Microsoft Word - PR ETI W 3.1-3.3.3.doc

Budowa robotów przemysłowych

1. Podstawowe zespoły i układy robotów przemysłowych

Obecnie produkowane typy przemysłowych robotów nie są zbudowane wg jednego

schematu  konstrukcyjnego.  W  zależności  od  zastosowań  robotów,  zakresu  parametrów
technicznych  oraz  w  dużej  mierze  od  specyfiki  poszczególnych  wytwórców  istnieje  duża
różnorodność  schematów  kinematycznych  i  stosowanych  elementów  konstrukcyjnych.  Będą
one omówione w dalszej części wykładu.

Spośród kilkuset obecnie produkowanych typów robotów przemysłowych można

jednakże wyodrębnić grupy typowych rozwiązań, charakteryzujących się podobnymi cechami
konstrukcyjnymi oraz zbliżonymi parametrami technicznymi. Przyczyn jest kilka, główną jest
niewątpliwie szybko postępująca specjalizacja konstrukcji maszyn manipulacyjnych pod
względem wybranych zastosowań, wykazująca wyraźne analogie do specjalizacji wyrobów w
innych dziedzinach produkcji maszynowej, zwłaszcza obrabiarkowej, gdzie osiągnęła już
bardzo wysoki stopień i to nie tylko rozwiązań, ale także rozwoju produkcji.

Na obecnym etapie rozwoju techniki produkcyjnej występuje podobieństwo wymagań

dotyczących

środka

automatyzacji

wprowadzanego

tych

samych

procesów

technologicznych, a zwłaszcza podobieństwo:
  udźwigu,
  ruchliwości i struktury kinematycznej,
  zakresu  i  sposobu  realizacji  ruchu,  w  tym  żądanych  prędkości  i  dopuszczalnych

przyspieszeń,

potrzeb programowalności i sposobu programowania,
współpracy maszyny z operatorem i środowiskiem produkcyjnym, szczególnie z

urządzeniami technologicznymi procesu.

Zmusza to konstruktorów robotów do szukania z jednej strony podobnych, jeśli nie

identycznych,  rozwiązań  technicznych,  z  drugiej  zaś  do  korzystania  z  zestawu  technicznie
podobnych  lub  pochodzących  wręcz  od  jednego  producenta  podzespołów  mechanicznych,
hydraulicznych,  elektrycznych  i  elektronicznych.  Należy  przy  tym  wspomnieć  o  związkach
techniki robotyzacyjnej z techniką współcześnie produkowanych maszyn technologicznych, a
przede  wszystkim  obrabiarek.  Dotyczy  to  zwłaszcza  układów  napędowych,  pomiarowych  i
sterujących, które mogą być i chętnie są stosowane do budowy robotów przemysłowych.

Równie ważne jak techniczne są komercyjne przyczyny wyodrębnienia się grup

podobnych rozwiązań maszyn manipulacyjnych. Należy tu wymienić:
wykorzystywanie przez część producentów rozwiązań licencyjnych,
kooperacje między poszczególnymi firmami zarówno w zakresie produkcji kompletnych

maszyn, jak i ich podzespołów,

wykorzystanie zapożyczonych, ale już sprawdzonych w praktyce, idei konstrukcyjnych w

celu przyspieszenia rozpoczęcia produkcji własnych maszyn,

chęć ,,uszczknięcia" rynku użytkowników maszyn zdobytego przez produkty innych firm,

przez podobne lub identyczne konstrukcje.

Każdy robot, poczynając od prostych dwuosiowych programowanych ogranicznikami

manipulatorów  do  obsługi  pras,  a  kończąc  na  doświadczalnych  modelach  ze  sztuczną
inteligencją,  może  być  przedstawiony  jako  układ  składający  się  z  zespołów  mechanicznych,
napędów,  czujników,  efektorów  (np.  chwytaków)  i  sterowania.  Składa  się  on  najczęściej  z
następujących podstawowych układów, stanowiących odrębne zespoły:

zespół ruchu, jak to wcześniej zdefiniowano, zwany manipulatorem lub jednostką

kinematyczną, czyli podstawowy mechanizm robota wraz z dołączonymi napędami,
czujnikami i końcówką roboczą (zwaną efektorem),

układ zasilania napędów i końcówki roboczej,
układ sterowania.

Zespoły mechaniczne i napędy, powodując ruch organów roboczych robota o

wymaganych  jakościowo  i  ilościowo  parametrach,  integrują  elementy  konstrukcji
mechanicznej  w  jedną  całość.  Czujniki  służą  do  zbierania  informacji  o  otaczającym
środowisku  i  stanie  zespołów  konstrukcyjnych  robota.  Końcówki  robocze  (efektory),  np.
chwytaki, zapewniają bezpośrednie współdziałanie robota z obiektem manipulacji.

