POLITECHNIKA ŚLĄSKA 

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY 

KATEDRA MECHATRONIKI 

 

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

Przedmiot: 

Roboty i Manipulatory 

 

Symbol ćwiczenia: 

PN 

 

Tytuł ćwiczenia: 

Robot przemysłowy o napędzie 
pneumatycznym 

ROBOTY I MANIPULATORY – instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

 

 

 

 

 

Robot przemysłowy o napędzie pneumatycznym 

2 

Wprowadzenie 

 
Roboty  przemysłowe  z  napędami  pneumatycznymi  charakteryzują  się 

stosunkowo niewielkim udźwigiem (maksymalnie do 20 daN). Napędy pneumatyczne 
robotów  przemysłowych  pracują  na  ogół  w  układzie  otwartym  (bez  sprzężenia 
zwrotnego), a skrajne położenia ramion są nastawione za pomocą ograniczników lub 
zderzaków. 

Pod  względem funkcjonalnym układ napędu  pneumatycznego  ze  sterowaniem 

cyklicznym, można podzielić na następujące człony (bloki),  

 przygotowanie czynnika roboczego (sprężonego powietrza), 
 sterowania przepływem sprężonego powietrza, 

 elementów wykonawczych 
Do  wytwarzania  sprężonego  powietrza  służą  sprężarki  (kompresory). 

Podstawowym kryterium doboru sprężarki jest wydajność, często spotkać się można 
z  dwoma  różnymi  określeniami  wydajności,  a  wiec  z  wydajnością  teoretyczną 
i wydajnością  efektywną.  Z  punktu  widzenia  użytkownika  interesująca  jest  tylko 
wydajność  efektywna  sprężarki,  gdyż  tylko  nią  dysponuje  się  w  celu  pokrycia 
zapotrzebowania przez urządzenia napędowe i sterujące. Wydajność jest podawana 
w m

3

/min lub w m

3

/h.  

Kolejną  rzeczą,  na  którą  należy  zwrócić  uwagę  przy  doborze  sprężarki  jest 

ciśnienie.  Rozróżniamy  ciśnienie  zasilania  i  ciśnienie  robocze.  Ciśnienie  zasilania 
jest dostarczone ze sprężarki do odbiorników,  względnie  jest to ciśnienie  powietrza 
zmagazynowanego  w  zbiorniku  lub  przewodach  zasilających.  Ciśnienie  robocze  to 
niezbędne ciśnienie na poszczególnych stanowiskach roboczych. Zazwyczaj wynosi 
ono  600kPa  (6bar).  Wszystkie  dane  robocze  elementów  są  podawane  najczęściej 
dla tego ciśnienia. Jedną z najważniejszych rzeczy, o jakiej należy pamiętać podczas 
eksploatacji  urządzeń  pneumatycznych,  jest  stałość  ciśnienia.  Zależą  od  niej 
prędkość, siła oraz czas pracy elementów roboczych. 

Sprężone  powietrze  tłoczone  przez  sprężarki  posiada  różnego  rodzaju 

zabrudzenia. Głównie są to drobne zanieczyszczenia mechaniczne (pył, rdza), woda, 
a  także  olej  pochodzący  ze  sprężarki.  Dlatego,  aby  możliwe  było  uzyskanie 
niezawodnego  i  długotrwałego  działania  mechanizmów  pneumatycznych,  sprężone 
powietrze należy odpowiednio przygotować. Przygotowanie powinno polegać na: 

 usunięciu zanieczyszczeń, 

 redukcji ciśnienia do odpowiedniego poziomu, 
 wprowadzenie czynnika smarującego. 
Powietrze oczyszczone powinno się charakteryzować następującymi cechami: 
 braku wody w postaci kropel, 

 zanieczyszczeniami mechanicznymi poniżej 5 μm, 

 niewystępowaniem olejów oraz cieczy w postaci kropel. 
Klasy  jakości  powietrza  określa  międzynarodowa  norma  ISO  8537.1  Poniżej 

przestawiono widok układu przygotowania powietrza (rys. 1), którego zadaniem jest 
oczyszczenie  z  pary  wodnej  sprężonego  powietrza  dostarczonego  ze  sprężarki, 
a następnie ustalenie stałej, zadanej wartości ciśnienia na wylocie zaworu. W skład 
tego układu wchodzą: filtr, regulator, smarownica i wkładka filtracyjna. 

