ROBOTY A PRUŽNÉ VÝROBNÍ SYSTÉMY. Studijní opora

ˇ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV VÝROBNÍCH STROJŮ, SYSTÉMŮ A ROBOTIKY Technická 2, 616 69 Brno tel.: + 420 541 142 448 fax.: + 420 541 142 449

ROBOTY A PRUŽNÉ VÝROBNÍ SYSTÉMY Studijní opora

Radek Knoflíček

2004

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR

1 Úvod do robotiky Automat je řecké slovo s významem pro zařízení, jehož činnost probíhá bez trvalé účasti člověka. Snahy po vytvoření takového zařízení sahají až do období antiky. Philon Byzantský vytvořil automat podávající mýdlo v lázních, Heron Alexandrijský oltář s figurínami, které samočinně vylévají vodu na obětní oheň. Myšlenka o samočinném řízení mechanismu na základě po sobě přicházejících zvonkových hracích automatů. V roce 1808 J. M. Jocguard použil plechovou děrnou kartu k automatickému řízení textilního stroje a v roce 1952 je v USA uveden do provozu první číslicově řízený obráběcí stroj. Vývoj výrobních strojů je již dlouhou dobu doprovázen vývojem manipulačních zařízení. První konstrukce robotů, které blíže souvisí s dnešními představami o jejich podobě, vznikly po roce 1954. Výraznější zájem o automatizaci diskrétních procesů byl vyvolán na počátku 70. let výraznými změnami v technologii a v koncepcích výrobních strojů. Současná etapa rozvoje techniky se všeobecně označuje za období rozvoje automatizace, která navazuje na předcházející mechanizaci výrobních procesů.

1.1 Využití průmyslových robotů a manipulátorů Průmyslové roboty a manipulátory (v textu dále i jako zkratka PRaM) nacházejí nejčastější uplatnění zejména v následujících dvou oblastech: Výrobní oblast (strojírenství): manipulace s obrobky, výlisky a součástmi; PRaM jako prostředek svařování; nanášení nátěrových hmot; mobilní prostředek v PVS (ADV). Nevýrobní oblast: v kosmu (raketoplán); pod vodou (ponorka, batyskaf); na zemi (mobilní roboty); v medicíně (vlastní operace); stavebnictví (pokládání dlaždic); zemědělství (trhání jablek, postřiky); služby – servisní činnosti (čistící MR, podávající nápoje); učící (školní didaktická pomůcka). Koncepce průmyslových manipulátorů a robotů se od počátku vyvíjí ve třech směrech. Za základní verzi je považována univerzální koncepce, od které se očekává schopnost v širokém rozsahu obsáhnout požadavky různých aplikací. Za opačný přístup lze považovat jednoúčelovou koncepci, která je ale velmi často spojována s představou o omezených funkčních schopnostech. Třetí, modulová koncepce, je určitým kompromisem mezi univerzálními a jednoúčelovými konstrukcemi. Podstatnou vlastností modulových konstrukcí je na jedné straně univerzálnost jednotlivých modulů a na druhé straně jednoúčelnost příslušné sestavy. Vývoj průmyslových manipulátorů a robotů byl zpočátku spojován s jejich uplatněním ve funkci pomocných zařízení pro obsluhu jednotlivě pracujících strojů v automatickém cyklu. Vývoj manipulačních zařízení úzce souvisí s reálnými možnostmi aplikací, které lze v současné době charakterizovat těmito rysy: 1. Výrazný přechod průmyslových robotů z prostoru čistě manipulačních funkcí do prostoru realizace technologických operací. 2

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR 2. Zvyšování četnosti rozsáhlejších automatizovaných technologických systémů s podstatnou účastí průmyslových manipulátorů a robotů při zajišťování mezioperační manipulace, transportu i technologických operací. 3. Zvyšování významu jednotlivých manipulátorů v rámci obsluhy výrobních zařízení. 4. Pronikání progresivních technologických principů do prostoru jejich automatické realizace. 5. Řešení manipulačních operací přímo v rámci vlastní konstrukce výrobního zařízení. Zlepšování funkčních vlastností mechanického systému konstrukce manipulačních prostředků se orientuje především na tyto směry: a) Zvětšování rozsahu pohybových funkcí zejména orientací na dosažení dlouhých přímočarých pohybů. Jednoznačným motivem je zvládnout pohyblivosti ve větším prostoru. b) Ïntegrace manipulačních funkcí v rámci jedné kompaktní jednotky. c) Konstrukce kompaktních funkčních modulů na úrovni pohonů s integrovanými transformačními bloky a čidly, popřípadě na úrovni celých pohybových jednotek. d) Zvyšování úrovně technických parametrů s ohledem na zlepšení provozních vlastností Charakteristickou vlastností universitních typů průmyslových robotů monolitní koncepce zůstává pohybovými jednotkami, horizontální, popřípadě vertikální, osy kloubů a integrované stejnosměrné servopohony. Přitom jsou snahy po dosažení příznivějších vztahů mezi manipulačním (pracovním) a operačním prostorem.

1.2 Průmyslové roboty na světě

Obr. 1: Počet ve nasazených robotů do roku 1997 (v tisících kusů)

Investice do pořízení robotů, jakožto nejvýkonnějších průmyslových automatů, začaly zhruba od roku 1993 výrazně stoupat. Koncem roku 1993 tak na planetě pracovalo 610 000 robotů, zatímco v roce 1997 jich má být už 830 000. Zatímco v roce 1993 se prodalo kolem 54 000 robotů, v roce 1997 by měl jejich prodej překročit 103 000.

3

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Více než polovina průmyslových robotů na světě pracuje ve Japonsku, kde jich na 10 000 pracovníků připadá neskutečných 325. Za Japonském následuje Singapur (109), Švédsko (73), Itálie (70) a Německo (62). Průmyslové roboty nejvýrazněji pronikly do výroby motorů pro dopravní prostředky. Na celkovém počtu robotů se v předních zemích podílejí jednou třetinou až jednou polovinou. Ačkoli nejvíce robotů v Japonsku pracuje v elektrotechnickém a elektronickém průmyslu, tato země nasadila zdaleka největší počty do výroby automobilových motorů.

4


2 Úvod do problematiky Pro všeobecný pojem „robot“ lze přijmout definici, vyslovenou Doc. Ing. Ivanem Havlem, CSc.: „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: „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 zrakem, hmatem, pamětí apod., schopností samovýuky, samoorganizace a adaptace, tj. přizpůsobivostí k danému prostředí“.

2.1 Výkladový slovník Brainware – SW vybavení počítačových systémů založených na bázi znalostí a expertních systémů. Hardware – fyzická výbava výpočetních systémů elektronickými prvky, obvody, celky, deskami apod. Histogram – grafické znázornění rozložení četnosti Lokomoce – je souhrn technický prostředků určených po přemísťování objektu z místa na místo. Machineware – je mechanická část konstrukce technický objektů. Mobilita – je schopnost přemístění, pohyblivost Morfologie – nauka o strukturách, vnějších a vnitřních tvarech ve stavbě organismu. V oblasti techniky se morfologie chápe jako uspořádaná metoda na pozorování předmětů (objektů), jejímž výsledkem je systematická perspektiva možných řešení daného problému. Optický senzor – senzory citlivé na zářivou energii v oblasti vlnových délek 380 až 760 nm. Pracovní prostor – je pomyslnými hranicemi omezený prostor působení robotu. Robot – počítačem řízený integrovaný systém, schopný autonomní cílově orientované iterace s reálným prostředím v souladu s instrukcemi člověka Senzor – prvek, na který působí snímaná veličina, a který získanou informaci převádí na elektrický signál. Snímač – vhodně uspořádaná množina čidel Software – programové vybavení určené pro činnost výpočetního pohybového ústrojí robotu. Stupeň volnosti – stupeň volnosti kinematického řetěze pohybového ústrojí robota. Systém – uspořádaná množina (soubor prvků) předmětů (např. technických objektů), jevů, dějů, poznatků aj., které mezi sebou souvisí přesně vymezeným způsobem, mající vzájemnou interaktivní vazbu (aktivně na sebe působí) a vytváření jednotný celek (soustavu).

5

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Taktilní senzor – senzor, který snímá požadovanou veličinu na základě fyzického dotyku s předmětem. Učení robota – programování pracovního cyklu robota převedením požadovaných pohybů koncového členu robota operátorem a přenesení parametrů tohoto pohybu do řídícího systému. Ultrazvukový senzor – senzor, který využívá pro svou činnost šíření tlakových ultrazvukových vln. Vizuální senzor – senzor, který využívá pro svou činnost šíření tlakových ultrazvukových vln. Vnější senzorika – zajišťuje sledování vnějšího stavu robotického systému (např.: lokalizace předmětů, popis vlastností předmětů, zjištění polohy a orientace předmětů apod.) Vnitřní senzorika – zajišťuje sledování vnitřního stavu robotického systému (např.: údaje o poloze, rychlosti, zrychlení přenášeném výkonu, kroutícím momentu, silovém působení).

2.2 Rozdělení manipulačních zařízení Podle funkčního určení, stupně řízení a složitosti provedení dělí se manipulační zařízení takto:

MANIPULAČNÍ ZAŘÍZENÍ

JEDNOÚČELOVÉ MANIPULÁTORY

UNIVERSÁLNÍ MANIPULÁTORY

SYNCHRONÍ MANIPULÁTORY

PROGRAMOVATELNÉ MANIPULÁTORY

MANIPULÁTORY S PEVNÝM PROGRAMEM

MANIPULÁTORY S PROMĚNLIVÝM PROGRAMEM

PR NIŽŠÍ ÚROVNĚ

PR VYŠŠÍ ÚROVNĚ

INTELIGENTNÍ ROBOTY

1. GENERACE

2. GENERACE

3. GENERACE

6

KOGNITIVNÍ ROBOTY


2.3 Významní výrobci PRaM 2.4 Světoví výrobci ABB Robotics, Vasteras, Sweden KUKA Schweisanlangen + Roboter, Augsburg, Germany REIS Maschinenbau + Elektronik, Obernburg, G. Carl CLOOS Schweistechnik, Haiger, G. ESAB-MASING, Dietzenbach, G. DETE Spritz+Lackierszsteme, Nurnberg, G. ISOTEC Antriebs, Linear+Systemtechnik, Tulln-Staasdorf, Austria IGM Robotersysteme, Wiener Neudorf, Austria CIMCORP Oy, Ulvila, Finland NOKIA Robotics, Helsinki, Finland GEC Robot Systems, Rugby, GB ESHED Robotec, Princeton, USA MOTOMAN Series, Tokyo, Japan KAWASAKI Robots, Tokyo, J. TIESSE ROBOT, Visano, Italy STIMA Systemi Robotizzati Castelone, I. SYSTEM ROBOT, Orzunuovi, I.

2.5 Přehled PRaM vyráběných v ČR (ČSFR, ČSSR) VUKOV Prešov MX 001 – A MPH 1, MPH – 1 A PR 16 P, výroba předána do ZPA Prešov jako PR 16 P/A PR 16 P/4 PR 32 E, výroba předána do ZEZ Hořice APR 20 APR 2,5 APR 40, výroba předána do ZEZ Hořice AM 1 – T, výroba předána do ZPA Prešov jako PM 1 P AM 5, výroba předána do ZPA Prešov AM 20 UM160 MTL 10 M 40, výroba předána do BAZ Bratislava jako M 40 A AM 80

MPR 80 AME 80 M 63 PR 30 AZT + řídící systémy, koncové efektory, periferní zařízení, konstrukční prvky PRaM VIHORLAT Snina MTL 10 OVL – 400 DLM – 301, 311 M 63 – 01 M 63 – 02 M 63 – 20 M 63 – 29 M 63 – 35

7

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR KOVOPOL Police nad Metují MP 02

ZPA Dukla Prešov AM 1 – T, resp. PM 1 P PR 16 P/A AM 5

TESLA Lanškroun LT 189.1 – OC

ZTS Detva (Podpolianske Strojárne) OJ – 10 + robotizovaná pracoviště OJ 10 RS, CP, EP PR 300 ŠR 1 – Miro OJ – 10 M + robotizované pracoviště RZK 2 PR – 111

TOS Kuřim MSS 20, 63 FM 200 BAZ Bratislav M 40 A/1200 M 40 A/800

ZTS Martin M 63 + robotizovaná pracoviště AZP 7 RL – 2, PPO 1 ADV

ZŤS Košice THM 500 Třinecké železárny Třinec ROMAN 01, 02, 03

SAM Myjava SPR 5 SPR 10, resp. IRIS – 14

ČVUT Praha PR 20

IQM Zvolen SLR 1500

VUT Brno PRKM 20 Vývoj typové řady APR 01, 02, 03 04 + mobilní roboty: MOBIL I, II a VUTBOT 1

ČZM Strakonice PROB 5, 10, 20

VUT Brno + VÚSH Brno PRM 400

MAS .- Kovosvit Sezimovo Ústí IPR 1 – 8

VŠT Košice + ZVL P. Bystrica HYMR 50

ZEZ Hořice APR 40 PR 32 E

8


3 Základní typy konstrukčního uspořádání PRaM V současné době se konstrukce ustálila na třech typech PRaM: Jednoúčelová koncepce Stavebnicová koncepce Univerzální koncepce Nelze preferovat jednu koncepci před druhou, protože každá z nich má své klady i zápory. Jednoúčelová koncepce se užívá většinou jako trvalá součást stroje pracujícího ve velkosériové výrobě. Na obrázku je zachyceno konstrukční uspořádání PRaM vyráběných v současné době, kam bude většinou patřit universální koncepce a více či méně stavebnicová koncepce.

obr. 2: Stavebnicová koncepce

obr. 3: Universální koncepce

9


obr. 4: Konstrukční uspořádání PRaM

a) b) c) d) e) f) g) h) i) j) k)

Lokomoční s výsuvným ramenem Stojanová s výsuvným ramenem Konzolové s výsuvným ramenem Mostové s výsuvným ramenem Portálové s výsuvným ramenem Kloubová s výsuvným ramenem Portálové-kloubové s výsuvným ramenem Kloubové Konzolové-kloubové Mostové-kloubové Portálové-kloubové

10


4 Mechanika PRaM Základem stavby robotů a manipulátorů jsou mechanismy, tj. mechanická zařízení, která slouží k transformaci pohybu a přenosu sil a zajišťují přemisťování objektů (předmětů, nástrojů apod.) určitým způsobem, vyplývajícím z požadované funkce systému. Touto funkci je např. technologie daného výrobního procesu. V této kapitole se stručně zmíníme o kinematické struktuře a základních vlastnostech těchto mechanismů a uvedeme principy jejich kinematického a dynamického řešení.

4.1 Kinematická struktura mechanismů robotů a manipulátorů Mechanismy robotů a manipulátorů jsou tvořeny soustavou navzájem pohyblivě spojených členů, z nichž jeden se nepohybuje a tvoří rám. Tyto mechanismy jsou odvozeny z otevřených prostorových kinematických řetězců. Obsahují binární členy, které jsou spolu vázány prostřednictvím prostorových kinematických dvojic. Přehled těchto dvojic je uveden v tab. 4.1. Vzájemná pohyblivost členů a, b tvořících kinematickou dvojici, je charakterizována počtem stupňů volnosti a shoduje se s počtem nezávislých jednoduchých pohybů (posuvů a rotací), jež mohou oba členy vůči sobě vykonávat. Šroubová kinematická dvojice má 1° volnosti, neboť rotační a posuvný pohyb jsou zde vzájemně závislé. Dvojici, která relativnímu pohybu dvou volných těles v prostoru odebírá j stupňů volnosti, nazýváme dvojicí j – té třídy. Jelikož volné těleso v prostoru má 6°volnosti, platí zřejmě pro každou prostorovou kinematickou dvojici j = 6 – i a celkový počet stupňů volnosti (pohyblivost) mechanismu (kinematického řetězu) je dán obecně vztahem

5 i = 6(n − 1) − ∑ jd j j =1 kde n – je celkový počet členů včetně rámu dj – je počet kinematických dvojic j – té třídy.

11


Název

Pohyblivost b:a (počet stupňů volnosti i)

Schéma

rotační posuvná

Symbol

R P

º

1

šroubová

H

valivá

V

válcová

sférická

º

C

º

S

2

3

5

4

3

F

rovinná

válec na

Třída (j)

º

4

2

rovině

obecná

º

5

O

tabulka 1

12

1

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR V kinematických řetězcích robotů a manipulátorů se vzhledem ke snadné technické realizaci nejčastěji používají rotační a posuvné kinematické dvojice. Všechny kinematické dvojice jsou hnací, tj. relativní pohyby členů a, b (tabulka 1) jsou realizovány použitím nezávislých pohonných jednotek. Počet těchto jednotek odpovídá počtu nezávislých souřadnic výsledné polohy pracovního (výstupního) členu mechanismu (chapadla, technologické hlavice) a je dán počtem mechanismu (chapadla, technologické hlavice) a je dán počtem stupňů volnosti podle vztahu (obr. 5). Z toho vyplývá, že vhodnou volbou množství a uspořádání kinematických dvojic lze dosáhnout libovolných požadovaných pohybů pracovního členu v prostoru.

obr. 5

Libovolná poloha manipulovaného objektu v prostoru je obecně určena šesti souřadnicemi: tři z nich určují polohu těžiště S objektu v pevném souřadnicovém systému O,x,y,z, další tři pak orientaci, tj. natočení objektu vzhledem k osám souřadnicového systému S,x,y,z, který je unášen spolu s objektem a jeho osy jsou rovnoběžné s osami pevného souřadnicového systému (obr. 5). V souladu s tím nazýváme odpovídající kinematické dvojice polohovací a orientační a příslušné části celkového kinematického řetězce polohovací a orientující ústrojí. Obecný prostorový pohyb pracovního členu lze tedy realizovat zákonitě pomocí kinematických řetězců s 6° volnosti. Na obr. 6 a) je uveden jako příklad robot KUKA, který je z tohoto řetězce odvozen. Jeho mechanismus, schematicky znázorněný na obr. 6 b), obsahuje 6 rotačních kinematických dvojic.

obr. 6

Roboty a manipulátory s více než 6° volnosti bývají konstruovány pro účely manipulace v těžko přístupných prostorech. Jako příklad je uvedeno schéma kinematického řetězce s 8° volnosti na obr. 7. Řetězec obsahuje 5 dvojic rotačních a 3 posuvné. 13


obr. 7

Univerzální typy robotů mají tedy 6 a více stupňů volnosti. Je ovšem třeba zdůraznit, že zvyšováním pohyblivosti se komplikuje konstrukční provedení, zvyšují se výrobní náklady a tím i cena robotu, snižuje se jeho přesnost a nosnost. V konstrukci průmyslových robotů se proto projevuje snaha omezovat počet stupňů volnosti podle konkrétních podmínek, vyplývajících z požadované funkce a provedení robotu (manipulátoru). Mezi hlavní hlediska při volbě kinematické struktury robotů a manipulátorů náleží: • požadovaná dráha těžiště manipulátorů objektu, • přesnost polohování při přemisťování těžiště objektu, • orientace objektu vzhledem k unášenému souřadnicovému systému, • pohony, pohybové jednotky a jejich konstrukční provedení, • vazba robotů a manipulátorů na jiné manipulační a pomocné mechanismy. Nyní následuje stručné pojednání o jednotlivých kritériích.

