Do czynników determinujących potrzeby zastosowań robotów w przemyśle

Politechnika Świętokrzyska Wydział Mechatroniki i Budowy Maszyn Centrum Laserowych Technologii Metali PŚk i PAN Zakład Informatyki i Robotyki Przedmiot: Zastosowanie Robotów. Ćwiczenie nr 5. Roboy przemysłowe KUKA KR-15 i Fanuc S-420 1. Uwarunkowania zastosowania robotów przemysłowych Do czynników determinujących potrzeby zastosowań robotów w przemyśle krajowym należy zaliczyć: stan środków trwałych, czynniki demograficzne, warunki pracy, czynniki materiałowe i kooperacyjne, aspekty ekonomiczne, współpracę międzynarodową i licencje. 1.1 Stan środków trwałych Ocenia się. że w gospodarce krajowej zainstalowanych jest 480 tysięcy różnego typu obrabiarek (82% skrawających i 16% do obróbki plastycznej). W ostatnim dziesięcioleciu wiek parku obrabiarkowego wzrósł z 11.2 do ponad 15.2 lat, a stopień zużycia maszyn i urządzeń wynosi 68,5%. Wskaźnik ich renowacji obniżył się z 4% w roku 1974 do 1,78% w roku 1985, przy pożądanych 6%. Zaniedbania są tak duże, że dekapitalizacja majątku nie została zahamowana do roku 1990, a stopień zużycia obrabiarek wzrósł do 74%. Nawet zainstalowanie w polskim przemyśle 3000 obrabiarek sterowanych numerycznie, nadających się do współpracy z robotami przemysłowymi, nie zmienia istotnie niekorzystnego obrazu stanu bazy wytwórczej przemysłu krajowego. Można zatem stwierdzić, że nowoczesne środki automatyzacji, jakimi są roboty przemysłowe, mogą być obecnie efektywnie stosowane tylko w przedsiębiorstwach o dobrej organizacji, z technicznym uzbrojeniem procesu wytwarzania dostosowanym do współpracy ze

środkami automatyzacji. Idzie tu głównie o stan jakościowy maszyn i urządzeń oraz ich układy sterowania, które muszą być kompatybilne z układami automatyzacji i sterowania współpracującego oraz nadrzędnego. Produkcja nowych obrabiarek, maszyn i urządzeń, co należy podkreślić, powinna uwzględniać możliwości ich zastosowań w zrobotyzowanych systemach produkcyjnych, a już przede wszystkim możliwość automatyzacji prac załadunkowych i wyładunkowych. Jeśli ten warunek nie będzie spełniony, to nawet zwiększenie liczby nowych obrabiarek nie poprawi możliwości automatyzacji procesów wytwarzania. Istniejący w Polsce park obrabiarkowy w nieznacznym zakresie umożliwia efektywne wykorzystanie obszaru pracy robota w nieznacznym zakresie, głównie do podawania, odbierania i przenoszenia wyrobów pomiędzy stanowiskami. Jest to często konieczne przy pracach, w których istnieje zagrożenie dla życia pracownika. 2.2 Czynniki demograficzne Czynniki demograficzne skłaniają do stwierdzenia, że postęp techniczny jest warunkiem postępu społecznego. Pomimo wagi sytuacji demograficznej i wynikających stąd wniosków, uwzględniając stan gospodarki narodowej, należy stwierdzić, że w najbliższych latach automatyzacja (robotyzacja) nie będzie głównym kierunkiem substytucji zatrudnienia w Polsce. 2.3 Czynnik warunków pracy Według danych GUS w warunkach zagrożenia pracuje ponad milion osób, a w warunkach szkodliwych (hałas, pyły zwłókniające, substancje szkodliwe) 400 tysięcy osób. Z tego 300 tysięcy osób jest zagrożonych jednym czynnikiem, a 100 tysięcy dwoma lub więcej czynnikami. Zmiana tego stanu może być osiągnięta przez: zmianę technologii, usunięcie człowieka ze strefy zagrożenia. Pierwsza droga nie zawsze jest możliwa technicznie lub opłacalna ekonomicznie (wymaga na ogół większych nakładów inwestycyjnych), drugą można realizować przez automatyzację czynności dotychczas spełnianych przez człowieka, pod warunkiem jednak, że czynniki szkodliwe dla zdrowia będą zlokalizowane, a ich utylizacja odbędzie się w warunkach dopuszczalnych z punktu widzenia ochrony środowiska. Ponieważ

