m10 robotika ucebnice cz - fsi fÓrum · roboti", volně pak peloženo: "universální...

Mechatronika Modul 10: Robotika Učebnice Cvičebnice Řešení (koncept) Doc. Ing. Petr Blecha, Ph.D. Prof. Ing. Zdenêk Kolíbal, CSc. Doc. Dr. Ing. Radek Knoflícek Ing. Aleš Pochylý Ing. Tomaš Kubela Radim Blecha Doc. RNDr. Ing. Tomás Březina, CSc. Vysoké učení technické v Brně Česká republika Evropský koncept pro doplňkovou kvalifikaci mechatronik odborných procovníků v globalizované průmyslové výorbě. EU – Projekt č. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 „MINOS++“, platnost od 2008 do 2010 Tento projekt byl realizován za finanční podpory Evropské unie. Za obsah publikací (sdělení ) odpovídá výlučně autor. Publikace (sdělení) nereprezentují názory Evropské komise a Evropská komise neodpovídá za použití informací, jež jsou jejich obsahem. www.minos-mechatronic.eu

Partneři pro provádění, hodnocení a šíření výsledků projektů MINOS a MINOS**.

- Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production

Processes, Germany - np – neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz gGmbH, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden

Obsah studijních podkladů

Minos: moduly 1 – 8 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: základy /

interkulturní kompetence, projektový management / fluidní techniku / elektrické pohony a řízení/ mechatronické komponenty / mechatronické systémy a funkce / uvedení do provozu, bezpečnost, vzdálený servis / dálková údržbu a diagnostiku. Minos **: moduly 9 – 12 (učebnice, cvičebnice a klíč ke cvičením) zahrnující: rychlé

vytváření prototypů / robotiku / migraci / rozhraní. Všechny moduly jsou dostupné v následujících jazycích: němčina, angličtina, španělština, italština, polština, čeština a maďarština.

Pro více informací prosím kontaktujte: Technical University Chemnitz Dr. Ing. Andreas Hirsch Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz Tel.: + 49(0)0371 531-23500 Fax.: + 49(0)0371 531-23509 Email: [email protected]

Internet: www.tu-chemnitz.de/mb/WerkzMasch www.minos-mechatronic.eu

Mechatronika Modul 10: Robotika Učebnice (koncept) Doc. Ing. Petr Blecha, Ph.D. Prof. Ing. Zdenêk Kolíbal, CSc. Doc. Dr. Ing. Radek Knoflícek Ing. Aleš Pochylý Ing. Tomaš Kubela Radim Blecha Doc. RNDr. Ing. Tomás Březina, CSc. Vysoké učení technické v Brně Česká republika Evropský koncept pro doplňkovou kvalifikaci mechatronik odborných procovníků v globalizované průmyslové výorbě. EU – Projekt č. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 „MINOS++“, platnost od 2008 do 2010 Tento projekt byl realizován za finanční podpory Evropské unie. Za obsah publikací (sdělení ) odpovídá výlučně autor. Publikace (sdělení) nereprezentují názory Evropské komise a Evropská komise neodpovídá za použití informací, jež jsou jejich obsahem. www.minos-mechatronic.eu

3

Robotika – Učebnice Minos++

OBSAH

1. HISTORIE, VÝVOJ A DEFINICE ROBOTŮ ..................................................................... 1

1.1. OD MECHANICKÝCH PÍSAŘŮ K ROBOTŮM ............................................................... 1 1.2. DEFINICE ROBOTŮ ....................................................................................................... 4

2. STAVBA PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ A MANIPULÁTORŮ ......................................... 6

2.1. KINEMATICKÁ STRUKTURA PRAM ............................................................................. 6 2.1.1. Akční systém stacionárních PRaM .................................................................................. 6 2.1.2. Kinematické dvojice v konstrukci PRaM .......................................................................... 7 2.1.3. Problematika přesnosti polohování základních typů PRaM .......................................... 14 2.1.4. Průmyslové roboty s paralelní kinematikou ................................................................... 16 2.1.5. Automatické dopravní vozíky – ADV (Automatic guide vehicle-AGV) ........................... 17

2.2. PŘÍKLADY TYPICKÝCH PŘEDSTAVITELŮ PRaM Z HLEDISKA KONSTRUKČNÍHO18 2.2.1. Základní typy průmyslových robotů ............................................................................... 18 2.2.2. Odvozené typy průmyslových robotů ............................................................................ 20 2.2.3. Typy PRaM z odvozených spojení kinematických dvojic .............................................. 22

3. KONCOVÉ EFEKTORY ................................................................................................. 24

3.1. Účel a rozdělení koncových efektorů ............................................................................ 24 3.2. Technologické výstupní hlavice .................................................................................... 24 3.3. Manipulační výstupní hlavice – chapadla ...................................................................... 25

3.3.1. Kombinované výstupní hlavice ...................................................................................... 34 3.3.2. Speciální výstupní hlavice ............................................................................................. 35 3.3.3. Síly, působící na uchopené předměty při pohybu robotu .............................................. 36 3.3.4. Automatická výměna koncových efektorů ..................................................................... 39

3.4. PERIFERNÍ ZAŘÍZENÍ K PRaM ................................................................................... 40 3.4.1. Úvod, rozdělení, účel použití ......................................................................................... 40 3.4.2. Rozdělení PZ podle funkce ........................................................................................... 41 3.4.3. Rozdělení PZ podle charakteristické konstrukce .......................................................... 42 3.4.4. Rozdělení PZ podle umístění v robotizovaném pracovišti ............................................ 48

4. Robotizovaná pracoviště ............................................................................................. 51

4.1. Základní prvky robotizovaného pracoviště .................................................................... 51 4.2. Řízení pracoviště .......................................................................................................... 53 4.3. Typy robotizovaných pracovišť ..................................................................................... 56

4.3.1. Svařovací ....................................................................................................................... 56 4.3.2. Manipulační ................................................................................................................... 58 4.3.3. Nanášení barev ............................................................................................................. 60 4.3.4. Technologické operace ................................................................................................. 62

5. Programování průmyslových robotů .......................................................................... 66

5.1. Úvod .............................................................................................................................. 66 5.2. Online programování..................................................................................................... 66

5.2.1. Uživatelské rozhraní - teach-pendanty .......................................................................... 67 5.2.2. 6 DOF průmyslový robot ................................................................................................ 69 5.2.3. Hlavní typy pohybů ........................................................................................................ 72 5.2.4. Aproximace pohybů ....................................................................................................... 74 5.2.5. Základní přehled instrukcí pro roboty ABB .................................................................... 76 5.2.6. Základní přehled instrukcí pro roboty KUKA ................................................................. 77 5.2.7. Případová studie: Paletizační úloha .............................................................................. 78

5.3. Off-line programování ................................................................................................... 81

4


6. BEZPEČNOST ROBOTIZOVANÝCH PRACOVIŠŤ ...................................................... 83

6.1. Základní termíny a definice ........................................................................................... 83 6.2. Požadavky na konstrukci robotu ................................................................................... 84

6.2.1. Silové hnací komponenty .............................................................................................. 84 6.2.2. Výpadek nebo kolísání napájení ................................................................................... 84 6.2.3. Napájecí zdroje .............................................................................................................. 85 6.2.4. Skrytá energie ................................................................................................................ 85 6.2.5. Elektromagnetická kompatibilita (EMC) ........................................................................ 85 6.2.6. Elektrické zařízení ......................................................................................................... 85 6.2.7. Ovládací prvky ............................................................................................................... 85

6.3. Požadavky na bezpečnostní části řídicích systémů ...................................................... 85 6.3.1. Funkce nouzového zastavení ........................................................................................ 86 6.3.2. Bezpečnostní zastavení ................................................................................................ 86 6.3.3. Redukovaná rychlosti .................................................................................................... 86 6.3.4. Pracovní režimy ............................................................................................................. 87 6.3.5. Řízení pomocí ručního ovládacího panelu .................................................................... 87 6.3.6. Požadavky na provozní spolupráci ................................................................................ 88

6.4. Popis kategorií bezpečnostních částí řídicích systémů ................................................. 88 6.4.1. Kategorie B .................................................................................................................... 88 6.4.2. Kategorie 1 .................................................................................................................... 89 6.4.3. Kategorie 2 .................................................................................................................... 90 6.4.4. Kategorie 3 .................................................................................................................... 90 6.4.5. Kategorie 4 .................................................................................................................... 91

6.5. Bezpečnostní ochranná zařízení ................................................................................... 92 6.5.1. Zařízení nouzového zastavení (Emergency stop device) ............................................. 92 6.5.2. Bezpečnostní světelné závory (Safety Ligt Curtain) ..................................................... 93 6.5.3. Bezpečnostní laserový scanner ..................................................................................... 94 6.5.4. Pevné zábrany ............................................................................................................... 95 6.5.5. Bezpečnostní dveřní snímače ....................................................................................... 96 6.5.6. Nášlapné rohože ............................................................................................................ 97

6.6. Příklad zabezpečení robotizovaného pracoviště ........................................................... 97

7. Použitá literatura .......................................................................................................... 98

1


1. HISTORIE, VÝVOJ A DEFINICE ROBOTŮ

1.1. OD MECHANICKÝCH PÍSAŘŮ K ROBOTŮM Snahy zapojit stroje podobné člověku nebo živým organismům do služeb člověka jsou téměř tak staré jako lidská kultura. Historie konstrukce pohyblivých figurín sahá až do období antiky a byzancie. Už Homér ve své Illiadě hovořil o tom, že Hefaistos, jeden z bohů na Olympu, zaměstnával ve svém domě služky vykované z čistého zlata. V r. 400-365 p. n. l. Archytus vytvořil model dřevěného holuba. Holub údajně obsahoval ve svých útrobách malý balón. Herón Alexandrijský, proslulý mechanik a stavitel figurín, poháněných párou1 a silou, vyvozenou tepelnou roztažností různých látek, např.rtuti), konstruktér samočinných jevištních zařízení, mechanismů, otevírajících brány chrámů apod. K pohonu využíval páru a zahřátý vzduch. Příkladem je zařízení oltáře, znázorněné na Obr. 1-1a. Při rozdělání ohně na oltáři se zahřeje voda v nádobě A, unikající pára tlačí na hladinu vody ve spodní části oltáře, provedeného jako nádrž. Voda je vytlačována trubkami L do nádobek, které drží sochy v rukách. Po naplnění nádobek se ruce skloní a vytékající voda z nádobek uhasí oheň na oltáři.

Obr. 1-1 Příklady historických automatů a. Příklad antického oltáře s figurínami, které samočinně vylévají vodu na obětní oheň b. Mechanický automat Jacquete Droze c. Hosogavův mechanický automat V historii automatů nemohl chybět ani geniální umělec a technik Leonardo da Vinci (1452-1519). Pro uvítání krále Ludvíka XII. v Miláně sestrojil mechanického lva, který kráčel k jeho trůnu a zdvihnutím tlapy pozdravil krále. S biorobotikou souvisí více vynikajících mechanických konstrukcí umělých lidí realizované v 18. století. Okolo r. 1738 francouzský mechanik Jacques de Vaucanson sestrojil skutečně fungující robot – flétnistu, který dokázal zahrát 12 skladeb. Zvuk vyluzoval obyčejným vydechnutím vzduchu přes ústa do hlavního otvoru flétny a tóny měnil přikládáním prstů na ostatní otvory nástroje. V r. 1772 Jacquet Droz zkonstruoval automat s podobou dítěte (viz Obr. 1-1b), který psal pasáže textu skutečným perem, byl řízený vačkami a poháněný pružinami. V r. 1796 Hosogawa z Japonska zkonstruoval další známý automat - chlapce nosícího čaj (viz Obr. 1-1c). 1 Viz známý fyzikální pokus: „Herónova baňka“

2


Velký rozvoj přírodních věd dával dokonalejší prostředky do rukou stavitelů automatů. Poznatky z akustiky umožňovaly konstrukce mechanismů, vydávajících jednoduché zvuky, například samočinné hrající hudební nástroje a mluvící figuríny. V období po první světové válce roboty nesměly chybět na žádné zajímavější výstavě o technice. Měly podobu zbrojnošů, pohybovaly rukama a odpovídaly na jednoduché otázky hlasem reprodukovaným z gramofonové desky. Roboty dostaly elektrický pohon, který bylo možné řídit inteligentněji než páčky, vačky a pružiny. Např. robot TELEVOX, zkonstruovaný v r. 1927 Angličanem R. J. Wenslym dokázal na zapísknutí zdvihnout telefonní sluchátko a ozvat se lidským hlasem Američan Whitman zase sestrojil „radiočlověka“ OCCULTA. Tento byl určený na bojové účely, měl ničit ostatní zátarasy a překonávat některé vojenské překážky. Slovo "robot" je postaveno na staroslovanském základu "-rob-", od kterého je též odvozena slova "robota", majícího v češtině význam těžké až nepříjemně unavující práce, dále slovo "robit", ale i slova "výroba", "obrábět" a pod. Geniální český spisovatel Karel Čapek použil tohoto slova k označení uměle vytvořených bytostí ve svém dramatu "R.U.R." z roku 1920. Výraz "R.U.R." znamená: "Rossum´s Universal Robots", tedy: "Rossumovi universální Roboti", volně pak přeloženo: "Universální Roboti pana Rozuma (přesněji Mozku či Intelektu)". Karel Čapek své Roboty nazýval původně "Laboři" (chtěl zřejmě jednoznačně využít latinského „labore“, potažmo anglického slova: labour = těžká, nebo alespoň plně zaměstnávající práce) a použití slova "robot" mu poradil jeho bratr malíř Josef Čapek. Nicméně je skutečností, že od roku 1921, kdy bylo Čapkovo dílo R.U.R. poprvé uvedeno, se jeho popularita velmi rychle rozšířila po celém světě a s ní i toto české slovo "robot". Například v Japonsku se děti ve školách učí, že slovo „robot“ je českého původu. Od té doby se však začalo tímto slovem označovat jakékoli automatické i mechanizační zařízení a to od kuchyňských strojků až po automatické piloty. Nechyběla, v průběhu historie se v podstatě opakující, i celá řada pokusů o umělé konstrukce člověku se podobajících zařízení, zejména na mechanickém principu. Dlužno podotknout, že tento princip byl Karlu Čapkovi cizí; jeho "Roboti" byli koncipováni pouze na biochemické bázi. My však počítáme roboty, zejména ty průmyslové, mezi neživé stroje a proto je také podle neživotného vzoru „hrad“ skloňujeme. V průmyslové výrobě se široce využívané stroje, které plní určité funkce za člověka, obvykle nenazývají roboty, ale automaty. To je dáno především tím, že tyto automaty jednak svým vzhledem velmi málo člověka připomínají a jednak je jejich funkce většinou poměrně úzce specializovaná (autooperátory, jednoúčelové manipulátory). Na Obr. 1-3 je znázorněn historický vývoj výrobních strojů a robotů. Přestože vývoj výrobních strojů započal mnohem dříve, je zde za výchozí období zvolen přelom XV. a XVI.století. Můžeme sledovat skutečný vývoj výrobních strojů s jejich postupným zlepšováním a mechanizací a současně sledovat fiktivní představy o umělé bytosti (Golem) směrem k Čapkovým robotům z R.U.R. Společný osud spojuje tyto dva proudy vynález číslicového řízení (NC – Numerical Control) v polovině XX. století. NC výrobní stroje spolu s manipulátory, obdařenými NC – průmyslovými roboty - začaly realizovat představy o automatické výrobě. V roce 1961 totiž přišla americká firma AMF (American Machine and Foundry Corporation) na trh s mnohoúčelovým automatem pod názvem "Průmyslový robot VERSATRAN" (VERSAtile TRANsfer), který zastává funkci člověka u výrobního stroje, avšak nemá jeho podobu a pak již vývoj nabral neuvěřitelné obrátky. Symbióza průmyslových robotů a NC výrobních strojů na přelomu XX. a XXI. století umožnila vznik plně automatizovaných továren, jakou provozuje na příklad japonská firma FANUC. Jiné průmyslové roboty směřovaly do nestrojírenských aplikací včetně zemědělství. V červeně orámované části

3


obrázku č. Obr. 1-3 jsou znázorněna některá typická provedení průmyslových robotů. Ten vlevo je programován bezprostředním učením, tedy tak, že jej programátor původně v režimu „TEACH“ vede po požadované dráze, která se nahraje do řídícího systému a po aktivování nahraného programu robot naučenou činnost v režimu „REPEAT“ neúnavně opakuje. Uplatnění takového robotu je zejména při průběžném svařování po požadované dráze, nebo při nanášení nátěrových či ochranných hmot. Ten vpravo je programován zprostředkovaně pomocí programovacího panelu, při čemž programátor navede robot vždy do požadovaného bodu, který si robot zapamatuje a pak vykonává práci podle zadané činnosti mezi jednotlivými body nebo v těchto bodech. Takový robot je velmi vhodný například pro bodové svařování karoserií v automobilkách.

Obr. 1-2 Bezprostřední učení průmyslového robotu

MASTERSLAVE

XV/XVI. století

XVIII/XIX. století (JamesWatt 1736-1819)

zdokonalil parní stroj

50-60. létaXX.století

XX/XXI. století

Nestrojírenskéaplikace

NCNumerical

Control

1921: K.Čapek: R.U.R. ⇒ „robot“(Rosum`s Universal Robots)

FANUC

1580: „GOLEM“Rabbi Jehuda Löw ben

Becael (Staré Město Pražské)

Humanoidníroboty

Leonardoda Vinci(1452-1519)různé pohony a

technická zdokonalení, m.j.válečková ložiska, lanové převody, vrtule

Japonskáautomatizova-

ná továrna

HONDA

Piano playerProf.Ichiro KatóUNIVERSITY ofWASEDA, Tokyo

Stavebnictví, zemědělství,

textilní prům., sklářství a j.

Francouzský kopírovacísoustruh se šlapacím pohonem z XVI.stol.

Průmyslový robot (ABB)

Biorobotické(protetické)

aplikace

Způsob řízení:Způsobřízení:

Obr. 1-3 Nástin vývoje výrobních strojů a robotů

4


S určitým odbočením od NC řízení se vyvinuly biorobotické (protetické) aplikace, řízené systémy MASTER-SLAVE, případně nervovými EMG (elektromyogrammetrickými) signály. Přímý vývoj v robotice však sleduje nejfantastičtější směr, tedy vývoj mobilních, kráčejících a humanoidních robotů (např. HONDA). Podoba těchto zařízení s fiktivním Golemem je až fascinující, ale i bezprostřední učení průmyslových robotů vedením za jejich koncový člen a nahráním tohoto pohybu do řídícího systému nám může připomenout oživování Golema tajemným „šémem“, vkládaným do jeho hlavy. Piano-player profesora Ichiro Kató z Wasedské university v Tokyu doprovázel celý symfonický orchestr na světové výstavě v Ósace. Humanoidní robot Honda ale i jiní „androidi“ dokáží chodit i po schodech, nosit předměty, tančit a pod. Pomalu si tak i zaslouží životnou podobu jejich názvu, tedy „roboti“.

1.2. DEFINICE ROBOTŮ Pro obecné porovnání vlastností stroje s člověkem ve výrobním procesu mohou sloužit následující kategorie: - fysické možnosti

- funkční možnosti - úroveň intelektu

Jako hranice pro výrobní proces potřebné a možné úrovně intelektu slouží lidské vědomí, v daném případě jde především o vnímání, chápání a rozhodování, paměť a logiku. Funkční možnosti zahrnují přizpůsobivost, universálnost, možnost přemisťování v prostoru, manipulovatelnost apod. Mezi fysické možnosti patří síla, rychlost, schopnost nepřetržité práce, stabilita charakteristik, trvanlivost, spolehlivost atd. Uvedené tři kategorie je možno znázornit v prostorovém diagramu v kartézských souřadnicích x, y a z. [4; s.38]

Obr. 1-4 Schematické porovnání člověka a stroje ve výrobním procesu [NODA;s.xx] Na Obr. 1-4 je velmi schematicky znázorněn člověk ve výrobním procesu, vyznačující se vysokou úrovní intelektu (potřebného pro daný výrobní proces), poměrně vysokou úrovní funkčních možností, avšak velmi nízkými fyzikálními možnostmi. Tohoto si byl člověk od pradávna velmi dobře vědom, a proto všechny dosavadní stroje prakticky napomáhaly

5


člověku rozšířit především tyto jeho nízké fyzikální možnosti a v diagramu jsou znázorněny pouze jako jednorozměrné a to na ose fyzikálních možností. Stavební a jim podobné stroje, ovládané a řízené přímo člověkem, jako jsou na příklad bagry, scrapery, ale též i balancery, teleoperátory a pod. představují v daném diagramu dvourozměrné stroje v rovině dané osami fysických možností a funkčních možností. Na druhé straně matematické a jim podobné informační stroje (computery, řídící systémy) jsou stroje rovněž v daném diagramu dvourozměrné, ale v rovině dané osami fysických možností a úrovní intelektu, možnost pohybu nemají. Teprve spojením, prolnutím, obou výše dvourozměrně znázorněných strojů vzniká průmyslový manipulátor - robot, představující stroj, odpovídající v tomto schématu trojrozměrnému znázornění člověka ve výrobním procesu. Je přirozené, že v rámci studia robotiky se hledá též vhodná definice jak manipulátoru, průmyslového robotu, tak i samotného robotu. Pojem "robot" je doposud ve světové literatuře definován poněkud nejednotně, avšak některé definice, odvozené od počtu stupňů volnosti takového zařízení, jako například: "Robot je zařízení od tří stupňů volnosti, do tří stupňů jde o manipulátor", nebo "Průmyslový robot je automatické manipulační zařízení libovolně programovatelné ve třech osách s podávacíma rukama (chapadly) nebo technologickými nástroji, určené pro použití v průmyslu", svědčí o nepochopení základní filosofie robotů. Nicméně posledně uvedená definice naznačuje ještě i další otázku a to, zda robot je totéž, co průmyslový robot. Již samotný přívlastek „průmyslový" naznačuje, co má závěrečná část této definice na mysli, že totiž průmyslový robot je určitou podmnožinou robotů jako takových. Pro všeobecný pojem "robot" lze přijmout definici, původně vyslovenou Ing. Ivanem M.Havlem, CSc. [2] ve znění [3; s.20]: "Robot je automatický nebo počítačem řízený integrovaný systém, schopný autonomní, cílově orientované interakce s přirozeným prostředím, podle instrukcí od člověka. Tato interakce spočívá ve vnímání a rozpoznávání tohoto prostředí a v manipulování s předměty, popř. v pohybování se v tomto prostředí" Tato definice nepochybně zahrnuje různé robotické systémy pro rozmanitá, nejen průmyslová, použití. Povahu "průmyslového robotu" pak vystihuje velmi dobře definice podle prof. P. N. Beljanina [1]: "Průmyslový robot je autonomně fungující stroj-automat, který je určen k reprodukci některých pohybových a duševních funkcí člověka při provádění pomocných a základních výrobních operací bez bezprostřední účasti člověka a který je k tomuto účelu vybaven některými jeho schopnostmi (sluchem, zrakem, hmatem, pamětí a podobně), schopností samovýuky, samoorganisace a adaptace, t.j. přizpůsobivostí k danému prostředí". Definované zařízení je právě onou žádanou náhradou člověka ve výrobním procesu. O tom, zda jde o průmyslový robot či manipulátor je nutno rozhodnout na základě analysy úrovně inteligence, tj. úrovně jeho řídicího systému podle textu k Obr. 1-4, jednotné měřítko na přesné oddělení manipulátorů od průmyslových robotů prakticky neexistuje.

6


2. STAVBA PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ A MANIPULÁTORŮ

2.1. KINEMATICKÁ STRUKTURA PRAM

2.1.1. Akční systém stacionárních PRaM Z uvedených definic robotů a i z celkového pohledu na tato složitá zařízení jednoznačně vyplývá, že průmyslové roboty je nutno chápat jako určitou podmnožinu robotů jako takových, kterými mohou být zejména mobilní roboty pojízdné na různých typech kolových a pásových podvozků, či roboty kráčející, zkonstruované až do podoby zvířat či androidů. Zejména pak u mobilních robotických systémů představuje manipulační rameno mechanismus, který v globálním pojetí je prakticky samostatným akčním systémem, který může být použit jako stacionární průmyslový robot, vybavený navíc případně i jednoduchým či složitějším lokomočním ústrojím. Akční systém PRaM se z konstrukčního hlediska rozděluje na:

− pojezdové (lokomoční) ústrojí − polohovací ústrojí − orientační ústrojí − výstupní hlavice (koncové efektory)

Mezi polohovacím a orientačním ústrojím se nachází referenční bod Br, který zakončuje základní kinematický řetězec (ZKŘ), jenž zahrnuje polohovací ústrojí a někdy též zasahuje i do pojezdového ústrojí, kinematický řetězec (KŘ) pak obsahuje základní kinematický řetězec a orientační ústrojí. Mezi orientačním ústrojím a výstupní hlavicí bývá umístěn kompensátor polohy. Ukázka rozdělení akčního systému na robotech, které jsou vybaveny i lineárním pojezdovým ústrojím je na Obr. 2-1.

a. b. Obr. 2-1 Ukázka rozdělení akčního systému na stacionárních průmyslových robotech a. Adaptivní průmyslový robot APR- 20 VUKOV-PREŠOV (SK) b. Průmyslový robot BEROE RB-321(BG)

X - pojezdové ústrojí polohovací ústrojí - CBB’ (APR-20), CZY (BEROE RB-321) Br - referenční bod A0, B0, C0 - orientační ústrojí (jedno z možných uspořádání)

Poznámka: X, Y, Z - souřadnice translačního pohybu A, B, C - souřadnice rotací kolem os x, y, z A0, B0, C0 - souřadnice rotací orientačního ústrojí

7


2.1.2. Kinematické dvojice v konstrukci PRaM Akční systém průmyslových robotů a manipulátorů je ve své podstatě pohybovým mechanismem, který sestává z více binárních členů, vázaných mezi sebou prostřednictvím kinematických dvojic (KD). Každé z těchto kinematických dvojic přísluší většinou jeden stupeň volnosti, kinematické dvojice o více stupních volnosti (na příklad KD válcová či rovinná) nejsou pro stavbu PRaM typické. Ani spojení dvou otočných kinematických dvojic do jednoho kloubu, tedy jako sférická kinematická dvojice, se běžně nevyskytuje, neboť taková soustava se jen velmi těžko osazuje servopohony. Při stavbě PRaM se nejčastěji používají kinematické dvojice posuvné (translační) a otočné (rotační). Protože kinematické struktury PRaM je potřebné (a to nejen pro potřeby této práce) často znázorňovat v různých postaveních, používají se jejich určitá schematická označení, které vycházejí z jejich konstrukční podstaty. Kinematická dvojice translační (T) Znázornění této kinematické dvojice je poměrně jednoduché, neboť stačí napodobit lineární posuv dvou těles po sobě. Je však nutno respektovat relativnost možného pohybu posouvajících se těles: a) po delším vedení se posouvá kratší těleso - tzv. suportové, či saňové provedení (viz

Obr. 2-2a) b) v kratším vedení se posouvá delší těleso - tzv. smykadlové provedení (viz Obr. 2-2b) c) výsuvné, příp. teleskopické provedení (viz Obr. 2-2c)

a ) b ) c )

Obr. 2-2 Schematické znázornění translační KD: a) suportové, b) smykadlové, c) výsuvné Bez dalšího vyznačování se předpokládá, že pohyblivý člen v kinematické dvojici z Obr. 2-2 nemá možnost se současně též otáčet. Kinematická dvojice rotační (R) Při znázorňování rotačních KD je nutno respektovat jejich specifika, která představují buď rotaci kolem vlastní osy, nebo rotaci ramene o délce „r“ kolem mimostředné osy (kloub) a rovněž i směr pohledu (nárys, půdorys, příp. bokorys) na otočný kloub.

Obr. 2-3 Otočné kinematické dvojice bez omezení úhlu otáčení: a),c) - s ramenem "r" a

b),d) - kolem vlastní osy (r = 0) Nelze ponechat bez povšimnutí, že i jednoduché schematické znázornění je spojeno s konstrukční představou o možném rotačním pohybu a svým pojetím znázorňovaný rotační pohyb buď omezuje, nebo dává představu o možném otáčení kolem osy bez omezení. Typické případy jsou znázorněny na Obr. 2-3 a Obr. 2-4

8


Obr. 2-4 Klouby (rotační KD s ramenem "r") v nárysu a půdorysu:

a) bez omezeného úhlu otáčení b) s omezeným otáčením

Základní kinematický řetězec PRaM – polohovací ústrojí Všechny běžné kinematické struktury základních kinematických řetězců (polohovacího ústrojí) průmyslových robotů, jsou struktury se sériovou kinematikou. Je to dáno použitím výše uvedených kinematických dvojic vždy o jednom stupni volnosti (translačních nebo rotačních), které se posouvají či otáčejí nezávisle na sobě a výsledný pohyb je složen z řady pohybů v jednotlivých těchto kinematických dvojicích. Tak vzniká sériová kinematika nejen u robotických systémů, ale na příklad i u výrobních strojů, u kterých pak převládá struktura, složená převážně z translačních kinematických dvojic, tedy struktura kartézská, zatímco v morfologii průmyslových robotů se rozvinuly i jiné struktury. Polohovací ústrojí slouží k požadovanému ustavení referenčního bodu Br. Požaduje-li se jeho postavení a pohyb po přímce (úsečce), nebo křivce (kružnici) postačí k tomu l stupeň volnosti a to buď translační (T), nebo rotační (R), ", k polohování referenčního bodu Br v rovině, případně ploše, je zapotřebí již určitého spojení dvou kinematických dvojic. Teprve přidáním třetí kinematické dvojice může pohyb referenčního bodu základního kinematického řetězce obsáhnout i určitý prostor, závislý na celkovém spojení KD v ZKŘ. V praxi se na počátku rozvoje robotiky nejvíce rozšířily čtyři, možno říci základní, typy spojení KD: 1. Spojení tří translačních KD: T T T 2. Spojení jedné rotační a dvou translačních KD: R T T 3. Spojení dvou rotačních a jedné translační KD: R R T 4. Spojení tří rotačních KD: R R R Shodou okolností má struktura těchto čtyř základních spojení charakter postupného nahrazování translací rotacemi a výsledný obsluhovaný prostor je v těchto čtyřech případech: 1. Kvádr (pravoúhlý, kartézský pracovní prostor) 2. Válcový (cylindrický) segment 3. Kulový (sférický) segment 4. Torusový 2 (složený, anthropomorfní, anglulární) segment.

