CENTRUM KSZTAŁCENIA PRAKTYCZNEGO

PODSTAWY ROBOTYKI

Roboty przemysłowe

- wprowadzenie

Sławomir Siewruk

2003 r.

Spis Treści

I. Wstęp.

II. Podstawowe klasy robotów przemysłowych.

III. Podstawowe elementy robota i ich definicje.

IV. Najważniejsze cechy mechaniczne robotów.

V. Konfiguracje robotów.

VI. Wybrane zastosowania robotów i manipulatorów przemysłowych.

VII. Zakończenie.

I. Wstęp

Większość maszyn wytwarzanych mniej więcej od połowy dwudziestego wieku

należała do klasy maszyn: roboczych silnikowych, technologicznych i transportowych.

Pojawienie się nowej grupy maszyn, a mianowicie maszyn cybernetycznych, do

których zaliczamy układy modelujące procesy biologiczne i fizjologiczne

przebiegające w przyrodzie ożywionej, w tym u człowieka i u zwierząt, spowodowało

konieczność rozszerzenia klasycznej definicji maszyny zaproponowanej jeszcze przez

F. Reuleaux w 1875 roku. W roku 1963 I. Artobolewski zaproponował następujące

określenie maszyny: maszyna jest to sztuczne urządzenie przeznaczone do

częściowego lub całkowitego zastępowania funkcji energetycznych, fizjologicznych i

intelektualnych człowieka. Funkcje energetyczne należy tutaj rozumieć jako

zastępowanie pracy fizycznej, funkcje fizjologiczne jako zastępowanie organów np.:

kończyny dolnej lub górnej, a możliwości intelektualne jako właściwości adaptacyjne

przy współdziałaniu maszyny cybernetycznej z otoczeniem. Tak określoną maszynę

nazywa się maszyną cybernetyczną. Aby przejść do zdefiniowania robota

przemysłowego, który jest głównym tematem niniejszej pracy, należy zapoznać się

jeszcze z określeniami: mechanizm cybernetyczny, manipulator, manipulator

antropomorficzny. Mechanizm cybernetyczny – część maszyny cybernetycznej

zastępującej czynności ruchowe człowieka np.: w zakresie manipulacyjnym lub

lokomocyjnym. Manipulator – mechanizm cybernetyczny przeznaczony do realizacji

niektórych funkcji kończyny górnej człowieka. Wyróżnia się tutaj dwa rodzaje funkcji:

manipulacyjne (manus – ręka) wykonywane przez chwytak i wysięgnikowe

realizowane przez ramię manipulatora.

Manipulator antropomorficzny – układ podobny do kończyny człowieka

(anthropos – człowiek i morphe – kształt) pod względem kształtu (w sensie

anatomicznym) oraz fizjologicznym (w sensie funkcji) czyli działania.

Robot – urządzenie techniczne przeznaczone do realizacji niektórych funkcji

manipulacyjnych i lokomocyjnych człowieka, mające określony poziom energetyczny,

informacyjny i inteligencji maszynowej (autonomii działania w pewnym środowisku).

1

Pedipulator z

siłownikami

Manipulator z

siłownikami

Schemat blokowy robota przedstawia rysunek:

sterowanie

informacja

wewnętrzna

Szczególnym przypadkiem robota jest robot przemysłowy.

Robot przemysłowy – wielofunkcyjny manipulator przeznaczony do przenoszenia

materiałów, części lub wyspecjalizowanych urządzeń poprzez różne programowane

ruchy, w celu zrealizowania różnych zadań.

Według definicji ISO – manipulacyjny robot przemysłowy jest automatycznie

sterowaną, programowaną, wielozadaniową maszyną manipulacyjną o wielu

stopniach swobody, stacjonarną lub mobilną dla różnych zastosowań przemysłowych

(ISO / TR8373 3.3). Celem niniejszej pracy jest zaprezentowanie podstawowych

elementów robota (i ich definicji), wyodrębnienie najważniejszych cech

mechanicznych robotów, prezentacja niektórych typów robotów najczęściej

wykorzystanych w procesach przemysłowych oraz przedstawienie przykładowych

zastosowań zrobotyzowanych stanowisk przemysłowych.