 

ROBOTY I MANIPULATORY – instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

 

 

 

 

 

Robot przemysłowy o napędzie pneumatycznym 

3 

 

 

Rys. 1. Układ przygotowania powietrza: a) widok ogólny, b) symbol 

 

Blok  sterowania  przepływem  sprężonego  powietrza  zawiera  urządzenia, 

za pomocą  których,  zgodnie  z  założonym  programem  działania  robota,  otwiera  się 
lub  zamyka  dostęp  sprężonego  powietrza  do  roboczych  przestrzeni  elementów 
wykonawczych.  Elementami  sterowania  przepływem  powietrza  są  rozdzielacze 
pneumatyczne 

(zawory 

rozdzielające) 

sterowane 

elektromagnetycznie. 

W szczególnych  przypadkach  (np.  praca  w  środowisku  agresywnym,  wybuchowym 
bądź  o  wysokim  stopniu  radiacji  itp.)  stosuje  się  rozdzielacze  ze  sterowaniem 
pneumatycznym. 

Można wyróżnić następujące cechy zaworów rozdzielających: 
 liczba  dróg  przepływu  –  liczba  otworów  nie  połączonych  ze  sobą  trwale, 

wykonanych  dla  przepływu  powietrza  przez  zawór.  Drogi  przepływu  są  wzajemnie 
odcinane lub łączone przez element sterujący w zaworze, 

 liczba  położeń  zaworu  –  najczęściej  stosowane  są  zawory  dwu  i  trzy 

położeniowe, 

 rodzaje  sterowania  zaworu  –  wyróżnia  się  sterowanie  ręczne,  mechaniczne, 

elektryczne, pneumatyczne lub w sposób mieszany, 

 odmiany  sterowania  –  sterowanie  bezpośrednie  lub  pośrednie  oraz  zawory 

utrzymujące  położenie  po  zaniku  sygnału  sterującego  (bistabilne)  i powracające  do 
położenia początkowego, po zaniku sygnału sterującego (monostabilne), 

 sposób zasilania – zasilane przewodowo i bezprzewodowo. 
Wszystkie  te  cechy  decydują  o  własnościach  funkcjonalnych  zaworów. 

Na schematach  układów  sterujących  zawory  przedstawione  są  w  sposób 
następujący (rys.2) 

 

ROBOTY I MANIPULATORY – instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

 

 

 

 

 

Robot przemysłowy o napędzie pneumatycznym 

4 

 

Rys. 2. Symbole zaworów rozdzielających 

 

Jak  można  zauważyć  na  powyższym  rysunku  liczba  przylegających  do  siebie 

kwadratów,  mówi  o liczbie  położeń zaworu,  natomiast liczba przyłączy  wskazuje  ilu 
drogowy  jest  zawór.  Sposoby  sterowania  zaworu  są  dorysowywane  do  symbolu 
zaworu, prostopadle do kierunku przyłączeń. Poniższy rysunek przedstawia budowę 
zaworu elektropneumatycznego, trójdrogowego, dwupołożeniowego (rys.3). 

 

 

Rys. 3. Budowa zaworu pneumatycznego 

 

Blok  elementów  wykonawczych  napędu  zawiera  siłowniki  pneumatyczne. 

Siłowniki stosowane do napędu robotów i mechanizmów pomocniczych (chwytaków) 
mogą  być  zespołami  typowymi  (produkowanymi  przez  wyspecjalizowane  firmy)  lub 
specjalnymi. Siłowniki pneumatyczne stosowane najczęściej w robotach, ze względu 
na ich rozwiązania konstrukcyjne, można podzielić na: tłoczyskowe (z jednostronnym 
i  dwustronnym  tłoczyskiem)  oraz  beztłoczyskowe,  membranowe,  mieszane 
i wahadłowe. 