2 "TORUS", česky: "OBLOUN", je pojem ze stavitelství a jedná se o článek zhruba půlkruhového průřezu, vyskytující se (střídaje se s výžlabky) na příklad ve vodorovném provedení v patkách aticko-iónských (antická patka),nebo asijsko-iónských (iónská patka) sloupů, nebo ve svislém provedení v profilaci gotického ostění.

9


Přehled o pracovních prostorech, daných základním spojením tří kinematických dvojic dává Obr. 2-5 a-d.

Obr. 2-5 Znázornění pracovních prostorů základních typů průmyslových robotů: a. Kartézký (pravoúhlý) pracovní prostor (TYP „K“) b. Cylindrický (válcový) pracovní prostor (TYP „C“) c. Sférický (kulový) pracovní prostor (TYP „S“) d. Multiúhlový (anthropomorfní, torusový, angulární) pracovní prostor (TYP „A“) Další praxe a sledování rozvoje robotů ukázaly, že se vyskytují průmyslové roboty i o jiné struktuře spojení kinematických dvojic, než odpovídají základním pracovním prostorům, jako na příklad u průmyslového robotu "UM-160", jehož strukturu ZKŘ je možno podle Obr. 2-5 vyjádřit spojením kinematických dvojic TRR, podobně jako u robotů RENAULT – Horizontal Type či PROB-5. Takové kinematické struktury průmyslových robotů nazýváme strukturami odvozenými.

a) b) b)

Obr. 2-6 Metamorfóza struktur průmyslové roboty koncipovaných ve spojení TRR a. Schéma a nákres průmyslového robotu UM-160 (RUS) b. Schéma a nákres průmyslového robotu PROB-5 (CZ) kde: X,Z.…pojezdy kolem os x,z; A, A‘, C, C‘…rotace kolem os x, z; Br…referenční bod Praxe tedy potvrdila teorii, která pro n-stupňů volnosti stanovuje počet možných spojení kinematických dvojic T a R: m = 2n……..…………………………………..(2.1) kde n je číslo přirozené. Pro praktický a běžný počet stupňů volnosti n = 3 se základní počet spojení rozšiřuje na celkem m = 23 = 8 skupin podle tabulky č.2.1:

10


Tabulka č.2.1: Základní a odvozená spojení KD

Toto schéma již zmíněnou strukturu robotů z obr. 2.6 obsahuje (TRR) a je tedy možno hovořit o odvozené struktuře základního kinematického řetězce tohoto robotu z titulu spojení jeho kinematických dvojic. Na rozdíl od příkladu struktury průmyslového robotu na obr. 2.6 vyjadřuje sice strukturu základního kinematického řetězce průmyslových robotů typu „SCARA“ (GEC ROBOTS BODY, BOSCH SR-800) základní spojení RTT, avšak rozdíl od nejrozšířenějšího základního uspořádání průmyslových robotů tohoto typu spojení se sférickým pracovním prostorem (na příklad UNIMATE) je zřejmý z Obr. 2-7.

Obr. 2-7 Metamorfóza typů průmyslových robotů různým uspořádáním KD ve spojení RRT a. Schéma a nákres průmyslového robotu „UNIMATE“ (CBY) b. Schéma a nákres průmyslového robotu typu „SCARA“ (CC'Z)

Odlišit strukturu CC'Z základního kinematického řetězce uvedeného průmyslového robotu typu „SCARA“ od struktury CBY základního typu ve spojení RRT (na př.UNIMATE) z titulu analysy pouze spojení kinematických dvojic však nelze, přesto, že jde o zařízení navzájem značně rozdílná. Různým uspořádáním kinematických dvojic došlo totiž v tomto spojení k metamorfóze sférického typu na typ cylindrický. Podobně je tomu i u struktur koncipovaných ve spojení TRR na obr. 2.6. Jde totiž o to, že každá z kinematických dvojic, používaných v základním kinematickém řetězci, může být situována v jednom ze tří různých směrů, daných kartézským souřadnicovým systémem x,y,z a to:

− translace (T) ve směru souřadnic X,Y,Z, − rotace (R) kolem těchto souřadnic A,B,C,

čímž v rámci jednotlivých spojení vznikají dále různá možná uspořádání, na př.Tx,Ty,Tz (X,Y,Z) na rozdíl od Tx,Tz,Ty (X,Z,Y) a pod. Takových různých uspořádání pro počet stupňů volnosti n = 3 je teoreticky w3teor = 165, prakticky se jich využívá cca w3prakt = 13. Spojení a uspořádání KD základního kinematického řetězce (polohovacího ústrojí) má zásadní význam při posuzování morfologie určitého konkrétního průmyslového robotu a je tedy i třídícím kriteriem pro jeho zařazení mezi základní či odvozené typy (viz kapitola 2.2).

11


Orientační ústrojí Na představených různých typech průmyslových robotů je možno si povšimnout m.j., že polohovací ústrojí jakéhokoliv typu souřadnicového systému PRaM dopraví při třech stupních volnosti referenční bod "B" do požadovaného místa obsluhovaného prostoru. Aby uchopený a manipulovaný předmět byl dále patřičně orientován, je nutné použít orientačního ústrojí. Toto ústrojí prakticky nemá zásadní vliv na architekturu daného robotu, kterou zásadně určuje jeho polohovací ústrojí. Orientační ústrojí je pouze jeho doplněním pro umožnění dosažení nejen polohy předmětu, ale i jeho jednoznačné orientace. Teoreticky by tedy struktura kinematického řetězce PRaM měla mít (pro základní spojení KD) charakter podle tabulky č.2.2:

Tabulka č.2.2 3: Nesprávné použití KD v orientačním ústrojí

Polohovací ústrojí Orientační ústrojí Vyhodnocení TTT RRR RTT TRR - NE! RRT TTR - NE! RRR TTT - NE!

Přesto, že obecně je poloha tělesa v prostoru dána šesti stupni volnosti, z toho třemi translacemi a třemi rotacemi (viz obr.8.5), nelze pro manipulační účely užít těchto kombinací vždy. Pokud jsou v polohovacím ústrojí použity translace, musí být pro obecnou orientaci použito u orientačního ústrojí rotací. Pokud jsou však v polohovacím ústrojí rotace, musí orientační ústrojí, jako součást kinematického řetězce průmyslového robotu obsahovat rovněž rotační kinematické dvojice, aby bylo možno těleso zpětně orientovat do původního směru po pootočení robotu. V tabulce č.2.2 je tedy správný pouze její první řádek pro spojení kinematických dvojic TTT. Správná struktura kinematického řetězce PRaM musí odpovídat tabulce č.2.3:

Tabulka č.2.3: Správné použití KD v orientačním ústrojí

Polohovací ústrojí Orientační ústrojíTTT RR(R) RTT RR(R) RRT RR(R) RRR RR(R)

Je tedy možno říci, že orientační ústrojí PRaM je nutno konstruovat převážně z rotačních kinematických dvojic. Výjimky mohou být dány speciální konkrétní potřebou. Orientační ústrojí PRaM může mít obecně libovolný počet stupňů volnosti, který se připočítává k počtu stupňů volnosti polohovacího ústrojí a tvoří tak dohromady počet stupňů volnosti průmyslového robotu. Použití třetí rotace však předmět v podstatě orientuje pouze v ose otáčení této kinematické dvojice, což nebývá vždy (zejména u běžných rotačních součástí) zapotřebí. Často jsou tedy průmyslové roboty vybavovány pouze dvěma rotacemi v orientačním ústrojí, aby se tak eliminovalo natáčení polohovacího ústrojí a třetí otáčení v ose předmětu nebývá použito. To je v tabulce č.2.3 vyjádřeno závorkami. Použije-li se však všech tří rotačních kinematických dvojic, může být vykonávána orientace předmětu na příklad pro montáž čepu, opatřeného perem, nebo drážkováním do příslušného 3 Znázornění kinematických dvojic polohovacího ústrojí výraznějšími písmeny než orientačního ústrojí má vyjádřit jejich konstrukční odlišnost v postupném snižování robustnosti.

12


otvoru. Předpokládá se tedy umístění otáčeného předmětu v ose rotace koncové kinematické dvojice. V jiném případě může být koncová kinematická dvojice opatřena určitým ramenem, na jehož konci bývá umístěna na příklad svařovací hubice. Je zřejmé, že teorie orientačního ústrojí se bezprostředně dotýká jeho praktické stránky řešení. Z předcházející analysy vyplývá, že rotační kinematická dvojice v orientačním ústrojí může být (podobně jako v polohovacím ústrojí) provedena buď jako otočná přímo ve vlastní ose (bez dalšího rotujícího ramene), nebo s ramenem "r" (viz Obr. 2-8 Realizace kinematické dvojice

rotačního ústrojí PRaM a) osové provedení b),c) s rotujícím ramenem

Obr. 2-9 Dvě základní varianty uspořádání tří rotačních KD v orientačním ústrojí PraM: a) Osy první a třetí KD v základní poloze rovnoběžné, b) Osy všech tří KD na sebe kolmé

). Při tom u orientačního ústrojí je již obtížné stanovovat její příslušnost k ose x, y či z, neboť se jedná o značně pohyblivou soustavu. Vhodnější je označování rotačních kinematických dvojic v orientačním ústrojí jako ϕ1, ϕ2, ϕ3, ....atd.

Obr. 2-8 Realizace kinematické dvojice

rotačního ústrojí PRaM a) osové provedení b),c) s rotujícím ramenem

Obr. 2-9 Dvě základní varianty uspořádání tří rotačních KD v orientačním ústrojí PraM: a) Osy první a třetí KD v základní poloze rovnoběžné, b) Osy všech tří KD na sebe kolmé

Obr. 2-10 Nejpoužívanější uspořádání při spojení dvou KD v orientačním ústrojí PRaM Samozřejmé je střídání směrů rotací při spojování více kinematických dvojic. Podobně jako u polohovacího ústrojí, je i v tomto případě potřebné sledovat jejich uspořádání, důsledné sledování souřadných os není tak závažné, jako u polohovacího ústrojí, neboť u orientačního ústrojí se automaticky předpokládá jeho činnost v různých pracovních polohách. Principiálně při spojení dvou rotačních kinematických dvojic u orientačního ústrojí jsou používána uspořádání dle Obr. 2-10. Při spojení tří kinematických dvojic se počet možných uspořádání dále, jako u polohovacího ústrojí, zvyšuje, avšak v praxi se ustálilo použití následujících dvou variant (vizObr. 2-9). V případě na Obr. 2-9a je třetí KD po pootočení druhé kinematické dvojice oproti první KD vychýlená.

13


Konkrétní provedení orientačních ústrojí PRaM mají úzkou návaznost na jejich stavebnicové (modulární) či nestavebnicové (integrované) konstrukční řešení.

14


2.1.3. Problematika přesnosti polohování základních typů PRaM Vůle v pohybovém ústrojí kinematické dvojice lze rozlišit na vůle základní vz a vůle vzniklé opotřebením vo. Celková vůle pohybového ústrojí kinematické dvojice po počátečním záběhu a určité funkční době je pak: vc = vz + vo = n . vz, kde n..... součinitel, jehož velikost je úměrná délce doby používání dvojice. V sériovém systému řazení kinematických dvojic PRaM, z nichž každá vykazuje chybu Δi, pak výsledná chyba Δc je dána geometrickým součtem chyb jednotlivých souřadnic (Δ1, Δ2 , Δ3 ....... ). Pro tři stupně volnosti je celková chyba: Δc = Δ1 + Δ2 + Δ3. Tato celková chyba nesmí překročit hodnotu dovolené nepřesnosti v polohování (orientaci) Δc < Δc dov. U pravoúhlého souřadnicového systému (K) na Obr. 2.5a a Obr. 2-11a je chyba v jednotlivých souřadnicích: Δx = Δ1 = x2 – x1; Δy = Δ2 = y2 – y1; Δz = Δ3 = z2 – z1 kde x2 , y2 , z2 jsou souřadnice požadované polohy A2 a x1 , y1 , z1 jsou souřadnice skutečné polohy A1 Celková chyba v systému (K) je:

( ) ( ) ( )2122

122

1221cK zzyyxxAA −+−+−==Δ ……………………………………………...(2.2) Za zjednodušujícího předpokladu, že se chyby na jednotlivých souřadnicích rovnají: Δx = Δy = Δz = Δ, je pak výsledná chyba rovna výrazu: ΔcK = A1 A2 = 1,73 Δ. Velikost chyby není závislá, za předpokladu stejné výrobní přesnosti po celé délce pohonného prvku (např. šroubu nebo hřebene) a pro zjednodušení i stejného opotřebování, na odlehlosti výsledné polohy výstupní hlavice od počátku souřadnicového systému. U válcového systému (C) na Obr. 2.5b a Obr. 2-11b jsou souřadnice požadované polohy A2 ( r + Δ r, ϕz + Δϕz , z + Δz ) a souřadnice skutečné polohy A1 (r, ϕz,z). Za zjednodušujícího předpokladu, že ϕz = 0, Δz = Δr, z = 0 je výsledná chyba po dosazení do vztahu (2.2):

( ) ( )2z

221cC rrrcos12r2AA +Δ⋅⋅Δ−⋅+Δ⋅==Δ ϕ ……………………………………….(2.3)

Velikost chyby ΔcC je závislá na odlehlosti r výsledné polohy výstupní hlavice od počátku souřadnicového systému. Čím je větší odlehlost, tím větší je výsledná chyba. U sférického systému (S) na Obr. 2.5c a Obr. 2-11c jsou souřadnice bodů A1 a A2 vyjádřeny: A1 ( r, ϕz , ϕx ), A2 ( r + Δ r, ϕx + Δϕx , ϕz + Δϕx ). Za zjednodušujícího předpokladu, že ϕx = 0 a ϕz = 0 a Δϕx = Δϕx = Δϕ, je výsledná chyba po dosazení do vztahu (2.2):

( ) 22221cC rsinrrr2AA Δ+Δ⋅Δ⋅+⋅==Δ ϕ …………………………………………......(2.4)

Také zde, stejně jako u válcového systému, je výsledná chyba závislá na velikosti odlehlosti r výstupní hlavice od počátku souřadnicového systému, čím větší je odlehlost, tím větší je výsledná chyba.

15


a. b. c. d. Obr. 2-11 Polohování v kartézském (a), cylindrickém (b), sférickém (c) a antropomorfním (d)

souřadném systému U anthropomorfního (multiúhlového) systému (A) na Obr. 2.5d jsou souřadnice požadované polohy A2 ( R1 , ϕx + Δϕx , ϕz + Δϕz , R2 , α + Δα ) a souřadnice skutečné polohy A1 (R1 , ϕx , ϕz, R2, α ), jejichž pravoúhlé průměty jsou podle Obr. 2.10d: 1. Pro bod A1: x1 = [ R1 cos ϕx + R2 cos ( α - π + ϕx ) ] cos ϕz y1 = [ R1 cos ϕx + R2 cos ( α - π + ϕx ) ] cos ϕz z1 = R1 cos ϕx + R2 cos ( α - π + ϕx ) 2. Pro bod A2: x2 = cos (ϕz + Δϕz ) R1 cos (ϕx + Δϕx ) + R2 cos (α - π + ϕx + Δϕx + Δα ) y2 = sin (ϕz + Δϕz ) R1 cos (ϕx + Δϕx ) + R2 cos (α - π + ϕx + Δϕx + Δα ) z2 = R1 sin (ϕx + Δϕx ) + R2 sin (α - π + ϕx + Δϕx + Δα ) Na změnu polohy referenčního bodu Br, nacházejícího se na konci ramene R2 , má v tomto případě vliv nejen změna úhlu ϕz a úhlu α, který svírá rameno R2 s ramenem R1, ale současně též změna základního úhlů ϕx , a to i bez změny úhlu ϕ. Velikost úhlu ϕ má vliv na velikost odlehlosti referenčního bodu Br od počátku souřadnicového systému, za jejíž absolutní hodnotu má současně vliv též délka ramen R1 a R2 . Za zjednodušujícího předpokladu, že ϕz = 0 a ϕx = 0, který analogicky předcházejícím případům znamená pouze natočení souřadného systému tak, že osa x se ztotožní se základním otáčivým ramenem R (R1) základního kinematického systému a za dalších zjednodušujících předpokladů, že Δϕx = Δα = Δϕ, R1 = R2 = R, a konečně α = π, což znamená, že i rameno R2 leží v prodloužení ramene R1 v ose x a dochází tak k největší odlehlosti referenčního bodu Br od počátku souřadnicového systému, je výsledná celková chyba po dosazení do vztahu (2.2):

( )[ ]

( )[ ] ( )[ ]22

221cA

2sinsinR2coscossinR

R22coscoscosRAA

ϕϕϕϕϕ

ϕϕϕ

Δ+Δ⋅+Δ+Δ⋅Δ⋅+

+−Δ+Δ⋅Δ⋅==Δ

po úpravě:

5,02coscos5,02sinsin5,0sinR2 2cA +Δ⋅Δ⋅−Δ⋅Δ⋅+Δ⋅=Δ ϕϕϕϕϕ …………….(2.5)

Např. pro R = 1 000 mm, Δϕ = 10′, Δ = 0,1 mm vychází po dosazení do vztahů (2.2 – 2.5): ΔcK = 0,2 mm, ΔcC = 2,9 mm, ΔcS = 4,1 mm, ΔcA = 10,5 mm a porovnání dosažitelné přesnosti u jednotlivých systému polohování v nejnepříznivějším případě největší odlehlosti referenčního bodu Br od počátku souřadnicového systému a za předpokladu pohonu systému v otevřené vazbě vychází následovně:

ΔcA = 52,5 ΔcK ΔcS = 20,5 ΔcK ΔcC = 14,5 ΔcK

16


Komplexním rozborem všech čtyř systémů polohování vychází, že při stejné výrobní přesnosti součástí kinematických dvojic, bude nejpřesnější průmyslový robot, pracující bez zpětnovazebního řízení polohy, vytvořený z posuvných jednotek v systému TTT, tj. polohujícím v kartézském souřadnicovém systému „K“.

2.1.4. Průmyslové roboty s paralelní kinematikou V poslední době se ve stavbě výrobních strojů, jmenovitě obráběcích center, začaly uplatňovat zajímavé konstrukce, využívající původní myšlenky uložit obráběcí nástroj na upínač (plošinu), která bude zavěšena na délkově proměnlivých a kloubově uchycených závěsech, pomocí nichž ji bude možno natáčet a různě orientovat vzhledem k obrobku. Protože těchto závěsů musí být pro určení polohy této plošiny minimálně 3 a osvědčilo se použití 6-ti závěsů, ujal se pro takovou konstrukci název HEXAPOD. Nejstarší známá konstrukce HEXAPODu, navržená V.Goghem, je známá od roku 1949, v roce 1965 popsal D.Stewart vlastnosti jednoduchého HEXAPODu a odtud pochází i dnes obecně užívaný název „Stewartova plošina“. Oproti strojům, dosud využívajících sériové kinematiky, tedy využívajících kombinaci rotačních a translačních pohybů, je výsledný pohyb u HEXAPODů dán simultánním řízením a kontrolou pohybu šesti (obecně však minimálně tří) kloubově zavěšených podpěr s proměnnou délkou, které Stewartovu plošinu v prostoru přestavují. Jedná se tedy o stroje s paralelní kinematickou strukturou. V letech 1970-1990 bylo vyrobeno několik modelů takových strojů, vyskytovaly se však potíže zejména v oblasti hardwarové a softwarové. Průlom v této skupině učinily dvě firmy: GEODETICS a INGERSOLL. Vedle plně paralelních kinematik strojů se šesti stupni volnosti, jako u výše uvedených HEXAPODů, bylo v rámci společného projektu BMBF DYNAMIL vyvinuto a realizováno obráběcí centrum Dyna-M s hybridní pohonovou strukturou. Tyto nové principy užití paralelní kinematické struktury neminuly v současné době ani stavbu průmyslových robotů. Na mezinárodní výstavě EMO-95 v Miláně byl firmou COMAU-Division Robotica, Torino, představen průmyslový robot TRICEPT HP1, jehož orientační ústrojí je sice tvořeno běžnou kombinací rotačních kinematických dvojic, avšak je umístěno na přírubě, zavěšené a polohované jako Stewartova plošina pomocí tří délkově posuvných a řízených podpěr, zavěšených na kloubových závěsech v podobě otočných třmenů. Nosnou část průmyslového robotu TRICEPT HP1 s paralelní kinematickou strukturou polohovacího ústrojí tvoří stojan, který je pevně usazen na základové desce. Horní konec stojanu obdélníkového průřezu nese vodorovný příčník tvaru písmene „U“ , na nějž jsou kloubově připevněny horní části tří svislých ramen – přímočarých (translačních) pohybových jednotek. Klasické polohovací ústrojí (sériově na sebe navazující kinematické dvojice a pohybové jednotky) je tedy u tohoto robotu nahrazeno prostorovou prutovou soustavou lineárních pohybových jednotek (aktuátorů), které jsou dolními konci navzájem kloubově připojeny na Stewartovu plošinu. Toto kloubové připojení je v geometrických místech, odpovídajících vrcholům rovnostranného trojúhelníku, v jehož středu se nachází referenční bod Br základního kinematického řetězce a je geometrickým místem pro připojení orientačního ústrojí robotu. Toto orientační ústrojí je poháněno soustavou převodů, umístěných ve svislém tubusu, nacházejícím se uprostřed svazku tří pohybových jednotek (viz Obr. 2.11b). Celkově jde tedy o zařízení, zatříďující jej morfologicky do struktur s hybridní kinematikou (viz schéma na Obr. 2.11a), jeho polohovací ústrojí je však plně provedeno jako paralelní kinematická struktura.

17


a. b.

Obr. 2-12 Morfologické třídění kinematických struktur stavby strojů a robotů (a) a průmyslový robot s hybridní kinematickou strukturou polohovacího ústrojí TRICEPT HP1 (b)

b.

2.1.5. Automatické dopravní vozíky – ADV (Automatic guide vehicle-AGV) Prvním stupněm vývoje mobilních robotů byla konstrukce automatického dopravního vozíků (ADV), jako mezioperačního manipulačního zařízení, používaného v pružných výrobních soustavách (PVS). ADV jsou určeny pro převoz těžkých dílců nebo součástí, nástrojů, výrobních pomůcek ap., např. mezi jednotlivými výrobními stroji (především obráběcími centry - OC). Jejich nevýhodou je pevně určená dráha, kterou v naprosté většině tvoří do podlahy zapuštěný el. vodič - indukční řízení ADV. Obr. 2-13 Způsob vedení ADV: 1-snímací anténa s cívkou, 2-zapuštěný kabel, 3-elektronický ŘS, 4-amplifikace, 5-ovládací motor, 6-mag. Pole

Obr. 2-14 Princip snímání trasy: 1-vodič, 2-drážka, 3-elmag. pole 4-cívka

18


Obr. 2-15 Princip laserového vedení ADV ADV jsou napájeny z trakčních akumulátorových baterií, které se opětovně nabíjejí samočinným připojením a to podlahovým (Obr. 2.20), výškovým (Obr. 2.21), nebo jsou vybaveny vlastním nabíjecím zařízením a připojí se ručně nebo automaticky.

Obr. 2-16 Znovunabíjení samočinným

připojením podlahovým: 1-zásuvka, 2-nabíječka mimo ADV, 3-baterie

Obr. 2-17 Znovunabíjení samočinným připojením výškovým:

1-zásuvka, 2-nabíjecí stožár, 3- nabíječka v ADV, 4-baterie

Systém kontroly stavu baterie vydává signál, jakmile se kapacita baterií přiblíží svému minimálnímu stavu. Tento minimální stav je volen tak, aby vozík mohl dokončit svoji činnost a ještě se dopravit do nabíjecí stanice.

2.2. PŘÍKLADY TYPICKÝCH PŘEDSTAVITELŮ PRaM Z HLEDISKA KONSTRUKČNÍHO

2.2.1. Základní typy průmyslových robotů Za základní typy průmyslových robotů a manipulátorů lze pokládat takové, jejichž základní kinematický řetězec je odvozen od základních spojení kinematických dvojic a) TTT, b) RTT, c) RRT, d) RRR v uspořádáních, umožňujících dosahování základních pracovních prostorů podle obr.2.5. aa) Základní uspořádání XYZ ve spojení TTT se vyznačují svislým pohybem koncového členu jejich ZKŘ. Obsluhovaným prostorem je kvádr. Velmi často je realizováno jako portálové provedení jednostranné (viz Obr. 2-18a,b), nebo celoportálové (viz Obr. 2-18c,d,e,f,g). Translační kinematická dvojice vodorovného posuvu Y bývá buď typu smykadlového (viz Obr. 2.2a), jako u robotu MANTA (viz Obr. 2-18a), nebo suportového (viz Obr. 2-18b), jako u robotu PRKM-20 (viz Obr. 2-18b).

19


a. b. c. d.

e. f. g. Obr. 2-18 Schéma portálového robotu (a) MANTA (J) a provedení robotu PRKM-20 (VUT

v Brně - CZ) (b), francouzského průmyslového robotu RENAULT PORTIQUE-80 (c,d), německého REIS (e) a KUKA (f) a švédského ABB (g):

ba) Uspořádání CZY (CZX) v základním spojení RTT nemá sice svislý pohyb koncového členu, jeho představitelem je však první z průmyslových robotů VERSATRAN-500 (viz Obr. Obr. 2-19a). Je to velmi rozšířený typ (např. viz robot BEROE na Obr. 2.1b a Obr. 2-19b) s mnoha modifikacemi vodorovného výsuvu. Obsluhovaným prostorem je válcový segment podle Obr. 2.5b. ca) Typickým představitelem základního uspořádání CBX (CAY) v základním spojení RRT je průmyslový robot UNIMATE (USA). Obsluhovaným prostorem je sférický (kulový) segment podle Obr. 2.5c.

a. b. c. Obr. 2-19 Nákresy průmyslových robotů: a. VERSATRAN-500 (GB); b. BEROE RB-321 (BG); c. UNIMATE-2000 (USA)

20


da) V základním uspořádání CAA' (CBB') jsou koncipovány průmyslové roboty světoznámých firem např. ABB a ASEA (S), KUKA a REIS (D), FANUC (J) a další. Většina je programována zprostředkovným učením, norský robot firmy TRALLFA (dnes ABB), nebo japonský MITSUBISHI, je programován bezprostředním učením (viz Obr. 1.2).

a. b. c. d.

Obr. 2-20 Schéma a provedení švédského průmyslového robotu ASEA-6 (a,b), provedení německého robotu KUKA KR-125 a původního norského robotu TRALLFA (d), dnes ABB (S)

2.2.2. Odvozené typy průmyslových robotů Typy odvozené ze základních spojení jiným uspořádáním KD Za nejdůležitější odvozené typy PRaM, vzniklé v základních spojeních jsou odvozené typy ve spojení TTT (XZY a ZXY), typ s převisem ve spojení RTT (CYZ) a typ SCARA (CC’Z) ve spojení RRT. V rámci spojení TTT vyhodnoceny tři uspořádání PRaM, z nichž uspořádání XYZ zejména v portálovém provedení je možné pokládat za uspořádání základní, zbývající dvě XZY a ZXY představují uspořádání odvozená. ab) Uspořádání XZY (TTT) má na rozdíl od základního typu posuv ve svislé ose z uprostřed základního kinematického řetězce. Tím vzniká zvýšený nárok na dimenzování zejména pohonu tohoto svislého pojezdu. Je to však situace, která se běžně vyskytuje např. i u základního typu VERSATRAN ve spojení RTT (viz Obr. 2-19a) a proto se tento typ robotu rovněž často vyskytuje i ve spojení TTT. Je možno ho demonstrovat na průmyslovém robotu ROBOLANG-50 francouzské firmy LANGUEPIN na Obr. 2-21a. bb) Uspořádání ZXY (TTT) se vyznačuje tou zvláštností, že svislý posuv má na začátku svého základního kinematického řetězce (v ose z) a že tudíž v této souřadnici jsou mimořádné nároky na dimenzování pohonu. Obecně se jeví takové uspořádání jako neobvyklé, ale přesto je v některých případech použito. Příkladem je průmyslový robot rakouské firmy IGM s označením LIMAT-2000 (viz Obr. 2-21b,c).

21


a. b. c. Obr. 2-21 Schéma a provedení prům. robotů: a. LANGUEPIN ROBOLANG-50 (F) a

průmyslového robotu IGM LIMAT-2000 (A)(b,c) cb) Uspořádání CYZ (RTT) je uspořádání „s převisem" (P). Má podobně jako základní typ ve spojení TTT svislý posuv v ose z na konci základního kinematického řetězce (na rozdíl od jeho příbuzného základního typu VERSATRAN ve sledovaném spojení RTT). Z praktického hlediska je toto uspořádání mnohdy žádoucí, neboť má jednak snížené nároky na konstrukci koncového členu ZKŘ a jednak může obsluhovat prostor za svislou překážkou. Dlouho se však mezi vyráběnými typy neobjevovalo. Na Obr. 2-22 je představen jeden z členů modulárního robotického systému z VUKOVu Prešov APR-2,5 a sice jeho typ 03.

Obr. 2-22 Schéma a model modulárního (stavebnicového) průmyslového robotu APR 2,5 –

03 (SK) db) Uspořádání CC’Z (RRT) Podobně jako předcházející uspořádání odvozeného typu ve spojení RTT se toto odvozené uspořádání ve spojení RRT původně v praxi nevyskytovalo a objevilo se cca v r.1986 u několika firem téměř současně jako velmi propagovaný typ montážního průmyslového robotu pod tehdy nově zavedeným názvem "SCARA".

a. b. c. Obr. 2-23 Průmyslové roboty typu "SCARA" a.: BOSCH SR 800 (D), b.: GEC „BODY“ (GB), c.: Pana-Robot Hr-155C (J)

22


Robot na rozdíl od příslušnosti ke spojení RRT, které v základním uspořádání představuje sférický systém typu UNIMATE transformuje svůj obsluhovaný prostor do cylindrického systému. Dochází tak tedy k metamorfóze sférického uspořádání robotu do cylindrického a to v rámci základního spojení KD RRT. eb) Uspořádání ABZ (RRT) je uspořádání, odvozené přímo ze základního typu UNIMATE, avšak jde o závěsný typ na boční stranu (Hanging-Type). Praktickým řešením je na příklad takto zavěšený robot KAWASAKI-UNIMATE Hanging-Type. Technickým problémem zde mohou být zejména otázky spojené s utěsněním hydraulických prvků a dynamika přetransformovaných pohybů vzhledem ke gravitaci. Závěsný typ průmyslového robotu UNIMATE, instalovaného nad svářecí linkou automobilových karoserií znázorňuje Obr. 2-24.

