VYSOKÁ ŠKOLA BÁĕSKÁ – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA METALURGIE A MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ
STUDIJNÍ OPORA Název opory/pĜedmČtu: AUTOMATIZACE TECHNOLOGICKÝCH PROCESģ ýást 3: PrĤmyslové roboty a manipulátory ýíslo pĜedmČtu: 638419, 638414, 638418 Autor/AutoĜi: prof. Ing. Milan Vrožina, CSc. doc. Ing. JiĜí David, Ph.D. Ing. Romana Garzinová, Ph.D. Katedra: Automatizace a poþítaþová technika v metalurgii
Tato studijní opora vznikla v rámci rozvojového projektu Tvorba elektronických studijních opor pro studijní programy FMMI v r. 2008
Obsah 1.
ÚVOD............................................................................................................................................................. 3
2.
MANIPULAýNÍ ZAěÍZENÍ....................................................................................................................... 4 2.1 MECHANIZACE A AUTOMATIZACE VÝROBY ............................................................................................. 4 2.2 MANIPULAýNÍ ZAěÍZENÍ .......................................................................................................................... 5 2.2.1 Jednoúþelový manipulátor .............................................................................................................. 5 2.2.2 Synchronní manipulátory ................................................................................................................ 6 2.2.3 Programovatelné jednoúþelové manipulátory ................................................................................ 6 2.2.4 Synchronní univerzální manipulátory – teleoperátory.................................................................... 6 2.2.5 Programovatelné univerzální manipulátory s pevným programem ................................................ 6 2.2.6 Univerzální manipulátory s promČnlivými programy ..................................................................... 6 2.2.7 Kognitivní roboty ............................................................................................................................ 7
3.
ARCHITEKTURA PRģMYSLOVÝCH ROBOTģ .................................................................................. 9
4.
POHONY ..................................................................................................................................................... 13 4.1 FUNKCE POHONU ................................................................................................................................... 13 4.1.1 OtevĜený obvod ............................................................................................................................. 14 4.2 ELEKTRICKÝ POHON .............................................................................................................................. 16 4.3 TEKUTINOVÉ POHONY ............................................................................................................................ 18
5.
VÝSTUPNÍ HLAVICE............................................................................................................................... 23
6.
ýIDLA PRģMYSLOVÝCH ROBOTģ A MANIPULÁTORģ .............................................................. 27 6.1 6.2 6.3
DċLENÍ ýIDEL ........................................................................................................................................ 27 ýIDLA PRO VNITěNÍ INFORMACI ............................................................................................................. 28 ýIDLA PRO VNċJŠÍ INFORMACI ............................................................................................................... 32
ěÍDICÍ SYSTÉMY PRģMYSLOVÝCH ROBOTģ. .............................................................................. 34
7.
7.1 7.2
KOGNITIVNÍ ROBOTY ............................................................................................................................. 34 ěÍZENÍ PRAM BEZ KOGNITIVNÍHO SYSTÉMU ......................................................................................... 35
8.
APLIKACE PRAM V PRģMYSLU ......................................................................................................... 37
9.
ROBOTIZOVANÝ TECHNOLOGICKÝ KOMPLEX (RTK) .............................................................. 38
10.
ROBOTIZACE PROCESģ V METALURGII .................................................................................... 39
11.
ZÁVċR..................................................................................................................................................... 42
12.
