ROBOTY

Interpretacja systemowa różnych form pracy ludzkiej.

1. Praca bez narzędzi ( człowieksterowanie siłą mięśniprzedmiotczłowiek)

2. Praca z narzędziami prostymi (maszyna prosta to maszyna napędzana mięśniami ludzkimi)

3. Praca z narzędziami złożonymi (maszyny posiadają zewnętrzne zaslanie)

4. Automatyzacja pracy z maszynami złożonymi

- sterowanie w układzie zamkniętym

- sterowanie w układzie otwartym

5. Automatyzacja pracy z użyciem robota do pracy z urządzeniami złożonymi.

6. Praca z narzędziami złożonymi przy pomocy manipulatorów, które nie są robotami, gdyż sterowane są przez człowieka.

Klasyfikacja robotów.

1. Kryterium przeznaczenia:

- cele edukacyjne

- cele przemysłowe

- cele badawcze

2. Kryterium stopnia specjalizacji:

- wysokiego stopnia specjalizacji

- roboty specjalne

- roboty uniwersalne

3. Kryterium rodzaju napędu:

- pneumatyczny

- elektryczny

- hybrydowy

- hydrauliczny

4. Kryterium właściwości geometrycznych

- działanie tylko wzdłuż linii prostej, łuku

- działanie w różnych konfiguracjach przesunięcie-obrót

- roboty kuliste

- roboty antropomorficzne

5. Kryterium ilości stopni swobody:

- do określenia położenia przedmiotu potrzebnych jest min 6 stopni swobody (3 położenia liniowe i 3 kąty)

- w celu ominięcia przeszkody stosuje się większą ilość swobody

6. Kryterium dokładności działania:

- superprecyzyjne pozycjonowanie poniżej 0,1 mm

- precyzyjne poniżej 1 mm

- przeciętne 1-5 mm

7. Kryterium mobilności:

- stacjonarne

- mobilne

8. Kryterium sterowania:

- ze stałym programem

- programowany dyskretnie

- ze sterowaniem ciągłym

- sterowanie typu „servo”

9. Kryterium generacji:

- I generacja roboty bez sprzężeń zwrotnych od manipulowanego przedmiotu, konieczne precyzyjne zaprogramowanie ruchów ramion robota w odniesieniu do określonego układu współrzędnych, jeśli przedmiotu nie ma w danym miejscu to i tak robot spróbuje go pochwycić

- 1,5 generacja ruchy wykonywane przez manipulator nie są całkowicie zdeterminowane w procesie programowania a zależą częściowo od stanu obiektu manipulowanego (zależy od niektórych współrzędnych stanu)

- II generacja ograniczona możliwość rozpoznawania kształtów i położeń

- 2,5 i III generacja zdolność rozpoznawania kształtów i sytuacji, radzenie sobie w sytuacji nieokreśloności danej sytuacji w programie, roboty ze sztuczną inteligencją, jeszcze takich nie ma

Roboty przemysłowe a struktura procesów produkcyjnych.

1. Technika wytwarzania:

- jest tylko kilkanaście technik/metod wytwarzania, dlatego robotyka jest bardzo stabilną dziedziną wiedzy

2. Struktury produkcji:

- zasada technologiczna - od materiału do gotowego produktu

- manipulowanie obiektami obróbki/odpadami

- sterowanie

Najbardziej czasochłonne są czynności manipulacyjne - ok. 80 % procesu produkcji

W celu automatyzacji produkcji stosuje się automaty do produkcji części.

System jak i robot powinien cechować się niezawodnością, trwałością i bezpieczeństwem pracy.

Przyczyny rozwoju robotów.

Pierwsze roboty pojawiły się w latach 60-tych w przemyśle samochodowym w USA, a już w latach 70-tych na świecie było już ok. 100 firm (głównie w Japonii)

Przyczyny rozwoju:

1. Przyczyny techniczne:

- rozwój elementów napędowych (silników)

- rozwój technologii półprzewodnikowej (tranzystory, diody)

- wzrost zapotrzebowania na tego typu maszyny

- dążenie do ujednolicenia standardu produkcji (roboty eliminują błędy ludzkie)

2. Przyczyny ekonomiczne:

- instalowanie robotów w produkcji pozwoliło na redukcję liczby pracowników a co za tym idzie i kosztów produkcji

- droga praca ludzka

- potrzeba zmiany profilu produkcji (maszyny automatyczne trudno przerobić, a robota łatwo przeprogramować)

- zapewnienie większej elastyczności produkcji

3. Przyczyny społeczne:

- stale malejąca liczba chętnych do wykonywania monotonnych ciężkich prac

- malejąca stopa przyrostu naturalnego

- potrzeba zwiększenia bezpieczeństwa pracy

4. Przyczyny socjologiczne:

- stworzyliśmy maszynę, która jest w stanie znieść naszą cywilizację

Konstrukcja robotów przemysłowych.