4.1.1 Dráha těžiště S manipulovaného objektu Pohyb těžiště bývá požadován po některé z následujících křivek: a) po přímce, b) po kružnici, c) po obecné rovinné křivce, d) po obecné prostorové křivce. Případy a) až c) jsou schematicky znázorněny v tabulka 2. U každého je též vyznačena pohyblivost. V případě a) bude polohovací ústrojí kinematického řetězce obsahovat jednu nebo několik posuvných kinematických dvojic (při větším počtu dvojic lze zvýšit zdvihový rozsah mechanismu, tj. prodloužit dráhu těžiště). V případě b) obsahuje polohovací ústrojí kinematického řetězce jednu, příp. více rotačních kinematických dvojic se společnou osou. Případ c) může být realizován buď dvěma posuvnými dvojicemi, nebo jednou posuvnou a jednou rotační dvojicí, příp. dvěma nebo více rotačními dvojicemi se vzájemně rovnoběžnými osami rotace. Polohovací ústrojí podle případu d) lze uskutečnit různými kombinacemi: tří posuvných kinematických dvojic, dvou posuvných a jedné rotační dvojice, dvou rotačních a jedné posuvné dvojice, tří rotačních dvojic.

14


tabulka 2

Posuvné a rotační pohyby v kinematických dvojicích mohou být přitom realizovány ve vztahu k osám x, y, z souřadnicového systému, jak schematicky znázorňuje obr. 8, tj. jako tři nezávisle posuvné pohyby ve směru os x, y, z (označení X, Y, Z) a tři nezávisle rotační pohyby kolem os x, y, z (označení A, B, C).

obr. 8

15

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Příklady těchto řetězců spolu s vyznačením pořadí kinematických dvojic a charakteru pohybů viz tabulka 3. Všechny řetězce mají 3° volnosti.

tabulka 3

Každému z uvedených osmi typů kinematických řetězců odpovídá 33 = 27 možností konkrétních uspořádání podle polohy os posuvných a rotačních pohybů. Celkový počet matematicky možných kinematických řetězců je tedy 8 x 27 = 216. Z nich však 87 realizuje rovinné přemístění (při zvláštních vzájemných polohách os otáčení a posuvu). Pro realizaci přemístění těžiště objektu po obecné prostorové křivce tedy existuje celkem 129 teoreticky možných variant prostorových polohovacích ústrojí se 3° volnosti. Podrobnostmi se zde však z důvodů jiné vhodnější a dostupné literatury nebudeme zabývat.

obr. 9

Rozdíl mezi jednotlivými variantami bude spočívat v míře obtížnosti při jejich technické realizaci, ve vnějších rozměrech a uspořádání, přesnosti polohování a ve tvaru operačního prostoru, v němž se bude pracovní člen (chapadlo, technologická hlavice) pohybovat. Pojednejme na tomto místě stručně o pracovních prostorech základních typů robotů a manipulátorů. Jejich polohovací ústrojí viz tabulka 3. Jsou tvořena kinematickými řetězci PPP, RPP, RRP a RRR. U provedení PPP je pracovním prostorem robotu hranol obr. 9 a). Typickým představitelem je např. MANTA. U provedení RPP je pracovním prostorem válcový segment obr. 9 b). Typickými představiteli jsou např. VERSATRAN (Velká Británie), UM – 1 (SSSR), PR 16 (ČSSR). Varianta RRP umožňuje manipulaci v prostoru 16

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR kulového segmentu (obr. 10). Typickými představiteli jsou např. UNIMATE (USA), ROBITUS (Japonsko). Provedení RRR je charakteristické pracovním prostorem, připomínajícím anuloid (obr. 11). Typickými představiteli jsou např. CINCINNATI (USA), ASEA (Švédsko), PR 32 (ČSSR).

obr. 10

Polohu těžiště objektu vyjadřujeme v souřadnicových systémech: • pravoúhlém (kartézském), • válcovém (cylindrickém), • sférickém.

obr. 11

Pravoúhlých souřadnic používáme u řetězců s výhradně posuvnými kinematickými dvojicemi (PPP), válcových a sférických souřadnic u řetězců, které obsahují rotační kinematické dvojice. V našem případě použijeme u struktury RPP válcových souřadnic a u struktur RRP a RRR sférických souřadnic. Poněvadž pravoúhlý souřadnicový systém pokládáme za základní, provádíme při konkrétních řešeních transformací válcových a sférických souřadnic těžiště na pravoúhlé souřadnice.

17

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Pro pravoúhlé souřadnice těžiště objektu platí přímo (viz obr. 4.5):

x = 14 + s43 , y = s21 ,

(4.2)

z = 13 + s32 . Válcové souřadnice ϕ 21 , s32 , s43 transformujeme podle vztahů (obr. 4.6):

x = (14 + s43 ) cos ϕ 21 , y = (14 + s43 ) sin ϕ 21 ,

(4.3)

z = s32 .

U struktury RRP transformujeme sférické souřadnice ϕ 21 , ϕ 32 , s43 podle vztahů

(obr. 4.7):

x = (14 + s43 ) cos ϕ 32 cos ϕ 21 , y = (14 + s43 ) cos ϕ 32 sin ϕ 21 ,

(4.4)

z = 13 + (14 + s43 ) sin ϕ 32 .

Sférické souřadnice ϕ 21 , ϕ 32 , ϕ 43 struktury RRR budou transformovány rovnicemi

(obr. 4.8):

x = [(13 − 14 cos ϕ 43 ) cos ϕ 32 + 14 sin ϕ 32 sin ϕ 43 ]cos ϕ 21 , y = [(13 − 14 cos ϕ 43 ) cos ϕ 32 + 14 sin ϕ32 sin ϕ 43 ]sin ϕ 21 ,

z = (13 − 14 cos ϕ 43 ) sin ϕ 32 − 14 sin ϕ 43 cos ϕ 32 ,

(4.5) Je zřejmé, že tvar pracovního prostoru robotů a manipulátorů souvisí s charakterem použitého souřadnicového systému. Hovoříme proto někdy o pracovních prostorech typu K (kartézský), C (cylindrický) a S (sférický). Výrobci robotů uvádějí rozměrové náčrty pracovních prostorů ve své firemní literatuře a v prospektových nabídkách.

4.2 Kinematická a dynamická analýza mechanismů robotů a manipulátorů Předpokladem úspěšnosti řešení vícečlenných prostorových kinematických řetězců je použití vhodného matematického aparátu, který umožní jednoduchou a pokud možno univerzální formulaci pohybových zákonů. Tomuto požadavku nevyhovují metody, používané běžně při analýze rovinných mechanismů (trigonometrická metoda, metoda komplexních čísel, vektorová metoda atd.). Jako vhodná se ukazuje maticová metoda, která je dostatečně obecná, snadno algoritmizovatelná a aplikovatelná na prostředcích moderní výpočetní techniky. Podstatou vlastního kinematického řešení je teorie součastných pohybů, získávající v matematické formulaci přehlednou podobu pro transformaci polohy, rychlosti a zrychlení. V textu budeme často užívat maticového zápisu pro vektorový součin dvou vektorů. Vektorový součin vektorů

18


a ( a1 , a2 , a3 ) , b ( b1 , b2 , b3 ) je jak známo vektor c ( a2b3 − a3b2 , a3b1 − a1b3 , a1b2 − a2b1 ) , který lze také vyjádřit jako součin polosouměrné singulární matice A a sloupcového vektoru b, kde prvky matice A jsou tvořeny vhodně uspořádanými složkami vektoru a ⎡ 0 −a3 a2 ⎤ 0 − a1 ⎥⎥ A = ⎢⎢ a3 ⎢⎣ −a2 a1 0 ⎥⎦

19


5 Konstrukce PRaM 5.1 Aspekty pro posuzování PRaM Technická kriteria: • morfologie • počet stupňů a hmotnost • velikost obsluhovaného (pracovního) prostoru • hmotnost manipulovaného břemene • rychlosti pohybů • dosažitelná přesnost polohování • opakovatelná přesnost polohování • způsob a druh pohonů • způsob odměřování vnitřních a vnějších stavových veličin • způsob vnímání vnějšího okolí (technologické scény) • způsob řízení a komunikace s okolím • autonomnost chování

5.2 Průmyslový robot jako soustava konstrukčních celků a prvků Každý technický objekt, tedy i průmyslový robot nebo manipulátor (PRaM) je soustava (systém) tvořená jednotlivými prvky. Tyto prvky souvisí mezi sebou přesně vymezeným způsobem a vzájemně na sebe aktivně působí (tj. interaktivní vazba) a ovlivňují se. Proto lze PRaM jako systém rozdělit na subsystémy hlavních částí dle obr. 12. Lokomoční ustrojení Polohovací ustrojení Mechanická část

Orientační ustrojení

Machimeware

Koncový efektor Robot Řízení činnosti Řídící část

Senzory vnitřní

Software a Hardware

Senzory vnější

obr. 12: Hlavní části PRaM

Mechanická část: Lokomoční ustrojí slouží pro přemístění robotu v prostoru na velké vzdálenosti (řádově v m) i u stacionárních robotů, nebo zajišťuje pohyb v nevázaném stupni volnosti u mobilních robotů. Polohování a orientační ustrojí je fyzicky realizováno jako rameno robotu se zápěstím. Může mít (1 až n) stupňů volnosti, realizovaných pomocí rotačních a translačních kinematických dvojic. Obvykle má polohovací a orientační ústrojí 3 + 3 st. volnosti. Koncový efektor je realizován v podobě technologické nebo úchopné výstupní hlavici robotu. 20

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Řídící část: Řízení činnosti je zajištěno elektronickými řídícími systémy různých generací, založenými standardně na bázi mikroprocesorů. ŘS slouží pro vytváření, zapamatování, reprodukci a vykonávání programu – jako posloupností, ovládající činnost robotu. Vnitřní a vnější senzory tvoří vnímací subsystém robotu. Vnitřní senzory – informují ŘS o vnitřním stavu robotu (tj. údaje o poloze, rychlosti, zrychlení, přenášeném výkonu, kroutícím momentu a silovém působení členů kinematického řetězce polohovacího a orientačního ústrojí a koncového ústrojí v prostoru apod.). Kinematické schéma PRaM typu T (RRR) se 6 st. volnosti je na obr. 13.

LÚ – lokomoční ústrojí ZKŘ – základní kinematický řetězec OÚ – orientační ústrojí

obr. 13: Kinematické schéma robotu

Poznámka autora studijní opory: tyto studijní materiály se zaměřují zejména na konstrukci mechanické části (Machineware) PRaM. Na obr. 14 je schématicky znázorněn PRaM jako soustavu konstrukčních celků, uzlů a prvků. V konstrukčním provedení robotů se používají obdobné mechanické (resp. elektromechanické) uzly a skupiny, s jakými se setkáváme v konstrukcích ostatních strojních zařízení. Jsou to např. různé typy spojek, brzd, ložisek, vedení. V konstrukci výkonných mechanismů PRaM se prakticky setkáváme se všemi známými druhy převodů. Zvláštní část představují pohony a jejich řízení. Výše uvedené prvky PRaM včetně způsobů vymezení vůlí v převodech, vyvození translačních a rotačních pohybů, mazání a namáhání strojních částí, jsou popsány v následujících kapitolách.

21


obr. 14: Základní konstrukční celky a uzly PRaM

22


5.2.1 Konstrukce průmyslového robotu OJ 10 RS

5.2.1.1 Technické parametry robotu OJ 10 RS Maximální nosnost včetně technologické hlavice při vzdálenosti těžiště zatěžující hmotnosti od osy naklápění orientačního mechanismu 200 mm 10 kg Pro jiné vyložení je nutné vypočítat zatížení orientačního mechanismu podle následujících údajů: Maximální moment robota 0,78 kgm2 Maximální statický moment 19,62 Nm Počet stupňů volnosti 5 (6) Rozsahy pohybů: Rotace základu robota Rotace spodního ramene Rotace horního ramene Maximální výsun koncového člene orientačního mechanismu ve vodorovné rovině

260° ± 40° 300° 900 mm

Orientační mechanismus: I. rotace II. rotace Hmotnost robota Nepřesnost polohování Krytí

± 115° ± 305° 295 kg ± 0,1 mm IP 43

Maximální okamžité rychlosti1: Rychlost rotace základu 1,3 rad s-1(75° s-1) Rychlost koncového bodu orientačního mechanismu: vodorovná 0,8 m.s-1 vertikální 1,0 m.s-1 Orientační mechanismus: Rychlost pohybu I. rotace 2,19 rad.s-1(125,54°.s-1) Rychlost pohybu II. rotace 3,285 rad.s-1(188,3°.s-1) Pracovní rychlosti 0,1 mm.s-1 – 99 mm.s-1 Pohonné jednotky: Motory pro pohyb: ramen orientačního mechanismu točnice základu Převodovky pro motory: ramen orientačního mechanismu točnice základu Použité oleje v převodovkách Instalovaný výkon motorů průmyslového robota Střední technický život do vyřazení a převodu

SRD 350 (In-7,4 A; Un-62 V) SRD 80 (In-13,6 A; Un-15,5 V) SRD 350 HP 100-207-I-2 HP 60-124-I/II-2 HP 120-207-I-3-DK OT H3P, OT-T2 A 1250 W 40000 hodin

Pracovní poloha: robot postavený na rovině s max. odchylkou od vodorovné roviny 3° robot zavěšený na portálovém nosníku v převedení OJ-10 RZ 1

Max. doba chodu OJ 10 RS při max. rychlostech nesmí přesáhnout 20 % z celkové doby chodu. 23

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Pracovní prostředí: teplota okolo max. relativní vlhkost vzduchu atmosférický tlak prašnost – velikost částic – množství druh prostředí druh klimatického převedení

min. +5°, max. 40° 80 % min. 86 kPa 3 m – 1 mm 200 mg.m-3 obyčejné ČSN 330300 čl. 3.1.1. N 32 ČSN 038805

Odolnost vůči mechanickému kmitání: frekvence 25 Hz amplituda ±0,2 mm rázy 4g Dosahované parametry a připojovací rozměry jsou zobrazené na obr. 15. Průmyslový robot může pracovat po výměně vyvažovací jednotky i v zavěšené poloze, např. na portálu.

24


obr. 15: Dosahované parametry průmyslového robotu OJ 10

25


5.2.1.2 Ovládání pohybu robotu OJ 10

26


5.2.1.3 Rotační jednotka (točna základu) Legenda 1. Diskový elektromotor 2. Harmonická převodovka 3. Speciální velkorozměrové ložisko 4. Otočná část rotační jednotky 5. Stojan rotační jednotky 6. Tachodynamo 7. Selsyn

27


5.2.1.4 Schéma pohonů ramen

5.2.1.5 Schéma pohonů zápěstí

28


5.2.1.6 Pohonná jednotka orientačního mechanizmu Legenda 1. Diskový motor 2. Harmonická převodovka 3. Snímač polohy (selsyn) 4. Snímač rychlosti (tachodynamo) 5. Svorkovnice 6. Výstupní hřídel

29


5.2.1.7 Konstrukce horního ramena Legenda: 1. Pohonné jednotky orientačního mechanismu 2. Protizávaží 3. Orientační mechanismus 4. Těleso horního ramene 5. Snímatelný kryt 6. Koncový člen orientačního mechanismu 7. Dvojdílný kryt

8. Dvoupolohový doraz 9. Řetěze 10. Napínací mechanismus řetěze 11. Táhlo s řetězem 12. Víko levé 13. Víko pravé 14. Otvor pro připojení spodního ramene

30


5.2.1.8 Konstrukce spodního ramena Legenda: 1. Kozlík 2. Spojovací hřídel 3. Dilatační spojka 4. Pohonná jednotka spodního ramene 5. Pohonná jednotka horního ramene 6. Hřídel náhonu horního ramene 7. Převod ozubenými koleskami 8. Kryt drátů 9. Rotační jednotka

10. Skříň pohonu 11. Rameno 12. Diskový motor 13. Harmonická převodovka 14. Matice 15. Pojistná matice 16. Matice 17. Matice

31


5.2.1.9 Vyvažování ramen Legenda: 1. Konzola 2. Válec 3. Pružina 4. Spodní rameno 5. Kozlík

32


6 Základní konstrukční prvky stavby PRaM 6.1 Pohony PRaM 6.1.1 Definice a klasifikace pohonu Obecně je pohon soustavou, přeměňující vstupní energii na výstupní, tj. mechanický pohyb (rotační, translační) a jeho přenos na pohyblivou část mechanismu, plnicího požadovanou funkcí. V konstrukční praxi jsou užívány různé druhy pohonů, nejčastěji rozdělované dle následujících hledisek: a) dle použitého média: • elektrické o stejnosměrné (DC) o střídavé (AC) • tekutinové o hydraulické o pneumatické • kombinované b) dle regulované výstupní mechanické veličiny (n, Mk): • s regulací bez regulace • bez regulace c) dle počtu použitých spotřebičů energie: • jednomotorový • vícemotorový d) dle charakteru trajektorie mechanického pohybu: • rotační (kyvný) • přímočarý • obecný (rovinný, prostorový pohyb) e) dle použití k pohonu části Aram: • polohovacího ústrojí • orientačního ústrojí • koncových efektorů • lokomočního ústrojí f) dle typu transformace vstupního pohybu na výstupní: • identická transformace (R → R) • neidentická transformace (R → T, T→ R), kde: R = rotační pohyb, T = translační pohyb

33

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Pohonové soustavy se u PRaM ustálily na tzv. CENTRICKÉM USPOŘÁDÁNÍ. Obvykle je do jednoho montážního a funkčního bloku uspořádán: − − − −

snímač (s) (polohy, rychlosti, otáček, úhlového natočení) brzda (b) motor (m) převodovka (p)2

s

b

m zdroj energie

p Výstup k poháněnému mechanismu

obr. 16: Blokové uspořádání obecného pohonu PRaM – pohonné jednotky

6.1.2 Elektrické pohony • • • • •

Vyznačují se těmito výhodami: jednoduchý přívod všeobecně dostupné energie; možnost regulace otáček u DC i AC motorů; velmi dobré dynamické vlastnosti; jednoduchá údržba, čistota provozu; malé provozní a udržovací náklady.

6.1.2.1 Třídění el. pohonu dle napájecího napětí a výstupního pohybu rotoru Zde rozlišujeme tyto skupiny: A. Stejnosměrné napětí: − motory s plynulým otočením rotoru a plynulou regulací otáček. B. Střídavé napětí: − motory s plynulým otáčením rotoru a s regulací otáček plynulou nebo skokovou, − pohyb rotoru po přítrzích (motory krokové).

6.1.3 Tekutinové pohony Je možno dělit na dvě skupiny dle vyvinuté složky energie hnacího média: a) hydrostatické a hydrodynamické – využívají k přenosu energie tlaku média (viz Bernoulliho rovnice) b) hydrodynamické – využívají k přenosu energie tlakové a kinetické složky potenciální energie média Tekutinové pohony mají následující výhody: • snadná realizace přímočarých pohybů spolehlivými motory (válci) bez nutnosti zařazení transformačních bloků; • možnost spojitého řízení parametrů přenášených veličin (tj. tlak p → síla, F, průtočné množství (průtok) Q → rychlost mechanismu v); • nízká hodnota poměru hmotnosti pohonu k dosaženému výkonu; • možnost nastavení mechanismu na neomezenou dobu při plném zatížení a snadné jištění proti přetížení.

