FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV AUTOMOBILNÍHO A DOPRAVNÍHO INŽENÝRSTVÍ
FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF AUTOMOTIVE ENGINEERING
MANIPULAČNÍ OPERACE S PRŮMYSLOVÝMI ROBOTY
MANIPULATION OPERATIONS WITH INDUSTRIAL ROBOTS
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE
BACHELOR'S THESIS
AUTOR PRÁCE JIŘÍ ČERNÝ
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE Ing. ALEŠ POCHYLÝ
SUPERVISOR
BRNO 2013
ZADÁNÍ BAKALÁŘSKÉ PRÁCE
student(ka): Jiří Černý
který/která studuje v bakalářském studijním programu obor: Stavba strojů a zařízení (2302R016)
Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma bakalářské práce:
Manipulační operace s průmyslovými roboty v anglickém jazyce:
Manipulation operations with industrial robots
Stručná charakteristika problematiky úkolu:
Analyzujte aktuální možnosti uchopování objektů s průmyslovými roboty. Zaměřte se na pneumatické a elektrické úchopné hlavice. S použitím průmyslového robotu KUKA a dostupných úchopných hlavic SCHUNK vytvořte demonstrační manipulační aplikaci s dostupnými objekty.
Cíle bakalářské práce:
1. Analyzujte a vlastními slovy popište aktuální možnosti pro uchopování objektů s průmyslovými roboty. Zaměřte se primárně na pneumatické a elektrické úchopné hlavice.
2. Analyzujte výhody a nevýhody pneumatických a elektrických úchopných hlavic a možnosti jejich řízení.
3. Vytvořte demonstrační manipulační aplikaci s objekty s využitím robotu KUKA a úchopných hlavic SCHUNK.
Handling Tasks. Springer, 2005. 242 s. ISBN 978-3-540-27718-7
Vedoucí bakalářské práce: Ing. Aleš Pochylý
Termín odevzdání bakalářské práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2012/2013.
V Brně, dne 29.11.2012
L.S.
_______________________________ _______________________________
prof. Ing. Václav Píštěk, DrSc. prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc., dr. h. c.
Ředitel ústavu Děkan fakulty
Abstrakt
Tato bakaláĜská práce se zabývá problematikou a souþasným stavem úchopných hlavic. PostupnČ je pojednáno o prĤmyslových robotech využívaných pro manipulaci,
chapadlech, speciálních jednotkách pĜipojovaných k úchopným koncovým efektorĤm a o možnostech jejich Ĝízení. PrimárnČ je kladen dĤraz na elektricky a pneumaticky Ĝízené
úchopné hlavice. V poslední þásti je Ĝešena demonstraþní manipulaþní úloha pomocí prĤmyslového robotu a podtlakového chapadla. Výsledkem této manipulaþní úlohy je program pro Ĝízení robotu KUKA.
Klí þ ová slova
Manipulace, úchopná hlavice, chapadlo, Ĝízení prĤmyslového robotu, programování, manipulaþní úloha
Abstract
This bachelor’s thesis inquires into problems and current state of robot grippers.
Industrial robots used for manipulation, robot grippers, special unit connected to gripping end-effectors and possibilities of its control are mentioned step by step. The accent is primarily put on electric and pneumatic driven grippers. Sample of gripping task with industrial robot and vacuum gripper is solved in the last part of this thesis. The program for control of KUKA robot is output from this gripping task.
Keywords
Manipulation, gripper, programming, control of industrial robot, gripping task
Bibliografická citace
ýERNÝ, J. Manipulaþní operace s prĤmyslovými roboty. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, 2013. 56 s. Vedoucí bakaláĜské práce Ing. Aleš Pochylý.
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem bakaláĜskou práci na téma „Manipulaþní operace s prĤmyslovými roboty“ vypracoval samostatnČ s použitím pramenĤ, které jsou uvedeny v seznamu použitých zdrojĤ.
V BrnČ dne 24.5.2013 ………..
JiĜí ýerný
Pod Č kování
Tímto bych rád podČkoval Ing. Aleši Pochylému za odborné vedení, rady, informace a pĜipomínky a také doc. Ing. Radkovi Knoflíþkovi, Dr. za cenné pĜipomínky pĜi vypracování této bakaláĜské práce. Dále bych rád podČkoval rodinČ za podporu bČhem studia.
Obsah
1. Úvod ... 11
2. PrĤmyslové roboty pro manipulaci používané v praxi ... 13
2.1. Roboty se šesti stupni volnosti (6-DOF roboty) ... 13
2.2. Montážní roboty typu SCARA ... 14
2.3. Paletizaþní roboty ... 14
2.4. Roboty s paralelní kinematikou ... 15
3. Úchopné hlavice ... 16
3.1. Koncové efektory ... 18
3.2. Aktivní kontaktní chapadla ... 18
3.3. Uchopovací síla ... 20
3.4. Základní parametry úchopných hlavic ... 21
3.5. Pneumatické úchopné hlavice ... 22
3.6. Elektrické úchopné hlavice ... 25
3.7. Vybrané oblasti používání úchopných koncových efektorĤ ... 27
4. Výhody a nevýhody elektrických a pneumatických chapadel ... 28
4.1. Výhody a nevýhody elektrických chapadel ... 28
4.2. Výhody a nevýhody pneumatických chapadel ... 28
5. Speciální moduly úchopných koncových efektorĤ ... 30
5.1. Kompenzátory ... 30
5.2. Rotaþní moduly ... 30
5.3. Moduly pro automatickou výmČnu efektorĤ ... 31
5.4. Otoþné jednotky ... 32
5.5. Soustavy pro mČĜení úchopné síly v þelistech chapadel... 33
6. Možnosti Ĝízení pneumatických a elektrických chapadel ... 34
6.1. Principy Ĝízení pneumatických a elektrických úchopných hlavic ... 34
6.2. Snímaþe pĜipojované k úchopným hlavicím ... 35
6.3. ěídicí systémy ... 37
6.4. Bezpeþnost pĜi Ĝízení ... 38
7. Manipulaþní úloha ... 40
7.1. Zadání manipulaþní úlohy ... 40
7.2. Popis robotizovaného pracovištČ ... 40
7.3. Základní þásti Ĝídicího programu pro robot KUKA ... 42
7.4. Popis použitých vstupĤ a výstupĤ, promČnných, podprogramĤ ... 42
7.5. Vývojový diagram, tvorba Ĝídicího programu ... 44
7.6. Výsledný Ĝídicí program pro manipulaþní úlohu ... 45
8. ZávČr ... 49
Seznam použitých zdrojĤ ... 51
Seznam použitých symbolĤ ... 54
Seznam použitých obrázkĤ, grafĤ a tabulek ... 55
Seznam pĜíloh ... 56
1. Úvod
Manipulace s objekty je nejbČžnČjší úloha v prĤmyslu. Manipulace je chápána jako pĜemístČní pĜedmČtu z místa na místo, tedy zmČna polohy, definovaná posunutím nebo také rotací kolem nČkteré z os symetrie pĜedmČtu. Tato úloha mĤže být charakterizována poþtem pĜepravených objektĤ za jednotku þasu. Manipulace je podmnožinou materiálového toku a lze ji charakterizovat nČkolika rysy a parametry:
• Prostorovou orientací chapadla vĤþi manipulaþnímu zaĜízení
• Výslednou sílou uchopení, závisející na hmotnosti a setrvaþnosti pĜedmČtu a odstĜedivé síle
• Geometrie objektu a jeho povrch, poloha tČžištČ a hmotnostní moment setrvaþnosti
• Konstrukce þelistí chapadla v závislosti na rozložení sil, zahrnující tvar
• Povrchové vlastnosti objektu a þelistí chapadla, tuhost, kontaktní citlivost
• PĤsobení okolního prostĜedí, prach a jiné zneþištČní, teplota, vibrace
Snahou všech odvČtví prĤmyslu, kde je manipulace využívána, je zkrátit þas pĜi pĜemisĢování objektu na minimum. Jednou z možností je tento problém automatizovat za použití prĤmyslových robotĤ. V letech 2002 a 2003 nárĤst automatizaþních aplikací pĜekonal aplikace, které jsou pouze ze strojírenské oblasti. PrĤmyslové roboty jsou aplikovány tam, kde hrozí nebezpeþí úrazu pĜi práci a také pĜi monotónní a stereotypní práci.
