Automatyzacja i robotyzacja proces´

ow

produkcyjnych

J´

o

zef Wiora

Lekcja 1

Podstawy

Nazwa przedmiotu:

Automatyzacja i robotyzacja proces´

ow produkcyjnych

Efekt kszta lcenia:

umiej

֒

etno´

sci i kompetencje doboru system´

ow automatyzacji i robotyzacji pro-

ces´

ow technologicznych w wybranym zakresie in˙zynierii produkcji

1.1. Podstawowe poj

֒

ecia

mechanizacja – wprowadzanie do przemys lu, rolnictwa itp. maszyn zast

֒

epuj

֒

acych

prac

֒

e r

֒

eczn

֒

a lub si l

֒

e poci

֒

agow

֒

a zwierz

֒

at [1]

maszyna – urz

֒

adzenie zawieraj

֒

ace mechanizm lub zesp´o l wsp´o ldzia laj

֒

acych mecha-

nizm´ow, s lu˙z

֒

ace do przetwarzania energii albo do wykonywania okre´slonej pracy [1]

mechanika – dzia l techniki zajmuj

֒

acy si

֒

e zagadnieniami konstruowania maszyn, apa-

rat´ow i narz

֒

edzi [1]

aparat – urz

֒

adzenie spe lniaj

֒

ace okre´slone zadania [1]

narz

֒

edzie – urz

֒

adzenie umo˙zliwiaj

֒

ace r

֒

eczne wykonanie jakiej´s czynno´sci lub pracy

[1]

automatyzacja – stosowanie urz

֒

adze´

n do zbierania i przetwarzania informacji, przej-

muj

֒

acych pewne dzia lania poznawcze, intelektualne i decyzyjne cz lowieka, wykonywane

dot

֒

ad przez niego w trakcie u˙zytkowania obiektu (np. obrabiarki, samolotu, banku) lub

w trakcie prac tw´orczych (np. projektowania, konstruowania, uczenia). ogranicza bez-
po´sredni udzia l cz lowieka w pracy fiz. i umys lowej (mechanizacja zast

֒

epuje tylko prac

֒

e

fiz.) [1].

3

1.2. Sterowanie

4

automatyka – nauka zajmuj

֒

aca si

֒

e teori

֒

a i konstrukcj

֒

a urz

֒

adze´

n steruj

֒

acych proce-

sami (g l. technol.) bez udzia lu (lub z ograniczonym udzia lem) cz lowieka;
dzia ly: regulacja automatyczna, sterowanie procesami z lo˙zonymi, pomiary automatyczne,
systemy zdalnego nadzoru i sterowania, przetwarzanie danych i generacja sygna l´ow ste-
ruj

֒

acych;

a. produkcji jest warunkiem rozwoju nowoczesnego przemys lu, wymagaj

֒

acego dok ladno´sci

i powtarzalno´sci operacji [1].

robotyzacja – zast

֒

epowanie pracy ludzkiej prac

֒

a robot´ow [1]

robot – urz

֒

adzenie zast

֒

epuj

֒

ace cz lowieka przy wykonywaniu niekt´orych czynno´sci [1]

robotyka nauka zajmuj

֒

aca si

֒

e projektowaniem i zastosowaniem robot´ow [1]

proces produkcyjny – uporz

֒

adkowany zestaw celowych dzia la´

n wykonywanych w

toku produkcji pocz

֒

awszy od pobrania materia lu wej´sciowego z magazynu poprzez wszyst-

kie operacje technologiczne, transportowe, kontrolne, magazynowe (a tak˙ze procesy na-
turalne) a˙z do zdania gotowego wyrobu w l

֒

acznie. W dzia laniach tych wykorzystywane s

֒

a

okre´slone zasoby do przekszta lcania danych wej´sciowych w dane wyj´sciowe [sciaga.pl].

1.2. Sterowanie

Obiekt (sterownia) – urz

֒

adzenie, kt´ore realizuje techniczny (technologiczny) proces

prowadz

֒

acy do realizacji zaplanowanych zada´

n [19].

Przyk lady obiekt´ow: proces walcowania, piec grzewczy, robot, ta´smoci

֒

ag, maszyny do

obr´obki metali [19] i inne (jakie?)

1.2. Sterowanie

5

Sygna l – funkcja, kt´ora przenosi informacj

֒

e o stanie lub zachowaniu si

֒

e pewnego

uk ladu fizycznego. Informacja ta jest zawarta w postaci jaki´s zmian. Matematycznie to
funkcja jednej lub wielu zmiennych niezale˙znych [18].

Przyk lad: mowa – sygna l zmienny w czasie; rysunek – sygna l dw´och zmiennych prze-

strzennych [18]

Wymuszenia, wielko´

sci wej´

sciowe – wielko´sci charakteryzuj

֒

ace oddzia lywanie ´sro-

dowiska na uk lad. Dzielimy na: wielko´sci steruj

֒

ace i wielko´sci zak l´ocaj

֒

ace (zak l´ocenia) [20].

Odpowiedzi, wielko´

sci wyj´

sciowe, wyj´

scia uk ladu – wielko´sci charakteryzuj

֒

ace

oddzia lywanie uk ladu na ´srodowisko [20].

Stan uk ladu – najmniejszy liczebnie zbi´or wielko´sci, kt´orego znajomo´s´c w chwili

t

0

oraz znajomo´s´c wszystkich wymusze´

n w przedziale (t

0

, t

1

) pozwala wyznaczy´c stan i

odpowiedzi uk ladu w chwili t

1

[20].

Algorytm – wszystkie regu ly lub instrukcje, kt´ore u latwiaj

֒

a wykonywanie konkret-

nych operacji poprzez ich systematyzacj

֒

e [19].

Algorytm funkcjonowania – ca lokszta lt instrukcji (zasad), kt´ore zapewniaj

֒

a pra-

wid lowe wype lnienie zadanego procesu. Zgodnie z tymi zasadami zachodzi zmiana wska´z-
nik´ow (wsp´o lrz

֒

ednych), w celu zapewnienia realizacji normalnego przebiegu procesu. A.f.

oparty jest m.in. na podstawach technologicznych i ekonomicznych [19].

Algorytm sterowania – wszystkie zasady, kt´ore okre´slaj

֒

a charakter wp lywu na

obiekt sterowania, w celu wykonania jego algorytmu funkcjonowania [19].

Lekcja 2

Sterowanie – oddzia lywanie (sygna l´ow steruj

֒

acych) na obiekt sterowania (np. proces

technol.) w celu zapewnienia mu w la´sciwego przebiegu;
rozr´o˙znia si

֒

e: s. w uk ladzie otwartym (np. s. ruchem ulicznym za pomoc

֒

a sygnalizacji

´swietlnej) i s. w uk ladzie zamkni

֒

etym (s. ze sprz

֒

e˙zeniem zwrotnym - regulacja automa-

tyczna);
s. pneumatyczne (lub s. hydrauliczne) - sterowanie za pomoc

֒

a element´ow i uk lad´ow pneu-

matycznych (lub hydraulicznych) [1].

regulacja – oddzia lywanie, r

֒

eczne lub automatyczne, na dany obiekt (najcz

֒

e´sciej fiz.,

technol.) maj

֒

ace na celu zmniejszenie odchylenia przebiegu jego wielko´sci wyj´sciowej (re-

gulowanej) od przebiegu warto´sci zadanej;
dokonuje si

֒

e w uk ladzie ze sprz

֒

e˙zeniem zwrotnym; zale˙znie od zastosowanego regulatora

r.: najcz

֒

e´sciej elektroniczna, tak˙ze hydrauliczna, pneumatyczna, mieszana [1].

regulator – urz

֒

adzenie steruj

֒

ace, kt´ore stosownie do r´o˙znic mi

֒

edzy warto´sci

֒

a wiel-

ko´sci regulowanej i warto´sci

֒

a zadan

֒

a tak oddzia luje na obiekt sterowania (regulacji) za

pomoc

֒

a wielko´sci steruj

֒

acych, aby r´o˙znice te by ly jak najmniejsze;

zazwyczaj urz

֒

adzenia elektroniczne, ale tak˙ze r. pneumatyczne i hydrauliczne oraz kon-

strukcje mieszane [1].