Do zasilania napędu jednostek kinematycznych robotów jest wykorzystywana energia w

tych  samych  podstawowych  postaciach,  jakie  są  spotykane  w  napędach  maszyn  i  urządzeń
produkcyjnych,  tzn.  mechanicznej  (jako  przeniesienie  napędu  od  obsługiwanej  maszyny  lub
urządzenia),  pneumatycznej,  hydraulicznej  oraz  elektrycznej.  Częste  jest  wykorzystywanie
energii  w  kilku  postaciach.  np.  elektrycznej  w  napędzie  ruchu  globalnego,  hydraulicznej  w
napędach ruchów lokalnych, chwytaków, a także narzędzi.

Układ zasilania, stanowiący obecnie najczęściej osobne urządzenie wykonane w postaci

wolno stojącej szafy, zawiera w zależności od rodzaju napędów robota:
w przypadku napędów hydraulicznych - zasilacz hydrauliczny (zbiornik, pompę, filtry i

często układ chłodzenia i grzania oleju) oraz niezbędny osprzęt hydrauliczny,

w przypadku napędu elektrycznego - tyrystorowe lub tranzystorowe kłady zasilania

silników lub układy prostownikowe oraz przemienniki częstotliwości (falowniki), a także
niezbędne układy przekaźnikowe.

Układ sterowania robota - szafa sterownicza zawiera zwykle:

główny pulpit sterowniczy z przyciskami służącymi do uruchamiania robota i ewentualnie

ręcznego sterowania,

przenośny sterownik ręczny połączony z szafą długim kablem, służący do programowania

robota i doprowadzania do kolejnych punktów pracy,

jednostkę sterująco-logiczną (komputer), zawierającą pamięć operacyjną programów pracy

robota i współpracującą przez układy wejścia-wyjścia (interfejsy) z:

•  serwonapędami mechanizmu ruchu,
•  układami pomiarowymi przemieszczeń,
•  czujnikami położeń dwustanowych urządzeń robota (chwytaki, narzędzia),
•  czujnikami stanu pracy maszyn i urządzeń współpracujących z robotem.

Ze względu na bezpieczeństwo obsługi i wygodę napraw szafy układu zasilania i

sterowania są odsunięte od robota i znajdują się poza przestrzenią jego działania.

Roboty

monolityczne

szeregowej

strukturze

kinematycznej

Wśród szeregowych jednostek kinematycznych robotów wyróżnia się kilka

(omówionych dalej) grup typowych rozwiązań charakteryzujących się w praktyce podobnym
układem zespołów ruchu regionalnego i strukturą kinematyczną. Oprócz konstrukcji
typowych w każdej grupie urządzeń są także rozwiązania nietypowe.

2.1. Roboty o strukturze kinematycznej przegubowej

Roboty o strukturze kinematycznej przegubowej (rys. 1), nazywane również robotami

przegubowymi lub manipulatorami obrotowymi, lub antropomorficznymi, mają wszystkie

obrotowe  osie  zespołów  ruchu  regionalnego.  Roboty  przegubowe  z  obrotowymi  osiami
przemieszczeń  są  na  ogół  wykonywane  jako  wolno  stojące,  lżejsze  konstrukcyjnie,  o
mniejszym  udźwigu.  Roboty  przegubowe  znajdują  bardzo  szerokie  zastosowanie.  Na  rys.  2
pokazano przestrzeń roboczą robota przegubowego.

Rys. 1. Robot przegubowy z zaznaczonymi osiami sterowania 1- 6

Roboty przegubowe są również oferowane w wersji podwieszonej. Przykładem może tu

być robot z pięcioma sterowanymi osiami, pokazany na rys. 3. Jest on napędzany silnikami
prądu stałego.

2.2. Roboty o strukturze kinematycznej sferycznej

Robot w układzie sferycznym o jednym liniowym oraz dwóch obrotowych zespołach

ruchu regionalnego jest przedstawiony na rys. 4.

Przykładem manipulatora o takiej konfiguracji jest manipulator Stanforda. Przestrzeń

robocza manipulatora sferycznego jest przedstawiona na rys. 5. Jest to konfiguracja o
biegunowym układzie osi współrzędnych oraz sferycznych przestrzeniach ruchu.

Rys. 2. Przestrzeń robocza robota przegubowego IR-L 28/6

Rys. 3. Robot przegubowy podwieszony (IR-L firmy Krupp Mak) z zaznaczonymi osiami

sterowanymi 1 - 5

2.3. Roboty o strukturze kinematycznej cylindrycznej

Konfiguracja robota cylindrycznego jest przedstawiona na rys. 6.
Pierwszy przegub (oś 1) jest obrotowy i wykonuje obrót wokół podstawy, gdy przeguby

drugi i trzeci (osie 2 i 3) są przesuwne. Jak sugeruje nazwa, zmienne przegubowe są zarazem
współrzędnymi cylindrycznymi końcówki roboczej względem podstawy. Konfiguracja
cylindryczna ma walcowy układ osi współrzędnych oraz cylindryczne przestrzenie ruchu.
Przestrzeń robocza jest przedstawiona na rys. 7.