Roboty jsou schopny pracovat dvacet þtyĜi hodin dennČ, sedm dní v týdnu, s velmi vysokou pĜesností polohy a opakovatelností pohybu (pracovního cyklu). [1], [3], [22]
Samotné slovo robot vzniklo z þeského slova robota, které popisuje tČžkou práci otroka. Slovo robot bylo po prvé použito ve hĜe Karla ýapka R.U.R. První prĤmyslový robot Unimate, vážící 2 tuny, byl instalován v roce 1961 v továrnČ General Motors. KomerþnČ dostupný robot s oznaþením T3, který byl Ĝízen pomocí mikropoþítaþe a pohánČn hydraulikou, byl vyvinut v Cincinatti v roce 1973. V roce 1974 spoleþnost ASEA uvedla na trh první prĤmyslový robot pohánČný elektricky. Tento robot byl schopen pĜemisĢovat objekty o max. hmotnosti 6 kg. NejvČtší vzestup použití tČchto zaĜízení byl pĜi zavedení poþítaþové technologie, programovatelných automatĤ, senzorĤ a softwaru v roce 1996. [1], [2], [3], [22]
Podle Mezinárodní Federace pro Robotiku IFR (International Federation of Robotics) v roce 2011 opČt vzrostl prodej prĤmyslových robotĤ o 38% na 160 000 kusĤ. Mezi pĜední investory do prĤmyslových robotĤ patĜí Japonsko, Jižní Korea, ýína, USA a NČmecko. [1], [3], [22]
Problematika prĤmyslových robotĤ a manipulaþních zaĜízení je aktuální, protože jsou þím dál tím více nasazovány do výroby. Nejvíce jsou roboty nasazovány v automobilovém prĤmyslu, kde jsou použity nejen pro problémy manipulace. PĜíkladem je lepení þelního skla na karoserii automobilu, kdy je využito prĤmyslového robotu s koncovou rámovou konstrukcí s podtlakovými úchopnými hlavicemi.
Vývoj úchopných koncových efektorĤ zaznamenává v posledních letech výrazný vzestup. Firmy zabývající se úchopnými technologiemi vyvíjejí stále dokonalejší zaĜízení pro manipulaci s objekty. [20]
Graf 1.: Statistika poþtu prodaných prĤmyslových robotĤ v jednotlivých letech [22]
[21]
Obr. 1.: Vývoj koncových efektorĤ pro manipulaci SCHUNK v jednotlivých letech [20]
2. Pr Ĥ myslové roboty pro manipulaci používané v praxi
PrĤmyslové roboty jsou automaticky Ĝízené, programovatelné, víceúþelové manipulátory nejménČ se tĜemi nebo více pohybovými osami opatĜených pohony. Existuje velké množství druhĤ robotĤ, které se využívají v prĤmyslu, jestliže se Ĝeší problém manipulace. Záleží na konkrétní manipulaþní úloze, podle které se zvolí daný typ robotu.
Mezi základní druhy manipulace, pĜi nichž se využívá prĤmyslových robotĤ, patĜí „pick and place“ a paletizace. U operací „vezmi a polož“ jsou nejvíce využívané roboty se šesti stupni volnosti, roboty SCARA a velmi rychlé roboty s paralelní kinematickou strukturou. Robot dnešní doby je schopen vykonat špiþkovČ až sto pohybových úkonĤ bČhem pĜedem definované manipulaþní úlohy za jednu minutu. Kinematika robotu umožĖuje dobu pracovního cyklu na jeden pĜedmČt mezi 2 a 10 sekundami. PĜedními výrobci prĤmyslových robotĤ jsou KUKA, ABB, MOTOMAN, Stäubli, Fanuc, Reis Robotics. [1], [18], [19]
2.1. Roboty se šesti stupni volnosti (6-DOF roboty)
Roboty se šesti rotaþními pohyblivými osami jsou nejþastČji vyrábČnými, prodávanými a v prĤmyslu instalovanými roboty. Je to typický prĤmyslový robot. Tento robot tvoĜí sériová kinematika se šesti rotaþními vazbami, které poskytují šest stupĖĤ volnosti (6-DOF – 6 Degree Of Freedom). První tĜi rotaþní vazby od základny slouží pĜi manipulaci s pĜedmČtem pro posun pĜedmČtu v prostoru, další tĜi vazby pro ustavení jeho orientace. Tato robotické ramena jsou vyrábČny se širokou škálou nosností a dosahem. Podle maximální nosnosti jsou k dispozici roboty od 5 kg do 1300 kg. Pro svou univerzálnost se využívají pro všechny druhy operací, záleží na použitém koncovém efektoru. [5], [15], [16], [17], [19]
Obr. 2.1.: Robot s nejvyšší nosností KUKA KR 1300 TITAN PA [15]
2.2. Montážní roboty typu SCARA
SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) roboty se uplatĖují pĜi þastých aplikacích pick and place, kdy robot má za úkol uchopit a pĜemístit pĜedmČt bez možnosti rotace kolem horizontální osy. Díky tomuto pohybu postaþuje robotu jednoduchá sériovČ Ĝazenou kinematickou strukturu se þtyĜmi osami, tĜemi rotaþními a jednou posuvnou. Tímto jsou zajištČny þtyĜi stupnČ volnosti. První dvČ rotaþní vazby jsou navzájem rovnobČžné a kolmé k základnČ, na které je robot usazen. Koncový vertikální posuvný pohyb je realizován spoleþnČ s rotaþním pohybem pomocí kuliþkového šroubu. Tyto roboty jsou schopny pracovat s velmi vysokými rychlostmi a s preciznČjší opakovatelností než je tomu u ostatních robotĤ se sériovou kinematikou. Dosah robotu se pohybuje od 200 mm do 850 mm. Maximální nosnost dosahuje 10 kg a zdvih 400 mm. SCARA roboty se také uplatĖují pĜi montáži, balení a pĜi automatizaci práce v þistém prostĜedí napĜ. laboratorní práce. KvĤli pomČrnČ malé zástavbové velikosti je kabeláž vedena vnČ konstrukce. [1], [11], [16]
2.3. Paletiza þ ní roboty
Pro umisĢování vyrobeného zboží na palety jsou využívány roboty pro paletizaci.
PĜi této operaci robot na pĜedem pĜipravenou paletu ukládá výrobky do Ĝad nad sebe. Poté je zboží zabaleno a pĜipraveno k expedici. Takového principu práce se nejvíce využívá pĜi paletizaci a balení v potravináĜském prĤmyslu. Robot má obvykle pouze þtyĜi rotaþní osy, které mu postaþují pro dokonalý pohyb pĜi úloze paletizace. Dochází jen k pĜemisĢování nákladu a k rotaci kolem osy nákladu kolmé k základnČ. Díky tomu jsou roboty jednodušší, spolehlivČjší a levnČjší než 6-DOF roboty. Velký dĤraz je kladen na rychlost práce. OpČt základní charakteristikou robotu je maximální dosah ramene a nosnost. V této dobČ je k dispozici na trhu nejvýkonnČjší robot firmy KUKA s max. dosahem 3202 mm a max. zátČží 1300 kg. V reálných aplikacích jsou nejbČžnČji nasazovány paletizaþní roboty s nosností kolem 500 kg. [15], [17]
Obr. 2.2.: SCARA robot firmy KUKA typ KR 10 SCARA R850 [15]
2.4. Roboty s paralelní kinematikou
Vedle robotĤ se sériovou kinematikou se vyrábí paralelní roboty (Delta roboty), které disponují vysokou rychlostí. Paralelní kinematická struktura znamená, že jednotlivé posuvné nebo rotaþní kinematické dvojice nejsou Ĝazeny za sebou, ale vedle sebe. Tato struktura je
schopna dosáhnout zrychlení až desetinásobku tíhového zrychlení a tím zkracuje þas na pracovní cyklus kolem pĤl sekundy. U sériové kinematické struktury se takto vysokých
rychlostí nedosahuje. Paralelní robot je sestaven z dvou hlavních þástí, základního rámu a pohyblivé základny, která je vybavena koncovým efektorem výhradnČ pro manipulaci nebo balení. Základní rám a pohyblivá základna je spojena pohyblivými vazbami, které jsou realizovány pomocí tyþí s kloubovými spoji na obou koncích. Nevýhodou této struktury je pomČrnČ malý pracovní prostor, který je charakterizován maximálním dosahem a výškou zdvihu. Maximální pracovní dosah se pohybuje v rozmezí od 280 mm až 1600 mm. Roboty jsou schopny pracovat s pĜedmČty o maximální hmotnosti 6 kg. [16], [17], [18]
Obr. 2.3.: KUKA paletizaþní robot KR 700 PA s nosností 700 kg [15]
Obr. 2.4.: Robot s paralelní kinematikou FANUC M-3iA/6S [18]
3. Úchopné hlavice
Úchopná hlavice je koncový efektor prĤmyslového robotu nebo manipulátoru, který zprostĜedkovává silovou vazbu mezi robotickým zaĜízením a objektem a tím lze objekt uchopit a následnČ s ním manipulovat.
Pro manipulaci s pĜedmČty jsou využívána chapadla, která lze rozdČlit podle principu jeho funkce na:
• mechanická (kontaktní)
• podtlaková
• magnetická
• speciální (adhezní, adaptabilní, jehlová)
Všechny tyto kategorie lze dále dČlit na pasivní a aktivní. Pasivní chapadla neumožĖují ovládat úchopné síly, uvolnČní pĜedmČtu je možné pouze vnČjším zásahem.
Aktivní úchopné hlavice obsahují aktivní þlen – motor, který ovládá pracovní þelisti.