KAWASAKI-UNIMATE

Hanginig type

Obr. 2-24 Průmyslový robot KUKA KR 125

„Wandrobot“ Obr. 2-25 Svařovací linka automobilo-vých

karoserií s roboty UNIMATE v základním a závěsném provedení (J)

fb) Uspořádání ABB' (BAA') je uspořádání, odvozené přímo ze základního typu spojení KD RRR. Podobný bočně závěsný typ (Hangig-Type), jako v předcházejícím případě ad.eb), byl totiž od základního typu robotu KUKA (viz Obr. 2.26c), majícího v základním spojení RRR uspořádání kinematických dvojic CAA' (jako např. základní typy v tomto spojení ASEA, TRALLFA a pod. ) odvozen průmyslový robot KUKA „KR 125 wall-mounted robot“ (D) s uspořádáním kinematických dvojic ABB' (BAA'). U tohoto typu je z morfologického a z konstrukčního hlediska pozoruhodné použití protizávaží – viz Obr. 2-25.

2.2.3. Typy PRaM z odvozených spojení kinematických dvojic ac) Uspořádání ZCY (RTR) je případ uspořádání, které bezprostředně navazuje na základní typ PRaM ve spojení RRT (VERSATRAN). Dochází pouze k výměně prvních dvou kinematických dvojic. Jde o podobnou výměnu, která ve spojení TTT se realizuje v rámci uspořádání, v tomto případě jde o totéž v rámci spojení. Jako první pohyb se tedy zde uskutečňuje svislá translace ve směru osy z, jako u robotu IGM LIMAT-2000, který je však ve své kategorii robotů typu "K" spíše výjimkou. Naproti tomu předmětných typů, vycházejících z odvozeného spojení RTR je v praxi poměrně hodně a tyto roboty jsou často nesprávně zařazovány mezi základní typy "C". Cylindrický charakter pracovního prostoru robotu se totiž u nich oproti základnímu typu vůbec nemění, pouze je nutné svislý posuv dostatečně dimenzovat. Protože se u známých řešení jedná vesměs o jednodušší systémy s pneumatickým pohonem, není tato podmínka závažnějším problémem. V tomto systému byl postaven i původní čs.průmyslový robot PR 16-P ve VUKOVu Prešov. Za prioritního výrobce takových robotů je možno pokládat švédskou firmu ELEKTROLUX.

23


a. b. c. d.

Obr. 2-26 Generace průmyslových robotů firmy Elektrolux - MHU (S) a robot z VUKOVu a.: MHU Minior; b.: MHU Junior; c.: MHU Senior; d.: PR-16P

V dalších odvozených spojeních TTR a RTR byla sice vyhodnocena konstrukčně možná uspořádání, avšak jejich praktické využití není prozatím známo. Nejzajímavější odvozená uspořádání vycházejí z odvozeného spojení TRR a zajímavě korespondují s odvozeným uspořádáním CC'Z ze základního spojení RRT. bc) Uspořádání ZCC’ (TRR) je v podstatě typem SCARA, avšak s přemístěním koncového svislého posuvu základního kinematického řetězce na jeho počátek. Tím se toto uspořádání podobá odvozenému uspořádání ZXY (robot IGM LIMAT-2000) ze základního spojení TTT (viz Obr. 2-21b,c), avšak na rozdíl od něj se v poslední době velmi rozšířilo. Jeden z prvních modelů tohoto typu vyvinula francouzská firma RENAULT pod označením ROBOT HORIZONTAL 80 (viz Obr. 2-27). Tento průmyslový robot je typický svou stavebnicovou koncepcí na rozdíl od původního čs.robotu téhož typu, avšak nestavebnicové (integrované) koncepce PROB-5 z ČZM Strakonice (viz Obr. 2.6b). cc) Uspořádání XAA' (TRR) je velmi zajímavou modifikací předcházejícího uspořádání ZCC'. Prakticky se jedná o jeho přeorientování v rámci téhož spojení do vodorovné polohy.

a. b.

Obr. 2-27 Průmyslový robot RENAULT

HORIZONTAL-80 (F Obr. 2-28 Pohledy na průmyslové roboty a. UM-160 (RUS); b. GE-ROBO R-60 (J)

Ze schématu a axonometrického pohledu na robot UM-160 na Obr. 2.6a a Obr. 2-28a je zřejmé, že se jedná o zařízení, které pracuje s otočnými rameny podobně jako systémy ve spojení RRR (ASEA, TRALLFA a pod), avšak místo první rotace je použito přímočarého pohybu ve směru os obou následujících rotací. Došlo tedy, jako ve výše uvedeném případě ad.bc) opět k metamorfóze pracovního prostoru, který se tak přetransformoval z torusového

24


(antropomorfního, angulárního, multiúhlového) rotačního útvaru na obecný válcový segment. Současné praktické řešení takového typu robotu představuje například japonský robot GE-ROBO R-60 na Obr. 2-28.

3. KONCOVÉ EFEKTORY

3.1. Účel a rozdělení koncových efektorů Otevřený kinematický řetězec průmyslových robotů a manipulátorů je zakončen vlastním pracovním ústrojím (výkonným orgánem – koncovým efektorem – výstupní hlavicí), který odpovídá způsobu nasazení. U průmyslových robotů a manipulátorů jde především o realizaci:

1. Vkládání objektů do pracovního prostoru výrobních zařízení a jejich vyjímání; 2. Mezioperační manipulace; 3. Technologické operace; 4. Kontrolní operace; 5. Speciální práce.

Proto termín „chapadlo“, jako častý název pro koncový efektor průmyslového robotu a manipulátoru není zcela přesný a je nutné jej chápat jako označení části z celkové množiny výstupních hlavic (koncových efektorů) PRaM, zajišťujících uvedené činnosti. Samotný koncový efektor může být aplikován na různě koncipovaný robot a podobně jako orientační ústrojí vlastní morfologickou stavbu (architekturu robotu) v podstatě nijak výrazně neovlivňuje. Koncové efektory PRaM lze z konstrukčního hlediska rozdělit na výstupní hlavice:

− technologické − manipulační (chapadla) − kombinované − speciální

Postupující automatizace si vynutila i další stupeň, kterým je jejich automatická výměna během pracovního procesu, ale zejména jejich adaptivita jako jeden z významných prvků zvýšení autonomnosti a kognitivnosti, tedy zvýšení umělé inteligence robotických systémů.

3.2. Technologické výstupní hlavice

Typickou technologickou operací, která je předmětem aplikací průmyslových robotů, je elektrické svařování a nanášení ochranných materiálů a nátěrových hmot, případně technologické operace, při kterých průmyslový robot je bezprostředně účasten na dané operaci tím, že tuto ope0raci sám vykonává pomocí uzpůsobeného nástroje či přímo stroje (např. elektrické ruční brusky apod).

25


Technologické výstupní hlavice PRaM se tedy dělí na výstupní hlavice pro:

− tavné elektrické svařování a to: - obloukové svařování (viz Obr. 3-1a) - odporové svařování bodové (viz Obr. 3-1b)

- stříkání ochranných a nátěrových hmot (viz Obr. 1-2) - obrábění obsluhou uzpůsobeného nářadí (viz Obr. 3-1c) - montážní práce a to: - prostou montáží, tj. sestavování součástek (zde se jedná

prakticky o manipulační činnost - spojováním obsluhou příslušných automatů

(sponkovače, hřebíkovače apod.) - lepením

- kontrolní operace - speciální práce

a. b. c. Obr. 3-1 Příklady technologických výstupních hlavic PRaM a. Hlavice pro bodové svařování b. Hlavice pro obloukové svařování c. Aplikace obráběcího stroje (elektrické nářadí)

Vyšší využití těchto hlavic v budoucnosti předpokládá aplikaci senzorů (čidel) pro činnost adaptivních řídících systémů.

3.3. Manipulační výstupní hlavice – chapadla Rozdělení úchopných prvků Manipulační (úchopné) výstupní hlavice slouží k uchopování objektů za účelem další manipulace s nimi. Jsou převážně konstruovány pro jednotlivé aplikace přímo uživateli průmyslových robotů a manipulátorů. Části hlavic, které přicházejí bezprostředně do styku s přenášenými objekty se označují jako „úchopné prvky“. Podle,charakteru styku s objekty při vyvození úchopné síly se tyto dělí na úchopné prvky:

− mechanické − magnetické − podtlakové

Současně je možno dělit úchopné prvky na:

− pasivní − aktivní

26


Pasivní úchopné prvky neumožňují samy o sobě, na rozdíl od prvků aktivních, ovládání úchopné síly. Úchopné hlavice, vytvořené jen z pasivních prvků, mohou povětšinou objekt uchopit, ale uvolnění lze provést jen vnějším zásahem. Podle těchto hledisek platí pro úchopné prvky následující klasifikační schéma: Úchopné prvky: mechanické: - pasivní: - pevně a stavitelné opěry - pružné a odpružené čelisti - aktivní: - s hydromotorem - s pneumotorem

- s elektromotorem - s elektromagnetem

magnetické: - pasivní: - permanentní magnety

- aktivní: - elektromagnety

podtlakové: - pasivní: - deformační přísavky (alternativa: s pomocným ventilem) - aktivní: - s vývěvou - s ejektorem speciální Pasivní úchopné prvky: 1. Pasivní úchopné prvky mechanické Mimo nejjednodušších pasivních mechanických prvků, kterými jsou různá prizmatická lůžka a podpěry, sloužící prakticky k podebrání, přenesení a odložení součástky, jsou zajímavé konstrukce s pružnými, nebo odpruženými čelistmi či kleštinami podle Obr. 3-2.

F

a. b.

Obr. 3-2 Příklady pasivních mechanických výstupních hlavic a: s pružnými čelistmi, b: s odpruženými čelistmi

27


Kleštinové provedení (s pružnými čelistmi) je znázorněno na Obr. 3-2a. Uchopení součástky se provádí najetím pružných čelistí na vnější povrch součásti (horní část obrázku 1 – nad osou), nebo na vnitřní povrch součásti (dolní část obrázku 2 – pod osou). Při uchopení se využívá pohybu ramene robotu, k uvolnění lze využít zpětného pohybu ramene po uchopení předmětu jiným manipulátorem, nebo upnutím ve sklíčidle stroje, stažením jednosměrnou západkou v zásobníku a pod. Někdy může být kleština doplněna vyhazovačem, kterým se součást vytlačí z čelistí. Může být využito například pneumatického válce apod. Kleštinové úchopné hlavice (chapadla) jsou vhodné pro menší a lehčí součástky poměrně přesných rozměrů s hladkým povrchem. Na Obr. 3-2b je příklad hlavice s dvojicí odpružených čelistí, které jsou otočně uloženy a vzájemně vázány ozubeným soukolím. Princip uchopení a uvolnění je obdobný, jako u kleštinových hlavic. Aby se při najíždění na součást nepoškodil její povrch, jsou na koncích čelistí umístěny kladky. Uvolnění čelistí je možné provést také pákou s kladičkou, která po najetí na šablonu či doraz vlivem vzniklé síly F čelisti rozevře. 2. Pasivní úchopné prvky magnetické Jedná se o úchopné prvky s permanentními magnety. Používají se při manipulaci s magnetickými předměty většinou menších rozměrů a hmotností. Je například o plechové výlisky, kroužky, podložky a pod. Jejich velkou předností je především jednoduchá konstrukce, představující většinou soustavu, složenou ze vsazených tyčových permanentních magnetů. Počet a rozmístění magnetů se jednoduše přizpůsobí tvaru předmětu a požadované úchopné síle. Nevýhodou pasivních magnetických chapadel jsou zvýšené požadavky na přídavné mechanismy pro oddělení uchopených předmětů od chapadel. V nejjednodušších případech se uvolnění uchopených předmětů realizuje tangenciálním stáhnutím chapadla z předmětu pohybem ramene robotu, přičemž předmět je zadržený narážkou, dorazem, nebo zachycený spolu komunikujícím zařízením. Převážná část magnetických chapadel s permanentními magnety využívá vlastní mechanismus k uvolnění uchopených předmětů. Táto přídavná funkce je programově řízená, čímž se fáze uvolňování stává aktivní. Řešení chapadla na Obr. 3-3 má permanentní magnety uložené v samostatných pouzdrech, připevněných k nosnému rámu chapadla. Pro vyhazování uchopených předmětů je použitý pneumatický válec, orientovaný kolmo na uchopované předměty, jehož pístnice je spojená s výsuvnou deskou, uloženou v posuvných vedeních nosného rámu.

Obr. 3-3 Magnetické chapadlo s výsuvným vyhazovačem: 1 – pouzdro s permanentními magnety, 2 - výsuvná deska

Nevýhodou je to, že hlavice zachycuje též i jiné magnetické předměty, především drobné částice, což se v některých případech může nepříznivě projevit především narušením správné polohy uchopovaného předmětu.

28


3. Pasivní úchopné prvky podtlakové Pasivními podtlakovými úchopnými prvky jsou pružné deformační přísavky. K uchopení předmětu dochází přitlačením přísavky na jeho povrch, neboť deformací přísavky se zmenší objem jejího vnitřního prostoru, který se pružností stěn po uchopení opět do určité míry zvětší, čímž vznikne žádoucí podtlak. Vyvozená úchopná síla závisí vedle plochy styku s předmětem též na tvaru a tuhosti přísavky. Definitivní stanovení úchopné síly se neobejde bez experimentu, při čemž je nutno vycházet z údajů výrobce přísavek. Podstatnou podmínkou pro bezpečné uchopení předmětu je vysoká těsnost styku. Ta je podmíněna především hladkým a kvalitním povrchem. Z těchto důvodů se deformačních přísavek používá u úchopných hlavic při manipulaci s předměty typu rovných desek, například plechových a skleněných tabulí apod. K zaručení těsného přilnutí přísavky na povrch předmětu se někdy používá viskosních tekutých látek, které se před najetím přísavky rozstřikují do prostoru styku. Používají se dvě základní provedení deformačních přísavek. Na Obr. 3-4a je uveden příklad řešení pryžové deformační přísavky s uchycením na čep. Delší poddajná válcová část umožňuje přizpůsobení i mírně zakřivenému povrchu manipulovaného objektu. Není-li zaručen dostatečně hladký povrch objektu, je možno použít provedení podle Obr. 3-4b. Proměnný vnitřní objem je vytvořen jako válec s odpruženým pístem. V závislosti na velikosti proměnného objemu je možno udržovat podtlak i při určitých netěsnostech styku pryžové planžety s povrchem objektu. Velikost úchopné síly se dá nastavit při stejné činné ploše manžety změnou tuhosti pružiny. Uvolňování objektu z přísavek se provádí stejným způsobem jako u ostatních typů pasivních úchopných prvků, nejlépe pohybem v tangenciálním směru. U deformačních přísavek je možno řešit uvolnění objektu i některým způsobem, naznačeným na Obr. 3-5 (vybavení přísavek pomocnými ventily).

a. b. a. b. Obr. 3-4 Základní provedení deformačních

přísavek: a. Pryžová deformační přísavka

s uchycením na čep b. Přísavka s odpruženým pístem

Obr. 3-5 Deformační přísavky s pomocnými ventily:

a. Uvolnění objektu zrušením ovládacího signálu ovládacího signálu

b. Uvolnění objektu přivedením

Na Obr. 3-5a je přísavka doplněna pomocným ventilem, ovládaným prostřednictvím membrány, která je tlakem vzduchu (ovládacím signálem) prohnutá směrem dolů a uzavírá tak proti síle pružiny podtlakovou komoru přísavky. Při zrušení pneumatického ovládacího

29


signálu nad membránou se tato vyrovná, čímž se otevře šipkou naznačená cesta pro vyrovnání tlaku uvnitř přísavky s okolím a dojde ke zrušení úchopné síly bez nutnosti odtrhávání přísavky. Obdobným způsobem může být provedeno toto řešení s ventilem, ovládaným elektromagnetem. U provedení podle Obr. 3-5b se při uvolňování objektu zavede pneumatický tlakový impuls pod membránu. Kromě zrušení podtlaku uvnitř přísavky se zároveň dosáhne stržení zejména lehčích předmětů, které mohou jinak na přísavce ulpět. Aktivní úchopné prvky: 1. Aktivní úchopné prvky mechanické Aktivní mechanické úchopné hlavice jsou mechanismy, které jsou část a v daném případě právem označovány jako „chapadla“. Jsou vybavovány pohyblivými čelistmi – aktivními úchopnými prvky, jejichž pohyb mohou vyvozovat různé druhy a typy motorů. Nejvhodnějším uchopovacím orgánem je lidská ruka, jejíž technické napodobení je ovšem velmi obtížné. Jako optimální se jeví tříprsté řešení podle Obr. 3-15. Pro běžné manipulace s objekty se však obvykle vystačí se dvěma prvky (čelistmi), které se k sobě pohybují lineárně (posuvně), nebo rotačně. Motory, které těmito aktivními prvky pohybují jsou rovněž buď lineární (především pneumatické a hydraulické válce, elektromagnety s posuvnou kotvou), nebo rotační (pneumatické a hydraulické motory, elektromotory, otočné elektro-magnety). Mezi motor a čelisti je nutno instalovat transformační blok, realizující převod posuvného (rotačního) pohybu motoru na posuv (rotaci) čelistí. Následující tabulky 3.1 až 3.4 ukazují různé možnosti kinematických struktur chapadel v jednotlivých transformacích T1 až T4, k nimž jsou na Obr. 3-6a-e přiřazeny možné příklady řešení. Tabulka 3.1: Kinematická struktura

uchopovacích efektorů s převodem T1

Tabulka 3.2: Kinematická struktura uchopovacích efektorů s převodem T2

30


Na následujícím obrázku Obr. 3-6 jsou znázorněny některé konkrétní příklady řešení výstupních hlavic v jednotlivých transformacích T1 až T4 s uvedením čísla typu převodu v příslušné tabulce.

a.

b. c. d. e. Obr. 3-6 Konkrétní příklady chapadel v transformacích T1 až T4 a. Chapadlo typu T1 s pohonem lineárním pneumatickým motorem a posuvnými

protiběžnými čelistmi (typ převodu č.3) b. Chapadlo typu T2 s pohonem hydraulickým válcem a otočnými čelistmi,

otevíranými tažnými pružinami (typ převodu č.2) c. Chapadlo typu T2 s pohonem lineárním elektromagnetem, paralelogramově

uchycenými otočnými čelistmi, zavíranými tlačnou pružinou (typ převodu č.8) d. Chapadlo typu T3 (typ převodu č.2) s pohonem posuvných čelistí rotačním

elektromotorem přes třecí spojku, pomocí které je možno nastavit potřebnou úchopnou sílu čelistí

e. Chapadlo tyu T4 s ozubeným převodem (typ převodu č.1) a elektrickým rotačním motorem: 1 – elektromotor, 2 – kuželová třecí spojka, 3 – kuželový ozubený převod, 4 – čelní ozubený převod, 5 – vyložené rameno, 6 – čelisti

Tabulka 3.3: Kinematická struktura uchopovacích efekto-rů s převodem T3

Tabulka 3.4: Kinematická struktura uchopo-vacích efektorů s převodem T4

31


2. Aktivní úchopné prvky magnetické 4 Aktivní magnetické úchopné hlavice využívají elektromagnetů, ponejvíce napájených stejnosměrným proudem, při čemž jejich funkce je obdobná, jako u pasivních hlavic, využívajících permanentních magnetů, pouze k uvolňování součástek není třeba strhávacího pohybu, ale mělo by stačit vypnutí proudu do elektromagnetu, jehož budící vinutí bývá někdy uloženo přímo ve stykové desce. Působením stejnosměrného magnetického pole se objekt při uchopení zmagnetuje, což může působit potíže při jeho uvolňování. Proto se většinou po přerušení přívodu proudu provádí odmagnetování krátkodobým obrácením směru proudu v magnetických cívkách. Tím se zruší remanentní magnetismus v objektu a usnadní se uvolnění objektu z hlavice.

Obr. 3-7 Elektromagnetické chapadlo s dvojicí uchopovacích jednotiek

Konkrétní aplikaci dvou uchopovacích jednotek z elektromagnetů kruhového průřezu, přišroubovaných k ramenu, které je v centrální časti opatřené tvarově i rozměrově přizpůsobenou připojovací hlavicí pro upevnění k robotu, využívá chapadlo na Obr. 3-7. 3. Aktivní úchopné prvky podtlakové Mezi aktivní úchopné výstupní hlavice PRaM patří podtlakové systémy, které jsou označovány také jako podtlakové komory, využívající ke své činnosti vývěv nebo ejektorů. Ejektor je odsávací nebo čerpací tryskové zařízení, které je poháněno proudem vody, plynu nebo páry. Při použití vývěvy se připojuje na společné odsávací vedení i více podtlakových komor. Velikost podtlaku je dána typem vývěvy, běžný je rozsah 30 až 80 kPa. U úchopných hlavic s ejektorem se používá jednak připojení několika podtlakových komor na společný ejektor, nebo je každá komora vybaveny samostatným ejektorem. V druhém případě tvoří většinou podtlaková komora s ejektorem jeden celek (viz Obr. 3-8a). Předností ejektorových podtlakových hlavic vzhledem k řešení s vývěvou je nesrovnatelně nižší cena, na druhé straně je ale nepříznivě veliká spotřeba stlačeného vzduchu. Ejektory jsou tedy vhodné pro menší úchopné hlavice. Ovládání ejektorové podtlakové hlavice, vybavené na výfuku tlumičem hluku, je na Obr. 3-8b; ejektorový blok je doplněný o další vstup, kterým je možné přivádět do podtlakové komory tlakový vzduch a to v případě potřeby rychlého uvolňování uchopených objektů.

4 Aktivní magnetické úchopné hlavice s elektromagnety nelze zaměňovat s mechanickými úchopnými hlavicemi (chapadly) elektromagnety pouze ovládanými!

32


a. b. c. Obr. 3-8 Příklady aktivních podtlakových prvků a. Integrovaná podtlaková přísavka s ejektorem: 1 – přísavková hlavice, 2 – ejektor b. Příklad ovládání ejektorové přísavky: 1 – ejektorová hlavice, 2 – uchopovací

manžeta, 3 – tlumič hluku c. Provedení aktivního podtlakového prvku s vyrovnáním polohy na kulovém čepu Společným problémem při použití podtlakových hlavic při manipulaci s plechy je oddělování jednotlivých plechů po uchopení. Řešením bývá zařazení do manipulačního cyklu pohyb v tangenciálním směru, v němž se vždy horní plech sesune. Vlastní konstrukce podtlakových komor je jednoduchá. U jednodušších provedení je možné podtlakovou komoru vytvořit z pryžového kotouče, který se stažením mezi kovové vložky zdeformuje do nálevkovitého tvaru. Odsávací vedení se připojí na montážní šroub s průchozím otvorem. Dokonalejší, zejména pokud jde o těsnost, jsou podtlakové komory vytvarované průmyslově ve vulkanizačních formách. Podtlaková úchopná hlavice sestává z jedné, nebo více podtlakových komor s příslušným uložením a vybavením. Příklad provedení podtlakového prvku je na Obr. 3-8c. Hlavní částí je podtlaková komora 1, která je v tomto případě řešena jako pryžová manžeta, nasazená na dříku kulového čepu 2, který umožňuje přizpůsobení polohy povrchu předmětu. 4. Speciální úchopné prvky Za typické speciální úchopné prvky lze považovat například prvky, využívající princip deformace tvarových dutých těles. Tělesa jsou vyhotovená z elastického materiálu s nesouměrným průřezovým profilem, s použitím asymetricky rozložených výztuh, s asymetrickým vlnovcovitým tvarem a podobně. Takto řešené koncové interaktivní prvky při naplnění tlakovým médiem vykonají prostorový pohyb (na straně tenčí stěny) směrem k povrchu uchopovaného předmětu, přizpůsobí se jeho vnějšímu tvaru a v konečné fázi pohybu vyvodí uchopovací sílu (viz Obr. 3-9a).

a. b. Obr. 3-9 Speciální úchopný prvek (a) a jeho použití u chapadla na dlouhé součástky (b)

33


Obr. 3-10 Chapadla s integrovanou funkcí pohonu a uchopovacího prvku Zajímavá jsou řešení, u nichž funkce akčního členu splývá s uchopovacím prvkem. Z pohledu složitosti struktury chapadla to jsou řešení optimální. Chapadla mohou být koncepčně sestavená na principu využití tekutinového motoru a lana (Obr. 3-10a), resp. pružného ocelového pásu (Obr. 3-10b1 – vnější uchopení a b2 – vnitřní uchopení). Dalším příkladem aplikace speciálních úchopných prvků jsou jejich komplikované sestavy v chapadlech pro manipulaci s tvarově složitými objekty (viz Obr. 3-11). Takový koncový efektor je koncepčně řešený na posuvně uložených uchopovacích prvcích, které jsou do kontaktu s manipulovaným objektem natlačované přes silový pás, aktivovaný pohonem (tah pásu) proti tlačným pružinám. V momentě kontaktu všech uchopovacích prvků s povrchem objektu dochází k rovnoměrnému napnutí pásu po celé jeho délce a vyvození silového účinku.

a. b. c. Obr. 3-11 Koncové efektory pro manipulaci s tvarově složitými objekty pro vnější uchopení

(a,b) a pro vnitřní uchopení (c)

Zvláštní formou jsou chapadla pro skokovou změnu polohy čelistí uchopovacího mechanismu. Chapadlo podle uspořádání na Obr. 3-12a má pohyblivou kotvu 1, která je přitahovaná k elektromagnetu 2 (čelist se uzavře), anebo 3 (čelist se otevře), v každé poloze je čelist zajištěná tlačnou pružinou. U chapadla podle uspořádání na Obr. 3-12b se otvírání a zavírání čelistí realizuje zapnutím elektromagnetů 1 anebo 2, udržování v poloze zabezpečují permanentní magnety 3, anebo 4. Chapadlo je vhodné jako úzkorozsahové, výhodou řešení je to, že udržování uchopovací síly je realizované pasivními prvky s časově neomezeným účinkem.

34


Obr. 3-12 Chapadla se skokovou změnou polohy čelistí s aretací pružinou (a) nebo magnety (b)

3.3.1. Kombinované výstupní hlavice Kombinované výstupní hlavice jsou kombinací uchopovacího efektoru (chapadla) a technologické pracovní hlavice. Často se tato řešení používají při automatizaci manipulace s odlitky u lisů pro plastické hmoty. Chapadlo na Obr. 3-13a je sestaveno z čtyřech podtlakových komor 1 a z pneumaticky ovládaného střihacího zařízení (nůžky) 2. Čelisti 3 nůžek 2 jsou určené pro odstřihávání vtokového nálitku odlitku.

a. b.

Obr. 3-13 Kombinované koncové efektory a. Kombinovaníé chapadlo pro manipulaci s tlakovými odlitky b. Kombinovaný efektor pro manipulaci a ohřev manipulovaného objektu Jiným příkladem může být kombinovaný efektor pro manipulaci a technologii tepelného zpracování, resp. technologii tváření za tepla na Obr. 3-13b. Efektor je koncepčně řešený jako chapadlo (uchopovací rameno 3, držák čelisti 2, uchopovací prvok – čelist 1) a současně jako technologická hlavice (čelist 1), určená pro ohřev povrchu manipulovaného objektu (předmět 5). Geometrie čelistí (1) v místě kontaktu s předmětem (5) je účelově

35


přizpůsobená vnějšímu tvaru a rozměrům manipulovaného objektu (5) a může byť řešena jako výměnná. Čelist je realizovaná z elektricky dobře vodivého materiálu, přičemž příčný průřez je dimenzovaný na potřeby vodivého proudového přenosu, i jako dle potřeby uchopovací síly. Efektor je vybavený chladícím systémem (chladič 4) pro potřeby odvodu tepla. Mechanika efektoru je elektricky a tepelně izolovaná.

3.3.2. Speciální výstupní hlavice Speciální efektory plní funkce, které se z pohledu systémového přístupu nedají zařadit do rozsahu funkcí, uvedených pro předcházející kategorie efektorů. Jsou to zejména efektory, použité při speciálních aplikacích robotů, resp. při aplikacích servisních robotů. Vybavení těchto efektorů příslušnými senzory (snímači, čidly) je nezbytnou podmínkou pro rozvoj adaptivity robotů a robotických systémů.

a. b. Obr. 3-14 Speciální výstupní hlavice a. Speciální efektor pro práci pod vodou:1 – pružiny z tvarově-paměťové slitiny

(SMA – shape memory alloys), 2 – přísavný sběrač, 3 – shrnovací prsty, 4 – sací trubice, 5 - ultrazvukový senzor, 6 – snímací kamera

b. Senzorické chapadlo adaptivního robotu firmy UNIMATE (USA) Ze všech senzorů pro automatickou montáž a adaptivitu robotů je nejdůležitější taktilní (hmatový) senzor. Současné taktilní senzory jsou v podstatě důmyslná silová, resp. tlaková čidla, která snímají silové a tlakové hodnoty a převádějí je na napěťové impulsy. Tímto typem senzorů je vybavena i úchopná hlavice, vyvinutá pro adaptivitu robotů UNIMATE. Provedení takové speciální adaptivní hlavice je znázorněno na Obr. 3-14b.

36


3.3.3. Síly, působící na uchopené předměty při pohybu robotu Na předmět, uchopený průmyslovým robotem například podle Obr. 3-15 budou působit vnější a setrvačné síly.

Obr. 3-15 Prstové chapadlo robotu Obr. 3-16 Schéma působení sil v chapadle s dvojstranným uchopováním

Mezi vnější síly patří především tíha předmětu: Fg = m . g [N]……………………………………………………………………..……………….(2.6), kde m [kg] je hmotnost předmětu a g = 9,81 [m.s-2] je geocentrické zrychlení a třecí síla (příp. suma třecích sil): Ft = Fn . f [N]……………………………………………………………..…….……………….…(2.7), kde Fn [N] je přítlačná (normálová) síla čelistí, kolmá k povrchu předmětu a f [1] je koeficient tření. Při lineárním (přímočarém) vodorovném pohybu začne na předmět působit po dobu rozjezdu, nebo brzdění setrvačná síla: Fx (Fy) = m . ax (ay) [N]……………...………………………………………………………..…..(2.8), kde ax , (ay) [m.s-2] jsou příslušná zrychlení/zpomalení (akcelerace/decelerace) ve

vodorovném směru. Při lineárním svislém pohybu na začne na předmět působit po dobu rozjezdu (brzdění) setrvačná síla: Fz = m . az - Fg (sgn az . sgn vz) [N]……………………………………….………….……….(2.9), kde az [m.s-2] je zrychlení/zpomalení (akcelerace/decelerace) ve svislém směru a sgn az = (+) pro akceleraci, sgn az = (-) pro deceleraci a sgn vz = (+) pro pohyb nahoru a sgn vz = (-) pro pohyb dolů.