Komputer

Otoczenie Zadanie

2

II Podstawowe klasy robotów przemysłowych

Wyróżnia się cztery podstawowe klasy robotów przemysłowych:

1. Robot sekwencyjny.

Jest to robot, który ma sekwencyjny układ sterowania (ISO 28806 3.1.07). Typowym

przykładem jest tutaj robot typu Non – servo PIP.

2. Robot realizujący zadaną trajektorię.

Jest to robot, który realizuje ustaloną procedurę sterowanych ruchów w instrukcji,

które specyfikują żądaną pozycję (zwykle uzyskiwaną przez interpelację) oraz żądaną

prędkość w danym położeniu. Typowym przykładem jest tutaj robot typu playback,

CALC lub continuans path (ISO / TR 837 33.4).

3. Robot adaptacyjny.

Jest to robot mający sensoryczny (ISO / TR 8373 6.3.3) lub adaptacyjny (ISO / TR

8373 6.3.4) układ sterowania albo uczący się układ sterowania (ISO / TR 8373

6.3.5). Przykładami takich układów są układy o możliwościach zmiany własności

drogą wykorzystania informacji sensorycznej lub nagromadzonych doświadczeń,

planowanie zadań przez nauczanie lub trening. Typowym przykładem jest tutaj robot

wyposażony w czujniki wizyjne, w którym jest możliwa korekta ruchu podczas

pobierania elementów, montażu lub spawania łukowego.

4. Teleoperator.

Jest to robot ze sterowaniem zdalnym realizowanym przez operatora lub komputer.

Jego funkcje są związane z przenoszeniem na odległość funkcji motorycznych i

sensorycznych operatora.

3

III. Podstawowe elementy robota i ich definicje

Nadgarstek

Sterownik Jednostka mechaniczna

Efektor końcowy – narzędzie, lub urządzenie, mocowane do nadgarstka robota.

Istnieją dwa podstawowe rodzaje efektora końcowego:

1 – chwytak – służący do chwytania części w celu ich przemieszczenia

2 – efektor reprezentujący urządzenie wykonujące procesy technologiczne (np.:

pistolet malarski, palnik, elektroda)

Jednostka mechaniczna (manipulator) – urządzenie mechaniczne, które

porusza i podnosi efektory końcowe i przedmioty procesowane. W skład

manipulatora wchodzą: podstawa, ramiona i nadgarstek, które są połączone ze sobą

przegubowo lub liniowo. Połączenia te nazywa się osiami robota, które mogą być

obrotowe (przeguby) lub liniowe (pryzmatyczne). Osie robota napędzane są silnikami

(serwosilnikami). Są to najczęściej silniki elektryczne zaopatrzone w czujniki

położenia wału (enkodery).

Efektor końcowy (chwytak)

Ekran Klawiatura Serwosiinik

Efektor końcowy (chwytak)

Serwosilnik – jest silnikiem, którego położenie, prędkość i przyspieszenie wału są

sterowane.

4

Przedmiot procesowany – część lub rzecz, którą efektor końcowy przemieszcza

podczas wykonywania operacji technologicznej.

Nadgarstek – urządzenie mechaniczne, umożliwiające robotowi obracanie

efektorem końcowym nie mniej niż dokoła trzech osi.

Pulpit sterowniczy – przenośna skrzynka przełączników elektrycznych,

umożliwiająca operatorowi poruszanie robota do żądanych punktów, oraz

umożliwiają operatorowi odczyt stanu wejść, wyjść i pozycji robota.

Sterownik – jest to oprzyrządowanie komputerowe i elektryczne, które umożliwia

sterowanie ruchem i opracowywanie programu oraz dostarcza przyłączy do

komunikowania się robota z innymi urządzeniami.

Sygnały wejściowe i wyjściowe – sygnały elektryczne pozwalające robotowi na

komunikowanie się z otoczeniem. Sygnały wejściowe umożliwiają urządzeniom

komunikację z robotem, a sygnały wyjściowe są rozkazami z robota do urządzeń

sterujących lub do przesyłania wiadomości. Sygnały wejściowe i wyjściowe mogą być

cyfrowe, analogowe lub szeregowe.

Język sterownika (komputerowy) – w zależności od rodzaju zastosowanego

sterownika określa reguły niezbędne do prawidłowej interpretacji stanu wejść i

wyjść, które są rozumiane przez maszynę lub system.