- 6 osi sterowanych

- programowanie elastyczne

- pamięć operacyjna i zewnętrzna

- powtarzalna dokładność pozycjonowania do 0,1 mm

- udźwig do 150 kg

- punktowe lub ciągłe sterowanie drogi przesuwu

- synchronizacja z mechanizmami zewnętrznymi

- wysoka niezawodność

Manipulator.

Manipulator - wieloczłonowe ciało sztywne, z jednego końca przytwierdzone do podstawy, poszczególne człony mogą się względem siebie przemieszczać.

Rodzaje ruchu manipulatora:

- globalne

- regionalne (posuwiste, obrotowe)

- lokalne

Zawsze ruchy manipulatora są ograniczone (obrót max. 270 stopni)

Najczęściej stosowane grupy robotów:

- OPP

- OOP

- OOO

Najdłuższe ramię ma 19 m (na promie kosmicznym NASA)

Parametry manipulatora:

- udźwig manipulatora

- liczba stopni swobody

- schemat kinematyczny

- przestrzeń ruchu

Podstawowe rodzaje przekładni mechanicznych stosowanych w manipulatorach.

1. Przekładnia płaska kulkowa

2. Przekładnia z łożyskiem kulkowym

3. Przekładnia śrubowo-?

4. Przekładnia harmoniczna

Pierścień zewnętrzny obraca się o wiele wolniej niż pierścień wewnętrzny.

Wielkość zębów determinuje max. wartość mocy przechodzącej przez przekładnię.

Więcej zębów większe przełożenie mniejsze ząbki mniejsza moc

Chwytaki i głowice technologiczne.

Chwytak jest elementem współpracującym bezpośrednio z obiektem manipulacji. Wykonane są do specjalnych zastosowań, nie są elementami standardowymi. Właściwa konstrukcja chwytaka wpływa na spadek kosztu robota.

Dzielimy je na grupy:

- proste

- stałe

- nastawialne

- specjalne z dodatkowym napędem

- technologiczne

Przeznaczenie chwytaka:

- uchwycenie manipulowanego przedmiotu

- oddziaływane na manipulowany przedmiot z siłą zapobiegająca zmianie jego orientacji wobec chwytaka na skutek sił zewnętrznych działających na chwytak

- ewentualna poprawa orientacji manipulowanego przedmiotu

Rodzaje chwytania:

- obejmowanie (polega na otoczeniu przez palce chwytaka przedmiotu tak aby pozbawić go wszystkich stopni swobody, wymaga dostosowania kształtu chwytaka dokładnie do przedmiotu, przy dużych rozmiarach przedmiotu chwytak może być również duży i ciężki)

- przez przyssanie (jest stosowane dla przedmiotów cienkich i płaskich, którymi manipulowanie przy pomocy innego chwytania jest utrudnione)

- magnetyczne (stosowane tylko do przedmiotów ferromagnetycznych, chwytanie elektromagnetyczne proste, elektromagnetyczne z magnesem trwałym)

Czynniki wpływające na konstrukcję chwytaka:

- miejsce i sposób uchwycenia przedmiotu (jeżeli istnieje możliwość wybrania chwycenia w dwóch różnych wymiarach należy wybrać większy, kształt przedmiotu powinien pasować do przedmiotu)

- wrażliwość przedmiotu na uchwyt (należy zastosować element tensometryczny i jakiś układ sterujący siłą ucisku)

- materiał, z którego jest wykonany przedmiot

- temperatura przedmiotu (trudne warunki pracy robota)

- masa przedmiotu

- możliwość orientacji przedmiotu podczas chwytania

Rodzaje głowic technologicznych:

- elektrody do łączenia punktowego (duży prąd skupia ze sobą dwa elementy metalowe)

- pistolet natryskowy

Napędy robotów.