Struktura funkcjonalna sterowania w uk ladzie otwartym

sprz

֒

e˙zenie zwrotne – szczeg´olny rodzaj oddzia lywania (sprz

֒

e˙zenia) mi

֒

edzy dwoma

obiektami, polegaj

֒

acy na zwrotnym oddzia lywaniu skutku okre´slonego zjawiska na jego

przyczyn

֒

e;

odgrywa bardzo wa˙zn

֒

a rol

֒

e m.in. w automatyce, mechanice, elektronice, biologii, naukach

spo l.;
w teorii sterowania zachodzi, gdy sygna l wyj´sciowy uk ladu oddzia luje zwrotnie, cz

֒

esto za

po´srednictwem innego uk ladu (uk lad´ow), na jego sygna l wej´sciowy;
s.z. dodatnie - gdy skutek podtrzymuje przyczyn

֒

e, s.z. ujemne - gdy jej przeciwdzia la [1].

Struktura funkcjonalna sterowania w uk ladzie zamkni

֒

etym

Kompensacja – polega na pomiarze zak l´ocenia i eliminacji jego wp lywu bez wyko-

rzystania sprz

֒

e˙zenia zwrotnego.

Struktura funkcjonalna kompensowania

6

2

7

2.0.1. Klasyfikacja UR

A. Rodzaje regulacji wg struktury:

1. zamkni

֒

ete

2. otwarte (z kompensacj

֒

a lub bez)

3. kaskadowe (wielop

֒

etlowe)

B. Rodzaje regulacji wg zada´

n sterowania [15]:

1. Uk lady stabilizacji automatycznej, regulacja sta lowarto´sciowa – WZ jest sta la
2. Uk lady nad

֒

a˙zne – WZ jest zale˙zna od innych czynnik´ow

3. Uk lady regulacji programowej – WZ zmienia si

֒

e wg okre´slonego algorytmu

4. Uk lady regulacji ekstremalnej – szuka si

֒

e ekstremum WZ

C. Rodzaje regulacji wg ilo´sci zmiennych regulowanych:

1. o jednej zm.reg.
2. o wielu zm.reg.

D. Rodzaje regulacji wg procesu kontroli sygna lu regulowanego:

1. ci

֒

ag le

2. dyskretne w czasie

E. Rodzaje regulacji wg mo˙zliwo´sci stosowania zasady superpozycji:

1. liniowe
2. nieliniowe

a) linearyzowalne

b) nielinearyzowalne

Lekcja 3

Liczby zespolone

3.1. Graficzna ilustracja liczby zespolonej, formy zapisu, p lasz-

czyzna zespolona

3.2. Dodawanie, odejmowanie, mno˙zenie, dzielenie, pot

֒

egowanie,

pierwiastkowanie liczb zespolonych

8

Lekcja 4

4.1. Pochodne funkcji

4.2. Opis w dziedzinie czasu

Model matematyczny – relacja matematyczna opisuj

֒

aca zachowanie si

֒

e systemu –

najcz

֒

e´sciej r´ownanie r´o˙zniczkowe. Modele tworzy si

֒

e na podstawie znajomo´sci praw fizyki

lub poprzez identyfikacj

֒

e.

4.3. Opis w dziedzinie czasu – Skok jednostkowy, impuls Diraca,

wymuszenie sinusoidalne

9

Lekcja 5

5.1. Opis w dziedzinie czasu – R´

ownanie liniowe

Spos´ob tworzenia r´owna´

n liniowych na przyk ladzie obwodu CR [5]

u

(t) = y(t) + u

C

(t)

i

(t) = C

du

C

(t)

dt

y

(t) = i(t)R

u

C

(t) = u(t) − y(t)

du

C

(t)

dt

=

du(t)

dt

−

dy(t)

dt

y

(t) = i(t)R = C

du

C

(t)

dt

R

= RC

 du(t)

dt

−

dy(t)

dt



dy(t)

dt

+

y

(t)

RC

=

du(t)

dt

(1)

5.2. Opis w dziedzinie operatora Laplace’a “s”

F

(s) = L[f(t)] =

Z

∞

0

e

−

st

f

(t)dt

10

5.3. Opis w dziedzinie cz

֒

estotliwo´

sci

11

Orygina l f (t)

Transformata F (s)

1(t)

1
s

δ

(t)

1

t

1

s

2

e

−

at

1

s

+a

te

−

at

1

(s+a)

2

1
a

(1 − e

−

at

)

1

s

(s+a)

1

b−a

(e

−

at

− e

−

bt

)

1

(s+a)

1

(s+b)

cos(ωt)

s

s

2

+ω

2

sin(ωt)

ω

s

2

+ω

2

cos(ωt + ϕ)

s

cos ϕ−ω cos ϕ

s

2

+ω

2

f

′

(t)

sF

(s)

R f (t)dt

1
s

F

(s)

f

(t − τ)

e

−

sτ

F

(s)

Podstawowe w lasno´sci przekszta lcenia Laplace’a [9]

s Y

(s) +

1

RC

Y

(s) = s X(s)

(2)

Transmitancja operatorowa:

K

(s) =

Y

(s)

X

(s)

(3)

K

(s) =

s

s

+

1

RC

5.3. Opis w dziedzinie cz

֒

estotliwo´

sci

s

← jω

(4)

K

(jω) =

jω

jω

+

1

RC

ω

= 2πf

 rad

s



f

=

1

T

 1

s

= Hz



ω

– pulsacja; f – cz

֒

estotliwo´s´c; T – okres.

Wzmocnienie uk ladu wyra˙zone w skali logarytmicznej:

L

(ω) = 20 lg |K(jω)| [dB]

5.3. Opis w dziedzinie cz

֒

estotliwo´

sci

12

−3 dB oznacza zmniejszenie amplitudy sygna lu o

√

2, czyli do poziomu 0,707 ampli-

tudy sygna lu wej´sciowego; −20 dB → 10-krotnie.

5.3.1. Rodzaje wykres´

ow

Skala liniowa i logarytmiczna

Lekcja 6

6.1. Opis w dziedzinie cz

֒

estotliwo´

sci – c.d.

6.1.1. Charakterystyka amplitudowa

Przyk ladowy rysunek

6.1.2. Charakterystyka fazowa

Przyk ladowy rysunek

6.1.3. Charakterystyka amplitudowo-fazowa

Przyk ladowy rysunek

6.2. Podstawowe cz lony uk lad´

ow automatyki

Na podstawie [2]:

6.2.1. Cz lon proporcjonalny

Opis w dziedzinie czasu:

y

(t) = kx(t)

Opis w dziedzinie operatora s:

Y

(s) = kX(s)

Opis w dziedzinie cz

֒

estotliwo´sci:

Y

(jω) = kX(jω)

Transmitancja:

K

(s) =

Y

(s)

X

(s)

= k

Charakterystyka statyczna

Odpowied´

z skokowa

13

Lekcja 7

7.1. Podstawowe cz lony uk lad´

ow automatyki – c.d.

7.1.1. Cz lon inercyjny I-rz

֒

edu

Opis w dziedzinie czasu:

T

dy(t)

dt

+ y(t) = kx(t)

T

– sta la czasowa

k

– wzmocnienie

Opis w dziedzinie operatora s:

T sY

(s) + Y (s) = kX(s)

Opis w dziedzinie cz

֒

estotliwo´sci:

(T jω + 1)Y (jω) = kX(jω)

Transmitancja operatorowa:

K

(s) =

Y

(s)

X

(s)

=

k

T s

+ 1

Transmitancja widmowa:

K

(jω) =

Y

(jω)

X

(jω)

=

k

T jω

+ 1

Odpowied´z skokowa:

x

(t) = 1(t) −→ X(s) =

1
s

Y

(S) = K(s)X(s) =

k

T s

+ 1

·

1
s

=

k

1

T

s

(s +

1

T

)

y

(t) =

k

1

T

1

T

(1 − e

−

1

T

t

) = k(1 − e

−

t

T

)

Odpowied´

z skokowa

Odpowied´z impulsowa:

x

(t) = δ(t) −→ X(s) = 1

Y

(S) = K(s)X(s) =

k

T s

+ 1

· 1 =

k

1

T

s

+

1

T

y

(t) = k

1

T

e

−

1

T

t

=

k

T

· e

−

t

T

14

7.1. Podstawowe cz lony uk lad´

ow automatyki – c.d.

15

Odpowied´

z impulsowa

Charakterystyka cz

֒

estotliwo´sciowa

charakterystyka amplitudowo-fazowa

Lekcja 8

8.1. Podstawowe cz lony uk lad´

ow automatyki – c.d.