zapewnienie odpowiednich warunków pracy zostało włączone do priorytetowych zadań w polityce państwa, można zatem postulować: określenie stanowisk pracy, na których nie może pracować człowiek, wprowadzenie systemu ekonomicznej odpowiedzialności zarządu fabryki za warunki pracy. 2.4 Czynniki materiałowe i kooperacyjne Z uwarunkowań kooperacyjnych wynika jak wielkie jest zapotrzebowanie na elementy i podzespoły automatyzacji: elektroniczne, elektryczne, mechaniczne, hydrauliczne, pneumatyczne itp. Powszechnie wiadomo, że tylko bardzo niewielka liczba tych podzespołów czy elementów musi być importowana. Większość podstawowych elementów i podzespołów automatyzacji jest lub może być produkowana w kraju. Główną przeszkodą oparcia krajowej automatyzacji na tych elementach i podzespołach jest ich ilość (niewystarczająca) oraz jakość i niezawodność. Stąd też należy dążyć w kraju do podjęcia przede wszystkim produkcji podzespołów i elementów umożliwiających szeroko pojętą automatyzację procesów produkcyjnych. 2.5 Czynnik ekonomiczny Rozważając wpływ tego czynnika na upowszechnienie robotyzacji, należy założyć, że każde zastosowanie automatyzacji i robotyzacji - poza eliminacją człowieka ze strefy zagrożonej lub niebezpiecznej - musi przynieść wymierny efekt ekonomiczny. Należy jednak zaznaczyć, że nawet w warunkach wysoko rozwiniętych krajów kapitalistycznych o znacznym bezrobociu głównym miernikiem ekonomicznym zastosowania nowej techniki lub technologii jest zysk. Mimo tych założeń przeprowadzenie rachunku efektywności (przyjęcie odpowiedniej metodyki obliczeń) jest bardzo trudne i zależy od założeń wyjściowych. Można przyjąć jednak za pewnik, że każdy rodzaj właściwej technicznie i organizacyjnie automatyzacji - robotyzacji jest i musi być opłacalny. 2.6 Współpraca międzynarodowa i licencje Brak w kraju odpowiednio rozwiniętej bazy produkcyjnej robotów przemysłowych umożliwia jedynie w znikomym stopniu współpracę w zakresie kooperacji i specjalizacji produkcji. Potrzebny jest zatem tylko jeden warunek - uruchomienie w Polsce przemysłowej produkcji robotów i innych środków automatyzacji. Konieczne jest

właściwe ukierunkowanie prac badawczych i rozwojowych oraz - i to przede wszystkim - produkcja elementów, podzespołów i najwyższej jakości środków automatyzacji. Realizację tego celu w kraju umożliwia odpowiedni potencjał intelektualny, a zatem licencji nie potrzeba kupować. Osiągnięcie wysokiej efektywności ekonomicznej jest głównym celem racjonalnych działań techniczno-organizacyjnych. Najefektywniejsze działanie osiągnie się wówczas, gdy będzie można wykorzystać istniejący w kraju park maszynowy. Jeżeli założymy, że 10% istniejących obrabiarek skrawających (z 76 tysięcy) i 20% obrabiarek do obróbki plastycznej (z 76 tysięcy) spełnia warunki techniczne do współpracy z robotami oraz że jeden robot może obsługiwać co najmniej dwie obrabiarki, to aby zwiększyć efektywność ekonomiczną już istniejącego parku maszynowego, potrzeba 25 tysięcy robotów. Osiągnięcie wysokiego stopnia bezpieczeństwa pracy (humanizacja pracy) stanowi wartość nadrzędną. Przyjmując, że tylko na 10% zagrożonych stanowisk pracy (z 400 tysięcy) można zastąpić człowieka robotem, otrzyma się zapotrzebowanie na 40 tysięcy robotów. Zatem realizacja tylko dwóch wymienionych celów, w umiarkowanym zakresie, wskazuje na potrzebę 65 tysięcy robotów. Uwzględniając całą sferę prac, w których człowiek zatrudniony jest jedynie do wykonywania czynności, manipulacyjnych (podnieś - połóż, odbierz - połóż), nieproduktywnych lub zagrożonych (monotonia czynności), można dziś potrzeby naszej gospodarki na roboty przemysłowe szacować na 50-100 tysięcy sztuk. Prognoza ekspertów określała zaś zapotrzebowanie przemysłu na roboty w latach 1991-2000 na około 6 tysięcy sztuk. Występuje zatem istotna różnica między zapotrzebowaniem gospodarki na roboty przemysłowe, warunkującym efektywne wykorzystanie parku maszynowego i potencjału ludzkiego, a zapotrzebowaniem programowanym. Wydaje się, że w ostatecznym rachunku liczbę robotów zastosowanych w przemyśle polskim do 2000 roku zdeterminują możliwości finansowe gospodarki, tak w sferze uruchomienia produkcji dużej liczby środków automatyzacji (w tym robotów), jak i ich zastosowania. 2. Urządzenia współpracujące z robotem Urządzenia współpracujące z robotem przeznaczone są do wykonywania czynności manipulacyjnych, polegających na zmianie miejsca lub położenia przedmiotu (narzędzia) w przestrzeni w trakcie procesu technologicznego. Umożliwiają realizację głównych

