Roboty manipulacyjne (stacjonarne)

Transkrypt

1 Roboty manipulacyjne (stacjonarne) Podstawowe układy i zespoły Roboty przemysłowe składa się z następujących trzech podstawowych układów: zasilania, sterowania i ruchu.

2 Układ zasilania Układ zasilania w przypadku stosowania różnych napędów zawiera różne elementy. Układ zasilania w przypadku stosowania jako jednostek napędowych serwonapędów elektrycznych zawiera oprócz typowego sprzętu elektrycznego: ˇ układy tyrystorowe oraz układy prostownikowe do zasilania silników prądu stałego. ˇ przemienniki częstotliwości i napięcia do zasilania silników prądu przemiennego. Układ zasilania w przypadku stosowania jako jednostek napędowych serwonapędów pneumatycznych zawiera oprócz sprzętu elektrycznego służącego do zasilania elementów elektrycznych układu także sprężarkę. Układ zasilania w przypadku stosowania jako jednostek napędowych serwonapędów hydraulicznych zawiera oprócz sprzętu elektrycznego służącego do zasilania elementów elektrycznych układu typowy sprzęt związany z napędami hydraulicznymi, czyli pompę, zbiornik oraz układ chłodzenia/ogrzewania płynu roboczego. Układ ruchu Jednostkę kinematyczną manipulatora tworzy mechanizm kinematyczny wraz dołączonymi napędami. Współczesne manipulatory zbudowane są w postaci szeregowo lub szeregowo-równoległego układu połączonych ruchowo członów kinematycznych, czyli tzw. łańcucha kinematycznego. Elementy kinematyczne tworzące parę kinematyczną z dołączonym napędem pozwalają na realizację ruchów względnych elementów pary kinematycznej, tworzą zespół ruchu. We współcześnie konstruowanych maszynach manipulacyjnych znaczenie techniczne mają wyłącznie połączenia członów V klasy (jeden stopień swobody mechanicznej), a więc pary o wzajemnym ruchu postępowym lub obrotowym. Wspomniane pary kinematyczne klasy V to przeguby obrotowe służące do obrotu jednego członu względem drugiego, oraz przeguby pryzmatyczne umożliwiające ruch postępowy pomiędzy członami.

3 Układ sterowania Jednostka sterownicza w przypadku stosowania komputerowego sterowania robota zawiera główny pulpit sterowniczy maszyny ze wskaźnikami oraz przyciskami do ręcznego sterownia i wprowadzania informacji. W obecnie produkowanych robotach przemysłowych nieodłącznym elementem układu sterowania jest ręczny panel sterujący. Za pomocą takiego panelu można ręcznie sterować robotem, pisać program sterujący, uruchomić, zatrzymywać programy.

4 Parametry opisujące manipulatory i roboty Typowy manipulator robota można modelować jako łańcuch sztywnych członów nazywanych ogniwami. Ogniwa są połączone za pomocą złączy. Łańcuchy kinematyczne można podzielić na trzy grupy: -proste otwarte -proste zamknięte -złożone Najczęściej manipulator robota jest zbudowany w postaci łańcucha otwartego prostego. Dwa ogniwa manipulatora połączone złączem tworzą parę kinematyczną. Sposób połączenia w parze kinematycznej (nałożone więzy) określają klasę pary kinematycznej. W zależności od ilości nałożonych więzów wyróżniamy klasy od I do V. W konstrukcjach robotów dominują połączenia klasy V, dające tylko jeden stopień swobody mechanicznej w parze kinematycznej (obrót lub przesunięcie).

5 Manipulatory i roboty przemysłowe najczęściej posiadają otwarty łańcuch kinematyczny. Łańcuchy te składają się z kilku ogniw czynnych umożliwiających przestrzenne przemieszczanie i orientacje końcówki roboczej, czyli efektora. Liczba stopni swobody jest to ilość zmiennych położenia, jaką należy podać w celu określenia układu w przestrzeni. W celu wyznaczenia liczby stopni swobody korzysta się ze wzoru: gdzie: w - liczba stopni swobody n - liczba członów ruchomych p i - liczba połączeń odpowiedniego rodzaju w Jak łatwo można zauważyć liczba stopni swobody otwartego łańcucha kinematycznego jest równa liczbie par kinematycznych klasy piątej, obrotowych i przesuwnych.