LITERATURA:....................................................................................................................................... 42
2
1. ÚVOD Mezi þlovČkem a technikou postupnČ vznikl rozpor vyvolaný omezením fyzických psychických možností þlovČka a charakterem technických systémĤ. Výkonnost a pĜesnost plnČní pracovních operací u þlovČka s postupem þasu následkem fyzické a psychické únavy klesá. ýlovČk nemĤže vykonávat práci ve zdraví škodlivém prostĜedí. Cílem automatizace je proto Ĝešit tento narĤstající rozpor tím, že þlovČk bude v daných podmínkách optimálnČ efektivnČ oproštČn od monotónní, zdraví neodpovídající psychické i tČlesné zátČže. Ve výrobním procesu je Ĝešením tohoto problému komplexní automatizace právČ operaþní a mezioperaþní manipulace. Úkol automatizace manipulaþních úkonĤ byl nejprve Ĝešen u velkosériových a hromadných výrob. ěešení vedlo k jednoúþelovým zaĜízením (tvrdá automatizace). U málo a stĜednČ sériových výrob však nadále trvala potĜeba vytvoĜit univerzální manipulaþní zaĜízení, které by bylo možno rychle pĜestavit pro rĤzné aplikace. Výsledkem Ĝešení byl vznik prĤmyslových robotĤ, které jsou logickým pokraþováním vývoje manipulaþních a podávacích zaĜízení používaných již po dlouhou dobu ve velkosériové výrobČ. PrĤmyslové roboty se tak staly jedním ze základních prostĜedkĤ automatizace výrobních procesĤ (pružná automatizace). Sám název robot byl užit ve hĜe Karla ýapka RUR (Rosum´s Universal Robots ) v roce 1925, kde tak ýapek oznaþil své umČlé lidi. Zde je pak vhodné pĜipomenout, že prĤmyslový robot je pouze prvek automatizace, jeden z prvkĤ struktury výrobního procesu. Je proto dĤležité, aby každý technologický projekt zabezpeþoval rovnomČrný vývoj všech strukturálních složek. První pokusy s konstrukcí prĤmyslových robotĤ se datuje od roku 1954. V roce 1962 byly vUSA uvedeny na trh první modely prĤmyslových robotĤ (Unimate a Versatran). U nás se roboty objevily poprvé v roce 1974. SoustavnČ se zaþalo s vývojem asi v roce 1983. Rozvoj smČrĤ: – – –
poznání a technické þinnosti v oblasti robotizace lze zformovat do tĜí významných robotika robototechnika robototechnologie
Robotika - pĜedstavuje hybridní smČr poznávání, který využívá poznatkĤ technické kybernetiky, poþítaþových vČd, teorie informace a umČlé inteligence pro vytváĜení modelĤ živých organizmĤ. Dále se ještČ þlení na teoretickou a technickou.. Robototechnika - zahrnuje výzkum a vývoj robotĤ vþetnČ teoretických aspektĤ a algoritmĤ Ĝízení systémĤ s roboty. Je to inženýrská disciplina zahrnující výpoþty konstrukce, Ĝízení a výroby robotĤ. Robototechnologie - je systémový technický smČr, který se zabývá nasazováním prĤmyslových robotĤ do výroby, vþetnČ analýzy sociálních a ekonomických aspektĤ. Z hlediska vývojových znakĤ lze prĤmyslové roboty dČlit do tĜí generací: 1. generaci pĜedstavují roboty nižší úrovnČ, které vykonávají naprogramované pohyby. Jsou pĜedurþeny pro podávání a odebírání pĜedmČtĤ od výrobních strojĤ.
3
2. generaci pĜedstavují roboty vyšší úrovnČ s pružným programováním, pĜiþemž výbČr programu je provádČn na podnČt z okolí. Tyto roboty jsou vybaveny þidly, ale mají omezenou schopnost reakce na zmČny probíhající v pracovním procesu. UmožĖují synchronizaci s vnČjšími zaĜízeními. 3. generaci pĜedstavují roboty, které mají schopnost samostatnČ Ĝešit úkoly vznikající ve výrobním procesu. Tyto roboty jsou vybaveny velkým poþtem snímaþĤ a složitým adaptivním Ĝídicím systémem schopným optimalizovat þinnost více ramen a chapadel, jsou znaþnČ pohyblivé, pĜesné a spolehlivé. Do roku 1985 byly na trhu pĜedevším roboty 1. generace. Souþasné období je nástupem 2. generace a 3. generace. NČkteĜí autoĜi užívají jemnČjší dČlení a vyþleĖují znaky pro 1,5 generaci a 2,5 generaci. Specifickou oblastí jsou roboty v hutnictví a tČžkém strojírenství. Až na výjimky se zde nedají univerzální prĤmyslové roboty urþené pro strojírenství uplatnit. Nevyhovuje nosnost, schopnost pracovat v nároþném prostĜedí hutí a tČžkého strojírenství. Je zde patrný pĜechod k vývoji a uplatnČní speciálních, tzv. úþelových robotĤ.