czynności technologicznych (pozycjonowanie przedmiotu na stole obrotowym w trakcie obróbki wymiana głowicy obróbkowej) oraz pomocniczych (transport międzyoperacyjny). Dodatkowo urządzenia współpracujące pełnią funkcję magazynów międzyoperacyjnych i urządzeń kontrolno-pomiarowych. Rozszerzają tym samym możliwości zastosowań robotów przemysłowych, realizując niektóre funkcje wykonawcze, niezbędne dla danego procesu, w które nie został wyposażony robot (dodatkowe ruchy chwytaka). Stopień uniwersalności urządzeń zależy od rodzaju procesu technologicznego oraz możliwości techniczno-eksploatacyjnych robota, z którym mają one współpracować. Im większe możliwości dynamiczne i manipulacyjne robota, tym urządzenia te są mniej uniwersalne, a zatem mniej podatne na zmiany procesu technologicznego. 2.1 Klasyfikacja urządzeń współpracujących z robotem Klasyfikacji urządzeń współpracujących z robotem dokonano, uwzględniając następujące kryteria: rodzaj napędu, rodzaj sterowania, funkcję pełnioną przez urządzenie na stanowisku oraz główne cechy konstrukcyjne. Ze względu na zastosowany napęd urządzenia współpracujące z robotami przemysłowymi można podzielić na: pneumatyczne, hydrauliczne, elektryczne i grawitacyjne. Możliwe są również napędy mieszane, stanowiące połączenie wymienionych podgrup (np. pneumatycznohydrauliczne). Ze względu na sterowanie można wyodrębnić dwie podstawowe grupy: urządzenia sterowane, których działanie wymaga sygnałów sterujących, synchronizujących ich pracę z innymi urządzeniami na stanowisku, urządzenia bez sterowania, pracujące w sposób ciągły bez względu na działanie innych urządzeń lub wyposażone w niezależne sterowanie wewnętrzne (przeciążeniowe, ilościowe, wagowe). Funkcja, jaką omawiane urządzenia pełnią na stanowisku, pozwala wyróżnić: urządzenia podające, mające za zadanie wprowadzenie przedmiotu w przestrzeń roboczą robota i umożliwienie pobrania go przez chwytak, urządzenia odbierające, których zadaniem jest odebranie przedmiotu od robota i wyprowadzenie go poza jego przestrzeń roboczą, urządzenia podająco-odbierające, spełniające jednocześnie obie wymienione uprzednio funkcje,

