Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

1

Katedra Robotyki i Mechatroniki

Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie

Wojciech Lisowski

7

Technika zastosowania napędów płynowych

w manipulatorach robotów

Roboty przemysłowe

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

2

Problemy:

sprawność, moc i siła napędów płynowych

i elektrycznych manipulatorów

znaczenie podatności powietrza w napędach

pneumatycznych manipulatorów

napędy pneumohydrauliczne
metody uzyskiwania wielu położeń elementu

wykonawczego napędu pneumatycznego
manipulatorów

akumulator hydrauliczny w napędach

manipulatorów

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

3

Technika rozmieszczenia Przetworników Energii Pierwotnej

A) PRZETWORNIKI UMIESZCZONE

W ZŁĄCZACH

jest to rozwiązanie prostsze technicznie

w złączu przekładnia redukcyjna

- duże wymiary - ograniczenie swobody ruchu
- dodatkowa masa przekładni - rośnie ciężar i bezwładność

B

A

najczęściej stosowane rozwiązanie dla napędu elektrycznego
- standardowy przetwornik ma dużą prędkość przy małym

momencie/sile

- duży koszt przetwornika momentowego
- duża masa i średnica
- zwykle droższy czujnik położenia
- większa "czułość" układu wykonawczego - trudniej sterować ruchem
- duża wrażliwość na przegrzanie (nap. elektr.)

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

4

B). PRZETWORNIKI UMIESZCZONE W PODSTAWIE, RUCH
PRZEKAZYWANY DROGĄ TRANSMISJI MECHANICZNEJ
WZDŁUŻ ŁAŃCUCHA KINEMATYCZNEGO MANIPULATORA

ograniczenie swobody ruchu – Układy Transmisji Ruchu zajmują

dużą objętość

techniczna trudność przekazywania ruchu przez wiele złącz

w systemie o zmiennej konfiguracji łańcucha kinematycznego
manipulatora w czasie ruchu

tarcie w łańcuchu kinematycznym napędu powoduje obniżenie

dokładności (tarcie spoczynkowe, histereza, obniżenie sprawności)

luzy w łańcuchu kinematycznym napędu powodują obniżenie

dokładności

podatność w łańcuchu kinematycznym napędu – powoduje

nierównomierność ruchu i powstawanie drgań: wydłużenie czasu
regulacji, niebezpieczeństwo niestabilności układu

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

5

RAMIĘ

Ruchy

Regionalne

A lub B

KIŚĆ

Ruchy Lokalne

Zwykle A

Najłatwiej do złącza dostarczyć energię elektryczną, trudniej
hydrostatyczną, a najtrudniej mechaniczną

Manipulator robota przemysłowego

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

6

ŹRÓDŁA ENERGII PIERWOTNEJ

RODZAJE ENERGII PIERWOTNEJ manipulatorów robotów
przemysłowych:

ENERGIA POTENCJALNA PŁYNU

ENERGIA ELEKTRYCZNA

Sprawność

Moc z jednostki
masy napędu

Maksymalna siła
z jednostki
powierzchni
czynnej

Rodzaj
napędu

[%]

[W/kg]

[N/cm

2

]

Pneumatyczny

Hydrauliczny

Elektryczny

15-25

30-35

50-55

300

650

25-150

100

2000

0.3-1.5

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

7

(Honczarenko)

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

8

Porównanie podatności napędów płynowych:

2 siłowniki o jednakowych: sile parcia i skoku

Ciśnienie zasilania:

P

P

=7 bar

P

H

=100 bar

Stosunek powierzchni tłoków:

14

≈

H

P

S

S

Stosunek podatności:

20000

≈

H

P

C

C

Stosunek częstości drgań własnych:

140

≈

P

H

ω

ω

Napędy pneumatyczne:

większe amplitudy oscylacji w czasie pozycjonowania
dłuższy czas pozycjonowania

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

9

Zalety

Wady

Prostota konstrukcji
Niski koszt (pozycjonowanie

zderzakowe)

Duża dostępność czynnika roboczego
Brak potrzeby zamykania sieci czynnika

roboczego

Mała masa/bezwładność czynnika

roboczego

Duża niezawodność i trwałość napędów
Mała wrażliwość napędu na: wilgotność,

zapylenie, pole magnetyczne.

Iskrobezpieczeństwo.

Podatność

⇒duża przeciążalność napędu,

powolne narastanie sił (chwytaki)

Niska sprawność
Wielkość sił uzyskiwanych

w napędach pneuma-
tycznych jest ograniczona
ciśnieniem zasilania

Hałas

Podatność

⇒ trudność

uzyskiwania ruchów
jednostajnych, wrażliwość
przebiegów parametrów
ruchu na zmiany obciążenia
roboczego

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

10

Charakterystyka zastosowania napędów pneumatycznych:

Napędy pneumatyczne pozycjonowane zderzakowo stosowane w
manipulatorach osiągają wysokie powtarzalności pozycjonowania,
zapewniają duże zakresy ruchu elementów pozycjonowanych.