8.1.1. Cz lon inercyjny II-rz

֒

edu

Transmitancja operatorowa:

K

(s) =

Y

(s)

X

(s)

=

k

(T

1

s

+ 1)(T

2

s

+ 1)

Odpowied´z skokowa:

y

(t) = k



1 −

1

T

1

− T

2



T

1

e

−

t

T1

− T

1

e

−

t

T2





Wykres odpowiedzi

Charakterystyka cz

֒

estotliwo´sciowa

Charakterystyka

Charakterystyka amplitudowo-fazowa dla inercji wy˙zszych rz

֒

ed´

ow

8.1.2. Cz lon oscylacyjny

Opis w dziedzinie czasu:

T

d

2

y

(t)

dt

2

+ 2ξT

dy(t)

dt

+ y(t) = kx(t)

T

– sta la czasowa

k

– wzmocnienie

ξ

– wsp´o lczynnik t lumienia

Dla cz lonu oscylacyjnego spe lnione jest: 0 ≤ ξ < 1.

Transmitancja operatorowa:

K

(s) =

Y

(s)

X

(s)

=

k

T

2

s

2

+ 2ξT s + 1

Odpowied´z skokowa:
(r´ownanie ma bardzo z lo˙zon

֒

a posta´c, dlatego je pomini

֒

eto)

Wykres odpowiedzi dla r´

o˙znych ξ

Charakterystyka cz

֒

estotliwo´sciowa

Charakterystyka

16

8.1. Podstawowe cz lony uk lad´

ow automatyki – c.d.

17

8.1.3. Cz lon ca lkuj

֒

acy

Opis w dziedzinie czasu:

T

c

dy(t)

dt

= x(t) lub

dy(t)

dt

= kx(t)

T

c

– sta la ca lkowania

Transmitancja operatorowa:

K

(s) =

1

T

c

s

=

k

s

Odpowied´z skokowa:

Y

(s) =

1

T

c

s

1
s

=

1

T

c

s

2

y

(t) = t · 1(t)

Wykres odpowiedzi

Charakterystyka cz

֒

estotliwo´sciowa

K

(jω) =

1

T

c

jω

=

−j

T

c

ω

Charakterystyka

8.1.4. Cz lon r´

o˙zniczkuj

֒

acy

Opis w dziedzinie czasu:

y

(t) = k

dx(t)

dt

Transmitancja operatorowa:

K

(s) = ks

Odpowied´z skokowa:

Y

(s) = ks ·

1
s

= k

y

(t) = δ(t)

Wykres odpowiedzi

Charakterystyka cz

֒

estotliwo´sciowa

K

(jω) = ksjω

Charakterystyka

8.1.5. Cz lon op´

o´

zniaj

֒

acy

y

(t) = x(t − t

0

)

Odp. skokowa

Lekcja 9

9.1. L

֒

aczenie cz lon´

ow automatyki

L

֒

aczenie szeregowe:

K

(s) = K

1

(s) · K

2

(s)

L

֒

aczenie r´ownoleg le:

K

(s) = K

1

(s) + K

2

(s)

Uk lad ze sprz

֒

e˙zeniem zwrotnym:

K

(s) =

K

1

(s)

1 + K

1

(s) · K

2

(s)

Przyk lady charakterystyk amp-faz dla cz lon´

ow l

֒

aczonych szeregowo

9.2. Stabilno´

s´

c uk ladu

Uk lad jest stabilny (asymptotycznie), je´sli przebiegi d

֒

a˙z

֒

a do tej samej funkcji nieza-

le˙znie od warunk´ow pocz

֒

atkowych

Przyk lad wykres´

ow czasowych stabilnych

9.2.1. Stabilno´

s´

c uk ladu zamkni

֒

etego

Kryterium Nyquista (wersja uproszczona):

Je´sli charakterystyka ampl.-faz. uk ladu otwartego nie obejmuje punktu

−1 + j0, czyli

mija ten punkt po lewej stronie wraz ze wzrostem cz

֒

estotliwo´sci, to uk lad zamkni

֒

ety jest

stabilny.

Przyk lady

18

Lekcja 10

10.1. Regulatory

Transmitancja uk ladu ujemnym sprz

֒

e˙zeniem zwrotnym

rysunek

:

K

z

=

K

1

1 + K

1

K

2

Wg [11, 12]:

1. Reg. proporcjonalny P

◦ Zmniejsza wp lyw zak l´oce´n.
◦ Uchyb jest proporcjonalny do wielko´sci zak l´oce´n i odwrotnie proporcjonalny do wzmoc-

nienia regulatora.

◦ st

֒

ad: Dok ladno´s´c regulacji jest tym wi

֒

eksza, im wi

֒

eksze jest wzmocnienie.

◦ oraz: Nie zapewnia utrzymania zgodno´sci warto´sci wielko´sci regulowanej z warto´sci

֒

a

zadan

֒

a, je´sli na uk lad dzia laj

֒

a zak l´ocenia.

◦ Jest bezinercyjny
◦ Przy zbyt du˙zym wzmocnieniu regulatora proces przej´sciowy mo˙ze by´c oscylacyjny

a uk lady inercyjne wy˙zszych rz

֒

ed´ow staj

֒

a si

֒

e niestabilne.

Regulacja poziomu wody w sp luczce

2. Reg. ca lkuj

֒

acy I

◦ Pozwala sprowadzi´c uchyb regulacji do zera przy wymuszeniach skokowych.
◦ Poprawia t lumienie zak l´oce´n w zakresie niskich cz

֒

estotliwo´sci.

◦ Powoduje wyd lu˙zenie czasu regulacji.
◦ Latwo prowadzi do niestabilno´sci uk ladu, szczeg´olnie uk lad´ow wy˙zszych rz

֒

ed´ow.

◦ Zmienia w lasno´sci dynamiczne: rz

֒

ad uk ladu zwi

֒

eksza si

֒

e o jeden, proces przej´sciowy

ma charakter oscylacyjny.

3. Reg. proporcjonalno-ca lkuj

֒

acy PI

◦ Uchyb mo˙ze by´c skorygowany do zera.
◦ Czas regulacji d lu˙zszy ni˙z w reg. typu P lecz znacznie kr´otszy ni˙z w reg. typu I.

4. Reg. r´o˙zniczkuj

֒

acy D – nie mo˙ze by´c samodzielnie stosowany.

◦ Nie sprowadza b l

֒

edu statycznego do zera.

◦ Poprawia w lasno´sci dynamiczne – zapewnia szersze pasmo regulacji.
◦ Nie ma wp lywu na stan ustalony – nie przenosi sk ladowej sta lej.

5. Reg. proporcjonalno-r´o˙zniczkuj

֒

acy PD – rzadko spotykany

6. Reg. proporcjonalno-ca lkuj

֒

aco-r´o˙zniczkuj

֒

acy PID

19

10.1. Regulatory

20

◦ Regulator najbardziej uniwersalny, daj

֒

acym mo˙zliwo´s´c dostosowania si

֒

e do wymaga´

n

r´o˙znych obiekt´ow.

◦ Najcz

֒

e´sciej cz lon r´o˙zniczkuj

֒

acy zast

֒

epowany jest cz lonem r´o˙zniczki z inercj

֒

a.

Dla obiekt´ow nie posiadaj

֒

acych element´ow ca lkuj

֒

acych stosuje si

֒

e najcz

֒

e´sciej regula-

tory PI (przy szybkich zmianach warto´sci zadanej) lub PID (dla sta lej warto´sci zadanej
– regulacja sta lowarto´sciowa np. regulacja temperatury).

Dla obiekt´ow o charakterze ca lkuj

֒

acym (astatycznych) stosuje si

֒

e regulatory typu P

lub PD (dla regulacji sta lowarto´sciowej).

Lekcja 11

11.1. Uk lady hydrauliczne, pneumatyczne, elektryczne

W pneumatycznych urz

֒

adzeniach automatyki miar

֒

a wielko´sci sygna lu jest ci´snienie.

Dzia la ono na powierzchni

֒

e membran lub mieszk´ow powoduj

֒

ac wytworzenie si ly powodu-

j

֒

acej mniejsze lub wiesze przesuniecie. Je´sli przesuni

֒

ecia s

֒

a pomijalnie ma le, to m´owi si

֒

e

o urz

֒

adzeniach typu si lowego, w przeciwnym razie – typu przesuni

֒

eciowego. Te si ly albo

przesuni

֒

ecia mog

֒

a by´c por´ownywane. Uk lady typu przesuni

֒

eciowego s

֒

a ma lo dok ladne i

rzadko stosowane [12].

Podstawowym elementem uk ladu pneumatycznego jest membrana lub mieszek

Rys.

.

F

= S · p

Pneumatyczne elementy oporowe – opory pneumatyczne: kapilara, kryza, dysza, zaw´or

lub inne przew

֒

e˙zenie, dysza-przes lona.

Pojemno´s´c pneumatyczna – komory sztywne i elastyczne.

Si lowniki s lu˙z

֒

a do przestawiania zawor´ow lub przesuwnic.

