Průmyslové roboty a manipulátory

Průmyslový robot

• Jeho definice
  • automatický stroj, obsahující manipulátor se 2 a více pohybovými osami, programovatelný řídící systém na uskutečňování ohybových a řídících funkcí ve výrobním procesu, které nahrazují analogické funkce člověka při přemisťování předmětů a technologického příslušenství

Historie průmyslových robotů

• Vznikly v polovině 20.století
• první roboty na univerzitách kolem roku 1954
• o několik let později první praktický využitelné roboty značky VERSATRAN a UNIMATE
• první roboty u nás nasazeny v oblasti svařování
• typy lrb6 od švedské firmy ASEA
• první robot tuzemské výroby byl svařovací robot PR 32 E(1981)

Důvody pro nasazení robotů

• technické důvody:
  • zlepšení kvality výrobků
  • snížení zmetkovitosti
  • pružnost výroby
• sociální důvody:
  • vyřazení člověka z fyzicky namáhavé a monotonní práce
  • vyřazení člověka ze zdraví škodlivého prostředí
• ekonomické důvody:
  • zvýšení výrobní kapacity
  • zvýšení koeficientu směnnosti
  • úspora pracovního místa
  • uvolnění kvalifikovaných pracovníků

Uplatnění robotů

• provozy s velkou sériovostí výroby(velké investice)
• provozy, kde jsou podmínky pro člověka nepříznivé
• technologie, pro které je člověk příliš nedokonalý a vzhledem ke svým omezeným možnostem nedokáže pracovat např. s požadovanou přesností

Oblasti nasazení robotů

• svařování
• lakování
• lisování a kování
• sklářský průmysl
• paletizace výrobků
• montáž

Manipulační zařízení

• poloha objektu v prostoru je dána:
  • pozice(souřadnice x,y,z)
  • orientací souřadnice φx, φy,φz

Rozdělení manipulačních zařízení

• teleoperátory - manipulátory s ručním řízením
  • manipulátor bez řídícího systému, ovládaný člověkem
  • úkolem je násobit sílu, eliminovat nedokonalosti člověka, umožnit práci v nepříznivých podmínkách
• použití teleoperátorů:
  • manipulace s polotovary, medicína,riziková prostředí(stavařství - výškové budovy, vojenství, vesmír, havárie)

Manipulátory s pevným programem

• jedná se o zařízení , která mají automatický řídící systém, změna programu je však podstatným zásahem
• výhody - jednoduchost,spolehlivost,nízká cena
• použití - podavače

Manipulátory s pružným programem

• Jedná se zařízení, která mají automatický řídící systém, změna programu je rychlé
• dělí se na:
  • průmyslové roboty - provádí spektrum činností, které lze měnit na základě změny programu
  • adaptivní průmyslové programy - vložený program se automaticky upravuje, modifikuje na základě aktuálních informací z čidel
  • kognitivní roboty - umělá inteligence v řídícím systému, pomocí které se automaticky generuje program činností na základě člověkem vložených algoritmů

Kognitivní robot

• robot vybavený umělou inteligencí
• požadované vlastnosti:
  • nalezení optimální varianty z více možností
  • schopnost učit se ze zkušeností
  • úloha o podobnosti(nalézt znaky podobnosti)
  • přizpůsobení se, adaptabilita, schopnost učit se
• schopnost řídit pararelní procesy
• schopnost pokračovat i při neúplné informaci
• schopnost abstrakce - zjednodušení problému(irelevantní informace skryty nebo vynechány)
• schopnost generalizace - konstruuje se zobecněná skutečnost
• schopnost predikovat, předvídat

Pohybové systémy robotů a manipulátorů

• úkol pohybového systému:
  • zajistit dosažení libovolného bodu v pracovním prostoru
• základní požadavky na pohybový systém:
  • opakovatelná přesnost při cyklickém vykonávání operací
  • obslouží co největšího pracovního prostoru při minimálních požadavcích na zastavěnou plochu
  • kinematický řetězec z 5 až 6 posuvných nebo rotačních os(3 osy polohovacího a 2 až 3 orientačního mechanizmu.)

