WORKING MODEL 2D Instrukcja laboratoryjna 3.

Transkrypt

1 WORKING MODEL 2D Instrukcja laboratoryjna 3. Wstęp teoretyczny. Kiśći chwytaki robotów Kiściąsferycznąlub sprzęgiem manipulatora nazywa sięprzegub pomiędzy ramieniem a dłonią, zaznaczyćnależy, iżprzeguby kiści sąprawie zawsze obrotowe. Wiele manipulatorów wyposażonych jest w kiśćsferyczną, której osie przegubów przecinająsięw jednym punkcie. Schemat kiści sferycznej przedstawiono na rys.1 Kiśćo takiej strukturze w dużym stopniu upraszcza analizękinematyki manipulatora oraz pozwala w prosty sposób rozdzielić pozycjonowanie i orientowanie obiektu. Uważa się, iżjednym z najważniejszych elementów manipulatora jest końcówka robocza, często nazywana efektorem lub chwytakiem, natomiast ramięi kiść, tworzące manipulator, są używane przede wszystkim do pozycjonowania końcówki roboczej i narzędzia. Struktura (OOO) O - odchylenie (yaw) O - nachylenie (pitch) O - obrót (roll) Rys.1 Schemat kiści sferycznej Chwytak jest niezbędnym wyposażeniem jednostki kinematycznej maszyny manipulacyjnej wykonującej w procesie produkcyjnym zadanie transportowe. Zadanie transportowania obiektu przez maszynęmanipulacyjnąskłada sięz 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 sądwoma sposobami: przez wytworzenie pola siłdziałających na obiekt - chwytanie siłowe (rys.2); przez wytworzenie połączeńmiędzy elementami chwytaka i obiektem, których więzy odbierająobiektowi żądanąliczbęstopni swobody - chwytanie kształtowe (rys.3).

2 1. obiekt manipulacji 2. elementy chwytające 3. nasadki na obiekt Rys.2 Sposób chwytania siłowy Rys.3 Chwytanie kształtowe Oba sposoby oddziaływania powinny byćna tyle skuteczne, aby w czasie transportowania, na skutek powstania siłodśrodkowych i bezwładności, obiekt nie zmieniłprzypadkowo swego położenia względem określonych elementów chwytaka. Ogromna różnorodnośćobiektów manipulacji sprawiła, że chwytaki sąobecnie najbardziej zróżnicowanym konstrukcyjnie zespołem maszyny. Wiele czynników ma zasadniczy wpływ na uchwycenie obiektu np. właściwości manipulowanego obiektu, właściwości chwytne chwytaka, błąd wzajemnego ustawienia obiektu i chwytaka przez jednostkękinematycznąmaszyny manipulacyjnej. Istotny wpływ na warunki uchwycenia obiektu mająnastępujące właściwości obiektu: masa, położenie środka ciężkości, moment bezwładności, kształt i parametry geometryczne, tolerancje wykonania miejsc uchwycenia, odpornośćna naprężenia zewnętrzne. Klasyfikacja chwytaków W tym podpunkcie zaproponowano następujące kryteria podziału rozwiązań konstrukcyjnych chwytaków maszyn manipulacyjnych: realizowany sposób chwytania budowę parametry użytkowe system mocowania i wymiany w jednostce kinematycznej maszyny manipulacyjnej wyposażenie dodatkowe. Ze względu na realizowany sposób chwytania wyróżnia sięchwytaki: siłowe, sposób chwytania siłowego przedstawiono na rys.2 kształtowe, sposób chwytania kształtowego przedstawiono na rys.3 W przypadku chwytaków siłowych siły oddziałujące na obiekt manipulacji mogąbyćtypu: naprężającego (ściskającego, rozciągającego) przyciągającego Ze względu na zasadnicze różnice w budowie wyróżniono chwytaki: ze sztywnymi końcówkami chwytnymi ze sprężystymi końcówkami chwytnymi z elastycznymi końcówkami chwytnymi adhezyjne (podciśnieniowe, magnetyczne) specjalne urządzenia chwytające.

3 W zależności od sposobu przemieszczania siękońcówek chwytnych pod wpływem siły wytworzonej przez mechanizm napędowy wyróżnia sięruch końcówek: nożycowy, zilustrowany na rys.4 szczypcowy, przedstawiony na rys.5 imadłowy, pokazany na rys.6 Rys.4 Nożycowy sposób przemieszczania końcówek chwytnych Rys.5 Szczypcowy sposób przemieszczania końcówek chwytnych chwytaków Rys.6 Imadłowy sposób przemieszczania końcówek chwytnych chwytaków Podziałchwytaków ze względu na parametry użytkowe może dotyczyć: dysponowanej siły chwytu granicznych wymiarów chwytanego obiektu dopuszczalnych kształtów obiektu czasu uchwycenia obiektu manipulacji. Rys.7 chwytak zewnętrzny Rys.8 chwytak wewnętrzny