2

Snímač s brzdou je možno v odůvodněných případech použít i na straně výstupního mechanismu

34

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Porovnání hydrostatických a pneumostatických pohonů z hlediska výhod a nevýhod, je uvedeno v následující tabulce: HYDROSTATICKÝ − − V − − − N

− −

PNEUMATICKÝ

vysoká tuhost dobrá účinnost možnost dosažení malých rychlostí plynulý chod nutnost samostatného zdroje energie obtížné dosažení vysokých rychlostí změna viskozity kapaliny s teplotou

− − −

možnost připojení na centrální rozvod dosažení rychlých pohybů možnost činnosti v různých teplotách okolního prostředí možnost práce ve výbušném a vlhkém prostředí drahý provoz (cca 4x dražší než u hydropohonů, 10x než u el. pohonů obtížné dodržení plynulého chodu malá tuhost

− − − −

6.1.3.1 Pneumatické mechanismy Užití stlačeného vzduchu jako pohonného média s sebou přináší oproti tlakovému oleji tyto výhody: • vzduch je nejrozšířenější médium, do jisté míry ekologické (i přes nutnost mazání a tím i výfuku obohaceného vzduchu do okolí) • jistá bezpečnost obsluhy díky malým tlakům v potrubí: • • •

P standart = 0,6 Mpa

P max = 1,5 Mpa

jednoduchá regulace rychlostí, sil jednoduchá realizace otáčivých a přímočarých pohybů vysoké rychlosti výstupního mechanismu:

v standart = cca 2 m/s

v max = cca 10 m/a

nevýhody: o omezení vyvozené síly, která je určena plochou pístu S a tlakem přiváděného vzduchu na píst p

F=p.s

F max = (30 – 50) kN

o vysoké náklady na výrobu stlačeného vzduchu o unikající vzduch netěsnostmi znamená zvýšený příkon zdroje a tím i zvýšené náklady na výrobu vzduchu Pozn. 1: pro většinu běžně užívaných pneumechanismů se uvažuje orientační průměrná spotřeba (množství) vzduchu Q max = cca 100 m3hod-1 Pozn. 2: pomocí pneumechanismů lze docílit i vysoké přesnosti polohování výstupního mechanismu užitím prvků, uvedených na následujícím obrázku. Přesnost polohování: ∆ = ± 0,1 mm

PM

IRC/ILC

PV

obr. 17: Blokové schéma pneupohonu s přesným polohováním

35

RS

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR kde: PM = pneumotor IRC/ILC = inkrementální rotační/lineární snímač PV = proporcionální ventil RS = řídící systém Při navrhování pneumatických obvodů se používají schematické značky jednotlivých prvků obvodu dle CSN 01 37 22.

6.1.3.1.1 Základní prvky pneumatických obvodů A. ZDROJ TLAKOVÉHO VZDUCHU: (kompresorová stanice) Tj.: kompresor, chladič, vzdušník, pojišťovací ventil, filtr, sušička B. JEDNOTKA PRO ÚPRAVU VZDUCHU: Skládá se z: filtrační jednotky, regulátoru tlaku (redukční ventil), maznice

C. SPOTŘEBIČE ENERGIE:

- motory

přímočaré

př.: jednočinný válec

rotační

př.: lamelový

kývavé

př.: s křídlem

D. PRVKY PRO ÚPRAVU VZDUCHU, EVENT.ÚPRAVU SIGNÁLU: (je-li užit v řídící části) 1. ROVÁDĚČE: př.: dvoupolohový, dvoucestný rozváděč ovládaný vzduchem a pružinou

2. VENTILY: (výběr) řízení tlaku, př. : redukční ventil

36

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR řízení průtoku, př.: škrtící ventil s nastavitelným průřezem

uzavírací, př.: jednosměrný ventil

speciální, př: dvoutlakový ventil (konjunkce)

3. ROZVOD STLAČENÉHO VZDUCHU: tvořený pomocí: potrubí: hadice spojek (kuželová redukční spojka)

2 typy rozvodných potrubí: a) otevřený

b) uzavřený (smyčka)

Výhoda: možno užít o 1/3 menší dj, tj. světlost potrubí oproti případu a)

37


6.1.3.2 Skladba hydrostatického a pneumostatického mechanismu − −

schematické značky obvodů: ČSN 01 37 22 jednoduchý obvod s výstupním přímočarým motorem, reverzací a plynulým řízením rychlosti pohybu pístnice válce

Hydrostatický mechanismu

Pneumostatický mechanismus

výkonové prvky výskupní, motory

Část 2

řídící prvky (řízení parametrů přenášené energi, řízení směru toku)

úprava použitého nostitele energie (úprava vzduchu)

Část 1

samostatný zdroj energie (vstupní výkonové prvky - generátorů vč. prvků řídících a pomocných)

centrální zdroj energie

38


6.1.3.3 Hydraulické a pneumatické motory přímočaré JEDNNOČINNÝ MOTOR

zpětný pohyb zajištěn vestavěnou pružinou, vhodný pro menší zdvihy (pružina)

dvojnásobný, zejména pro ovládání čelistí úchopových hlavi

membránový s vestavěnou vratnou pružinou, malé zdvihy stavěny většinou jen pro vzduch

DVOJČINNÝ MOTOR

s jednostrannou pístní tyčí, pohyb v obou smyslech zajištěn tlakovou energií

dvonásobný, zejména pr ovládání čelistí úchopných hlavic

s jednostranno pístní tyčí s tlumením, regulovatelným, v obou krajních polohách existují též provedení s jednostr. tlum. membránový, jen pro malé zdvihy, malé hmotnosti a rozměry: stavěny většinou jen pro vzduch

s oboustranno pístní tyčí, větší zdvihy, stejné vlastnosti v obou smyslech pohybu

Základní technické parametry: Ø D [mm]

L [mm]

39

P [MPa]


6.1.3.4 Hydraulické a pneumatické motory přímočaré s kývavým pohybem Dvojčinný motor s ozubenou tyčí a pastorkem

Dvojčinný motor s otočnou lopatkou; jediný typ motoru u něhož není třeba pomocného mechanického převodu

Dvojčinný motor s převodovou dvojicí šroub - matice

6.1.3.5 Hydraulické motory s rotačním pohybem- axiální pístový hydromotor MA V = 18; 40; 78 cm3/ot TP: 19/4/81/03 – 0881 pn = 6,3 MPa nn = 6 až 2500 min-1 JKPOV: 336 331 501 (509)

40

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Určení a použití Hydromotory označení MA lze s výhodou použít všude tam, kde je požadována v širokém rozsahu plynulá regulace otáček. Výhodu je malý zastavěný prostor při dostatečně velkém výkonu, krátká doba rozběhu, doběhu, reverzace, jež je dána malým momentem setrvačnosti a tvrdosti při širokém regulačním rozsahu. Řez hydromotorem MA

41


7 Konstrukce a aplikace mobilních robotických systémů V současnosti je největší počet průmyslových robotů a manipulátorů (dále i jako zkratka PRaM) tzv. stacionárních. Tzn., že jsou pevně připoutány k podlaze a nemohou se volně pohybovat v prostoru jejich určení (pracoviště). Pracovní prostor těchto PRaM je tvořen pouze dosahem manipulačních ramen. Výjimečně je možno zvětšit pracovní prostor užitím přídavné pohybové jednotky, s rozsahem pohybů řádově v metrech. Nové generace mobilních robotů (souhrnně nazývané jako mobilní robotické systémy MRS) se ovšem mohou volně pohybovat v daném pracovním prostředí a otevírají tak nové aplikační možnosti. Základním rozlišením se dělí na tzv. vnitřní (indoor) nebo vnější (outdoor) aplikace. Mohou být použity např. k převozu polotovarů, polovýrobků či výrobků, součástí (v prostředích známých nebo částečně známých) nebo mají nezastupitelnou roli v tzv. nebezpečných prostředích (např. jaderné elektrárny, požáry, průzkum výbušnin ap.). Tato kapitola stručně shrnuje obecné požadavky na konstrukci MRS v důležitých technických oblastech jako jsou: lokomoce, směrové řízení, navigace atd. 7.1

Přístupy k mobilitě

Zajistit mobilitu robotů je v současnosti cíl mnoha světových pracovišť. Prvním experimentálním mobilním robotem byl SHAKEY, vyvinutý na Standfordské Universitě v Kalifornii již v roce 1966. V současnosti mnoho univerzitních laboratoří využívá experimentální mobilní roboty vlastní konstrukce k vývoji a ověření téměř všech subsytémů, které tvoří MRS (např. lokomoční ss, vizuální systémy, prostředky umělé inteligence, speciální senzory, navigační a mapující programy atd.). Některé z těchto MRS byly předány i komerční výrobě a to na určení a použití v různých oblastech.

7.1.1 Automatické dopravní vozíky (ADV) Prvním stupněm vývoje MRS byla konstrukce ADV, jako mezioperačního manipulačního zařízení, používaného v PVS. ADV jsou určeny pro převoz těžkých dílců nebo součástí, nástrojů, výrobních pomůcek ap., např. mezi jednotlivými výrobními stroji (OC). Jejich nevýhodou je pevně určená dráha, kterou v naprosté většině tvoří do podlahy zapuštěný el. vodič – indukční řízení ADV.

7.1.2 Autonomní lokomoční roboty Jejich hlavním znakem je, že se mohou pohybovat kdekoliv ve 2-D nebo 3-D prostoru a jejich dráha tedy není explicitně dána jako u ADV. Tyto MRS jsou již dobře komerčně využitelné. Logicky následujícím vývojovým krokem v konstrukci MRS jsou tzv. autonomní lokomoční roboty právě do hazardních prostředí. Nadále jsou vyvíjeny různé konstrukce MRS, navzájem i velmi odlišných koncepcí (dáno předpokládaným užitím v konkrétní oblasti) i k experimentálním nebo vzdělávacím účelům. V ČR byly vyvinuty a dále budou zdokonalovány v rámci vědeckovýzkumné činnosti VŠ po názvem MOBIL 1, MOBIL 2 a VUTBOT 1 – mobilní robotické systémy VUT v Brně, FS, ÚVSSR [-12-, -13-].

7.2 Požadavky na konstrukci V současnosti lze sledovat jev, že konkrétní požadavky od konečného (i komerčního) uživatele vedou často k unikátním konstrukcím MRS, i když nejsou vyráběny v početných sériích. Přestože mnoho MRS má shodné nebo modifikované části se stacionárními PRaM (např. manipulační ramena, vizuální systémy, senzoriku), jsou zde faktory činící je zvláštními. Obecné požadavky na konstrukci MRS, resp. zajištění mobility jsou následující: 1) Lokomoční podsystém, dovolující pohyb a umožňující směrové řízení. 2) Navigační podsystém, plnící funkce mapování a modelování prostředí, lokalizace a směrové řízení plánování a výběr dráhy, pohyb v prostředí a vyhýbání se překážkám, autonomní navigace atd. 42

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Ostatní požadavky na konstrukci jsou pak dány souhrnem dílčích požadavků na jednotlivé subsystémy (ss). Např.: lokomoční ss - stabilita jízdy, snadné manévrovací schopnosti, možnost překonávat překážky v terénu, senzorický subsystém (sledování vnitřních stavů MRS a vnějších stavů technologické scény), palubní napájení, řídící systémy (řízení všech činností MRS), vhodné zdroje energie ap.

7.2.1 Lokomoce Lokomoční podsystém (LP) dovoluje MRS se pohybovat. Jako lokomoční mechanismy se používají: kola, pásy, nohy nebo jejich vzájemné kombinace, tvořící tzv. hybridní mechanismy. Volba LP závisí především na typu terénu (podložky), ve kterém se bude MRS pohybovat. Složitost konstrukce LP je dána rozměry a výkonem MRS (tj. technickými požadavky) a je omezena finančními náklady (tj. ekonomickými možnostmi). Prakticky se pro indoor aplikace nejvíce používají kolové a pro outdoor pásové LP.

7.2.1.1 Kolové podvozky Prvotním konstrukčním problémem je volba koncepce (uspořádání) kolového podvozku, zahrnující určení počtu kol (volně otočných = běžné, hnacích a směrových), hnacího kroutícího momentu a výkonu zvolené pohonné jednotky. Obvykle se používají 3 nebo 4 kola, výjimkou nejsou 6-ti kolové. Čtyři kola zajišťují větší stabilitu jízdy, zvláště jsou-li všechna poháněna. Tříkolové jsou konstrukčně jednodušší, mající nižší hmotnost a lepší možnosti navigace, ale složitější řízení do požadovaného směru. Kola větších průměrů dovolují překonat i malé překážky (výšky cca 5 cm), ležící na podlaze, ovšem za cenu výše položeného těžiště vozidla (zhoršují se jízdní vlastnosti) a snížení přesnosti polohování. Dle [-21-/197 ] se doporučuje použít jako optimální průměr kola (250 ± 50) mm. Existuje mnoho různých koncepcí kolových podvozků a možnosti jejich Následující obrázky ukazují několik eventualit.

43

směrového řízení.


a) 1 kolo hnací a směrové

b) 1 kolo volně otočné, 2 hnací (s el. diferenciálem) obr. 18: Tříkolový podvozek

a)

c) 2 kola hnací, 1 hnací a směrové

b)

obr. 19: Čtyřkolový podvozek a) přední dvojice směrových nepoháněných kol b) přední i zadní dvojice směrová a poháněná

Pro překonávání nižších výškových překážek jsou vhodná tzv. Weinsteinova kola. Při styku s touto překážkou se trojice pojezdových kol pootočí kolem jejich hlavní osy podle způsobu, znázorněného na následujícím obrázku.

obr. 20: Proměnlivá geometrie pásových podvozků

44


obr. 21: Všesměrová kola - Standfordské 3 kolové vozidlo [-18-/457] a) kolo b) jízda přímo c) natáčení okolo svislé osy d) zatáčení okolo středu rotace

obr. 22: Všesměrová kola - universální kolo

45

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR 7.2.1.2 Pásové podvozky Pásové podvozky vynikají výbornými manévrovacími schopnostmi v náročném terénu (včetně jízdy do schodů), ovšem za cenu ztrát třením mezi pásy a podložkou, což vede k dimenzování výkonnějších motorů pohonných jednotek, přičemž rozvor mezi pásy a jejich délka mají přímý vliv na manévrovatelnost. obvykle se používá jedna dvojice pásů, neobvyklé nejsou i konstrukce využívající většího počtu pásů s možností proměnlivé geometrie - viz obr. 23 [-22-/251] [-18-/ 458].

obr. 23: Proměnlivá geometrie pásových podvozků

obr. 24: Pásový podvozek

46


7.2.1.3 Hybridní podvozky Vznikají kombinací mezi dvojicemi: kolo-pás, kolo-noha,

7.2.1.4 Nohy - kráčející podvozky

obr. 25:

a) Šestinohý kráčející MR s 12° volnosti b) konstrukce jedné nohy

obr. 26: Noha se 6° volnosti

47


obr. 27: Model dvounohého antropoidu

7.3 Senzorický subsystém Senzorický subsystém bývá nejčastěji realizován jako sdružený a nabízí se jeho následující rozdělení na: a) senzory pro sledování vnitřních stavů MRS: o podvozku o manipulačního ramene o zdroje energie b) senzory pro sledování vnějších stavu technologické scény: o navigační o scénové o kolizní

7.4 Palubní napájení MRS využívají jako primární zdroje energie el. energii, jsou odkázány na potřebu napájecích napětí s různými úrovněmi napětí a proudů. Tato potřeba je dána obvykle požadavky na napájení silových obvodů trakčních a pomocných motorů, napáječů el. motorů, slaboproudých obvodů senzorického podsystému a řídícího systému, jakož i zajištění přívodu do všech pomocných spotřebičů. Jako obvyklé řešení se používají vícehladinové impulsní stabilizované zdroje, které uspokojují následující požadavky: • stejnosměrné napájení: 5, 12, ± 15, 24, 48 [V] • střídavé napájení: 36, 220 [V], různých frekvencí [Hz]

7.5 Řídící systémy V současné době se využívají pro řízení MRS ŘS založené na bázi mikroprocesoru: jednoprocesorové nebo víceprocesorové. Úkolem ŘS je ovládat činnost podvozku (lokomoce, lokální a globální navigace), senzorického subsystému, manipulační rameno a popř. jiné vezené části MRS.

48


7.6 Zdroj energie Zdroj energie (ZE) musí být schopen prostřednictvím palubní energetické sítě napájet všechny spotřebiče a to el. energií, popř. tlakovou kapalinou či stlačeným vzduchem. Obvykle je jako primární ZE používána el. energie. Zásobování MRS el. energií může být dvojího způsobu: • napájecí kabel spojuje MRS se stabilním ZE (nevýhodou je omezení akčního radiusu) • nezávislý ZE (např. vezený motor-generátor nebo akumulátorové baterie (AKB) V civilních (průmyslových) aplikacích se dává přednost užití AKB před jinými způsoby. AKB se od sebe liší použitím rozdílných meteriálů na elektrody a elektrolyt (kapalný nebo gelový elektrolyt) Pro současnou aplikaci v MRS je možno použít Pb, Ni-Cd příp. Ni-Fe a gelových AKB (tyto splňují požadavky na malou hmotnost a vysokou kapacitu). Bývá pravidlem, že pro napájení silnoproudých obvodů (např. hnací a řídící el. motory lokomočního podsystému), se používá z důvodů velkých proudových odběrů samostatná sada AKB. K napájení slaboproudých obvodů (ŘS, SS) se použává druhá sada AKB. Kapacita baterií pro pohon hnacích/řídících motorů závisí na průměrné hodnotě proudu potřebného pro pohony a čase, kdy jsou v činnosti. Důležité je obr. 28: Vliv vybití na její životnost rovněž sledovat provozní veličiny stavu AKB – např. vybíjení, jež není lineární funkcí proudu – viz obr. 28. Jsou vyvinuty i monitorovací systémy indikující zbytek náboje.Velikost kapacity většiny AKB rovněž závisí na teplotě s klesající teplotou okolí, klesá kapacita AKB. – viz obr. 29.

obr. 29: Vliv teploty na kapacitu AKB

49


7.7 Přehled současného stavu v oblasti aplikace MRS 7.7.1 Rozdělení aplikací mobilních robotů Přehled současného světového stavu v oblasti aplikací mobilních robotů [9] lze rozdělit podle následujících hledisek: 1. dle účelu použití (druhu konstrukce) 2. dle druhu prostředí (okolní technologickou scénu) 3. dle užití pro konkrétní úkol (plnění úlohy v dané aplikaci) ad1) Rozdělení dle účelu použití (druhu konstrukce): toto nejlépe vystihuje následující obrázek. ÚČEL MOBILNÍHO ROBOTU

VĚDECKO-VÝZKUMNÉ APLIKACE

KOMERČNÍ POUŽITÍ

(UNIVERZITNÍ KONSTRUKCE ) CIVILNÍ ÚČELY

VOJENSKÉ (POLICEJNÍ) ÚČELY

ad 2) Rozdělení dle druhu prostředí (škodlivosti okolní technologické scény): DRUH PROSTŘEDÍ MOBILNÍHO ROBOTU

PROSTŘEDÍ DEFINOVANÉ JAKO OBYČEJNÉ

PROSTŘEDÍ DEFINOVANÉ JAKO NEBEZPEČNÉ ČLOVĚKU

50

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR ad 3) Rozdělení dle užití pro konkrétní úkol (plnění úlohy v dané aplikaci): viz obr. 57. UŽITÍ MOBILNÍCH ROBOTŮ

V PRŮMYSLU

OSTATNÍ

VE VOJENSTVÍ (POLICII)