Si lowniki pneumatyczne – prosta budowa -> du˙za niezawodno´s´c, bezpiecze´

nstwo pracy

nawet w atmosferze wybuchowej. Si lowniki membranowe (dla ma lych przesuni

֒

e´c) i t lokowe

(dla du˙zych przesuni

֒

e´c)

Rys.

. Sygna lem steruj

֒

acym jest warto´s´c ci´snienia podawanego

bezpo´srednio do si lownika lub na wej´scie nastawnika. Jest to cz lon proporcjonalny.

Si lowniki hydrauliczne t lokowe (automatyka przemys lowa) lub obrotowe (w nap

֒

edach

obrabiarek). Uzyskiwane si ly mog

֒

a by´c rz

֒

edu kilkunastu tysi

֒

ecy niuton´ow – stosowane,

gdy wymagane s

֒

a wielkie si ly. Si lowniki t lokowe wyst

֒

epuj

֒

a jako proste lub korbowe (ruch

prostoliniowy zamieniany jest na ruch obrotowy korby). Sterowane s

֒

a za po´srednictwem

element´ow wzmacniaj

֒

acych nazywanych rozdzielaczami. Sygna lem steruj

֒

acym jest pozy-

cja rozdzielacza. Jest to cz lon ca lkuj

֒

acy.

Si lowniki elektryczne silnikowe i elektromagnetyczne. Si lowniki silnikowe dwu- lub tr´oj-

fazowe posiadaj

֒

a wiruj

֒

acy silnik elektryczny. Cechuj

֒

a si

֒

e du˙z

֒

a pr

֒

edko´sci

֒

a i ma lym mo-

mentem, wi

֒

ec potrzeba stosowa´c przek ladnie. Silniki pracuj

֒

a w systemie w l

֒

acz-wy l

֒

acz. S

֒

a

wyposa˙zone w wy l

֒

acznik kra´

ncowy.

Si lowniki elektromagnetyczne do dwupo lo˙zeniowego sterowania zawor´ow (elektroza-

wory) o niewielkich ´srednicach. Normalnie otwarte lub normalnie zamkni

֒

ete.

Si lowniki mieszane.

21

11.1. Uk lady hydrauliczne, pneumatyczne, elektryczne

22

Si lownik elektropneumatyczny – pr

֒

ad przep lywa przez cewk

֒

e –> si la dzia la na d´zwigni

֒

e

–> sterowany jest wzmacniacz pneumatyczny –> zmieniane jest ci´snienie dzia laj

֒

ace na

membran

֒

e si lownika.

Rodzaj elementu

si la

moment skok lin. skok k

֒

at.

czas

pneumatyczny membr. ´srednia

ma ly

ma ly

ma ly

ma ly

pneumatyczny t lok.

´srednia

du˙zy

du˙zy

du˙zy

´sredni

hydrauliczny t lok.

du˙za

b. du˙zy

b. du˙zy

du˙zy

du˙zy

elektr. silnikowy

´srednia

´sredni

ma ly

du˙zy

´sredni

Lekcja 12

12.1. Technika cyfrowa

System notacji dziesi

֒

etnej, binarnej i heksadecymalnej.

Dodawanie i mno˙zenie binarne. Operacje logiczne.

Transmisja szeregowa i r´ownoleg la.

Przetworniki AC i CA

23

Lekcja 13

13.1. Uk lady impulsowe

Impulsowe uk lady sterowania – uk lady, w kt´orych informacja jest przesy lana tylko

w chwilach dyskretnych, zwanych chwilami pr´obkowania [15],

Korzystniejsze wykorzystanie l

֒

acza telemetrycznego – informacja o kilku wielko´sciach

jest przekazywana jednym kana lem przez okre´slony czas.

Sterownik wymaga okre´slonego czasu na obliczenie sterowania.

Proces pr´obkowania – kwantowania w czasie – przekszta lcenie sygna lu ci

֒

ag lego na

sygna l impulsowy. Okres pr´obkowania powinien by´c zdecydowanie mniejszy od sta lych
czasowych uk ladu.

Twierdzenie Shannona-Kotielnikowa

Do opisu wykorzystuje si

֒

e transformat

֒

e

”

z”.

Transmitancja impulsowa

K

(z) =

Y

(z)

X

(z)

By zamieni´c sygna l impulsowy na ci

֒

ag ly nale˙zy u˙zy´c cz lon (element) podtrzymuj

֒

acy –

aproksymator, ekstrapolator. Gdy jest zerowego rz

֒

edu to na wyj´sciu jest przebieg schod-

kowy. By go wyg ladzi´c stosuje si

֒

e filtry wyg ladzaj

֒

ace.

24

Lekcja 14

14.1. Regulatory cyfrowe

Budowa regulatora cyfrowego: uk lad linearyzacji, filtr w.cz. (antyaliasingowy), w

֒

eze l

sumuj

֒

acy, multiplekser, przetwornik A/C, uk lad dynamicznego formowania sygna lu, prze-

twornik C/A, demultiplekser, wzmacniacz standaryzuj

֒

acy (4–20 mA, 0–20 mA, 0–10 V,

1–5 V), zegar [3].

Pr´obkowanie a kwantowanie

Czas pr´obkowania Zastosowanie

10–500 µs.

Dok ladne sterowanie i modelowanie, uk lady elektroniczne, sieci
energetyczne, precyzyjnie steruj

֒

ace roboty

0,5–20 ms

Stabilizacja system´ow mocy, symulatory lotu, treningowe, sa-
mochody

10–100 ms

Przetwarzanie obraz´ow, rzeczywisto´s´c wirtualna, sztuczne wi-
dzenie

0,5–1 s

Monitorowanie i sterowanie obiektami, procesy chemiczne,
elektrownie

1–3 s

Regulacja przep lywu

1–5 s

Regulacja ci´snienia

5–10 s

Regulacja poziomu

10–20 s

Regulacja temperatury

25

Lekcja 15

15.1. Typy regulator´

ow cyfrowych

aparatowe – mog

֒

a pracowa´c jako niezale˙zne urz

֒

adzenia, maj

֒

a kilka wej´s´c i wyj´s´c ana-

logowych i kilkana´scie binarnych, mog

֒

a si

֒

e z sob

֒

a komunikowa´c i wsp´o lpracowa´c z syste-

mami SCADA, stosowane w ma lych instalacjach przemys lowych (w

֒

ez ly cieplne);

modu lowe regulatory kasetowe – przeznaczone do du˙zych instalacji, wykonane w formie

kaset, wsp´o lpracuj

֒

a ze stacj

֒

a operatorsk

֒

a i innymi urz

֒

adzeniami w systemie automatyki

kompleksowej;

przemys lowe komputery PC – rozwi

֒

azanie ta´

nsze lecz bardziej zawodne.

15.2. Standardy transmisji szeregowej

RS-232 (1962r.) – do po l

֒

aczenia dw´och urz

֒

adze´

n, sygna l napi

֒

eciowy, do 15 m, s laba

odporno´s´c na zak l´ocenia, szybko´s´c transmisji od 1,2 do 19,2 kb/s;

RS-422 (1965r.) – do po l

֒

aczenia kilku odbiornik´ow, sygna l napi

֒

eciowy r´o˙znicowy ±2 . . . 5 V,

do 100 kb/s dla 1500 m, do 1 Mb/s dla 150 m, do 10 Mb/s dla 30 m.

RS-423 (1965r.) – do po l

֒

aczenia do 10 odbiornik´ow, sygna l napi

֒

eciowy r´o˙znicowy

±0,2 . . . 6 V, do 3 kb/s dla 1200 m, do 100 kb/s dla 30 m.

RS-485 (1983r.) – do po l

֒

aczenia do 32 urz

֒

adze´

n, sygna l napi

֒

eciowy r´o˙znicowy −1,5 . . . 5 V,

nadajniki tr´ojstanowe, do 10 Mb/s, do 1200 m

15.3. Standardy komunikacyjne

PROFIBUS – Siemens 1991r. – norma europejska, du˙zy stopie´

n elastyczno´sci, skr

֒

etka

lub ´swiat low´od, do 127 w

֒

ez l´ow, ...

LonWorks – 1990, peer-to-peer, tanie dodanie nowych funkcji, rezydencje mieszka´

n,

do 32000 w

֒

ez l´ow, skr

֒

etka, instalacja elektryczna, fale radiowe, ...

CAN – Bosch, do przemys lu samochodowego

inne

26

Lekcja 16

16.1. Sterowniki rozmyte

Klasyczne zbiory nazywamy ostrymi. To takie, w kt´orych element nale˙zy albo nie na-

le˙zy do okre´slonego zbioru. W teorii zbior´ow rozmytych m´owi si

֒

e o funkcji przynale˙zno´sci

o warto´sciach od 0 (gdy nie nale˙zy) do 1 (gdy nale˙zy) [3].