Aby umożliwić pracę manipulatora konieczne są siłowniki:

- hydrauliczne

- pneumatyczne

- elektryczne (AC i DC)

Napęd powinien cechować się:

- dużą sprawnością

- dobrą dynamiką

- brak szczeliny powietrznej (im większa szczelina powietrzna tym większe opory w ruchu silnika elektrycznego gdyż metalu nie ma praktycznie strat magnetycznych, a w powietrzu są)

- stałe mechaniczne i elektryczne jak najmniejsze

- duża dobrać dynamiczna

Pod względem dynamicznym hydraulika jest lepsza od elektryki!!!

Udział silników w robotach:

- 50% - hydraulika

- 40% - elektryka

- 10% - pneumatyka

SIŁOWNIKI HYDRAULICZNE

Zalety hydrauliki:

- łatwość uzyskania dużych sił przy małych rozmiarach

- łatwość precyzyjnego sterowania z dowolną prędkością

- bardzo dobre właściwości dynamiczne

- możliwość uzyskania małych prędkości

- mała czułość na zmianę obciążenia

- proste użytkowanie

- duża pewność ruchowa

Wady hydrauliki:

- duży hałas wytwarzany przez pompę

- zanieczyszczenia wywołane wyciekami oleju

- źródło ruchu bezpośrednio połączone z ramionami

- konieczne są sterowniki strumienia cieczy

- lepkość oleju zależy od temperatury

SIŁOWNIKI PNEUMATYCZNE

Zalety:

- duża pewność ruchu

- niższa cena w porównaniu z hydrauliką

- mniejsza masa urządzeń

- powolne narastanie sił

- duża obciążalność

Wady:

- trudności w uzyskaniu powolnych ruchów

- duża wrażliwość na zmianę obciążenia

- gwałtowny rozruch przy małych obciążeniach

- mniejsze możliwe siły i momenty

- duża masa elementów pomocniczych

SIŁOWNIKI ELEKTRYCZNE

Zalety:

- duże momenty rozruchowe

- mniejsze rozmiary

- łatwość zasilania

- mała bezwładność wirnika

- krótkie czasy rozruchu i hamowania

- niska cena w porównaniu z napędem hydraulicznym

- duża niezawodność

- proste czynności konstrukcyjne

- prostota układu zasilania

- praca bez hałasu

Wady:

- mały stosunek mocy do masy urządzenia

- właściwości dynamiczne wciąż są gorsze od hydrauliki

- wrażliwe na przeciążenia

- duże prędkości znamionowe konieczne zastosowania przekładni

Najczęściej stosowane silniki krokowe i DC

Silnik dyskowy.

- - - - spodnia strona tarczy

^_____ wierzchnia strona tarczy

Twardość szczotek należy dobrać odpowiednio. Uzwojenia pokrywa się na styku z komutatorem specjalną substancją. Do silnika dołączone są wirniki. W przewodach wirnika może płynąć prąd nawet do 10 A, gdyż ścieżka jest gruba, a odprowadzanie ciepła jest dobre. Napięciowe zasilanie średnio ma wartość ok. 100 V. Możliwe jest zainstalowanie większej ilości wirników dla zwiększenia momentu napędowego. Ścieżki nie mogą być zbyt szerokie, gdyż wystąpiłyby duże straty na prądy wirowe.

Zalety:

- bardzo dobra dynamika: 8000 obr/min osiąga w kilka sekund

- wirnik jest lekki, mniejszy hałas przy pracy

- tani w produkcji

Wady:

- zużywanie się szczotek

- duża grubość szczotek nie jest widziana

Silnik jest elementem inercyjnym II rzędu charakteryzowany stałymi: Te i Tm.

Te - jest rzędu ułamków ms więc często jest pomijana, bierze się ona z obecności obwodów indukcyjnych

Tm - osiąga wartość kilku ms.

Z tego względu możemy uprościć silnik do układu rzędu I ze stałą czasową Tm.

Istotnym parametrem silników jest ich charakterystyka mechaniczna.

Mr - moment rozruchowy

Najczęściej stosujemy w układzie mostkowym:

Układy mostkowe stosujemy przy sterowaniu silnikami bezszczotkowymi. Niestety są to maszyny dość „leniwe”

Przed serwomechanizmami stawiamy wymagania na dynamikę, a nie przejmujemy się sprawnością.

Silniki kubkowe.

Ma dość dobre właściwości dynamiczne, ale są większe szczeliny powietrzne, czyli większe straty na prądy wirowe, duży opór dla strumienia.

Zalety:

- znacznie lepsze właściwości dynamiczne (wirnik jest bardzo lekki)

Elektryczne napędy liniowe.