37


Při otáčení uchopeného předmětu o hmotnosti m [kg] po předpokládané kruhové dráze o poloměru r [m] obvodovou rychlostí v [m.s-1] způsobuje změnu směru vektoru rychlosti a tím zakřivení trajektorie dostředivá síla Fd [N] o velikosti:

Fd = m . v2 / r [N]…………………..……………….…………………………….………………(2.10)

Obvodová rychlost v [m.s-1] je závislá na poloměru r [m] a úhlové rychlosti ω [rad.s-1] podle vztahu:

v = ω / r [m.s-1]…………………………….………………..……………………………..…..…(2.11)

a odtud také:

Fd = m . r . ω2 [N]……………..…………….…………….……………………...………………(2.12)

Úhlová rychlost ω [rad.s-1] je závislá na otáčkách n [s-1] podle vztahu:

ω = 2 . π . n [rad.s-1]……………………………………….………………………...................(2.13)

V otáčející se neinerciální vztažné soustavě vzniká odstředivá síla Fo, která se často označuje jako reakce k síle dostředivé v inerciální vztažné soustavě. V tomto případě je velikost odstředivé síly stejná jako velikost dostředivé síly Fd. Směr odstředivé síly je od středu křivosti trajektorie tělesa (od středu kružnice). Důsledkem odstředivé síly je odstředivé zrychlení ao. Dostředivou sílu Fd zachycují různé druhy čelistí a opěr úchopných mechanismů koncových efektorů průmyslových robotů, v případě dle Obr. 3-15 to je suma třecích sil, působících na uchopovaný předmět. Třecí síly jsou závislé na normálových silách v čelistech a jejich výpočet je analogický k pevnostním výpočtům zmíněných čelistí a opěr. Pro vyvození potřebné upínací síly je zapotřebí hnací síly (případně momentu) použitého motoru v závislosti na použité transformaci (převodu) od motoru k upínacím čelistem. Pro výpočet průměru lineárního tekutinového (pneumatického nebo hydraulického) motoru, určeného například pro chapadlo s mechanikou podle Obr. 3-16 je možno použít postup, odvozený od určení hnací sily Fv, pro kterou platí

v

2

v .4D..p η

π=F ………………………..………………………………………………………….(2.14)

kde D je průměr výkonného motoru, ηv je účinnost tekutinového motoru. Pro poměr hnací Fv a uchopovací síly Fu platí

γ= 2

u

v cos.ab2

FF …….…………………………………………………………………………….(2.15)

a pro výpočet potřebného průměru výkonného motoru (pohonu) platí

iv

u

..p..ab..cos.4Dηηπ

γ=F ………….……………………………………………………………..(2.16)

kde γ je úhel přenosu, ηi je účinnost převodového mechanismu mezi výstupnou pístnicí motoru a čelistmi. Chapadla, sestavená s využitím pasivních podtlakových hlavic (deformačních přísavek), dle Obr. 3-17, mají uchopovací sílu závislou od velikosti aktivní (efektivní) úchopné (dotykové)

38


plochy manžet, závislou od tvaru a tuhosti ε (parametr 0,6 – 0,8) aktivních deformačních manžet.

Obr. 3-17 Deformační manžeta podtlakové hlavice Uchopovací normálová sila procházející těžištěm kontaktní plochy se určí ze vztahu:

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

πε=

0

120

np VV1.

4D.

F ………………….………………………………………………………….(2.17)

kde D0 je činný kontaktní průměr nedeformované manžety přísavky, poměr vnitřních objemů manžety V1/V0 je obyčejně v rozsahu 0,2 až 0,5. Normálová uchopovací síla Fna vyvozená podtlakem Δp je závislá od efektivní plochy kontaktní manžety přísavky Se (0,6 až 0,7) z plochy, ohraničující linii kontaktu manžety přísavky s předmětem (v mm2) a od rozdílu vnitřního pv (v MPa) a venkovního pa (atmosférický tlak, v MPa) tlaku, určí se ze vztahu:

( )vaeena ppS.k −=F ………………………………………………………………..……………..(2.18) Vytvořený podtlak je daný rozdílem tlaků (pro vakuové přísavky bez těsnících kroužků, pro neregulované hlavice s těsnícími kroužky rozsah 0,030 – 0,035 MPa)

va ppp −=Δ Tangenciální uchopovací síla se určí v závislosti od koeficientu kf (1,00 – 1,25) zohledňujícího řešení kontaktní plochy manžety přísavky, zohledňující kvalitu a stav povrchu uchopovaného předmětu a v závislosti od součinitele tření μ0 (0,25 – 0,60) mezi materiálem manžety přísavky a uchopovaným předmětem v místě jejich přímého kontaktu

n0ft ..k FF μ= ……………………………….………………………………………………………(2.19) Počet přísavek, potřebných pro bezpečné uchopení předmětu manipulace při respektovaní potřebných uchopovacích sil se určí ze vztahu:

S.p.kn

t

u

Δ=

F ………………………………………………………………………………..……..(2.20)

kde kt je tvarový koeficient (pro kruhový tvar v rozsahu 0,8 – 0,9). Chapadla, sestavená s využitím magnetických hlavic na bázi pasivních magnetů, které jsou orientované kolmo na kontaktní povrchy, mají uchopovací normálovou sílu Fnp:

ž2

3ž

np S.)10.6,1

B( −=F …………….………………………………………………………………..(2.21)

kde Bž je magnetická indukce v pólových nástavcích, Sž je plocha průřezu pólových nástavců (v m2). Průřez činného magnetu (v m2), instalovaného mezi pólovými nástavci

m

žžrm B

S.B.kS = ………..………………………………………………………………………….(2.22)

je závislý od koeficientu rozptylu kr (1,1 až 1,2) a od magnetické indukce aktivního permanentního magnetu Bm.

39


Tangenciální uchopovací síla se určí podle vztahu, platného pro tangenciální sílu podtlakových hlavic. Dimenzování pasivních magnetických hlavic je založené na určení počtu základných jednotek a kontrole celkové uchopovací síly vzhledem k potřebné hodnotě této síly Fu vyplývající z vnějších dynamických a statických účinků. Chapadla, sestavená s využitím magnetických hlavic na bázi aktivních magnetů mají uchopovací normálovou sílu Fna:

( )( )3m2m1mp0

2

na RRR1.

S.n..2

++μ=

lF ………….……………………………………………………(2.23)

kde I je elektrický proud budíací cíevky elektromagnetu, n je počet závitů budíací cívky, μ0 je permeabilita vakua, Sp je plocha čela elektromagnetické jednotky (plocha pólových nástavců), Rm1 je magnetický odpor jádra elektromagnetu, Rm2 je magnetický odpor vzduchové mezery, Rm3 je magnetický odpor uchopovaného feromagnetického materiálu.

3.3.4. Automatická výměna koncových efektorů Systém automatické výměny koncových efektorů přispívá k flexibilnímu využití průmyslových robotů. Automatická výměna koncových efektorů představuje stěžejní proces pro průmyslové roboty, které jsou založeny na koncepci jednoho robotu, který vykonává několik technologických a manipulačních operací. Předností tohoto systému je možnost přizpůsobit se změně rozměrů a tvarů manipulovaných objektů nebo změně technologických operací bez přerušení automatického pracovního cyklu. Robot si sám podle programu upne požadovaný nástroj a po vykonání operace provede opět automatickou výměnu koncového efektoru.

Obr. 3-18 Princip automatické výměny koncových efektorů

Obr. 3-19 Detail upínacího mechanismu

Princip spočívá v tom, že každý jednotlivý koncový efektor je opatřen připojovací přírubou koncového efektoru, která koresponduje s jednotnou připojovací přírubou, umístěnou na

40


konci kinematického řetězce průmyslového robotu. Příruby musí současně zabezpečit připojení silových a ovládacích médií pro potřeby funkce samotného mechanizmu automatického upínání, a i pro potřeby funkce aplikovaných koncových efektorů, t. j. dotyková plocha jejich čel musí byť podle potřeby vybavená konektory, resp. automatickými spojkami pro přivedení tlakového média (hydraulika, pneumatika), pro přivedení silového elektrického proudu, pro přivedení elektrických signálů pro řízení a potřeby funkce samotného mechanismu automatického upínání a potřeby funkce aplikovaných koncových efektorů. Jako příklad je na Obr. 3-19 znázorněn systém spojování přírub, vyvinutý na ÚVSSR FSI VUT v Brně. Jedná se o mechanický princip automatické výměny koncového efektoru. Systém je ovládán pneumaticky. Princip této automatické výměny je založen na hákovém mechanismu. Hák 1 je upevněn na čepu, který umožňuje jeho otáčení. Polohu háku určuje posuvné šoupátko 2 s válcovým čepem uloženým kolmo k ose šoupátka, který je nasunut do otvoru v háku. Pneumatický ventil řídící soustavy umístěný na jiném místě robotu otevře přívod tlakového vzduchu, který je tlakovou soustavou veden až do pneumatického válce 5. Pneumatické médium působí na pneumatický píst 3 a iniciuje jeho vertikální posuv do druhé mezní polohy. Pneumatický píst je šroubovým spojem upevněn k šoupátku a přenáší na ně silové působení. Na druhém konci šoupátka je pružina, která umožní posuv. Pohyb válcového čepu na šoupátku otáčí s hákem okolo středového čepu. Hák zaujímá druhou mezní polohu (v obrázku vyznačena čerchovaně). V tomto okamžiku je příruba robotu připravena upnout přírubu koncového efektoru. Středění zajišťuje zkosení na válcové části příruby koncového efektoru a středící kolíky 6. V dané vzdálenosti obou přírub dojde k zastavení přísunu. Pneumatická soustava je dekompresována, celý mechanismus se silou pružiny 4 vrací do původní polohy a hák zachytí upínací čep koncového efektoru a zajistí jeho polohu. V případě odepnutí je uplatněn opačný postup. V případě ztráty tlaku je příruba koncového efektoru upnuta stále stejnou silou. Systémy automatické výměny koncových efektorů představují alternativu k univerzálním a víceúčelovým robotům. Při realizaci výrobní linky je nutné posoudit, který systém představuje pro dané zadání výhodnější řešení. Systém automatické výměny přináší totiž kromě výhod také vyšší náklady na pořízení a vyšší riziko závady.

3.4. PERIFERNÍ ZAŘÍZENÍ K PRaM

3.4.1. Úvod, rozdělení, účel použití Periferní zařízení (PZ) k PRaM (někdy označované jako pomocné manipulační prostředky nebo také mezioperační mechanismy) slouží k vykonávání jednoduchých pohybů s objektem robotizace (například obrobek, odlitek, svařenec, část montážního celku apod.) do míst dosahu ramene stacionárního průmyslového robotu (PR), nebo manipulátoru (M). PZ tedy zprostředkovávají pohyb mezi jednotlivými pracovními operacemi v rámci robotizovaného pracoviště (RP), které neobsáhne ani robot ani manipulátor, vytvářejí také potřebnou zásobu objektu, nebo také mění jeho orientaci v prostoru. PZ tedy umožňují dopravu a skladování objektů, jednoduchou manipulaci atd. PZ podstatně zjednodušují náročnost programování řídícího systému RP a dále umožňují použít M nebo PR s nižším počtem stupňů volnosti nebo méně náročnými technickými parametry. Spolupráce manipulátoru nebo průmyslového robotu s periferními zařízeními přináší zrychlení manipulačního procesu, zkracováním potřebných časů na manipulaci, ale často také vyšší přesnost polohování s objektem. Vyšší přesnost je dosažena tím, že při použití periferií můžeme:

• manipulovaný objekt přesně ustavit, např. v přípravcích, • periferie konstruovat s tuhostí vyšší než vlastní M a PR,

41


• použít PRaM s menším počtem kinematických dvojic (otáčivých nebo posuvných), tvořící základní kinematický řetezec.

Konstrukční řešení periferních zařízení je velmi mnohotvárné a většinou jsou přizpůsobené určitému konkrétnímu projektu RP, lze tedy obtížně najít základ pro jejich roztřídění. I přesto lze periferní zařízení rozdělit podle několika hledisek a to podle :

1. funkce kterou mají plnit 2. charakteristických znaků konstrukce 3. umístění v robotizovaném pracovišti. Podle funkce jsou periferní zařízení rozdělena do třech základních skupin:

a) periferie přemísťují objekty tak, že mění polohu svého těžiště, avšak orientace v prostou zůstává zachována

b) periferie mění orientaci objektu, tzn. že se otáčí podle osy ve svém těžišti, ale objekt se nepřemisťuje

c) periferie mění polohu těžiště i orientaci objektu. Podle charakteristické konstrukce dělíme periferní zařízení na:

• dopravníky, • otočné a křížové stoly, • zvedací a podávací zařízení, • podávací zařízení se zásobníkem a násypkou, • palety, • dopravní vozíky.

Periferní zařízení jsou tedy nezbytnou součástí navrhovaných a realizovaných robotizovaných pracovišť, přičemž jen část je vyráběna sériově a velmi často se konstrukce a jejich výroba přizpůsobuje potřebám RP pro danný účel manipulace, svařování, nanášení nátěrových hmot a pod. Takto se PZ stávají často jednoúčelovými strojními zařízenmi (společně s některými koncovými efektory).

3.4.2. Rozdělení PZ podle funkce V tomto případě se PZ používají pro změnu polohy těžiště objektu. Přemisťování objektu se děje tak, že se mění poloha těžiště, avšak orientace objektu zůstává zachována. Rozlišujeme tyto PZ se změnou těžiště (dle jeho polohy):

• změna polohy těžiště po přímce, • změna polohy těžiště po kružnici, • změna polohy těžiště v rovině • změna polohy těžiště v prostoru

Příklad PZ pro změnu polohy těžiště objektu po přímce – tento druh PZ slouží k vykonávání pohybu po přímce o určenou rozteč – viz obr. 2.56, aniž se mění orientace objektu. Tato skupina je jedna z nejdůležitějších.

Obr. 3-20 Pohyb objektů po přímce se zachováním orientace (pohyb o rozteč t)

42


3.4.3. Rozdělení PZ podle charakteristické konstrukce Konstrukční řešení periferních zařízení je velmi pestré a vždy přizpůsobené výrobnímu stroji, manipulátoru nebo průmyslovému robotu, ale zeména účelu pracoviště, ale také objektu robotizace (jeho tvarům, rozměrům, hmotnosti, počtu kusů atd.). Dále budou uvedeny názorné příklady z konstrukce a použití PZ v RP.

3.4.3.1. Dopravníky Dopravníky jsou základním činitelem dopravy součástek a dílců (objektů manipulace) a jsou různého provedení a typu. Tvoří důležitý článek mezi jednotlivými stroji, pracovištěmi a dílnami. Dopravují polotovary, hotové součásti, nástroje, výrobní pomůcky, montážní celky i odpad. Nejpoužívanějšími dopravníky jsou:

• pásové dopravníky, • článkové dopravníky, • podvěsné dopravníky, • vibrační dopravníky, • dopravníky v automatických výrobních a montážních linkách, • válečkové tratě

Obr. 3-21 Příklad použití pásovného dopravníku pro přísun součástek pro následnou

manipulaci pomocí robotu

43


Obr. 3-22 Příklad použití pásového dopravníku s plastovými články při manipulaci s pizzami (potravinářský průmysl)

Vedle výše uvedených pásových a článkových dopravníků se používají i nové typy. Mezi ně patří plastové modulární pásy, které jsou často používány pro dopravu lehkého a středně těžkého zboží v různých oblastech průmyslu. Velkou výhodou je vysoká flexibilita při přestavbě linek do jiných tvarů a jednoduchá ůdržba s nízkými náklady – viz obr níže.

Obr. 3-23 Výrobní linka skleněných čoček – dopravníky s modulárními pásy

44


Obr. 3-24 Článkový dopravník – konstrukce hliníkové slitiny, kluzná zatáčka, vysoké tažné síly, materiál článkového řetězu: plast nebo ocel

Obr. 3-25 Článkový dopravník s nastavitelným bočním vedením

45


Obr. 3-26 Článkový dopravník, kluzné vedení v plastovém provedení

Obr. 3-27 Příklad použití podvěsného dopravníku: v těchto dvou projektech je podvěsný

dopravník proveden obvyklým řešením pro dopravovaná zavěšená břemena do hmotnosti 80 kg

Obr. 3-28 Příklad použití válečkových dopravníků v RP manipulace a stohování dřevitých

desek

46


Obr. 3-29 Příklad použití válečkových dopravnůků v RP manipulace a stohování s

kartonovými krabicemi

Obr. 3-30 Mezioperační válečkové dopravníky ve výrobě automobilových disků z lehkých

slitin

47


Obr. 3-31 Ukázka válečkových dopravníků v RP s mostovými manipulátory

3.4.3.2. Svařovací polohovadla přípravky Na níže uvedeném obrázku je ukázka svařovacího RP, které využívá pro ustavení polohy svařence zvláště konstruovaného a vyrobeného stolu se svařovacím přípravkem.

Obr. 3-32 Polohovadlo a svařovací přípravek jako periferní zařízení pro robotické svařování

elektrickým obloukem. Dva PR typu RRR provádí bodové svařování eletrickým proudem. Polohovadlo provádí držení (fixaci) svařence a jednoduché pohyby vzhledem k pohybům ramen obou průmyslových robotů

48


Obr. 3-33 Periferní zařízení pro robotické svařování elektrickým obloukem – polohovadlo

svarku pro jeho fixaci a jednoduché pohyby vůči rameni PR s technilogickou hlavicí – svařovací hubicí pro svařování elektickým obloukem

Obr. 3-34 Automatizovaná výroba vidlic pro vysokozdvižné vozíky s volně

programovatelnými rotačními sklápěcími moduly (jako periferním zařízením RP) a portálem robotu s převislým koncem

3.4.4. Rozdělení PZ podle umístění v robotizovaném pracovišti Jak již bylo řečeno v úvodu, jedná se o zařízení, která se často vyvíjí v různých konstrukčních a projekčních kacelářích a jsou následně vyráběny pro potřeby RP, resp. zákazníka. V praxi záleží na konstruktérovi a projektantovi, jakým způsobem daný technický problém návrhu vhodného PZ vyřeší. Na základě dosavadních zkušeností je možné konstatování, že jednotlivé druhy periferních zařízení se málo opakují v realizovaných robotizovaných pracovištích (četnost cca 5 – 10 %). Ve zbývajících případech se periferie řeší jako účelové nebo upravené tak, že mají charakter nového (jednoúčelového) zařízení.

49


Obr. 3-35 Propojení robotizovaných pracovišť pomocí dopravníků. Popis dispozičního

uspořádání robotizovaného technilogického pracoviště (RTP) ve vyobrazení: PR jsou trojho typu – sériových kinematických struktur typu RRR a SCARA a paralelních kinematických struktur typu TRIPOD. Úkolem robotů je provádět manipulaci a montáž s drobnými a málo hmotnými součástkami, pro kterýžto účel se práve tyto typy PR velmi hodí. Dopravníky zajišťují propojení jednotlivých dílčích pracovišť montáže

Obr. 3-36 Průběžný a vstupně – výstupní dopravník v robotizovaném pracovišti. Popis

dispozičního uspořádání robotizovaného technilogického pracoviště (RTP) ve vyobrazení: Roboty typu TRIPOD provádí napulaci v ochranné atmosféře (obr. vlevo) a stohování předmětů na EURO paletu (obrázen vpravo)

50


Obr. 3-37 Vstupní a výstupní dopravníky při ukládání dílců do krabic a odkládání výlisků z

plastu. Popis dispozičního uspořádání robotizovaného technilogického pracoviště (RTP) ve vyobrazení: PR provádí manipulaci se součástkami odebíráním ze zásobníku, majícího funkci i dopravníku a ukládá je do krabic, které se pohybují pomocí pásového dopravníku (obrázek vlevo) a PR provádá vyjímání vylisovaného dílce (nárazníky automobilů) a jejich manipulaci na výstupu z linky tvořené vstřikovacími lisy (obrázek vpravo)

Obr. 3-38 Ukázka složitějšího robotizovaného pracoviště s periferními zařízemi v technologii

tváření kovů (překládací stoly, vstupně-výstupná zásobníky). Popis dispozičního uspořádání robotizovaného technilogického pracoviště (RTP) ve vyobrazení: PR slouží k manipulaci operační i mezioperační s polovýrobky a hotovými výrobky z oblasti plošného tváření dílců v automobilovém průmyslu

51


4. Robotizovaná pracoviště Na robotizovaná pracoviště lze pohlížet jako na velmi komplexní systém, který v sobě zahrnuje celou řadu různorodých prvků. Pro správné fungování celého pracoviště je nutné, aby tyto prvky dokázaly mezi sebou správně spolupracovat. Například v případě jednoduché paletizační úlohy musí být rychlost pohybu samotného robotu vhodně synchronizována s rychlostí použitého dopravníku. Spektrum průmyslových činností, která lze s úspěchem robotizovat je velmi široké. V průběhu zavádění robotizovaných pracovišť do praxe se sice vyprofilovalo několik odvětví, kde je robotizace využívána více než jinde a tudíž zde lze uplatnit ustálené návrhové postupy, přesto je vhodné ke každé nové úloze přistupovat individuálně, snažit se obsáhnout všechny ovlivňující faktory a tomu přizpůsobit výsledné řešení. Faktory jež ovlivňují nasazení robotizovaného pracoviště lze rozdělit do tří hlavních skupin, které se navzájem prolínají a částečně ovlivňují. Předně je to výsledná funkce pracoviště u kterého má být průmyslový robot nasazen. Musíme zde posoudit typ průmyslového robotu, který dané situaci nejlépe vyhovuje, nezbytné periferie a hlavně samotnou vhodnost zavedení a uskutečnitelnost robotizace. S tím velmi úzce souvisí limitující faktory prostředí. Jedná se zde o teplotu, energetickou náročnost, zda-li je nutné při provozu dodržet určitou čistotu prostředí (např. potravinářské provozy), nakolik je okolní prostředí variabilní apod. A v poslední řadě je to cena, nebo-li ekonomické možnosti odběratele, kterou je možné za dané pracoviště zaplatit. Jeden typ úlohy, lze totiž řešit mnoha způsoby. Například cena zcela automatizovaného pracoviště může být vyšší, než cena pracoviště, které pracuje s pomocí lidského operátora v poloautomatickém režimu. Z výše uvedeného tedy vyplývá už jednou řečené pravidlo, že ke každému pracovišti je nutné přistupovat individuálně a snažit se vyvíjet vlastní potupy. Zejména dnes, kdy stále klesající cena senzorického vybavení robotizovaných pracovišť otevírá nové možnosti řešení již zavedených úloh.

4.1. Základní prvky robotizovaného pracoviště Základním prvkem robotizovaného pracoviště je samozřejmě průmyslový robot s příslušným řídícím systémem a ovládacím panelem (teachpendant). Pomocí ovládacího panelu lze s robotem pohybovat v prostoru a zapsat tak dráhu kterou má robot vykonávat v automatickém režimu (více viz. kapitola 4). Skříň řídícího systému obsahuje mimo základního řízení robotu také frekvenční měniče pohonů jednotlivých os, bezpečnostní obvody pro vyhodnocení chybových stavů a další periferie nutné ke spojení řídícího systému s okolím. Těmito periferiemi mohou být např. rozšiřující karty pro připojení různých typů průmyslových sběrnic (Profibus, DeviceNet apod.) nebo jen sady digitálních vstupů a výstupů. Představu o velikosti těchto prvků lze získat při pohledu na Obr. 4-1. Na Obr. 4-2 lze vidět strukturu řídících systémů robotu KUKA.

52


Obr. 4-1 Základní systém robotu: robot (1), spojovací vedení (2), řídící systém (3), ovládací panel (4); zdroj - KUKA Industrial Robots

Obr. 4-2 Struktura řídícího systému robotů KUKA; zdroj - KUKA Industrial Robots Dalším nezbytným prvkem je koncový efektor, který je umístěn na hlavici a slouží k vykonávání operací u konkrétní aplikace. Takovým efektorem mohou být jednoduché uchopovací kleště, svařovací hubice, lepící pistole nebo brousící či obráběcí hlava. Koncových efektorů je celá řada a stále vznikají nové, tomuto tématu se podrobněji věnuje kapitola KONCOVÉ EFEKTORY3 Koncové efektory.

53


U robotizovaných pracovišť je největší výhodou jejich vysoká sériovost a spolehlivost s jakou při takovém objemu výroby pracují. Je tedy logickým závěrem, že doprava materiálu nutného k výrobě konečného produktu, by měla být co nejplynulejší. To zajišťují různé typy dopravníků a válečkových tratí. Více se o tom zmiňuje kapitola 2.4 Periferní zařízení k PRAM. Avšak existují také pracoviště, kde materiálový tok nedosahuje takových objemů a kde přísun jednotlivých polotovarů zajišťuje lidská obsluha. Tyto pracoviště bývají většinou vybaveny otočnými stoly nebo přijímacím místem, senzoricky zabezpečeným tak, aby se zde v jednu chvíli mohl nacházet pouze člověk nebo pouze robot. Toto opatření je zavedeno z důvodu bezpečnosti pracoviště. Samotný průmyslový robot nemá v základní výbavě, vyjma snímačů pro řízení pohonů, žádnou senzoriku kterou by monitoroval své okolí. Aby celé pracoviště mohlo pracovat s dostatečnou spolehlivostí v automatizovaném režimu je potřeba jej vybavit příslušnými senzory známými z obecné průmyslové automatizace (např. optické závory, indukční čidla, kontaktní čidla uzavření dveří). Příklady senzorů jsou na Obr. 4-3.

Obr. 4-3 Příklady senzorů použivaných v průmyslové automatizaci; zdroj - Siemens Jak již bylo naznačeno výše celé pracoviště je nutné dostatečně zabezpečit proti případné kolizi s člověkem. Podrobněji se tomuto tématu věnuje kapitola 5., avšak stručně lze říci, že většina pracovišť je z tohoto důvodu minimálně ohrazena pletivem, které zabraňuje přístupu lidské obsluhy k robotu během jeho činnosti. Pokud je přeci jen nutné, aby se člověk nalézal v bezprostřední blízkosti robotu (např. z důvodu programování dráhy), je možný přístup do zabezpečené robotické buňky přes senzoricky zabezpečené dveře, které při svém otevření průmyslový robot zastaví a vyřadí jej z automatického režimu.

4.2. Řízení pracoviště Řízení robotizovaného pracoviště lze provádět několika způsoby podle složitosti úlohy, kterou má robot nebo řada robotů vykonávat. Nejjednodušším způsobem je využít samotný řídící systém průmyslového robotu a na jeho digitální vstupy a výstupy připojit potřebné senzory a ovládací prvky pracoviště. Takto můžeme řídit jednoduché úlohy jako je skládání lahví do přepravek, různé druhy paletizace, depaletizace apod. Předností tohoto uspořádání jsou nižší pořizovací náklady a do jisté míry vyšší flexibilita, avšak při možném budoucím rozšíření pracoviště narazíme na limity, co se týče počtu vstupů a výstupů, variabilnosti programu apod. Takový typ řízení lze vidět na Obr. 4-4.

54


Obr. 4-4 Řízení robotického pracoviště pouze s využitím řídícího systému robotu Pokud budeme po pracovišti požadovat maximální flexibilitu výrobního programu, vzdálené řízení a podrobnou vizualizaci celého procesu, lze celé pracoviště z předchozího příkladu vzdáleně řídit pomocí sítě Ethernet a tzv. OPC serveru k připojenému terminálu PC (Obr. 4-5). Odtud lze již provádět změnu výroby, řízení skladu apod. Jedná se o tzv. řízení typu CIM (Computer Integrated Manufacturing). Tento způsob je již velmi flexibilní, avšak při jeho zavádění je nutné podchytit maximum stavů v nichž se může daný systém nalézat a odpovídajícím způsobem ošetřit jeho chování. Tomuto požadavku pak odpovídá i cena.

Obr. 4-5 Řízení robotické linky pomocí sítě ethernet

55


Obr. 4-6 Příklad řízení pomocí několika propojených PLC na sběrnici DeviceNet; zdroj – Phoenix Contact Inc. Další možností je rozšířit počty vstupů a výstupů připojením externího PLC přes různé typy průmyslových sběrnic (DeviceNet, Profibus apod). Takto je možné propojit i několik robotů nebo jiných výrobních strojů na jednom pracovišti a centrálně je ovládat nadřazeným PLC (např. Siemens Simatic) v reálném čase. Obecně lze prohlásit, že tento způsob je v praxi nejpoužívanějším (Obr. 4-6).

56


4.3. Typy robotizovaných pracovišť

4.3.1. Svařovací Svařovací pracoviště lze podle způsobu technologie rozdělit na dva druhy. Tyto dva způsoby si vyžadují nasazení i různých periferií. Pracoviště pro obloukové svařování je, vyjma základního příslušenství jako je svařovací zdroj, hořák a jednotka pro podávání drátu, vybaveno také doplňkovými prvky, které zvyšují automatizaci provozu. Z důvodu bezpečnosti je na přírubě robotu používán kolizní senzor, který v případě nechtěného kontaktu hořáku s překážkou změní logickou hodnotu svého výstupního signálu. Tato změna je pak dále vyhodnocena v řídícím systému robotu jako chybový stav a všechny pohony se okamžitě zastaví. U pracoviště, které je vybaveno kolizním senzorem, proto nemusí dojít k poškození jinak mnohem nákladnějšího prvku, jakým je svařovací hořák. Kdyby robot svařoval nepřetržitě, narůstala by chyba způsobená postupným zanášením svařovací hlavice a podstatně by se tak zhoršila jakost svarů. Z tohoto důvodu bývají svařovací pracoviště vybavena jednotkou na čištění hořáku a zastřihávání svařovacího drátu. Volitelně bývají tyto jednotky osazeny také automatickou kalibrací TCP (tool center point). Vždy po několika svarech, robot najede k této jednotce a provede se automatická údržba. Poté je robot opět připraven svařovat. Na Obr. 4-7 jsou tyto prvky vyobrazeny.