urządzenia odbierająco-podające, których zadaniem jest międzyoperacyjne przekazywanie półfabrykatu (od jednego robota do drugiego) lub zmiana położenia półwyrobu w trakcie jednej operacji (odebranie od robota, odebranie i ponowne podanie w szczęki robota), urządzenia transportu pomocniczego, których zadaniem może być transport międzyoperacyjny lub wewnątrzstanowiskowy przedmiotów. Cechy konstrukcyjne pozwalają podzielić urządzenia współpracujące z robotem na cztery typy: podajniki, urządzenia orientujące, transportery, tory jezdne. Podajniki to urządzenia umożliwiające wydzielenie i ścisłe ustalenie w przestrzeni z posiadanego zapasu jednego przedmiotu w taki sposób, aby mógł on być odebrany przez chwytak robota. W grupie tej można wyróżnić trzy rodzaje urządzeń: podajniki magazynkowe, wyposażone w elementy umożliwiające gromadzenie zapasu ściśle zorientowanych przedmiotów, które są uzupełnianie okresowo przez pracownika, podajniki zasobnikowe, wyposażone w zasobniki przeznaczone do okresowego uzupełniania zapasu części przez pracownika bez konieczności ich orientacji, podajniki przenośnikowe o ściśle określonym skoku, wyposażone w gniazda przeznaczone do orientowania części w przestrzeni. Urządzenia orientujące służą z kolei do zmiany położenia przedmiotu w przestrzeni i umożliwiają precyzyjne jego ustawienie w stosunku do szczęk chwytaka manipulacyjnego. W zależności od ruchów niezbędnych do przemieszczania przedmiotu rozróżnia się: urządzenia orientujące obrotowe, w których główny element roboczy wykonuje ruch obrotowy, urządzenia orientujące przesuwne, w których główny element roboczy wykonuje razem z przedmiotem ruch posuwisto-zwrotny, urządzenia orientujące przesuwno-obrotowe, w których element roboczy wykonuje ruch złożony z obrotów i przesunięć. Transportery są urządzeniami przenośnikowymi, nie zawierającymi mechanizmów pozycjonujących, umożliwiających ścisłe określenie położenia przedmiotu

transportowanego. W zależności od rodzaju elementu nośnego rozróżnia się: transportery taśmowe, w których elementem nośnym jest taśma elastyczna, transportery czołowe, w których przedmioty przenoszone są pojedynczo lub grupowo w powiązanych ze sobą zasobnikach tworzących obieg zamknięty i mających wspólny napęd, transportery wózkowe, w których przedmioty przemieszczane są w zasobnikach mających niezależny napęd i poruszających się na określonym odcinku toru w dwóch kierunkach. Do urządzeń współpracujących z robotem zalicza się również tory jezdne, stanowiące niezależne jednostki konstrukcyjne, umożliwiające znaczące przemieszczanie stacjonarnych robotów przemysłowych. Przemieszczenie to może się zmieniać w zakresie od kilku do kilkunastu metrów. Obok dodatkowego ruchu o charakterze globalnym tory jezdne umożliwiają specyficzne usytuowanie robota względem stanowiska roboczego, a tym samym efektywniejsze wykorzystanie powierzchni produkcyjnej. W zależności od cech konstrukcyjnych wyróżnia się następujące rodzaje torów jezdnych: podłogowe - robot jest przemieszczany na saniach nośnych, prowadzonych wzdłuż toru umocowanego do podłogi stanowiska, bramowe - robot jest przemieszczany na saniach, prowadzonych wzdłuż toru przymocowanego do belki nośnej podpartej na dwóch słupach wsporczych, obejmujących swoim rozstawieniem obszar stanowiska roboczego, suwnicowe - robot jest podwieszony pod torem jezdnym, przy czym konstrukcja urządzenia umożliwia ruch platformy w płaszczyźnie poziomej w dwóch prostopadłych kierunkach, podwieszone - mocowanie robota następuje podobnie jak w przypadku toru suwnicowego, przy czym ruch sań może się odbywać tylko w jednym kierunku; elementy toru mocowane są do sufitu pomieszczenia roboczego. Do przesuwu sań nośnych mogą być stosowane następujące napędy: elektryczny, hydrauliczny, pneumatyczny, przy czym ten ostatni jest stosowany sporadycznie ze względu na ograniczony skok liniowy silników pneumatycznych (max l m). Zastosowanie toru jezdnego to wprowadzenie dodatkowego stopnia swobody

