Układy Manipulacyjne są to, które mają za zadanie tak jak człowiek rękoma wykonać czynność rozmieszczenia przedmiotów lub narzędzi w przestrzeni roboczej. Człowiek manipuluje przedmiotami korzystając ze swojego ciała, a w szczególności rąk i oczu. Kontrola poprawności wykonywanej czynności możliwa jest poprzez wykorzystanie zmysłów wzroku oraz dotyku, zaś Maszyny manipulacyjne (które wchodzą w skład układów manipulacyjnych) poruszają przedmiotami korzystając z ramion i chwytaków

Układy stosowane są również przy ruchu, magazynowania, kontroli i ochrony materiałów, towarów i produktów w całym procesie produkcji, dystrybucji, konsumpcji i utylizacji.

Potrzebą wynalezienia Układów manipulacyjnych było poprawienie efektywności i wydajności produkcji.

Układy manipulacyjne dzielą się na układy:

1. Sterowania

2. Ruchu

3. Zasilania

1.Zadaniem układu sterowania jest generowanie sygnałόw sterujących poszczegόlnymi

napędami robota i urządzeń wspόłpracujących z robotem. Sygnały te generowane są w oparciu

o informacje dotyczące aktualnego stanu układu ruchu i urządzeń wspόłpracujących

i przetwarzane zgodnie z programem działania robota. Układ sterowania robotόw jest zwykle

wykonywany jako szafa sterownicza zawierająca:

a) głόwny pulpit sterowniczy z urządzeniami do uruchamiania robota lub ręcznego

sterowania,

b) przenośny sterownik ręczny połączony z szafą długim kablem, służący do

programowania robota i doprowadzania układu ruchu robota do kolejnych położeń

wynikających z realizowanej trajektorii ruchu (ręczny programator, panel sterowania),

c) jednostkę sterująco–logiczną (komputer), zawierającą pamięć operacyjną programόw

pracy robota i wspόłpracującą przez układy wejścia-wyjścia (interfejsy) z:

– serwonapędami uładu ruchu,

– układami pomiarowymi przemieszczeń,

– czujnikami położeń chwytakόw i narzędzi,

– czujnikami stanu pracy urządzeń wspόłpracujących z robotem.

Zadaniem układu ruchu jest fizyczna realizacja zaprogramowanej trajektorii ruchu robota,

czyli przemieszczanie obiektu, ktόrym robot manipuluje po określonym torze. Układ ruchu składa się z układu kinematycznego (zbioru członόw mechanicznych połączonych ruchowo),

napędów wprawiających w ruch odpowiednie człony układu kinematycznego oraz sensorόw

umożliwiających pomiary pozycji poszczegόlnych członόw

Układ ruchu maszyn manipulacyjnych (manipulatorόw i robotόw) wzorowany jest na

budowie ciała ludzkiego [11].

Układ kinematyczny

stanowiący układ nośny maszyny manipulacyjnej odpowiada szkieletowi człowieka, natomiast

mięśniom odpowiadają napędy poszczegόlnych członόw mechanicznych układu ruchu. Rola,

jaką spełniają podstawowe zespoły funkcjonalne układu ruchu jest następująca:

– podstawa – płyta lub inna konstrukcja stanowiąca pierwszy człon układu kinematycznego

robota albo konstrukcja, z którą jest połączony nieruchomo pierwszy człon układu

kinematycznego,

– ramię – zespół połączonych członów i napędzanych przegubów, który ustawia położenie

kiści,

– kiść – zespół połączonych członów i napędzanych przegubów między ramieniem,

a elementem roboczym, który podtrzymuje, ustawia i orientuje element roboczy,

– efektor – urządzenie przeznaczone do chwycenia i utrzymania obiektu manipulacji albo

do bezpośredniego wykonania operacji technologicznej realizowanej przez robot.

Szczegόlne miejsce wśrόd wymienionych powyżej zespołόw układu ruchu stanowią efektory

(chwytaki). Wynika to z autonomicznych w stosunku do samego robota zadań związanych

bezpośrednio z samym przemiotem manipulacji oraz realizowanym procesem (chwycenie,

odpowiednia orientacja przedmiotu lub narzędzia, wykonanie procesu technologicznego).