Základními komponentami každého aktivního chapadla je motor, pĜevodový mechanismus a aktivní úchopný prvek (napĜ. þelisti nebo pĜísavka). [1], [3], [6]
Mechanické úchopné hlavice vytváĜí nejpoužívanČjší koncové efektory pro manipulaci v prĤmyslu. Základní þástí mechanických chapadel jsou þelisti, které mají schopnost uchopit pĜedmČt a po pĜemístČní na dané místo jej uvolnit. Tyto þelisti jsou pohánČny aktivním prvkem, kterým mĤže být elektromotor, lineární pneumatický nebo hydraulický motor. Proto mohou být kontaktní chapadla dále dČlena na:
• pneumatická
• hydraulická
• elektrická
• speciální (piezoelektrická).
Pasivní mechanická chapadla jsou nejjednodušší chapadla a uchopení objektu je realizováno pomocí speciální konstrukce þelistí. [1], [3], [6]
Obr. 3.0.1.: Schéma pasivní mechanické úchopné hlavice [6]
Podtlaková chapadla jsou použitelná pro manipulaþní aplikace s objekty, které mají složitou geometrii. VytvoĜením podtlaku mezi pracovním elementem, pĜísavkou, a objektem je objekt uchopen a pĜemístČn na dané místo. U pasivních chapadel je podtlak vytvoĜen deformací pĜísavky, kdežto u aktivních je podtlak vytvoĜen pĜipojenou vývČvou þi ejektorem.
[1], [3], [6]
Magnetické úchopné hlavice jsou aplikovány pĜi manipulaci s magnetickými pĜedmČty, které mají vČtšinou malé rozmČry a nízkou hmotnost (plechové kroužky, podložky). PĜedností tČchto chapadel je jednoduchá konstrukce, která je realizována pomocí tyþových permanentních magnetĤ nebo elektromagnetĤ napájených stejnosmČrným proudem.
UvolnČní pĜedmČtu je provedeno pohybem v tangenciálním smČru u permanentních magnetĤ a u elektromagnetĤ vypnutím el. proudu. [6]
Adhezní chapadla využívají principu povrchového napČtí adhezní kapaliny. Adhezní kapalina je pĜivedena mezi chapadlo a objekt manipulace a díky adhezi dojde ke spojení. Tato chapadla jsou vhodná pro uchopování pĜedmČtĤ o velikostech v Ĝádech mikrometrĤ. Adaptabilní úchopné hlavice jsou velmi flexibilní, protože jsou schopny manipulovat s pĜedmČty, které mají jiný tvar a geometrii. Jehlová chapadla jsou vhodná pro manipulaci s pĜedmČty, které jsou vyrobeny z vláken (textilie, skelné nebo uhlíkové vlákna). Jehly proniknou skrz materiál a tím uchopí pĜedmČt. [1], [3]
Souþástí každé úchopné hlavice jsou díry pro uchycení ke koncové pĜírubČ prĤmyslového robotu, rozhraní pro pĜívod zdroje energie a také místa v podobČ drážek nebo závitových dČr pro pĜipojení senzorĤ. [12]
Obr. 3.0.2.: Podtlaková úchopná hlavice SCHUNK GSW-V s Venturiho tryskou pro vytvoĜení podtlaku [12]
Obr. 3.0.3.: Magnetické chapadlo SCHUNK GSW-M [28]
3.1. Koncové efektory
Koncové efektory jsou podsystémy prĤmyslových robotĤ, které vykonávají danou operaci s cílovým pĜedmČtem. Efektor je umístČn na samém výstupu ramene prĤmyslového robotu a je pĜipojen pomocí koncové pĜíruby.
Koncové efektory lze rozdČlit podle úþelu použití v prĤmyslu na:
• úchopné hlavice
• technologické hlavice
• kombinované hlavice
• mČĜící hlavice
• speciální hlavice
Úchopné hlavice jsou využívány pro manipulaci s pĜedmČty. Technologické koncové efektory jsou nasazovány pĜi urþitém technologickém procesu, jako je spojování materiálu (sváĜení), odebírání materiálu (obrábČní) þi lakování. Kombinované hlavice jsou schopny vykonat více operací najednou nebo po sobČ bez nutnosti výmČny koncového efektoru. Jde o kombinaci napĜ. úchopné a technologické hlavice. MČĜící hlavice jsou nasazovány všude tam, kde je tĜeba zajistit požadované parametry bČhem výroby. Mezi speciální hlavice patĜí efektory, které nejsou velmi rozšíĜené, napĜ. pro zábavní prĤmysl (KUKA Robocoaster) nebo koncové efektory využívané ve zdravotnictví. [1], [3], [6]
3.2. Aktivní kontaktní chapadla
Tento typ chapadel je nejrozšíĜenČjší svým použitím v prĤmyslu. Pohyb þelistí je pĜes pĜevodový mechanismus ovládán motorem. Pohonnou jednotkou je ve vČtšinČ pĜípadĤ pĜímoþarý pneumatický motor nebo elektromotor. Energie z motoru je pĜenášena na þelisti, které mohou vykonávat pĜímoþarý pohyb nebo se pohybovat po kružnici. Podle pohybu þelistí lze dále dČlit mechanická chapadla na:
• paralelní
• radiální, úhlová Obr. 3.1.1.: Technologické hlavice
pro svaĜování a lakování [16]
Obr. 3.1.2.: Speciální hlavice pro zábavní prĤmysl KUKA Robocoaster [29]
Paralelní chapadla jsou konstrukcí velmi jednoduchá, kdy þelisti jsou posunovány v kluzném nebo valivém vedení. Tato chapadla jsou charakteristická šíĜkou rozevĜení þelistí.
Kdežto radiální þi úhlové úchopné hlavice obsahují þelisti, které jsou uloženy na þepu, kolem kterého se otáþejí. PĜi použití tČchto hlavic je nutný vČtší okolní prostor pĜi uchopování pĜedmČtu. [1], [3], [6], [12]
Existuje nČkolik druhĤ pĜevodových mechanismĤ, které se využívají k pĜemČnČ rotaþního pohybu motoru na translaþní pohyb þelistí. Díky tomuto mechanismu jsou þelisti spojeny a vykonávají synchronizovaný pohyb, þímž dochází k automatickému vystĜedČní pĜedmČtu mezi þelistmi. [1], [3], [6]
Používané pĜevodové mechanismy kontaktních chapadel:
• klínový
• pákový
• vaþkový
• ozubený
• šroubový
U pneumatických úchopných hlavic se bČžnČ využívá klínového, pákového, vaþkového nebo ozubeného mechanismu. Elektricky pohánČná chapadla obsahují mechanismus klínový, šroubový nebo ozubený. [12]
Klínový pĜevod je velmi jednoduchý. Klín je pĜímo napojen na pístnici pneumotoru.
PĜi vniknutí stlaþeného vzduchu do prostoru nad pístem dochází k zasunutí klínu mezi základny þelistí a tím k jejich otevĜení. V opaþném pĜípadČ, kdy stlaþený vzduch je vhánČn pod píst, jsou þelisti uzavĜeny. [12]
Pákový pĜevod je využit jak u paralelních, tak zejména u radiálních a úhlových úchopných koncových efektorĤ. PĜenos energie z pohonného þlenu na þelisti je zprostĜedkován buć soustavou pák, nebo vhodnČ tvarovaným pĜenosovým elementem umístČným na konci pístnice pneumotoru a vhodnČ tvarovanými þelistmi. [12]
Vaþkový mechanismus je s výhodou využíván u radiálních a úhlových chapadel, kdy je nutné zajistit kĜivoþarý pohyb þelistí. [12]
Ozubené pĜevody mohou být konstruovány dvČma zpĤsoby. Jeden z nich je použití ozubeného hĜebene a pastorku a to u pneumatických chapadel. V tomto pĜípadČ má chapadlo dva pneumotory, jež každý ovládá jednu þelist. Ozubený hĜeben je souþástí každé z pístnic motoru. HĜebeny jsou v zábČru s jedním pastorkem, þímž je zajištČna synchronizace pohybu þelistí. [12]
Šroubový mechanismus pĜevodu pohybu motoru na pohyb þelisti je realizován pomocí pohybového šroubu a matice. Šroub je pĜipojen k elektromotoru a matice
k základnám þelistí, tudíž rotaþní pohyb motoru je tímto spojením transformován na translaþní pohyb þelistí. [1], [3], [6], [12]
3.3. Uchopovací síla
K zajištČní bezpeþného pĜemístČní objektu je nutné znát sílu, která je potĜebná k uchopení objektu. PĜi pohybu pĤsobí na objekt promČnlivé zatížení. Mezi základní síly pĤsobící na objekt patĜí tíhová a síly vyvolané pohybem (setrvaþná, odstĜedivá a dostĜedivá síla). Souþet tČchto sil musí být roven tĜecí síle mezi þelistmi chapadla a objektem, aby bylo dosaženo bezpeþného držení a nedošlo ke skluzu objektu. Tlak vyvolaný stiskem objektu musí být nižší, než je dovolené napČtí pro daný materiál, z kterého je objekt vyroben.
S rostoucí délkou prstu chapadla se snižuje uchopovací síla. [1], [10], [11]
Pro tíhovou sílu FG pĤsobící na objekt platí:
kde m je hmotnost objektu v kg,
g je tíhové zrychlení (g = 9,81 ms-2).