5

IV. Najważniejsze cechy mechaniczne robotów Udźwig użyteczny – określa obciążalność robota. Udźwig obliczany jest na

podstawie ciężaru i momentu bezwładności ładunku, którym robot manipuluje. Przestrzeń robocza – jest objętością, w której dowolnym punkcie może się znaleźć

nadgarstek robota. Przestrzeń robocza powinna być dostatecznie duża, aby robot

dosięgał punktów niezbędnych w jego zastosowaniu. Jeżeli przestrzeń ta jest zbyt

duża, może być ograniczona za pomocą ograniczników sprzętowych (hardware’

owych) i programowych (software’ owych). Poprzez dodanie efektora końcowego

robot ma możliwość poruszania się po całej przestrzeni roboczej, a nawet może tą

przestrzeń zwiększyć. Kierunek i przestrzeń rozszerzenia zależą od konfiguracji

efektora.

Liczba osi – aby robot spełniał założone zadania, musi mieć wystarczającą liczbę osi

w celu ustawienia efektora końcowego we wszystkich wymaganych pozycjach. Liczba

niezbędnych osi wynika z pożądanej orientacji efektora, konfiguracji robota, oraz

tego, w jaki sposób robot odkształca się w zależności od obciążenia i położenia. Na

liczbę wymaganych osi robota wpływa mechaniczna konfiguracja robota. W związku z

tym iż roboty nie są doskonale sztywne, przy dużych obciążeniach pochylają się

wskutek odkształcenia się szkieletu manipulatora. Aby skompensować odkształcenia

lub wychylenia całego robota w przeciwnym do odkształcenia kierunku roboty

zaopatrza się w dodatkowe osie.

Prędkość i czas cyklu – prędkość robota jest maksymalną prędkością kątową lub

liniową jego osi. Prędkość robota jest sterowana z pulpitu sterującego, bądź

programem poprzez sterownik.

Czas cyklu jest to całkowity czas potrzebny robotowi do wykonania danego zadania.

Czas cyklu zależy przede wszystkim od czasu przyspieszenia robota, prędkości

maksymalnej oraz czasów opóźnienia układów logicznych mechanizmów

wykonawczych i sterownika.

6

Sterowanie ruchem – jest kombinacją sterowania ścieżką (jak dokładnie robot

kopiuje daną ścieżkę) i sterowania prędkością (jak dalece prędkość robota jest

sterowana). Jest to bardzo ważna cecha robotów gdyż w znaczący sposób wpływa na

jakość operacji technologicznych wykonywanych przez robota.

Powtarzalność – jest miarą dokładności powracania robota do nauczonego punktu.

Jest to bardzo ważna cecha robota, szczególnie w sytuacjach, w których

przewidywano małe tolerancje.

Dokładność – jest miarą błędu (bliskości) osiągnięcia przez robota określonego

punktu w przestrzeni roboczej.

Niezawodność – jest jedną z najważniejszych cech robota. Od jego niezawodności

zależy niekiedy wstrzymanie pracy całego zakładu.

V. Konfiguracje robotów. 1. Roboty z ramionami wychylanymi w płaszczyźnie poziomej.

Roboty tego typu są zwykle nazywane robotami typu SCARA. Nazwa SCARA pochodzi

od Selective Compliance Assembly Robot Arm i w swobodnym przekładzie oznacza

robot montażowy z dokładnie dobraną podatnością.

Rysunek obrazuje robot klasy SCARA typu Bosch SR 60(E).

7

Robot ma cztery osie sterowane przy czym osie 1, 2 i 4 są zaprojektowane jako osie

obrotowe, zaś oś 3 jako liniowa oś sterowana. Roboty tej klasy mają największą

szybkość i najlepszą powtarzalność ze wszystkich postaci konstrukcyjnych robotów.

Szkielet robota ma dużą sztywność w osi pionowej, wskutek czego części montowane

ciągle będą trzymane prostopadle.

Rysunek poniżej obrazuje pracę robota przy układaniu czekoladek w pudełkach.