- strojírenská výroba

- služby

- odstraňování výbušnin

- energetika

- nemocnice

- manipulace s podezřelými

- stavebnictví

- pošty

předměty

- lisovny

- průzkum neznámých

- brusírny

objektů

- ředitelství firmy - výroba mikroelektroniky - laboratoře

- ženijní průzkum zátarasů a odminovávání - podmínky vedení bojové činnosti

7.7.2 Mobilní roboty vyvinuté na vědecko-výzkumných a univerzitních pracovištích V následujícím přehledu jsou uvedeny pouze reprezentativní příklady výzkumných projektů, zaměřených na oblast mobilních robotů. První projekty jsou již datovány do 70. Let. * SHAKEY - jeden z prvních MRS, byl vyvinut na Standford Research Institute, Standford University, California (USA) v letech 1966-72. Byl tvořen kolovým podvozkem, řídící částí a otočnou hlavicí na níž byla umístěna TV kamera, optický dálkoměr a anténa pro bezdrátové spojení s řídícím počítačem CDC-940. Dále byl vybaven dotykovými senzory pro identifikaci střetu s jinými objekty. Jeho úkolem bylo přemisťovat velké krabice v přísně omezeném, uměle vytvořeném okolním prostředí. Projektem byl započat vývoj plánování činnosti na základě logiky. Jedním z úkolů, které měl robot plnit byl i úkol „robot a krabice“. V místnosti byla na pevném podiu umístěna krabice a na jiném místě šikmá nájezdová rampa. Úkolem robotu je shodit krabici na zem tak, že nejprve si musí přistrkat rampu k podiu, poté po ní vyjet a pak shodit krabici. Doba řešení úlohy byla 20 minut, vlastní provedení pak trvalo 10 minut.

obr. 30: Inteligentní mobilní robot SHAKEY

51

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR * JASON - vyvinut na University of California, Berkley. Tento byl ramenem a používal ultrazvukové a infračervené proximitní senzory.

vybaven manipulačním

* The JPL ROVER - již počátkem 70. let byl využit v NASA Jet Propulsion Laboratory Pasadena, California semiautonomní MR k průzkumu planet. Prototyp byl vybaven laserovými senzory, dvěmi stereo TV kamerami a manipulačním ramenem. Toto vozidlo bylo schopno pracovat pod dohledem člověka-operátora. Později byly využity zkušenosti lab. NASA pro vývoj nového planetárního vozidla - 90. léta NASA Mars. * The STANDFORD CART - postaven ve Standford Artificial Intelligence Laboratory, SU, Cal.Podvozek byl vybaven kamerou, manipulátorem a radiem. Užíval stereovizuální systém pro zjišťování překážek a vytváření mapy prostředí. * HILARE - The Hilare Robot - postaven v Laboratoire dAutomatique et dAnalyse des Systemes, CNRS, Toulouse, France. Je vybaven ultrazvukovými senzory, kamerou a laserovým systémem, založeným na triangulaci. Výzkum byl koncentrován na multisenzorické vnímání, plánování a navigaci pomocí mapy prostředí, reprezentované jako grafy. * VESA - The Vesa Robot - vyvinut na Laboratoire dApplications des Techniques Electroniques Avancees, Institut National des Sciences Appligueés, INRIA, Remes, France. Byl vybaven ultrazvukovými senzory a manipulačním ramenem. Byly zkoumány problémy multisenzoriky, mapování a autonomního plánování dráhy a navigace. * The YAMABIKO ROBOTS - série MR Yamabiko byla vyvíjena na Kanayama and Yuta Institute of Information Science and Electornics, University Tsukuba, Japan. Projekt Yamabiko vyvinul několik odlišných konstrukcí MR a na nich byly ověřovány přístupy k programování, plánování a navigaci. * The MRL robots - výzkum prováděn pod Carnegie Melton Universty Mobile Robot Lab., Pittsburgh, Pensylvania a byl zaměřen na různé problémy ve vnímání, navigaci a řízení ALR. Projekty zahrnovaly návrh, konstrukci a řízení několika odlišných MR. Byla formulována strategie řízení pro kolové podvozky, stereo vidění, mapování a plánování dráhy a navigaci. * The Autonomous Land Vehicle Project - podporován Defence Advanced Research Project Agent of Departement of Defence. Projekt byl zaměřen na silniční vozidla a na vozidla překonávající těžký terén, užívající mapu prostředí, uloženou v paměti ŘS a jednoduchý senzorický systém pro lokální navigaci a překonávání překážek. * The Hermies robots - série robotů vyvíjená na Oak Ridge National Laboratory Center for Engineerings systems Advanced Research , Oak Ridge, Tennessee, USA. Roboty nesly manipulační rameno, sonar a vizuální senzory a byly používány pro výzkum vizuálního vnímání, cílově orientované manipulační strategii. * The VaMoRs Robot - projekt ALR vyvíjený na Univesritat der Bundeswehr, Germany a zaměřený na integrovaný přístup k automatické vizualizaci navádění ALR. * The KAMRO Robot - projekt na Institut for Real-Time Computer Systems and Robotics, University of Karlsruhe, Germany zaměřený na vývoj MR se dvěmi rameny pro experimenty s autonomní navigací, dokováním a montáž. * The FRC Robots - ve Field Robotics Center, Robotics Institute, Cargenie Melton University, byl soustředěn vývoj teleoperátorů a semi ALR pro inspekce a revize v jaderných provozech, činnosti v nebezpečných prostředích (dolech ap.). * BLANCHE - Blanche mobile robot je experimentální vozidlo vyvíjené v AT&T Bell Labs, Priceton, New Jersey, USA. Je konstruován k autonomní činnosti ve známých prostředích (např. úřady, tovární prostory ap.). Využívá optických senzorů a může být využit na experimenty s programovacími jazyky, senzorikou a technikou pro zjišťování chyb a obnovu. 52

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR * The Standford Mobi - podvozek je opatřen všesměrovými koly a je stereokamer a sonary. Mobi může být užit pro indoor navigaci.

vybaven systémem

* The MIT Robots - řada konstrukčně odlišných MR, které jsou vyvíjeny na MIT Artificial Intelligence Laboratory, Cambridge, Massachusetts, USA a jsou používány k ověření nízkoúrovňově senzorických a řídících mechanismů a k užití v řízení různých úrovních. * The LSU - RRL - LSU Robotics Research Laboratory, Baton Rouge, Luisiana, USA. Výzkum zahrnuje vývoj ALR a oustřeďuje se na klíčové oblasti inteligentního snímámí prostředí a navigaci ověřováním rozdílných řídícch metod ALR, pohybujících se v neznámých prostředích. Projekt zahrnuje výzkum řízení dráhy manipulačního ramene pomocí zvukových senzorů a paralelizaci vizuálních systémů. * ALR Robots - The Autonomous Robotics Laboratory firmy IBM T.J. Watson Research Center, Yorktown Heights, New York, je zaměřena na vývoj robotů s robustním snímáním, navigací a řídícími mechanismy včetně vývoje automatických robotických učících se strategií.

7.7.3 Mobilní roboty vyvinuté na VUT FSI v Brně Výsledkem aplikovaného vývoje a výzkumu na Ústavu výrobních strojů, systémů a robotiky, Fakulty strojního inženýrství VUT v Brně, bylo zkonstruování a sestavení mobilních robotů MOBIL I a MOBIL II, VUTBOT 1 a VUTBOT 2.

7.7.3.1 MOBIL I (1994) Byl sestrojen jako náhrada indukčně řízených vozíků (ADV). MOBIL I využívá čáry (černé pásky nalepené na podlaze), která je snímána infradetektory. Výhodou tohoto řešení je snadná změna dráhy, která spočívá ve smazání staré a nakreslení nové dráhy, což urychluje celou rekonstrukci či instalaci nové trasy

obr. 31: Mobilní robot MOBIL I

7.7.3.2 MOBIL II (1995) Mobil II je fyzikální model autonomního mobilního robotu vyvinutý na VUT v Brně, Fakultě Strojní, ÚVSSaR je určen pro experimenty v oblasti lokální a globální navigace. Podvozek se vyznačuje kovovou konstrukcí a je opatřen čtyřmi nezávisle odpruženými koly, z nichž dvě jsou poháněná a dvě řídí směr pohybu. V konstrukci převažují hliníkové a plastové komponenty, čímž se výrazně snížila jeho celková hmotnost, která činila 40 kg, Řídící systém je tvořen procesorem 486 DX-2/66 MHz. Zpětná vazba jednotlivých hnacích motorů pozůstává z neuronových regulátorů (řízení směru, diferenciál, levý a pravý 53

obr. 32: Mobilní robot MOBIL II

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR motor). Obsahuje multisenzorický systém (statické aktivní IR senzory proximitní, UZ senzory pro jízdu v koridorech a chodbách, skanovací systém s IR senzory a ultrazvukový dálkoměr, laserový skanovací systém).

7.7.3.3 VUTBOT 1 (1996) MRS vyvinutý na VUT v Brně, Fakultě strojní, ÚVSSaR. Projekt je řešen v rámci grantu GA ČR Praha reg. č.: 101/93/0945 pod názvem "ALR pro nebezpečná (hazardní) prostředí". Zahrnuje návrh, konstrukci, sestavení a ověření všech funkčních částí, tvořících MRS. Koncepce mechanické části je tvořena tříkolovým podvozkem (2 kola hnací s elektronickým diferenciálem a 1 kolo řídící a směrové), opatřeným DC el. pohony s impulzním řízením trakčních motorů. Rámová konstrukce nese zdroje energie (AKB s inteligentním monitoringem stavu), palubní síť (víceúrovňová), napaječe trakčních motorů i řídícího motoru, senzorický subsystém (ultrazvukový skanovací systém, infračervený aktivní systém, programovatelný laserový skanovací systém), transputerový řídící systém (paralelní řízení činnosti lokomoce, senzoriky, plánování a výběr dráhy, mapování a modelování prostředí, navigaci, pohyb v prostředí a vyhýbání se překážkám a řešení manipulačních a jiných úloh) .

obr. 33: VUTBOT 1

7.7.3.4 VUTBOT 2 (2001 až 2004) V návaznosti na záměr Výzkumného centra pro strojírenskou výrobní techniku a technologii (společný projekt ČVUT Praha a SST Praha) a na podúkol číslo 3: Automatická manipulace v technologických pracovištích a ve výrobních systémech (robotizace a výrobní logistika) je řešen výzkum, vývoj, projekce, konstrukce, výroba, oživení, ověřovací (funkční a provozní) zkoušky, zkušební provoz a praktické užití autonomního lokomočního – mobilního robotu (v textu dále i jako zkratka ALR – MR) VUTBOT 2. Tento robot je určen pro mezioperační dopravu a automatickou manipulaci. Tento nový MR – ALR, je již třetím rokem řešení projektu, realizován z nově vyvinutých a vyrobených, ale i běžně dostupných stavebních prvků (komponent), funkčních bloků a montážních celků jako maximálně otevřený aplikačně multifunkční a variabilní systém. Konstrukce mobilního robotu vychází ze čtyřkolového podvozku s řiditelnou zadní nápravou a poháněnými předními koly. Robot je osazen multisenzorickým systémem pro automatickou navigaci v prostředí a identifikaci překážek a kolizních situací.

54


obr. 34: ALR VUTBOT 2

7.7.4 Komerční aplikace mobilních robotů Dle užití je možno rozlišit dvě hlavní oblasti komerčních aplikací mobilních robotů (MR): A) civilní B) vojenská (policejní) ad A) Civilní využití MR

Připadají v úvahu dva druhy pracovních prostředí, ve kterých se pohybují: • prostředí definovaná jako obyčejná • prostředí označovaná jako nebezpečná člověku Dle účelu použití lze MR rozdělit do oblastí:

7.7.4.1 Strojírenství (resp. oblast výroby a energetiky), kdy se používají: • indukčně řízené podlahové automatické dopravní vozíky (ADV= AGV) (např. typu Robocar, Digitron aj.) k zajištění mezioperační dopravy v pružných výrobních soustavách (PVS). • Mobilní roboty pro obslužné, manipulační a inspekční úlohy ve výbušných, chemicky kontaminovaných nebo s ionizačním zářením, jako jsou: a) důlní provozy: - mobilní robot pro vrtání dlouhých otvorů a ražení čel štol (Automax Co. Jap.) b) jaderné elektrárny, kde jsou mobilní roboty nasazeny pro: - provádění lehkých údržbářských prací (např.typ AIMARS od firmy Toshiba); - provádění inspekčních prací v blízkosti jaderných reaktorů (MR Toshiba, C/V robot Mitsubishi Heavy Industries); - provádění kontroly zdiva jaderných reaktorů (JGC Corp.); - provádění kontroly uvnitř potrubí (JGC Corp.); - provádění dekontaminace čištěním zamořených podlahových prostor (Toshiba Corp.); 55

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR - provádění přemístění a demontáž řídících tyčí reaktoru (Toshiba); - provádění nátěrů; - provádění demontážních prací (Hitachi Zosen Co.); - strážní účely (Meindusha Electric Mfg.,Co.Ltd.).

7.7.4.2 Stavebnictví Zde se používá MR k těmto vybraným činnostem: • dokončovací práce v interiérech (např. firma Tokyu Construction Co.) • venkovní nátěry zdiva (typ KFR-1, Kumagai Gumi Co., Ltd.) • hlídání (kontrolu) vnitřních prostor budov • rozrušování zdiva vodním paprskem (např.BJ 1000, Kumagai Gumi) • nanášení betonových a jiných směsí na povrchy staveb (např. firma Ohbay Astri Corp.) • 3-D měření příčného průřezu tunelů (Kumagai Gumi)

7.7.4.3 Služby a jiné činnosti • • • • • •

V této oblasti nacházejí MR uplatnění pro tyto činnosti: obsluha a doprava materiálu v nemocnicích (v ČR např. automatický dopravní systém MB 300 francouzské firmy Arcante v pražské nemocnici Na Homolce), poštách ap. čištění podlah budov (např. Toshiba Corp.) čištění kanálů a větracích soustav inženýrských sítí (Wintclean Air AB Sweden) čištění oken budov čištění izolátorů na sloupech VVN (typ WSHT NKG Insulators, Ltd., Japan) služby ve veřejném stravování (robot podávající tekutiny typ QG-03 Namco Ltd., Jap.)

ad B) Ve vojenském popř. policejním využití

Využití tam, kde se výhradně jedná o prostředí nebezpečné člověku, se tyto prostředky využívají jako: 1. nosič zbraňových soustav: a) v bojových podmínkách b) při protiteroristických akcích 2. nosiče manipulačních prostředků pro účely: a) průzkumu a odstraňování výbušnin b) pro odminovávání

7.8 Příklady aplikace ve strojírenské výrobě 7.8.1 Automatické dopravní vozíky v pružných výrobních soustavách S rozvojem pružných výrobních soustav (PVS) souvisí vznik a rozvoj nových automatizovaných dopravních a manipulačních prostředků, které vyhovují požadavkům pružné automatizace. Zde nachází uplatnění tzv. indukčně řízené automatické dopravní vozíky (ADV). ADV zabezpečují horizontální přemístění materiálu (polotovarů, obrobků), nářadí, nástrojů, výrobních pomůcek, popř. odpadu. Poznatky v rozvoji PVS ukazují, že ADV jsou vhodné zejména pro oblast mezioperační a mezistřediskové dopravy, jako integrující faktor při propojení robototechnologických komplexů, automatizovaných výrobních, kontrolních a jiných pracovišť do PVS.

7.8.1.1 Charakterisktiky konstrukce ADV Pohyb ADV umožňují obvykle tři kola - dvě hnané pod zdvíhací plošinou a jedno motoricky poháněné (hnací) umístěné v přední části, které je zároveň natáčené s protikolizním chráničem a snímačem odchylky ve směru jízdy. 56

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR V indukčním systému vytváří vodící stopu kabel, uložený do drážky vyfrézované v podlaze, která se po uložení vodiče zalije. Lidskému zdraví neškodné frekvence střídavého proudu vedené kabelem (viz obr. 58), vytvářejí elektromagnetické pole, které snímají indukční cívky - snímače odchylky směru jízdy, umístěné vpředu na ADV. odchylka směru je zpracovaná v stejnosměrném polohovém servosystému a tranzistorovém měniči, který natáčí hnací kolo tak, aby ADV sledoval dráhu vymezenou vodící smyčkou. Rychlost jízdy je regulovaná tyristorovým měničem do kterého vstupuje žádaná hodnota rychlosti, generovaná palubním mikropočítačem. Ztráta magnetického pole vodící smyčky,aktivace čelního protikolizního chrániče, snímače obsazení manipulačního místa, popř. STOP tlačítek na kapotě a rámu ADV způsobí jeho okamžité zastavení, které provází akustická signalizace. Výrobci ADV V bývalém Československu se vývojem, výrobou a využitím ADV zabýval závod ZŤS Martin. Mezi významné zahraniční výrobce patří: • USA: fa. Eaton Kenway - ADV typu Robocarrier XKF, XF obr. 35: Systém řízení ADV: 1 - zapuštěný kabel vedení • Švédsko: fa. Volvo - ADV typu 2 – drážka v podlaze 3 – indukované magnetické pole 4 Autocarrier - snímací anténa s cívkou • Švýcarsko: fa. Digitron AG - vyrábí 4 velikosti ADV a to Robocarrier RC, Robotrailer RT, Robomatic RMB, RM (viz obr. 36).

obr. 36: Indukčně vedené ADV firmy Digitron AG

57


7.8.1.2 Jiné oblasti využití ADV Nemocnice - přeprava kontejnérů do míst přípravy (kuchyň, prádelna, lékárna, sterilovna, spalovna odpadů) a z těchto prostor do jednotlivých míst spotřeby a nemocničních pokojů. Př. nasazení: ČR - nemocnice Na Homolce Praha, Francie - Nantes, Avignon, USA - University of Michigan Hospital. – viz obr. 37.

obr. 37: Příklad použití dopravního systému s ADV

Pošty - USA Postal Service používá ADV v 5 velkých poštách. Ředitelství koncernu - hlavní ředitelství koncernu Westinghouse používá DS s ADV, který zajišťuje dopravu pošty, dokladů, vzorků a materiálu mezi kancelářemi, počítačovým střediskem, laboratořemi a výrobními halami, jakož i dopravu návštěvníků při prohlídce závodu. Laboratoře - automaticky řízený vozík fy FMS (USA) je určen pro práci v lehkých laboratorních provozech (obr. 38).

obr. 38: Robotizovaný dopravní vozík fy FMS vybavený navigací 1 - manipulovaná a přepravovaná součástka (nebo kontejner) 2 chapadlo 3 - robot fy Intellidex 4 - zásobník

58

5 - řiditelné a hnací kolo


7.9 Aplikace v prostředích nebezpečných člověku Za druhou velkou skupinu průmyslových robotů a manipulátorů (1. tvoří stacionární) používaných v prostředích nebezpečných člověku (negativně působících na zdraví člověka nebo přímo ohrožující jeho život), lze považovat pohyblivé či mobilní roboty (manipulátory nebo teleoperátory), které souhrnně nazýváme mobilními robotickými systémy (MRS). 7.9.1

Příklady užívaných MRS v radioaktivním prostředí jaderných elektráren

Velká Británie - V Anglii byl vyvinut MRS nazývaný ROMAN, který má nosnost 35 kg a rychlost pohybu po podlaze od 0 do 60 m/min v obou směrech, tj. dopředu i dozadu (viz obr. 62). Je schopen překonávat překážky do výšky 100 mm a pohybovat se i na šikmých plochách se sklonem do 15o. Na pásovém podvozku je namontován vlastní manipulátor (antropomorfní rameno), které provádí přikázané práce. Německo - v SRN byl vyvinut pásový mobilní robot pod názvem MF 2 (2 pásy) a MF 3E (4 pásy), který je určen pro nasazování ve volném prostoru a velkých místnostech, hlavně pro dekontaminaci, inspekci a opravy. Belgie - obdobné MRS s několika pásy vyvinula také i belgická fa ACEC, který nese jméno VAMPIR a je určen pro údržbu jaderných elektráren.

obr. 39: Mobilní robot ROMAN (Velká Británie)

Japonsko - tato země vyniká co do počtu a různorodosti vyvinutých, vyrobených a používaných MRS pro aplikace v prostředích nebezpečných člověku. Dále je uveden představitel z celé řady MRS. Společnost:

Mendeisha Electric Mfg.Co.,Ltd., Nuclear technology Division, Technical Center, Tokyo, Japan

Název MRS:

MR pro strážní účely v prostorách JE

Počet stupňů volnosti: 2 pro pojezd Hmotnost:

80 kg

Napájení:

AC 100 V, 1,5 kVA

Druh pohonu:

el. DC servomotory

Prostředí:

teplota 0 až 40 oC, vlhkost až 80%

Způsob lokomoce:

3 článkový pásový podvozek

59

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Další charakteristiky:

kontrolní funkci plní 1 barevná TV kamera s 10 násobným zvětšením a autofokusem, mikrofon, měřič úrovně radiace typu GM-1 mR/h až 100 R/h

Řídící systém:

způsob učení pomocí ovládacího panelu

Charakteristika:

na tabuli je vyznačena mapa prostředí a MR může být automaticky

obr. 40: Mobilní robot pro strážní účely v jaderné elektrárně japonské firmy Meidensha

7.10 Příklad aplikace MRS ve stavebnictví Japonsko Společnost:

Tokyu Construction Co.,Ltd.,Mechanics Research Office Tokyo, Japan

Název MRS:

Robot pro dokončovací práce uvnitř budov

Hlavní aplikace:

dokončovací práce interiérů

Způsob řízení:

číslicový

Typ mech. struktury:

TTT

Napájecí napětí:

AC 200 V

Počet stupňů volnosti: 4 Druh pohonu:

elektrický, hydraulický , pneumatický

Hmotnost:

700 kg

Nosnost:

40 kg

Podmínky okolního prostředí: teplota 0 až 40 oC, vlkost 30 až 90 % číslo pohybové osy:

rozsah pohybů: (mm)

max. rychlost: (mm/s)

1

0 - 960

80

2

0 - 100

80

3

0 - 1200

160

Způsob lokomoce:

kolový podvozek, rychlost pojezdu 6 m/min.