przemieszczanego robota. Najkorzystniejsze jest sterowanie tym ruchem za pomocą systemu występującego w instalowanym robocie przemysłowym, przy czym niekiedy stosuje się inne rozwiązania. Ze względu na system sterowania ruchem sań omawiane urządzenia można podzielić na: tory jezdne z saniami sterowanymi w systemie dwupołożeniowym, tory jezdne z saniami sterowanymi w systemie PTP, tory jezdne z saniami sterowanymi w systemie CP. Tory jezdne mogą być budowane z elementów modułowych, co umożliwia ich optymalny dobór do realizowanego zadania. 2.2 Czujniki i sensory stosowane w robotach Oddziaływanie robota na otoczenie opiera się na informacjach o stanie środowiska i cechach obiektów znajdujących się w przestrzeni pracy robota, a także na informacjach o stanie samego robota i jego mechanizmów. Informacje te uzyskuje się za pomocą czujników lub sensorów (inteligentnych - współpracujących z komputerem, lub nieinteligentnych - dostarczających danych do komputera). Czujniki stosowane w robotach dzieli się na: dostarczające informacji o parametrach charakteryzujących stan robota, dostarczające informacji o stanie środowiska. Parametrami stanu robota są: położenie, prędkość poszczególnych członów oraz działające w nich siły i momenty, natomiast do stanu otoczenia robota należą: położenie i orientacja w przestrzeni chwytanych przez robot przedmiotów, kształt tych przedmiotów i ich barwa, a także parametry zaburzeń oddziałujących na robot i specyficzne cechy środowiska. Czujniki do określania parametrów stanu robota dzielą się na: czujniki położenia: rezystancyjne, indukcyjne, pojemnościowe, układy z taśmą kodową, czujniki prędkości, optyczne enkodery przyrostowe tachogeneratory, czujniki położenia z elektronicznym urządzeniem różniczkującym, czujniki siły, czujniki tensometryczne do pomiaru jednej, dwóch, trzech i więcej składowych.

Czujniki do określania stanu otoczenia robota, pozwalające na pewien poziom adaptacyjności i autonomiczności robota, dzielą się na: czujniki zbliżenia: indukcyjne, ultradźwiękowe, optyczne (laserowe i fotometryczne), pneumatyczne i mikrofalowe, czujniki dotyku (taktylne): przełącznikowe i stałego działania, czujniki siły chwytu: tensometryczne, potencjometryczne, czujniki poślizgu, czujniki i układy wizji maszynowej: półprzewodnikowe przetworniki obrazu, skanery laserowe, systemy wizyjne (kamera i system obróbki informacji -komputer). 2.3 Uchwyty i urządzenia mocująco-manipulacyjne W zrobotyzowanych procesach technologicznych istotną rolę odgrywają uchwyty urządzenia manipulacyjnego, mocujące przedmioty przeznaczone do obróbki, transportu lub montażu. Szczególnie dynamiczny rozwój tych urządzeń nastąpił w spawalniczych technikach montażowych, w przypadku wyrobów złożonych o skomplikowanych przebiegach spoin, gdzie mechanizacja lub automatyzacja realizowana prostymi środkami technicznymi okazuje się niewystarczająca. Dokładne dotarcie do poszczególnych węzłów i utrzymanie stabilnych warunków procesu spawania na całej długości spoiny, w tym odpowiedniej orientacji wyrobu w przestrzeni, stawia urządzeniom manipulacyjnym wysokie wymagania. Warunki te są spełnione tylko przy spawaniu zrobotyzowanym dzięki urządzeniom manipulującym przedmiotem. Ruchy ustawcze tych urządzeń (pozycjonerów) zapewniają nie tylko najodpowiedniejsze z technologicznego punktu widzenia położenie wyrobu, ale mają również ułatwić dochodzenie uchwytu robota do kolejnych spoin. Ruchy robocze pozycjonera często wykonywane są równocześnie z ruchem ramienia robota. Przy wyborze pozycjonera należy uwzględnić następującą etapowość: ustalenie odpowiedniego układu kinematycznego, dobór parametrów technologicznych do wskazanego układu kinematycznego, dopasowanie wybranego pozycjonera do środowiska projektowanego stanowiska.