2. MANIPULAýNÍ ZAěÍZENÍ 2.1
Mechanizace a automatizace výroby
Výroba se uskuteþĖuje na výrobním zaĜízení, které je mimo jiné charakterizováno produktivitou práce. Produktivitu práce lze zvýšit mechanizací a automatizací. Mechanizace je proces vývoje techniky, kde se využívá zaĜízení k osvobození þlovČka od namáhavé a opakující se fyzické práce. Automatizace je proces techniky, kde se využívá zaĜízení k osvobození þlovČka nejen od fyzické, ale zejména od duševní Ĝídicí práce.. Míra mechanizace a automatizace urþuje rĤzné vývojové stupnČ, generace výrobního zaĜízení. Pojem produktivita práce úzce souvisí s pracností a pracnost je jedním z hlavních ekonomických ukazatelĤ výroby. Bývá vyjádĜena tzv. normou þasu. V této normČ þasu jsou zahrnuty þasy jak na vlastní technologickou þinnost, tak þas na všechny ostatní þinnosti spojené s výrobou. Zavedení mechanizace a automatizace je omezeno technologickými možnostmi pĜíslušné výroby. Další úspory tohoto þasu zavedením automatizace je závislé na kvalitativní zmČnČ zpĤsobu výroby. Daleko více je však možno automatizací zkrátit dobu trvání pomocných úkonĤ s objekty – podávání, vkládání, upínání, vyjímání, doprava atd. PrávČ tyto pomocné fáze pracovního cyklu jsou pĜedmČtem automatizaþních snah. Tyto snahy jsou realizovány následujícími pracovními prostĜedky: 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7)
manipulátory a prĤmyslovými roboty (PraM), dopravníky, pĜípravky, zaĜízeními pro kontrolu, kopírovacími zaĜízeními, polohovacími zaĜízeními, pomocnými zaĜízeními, jako jsou zásobníky, zaĜízení pro orientaci objektĤ, násypky atd.
ěazením odpovídajících znakĤ obdržíme strukturu pomocných funkcí. ýinnost spojená s realizací pomocných úkonĤ je vyjádĜena v anglosaské literatuĜe „handling“ - „industrial handling“. V nČmecké pak „ handhabung“ – „industrielle Handhabung“. 4
Snižování ztrátových þasĤ není jediný dĤvod uplatĖování PraM. StejnČ dĤležité je odstraĖování monotónní práce, namáhavé práce, práce v nepĜíznivém prostĜedí. Snaha je vylouþit lidský faktor z výrobního procesu. S ohledem na to, co bylo Ĝeþeno, rozeznáváme manipulaci, která je þinností, pĜi níž dochází ke zmČnČ polohy, anebo orientace pĜedmČtu v prostoru. Tu pak dČlíme na manipulaci operaþní a manipulaci mezioperaþní. Operaþní manipulace je veškerá manipulace s materiálem na jediném technologickém pracovišti, souvisejícím s provádČním výrobní operace. Mezioperaþní manipulace je veškerá pomocná manipulace s pĜedmČty mezi pracovišti a na pracovišti bČhem níž nedochází k technologickému opracovávání. 2.2
Manipulaþní zaĜízení
Manipulaþní zaĜízení lze podle konstrukþního provedení a stupnČ složitosti Ĝízení dČlit následujícím zpĤsobem Manipulaþní zaĜízení
Jednoúþelové manipulátory
Podavaþe
Synchronní jednoúþelové manipulátory
Univerzální manipulátory
Programovatelné jednoúþelové manipulátory
Manipulátory s pevnými programy
PrĤmyslové roboty
Synchronní univerzální manipulátory
Manipulátory s promČnlivými (pružnými) programy
Programovatelné univerzální manipulátory
Kognitivní roboty
PrĤmyslové roboty
Obr. 1. ýlenČní PRaM
2.2.1 Jednoúþelový manipulátor PatĜí sem nejjednodušší podávací mechanizmy – podavaþe, manipulaþní zaĜízení pĜímo ovládané þlovČkem – synchronní manipulátory a manipulátory Ĝízené programovacím ústrojím. Jednoúþelovost manipulátoru je charakterizována – - jednodušším konstrukþním Ĝešením a tím omezeným rozsahem pohybĤ pĜizpĤsobených dané aplikaci,
5