W 

konstrukcji 

manipulatora 

kartezjańskiego 

zastosowano 

siłowniki 

pneumatyczne  dwustronnego  działania  (rys.  4).  Siłowniki  tego  rodzaju  są 
powszechnie stosowane w różnego rodzaju pneumatycznych układach napędowych. 
Działanie  tego  siłownika  polega  na  tym,  że  sprężone  powietrze  dopływające 

ROBOTY I MANIPULATORY – instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

 

 

 

 

 

Robot przemysłowy o napędzie pneumatycznym 

5 

z elementu  rozdzielającego,  przez  rozdzielacz  kierowane  jest  do  jednej  z  komór 
siłownika.  Działając  na  tłok  powoduje  jego  przemieszczenie.  Powrót  do  pozycji 
wyjściowej  odbywa  się  po  przełączeniu  rozdzielacza.  Powietrze  wpływa  wtedy  do 
drugiej  komory  siłownika,  a  pierwsza,  poprzednio  napełniona,  łączona  jest 
z atmosferą. 

 

 

Rys. 4. Siłownik pneumatyczny dwustronnego działania oraz jego symbol graficzny 

 

1. 

Ręczne sterowanie jednym członem manipulatora 

kartezjańskiego 

 
Poniżej  przedstawiona  została  numeracja  przyłączy  pneumatycznych, 

wyłączników  krańcowych  manipulatora  kartezjańskiego  (Rys.  5),  oraz  schemat 
połączeń  pneumatycznych  i  elektrycznych  jednej  osi,  w  przypadku  sterowania 
ręcznego. 

 
 
 
 

 

 

Rys. 5. Numeracja przyłączy pneumatycznych oraz krańcówek manipulatora 

 

ROBOTY I MANIPULATORY – instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

 

 

 

 

 

Robot przemysłowy o napędzie pneumatycznym 

6 

5   1   3

 4      2

14

12

+24V

0 V

P11

P12

 

Rys. 6. Schemat połączeń elektrycznych i pneumatycznych  

 

2. 

Konfiguracja Sterownika PLC 

 
2.1 

Tworzenie nowego projektu 

- uruchamiamy program Totally Integrated Automation. 

- po uruchomieniu okna jak na rysunku 7 przystępujemy do tworzenia nowego 

projektu 

 

 

 

Rys. 7. Widok głównego okna programu Totally Integrated Automation. 

 

-  wybieramy  Create  new  project  (rys.7).  Nowy  projekt  tworzymy  (rys  8)  w 

katalogu D:\Studenci-Dokumenty\

nazwa_grupy 

ROBOTY I MANIPULATORY – instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

 

 

 

 

 

Robot przemysłowy o napędzie pneumatycznym 

7 

 

 

Rys. 8. Tworzenie nowego projektu. 

 

 

2.2  Konfiguracja warstwy sprzętowej 

- po utworzeniu nowego projektu (rys.9), przystępujemy do konfiguracji 

sterownika, wybierając Configure a device (rys.9) 

 

 

Rys. 9. Okno startowe nowo utworzonego projektu. 

 

ROBOTY I MANIPULATORY – instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

 

 

 

 

 

Robot przemysłowy o napędzie pneumatycznym 

8 

- w zakładce Configure a device (rys.10) wybieramy sterownik PLC Simatic S7-

1200 z procesorem CPU 1212C→6ES7 212-1BD30-0XB0. 

 

 

Rys. 10. Okno wyboru CPU. 

 
 

2.3  

Przygotowanie warstwy programowej 

Jednym ze sposobów utworzenia nowego programu (rys 11) jest powrót do 

okna startowego (rys.9) i wybranie Create a PLC program. 

 

 

Rys. 11. Okno nowo utworzonego programu. 