4 Można wyróżnićrównieżchwytaki przeznaczone do chwytu zewnętrznego (rys.7) i chwytu wewnętrznego (rys.8). Chwytaki siłowe Chwytaki siłowe podczas chwytania działająna obiekt manipulacji siłami w stronę powierzchni obiektu albo przeciwnie - od obiektu w kierunku chwytania. W pierwszym przypadku, charakterystycznym dla chwytania dwiema przeciwległymi końcówkami (rys.9), na obiekt działajądwie równe, co do wartości, przeciwnie skierowane siły. Na powierzchni obiektu powstająnaprężenia, a w czasie manipulowania obiektem pojawia sięsiła tarcia statycznego, przeciwdziałająca przemieszczaniu sięobiektu względem chwytaka. W praktyce stosowane jest często chwytanie siłowo-kształtowe. Końcówki chwytne chwytaka swoim kształtem ograniczająswobodęruchu obiektu i jednocześnie działając na obiekt siłami uniemożliwiająmu przemieszczanie sięw kierunkach niezabezpieczonych ograniczeniami kształtowymi. Rys.9 Schemat chwytaka - widok z góry Chwytaki ze sztywnymi końcówkami Sztywno zamocowane do mechanizmu napędowego końcówki chwytne, nieodkształcalnej przy wywieraniu nacisku na powierzchnie obiektu manipulacji, stwarzają możliwośćłatwego przystosowania chwytaka dla różnych obiektów i do różnych warunków procesu manipulacji obiektem. Wymiana kształtowych nasadek końcówek

5 chwytnych umożliwia uchwycenie obiektu o dowolnych kształtach i wymiarach. Kątowy lub linowe przemieszczenie końcówek chwytnych, a także zakres tych przemieszczeńoraz wartośćsiły chwytu zależąod struktury kinematycznej i parametrów geometrycznych mechanizmu chwytaka. Jako kryterium klasyfikacyjne rozwiązańkonstrukcyjnych mechanizmów chwytaków ze sztywnymi końcówkami przyjęto liczbęi rodzaj par kinematycznych. Rys.10 Rozwiązanie mechanizmu chwytaka zawierającego tylko pary klasy V. Rys.11 Chwytak realizujący szczypcowy ruch końcówek Najprostszym rozwiązaniem mechanizmu chwytaka zawierającego wyłącznie pary kinematyczne V klasy jest siłownik, którego cylinder jest połączony sztywno z jedną końcówkąchwytaka, a tłok bezpośrednio lub pośrednio przez dzwigniędwuramiennąz końcówkądrugą(rys.10). Częstym rozwiązaniem tego typu chwytaków jest urządzenie realizujące szczypcowy ruch końcówek (rys.11) Zaletąchwytaków wyposażonych w mechanizm zawierający wyłącznie pary kinematyczne V klasy jest prosta budowa połączeńw parach kinematycznych, zapewniające zwartośći ułatwiająca wykonanie konstrukcji. Przez zastosowanie łożysk tocznych w obrotowych parach kinematycznych wpływ siłtarcia można ograniczyćdo minimum. Do niedogodności natomiast należy zaliczyć: obciążenie napędu mechanizmu siłami bocznymi w przypadku niesymetrycznego obciążenia końcówek chwytnych zależności siłtarcia od położenia końcówek chwytnych zmienności siły chwytu w całym zakresie chwytania, niezmiennośćpoczątkowego i końcowego położenia końcówek chwytnych, tym samym stały zakres ich przemieszczania

6 ciśnienie robocze maksymalna częstotliwośćrobocza chwytaka temperatura pracy minimalny czas otwarcia przy 6 [bar] minimalny czas zamknięcia przy 6 [bar] Siła chwytu przy 6 [bar], otwieranie Siła chwytu przy 6 [bar], zamykanie Maksymalna siła statyczna na palcu chwytaka Maksymalna siła dynamiczna na palcu chwytaka p = 2 8 [bar] c = 4 [Hz] T= [ms] 10 [ms] 150[N] 130 [N] F statyczne,max = 90 [N] Fdynamiczne,max= 9 [N] Podstawowe parametry Chwytaka HGD-32-A firmy FESTO Rysunek techniczny chwytaka trójpalczastego Rysunek techniczny palca chwytaka Chwytaki z elastycznymi końcówkami Elastyczne końcówki chwytne zmieniając swój kształt pod wpływem dostarczonej energii (zwykle sprężonego powietrza) oddziaływająna obiekt manipulacji w taki sposób, że powodująjego siłowo-kształtowe unieruchomienie. W przykładowym rozwiązaniu