Efektory traktowane muszą być jako urządzenia specjalne dokonstruowywane do robota.

2.Układy ruchu (jednostki kinematyczne) robotόw są zbiorem członόw mechanicznych

połączonych ruchowo. Człony te połączone są szeregowo tworząc tzw. łańcuch kinematyczny

(rys.4.3). Dwa sąsiednie człony połączone ze sobą za pomocą złącza tworzą tzw. parę

kinematyczną. Złącze umożliwia wzajemny ruch członόw względem siebie.

Przykłady struktur łańcucha kinematycznego

stosowane do budowy maszyn manipulacyjnych

a) łańcuch kinematyczny otwarty prosty

b) łańcuch kinematyczny zamknięty prosty

c) łańcuch kinematyczny złożony



Układ wspόłrzędnych stosowany w analizie struktury kinematycznej maszyn manipulacyjnych

X, Y, Z - przemieszczenia liniowe (translacje) względem osi x, y, z

A, B, C - obroty (rotacje) względem osi x, y, z

Położenie układόw odniesienia zespołόw ruchu robota

- globalny – XG , YG, ZG , AG, BG, CG

- regionalny - XR, YR, ZR , AR, BR, CR

- lokalny - XL, YL, ZL, AL, BL, CL



Możliwości manipulacyjne członόw robota określa się stosując trzy układy odniesienia (rys.

4.5):

a) regionalny – oznaczany literą R, dotyczący przemieszczania ramion robota, a więc realizacji

podstawowych dla robota działań manipulacyjnych,

b) lokalny - oznaczany literą L, dotyczący przemieszczania efektora (chwytaka lub narzędzia),

czyli działań orientowania i chwytania manipulowanego przedmiotu,

c) globalny - oznaczany literą G, dotyczący przemieszczania robota względem stanowiska

roboczego.

W celu

racjonalnego i bezpiecznego użytkowania jednostek kinematycznych maszyn manipulacyjnych

definiuje (określa) się następujące przestrzenie:

a) głόwna przestrzeń robocza – przestrzeń, w obrębie ktόrej przemieszcza się konstrukcyjne zakończenie ostatniego, wolnego, ale nierozdzielnie związanego z mechanizmem jednostki kinematycznej członu (z reguły sprzęgu chwytaka),

b) pomocnicza przestrzeń robocza – przestrzeń w obrębie której przemieszczają się dodatkowe człony mechanizmu jednostki kinematycznej maszyny manipulacyjnej, np. chwytaki, narzędzia,

c) przestrzeń kolizyjna – przestrzeń w obrębie ktόrej zawierają się wszystkie elementy konstrukcyjne i przemieszczają się wszystkie człony mechanizmu jednostki kinematycznej,

d) przestrzeń strefy zagrożenia (strefa zagrożenia) – przestrzeń zabroniona przepisami lub normami bhp dla obsługi w czasie pracy jednostki kinematycznej.

3.Układ zasilania, ma za zadanie dostarczenie do poszczególnych elementów robota energii niezbędnej do ich poprawnego działania. Układ może zasilany być energią elektryczną, hydrauliczną lub pneumatyczną.

Maszyny manipulacyjne posiadają kilka stopni swobody, każdemu z tych stopni

przyporządkowany jest odrębny zespόł napędowy. W celu zrealizowania przez maszynę

konkretnego ruchu konieczne jest jednoczesne działanie kilku napędόw.

NAPĘDY PNEUMATYCZNE maszyn manipulacyjnych składają się z (rys. 4.7):

– bloku przygotowania czynnika roboczego (sprężonego powietrza),

– bloku sterowania przepływem sprężonego powietrza,

– bloku elementόw wykonawczych.

Blok przygotowania czynnika roboczego w wielu przypadkach stanowi wyposażenie

maszyny manipulacyjnej, ale często powietrze zasilające układ napędowy pobierane jest

z lokalnej lub ogόlnozakładowej sieci sprężonego powietrza.

Najczęściej stosowane są siłowniki:

1) tłokowe (jednostronnego działania, dwustronnego działania, beztłoczyskowe),

2) wahadłowe,

3) membranowe,

4) mieszkowe.