Setrvaþná síla Fx (Fy) mĤže být vyvolána zrychlením nebo zpomalením pĜi translaþním pohybu chapadla ve vodorovném smČru, kde platí:
kde m je hmotnost objektu kg,
ax (ay) je zrychlení nebo zpomalení v ose x (y) v ms-2 .
a) b) c) d)
Obr. 3.2.: Chapadla s mechanismem: a) klínovým, b) pákovým, c) ozubeným, d) šroubovým a klínovým [12], [20]
PĜi pohybu chapadla po kruhové dráze pĤsobí na objekt síla dostĜedivá Fd:
kde m je hmotnost objektu v kg,
v je obvodová rychlost na polomČru kruhové dráhy v ms-1, r je polomČr kruhové dráhy v m,
Ȧ je úhlová rychlost pohybu po kružnici rads-1.
PĜi rotaci pĜedmČtu v neinerciální vztažné soustavČ vznikne odstĜedivá síla Fo, která je reakcí k dostĜedivé síle Fd v inerciální vztažné soustavČ, tudíž výpoþet je stejný jako pro Fd. Síla Fo má opaþný smČr jako síla Fd.
Dále pĤsobí tĜecí síla Ft mezi povrchy objektu a þelisti chapadla:
kde Fu je uchopovací síla þelistí v N, f je koeficient tĜení.
Uchopovací síla není konstantní v celém prĤbČhu þelistí. Tato síla je závislá na vzdálenosti od základny þelistí, kdy s rostoucí vzdáleností od základny klesá uchopovací
síla. Pokud je známa velikost uchopovací síly, lze urþit výkonnost pohonu a typ chapadla pro danou manipulaþní úlohu. [1], [10], [11]
3.4. Základní parametry úchopných hlavic
Technické informace o chapadlech se získávají pomocí základních parametrĤ. Tyto informace jsou nezbytné pĜi zavádČní chapadla do pracovního cyklu. Technické parametry jsou k dispozici v katalozích výrobcĤ, v nichž jsou chapadla vČtšinou Ĝazena dle velikosti nebo hmotnosti uchopovaného pĜedmČtu. Volbou chapadla o správných parametrech lze získat, ve spojení s prĤmyslovým robotem, efektivní zaĜízení pro všechny manipulaþní aplikace v prĤmyslu.
Graf 3.: Závislost uchopovací síly na délce þelistí chapadla [12]
Obr. 3.3.: Síly pĤsobící na chapadlo bČhem translaþního i rotaþního pohybu [1]
Základní parametry pneumatických úchopných hlavic:
• doporuþená hmotnost objektu [kg]
• min./max. pracovní tlak [bar]
• nominální pracovní tlak [bar]
• posuv þelistí na jednu þelist [mm]
• úhel rozevĜení þelistí na jednu þelist [°]
• pĜesnost opakování [mm]
• min./max. teplota okolí [°C]
• stupeĖ krytí (IP) [-]
• doba otevĜení/zavĜení [s]
• hmotnost chapadla [kg]
• moment uzavírání þelistí [N.m]
• spotĜeba vzduchu na dvojitý posuv [cm3] Parametry elektrických úchopných hlavic:
• posuv þelistí na jednu þelist [mm]
• min./max. uchopovací síla [N]
• hmotnost chapadla[kg]
• doporuþená hmotnost objektu [kg]
• max. dovolená délka þelistí [mm]
• IP tĜída [-]
• min./max. teplota okolí [°C]
• pĜesnost opakování [mm]
• maximální rychlost [mm/s]
• nominální dodávaný proud [A]
• maximální dodávaný proud [A]
• nominální napČtí [V]
[12]
3.5. Pneumatické úchopné hlavice
Pneumaticky Ĝízené úchopné koncové efektory jsou v prĤmyslu nejvíce využívané.
Pohonným þlenem je pĜímoþarý pneumatický motor. VpuštČním stlaþeného vzduchu pod nebo nad píst je ovládáno otevĜení þi zavĜení pracovních þelistí, tudíž i uchopení nebo uvolnČní manipulovaného pĜedmČtu. Vzduch je stlaþen na 4 nebo 6 barĤ. Ovládání je Ĝešeno pĜes smČrový ventil. PĜepínání mezi jednotlivými režimy je elektricky Ĝízeno. Pohyb pĜímoþarého pneumotoru je pĜes pĜevodový mechanismus, napĜ. klínový, vaþkový, pákový nebo ozubený, pĜenášen na þelisti. [12]
Pneumatické úchopné hlavice jsou v souþasné dobČ vyrábČny primárnČ v tČchto provedeních:
• 2 – þelisĢová paralelní chapadla
• 2 – þelisĢová úhlová chapadla
• 2 – þelisĢová radiální chapadla
• 3 – þelisĢová koncentrická chapadla
• 3 – þelisĢová úhlová chapadla.
Mezi pĜední výrobce pneumatických úchopných hlavic patĜí SCHUNK, FESTO, SMC, RÖHM, GIMATIC. [12], [21], [25], [26]
Paralelní pneumatická chapadla
Tyto úchopné hlavice se vyznaþují paralelním pohybem dvou þelistí po pĜímé dráze.
Vedení základen þelistí je kluzné nebo valivé. PĜevodový mechanismus je v tomto pĜípadČ
velmi þasto klínový. Použití paralelních dvouþelisĢových chapadel je pĜi manipulaci s objekty, jež mají v ideálním pĜípadČ dva rovnobČžné povrchy. ZpĤsob uchopení objektu
tímto chapadlem umožĖuje relativnČ malé vzdálenosti mezi jednotlivými objekty manipulace.
Uchopovací síla není ve všech místech þelisti stejná, ale klesá s rostoucí délkou þelistí.
PĜi porovnání maximálních uchopovacích sil s jinými druhy chapadel dosahují tato chapadla vysokých hodnot. NapĜíklad 2 – þelisĢové paralelní chapadlo SCHUNK PGN-plus je schopno uchopit objekt silou až 21 000 N. Maximální rozevĜení þelistí vztažené na jednu þelist se pohybuje od 1 mm do 300 mm. [12], [21], [25], [26]
Úhlová pneumatická chapadla
Úhlová chapadla jsou typická pohybem þelistí po kĜivoþaré dráze. Charakteristickým parametrem tČchto úchopných koncových efektorĤ je úhel rozevĜení þelistí na jednu þelist.
Hodnoty maximálního rozevĜení þelistí se pohybují od 8° do 20°, tudíž maximální celkové rozevĜení þelistí je až 40°. Zde je využíváno pákového nebo vaþkového pĜevodového
Obr. 3.5.1.: 2-þelisĢové paralelní pneumatické chapadlo SCHUNK JGP s klínovým mechanismem a jeho hlavní þásti [12]
1 – kluzné vedení þelistí 2 – základny þelistí 3 – otvor pro senzor 4 – pouzdro chapadla 5 – pĜipojovací otvor
6 – pneumotor s klínovým mechanismem
mechanismu mezi pneumotorem a þelistmi. Úhlová chapadla se tĜemi þelistmi jsou vhodná zejména pĜi manipulaþních úlohách s válcovými pĜedmČty. [12], [21]
Radiální pneumatická chapadla
VČtší rozevĜení þelistí a tím i širší využití nabízí radiální pneumatické úchopné hlavice. Maximální celkový úhel rozevĜení je 180°. Nevýhodou tohoto typu chapadla je nutnost velkého prostoru kolem objektu pĜi uchopování, tudíž i zvýšené nároky na prostory pro setĜídČné objekty. Charakteristickým parametrem je moment uchopení, který dosahuje maximální velikosti kolem 300 Nm. PĜi použití vhodnČ tvarovaných koncĤ þelistí se tato chapadla využívají k nabírání pĜedmČtĤ. Tato chapadla jsou vyrábČna pouze ve 2-þelisĢovém provedení. [12], [21]
Koncentrická pneumatická chapadla
Možnost optimálního vystĜedČní nabízejí koncentrická neboli soustĜedná chapadla.
VystĜedČní je zajištČno uchopením pĜedmČtu tĜemi þelistmi. Velmi þasté využití tČchto chapadel je pĜi manipulaci s tyþovými pĜedmČty s válcovým prĤĜezem, kdy v ose chapadla je otvor k vedení válcové tyþe. PĜi pohybu pístu pneumotoru dolĤ jsou pĜes klínový mechanismus synchronnČ otevírány všechny tĜi þelisti. Hodnota maximálního celkového rozevĜení þelistí je 70 mm. [12], [21], [25]
1 – pouzdro chapadla 2 – základny þelistí 3 – pákový mechanismus 4 – pneumotor
5 – pĜipojovací otvor
Obr. 3.5.2.: 2-þelisĢové úhlové pneumatické chapadlo SCHUNK LGW a jeho hlavní þásti [12]
Obr. 3.5.3.: Radiální pneumatická chapadla GIMATIC GX-25S a SCHUNK PRG se speciálnČ tvarovanými þelistmi [12], [25]
3.6. Elektrické úchopné hlavice
Elektrická chapadla jsou svou konstrukcí podstatnČ složitČjší než chapadla pneumatická, protože obsahují elektronické prvky. Pohonným þlenem ve vČtšinČ pĜípadĤ je servomotor nebo krokový motor. Tento elektromotor prostĜednictvím pĜevodového mechanismu, napĜ. šroubového, klínového nebo ozubeného, zpĤsobuje translaþní pohyb
chapadla. Nutnými souþástmi každé elektricky Ĝízené úchopné hlavice jsou senzory a samostatná Ĝídicí jednotka pro chapadlo, která je pĜipojena k Ĝídicímu systému celého
robotického zaĜízení. [12], [26]
Základními þástmi elektrického chapadla je elektromotor, pĜevodový mechanismus, Ĝídicí elektronika, rozhraní pro pĜipojení kabelu pro pĜenos dat a pĜívod elektrické energie o napČtí 24 V. Nezbytnou þástí chapadla je enkodér pro precizní nastavování pozice þelistí.