7 konstrukcyjnym chwytaka z elastycznymi końcówkami dwie umieszczone przeciwległe końcówki chwytne wykonane ze specjalnie wyprofilowanego elastomeru mająnierówne pola powierzchni i pod wpływem sprężonego powietrza podawanego do ich wnętrza odkształcają sięłukowo (rys.12). Do zalet chwytaków z elastycznymi końcówkami, dzięki którym znajdująone coraz większe zastosowanie, należy zaliczyć: możliwośćchwytania przedmiotów kruchych (np. szkło), z narażonymi na uszkodzenie powłokami, różniących siękształtem i wymiarem możliwośćbudowania chwytaków o wielu końcówkach - dużą uniwersalność rozwiązań możliwośćłatwego nastawienia wartości siły chwytu przez zmianęwartości ciśnienia w końcówkach dobre przyleganie do powierzchni obiektu manipulacji tanie wykonanie i prosty montaż Rys.12 Przykład chwytaka z elastycznymi końcówkami na przykładzie rozwiązania firmy CARL FREUDENBERG. Do zalet chwytaków z elastycznymi końcówkami, dzięki którym znajdująone coraz większe zastosowanie, należy zaliczyć: możliwośćchwytania przedmiotów kruchych (np. szkło), z narażonymi na uszkodzenie powłokami, różniących siękształtem i wymiarem możliwośćbudowania chwytaków wielokońcówkowych - dużąuniwersalność rozwiązań możliwośćłatwego nastawienia wartości siły chwytu przez zmianęwartości ciśnienia w końcówkach dobre przyleganie do powierzchni obiektu manipulacji tanie wykonanie i prosty montaż Chwytaki podciśnieniowe Ze względu na prostotękonstrukcji chwytaków podciśnieniowych, niewielki ciężar i zwykle mały koszt wykonania, chwytaki te sąpowszechnie stosowane. Jednak ich zastosowanie ograniczone jest następującymi warunkami: przenoszone mogąbyćtylko te obiekty, które mająpowierzchniępłaskąlub kulistąo dużej gładkości niezbędna jest szczelnośćprzyssawki - przeszkodąjest występowanie drobin (opiłków metali) między obrzeżem przyssawki, a powierzchniąchwytanego obiektu;

8 ze względu na określone pojemności urządzenia oraz konieczności wytworzenia określonej wartości podciśnienia, czas uchwycenia jest większy niżw przypadku innych chwytaków; trwałości przyssawki gumowej jest niewielka ograniczona temperatura stosowania (do 400 C dla wyższych temp. nawet do 1200 C stosuje sięprzyssawki z poliuretanu ) między przyssawkąa obiektem powinna powstaćsiła tarcia statycznego dla zapewnienia zwolnienia obiektu należy po połączenia kolektora próżniowego z atmosferą, w celu przezwyciężenia częstego zjawiska tzw. Przyssania obrzeża przyssawki, wprowadzićdo czaszy przyssawki dodatkowy krótkotrwały impuls ciśnieniowy chwytaki te sąprzyczynąhałasu powstającego w wyniku rozprężenia gazu, przez zastosowanie tłumików możliwe jest zredukowanie hałasu do kilkunastu db. Zasada budowy chwytaka podciśnieniowego została przedstawiona. 1. obiekt manipulacji 2. elastyczna przyssawka o powierzchni czaszy A 3. kolektor próżniowy Rys. Budowa chwytaka podciśnieniowego Najczęściej w procesie manipulacji z wykorzystaniem chwytaków podciśnieniowych (przyssawek) wykorzystuje sięspecjalnie zaprojektowane urządzenia wyposażone w odpowiedniąilośćprzyssawek. Dobór oraz liczba przyssawek jest związana z obliczeniami. Rys. Schemat przyssawki

9 Chwytaki magnetyczne W chwytakach magnetycznych, w celu wytworzenia pola siłdziałającego 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 siłpola 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. 1. obiekt manipulacji 2. rdzeńelektromagnesu 3. uzwojenie elektromagnesu Rys. Budowa chwytaka elektromagnetycznego W chwytakach z magnesem stałym i elektromagnesem obiekt jest trzymany przez magnes, a siłchwytu zwiększana dodatkowo podczas manipulowania obiektem przez włączenie prądu w uzwojeniu elektromagnesu. Uwolnienie obiektu następuje w tych przypadkach przez zmianę biegunowości elektromagnesu. Niedogodności stosowania chwytaków magnetycznych związane sąz: możliwościąchwytania obiektów wykonanych wyłącznie z materiałów ferromagnetycznych gwałtownymi przemieszczeniami obiektu manipulacji przy zbliżeniu sięchwytaka (powoduje to utratędokładności położenia początkowego obiektu) występowaniem magnetyzmu szczątkowego, który powoduje m.in. przyciąganie drobin metalowych oraz utrudnia uwolnienie obiektu; zmniejszenie sięsiły chwytu na skutek zabrudzenia miejsca uchwycenia np. opiłkami wydzielaniem sięciepła w uzwojeniu elektromagnesu. Ze względu na zmianęwłaściwości ferromagnetycznych maksymalna temperatura pracy chwytaków elektromagnetycznych wynosi ok C. Wyposażenie chwytaków Standardowo wykonane chwytaki mogąbyćwyposażone dodatkowo w różnego rodzaju elementy, zespoły lub mechanizmy, które umożliwiajązmianęlub poprawęwarunków chwytania obiektu manipulacji albo pozwalająna równoległe do operacji manipulowania wykonywanie pewnych czynności technologicznych. Typowym wyposażeniem chwytaków są: wymienne nakładki na końcówki chwytne, czujniki oraz pomocnicze urządzenia i narzędzia technologiczne. Ze względu na różnorodnośćobiektów manipulacji oraz zmieniające sięwarunki pracy maszyny manipulacyjnej, nakładki na końcówki chwytne mogąpełnićnastępujące zadania: chwytanie obiektu o ściśle określonym kształcie, chwytanie obiektu o ściśle określonym kształcie, chwytanie obiektu o różnych wymiarach, ustawienie powierzchni styku końcówki