Analiza rozwiązań konstrukcyjnych produkowanych pozycjonerów wskazuje na duże zróżnicowanie urządzeń przeznaczonych do wykonywania podobnych funkcji technologicznych. Najnowsze koncepcje klasyfikacji tych urządzeń opierają się na właściwościach manipulacyjnych ich układów kinematycznych. Tworzone klasyfikacje urządzeń mocująco-manipulacyjnych (tzn. pozycjonerów) powinny stanowić pomoc w podejmowaniu decyzji przy ich doborze, a także w fazie projektowania wyrobów, uwzględniającego późniejszą technologię. Właściwe ich wykorzystanie wymaga techniki komputerowej, co wynika z ogromnej ilości urządzeń technologicznych (bazy danych) i różnorodności form wyrobów. Istniejące oprogramowanie komputerowe umożliwia śledzenie na ekranie komputera całego zrobotyzowanego procesu technologicznego i wybór najlepszego wariantu z oprzyrządowaniem włącznie. 2.4 Sprzężenia robota z urządzeniami współpracującymi Funkcją układu sterowania, na podstawie zadanej trajektorii Q(t), jest wyznaczenie takich sygnałów sterujących siłownikami manipulatora, które umożliwiają jej realizację. Rozpatrując sterowanie manipulatorem, jako zadanie planowania trajektorii ruchu jego członów, można wyróżnić następujące przypadki: #. Sterowanie ruchem poszczególnych członów manipulatora (lokalne): serwomechanizmy, metoda kompensacji momentów, sterowanie czasowo-optymalne, sterowanie ze zmienną strukturą, niezależne sterowanie nieliniowe ze sprzężeniem zwrotnym, #. Programowe sterowanie ruchem w przestrzeni kartezjańskiej: sterowanie względem prędkości, sterowanie przyśpieszeniem, sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym siłowym. #. Sterowanie adaptacyjne: sterowanie adaptacyjne z modelem odniesienia, samosterujące sterowanie adaptacyjne, adaptacyjne sterowanie względem zakłóceń z kompensacją prostą,

adaptacyjne sterowanie ruchem zaprogramowanym. Należy zaznaczyć, że wiele urządzeń technologicznych wymaga sterowania podobnego do sterowania robotów. Ważnym problemem jest możliwość tworzenia zautomatyzowanych systemów wytwórczych złożonych z robotów oraz automatycznie sterowanych obrabiarek i urządzeń technologicznych. Aby można było takie systemy projektować i eksploatować, musi istnieć możliwość sprzężenia układu sterowania robota z nadrzędnym komputerem. Sprzężenie to jest potrzebne także wówczas, gdy pojedynczy robot ma wykonywać zadania przekraczające możliwości jego układu sterowania. Między układem sterowania robota a komputerem znajduje się interfejs, dopasowujący sygnały i zapewniający ich przekazywanie w odpowiedniej kolejności. Roboty, urządzenia technologiczne, urządzenia operatorskie (do komunikacji człowieka z komputerem), a także komputer, przyłącza się np. do wspólnego kabla obiegającego halę fabryczną. Układ taki, mający rozbudowane interfejsy mikroprocesorowe, może działać bez komputera nadrzędnego i jest nazywany układem o rozproszonej mocy obliczeniowej lub układem rozproszonym. Najprostszym sposobem sprzężenia, możliwym do zastosowania we wszystkich współczesnych robotach, jest wykorzystanie zewnętrznych wejść i wyjść robota. Bardziej zaawansowane sposoby polegają na połączeniu komputera z wnętrzem układu sterowania robota, najczęściej za pomocą standardowych sposobów sprzężenia komputerów (interfejsów). Z robota do komputera mogą być przekazywane między innymi następujące informacje: numery identyfikacyjne robota, aktualny stan robota (charakter pracy), stan wejść i wyjść zewnętrznych, segmenty programów, a z komputera do robota: programy, rozkazy startu programów, rozkazy zmian położenia osi. W systemach, w których występuje sprzężenie wielu robotów i innych urządzeń z komputerem, zachodzi tzw. sterowanie grupowe robotów. Sterowanie grupowe robotów