Řídící systém:

učící se způsob, senzorika-proximitní (přiblížení), fotoelektrická (polohování), napětí- AC 100 V, paměť - programovací kontroler

Charakteristika:

postupná činnost podporování, zdvíhání, polohování a šroubování

60

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR stropních panelů do výšek od 2,1 do 3 m v automatickém režimu Účinky:

úspory činí až 15% nákladů oproti konvenční metodě. Pro obsluhu je zapotřebí pouze jeden člověk.

obr. 41: MRS pro dokončování interiérů japonské firmy Tokyu Construction

7.11 Příklady aplikací MRS ve službách a jiných oblastech Švédsko

Dálkově řízený MRS BANDY II fy Wintclean Air AB může čistit vnitřek kulatých i hranatých větracích soustav při minimu zásahu do klimatizace. BANDY II je vybaven kamerou, jejíž rozsah vidění je více než 180 o a je řízena za pomoci páky ručního řízení. Kamera nepřetržitě monitoruje a zaznamenává čistící proces, takže se jednotka může ovládat a vyslat na vzdálenost až 30 m do útrob klimatizace - viz obr. 42.

obr. 42: MRS typu BANDY II pro čištění klimatizačních potrubí

Čistí se mechanicky, horizontálně či vertikálně namontovaným rotujícím kartáčem. Špínu nasává výkonný vysavač Wintvac, jehož mikrofiltr s 99,997 % účinností zachycuje znečisťující částice u vstupů do budov. Japonsko Společnost:

Toshiba Corporation, Installed Electrical Equipment Department, Tokyo, Japan

Název MRS a hlavní aplikace: MR pro čištění podlah budov Typ robotu:

inteligentní

Hmotnost:

450 kg

Napájení:

DC 24 V (AKB)

Druh pohonu:

DC servomotor

Podmínky okolního prostředí: teplota 0 až 40 oC, vlhkost 20 až 80 %

61

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Způsob lokomoce: kolový podvozek - 2 kola hnací, 4 nosná a řídící, rychlost 0 až 20 m/min plynule měnitelná Řídící systém:

způsob činnosti - automatický nebo ruční, senzorika - semivodivý laserový senzor vzdálenosti, ultrasonický senzor, dotykový senzor

Charakteristika:

gyroskop a laserový měřič vzdálenosti vedou MR automaticky po stanovené trase podlahy, která je čištěna. Ultrasonický senzor robotu reaguje na překážku v cestě a zastavuje před ní MR. Pokud je MR v dotyku s překážkou, dotykový senzor zastaví činnost robotu. MR je vybaven různými čistícími prostředky a je ho možno ručně navést po trase pomocí ovládacího panelu.

obr. 43: MRS pro čištění podlah budov firmy Toshiba

7.12 Příklady aplikací MRS ve vojenství 7.12.1 Rozdělení vojenských aplikací mobilních robotů Mobilní roboty, využitelné pro průzkum výbušných zátarasů a odtarasování, lze rozdělit do tří základních skupin: 1. Malá bezosádková vozidla (MBOV) pro odstraňování výbušnin, manipulaci s podezřelými předměty a průzkum neznámých objektů. 2. MBOV určená téměř výhradně pro účely ženijního průzkumu výbušných zátarasů a odtarasování. 3. Obrněná BOV, použitelná v podmínkách vedení bojové činnosti. ad 1) Patří sem většina vyráběných typů MRS vyvíjených a vyráběných v těchto zemích: Velká Británie:

WHEELBAROW Mk8, MARAUDER, MOLE

Irsko:

HOBO

USA:

MPR - 800 (obr. 45), FERRET (viz obr. 44)

SRN:

KMR - 1 COBRA

Francie:

MATRA, MC 800

Španělsko:

RODE

Belgie:

ANDROS

Izrael:

TSR - 50, 200, 700

Austrálie:

ECHIDNA

62

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Česká republika:

ROBOT 2

obr. 44: Souprava MBOV typu FERRET vybaveného střelnou zbraní, který je určen k likvidaci nevybuchlých pum a min, průzkumu neznámých objektů, manipulaci s podezřelými předměty.

obr. 45: MBOV typu MRP - 800 (USA), využitelný pro odstraňování nebezpečných předmětů, k požárním účelům, dezaktivaci,střežení objektů ap.

ad 2) MBOV různých výrobců obvykle zahrnují do této kategorie modifikované varianty již vyrobených MRS. Velká Británie:

WHEELBAROW Mk8 REDFIRE

Německo:

MSG

USA:

MIRADOR

ad 3) Tyto MRS je možno použít v podmínkách vedení bojové činnosti a to i v přímém dotyku s nepřítelem. USA:

ROBAT (M60A3)

ČR:

63

ROBOT - 1


7.13 Příklady současných komerčně úspěšných konstrukcí kolových lokomočních ústrojí mobilních robotů Tříkolové podvozky (lokomoční ústrojí mobilních robotů): Příkladem diferenčně řízeného mobilního robotu může být výrobek švýcarské firmy MRS – Mechatronics Research Systems MMDD, který má dvě paralelně umístěná ovládaná kola a jedno podpěrné kolečko. Dále se vyznačuje těmito vlastnostmi: • maximální rychlost: 1 m/s • rozměry: šířka 480 mm, délka 630 mm, výška 530 mm • baterie: 3 hod. na jedno nabití • hmotnost: 50 kg • náklad: 20 kg • ultrazvukový senzor

obr. 46: Diferenčně řízený robot MMDD (vlevo) a typ MMDD-EL fy MRS (vpravo)

Další skupinou mobilních robotů jsou ty, patřící k tzv. Ackermanovu řízení lokomoce. Zde je uveden mobilní robot Trilobot firmy ARRICK Robotics.

obr. 47: Mobilní robot Trilobot firmy ARRICK Robotics

Šestikolové mobilní roboty: Šestikolové mobilní roboty (resp. autonomní lokomoční roboty) jsou zařazeny do zvláštní skupiny, protože jsou řízeny smykem, stejně tak jako pásové podvozky, popř. mají řízena přední dvě a zadní dvě kola. Šestikolové podvozky jsou konstruovány převážně pro venkovní (outdoor) použití, poněvadž dokáží zdolávat členitější terén a nerovnosti. Jelikož jsou konstruovány pro venkovní prostředí vyžadují, aby jejich pohony byly k tomuto účelu pečlivě navrženy. Jelikož se šestikolové podvozky pro vnitřní (indoor) aplikace prakticky nevyskytují je zde možno uvést několik příkladů šestikolových podvozků pro prostředí venkovní (outdoor).

64

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Technickou a technologickou převahu v této oblasti dnes zcela jednoznačně má americká společnost pro výzkum vesmíru NASA se svým programem. Zřejmě nejznámějším mobilním robotem z této dílny je mobilní robot Sojourner, který byl zkonstruován za účelem průzkumu planety Mars.

obr. 48: Mobilní robot Sojourner

Tento robot má všechna kola poháněná a přední a zadní kola jsou směrová. Díky tomuto a speciálnímu kinematickému závěsu kol dokáže překonávat velmi členitý terén. Vývoj tohoto mobilního robotu nebyl nikterak jednoduchý. V laboratoři NASA bylo zkonstruováno několik typů možných robotů, kteří následně procházely náročnými zátěžovými testy. Vzniklo několik unikátních prototypů mobilních robotů, u kterých můžeme vypozorovat některé konstrukční zvláštnosti. Nesmíme rovněž opomenout výkonný řídící systém Sojourneru, který se vyznačoval vysokým stupněm umělé inteligence. Samostatná činnost robotu byla v tomto případě nutností, poněvadž vzdálenost mezi Zemí a Marsem je značná a doba od vyslání signálu byť jen s jednoduchým příkazem trvala několik minut. Proto například řídící supervizor nemohl řídit vyhnutí se Sojourneru s kamenem na Marsu, poněvadž by tato operace by trvala příliš dlouho a proto robot dostal pouze jediný příkaz, aby se překážce vyhnul. Sojourner potom sám našel nejlepší způsob vyhnutí se překážce a úkol provedl. Nejbližšími příbuznými Sojourneru byly mobilní roboty Rocky 3 a Rocky 4 .

65


7.14 Příklady současných konstrukcí mobilních robotů s lokomočním ústrojím tvořeným kráčejícím mechanismem 7.14.1 Dvounohé kráčející roboty: Konstrukce dvounohých kráčejících mechanizmů většinou vychází z anatomie člověka. Odtud vychází rovněž kinematická stavba nohy – koleno – kyčel (– kotník), tedy kombinace několika rotačních kinematických dvojic. Důkazem je velké množství humanoidních robotů např. WABIAN, HONDA, BIPER, MELTRAN atd. Tyto kráčející mechanizmy jsou samozřejmě staticky nestabilní, ale mohou se pohybovat dynamicky stabilní chůzí. Výrazně se pak projevují dynamické účinky pohybu jednotlivých částí robotu (členů kinematického řetězce) a je potřeba znát jejich polohu, rychlost popřípadě zrychlení v každém časovém okamžiku. Je to nezbytné z důvodu udržení stability a zabránění převržení kráčejícího robotu. Abychom získali veškeré informace o poloze, rychlosti, (zrychlení) částí robotu je potřeba velký počet vnitřních senzorů. Je nezbytné rychlé zpracování dat z těchto senzorů a rychlá reakce pohonů Φ zvláště při větších rychlostech chůze. Tento fakt klade vysoké C nároky na řídící systém, neboť pohony musí vyvinout konečně velikou hnací sílu (kroutící moment), což je důležité při návrhu α β dimenzování pohonů. r 2a Většinou vychází návrh robotu z matematického modelu z 2b α y R dle obrázku 74 – dvounohý antropoid. Nejčastěji jsou používány přímé pohony umístěné v kloubech nebo v nejbližším okolí β kloubů (SAICO). Obvyklý počet aktivních stupňů volnosti je 5 x až 12. obr. 49: Schéma k Kromě konstrukcí noh kyčel – koleno (– kotník) se matematickému modelu můžeme setkat s kombinací rotačních a posuvných dvounohého antropoidu kinematických dvojic, např. roboty BARTOLO, NINJYA, PIERNUDA. 2

2

C

1

1

obr. 50: HONDA HUMAN ROBOT (Honda Motor Corp. Ltd. Tokyo, Japan)

Osminohé kráčející roboty: Robot Dante II (obr. 76) byl vyvinut pro prozkoumání kráteru aktivní sopky na Aljašce. Tělo se skládá ze dvou rámů, které se mohou navzájem posouvat a otáčet. Ke každému rámu jsou připevněny 4 nohy v podobě rovinných paralelogramů s jedním stupněm volnosti. Pohyb vpřed se uskutečňuje vzájemným posuvem rámů, vzájemné natáčení rámů zajišťuje změnu směru chůze. Pohon noh slouží pouze pro jejich zdvih, který 66

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR může být v daném rozsahu libovolný. Robot má celkem 11 řízených stupňů volnosti. Výhody: malý počet stupňů volnosti vůči počtu noh, samostatně řízená délka kroku (pro celou čtveřici noh) a rychlost, adaptabilita na terén. Stejného konstrukčního principu (dvourámová konstrukce), ale se šesti nohama, bylo využito pro stavbu robotu Daedalus (obr.77) s 8 řízenými stupni volnosti.

obr. 51: Kráčející robot Daedalus

obr. 52: Kráčející roboty DANTE II

67


8 Periferie Periferie nebo periferní zařízení (někdy označované jako pomocné manipulační prostředky, nebo také mezioperační mechanismy) slouží k vykonávání jednoduchých pohybů s určeným objektem (obrobek, odlitek, svařenec, montážní celek atd.) do míst dosahu průmyslového robotu (PR), nebo manipulátoru (M), zprostředkovávají pohyb mezi jednotlivými pracovními operacemi, nebo do míst mimo pracoviště M a PR., vytvářejí přirozenou zásobu objektu, mění orientaci, umožňují stěhování a urovnání objektů atd. Dá se říci, že zjednodušují náročnost řídícího systému robotizovaného pracoviště (RP) a dále umožňují použít M nebo PR s menším stupněm volnosti nebo méně náročnými parametry. Spolupráce manipulátoru nebo průmyslového robotu přináší zrychlení manipulačního procesu, ale také vyšší přesnost. Vyšší přesnost je dosažena tím, že při použití periferií můžeme: • manipulovaný objekt přesně nastavit, např. v přípravcích, • periferie konstruovat tužší než vlastní M a PR, • použít M s menším počtem kinematických dvojic v řetězci. Konstrukční řešení periferních zařízení je tak mnohotvárné a většinou přizpůsobené určitému konkrétnímu projektu, že lze těžko najít základ pro roztřídění používaných zařízení. Na základě požadavku přehlednosti zpracované problematiky jsou rozděleny periferní zařízení podle několika hledisek a to podle funkce, charakteristické konstrukce a umístění v robotizovaném pracovišti. Podle funkce jsou periferní zařízení rozdělena do třech základních skupin: • periferie přemísťují objekty tak, že mění polohu těžiště, orientace zůstává zachována, nedochází k natočení objektu kolem souřadnicových os souřadnicového systému, který je v těžišti objektu, osy objektu jsou rovnoběžné s osami souřadnicového systému zařízení, • periferie mění orientaci objektu, tzn. že se otáčí podle osy ve svém těžišti, ale objekt se nepřemisťuje, • 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. Jak již bylo zdůrazněno, protože se jedná o učební texty, je třeba dodržet zásadu přehlednosti textu. V 80. letech bylo vyvinuto mnoho periferních jednoúčelových a univerzálních zařízení, které jsou v těchto skriptech prezentovány. Protože se jedná o zařízení, které jsou součástí robotizovaných pracovišť, bylo provedeno jejich rozdělení podle umístění v robotizovaných pracovištích. Některé zařízení mohou být zařazena podle svého charakteru do dvou skupin a v textu bude na ně podrobněji poukázáno. Zařízení dělíme: • vstupní zařízení, • mezioperační zařízení, • výstupní zařízení, • pomocná zařízení. Závěrem nutno konstatovat, že pro periferní zařízení platí, vše co bylo řečeno ve skriptech „Průmyslové roboty I“ o kinematických strukturách M a PR. S ohledem na jednoduchost vystačíme u periferií s mechanismy s 1ºV nebo 2ºV.

68


8.1 Základní rozdělení periferií podle funkce Periferie pro změnu polohy těžiště objektu Přemisťování objektu se děje tak, že se mění poloha těžiště a orientace objektu zůstává zachována. Rozlišujeme periferie se změnou těžiště: • změna polohy těžiště po přímce, • změna polohy těžiště po kružnici, • změna polohy těžiště v rovině • změna polohy těžiště v prostoru Periferie pro změnu polohy těžiště objektu po přímce Tento druh periferií slouží k vykonávání pohybu po přímce o určenou rozteč – viz obr. 53, aniž se mění orientace objektu. Tato skupina je jedna z nejdůležitějších.

obr. 53: Pohyb objektů po přímce se zachováním orientace

Přemísťování objektů do jednoho přesně definovaného místa vytváří podmínky pro zjednodušení pracovního cyklu hlavního manipulátoru. Tím se sníží podstatně požadavky na jeho univerzálnost, zjednoduší se programová náročnost a dosáhne se zkrácení celkového manipulačního času. Zkrácení manipulačního času se dosáhne tím, že se jednotlivé operace překrývají. Na obr. 54a jsou znázorněny pohyby chapadla pro případ, kdy manipulátor odebírá objekty z řadového zásobníku, na obr. 54b je znázorněno uspořádání s použitím posuvného dopravníku, který dopravuje objekty přetržitým pohybem, vždy do přesně definované polohy.

obr. 54: Schéma pohybového cyklu při odebírání objektu : a) z řadového zásobníku, b) z posuvného zásobníku

69

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR zasouvá a vysouvá index 6. Index zaručí přesnou polohu stolu a také brání samovolnému natáčení stolu, když je spojka rozepnutá a píst 1 se vrací do výchozí polohy. Každý válec je řízen vlastním rozvaděčem 8 typu 2/4. Rychlost pístnice pístu 1 lze nastavit regulačním ventilem 7. Tlakovou kapalinu dodává generátor 9. Úhel natočení stolu se nastavuje dorazem (není nakreslen) omezující pohyb pístu 1. Na obr. 55 je prezentována periferie, která natáčí objekty o 90º a při každém otočení je zvedne. Objekty jsou uloženy na paletě do hranice tj. na spodní řadě objektu hřídelového typu leží křížem položena další řada atd. Manipulátor odebírá postupně objekty z nejvyšší vrstvy. Po odebrání všech objektů z této vrstvy se celý sloupec (hranice) zdvihne o výšku jedné řady a natočí se o 90º, aby objekty byly orientovány jako v předchozí řadě. Po odebrání nejspodnější řady objektů se vymění prázdná paleta za novou a stůl je spouštěn d nejspodnější polohy. Pohon uvedený na obrázku předpokládá zdvihání stolu šroubem 1 a maticí 2, poháněnou elektromotorem 5 přes šnekový převod 3. Natočení stolu by se provádělo druhým šnekovým náhonem 4 a elektromotorem 6. Stůl je veden třemi vodícími tyčemi 7.

obr. 55: Schéma periferie, kde se mění poloha těžiště a orientace objektu

8.2 Rozdělení periferií podle charakteristické konstrukce Konstrukční řešení periferních zařízení je velmi pestré a vždy přizpůsobené výrobnímu stroji, manipulátoru nebo průmyslovému robotu, účelu pracoviště, jeho rozměrům atd. Důležitým činitelem tohoto rozdělení je např. rám stroje.