Do poprawnego nastrojenia regulatora nie jest wymagana znajomo´s´c dynamiki pro-

cesu. Pozwala na przej´scie od ilo´sciowego do jako´sciowego sposobu opisu procesu regulacji.

Regulator rozmyty wykonuje nast

֒

epuj

֒

ace operacje:

rozmywanie – wyznaczenie stopni przynale˙zno´sci dla poszczeg´olnych zbior´ow rozmy-

tych;

wnioskowanie – okre´slenie nieostrych decyzji regulacyjnych na podstawie przyj

֒

etych

regu l sterowania (bazy wiedzy);

wyostrzanie – wyznaczenie ostrych warto´sci liczbowych dla ka˙zdej zmiennej steruj

֒

acej.

Algorytm regulacji wnioskuje na podstawie informacji o warto´sci sygna lu (P), jego

ca lce (I) oraz r´o˙zniczce dyskretnej (D).

Przyk lad regu l wnioskowania w systemie monitoringu zagro˙ze´

n atmosfery kopalnianej:

Gdy st

֒

e˙zenie metanu jest ´

srednie oraz gdy przyrost st

֒

e˙zenia metanu jest du˙zy —>

przygotowa´c si

֒

e do ewakuacji.

Regulatory rozmyte nie zast

֒

epuj

֒

a regulator´ow klasycznych w wi

֒

ekszo´sci zastosowa´

n,

w kt´orych sygna ly s

֒

a latwo mierzalne. Ich przewaga jest jednak widoczna szczeg´olnie

tam, gdzie trudno jest zdefiniowa´c lub zmierzy´c pewne wielko´sci – zagro˙zenie wybuchem,
przyczepno´s´c k´o l pojazdu, zabrudzenie ubra´

n.

Cz

֒

esto s labo poznane procesy s

֒

a doskonale sterowane przez do´swiadczonego operatora.

Bazuj

֒

ac na jego strategii dzia lania nie mo˙zna zbudowa´c regulatora klasycznego, lecz mo˙zna

zaprogramowa´c regulator rozmyty. Szczeg´olnie tam, gdzie istniej

֒

a silne sprz

֒

e˙zenia skro´sne,

zale˙zno´sci nieliniowe, du˙ze zak l´ocenia i op´o´znienia czasowe [14].

16.2. Sieci neuronowe i neuro-rozmyte

Neuron sk lada si

֒

e z wej´s´c, kt´orych sygna l mno˙zy si

֒

e przez wagi i sumuje. Zsumowany

sygna l przechodzi przez funkcj

֒

e aktywacji .

27

16.2. Sieci neuronowe i neuro-rozmyte

28

Typowe funkcje aktywacji: funkcja skokowa (1 dla u>0), funkcja sigmoidalna (f (x) =

1

1+e

−β x

)

Warstwy: wej´sciowa, ukryte, wyj´sciowa

Proces uczenia sieci neuronowej

Sieci neuro-rozmyte

Lekcja 17

17.1. Sterowniki programowalne

Sterowniki programowalne (PLC) – komputery przemys lowe, kt´ore pod kontrol

֒

a sys-

temu operacyjnego czasu rzeczywistego zbieraj

֒

a pomiary, wykonuj

֒

a program u˙zytkownika

i generuj

֒

a sygna ly steruj

֒

ace. Maj

֒

a tak˙ze mo˙zliwo´s´c transmitowania danych i realizacji

funkcji diagnostyki [10].

Sterowniki kompaktowe, modu lowe i rozproszone [14]

Cechy: latwo´s´c programowania i przeprogramowywania, latwo´s´c utrzymania w ruchu

produkcyjnym, z mo˙zliwo´sci

֒

a napraw poprzez wymian

֒

e modu l´ow, du˙za niezawodno´s´c w

warunkach przemys lowych, programowana kontrola obwod´ow wej´s´c-wyj´s´c

Maj

֒

a mo˙zliwo´s´c sterowania zdalnego – monitorowanie i uaktualnianie du˙zej liczy wej´s´c-

wyj´s´c.

Budowa: jednostka centralna, modu l wej´s´c / wyj´s´c cyfrowych, modu l wej´s´c / wyj´s´c

analogowych, modu l komunikacji (ProfiBus, LAN, poczta elektroniczna, SMS), modu ly za-
awansowane: szybkich licznik´ow, pozycjonowania nap

֒

ed´ow osi, sterowania nap

֒

ed´ow przez

falowniki

29

17.1. Sterowniki programowalne

30

Systemy SCADA dope lniaj

֒

a i rozszerzaj

֒

a mo˙zliwo´sci sterownik´ow, realizuj

֒

ac funkcje:

1. komunikacji z urz

֒

adzeniami obiektowymi (sterowniki, regulatory),

2. zbierania i przetwarzania zmiennych procesowych z urz

֒

adze´

n procesowych oraz ich

archiwizacji w bazie danych,

3. interfejsu operatora s lu˙z

֒

acego do wizualizacji procesu i jego obs lugi,

4. wizualizacji warto´sci zmiennych w formie graficznej;
5. opracowanie raport´ow;
6. generowania alarm´ow;

Rozwi

֒

azania redundancyjne

Miniaturyzacja -> inteligentne przeka´zniki.

Firmy: ( Modicon, Telemecanique ) -> Schneider Electric; Alen-Bradley -> Rockwell

Automation, GE Fanuc <- General Electric + Fanuc, Siemens, Omron

Zadania sterownika

* przetwarzanie sygna l´ow – System operacyjny i program u˙zytkownika
* interfejs z czujnikami i elementami wykonawczymi
* interfejs cz lowiek - maszyna (MMI, HMI) – dostarczanie operatorowi informacji i umo˙z-

liwienie oddzia lywania na PLC i program

* komunikacja
* zasilanie

Budowa jednostki centralnej: jednostka arytmetyczno-logiczna, pami

֒

e´c RAM, ROM,

interfejsy – porty szeregowe i r´ownoleg le

J

֒

ezyki programowania sterownik´ow: lista instrukcji, tekst strukturalny, schemat dra-

binkowy, funkcjonalny schemat blokowy

Lekcja 18

Niezawodno´

s´

c system´

ow automatycznych i zrobotyzowanych.

Uszkodzenie obiektu jest to zdarzenie losowe polegaj

֒

ace na tym, ˙ze przynajmniej jedna

z cech obiektu przestaje spe lnia´c wymagania stawiane obiektowi [21].

Niezawodno´s´c jest to w lasno´s´c obiektu charakteryzowana prawdopodobie´

nstwem, ˙ze

wszystkie cechy w danym przedziale czasu nie zmieni

֒

a swoich warto´sci tak, by obiekt nie

m´og l realizowa´c za lo˙zonych funkcji.

Intensywno´s´c uszkodze´

n λ jest to funkcja g

֒

esto´sci warunkowego prawdopodobie´

nstwa

czasu pracy do uszkodzenia pod warunkiem, ˙ze obiekt by l sprawny w chwili t. Okre´sla
si

֒

e stosunkiem liczby obiekt´ow uszkodzonych do liczby obiekt´ow sprawnych w danym

przedziale czasu. Jednostk

֒

a intensywno´sci uszkodze´

n jest

1

jednostka czasu

.

Cz

֒

estotliwo´s´c uszkodze´

n a – prawdopodobie´

nstwo pracy prawid lowej obiektu.

Zmienno´s´c w czasie intensywno´sci uszkodze´

n – wykres typu wannowego: adaptacja

(docieranie), normalna eksploatacja, zu˙zycie i starzenie.

Wyk ladnicze prawo niezawodno´sci dla λ = const.

R

(t) = e

−

λt

gdzie R(t) to funkcja niezawodno´sci

Intensywno´s´c napraw µ

Schemat niezawodno´sciowy, redundancje, gor

֒

aca i zimna rezerwa

Grafy systemu niezawodno´sciowego (Markowa) nienaprawialne i naprawialne, liczba

konserwator´ow

Wska´zniki niezawodno´sciowe: MTTFF, MTBF, A, kt´ore kiedy wybra´c

Zale˙zno´s´c wska´znik´ow od warunk´ow eksploatacji.