może także wystąpić w robotach z częścią manipulacyjną o budowie modułowej. Jeśli konfiguracja modułów jest rozproszona (składa się z pewnej liczby subkonfiguracji) i odpowiada rozmieszczonemu w różnych miejscach przestrzeni modułowym częściom manipulacyjnym (przeznaczonym do obsługi gniazda czyli linii produkcyjnej), a układ sterowania jest wspólny dla całej konfiguracji, to realizuje on sterowanie grupowe. 3. Robot przemysłowy Kuka KR-15 Urządzenie to jest produktem niemieckiej firmy KUKA z Augsburga (Bawaria). Posiada 6 stopni swobody, a kinematyka pozwala na realizację ruchu w jego przestrzeni roboczej po dowolnej trajektorii. Głównym przeznaczeniem robota jest: manipulowanie obiektami, montaż, klejenie, uszczelnianie, konserwowanie, obróbka mechaniczna, spawanie metodami MIG, MAG, TIG, obróbka laserowa (cięcie, spawanie, modelowanie). Robot może być montowany w dowolnych położeniach. Obciążenie maksymalne szóstego członu wynosi 15kg, a obciążenie dodatkowe (montowane na członie 3) 10kg. Zachowanie powyższych zaleceń pozwala na poruszanie urządzeniem z maksymalną prędkością z zachowaniem przewidywanej dokładności. Wszystkie człony zostały wykonane z lekkich odlewów. Koncepcja opracowana przy pomocy komputerowego wspomagania projektowania oraz numerycznych metod wytrzymałościowych pozwala otrzymać produkt wytrzymały, lekki, odporny na drgania, sztywny oraz zredukować koszty jednostkowe. W rezultacie maszyna odznacza się dobrą dynamiką pracy z dużą odpornością na wibracje. Wszystkie połączenia członów i silników są pozbawione luzów. Przekładnie oraz części ruchome, wewnętrzne są niewidoczne. Napędy robota stanowią bezszczotkowe silniki prądu przemiennego wykonane w technologii łatwego montażu, nie wymagającego konserwacji oraz zapewniającego niezawodną odporność na przeciążenia. Smarowanie połączeń należy dokonywać co 20000 godzin pracy (lub w mniejszych odstępach czasu). Komponenty składowe urządzenia tworzą prostą konfigurację. U wielu z nich dokonano optymalizacji gabarytów

przez co do większości uzyskano łatwy dostęp. Maszyna może być szybko przenoszona bez kolejnych, skomplikowanych czynności montażowych. Transport napowietrzny jest możliwy. Powierzchnia fundamentu lub ściany wymagana do utwierdzenia jest niewielka i może zawierać się w rzucie przestrzeni roboczej urządzenia. Każdy robot wyposażony jest w szafę sterowniczą zawierającą zespoły elektroniki sterującej oraz elektroniki mocy. Zespół kontrolera został wykonany jako kompaktowy, łatwy w obsłudze i konserwacji, zgodny z normami unii europejskiej. Przewody łączące szafę sterowniczą z zasilaniem i z robotem wykonane zostały w standardzie przemysłowym. Są odporne na działanie zewnętrznych czynników mechanicznych, elektrycznych, magnetycznych oraz elektromagnetycznch. 3.1 Budowa robota Kuka KR-15 Na rysunku 3.1.1 przedstawiono robot Kuka KR-15. Wszystkie człony połączone są przegubami obrotowymi tworząc pary kinematyczne obrotowe. Podstawę urządzenia stanowi cylinder (1), który utwierdzany jest w płycie fundamentowej lub ścianie. Pierwszym członem obrotowym jest kolumna (2), która napędzana silnikiem obraca się wokół osi prostopadłej do podstawy. Ramię (3) stanowi kolejny człon maszyny obracając się wokół osi równoległej do podstawy. Przedramię (4) jest połączone z ramieniem i posiada możliowść obrotu wokół osi równoległej do obrotu pary kolumna-ramię. Człony: (5), (6) i (7) tworzą kiść. W robocie Kuka KR-15 osie obrotu wszystkich par kinematycznych przecinają się w jednym punkcie i są do siebie wzajemnie prostopadłe. Rozwiązanie to jest trudnym z punktu widzenia konstrukcji, wykonania oraz technologii montażu, jednak w aspekcie sterowania daje daleko idące uproszczenia obliczeń.

Rys. 3.1.1 Robot Kuka KR-15 Każdy człon napędzany jest przy pomocy silników prądu przemiennego sterowanych tranzystorowo o małej bezwładności. Sprzęgło oraz czujnik położenia - rezolwer są zintegrowane z napędem. Pozwala to w połączeniu z budową mechaniczną na możliwość dokonywania obrotu wokół poszczególnych osi o następujące kąty: oś 1 ±185 z prędkością 152 /s, A1 oś 2 +115-55 z prędkością 152 /s, A2 oś 3 +70-210 z prędkością 152 /s, A3 oś 4 ±350 z prędkością 284 /s, A4 oś 5 ±135 z prędkością 293 /s, A5 oś 6 ±350 z prędkością 604 /s. A6 Na rysunku 3.1.2 przedstawiono robot z zaznaczonymi osiami obrotu. Powtarzalność maszyny wynosi ±0.1 mm. Waga jest równa około 235 kg. Poziom hałasu wytwarzanego nie przekracza 75 db we wnętrzu przestrzeni roboczej. Objętość tejże wynosi około 13.1 m³. Temperatura środowiska pracy powinna być zawarta