Siłowniki tłokowe i wahadłowe stosowane są z reguły w napędach ruchόw regionalnych,

natomiast siłowniki membranowe oraz mieszkowe wykorzystywane są w napędach ruchόw

lokalnych.

– Zalety napędόw pneumatycznych wykorzystywanych w zespołach ruchu maszyn

manipulacyjnych:

– prosta konstrukcja,

– duża prędkość elementu wyjściowego napędu (1 m/s przy przesunięciach liniowych, 60

obr/min przy przesunięciach kątowych),

– proste sterowanie sekwencyjne, gdyż pozycjonowanie odbywa się za pomocą nastawnych

zderzakόw,

– wystarczająca dokładność pozycjonowania w punktach określonych przez położenia

zderzakόw,

– możliwość pracy w środowsku agresywnym i zagrożonym pożarem,

– duży wspόłczynnik sprawności (do 0,8),

– mały stosunek masy napędu do uzyskiwanej mocy,

– mały koszt napędu i całego robota oraz małe nakłady materiałowe związane z eksploatacją,

– odporność na przeciążenia i wibracje.

Do wad napędu pneumatycznego należy zaliczyć:

– niestałość prędkości członu wyjściowego napędu przy zmianach obciążeń, spowodowana

ściśliwością powietrza (czynnika roboczego),

– ograniczona ilość punktόw pozycjonowania (najczęściej dwa punkty), zwiększenie liczby

punktόw pozycjonowania wymaga zastosowania specjalnych urządzeń pozycjonujących,

– konieczność wyhamowania ruchu członu wyjściowego napędu w końcowej fazie ruchu,

ponieważ przy dużych prędkościach jego uderzenie o twardy zderzak powodowałoby

znaczne przeciążenie dynamiczne,

– głośna praca napędu.

NAPĘDY ELEKTROHYDRAULICZNE robotόw przemysłowych budowane są z reguły jako

serwonapędy.

W skład napędu hydraulicznego robota przemysłowego wchodzą (rys. 4.8):

1) zespόł zasilania hydraulicznego,

2) zespόł urządzeń sterujących przepływem cieczy roboczej (układ serwozaworόw –

wzmacniaczy elektrohydraulicznych – zapewniający zadawanie stanόw elementόw

wykonawczych napędu zgodnie z założonym programem),

3) zespόł elementόw wykonawczych napędu (siłowniki, silniki hydrauliczne).

Napędy elektrohydrauliczne stosowane są w ok. 30% wspόłcześnie produkowanych

robotόw - szczegόlnie robotόw o dużym udźwigu.

Zaletami stosowania napędόw elektrohydraulicznych są:

1) możliwość uzyskania dużej mocy napędu przy zachowaniu małej jego masy,

2) duża szybkość reakcji, dobre własności dynamiczne wynikające z korzystnego stosunku sił

(momentόw) czynnych do mas momentόw bezwładności,

3) wysoka stabilność prędkości ruchu elementόw wykonawczych, duża dokładność

pozycjonowania niezależnie od zmian obciążeń,

4) bezstopniowe nastawianie prędkości ruchu elementu wykonawczego,

5) możliwość uzyskiwania małych prędkości ruchu elementu wykonawczego bez konieczności

stosowania przekładni,

6) łatwość sterowania,

7) duża trwałość.

Do głόwnych wad napędόw elektrohydraulicznych stosowanych w maszynach

manipulacyjnych należą:

1) konieczność stosowania zespołόw zasilania hydraulicznego, co znacznie zwiększa masę

robota i niekorzystnie wpływa na jego mobilność i autonomiczność,

2) wrażliwość na zanieczyszczenie cieczy roboczej,

3) możliwość występowania przeciekόw, co ogranicza zastosowanie w niektόrych procesach,

4) brak możliwości stosowania w środowisku zagrożonym pożarem lub wybuchem,

5) wysoki koszt eksploatacji napędόw hydraulicznych w porόwnaniu z pneumatycznymi

i elektrycznymi [4].