Rys. 4. Robot o konfiguracji sferycznej

2.4. Roboty o strukturze kinematycznej SCARA

Robot o strukturze kinematycznej SCARA - rys. 8, zaprojektowano z myślą o zadaniach

montażowych.  Robot  o  konfiguracji  SCARA  ma  trzy  osie  równoległe,  dwie  o  ruchu
obrotowym  osie  1  i  2,  a  jedną  o  postępowym  oś  3.  Przestrzeń  roboczą  robota  SCARA
zobrazowano na rys. 9.

Rys. 8. Robot SCARA z zaznaczonymi osiami sterowania

Rys. 9. Przestrzeń robocza manipulatora SCARA

Do nietypowych rozwiązań można zaliczyć roboty (rys. 3.10) będące skrzyżowaniem

robota  montażowego  o  kinematyce  SCARA  z  podnośnikiem  pionowym.  Są  one
wykorzystywane do:
  przenoszenia palet,
  obsługi obrabiarek i pras,
  montażu dużych części,
  transportu części.

Udźwig robota pokazanego na rys. 10 wynosi 50 kg, powtarzalność pozycjonowania 0,5

mm,  średnica  obszaru  manipulacji  w  płaszczyźnie  poziomej  jest  równa  1930  mm,  a  zakres
przesuwu  pionowego  1850  mm.  Podstawową  zaletą  robota  M-400  jest  znaczna  przestrzeń
manipulacji  (14  m

), przy małych wymiarach zajmowanej powierzchni. Serwosilniki

zastosowane do napędu we wszystkich osiach zapewniają duże prędkości ruchu (oś 1 –
800mm/s, osie 2 i 3 - 135˚/s i oś 4- 150˚/s) i jednocześnie dobre właściwości dynamiczne.

Rys. 10. Konstrukcja i układ osi robota M-400 firmy GMF Robotics

2.5. Roboty o strukturze kinematycznej PUMA

Robot PUMA jest specjalnie przeznaczony do realizacji zadań montażowych. Na rys. 11

przedstawiono robota montażowego o kinematyce PUMA.

Rys. 11. Robot montażowy PUMA 260A firmy Staubli Unimation z zaznaczonymi osiami i
zakresem ruchów w poszczególnych osiach

Jest to robot o sześciu osiach obrotu i udźwigu zaledwie l kg, ale jest robotem bardzo

szybkim. Maksymalne osiągane prędkości (119˚/s w osiach 1 i 2, 164º/s w osi 3, 577°/s w osi
4, 431°/s w osi 5 i 398°/s w osi 6) rzadko spotyka się w robotach przegubowych, co stawia go

wyraźnie

przed

porównywalnymi

rozwiązaniami

konkurencyjnymi.

Powtarzalność

pozycjonowania wynosi ±0,05 mm.

2.6. Roboty o strukturze kinematycznej kartezjańskiej

Roboty o strukturze kinematycznej kartezjańskiej mają prostokątny układ osi

współrzędnych  i  liniowe  zespoły  ruchu.  Nazywane  są  także  robotami  bramowymi  lub
portalowymi. Wśród robotów można wyróżnić:
  roboty bramowe liniowe (rys. 12),
  roboty bramowe powierzchniowe o prostopadłościennej przestrzeni ruchu (rys. 13).

Roboty bramowe o strukturze kinematycznej kartezjańskiej są stosowane do

wykonywania następujących zadań:
pakowania i paletyzacji,
obsługi maszyn technologicznych.

Do obsługi pojedynczych maszyn technologicznych, a w szczególności obrabiarek

skrawających, tzn. do ich automatycznego załadunku i rozładunku, są wykorzystane przede
wszystkim roboty liniowe. Roboty te mogą być też użyte do obsługi niewielkiej liczby
obrabiarek usytuowanych w jednej linii. Roboty bramowe typu liniowego próbuje się czasem
sprzęgnąć z zamocowanymi do tej samej bramy urządzeniami podajnikowymi i magazynami.

Do obsługi całych kompleksów technologicznych, np. gniazd czy systemów

obróbkowych, są stosowane roboty powierzchniowe, czasem o dużych zakresach przesuwów
w poszczególnych osiach.

Współcześnie rozwój konstrukcji robotów bramowych o liniowych zespołach ruchu

dotyczy przede wszystkim koncepcji budowy modułowej, co omówi się w dalszej kolejności.

Rys. 12. Robot bramowy liniowy firmy Fibro z przegubowym ramieniem i jego obszar

manipulacyjny:

1 – układ napędu obrotu ramienia, 2, 3 – prowadnice przesuwu pionowego i poziomego, 4, 5

– zabezpieczenia krańcowe, 6, 7 – układy napędowe osi X i Z, 8 – sanie krzyżowe, 9 – prowadnice toczne, 10 –

zgarniacz zanieczyszczeń, 11 – listwy prowadnicowe, 12 – obrotowe ramię przegubowe, 13 – stojak, 14 –

łączniki krańcowe

Rys. 13. Robot bramowy powierzchniowy

Za istotną nowość konstrukcyjną w omawianej grupie robotów należy uznać

wyposażenie w przegubowe ramię (rys. 14). Rozwiązanie takie, zastosowane w robocie
liniowym pokazanym na rys. 11, umożliwia uzyskanie powiększonego obszaru
manipulacyjnego, zbliżonego do typowego dla robota powierzchniowego.