Obvykle jsou v chapadle použity dva pĜevodové mechanismy, kdy jeden transformuje rotaþní pohyb od elektromotoru na pohyb translaþní a druhý zpĤsobuje rozevĜení þelistí. Pro pĜevod rotaþního pohybu na pĜímoþarý je použit šroubový mechanismus realizovaný pohyblivým šroubem a maticí. [12], [26], [27]
ObecnČ tento typ chapadel pracuje s menšími uchopovacími silami než pneumatické úchopné hlavice. Jako u všech úchopných hlavic se uchopovací síla zmenšuje s rostoucí vzdáleností od základny þelisti. Avšak nejvČtší pĜedností elektrických chapadel je pĜímé nastavování rozevĜení þelistí a tím i Ĝízení velikosti síly, jakou þelisti pĤsobí na manipulovaný objekt. [12], [26], [27]
Tyto úchopné koncové efektory nejsou nabízeny na trhu v tak rozmanitých provedeních jako pneumaticky Ĝízená chapadla. V souþasné dobČ jsou vyrábČny typy:
• 2 – þelisĢová paralelní chapadla
• 3 – þelisĢová koncentrická chapadla.
1 – základny þelistí 2 – stĜedový otvor
3 – pneumotor s klínovým pĜevodem
4 – kluzné vedení þelistí 5 – pouzdro chapadla
Obr. 3.5.4.: 3-þelisĢové koncentrické chapadlo SCHUNK PZB-plus se stĜedovým otvorem a jeho základní þásti [12]
Hlavními výrobci elektrických úchopných hlavic jsou SCHUNK, SMC, DESTACO.
[12], [26], [27]
2 – þelisĢová paralelní elektrická chapadla
Funkce tČchto elektrických chapadel je obdobná jako u paralelních pneumatických chapadel s tím rozdílem, že þelisti jsou ovládány elektromotorem a mĤže být dosažena menší maximální uchopovací síla. Tato maximální uchopovací síla se pohybuje kolem 1 800 N (chapadlo SCHUNK PEH). ýelisti jsou vedeny v kluzném vedení nebo prostĜednictvím valivých elementĤ. Ve vČtšinČ pĜípadĤ je zde využit pĜevod pomocí pohybového šroubu a matice kombinovaný s klínovým nebo ozubeným pĜevodem. [12], [26], [27]
3 – þelisĢová koncentrická elektrická chapadla
Elektricky Ĝízená chapadla, které jsou schopna vystĜedit objekt manipulace uchopením ve tĜech místech. U tČchto chapadel je využito výhradnČ šroubového a klínového mechanismu. Všechny tĜi þelisti se opČt pohybují synchronnČ, jako je tomu u pneumatických koncentrických úchopných hlavic. Chapadlo mĤže být upraveno tak, že pro pĜipojení k manipulaþnímu zaĜízení je využito šroubového spoje (chapalo SCHUNK EZN). U chapadla SCHUNK EZN 100 je maximální uchopovací síla 800 N a šíĜka rozevĜení þelistí na jednu þelist 10 mm. [12], [26], [27]
Obr. 3.6.1.: 2-þelisĢové paralelní elektrické chapadlo SCHUNK PG a jeho hlavní þásti [12]
1 – Ĝídicí elektronika 2 – enkodér
3 – servomotor 4 – ozubený pĜevod 5 – pĜevod pohyblivým šroubem a maticí 6 – datové a napájecí rozhraní
Obr. 3.6.3.: Koncentrické elektrické chapadlo SCHUNK EZN [12]
Obr. 3.6.2.: Koncentrické elektrické chapadlo SMC LEHS [26]
3.7. Vybrané oblasti používání úchopných koncových efektor Ĥ
K manipulování s objekty dochází ve všech oblastech prĤmyslu. Úchopné hlavice lze využít jak k obyþejnému pĜemisĢování, tak k paletizaci nebo montáži. Tyto operace se nejþastČji vykonávají pĜi normálních podmínkách, ale chapadla tomu uzpĤsobená jsou schopna pracovat za velmi vysokých nebo nízkých teplot nebo v prašném prostĜedí.
Pro pĜepravování pĜedmČtĤ je dĤležitá paletizace. Objekty jsou pravidelnČ umisĢovány na paletu a následnČ baleny. [1], [12], [20]
Jednou z oblastí, kde je úchopná hlavice vystavena velmi vysoké teplotČ, je slévárenství. Chapadlo má za úkol manipulovat s odlitky, které mají velmi vysokou teplotu.
Pomocí manipulaþního zaĜízení s chapadlem pro použití pĜi extrémních podmínkách dochází postupnČ k vyjmutí odlitku z formy a následnČ k ponoĜení do ochlazovací láznČ. Tato chapadla jsou odolná i proti velkým teplotním rozdílĤm. TČmto podmínkám je schopné odolat pouze pneumaticky Ĝízené chapadlo. [1], [12], [20]
Další oblastí použití je montáž. PĜi montáži se využívá mnoha typĤ chapadel, napĜ. podtlakových, pneumatických i elektrických. Výroba automobilĤ je typickým místem použití montážních úchopných hlavic. PĜi montáži spalovacího motoru je použito pneumatického chapadla s vysokou hodnotou uchopovací síly pro manipulaci s blokem motoru. Další použití je lepení þelního skla ke konstrukci auta pomocí rámové konstrukce s podtlakovými úchopnými hlavicemi. [1], [12], [20]
Specifickou oblastí použití chapadel je manipulace v þistém prostĜedí. Chapadla, použitá v laboratoĜích nebo pĜi zacházení s potravinami, musí splĖovat nutné laboratorní nebo hygienické normy. V laboratoĜích je manipulováno þasto s kĜehkými a miniaturními objekty.
S výhodou se zde využívá elektrických nebo podtlakových chapadel. [1], [12], [20]
Obr. 3.7.: PĜíklady využití úchopných hlavic: a) manipulace s odlitky [20], b) manipulace s blokem motoru [20], c) manipulace s potravinami [1]
a) b) c)
4. Výhody a nevýhody elektrických a pneumatických chapadel
U pneumaticky a elektricky pohánČných úchopných hlavic existuje Ĝada výhod, kvĤli kterým jsou tyto hlavice aplikovány pĜi konkrétních manipulaþních úlohách, ale i jistých nevýhod, které limitují jejich použití.
4.1. Výhody a nevýhody elektrických chapadel
Elektrické pohony dovolují výborné ovládání úchopné síly a pohybu. Další výhodou jsou nízké provozní náklady. Kompaktní konstrukce elektromotoru a zvyšující se úþinnost má þím dál tím vČtší význam pro dnešní aplikace. Výhodou je i þistota provozu, proto elektrická chapadla mohou být nasazena v þistých prostorách. Zdrojem energie pro þinnost úchopné hlavice je elektĜina, tudíž odpadá nutnost dalšího pohonného média pro celé robotické zaĜízení. [1], [9], [12]
Obecnou nevýhodou elektrických zaĜízení je nebezpeþí úrazu elektrickým proudem.
Také hmotnost samotného úchopného zaĜízení je v porovnání s ostatními druhy chapadel vČtší. Nutnost samostatné Ĝídící jednotky pro chapadlo a nutnost použití senzorĤ se podepisuje na vyšší poĜizovací cenČ. Tyto úchopné hlavice nelze používat pĜi vysokých teplotách, kdy hrozí nebezpeþí natavení elektronických þástí. [1], [9], [12]
4.2. Výhody a nevýhody pneumatických chapadel
Pneumatická chapadla jsou známa svou jednoduchostí, dlouhou životností a lehko dostupným pohonným médiem (stlaþený vzduch). Pneumatika umožĖuje kompaktní krytování pohonné þásti. Pneumaticky Ĝízená chapadla jsou schopna pracovat v extrémních podmínkách napĜ. pĜi chlazení u odlévání nebo v prašném prostĜedí pĜi broušení. Tyto úchopné hlavice spolehlivČ fungují v elektrickém nebo magnetickém poli. Další výhodou jsou
rychlé þasy otevírání a zavírání. Je dosaženo vČtší maximální uchopovací síly než u elektrických úchopných hlavic. V porovnání s ostatními typy chapadel, pneumatická lze
poĜídit za nižší poĜizovací cenu. [1], [9], [12]
Nevýhodou je ponČkud zneþištČný vzduch, který je prostĜednictvím jednotky na úpravu vzduchu mazán rozstĜikovaným olejem a po odvedení práce vypuštČn z chapadla
do ovzduší. Vzduch musí být vždy filtrován, kdy filtry jsou souþástí jednotek na úpravu vzduchu. Tyto koncové efektory bČžnČ vyžadují ustalovaþ pro dojezd þelistí na koncovou polohu, aby nedošlo k poškození chapadla. ýelisti se pohybují pĜíliš tvrdČ do koncové polohy.
