Tablica 2 Związek między liczbą członów
n
i liczbą par kinematycznych piątej klasy
5
p
n
1
3
5
7
9
11
13
…
5
p
1
4
7
10
13
16
19
…
Dla każdej z wyniesionych par kinematycznych istnieje przynajmniej jedno rozwiązanie.
Typowe mechanizmy chwytaków przedstawia tabl. 3.
Tablica 3 Mechanizmy chwytaków zawierające pary kinematyczne tylko V klasy
Najprostszym rozwiązaniem jest siłownik pneumatyczny, którego nieruchomy cylinder jest
połączony z jedną końcówką chwytaka, a przemieszczający się tłok z drugą. Chwytaki tego
typu są jednak stosowane rzadko, ze względu na swoją niesymetryczność, do przedmiotów
bez możliwości zmiany ustawienia. Najczęściej stosowane są mechanizmy zawierające
siedem par klasy V ze względu na zwartość struktury i symetryczność konstrukcji.
Kolejna tablica (tabl. 4) przedstawia liczbę ruchomych członów oraz par
kinematycznych klasy IV i V dla mechanizmu płaskiego o ruchliwości
1
=
w
,
Tablica 4 Związek między liczbą członów
n
i liczbą par kinematycznych piątej
5
p
i czwartej
4
p
klasy
n
2
4
6
8
…
3
5
7
9
…
4
6
…
5
7
9
…
6
…
7
…
5
p
2
5
8
11 …
3
6
9
12 …
4
7
…
5
8
11 …
6
…
7
…
4
p
1
1
1
1
…
2
2
2
2
…
3
3
…
4
4
4
…
5
…
6
…
19
Typowe mechanizmy chwytaków tej grupy przedstawiono w tabl. 6. Zaletą tego typu
mechanizmów jest mniejsza liczba członów pośredniczących przy przenoszeniu napęd,
natomiast wadą – występowanie znacznych sił tarcia w parze kinematycznej IV klasy.
Tablica 5 Mechanizmy chwytaków zawierające pary kinematyczne IV i V klasy
Obecnie najczęściej stosuje się konstrukcje zawierające dwie pary kinematyczne IV
klasy i trzy pary V klasy. Bardzo istotny wpływ na prace chwytaka ma dokładność wykonania
pary kinematycznej IV klasy.
4.4. Układy wykonawcze chwytaków
Niniejsza część opracowania przedstawia różnorodność układów wykonawczych
chwytaków, przy czym charakter tego przedstawienia będzie ogólny i opisowy. Mnogość
przykładów chwytaków, z zastosowaniem opisanych układów wykonawczych, można znaleźć
w rozdziale kolejnym, pod tymże tytułem.
20
Elementem wykonawczym chwytaka są końcówki chwytne. W zależności od
zastosowania i możliwości, liczba może być różna, przy czym najczęściej stosuje się dwie,
przeciwległe, ruchome końcówki chwytne. Rzadziej stosuje się chwytaki z jedną nieruchomą
i jedną ruchomą końcówką chwytną, lub trzema końcówkami chwytnymi – przeznaczone
głownie do chwytania obiektów o owalnych kształtach. Ze względu na sposób oddziaływania
końcówek chwytnych na powierzchnię obiektu wyróżnia się chwytaki do chwytania:
•
za powierzchnię zewnętrzną obiektu manipulacji;
•
za powierzchnię zewnętrzną obiektu;
•
za powierzchnię zewnętrzną lub wewnętrzną.
Wyróżniamy trzy rodzaje końcówek chwytnych: sztywne, sprężyste i elastyczne.
Najczęściej stosowane są końcówki sztywne, które nie odkształcają się podczas chwytania
obiektu manipulacji.
Często zdarza się, iż specyficzne wymagania technologiczne, jak i występowanie
niekorzystnych zjawisk dynamicznych podczas uderzania sztywnej końcówki w twardą
powierzchnię obiektu. W odpowiedzi na te problemy powstały chwytaki o sprężystych
końcówkach chwytnych. Rozwieranie końcówek najczęściej odbywa się przy pomocy
siłownika, natomiast siła chwytu jest od niego niezależna – zależy od naprężenia elementów
sprężystych.
Kolejnym typem elementów wykonawczych są końcówki elastyczne. Są one
wykonane ze specjalnie profilowanych elastomerów lub gumy zmieniających swój kształt pod
wpływem dostarczonej energii (sprężonego powietrza lub oleju).
Chwytaki tego typu są powszechnie stosowane dzięki swoim zaletom do których
można zaliczyć:
•
możliwość chwytania przedmiotów o delikatnych powierzchniach i o różnorodnych
kształtach;
•
możliwość budowania chwytaków z wieloma końcówkami chwytnymi, co zapewnia
dużą uniwersalność rozwiązań;
•
możliwość łatwego nastawiania wartości siły chwytu przez dobór ciśnienia
sprężonego powietrza;
•
niski koszt wykonania, prosty montaż i na ogół łatwa wymiana zużytych elementów.