6 Z ilością stopni swobody manipulatora związane jest pojęcie robota redundantnego (nadmiarowego). Robot redundantny to taki robot, w którym liczba stopni swobody jest większa od liczby zmiennych koniecznych do opisu położenia. Np. pokazany obok płaski robot posiadający 3 złącza obrotowe (3 stopnie swobody), a do opisu położenia konieczne są dwie zmienne. Y Jednostkę kinematyczną manipulatora tworzy mechanizm kinematyczny wraz z dołączonymi napędami. Mechanizm maszyny manipulacyjnej określają dwa parametry kinematyczne: 1. ruchliwość - liczba stopni swobody łańcucha kinematycznego mechanizmu z unieruchomionym członem - podstawą; 2. manewrowość - liczba stopni swobody łańcucha kinematycznego mechanizmu z unieruchomionymi: członem - podstawą i członem - ostatnim w łańcuchu kinematycznym; X Pierwszy z tych parametrów określa liczbę więzów, jaką należałoby nałożyć na mechanizm, aby go całkowicie unieruchomić. Drugi - podobnie, ale po dodatkowym jeszcze unieruchomieniu ostatniego wolnego członu, a więc określa swobodę ruchu mechanizmu w przypadku gdy np. chwytak lub narzędzie jednostki kinematycznej zajmuje ściśle określone położenie.

7 Dokładność i powtarzalność Innymi istotnymi parametrami opisującymi manipulatory i roboty są dokładność i powtarzalność. Dokładność manipulatora określa jak blisko manipulator może dojść do zadanego punktu w przestrzeni roboczej. Na dokładność manipulatora wpływają: - błędy obliczeniowe - dokładność obróbki poszczególnych elementów konstrukcyjnych - elastyczność poszczególnych członów - luzy w przekładniach - oraz wiele innych elementów statycznych i dynamicznych Powtarzalność jest wielkością określającą jak blisko manipulator może dojść do pozycji uprzednio osiągniętej. Na powtarzalność wpływa w pierwszym rzędzie rozdzielczość układu sterowania. Przez rozdzielczość układu sterowania należy rozumieć najmniejszy przyrost ruchu, który układ sterowania może rozpoznać. Przeguby pryzmatyczne zwykle mają większą rozdzielczość niż złącza obrotowe, gdyż najkrótszą drogą pomiędzy dwoma punktami w przestrzeni jest linia prosta.

8 Podstawową metodą pomiaru położenia końca efektora jest pomiar zmian położenia w poszczególnych złączach. W robotach przemysłowych praktycznie nie stosuje się bezpośredniego pomiaru końca efektora, spowodowane jest to wysoką ceną i wrażliwością na zakłócenia takich czujników. Najczęściej pozycję narzędzia oblicza się na podstawie przemieszczeń odczytanych na poszczególnych złączach, jednak aby otrzymane położenie było dokładne należy założyć geometrię manipulatora i jego sztywność. Osie obrotowe mają wiele zalet, należą do nich między innymi większa zwinność ruchu oraz zwartość konstrukcji osi obrotowych. Tak więc manipulatory wykonane z członów obrotowych zajmują mniej miejsca niż manipulatory z członami liniowymi, dlatego też manipulatory z członami obrotowymi są bardziej przystosowane do manewrowania wokół przeszkód i współpracy z innymi manipulatorami w jednej przestrzeni roboczej.

9 Przestrzeń robocza: całkowity obszar, do którego sięga końcówka robota przy pełnych zakresach możliwych ruchów; ograniczona jest przez geometrię robota i mechaniczne ograniczenia ruchów Przestrzeń robocza osiągalna: całkowity zbiór punktów osiągalnych przez końcówkę robota; jest ona podzbiorem przestrzeni roboczej. Przestrzeń robocza pełnej sprawności: całkowity zbiór punktów osiągalnych przez końcówkę robota z dowolną zadaną orientacją; jest ona podzbiorem przestrzeni roboczej osiągalnej.

10 Struktury kinematyczne Pod pojęciem struktury kinematycznej łańcucha lub mechanizmu rozumie się określenie schematu kinematycznego w postaci szkicu, wykorzystującego oznaczenia członów i połączeń par kinematycznych. 1. Konfiguracja kartezjańska (PPP) Manipulator, którego trzy pierwsze złącza są pryzmatyczne, jest nazywany manipulatorem kartezjańskim. Struktura kartezjańska PPP Przestrzeń robocza Dla manipulatora kartezjańskiego zmienne przegubowe są współrzędnymi kartezjańskimi końcówki roboczej względem podstawy. Biorąc pod uwagę opis kinematyki tego manipulatora jest on najprostszy spośród wszystkich konfiguracji.