Ovládání je omezeno na otevĜení a zavĜení þelistí, tudíž nelze nastavovat velikost rozevĜení þelistí a tím i sílu uchopení. Chapadla s tímto pohonem obtížnČ udržují rovnomČrný pohyb þelistí pĜi nízkých rychlostech. Hluþnost je vyšší než u ostatních typĤ pohonĤ. Také provoz je
pomČrnČ drahý u takto pohánČných chapadel, protože výroba stlaþeného vzduchu je asi sedmkrát dražší než výroba elektĜiny.[1], [9], [12], [21]
Tab. 4.: Porovnání výhod a nevýhod elektrických a pneumatických chapadel [1], [9], [12]
ELEKTRICKÁ
CHAPADLA
PNEUMATICKÁ CHAPADLA
OVLADATELNOST
+ -
MAX. UCHOPOVACÍ SÍLA
- +
JEDNODUCHOST
KONSTRUKCE
- +
ýISTÉ PROSTěEDÍ
(laboratoĜe)
+ -
EXTRÉMNÍ PROSTěEDÍ
(vysoké i nízké teploty, vlhkost)
- +
ZNEýIŠTċNÉ PROSTěEDÍ
(lakovny, prašné prostĜedí)
- +
PRÁCE V MAG. A EL. POLI
- +
POěIZOVACÍ CENA
- +
HLUýNOST
+ -
Obr. 4.2.: Jednotka pro úpravu stlaþeného vzduchu FESTO MS9 [21]
5. Speciální moduly úchopných koncových efektor Ĥ
Tyto speciální moduly a jednotky, které se pĜipojují k úchopným hlavicím, ve velké míĜe zvyšují flexibilitu a adaptabilitu celého robotického zaĜízení a tím jsou Ĝešením pro více prĤmyslových aplikací. Mezi základní pĜíslušenství, které výrobci chapadel poskytují, patĜí kompenzátory, rotaþní a otoþné jednotky a moduly pro automatickou výmČnu chapadla.
5.1. Kompenzátory
Kompenzátory jsou mechanické moduly, které pĜedevším odstraĖují pracovní a geometrické nepĜesnosti polohy vzájemných þástí ve vztahu rameno robotu – zápČstí robotu
– koncový efektor – pĜedmČt, vyskytující se zejména pĜi pĜedávání objektĤ mezi prĤmyslovým robotem a výrobním strojem nebo manipulaþním zaĜízením a upínacím pĜípravkem. Princip þinnosti je založen na poddajném chování kompenzátoru, kdy vzniká pĜizpĤsobení þelistí chapadla daným úchopným plochám pĜedmČtu. [6], [8], [10]
Poddajné chování kompenzátoru je zajištČno pomocí:
• pryžové bloky (silentbloky)
• pružiny
• membrány
• vlnovce.
Souþástí kompenzátoru mohou být i pĜídavné translaþní osy, které umožní posuv koncového efektoru v ose kolmé na osu chapadla. Tyto posuvy se využívají u kompenzátorĤ pĜipojených k jednoduchým robotickým zaĜízením s nižším stupnČm volnosti. [6], [8], [10]
5.2. Rota þ ní moduly
Rotaþní moduly pĜidávají koncovému efektoru další stupeĖ volnosti v podobČ rotaþního pohybu. Pohyb je realizován pomocí mechanismu, který je elektricky, pneumaticky nebo hydraulicky pohánČn. [20]
Obr. 5.1.: PĜíklad kompenzátoru s pružinami a kulovým þepem a kompenzátor s pĜídavnou translaþní osou [6]
Pneumaticky pohánČné rotaþní jednotky jsou vybaveny dvČma pĜímoþarými pneumatickými motory, jejichž píst je opatĜen ozubeným hĜebenem. Toto ozubení zabírá s ozubeným kolem, které je mezi obČma písty. Ozubené kolo je souþástí pĜíruby, která se pĜipojuje ke koncovému efektoru. PĜi pohybu pístĤ proti sobČ dochází k rotaci výstupní pĜíruby. Díky tomuto modulu je chapadlo schopno rotace až 180° s možností nastavení odchylky od koncové polohy 3°. Hydraulicky pohánČné rotaþní moduly pracují na stejném principu s použitím kapalného pracovního média. [20]
Rotaþní jednotky s elektrickým pohonem jsou konstruovány na bázi statoru a rotoru.
Další komponentou je brzda, která ovládá pohyb rotace. Tato jednotka je programovatelná, tudíž lze nastavit libovolný úhel otoþení koncového efektoru. Jednotka je schopna pracovat s vysokou pĜesností až 0.01°. [20]
5.3. Moduly pro automatickou vým Č nu efektor Ĥ
Pro manipulaci s objekty s rĤznými parametry, mezi které patĜí napĜ. geometrie, vlastnosti povrchu, vlastnosti materiálu, je zapotĜebí nČkolika chapadel. PĜi použití jednoho manipulaþního zaĜízení, napĜ. prĤmyslového robotu, je nutná výmČna úchopné hlavice. Tuto výmČnu lze provádČt ruþnČ, kdy je prĤmyslový robot zastaven. Tímto se zvyšuje doba pro manipulaci. Další možností výmČny chapadla je automatická výmČna za použití modulu pro automatickou výmČnu úchopné hlavice. [3], [7], [11], [12], [20]
Tento pĜídavný modul je v dnešní dobČ hojnČ využíván, kdy je kladen velký dĤraz na flexibilitu zaĜízení a zkrácení pracovního procesu. Jedná se o rozhraní mezi pĜírubou robotického zaĜízení a chapadlem, které umožĖuje velmi jednoduše a bezpeþnČ oddČlit chapadlo od prĤmyslového robotu. VýmČna chapadla trvá 2 až 7 sekund, záleží na velikosti a hmotnosti chapadla. [3], [11], [12], [20]
Modul je rozdČlen na dvČ þásti, z nichž jedna je pĜipojena na koncovou pĜírubu prĤmyslového robotu a druhá je napojena k úchopné hlavici. Tímto vznikne rozhraní, které obsahuje prvky pro mechanické spojení, konektory pro spojení kanálu pro energii a kanálu pro data. Další souþástí je senzor pro mČĜení vzdálenosti obou þástí modulu pĜi pĜipojování
Obr. 5.2.: Rotaþní jednotka SCHUNK SRU-plus a Ĝez touto jednotkou [20]
nebo odpojování chapadla. Nezbytný je i elektricky ovládaný mechanický zámek, který zabezpeþí pĜipojení obou þástí modulu. [3], [11], [12], [20]
5.4. Oto þ né jednotky
Otoþné jednotky jsou další komponentou, která je pĜipojována mezi koncovou pĜírubu robotického ramene a úchopnou hlavici. Tato jednotka umožĖuje pĜipojení nČkolika chapadel k jednomu výstupu prĤmyslového robotu (obvykle 2 - 6). Místa pro pĜipojení hlavice jsou navzájem pootoþena, aby nedocházelo ke kolizi chapadel. PĜemČna pĜipojených hlavic trvá mČnČ než jednu sekundu. [1], [3], [20]
Podle poþtu rozhraní se otoþné jednotky dČlí do dvou skupin:
• jednotka s dvČma rozhraními
• revolverová jednotka
Pro vČtšinu aplikací je postaþující použití rotaþní jednotky s dvČma rozhraními pro umístČní chapadel. Revolverová otoþná jednotka obsahuje nČkolik míst pro uložení chapadel. Tato místa jsou na obvodu revolverové hlavy. Chapadla jsou schopna pracovat nezávisle jedno na druhém. [1], [3], [20]
Použitím tČchto jednotek odpadá nutnost odpojení úchopné hlavy pĜi zmČnČ parametrĤ manipulaþní úlohy. Tím je zajištČna vyšší flexibilita a nižší hodnota doby pracovního cyklu.
Také je zvýšen stupeĖ volnosti celého robotického systému. ýasté využití je pĜi þinnosti þtyĜosého robotu (napĜ. paletizaþní robot), kdy je tĜeba objekt otoþit do horizontální polohy.