NAPĘDY ELEKTRYCZNE stosowane w konstrukcjach wspόłczesnych robotόw

przemysłowych to:

a) Napędy prądu stałego (rys. 4.11) z:

- wysokomomentowymi komutatorowymi silnikami prądu stałego,

- bezszczotkowymi silnikami prądu stałego.

b) Napędy prądu przemiennego z silnikami indukcyjnymi (rys. 4.12) i synchronicznymi.

c) Napędy z silnikami skokowymi (krokowymi).



PRZEKŁADNIE RUCHU stosowane są w przypadkach:

1) dopasowania rodzaju ruchu realizowanego przez element napędowy do rodzaju ruchu

realizowanego przez człon napędzany,

2) dopasowania zakresu i prędkości ruchu realizowanego przez element napędowy do zakresu

i prędkości ruchu realizowanego przez człon napędzany.

Ze względu na rodzaj ruchόw wejściowych oraz wyjściowych w zespołach napędowych

robotόw wykorzystywane są przekładnie:

a) przemieszczenie liniowe na obrόt (rys. 4.17),

b) obrόt na obrόt,

c) obrόt na przemieszczenie liniowe.

Układy pomiarowe położenia i przemieszczenia zespołόw ruchu maszyn manipulacyjnych

Informacje generowane przez te układy wykorzystywane są w pętli sprzężenia zwrotnego

serwonapędόw i umożliwiają regulację położenia organu wykonawczego serwonapędu.

W strukturze funkcjonalnej układu pomiarowego położenia i przemieszczenia występują:

a) czujnik pomiarowy przekształcający parametr ruchu (przemieszczenie, prędkość) na inną

wielkość fizyczną,

b) układ zasilająco-przekształcający (przetwornik) – układ umożliwiający uzyskanie

elektrycznego sygnału pomiarowego.

Ze względu na specyfikę pracy jednostek kinematycznych maszyn manipulacyjnych

układom pomiarowym w nich stosowanym stawia się następujące wymagania:

1) duży zakres pomiarowy (osiągający kilka metrόw w przypadku robotόw bramowych),

2) wysoka dokładność pomiaru wynosząca dla przemieszczenia liniowego od 10-4 do 10-5 (co

oznacza dokładność pomiaru 0,1 do 0,01 [mm] na długości 1[m] ), a dla przemieszczenia

kątowego 10-3 (tzn.1/1000 obrotu),

3) przystosowanie do pracy w warunkach trudnych, w środowiskach o dużym zapyleniu,

wysokiej temperatury, zagrożenia wybuchem i pożarem, wibracji, dynamiczne zmiany

prędkości i przyspieszenia,

4) sygnał wyjściowy elektryczny, dogodny do dalszego przetwarzania.

Zadaniem układόw pomiarowych stosowanych w zespołach ruchu jest pomiar

przemieszczenia liniowego i kątowego (rόwnież prędkości i przyspieszeń). Najczęściej

stosowane są:

a) potencjometry pomiarowe obrotowe – układy pomiarόw absolutnych w napędach ruchu

lokalnego, np. w napędach ruchu obrotowego chwytakόw, gdy zakres obrotu nie przekracza

3600; negatywną właściwością potencjometrόw jest ich niska trwałość spowodowana

wycieraniem się stykόw,

b) selsyny przelicznikowe (rezolwery) - selsyny są jednym z bardziej rozpowszechnionych

układόw pomiarowych ze względu na następujące zalety:

− bardzo wysoka dokładność pomiaru (5 minut kątowych, tzn. 1/1000 obrotu),

− duża trwałość i niezawodność wynikająca z braku części zużywających się (bezstykowe

przekazywanie napięcia indukowanego w wirniku),

− prosty układ przetwarzania sygnałόw pomiarowych,

− niska cena,

c) induktosyny liniowe i obrotowe – induktosyny są indukcyjnymi czujnikami do

bezpośredniego pomiaru przemieszczeń liniowych (induktosyn liniowy) (rys.4.21) lub

kątowych (induktosyn obrotowy) (rys. 4.22), dokładność induktosynόw liniowych wynosić

może ± 2,5 [μm], a induktosynόw obrotowych ± 3′, zakres pomiarowy do 1800 [mm]

d) fotoelektryczne przetworniki impulsowe - mogą być wykorzystywane do pomiaru

przemieszczenia kątowego (przetwornik obrotowo – impulsowy) oraz przemieszczenia

linowego (liniał kreskowy - zakres pomiarowy do 3 [m]); zalety fotoelektrycznych

przetwornikόw obrotowo- impulsowych:

− wysoka niezawodność działania, odporność na zakłόcenia,

− prosty montaż i ochrona przed zanieczyszczeniami,

− wysoka rozdzielczość (do 1/5000 obrotu, zwykle 1/1000),

− wysokie dopuszczalne parametry ruchu (prędkość, przyspieszenie),

− niski koszt.