Rys. 14. Przegubowe ramię jako wyposażenie robotów bramowych firmy Fibro: a) do c) –

różne możliwości wykorzystania

2.7. Roboty wielokorbowe

Istotą budowy robotów - manipulatorów wielokorbowych jest zastosowanie

mechanizmu z równoległowodem ukośnym. Przykład budowy dwóch pierwszych stopni
swobody manipulatora pokazano na rys. 15.

Rys. 15. Dwa pierwsze stopnie swobody manipulatora robota wielokorbowego: a)

podstawa i pierwszy człon z równoległowodem wewnątrz, b) odsłonięta konstrukcja

równoległowodu

Na rys. 15b powłokę członu pierwszego usunięto, aby wyraźnie pokazać konstrukcję

równoległowodu.  W  rozwiązaniu  tym  zastosowano  dwa  silniki  bezpośredniego  napędu
zamontowane  współosiowo  w  podstawie.  Osie  silników  są  usytuowane  pionowo.  Pierwszy
człon  ruchomy  manipulatora  jest  połączony  bezpośrednio  z  silnikiem  zamontowanym  na
płycie podstawy. Drugi silnik jest zamocowany do tej płyty od spodu za pośrednictwem wału
i  równoległowodu  ukośnego  umieszczonego  wewnątrz  członu  pierwszego.  Łączniki  tego
równoległowodu wykonują względem członu pierwszego płaskie ruchy postępowe po torach
kołowych.  Obudową  mechanizmu  (rys.  l5a)  jest  lekka  konstrukcja  powłokowa  w  postaci
ukośnej  pustej  korby  o  kształcie  wewnętrznym  opisanym  powierzchnią  ekwidystalną
względem  możliwych  trajektorii  łączników,  dopasowaną  do  rownoległowodów.  Zapewnia
ona  lekkość  konstrukcji  przy  dużej  sztywności  na  skręcanie  i  zginanie,  umożliwia  także
zastosowanie  w  większej  liczby  rownoległowodów  ukośnych  usytuowanych  koncentrycznie
na zewnątrz, jak i wewnątrz powłoki. Mogą one być wykorzystywane do napędu następnych
stopni  swobody.  W  obudowie  znajdują  się  gniazda  łożysk  krzyżowo-rolkowych.  które
umożliwiają  jednocześnie  wychylenie  równoległowodów  i  obrót  korby.  Istniejąca  wewnątrz
obudowy  przestrzeń  może  być  wykorzystana  do  prowadzenia  elastycznych  przewodów.
Konstrukcję manipulatora wielokorbowego pokazano na rys. 16.

Rys.

Rys. 16. Manipulator wielokorbowy: a) schemat konstrukcyjny, b) przestrzeń robocza

Trzy pierwsze stopnie swobody o osiach pionowych są napędzane przez silniki

bezpośredniego napędu, które są zamontowane współosiowo w nieruchomej podstawie. Z
silnikiem M

jest bezpośrednio związany ukośny człon 1, drugi silnik M

za pośrednictwem

wału W

i równoległowodu R

napędza człon 2. Silnik M

przez wał W

i dwa

równoleglowody R

i R

napędza człon 3. Charakterystyczną cechą takiego rozwiązania jest

zachowanie  orientacji  przez  człon,  którego  silnik  napędowy  jest  zatrzymany,  niezależnie  od
ruchów  wykonywanych  przez  pozostałe  człony.  Człon  3  ma  kształt  kolumny,  w  której  są
umieszczone silniki z przekładniami napędzającymi czwarty  stopień swobody  ramienia oraz
kiść.  Czwarty  stopień  swobody  zrealizowano  z  użyciem  dwóch  korb  ukośnych  4  i  5  o
identycznej  długości,  sprzężonych  za  pomocą  równoległowodu  zewnętrznego  R

napędzanych przez ten sam silnik z tą samą prędkością, ale w przeciwnych kierunkach. W ten
sposób  uzyskano  niezbyt  skomplikowany  mechanizm  prostowodu,  zapewniający  pionowe
ruchy  końcówki  ramienia.  Sprzężenie  dynamiczne  zrealizowanego  w  ten  sposób  czwartego
stopnia  swobody  z  trzema  pierwszymi  stopniami  swobody  jest  bardzo  małe.  Przez
odpowiednie rozmieszczenie silników napędowych na członie trzecim można również łatwo
zapewnić  jego  odsprzężenie  dynamiczne  od  dwóch  pierwszych  stopni  swobody,  co  ułatwia
sterowanie  szybkimi  ruchami.  Manipulator  jest  zakończony  kiścią  o  dwóch  stopniach
swobody,  składającą  się  z  członów  6  i  7.  W  celu  zapewnienia  lekkości  i  odpowiedniej
sztywności  konstrukcji  kolejne  człony  manipulatora  są  połączone  ze  sobą  za  pomocą
pojedynczych  łożysk  krzyżowo-rolkowych  o  wysokiej  jakości.  Łożyska  główne
równoległowodów są również tego typu.