11 2. Konfiguracja cylindryczna (RPP) Pierwsze złącze jest obrotowe i wykonuje obrót względem podstawy, podczas gdy następne złącza są przesuwne (pryzmatyczne). W takiej strukturze zmienne złączowe są jednocześnie współrzędnymi cylindrycznymi końcówki roboczej względem podstawy, a przestrzenią roboczą jest niepełny cylinder. Struktura cylindryczna RPP Przestrzeń robocza

12 3. Konfiguracja sferyczna (RRP) W konfiguracji sferycznej dwa pierwsze złącza są obrotowe a trzecie jest pryzmatyczne. Konfiguracja sferyczna RRP Przestrzeń robocza

13 4. Konfiguracja SCARA (RRP) Konfiguracja SCARA (Selective Compliant Articulated Robot for Assembly), obecnie jedna z często występujących struktur w przemyśle. Konfiguracja SCARA (RRP) Przestrzeń robocza Głównym przeznaczeniem tej klasy manipulatorów jest montaż elementów i podzespołów oraz powtarzalne przenoszenie detali oraz ich sortowanie. Strukturę tę również wykorzystuje się do tworzenia obwodów drukowanych w elektronice. RH-5AH firmy MITSUBISHI YK1000X firmy YAMAHA Adeptthree firmy ADEPT

14 5. Konfiguracja stawowa (antropomorficzna) (RRR) Do grupy manipulatorów antropomorficznych zalicza się te manipulatory które posiadają strukturę składającą się z trzech złączy obrotowych. Konfiguracja antropomorficzna (RRR) Przestrzeń robocza Mitsubishi RV-2AJ IRB-140 (ABB) IRB-6600 (ABB)

15 konfiguracja oznaczenie zalety wady kartezjańska PPP 3 liniowe napędy, łatwość wizualizacji pracy, łatwa w programowaniu, duża sztywność cylindryczna RPP 2 liniowe napędy + 1 obrotowy pozwala osiągnąć położenie wokół siebie, ruch obrotowy łatwy w programowaniu antropomorficzna RRR 3 napędy obrotowe pozwalają omijać przeszkody, stosunkowo duża przestrzeń robocza, sferyczna RRP 1 napęd liniowy + 2 obrotowe dają stosunkowo duży zasięg poziomy Wymaga dużego miejsca do pracy Niewykonalne osiągnięcie położenia efektora ponad manipulatorem, niewygodna w omijaniu przeszkód Struktura trudna do programowania, 2 lub 4 sposoby osiągnięcia pozycji w przestrzeni, najbardziej skomplikowana struktura niewygodna w omijaniu przeszkód, stosunkowo mały zasięg pionowy SCARA RRP 1 napęd liniowy + 2 obrotowe, duża sztywność manipulatora, stosunkowo duża i nieskomplikowana przestrzeń robocza 2 możliwości osiągnięcia pozycji w przestrzeni roboczej, trudna do sterowania, bardzo skomplikowana struktura ramienia.

16 Końcówka sferyczna i chwytaki robotów Końcówką (kiścią) lub sprzęgiem manipulatora nazywa się przegub pomiędzy ramieniem a dłonią. Przeguby kiści są prawie zawsze obrotowe. Wiele manipulatorów wyposażonych jest w kiść sferyczną, której osie przegubów przecinają się w jednym punkcie. Schemat kiści sferycznej przedstawiono na rysunku. Kiść o takiej strukturze w dużym stopniu upraszcza analizę kinematyki manipulatora oraz pozwala w prosty sposób rozdzielić pozycjonowanie i orientowanie obiektu. - obrót (roll) - nachylenie (pitch) - odchylenie (yaw) Jednym z najważniejszych elementów manipulatora jest końcówka robocza, często nazywana efektorem lub chwytakiem, natomiast ramię i kiść, tworzące manipulator, są używane przede wszystkim do pozycjonowania końcówki roboczej i narzędzia.