10 chwytnej z obiektem według wymagańprocesu produkcyjnego, zapewnienie elastycznego styku końcówki chwytnej z powierzchniąchwytanego obiektu, powodowanie żądanych w procesie produkcyjnym trwałych deformacji obiektu manipulacji w miejscu uchwycenia, izolowanie cieplne chwytaka. Na rys.13 i rys14 przedstawiono dwa różne sposoby wykorzystania nakładek. Chwytanie obiektów o różnych wymiarach umożliwiająw pierwszym przypadku nakładki wymienne (rys.13), w drugim - stałe, ale rozmieszczone w różnych miejscach końcówki chwytnej (rys.14). 1. końcówka chwytna 2. nakładka Rys.13 Nakładki wymienne na końcówki chwytne chwytaka Rys.14 Stałe nakładki rozmieszczone w różnych miejscach chwytaka. Podstawowymi czujnikami, w jakie wyposażone sąchwytaki 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 Czujniki zbliżenia umożliwiająbezdotykowe zebranie wybranych informacji o obiekcie manipulacji. Jako czujniki zbliżenia wykorzystuje sięprzeważnie przetworniki indukcyjne, pojemnościowe oraz optyczne. Jako czujniki dotyku wykorzystuje sięz reguły elementy stykowe umieszczone w korpusie chwytaka w taki sposób, aby przemieszczenie końcówki chwytnej powodowało ich przełączenie.

11 Dla pomiaru nacisku końcówek chwytnych na obiekt manipulacji, wykorzystuje się przetworniki tensometryczne. Przez porównanie sygnału wyjściowego z układu pomiaru odkształceńw końcówkach chwytnych z zadanąwartościąprogowąmożna uzyskać informacjęo uchwyceniu obiektu z odpowiedniąwartościąsiły chwytu. Pomocnicze urządzenia i narzędzia technologiczne stosowane jako wyposażenie chwytaków mogąrealizowaćm.in. zadania: technologiczne, których wykonanie w trakcie manipulacji nie wpływa na pewność uchwycenia obiektu; eliminowania niedokładności wzajemnego ustawienia obiektu manipulacji i końcówek chwytnych albo obiektu manipulacji i urządzenia mocującego maszyny technologicznej; właściwego ukierunkowania (zorientowania) obiektu manipulacji. Niektóre z tych urządzeńmogąstanowićintegralnączęśćmechanizmu chwytaka, inne są mocowane na korpusie chwytaka i sterowane lub napędzane całkowicie niezależnie. Do realizacji zadańroboczych stosowane sąm.in.: różnego rodzaju nożyce np. do obcinania układów wlewowych transportowanych przez maszynęmanipulacyjnąodlewów, dysze kierujące na obiekt strumieńsprężonego powietrza w celu jego oczyszczenia oraz różnego rodzaju układy pomiarowe, kontrolujące poprawnośćwykonanej uprzednio operacji technologicznej. Przeniesienie napędu chwytaka Niezwykle istotnym elementem chwytaków oraz innych urządzeńmechanicznych jest sposób przeniesienia napędu. Najczęściej spotykane układy przeniesienia napędu dla chwytaków przedstawione zostały na poniższych rysunkach zebranych w tabeli 1: napęd dźwigniowy napęd zębaty napęd klinowy Tabela 1 Sposoby przeniesienia napędu napęd jarzmowy Przykład rozwiązania konstrukcyjnego chwytaka z napędem zębatym zostałprzedstawiony na rys.15

12 Rys.15 Rozwiązanie konstrukcyjne chwytaka z napędem zębatym. Obecnie obserwuje siędwa kierunku rozwoju budowy chwytaków. Chwytaki uniwersalne o budowie zbliżonej do budowy ludzkiej ręki i chwytaki specjalizowane do pracy z jednym rodzajem przedmiotów. Właściwy dobór chwytaka ma decydujące znaczenie dla prawidłowego przebiegu procesu manipulacji. Metodyka projektowania chwytaka polega na: 1. wyborze sposobu uchwycenia 2. wyborze typu chwytaka (zasady działania) 3. dobraniu parametrów konstrukcyjnych chwytaka 4. przystosowaniu końcówek chwytnych do kształtu powierzchni obiektu WORKING MODEL Wykonaj model chwytaka: a) z napędem -dźwigniowym, -klinowym Spróbuj wykonaćpozostałe napędy!! Przykładowo: Chwytak klinowy: Koło i silnik stanowiąnapęd, aby zademonstrować, w jaki sposób porusza sięchwytak.