Przykładami zastosowania robotów klasy SCARA są:

- wkładanie elementów w płytki obwodów drukowanych

- montowanie małych urządzeń elektromechanicznych

- montowanie napędów dyskietek komputerowych

2. Robot z ramionami wychylanymi w płaszczyźnie pionowej.

Roboty tego typu charakteryzują się przestrzenią roboczą o dużej wysokości, oraz

posiadają bardzo dobrą przegubowość (artykulację) nadgarstka. Robot o konstrukcji

przegubowej zapewnia dużą przestrzeń roboczą w stosunku do rozmiaru jednostki

mechanicznej (manipulatora). Przegubowość sześciu osi umożliwia orientację

8

przegubu praktycznie w każdej pozycji. Pomimo iż powtarzalność i dokładność robota

są dobre to jednak nie zawsze są wystarczające do niektórych zastosowań montażu

precyzyjnego. Wadą robotów tego typu są straty osiągów na brzegach przestrzeni

roboczej i mała sztywność szkieletu. Udźwig, dokładność i powtarzalność pogarszają

się na wewnętrznych i zewnętrznych brzegach przestrzeni roboczej.

Powyższy rysunek przedstawia robota z ramieniem przegubowym Kuka IR 364 (6

osi), oraz projekt w którym robot ten wykonuje zadanie polegające na wkładaniu 12

butelek (posortowanych np.: wg kolorów) do przeznaczonych na nie skrzynki.

Innym przykładem tego typu robotów jest robot z ramieniem przegubowym typu

Movemaster RVE 2 (6 osi):

W Polsce tego typu roboty są wytwarzane jako Irp 6 – Irp 10.

9

Typowe zastosowania tego typu robotów to:

- spawanie

- gratowanie

- malowanie

- uszczelnianie

- manipulowanie materiałem

3. Robot z cylindryczną przestrzenią roboczą.

Robot o takiej konfiguracji ma dużą przestrzeń roboczą. Przykład tego typu robota

ilustruje rysunek:

W robotach tych zwykle stosowane są śruby napędowe toczne (kulkowe) i

prowadnice liniowe w osi pionowej (2) i poziomej (3). Obrót jest osiągany za pomocą

oddzielnej osi (1). Wadą robota tego typu jest wystawanie obudowy osi

promieniowej (3) z tyłu robota. Za robotem nie może się nic znajdować aby podczas

obrotu o 1808 tył obudowy osi miał swobodę obrotu. W przeszłości roboty tego typu

używane były do bardzo szybkiego, lekkiego montażu. Obecnie w zadaniach tych

zastąpiły je roboty SCARA. Roboty z cylindryczną przestrzenią są idealne do

operowania częściami ciężkimi i tam gdzie jest wymagana duża przestrzeń robocza.

4. Robot z kulistą przestrzenią roboczą.

Robot taki obraca się dokoła środkowego punktu obrotu i dokoła osi pionowej. Do

orientacji chwytaka służy jedno – lub dwuosiowy nadgarstek. Ze względów

konstrukcyjnych prędkość i dokładność ruchów robotów tego typu jest mniejsza niż

robotów o innej konfiguracji, co ogranicza ich zastosowanie.

10

5. Roboty bramowe i mobilne.

Prosty robot bramowy

przedstawia rysunek:

Robot bramowy wygląda jak suwnica z zamontowanym nadgarstkiem robota. Robot

ma bardzo dużą przestrzeń roboczą, a zawieszony u góry, nie wymaga przestrzeni

podłogowej.

Typowym zastosowaniem robota bramowego jest przemieszczanie materiału między

maszynami na duże odległości lub znajdowanie materiału w zautomatyzowanym

składzie towarów.

11

Rysunek ilustruje zadanie z jednym robotem bramowym i jedną obrabiarką

(załadunek obrabiarki).

Roboty najbardziej zaawansowane mają własny napęd i mogą się poruszać do

różnych miejsc dzięki energii z własnych akumulatorów. Przy stanowiskach roboczych

energia robota pochodzi z gniazda stanowiska roboczego. Roboty mobilne

wyznaczają swój kurs przez śledzenie ścieżki przewodowej w podłodze lub za

pomocą systemu radarowego. Nawigacja za pomocą ścieżki przewodowej jest

metodą używaną coraz częściej przez pojazdy kierowane automatycznie. Pojazdy te

wyposażone są w czujniki, które wykrywają przewód w podłodze i korekcje sygnału

gdy pojazd odbiega od kursu. Przy nawigacji radarowej przewody w podłodze nie są

potrzebne. Ścieżki robota mobilnego można zmieniać przez napisanie nowego

programu komputerowego.