Przybli˙zone warto´sci wsp´o lczynnika korekcyjnego intensywno´sci uszkodze´

n:

warto´s´c

Zastosowanie

1

Laboratorium

20

Aparatura naziemna

50

Okr

֒

et

60

Samoch´od

70

Poci

֒

ag

80

Aparatura wysokog´orska

100

Samolot

500-1000 Rakiety

31

Lekcja 19

Roboty przemys lowe

19.1. Definicje

Maszyna manipulacyjna [17]:

• sterowana r

֒

ecznie

+ serwooperator: transportowo-krocz

֒

acy, podno´snikowo-wysi

֒

egnikowy – maszyna ste-

rowana przez bezpo´srednie, r

֒

eczne przemieszczanie wybranych element´ow jej mecha-

nizmu, wzmacniaj

֒

aca parametry energetyczne ruch´ow – w´ozki wid lowe;

+ teleoperator – maszyna sterowana przez po´srednie r

֒

eczne przemieszczanie wybranych

element´ow pomocniczego mechanizmu steruj

֒

acego i (lub) element´ow operatorskich,

przekazuj

֒

aca na odleg lo´s´c ruchy lokomocyjne i (lub) manipulacyjne cz lowieka

• sterowana automatycznie

+ manipulator – maszyna sterowana w sta loprogramowym uk ladzie sterowania w funk-

cji czasu, po lo˙zenia element´ow jej mechanizm´ow oraz stanu ´srodowiska.

+ robot – maszyna sterowana za pomoc

֒

a sygna l´ow generowanych w programowal-

nym uk ladzie sterowania

Rys. 19.1.

Analogia cz lowiek-robot

[4, 6–8]

Manipulator robota to mechanizm przeznaczony do realizacji niekt´orych funkcji

ko´

nczyn g´ornych cz lowieka, takich jak funkcje manipulacyjne (chwytak) i wysi

֒

egnikowe

(rami

֒

e manipulatora).

Maszyny krocz

֒

ace to urz

֒

adzenia techniczne przeznaczone do realizacji funkcji po-

dobnych do funkcji lokomocyjnych zwierz

֒

at i owad´ow.

Robot mobilny to robot, kt´ory mo˙ze si

֒

e przemieszcza´c za pomoc

֒

a k´o l lub g

֒

asienic.

32

19.3. Budowa

33

19.1.1. Generacje robot´

ow

Roboty I generacji s

֒

a zaprogramowane na wykonywanie okre´slonych sekwencji czyn-

no´sci z mo˙zliwo´sci

֒

a ich przeprogramowania. Nie posiadaj

֒

a sprz

֒

e˙zenia zwrotnego od stanu

manipulowanego przedmiotu. Posiadaj

֒

a jedynie czujniki stan´ow wewn

֒

etrznych robota.

Pozycjonowanie nast

֒

epuje wzgl

֒

edem podstawy robota.

Roboty II generacji posiadaj

֒

a zamkni

֒

ety uk lad sterowania oraz czujniki (dotykowe i

wizyjne) wykonuj

֒

ace pomiary podstawowych parametr´ow stanu robota i otoczenia. Roz-

poznaje obiekty bez wzgl

֒

edu na jego po lo˙zenie i kszta lt geometryczny. Pozycjonowanie

zewn

֒

etrzne, wzgl

֒

edem przedmiotu, kt´ory ma by´c poddany manipulacji.

Roboty III generacji powinny ponadto posiada´c zdolno´sci adaptacyjne, wyposa˙zone w

elementy sztucznej inteligencji.

19.2. Zalety robot´

ow

Z punktu widzenia BHP czynnikiem stymuluj

֒

acym rozw´oj robotyki jest zwi

֒

ekszanie

zapotrzebowania na manipulowanie przedmiotami:

+ w ´srodowiskach o wysokiej temperaturze;
+ o du˙zej masie;
+ o niedogodnych kszta ltach;
+ b

֒

ed

֒

acymi w bezpo´srednim s

֒

asiedztwie ´zr´ode l promieniowania;

+ w obecno´sci szkodliwych medi´ow tj. wyziewy py l´ow, agresywnych cieczy, par;
+ pod wysokim lub niskim ci´snieniem;
+ w warunkach beztlenowych.

19.3. Budowa

Robot sk lada si

֒

e z:

+ zespo lu ruchu (manipulator, jednostka kinematyczna) wraz z nap

֒

edami, czujnikami i

ko´

nc´owk

֒

a robocz

֒

a (efektorem) – przeguby obrotowe (obr´ot jednego cz lonu wzgl

֒

edem

drugiego) i przeguby przesuwne (ruch post

֒

epowy).

+ uk ladu zasilania nap

֒

ed´ow i ko´

nc´owki roboczej (hydrauliczne, pneumatyczne i elek-

tryczne, cz

֒

esto wykorzystywane w kilku postaciach, cz

֒

esto umieszczone w wolnostoj

֒

acej

szafie);

19.3. Budowa

34

a)

b)

c)

d)

Rys. 19.2.

Roboty wykonuj

֒

ace praktyczne zadania

a) do spawania; b) zbrojenia; c) laparoskopia; d) SCARA.

+ uk ladu sterowania – szafa sterownicza zawiera: pulpit sterowniczy, sterownik r

֒

eczny do

programowania robota, komputer steruj

֒

acy serwonap

֒

edami, wykonuj

֒

acy pomiary prze-

mieszczenia, po l

֒

aczony z czujnikami dwustanowymi chwytak´ow, narz

֒

edzi, czujnikami

stan´ow pracy maszyn i urz

֒

adze´

n wsp´o lpracuj

֒

acych.

Ze wzgl

֒

ed´ow BHP szafy steruj

֒

ace i zasilania znajduj

֒

a si

֒

e poza przestrzeniami jego dzia-

lania.

W przestrzeni roboczej wyr´o˙znia si

֒

e obszary:

— g l´owna przestrze´

n robocza, w kt´orej przemieszcza si

֒

e chwytak lub narz

֒

edzia;

— przestrze´

n kolizyjna, w kt´orej przemieszczaj

֒

a si

֒

e wszystkie elementy konstrukcyjne i

cz lony jednostki kinematycznej;

19.3. Budowa

35

— przestrze´

n ruch´ow ja lowych – przestrze´

n kolizyjna z wy l

֒

aczeniem g l´ownej przestrzeni

roboczej;

— sfera zagro˙zenia – przestrze´

n, w obr

֒

ebie kt´orej ze wzgl

֒

edu na BHP zabrania si

֒

e obs lu-

giwa´c w czasie pracy jednostki kinematycznej.

Jednostki monolityczne – posiadaj

֒

a sta l

֒

a, niezmienn

֒

a konstrukcj

֒

e, producent dostar-

cza wszystkie zespo ly ruchu wraz z efektorem zgodnie z zam´owieniem.

Jednostki modu lowe – s

֒

a z lo˙zone z gotowych zespo l´ow ruchu – wygodne rozwi

֒

azanie

ze wzgl

֒

ed´ow ekonomicznych i technologicznych.

Jednostki pseudomodu lowe – jednostki o sta lej strukturze kinematycznej, ale z mo˙z-

liwo´sci

֒

a wymiany przez u˙zytkownika zespo lu ruchu, najcz

֒

e´sciej na ko´

ncu la´

ncucha kine-

matycznego.

Lekcja 20

Roboty przemys lowe - c.d.

20.1. Kinematyka

Kinematyka jest dzia lem mechaniki zajmuj

֒

acym si

֒

e ruchem cia l bez rozwa˙zania si l

wywo luj

֒

acych ten ruch [13].

Dwa ogniwa ruchowo z sob

֒

a po l

֒

aczone tworz

֒

a par

֒

e kinematyczn

֒

a. Po l

֒

aczenie ogranicza

mo˙zliwo´s´c ruchu wzgl

֒

edem l

֒

aczonych ogniw. Cia lo sztywne ma 6 stopni swobody (ruchy

post

֒

epowe w kierunku osi X, Y, Z oraz ruchy obrotowe wzgl

֒

edem osi X, Y, Z). Liczba

odebranych stopni swobody wskutek po l

֒

aczenia ruchowego tworzy nr klasy par kinema-

tycznych. Najcz

֒

e´sciej spotyka si

֒

e po l

֒

aczenia klasy V o jednym stopniu swobody [8]. S

֒

a to

przegub obrotowy (o´s obrotu) oraz przegub przesuwny (pryzmatyczny – o´s przesuwu) [13].

Zbi´or par kinematycznych tworzy la´

ncuch kinematyczny. Otwarty la´

ncuch kinema-

tyczny ma ogniwa numerowane pocz

֒

awszy od nieruchomej podstawy (ogniwo 0). Manipu-

lator o N stopniach swobody sk lada si

֒

e z N + 1 ogniw po l

֒

aczonych N przegubami klasy

V – o jednym stopniu swobody.

Ogniwo manipulatora opisywane jest za pomoc

֒

a parametr´ow Denavita-Hartenberga.