13

14 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. CLTM Automatyka i Robotyka. WORKING MODEL 2D Instrukcja laboratoryjna 3. Wstęp teoretyczny. Kiśći chwytaki robotów Kiściąsferycznąlub sprzęgiem manipulatora nazywa sięprzegub pomiędzy ramieniem a dłonią, zaznaczyćnależy, iżprzeguby kiści sąprawie zawsze obrotowe. Wiele manipulatorów wyposażonych jest w kiśćsferyczną, której osie przegubów przecinająsięw jednym punkcie. Schemat kiści sferycznej przedstawiono na rys.1 Kiśćo takiej strukturze w dużym stopniu upraszcza analizękinematyki manipulatora oraz pozwala w prosty sposób rozdzielić pozycjonowanie i orientowanie obiektu. Uważa się, iżjednym z najważniejszych elementów manipulatora jest końcówka robocza, często nazywana efektorem lub chwytakiem, natomiast ramięi kiść, tworzące manipulator, są używane przede wszystkim do pozycjonowania końcówki roboczej i narzędzia. Struktura (OOO) O - odchylenie (yaw) O - nachylenie (pitch) O - obrót (roll) Rys.1 Schemat kiści sferycznej Chwytak jest niezbędnym wyposażeniem jednostki kinematycznej maszyny manipulacyjnej wykonującej w procesie produkcyjnym zadanie transportowe. Zadanie transportowania obiektu przez maszynęmanipulacyjnąskłada sięz 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 sądwoma sposobami: przez wytworzenie pola siłdziałających na obiekt - chwytanie siłowe (rys.2); przez wytworzenie połączeńmiędzy elementami chwytaka i obiektem, których więzy odbierająobiektowi żądanąliczbęstopni swobody - chwytanie kształtowe (rys.3). 1

15 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. CLTM Automatyka i Robotyka. 1. obiekt manipulacji 2. elementy chwytające 3. nasadki na obiekt Rys.2 Sposób chwytania siłowy Rys.3 Chwytanie kształtowe Oba sposoby oddziaływania powinny byćna tyle skuteczne, aby w czasie transportowania, na skutek powstania siłodśrodkowych i bezwładności, obiekt nie zmieniłprzypadkowo swego położenia względem określonych elementów chwytaka. Ogromna różnorodnośćobiektów manipulacji sprawiła, że chwytaki sąobecnie najbardziej zróżnicowanym konstrukcyjnie zespołem maszyny. Wiele czynników ma zasadniczy wpływ na uchwycenie obiektu np. właściwości manipulowanego obiektu, właściwości chwytne chwytaka, błąd wzajemnego ustawienia obiektu i chwytaka przez jednostkękinematycznąmaszyny manipulacyjnej. Istotny wpływ na warunki uchwycenia obiektu mająnastępujące właściwości obiektu: masa, położenie środka ciężkości, moment bezwładności, kształt i parametry geometryczne, tolerancje wykonania miejsc uchwycenia, odpornośćna naprężenia zewnętrzne. Klasyfikacja chwytaków W tym podpunkcie zaproponowano następujące kryteria podziału rozwiązań konstrukcyjnych chwytaków maszyn manipulacyjnych: realizowany sposób chwytania budowę parametry użytkowe system mocowania i wymiany w jednostce kinematycznej maszyny manipulacyjnej wyposażenie dodatkowe. Ze względu na realizowany sposób chwytania wyróżnia sięchwytaki: siłowe, sposób chwytania siłowego przedstawiono na rys.2 kształtowe, sposób chwytania kształtowego przedstawiono na rys.3 W przypadku chwytaków siłowych siły oddziałujące na obiekt manipulacji mogąbyćtypu: naprężającego (ściskającego, rozciągającego) przyciągającego Ze względu na zasadnicze różnice w budowie wyróżniono chwytaki: ze sztywnymi końcówkami chwytnymi ze sprężystymi końcówkami chwytnymi z elastycznymi końcówkami chwytnymi adhezyjne (podciśnieniowe, magnetyczne) specjalne urządzenia chwytające. 2

16 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. CLTM Automatyka i Robotyka. W zależności od sposobu przemieszczania siękońcówek chwytnych pod wpływem siły wytworzonej przez mechanizm napędowy wyróżnia sięruch końcówek: nożycowy, zilustrowany na rys.4 szczypcowy, przedstawiony na rys.5 imadłowy, pokazany na rys.6 Rys.4 Nożycowy sposób przemieszczania końcówek chwytnych Rys.5 Szczypcowy sposób przemieszczania końcówek chwytnych chwytaków Rys.6 Imadłowy sposób przemieszczania końcówek chwytnych chwytaków Podziałchwytaków ze względu na parametry użytkowe może dotyczyć: dysponowanej siły chwytu granicznych wymiarów chwytanego obiektu dopuszczalnych kształtów obiektu czasu uchwycenia obiektu manipulacji. Rys.7 chwytak zewnętrzny Rys.8 chwytak wewnętrzny 3