Przestrzeń robocza ramienia ma kształt walca (rys. 16b). W znacznym obszarze,

obejmującym  ok.  60°  przestrzeni  roboczej,  ramię  ma  bardzo  dobre,  zbliżone  do
izotropowych,  właściwości  kinematyczne.  Pierwszy  i  drugi  człon  ramienia  są  napędzane
silnikami  umieszczonymi  na  podstawie  i  mają  nieograniczone  zakresy  ruchów  obrotowych.
Ruch  trzeciego  członu  jest  ograniczony  do  kilku  obrotów  ze  względu  na  skręcanie  się  kabli

silników  zamocowanych  na  tym  członie.  Końcówka  ramienia  może  wykonywać  ruchy
pionowe  o  zakresie  równym  sumie  długości  członów  4  i  5,  przy  nieograniczonym  zakresie
obrotu  silnika  napędzającego.  Warto  zwrócić  uwagę  na  możliwość  wykorzystania  trzeciego
stopnia  swobody  ramienia  do  sterowania  orientacją  kiści.  Istotne  jest  również,  że  przy
zatrzymanym  silniku  M

ruchy ramienia nie wywołują zmian orientacji członów 6 i 7.

Typowe konfiguracje manipulatora przedstawiono na rys. 17.

Rys. 17. Typowe konfiguracje manipulatora

3. Roboty o budowie modułowej i szeregowej strukturze kinematycznej

3.1. Wiadomości wstępne

W ostatnich latach producenci zaczęli zwracać znacznie większą uwagę na prostotę

budowy i technologiczność robotów, mając na względzie zmniejszenie kosztów wytwarzania
i  ceny  tych  urządzeń,  ale  bez  ograniczenia  ich  możliwości  i  pogarszania  właściwości
eksploatacyjnych.  Uproszczenie  budowy  powoduje  zmniejszenie  czasów  napraw  i
przeglądów,  minimalizację  liczby  części  zamiennych  oraz  zwiększenie  trwałości
eksploatacyjnej.  Zmniejszenie  ceny  robotów  przez  ich  uproszczenie  skutkuje  nie  tylko
poprawą konkurencyjności, ale i rozszerzeniem rynku. Na tanie roboty mogą sobie pozwolić
bowiem średnie i małe firmy, których w przemyśle jest najwięcej. Taniość oznacza również
opłacalność stosowania robotów w produkcji małoseryjnej. Do zalet rozwiązań modułowych
można  też  zaliczyć  znaczne  skrócenie  czasów  projektowania  i  wykonywania  konkretnego
robota  z  wykorzystaniem  istniejących  modułów  oraz  wzrost  elastyczności  systemu
wytwarzania dzięki możliwości przebudowy stosowanego robota.

Obecnie sprzedane mogą być przede wszystkim roboty „robione na miarę". Aby

oferować  je  tanio,  producenci  zaczęli  powszechnie  stosować  w  swych  konstrukcjach  zasadę
modułowości.  Budowa  modułowa  polega  na  tym,  że  żądane  rozwiązanie  techniczne  jest
tworzone  przez  kombinację  przygotowanych  wcześniej  pojedynczych  części  i  zespołów
(modułów  funkcjonalnych).  Konstrukcją  modułową  charakteryzują  się  układy  maszyn,

zespołów i pojedynczych części, które jako moduły, często o różniących się między sobą
rozwiązaniach, realizują za pomocą kombinacji różne funkcje ogólne układu.

Budowa

modułowa

porównaniu

konwencjonalnymi,

indywidualnymi

rozwiązaniami konstrukcyjnymi jest korzystniejsza pod względem techniczno-ekonomicznym
wówczas, gdy wszystkie lub pojedyncze warianty rozwiązań przewidziane w programie
produkcyjnym mogą być dostarczone na rynek w określonych pojedynczych partiach i jeżeli
uda się zrealizować wymagany zbiór funkcji jednym lub kilkoma podstawowymi i kilkoma
dodatkowymi modułami funkcjonalnymi.

Podczas wykonania określonego zadania konieczne jest rozłożenie wytworu na moduły

funkcjonalne,  tzn.  funkcję  ogólną  rozkłada  się  na  funkcje  odpowiadające  wymaganiom
produkcji,  które  są  tworzone  w  aspekcie  realizacji  funkcji  technicznych.  Można  wyróżnić
moduły spełniające następujące funkcje:
1) Funkcje  podstawowe  są  w  systemie  funkcjami  niezbędnymi,  do  których  ciągle  się

powraca. Mogą one występować pojedynczo lub w powiązaniu z innymi funkcjami.
Realizuje je moduł podstawowy, który może być wykonany w jednym lub kilku stopniach
wielkości konstrukcyjnych. Moduły podstawowe są nazywane modularni niezbędnymi.

2) Funkcje pomocnicze są na ogół funkcjami łączącymi i sąsiadującymi, realizowanymi za

pomocą modułów pomocniczych, którymi najczęściej są elementy łączące i przyłączające.
Moduły pomocnicze są najczęściej projektowane do stopni wielkości konstrukcyjnych
modułów podstawowych. W strukturze konstrukcyjnej są one najczęściej niezbędne.