8.2.1 Dopravníky Dopravníky jsou základním činitelem dopravy a jsou různého provedení a typu. Tvoří důležitý článek mezi jednotlivými stroji, pracovišti 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

70


8.2.1.1 Pásové dopravníky Pásových dopravníků se kromě dopravy sypkých materiálů používá též pro dopravu kusových materiálů, a to ve vodorovném nebo mírně nakloněném směru (do 18º).

obr. 56: Typy pásových dopravníků

Na obr. 56 jsou naznačeny tři typy pásových dopravníků. Samozřejmě, že kombinace může být různorodější.

obr. 57: Pásový dopravník

Na obr. 57 je schématicky znázorněn pásový dopravník, který se skládá z těchto konstrukčních skupin: Dopravní pás – je zhotoven většinou z pryže nebo umělé hmoty (PVC) a je vyztužen textilní vložkou; v papírenském a textilním průmyslu se používá místo pásu polyesterové pletené síto a to proto,k že se musí přepravovaný materiál například ponořit do lázně; rychlost pásu bývá v = 0,02 + 1 m.sec-1 podle funkce a výkonu. 1. Bubny – jsou vyrobeny z ocelových trubek po obvodě zdrsněny obráběním nebo pryžovým povlakem 2. Poháněcí ústrojí – je opatřeno elektropřevodovkou a přenos kroutícího momentu bývá řešen řetězem nebo klínovým řemenem. 3. Podpírací válečky – bývají někdy nahrazeny upravenými dřevěnými nebo ocelovými deskami. 4. Napínací zařízení – je nejčastěji provedeno jako šroub a matice. 5. Rám – je svařenec z uzavřených profilů a podle celkové délky bývá řešen jako stavebnicové moduly.

71

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Některé závody se zaměřují na výrobu pásových dopravníků a jejich částí, jako např. Transporta, závod Břeclav. Na obr. 58 je znázorněn podpěrný váleček a jeho umístění v pásovém dopravníku. Kóta B udává šířku pásu a dodává se od 400 – 2000 mm. Kóta E označuje šíři dopravníku a to od 700 – 2600 mm. Délku válečku označuje kóta L a její rozměr je 500 – 1600 mm. Průměr válečku je kóta D a pohybuje se od Ø 63 – 245 mm a průměr hřídele d má rozměry Ø 12 – 45 mm. Pro válečky jsou použita jednořadá kuličková ložiska typu 62 a 63.

obr. 58: Válečky a jejich umístění

obr. 59: Adresný pásový dopravník

72


8.2.1.2 Podvěsné dopravníky Jsou určeny především pro kusový materiál, který je tažen nekonečným obíhacím tažným prostředkem ve vodící dráze. Rozdělují se na jednodráhové a dvoudráhové.

obr. 60: Dráha a řetěz jednodrahového dopravníku

obr. 61: Jednodráhový podvěsný dopravník lehké konstrukce

obr. 62: Dvoudráhový dopravník

5 – napínací jednotka 6 – závěsy dráhy 7 – podsítěné úseky dráhy 8 – odstavné dráhy

1 – řetěz 2 – spodní dráha pro vozíky 3 – vozík se závěsem 4 – hnací jednotka 73


8.2.1.3 Válečkové tratě Válečkové tratě můžeme rozdělit na poháněné a nepoháněné. Nepoháněné válečkové tratě jsou velmi jednoduchá dopravní zařízení, kterých se používá k přemisťování rozměrných a tvarově rozmanitých objektů. Může se na nich provádět jednoduchá montáž, mezioperační předávání montovaných skupin, slouží k zavážení skladů a nakládání do vagónů atd. Nepoháněné válečkové tratě mohou být konstruovány s mírným sklonem, který závisí na provedení válečkové tratě. Pohybuje se v rozmezí 2 - 4º. Na obr. 63 je náčrtek nepoháněné válečkové tratě. Při křižování dvou válečkových tratí je řešení provedeno pomocí točnice 3, která se natočí do požadovaného směru. To se provádí především pro objekty větších hmotností. Lehké kusy se přemisťují přímo přesunutím z jedné válečkové tratě na druhou. Poloměr zakřivení se doporučuje volit pokud možno větší, aby se snížily odpory při přechodu objektů oblouky, tedy R = (3 – 4)B. Rozměr B je šířka válečkové tratě a u širokých válečkových drah, kdy B > 650 mm, se provádí obloukové úseky se dvěma nebo více řadami válečků 1. Válečky mohou být také kuželové 2, ale pro výrobní náročnost se používají jenom vynímečně.

obr. 63: Válečkové tratě

8.2.2 Zvedací a podávací zařízení (balancéry nebo také ruční manipulátory) Ruční manipulátory slouží ke zvedání, přemisťování, popřípadě zasunutí součásti do pracovního prostoru stroje. Používají se pro těžké předměty složitých geometrických tvarů, u kterých je výrobní čas mnohonásobně delší než čas potřebný k obrábění. Dále se jich používá pro přemisťování palet, celých vrstev výrobků, plechů, atd. Nastavení správné polohy součástí vzhledem k nástroji se u obráběcích strojů provádí většinou ručně. Konstrukce zařízení spadající do této skupiny závisí na těchto parametrech: • na konstrukci obsluhovaného stroje, • na vzdálenosti, po které musí být objekt dopravován z místa uložení na místo další pracovní operace, • na hmotnosti a rozměrech objektu. Ruční manipulátory dělíme také podle způsobu vyvození zvedací síly na: • mechanická, • elektrické (elektromechanické), • pneumatické, • hydraulické.

74


8.2.2.1 Mechanické ruční manipulátory Na obr. 64 je princip ručního manipulátoru, kde GZ představuje hmotnost závaží a GP hmotnost přepravovaného objektu. Při řešení teoretického příkladu manipulace je vysvětlen princip manipulátoru. Zvolíme ramena 11 = 12, GZ = 5 kg a GP = 10 kg. Při pohybu směrem k podlaze (pro objekt) musí obsluha svoji silou překonat hmotnost závaží GZ. Při zvedání objektu, otočení a přemístění na určené místo, překonává obsluha také jenom hmotnost 5 kg, protože GZ = 5 kg = GP/2. Je to proto, že závaží svoji hmotností GZ pomáhá přenášet objekt. Určitou nevýhodou je, že obsluha musí překonávat při pohybu dolů i nahoru hmotnost 5 kg, což je ale přijatelnější, než při pohybu dolů nepřekonávat žádnou hmotnost a při zvedání manipulovat s objektem o hmotnosti 10 kg. Na stejném principu jsou založeny ruční manipulátory, kdy hmotnost závaží GZ je nahrazeno akumulovanou energií ve zmáčknuté nebo natažené pružině. to znamená, že obsluha při pohybu pro objekt musí pružinu natáhnout, respektive zmáčknout a po zachycení objektu chapadlem manipulátoru pomáhá akumulovaná energie objekt „nadzvedávat“. Vzhledem k silové charakteristice pružin se tento princip obr. 64: Ruční manipulátor se závažím používá málo a to jenom pro krátké zdvihy ve vertikálním směru. Na obrázku obr. 65 je ruční manipulátor s elektrickým pohonem. Tento ruční manipulátor z hlediska použitelnosti lze považovat za sloupový jeřáb s motorovým zdvihem a ručním ovládáním otočného i horizontálního pohybu. Základní části manipulátoru jsou: • zdvihací zařízení 3, • pohon 4, • ovládání, uchopovací člen (chapadlo) 6, • elektrická ovládací skříň 7. Nosný sloup 1, upevněný k základu šrouby, nese ve své otočné části systém pák paralelogramu 2, který tvoří pracovní rameno manipulátoru. Na konci ramene je upevněná ovládací rukojeť s přírubou na upevnění chapadla. Zdvih ramene se provádí pohybovým šroubem poháněným jednosměrným elektromotorem přes řemenový převod a elektromagnetickou spojku. Rychlost vertikálního pohybu se mění plynule změnou otáček hnacího motoru pomocí potenciometru umístěného v rukojeti ovládání. Horizontální a otočný pohyb je tvořen ručně obsluhou. Chapadlo je samostatná část, kterou můžeme měnit podle druhu manipulovaného předmětu a podle funkce, kterou má manipulátor vykonávat. . Manipulátor má 5 stupňů volnosti pohybu: • motorický vertikální zdvih, • radiální výsuv paralelogramu od osy manipulátoru, • otáčení paralelogramu okolo osy, • otáčení břemene okolo vlastní osy, • výkyv břemene v čepu koncového bodu paralelogramu.

75


obr. 65: Ruční manipulátor RMS – 20

Manipulátor vybavený příslušným chapadlem je připravený k činnosti po zapnutí hlavního vypínače a jističe na ovládacím panelu. Stlačením některého vypínače (s vyznačením směru pohybu) na ovládací rukojeti dojde k pohybu manipulátoru v příslušném směru. Rychlost pohybu je závislá na velikosti zatlačení tlačítka ovládací rukojeti. Zařízení má elektricky blokované krajní polohy zdvihu a také elektrické blokování při nárazu na překážku při spouštění. Technické parametry Nosnost 20 kg Vyložení ramene (od osy sloupu) 1450 mm Otáčení ramene na sloupu 0 – 2275 mm Otáčení chapadla 360º Rychlost zdvihu (plynule) 0 – 0,25 m/s Celkový příkon 1 kW Napětí 220 V/50 Hz Ovládací napětí 24 V Krytí IP 23 Prostředí základní (ČSN 34 00 70) Ruční otočný sloupový manipulátor je na obr. 66. Na nosném sloupu 1 je otočně se svislou osou čepu upevněna základní konzola 2, na které je stejným způsobe uchycené otočné rameno 3. Svislý pohyb břemena zajišťuje elektrický kladkostroj 5, manipulace ve vodorovném směru se děje pomocí držadla 6, které je skloubené s ovládací skříňkou a napájené přívodním kabelem umístěným uvnitř ramene a sloupu. Toto zdvihací zařízení s otočným kloubovým výložníkem je určené pro práci na dílnách, kde je nehospodárné používat mostové jeřáby. Sloupový otočný jeřáb je konstrukčně

76

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR zpracován na základě požadavku zmechanizování obsluhy při práci na obráběcích strojích a manipulaci s materiálem v různých výrobních procesech. Výrobek je zhotovován na základě ověřené technologické výroby, která zajišťuje max. bezpečnost zdvihacího zařízení.

obr. 66: Otočný manipulátor SOZ – 05

Technické parametry Nosnost konstrukce 500 kg Výška zdvihu 2400 mm Délka ramene 1 1500 mm Délka ramene 2 2000 mm Manipulační dosah 3500 mm Výška konstrukce 3335 mm Pracovní okruh 360º Pracovní zařazení podle kladkostroje Pneumatický ruční manipulátory. Jde o ruční manipulátor řady PMS (obr. 67), který se vyrábí ve třech modifikacích PMS 10, PMS 180, PMS 250, které se liší nosností a velikostí pracovního prostoru. Nosnost manipulátoru PMS 110 je 110 kg. PMS 180 je 180 kg a PMS 250 je 250 kg. Těchto manipulátorů využíváme jako doplněk k technologickým a výrobním zařízením ve slévárnách, obrobnách apod. Umožňují snížení námahy při ruční manipulaci s břemeny a umožňují citlivou manipulaci s odlitky a obrobky při jejich upínání na obráběcí stroje apod. Manipulátor PMS má stojanovou modulární konstrukci. Má tři stupně volnosti pohybu a pracuje v cylindrickém pracovním prostoru. Hlavní celky manipulátoru jsou: • nosný sloup přišroubovaný k základu, • paralelogram, • závěsná jednotka.

77

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Tlak vzduchu (MPa) nastavený regulátorem tlaku v ovládací skřínce Maximální hmotnost břemene (kg)

Typ manipulátoru

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,62 0,64

PMS 110 PMS 180 PMS 250 PMZ 110 PMZ 180 PMZ 250

10 9 15

23 43 50 20 41 61

45 76 100 42 72 104

67 109 150 63 104 145

89 142 200 84 135 185

110 174 250 105 167 230

180 110 240

180 250

tabulka 4: Nosnost manipulátoru

obr. 67: Pneumatický ruční manipulátor PMS

8.3 Rozdělení periferií podle umístění v robotizovaném pracovišti Jak již bylo řečeno v úvodu, jedná se o zařízení vyvinuté v různých ústavech a podnicích. Jejich zařazení do 4 skupin (vstupní, mezioperační, výstupní a pomocná zařízení) je v některých případech diskutabilní. To však není nejdůležitější. Hlavím cílem je seznámit s těmito zařízeními studenty s širokou technickou veřejnost. V praxi záleží na projektantovi, jakým způsobem daný technický problém vyřeší. Na základě prozatímních zkušeností je možné konstatování, že jednotlivé druhy prezentovaných zařízení se opakují v robotizovaných pracovištích (5 – 10 %). Ve zbývajících případech se periferie řeší jako účelové nebo upravené tak, že mají charakter nového zařízení.

78


8.3.1 Vstupní zařízení robotizovaných pracovišť Modulový zásobník přírub (MZP –1)

obr. 68: Zásobník přírub

Technické parametry Dovolené zatížení Rozměry manipulovaného předmětu − průměr − šířka Max. rychlost Opakovaná přesnost polohování (po ustavení v překlápěcí poloze) Příkon − do 5 ks prodlužovacího modulu − od 6 do 11 ks prodlužovacího modulu Hmotnost (podle počtu prodlužovacích modulů)

2000N/m 50 – 240 mm 10 – 100 mm 0,027 m/s ± 0,1 mm 0,55 kW 1,1 kW 550 – 1320 kg

Velkokapacitní zásobník přírub (ZP 140/3) Velkokapacitní zásobník pro přírubové součásti ZP 140/3 je doplňkové zařízení pro automatizované výrobní systémy s PR na vytvoření operační zásoby na vstupu, popř. i při odkládání obrobených přírubových součástí. Kapacita zásobníku umožňuje např. v technologii obrábění vytvořit zásobu polotovarů minimálně na ½ pracovní směny. Velkokapacitní zásobník je řešen jako řetězový dopravník. Nosiče polotovarů 10 jsou unášené dopravníkovým řetězem 15 drahou vytvořenou ve tvaru šroubovice, která je vedená

79

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR soustavou řetězových kol 16. Funkční část zásobníku 1 je vyměnitelná. Odbírací místo je volené na delší nebo na kratší straně zásobníku. Zásobník může pracovat v automatickém cyklu v součinnosti s PR, nebo může být ovládaný ručně. Velkokapacitní zásobník má tyto základní části viz obr. 69: • funkční část zásobníku 1 • rychlospojku 12, • nosný rám 2, • prvky pro úpravu vzduchu 13, • pevnou osu 3, • snímač polohy nosiče přírubových součástí 14, • otočný hřídel 4, • spirálovou dráhu 5, • dopravníkový řetěz 15, • podstavec zásobníku 6, • řetězové kolo 16 • elektroskříň 7, • boční rám 8, • nastavovací šroub 9, • nosič přírubové součásti 10, • otočný válec 11,

obr. 69: Velkokapacitní zásobník přírub

Technické parametry Max. hmotnost přírubové součásti 3 kg Max. rozměry přírubové součásti − průměr 200 mm − šířka 60 mm Kapacita zásobníku 140 ks Výška vychystávacího místa 1000 – 1200 mm Pohon zásobníku pneumatický Pracovní tlak 0,4 – 0,6 MPa Ovládací napětí 24 V Půdorysné rozměry 1800 x 1200 Hmotnost zásobníku 700 kg

80


Zásobník přístřihů (ZL 250, ZL 500, ZL 500 – 800) Zásobník přístřihů (obr. 70) je doplňkové zařízení pro vytvoření zásoby polotovarů v automatizovaných technologických zařízeních, nebo v automatických výrobních systémech ve spolupráci s PR pro technologii plošného tváření.

obr. 70: Zásobník přístřihů

Zásobník přístřihů zajišťuje stálou odebírají výšku polotovarů (přístřihů) a přesun palety 6 po jejím vyprázdnění do výchozí polohy pro odebírání prázdných a nakládaní plných palet. Přesun palet vykonává přesuvný stůl 2, na kterém jsou dvě palety. Jedna je vždy v odebírají poloze a druhá ve výchozí poloze. Potřebná odebírají výška je kontrolovaná snímačem 10. Separaci přístřihů zabezpečuje magnetický separátor 8. Magnetický separátor a snímače 9, 10 jsou odklopné. Zásobník má reléový ovládací systém, který mu umožňuje pracovat v automatickém cyklu v součinnosti s PR, nebo v ručním režimu.

81

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Zásobník se skládá z těchto skupin: rámu 1, přesuvného stolu 2, teleskopického hydraulického válce 3, • pneumohydraulického agregátu 4, • nádrže 5, • palety 6, • vedení přístřihů 7, • • •

• • • • • • •

magnetického separátoru 8, snímače přítomnosti plechu 9, snímače výšky stolu 10, přestavitelné nohy 11, hydraulického tlumiče energie 12, pneumatického válce na přesun stolu 13, rozvodné krabice 14.

Technické parametry Max. rozměr přístřihů 250 x 250 (Ø300) mm Max. výška stolu 500 mm Horizontální posuv stolu 400 mm Přestavitelnost výšky zásobníku 200 mm Rozměr palety 350 x 400 mm Pohon pneumatický Pracovní tlak 0,4 + 0,6 MPa El. přípojka 380/220 V, 50 Hz Ovládací napětí 24 V, 50 Hz Spotřeba vzduchu 5,5 . 10-3m3 Přesun palet cca 4 s Rozměry zásobníku − délka 1240 mm − šířka 595 mm 1050 mm − výška Hmotnost cca 250 kg Velkokapacitní zásobníky (ZH 30/15)

obr. 71: Velkokapacitní zásobník

82

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Zásobník hřídelů ZH 30/15 je doplňkové zařízení pro automatizovaná technologická pracoviště a automatizované výrobní systémy s PR pro technologii obrábění. Může se použít i v jiných výrobních technologiích (tváření aj.). Zásobník hřídelí zabezpečuje stálou odebírají výšku polotovarů. Je řešen jako řetězový dopravník, přičemž nosná konstrukce je vytvořená ze spodního rámu 1, na kterém je upevněna jednotka 2. Polotovary jsou uložené v zásobníku horizontálně v závěsných nosičích. Prostřednictvím nosných elementů (dopravníkových řetězů) jsou podávané do odbíracího místa, které je určeno polohou koncového spínače na kontrolu přítomnosti polotovaru před odbíracím místem. Zásobník má reléový ovládací systém, který mu umožňuje pracovat v automatickém cyklu v součinnosti s manipulačním zařízením (PR), nebo v ručním režimu. • • • • • • • •

Zásobník se skládá ze: spodního rámu 1, pohonné jednotky 2, pevného rámu 3, přestavitelného rámu 4, ovládacího pultu 5, nosného řetězu 6, nosného hřídele 7, elektromagnetické spojky 8,

• • • • • • • •

hnacího řetězového kola 9, řetězového kola 10, opěrné tyče 11, aretačního mechanismu 12, snímače polohy 13, elektromagnetické brzdy 14, základního rámu 15, pojezdové kladky 16,

převodového řetězu 17.Technické parametry Nosnost 500 kg Ø Max. hmotnost dílce 15 kg Max. rozměry dílce 150 x 450 mm Kapacita 90 ks − do Ø 40 30 ks − do Ø 150 Takt podávání 5s Pracovní výška odbíracího místa 800 až 1200 mm Min. rozestup nosných rámů 60 mm Pohon elektrický Rozměry zásobníku − délka 1929 mm 915 mm − šířka 1835 mm − výška Hmotnost 364 kg

8.3.1.1 Přesuvné zařízení palet (PZP 3) Přesuvné zařízení palet (obr. 72) slouží k přípravě, orientaci a zásobě polotovarů na automatizovaném technologickém pracovišti s PR. Je určeno k operační zásobě a chystání přírubových a hřídelových součástí na pracovišti soustružení. Zabezpečuje přísun a odběr systémových palet k PR a otáčení palet v pracovní poloze. Současně může vézt dvě palety. Ve vstupní poloze je připravena systémová paleta s polotovary. Po opracování polotovarů se systémová paleta s obrobky z pracovní polohy přesune do výstupní polohy a zároveň se přesune ze vstupní polohy paleta s polotovary do pracovní polohy. Polohy, vstupní a výstupní se mohou podle charakteru výroby navzájem zaměnit.