ROBOTY I MANIPULATORY – instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

 

 

 

 

 

Robot przemysłowy o napędzie pneumatycznym 

9 

2.4 Zmienne stosowane w programie. 

Zakładka  ‘PLC  tags”  (rys.  12)  zawiera  listę  nazw  zmiennych  stosowanych 

w programie  przy  adresowaniu  pośrednim  (symbolicznym).  W  tabelę  wpisuje  się 
nazwę zmiennej, jej adres, typ oraz rodzaj. 

Rodzaje zmiennych: 
–  imput  „I”  zmienna  wejsciowa  (przykład  I  0.0  –  bit  o  numerze  0,  bajtu  0 

z przedziału zmiennych wejściowych) 

–  output  „Q”  zmienna  wyjściowa  (przykład  Q  0.1  –  bit  o  numerze  1,  bajtu  0 

z przedziału zmiennych wyjściowych) 

– Memory „M” zmienna pamięciowa (przykład M 10.0  – bit o numerze 0, bajtu 

10 z przedziału zmiennych wewnętrznych) 

Przykłady typów zmiennych: 
– BOOL – zmienna bitowa typu boolean (true, false) 
– BYTE – zmienna jednobajtowa (8 bit) 
– WORD – zmienna dwubajtowa (16 bit) 
– DWORD – zmienna czterobajtowa (32 bit) 
– CHAR – zmienna znakowa typu ASCII 
– REAL – zmienna zmiennoprzecinkowa 
 

 

Rys. 12. Przykładowe przypisanie nazw do zmiennych. 

 
 
Zakładka „Program blocks” zawiera wszystkie pliki projektu. Podczas tworzenia 

nowego projektu główny plik projektu tworzy się automatycznie. Plik o rozszerzeniu 
OB1  jest  pierwszym  plikiem  programu  głównego  uruchamianym  przez  system 
operacyjny  sterownika.  Funkcje  oraz  bloki  funkcji  umieszcza  się  odpowiednio 
w plikach  FB  oraz  FC  z  kolejnymi  numerami  (środowisko  automatycznie  nadaje 
kolejne numery) 

Programy  w  sterownikach  SIEMENS  można  pisać  w  trzech  równorzędnych 

językach: 

- STL (Statement List) język tekstowy niskiego poziomu, 
- LAD (Ladder) popularny w PLC język graficzny złożony z włączników, cewek 

itp., 

-  FBD  (Function  Block  Diagram)  język  graficzny  złożony  z  podstawowych 

elementów cyfrowych np. bramek typu AND, OR itp. 

W  tabeli  1  przedstawiono  przykłady  implementacji  prostych  funkcji  we 

wszystkich językach 

 

ROBOTY I MANIPULATORY – instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

 

 

 

 

 

Robot przemysłowy o napędzie pneumatycznym 

10 

. 

Funkcja  STL 

LAD 

FBD 

Iloczyn 
AND, 
Adresow
anie 
pośred 
nie

 

A „we1” 
A „we2” 
= „wy5” 

 

 

 

Adresow
anie 
bezpośre
dnie 

AN I 0.0 
A  I 0.1 
A  I 0.2 
O 
A  I 1.0 
A  I 1.1 
O  I 2.0 
=  Q 4.0 

 

 

 

A  "We1" 
A  "We2" 
O(     
A  "We1" 
A  "We3" 
S  "Wy2" 
A(  
O  "We1" 
O  "We3" 
 )      
R  "Wy2" 
A  "Wy2" 
 )      
O  "We4" 
=  "Wy1" 

 

 

Tab. 1. Języki programowania zaimplementowane w sterownikach SIMATIC 

 
 
 
 

Ostatnim etapem pisania programu jest jego kompilacja i wysłanie do 

sterownika (rys. 13)  

 

Rys. 13. Ikony kompilacji (1), download-u do sterownika (2). 