3) Funkcje specjalne są funkcjami uzupełniającymi, specyficznymi dla danego wariantu.

Występują one nie we wszystkich wariantach funkcji ogólnej. Wykonywane są za pomocą
modułów specjalnych, stanowiących uzupełnienie dla modułów podstawowych, są więc
elementami alternatywnymi.

4) Funkcje adaptacyjne są nieodzowne w sytuacji dopasowania się systemu do innego

systemu i konstrukcyjnych warunków brzegowych. Wykonywane są za pomocą modułów
adaptacyjnych, o częściowo tylko wyznaczonych wymiarach, ponieważ w poszczególnych
przypadkach jest wymagane dopasowanie wymiarów łącz na skutek nie dających się
przewidzieć konstrukcyjnych warunków brzegowych. Moduły adaptacyjne występują jako
moduły niezbędne lub alternatywne.

Czasami zamawiający określa szczególne warunki i zdarzają się wtedy funkcje

specjalne,  których  może  nie  wykonywać  żaden  z  modułów  proponowanych  systemów.
Funkcje  te  są  realizowane  przez  elementy  niemodułowe,  konwencjonalne,  które  muszą  być
specjalnie  projektowane  zgodnie  z  konkretnym  sformułowaniem  zadania  przez  klienta.
Stosowanie  takich  rozwiązań  prowadzi  do  powstania  systemu  mieszanego,  tzn.  systemu
składającego się z kombinacji konstrukcji modułowych i konstrukcji konwencjonalnych.

Każdą konstrukcję modułową można oceniać pod względem jej rozdzielczości. Dla

każdego  modułu  wyznacza  się  stopień  rozdrobnienia  na  części  podstawowe,  uwarunkowane
funkcyjnością  i  wykonawstwem.  Dla  całego  systemu  modułowego  opisuje  się  liczbę
modułów i możliwości ich kombinacji. W budowie modułowej można rozróżnić dwa rodzaje
systemów:
1) System  skończony,  który  można  zestawić  ze  skończonej  liczby  wariantów

konstrukcyjnych.

2) System nieskończony, który charakteryzuje się dużą różnorodnością możliwości

kombinacyjnych tak, że nie można ich w całości zaplanować.

Współcześnie

dominują

dwa

kierunki

budowie

modułowych

robotów

przemysłowych.  Pierwszy  -  to  roboty  o  konstrukcji  opartej  na  aluminiowych  profilach
konstrukcyjnych,  drugi  zaś  to  składanie  robotów  o  żądanej  konfiguracji  modułów
realizujących  funkcje  podstawowe,  projektowanych  specjalnie  dla  potrzeb  robotyki  i

manipulacji. Oba te kierunki przenikają się, gdyż moduły „robotyczne” bywają budowane
często także z wykorzystaniem aluminiowych profili konstrukcyjnych.

3.2. Aluminiowe profile konstrukcyjne

Przykładem nowoczesnej modułowej budowy robotów przemysłowych i urządzeń

wchodzących  w  skład  systemów  wytwarzania  są  zestawy  złożone  z  aluminiowych  profili
konstrukcyjnych.  Elementy  modułowe,  w  których  wykorzystuje  się  profile  aluminiowe,  są
stosowane w budowie maszyn, urządzeń, linii technologicznych, stanowisk pracy, konstrukcji
regałów  magazynowych  itp.  Z  modułów  są  budowane  systemy  manipulacyjne  do  obsługi
maszyn,  roboty  przemysłowe,  całe  gniazda  i  linie  produkcyjne,  wieloosiowe  maszyny
sterowane numerycznie, stanowiska kontrolno-pomiarowe itp.

Zestaw profili aluminiowych, elementów złącznych oraz elementów pomocniczych

pozwala  na  racjonalne  projektowanie  i  budowę  różnorodnych  maszyn,  urządzeń  i  innych
konstrukcji  wytwarzanych  głównie  w  produkcji  jednostkowej.  Konstrukcja  opiera  się  na
połączeniach  rozłącznych  poszczególnych  węzłów  konstrukcyjnych  i  ma  wiele  zalet,  gdyż
charakteryzuje się:
  krótkim czasem projektowania robotów i urządzeń, których poszczególne funkcje realizują

kolejne moduły,

istotnym ograniczeniem nakładów na obliczenia konstrukcyjne dzięki możliwości

wspomagania

komputerowego

oraz

znacznie

tańszym

wprowadzaniem

zmian

konstrukcyjnych w już pracującym urządzeniu,

skróceniem czasu przeznaczonego na testowanie i wdrażanie urządzenia do produkcji lub

pracy,

  szybkim i łatwym montażem i demontażem oraz szybkim usuwaniem skutków awarii,
  lekkością i dużą wytrzymałością konstrukcji,
  ponownym wykorzystaniem sprawnych jeszcze modułów do budowy innych urządzeń,
  nowoczesnością i estetyką rozwiązań,
  odpornością na korozję i zadrapania, dzięki anodowanej powierzchni.