– možnostmi Ĝídicího systému pĜizpĤsobenými dané aplikaci, – prostorovým uspoĜádáním pĜizpĤsobeným dané aplikaci. PĜi souþasné úrovni výroby lze celou Ĝadu problémĤ spojených s automatizací Ĝešit uplatnČním tČchto jednodušších manipulátorĤ. Je chybou na tato místa nasazovat složitá univerzální zaĜízení, protože jsou komplikovaná a drahá a tudíž ekonomicky nevýhodná. Nejjednoduššími jednoúþelovými manipulátory jsou podavaþe. TvoĜí obvykle celek se strojem a mají od nČj vČtšinou odvozen i pohon. 2.2.2 Synchronní manipulátory TvoĜí tzv. jednoúþelové teleoperátory – þlovČkem ovládané mechanizmy. PĤsobí jako zesilovaþe síly, momentu a pohybových možností operátora. PĜíkladem mohou být balancéry – urþené pro zdvihání tČžkých pĜedmČtĤ v dopravČ, zdravotnictví, hutích a tČžkém strojírenství. 2.2.3 Programovatelné jednoúþelové manipulátory Jejich þinnost je Ĝízena programovým ústrojím. Jsou složitČjší než podavaþe, netvoĜí s þlovČkem uzavĜenou regulaþní smyþku, nemají však víceúþelovost. DČlíme je na: – s pevným programem - jsou Ĝízeny se stále se opakujícím programem, – s promČnlivými programy – samoþinnČ avšak programovČ si vybírají vhodnou vloženou variantu programu. Univerzální manipulátory Mají vČtší rozsah manipulaþních schopností, které jsou využívány podle zpĤsobu nasazení. Jejich použitelnost není omezena typem strojĤ ani souþástí. Jsou charakterizovány: – kinematickými parametry, rozsahy pohybĤ, pĜesností polohování, maximálním zatížením, – pro uchopení pĜedmČtĤ jsou použity jednoúþelové úchopné hlavice, – lze je použít na rĤzných pracovištích, popĜípadČ k obsluze rĤzných (i nČkolika) strojĤ, – mají vlastní Ĝízení, jsou provedením, pohonem i funkcí na obsluhovaných strojích nejdražší. Vlastnosti univerzálních manipulátorĤ pĜekrývají pĜedevším prĤmyslové roboty. 2.2.4 Synchronní univerzální manipulátory – teleoperátory ěízení provádí obsluhující pracovník – manipulátor zesiluje jeho silové a pohybové úkony – manipulátor a þlovČk tvoĜí uzavĜenou smyþku – tato zaĜízení pĜenášejí na dálku pĜíkazy þlovČka – Ĝízení „master – slave“. 2.2.5 Programovatelné univerzální manipulátory s pevným programem Program se v prĤbČhu manipulace nemČní, Ĝídicí a programovatelné zaĜízení je jednoduššího typu. Jsou oznaþovány jako „prĤmyslové roboty“ (1. generace). 2.2.6 Univerzální manipulátory s promČnlivými programy Mají možnost volby programu vČtšinou podle situace (scény), ve které se manipulátory zrovna nacházejí
6
– mají zpravidla adaptivní Ĝízení – pĜedstavují v souþasné dobČ špiþku konstrukþního provedení manipulaþního zaĜízení a jsou oznaþovány jako „prĤmyslové roboty“ (2. generace). 2.2.7 Kognitivní roboty Jsou vybaveny možností vnímání a racionálního myšlení. Kognitivní proces – proces vnímání a racionálního myšlení – bez cílového vnímání a volního jednání. Uvedené typy manipulátorĤ lze znázornit následujícími funkþními schématy: Synchronní manipulátor ýlovČk
Akþní podsystém
Vnímací podsystém Manipulátor s pevným programem ěídící podsystém
Akþní podsystém
Manipulátory s promČnlivými programy Vnímací podsystém
ěídící podsystém
Akþní podsystém
Obr. 2. Funkþní schémata PRaM
Manipulaþní zaĜízení, která jsme oznaþili jako prĤmyslové roboty se od ostatních manipulaþních mechanizmĤ liší pĜedevším úrovní Ĝízení a vyznaþují se následujícími vlastnostmi: – manipulaþní schopnost, tj. uchopení a pĜemisĢování pĜedmČtĤ, rĤzné montážní úkony, úprava pĜedmČtĤ, zacházení s pracovními nástroji, – autonomnost chování, tj. složitá posloupnost úkonĤ provádČná automaticky, buć volitelná þlovČkem nebo automaticky vlastním zaĜízením. (Liší se od teleoperátorĤ, kde þlovČk je nedílnou souþástí systému), – univerzálnost ve smyslu víceúþelovosti – zaĜízení slouží k rozmanitým úþelĤm, – existence vazby s prostĜedím (vnímání) prostĜednictvím þidel, – prostorová soustĜedČnost jednotlivých složek do kompaktního celku (mohou být výjimky). Pojem robot tedy zdĤrazĖuje, že jde o ústrojí složitČjší než manipulátor, které má vČtšinu výše uvedených vlastností. Roboty s dokonalým Ĝízením mohou mít dokonce schopnosti, které u