Zastosowanie chwytaków z elastycznymi końcówkami ogranicza:
•
starzenie i szybkie zużywanie się elementów elastycznych;
•
brak odporności na wysokie temperatury;
21
•
dość długie czasy zwierania i rozwierania związane z koniecznością napełniania i
opróżniania wnętrza komór sprężonym powietrzem czy olejem.
Do tego samego rodzaju elementów wykonawczych chwytaka można zaliczyć
elastyczne końcówki wypełnione np. sproszkowanym ferromagnetykiem, które podczas
chwytania obiektu są utwardzane przez wytworzone wówczas pole magnetyczne.
Najnowszym wynalazkiem w tej dziedzinie są chwytaki ze stopów metali
wykazujących efekt pamięci kształtu. Działanie polega na podgrzaniu elementu (do ok. 40°C)
z pamięcią kształtu co powoduje jego odkształcenie o ok. 5%. Po spadku temperatury element
wraca do pierwotnego ukształtowanie.
Najczęściej standardowe wyposażenie chwytaka robotów przemysłowych nie
obejmuje sam chwytak z niekompletnymi końcówkami chwytanymi. W zależności od rodzaju
manipulacji użytkownik dobiera odpowiednie nasadki na końcówki chwytne. Daje to
możliwość uzyskania najlepszego dopasowania końcówki do danego obiektu. Pozwala to
również na brak ingerencji w zasadnicze części chwytaka przy zmianie manipulowanego
obiektu. Przykładami funkcji nasadek na końcówki chwytne są:
•
obejmowanie całej powierzchni bocznej obiektu (chwytanie kształtowe);
•
korygowanie położenia obiektu manipulacji;
•
zapewnianie żądanego styku powierzchni obiektu i końcówki chwytnej;
•
zapewnianie miękkiego styku końcówki chwytnej i powierzchni chwytanego obiektu;
•
izolowanie termiczne chwytaka.
5. Przykłady chwytaków i narzędzi
5.1. Wstęp
Niniejszy rozdział ma za zadanie zilustrowanie przedstawionego uprzednio materiału
teoretycznego, na przykładach. Elementy prezentowane będą zawierały wyłącznie niewielki
opis – budowa elementów nie będzie analizowana. Przedstawione przykłady są różnorodne,
niekiedy przestarzałe i nie stosowane, lecz ilustrują one częściej ogólną zasadę działania
urządzeń tego typu, niżeli prezentację najnowszych osiągnięć techniki w danej dziedzinie.
5.2. Chwytaki mechaniczne
Chwytaki mechaniczne są bodaj najbardziej rozpowszechnionym typem chwytaków.
Najczęściej stosowane są chwytaki palcowe.
22
Rys. 15. Podstawowe elementy chwytaka palcowego
Rys. 16. Chwytak palcowy sześciokątny
23
Rys. 17. Chwytak do wałków robota AM 80
Rys. 18. Chwytak dwupalcowy
24
Rys. 19. Chwytak przeznaczony do chwytu zewnętrznego (a) i wewnętrznego (b).
Rys. 20. Chwytak do przenoszenia obiektów o
dużej masie - przykład rozwiązania konstrukcyjnego chwytaka dwupalcowego
Rys. 21. Chwytak z napędem zębatym o strukturze:
4
=
n
,
4
5
=
p
,
3
4
=
p
,
1
=
w
25
Rys. 22. Chwytak ze sprężystymi końcówkami; 1 – położenie w stanie spoczynku, 2 – położenie w stanie
uchwycenia przed rozpoczęciem kucia, 3 – po zakończeniu kucia (linia przerywana)
Rys. 23. Końcówka z wykorzystaniem efektem pamięci kształtu; 1 – końcówki chwytne wykonane ze stopu Cu-
Zn-Al, 2 – sprężyna naciskowa, 3 – nakładki chwytne
Rys. 24. Chwytak wielopaliczkowy przeznaczony do obejmowania przedmiotów o różnych kształtach
26
Rys. 25. Chwytak kułakowy
Rys. 26. Kiść z dwoma chwytakami
27
Rys. 27. Chwytak z dwoma parami palców do przedmiotów o różnych średnicach
Rys. 28. Chwytak do tarcz robota AM 80
28
Rys. 29. Chwytak z dwoma siłownikami pneumatycznymi do długich rur
Rys. 30. Chwytak z dwoma parami palców do kształtowników
Rys. 31. Chwytak trójpalcowy do pojemników walcowych
29
Rys. 32. Chwytak do długich lekkich pudeł
Rys. 33. Chwytak z nieruchomym palcem-listwą wsuwanym pod przedmiot
Rys. 34. Podwójny chwytak balonowy do butelek
30
Rys. 35. Chwytak z elastycznymi końcówkami chwytnymi; a) do chwytania wałków, b) do chwytania tulei, c)
pojedyncza elastyczna końcówka w stanie spoczynkowym i roboczym (linia przerywana),
d) przykład zastosowania do chwytania wałków
Oprócz dość wyspecjalizowanych chwytaków konstruowanych z myślą przede
wszystkim o przemyśle, istnieje cała gama chwytaków imitujących ludzką rękę.