83

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Zařízení se skládá z: • rámu 1, • přesuvných vozíků 2, • zvedacího stolu 3, • otočného stolu 4.

obr. 72: Přesuvné zařízení palet

Technické parametry Rozměry palety 800 x 800 mm Posuv vozíku 1000 mm Počet poloho otočného stolu 4,6,8,12,15,24 Pohon elektro-pneumatický Tlak vzduchu 0,5 MPa Spotřeba stlačeného vzduchu 0,7 m3/min Napájecí napětí 3 x 380 V, 50 Hz Ovládací napětí 24 V Rozměry zařízení − délka 3160 mm 890 mm − šířka 685 mm − výška Hmotnost cca 1000 kg

84


8.3.1.2 Vertikální zásobník

obr. 73: Vertikální zásobník

Vertikální zásobník (obr. 73) má sloužit jako univerzální zásobník pro uložení hřídelových, přírubových a nerotačních součástek. Má tyto součástky automaticky přesouvat na dosah chapadla PR nebo manipulátoru. Na dva článkové řetězy jsou zavěšené plošiny, na kterých jsou uložené polotovary. PRaM odebírá polotovar z plošiny a po obrobení na obráběcím stroji h uloží zpět na původní místo v zásobníku. Vertikální zásobník má tvar skříně sešroubované ze dvou bočnic, středního vyztužovacího rámu a spodního rámu. Vodorovnou polohu plošin je možno vyrovnat vzájemným natočením řetězových kol na hřídeli. Tyto plošiny nesou vždy jednoduché středící přípravky (lůžka, nosiče), konstrukčně přizpůsobené tvaru součástky a též manipulačním možnostem PR. Zásobník je poháněný elektromotorem s převodovkou. Krokování je automatické přes řídící systém PR nebo ručně. • • • • • •

Zařízení se skládá z: bočnice 1, středního vyztuženého rámu 2, spodního rámu 3, článkového řetězu 4, nosné plošiny 5, řetězového kola 6.

8.3.1.3 Vertikální zásobník hřídelí Zásobník hřídelí (obr. 4.122) umožňuje vytvářet zásobu hřídelí na automatickém technologickém pracovišti. Může se použít jako systémová paleta, která může ale spolupracovat pouze s otočným stolem OS 600, na který se umístí. Otočný stůl zabezpečuje krokování, tj. stálé odebírající místo obrobků. Zásobník hřídelí je ustavený na otočném stole OS 600, který pootáčením chystá hřídele na manipulaci s PR, nebo manipulátorem. Hřídele 4 jsou upnuté ve hrotech 1 a čelistech 2. Čelisti otevírá uvolňovací zařízení. Přestavení délky se provádí stavěcím šroubem 3. 85


obr. 74: Vertikální zásobník hřídelí

8.3.1.4 Vstupní zařízení

obr. 75: Vstupní zařízení

Vstupní zařízení (obr. 75) je určené na automatické dávkování hřídelového tvaru z palety při obrábění. Vstupní zařízení se skládá ze dvou zvedacích stolů, podávacího skluzu 2 a dvou výsuvných zařízení 3. Po stranách podávacího skluzu jsou umístěné zvedací stoly 1 s výsuvným zařízením 3. Zvedací stůl zvedá paletu 4 s polotovary a zároveň ji krokuje. Výsuvné zařízení vysouvá rovinu polotovarů z palety na podávací skluz. Podávací skluz dopravuje a podává polotovary do odebírají výšky PR. Po vyprázdnění palety na jednom zvedacím stole se automaticky začne vyprazdňovat paleta na druhém stole. Pak se může začít plnit vyprázdněna paleta na prvním stole. Po vyprázdnění druhé palety se cyklus opakuje. Technické parametry Zvedací stůl Max. nosnost 500 kg Max. zdvih 300 mm Rychlost zdvihu 0,014 m/s Délka kroku podle průřezu Napájecí napětí 3 x 380 V/50 Hz Příkon 0,6 kVA Dolní poloha od podlahy 715 mm 86

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Podávací skluz Sklon plošiny 5º Šířka plošiny 260 mm Délka plošiny 850 mm Zdvih podávacího válce 160 mm Výsuvné zařízení Délka zdvihu 400 mm Požadovaný tlak vzduchu 0,4 – 0,6 MPa

8.3.1.5 Obraceč přírub (UNO-2)

obr. 76: Obraceč přírub (UNO–2

Obraceč (obr. 4.145) je určený k otáčení přírubových součástí o 180º okolo horizontální osy při stálé odbírací výšce. Pracuje v automatickém cyklu. Je řízen řídícím systémem PR, nebo ručně přes ovládací panel. PR odloží přírubu na odkládací plošinu, která je v horní poloze. Čelisti obráběče uchopí přírubu, plošina se přesune do spodní polohy, obráběč otočí přírubu o 180º, plošina se vysune do horní polohy, čelisti uvolní přírubu, a ta zůstane ležet na plošině. Obraceč se skládá z: • rámu 1, • otočné jednotky 2, • čelistí obráběče 3, • odkládací plošiny 4, • ovládacího panelu 5.

8.3.1.6 Univerzální obraceč přírub UNO-3 Na obr. 4.146 je obraceč přírub, který byl vyvinut pro technologii obrábění. Byl použit v RP obrábění rotačních přírubových součástí z obou stran s horizontálně orientovanou osou rotace. Je určen pro otočení rotační přírubové součásti o 180º po opracování v technologickém zařízení, a přichystání do přesně definované polohy PR v případě součásti nesymetrického tvaru. Chapadlová část obráběče je konstrukčně řešena pro čtyřbodové prizmatické upnutí. UNO-3 nemá autonomní řídící systém, propojuje je se přímo k systému PR. Doporučují se tyto typy PR: PR 16, M 63, AM 80, PR 32-E, APR 20. 87

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR UNO-3 se skládá z konstrukčních skupin: • rámu 1, • otočné jednotky 2, • chapadla 3, • posuvné jednotky 4, • noh 5.

obr. 77: Univerzální obraceč přírub UNO-3

Technické parametry Rozsah manipulovaných předmětů min. max. Max. hmotnost součástí Pracovní tlak Ovládací napětí Hmotnost Max. pohyb jednotek otočná posuvná zdvih chapadla Operační pohyby jednotek posuvná otočná chapadlo Příkon Spotřeba vzduchu Délka pracovního cyklu max. Upínací síla v prizmách chapadla (0,45 MPa) 88

Ø 70 až 200 mm Ø 200 až273 mm 16 kg 0,4 – 0,6 MPa 24 V 96 kg 3,14 rad 50 mm 106 mm 0,115 m/s 2,21 rad/s 0,48 m/s 35 W 0,005 m3 10 s 1170 N


8.3.2 Výstupní zařízení Výstupní zařízení jsou hodně různorodá zařízení, která jsou speciálně konstruována pro každé pracoviště samostatně. Také se v hodně případech shodují se vstupním zařízením např. dopravníky. Nejjednoduššími výstupními zařízeními jsou skluzy různých tvarů. Hotová součást sklouzne po poslední operaci neorientovaně do palety.

8.3.2.1 Krokovací řetězový dopravník

obr. 78: Krokovací řetězový dopravník

Na obr.obr. 78 je doplňkové zařízení používané pro mezioperační manipulaci s polotovary, resp. hotovými výrobky. Výhodou uvedeného zařízení je jeho nízká energetická náročnost, jednoduchého konstrukčního provedení, možnost výškového přestavení s vytvořením dráhy, lehká konstrukce a jednoduchost přestavení délky kroku. Zařízení bylo vyvinuto pro odsun výrobků z plastu od vstřikovacích lisů. Uplatnění najde i při mezioperační manipulaci s kartóny různého tvaru a velikosti do délky 450 mm. Předmět je dopravován po čtyřech válečkových řetězech krokováním. Základem dopravníku je nosný rám vytvořený z tenkostěnného profilu. Uvnitř rámu je umístěn pneumatický válec, jehož pístnice je ukončena volnoběžnou spojkou, která zapadá do střední dvojice řetězů. Po obou krajích válce jsou ještě uloženy dva řetězy, přičemž čtveřice řetězů je nekonečně opásána přes vodící bubny, v horní části jsou řetězy vedené vodícími lištami a tvoří nosný element dopravovaných předmětů – dopravní plochu. Krokování je zabezpečeno pneumatickým válcem, který je ovládán elektromagnetickým rozvaděčem. Volnoběžka, zablokovaná vysunutím pístnice, unáší řetěz o délku nastavenou pevným dorazem na pístnici. Při pohybu pístnice zpět se volnoběžka uvolní a otáčením ozubených kol po řetězu se vrátí zpět do výchozí polohy, přičemž řetězy jsou blokované spojkou, která je umístěna v jednom z bubnů. Přesunutý předmět o zvolený krok zůstává na řetězu a na vstupu je volný prostor pro uložení dalšího předmětu. Ve spodní části rámu jsou po obou stranách dopravníku upevněné kyvné vidlice noh, které umožňují naklápění rámu při výškovém ustavení. Nohy čtvercového průřezu jsou posuvně uložené ve stojanu jehlanovitého tvaru, s patkami pro ukotvení ve spodní části. Zařízení nemá autonomní řídící systém, jeho ovládání je možné jen po připojení k ŘS PR. Samostatné zařízení obsahuje jen jednocívkový rozvaděč.

89

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Technické parametry Dovolené zatížení 50 N/m Hlavní rozměry 1025 – 1245 mm výška 2250 mm šířka 3000 mm délka Rozsah manipulovaných předmětů min. 100 x 100 mm max. po délce 450 mm Pracovní tlak 0,4 – 0,6 MPa Opakovaná přesnost polohování ± 1 mm Rychlost regulovatelná Spotřeba vzduchu 0,0012 m3

8.3.2.2 Pomocné zařízení 8.3.2.2.1 Stojan pro palety Na obr. 79 je stojan pro palety, který se používá jako pomocné zařízení. Vyrábí se v několika variantách podle druhu palety a operační hladiny. Bývá součástí mobilního robotického systému. Vyrábí se pro palety 800 x 600 mm a 1200 x 800 mm. Operační hladina H je 390, 450, 490, 620 mm a nosnost od 320 do 500 kg.

obr. 79: Stojan na palety

8.3.2.2.2 Kontrolní zařízení 1 Na Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. je kontrolní zařízení pro palety 1200 x 800 mm a slouží na kontrolu hmotnosti palet 1200 x 800 mm, kontrolu horního a dolního obrysu palety. Je určeno pro spolupráci s mobilním robotickým systémem.

90


Technické údaje Nosnost Pracovní výška Hmotnost zařízení Zastavěná plocha

500 kg 430 mm 215 kg 900 x 1550 mm

obr. 80: Kontrolní zařízení 1

8.3.2.2.3 Zvedací plošina

Zvedací plošina (Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.) je krabicové konstrukce, ve které hydraulický válec uvedený do činnosti ovládá zvedací mechanismus. Zvedací mechanismus přes hydraulický válec ve vertikálním směru zvedací plošinu stolu. Je ručena na zvedání palet směrem nahoru a dolů s přesným krokováním. Zařízení se skládá z hydraulického válce 1, zvedacího mechanismu 2 a zvedací plošiny 3.

obr. 81: Zvedací plošina

Technické údaje Hlavní rozměry • výška • šířka • délka Nosnost Zdvih Hmotnost Rychlost zdvihu Tlak Elektrické napájení 91

400 – 900 mm 450 mm 1000 mm 3000 kg 500mm 500 kg 25 cm/s 6,3 MPa 12 V


8.3.3 Polohovací zařízení a manipulátory

8.3.3.1 Programovatelný polohovací robot OJ – 10 P Použití: Polohovací robot OJ – 10 P je určen pro nastavení svarků do optimální polohy při svařování. Je speciálně konstruováno pro operační modulové pracoviště OJ – 10 s možností použití pro robotizaci tam, kde je možné využít jeho max. nosnosti 250 kg (např. orientace dílců při montáži). Technické parametry Max. nosnost 250 kg Max. moment setrvačnosti zatížení 16 kg . m2 Max. statický moment zatížení vzhledem k ose rotace − ramena + 153,6 Nm - 506,8 Nm 334,2 Nm − upínací desky 2 • počet stupňů volnosti IP 43 • krytí Rozsahy pohybů − rotace ramene 270º (+180V, -90º) − rotace upínací desky 560º − hmotnost 340 kg ± 0,1 mm na obvodu up. desky − nepřesnost polohování Rychlost pohybů − okamžitá max. rychlost rotace obou 1,04 rad s-1 (60ºs-1) − doba otočení o 360º • rameno 6 s letmo • upínací deska 6 s letmo Pohonné jednotky − motory SRID-2 (In = 16 A, Un = 64 V) − převodovky HP 120 - 207 − použité oleje v převodech OT H3P, OT-T2A 1500 W − instalovaný výkon motorů Pracovní prostředí − teplota okolí min. + 5 ºC, max. + 50 ºC − max. relativní vlhkost vzduchu 80 % − atmosférický tlak min. 86 kPa − prašnost • množství • velikost částic 3 m – 1 mm − druh prostředí obyčejné dle ČSN 33 03 00 čl. 3.1.1 − druh klimatického provedení N 32 dle ČSN 03 88 05 − odolnost vůči mechanickému kmitání 25 Hz • frekvence ± 0,2 • amplituda 4g • rázy

92

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR 4 – Tubus 5 – Rameno 6 – Upínací deska

1 – Stojan 2 – Pohonová jednotka naklápění 3 – Pohonová jednotka otáčení upínací desky

obr. 82: Polohovací robot OJ – 10 P

93

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Tubus polohovacího robotu OJ – 10 P Legenda: 1 – Diskový motor 2 – Harmonická převodovka 3 – Tubus 4 – Speciální ložisko 5 – Unášecí deska

6 – Šroub 7 – Matice 8 – Nástavec 9 – Zátka

obr. 83: Tubus polohovacího robotu OJ – 10 P

94

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Rameno polohovacího robotu OJ – 10 P Legenda: 1 – Rameno 2 – Diskový motor 3 – Harmonická převodovka 4 – Speciální ložisko 5 – Unášecí deska

6 – Zátka 7 – Zátka 8 – Vedení 9 – Těleso

obr. 84: Rameno polohovacího robotu OJ - 10 P

95


8.3.3.2 Manipulátor svarku MZ 500 Použití: Manipulátor svarku je určen pro operační manipulaci a mezioperační manipulaci se svarkem v robotizovaných svářecích pracovištích v použití s průmyslovým robotem APR 20 – řídící systém RS – 4A. MZ 500 je konstrukčně řešen tak, že dovoluje současné ustanovení nebo uvolnění jednoho svarku a svařování druhého svarku. Po ukončení svařování a ustavení nového svarku umožňuje výměnu upínacích desek (pracovních stolů). Technické parametry Základní technické údaje − hlavní rozměry • výška • šířka • délka − celková hmotnost − počet stupňů volnosti − nominální nosnost upínací desky − užitečný Mk upínací desky − užitečný klopný M up. desky ZRJ (Mk ZRJ) − úhel otočení up. desky RJ − celkový úhel otočení up. desky ZRJ od syncho polohy − úhel otočení otočné podstavy diskrétní polohové řízení OP dvě polohy OP − rychlost otáčení OP − kroutící moment OP − tlak vzduchu pro otáčení OP − spotřeba vzduchu potřebného ne jedno protočení (180º) OP − dovolená vzdálenost těžiště svarku od roviny up. desky − excentricita těžiště svarku vzhledem k ose up. desky RJ − opakovaná přesnost polohování Napájecí napětí − ovládací pult − motory SRID 2 750 W − snímače rychlostí − jmenovitý příkon krytí Parametry spolehlivosti − střední čas mezi poruchami − střední čas oprav − stř. tech. život do vyřazení z provozu − střední doba používání − stř. techn. život do 1. stř. opravy − stř. techn. život do 2. stř. opravy

1900 mm 1000 mm 2040 mm 1500 kg 5 500 kg 546 + 846 Nm 790 + 1210 Nm ± 360 º

Dle zátěžového diagramu max. 0,1 1 + PEN 220 V, 50 ± 2 Hz +10 % dle ČSN 34 00 35 Un 64 V, js In 16 A 1,5 kW, 3 kVA IP 40 ČSN 33 03 30 500 hod 120 min 40 000 hod 8 kroků 16000 hodin 26 000 hodin

96

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR Legenda: 1 – Základní rotační jednotka 2 – Rotační jednotka 3 – Otočná podstava 4 – Ovládací panel 5 – Zástěna

6 – Nosič kabelů 7 – Diskový motor s brzdou 8 – Tachogenerátor a inkrementální snímač polohy

obr. 85: Dvoustolový operační manipulátor MZ 500

97


8.3.3.3 Manipulátor svarku MZ 250 P/M Použití: Manipulátor svarku je určen pro operační manipulace se svarkem při robotizovaných a automatizovaných svářecích pracovištích. Jeho konstrukce dovoluje současné ustavení nebo uvolnění jednoho svarku a sváření druhého svarku a následnou výměnu stolů s otáčením ramena o 180 º. Polohování svarku je po diskrétních polohách a to: o otáčení - 8 poloh po 45 º v jednom směru, o sklápění – 3 polohy: 0 º - 45 º - 90 º a zpět. Ustavení se provádí na stolu mimo svařovacího prostoru. Blokování pohybů tohoto stolu během ustavování (nutné z hlediska bezpečnosti práce), automatické polohování druhého zařízení a ustavujícího pracovníka zabezpečuje nadřízený řídící systém svařovacího pracoviště – např. RS robota. Zabezpečení řízení manipulátoru je potřebné provést v projektu pracoviště. Manipulátor je možné použít i na blokování předmětů při kterých řídící systém RS – 3 robotu PR 32 E netvoří nadřízený systém pracoviště ve smyslu těchto TP, je třeba konzultovat s výrobcem. Technické údaje Základní technické údaje 250 kg − nosnost jednoho stolu 0,6 rad s-1 − max. rychlost otáčení ot. stojanu 0,6 rad s-1 − max. rychlost otáčení ot. stolu 0,6 rad s-1 − max. rychlost sklápění ot. stolu 500 mm − průměr up. desky 900 mm − výška stolu od kotvící roviny manipulátoru 1580 mm − celková výška manipulátoru Ø 2000 x 1600 mm − pracovní prostor man. 900 kg − celková hmotnost 600 A − max. svařovací proud při 60 % DZ Js 15 − světlost přívodního potrubí tl. vzduchu − spotřeba vzduchu (je proměnná veličina ovlivňovaná 500 + 700 kPa daným svarkem) 200 Nm − max. kroutící moment ot. stolu 600 Nm − max. klopný moment ot. stolu k ose naklápění ± 0,2 mm − opakovaná přesnost polohování 100 VA − El. příkon zařízení − ovládací napětí elektropneumatických rozváděčů 24 V ± 15 % DTE 5/2 2E − přechodný výkon potřebný na překlopení rozváděče 35 VA 7,5 VA − přídržný výkon rozváděče v překlopeném stavu 24 V = ± 10 % − ovládací napětí elektropneum. ventilů EV-58 22 W − ovládací výkon elektopneum. ventilů EV-58 24 V = ± 25 % − provozní napětí bezkontaktních spínačů UBM 223 ± 10 % − max. zvlnění provozního napětí spínačů 350 kΩ − min. zatěžovací odpor spínačů 35 kΩ − max. zatěžovací odpor spínačů 0,1 mA − základní proud spínačů v neaktivovaném stavu 24 V = ± 10 % − ovládací napětí elektropneum. ventilu 2 VE 6D 15 W − ovládací výkon elektropneum. ventilu 2 VE 6D Charakteristika spolehlivosti: 98