Produkcją profili aluminiowych zajmuje się wiele firm (np. BOSCH ITEM. Firmy te

opracowały  modułowy  zestaw  do  montażu  urządzeń  wytwórczych,  warsztatowych,
pomocniczych  na  bazie  duraluminiowych  profili  zamkniętych  i  szerokiej  gamy  elementów
funkcjonalnych,  wykorzystując  oryginalną  technikę  połączeń  śrubowych.  Przykładowe
przekroje  profili  systemu  BOSCH  pokazano  na  rys.  18.  Rozwiązanie  oparto  na
zunifikowanych  powtarzalnych  i  podobnych  elementach  podstawowych.  Elementy  te  różnią
się tyko wielkością, a ich kształt jest identyczny lub zbliżony.

Rys. 18. Przykładowe przekroje profili systemu BOSCH

Przykładem profili aluminiowych stanowiących podstawę do całej bazy elementów o

budowie modułowej są profile firmy ITEM MB System. W skład zestawu MB wchodzą różne
kombinacje profilu podstawowego (rys. 19).

Profil 5 20x20

Profil 5 40x20

Profil 5 40x40

Rys. 19. Przykłady kształtu profili zestawu MB

Kolejne profile są modyfikacjami wersji pierwotnej, mają tylko większe gabaryty, a tym

samym lepsze właściwości technologiczne. Kolejne elementy powstają z profilu
podstawowego przez dodawanie do niego jego wielokrotności.

W skład systemów o budowie modułowej, oprócz profili, wchodzą:

  listwy i pokrywy maskujące i osłonowe aluminiowe i z tworzyw sztucznych,
  elementy złączne, zawiasy, wsporniki, rolki, kółka, stopki, elementy blokujące itp.,
  podzespoły przemieszczeń liniowych z kasacją luzów, napędzane ręcznie, pneumatycznie

lub elektrycznie (za pomocą pasków zębatych lub śrub tocznych),

podzespoły i elementy instalacyjne do elektrotechniki i elektroniki,
elementy i podzespoły do budowy ścianek, przegród i drzwi.

W ofercie firm jest wiele rozwiązań połączeń śrubowych. Rodzaj połączenia śrubowego

jest  dobierany  w  zależności  od  wymagań  wytrzymałościowych,  technologicznych,
funkcjonalnych  czy  estetycznych.  Jednym  z  nich  jest  połączenie  śrubą  centralną
samogwintującą  (rys.  20).  Niewątpliwą  zaletą  tego  rozwiązania  jest  jego  niewielka  cena
(koszt śruby i wykonania otworu bez gwintowania). Jest to idealne rozwiązanie, kiedy panel
albo szyba wchodzi w szczelinę.

Innym możliwym rozwiązaniem jest połączenie śrubami młoteczkowymi za pomocą

kątownika, połączenie sworzniowe za pomocą śruby młoteczkowej (rys. 21). Dzięki
specjalnej konstrukcji łba śruby możliwe jest jej wprowadzenie w dowolnym miejscu rowka i
unieruchomienie przez obrót o 90°, nawet gdy czoło rowka nie jest dostępne. Umożliwia to
bardzo szybki montaż (także w późniejszym stadium powstawania konstrukcji).

Gdy są konieczne połączenia profili pod kątem, można użyć łączników kątowych; o

stałym kącie między dwoma profilami (rys. 22) lub o kącie zmiennym. Połączenia o stałym
kącie są bardzo stabilne, o dużej wytrzymałości. Uzyskuje się to dzięki podobnym
połączeniom sworzniowym jak w przypadku poprzednim.

Podstawową zaletą wszystkich połączeń jest to, że nie wymagają one specjalnego

przygotowania  łączonych  elementów,  a  tylko  w  nielicznych  przypadkach  konieczne  jest
wykonanie  otworu  lub  wyfrezowanie  rowka.  Nie  stanowi  to  jednak  utrudnienia,  dlatego  że
rodzaj  materiału,  z  którego  są  wykonane  profile,  a  także  wszystkie  rodzaje  połączeń  są
skatalogowane.  Dodatkowo  firmy  oferują  wiele  sprawdzonych  rozwiązań  konstrukcyjnych
podzespołów realizujących podstawowe funkcje. Zestaw modułowego montażu zawiera więc
jeszcze  wiele  innych,  wygodnych  i  estetycznych  połączeń  i  rozwiązań  konstrukcyjnych
umożliwiających nie tylko szybki montaż, ale także przebudowę czy rozbudowę urządzenia.
Na  rys.  23  przedstawiono  mechanizm  przesuwu  liniowego  z  przekładnią  śrubową  toczną.
Składa się on z:

  szyny nośnej (profil aluminiowy),
  wózka przesuwnego,
  śruby z nakrętką toczną.

Rys. 23. Modułowy mechanizm przesuwu liniowego ze śrubą toczną

Na rys. 24 pokazano mechanizm przesuwu liniowego z napędem koło zębate-zębatka.