17 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. CLTM Automatyka i Robotyka. Można wyróżnićrównieżchwytaki przeznaczone do chwytu zewnętrznego (rys.7) i chwytu wewnętrznego (rys.8). Chwytaki siłowe Chwytaki siłowe podczas chwytania działająna obiekt manipulacji siłami w stronę powierzchni obiektu albo przeciwnie - od obiektu w kierunku chwytania. W pierwszym przypadku, charakterystycznym dla chwytania dwiema przeciwległymi końcówkami (rys.9), na obiekt działajądwie równe, co do wartości, przeciwnie skierowane siły. Na powierzchni obiektu powstająnaprężenia, a w czasie manipulowania obiektem pojawia sięsiła tarcia statycznego, przeciwdziałająca przemieszczaniu sięobiektu względem chwytaka. W praktyce stosowane jest często chwytanie siłowo-kształtowe. Końcówki chwytne chwytaka swoim kształtem ograniczająswobodęruchu obiektu i jednocześnie działając na obiekt siłami uniemożliwiająmu przemieszczanie sięw kierunkach niezabezpieczonych ograniczeniami kształtowymi. Rys.9 Schemat chwytaka - widok z góry Chwytaki ze sztywnymi końcówkami Sztywno zamocowane do mechanizmu napędowego końcówki chwytne, nieodkształcalnej przy wywieraniu nacisku na powierzchnie obiektu manipulacji, stwarzają możliwośćłatwego przystosowania chwytaka dla różnych obiektów i do różnych warunków procesu manipulacji obiektem. Wymiana kształtowych nasadek końcówek 4

18 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. CLTM Automatyka i Robotyka. chwytnych umożliwia uchwycenie obiektu o dowolnych kształtach i wymiarach. Kątowy lub linowe przemieszczenie końcówek chwytnych, a także zakres tych przemieszczeńoraz wartośćsiły chwytu zależąod struktury kinematycznej i parametrów geometrycznych mechanizmu chwytaka. Jako kryterium klasyfikacyjne rozwiązańkonstrukcyjnych mechanizmów chwytaków ze sztywnymi końcówkami przyjęto liczbęi rodzaj par kinematycznych. Rys.10 Rozwiązanie mechanizmu chwytaka zawierającego tylko pary klasy V. Rys.11 Chwytak realizujący szczypcowy ruch końcówek Najprostszym rozwiązaniem mechanizmu chwytaka zawierającego wyłącznie pary kinematyczne V klasy jest siłownik, którego cylinder jest połączony sztywno z jedną końcówkąchwytaka, a tłok bezpośrednio lub pośrednio przez dzwigniędwuramiennąz końcówkądrugą(rys.10). Częstym rozwiązaniem tego typu chwytaków jest urządzenie realizujące szczypcowy ruch końcówek (rys.11) Zaletąchwytaków wyposażonych w mechanizm zawierający wyłącznie pary kinematyczne V klasy jest prosta budowa połączeńw parach kinematycznych, zapewniające zwartośći ułatwiająca wykonanie konstrukcji. Przez zastosowanie łożysk tocznych w obrotowych parach kinematycznych wpływ siłtarcia można ograniczyćdo minimum. Do niedogodności natomiast należy zaliczyć: obciążenie napędu mechanizmu siłami bocznymi w przypadku niesymetrycznego obciążenia końcówek chwytnych zależności siłtarcia od położenia końcówek chwytnych zmienności siły chwytu w całym zakresie chwytania, niezmiennośćpoczątkowego i końcowego położenia końcówek chwytnych, tym samym stały zakres ich przemieszczania 5

19 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. CLTM Automatyka i Robotyka. ciśnienie robocze maksymalna częstotliwośćrobocza chwytaka temperatura pracy minimalny czas otwarcia przy 6 [bar] minimalny czas zamknięcia przy 6 [bar] Siła chwytu przy 6 [bar], otwieranie Siła chwytu przy 6 [bar], zamykanie Maksymalna siła statyczna na palcu chwytaka Maksymalna siła dynamiczna na palcu chwytaka p = 2 8 [bar] c = 4 [Hz] T= [ms] 10 [ms] 150[N] 130 [N] F statyczne,max = 90 [N] Fdynamiczne,max= 9 [N] Podstawowe parametry Chwytaka HGD-32-A firmy FESTO Rysunek techniczny chwytaka trójpalczastego Rysunek techniczny palca chwytaka Chwytaki z elastycznymi końcówkami Elastyczne końcówki chwytne zmieniając swój kształt pod wpływem dostarczonej energii (zwykle sprężonego powietrza) oddziaływająna obiekt manipulacji w taki sposób, że powodująjego siłowo-kształtowe unieruchomienie. W przykładowym rozwiązaniu 6