 
 
 

3 

Sterowanie jednym pneumatycznym tłokiem dwustanowym 

 

3.1 Połączenie fizyczne układu elektropneumatycznego. 

 
W  celu  wysterowania  tłoka  należy  zmontować  układ  elektropneumatyczny  jak 

na  rysunku  24.  Część  pneumatyczna  składa  się  z  tłoka  dwustronnego  działania, 
zaworu sterowanego elektrycznie oraz źródła ciśnienia. Część elektryczną stanowią: 

ROBOTY I MANIPULATORY – instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

 

 

 

 

 

Robot przemysłowy o napędzie pneumatycznym 

11 

Sterownik  PLC,  przełączniki  sterujące  P1-3,  wyłączniki  krańcowe  S1-2,  cewki 
sterujące pracą zaworu. 

 

 

Rys. 24. Schemat układu elektropneumatycznego. 

 
 

3.2  Algorytm działania 

 
Pracą układy sterują przełączniki: 
- P1 – włącznik (aktywna 1) 
- P2 – przełącznik trybu pracy (0-sterowanie manualne, 1-praca automatyczna) 
-  P3  –  przełącznik  pozycji  przy  pracy  ręcznej  (0-tłok  schowany,  1-tłok 

wyciągnięty) 

 
Pracę układu (w trybie automatycznym) przedstawiają diagramy przedstawione 

na rysunku 25. 

 

a) 

0

1

3

2

P1

P1

P1

O14

P1,P2,S1,S2

P1,P2,

,S2

S1

Error

O12

 

b) 

0

1

5

4

2

3

P1

P1

P1

O14

O14

P1,P2,S1,

,

,

S2 O12 O14

P1,P2,

,

,

,O14

S1 S2 O12

P1,P2,S1,

,

,

S2 O12 O14

Error

O12

O12

P1,P2,

,

,O12,

S1 S2

O14

 

Rys. 25. Diagramy sterowania: 

a) 

dwustanowy 

b) 

czterostanowy 

 
Diagram  a)  przedstawia  schemat  automatycznej  pracy  układu  z  dwoma 

stabilnymi pozycjami. Wyłączenie napięcia na cewce zasilanej następuje po dotarciu 
tłoka  pozycji  końcowej.  Diagram  b)  zawiera  dwie  stabilne  pozycje  (1,  3)  i  dwie 
niestabilne  (2,  4).  W  tym  przypadku  wyłączenie  zasilania  cewki  następuje  już 
w trakcie  ruchu  tłoka,  gdy  obydwie  krańcówki  mają  stan  nieaktywny.  Diagramy 
zawierają  dodatkowy  stan  –  stan  błędu  „Error”,  stan  ten  prezentuje  dowolny  stan 
nieuwzględniony w diagramie, wynikający z błędu w programie, awarii układu, itp.  

 

3.3  Implementacja układu sterowania za pomocą języka LAD 

 

ROBOTY I MANIPULATORY – instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

 

 

 

 

 

Robot przemysłowy o napędzie pneumatycznym 

12 

Poniżej  przedstawione  zostały  dwa  przykłady  implementacji  diagramu 

sterowania.  Pierwszy  z  nich  steruje  tylko  pracą  automatyczną,  umożliwia  wybór 
pracy ręczna/automatyczna. 

 

Rys. 26. Implementacja pracy 

automatycznej. 

 

 

 

Rys. 27. Implementacja pełnego układu 

sterowania. 

 

W obydwu przypadkach (rys. 26 oraz rys. 27), gdy aktuator jest wyłączony (P1 

=  „0”)  tłok  jest  chowany.  Zapewniają  to  ostatnie  układy  w  powyższych  programach 
(„Network 3” na rys. 26 oraz „Network 7” na rys. 27). 

Analizując  układ  z  rysunku  26  możemy  zapisać  go  w  postaci  następującego 

układu równań: 

 

























)

2

(

Re

)

1

(

1

:

3

2

2

1

1

:

2

1

2

1

1

:

1

T

set

and

T

Set

P

Network

T

S

S

P

Network

T

S

S

P

Network

 

W  wynik  operacji  jest  od  razu  przekazywany  na  odpowiednie  wyjście 

sterownika.  Takie  działanie  jest  możliwe  wtedy,  gdy  w  całym  programie  tylko 
w jednym układzie („Network”) ustalany jest stan konkretnego wyjścia. 