Obr. 4-7 Příslušenství pro obloukové svařování: svařovací zdroj (1), svařovací hořák (2), svazek hadic (3), jednotka na podávání drátu (4), kolizní senzor (5), jednotka na čištění hořáku, zastřihávání drátu a kalibraci TCP (6-8), příslušenství pro řízení procesu (9); zdroj – ABB Velmi často se u pracovišť s obloukovým svařováním používají různé typy polohovadel jejichž pohyb je svázán s pohybem robotu. Robot pak svařuje kontinuálně při současném pohybu svařované součásti, která je uchycena v polohovadle. V poslední době nabízí několik výrobců průmyslových robotů jednoduché typy svařovacích pracovišť, kde jsou všechny prvky, včetně polohovadel a bezpečnostních senzorů integrovány do jedné buňky. Na Obr. 4-8 lze vidět robotickou svařovací buňku pro jeden robot s jednoosým polohovadlem, kterou ve svém sortimentu nabízí firma ABB.

57


Obr. 4-8 Integrovaná robotická buňka pro obloukové svařování; zdroj – ABB V případě bodového svařování je situace, co se týká příslušenství poněkud odlišná. Předně je to úplně jiný nástroj. Bodové svařovací kleště (Obr. 4-9) jsou mnohem rozměrnější a těžší než je hořák pro obloukové svařování. Z toho důvodu se pro bodové svařování obecně používají roboty s vyšší nosností. Většinou je nutné kleště během provozu dostatečně chladit. Obvykle se tak děje pomocí oběhu přídavného vodního chlazení.

Obr. 4-9 Kleště pro bodové svařování; zdroj – Robot určený pro bodové svařování musí být vybaven procesní jednotkou, která je obvykle umístěna na jeho patě a zajišťuje pravidelný oběh a hlídání chladící kapaliny. Její detail lze vidět na Obr. 4-9.

58


Obr. 4-10 Detail procesní jednotky pro bodové svařování robotů ABB; zdroj - ABB Ačkoliv by se mohlo zdát, že bodové svařování je technologicky náročnější vzhledem k vybavenosti průmyslových robotů, je např. v automobilovém průmyslu mnohem rozšířenější. Obecně se dá říci, že cca 70 až 80 % svarů je realizováno pomocí bodového svařování. Na Obr. 4-11 je vyobrazeno základní potřebné příslušenství.

Obr. 4-11 Základní příslušenství pro bodové svařování robotů KUKA; zdroj - KUKA Industrial Robots

4.3.2. Manipulační Často se průmyslový robot využívá pro účely manipulace s obrobky ve výrobním procesu. Zejména je to v případě zakládání polotovarů do výrobního stroje. Na Obr. 4-12 lze vidět integrovanou robotickou buňku určenou pro tento typ operace. Doprava polotovarů je zde realizována ručně pomocí pojízdných vozíků. Obvykle jsou tyto buňky vybaveny také systémy strojového vidění pro automatickou detekci polohy obrobků a systémy automatické výměny uchopovacích kleští, jestliže je požadována co největší adaptabilita buňky na vyráběný sortiment.

59


Obr. 4-12 Integrovaná robotická buňka pro zakládání polotovarů do obráběcího stroje; zdroj – Fastems Dalším typem manipulační operace je jednoduchá paletizace a depaletizace výrobků na konci nebo na začátku výrobního procesu. U takto jednoduché úlohy není potřeba měnit orientaci manipulované součásti ve všech osách. Z toho důvodu je v těchto případech využíván robot s redukovaným počtem os (viz.Obr. 4-13). Jeho předností je jednodušší ovládání a vyšší nosnost, kterou je schopen poskytnout použitý paralelogram. Robot je tedy schopen vykonávat translační pohyb ve všech třech osách, avšak rotaci pouze v ose která je kolmá k základně robotu. Obvykle je to osa „z“ ve světovém souřadném systému (podrobnější pojednání o souřadných systémech viz. kapitola 4. Programování průmyslových robotů).

Obr. 4-13 Paletizační robot s redukovaným počtem os; zdroj - KUKA Industrial Robots Na Obr. 4-14 je zobrazena paletizační buňka se dvěma odběrnými místy. Jelikož u tohoto typu pracovišť dochází často ke vstupu obsluhy do pracovní zóny robotu z důvodu odebírání naplněných palet, je nutné tyto zóny dostatečně zabezpečit tak, aby nedošlo ke kolizi robotu s jiným zařízením nebo s obsluhou. Obvykle jsou tyto pracoviště vybavena nějakým typem

60


laserového scanneru nebo optické závory, jejichž úkolem je případné narušení těchto zón neustále monitorovat.

Obr. 4-14 Paletizační buňka se dvěma odběrnými místy; zdroj – trillium automation Inc.

4.3.3. Nanášení barev Robotický nástřik barev je ideální v případě, kde výpary z nátěrových hmot mohou být nebezpečné pro zdraví člověka. Navíc tento způsob umožňuje ušetřit 25 – 30% nátěrových hmot oproti ručnímu způsobu. Z dalších výhod lze jmenovat nižší nároky na údržbu a zvyšování bezpečnosti redukováním přítomnosti lidské obsluhy v prostředí nebezpečném pro lidské zdraví. Pro tuto oblast jsou určeny roboty speciálnější konstrukce, jenž jsou již v základním uspořádání vybaveny procesními jednotkami včetně rozvodu pro dopravu laků ke stříkací hlavici. Vnější rozvod hadic a kabelů, který byl používán v minulosti, je v současné době ve většině případů nahrazován integrováním těchto částí do dutých ramen robotů. Jelikož vně nejsou přítomny žádné deformovatelné prvky, jejichž polohu nelze přesně předvídat, je zřejmé, že tento typ konstrukce umožňuje zvýšení dosahu robotu, minimalizaci kolizí a jednodušší programování.

61


Obr. 4-15 Pracoviště pro nanášení barev; zdroj - ABB Pro nástřik barev nabízí výrobci robotů různé stříkací pistole. Obvykle jsou pneumatického nebo elektrostatického typu. Doprava nátěrových hmot je realizována zubovým čerpadlem a dávkování je zajištěno pneumaticky ovládanými regulátory tlaku s měřením průtoku. Tímto způsobem řízení je garantováno nanesení barvy v požadovaném množství a tloušťce vrstvy. Zubové čerpadlo je možné pro jeho pohon vybavit klasickým servomotorem, který se po připojení k řídícímu systému robotu chová jako jeho sedmá osa a lépe lze synchronizovat pohyb robotu s množstvím nanášené barvy. Navíc je zde možnost ovládat nanášení barvy přímo pomocí TechPendantu. V případě nástřiku více druhů nátěrových hmot jsou používány pneumaticky ovládané ventily pro rychlou změnu druhu barvy. Tyto ventily umožňují automatickou změny barvy během 15 až 30 vteřin, což dovoluje nanášení podkladových, základních i finálních barev na různé části jedné součásti v libovolných vrstvách. Samotný robot je proti nechtěnému ulpívaní barev a hromadění nánosu chráněn dodatečným krytím textilií (Obr. 4-15), avšak z důvodu snadné údržby je zde v poslední době trend ošetřit vnější i vnitřní povrch teflonovou vrstvou. Pracoviště je nutné dělit také podle typu nanášených hmot. U tekutých barev, které jsou ředitelné pouze speciálními rozpouštědly je vyšší riziko výbuchu. Z toho důvodu musí mít robot dostatečné krytí elektrických částí. Oproti tomu většina práškových barev je nevýbušná, avšak rychlost nanášení je pomalejší, daná jejich menší přilnavostí. V některých případech, zejména při stříkaní plastů, používán ještě jeden robot pro úpravu přilnavosti povrchu. Obvykle je proveden předehřev povrchu pomocí plazmy nebo plamene namísto tradičního oplachování vodou. Jako i u jiných robotických pracovišť, je i zda snaha prosazovat moderní způsoby řízení. Pro detekci chyb jako jsou případné bublinky nebo trhliny v nanášené vrstvě, nabízí někteří výrobci robotů implementaci kamerového systému.

62


Obr. 4-16 Robotická linka se dvěma stanovištěmi pro nanášení barev; zdroj - ABB Většinou jsou buňky vybaveny závěsným typem dopravníku pro přísun stříkaných dílů a místem kde díly s nanesenou barvou schnou. Může to být průchodná vypalovací pec nebo jen odkládací místo pro volné schnutí. Na Obr. 4-16 lze vidět robotickou linku se dvěma buňkami pro nástřik barev a dvěma dalšími roboty, které zajišťují přísun dílů na dopravník a odkládání nalakovaných dílů na vysychací místo. Častá je i montáž stříkacích robotů na strop. Toto uspořádání šetří zastavěnou plochu buňky a robot je méně kontaminován nechtěným nánosem barev, z čehož vyplývají také nižší náklady na jeho údržbu.

4.3.4. Technologické operace Mezi technologické operace se řadí celé spektrum činností, kdy je průmyslového robotu využito přímo jako výrobního stroje. Tato oblast se neustále rozšiřuje a to zejména díky zvyšujícím se možnostem přesnosti polohování robotu. Jednou z již zavedených oblastí je proces ohýbání plechů nebo tvarování trubek. V obou případech pracuje průmyslový robot jako pomocný manipulátor, který mění polohu a orientaci ohýbané součásti v ohýbacím stroji. Na Obr. 4-17 lze vidět průmyslový robot Kuka při ohýbání plechových dílců. Samozřejmě je nutné pracoviště vybavit také automatickým podavačem polotovarů, který zajistí jejich přesnou polohu před tím než jej převezme robot. V poslední době se v některých případech nasazují také systémy strojového vidění pro automatickou kontrolu vyráběných dílců.

63


Obr. 4-17 Robot KUKA využívaný jako pomocný manipulátor při ohýbání plechových dílců; zdroj - KUKA Industrial Robots Na Obr. 4-18 lze vidět pracoviště pro tvarování trubek, které je vybaveno automatickým podavačem polotovarů. V těchto případech se využívají většinou tzv. schodové zásobníky které zajišťují plynulý přísun materiálu.

Obr. 4-18 Robotická buňka určená pro tvarování trubek; zdroj – Mewag Innovation Další technologickou oblastí ve které lze využít průmyslový robot je obrábění. Využití maximální pohyblivosti šestiosého robotu se zdá být logické, avšak je třeba brát v úvahu to, že se stále jedná o sériovou kinematiku a tudíž maximální dosažitelná přesnost pravděpodobně nikdy nebude konkurovat klasickým obráběcím strojům. Z tohoto důvodu lze pro účely obrábění použít průmyslový robot v aplikacích s nižšími nároky na výslednou přesnost. Na Obr. 4-19 je vyobrazena obráběcí hlava firmy ABB.

64


Obr. 4-19 Obráběcí hlavice robotu ABB; zdroj – ABB V oblasti brousících operací je průmyslový robot celkem využíván, avšak ke své činnosti obvykle potřebuje tzv. silomomentový senzor, který je umístěn mezi přírubou robotu brousícím efektorem. Tento senzor měří síly a momenty ve všech směrech a jestliže je začleněn do řídícího systému, jsme s jeho pomocí schopni dodržovat např. konstantní přítlačnou sílu vyvozovanou brousícím kotoučem na broušenou součást. Na Obr. 4-20 je vyobrazeno zabrušování ráfků kol robotem Fanuc.

Obr. 4-20 Zabrušování ráfků kol; zdroj – PushCorp, Inc. Mezi další technologické operace lze zařadit lepení (viz.Obr. 4-21). V tomto případě je pracoviště vybaveno lepící pistolí, automatickým dávkovačem lepidla a vyhřívacím stanovištěm. Tohoto zařízení robot využívá k udržování teploty lepící pistole, aby nedošlo k nechtěnému zaschnutí lepidla v případě, kdy je pistole delší dobu v nečinnosti. Například v situacích, kdy není zajištěn plynulý přísun polotovarů určených k lepení. Podobně jako u pracovišť pro nanášení barev je i zde často používán druhý robot k úpravě přilnavosti povrchu lepeného dílu. Obvykle se pro tuto činnost využívá předehřátí plastového povrchu pomocí plazmového hořáku.

65


Obr. 4-21 Lepení robotem KUKA; zdroj – Blumenbecker Prag s.r.o. Další, poměrně rozšířenou oblastí je robotizovaná montáž. Tento typ pracoviště potřebuje pro svoji činnost sadu periferních zařízení, která jsou pro automatizovanou montáž nezbytná. Předně je to systém dopravy a indexování jednotlivých dílů, které jsou přesně orientovány. K tomuto účelu slouží většinou různé typy automatizovaných zásobníků (viz. kapitola 2.4), které současně na svém výstupu kontrolují, zda právě dodávaná součást vyhovuje či nikoliv. Dále jsou pracoviště vybavena dostatečným počtem senzorů a robotickým viděním, které je podle volby využíváno k identifikaci dílů, verifikaci správného sestavení výrobku nebo k navádění robotu v případě dodávání neorientovaných součástí. V neposlední řadě, systémy vidění velmi zvyšují flexibilitu pracoviště. Robot je poté využíván pro finální kontrolu sestaveného výrobku, opět záleží na konkrétní aplikaci, z čehož vyplývá co je potřeba testovat. V zásadě lze tyto testy rozdělit na testy správného sestavení výrobku – zde se testuje např. síla mezi dvěma prvky, moment nebo možnost pootočení a na testy funkčnosti výsledného výrobku. Jak zde již bylo naznačeno, v případě montážních operací je obecná snaha o co největší flexibilitu pracoviště. Jelikož možnosti montážního efektoru průmyslového robotu jsou, co se týká hmotnosti, konečné, často se tento typ pracoviště vybavuje tzv. automatickou výměnou nástrojů. Jestliže tedy robot vykonává větší spektrum činností, je výhodné pro tyto činnosti vyčlenit specializované efektory, které budou na robot v případě potřeby automaticky nasazeny.

66


5. Programování průmyslových robotů

5.1. Úvod

V následujících kapitolách budou rozebrány základní aspekty programování průmyslových robotů. Průmyslových robotů však existuje celá řada a můžeme je dělit např. podle stupňů volnosti (Degree of freedom, DOF), podle kinematické struktury (sériové, paralelní), druhu pohonu, atd. Může se tedy jednat o standardní 6 DOF robot, 4 DOF SCARA robot, popř. různé kartézské systémy. Dále existuje řada výrobců průmyslových robotů (KUKA, ABB, FANUC, MOTOMAN, PANASONIC, REIS, COMAU, Mitsubishi, atd.) a je zde nutné konstatovat, že každý výrobce používá pro své roboty specifický programovací jazyk. Z tohoto důvodu není možné jednoduše postihnout danou problematiku na obecné úrovni, neboť pro každého výrobce platí pro programování určitá specifika včetně odlišné syntaxe programového kódu. Pro účely této kapitoly se dále zaměříme na typického představitele – 6DOF robotu, který lze považovat za nejvíce univerzální a též nejvíce používaný v průmyslu. Uvedeme si obecně platné principy pro tuto skupinu robotů, které budou spočívat v zápisu pohybových instrukcí, aproximace pohybů či sestavení jednoduché aplikace pro manipulační/paletizační úlohy. Dále se zaměříme na roboty dvou největších výrobců – KUKA a ABB a níže uvedené příklady budou respektovat jejich příslušný programovací jazyk – KRL a RAPID. Průmyslové roboty lze dále programovat různými způsoby. V současné době je stále nejpoužívanější metoda on-line, kdy obsluha provádí programování robotu přímo na pracovišti pomocí ručního ovládacího panelu (pendant, teach-pendant). Další možný způsob je tzv. off-line. Tato metoda je obecně založena na softwarovém systému umožnujícím 3D virtuální simulaci konkrétního robotizovaného pracoviště, kde je možné definovat pohyby a dráhy robotu a ty pak exportovat do příslušného formátu programovacího jazyku (KRL, RAPID apod.). Takto vytvořený program (vygenerovaný off-line) je pak možné nahrát do řídicího systému robotu. Výhodou je, že v průběhu vytváření programu nemusíme mít příslušný robot fyzicky k dispozici. V současné době je dále snahou určitým způsobem propojovat předchozí dva způsoby (online/off-line) a využívat tak jejich dílčích výhodných vlastností. Výše uvedené metody či možnosti programování průmyslových robotů budou v dalších kapitolách podrobněji rozebrány, důraz je však kladen především na metodu online. S ohledem na současné trendy je také nutné zmínit tzv. interaktivní programování průmyslových robotů. Jedná se o novou oblast založenou na interakci (popř. i spolupráci) mezi robotem a obsluhou, tzv. human-robot interaction, human-robot cooperation. Tato oblast však nebude dále podrobněji rozebrána, více lze najít např. zde: www.smerobot.org.

5.2. Online programování

Metoda programování online dnes hraje stále hlavní roli při programování průmyslových robotů. Obecný princip spočívá v tom, že obsluha/programátor pomocí uživatelského rozhraní (pendant či tech-pendant) navádí robot nebo programuje konkrétní aplikaci přímo na pracovišti, kde je robot fyzicky přítomen. Na dalším obrázku (Obr. 5-1) jsou znázorněny základní prvky robotického systému: 6 DOF průmyslový robot, příslušný řídicí systém a teach pendant. Pro programování robotu je také možné využít specifický off-line systém a vytvořené programy pouze vložit do řídicího systému robotu (CD-ROM, USB apod.).

67


Obr. 5-1 Základní prvky robotického systému

5.2.1. Uživatelské rozhraní - teach-pendanty Typický teach-pendant je v současné době stále propojen s řídicím systémem robotu pomocí kabelu. Pracuje se nicméně i na bezdrátovém řešení (wireless teach-pendat), kde je však hlavní problém stále v oblasti bezpečnosti, mezinárodních bezpečnostních standardů, koncepci tzv. bezdrátového bezpečnostního stopu (wireless emergency stop) apod. Současné teach-pendanty je pak možné rozdělit do dvou hlavních kategorií v závislosti na jejich koncepci a základním layoutu:

• „portrait” design (Obr. 5-2)

Charakteristická je větší výška než šířka, relativně malý display umístěný v horní části pod nímž jsou pak ovládací tlačítka. Pro správnou funkci ovládacího panelu je pro operátora obvykle nutné používat obě ruce.

Obr. 5-2 Příklady teach-pendantů portrait koncepce (zleva: Motoman; Reis; Kawasaki; Fanuc)

68


• „landscape” design (Obr. 5-3 a Obr. 5-4)

Zde je charakteristická větší šířka než výška a obsahují většinou i větší displej v porovnání s předchozí skupinou. Lze zde opět použít obě ruce nebo je možné použít pro držení jen levou ruku. Pendanty v této skupině pak většinou obsahují vstupní prvky pro manuální ovládání pohybu robotu v ručním režimu (tzv. jogging). Jedná se především o 3 DOF joystick nebo 6 DOF prostorovou myš a tyto prvky jsou pak ovládány zpravidla volnou pravou rukou.

Obr. 5-3 Příklady teach-pendantů ABB (zleva: starší teach-pendant pro řídicí systémy ABB S4CPlus; nový teach-pendant pro ABB IRC5 - tzv. flex pendant)

Obr. 5-4 Příklady teach-pendantů KUKA (zleva: současná koncepce; prototyp bezdrátového pendantu KUKA s dotykovým displejem a hlasovým rozhraním)

69


5.2.2. 6 DOF průmyslový robot Pro ovládání pohybu robotu v ručním režimu má operátor k dispozici dvě možnosti (režimy pohybu):

• Osově specifický pohyb (Axis-specific jogging, Joint motion)

V tomto režimu lze pohybovat individuálně s každou jednotlivou osou (osa A1 až A6) zvlášť - v pozitivním nebo negativním směru (Obr. 5-5). Konstrukční uspořádání, poloha a umístění jednotlivých os má vliv na celkový pracovní prostor robotu. Na následujícím obrázku ( Obr. 5-6) jsou pak pro ilustraci zobrazeny příklady typických pracovních prostorů pro 6 DOF roboty.

Obr. 5-5 Specifikace (poloha) jednotlivých os průmyslového 6 DOF robotu

Obr. 5-6 Typické pracovní prostory 6 DOF robotů (zleva: KUKA KR150-2 K: pracovní prostor, který vymezují osy 2 a 3; ABB IRB 4400: plný pracovní prostor)

70


• Pohyb v kartézských souřadných systémech (Cartesian jogging)

V tomto režimu je možné pohybovat referenčním bodem nástroje - dále jen jako TCP (Tool Centre Point) - ve směru (negativním či pozitivním) jednotlivých os (x, y, z) zvoleného kartézského souřadného systému. Dále je pak možné provádět rotace TCP kolem každé jednotlivé osy x, y, z. Označování souřadných systémů je opět odlišné s ohledem na výrobce robotů. Na obrázcích níže jsou platné specifikace souřadných systémů pro roboty KUKA a ABB (obr.Obr. 5-7 a Obr. 5-8), vzájemné srovnání viz tabulka 5.1. Lze však obecně konstatovat, že se používají tři základní kartézské souřadné systémy:

o Světový souřadný systém (World Coordinate System)

Jedná se o defaultní hlavní kartézský souřadný systém. S tímto systémem souvisí kartézský souřadný systém umístěný v patě robotu - ROBROOT pro roboty KUKA, Robot Base Coordinate System pro roboty ABB. Tyto systémy definují polohu robotu relativně vzhledem ke Světovému souřadnému systému, který je defaultně umístěný v patě robotu.

o Souřadný systém báze (Base Coordinate System)

Jedná se o kartézský souřadný systém (definovaný uživatelem), který definuje polohu konkrétní součásti, obrobku, palety apod. relativně vzhledem ke Světovému souřadnému systému. Kuka používá označení báze (Base), ABB používá systémy User Coordinate System a Object Coordinate System (obr. 4.8), význam a účel je však shodný. Definovat bázi je možné např. pomocí tří bodů - standardní 3-bodová metoda (viz Obr. 5-8, body X1, X2, Y1).

Obr. 5-7 Souřadné systémy (KUKA)

71


o Souřadný systém nástroje (Tool Coordinate System)

Tento systém je kartézský souřadný systém umístěný v TCP (Tool Centre Point) a je relativní vzhledem k určité bázi.

Obr. 5-8 Souřadné systémy (ABB)

Tab. 5.1: Srovnání souřadných systémů používaných u robotů KUKA a ABB

KUKA ABB

Světový souřadný systém - World Coordinate System - World Coordinate System

Souřadný systém paty robotu - ROBROOT - Robot Base Coordinate System

Souřadný systém báze - BASE - User Coordinate System - Object Coordinate System

Souřadný systém nástroje - Tool Coordinate System - Tool Coordinate System

Kartézské souřadné systémy (viz výše) se používají především pro usnadnění samotného programování průmyslových robotů. Použití pouze Osově specifického pohybu by bylo značně nepraktické. Z tohoto důvodu provádí řídicí systém robotu tzv. transformaci souřadnic, přičemž opět platí určitá specifika s ohledem na výrobce robotů (KUKA vs. ABB viz Obr. 5-9). Mluvíme o přímé transformaci (forward/direct transformation) v případě, že převádíme hodnoty jednotlivých os na kartézské souřadnice. V opačném případě mluvíme o inverzní transformaci (inverse transformation).

72


Obr. 5-9 Transformace souřadnic

5.2.3. Hlavní typy pohybů K hlavním typům pohybů patří především následující:

• Obecný pohyb (Obr. 5-10)

Obr. 5-10 Obecný pohyb

73


U tohoto typu pohybu se TCP robotu pohybuje z bodu P1 do P2 nejrychlejším možným způsobem. V tomto případě neplatí, že nejrychlejší vykonaná dráha musí být i nejkratší a obecně se tedy nejedná o přímku. Pohyby jednotlivých os robotu (6 DOF) jsou rotační, to znamená, že vykonávání různých zakřivených drah (obecně v prostoru) je rychlejší než vykonávání přímé dráhy. Dále je nutné konstatovat, že poté co operátor uloží souřadnice daných dvou bodů a definuje mezi nimi obecný pohyb, výsledná dráha není předem známá. Daný typ pohybu se používá víceméně pro rychlé (pomocné) polohování v prostoru a obecně tam, kde nehrozí žádná kolize. KUKA tento pohyb označuje jako PTP (PTP motion, point-to-point), ABB má pro tento typ pohybu pohybovou instrukci MoveJ (joint move).

• Lineární pohyb (Obr. 5-11)

Obr. 5-11 Lineární pohyb

U tohoto pohybu se TCP robotu pohybuje přesně po přímce mezi definovanými body P1 a P2 konstatní definovanou rychlostí (mm/s). KUKA tento pohyb označuje jako LIN (LIN motion), ABB má pro tento typ pohybu pohybovou instrukci MoveL (Linear move).

• Kruhový pohyb (Obr. 5-12)

Obr. 5-12 Kruhový pohyb

U kruhového pohybu se TCP robotu pohybuje definovanou konstatní rychlostí (mm/s) po kruhové dráze z výchozího bodu do koncového bodu (target point, end point).

74


Kruhový pohyb je definován počátečním bodem (P start), koncovým bodem (PEND) a tzv. pomocným bodem (PAUX, auxiliary point, via point), který vymezuje samotnou kruhovou dráhu mezi počátečním a koncovým bodem. KUKA tento pohyb označuje jako CIRC (CIRC motion), ABB má pro tento typ pohybu pohybovou instrukci MoveC (Circular move).

5.2.4. Aproximace pohybů Obecně se dá říci, že používání ryze základních pohybů (obecný, lineární, kruhový) by bylo pro vetšinu praktických aplikací nedostatečné. Společnou vlastností pro všechny předchozí pohyby je, že v koncových bodech (P2, PEND, viz výše) se rychlost a zrychlení blíží nule, resp. robot v těchto bodech téměř zastaví a pak teprve pokračuje ve vykonávání další pohybové instrukce. Z tohoto důvodu se používají tzv. aproximace pohybů. V případě použití aproximace však již TCP robotu nenajede přesné souřadnice dílčích bodů, nicméně vykonávaná dráha je plynulejší a rychlejší. Aproximace také souvisí se snižováním celkového pracovního cyklu, což je časový údaj, který lze považovat za jeden z hlavních parametrů při návrhu robotické buňky.

• Aproximace obecného pohybu (Obr. 5-13)

TCP robotu opustí dráhu, která by vedla přímo do dílčího koncového bodu (P2) a pohybuje se dále po rychlejší dráze do bodu P3. Charakter aproximované dráhy u tohoto typu pohybu opět není možné předvídat.

Obr. 5-13 Obecný pohyb (PTP, MoveJ); bod P2 je aproximován

• Aproximace lineárního pohybu (Obr. 5-14)

TCP robotu opustí dráhu, která by vedla přímo do dílčího koncového bodu (P2) a pohybuje se dále po rychlejší dráze do bodu P3. Aproximační vzdálenost (poloměr) je možné definovat.

Obr. 5-14 Lineární pohyb (LIN, MoveL), bod P2 je aproximován

• Aproximace kruhového pohybu (Obr. 5-15)

TCP robotu opustí dráhu, která by vedla přímo do dílčího koncového bodu (PEND) a pohybuje se dále po rychlejší dráze do bodu P. Aproximační vzdálenost (poloměr) je možné definovat.

75


Obr. 5-15 Kruhový pohyb (CIRC, MoveC), bod PEND je aproximován

• Příklad dráhy s aproximací pohybu (Obr. 5-16)

Obr. 5-16 Příklad dráhy robotu s aproximací: bod P1 je aproximován

Předpokládejme, že počáteční poloha robotu je v bodě p0. Zápis programového kódu pro vykonání dráhy z bodu p0 do p3 (přes p1, p2) je pak následující: 1. MoveL p1, v200, z10, tool1 2. MoveL p2, v100, fine, tool1 3. MoveJ p3, v500, fine, tool1 Uvedený příklad respektuje syntaxi pro roboty ABB (jazyk RAPID). Pro aproximaci je rozhodující hodnota z10 (poloměr 10 mm). Hodnota fine se používá pro pohyby bez aproximace.

76


5.2.5. Základní přehled instrukcí pro roboty ABB • robtarget – definuje bod (teach-point), resp. polohu robotu v prostoru (příklad vizObr.

5-17)

Obr. 5-17 Příklad definice bodu - robtarget, jazyk Rapid, ABB

• wobjdata – work object, definuje polohu uživatelského souřadného systému (User

frame a Object frame, přičemž Object frame může být nulový, příklad viz Obr. 5-18)

Obr. 5-18 Příklad definice systému work object - wobjdata, jazyk Rapid, ABB

• tooldata – definuje souřadný systém nástroje a jeho další charakteristiky (příklad viz

Obr. 5-19)

Obr. 5-19 Příklad definice systému work object - wobjdata, jazyk Rapid, ABB

77


• základní pohybové instrukce – obecný pohyb, lineární pohyb, kruhový pohyb (příklad viz Obr. 5-20)

Obr. 5-20 Příklad zápisu pohybových instrukcí, jazyk Rapid, ABB

5.2.6. Základní přehled instrukcí pro roboty KUKA Základní struktura programu pro roboty KUKA (jazyk KRL) je uvedena níže (Obr. 5-21).

Obr. 5-21 Příklad zápisu pohybových instrukcí, jazyk KRL, KUKA

78


5.2.7. Případová studie: Paletizační úloha Zadání:

Po dvou dopravnících (Feeder_1, Feeder_2) je zajištěn postupný (nepravidelný) přísun komponent k robotu. Robot může uchopovat komponenty z polohy 1 (Position_1) nebo polohy 2 (Position_2). Přítomnost komponent v příslušných polohách signalizují optické snímače (digitální vstupy). Úlohou robotu je umístit celkem 45 komponent na paletu (Pallet) a poté by měl robot odeslat paletu po dopravníku k dalšímu zpracování (Obr. 5-22).

Obr. 5-22 Schéma pracoviště pro paletizaci

• Vývojový diagram obecně

Vytvoření struktury programu představuje důležitou část při řešení určité úlohy. Můžeme použít standardní vývojový diagram, tzv. Flowchart, pomocí něhož si rozdělíme úlohu na dílčí části/operace reprezentované různými symboly, které jsou propojeny šipkami. Graficky tak znázorníme celý algoritmus, což nám výrazně napomůže při sestavování samotného programového kódu. K základním symbolům patří obdélník, obdélník se zaoblenými rohy a kosočtverec (viz. tab. 5.2).

Tab. 5.2: Základní symboly pro vývojový diagram - Flowchart

• počátek nebo ukončení zpracování programu

• větvění programu (podmínky apod.)