Manipulatory z napędami pneumatycznymi są wykorzystywane
głównie w operacjach manipulacyjnych.

Wymiana programu w przypadku napędów pozycjonowanych
zderzakowo wymaga przestawienia zderzaków i/lub zmiany połączeń
sterownika z zaworami rozdzielającymi, co w ogólnym przypadku nie
może być wykonane bez ingerencji obsługi.

Z tego powodu manipulatory takie nie są robotami (wymaganie
automatycznej zmiany programu) i nie mogą być efektywnie
wykorzystywane w elastycznych systemach produkcyjnych.

Trudności budowy serwonapędów pneumatycznych ograniczają ich
zastosowanie w manipulatorach pozycjonowanych swobodnie.

Rozwój technologii powoduje zarówno polepszanie się charakterystyk
serwonapędów pneumatycznych jak i spadek ich cen.

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

11

Rodzaje elementów wykonawczych napędów pneumatycznych:

Siłownik tłokowy jest najczęściej stosowanym elementem wykonawczym

ƒ

tłok najczęściej pozycjonowany

zderzakowo

ƒ

brak możliwości sterowania

prędkością ruchu tłoka, zmiana
prędkości przez dławienie na
wylocie cylindra

- siłownik z przewijaną membraną

- siłownik łopatkowy

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

12

ƒ

w pozycjonujących napędach pneumatycznych istotne jest

zastosowanie efektywnego układu amortyzacji umożliwiającego
pochłonięcie i rozproszenie energii kinetycznej obciążenia w celu
uniknięcia uderzenia tłoka o ogranicznik skoku lub zderzak;
potencjalne skutki uderzenia:
- duże obciążenia dynamiczne
- niebezpieczeństwo zgubienia przenoszonego przedmiotu.

Amortyzacja w skrajnych
położeniach tłoka:

komory cylindra o zmniejszonych
średnicach + dodatkowe przewody
wylotowe z dławieniem

(Festo)

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

13

Amortyzacja przy dojściu do zderzaka:

- mechaniczna

- pneumatyczna

- hydropneumatyczna

- hydrauliczna

Wymagany czas
powrotu do stanu
gotowości: 0.4-1.0 s

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

14

- siłownik beztłoczyskowy z cięgnem

- siłownik beztłoczyskowy (magnetyczny)

Średnica cylindra 40 mm
Skok do 4 m
Siła użyteczna 645 N
Siła zrywająca 1050 N

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

15

Napędy pneumo-hydrauliczne

Zalety:

zmniejszenie średnicy cylindra (objętości)
zwiększenie równomierności ruchu
ułatwienie pozycjonowania
zwiększenie sił parcia
brak konieczności stosowania zasilacza hydraulicznego

Idea zastosowania układu ze
wzmacniaczem pneumo-
hydraulicznym (pojedynczego lub
dwustronnego działania).

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

16

Problemy pozycjonowania z zastosowaniem napędów pneumatycznych

Pozycjonowanie zderzakowe:

Zawory rozdzielające:
3/2 (grzybkowe)
ƒ nie ma tarcia
ƒ nie wymagają smarowania
ƒ otwarcie zależy od ciśnienia

Zawory suwakowe:
• problem tarcia między suwakiem

a cylindrem

• pozycja suwaka odpowiada

równowadze sił sterujących

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

17

Metody uzyskiwania wielu położeń elementu wykonawczego
Napędów Pneumatycznych pozycjonowanego zderzakowo poprzez
zastosowanie:

siłowników wielopołożeniowych

bezstykowych czujników położenia

zderzaków wysuwanych przez dodatkowe siłowniki

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

18

obrotowych tarcz z wieloma zderzakami

- rewolwerowych

- z mechanizmem zapadkowym

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

19

hamulców

ciernych

3 fazy hamowania:

redukcja prędkości

stabilizacja prędkości

v

≈0.04 m/s

zatrzymanie

Wykorzystuje się bezstykowe
czujniki położenia
Powtarzalność pozycjonowania:

±0.2 mm

szczęki zaciskane pneumatycznie lub elektromagnetycznie

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

20

hamulców

hydraulicznych

redukcja prędkości - dławienie

zatrzymanie - odcięcie

Powtarzalność pozycjonowania:

±0.5 mm

Duże opory ruchu w układzie
hydraulicznym – ograniczenie
prędkości i sprawności

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

21

Duża ściśliwość powietrza jest głównym problemem budowy
precyzyjnych serwonapędów pneumatycznych

Dodatkowo istotna jest trudność wykonania precyzyjnych zaworów
suwakowych

Sterowanie proporcjonalne

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

22

Przykłady zastosowania napędu pneumatycznego w manipulatorach

Najczęściej wykorzystuje się napędy pneumatyczne w chwytakach

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

23

Obrót chwytaka – siłownik liniowy

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

24

Obrót chwytaka – siłownik łopatkowy

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

25

Moduł ruchu liniowego
uniemożliwiający obrót tłoka w
cylindrze

Moduł ruchu obrotowego

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

26

Standardowe prowadnice:

Obciążenia poprzeczne, tarcie

(Festo)

Nastawianie
zakresu

amortyzacja

czujnik
położenia

interfejs
pneumatyczny
i elektryczny

skok: 0.05 m – 0.4 m
v

max

: 1 m/s

RP: 0.01 mm

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

27

Połączone moduły ruchu:

(Festo)

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

28

Manipulator PPP

Manipulatory modułowe

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

29

Pozycjonowanie zderzakowe – manipulator o strukturze RPRPR

Obsługa tokarki

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

30

Moduł ruchu liniowego + manipulator o strukturze PPR

Orientowanie tulejek przed szlifowaniem

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

31

Manipulator AIDA Autohand

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

32

Ocena zastosowania napędów hydraulicznych w manipulatorach

Zalety

Wady

+ Duży współczynnik

Moc/Masa

+ Możliwość stosowania

bezpośrednio w przegubach
jako napęd bezpośredni albo
z przekładnią o małym
przełożeniu (duży moment
przy małej prędkości)

+ Duża sztywność

-

Zwykle brak zakładowej sieci

hydraulicznej - duży koszt
lokalnych układów zasilania
dla pojedynczych lub grup
manipulatorów

- Serwozawory mają

skomplikowaną konstrukcję
i są drogie

- Napędy wymagają ciągłej

konserwacji

- Stosunkowo mała sprawność
- Zmiana lepkości

z temperaturą

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

33

ELEMENTY NAPĘDU HYDRAULICZNEGO

ZASILACZ - źródło energii pierwotnej (silnik + pompa)

SIEĆ

- przewody, zawory,

akumulator

akumulator

EL. STERUJĄCE

- zawory sterujące natężeniem przepływu i/lub

ciśnieniem

EL. WYKONAWCZE - silnik/siłownik przetwarzający energię

potencjalną płynu na energię mechaniczną

Napęd z pompą o zmiennej wydajności

Akumulator Hydrauliczny

- pozwala stosować pompy

o mniejszej wydajności/mocy

- służy do odprowadzania ciepła

z czynnika roboczego

- łagodzi uderzenia w sieci

hydraulicznej powstałe w czasie
otwierania/ zamykania zaworów

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

34

CZYNNIK ROBOCZY -

OLEJ MINERALNY

- lepkość maleje z temperaturą
- dobry przewodnik ciepła (chłodzenie)

CIŚNIENIE - do 100 bar co umożliwia stosowanie stosunkowo lekkich i
giętkich przewodów zasilających

GŁÓWNE PROBLEMY ZASTOSOWANIA

dostarczanie czynnika do członów wykonawczych przy zmianach

wzajemnego ustawienia członów w czasie ruchu

zminimalizowanie wycieków z armatury

filtracja czynnika, którego cząstki: blokują serwozawory, powodują

erozję rozdzielaczy i powierzchni tłoka, zwiększają lepkość oleju,
zmieniają charakterystykę sztywności oleju

hałas

ograniczona prędkość przepływu ze względu na turbulencje przepływu

(kawitacja) oraz zwiększanie się temperatury (obniżanie się lepkości)

nieliniowość charakterystyk elementów sterujących i wykonawczych

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

35

STEROWANIE NAPĘDAMI HYDRAULICZNYMI

ZAWÓR ROZDZIELAJĄCY napędzany:

pośrednio przez wstępny stopień

wzmocnienia lub bezpośrednio
przez silnik elektryczny, sterowane
sygnałem elektrycznym w przypadku
zastosowania SERWOZAWORÓW

silnikiem elektrycznym w przypadku

SERWOMECHANIZMÓW

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

36

Serwozawory dwustopniowe - ElektroHydroMechaniczne

Serwozawory jednostopniowe

– Elektro-Mechaniczne

liniowo proporcjonalna
zależność strumienia
przepływającego przez okno
wyjściowe rozdzielacza do
sygnału wejściowego
serwozaworu (natężenia prądu
lub napięcia)

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

37

SERWOMECHANIZMY HYDRAULICZNE

Siła/moment używane do przemieszczenia suwaka może być nawet
10000 razy mniejsza od siły/momentu uzyskiwanego w siłowniku (siły te
nie są proporcjonalne)

UWAGA:

Na hydrauliczny napęd manipulatora w spoczynku działa siła
zewnętrzna, powoduje to wymóg ciągłego otwarcia okien rozdzielacza,
które zapewnia uzyskanie potrzebnej różnicy sił parcia oraz kompensację
przecieków

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

38

Napęd hydrauliczny:

udźwig 1000 kg
masa 5000 kg
promień PR: 4.1 m

Roboty przemysłowe

KRIM, WIMIR, AGH w Krakowie

39

(Honczarenko)