[1], [3], [20]
Obr. 5.3.2.: Modul pro automatickou výmČnu úchopné hlavice SCHUNK SWS [20]
Obr. 5.3.1.: Schéma rozhraní mezi þástmi modulu [3]
5.5. Soustavy pro m ČĜ ení úchopné síly v þ elistech chapadel
Dalším speciálním pĜídavným modulem je modul pro pĜímé mČĜení sil pĤsobící na þelisti chapadla. Základem systému je mČĜící komponenta, která je umístČna mezi základnu þelisti a samotnou þelist. Souþástí komponenty je senzor mČĜící napČtí, které vznikne
deformací þelistí pĜi uchopení objektu. Tyto deformace jsou pĜevádČny procesorem na analogový signál, vyjadĜující velikost pĤsobící síly. Na procesoru je vestavČný LCD
displej pro pĜímé odeþtení síly pĤsobící na pĜedmČt. K tomuto modulu je dodáván i poþítaþový software ke sledování spojitého prĤbČhu síly (dle firmy SCHUNK). [12]
Obr. 5.4.1.: Otoþná jednotka SCHUNK SKE pro 2 chapadla [20]
Obr. 5.4.2.: Revolverová hlava firmy Giray Roboter Automation [3]
Obr. 5.5.1.: Chapadlo s mČĜící soustavou SCHUNK FMS [12]
Obr. 5.5.2.: Softwarové rozhraní firmy SCHUNK [12]
6. Možnosti Ĝ ízení pneumatických a elektrických chapadel
V dnešní dobČ si fungování moderních robotických systémĤ bez senzorové techniky nelze pĜedstavit. ěízení koncového elektrického chapadla mĤže být realizováno pouze za použití senzorĤ. ěízením je zahrnuto monitorování pohybu chapadla nebo také synchronizace mezi úchopnou hlavicí s manipulovaným pĜedmČtem. Ovládání je vykonáváno pĜes programovatelný automat, který je napojen pĜímo na Ĝídící jednotku robotu. Je využíváno logického Ĝízení na bázi vstupĤ a výstupĤ (I/O). ěízení je chápáno jako ladČní PD nebo PID regulátoru. LadČní je vykonáváno pomocí zpČtné vazby (feedback).
Mezi Ĝízené funkce chapadla zejména patĜí:
• uchopovací síla a rychlost uchopení
• pozice a orientace objektu mezi þelistmi
• síly a momenty bČhem manipulace
• identifikace místa uchopení (tj. snímání pĜítomnosti objektu manipulace)
• teplota chapadla [1], [3]
6.1. Principy Ĝ ízení pneumatických a elektrických úchopných hlavic
ěízení pneumatických úchopných hlavic je omezeno pouze na otevĜení a zavĜení uchopovacích þelistí. Ovládání je odlišné pro chapadla s jedním nebo s dvČma pĜímoþarými pneumotory nebo pĜímoþarými hydromotory. Základním prvkem pro ovládání sevĜení/rozevĜení prstĤ je šoupátkový rozvadČþ elektricky ovládaný. PĜestavováním polohy šoupátka rozvadČþe dochází k ovládání smČru toku vzduchu na píst pneumotoru. Tím se mČní pracovní objem válce pneumotoru respektive zdvih pístu. Tato velikost zdvihu pĜímo ovlivĖuje šíĜku rozevĜení þelistí. PĜi toku vzduchu nad píst chapadla se þelisti otevírají, pĜi vyplnČní prostoru pod pístem stlaþeným vzduchem se þelisti zavírají. [3], [12]
Obr. 6.1.1.: Schéma Ĝízení pneumatické úchopné hlavice – a) Ĝídicí systém, b) prĤmyslový robot, c) teach-pendant, d) PC, e) pneum. chapadlo s rozvadČþem [1], [12], [15]
Pro Ĝízení elektricky ovládaných chapadel je pĜímo výrobcem dodávána ovládací jednotka, která je pĜipojena k chapadlu a zároveĖ k Ĝídící jednotce celého prĤmyslového
robotu. ěídící jednotka vyhodnocuje signály ze senzorĤ, jako jsou napĜ. signály z ultrazvukového senzoru pro urþení polohy pĜedmČtu nebo signály z CCD kamery, a pĜímo
Ĝídí þinnost pracovních þelistí. Souþástí úchopné hlavice je elektromotor, který prostĜednictvím mechanismu ovládá rozevírání þelistí. Pohonnou jednotkou je ve vČtšinČ pĜípadĤ servomotor nebo krokový motor kvĤli jejich jednoduché regulaci a malým rozmČrĤm.
[3]
6.2. Sníma þ e p Ĝ ipojované k úchopným hlavicím
Senzory jsou nezbytnou souþástí úchopných hlavicí, hlavnČ elektricky Ĝízených.
Pomocí snímaþĤ se získávají informace o stavu robotického zaĜízení a prostĜedí, ve kterém se nachází. V pĜípadČ senzorĤ je mČĜena urþitá fyzikální veliþina, která je posléze pĜevedena na elektrický signál. Tento signál je dále veden do Ĝídicího systému, kde je zpracován. [3], [4], [12]
Senzory lze rozdČlit do dvou hlavních kategorií a to na dotykové a bezdotykové senzory. U dotykových snímaþĤ je požadována síla nebo krouticí moment pĤsobící pĜímo na snímaþ, aby byl schopen nČco zaznamenat. Bezdotykové senzory jsou v provozu v urþité vzdálenosti od mČĜeného objektu. Tyto senzory se dají dále rozdČlit na senzory pro mČĜení
síly nebo momentu a na senzory, které slouží k ovládání spouštČní mechanismu.
Do bezdotykových snímaþĤ jsou zaĜazeny napĜ. optické nebo indukþní senzory. [3], [4], [12]
Obr. 6.1.2.: Schéma Ĝízení elektrického chapadla – a) Ĝídicí systém, b) prĤmyslový robot, c) teach-pendant, d) PC, e) Ĝídicí jednotka chapadla, f) el. chapadlo, g) senzory [12], [15]
PĜi manipulaþních úlohách jsou k úchopným hlavicím zejména pĜipojovány tyto typy senzorĤ:
• bezdotykový indukþní senzor
• bezdotykový magnetický snímaþ a jazýþkový (reed) snímaþ
• optický senzor
• ultrazvukový senzor
• taktilní senzor
Indukþní senzor je použitelný pouze pro elektricky vodivé materiály. Funkce je založena na þinnosti vysokofrekvenþního stĜídavého elektromagnetického pole, které je produkováno oscilátorem senzoru. Pokud vstoupí kovový pĜedmČt do tohoto magnetického pole, þásteþnČ pohltí energii mag. pole. Tento pokles je zaznamenán Ĝídící jednotkou a senzor je aktivní. Velmi þastým pĜípadem je pĜipojení tČchto snímaþĤ do koncových poloh þelistí, aby byl zaznamenán dojezd þelistí do koncové polohy. Dalším uplatnČním je monitorování rotaþních a otoþných modulĤ chapadla. [3], [4], [12], [24]
Dalším bČžnČ využívaným senzorem je magnetický senzor. Tento senzor reaguje na magnetické pole. Princip funkce je založen na HallovČ jevu, kdy magnetické pole kolmé na smČr elektrického proudu vychyluje nosiþe elektrického proudu, tudíž vznikne mezi konci vodiþe rozdíl el. proudu. OpČt je tento rozdíl vyhodnocen Ĝídící jednotkou. Využívá se pro obdobné úþely jako indukþní senzor. Výhodou jsou znaþnČ menší rozmČry a snadné pĜipojení k chapadlu. [3], [4], [12]
Jazýþkové (reed) snímaþe jsou mechanické bezdotykové snímaþe, které jsou nasazovány ve stejných pĜípadech jako magnetické senzory, s výhodou nižší poĜizovací ceny.
Základní þástí senzoru jsou dva feromagnetické kontakty, které jsou pĤsobením mag. pole ohnuty. Ohyb zapĜíþiní spojení kontaktĤ a sepnutí senzoru. [3], [4], [12]
Optické senzory jsou založeny na principu optické závory, kdy optický pĜijímaþ absorbuje svČtlo vysílané z emitoru. Tyto dvČ þásti mohou být uloženy na stejném místČ. PĜi odražení paprsku svČtla od pĜedmČtu je þásteþnČ pohlcena jeho energie pĜedmČtem. Rozdíl energií vyslaného a pĜijatého paprsku je zpracován Ĝídící jednotkou. Tyto senzory jsou využívány pro mČĜení vzdáleností. Použití je možné pouze v þistých prostĜedích a pĜi práci s pĜedmČty s vhodným povrchem pro odraz paprsku. [3], [4], [12]
Dotykové taktilní senzory jsou schopny zaznamenat sílu uchopení nebo jednoduše, zda je dotyk realizován. Taktilní þidla jsou integrovány pĜímo do þelistí chapadla. Oblast využití je zejména pĜi konstrukci robotických pČtiprstých chapadel zastupujících funkci lidské ruky. [3], [4], [12]
Senzory využívající princip ultrazvuku jsou nasazovány pĜi potĜebČ mČĜení vzdálenosti, napĜ. pĜi urþení polohy, do které se má chapadlo pĜemístit. Tyto senzory jsou pĜíbuzné optickým senzorĤm, jen zde nejsou kladeny nároky na specifické vlastnosti mČĜeného objektu a na þistotu prostĜedí, tudíž použití ve zneþištČném prostĜedí je velmi þasté.