• dílčí krok/operace zpracování programu

•

79


• Vývojový diagram pro zadanou paletizační úlohu (Obr. 5-23)

Definujeme tyto proměnné, signály a procedury: o čítač pro 45 komponent - Counter o digitální vstupy pro signalizaci komponent na pozicích 1 a 2 - Di1 a Di2 o procedura pro uchopení komponenty robotem z pozic 1 a 2 - Get_From_Pos1 a

Get_From_Pos2 o procedura pro umístění komponent na paletu - Palletize o digitální výstup pro odeslání palety - Release_Pallet

Obr. 5-23 Vývojový diagram pro paletizační úlohu

80


• Program pro paletizační úlohu (struktura programu viz Obr. 5-24)

Obr. 5-24 Příklad zápisu programového kódu pro paletizační úlohu – syntaxe ABB Rapid

81


5.3. Off-line programování

Mimo použití standardního ovládacího panelu (teach-pendantu) pro online programování průmyslových robotů je možné využít metody tzv. Off-Line Programování (OLP). Tato metoda je založena na softwarových systémech, které umožnují 3D návrh robotizovaného pracoviště ve virtuálním prostředí (Obr. 5-25 a Obr. 5-26) založeném na kinematickém, popř. i dynamickém simulačním modelu vybraného robotu. Dále je možné zapisovat body, definovat dráhy a jiné činnosti robotu s ohledem na konkrétní aplikaci. Na základě simulace daných činností je pak možné upravovat a optimalizovat chod robotické buňky. Obvykle je možné sledovat celkový pracovní čas robotu - tzv. cycle time, lze vykreslovat pracovní prostory robotu, testovat dosažitelnost robotu na dílčí body, dráhy, komponenty apod. Některé systémy umožňují např. i automatické generování dráhy tvarově složitých dílců s ohledem na konkrétní CAD objekt. Z hlediska bezpečnosti obsahují OLP systémy většinou i automatickou detekci kolizí. Nejde však jen o simulaci robotické buňky, ale klíčovou vlastností je právě možnost exportovat vytvořené body a dráhy robotu do programu, který plně respektuje syntaxi programovacího jazyka konkrétního robotu (např. jazyk RAPID pro roboty ABB, KRL pro roboty KUKA atd.). Přestože je tato vlastnost velmi důležitá a představuje největší potenciál s ohledem na praktické využití, spoléhá většina produktů hlavně na samotnou simulaci a export off-line programů je více či méně omezen. Využitím výše uvedených vlastností systémů pro OLP lze teoreticky dosáhnout zvýšení produktivity, zvýšení kvality, snížení nákladů, snížení časů potřebných pro výrobu, sestavení robotické buňky či změny ve výrobě. Prakticky je však většinou nutné vygenerované off-line programy alespoň částečně modifikovat přímo na pracovišti. Je to dáno tím, že vytvořený simulační model robotické buňky nemusí obecně odpovídat reálné situaci - rozmístění různých komponent se může lišit. Obecně tedy závisí na přesnosti simulačního modelu pracoviště, resp. do jaké míry odpovídá reálnému pracovišti. Informace výrobců těchto SW systémů, že je možné jen exportované programy nahrát do řídicího systému robotu a robot spustit, je tedy nutné brát s jistou rezervou. Komerčně dostupné softwarové systémy pro simulaci a OLP lze v zásadě rozdělit do dvou hlavních kategorií:

• systémy vyvíjené výrobci průmyslových robotů (např. ABB, KUKA aj.)

• univerzální systémy vyvíjené softwarovými společnostmi

První skupina může být použita zpravidla pouze s průmyslovými roboty konkrétního výrobce, což představuje určitou nevýhodu (není univerzální). Na druhé straně hlavní výhodou těchto produktů je, že jsou většinou založeny na bázi tzv. virtuálního kontroléru (Virtual Controller), který garantuje shodné možnosti programování jako na teach-pendantu robotu a i výstup v podobě off-line programů by měl plně respektovat syntaxi a možnosti programování reálných robotů. Typickými představiteli těchto systémů mohou být např. ABB RobotStudio (http://www.abb.com/), Kuka.Sim (www.kuka.com) a další. Druhá skupina představuje univerzální řešení, jehož výhodou je možnost použít všechny dostupné roboty různých výrobců s jejich vzájemně odlišnými programovacími jazyky, popř. lze vytvořit i vlastní model robotu (z dostupných CAD modelů). Lze pak tedy jednoduše zvolit robot nejlépe vyhovující našim potřebám při návrhu robotické buňky. Nevýhodou však může být nižší přesnost při výpočtech pracovních cyklů a taktéž simulovaná dráha může vykazovat drobné odchylky v porovnání s reálnou dráhou robotu: to však platí především pro tzv. obecné pohyby (PTP motion, joint move). Jelikož se však typická dráha robotu v praxi skládá převážně z lineárních a cirkulárních pohybů, může být drobná odchylka při obecném pohybu zanedbatelná. Popsané odchylky mohou vznikat především na základě obecných metod pro výpočet kinematiky (popř. i dynamiky robotu), neboť výrobci robotů obvykle nejsou ochotni poskytovat své algoritmy třetím stranám. Typickými představiteli těchto systémů mohou být např. EASY-ROB (http://www.easy-rob.de/), RobotWorks (http://www.robotworks-eu.com),

82


Workspace5 (www.workspace5.com), eM-Workplace (Robcad, http://www.robcad.de/), DELMIA (www.delmia.com).

Obr. 5-25 Příklad simulace pracoviště s robotem ABB, manipulační aplikace

Obr. 5-26 Příklad simulace pracoviště s robotem FANUC, svařovací aplikace

83


6. BEZPEČNOST ROBOTIZOVANÝCH PRACOVIŠŤ Před uvedením robotizovaného pracoviště do provozu je potřeba provést u tohoto pracoviště analýzu rizika. Tato analýza spočívá v identifikaci všech nebezpečí spojených s celým životním cyklem tohoto robotizovaného pracoviště. To znamená zahrnout následující fáze životnosti: doprava, montáž a instalace, uvedení do provozu, používání (provoz a údržba), vyřazení z provozu (demontáž a likvidace). Po identifikaci všech nebezpečí se provede odhad rizika spojeného s každým nebezpečím. Odhad rizika se provádí na základě určení pravděpodobné škody (úrazu) a pravděpodobnosti jejího vzniku. U nebezpečí s vysokou mírou rizika musí být přijata ochranná opatření snižující toto riziko. Riziko se snižuje v první řadě pomocí konstrukčních opatření. Není-li to možné, přistupuje se k aplikaci bezpečnostních ochranných opatření (krytování, bezpečnostní senzory apod.). Posledním stupněm snižování rizika je informování uživatele pomocí bezpečnostních štítků umístěných na robotu a instrukcí v návodu k používání robotizovaného pracoviště. Uživatel musí být rovněž informován o zbytkových rizicích.

6.1. Základní termíny a definice škoda (harm) – fyzické zranění nebo poškození zdraví, majetku či hospodářských zvířat nebezpečí (hazard) – potenciální zdroj škody (úrazu) nebezpečný prostor (hazard zone, danger zone) – jakýkoliv prostor uvnitř a/nebo kolem robotu, ve kterém může být osoba vystavena nebezpečí nebezpečná událost (hazardous event) – událost, která může způsobit škodu (úraz) nebezpečná situace (hazardous situation) – okolnosti, při kterých je osoba vystavena alespoň jednomu nebezpečí nebezpečný pohyb (hazardous motion) - riziko (risk) – kombinace pravděpodobnosti výskytu škody (úrazu) a závažnosti této škody (tohoto úrazu) odhad rizika (risk estimation) – vymezení pravděpodobné závažnosti škody (úrazu) a pravděpodobnosti jejího (jeho) výskytu hodnocení rizika (risk evaluation) – rozhodnutí, na základě analýzy rizika, zda bylo dosaženo cílů snížení rizika posuzování rizika; posouzení rizika (risk assessment) – celkový proces zahrnující analýzu rizika a hodnocení rizika zbytkové riziko (residual risk) – riziko, které zůstává i po použití ochranných opatření ochranné opatření (protective measure) – opatření určené k dosažení snížení rizika předpokládané používání robotu (intended use of a robot) – používání robotu podle informací uvedených v instrukcích pro používání předvídatelné nesprávné použití (reasonably foreseeable misuse) – používání stroje způsobem, který není předpokládán konstruktérem, ale který může vyplývat ze snadno odhadnutelného lidského chování robot (robot), průmyslový robot (industrial robot) – automaticky řízený, reprogramovatelný víceúčelový manipulátor, programovatelný ve třech nebo více osách, který může být buď pevný, nebo mobilní, a který je určený k použití v průmyslové automatizaci koncový efektor (end-effector) – zařízení speciálně konstruované pro připojení k mechanickému rozhraní, které robotu umožňuje vykonávat svou úlohu robotický systém (robot system), průmyslový robotický systém (industrial robot system) – systém zahrnující robot, koncový efektor (koncové efektory) a vybavení, zařízení nebo senzory potřebné k tomu, aby robot splnil svoji úlohu bezpečnostní (ochranné) zastavení (protective stop) – typ přerušení činnosti, které dovoluje pro zabezpečovací (ochranné) účely řádné zastavení robotu a které zajistí zachování logiky programu usnadňující restart prostor (space) – tří rozměrný prostor zahrnující přesuny všech částí robotu ve svých osách

84


maximální prostor (maximum space) – prostor, který mohou obsáhnout pohybující se části robotu stanovené výrobcem a dále prostor, který obsáhne koncový efektor a obrobek vymezený prostor (restricted space) – část maximálního prostoru ohraničená omezujícími prostředky vytvářejícími meze, které nebudou překročeny provozní prostor (operating space), operační prostor (operational space) – část mezního prostoru, která se skutečně využívá při vykonávání všech pohybů zadaných pomocí uživatelského programu chráněný prostor (safeguarded space) – prostor, který vymezuje uzavřený obvod bezpečnostních zařízení bezpečnostní část řídícího systému (safety-related part of a control system) – část ovládacího (řídícího) systému, která reaguje na bezpečnostní vstupní signály a vytváří bezpečnostní výstupní signály kategorie (category) – klasifikace bezpečnostních částí ovládacího (řídícího) systému vzhledem k odolnosti proti závadám a jejich následnému chování v podmínce závady, kterého je dosaženo konstrukčním uspořádáním částí, detekcí závady a/nebo jejich spolehlivostí bezpečnostní funkce (safety function) – funkce stroje, jejíž porucha může vést k okamžitému zvýšení rizika (rizik) neřízené zastavení (uncontrolled stop) – zastavení pohybu robotu odpojením přívodu elektrické energie do ovládacích částí robotu (na robotu mohou být použita neelektrická zařízení pro zastavování, jako jsou např. mechanické nebo hydraulické brzdy) řízené zastavení (controlled stop) – zastavení pohybu stroje, přičemž ovládací částí stroje zůstanou během procesu zastavování pod napětím provozní spolupráce (collaborative operation) – stav, ve kterém účelově zkonstruované roboty pracují za přímé součinnosti člověka uvnitř stanoveného pracovního prostoru

6.2. Požadavky na konstrukci robotu Průmyslový robot má uvnitř své konstrukce a kolem sebe tzv. nebezpečný prostor, ve kterém může dojít (například v důsledku automatické činnosti nebo vlastností robotu či jeho částí) ke zranění obsluhy. Do tohoto prostoru je většinou potřeba zamezit přístupu osob pomocí vhodných ochranných opatření. Následující podkapitoly se zaměřují na jednotlivé typy nebezpečných prvků či vlastností robotů.

6.2.1. Silové hnací komponenty Mezi tyto komponenty patří např. hřídel motoru, otevřený pohon, hnací řemeny nebo jiná hnací ústrojí. Nebezpečím, jejichž příčinou mohou být tyto komponenty, se musí předcházet buď pevnými, nebo pohyblivými ochrannými kryty. Pohyblivé kryty musí blokovat nebezpečné pohyby takovým způsobem, že jim zamezí dříve, než nebezpečí vznikne. Blokovací systém musí z hlediska svých vlastností související s bezpečností vyhovovat požadavkům uvedeným v kapitole 5.3.

6.2.2. Výpadek nebo kolísání napájení Roboty a koncové efektory musí být konstruovány a provedeny tak, aby výpadek nebo kolísání elektrického, hydraulického, pneumatického nebo podtlakového napájení nevyvolaly nebezpečnou situaci. K uchopení manipulovaného předmětu je potřeba využívat mechanické principy nezávislé na přívodu energie (např. pružiny) a energii využívat pokud možno pouze k uvolnění manipulovaných předmětů. Pokud to není proveditelné, potom se vzniku případných nebezpečných situací musí předcházet jinými metodami bezpečností ochrany (hydraulický zámek, akumulátor energie apod.). Obnovení dodávky energie nesmí vest k samočinnému pohybu robotu nebo jeho koncového efektoru.

85


6.2.3. Napájecí zdroje Robot musí být vybaven prostředky umožňující vypnutí každého svého nebezpečného zdroje energie (např. elektrického, mechanického, hydraulického, pneumatického, potenciálního apod.) Tyto prostředky musí mít možnost blokovaného nebo jinak zabezpečeného vypnutí.

6.2.4. Skrytá energie Obsluha robotu (seřizovač, údržbář) musí mít k dispozici prostředky pro řízené uvolnění skryté energie. Každý zdroj skryté energie (např. zásobník stlačeného vzduchu a kapalin, kondenzátor, baterie, pružina, vyvažovací závaží, setrvačník) musí být opatřen vhodným výstražným štítkem.

6.2.5. Elektromagnetická kompatibilita (EMC) Konstrukce a provedení robotu musí být v souladu s IEC 61000, aby se zabránilo nebezpečným pohybům nebo situacím v důsledku rušivých signálů způsobených elektromagnetickou interferencí (EMI), interferencí radiových vln (RFI) nebo elektrostatickým výbojem (ESD).

6.2.6. Elektrické zařízení Elektrické zařízení robotu musí být konstruováno a provedeno podle příslušných požadavků IEC 60204-1. V této normě jsou uvedeny požadavky a doporučení týkající se elektrických zařízení strojů zaměřené na bezpečnost osob a majetku, shodnost reakce na řídicí signál a snadnost údržby.

6.2.7. Ovládací prvky Provedení a umístění ovládacích prvků musí být takové, aby se zamezilo neúmyslné manipulaci (použití klíčem uzamykatelného přepínače nebo krytého tlačítka). Stav ovládacích prvků musí být zřetelně indikován (např. zapnuto napájení, detekování závady, automatický provoz) a popsán takovým způsobem, aby jasně zobrazoval svoji funkci. Řídicí systém robotu musí být konstruován a proveden tak, že v případě ovládání robotu pomocí jednoho programovacího zařízení (panelu), musí být zamezeno jeho spuštění nebo změně volby lokálního ovládání z jakéhokoliv jiného zdroje (např. druhého panelu).

6.3. Požadavky na bezpečnostní části řídicích systémů Vlastnosti bezpečnostního řídicího systému robotu jsou stanoveny podle kategorií popsaných v ISO 13849-1 (Popis kategorií viz kapitola 5.4). Tato norma uvádí bezpečnostní požadavky a pokyny pro zásady konstrukce a integrace bezpečnostních částí řídících systémů (SRP/CS), včetně návrhu software. Pro tyto části SRP/CS specifikuje norma vlastnosti, které zahrnují úroveň vlastností požadovanou k vykonávání bezpečnostních funkcí. Norma platí pro bezpečnostní části ovládacích systémů (SRP/CS) bez ohledu na druh používané technologie a energie (elektrické, hydraulické, pneumatické, mechanické, atd.) pro všechny druhy strojních zařízení. Bezpečnostní části řídicího systému robotu musí být navrženy tak, aby:

• jednotlivá závada v jakékoliv z těchto částí nevedla ke ztrátě bezpečnostní funkce; • je-li to rozumně možné, byla jednotlivá závada detekována při nebo před nejbližší

vyžadovanou bezpečnostní funkcí;

86


• výskyt jednotlivé závady vedl vždy k provedení bezpečnostní funkce a do té doby, než je detekovaná závada odstraněna, byl udržen bezpečný stav;

• všechny racionálně předvídatelné závady byly detekovány. Tyto požadavky odpovídají požadavkům na kategorii 3 uvedeným v ISO 13849-1. Požadavek detekce jednotlivé závady však neznamená, že všechny závady budou detekovány. Následkem toho může nahromadění nezjištěnýích závad vést k nežádoucím výstupním signálům a ke vzniku nebezpečné situace u robotu. Příkladem praktických opatření k detekci závady jsou nucená zapojení kontaktů relé nebo kontrola nadbytečných elektrických výstupních signálů. Na základě výsledků posouzení rizika u robotu a jeho předpokládaného užití se může zjistit, že u konkrétní aplikace jsou požadovány jiné vlastnosti bezpečnostního řídicího systému robotu, než které odpovídají požadavkům kategorie 3 (např. kategorie 2 nebo 4).

6.3.1. Funkce nouzového zastavení Každé stanoviště umožňující spuštění robotu nebo iniciaci jiné nebezpečné situace, musí mít možnost ručního ovládání funkce nouzového zastavení, která:

• musí fungovat buď jako zastavení kategorie 0 nebo jako zastavení kategorie 1 (výběr kategorie nouzového zastavení závisí na výsledcích hodnocení rizika);

• musí být nadřazena všem ostatním funkcím a činnostem ve všech režimech (má nejvyšší prioritu);

• umožňuje zastavení při jakémkoli nebezpečí; • přeruší přívod energie ke všem pohonům robotu (zastavení kategorie 0), nebo musí

být řízena tak, aby byl nebezpečný pohyb zastaven co nejrychleji (zastavení kategorie 1), aniž by vznikla jiná nebezpečí;

• kde je použito více než jedné řídicí jednotky, musí být účinné povely funkce nouzového zastavení z jakékoliv řídicí jednotky,

• odstraní jakékoliv jiné nebezpečí vzniklé následkem řízení robotu; • zůstává stále aktivní až do doby, než dojde k jejímu zrušení (reset) a • zrušení (reset) musí být provedeno výlučně ručně a nesmí způsobit opětné spuštění

robotu, ale pouze povolí restart.

6.3.2. Bezpečnostní zastavení Robot musí mít alespoň jeden bezpečnostní vypínací obvod (kategorie zastavení 0 nebo 1) zajišťující propojení na externí ochranná zařízení, přičemž:

• zastavení kategorie 0 představuje zastavení robotu okamžitým odpojením přívodu energie do ovládacích částí robotu (tzv. neřízené zastavení) a

• zastavení kategorie 1 představuje řízené zastavení robotu s energií přiváděnou do ovládacích částí stroje za účelem dosažení zastavení (po zastavení je přívod energie odpojen).

Bezpečnostní vypínací obvod musí při aktivaci externího ochranného zařízení iniciovat zastavení všech pohybů robotu, přerušení přívodu energie ke všem pohonům robotu a do zastavení zamezit vzniku jakýchkoliv jiných nebezpečných situací vyvolaných následkem řízení robotnickým systémem. Toto zastavení se může iniciovat ručně nebo pomocí řídicí logiky.

6.3.3. Redukovaná rychlosti Pokud je nastaven chod s redukovanou rychlostí, rychlost upevňovací příruby koncového efektoru a referenční bod manipulovaného předmětu nesmí překročit 250 mm/s.

87


Řízení při redukované rychlosti musí být konstruováno a provedeno tak, že v případě jakékoliv jednotlivé racionálně předvídatelné závady (špatné funkci) nedojde k překročení této rychlosti.

6.3.4. Pracovní režimy Pracovní režimy (automatický a ruční) musí být voleny bezpečnými prostředky (např. přepínačem pracovního režimu) které musí:

• jednoznačně indikovat vybraný pracovní režim; a • nesmí sami uvést robot do chodu nebo vyvolat jiné nebezpečí.

Automatický režim je určen výhradně pro práci robotu podle uživatelského programu. Kontrolér robotu nesmí být v ručním režimu a ochranná opatření musí být v činnosti. Při detekování jakékoliv podmínky zastavení se musí zabránit spuštění provozu v automatickém režimu. Povel k přepnutí automatického režimu do jiného režimu musí vést k jeho zastavení. Ruční režim je používán při popojíždění, učení, programování a ověřování programu robotu. Tento režim se může použít při údržbě robotu. Při volbě ručního režimu je možno pohybovat robotem buď v režimu redukované rychlostí, nebo v režimu ručního zvýšení rychlosti. Provoz robotu v automatickém režimu nesmí být při navoleném ručním režimu umožněn.

6.3.5. Řízení pomocí ručního ovládacího panelu Lze-li použít ruční ovládací panel nebo jiné řídicí zařízení určené k ovládání robotu uvnitř chráněného prostoru, musí splňovat následující požadavky:

• Při uvedení robotu do pohybu z ručního ovládacího panelu nebo programovacího zařízení se musí použít řízení při redukované rychlosti

• Pokud panel poskytuje možnosti výběru vyšších rychlostí, musí umožňovat: pozastavit běh zařízení, nastavit rychlosti od výchozí základní hodnoty do nejvyšší naprogramované hodnoty a indikovat nastavenou rychlost (např. pomocí zobrazení informace o nastavené rychlosti na displeji ručního ovládacího panelu).

• U všech tlačítek a ostatních prostředků na panelu, kterými lze uvést robot do chodu, musí po uvolnění dojít k zastavení pohybu robotu.

• Aktivační prostředky na ovládacím panelu musí mít tři polohy, jejich uvolnění nebo stlačení mimo střední polohu musí zamezit nebezpečí (např. chodu robotu).

• Aktivační prostředky mohou být součástí ručního ovládacího panelu nebo mohou být zvlášť (např. u aktivačních prostředků ovládaných tlakem) a musí fungovat nezávisle na všech ostatních funkcích řízení chodu nebo zařízení;

• Je-li na jednom aktivačním prostředku více spínačů, potom úplné stlačení jakéhokoliv tlačítka musí zamezit ovládání z jiných tlačítek a vyvolat bezpečnostní zastavení;

• Je-li umožněno ovládání z několika samostatných aktivačních zařízení (tj. v chráněném prostoru je více osob s aktivačními prostředky), chod robotu je možný pouze v případě, když všechna tato zařízení mají v daném okamžiku nastavenu střední (aktivační) polohu;

• Vysazení funkce aktivačních prostředků nesmí mít za následek selhání, které by umožnilo aktivovat chod robotu.

• Ruční ovládací panel nebo programovací zařízení musí mít funkci nouzového zastavení.

• Ruční ovládací panelu nesmí umožnit spuštění automatického provozu robotu. Před spuštěním automatického režimu je nezbytné nezávislé potvrzení z vnější strany chráněného prostoru.

• Umožňuje-li ruční ovládací panel řízení skupiny robotů, musí umožňovat ovládání chodu jednoho nebo více robotů samostatně nebo současně. Při provozu v ručním

88


režimu musí být všechny funkce robotnického systému pod kontrolou jediného ovládacího panelu.

6.3.6. Požadavky na provozní spolupráci Roboty navržené pro provozní spolupráci musí:

• mít vizuální indikaci, která ukazuje, který robot je v režimu provozní spolupráce; • stát, když při provozní spolupráci je obsluha v pracovním prostoru. Když obsluha

pracovní prostor opustí, může dojít k návratu do režimu automatického chodu. • Provádí-li se ruční vedení robotu, musí být zařízení ručního vedení umístěno těsně

na koncovém efektoru a musí být opatřeno: nouzovým zastavením a aktivačními prostředky. Robot musí mít nastaven chod s redukovanou rychlostí, která nesmí překračovat 250 mm/s.

• Robot musí udržovat odstup od obsluhy. Tato vzdálenost musí být ve shodě s ISO 13855. Porucha z důvodu nedodržení určené vzdálenosti musí vyvolat bezpečnostní zastavení.

• Robot musí mít nastaven chod s redukovanou rychlostí nepřesahující 250 mm/s a jeho poloha se musí monitorovat.

• Robot musí být konstruován tak, aby zajistil na přírubě nebo v referenčním bodu manipulovaného předmětu buď maximální funkční výkon 80 W, nebo maximální sílu 150 N (stanoveno pomocí posouzení rizika). Při návrhu robotu se musí konstrukčně (nebo pomocí jeho řídícího systému) zajistit, že se tyto hodnoty nepřekročí.

6.4. Popis kategorií bezpečnostních částí řídicích systémů

6.4.1. Kategorie B Kategorie B je nejzákladnější z bezpečnostních kategorií, které normy a nařízení definují. V těchto systémech není žádné diagnostické pokrytí a střední doba do nebezpečné poruchu může být krátká až střední. Typický případ zapojení kategorie B je možno vidět na Obr. 6-1, kde ovládání motoru START/STOP je provedeno pomocí standardního tlačítka START, zamykatelného zaskakovacího tlačítka STOP. V případě, že je STOP, lze pomocí tlačítka start motor přes stykač R spustit a vlivem pomocného kontaktu stykače R je zajištěn běh motoru i po uvolnění startovacího tlačítka. Vypnutí lze provést stiskem tlačítka E-STOP. Ovšem v případě poruchy, např. svaření kontaktů stykače R, nedojde k zastavení nebezpečného pohybu.

89


Obr. 6-1 Příklad technického řešení řízení kategorie B

6.4.2. Kategorie 1 Tato kategorie ve svém principu vychází z kategorie B, kde ovšem musí být použity osvědčené bezpečnostní zásady a ovládací prvky musí být navrženy a vyrobeny za použití osvědčených součástí. Pro názornost je možné tuto kategorii definovat schématem zpracování dle Obr. 6-2 . Z osvědčených součástí, které mohou a jsou v této kategorii používány, můžeme jmenovat např. polohový spínač pro bezpečné použití. Z osvědčených principů to jsou mimo jiné např.

• nucené rozpínání - kde např. kontakty jsou pomocí pevného spojení spojeny s ovládací vačkou viz. Obr. 6-3. • pozitivní ovládání • nucené vedení • předimenzování

Jako příklad je možno ukázat zapojení na Obr. 6-2b, kde zapojení ovládacích prvků se v zásadě neliší od kategorie B, pouze s tím rozdílem, že je zde vložena signálka, která detekuje obsluze stav motoru (zdali je motor spuštěn či nikoliv). V systému s kategorií 1 není opět žádné diagnostické pokrytí, ale střední doba mezi poruchami jednotlivých kanálů zapojení musí být dlouhá.

Obr. 6-2 Blokové schéma a příklad technického řešení řízení kategorie 1

90


Obr. 6-3 Nucené rozpínání kontaktů

6.4.3. Kategorie 2 Tato kategorie ve svém principu vychází z kategorie B v kombinaci s kategorií 1. Dále ovšem musí splňovat požadavky na ovládací prvky tak, aby jejich funkce byla v určitých případech kontrolována. Kontrola by měla být prováděna buďto při spuštění stroje nebo před inicializací jakékoliv nebezpečné situace. Pro názornost je možné tuto kategorii definovat schématem zpracování dle Obr. 6-4a., kde je názorně zobrazen rozdíl oproti předcházejícím kategoriím a to částí periodického (cyklického) testování. Jako příklad je možno ukázat zapojení na Obr. 6-4b, kde tlačítko START zajišťuje dvojí funkci a to funkci START, pokud tlačítko stisknu a pustím, případně funkci TEST, pokud tlačítko držím. V průběhu funkce TEST výstupní motor je stále v klidovém stavu a zapíná se až uvolněním tohoto tlačítka. Vyšší zabezpečení tohoto zapojení zajišťuje sériové zapojení dvou spínacích kontaktů. V systému s kategorií 2 musí být průměrné diagnostické pokrytí všech bezpečnostních částí ovládacího systému, včetně detekce závady, na nízké úrovni. Střední doba mezi poruchami jednotlivých kanálů zapojení musí být krátká až dlouhá.


6.4.4. Kategorie 3 Tato kategorie ve svém principu vychází z kategorie B v kombinaci s kategorií 1. Dále ovšem musí splňovat požadavky na ovládací prvky tak, aby bylo možno detekovat závadu v ovládání ještě předtím než tato závada způsobí narušení bezpečnostní funkce.

91


Pro názornost je možné opět tuto kategorii definovat schématem zpracování dle Obr. 6-5a., kde je vidět v převážné většině používaný princip zdvojení se vzájemnou provázaností jednotlivých větví ovládání. Jako příklad je možno ukázat zapojení na Obr. 6-5b, kde je vidět zapojení dvou nezávislých okruhů ovládání s redundantním (zdvojeným) zapojením jak pro tlačítko START, tak pro tlačítko STOP. V případě jakékoliv poruchy v jednom z okruhů, dojde k ostavení ovládaného pohonu přes sériové zapojení dvou spínacích kontaktů v silové části.


6.4.5. Kategorie 4 Tato kategorie ve svém principu vychází z kategorie B v kombinaci s kategorií 1. Dále ovšem musí splňovat požadavky na ovládací prvky tak, aby bylo možno detekovat závadu v ovládání ještě předtím než tato závada způsobí narušení bezpečnostní funkce, ale v případě nahromadění více nedetekovaných závad nesmí dojít na rozdíl od kategorie 3 ke ztrátě bezpečnostní funkce systému. Pro názornost je možné opět tuto kategorii definovat schématem zpracování dle Obr. 6-6a, kde je vidět v převážné většině používaný princip zdvojení se vzájemnou provázaností jednotlivých větví ovládání s dodatečnou komunikací mezi nezávislými větvemi. Jako příklad je možno ukázat zapojení na Obr. 6-6b, kde je vidět zapojení dvou nezávislých okruhů ovládání s redundantním (zdvojeným) zapojením jak pro tlačítko START, tak pro tlačíto STOP. V případě jakékoliv poruchy v jednom z okruhů, dojde k odstavení ovládaného pohonu přes sériové zapojení dvou spínacích kontaktů v silové části. Do tohoto bodu je v zapojení obdobné zapojení pro kategorii 3. Ovšem s rozdílem, že v případě, že dojde-li k více poruchám, např. dojde ke svaření silových kontaktů obou stykačů K1 a K2, u tohoto zapojení je zajištěna bezpečnostní funkce a pohyb nejde opět nastartovat.

92



6.5. Bezpečnostní ochranná zařízení

6.5.1. Zařízení nouzového zastavení (Emergency stop device)

6.5.1.1.1.1 Požadavky na zařízení nouzového zastavení jsou uvedeny v EN ISO 13850. Toto mezinárodní norma specifikuje funkční požadavky a konstrukční zásady pro funkci nouzového zastavení u strojních zařízení, nezávisle na druhu energie použité pro ovládací funkci. Za zařízení nouzového zastavení je zde považováno ručně ovládané ovládací zařízení používané k iniciování funkce nouzového zastavení. Toto zařízení může mít podobu hřibovitého tlačítka, drátu, lanka, tyče, páky nebo nožního pedálu a musí být umístěno na každém ovládacím místě obsluhy. Ovladač nouzového zastavení musí mít červenou barvu a pozadí za ovladačem musí být žluté. Toto zařízení musí používat princip přímého nuceného vypínání s mechanickým zajištěním západkou.