20 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. CLTM Automatyka i Robotyka. konstrukcyjnym chwytaka z elastycznymi końcówkami dwie umieszczone przeciwległe końcówki chwytne wykonane ze specjalnie wyprofilowanego elastomeru mająnierówne pola powierzchni i pod wpływem sprężonego powietrza podawanego do ich wnętrza odkształcają sięłukowo (rys.12). Do zalet chwytaków z elastycznymi końcówkami, dzięki którym znajdująone coraz większe zastosowanie, należy zaliczyć: możliwośćchwytania przedmiotów kruchych (np. szkło), z narażonymi na uszkodzenie powłokami, różniących siękształtem i wymiarem możliwośćbudowania chwytaków o wielu końcówkach - dużą uniwersalność rozwiązań możliwośćłatwego nastawienia wartości siły chwytu przez zmianęwartości ciśnienia w końcówkach dobre przyleganie do powierzchni obiektu manipulacji tanie wykonanie i prosty montaż Rys.12 Przykład chwytaka z elastycznymi końcówkami na przykładzie rozwiązania firmy CARL FREUDENBERG. Do zalet chwytaków z elastycznymi końcówkami, dzięki którym znajdująone coraz większe zastosowanie, należy zaliczyć: możliwośćchwytania przedmiotów kruchych (np. szkło), z narażonymi na uszkodzenie powłokami, różniących siękształtem i wymiarem możliwośćbudowania chwytaków wielokońcówkowych - dużąuniwersalność rozwiązań możliwośćłatwego nastawienia wartości siły chwytu przez zmianęwartości ciśnienia w końcówkach dobre przyleganie do powierzchni obiektu manipulacji tanie wykonanie i prosty montaż Chwytaki podciśnieniowe Ze względu na prostotękonstrukcji chwytaków podciśnieniowych, niewielki ciężar i zwykle mały koszt wykonania, chwytaki te sąpowszechnie stosowane. Jednak ich zastosowanie ograniczone jest następującymi warunkami: przenoszone mogąbyćtylko te obiekty, które mająpowierzchniępłaskąlub kulistąo dużej gładkości niezbędna jest szczelnośćprzyssawki - przeszkodąjest występowanie drobin (opiłków metali) między obrzeżem przyssawki, a powierzchniąchwytanego obiektu; 7

21 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. CLTM Automatyka i Robotyka. ze względu na określone pojemności urządzenia oraz konieczności wytworzenia określonej wartości podciśnienia, czas uchwycenia jest większy niżw przypadku innych chwytaków; trwałości przyssawki gumowej jest niewielka ograniczona temperatura stosowania (do 400 C dla wyższych temp. nawet do 1200 C stosuje sięprzyssawki z poliuretanu ) między przyssawkąa obiektem powinna powstaćsiła tarcia statycznego dla zapewnienia zwolnienia obiektu należy po połączenia kolektora próżniowego z atmosferą, w celu przezwyciężenia częstego zjawiska tzw. Przyssania obrzeża przyssawki, wprowadzićdo czaszy przyssawki dodatkowy krótkotrwały impuls ciśnieniowy chwytaki te sąprzyczynąhałasu powstającego w wyniku rozprężenia gazu, przez zastosowanie tłumików możliwe jest zredukowanie hałasu do kilkunastu db. Zasada budowy chwytaka podciśnieniowego została przedstawiona. 1. obiekt manipulacji 2. elastyczna przyssawka o powierzchni czaszy A 3. kolektor próżniowy Rys. Budowa chwytaka podciśnieniowego Najczęściej w procesie manipulacji z wykorzystaniem chwytaków podciśnieniowych (przyssawek) wykorzystuje sięspecjalnie zaprojektowane urządzenia wyposażone w odpowiedniąilośćprzyssawek. Dobór oraz liczba przyssawek jest związana z obliczeniami. Rys. Schemat przyssawki 8

22 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. CLTM Automatyka i Robotyka. Chwytaki magnetyczne W chwytakach magnetycznych, w celu wytworzenia pola siłdziałającego 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 siłpola 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. 1. obiekt manipulacji 2. rdzeńelektromagnesu 3. uzwojenie elektromagnesu Rys. Budowa chwytaka elektromagnetycznego W chwytakach z magnesem stałym i elektromagnesem obiekt jest trzymany przez magnes, a siłchwytu zwiększana dodatkowo podczas manipulowania obiektem przez włączenie prądu w uzwojeniu elektromagnesu. Uwolnienie obiektu następuje w tych przypadkach przez zmianę biegunowości elektromagnesu. Niedogodności stosowania chwytaków magnetycznych związane sąz: możliwościąchwytania obiektów wykonanych wyłącznie z materiałów ferromagnetycznych gwałtownymi przemieszczeniami obiektu manipulacji przy zbliżeniu sięchwytaka (powoduje to utratędokładności położenia początkowego obiektu) występowaniem magnetyzmu szczątkowego, który powoduje m.in. przyciąganie drobin metalowych oraz utrudnia uwolnienie obiektu; zmniejszenie sięsiły chwytu na skutek zabrudzenia miejsca uchwycenia np. opiłkami wydzielaniem sięciepła w uzwojeniu elektromagnesu. Ze względu na zmianęwłaściwości ferromagnetycznych maksymalna temperatura pracy chwytaków elektromagnetycznych wynosi ok C. Wyposażenie chwytaków Standardowo wykonane chwytaki mogąbyćwyposażone dodatkowo w różnego rodzaju elementy, zespoły lub mechanizmy, które umożliwiajązmianęlub poprawęwarunków chwytania obiektu manipulacji albo pozwalająna równoległe do operacji manipulowania wykonywanie pewnych czynności technologicznych. Typowym wyposażeniem chwytaków są: wymienne nakładki na końcówki chwytne, czujniki oraz pomocnicze urządzenia i narzędzia technologiczne. Ze względu na różnorodnośćobiektów manipulacji oraz zmieniające sięwarunki pracy maszyny manipulacyjnej, nakładki na końcówki chwytne mogąpełnićnastępujące zadania: chwytanie obiektu o ściśle określonym kształcie, chwytanie obiektu o ściśle określonym kształcie, chwytanie obiektu o różnych wymiarach, ustawienie powierzchni styku końcówki 9