Wykorzystywane są one zarówno do budowy robotów humanoidalnych, ale również
przykładowo jako protezy.
Rys. 36. Dwa rodzaje chwytaków w kształcie rąk, tzw.: a) ręka warszawska, b) ręka belgradzka
31
Rys. 37. Ręka stanfordzka (b) i charakterystyczny dla jej konstrukcji układ linek (a)
Poniżej zaprezentowane są zdjęcia prezentujące gotowe, współczesne chwytaki
mechaniczne.
Rys. 38. Współczesne chwytaki mechaniczne dwupalcowe
5.3. Chwytaki pneumatyczne
Chwytaki tego typu stosuje się najczęściej do arkuszy i płyt, ze względu na
stosunkowo prostą budowę tego typu chwytaków.
Rys. 39. Przyssawka chwytaka pneumatycznego
32
Rys. 40. Chwytak z przyssawkami podciśnieniowymi
Rys. 41. Chwytaki pneumatyczne do lekkich przedmiotów niepłaskich: a) chwytak profilowy, b) chwytak do
szeregu przedmiotów niepłaskich, c) chwytak do pokrywy, d) chwytak do wkładów gramofonowych, e) chwytak
do powierzchni falistych, f) chwytak podwójny
Rys. 42. Palce-przyssawki wykonane metodą formowania do manipulowania osłonami aparatów telefonicznych
33
Analogicznie jak w poprzedniej części, poniżej zaprezentowane są zdjęcia
prezentujące gotowe, współczesne chwytaki mechaniczne.
Rys. 43. Współczesne chwytaki pneumatyczne
5.4. Chwytaki magnetyczne
W niniejszej części prezentowane są chwytaki magnetyczne różnej konstrukcji.
Rys. 44. Chwytaki magnetyczne do arkuszy blach
Rys. 45. Chwytaki magnetyczne do kratownic i kół zębatych
Poniżej zaprezentowane współczesne chwytaki elektromagnetyczne.
Rys. 46. Współczesne chwytaki elektromagnetyczne o udźwigu 800kg (lewy), 3kg (środek) i
wyspecjalizowany (prawy)
5.5. Chwytaki samokorygujące
34
Kolejnym prezentowanym typem chwytaków są chwytaki samokorygujące.
Wyposażone są one w elementy elastyczne i umożliwiają korekcję niewielkich błędów
pozycjonowania.
Rys. 47. Chwytaki samokorygujące z elastycznymi elementami dla ułatwienia operacji montażu: a) chwytak
samokorygujący błędy przesunięcia, b) chwytak samokowygujący błędy obrotu, c) i d) chwytaki
samokorygujące błędy przesunięcia oraz obrotu
Rys. 48. Przykłady chwytaków samokorygujących: a) chwytak z bierną regulacją położenia; b) chwytak
samosterujący: 1,3-powierzchnie przystosowane do łączeń, 2-podatne płytki, 4-powierzchnia czołowa, 5,6-
środek korekcji AST-100-110
35
5.6. Narzędzia
Bardzo często spotyka się sytuacje kiedy manipulator nie jest zakończony
chwytakiem, lecz narzędziem. Ze względu na różnorodność narzędzi, przedstawione został
tylko przykłady.
Rys. 49. Kiść manipulatora z elektrodami: a) do zgrzewania punktowego, b) z pistoletem lakierniczym
Poniżej widnieje przykład linii produkcyjnej z użyciem robota posiadającego
narzędzie do lakierowania karoserii samochodowej.
Rys. 50. Robot firmy ABB z pistoletem lakierniczym
5.7. Przykłady filmowe
Oprócz przykładów ukazanych na zdjęciach, do niniejszego opracowania dołączony
został materiał filmowy w postaci pięciu plików. Są to przykłady działania różnych robotów
firmy ABB. Materiały pochodzą ze strony internetowej firmy ABB.
36
Zawartość plików:
•
Linia_1(2,3).mpg – przykład linii produkcyjnej niemieckiej firmy spożywczej
produkującej rogaliki;
•
Pakowanie.mpg – prezentacja działającego systemu pakowania i segregowania pudeł;
•
Reklama.mpg – reklama telewizyjna firmy Microsoft z robotem lakierniczym do
karoserii samochodowych w jednej z ról.
Bibliografia
1. Barczyk J.: „Urządzenia chwytające robotów przemysłowych”, Robotyka nr 1/1986.
2. Honczarenko J.: „Roboty przemysłowe”, WNT, Warszawa 2004.
3. Morecki A., Knapczyk J.: „Podstawy robotyki - Teoria i elementy manipulatorów i
robotów”, WNT, Warszawa 1993, 1999.
4. Niederliński A.: „Roboty Przemysłowe”, WSiP, Warszawa 1981.
5. Strona internetowa firmy ABB: http://www.abb.com/
37