ROBOTY I MANIPULATORY – instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

 

 

 

 

 

Robot przemysłowy o napędzie pneumatycznym 

13 

Sterowanie  z  wyborem  trybu  pracy  wymaga  innego  podejścia.  W  tym 

przypadku,  w co  najmniej  dwóch  układach  wynik  operacji  jest  przypisywany  do 
zmiennej  wyjściowej.  Dokonano  tutaj  podziału  sterowania.  Pierwsze  cztery  układy 
(Network  1  -  4)  sterują  pracą  aktuatora  wykorzystując  sygnały  z  czujników  pozycji 
oraz  przełącznika  pozycji  (działającego  podczas  pracy  manualnej).  Wynik  operacji 
nie  jest  wpisywany  bezpośrednio  do  zmiennej  wyjściowej,  lecz  do  zmiennej 
pomocniczej – zmiennej wewnętrznej. Wybór, która zmienna pomocnicza ma zostać 
przypisana do odpowiedniego wyjścia realizują następne dwa układy (Network 5, 6), 
w których operacjom logicznym podlegają zmienne sterujące. 

 

4 Stanowisko laboratoryjne 
 

Stanowisko  laboratoryjne  składa  się  z  robota  pneumatycznego  o  3  stopniach 

swobody oraz podajnika. Ogólny schemat przedstawiony jest na rysunku 28.  

Nr  Wejście 

(czujnik) 

opis 

Nr 

Wyjście 
(aktuator) 

opis 

0 

Pozycja 10 

Krańcowa przy przegub 1 = „0” 

0 

Przegub 1 

 

1 

Pozycja 11 

Krańcowa przy przegub 1 = „1” 

1 

Przegub 2 

 

2 

Pozycja 20 

Krańcowa przy przegub 2 = „0” 

2 

Przegub 3 

 

3 

Pozycja 21 

Krańcowa przy przegub 2 = „1” 

3 

Chwytak 

1 – zamknięty 

4 

Pozycja 30 

Krańcowa przy przegub 3 = „0” 

4 

Przód 

 

5 

Pozycja 31 

Krańcowa przy przegub 3 = „1” 

5 

Popychacz 

Popychacz w podajniku 

6 

Taśmociąg 

Krańcówka na końcu taśmociągu 

 

 

 

7 

Podajnik 

Czujnik podajnika 

 

 

 

Tab. 2. Opis połączeń sygnałów I/O sterownika. 

 
 

 

Rys. 28. Schemat stanowiska laboratoryjnego. 

ROBOTY I MANIPULATORY – instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego 

 

 

 

 

 

Robot przemysłowy o napędzie pneumatycznym 

14 

Wszystkie  czujniki  oraz  elementy  wykonawcze  są  podłączone  do  sterownika 

PLC Simatic S7-1200 firmy Siemens 

Tabela 2 przedstawia opis wejść z czujników i wyjść do aktuatorów. 

 

5 Opis ćwiczenia 

 
Celem  ćwiczenia  jest  zapoznanie  się  z  pneumatycznymi  układami  automatyki 

i robotyki oraz ze sposobami ich sterowania. 

 
a)  zapoznanie się z elementami wykonawczymi oraz sterującymi, 
b)  zapoznanie się z pneumatycznymi metodami sterowania, 
c) 

zapoznanie się z elektro-pneumatycznymi metodami sterowania, 

d)  zaprogramowanie  pneumatycznego  robota  przemysłowego  o  trzech 

stopniach swobody (3 DoF) 

 
 

6 Sprawozdanie z ćwiczenia 

 
Sprawozdanie powinno zawierać: 
- krótki wstęp teoretyczny dotyczący tematu ćwiczenia, 
- opis kolejnych etapów ćwiczenia wraz z rysunkami skonstruowanych układów,  
- podsumowanie i wnioski 
 
 
 
 
Literatura: 
Automation & Control Siemens Summer School – materiały dydaktyczne