Složení pohybových systémů

• pracovní prostor
  • množina bodů, kterou opisuje referenční bod
• operační prostor
  • množina bodů, kterou opisuje konstrukce zařízení při činnosti v pracovním prostoru

Sériová kinematická struktura

• rotační a translační kinematická dvojice jsou řazeny sériově
• v tomto konstrukčním provedení pracuje 90% robotů a manipulátorů
• Nevýhody:
  • nízká tuhost
  • přesnost polohování v řádu desetin milimetrů
  • na koncovém členu robota se tedy projeví sumace chyb superponovaných na jednotlivých kinematických dvojicích

Paralelní kinematická struktura

• jednotlivé členy jsou řazeny paralelně
• konstrukční je možné provést tři(tripod) nebo až šesti(hexapod) vzpěrnou strukturu
• jednotlivé vzpěry mohou být shodného výrobního provedení
• vyšší tuhost
• přesnost polohování
• problémy u paralelních kinematik jsou:
  • vysoké nároky na řídící systém
  • možnost vzniku kolizí vzpěr

Kartézská kinematická struktura

• charakteristické rysy:
  • nedochází ke změně orientace objektu
  • pracovním prostorem je hranol
  • nepříznivé vlastnosti posuvných mechanizmů
  • velké prostorová zastavěnost
  • používá se méně často
  • používají se jako podavače, obsluha výrobních strojů

Cylindrická kinematická struktura

• charakteristické rysy:
  • dochází ke změně orientace objektu
  • pracovním prostorem je válcový prstenec
  • k manévrování je zapotřebí velký operační prostor
  • obsluha vstřikovacích strojů nebo strojů na tlakové síti
  • modifikací je montážní robot SCARA

Sférická kinematická struktura

• charakteristické rysy:
  • dochází ke změně orientace objektu
  • pracovním prostorem je kulový vrchlík
  • polohování ve sférických souřadnicích
  • používá se především pro svařovací linky

Angulární kinematická struktura

• 3 rotační osy
• výhody:
  • technologické výhody při výrobě rotačních částí
  • dobré dynamické vlastnosti
  • minimální zastavěná plocha
  • Snadné rozšíření pracovního prostoru
• nevýhody:
  • menší manipulační prostor
  • angulární kinematické systémy jsou v praxi nejpoužívanější

Řízení robotů

• Řídící systém
• podle uloženého programu řídí činnost robotu ovládáním pohonů a dalších mechanismů
• zajišťuje komunikaci s řídícím systémem obsluhovaného výrobního stroje, periferní zařízení
• umožňuje obsluhu a programování

Pohyb z bodu do bodu(PTP - POINT TO POINT)

• ramena robota jsou přemístěna do nové polohy maximální rychlosti po nejkratší možné dráze ve všech osách
• nepatrné nároky na řízení
• vhodný pro rychlé pohyby
• může dojít k nepředvídatelným pohybům(pouze ve volném prostoru)

Lineární interpolace

• hlavice se pohybuje z počáteční do koncové polohy po přímce
• výsledná pohyb je složen z koordinovaného pohybu různých kloubů
• hodnoty poloh nejsou v paměti, ale řídící systém vypočítává každých cca 5 až 10 ms nové hodnoty pro další hodnotu
• použití: určité geometrické pohyby, definovanou rychlostí po dráze

Kruhová interpolace

• souvislé řízení
• musí znát souřadnice:
  • počáteční bod kruhového oblouku
  • koncový bod kruhového oblouku
  • bod, který leží na kruhovém oblouku nebo polohu středu
• řídící systém vypočítává střed kruhu, poloměr a body dráhy

Pracovní režimy robota

• ruční řízení:
  • pomocí přístroje pro ruční ovládání jsou např.vyvolávány jednotlivé příkazy pro pohyb
  • procesor řídícího systému tyto příkazy vyhodnocuje a zadává regulátorům pohonů požadované hodnoty
• zadávání programu:
  • vyvolává ediční program, který ukládá načtené uživatelské programy a hodnoty poloh do paměti řídícího systému
  • všechny příkazy a funkce ve stanoveném programovacím jazyce
• automatický režim:
  • vyvolány uživatelské programy
  • automatický průběh - jeden řádek programu po druhém se provádí bez přerušení

Metody programování robotů

• ruční programování
  • ruční zadávání hodnot souřadnic a posloupnosti pohybů
  • nejčastěji zadáním příkazu na klávesnici
• metody teach-in
  • řídící systém snímá průběh dráhy při najíždění do jednotlivých geometrických bodů a jejich souřadnice ukládá do paměti
  • bodové svařování, jednoduché transportní operace
• metoda play-back(opakování záznamu)
  • řídící systém snímá průběh dráhy a rychlosti pohybu a automaticky tyto informace ukládá v určitých intervalech do paměti
  • pro složité pohyby s velkou přesností(lakování,svařování,čištění odlitků)
• textové programování
  • popis pohybů,průběhu a bodů prostřednictvím slovních symbolů
  • vytvoření kostry programu - sekvence příkazů
  • zadání souřadnic bodů
• příklady programovacích jazyků
  • BOSCH - jazyk BAPS
  • SIEMENS - jazyk SRCL
  • ABB - jazyk ARLA