elementy nośne

wzmacniane włóknami węglowymi

.

Mechatroniczne złącza

.

Przekładnie falowe.

Sterowniki i wzmacniacze

mocy

zintegrowane

w

manipulatorze.

(DLR, Niemcy)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

16

Lekki robot DLR

LWR III
udźwig: 10 kg
masa: 14 kg
K

3

= 0.71

Moc 100 W

Konstrukcja członów modułowa.

Moduły

– kompozytowa powłoka wzmacniana

włóknami węglowymi.

Mechatroniczne złącza

(przeguby).

Dedykowany napęd elektryczny RoboDrive.

Przekładnie falowe

z elementami ze

stopów glinu

(60% oszczędności masy)

Sterowniki i wzmacniacze

mocy

zintegrowane

w

manipulatorze

Manipulator symetryczny

Manipulator niesymetryczny

(DLR, Niemcy)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

17

Złącze mechatroniczne: Robot LWR II – DLR, Institut für Robitik und Mechatronik

Czujnik położenia złącza

Tensometryczny czujnik
momentu ze zintegrowanym
wzmacniaczem pomiarowym

Silnik bezkomutatorowy DC z
zabudowanymi 2 czujnikami Halla

Hamulec
elektromagnetyczny

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

18

Złącze mechatroniczne: Robot LWR III

(DLR, Niemcy)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

19

Złącza ruchowe

(pary kinematyczne, przeguby) stosowane w technice:

Ślizgowe
Toczne
Magnetyczne

Najczęściej stosowane w robotach są

Złącza Toczne

:

+ małe opory ruchu, słaba zależność od prędkości
+ małe rozmiary
+ łatwe smarowanie, konserwacja
+ łatwość napinania wstępnego
+ wielkoseryjna produkcja, duży wybór, niska cena jednostkowa
- mała powierzchnia styku, koncentracja naprężeń, szybkie zużycie
- małe tłumienie
- duża wrażliwość na zanieczyszczenia

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

20

Sztywność stykowa

Zależność od obciążenia

Rzeczywista powierzchnia
styku jest znacznie mniejsza od
nominalnej powierzchni styku
(zwykle kilka procent).

Sztywność zmienia się na skutek:

-

odkształceń sprężysto-plastycznych szczytów powierzchni styku

zmieniających rozmiar rzeczywistej powierzchni styku

-

ściskania objętości czynnika smarnego i zanieczyszczeń w powstałych

komorach

Sztywność stykowa zależy od:

+ rodzaju materiałów
+ chropowatości
+ falistości
+ promienia krzywizny.

Sztywność stykowa:
dla różnych
rodzajów
powierzchni styku

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

21

częstość występowania charakterystyki sztywności z usztywnieniem
wysokie wartości wytrzymałości materiałów konstrukcyjnych
stosowanie obróbki powierzchni (cieplnej, plastycznej)

umożliwia stosowanie napinania wstępnego złącz w celu zwiększenia
ich sztywności

Napięcie wstępne łożysk tocznych:

+

zwiększa sztywność przez:

* przejście na liniowy zakres charakterystyki
* zwiększenie liczby czynnych elementów tocznych
* eliminację luzu

+ zwiększa precyzję pozycjonowania

-

zwiększa temperaturę pracy, obniża sprawność

- przyspiesza zużycie

Odkształcenia łożysk tocznych

:

elementów tocznych
bieżni
stykowe

60% ÷ 90%

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

22

Złącza obrotowe – łożyska toczne

W przypadku manipulatorów robotów przemysłowych należy dobierać
łożyska o minimalnej masie dla zadanego obciążenia.