23 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. CLTM Automatyka i Robotyka. chwytnej z obiektem według wymagańprocesu produkcyjnego, zapewnienie elastycznego styku końcówki chwytnej z powierzchniąchwytanego obiektu, powodowanie żądanych w procesie produkcyjnym trwałych deformacji obiektu manipulacji w miejscu uchwycenia, izolowanie cieplne chwytaka. Na rys.13 i rys14 przedstawiono dwa różne sposoby wykorzystania nakładek. Chwytanie obiektów o różnych wymiarach umożliwiająw pierwszym przypadku nakładki wymienne (rys.13), w drugim - stałe, ale rozmieszczone w różnych miejscach końcówki chwytnej (rys.14). 1. końcówka chwytna 2. nakładka Rys.13 Nakładki wymienne na końcówki chwytne chwytaka Rys.14 Stałe nakładki rozmieszczone w różnych miejscach chwytaka. Podstawowymi czujnikami, w jakie wyposażone sąchwytaki 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 Czujniki zbliżenia umożliwiająbezdotykowe zebranie wybranych informacji o obiekcie manipulacji. Jako czujniki zbliżenia wykorzystuje sięprzeważnie przetworniki indukcyjne, pojemnościowe oraz optyczne. Jako czujniki dotyku wykorzystuje sięz reguły elementy stykowe umieszczone w korpusie chwytaka w taki sposób, aby przemieszczenie końcówki chwytnej powodowało ich przełączenie. 10

24 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. CLTM Automatyka i Robotyka. Dla pomiaru nacisku końcówek chwytnych na obiekt manipulacji, wykorzystuje się przetworniki tensometryczne. Przez porównanie sygnału wyjściowego z układu pomiaru odkształceńw końcówkach chwytnych z zadanąwartościąprogowąmożna uzyskać informacjęo uchwyceniu obiektu z odpowiedniąwartościąsiły chwytu. Pomocnicze urządzenia i narzędzia technologiczne stosowane jako wyposażenie chwytaków mogąrealizowaćm.in. zadania: technologiczne, których wykonanie w trakcie manipulacji nie wpływa na pewność uchwycenia obiektu; eliminowania niedokładności wzajemnego ustawienia obiektu manipulacji i końcówek chwytnych albo obiektu manipulacji i urządzenia mocującego maszyny technologicznej; właściwego ukierunkowania (zorientowania) obiektu manipulacji. Niektóre z tych urządzeńmogąstanowićintegralnączęśćmechanizmu chwytaka, inne są mocowane na korpusie chwytaka i sterowane lub napędzane całkowicie niezależnie. Do realizacji zadańroboczych stosowane sąm.in.: różnego rodzaju nożyce np. do obcinania układów wlewowych transportowanych przez maszynęmanipulacyjnąodlewów, dysze kierujące na obiekt strumieńsprężonego powietrza w celu jego oczyszczenia oraz różnego rodzaju układy pomiarowe, kontrolujące poprawnośćwykonanej uprzednio operacji technologicznej. Przeniesienie napędu chwytaka Niezwykle istotnym elementem chwytaków oraz innych urządzeńmechanicznych jest sposób przeniesienia napędu. Najczęściej spotykane układy przeniesienia napędu dla chwytaków przedstawione zostały na poniższych rysunkach zebranych w tabeli 1: napęd dźwigniowy napęd zębaty napęd klinowy Tabela 1 Sposoby przeniesienia napędu napęd jarzmowy Przykład rozwiązania konstrukcyjnego chwytaka z napędem zębatym zostałprzedstawiony na rys.15 11

25 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. CLTM Automatyka i Robotyka. Rys.15 Rozwiązanie konstrukcyjne chwytaka z napędem zębatym. Obecnie obserwuje siędwa kierunku rozwoju budowy chwytaków. Chwytaki uniwersalne o budowie zbliżonej do budowy ludzkiej ręki i chwytaki specjalizowane do pracy z jednym rodzajem przedmiotów. Właściwy dobór chwytaka ma decydujące znaczenie dla prawidłowego przebiegu procesu manipulacji. Metodyka projektowania chwytaka polega na: 1. wyborze sposobu uchwycenia 2. wyborze typu chwytaka (zasady działania) 3. dobraniu parametrów konstrukcyjnych chwytaka 4. przystosowaniu końcówek chwytnych do kształtu powierzchni obiektu WORKING MODEL Wykonaj model chwytaka: a) z napędem -dźwigniowym, -klinowym Spróbuj wykonaćpozostałe napędy!! Przykładowo: Chwytak klinowy: Koło i silnik stanowiąnapęd, aby zademonstrować, w jaki sposób porusza sięchwytak. 12

26 Politechnika Świętokrzyska w Kielcach. CLTM Automatyka i Robotyka. 13