[3], [4], [12]
Pro mČĜení dalších parametrĤ jako jsou napĜ. pĜítomnost podtlaku, teplota nebo vodivost objektu manipulace, jsou pĜipojovány k chapadlu další speciální senzory. [3], [24]
6.3. ě ídicí systémy
Základním zaĜízením, které je potĜebné k chodu a ovládání prĤmyslového robotu, je
Ĝídicí systém. Tento systém je programovatelný a tím umožĖuje široké uplatnČní pro automatizované technologické procesy. ěídicí systém je uložen ve skĜíni a obsahuje dvČ
základní þásti, jednotku pro ovládání a napájecí jednotky. UvnitĜ skĜínČ je integrován chladicí systém, aby bylo zamezeno stavu pĜehĜátí. Na skĜíni musí být umístČn nouzový vypínaþ pro okamžité zastavení celého zaĜízení pĜi hrozícím nebezpeþí. [11], [15], [16], [23]
Ovládací jednotka je odpovČdna za Ĝízení pohybu robotu, tudíž za Ĝízení motorĤ, které pohání osy robotu. Další funkcí je vyhodnocování informací, které jsou pĜijaty ze senzorĤ v podobČ elektrických signálĤ. Souþástí této jednotky je základní deska, na které je uložen mimo jiné procesor nebo pamČĢová karta, ve které je uložen program, dle kterého je Ĝízen daný proces. Program je sestaven v programovacím jazyce, který je specifický pro každého výrobce, napĜ. roboty od firmy KUKA jsou programovány v KRL jazyce a roboty ABB
v jazyku RAPID. Napájecí jednotka slouží k zajištČní dodávky elektrické energie ke komponentám robotu, jako jsou motory, senzory, koncové efektory. [11], [15], [16], [23]
Na zadní stranČĜídicího systému je rozhraní pro pĜipojení k dalšímu zaĜízení (koncový efektor, senzory, motory, PC, teach-pendant, atd.). Každý systém je charakteristický poþtem vstupĤ a výstupĤ, které mohou být pĜipojeny. ěídicí systém firmy ABB IRC5 má vestavČné rozhraní pro 16 vstupĤ a 16 výstupĤ. [11], [15], [16], [23]
a) b) c)
Obr. 6.2.: a) indukþní senzor , b) chapadlo GIMATIC s mag. senzory, c) robotická ruka s taktilními snímaþi [12], [25], [30]
Pro komunikaci mezi þlovČkem a Ĝídicím systémem respektive celým robotickým zaĜízením slouží ovládací panel – teach-pendant. Díky tomuto zaĜízení je þlovČk schopen naprogramovat robot nebo ho pĜímo ovládat. Souþástí tohoto ovladaþe jsou tlaþítka, které umožĖují zadávat pĜíkazy do Ĝídícího systému. Novinkou jsou teach-pendanty s dotykovým displejem a USB rozhraním. [11], [15], [16], [23]
6.4. Bezpe þ nost p Ĝ i Ĝ ízení
PĜi manipulaþním procesu musí být dodržena bezpeþnost obsluhy a provozovaných komponent robotizovaného pracovištČ. PĜi manipulaci s pĜedmČtem hrozí nebezpeþí, které mohou zpĤsobit škody na vlastním robotu a okolních periferních zaĜízení nebo dokonce zpĤsobit zranČní obsluhy pracovištČ nebo procházejících osob okolo. Nebezpeþí kolize koncového efektoru s okolním prostĜedím je nejþastČji zpĤsobeno nesprávným naprogramováním pohybĤ robotu nebo vniknutím cizího pĜedmČtu do pracovního prostoru robotu. Dalším nebezpeþím je uvolnČní pĜedmČtu ze sevĜení þelistí chapadla pĜi poruše dodávky pohonného média pro chapadlo. Pro zamezení tČchto situací jsou používány bezpeþnostní prvky. Tyto prvky lze rozdČlit na prvky pro detekci kolize a prvky, které zajišĢují bezpeþnost pĜi poruše dodávky energie. [1], [3], [11]
Proti poškození koncového efektoru pĜi kolizi se používají moduly, které jsou schopny pootoþení, zasunutí a naklápČní. PĜi velkém nárazu, který není zcela ztlumen modulem, pĤsobí velké odporové síly pĤsobící na manipulovaný pĜedmČt. Tyto síly sepnou snímaþe a ty Obr. 6.3.1.: ěídicí jednotka ABB IRC5 [16] Obr. 6.3.2.: ěídicí systém KUKA KR C4 [15]
Obr. 6.3.3.: Klasický teach-pendant KUKA KR C2 [31]
Obr. 6.3.4.: Teach-pendant s dotykovým displejem KUKA SMARTPAD [15]
dají pokyn Ĝídící jednotce nouzovČ zastavit manipulaþní zaĜízení. Moderní jednotky proti kolizi jsou nastavitelné a po pĜekonání nárazu se opČt ustaví do pĤvodní polohy. [3], [11]
PĜi pĜerušení dodávky energie pro chapadlo lze využít bezpeþnostní pružinu, která je nasazena na pístnici pĜímoþarého pneumotoru. Silou od pružiny, která tlaþí píst pneumatického chapadla do zavĜené pozice, je zajištČno stálé zavĜení þelistí, þímž je zamezeno nebezpeþí upuštČní pĜedmČtu. Pokud síla od pružiny nestaþí k zajištČní sevĜení pĜedmČtu, je použit škrtící ventil umístČný na pneumatickém motoru. PĜi pĜerušení dodávky stlaþeného vzduchu je ventil uzavĜen a tím je zamezeno ucházení vzduchu z válce. [1], [3], [11]
ObecnČ je bezpeþnost pĜi þinnosti robotického zaĜízení zajišĢována nouzovým vypínaþem, který umožní nouzové zastavení celého zaĜízení. K zamezení vstupu þlovČka nebo vniknutí pĜedmČtu do pracovního prostoru robotu jsou aplikovány pevné zábrany nebo modernČjší bezpeþnostní svČtelné závory þi nášlapné rohože. [11]
Obr. 6.4.1.: Schéma funkce modulu pro detekci kolize [3]
Obr. 6.4.2.: Chapadlo SCHUNK PGF opatĜené bezpeþnostní pružinou [12]
Obr. 6.4.3.: Bezpeþnostní prvky – nouzový vypínaþ, nášlapná rohož a svČtelná závora [11]
7. Manipula þ ní úloha
Praktickou þástí této bakaláĜské práce je vytvoĜit program pro robot KUKA pro zadanou manipulaþní úlohu. Program pro ovládání robotu je specifický pro každého
výrobce. Firma KUKA využívá k Ĝízení svých robotĤ programovací jazyk KRL. Pro tvorbu tohoto programu je velmi vhodné sestavení vývojového diagramu (flow chartu), podle kterého lze následnou manipulaþní úlohu pĜevézt do programovacího jazyku.
7.1. Zadání manipula þ ní úlohy
Pomocí dostupného robotu KUKA a úchopných hlavic SCHUNK vytvoĜit demonstraþní manipulaþní úlohu. Tato manipulaþní úloha je založena na paletizaci pĜedmČtĤ, které jsou dopravovány pásovým dopravníkem. PrĤmyslový robot uchopí dopravovaný objekt v poloze, která je snímána pomocí optického senzoru umístČného na pásovém dopravníku.
Poté je objekt prostĜednictvím robotu otoþen o 90° kolem svislé osy a umístČn na místo uložení.
Jako objekt manipulace je zde zvolena plastová krychle o hranČ 40 mm. Za celý jeden paletizaþní cyklus je pĜemístČno 16 plastových krychliþek a tím je vytvoĜen rastr 2x2x4.
Po paletizaci je koncový efektor pĜemístČn do poþáteþní polohy.
7.2. Popis robotizovaného pracovišt Č
Robotizované pracovištČ pro tvorbu manipulaþní úlohy je sestaveno z:
• prĤmyslového robotu KUKA KR 3
• Ĝídicího systému KUKA a teach-pendantu
• podtlakové úchopné hlavice s kompenzaþní jednotkou Obr. 7.1.: Schéma manipulaþní úlohy
• vzduchového kompresoru
• pásového dopravníku
• osobního poþítaþe
• optického senzoru
• senzoru pro detekci podtlaku
PrĤmyslový robot KUKA KR 3 je robot se šesti stupni volnosti. Jeho maximální nosnost je 3 kg, maximální dosah 635 mm, opakovatelnost pohybu dosahuje až ±0,05 mm.
Celková hmotnost robotu je 53 kg. Rychlost jednotlivých rotaþních os je v prĤmČru 5 rad.s-1. [32]
Základními prvky podtlakového chapadla jsou ejektor a talíĜová pĜísavka. Vzduch hnaný kompresorem pĜes ejektor vytvoĜí mezi pĜísavkou a objektem podtlak a tím je objekt
uchopen. Podtlaková úchopná hlavice je vybavena senzorem pro detekci podtlaku pro monitorování, zda je objekt uchopen. Tímto se zamezí pĜípadu, kdy robot pomocí
podtlaku neuchopí pĜedmČt a pokraþuje v další instrukci.
Pásový dopravník zajišĢuje pĜísun kostiþek k prĤmyslovému robotu. Souþástí tohoto dopravníku je i optický snímaþ polohy, kterým je objekt detekován.
Obr. 7.2.1.: PrĤmyslový robot KUKA KR 3 a jeho pracovní dosah [32]
Obr. 7.2.2.: Použité podtlakové chapadlo s kompenzaþní jednotkou