17 Chwytak jest niezbędnym wyposażeniem jednostki kinematycznej maszyny manipulacyjnej wykonującej w procesie produkcyjnym zadanie transportowe. Zadanie transportowania obiektu przez maszynę manipulacyjną składa się z trzech elementarnych czynności: - pobrania obiektu - trzymania obiektu w trakcie jego transportowania - uwolnienia obiektu w miejscu docelowym Chwytak jest urządzeniem nakładającym na transportowany obiekt tyle ograniczeń swobody ruchu, ile potrzeba do zapewnienia pożądanego w danym procesie produkcyjnym przebiegu transportowania. Ograniczenia swobody ruchu transportowego obiektu realizowane są dwoma sposobami: - przez wytworzenie pola sił działających na obiekt - chwytanie siłowe - przez wytworzenie połączeń między elementami chwytaka i obiektem, których więzy odbierają obiektowi żądaną liczbę stopni swobody - chwytanie kształtowe Ze względu na zasadnicze różnice w budowie wyróżnia się chwytaki: - ze sztywnymi końcówkami chwytnymi - ze sprężystymi końcówkami chwytnymi - z elastycznymi końcówkami chwytnymi - adhezyjne (podciśnieniowe, magnetyczne) - specjalne urządzenia chwytające.

18 W zależności od sposobu przemieszczania się końcówek chwytnych pod wpływem siły wytworzonej przez mechanizm napędowy wyróżnia się ruch końcówek: nożycowy szczypcowy imadłowy Można wyróżnić również chwytaki przeznaczone do chwytu zewnętrznego i chwytu wewnętrznego.

19 Chwytaki siłowe podczas chwytania działają na obiekt manipulacji siłami w stronę powierzchni obiektu albo przeciwnie - od obiektu w kierunku chwytania. W pierwszym przypadku, charakterystycznym dla chwytania dwiema przeciwległymi końcówkami, na obiekt działają dwie równe, co do wartości, przeciwnie skierowane siły. Na powierzchni obiektu powstają naprężenia, a w czasie manipulowania obiektem pojawia się siła tarcia statycznego, przeciwdziałająca przemieszczaniu się obiektu względem chwytaka. W praktyce stosowane jest często chwytanie siłowo-kształtowe. Końcówki chwytne chwytaka swoim kształtem ograniczają swobodę ruchu obiektu i jednocześnie działając na obiekt siłami uniemożliwiają mu przemieszczanie się w kierunkach niezabezpieczonych ograniczeniami kształtowymi. Sztywno zamocowane do mechanizmu napędowego końcówki chwytne, nieodkształcalne przy wywieraniu nacisku na powierzchnie obiektu manipulacji, stwarzają możliwość łatwego przystosowania chwytaka dla różnych obiektów i do różnych warunków procesu manipulacji obiektem. Wymiana kształtowych nasadek końcówek chwytnych umożliwia uchwycenie obiektu o dowolnych kształtach i wymiarach.

20 Elastyczne końcówki chwytne zmieniając swój kształt pod wpływem dostarczonej energii (zwykle sprężonego powietrza) oddziaływują na obiekt manipulacji w taki sposób, że powodują jego siłowo-kształtowe unieruchomienie. W przykładowym rozwiązaniu konstrukcyjnym chwytaka z elastycznymi końcówkami dwie umieszczone przeciwległe końcówki chwytne wykonane ze specjalnie wyprofilowanego elastomeru mają nierówne pola powierzchni i pod wpływem sprężonego powietrza podawanego do ich wnętrza odkształcają się łukowo.

21 Chwytaki podciśnieniowe Ze względu na prostotę konstrukcji chwytaków podciśnieniowych, niewielki ciężar i zwykle mały koszt wykonania, chwytaki te są powszechnie stosowane. Jednak ich zastosowanie ograniczone jest następującymi warunkami: - przenoszone mogą być tylko te obiekty, które mają powierzchnię płaską lub kulistą o dużej gładkości - niezbędna jest szczelność przyssawki - trwałości przyssawki gumowej jest niewielka - ograniczona temperatura stosowania - między przyssawką a obiektem powinna powstać siła tarcia statycznego Chwytaki magnetyczne W chwytakach magnetycznych, w celu wytworzenia pola sił działającego na ferromagnetyczny obiekt manipulacji stosuje się: magnesy trwałe, elektromagnesy oraz układy zbudowane z magnesów trwałych i elektromagnesów. W chwytaku z magnesem trwałym obiekt trzymany jest dzięki działaniu sił pola magnetycznego, a jego uwolnienie dokonywane jest mechanicznie np. za pomocą dodatkowego siłownika. W chwytakach z elektromagnesem obiekt trzymany jest w czasie przepływu prądu przez uzwojenie.

22 Podstawowymi czujnikami, w jakie wyposażone są chwytaki maszyn manipulacyjnych stosowanych współcześnie w robotyzacji procesów produkcyjnych, są: - czujniki zbliżenia chwytaka lub końcówek chwytnych do obiektu - czujniki dotyku końcówek chwytnych do powierzchni obiektu - czujniki nacisku końcówek chwytnych na obiekt