Obr. 6-7 Ukázka nouzových STOP tlačítek

93


6.5.2. Bezpečnostní světelné závory (Safety Ligt Curtain) Požadavky na umístění těchto ochranných zařízení uvádí EN 999. Pomocí bezpečnostní světelné závory se kolem nebezpečného místa vytvoří tzv. „světelný plot“, který hlídá vstup do tohoto prostoru. Světelné závory umožňují do hlídaného prostoru volný vstup, ale při přerušení paprsku musí dojít k zastavení nebezpečných pohybů. Instalují se do tzv. bezpečné vzdálenosti (safety distance) S, což je minimální vzdálenost od paprsku světelné závory k nebezpečnému prostoru. S = (K×T) + C Kde: K – rychlost přiblížení těla (částí těla) obsluhy. Pro tělo obsluhy platí K=1600mm/s. T – čas potřebný k zastavení nebezpečných pohybů C – doplňující vzdálenost respektující vniknutí směrem k nebezpečnému prostoru bez přerušení paprsku závory. Pro nataženou paži platí C=850mm, tato hodnota zajistí, že nelze dosáhnout do místa nebezpečí skrz paprsky světelné závory. Pokud je počet vysílaných světelných paprsků menší než šest, hovoří se zpravidla o tzv. bezpečnostních světelných mřížích Obr. 6-8.

Obr. 6-8 Bezpečnostní světelná mříž společnosti SICK

Extrémním případem jsou bezpečnostní světelné závory s jediným vysílaným světelným paprskem. Pro svou jednoduchost a nízkou cenu se často používají pro některé méně náročné aplikace. U těchto jednoduchých světelných závor může být vysílač i přijímač ve společném pouzdře, potom se jedná o tzv. reflexní optické závory Obr. 6-9. Odrazka umístěná na opačné straně odrazí paprsek zpět do přijímače. Snímaný objekt přeruší odražený světelný paprsek a způsobí změnu stavu výstupního signálu. Vysílač i přijímač pracuje se společnou čočkou. Vysílané světlo prochází rozdělovacím zrcadlem a čočkou na odrazku. Odrazka odráží vysílané světlo zpět na čočku.

Obr. 6-9 Reflexní optická závora

94


Druhou variantou je umístění vysílače a přijímače na opačných stranách, potom se jedná o jednocestné optické závory Obr. 6-10. Předmět přerušuje světelný paprsek a způsobuje sepnutí přijímače bez ohledu na vlastnost svého povrchu.

Obr. 6-10 Jednocestné optické závory

U vícepaprskových světelných závor rozteč, neboli vzdálenost sousedních světelných paprsků definuje, jakou má bezpečnostní světelná záclona rozlišovací schopnost a jak je účinná. Čím je rozteč světelných paprsků menší, tím menší vnikající objekt může světelná záclona zjistit. Rozlišení světelné záclony musí odpovídat požadovanému stupni ochrany. Má-li se např. zabránit, aby prst obsluhující osoby nemohl vniknout do chráněného prostoru, je třeba použít světelnou záclonu s rozlišením 14 nebo 20 mm. Pro ochranu rukou obsluhy vyhoví rozlišení 30 nebo 50 mm a pro ochranu přístupu osob do chráněných oblastí stačí rozlišení větší než 100 mm.

Obr. 6-11 Příklad použití světelné závory

6.5.3. Bezpečnostní laserový scanner Oproti světelným závorám se bezpečnostní laserový scanner používá pro detekci přítomnosti obsluhy v chráněném prostoru. Zpravidla bývá umístěn 300mm nad podlahou.

95


Obr. 6-12 laserové scanery

Princip činnosti scanneru je založen na impulsním infračerveném paprsku. Paprsek, který vychází z fotodiody prochází optickou soustavou a dopadá na otočné zrcadlo. To jej vychyluje tak, že vzniká hlídaná detekční zóna ve tvaru kruhové výseče. Paprsek se šíří prostorem, odráží se od osob nebo objektů, které se nacházejí v hlídaném prostoru. Tyto odražené paprsky jsou scannerem detekovány a zpracovány. Na Obr. 6-13 jsou uvedeny dvě aplikace laserového scanneru společnosti SICK. Na Obr. 6-13a je použit scanner, který je naprogramován na dva hlídané prostory. Pokud obsluha vstoupí do prvního hlídaného prostoru, scanner výstražným signálem upozorní obsluhu, že se nachází v hlídaném prostoru. Pokud i přesto obsluha vstoupí do druhého hlídaného prostoru, dojde k zastavení robotu. Na Obr. 6-13b je použit scanner naprogramovaný pro dva hlídané pracovní prostory. Scanner může dle programu střídavě hlídat jedno a pak druhé pracoviště.

a b

Obr. 6-13 aplikace laserového scaneru

6.5.4. Pevné zábrany Zabezpečení nebezpečného prostoru je často realizováno pomocí pevných zábran. Pokud lze přes nebo skrze tyto zábrany (mříž, pletivo) dosáhnout do nebezpečného prostoru, musí jejich vzdálenost od nebezpečného prostoru respektovat dosah horních a dolních končetin přes nebo skrze tyto zábrany. Hodnoty bezpečných vzdáleností k zamezení dosahu k nebezpečným prostorům jsou uvedeny v EN ISO 13857.

96


Obr. 6-14 Příklady dosahu končetin přes nebo skrze zábranu

6.5.5. Bezpečnostní dveřní snímače Je-li k ochraně nebezpečného prostoru použito pevných zábran, lze do nebezpečného prostoru vstoupit pouze k tomu určenými přístupovými místy. Tyto vstupu jsou opatřeny bezpečnostními dveřními snímači, které řídícímu systému signalizují případný vstup do prostoru. Při otevření (např. dveří), dojde k rozpojení bezpečnostního spínače a tím dojde k zastavení nebezpečných pohybů.

Obr. 6-15 bezpečnostní zámky společnosti SICK

Řešení A Řešení B

Obr. 6-16 Princip funkce bezpečnostního zámku s blokováním a jištěním

Na Obr. 6-16 jsou v pozicích 1 dveře uzavřeny a zajištěny. Zatímco řešení A zajistí že i v případě poruchy přívodu energie jsou uvolňovací kontakty (21-22) stále sepnuty a dveře zajištěny, řešení B umožňuje v případě výpadku energie dveře otevřít.

97


V pozici 2 se u řešení A přivádí napětí na cívku (A1, A2) a u řešení B odpojuje energie od cívky, čímž dojde k rozepnutí uvolňovacích kontaktů (21-22) a odjištění dveří. V pozici 3 je znázorněno otevření dveří, při kterém dochází k rozepnutí polohových kontaktů dveří (11-12), které inicializují blokování pohonů.

6.5.6. Nášlapné rohože Slouží k zajištění větších ploch kolem nebezpečných míst. Vstup osoby na rohož musí vyvolat zastavení všech nebezpečných pohybů. Rohož je tvořena dvěma kontaktními plochami, které se v klidu nedotýkají. Při vstupu na rohož dojde důsledkem váhy obsluhy ke spojení kontaktních ploch 1 a 2 a vyvolání povelu k zastavení nebezpečných pohybů. Horní kontaktní plocha bývá opatřena ochrannou vrstvou s protiskluzovým povrchem, aby nemohlo dojít k uklouznutí obsluhy.

obr. 6-17 Řez nášlapnou rohoží

6.6. Příklad zabezpečení robotizovaného pracoviště

Na Obr. 6-18 je uveden příklad kombinace bezpečnostních prvků robotizovaného pracoviště. U každého vstupního místa je umístěn ovládací panel se zařízením nouzového zastavení. Prostor otočného stolu je hlídaný vícepaprskovou optickou závorou a vstupní dveře pomocí bezpečnostního zámku. Zbylý prostor je ohrazen pevnou zábranou. Druhý pracovní prostor je ze tří stran opatřen pevnou zábranou a celý vnitřní prostor je hlídán laserovým scannerem.

Obr. 6-18 Příklad zabezpečení robotizovaného pracoviště

98


7. Použitá literatura

[1] BELJANIN,P.N.: Promyšlennyje roboty. Mašinostrojenie, Moskva, Rusko,1975 [2] HAVEL,I.M.: Robotika. Úvod do teorie kognitivních robotů. SNTL, Praha,1980 [3] MATIČKA,R.- TALÁCKO,J.: Mechanismy manipulátorů a průmyslových robotů.

SNTL Praha, 1991 [4] NODA,K.: Posobije po primeněniju promyšlennych robotov. Mir, Moskva, Rusko,

1975 (translated from Japanese) [5] http://www.energo.sk/images/stories/produkty/robotizovane_pracoviska/systemova

_integracia/003.jpg [6] http://www.elpakupecek.cz/index_produkt_cz.html [7] http://www.tmt.cz/vyrobni-program/dle-zarizeni/dopravniky-s-modularnimi-

pasy/dopravniky-s-modularnimi-pasy.php [8] http://www.ates.cz/produkty/dopravniky/clankove/clankove.html [9] http://www.tmt.cz/vyrobni-program/dle-zarizeni/podvesne-dopravniky/podvesne-

dopravniky.php [10] http://www.energo.sk/images/stories/produkty/robotizovane_pracoviska/systemova

_integracia/002.jpg [11] http://www.tmt.cz/vyrobni-program/dle-funkce/vyrobni-linky/vyrobni-linky.php [12] http://www.energo.sk/images/stories/produkty/robotizovane_pracoviska/systemova

_integracia/004.jpg [13] http://www.designtech.cz/c/plm/navrh-robotizovanych-pracovist-1-dil.html [14] http://arc-h.trade.cz/prumyslovy-robot [15] http://triapex-export.trade.cz/prumyslovi-roboti [16] http://www.abb.cz/product/seitp327/a723d86e05979eeac12574e80043bb73.aspx?

productLanguage=cz&country=CZ [17] http://www.abb.cz/product/us/9AAC100715.aspx [18] http://www04.abb.com/global/gad/gad02007.nsf/0/C1870C4D21F3933DC12570C8

0036BD83/$File/Hydroforming%20line%202_720.jpg [19] http://www.sick.cz/cz/produkty/00/00/cs.html [20] http://www.contra-brno.cz/html/Download/matte.pdf [21] http://www1.siemens.cz/ad/current/index.php?ctxnh=7fe288086c&ctxp=home [22] http://www.odbornecasopisy.cz/index.php?id_document=33493

Mechatronika Modul 10: Robotika Cvičebnice (koncept) Doc. Ing. Petr Blecha, Ph.D. Prof. Ing. Zdenêk Kolíbal, CSc. Doc. Dr. Ing. Radek Knoflícek Ing. Aleš Pochylý Ing. Tomaš Kubela Radim Blecha Doc. RNDr. Ing. Tomás Březina, CSc. Vysoké učení technické v Brně Česká republika Evropský koncept pro doplňkovou kvalifikaci mechatronik odborných procovníků v globalizované průmyslové výorbě. EU – Projekt č. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 „MINOS++“, platnost od 2008 do 2010 Tento projekt byl realizován za finanční podpory Evropské unie. Za obsah publikací (sdělení ) odpovídá výlučně autor. Publikace (sdělení) nereprezentují názory Evropské komise a Evropská komise neodpovídá za použití informací, jež jsou jejich obsahem. www.minos-mechatronic.eu

1

Robotika – Cvičebnice Minos++

1. Otázka: Popište způsoby programování robotů

On-line programování …………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

Off-line programování ...……………………………………..………………………………….

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

……………………………………………………………………………………………………..

Programování robotu bezprostředním učením ……………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………..

.…………………………………………….………………………………………………………

.…………………………………………….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

Zprostředkované programování robotu ………………………………………………………. ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

2

Robotika – Cvičebnice Minos++ 2. Otázka: Popište rozdělení úchopných prvků

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

3. Otázka: Stanovte potřebný průměr tekutinového motoru pro chapadlo dle vyobrazení

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

3

Robotika – Cvičebnice Minos++ 4. Otázka: Popište a schematicky znázorněte různé druhy kinematických dvojic,

používaných ve stavbě průmyslových robotů a manipulátorů

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

5. Otázka: Za jakým účelem se používají periferní zařízení (PZ) k průmyslovým

robotům a manipulátorům? ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

4

Robotika – Cvičebnice Minos++ 6. Otázka: Jakou funkci mají periferní zařízení (PZ)?

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

7. Otázka: Jaké výhody přináší použití periferní zařízení (PZ) v robotizovaném technologickém pracovišti (RTP)? ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

8. Otázka: Jaké jsou konstrukční řešení periferní zařízení (PZ) z hlediska jejich rozdělení?? ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

9. Otázka: Jaké jsou kladeny požadavky na funkci periferní zařízení (PZ)? ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

10. Otázka: Jak dělíme periferní zařízení (PZ) podle jejich základní charakteristicky konstrukce? ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

11. Otázka: Jak lze rozdělit periferní zařízení (PZ) podle funkce přemisťování objektu,

resp. jeho těžiště? ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

5

Robotika – Cvičebnice Minos++ 12. Otázka: Jak lze rozdělit periferní zařízení (PZ) podle charakteristické konstrukce?

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

13. Otázka: Jaké znáte druhy dopravníků? ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

14. Otázka: K čemu slouží svařovací polohovadlo a přípravky? ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

15. Otázka: Uveďte základní prvky robotizovaného pracoviště a ty nejdůležitější popište ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

6

Robotika – Cvičebnice Minos++ 16. Otázka: Jakými způsoby je možné řídit robotizované pracoviště z hlediska

propojení s dalšími periferiemi. Nakreslete schéma

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

7

Robotika – Cvičebnice Minos++ 17. Otázka: Jaké jsou nezbytné prvky robotizovaného pracoviště pro obloukové

svařování. ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

18. Otázka: Jaké jsou nezbytné prvky robotizovaného pracoviště pro bodové svařování. ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

19. Otázka: Jaký typ průmyslového robotu se nejčastěji používá pro jednoduché manipulační operace, jakou je např. paletizace. Popište jeho konstrukci a vysvětlete její význam. ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

8

Robotika – Cvičebnice Minos++ 20. Otázka: Uveďte hlavní přednosti robotizovaného nanášení barev

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

21. Otázka: Popište základní vybavení průmyslových robotů používaných pro nanášení barev. ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

22. Otázka: Popište druhy pracovišť pro nanášení barev z hlediska technologie. ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

23. Otázka: Popište robotizované pracoviště určené k nanášení barev. ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

9

Robotika – Cvičebnice Minos++ ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

24. Otázka: Popište pracoviště určené k technologickým operacím jako je tváření a obrábění. ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

25. Otázka: Popište robotizované pracoviště určené k lepení ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

10

Robotika – Cvičebnice Minos++ 26. Manipulační a měřící úloha

Zadání:

Průmyslový robot uchopuje postupně součásti – hřídele ze zásobníku (Shafts storage) a umísťuje je do automatické měřicí stanice (Automatic measuring system), kde je vyhodnocována délka hřídelů. Robot dává řídicímu systému měřicí stanice signál k zahájení měření (tento signál zároveň indikuje správné umístění součásti v měřicím systému). Měřicí procedura trvá přibližně 2 s. Poté je řídicímu systému robotu předán signál, že měření je ukončeno a robot může součást odebrat (součást je uvolněna k odebrání). Hřídele mohou mít následující délky: 120 mm (Shaft 1), 140 mm (Shaft 2), 152 mm (Shaft 3). Mohou se samozřejmě objevit i vadné kusy, které se označí jako zmetky (Scrap). V závislosti na výsledku měření pak robot umístí součást na správné místo (Shaft positions). Program robotu by měl začít ověřením, zda proces běží či je zastaven (production start/stop). Na základě získaných znalostí (zejména z příkladu v kap. 4.2.7) proveďte tyto úkoly: • sestavte ideové schéma pracoviště (ve 2D či 3D), • definujte nutné vstupy a výstupy, • definujte pracovní procedury robotu, • definujte potřebné pracovní body robotu, • sestavte vývojový diagram (flow chart) pro zadanou úlohu, • sestavte program pro danou úlohu (syntaxe ABB Rapid).

11

Robotika – Cvičebnice Minos++ Řešení:

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

• Vstupy:

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

• Výstupy:

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

12

Robotika – Cvičebnice Minos++ • Pracovní procedury robotu:

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

• Pracovní body robotu:

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

13

Robotika – Cvičebnice Minos++ • Vývojový diagram:

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

14

Robotika – Cvičebnice Minos++ • Příklad programu:

M ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

PR ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

Program data declaration

Subroutines with instructions

15


………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

PR ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

Main routine with instructions and subroutine calls

16

Robotika – Cvičebnice Minos++ 27. Otázka: Uveďte a popište kategorie bezpečnostních částí ovládacího systému

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

Kategorie B ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

Kategorie 1 ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

Kategorie 2 ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

17


………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

Kategorie 3 ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

18

Robotika – Cvičebnice Minos++ Kategorie 4 ………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

28. Otázka: Jaké kategorii odpovídá architektura uvedená na obrázku?

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

29. Otázka: 1.1.1.2 Je li robotizované pracoviště zabezpečeno potřebnými pevnými zábranami a dostatečným počtem bezpečnostních senzorů u všech možných vstupů, musí být i přesto vybaveno nouzovým stop tlačítkem??

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

19

Robotika – Cvičebnice Minos++ 30. Otázka: Do jaké bezpečné vzdálenosti S je potřeba umístit světelnou závoru od

nebezpečného prostoru, je-li čas potřebný k zastavení nebezpečných pohybů T=0,5s?

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

31. Otázka: Jakou barvu musí mít ovladač nouzového zastavení a pozadí za ovladačem?

………………………………………….….………………………………………………………

32. Otázka: Co znamená pojem reflexní optická závora?

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

33. Otázka: Co znamená pojem jednocestná optická závora?

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

34. Otázka: S jakým maximálním rozlišením je potřeba použít světelné záclony pro ochranu vniknutí prstů do chráněného prostoru?

………………………………………….….………………………………………………………

35. Otázka: S jakým maximálním rozlišením je potřeba použít světelné záclony pro ochranu vniknutí ruky do chráněného prostoru?

………………………………………….….………………………………………………………

20

Robotika – Cvičebnice Minos++ 36. Otázka: S jakým maximálním rozlišením je potřeba použít světelné záclony pro

ochranu vniknutí osob do chráněného prostoru?

………………………………………….….………………………………………………………

37. Otázka: V jaké minimální vzdálenosti musí být umístěna fyzická překážka od nebezpečného prostoru, jestliže je umožněn dosah přes zábranu (vizobrázek)? Výška zábrany je 1000mm a výška nebezpečného místa je 1000mm

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………


………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

21

Robotika – Cvičebnice Minos++ 39. Otázka: V jaké minimální vzdálenosti musí být umístěna fyzická překážka od

nebezpečného prostoru, jestliže je umožněn dosah dolních končetin (typ dosahu viz. Obrázek)? Výška k ochranné konstrukci je 450mm.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

40. Otázka: Uveďte požadavky na silové hnací komponenty.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

41. Otázka: Uveďte požadavky na funkci nouzového zastavení.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

22

Robotika – Cvičebnice Minos++ 42. Otázka: Uveďte požadavky na redukovanou rychlost.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

43. Otázka: Je robotizované pracoviště uvedené na obrázku dostatečně zabezpečené? Pokud ne, co by bylo potřeba provést, aby zabezpečení bylo maximální?

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

23

Robotika – Cvičebnice Minos++ 44. Otázka: Čím je nutné robotizované pracoviště uvedené na obrázku ještě vybavit,

aby splňovalo bezpečnostní normy?

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

45. Otázka: Uveďte požadavky na napájecí zdroje.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

24

Robotika – Cvičebnice Minos++ 46. Otázka: Jaké můžete použít bezpečnostní senzory pro zajištění vstupu do

samostatných pracovních prostorů 1 a 2?

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

47. Otázka: Uveďte požadavky na skrytou energii.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

25

Robotika – Cvičebnice Minos++ 48. Otázka: Uveďte požadavky na ovládací prvky.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

49. Otázka: Uveďte požadavky na výpadek nebo kolísání napájení.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

50. Otázka: Uveďte požadavky na nouzové stop tlačítko.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

51. Otázka: Uveďte požadavky na elektrická zařízení.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

26

Robotika – Cvičebnice Minos++ 52. Otázka: Vysvětlete pojem škoda.

………………………………………….….………………………………………………………

53. Otázka: Vysvětlete pojem riziko.

………………………………………….….………………………………………………………


………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

55. Otázka: Vysvětlete pojem koncový efektor.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

56. Otázka: Vysvětlete pojem robotický systém.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

57. Otázka: Vysvětlete pojem maximální prostor.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

58. Otázka: Vysvětlete pojem vymezený prostor.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

59. Otázka: Vysvětlete pojem operační prostor.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

60. Otázka: Vysvětlete pojem předpokládané používání.

………………………………………….….………………………………………………………

………………………………………….….………………………………………………………

Mechatronika Modul 10: Robotika Řešení (koncept) Doc. Ing. Petr Blecha, Ph.D. Prof. Ing. Zdenêk Kolíbal, CSc. Doc. Dr. Ing. Radek Knoflícek Ing. Aleš Pochylý Ing. Tomaš Kubela Radim Blecha Doc. RNDr. Ing. Tomás Březina, CSc. Vysoké učení technické v Brně Česká republika Evropský koncept pro doplňkovou kvalifikaci mechatronik odborných procovníků v globalizované průmyslové výorbě. EU – Projekt č. DE/08/LLP-LdV/TOI/147110 „MINOS++“, platnost od 2008 do 2010 Tento projekt byl realizován za finanční podpory Evropské unie. Za obsah publikací (sdělení ) odpovídá výlučně autor. Publikace (sdělení) nereprezentují názory Evropské komise a Evropská komise neodpovídá za použití informací, jež jsou jejich obsahem. www.minos-mechatronic.eu

1

Robotika – Příručka pro učitele Minos++

1. Otázka: Popište způsoby programování robotů

On-line programování – On-line programování probíhá přímo na pracovišti. Robot je programován pomocí uživatelského rozhraní (tech-pendant). V porovnání s Off-line programováním má On-line programování následující výhody a nevýhody:

Výhody: - Snadný přístup

- Robot je programován v souladu s aktuální pozicí koncového efektoru

Nevýhody: - Zaměstnává cenné výrobní zařízení

- Pomalý pohyb robotu během programování

- Obtížné programování struktury programu a výpočtů

- Přerušení výroby během programování

- Náklady odpovídají výrobní hodnotě

- Nedostatečně dokumentované

Off-line programování – Off-line programování probíhá na počítači. Programy robotu mohou být ve většině případů vytvořeny opětovným použitím existujících CAD dat tak, aby bylo programování rychlé a efektivní. Programy robotu jsou ověřovány simulací a jakékoli chyby jsou opraveny.

Výhody: - Neblokuje výrobní zařízení

- Efektivní programování struktury programu a výpočtů s vyvinutým vybavením pro odstraňování chyb

- Lokace jsou postaveny podle modelů, což může znamenat, že programátoři budou muset odladit programy on-line nebo použít senzory.

- Efektivní programování lokací

- Ověřování programu pomocí simulace a vizualizace

- Dobře dokumentované pomocí simulačního modelu s vhodnými programy

- Opakované použití existujících CAD dat

- Náklad nezávisí na výrobě. Během programování není výroba zastavena

- Nástroje na podporu procesu, např.: volba svařovacích parametrů

Nevýhody: - Nutná investice do off-line programovacího systému

2

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ Hybridní programování – Využitím výhod on-line a off-line programování lze dosáhnout optimálního výsledku. Tento přístup je obvykle označován jako hybridní programování. Program pro robot se většinou skládá ze dvou částí: lokace (pozice a uspořádání) a logiky programu (řídící struktury, komunikace, kalkulace). Logika programu a většina pohybových příkazů mohou být efektivně vytvořeny off-line pomocí opakovaného použití CAD dat a pomocí interakce s programátorem. Pohybové příkazy pro lokalizaci umístění obrobku v pracovní buňce robotu mohou být v případě potřeby programovány on-line. Tímto způsobem lze využít výhod obou metod.

Programování robotu bezprostředním učením - programátor v režimu „TEACH“ vede koncový efektor (technologickou hlavici) po požadované dráze, která se nahraje do řídícího systému. Po aktivování nahraného programu robot naučenou činnost v režimu „REPEAT“ neúnavně opakuje. Uplatnění takového robotu je zejména při průběžném svařování po požadované dráze, nebo při nanášení nátěrových či ochranných hmot. Zprostředkované programování robotu – programátor pomocí programovacího panelu navádí koncový efektor robotu do požadovaného bodu, který se uloží do paměti řídicího systému. Robot potom vykonává práci podle zadané činnosti mezi jednotlivými body nebo v těchto bodech. Takový robot je velmi vhodný například pro bodové svařování karoserií v automobilkách.

2. Otázka: Popište rozdělení úchopných prvků mechanické: - pasivní: - pevně a stavitelné opěry

- pružné a odpružené čelisti

- aktivní: - s hydromotorem - s pneumotorem - s elektromotorem - s elektromagnetem

magnetické: - pasivní: - permanentní magnety

- aktivní: - elektromagnety

podtlakové: - pasivní: - deformační přísavky (alternativa: s pomocným ventilem)

- aktivní: - s vývěvou - s ejektorem

speciální

3

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 3. Otázka: Stanovte potřebný průměr tekutinového motoru pro chapadlo dle

vyobrazení

Pro výpočet průměru lineárního tekutinového (pneumatického nebo hydraulického) motoru, určeného například pro chapadlo s mechanikou podle obr.č.2.60 je možno použít postup, odvozený od určení hnací sily Fv, pro kterou platí

v

2

v .4D..p η

π=F

kde D je průměr výkonného motoru, ηv je účinnost tekutinového motoru. Pro poměr hnací Fv a uchopovací síly Fu platí

γ= 2

u

v cos.ab2

FF

a pro výpočet potřebného průměru výkonného motoru (pohonu) platí

iv

u

..p..ab..cos.4Dηηπ

γ=F

kde γ je úhel přenosu, ηi je účinnost převodového mechanismu mezi výstupnou pístnicí motoru a čelistmi.

4. Otázka: Popište a schematicky znázorněte různé druhy kinematických dvojic, používaných ve stavbě průmyslových robotů a manipulátorů

Kinematická dvojice translační (T) - Znázornění této kinematické dvojice je poměrně jednoduché, neboť stačí napodobit lineární posuv dvou těles po sobě. Je však nutno respektovat relativnost možného pohybu posouvajících se těles: - po delším vedení se posouvá kratší těleso - tzv. suportové, či saňové provedení (a) - v kratším vedení se posouvá delší těleso - tzv. smykadlové provedení (b) - výsuvné, případně teleskopické provedení (c) -

a ) b ) c )

Ve výše uvedeném vyobrazení se bez dalšího vyznačování předpokládá, že pohyblivý člen v kinematické dvojici nemá možnost se současně též otáčet. Kinematická dvojice rotační (R) - Při znázornění rotační kinematické dvojice (RKD) je nutno respektovat jejich specifika, která představují buď rotaci kolem vlastní osy, nebo

4

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ rotaci ramene o délce „r“ kolem mimostředné osy (kloub) a rovněž i směr pohledu (nárys, půdorys, příp. bokorys) na otočný kloub. - RKD s ramenem „r“ (a, c) - RKD s rotací kolem vlastní osy (b, d) - RKD bez omezení úhlu rotace (e) - RKD s omezením úhlu natáčení (f)

5. Otázka: Za jakým účelem se používají periferní zařízení (PZ) k průmyslovým robotům a manipulátorům? PZ jsou pomocné manipulační prostředky nebo také mezioperační mechanismy, které slouží k vykonávání jednoduchých pohybů s objektem robotizace (například obrobek, odlitek, svařenec, část montážního celku apod.), tak aby byl objekt v dosahu ramene stacionárního průmyslového robotu (PR), nebo manipulátoru (M).

6. Otázka: Jakou funkci mají periferní zařízení (PZ)? Zprostředkovávají pohyb mezi jednotlivými pracovními operacemi v rámci robotizovaného pracoviště (RP), které neobsáhne ani robot ani manipulátor svým pracovním prostorem. Vytvářejí také potřebnou zásobu objektu, nebo také mění jeho orientaci v prostoru. PZ tedy umožňují dopravu a skladování objektů, jednoduchou manipulaci atd. PZ podstatně zjednodušují náročnost programování řídícího systému RP a dále umožňují použít M nebo PR s nižším počtem stupňů volnosti nebo méně náročnými technickými parametry.

7. Otázka: Jaké výhody přináší použití periferní zařízení (PZ) v robotizovaném technologickém pracovišti (RTP)? Spolupráce manipulátoru nebo průmyslového robotu s periferními zařízeními přináší zrychlení manipulačního procesu, zkracováním potřebných časů na manipulaci, ale často také vyšší přesnost polohování s objektem.

8. Otázka: Jaké jsou konstrukční řešení periferní zařízení (PZ) z hlediska jejich rozdělení?? Konstrukční řešení periferních zařízení je vždy přizpůsobené určitému konkrétnímu projektu RTP a lze je rozdělit podle několika hledisek a to podle: funkce kterou mají plnit, charakteristických znaků konstrukce, umístění v robotizovaném pracovišti.

5

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 9. Otázka: Jaké jsou kladeny požadavky na funkci periferní zařízení (PZ)?

Funkce periferní zařízení lez rozdělit do třech základních skupin: a) periferie přemísťují objekty tak, že mění polohu svého těžiště, avšak orientace

v prostou zůstává zachována b) periferie mění orientaci objektu, tzn. že se otáčí podle osy ve svém těžišti, ale

objekt se nepřemisťuje c) periferie mění polohu těžiště i orientaci objektu.

10. Otázka: Jak dělíme periferní zařízení (PZ) podle jejich základní charakteristicky konstrukce? Podle charakteristické konstrukce dělíme periferní zařízení na dopravníky, otočné a křížové stoly, zvedací a podávací zařízení, podávací zařízení se zásobníkem a násypkou, palety, dopravní vozíky.

11. Otázka: Jak lze rozdělit periferní zařízení (PZ) podle funkce přemisťování objektu, resp. jeho těžiště? Přemisťování objektu se děje tak, že se mění poloha těžiště, avšak orientace objektu zůstává zachována. Rozlišujeme tyto PZ se změnou těžiště (dle jeho polohy): změna polohy těžiště po přímce, změna polohy těžiště po kružnici, změna polohy těžiště v rovině, změna polohy těžiště v prostoru.