Dużą sztywność złącza zapewniają:

wysokie tolerancje wykonania wymiarów i kształtu gniazd i czopów
dokładna obróbka wykańczająca powierzchni styku elementów

tocznych, bieżni, gniazd i czopów

Łożyska poprzeczne i poprzeczno-wzdłużne

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

23

Łożysko z dzieloną bieżnią do napinania wstępnego

‘dwupunktowy’ styk
elementów tocznych z
bieżniami

Sposoby napinania łożysk tocznych

- Różnej długości tuleje dystansowe

między obu bieżniami lub zeszlifowanie boczne powierzchni bieżni
zewnętrznej

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

24

4-ro punktowy styk elementów tocznych z bieżniami

Dla porównywalnej sztywności łożyska o 4-ro punktowym styku:
+ przenoszą większe (~50%) obciążenia
+ są węższe

Charakterystyczne jest zastosowanie większej liczby małych kulek
wykonanych np. z ceramików (ograniczona wytrzymałość doraźna) co
zwiększa sztywność łożyska

Dzielona bieżnia zapewnia możliwość napinania wstępnego

Powstaje poślizg różnicowy powodujący

wi

wi

ę

ę

ksze opory ruchu

ksze opory ruchu i

zu

zu

ż

ż

ycie

ycie

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

25

Prowadnice toczne manipulatorów robotów przemysłowych

Wymagania konstrukcyjne:

duża sztywność, możliwość napinania wstępnego
duża nośność
zwarta konstrukcja
małe opory ruchu
brak luzu

Problemy zastosowania:
- zużycie elementów tocznych i bieżni ogranicza trwałość
- wymagają bardzo dokładnego wykonania bieżni i elementów
tocznych (selekcja elementów tocznych)
- wymagają smarowania
- wymagają zabezpieczenia przed zanieczyszczeniami

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

26

Zabezpieczenia przeciwko zanieczyszczeniom

- mieszki
- pokrywy teleskopowe

Eliminacja niebezpieczeństwa chwilowych poślizgów elementów
tocznych przy zetknięciu z cząsteczkami zanieczyszczeń

Ruch elementów tocznych

v

v/2

Praca prowadnicy wymaga:
- uchwycenie elementów tocznych (osie rolek lub

koszyk)

- obieg zamknięty elementów tocznych

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

27

Prowadnica kulkowa walcowa

stosowana do małych obciążeń
zastosowanie drugiej równoległej

prowadnicy uniemożliwia obrót
głowicy wokół osi prowadnicy

Prowadnica kulkowa wielowypustowa

Stosowana do małych obciążeń
Wielowypustowy trzpień

prowadnicy uniemożliwia obrót
głowicy wokół osi prowadnicy

Człony teleskopowe (podwójna
głowica)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

28

(Star)

Prowadnica kulkowa belkowa

Stosowana dla dużych obciążeń

Prowadnica rolkowa belkowa

Podpory toczne

Kaseta z rolkami

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

29

Złącza ślizgowe aerostatyczne

:

+ bardzo niski współczynnik tarcia
+ prowadnice zaciskają się natychmiast po utracie zasilania
- mała sztywność
- małe tłumienie
- wymagają układu zasilania
- wymagają wysokiej dokładności wykonania

Rzadko używane w modułach ruchu liniowego manipulatorów.

Chętnie używane w maszynach metrologicznych (współrzędnościowych)

Granitowa prowadnica – trwałość, duża
stabilizująca masa, dobre tłumienie drgań
Bezpośredni napęd BLDC – brak luzu, szybkie
działanie

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

30

Łożyskowanie magnetyczne

Rosnące zastosowanie na skutek postępu w:

Konstrukcji napędów elektrycznych
Doskonaleniu własności materiałów ferromagnetycznych
Doskonaleniu nadprzewodników

Zalety:
+ czystość
+ charakterystyka tarcia

Efektywność:

Nośność

Ciężar łożyska

> 5

Strumień magnetyczny jest ograniczony przez:
- rozmiary łożyska
- minimalną wielkość szczeliny
- maksymalne natężenie prądu
- nasycenie obwodu magnetycznego
- możliwość efektywnego odprowadzania ciepła

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

31

Zintegrowany napęd i łożysko

Ruch śrubowy

Ruch postępowy w płaszczyźnie

Ruch obrotowy