Przyporz

֒

adkowuje on ka˙zdemu ogniwu cztery wielko´sci [13]:

a

i

d lugo´s´c ogniwa mierzona pomi

֒

edzy osiami przegub´ow;

α

i

k

֒

at skr

֒

ecania ogniwa prawoskr

֒

etnie, mierzony jako k

֒

at mi

֒

edzy osiami przegub´ow’

d

i

odleg lo´s´c mierzona wzd lu˙z osi przegubu pomi

֒

edzy a

i−

1

oraz a

i

;

θ

i

k

֒

at pomi

֒

edzy a

i−

1

oraz a

i

.

Pierwsze dwie wielko´sci opisuj

֒

a ogniwo, kolejne dwie – po l

֒

aczenie ogniwa z ogniwem

poprzednim.

20.1.1. Roboty o strukturze kinematycznej szeregowej

Roboty o strukturze kinematycznej przegubowej (roboty przegubowe, manipulatory

obrotowe, manipulatory antropomorficzne) – Rys. 20.1 – s

֒

a zazwyczaj wolnostoj

֒

ace, o

mniejszym ud´zwigu. Maj

֒

a tylko obrotowe osie zespo l´ow ruchu regionalnego.

Roboty o strukturze kinematycznej cylindrycznej Rys. 20.2

Roboty o strukturze kinematycznej sferycznej

Roboty o strukturze kinematycznej SCARA – zadanie monta˙zowe, trzy osie r´ownoleg le:

dwie o ruchu obrotowe i jedna o ruchu post

֒

epowym – Rys. 19.2.d)

36

20.1. Kinematyka

37

Rys. 20.1.

Roboty o strukturze przegubowej

Rys. 20.2.

Roboty o strukturze cylindrycznej

Roboty o strukturze kinematycznej PUMA – zadanie monta˙zowe, bardzo szybki, kilka

osi – Rys. 20.3.

Roboty o strukturze kinematycznej kartezja´

nskiej (roboty bramowe lub portalowe) –

liniowe zespo ly ruchu – Rys. 20.4. Stosowane g l´ownie do pakowania, i obs lugi maszyn
technologicznych.

20.1.2. Roboty o strukturze kinematycznej r´

ownoleg lej

Manipulatory r´ownoleg le s

֒

a te˙z nazywane platformami o r´ownoleg lych nap

֒

edach. [16]

20.1. Kinematyka

38

Rys. 20.3.

Roboty PUMA (do zada´

n monta˙zowych)

Rys. 20.4.

Roboty w uk ladzie kartezja´

nskim (prostok

֒

atnym)

Platforma Stewarta zawiera sze´s´c ko´

nczyn. [16] – symulatory ruchu pojazd´ow, ma-

szyny g´ornicze. Struktura r´ownoleg la wyst

֒

epuje tam, gdzie jest wymagana wysoka sztyw-

no´s´c oraz dobre w lasno´sci dynamiczne [16].

Robot DELTA 4 – chwytak przemieszczany jest r´ownolegle do p laszczyzny odniesienia.

Silniki i przek ladnie zamocowane s

֒

a na nieruchomej podstawie –> masa cz lon´ow rucho-

mych jest ma la, wielko´s´c silnik´ow nie jest ograniczona i mog

֒

a by´c umiejscowione poza

przestrzeni

֒

a robocz

֒

a robota; konstrukcja mechaniczna jest tania i prosta; trudno´s´c w uzy-

skaniu prostoliniowego przemieszczenia robota, przyrosty przemieszcze´

n s

֒

a nieliniowe –>

przy sta lej pr

֒

edko´sci silnik´ow uzyskuje si

֒

e zmienn

֒

a pr

֒

edko´s´c ruchu platformy [16].

20.1. Kinematyka

39

Rys. 20.5.

Roboty Stewarta

Rys. 20.6.

Robot Stewarta jako symulator lotu

20.1. Kinematyka

40

Rys. 20.7.

Roboty Delta 4

Lekcja 21

Roboty przemys lowe - c.d.

21.1. Chwytaki

Chwytaki najcz

֒

e´sciej maj

֒

a nap

֒

ed pneumatyczny ze wzgl

֒

edu na

”

mi

֒

ekko´s´c uchwytu”

wynikaj

֒

ac

֒

a ze ´sci´sliwo´sci powietrza [8].

— ze szcz

֒

ekami sztywnymi (dwupalcowe) – najbardziej rozpowszechnione; o ruchu pal-

cowym (ka˙zda szcz

֒

eka obraca si

֒

e wok´o l w lasnej osi), no˙zycowym (obracaj

֒

a si

֒

e wok´o l

wsp´olnej osi) i imad lowym (wyst

֒

epuje przesuni

֒

ecie)

— ze szcz

֒

ekami elastycznymi – mniej dok ladne, umo˙zliwiaj

֒

a chwytanie przedmiot´ow o

nieregularnych kszta ltach, r´o˙zni

֒

acych si

֒

e kszta ltami i chwytanie przedmiot´ow kru-

chych; wykonane np. z gumy z komor

֒

a powietrzn

֒

a.

— adhezyjne – podci´snieniowe (przyssawka – ma le krzywizny, du˙za g ladko´s´c przedmiotu

chwytanego) i magnetyczne (przedmioty ferromagnetyczne)

21.2. G lowice

G lowice technologiczne [8].

— zgrzewanie technologiczne – l

֒

aczenie blach za pomoc

֒

a zgrzewania wysokim pr

֒

adem

rz

֒

edu 1 500 A (czajnik elektryczny – 10 A) wywo luj

֒

acym lokalne podgrzanie blachy

— spawanie lukowe – l

֒

aczenie za pomoc

֒

a spoiwa w temperaturze kilku tysi

֒

ecy

◦

C za

pomoc

֒

a luku elektrycznego

— czyszczenie odlew´ow – tarcze szlifierskie nap

֒

edzane pneumatycznie lub hydraulicznie

– du˙za moc, ma ly ci

֒

e˙zar – wym´og manipulowania

— obr´obka mechaniczna: grawerowanie, szlifowanie, polerowanie
— nak ladanie pokry´c metod

֒

a natryskow

֒

a

— kontrola wymiar´ow
— monta˙z

G lowica mo˙ze by´c umieszczona zamiast chwytaka lub zamocowana obok robota –

wtedy przedmiot jest odpowiednio manipulowany

41

21.3. Zastosowania

42

21.3. Zastosowania

Zastosowania robot´ow [8]

— roboty przemys lowe

+ do zgrzewania punktowego – przemys l samochodowy
+ spawalnicze – o´slepienie, gor

֒

ace odpryski, zapylenie, szkodliwe wyziewy (manga-

nizm); skomplikowana trajektoria ruchu robota

+ malarskie (metod

֒

a natryskow

֒

a) – truj

֒

ace rozpuszczalniki, rakotw´orcze barwniki,

ha las, zagro˙zenie wybuchem i po˙zarem – musz

֒

a by´c zachowane warunki iskrobez-

pieczne; programowanie robota najcz

֒

e´sciej poprzez uczenie

+ monta˙zowe – czynno´s´c pracoch lonna; wyposa˙zenie w uk lady wizyjne i dotykowe –

roboty PUMA

+ do przenoszenia materia l´ow i za ladunku palet – najpopularniejsze
+ do obr´obki materia l´ow:

+ obr´obka plastyczna na zimno (prasy, kszta ltowanie blach) i gor

֒

aco (prasy i m loty,

ok 1 200

◦

C)

+ obr´obka cieplna – obr´obka stali, zmiana struktury materia lu, wysokie tempera-

tury, szkodliwe wyziewy, liski kontakt z roz˙zarzonymi przedmiotami metalowymi
w ruchu, znaczne ci

֒

e˙zary

+ obr´obka skrawaniem – obrabiarki – stwarza mniej zagro˙ze´

n; monotonia, du˙ze

ci

֒

e˙zary

+ do obr´obki wyko´

nczaj

֒

acej – czyszczenie, usuwanie zadzior´ow, szlifowanie i pole-

rowanie, t

֒

epienie kraw

֒

edzi – wibracje, zapylenie, ha las, niebezpiecze´

nstwo rozpad-

ni

֒

ecia tarczy szlifierskiej; du˙za sztywno´s´c robota, wysoka dok ladno´s´c,skomplikowane

trajektorie

+ laboratoryjne
+ do utylizacji i zabezpieczania odpad´ow
+ odlewnicze – wysokie temperatury, szkodliwe wyziewy, roztopiony metal pod wyso-

kim ci´snieniem

+ w przetw´orstwie tworzyw sztucznych – wysoka temperatura, szkodliwe wyziewy
+ w przemy´sle szklarskim i ceramicznym – ostre kraw