Urządzenia chwytające i narzędzia układόw manipulacyjnych i robotόw

Maszyny manipulacyjne, niezależnie od ich przeznaczenia, wyposażone są w odpowiednie

końcόwki manipulacyjne zwane efektorami końcowymi. W przypadku maszyn manipulacyjnych

przeznaczonych do zadań transportowych efektorami są chwytaki. Natomiast w maszynach

manipulacyjnych przeznaczonych do wykonywania czynności technologicznych rolę efektorόw

pełnią odpowiednie narzędzia (rys. 4.26). Transportowanie obiektu składa się z trzech faz:

1) pobranie (uchwycenie) obiektu z miejsca składowania,

2) trzymanie obiektu podczas jego przemieszczania,

3) uwolnienie obiektu w miejscu przeznaczenia.

Każda z tych faz wiązać się może z realizacją wielu operacji rozpoznania obiektu

manipulacji, określenia jego pozycji i zorientowania oraz przemieszczenie członόw mechanizmu

chwytaka powodujące uchwycenie obiektu.

Poprawne uchwycenia obiektu manipulacji zależne jest od:

– sposobu unieruchomienia obiektu w chwytaku,

– parametrόw obiektu manipulacji,

– wzajemnego początkowego ustawienia chwytaka i obiektu,

– warunkόw dynamicznych procesu manipulacji.

W chwytakach mechanicznych, których struktura przedstawiona jest na rys. 4.27, stosowany

może być napęd pneumatyczny, hydrauliczny lub elektryczny. Wspόłcześnie duże znaczenie ma

napęd elektryczny.



Elementami wykonawczymi chwytakόw mogą być rόwnież elastyczne końcόwki chwytne.

Elastyczne końcόwki chwytne wykonywane są ze specjalnie profilowanego elastomeru lub

gumy i zmieniają swόj kształt pod wpływem ciśnienia sprężonego powietrza (lub cieczy

roboczej) podawanego do ich wnętrza. Chwytaki z elastycznymi końcόwkami chwytnymi (rys.

4.28) są często stosowane z uwagi na ich zalety, takie jak:

1) możliwość chwytania przedmiotόw kruchych, o delikatnych ściankach, skomplikowanych

kształtach,

2) możliwość budowania chwytakόw z wieloma końcόwkami chwytnymi, dzięki czemu są one

bardziej uniwersalne,

3) możliwość nastawiania wartości siły chwytu dzięki nastawieniu odpowiedniej wartości

ciśnienia sprężonego powietrza lub cieczy roboczej,

4) niski koszt wykonania, prosty montaż, prosta wymiana zużytych elementόw.

CHWYTAKI PODCIŚNIENIOWE (PRÓŻNIOWE).

Chytaki podciśnieniowe (prόżniowe) (rys. 4.29, rys. 4.30) wykorzystują zasadę powstania

siły dzięki istnieniu podciśnienia w przestrzeni ograniczonej powierzchnią obiektu manipulacji

i czaszą elestycznej przyssawki. Podciśnienie w komorze przyssawki wytwarzane jest przez

strumienice gazowe (iniektory) lub przez tłokowe lub wirnikowe pompy prόżniowe.

W celu zwiększenia pewności chwycenia stosuje się kilka (co najmniej trzy) przyssawki

zamocowane w jednym korpusie posiadające wspόlny kolektor podciśnieniowy z zaworami

kulowymi gwarantującymi doszczelnienie kolektora podciśnieniowego. Ze względu na prostotę

konstrukcji, mały ciężar, niski koszt chwytaki podciśnieniowe są powszechnie stosowane.

CHWYTAKI MAGNETYCZNE.