pomiędzy +10 C a +55 C. Moc urządzenia kszałtuje się na poziomie 3kW. Podstawa robota pomalowana jest na czarno (RAL 9005), człony ruchome na pomarańczowo (RAL 2003). Na rysunku 3.1.3 przedstawiono przestrzeń roboczą robota. Są to zwykle dwa wzajemnie prostopadłe rzuty: pionowy oraz poziomy. Okres użytkowania zależy od częstości wykonywania przeglądów konserwacyjnych i wynosi od 10 do 15 lat. Urządzenie może pracować 8 godzin na zmianę, 3 zmiany na dobę oraz 7 dni w tygodniu. minimalnie raz w roku zalecany jest przestój technologiczny przeznaczony głownie na konserwację. Rys. 3.1.2 Robot Kuka KR-15 wraz z osiami obrotu poszczególnych par kinematycznych

Rys. 3.1.3 Przestrzeń robocza robota Kuka KR-15 (wszystkie wymiary podano w milimetrach bądź w stopniach) 4. Robot przemysłowy Fanuc S-420 Roboty Fanuc S-420 (już nie produkowane, obecnie ich odpowiednik to model R- 2000iA) są przykładem robotów wielozadaniowych. Można ich używać do różnorakich zadań przykładem zastosowania może być zautomatyzowany system pakowania w kalifornijskiej fabryce telewizorów Sony w San Diego. Zastosowanie robotów pozwoliło na zwiększenie wydajności pakowania telewizorów (czasem ważących nawet 80 kg i mających różne gabaryty) o 30%!!! Jako ciekawostkę można dodać także, że wbrew pozorom pracownicy, którzy wcześniej ręcznie pakowali telewizory nie stracili pracy zostali przekwalifikowani na pracowników wyższego szczebla i znaleźli pracę przy montażu robotyzacja przemysłu nie musi więc wcale oznaczać redukcji etatów.

Wymiary robota Fanuc S-420 Dane techniczne : Dane podstawowe: Kontrola osi - 6 stopni swobody. Obciążenie - 120 kg. Dokładność pozycjonowania 0,5 mm. Wysięg ramienia -2488 mm. Przybliżona masa -1500 kg Ruch w osiach: oś1 300 oś2 115 oś3 145 oś4 720 Max prędkość fabryczna: os 1-2,09rad/s; - 95 /s; os 2-2,09rad/s; -95 /s; os 3-2,09rad/s; -95 /s, os 4-6,28rad/s; -100 /s; os 5-6,28rad/s; -100 /s; os 6-7,85rad/s; -160 /s Momenty: oś4 1372,93 Nm oś5 1372,93 Nm oś6 686,47 Nm Momenty bezwładności: oś4 117,68 kg*m²; oś5 117,68 kg*m²; oś6 58,84 kg*m²

Napędy zastosowane w robocie to serwomechanizmy dzięki nim możliwe jest szybkie i precyzyjne pozycjonowanie. Osie: Oś1 odpowiada za obrót wyznaczający pole działania robota. Oś2 odpowiada za tzw. zginanie talii robota. Oś3 odpowiada za zginanie barku. Oś4 odpowiada za obrót ramienia.oś5 odpowiada za pozycjonowanie przegubu z końcówką roboczą. Oś6 zaśza obrót ostatniego przegubu. Sterowanie: System sterowania zapewnia układ R-H kontroler. Jest on sercem systemu - elementem zarządzającym całością, przy pomocy, którego następuje wymiana informacji pomiędzy programatorem a zespołem wykonawczym oraz wszelkimi innymi urządzeniami. Za pomocą panelu sterowniczego Teach Pendant moża kierować poszczególnymi częściami manipulatora oraz programować robota.

Szafa sterownicza Panel Teach Pendant

6. Przebieg ćwiczenia a) zapoznaj się z budową robotów KUKA i Fanuc,, b) zapoznaj się z urządzeniami współpracującymi z robotami, c) narysuj schemat blokowy robotów KUKA KR-15 i Fanuc S-420, d) opracuj schemat układu sterowania robotów KUKA KR-15 i Fanuc S-420, e) wyprowadź macierz transformacji dla robotów KUKA KR-15 i Fanuc S-420, f) jakie znasz aspekty stosowania robotów?