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR − − − − − −

stř. doba mezi poruchami po 1000 hod. provozu střední pracnost opravy střední pracnost údržby střední technický život střední doba používání krytí

Legenda: 1 – Stojan 2 – Rameno 3 – Otočný stůl

600 hodin ½ hodiny 20 hod/rok 40 000 hodin 10 roků IP 43 4 – Rozvod brzd 5 – Zástěna

obr. 86: Dvoustolový operační manipulátor MZ 250

99


9 Použití PRaM ve výrobních a nevýrobních oblastech 9.1 Ukázky automatizace různých pracovišť pomocí PRaM 9.1.1 Automatizovaný výrobní systém obrábění

9.1.2 Automatizované technologické pracoviště obrábění

100


9.1.3 Automatizované technologické pracoviště na zarovnání čel hřídelí a navrtávání středících důlků

9.1.4 Automatizované technologické pracoviště plošného tváření

101


9.1.5 Automatizované technologické pracoviště pro svařování

9.1.6 Automatizované technologické pracoviště objemového tváření

102


10 Zásady projektování RTP, AVS a ARS RTP – robotizované pracoviště AVS – automatizovaný výrobní systém ARS – automatizovaný robotický systém

10.1 Příprava předprojektová 1. Osobně se seznámit s prostory pracoviště, kde se uvažuje s nasazením PRaM: nutno zajistit půdorysné i výškové rozměry prostoru; pořídit náčrt rozmístění stávajícího výrobního zařízení na pracovišti; do náčrtu zanést všechny vývody a přívody energie: o způsob vedení: na stěnách, podlahovými kanály, mostové závěsy pod stropy aj.; o el. energie: počet a typy zásuvek (napětí, proud); o stlačený vzduch: max., min., jmenovitý tlak; o tlakový olej: typ hydroagregátu, technické údaje (provozní tlak, průtok atd.); zjisti po jakých přístupových cestách a jakými směry se pohybují v daném prostoru: a) osoby: množství osob/hod; b) materiál: typ dopravních prostředků; typ přepravek; druh materiálu (polotovary, polovýrobky, výrobky); zjistit rozmístění, počet a velikost vstupních a výstupních dveří, ústících do objektu pracoviště. 2. Osobně se seznámit s dílenskými, provozními a technickými pracovníky uvažovaného pracoviště: v nezávazném rozhovoru je seznámit s projekčními záměry; dle jejich názoru na předběžné rozmístění strojů, PRaM, periferií atd. vyhodnotit jejich pohled na projekt, vzhledem k jejich praktickým zkušenostem. 3. Seznámit se se stávajícím výrobním způsobem: zjisti druh výroby (kusová, sériová atd.); převládající druh operací (jedná-li se o tváření, obrábění, svařování, manipulace, jejich kombinaci apod.); zajistit veškerou dostupnou dokumentaci: o výrobku (dílenské výkresy, technologické postupy atd.); o průvodní dokumentaci ke strojům (NNO, pasparty atd.). o

10.2 Projektová příprava 10.2.1 Obsah ZTEZ (Základní technicko ekonomické zadání): 1. Schvalovací list 2. Titulní strana 3. Všeobecná část 103

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR výchozí podklady o objednávka o vstupní údaje výchozí stav o organizace práce na pracovišti o základní údaje o výrobním sortimentu o součástková základna navrhovaná řešení o popis dispozičního uspořádání o popis činnosti pracoviště popis jednotlivých zařízení o stávající o nově navrhovaná pořizovaná z nákupu nově konstruovaná a vyráběná způsob řízení pracoviště o technické prostředky o činnost pracovníka při obsluze o signály pro řízení RTP všeobecné podmínky o prostředí o montáž 4. Etapy řešení 5. Předpokládané náklady 6. Techniko-ekonomický rozbor hospodářsko-ekonomické hodnoty výchozího stavu potřeba pracovníků odpisy opravy a údržba náklady na energie výpočet kriteriálního vzorce přínos realizace závěr

10.3 Praktické poznámky k projektové přípravě 10.3.1 Rozbor problému: ujasnit si, jakou funkci musí automatizované (robotizované) pracoviště plnit (výrobní – RTP svařovací, obráběcí, tvářecí, manipulační atd.) provést důkladný rozbor stávající výrobní technologie: výhody nevýhody provést důkladný rozbor tvaru, rozměru, hmotnosti, materiálu apod. manipulovaného předmětu popř. technologického postupu při svařování, nanášení povrchových hmot apod. definovat pracovní prostředí pracoviště dle ČSN (obyčejné, výbušné) analýzou výchozího stavu vyčíslit event. přinos v oblasti technické, ekonomické nebo sociální nově navrhovaného pracoviště (viz Metodika hodnocení investic dle směrnice č. 17 FMTIR). 104


10.3.2 Návrh řešení: výkresovou i textovou dokumentaci návrhu řešení vypracovat v min. dvou variantách (možnost výběru dle technického nebo ekonomického hlediska zákazníkem) dle výškové a půdorysné dispozice uspořádání nového pracoviště je nutno popsat jejich činnost, včetně kinematických schémat pohybů PRaM, a časových průběhů manipulačních cyklů PRaM, spolupracujících periferních zařízení a výrobních strojů vyhodnotit lidský zásah na pracovišti a navrhnou s tím související úkoly úprav prostředí (změna instalace strojů aj.)

10.3.3 Popis jednotlivých strojních zařízení např. popis: PRaM + ŘS; periferních zařízení; výrobních strojů a zařízení; koncových efektorů; závor a zábran. K popisu jejich funkce a technických údajů je zapotřebí uvést i jejich vyobrazení!

10.3.4 Způsob řízení pracoviště stanovit technické prostředky a jejich hierarchii (ŘS); stanovit příslušný počet V/V signálů k ovládání všech řízených strojních zařízení a to pro všechny varianty (blokové schéma).

10.3.5 Etapy řešení: stanovit KDO, KDY a JAK provede dílčí a celkové práce na zakázce (např. konstrukční úpravy na strojích jejich přeinstalace apod.), tj.: stanovení adresné odpovědnosti, termíny plnění a sankce (důležitá je správná formulace úkolů ve smlouvě a dílo).

10.3.6 Ekonomické hodnocení: (směrnice č. 17 FMTIR) hodnocení úspory pracovníků a přínos nového pracoviště nutno si zajistit předběžné hosp.-ekonomické hodnoty výchozího stavu od uživatele stanovení pořizovacích nákladů (investičních, neinvestičních) vyčíslení hodnoty kriteriálního vzorce lze určit základní přínos a produktivitu práce na novém pracovišti

10.3.7 Zkoušení náplň komplexních zkoušek začátek a doba trvání účast dodavatele a odběratele odevzdání a převzetí dodávky zkušební provoz garanční zkoušky

10.3.8 Bezpečnost a ochrana zdraví celková charakteristika výrobní soustav (RTP, AVS, ARS) z hlediska hygieny, bezpečnosti a ochrany zdraví při práci zdroje rizik 105

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR o o o o

při seřizování a údržbě při automatickém chodu při manipulaci s dílci apod. koncepce přístupu k zamezení ohrožení pracovníka

10.3.9 Uvedení výrobního systému do trvalého provozu 10.3.10

Závěrečná poznámka:

Velice důležitou činností ve vlastní projektové přípravě je dokonalé prostudování činnosti, funkce a technických údajů všech strojů a zařízení uvažovaných variant. Jedná se zejména o zjištění následujících dat: ◘ U PRaM: o nosnost včetně chapadla; o velikost obsluhovaného pracovního prostoru; o druh a uspořádání základních pohybových jednotek (TTT, RTT apod.); o vlastní velikost a hmotnost; o druh řízení a typ ŘS; o druh hnací energie pohybových jednotek; o počet V/V signálů ŘS; o výchozí (synchronizační) bod robotu. Toto jsou rozhodující faktory pro správnou volbu PRaM v návaznosti na předchozí analýzu technologie a dílce. ◘ U obsluhovaných strojů a periferií: o zjištění technických dat s ohledem na jejich automatický chod a bezpečnost práce. Výkresová dokumentace u ZTEZ se zpracovává v měřítku 1 : 20, u projektů v měřítku 1 : 10

106


11 Závěr Tyto studijní opory jsou určeny zejména pro posluchače II. stupně magisterského studia obory Stavba výrobních strojů se zaměřením na průmyslové roboty a manipulátory Ústavu výrobních strojů systémů a robotiky, jakož i pro posluchače oboru Inženýrská informatika (Ústav informatiky a automatizace). Čtenář se seznámí se základními typy a konstrukčními prvky průmyslových robotů a manipulátorů (PRaM) a jejich začleněním do robotizovaných soustav. Opory se zabývají jak stacionárními, tak i mobilními roboty. V samostatné kapitole jsou popsány konstrukce a různých druhů periférií používaných pro automatizaci výrobního procesu pomocí PRaM. V závěru jsou uvedeny zásady pro projektování robotických pracovišť a automatizovaných výrobních soustav. Ke studijním oporám jsou vydány i přílohy s názvem „Roboty a pružné výrobní systémy – přílohy“, které slouží zejména k doplnění obrazové dokumentace této studijní opory.

12 Doporučená literatura • • • • • • • • • • • • •

Matička, Talácko: Konstrukce MaPR (skriptum ČVUT Praha, 1984) Kolíbal: PR I – Konstrukce PRaM (skriptum VUT Brno, 1993) Kolíbal, Kadlec: PR II – Konstrukce výstupních hlavic a periferií (VUT Brno, 1993) Ehrenberger, Kolíbal: PR III – Robotické systémy vyšších generací (VUT Brno, 1993) Bělohoubek, Kolíbal: PR IV – Projektování VS s PRaM (VUT Brno, 1993) Chmela: Automatizace a robotizace I (skriptum ČVUT Praha, 1992) Bejček a kol.: CIM – počítačová podpora výrobního procesu (skriptum VUT Brno, 1992) Lubojacký a kol.: Základy robotiky (skriptum VŠST Liberec, 1990) Kožíšek a kol.: Komplexní automatizace (INPRO Praha, 1989) Svoboda a kol.: Příklady úspěšných aplikací PVS a RK (INPRO Praha, 1989) Knoflíček: Aplikace mobilních robotických systémů, jako automatizačních prostředků pro práce v prostředích nebezpečných člověku (Teze k disertační práci, VUT Brno 1993) Firemní literatura internetové odkazy na web site

107


13 Obsah 1

ÚVOD DO ROBOTIKY ............................................................................................................................. 2 1.1 1.2

2

VYUŽITÍ PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ A MANIPULÁTORŮ .......................................................................... 2 PRŮMYSLOVÉ ROBOTY NA SVĚTĚ ......................................................................................................... 3

ÚVOD DO PROBLEMATIKY .................................................................................................................. 5 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5

VÝKLADOVÝ SLOVNÍK .......................................................................................................................... 5 ROZDĚLENÍ MANIPULAČNÍCH ZAŘÍZENÍ ................................................................................................ 6 VÝZNAMNÍ VÝROBCI PRAM ................................................................................................................. 7 SVĚTOVÍ VÝROBCI ................................................................................................................................ 7 PŘEHLED PRAM VYRÁBĚNÝCH V ČR (ČSFR, ČSSR).......................................................................... 7

3

ZÁKLADNÍ TYPY KONSTRUKČNÍHO USPOŘÁDÁNÍ PRAM ........................................................ 9

4

MECHANIKA PRAM .............................................................................................................................. 11 4.1 KINEMATICKÁ STRUKTURA MECHANISMŮ ROBOTŮ A MANIPULÁTORŮ ............................................... 11 4.1.1 Dráha těžiště S manipulovaného objektu ...................................................................................... 14 4.2 KINEMATICKÁ A DYNAMICKÁ ANALÝZA MECHANISMŮ ROBOTŮ A MANIPULÁTORŮ ........................... 18

5

KONSTRUKCE PRAM............................................................................................................................ 20 5.1 ASPEKTY PRO POSUZOVÁNÍ PRAM ..................................................................................................... 20 5.2 PRŮMYSLOVÝ ROBOT JAKO SOUSTAVA KONSTRUKČNÍCH CELKŮ A PRVKŮ ......................................... 20 5.2.1 Konstrukce průmyslového robotu OJ 10 RS.................................................................................. 23

6

ZÁKLADNÍ KONSTRUKČNÍ PRVKY STAVBY PRAM ................................................................... 33 6.1 POHONY PRAM .................................................................................................................................. 33 6.1.1 Definice a klasifikace pohonu ....................................................................................................... 33 6.1.2 Elektrické pohony.......................................................................................................................... 34 6.1.3 Tekutinové pohony ........................................................................................................................ 34

7

KONSTRUKCE A APLIKACE MOBILNÍCH ROBOTICKÝCH SYSTÉMŮ .................................. 42 7.1 PŘÍSTUPY K MOBILITĚ ......................................................................................................................... 42 7.1.1 Automatické dopravní vozíky (ADV) ............................................................................................. 42 7.1.2 Autonomní lokomoční roboty ........................................................................................................ 42 7.2 POŽADAVKY NA KONSTRUKCI............................................................................................................. 42 7.2.1 Lokomoce ...................................................................................................................................... 43 7.3 SENZORICKÝ SUBSYSTÉM ................................................................................................................... 48 7.4 PALUBNÍ NAPÁJENÍ ............................................................................................................................. 48 7.5 ŘÍDÍCÍ SYSTÉMY.................................................................................................................................. 48 7.6 ZDROJ ENERGIE ................................................................................................................................... 49 7.7 PŘEHLED SOUČASNÉHO STAVU V OBLASTI APLIKACE MRS ................................................................ 50 7.7.1 Rozdělení aplikací mobilních robotů............................................................................................ 50 7.7.2 Mobilní roboty vyvinuté na vědecko-výzkumných a univerzitních pracovištích........................... 51 7.7.3 Mobilní roboty vyvinuté na VUT FSI v Brně................................................................................. 53 7.7.4 Komerční aplikace mobilních robotů ............................................................................................ 55 7.8 PŘÍKLADY APLIKACE VE STROJÍRENSKÉ VÝROBĚ ................................................................................ 56 7.8.1 Automatické dopravní vozíky v pružných výrobních soustavách................................................... 56 7.9 APLIKACE V PROSTŘEDÍCH NEBEZPEČNÝCH ČLOVĚKU ........................................................................ 59 7.9.1 Příklady užívaných MRS v radioaktivním prostředí jaderných elektráren.................................... 59 7.10 PŘÍKLAD APLIKACE MRS VE STAVEBNICTVÍ ...................................................................................... 60 7.11 PŘÍKLADY APLIKACÍ MRS VE SLUŽBÁCH A JINÝCH OBLASTECH ......................................................... 61 7.12 PŘÍKLADY APLIKACÍ MRS VE VOJENSTVÍ ........................................................................................... 62 7.12.1 Rozdělení vojenských aplikací mobilních robotů...................................................................... 62 7.13 PŘÍKLADY SOUČASNÝCH KOMERČNĚ ÚSPĚŠNÝCH KONSTRUKCÍ KOLOVÝCH LOKOMOČNÍCH ÚSTROJÍ MOBILNÍCH ROBOTŮ .......................................................................................................................................... 64 7.14 PŘÍKLADY SOUČASNÝCH KONSTRUKCÍ MOBILNÍCH ROBOTŮ S LOKOMOČNÍM ÚSTROJÍM TVOŘENÝM KRÁČEJÍCÍM MECHANISMEM .............................................................................................................................. 66 7.14.1 Dvounohé kráčející roboty: ...................................................................................................... 66

108

V U T v B r n ě , F S I , ÚVSSR 8

PERIFERIE ............................................................................................................................................... 68 8.1 ZÁKLADNÍ ROZDĚLENÍ PERIFERIÍ PODLE FUNKCE ................................................................................ 69 8.2 ROZDĚLENÍ PERIFERIÍ PODLE CHARAKTERISTICKÉ KONSTRUKCE ........................................................ 70 8.2.1 Dopravníky.................................................................................................................................... 70 8.2.2 Zvedací a podávací zařízení (balancéry nebo také ruční manipulátory) ...................................... 74 8.3 ROZDĚLENÍ PERIFERIÍ PODLE UMÍSTĚNÍ V ROBOTIZOVANÉM PRACOVIŠTI ........................................... 78 8.3.1 Vstupní zařízení robotizovaných pracovišť ................................................................................... 79 8.3.2 Výstupní zařízení ........................................................................................................................... 89 8.3.3 Polohovací zařízení a manipulátory.............................................................................................. 92

9

POUŽITÍ PRAM VE VÝROBNÍCH A NEVÝROBNÍCH OBLASTECH ........................................ 100 9.1 UKÁZKY AUTOMATIZACE RŮZNÝCH PRACOVIŠŤ POMOCÍ PRAM ...................................................... 100 9.1.1 Automatizovaný výrobní systém obrábění ................................................................................... 100 9.1.2 Automatizované technologické pracoviště obrábění ................................................................... 100 9.1.3 Automatizované technologické pracoviště na zarovnání čel hřídelí a navrtávání středících důlků 101 9.1.4 Automatizované technologické pracoviště plošného tváření....................................................... 101 9.1.5 Automatizované technologické pracoviště pro svařování ........................................................... 102 9.1.6 Automatizované technologické pracoviště objemového tváření .................................................. 102

10

ZÁSADY PROJEKTOVÁNÍ RTP, AVS A ARS .................................................................................. 103 10.1 PŘÍPRAVA PŘEDPROJEKTOVÁ ............................................................................................................ 103 10.2 PROJEKTOVÁ PŘÍPRAVA .................................................................................................................... 103 10.2.1 Obsah ZTEZ (Základní technicko ekonomické zadání):......................................................... 103 10.3 PRAKTICKÉ POZNÁMKY K PROJEKTOVÉ PŘÍPRAVĚ ............................................................................ 104 10.3.1 Rozbor problému:................................................................................................................... 104 10.3.2 Návrh řešení:.......................................................................................................................... 105 10.3.3 Popis jednotlivých strojních zařízení...................................................................................... 105 10.3.4 Způsob řízení pracoviště......................................................................................................... 105 10.3.5 Etapy řešení:........................................................................................................................... 105 10.3.6 Ekonomické hodnocení:.......................................................................................................... 105 10.3.7 Zkoušení ................................................................................................................................. 105 10.3.8 Bezpečnost a ochrana zdraví.................................................................................................. 105 10.3.9 Uvedení výrobního systému do trvalého provozu ................................................................... 106 10.3.10 Závěrečná poznámka:............................................................................................................. 106

11

ZÁVĚR ..................................................................................................................................................... 107

12

DOPORUČENÁ LITERATURA ........................................................................................................... 107

13

OBSAH ..................................................................................................................................................... 108

109

ROBOTY A PRUŽNÉ VÝROBNÍ SYSTÉMY. Studijní opora

Recommend Documents