VI. Wybrane zastosowania robotów i manipulatorów

przemysłowych w Polsce

Uniwersalne roboty przemysłowe (URP) są i powinny być stosowane między innymi

do:

- spawania łukowego

- zgrzewania punktowego

- gratowania

- klejenia

- obsługi pras i linii pras

- polerowania

- pokrywania warstwami ochronnymi i specjalnymi (natryskiwanie plazmowe,

pokrywanie grafitem)

- montażu

- pakowania i paletyzacji

- obsługi różnego typu urządzeń specjalistycznych gniazd technologicznych w

różnych gałęziach przemysłu

Do robotyzacji prostych procesów technologicznych z wielu przyczyn nie ma potrzeby

12 stosowania uniwersalnych robotów, przede wszystkim ze względu na koszt. W takich

przypadkach proste manipulatory, w połączeniu z odpowiednimi urządzeniami, mogą

być z powodzeniem wykorzystywane do obsługi gniazd technologicznych, które

przeważają w wielu zakładach przemysłowych.

Manipulatory PMM

Rodzina małych manipulatorów współpracujących w procesie montażu drobnych

elementów lub obsługujących prasy. Jednym z podstawowych zastosowań tego typu

manipulatorów jest ich użycie do podawania pojedynczych płaskich wyrobów z

magazynka do przestrzeni roboczej prasy za pomocą urządzeń podających.

Roboty RIMP

W zależności od zastosowanej odmiany najczęściej wykorzystywany jest do:

- obsługi linii lekkich pras (1 MN)

- zgrzewania punktowego

- nakładania powłok (malowanie, metalizacja natryskowa)

- spawania łukowego

- odlewania pod ciśnieniem

Roboty PRO 30

Wykorzystywane we współpracy z obrabiarkami numerycznie sterowanymi w

gnieździe obróbkowym, przy obróbce skrawaniem.

Roboty IRb i Irp

Do zadań tego typu robotów między innymi należy:

- przenoszenie przedmiotów od pozycji początkowej, poprzez różne położenia

pośrednie (maszyny obróbkowe, sprawdzania, obrotniki itp.) aż do pozycji

wyjściowej stanowiska

- obsługa maszyn

- spawanie elektryczne

- zgrzewanie punktowe

- czyszczenie (szlifowanie) odlewów

- gratowanie

13

VII. Zakończenie

Roboty przemysłowe są uniwersalnymi środkami automatyzacji procesów

przemysłowych, przede wszystkim procesów uciążliwych lub trudnych do wykonania

przez człowieka. Są urządzeniami, które pozwalają zastąpić człowieka wszędzie tam

gdzie istnieje zagrożenie zdrowia czy życia człowieka. Roboty przemysłowe to

urządzenia w istotny sposób wpływające na przebieg procesów technologicznych w

różnorodnych gałęziach przemysłu. Zadania wykonywane przez roboty pozwalają na

zwiększenie wydajności pracy, wpływają na jakość wyrobów, oszczędność

materiałową i energetyczną. Jednym z podstawowych czynników ograniczających

zastosowanie robotów w przemyśle są czynniki ekonomiczne. Jednak od roku 1985,

w którym szacuje się iż było zainstalowanych w Polsce około 100 krajowych i

importowanych robotów, głównie w przemyśle maszynowym, nastąpił znaczny

wzrost instalowanych robotów i stanowisk zrobotyzowanych. Szacuje się iż do 2000

roku w takich procesach jak spawanie wzrost nastąpił o 250%, przesuwanie

materiału 300%, montaż 350%, inne procesy 100%. Obecnie poważnym odbiorcą

robotów są takie gałęzie przemysłu jak: rolnictwo, sadownictwo, leśnictwo.

14

Literatura

1. F. Siemieniako, M. Gawryluk: Automatyka i robotyka. WSiP. Warszawa 1996

2. A. Morecki, J. Knapczyk - Praca zbiorowa: Podstawy robotyki – teoria i elementy

manipulatorów i robotów. WNT. Warszawa 1993

3. Program edukacyjny – Robin 1,6

4. Oferty – Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów (PIAP) - Warszawa