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:
4. możliwość uzyskania dużej mocy napędu przy zachowaniu małej jego masy,
5. duża szybkość reakcji, dobre własności dynamiczne wynikające z korzystnego stosunku sił (momentόw) czynnych do mas momentόw bezwładności,
6. wysoka stabilność prędkości ruchu elementόw wykonawczych, duża dokładność pozycjonowania niezależnie od zmian obciążeń,
7. bezstopniowe nastawianie prędkości ruchu elementu wykonawczego,
8. możliwość uzyskiwania małych prędkości ruchu elementu wykonawczego bez konieczności stosowania przekładni,
9. łatwość sterowania,
10. duża trwałość. Do głόwnych wad napędόw elektrohydraulicznych stosowanych w maszynach manipulacyjnych należą:
11. konieczność stosowania zespołόw zasilania hydraulicznego, co znacznie zwiększa masę robota i niekorzystnie wpływa na jego mobilność i autonomiczność,
12. wrażliwość na zanieczyszczenie cieczy roboczej,
13. możliwość występowania przeciekόw, co ogranicza zastosowanie w niektόrych procesach,
14. brak możliwości stosowania w środowisku zagrożonym pożarem lub wybuchem,
15. 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.