Łatwo z silnika wirowego uzyskać siłownik liniowy poprzez odpowiednią przekładnię, ale zależy nam na tym, by straty były jak najmniejsze. Dlatego też stosowane są często elektryczne siłowniki liniowe:

Zastosowania:

- pompy ciekłego metalu

- pociągi na poduszce powietrznej

Przetworniki położenia.

Rodzaje:

- zderzakowe stosowany w sterowaniu dynamicznym, ogranicza położenie manipulatora pomiędzy dwoma punktami krańcowymi

Potencjometry.

Przetworniki rezystancyjne, dokładne potencjometry są bardzo drogie.

Rozróżniamy potencjometry liniowe i obrotowe:

Przetworniki indukcyjne transformatorowe.

Zmieniają położenie na skutek działania napięcia.

- duża pewność ruchowa

- duża dokładność

- mały wpływ zakłóceń

- konieczność stosowania przełączanych napięć zmiennych

- cykliczny charakter zmian wielkości we/wy

Rozróżniamy:

- selsyny przełącznikowe

- induktosyny

- magnesyny

Często musimy wykryć przedmiot w pewnym obszarze. Jeżeli jest to przedmiot metalowy to możemy użyć detektorów magnetycznych.

Cyfrowe pomiary położenia.

Z przetwornika o średnicy 1 cm możemy mieć aż do 6000 impulsów na obrót. Żeby wykryć, w którą stronę obraca się tarcza stosujemy dwa przetworniki fotoelektryczne.

Do bezstykowych pomiarów położenia stosujemy tarcze z pasami pokolorowanymi wg kodu gray'a będzie wtedy mniejsza szansa na pomyłkę..

Czasem stosowało się specjalne zatrzaski mechaniczne, które dopasowują odczyttarczy kodowej tylko w środkowym przedziale kodowym.

Można też stosować odczyt w technice „V”

Przetworniki sił i naprężeń.

Drugie w kolejności wprowadzone do robotyki tuż za przetwornikami położenia.

Najczęściej stosuje się tensometry rezystancyjne.

Stosując odpowiedni układ tensometrów tensometrów różnych płaszczyznach możemy precyzyjnie obliczać naprężenia w kilku kierunkach.

Przetworniki dotykowe.

To przetworniki, które generują odpowiednią matrycę sygnałów na podstawie kształtu przedmiotu umieszczonego między palcami chwytaka.

Matryca igieł jest „przemiatana” sygnałami sygnałami i w ten sposób badany jest stopień nacisku poszczególnych igieł.

Sztuczna skóra.

Takie przetworniki służą głównie do szybkiej identyfikacji klasy przedmiotó w manipulatorze lub stopnia ich uchwycenia.

Przetworniki optyczne.

Rzadko używane ze względu na duży stopień komplikacji analizy obrazu z tego typu przetworników

Stopnie komplikacji:

- podajnik orientujący się i doprowadzający manipulowany obiekt dokładnie w miejsce przemieszczenia

- rozpoznawanie na stole przedmiotów, które się nie przesuwają

- rozpoznawanie przedmiotów, które się wzajemnie maskują

Przetworniki te realizują zadania:

- detekcji

- klasyfikacji

- pozycjonowania

Są często stosowane w technice wojskowej

Trudności związane z analizą sygnałów optycznych:

1. szumy optyczne

- dobowe zmiany położenia słońca

- pulsujące zmiany będące wynikiem działania innych obiektów

- zmiana współczynnika odbicia światła

2. złożoność procesu postrzegania:

- wstępne przetwarzanie obrazu

- wyodrębnienie przedmiotów

Czujniki laserowe.

Dokładne pomiary np. zgodności otworów lub wymiarów produkowanych przedmiotów.

Korelator.

Rozpoznaje klasę przedmiotów poruszającej się na jednej taśmie.

Do tego używane są również dalmierze laserowe z wykorzystaniem laserów półprzewodnikowych.

Kompleksowe wyposażenie robota.

- ultradźwiękowy przetwornik zabezpieczający

- binarny przetwornik dotykowy

- przetwornik prędkości i przyśpieszenia

- odległościomierz ultradźwiękowy

- przetwornik zbliżeniowy

- przetwornik siły uchwytu

Układy sterowania robotów przemysłowych.

Sterowanie powinno zapewnić wypełnienie zadań stawianych przed robotem. Każdy robot ma zdefiniowany algorytm działania. Należy połączyć ze sobą technologię niskomocową cyfrową

Z technologią analogową wysokomocową.

---