Moduł przesuwu liniowego z pasem zębatym przedstawiono na rys. 25. Moduł ten składa się
z:
  szyny nośnej (profil),
  wózka przesuwnego,
  napędu pasa zębatego,
  jednostki zwrotnej.

Z modułów przesuwu liniowego oraz odpowiednich profili można budować roboty

bramowe, które są często stosowane w zrobotyzowanych systemach obróbkowych. Na rys. 26
przedstawiono dwa roboty bramowe zbudowane z profili aluminiowych.

W celu skrócenia czasu przygotowywania projektu urządzenia z modułowych

elementów  konstrukcyjnych  oraz  zminimalizowania  liczby  błędów  występujących  we
wczesnych  fazach  powstawania  urządzenia,  firmy  wprowadziły  na  rynek  oprogramowanie
współpracujące z systemem komputerowo wspomaganego projektowania AutoCAD. BOSCH
udostępnia  swoim  klientom  nakładkę  na  AutoCAD  umożliwiającą  projektowanie  w
przestrzeni  2D  i  możliwość  używania  przestrzennych  modeli  modułów  konstrukcyjnych.
Firma  ITEM  natomiast  wprowadziła  oprogramowanie,  które  umożliwia  projektowanie  na
płaszczyźnie  (2D)  i  w  przestrzeni  (3D).  Oprogramowanie  takie  ma  wiele  funkcji
wspomagających, takich jak: szybki wybór elementów konstrukcyjnych i ich parametrów oraz
łatwe  edytowanie  rysunku  za  pomocą  dołączonego  menu  pulpitu,  wykonywanie
podstawowych  obliczeń  konstrukcyjnych  dotyczących  odkształceń  liniowych  profili  przy
różnym  charakterze  obciążeń,  automatyczne  generowanie  listy  użytych  modułów
konstrukcyjnych  z  podaniem  ich  ceny  oraz  innych  funkcji,  które  czynią  te  oprogramowania
profesjonalnym narzędziem wspomagającym pracę konstruktora.

3.3. Przykłady budowy modułowej

Podstawowym modułem nowoczesnych robotów, pracujących we współrzędnych

prostokątnych, jest zespół przesuwu liniowego. Dysponując takimi zespołami o różnej
wielkości, oraz odpowiednimi elementami dopasowującymi i uzupełniającymi, można łatwo i
szybko budować urządzenia manipulacyjne o znacznym stopniu skomplikowania. Przykładem
nowoczesnego systemu modułów do budowy robotów przemysłowych jest system MLS firmy
Messma-Kelch-Robot. Składa się on m.in. ze standardowych zespołów przesuwu liniowego, z
których można montować układy kilkuosiowe, np. bramowe manipulatory i roboty (rys. 27.
W skład systemu wchodzą również napędzane pneumatycznie zespoły podnoszenia i obrotu.

Rys. 27. System modułów firmy Messma-Kelch-Robot

Możliwość wyboru z różnych układów napędowych pokazano na rys. 28, na przykładzie

modułowego systemu firma WABCO. Typowy moduł ruchu jest wyposażony w: układ
napędowy, układ prowadnic, czujniki położeń krańcowych, w napędach dwupołożeniowych
dodatkowo

nastawne

ograniczniki

ruchu

pozycjonowania

współpracujące

amortyzatorami, a także płyty sprzęgowe i bloki mocujące umożliwiające łączenie
poszczególnych modułów itp. Jeżeli napęd jest elektryczny, ruch liniowy uzyskuje się za
pomocą bezluzowej śruby tocznej lub zębatego paska i kółka zębatego.

Rys.  28.  Modułowy  system  do  budowy  urządzeń  manipulacyjnych  firmy  WABCO:  Robot
zbudowany  z  elementów  systemu,  b)  moduł  podstawowy  systemu,  c)  moduł  przesuwu  z
napędem  od  śruby  pociągowej,  d)  moduł  przesuwu  napędzany  pneumatycznie,  e)  moduł
przesuwu z napędem pasowym

W przypadku napędu pneumatycznego stosuje się siłowniki tłoczyskowe lub

beztłoczyskowe i blok zaworów rozdzielających. Przykładem są rozwiązania firmy Fibro (rys.
29).

Na rys. 30 przedstawiono komponenty robota o budowie modułowej a mianowicie

poszczególne moduły oraz konfiguracje robotów z nich stworzonych.

Na rys. 31 pokazano możliwości modyfikowania konstrukcji i cech robota

przemysłowego  z  wykorzystaniem  zmodyfikowanych  modułów  robota  „Robitius  RC",
japońskiej  firmy  Mitsubishi  Heavy  Ind.  Z  modułów  przedstawionych  na  rysunku  można
skompletować m.in. następujące roboty przcmysłowe:
  z obrotową kolumną i dwoma ramionami prostoliniowo podnoszonymi i opuszczanymi po

kolumnie (rys. 31 a),

przesuwny z obrotową kolumną i ramieniem pochylanym i podnoszonym (rys. 31 b),
przesuwny z obrotową kolumną i ramieniem prostoliniowo podnoszącym się i

opuszczającym (rys. 31 c),