֒

edzie, wysokie temperatury,

wilgotno´s´c, praca 3-zmianowa w ruchu ci

֒

ag lym

— roboty us lugowe (serwisowanie, naprawy, czyszczenie) – w fazie bada´

n

— roboty mobilne
— roboty krocz

֒

ace

— do prac podwodnych
— medyczne

21.4. Czujniki i sensory w robotyce

43

21.4. Czujniki i sensory w robotyce

[16]

— przemieszczenie k

֒

atowe: potencjometryczne, indukcyjne (selsyny, transformatory po-

lo˙zenia k

֒

atowego), zliczaj

֒

ace;

— przemieszczenie liniowe: potencjometryczne, indukcyjne, r´o˙znicowe, zliczaj

֒

ace, opto-

mechaniczne;

— pr

֒

edko´sci i przyspieszenia: tachometr, akcelerometr;

— si la: tensometr, ci´snieniowe (p´o lprzewodnikowe, piezoelektryczne, metalopolimerowe,

´swiat lowodowe)

— dotyk: stykowe (mikroprze l

֒

aczniki, ´swiat lowodowe), indukcyjne, pneumatyczne, ci´snie-

niowe

— zbli˙zenie, lokalizacja i orientacja: ultrad´zwi

֒

ekowe, fotometryczne (pomiar nat

֒

e˙zenia

´swiat la odbitego, przerwa strumienia ´swiat la), laserowe, indukcyjne, optyczne, telewi-

zyjne, pneumatyczne, typu w

֒

asy dotyku;

— identyfikacja obiektu: telewizyjne, indukcyjne, fotometryczne, ultrad´zwi

֒

ekowe, lase-

rowe, ci´snieniowe

— temperatura: rezystancyjne, bimetaliczne, termoelementy,pirometryczne,
— rozr´o˙znianie gaz´ow i pary wodnej: pomiar g

֒

esto´sci, zmian przewodno´sci cieplnej, ab-

sorpcji promieniowania podczerwonego; czujniki tlenu paramagnetyczne; hydrome-
tryczne.

Lekcja 22

Roboty przemys lowe - c.d.

Film prezentuj

֒

acy prac

֒

e robot´

ow r´

o˙znego typu w r´

o˙znych zastosowaniach

44

Lekcja 23

Roboty przemys lowe - c.d.

23.1. BHP

W trakcie projektowania zabezpiecze´

n nale˙zy przyj

֒

a´c mo˙zliwo´sci bezpo´sredniego kon-

taktu z operatorem robota w czasie programowania robota, podczas pracy robota oraz
przy konserwacji i naprawach.

Przyk ladowe sposoby podniesienia bezpiecze´

nstwa:

— mo˙zliwo´s´c zmniejszenia pr

֒

edko´sci ruchu osi;

— uczenie robota w obecno´sci dw´och os´ob – jedna odpowiedzialna za zatrzymanie robota;
— w czasie konserwacji i napraw w spos´ob widoczny nale˙zy od l

֒

aczy´c zasilanie.

Przyczyny wypadk´ow:

— nieprawid lowy ruch robota przy programowaniu
— nieprawid lowy ruch robota przy testowaniu robota
— b l

֒

ad dzia lania innego obiektu systemu przy testowaniu jego programu

— b l

֒

edy przy regulacji i naprawach urz

֒

adzenia

— pojawienie si

֒

e cz lowieka w strefie roboczej robota

— nieprawid lowy ruch robota przy pracy automatycznej
— b l

֒

ad pracy innego obiektu systemu przy pracy automatycznej robota

W Szwecji w okresie 1979 – 1981 na sto pracuj

֒

acych robot´ow zdarzy l si

֒

e jeden wypadek

rocznie.

23.2. Elastyczno´

s´

c system´

ow

Elastyczny system produkcyjny (FMS) jest zintegrowanym komputerowo kompleksem

maszyn i urz

֒

adze´

n technologicznych sterowanych numerycznie, urz

֒

adze´

n przemieszcza-

nia materia l´ow i pomocy warsztatowych oraz automatycznych urz

֒

adze´

n pomiarowych i

diagnostycznych z minimaln

֒

a obs lug

֒

a r

֒

eczn

֒

a i kr´otkimi czasami przezbroje´

n, mog

֒

acych

produkowa´c dowolny wyr´ob nale˙z

֒

acy do okre´slonej klasy wyrob´ow, w ramach swych mo˙z-

liwo´sci oraz zgonie z wymagana kolejno´sci

֒

a. Elastyczno´s´c jest w lasno´sci

֒

a systemu polega-

j

֒

ac

֒

a na latwo´sci dostosowania si

֒

e do zmiennych zada´

n produkcyjnych [22].

45

23.2. Elastyczno´

s´

c system´

ow

46

Przyczyn

֒

a zmienno´sci zada´

n produkcyjnych jest wyst

֒

epowanie zak l´oce´

n w pracy (awa-

rie, nieobecno´s´c pracownik´ow), bie˙z

֒

aca zmiana asortymentu i program´ow produkcyjnych,

trwa la zmiana asortymentu [22].

Lekcja 24

24.1. Kiedy automatyzowa´

c

24.2. Zalety i wady automatyzacji i robotyzacji

47

Bibliografia

[1] PWN, 2007.
[2] J. Awrejcewicz, W. Wodzicki. Podstawy automatyki. Teoria i przyk lady. Wydawnictwo Politechniki

L´

odzkiej, L´

od´z, 2001.

[3] J. Brz´

ozka. Regulatory cyfrowe w automatyce. Mikom, Warszawa, 2002.

[4] T. Buratowski. Podstawy robotyki. Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Krak´

ow, 2006.

[5] R. Gessing. Podstawy automatyki. Wydawnictwo Politechniki ´

Sl

֒

askiej, Gliwice, 2001.

[6] J. Honczarenko. Roboty przemys lowe. Elementy i zastosowanie. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,

Warszawa, 1996.

[7] J. Honczarenko. Roboty przemys lowe. Budowa i zastosowania. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,

Warszawa, 2004.

[8] A. Kaczmarczyk. Roboty przemys lowe lat osiemdziesi

֒

atych

. Wydawnictwa Komunikacji i L

֒

aczno´sci,

Warszawa, 1984.

[9] T. Kaczorek, A. Dzieli´

nski, W. D

֒

abrowski, R. Lopatka. Podstawy teorii sterowania. Wydawnictwo

Naukowo-Techniczne, Warszawa, 2005.

[10] J. Kasprzyk. Programowanie sterownik´

ow przemys lowych.

Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, War-

szawa, 2006.

[11] R. Kaula. Podstawy automatyki. Wydawnictwo Politechniki ´

Sl

֒

askiej, Gliwice, 2005.

[12] J. Kostro. Elementy, urz

֒

adzenia i uk lady automatyki.

Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, War-

szawa, 1998.

[13] K. Koz lowski, P. Dutkiewicz, W. Wr´

oblewski. Planowanie zada´

n i programowanie robot´

ow

. Wydaw-

nictwo Politechniki Pozna´

nskiej, Pozna´

n, 1999.

[14] J. Kwa´sniewski. Programowalne serowniki przemys lowe w systemach sterowania. Janusz Kwa´sniew-

ski, Krak´ow, 1999.

[15] J. Mazurek, H. Vogt, W. ˙Zydanowicz. Podstawy automatyki. Oficyna Wydawnicza Politechniki War-

szawskiej, Warszawa, 2002.

[16] A. Morecki, J. Knapczyk. Podstawy robotyki. Teoria i elementy manipulator´

ow i robot´

ow.

Wydaw-

nictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa, wydanie 2, 1999.

[17] M. Olszewski. Manipulatory i roboty przemys lowe. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa,

wydanie 2, 1992.

[18] A. V. Oppenheim. Cyfrowe przetwarzanie sygna l´

ow

. WK L, Warszawa, 1979.

[19] T. Tadeusiewicz. Modelowanie komputerowe i obliczenia wsp´

o lrz

֒

edno´

sciowych uk lad´

ow automatyzacji

.

Uczelniane Wydawnictwo Naukowo Dydaktyczne, Krak´ow, 2004.

[20] A. Urbaniak. Podstawy automatyki. Wydawnictwo Politechniki Pozna´

nskiej, Pozna´

n, 2001.

[21] W. Zamojski. Teoria i technika niezawodno´sci. Politechnika Wroc lawska, Wroc law, 1979.
[22] R. Zdanowicz. Podstawy robotyki. Wydawnictwo Politechniki ´

Sl

֒

askiej, Gliwice, 2001.

48