12. Otázka: Jak lze rozdělit periferní zařízení (PZ) podle charakteristické konstrukce? Konstrukční řešení periferních zařízení je vždy přizpůsobené výrobnímu stroji, manipulátoru nebo průmyslovému robotu, ale zeména účelu pracoviště, ale také objektu robotizace (jeho tvarům, rozměrům, hmotnosti, počtu kusů atd.). Z hlediska konstrukce je lze rozdělit na: dopravníky, savřovaí polohovadla a přípravky.

13. Otázka: Jaké znáte druhy dopravníků? Dopravníky jsou základním činitelem dopravy součástek a dílců (objektů manipulace) a jsou různého provedení a typu. Dopravují polotovary, hotové součásti, nástroje, výrobní pomůcky, montážní celky i popřípadě odpad. Nejpoužívanějšími dopravníky jsou: pásové dopravníky, článkové dopravníky, podvěsné dopravníky, vibrační dopravníky, dopravníky v automatických výrobních a montážních linkách a válečkové tratě.

14. Otázka: K čemu slouží svařovací polohovadlo a přípravky? Svařovacího polohovadlo s přípravkem se využívá pro ustavení polohy svařence. Polohovadlo svarku fixuje svařenec (svařovanou součástku) a dále vykonává jednoduché pohyby vůči rameni PR s technologickou hlavicí – svařovací hubicí pro svařování elektrickým obloukem nebo se svařovacími kleštěmi (svařování bodové odporové).

6

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 15. Otázka: Uveďte základní prvky robotizovaného pracoviště a ty nejdůležitější

popište - průmyslový robot (1) - spojovací vedení (2) - řídící systém – skříň jenž obsahuje řízení robotu, frekvenční měniče jednotlivých

pohonů a další možné periferie (3) - ovládací panel (Teach pendant) – pomocí něj lze s robotem pohybovat v prostoru a

pomocí zaznamenaných bodů vytvořit tak dráhu kterou robot poté opakuje v automatickém režimu (4)

- koncový efektor – je umístěn na hlavici robotu a slouží k vykonávání určité operace, např. uchopování dílů, svařování apod.

- senzorické vybavení - prvky zabraňující kolizi robotu s lidskou obsluhou např. mechanické zábrany

16. Otázka: Jakými způsoby je možné řídit robotizované pracoviště z hlediska propojení s dalšími periferiemi. Nakreslete schéma Řízení pouze s využitím základního řídícího systému robotu.

Propojení řídícího systému robotu s nadřazeným PLC pomocí průmyslové sběrnice (fieldbus) (např. DeviceNet).

7


Vzdáleným řízením komplexnějšího pracoviště s několika průmyslovými roboty pomocí sítě Ethernet a OPC serveru.

17. Otázka: Jaké jsou nezbytné prvky robotizovaného pracoviště pro obloukové svařování. Základní prvky: - svařovací zdroj - hořák - jednotka pro podávání drátu Doplňkové prvky: - kolizní senzor - jednotka na čištění hořáku a zastřihávání drátu - jednotka pro automatickou kalibraci TCP - polohovadlo pro svařovaný dílec

8

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 18. Otázka: Jaké jsou nezbytné prvky robotizovaného pracoviště pro bodové

svařování. - svařovací zdroj - kleště pro bodové svařování - procesní jednotka zajišťující pravidelný oběh chladící kapaliny

19. Otázka: Jaký typ průmyslového robotu se nejčastěji používá pro jednoduché manipulační operace, jakou je např. paletizace. Popište jeho konstrukci a vysvětlete její význam. Pro paletizační úlohy se využívá robot s redukovaným počtem os (4 DOF místo 6). Není zde přítomna osa č. 4 a 5, jelikož takových úloh není nutné s polohovaným dílcem natáčet v prostoru kolem os x a y. U paletizačního pracoviště postačuje rotace dílu pouze kolem osy z. Správné natočení orientačního ústrojí robotu během jeho pohybu zajišťují dvě táhla. Předností tohoto uspořádání je vyšší nosnost.

20. Otázka: Uveďte hlavní přednosti robotizovaného nanášení barev Umožňuje ušetřit cca 25 – 30% nátěrových hmot oproti ručnímu způsobu nanášení barev. Je vhodný v případech, kdy výpary z nátěrových hmot mohou být nebezpečné pro lidské zdraví.

21. Otázka: Popište základní vybavení průmyslových robotů používaných pro nanášení barev. - stříkací pistole - procesní rozvod pro dopravu laků – externí, vedený vně robotů nebo integrovaný

uvnitř ramen (integrovaný převažuje) - doprava barev - pomocí zubového čerpadla. Pohon čerpadla je realizován klasickým

servomotorem a po připojení k řídícího systému robotu se chová jako sedmá osa. - dávkování barev – pomocí pneumaticky ovládanými regulátory tlaku s měřením

průtoku

9

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ - změna druhu barvy – pneumaticky ovládané ventily - vnější ochrana robotu – textilie, teflonový povrch

22. Otázka: Popište druhy pracovišť pro nanášení barev z hlediska technologie. Nanášení tekutých barev, ředitelných pouze speciálními rozpouštědly – vyšší riziko výbuchu, robot musí mít dostatečné krytí elektrických částí. Lepší přilnavost nanášené vrstvy k povrchu. Nanášení práškových barev – nehrozí riziko výbuchu, rychlost nanášení je pomalejší, menší přilnavost nanášených vrstev k povrchu, někdy je pracoviště vybaveno ještě jedním robotem, který připraví stříkaný povrch dílce pomocí předehřevu (např. plasma, plamen).

23. Otázka: Popište robotizované pracoviště určené k nanášení barev. (1) Místo pro nakládání a vykládání dílů z dopravníku, zajištěno průmyslovým robotem. (2) Místo pro nástřik barev (3) Místo pro schnutí barev (volné schnutí, průchodná vypalovací pec apod.) (4) Buňky jsou vybaveny závěsným typem dopravníku pro přísun stříkaných dílů.

10

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 24. Otázka: Popište pracoviště určené k technologickým operacím jako je tváření a

obrábění. Pracoviště pro tváření – robot pracuje jako pomocný manipulátor, který mění polohu a orientaci ohýbané součásti v ohýbacím stroji (ohýbání plechů, tvarování trubek)

Pracoviště pro obrábění – jako koncový efektor robotu je nasazena vysokorychlostní obráběcí hlava

Pracoviště pro broušení – robot je vybaven brousící hlavou a silomomentovým senzorem, který měří síly a momenty a zajišťuje tak konstantní přítlačnou sílu vyvozovanou brousícím kotoučem

25. Otázka: Popište robotizované pracoviště určené k lepení Robot je vybaven lepící pistolí a automatickým dávkovačem lepidla a vyhřívacím stanovištěm, které zamezuje zatuhnutí lepidla v pistoli v případě, že je robot delší dobu v nečinnosti. Někdy je pracoviště také vybaveno lokálním předehřevem lepeného dílu z důvodu lepší přilnavosti povrchu (plazma).

26. Manipulační a měřící úloha Zadání:

Průmyslový robot uchopuje postupně součásti – hřídele ze zásobníku (Shafts storage) a umísťuje je do automatické měřicí stanice (Automatic measuring system), kde je vyhodnocována délka hřídelů. Robot dává řídicímu systému měřicí stanice signál k zahájení měření (tento signál zároveň indikuje správné umístění součásti v měřicím systému). Měřicí procedura trvá přibližně 2 s. Poté je řídicímu systému robotu předán signál, že měření je ukončeno a robot může součást odebrat (součást je uvolněna k odebrání). Hřídele mohou mít následující délky: 120 mm (Shaft 1), 140 mm (Shaft 2), 152 mm (Shaft 3). Mohou se samozřejmě objevit i vadné kusy, které se označí jako zmetky (Scrap). V závislosti na výsledku měření pak robot umístí součást na správné místo (Shaft positions). Program robotu by měl začít ověřením, zda proces běží či je zastaven (production start/stop). Na základě získaných znalostí (zejména z příkladu v kap. 4.2.7) proveďte tyto úkoly: • sestavte ideové schéma pracoviště (ve 2D či 3D), • definujte nutné vstupy a výstupy, • definujte pracovní procedury robotu, • definujte potřebné pracovní body robotu, • sestavte vývojový diagram (flow chart) pro zadanou úlohu, • sestavte program pro danou úlohu (syntaxe ABB Rapid).

11

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ Řešení:

• Schéma pracoviště:

• Vstupy:

Di_1 Začátek výroby Di_2 Začátek měření

• Výstupy:

Do_1 Stop výroby Do_2 Měření ukončeno Do_3 Hřídel 1 – 120 mm Do_4 Hřídel 2 – 140 mm Do_5 Hřídel 3 – 152 mm Do_6 Odpad (není nutné)

12

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ • Pracovní procedury robotu:

Get_a_shaft Robot uchopí hřídel ze skladu hřídelí Shaft_placement_to_the_measuring_system

Robot umístí hřídel do měřícího systému

Shaft_1 Robot umístí hřídel do pozice Shaft 12 Shaft_2 Robot umístí hřídel do pozice Shaft 2 Shaft_3 Robot umístí hřídel do pozice Shaft 3 Scrap Robot umístí hřídel do pozice Scrap Grasp_shaft Robot uzavře koncový efektor - hřídel uchopena Release_shaft Robot otevře koncový efektor - hřídel je uvolněna

• Pracovní body robotu:

Get_a_shaft_position Poloha k uchopení hřídele Measuring_position Měřící poloha pro měření hřídele Shaft_1_position Poloha pro hřídel 1 (120 mm length) Shaft_2_position Poloha pro hřídel 2 (140 mm length) Shaft_3_position Poloha pro hřídel 3 (152 mm length) Scrap_position Poloha pro odpad

13

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ • Vývojový diagram:

14

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ • Příklad programu:

M MODULE Shafts CONST robtarget Get_a_shaft_position:=[[…]]; CONST robtarget Measuring_position:=[[…]]; CONST robtarget Shaft_1_position:=[[…]]; CONST robtarget Shaft_2_position:=[[…]]; CONST robtarget Shaft_3_position:=[[…]]; CONST robtarget Scrap_position:=[[…]]; PERS tooldata Gripper:= [[...]]; PROC Grasp_shaft() “Close Gripper”;

WaitTime 0.5; ENDPROC ; PROC Release_shaft()

“Open Gripper”; ENDPROC PROC Get_a_shaft()

MoveJ Get_a_shaft_position,v1000,z20,Gripper\wobj:= wobj0; MoveL Offs(Get_a_shaft_position,0, 0,-50),v100, fine, Gripper\wobj:= wobj0; Grasp_shaft; MoveL Get_a_shaft_position,v100,fine, Gripper\wobj:= wobj0;

ENDPROC PROC Shaft_placement_to_the_measuring_system()

MoveJ Measuring_position,v1000,z20,Gripper\wobj:= wobj0; MoveL Offs(Measuring_position,0, 0,-50),v100, fine, Gripper\wobj:= wobj0; Release_shaft; MoveL Measuring_position,v100,fine, Gripper\wobj:= wobj0;

ENDPROC PROC Shaft_1()

MoveL Measuring_position,v100,fine,Gripper\wobj:= wobj0; MoveL Offs(Measuring_position,0, 0,-50),v100, fine, Gripper\wobj:= wobj0; Grasp_shaft; MoveL Measuring_position,v100,fine, Gripper\wobj:= wobj0; MoveJ Shaft_1_position,v1000,z20,Gripper\wobj:= wobj0; MoveL Offs(Shaft_1_position,0, 0,-50),v100, fine, Gripper\wobj:= wobj0; Release_shaft; MoveL Shaft_1_position,v100,fine, Gripper\wobj:= wobj0;

ENDPROC PROC Shaft_2()


ENDPROC

Program data declaration

Subroutines with instructions

15

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ PROC Shaft_3()


ENDPROC PROC Scrap()

MoveL Measuring_position,v100,fine,Gripper\wobj:= wobj0; MoveL Offs(Measuring_position,0, 0,-50),v100, fine, Gripper\wobj:= wobj0; Grasp_shaft; MoveL Measuring_position,v100,fine, Gripper\wobj:= wobj0; MoveJ Scrap_position,v1000,z20,Gripper\wobj:= wobj0; MoveL Offs(Scrap_position,0, 0,-50),v100, fine, Gripper\wobj:= wobj0; Release_shaft; MoveL Scrap_position,v100,fine, Gripper\wobj:= wobj0;

ENDPROC

PROC Main()

IF Di_1=0 THEN Set Do_1; WaitUntil Di_1=1; Reset Do_1; ENDIF

Get_a_shaft; Shaft_placement_to_the_measuring_system; Set Di_2; WaitUntil Do_2=1; Reset Di_2;

IF Do_3=1 THEN Shaft_1; Reset Do_3; ELSE IF Do_4=1 THEN Shaft_2; Reset Do_4; ELSE IF Do_5=1 THEN Shaft_3; Reset Do_5;

ELSE Scrap;

ENDIF ENDIF ENDIF

ENDPROC ENDMODULE

Main routine with instructions and subroutine calls

16

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 27. Otázka: Uveďte a popište kategorie bezpečnostních částí ovládacího systému

Kategorie (categoty) – představuje klasifikaci bezpečnostních částí ovládacího systému (Safety-related parts of control systems) vzhledem k odolnosti proti závadám a jejich chováni při vyskytující se závadě. Tuto klasifikaci ovlivňuje konstrukční uspořádání částí, způsob detekce závady a spolehlivost použitých komponent. Těmto kategoriím je přidělena jedna z pěti úrovní, označených jako kategorie B, 1, 2, 3 a 4. Kategorie B - je základní kategorie. Bezpečnostní části ovládacího systému musí být navrženy, vyrobeny, voleny, namontovány a kombinovány podle příslušných norem a při použití základních bezpečnostních zásad pro specifická použití tak, aby odolávaly: - očekávanému provoznímu namáhání (např. frekvenci spínání); - vlivu zpracovávaného materiálu (např. barvy u robotizovaného pracoviště); - jiným relevantním vnějším vlivům (např. mechanickým vibracím nebo poruchám v dodávce energie). V systémech kategorie B není žádné diagnostické pokrytí, takže výskyt závady může vést ke ztrátě bezpečnostní funkce.

Na vyobrazení je uvedena stanovená architektura pro kategorii B, kde: im – reprezentuje prostředky vzájemného propojení I – představuje vstupní zařízení (např. polohový senzor) L – zastupuje logické obvody ovládacího systému O – znázorňuje výstupní zařízení (např. hlavní stykač) Kategorie 1 – je kategorie se zlepšenou odolností proti závadám dosaženou především volbou a použitím součástí. Pro tuto kategorii platí stejné požadavky jako pro kategorii B, přičemž bezpečnostní části ovládacího systému kategorie 1 musí být navrženy a vyrobeny použitím osvědčených součástí a osvědčených bezpečnostních zásad. Za osvědčenou součást se považuje ta, která byla buď: - již v minulosti široce používána se zdárnými výsledky v podobných použitích nebo - vyrobena a ověřena při použití zásad, které prokazují její vhodnost a spolehlivost pro

bezpečnostní použití. Stanovená architektura pro kategorii 1 je stejná jako u kategorie B. V systémech kategorie 1 tedy rovněž není žádné diagnostické pokrytí, takže výskyt závady může vést ke ztrátě bezpečnostní funkce. Kategorie 2 – je kategorie se zlepšenou strukturou bezpečnostní částí řídícího systému, která obsahuje periodickou kontrolu funkce ve vhodných intervalech. Kromě toho musí tato kategorie rovněž splňovat požadavky kategorie B. Iniciování periodické kontroly může být automatické a musí buď: - umožnit provoz tehdy, nejsou-li detekovány žádné závady nebo - vytvořit výstup, který iniciuje vhodnou kontrolní činnost, je-li detekována závada. Tento výstup musí přednostně iniciovat bezpečný stav. Pokud to není realizovatelné,musí alespoň vydat výstrahu o nebezpečí.

17


Na vyobrazení je uvedena stanovená architektura pro kategorii 2, kde: im – reprezentuje prostředky vzájemného propojení I – představuje vstupní zařízení (např. polohový senzor) L – zastupuje logické obvody ovládacího systému m – symbolizuje monitorování O – znázorňuje výstupní zařízení (např. hlavní stykač) TE – je zkušební zařízení OTE – symbolizuje výstup ze zkušebního zařízení Chování systému kategorie dva dovoluje, aby: - výskyt závady mohl vést ke ztrátě bezpečnostní funkce mezi kontrolami; - ztráta bezpečnostní funkce byla kontrolou detekována. Kategorie 3 – bezpečnostní části ovládacího systému (SRPICS) kategorie 3 musí být navrženy tak, aby jednotlivá závada v jakékoliv z těchto částí nevedla ke ztrátě bezpečnostní funkce. Kdykoliv je to rozumně možné, musí být detekována jednotlivá závada při nebo před nejbližší vyžadovanou bezpečnostní funkcí.

Na vyobrazení je uvedena stanovená architektura pro kategorii 3, kde: im – reprezentuje prostředky vzájemného propojení c – znázorňuje křížové monitorování I1, I2 – představují vstupní zařízení (např. senzory) L1, L2 – zastupují oddělené logické obvody m – symbolizuje monitorování O1, O2 – znázorňuje výstupní zařízení (např. hlavní stykač)

18

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ Chováni systému kategorie 3 dovoluje, aby: - při výskytu jednotlivé závady byla vždy zajištěna bezpečnostní funkce; - některé, ale ne všechny závady byly detekovány; - nahromaděni nedetekovaných závad vedlo ke ztrátě bezpečnostní funkce. Kategorie 4 – bezpečnostní části ovládacího systému (SRPICS) kategorie 3 musí být navrženy tak, aby jednotlivá závada v jakékoliv bezpečnostní částí nevedla ke ztrátě bezpečnostní funkce a jednotlivá závada byla detekovaná při nebo před nejbližšími požadovanými bezpečnostními funkcemi, např. bezprostředně při zapnuti nebo na konci provozního cyklu stroje. Jestliže tato detekce není možná, pak nahromadění nedetekovaných závad nesmí vést ke ztrátě bezpečnostní funkce. Stanovená architektura pro kategorii 4 je stejná jako u kategorie 3. Rozdíl mezi kategorií 3 a kategorií 4 je vyšší průměrné diagnostické pokryti a použití součástí s vyšší spolehlivostí a životností v kategorii 4. Chováni systému kategorie 4 dovoluje, aby: - při výskytu jednotlivé závady byla vždy zajištěna bezpečnostní funkce; - závady byly detekovány dostatečně včas, aby bylo zamezeno ztrátě bezpečnostní

funkce; - bylo přihlédnuto k nahromadění nedetekovaných závad.

28. Otázka: Jaké kategorii odpovídá architektura uvedená na obrázku?

Architektura uvedená na obrázku odpovídá stanovené architektuře kategorie 2. Jedná se o architekturu, která obsahuje periodickou kontrolu funkce ve vhodných intervalech. Iniciování periodické kontroly může být automatické a musí buď: - umožnit provoz tehdy, nejsou-li detekovány žádné závady nebo - vytvořit výstup, který iniciuje vhodnou kontrolní činnost, je-li detekována závada. Chování systému kategorie dva dovoluje, aby: - výskyt závady mohl vést ke ztrátě bezpečnostní funkce mezi kontrolami; - ztráta bezpečnostní funkce byla kontrolou detekována.

29. Otázka: 1.1.1.2 Je li robotizované pracoviště zabezpečeno potřebnými pevnými zábranami a dostatečným počtem bezpečnostních senzorů u všech možných vstupů, musí být i přesto vybaveno nouzovým stop tlačítkem??

ANO

19

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 30. Otázka: Do jaké bezpečné vzdálenosti S je potřeba umístit světelnou závoru od

nebezpečného prostoru, je-li čas potřebný k zastavení nebezpečných pohybů T=0,5s?

S = (Vo * T) + C Vo=1600mm (uvádí norma EN 999) T= 0,5s C = 850mm (uvádí norma EN 999) S=(1600*0,5)+850 S=1650mm

31. Otázka: Jakou barvu musí mít ovladač nouzového zastavení a pozadí za ovladačem?

Ovladač má barvu červenou, pozadí za ovladačem je barvy žluté.

32. Otázka: Co znamená pojem reflexní optická závora?

Jedná se o bezpečnostní světelnou závoru s jediným vysílaným světelným paprskem určeným pro méně náročné aplikace. Vysílač i přijímač je ve společném pouzdře a k odrazu paprsku je použita odrazka.

33. Otázka: Co znamená pojem jednocestná optická závora?

Jedná se o bezpečnostní světelnou závoru s jediným vysílaným světelným paprskem určeným pro méně náročné aplikace. Vysílač i přijímač je umístěn na opačných stranách. Tzn. vysílač i přijímač má vlastní samostatné pouzdro.

34. Otázka: S jakým maximálním rozlišením je potřeba použít světelné záclony pro ochranu vniknutí prstů do chráněného prostoru?

Světelné záclony s rozlišením 14 nebo 20mm.

35. Otázka: S jakým maximálním rozlišením je potřeba použít světelné záclony pro ochranu vniknutí ruky do chráněného prostoru?

Světelné záclony s rozlišením 30 nebo 50mm.

20

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 36. Otázka: S jakým maximálním rozlišením je potřeba použít světelné záclony pro

ochranu vniknutí osob do chráněného prostoru?

Světelné záclony s rozlišením 100mm a větším.


Minimální bezpečná vzdálenost se určí pomocí normy ČSN EN 294. Jestliže z nebezpečného místa plyne malé riziko, je minimální vzdálenost 1400mm. Jestliže z nebezpečného místa plyne vysoké riziko, je minimální vzdálenost 1500mm.


Minimální bezpečná vzdálenost se určí pomocí normy ČSN EN 294. Pro otvor v rozmezí 40 až 120mm je bezpečná vzdálenost minimálně 850mm.

21

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 39. Otázka: V jaké minimální vzdálenosti musí být umístěna fyzická překážka od

nebezpečného prostoru, jestliže je umožněn dosah dolních končetin (typ dosahu viz. Obrázek)? Výška k ochranné konstrukci je 450mm.

Minimální bezpečná vzdálenost se určí pomocí normy ČSN EN 811. Pro výšku k ochranné konstrukci 400 až 600mm a případu typu dosahu dle obrázku je minimální bezpečná vzdálenost 800mm.

40. Otázka: Uveďte požadavky na silové hnací komponenty.

Mezi tyto komponenty patří např. hřídel motoru, otevřený pohon, hnací řemeny nebo jiná hnací ústrojí. Nebezpečím, jejichž příčinou mohou být tyto komponenty, se musí předcházet buď pevnými, nebo pohyblivými ochrannými kryty. Pohyblivé kryty musí blokovat nebezpečné pohyby takovým způsobem, že jim zamezí dříve, než nebezpečí vznikne.

41. Otázka: Uveďte požadavky na funkci nouzového zastavení.

Každé stanoviště umožňující spuštění robotu nebo iniciaci jiné nebezpečné situace, musí mít možnost ručního ovládání funkce nouzového zastavení, která:

• musí fungovat buď jako zastavení kategorie 0 nebo jako zastavení kategorie 1 (výběr kategorie nouzového zastavení závisí na výsledcích hodnocení rizika);

• musí být nadřazena všem ostatním funkcím a činnostem ve všech režimech (má nejvyšší prioritu);

• umožňuje zastavení při jakémkoli nebezpečí; • přeruší přívod energie ke všem pohonům robotu (zastavení kategorie 0), nebo

musí být řízena tak, aby byl nebezpečný pohyb zastaven co nejrychleji (zastavení kategorie 1), aniž by vznikla jiná nebezpečí;

• kde je použito více než jedné řídicí jednotky, musí být účinné povely funkce nouzového zastavení z jakékoliv řídicí jednotky,

• odstraní jakékoliv jiné nebezpečí vzniklé následkem řízení robotu; • zůstává stále aktivní až do doby, než dojde k jejímu zrušení (reset) a • zrušení (reset) musí být provedeno výlučně ručně a nesmí způsobit opětné

spuštění robotu, ale pouze povolí restart.

22

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 42. Otázka: Uveďte požadavky na redukovanou rychlost.

Pokud je nastaven chod s redukovanou rychlostí, rychlost upevňovací příruby koncového efektoru a referenční bod manipulovaného předmětu nesmí překročit 250 mm/s.

Řízení při redukované rychlosti musí být konstruováno a provedeno tak, že v případě jakékoliv jednotlivé racionálně předvídatelné závady (špatné funkci) nedojde k překročení této rychlosti.

43. Otázka: Je robotizované pracoviště uvedené na obrázku dostatečně zabezpečené? Pokud ne, co by bylo potřeba provést, aby zabezpečení bylo maximální?

Zadní dveře nejsou zabezpečeny. Je potřeba tyto dveře opatřit bezpečnostním dveřním snímačem.

23

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 44. Otázka: Čím je nutné robotizované pracoviště uvedené na obrázku ještě vybavit,

aby splňovalo bezpečnostní normy?

Robotizované pracoviště nemá nikde nouzové stop tlačítko. Ke každému možnému vstupu je potřeba umístit nouzové stop tlačítko.

45. Otázka: Uveďte požadavky na napájecí zdroje.

Robot musí být vybaven prostředky umožňující vypnutí každého svého nebezpečného zdroje energie (např. elektrického, mechanického, hydraulického, pneumatického, potenciálního apod.) Tyto prostředky musí mít možnost blokovaného nebo jinak zabezpečeného vypnutí.

24

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 46. Otázka: Jaké můžete použít bezpečnostní senzory pro zajištění vstupu do

samostatných pracovních prostorů 1 a 2?

- Jedna z možností je použití společného bezpečnostního laserového scanneru, který je naprogramován zvlášť pro prostor 1 a zvlášt pro prostor 2.

- Jiná varianta je použití dvou světelných závor (pro každý prostor je použita samostatná závora)

- Další z možných řešení by bylo použití nášlapných rohoží (pro každý prostor samostatná rohož)

47. Otázka: Uveďte požadavky na skrytou energii.

Obsluha robotu (seřizovač, údržbář) musí mít k dispozici prostředky pro řízené uvolnění skryté energie. Každý zdroj skryté energie (např. zásobník stlačeného vzduchu a kapalin, kondenzátor, baterie, pružina, vyvažovací závaží, setrvačník) musí být opatřen vhodným výstražným štítkem.

25

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 48. Otázka: Uveďte požadavky na ovládací prvky.

Provedení a umístění ovládacích prvků musí být takové, aby se zamezilo neúmyslné manipulaci (použití klíčem uzamykatelného přepínače nebo krytého tlačítka). Stav ovládacích prvků musí být zřetelně indikován (např. zapnuto napájení, detekování závady, automatický provoz) a popsán takovým způsobem, aby jasně zobrazoval svoji funkci. Řídicí systém robotu musí být konstruován a proveden tak, že v případě ovládání robotu pomocí jednoho programovacího zařízení (panelu), musí být zamezeno jeho spuštění nebo změně volby lokálního ovládání z jakéhokoliv jiného zdroje (např. druhého panelu).

49. Otázka: Uveďte požadavky na výpadek nebo kolísání napájení.

Roboty a koncové efektory musí být konstruovány a provedeny tak, aby výpadek nebo kolísání elektrického, hydraulického, pneumatického nebo podtlakového napájení nevyvolaly nebezpečnou situaci. K uchopení manipulovaného předmětu je potřeba využívat mechanické principy nezávislé na přívodu energie (např. pružiny) a energii využívat pokud možno pouze k uvolnění manipulovaných předmětů. Pokud to není proveditelné, potom se vzniku případných nebezpečných situací musí předcházet jinými metodami bezpečností ochrany (hydraulický zámek, akumulátor energie apod.). Obnovení dodávky energie nesmí vest k samočinnému pohybu robotu nebo jeho koncového efektoru.

50. Otázka: Uveďte požadavky na nouzové stop tlačítko.

Robot musí mít alespoň jeden bezpečnostní vypínací obvod (kategorie zastavení 0 nebo 1) zajišťující propojení na externí ochranná zařízení, přičemž:

zastavení kategorie 0 představuje zastavení robotu okamžitým odpojením přívodu energie do ovládacích částí robotu (tzv. neřízené zastavení) a

zastavení kategorie 1 představuje řízené zastavení robotu s energií přiváděnou do ovládacích částí stroje za účelem dosažení zastavení (po zastavení je přívod energie odpojen).

Bezpečnostní vypínací obvod musí při aktivaci externího ochranného zařízení iniciovat zastavení všech pohybů robotu, přerušení přívodu energie ke všem pohonům robotu a do zastavení zamezit vzniku jakýchkoliv jiných nebezpečných situací vyvolaných následkem řízení robotnickým systémem. Toto zastavení se může iniciovat ručně nebo pomocí řídicí logiky.

51. Otázka: Uveďte požadavky na elektrická zařízení.

Konstrukce a provedení elektrických zařízení robotu musí být v souladu s odpovídajícími požadavky ČSN EN 60204-1. Výše uvedená norma specifikuje požadavky a pokyny pro elektrická zařízení strojů, se zaměřením na bezpečnost osob a majetku, shodnost reakce na řídicí signál a snadnost údržby.

26

Robotika – Příručka pro učitele Minos++ 52. Otázka: Vysvětlete pojem škoda.

Fyzické zraněn nebo poškození zdraví.


Situace, která může navodit zranění nebo poškození zdraví


Kombinace pravděpodobnosti výskytu škody (úrazu) a závažnosti této škody (tohoto úrazu).

55. Otázka: Vysvětlete pojem koncový efektor.

Zařízení speciálně konstruované pro připojení k mechanickému rozhraní, které robotu umožňuje vykonávat svou úlohu

56. Otázka: Vysvětlete pojem robotický systém.

Robotický systém zahrnuje robot, koncový efektor a jakékoliv zařízení, vybavení nebo čidlo, které je potřebné pro plnění funkce robotu.

57. Otázka: Vysvětlete pojem maximální prostor.

Prostor, který mohou obsáhnout pohybující se části robotu stanovené výrobcem a dále prostor, který obsáhne koncový efektor a obrobek

58. Otázka: Vysvětlete pojem vymezený prostor.

Část maximálního prostoru ohraničená omezujícími prostředky vytvářejícími meze, které nebudou překročeny

59. Otázka: Vysvětlete pojem operační prostor.

Část mezního prostoru, která se skutečně využívá při vykonávání všech pohybů zadaných pomocí uživatelského programu

60. Otázka: Vysvětlete pojem předpokládané používání.

Používání robotu podle informací uvedených v instrukcích pro používání.

m10 robotika ucebnice cz - fsi fÓrum · roboti", volně pak peloženo: "universální...

Documents