7
þlovČka nazýváme inteligencí. NapĜ. mohou si program þinnosti samostatnČ vytvoĜit na základČ zadaného cíle. Na základČ výše uvedené charakteristiky lze pĜistoupit k vymezení pĜesnČjší definice robotu. Tento pojem se v souþasnosti definuje nejednotnČ. ýasto se užívá jednoduchá definice dle Warneckeho – prĤmyslový robot je automatické manipulaþní zaĜízení libovolnČ programovatelné v prostoru, vybavené podávacími chapadly nebo technologickými nástroji, urþené na použití v prĤmyslu. Jinou definicí, vhodnou i pro chápání kognitivních robotĤ ( dle Ing. I. Havla, ýVUT Praha) „prĤmyslový robot je automaticky nebo poþítaþem Ĝízený integrovaný systém, schopný autonomní cílovČ orientované interakce s pĜipojeným prostĜedím podle instrukcí od þlovČka. Tato interakce spoþívá a) ve vnímání a rozpoznávání tohoto prostĜedí a b) v manipulování s pĜedmČty a popĜ. pohybování se v tomto prostĜedí. PrĤmyslové roboty pĜedstavují kybernetický systém, jehož základní funkþní schéma je následující: Komunikace s þlovČkem
Supervizor
Vnímací systém
ěídící a rozhodovací podsystém
Akþní podsystém
Obr. 3. ýlenČní PRaM
Supervizor – je nadĜazen všem ostatním podsystémĤm a koordinuje jejich þinnost. Vnímací podsystém – uskuteþĖuje vazbu od prostĜedí a obsahuje rĤzné složky podle fyzikálního charakteru sledované veliþiny. Tento systém zpracovává vizuální informaci, akustickou informaci, obsahuje þidla hmatová a doteková a þidla speciální – teplota, záĜení atd. ěídicí a rozhodovací podsystém – na základČ informací z vnímacího podsystému a informací uložených v pamČti, plánuje þinnost robotu a rozhoduje o úkonech, které mají být provedeny. Akþní podsystém – ovlivĖuje prostĜedí a pĤsobí jeho zmČny. PatĜí sem manipulaþní ústrojí robotu, které má jedno nebo nČkolik ramen s navazujícím zápČstím zakonþených chapadly (úchopnými þelistmi), které jsou uzpĤsobeny k rĤzným úkonĤm. U mobilních robotĤ sem patĜí i podvozek, který umožĖuje pohyb v rĤzných smČrech a rĤznými rychlostmi.
8
Z uvedeného je zĜejmé, že si lze PraM pĜedstavit jako systém složený z mechanických uzlĤ, pohonĤ, snímaþĤ, chapadel a Ĝízení. Mechanické uzly a pohony zabezpeþují pohyb pracovních orgánĤ a integrují prvky mechanické konstrukce do jednoho celku. Snímaþe slouží pro získání informací o okolním prostĜedí a o vztahu dĤležitých orgánĤ robotu. Chapadla zabezpeþují bezprostĜední interakci robotu s objektem. ěídicí systém pĜedstavuje mozek prĤmyslováho robotu, který podle vložených pĜíkazĤ vypracovává Ĝídicí signály pro jeho þinnost:
3. ARCHITEKTURA PRģMYSLOVÝCH ROBOTģ PraM jsou mechanizmy, tj. mechanická zaĜízení, sloužící k pĜenosu pohybu a sil, k transformaci jednoho druhu mechanického pohybu v druhý. Skládají se z nČkolika vzájemnČ pohyblivČ spojených þlenĤ, z nichž jeden se nepohybuje a tvoĜí rám. Jednotlivé, pohyblivČ spojené þleny tČchto mechanizmĤ nazýváme kinematickými dvojicemi. Více spojených þlenĤ tvoĜí kinematické ĜetČzce. Kinematická struktura PraM je dána jejich kinematickými ĜetČzci. PĜíkladem kinematických dvojic je: – translace (posunutí)
– rotace
Obr.4. Kinematické dvojice
Co do fyzikální realizace jsou tyto dvojice prostorové. Poþet stupĖĤ volnosti jednotlivých þlenĤ je roven poþtu nezávislých posunĤ a rotací, jež mohou oba þleny vzájemnČ vĤþi sobČ vykonávat. V uvedených pĜípadech jde vždy o 1 stupeĖ volnosti. Zz chapadlo
z
Zy
rameno
Zx
zápČstí x
y
Obr. 5. Kinematika univerzálního robota
9
