MTR 2009 Wstep do mechatr cz 7 (2)

Politechnika Wrocławska

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji

Kierunek studiów:

Mechatronika

Studia I-stopnia, rok I, sem. 2, rok akad. 2008/09

Materiały do wykładu „

Wst

p do

Wst

p do

mechatroniki

mechatroniki”

Przykłady systemów mechatronicznych: obrabiarki,

roboty przemysłowe

Dr in

. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)

ęść

7 (1 – 48)

Wrocław, 2009

W budowie maszyn produkcyjnych stosowanych w takich bran

ach przemysłu jak: obróbka mechaniczna,

przetwórstwo tworzyw sztucznych, tekstylny, opakowaniowy, drukarski, drzewny i szklarski kluczowe znaczenie
maj

układy sterowania ruchem MC (ang. Motion Control). Dotycz

one bardzo dokładnego (rz

m) i

realizowanego z wysok

dynamik

pozycjonowania zespołów roboczych.

I tak np. wcze

niej w maszynach drukarskich synchronizacja działania ich zespołów roboczych była realizowana

na drodze mechanicznej za pomoc

tzw. wału królewskiego i krzywek. Natomiast obecnie nowe generacje

maszyn drukarskich nie zawieraj

przekładni i innych mechanicznych zespołów sprz

gaj

cych.

Synchronizacja na drodze elektronicznej umo

liwia redukcj

składników mechanicznych, zmniejszenie kosztów i

zapewnia wi

ksz

swobod

w kształtowaniu wygl

du maszyn. Praca poszczególnych zespołów jest

synchronizowana za pomoc

sieciowego systemu komunikacyjnego. Otwiera to nowe mo

liwo

ci modułowej

budowy całych maszyn drukarskich. Elektroniczna synchronizacja modułowych jednostek w maszynie jest
znacznie „sztywniejsza” ni

uzyskiwana przez sprz

ęż

enia mechaniczne. Dzi

ki temu uzyskuje si

wzrost

produktywno

ci, dokładno

ci i popraw

jako

ci druku.

Natomiast w prasach czy wtryskarkach coraz cz

ęś

ciej stosowane s

serwonap

dy elektryczne przy zachowaniu

wysokich wymaga

dotycz

cych bezpiecze

stwa tych maszyn.

Istotn

rol

w budowie maszyn odgrywaj

tak

e takie innowacyjne rozwi

zania jak np. bezpo

rednie nap

elektryczne, czy elektroniczna technika bezpiecze

stwa, które otwieraj

nowe mo

liwo

ci rozwi

. Ze strony

firm produkuj

cych maszyny wytwórcze wyst

puj

oczekiwania, aby stosowane w nich zespoły umo

liwiały

jeszcze dokładniejsz

i wydajniejsz

realizacj

procesów wytwarzania.

Istotne znaczenie w budowie maszyn maj

równie

komputerowe systemy wspomagania prac in

ynierskich

CAD/CAE/CAM (ang. Computer Aided Design/ Computer Aided Engineering/ Computer Aided Manufacturing).
Umo

liwiaj

one tworzenie modeli konstrukcyjnych poszczególnych zespołów maszyny, analiz

obci

ąż

wytrzymało

ci elementów, a tak

e przygotowanie procesów wytwarzania cz

ęś

ci i monta

u zespołów.

Mechatroniczne podej

cie w budowie maszyn wymaga specjalistów, którzy maj

pogl

d na cał

maszyn

, a

zatem nie oddzielnie rozpatrywane cz

ęś

ci mechaniczne, elektryczno/ elketroniczne i oprogramowanie. Konieczne

jest rozpatrywanie zespołów mechanicznych, techniki nap

dów i regulacji w modelu systemowym. Wa

ne jest

przy tym równie

uwzgl

dnianie relacji efekty (u

yteczno

ść

) /koszty.

Aspekty rozwoju obiektów mechatronicznych

Serwis w budowie maszyn i instalacji w tradycyjnym podej

ciu obejmuje usuwanie zakłóce

w ich

pracy oraz wykonywanie napraw. Usługi serwisowe s

przez producentów maszyn i instalacji cz

sto

traktowane jako niepo

żą

dana działalno

ść

. Jednak obecnie obserwuje si

stopniow

zmian

takiego

nastawienia. Globalizacja i rosn

ca zale

ść

od eksportu powoduj

e producenci wyrobów musz

zapewnia

serwis jako dodatkow

usług

ze wzgl

dów konkurencyjnych. Taki rozwój jest ponadto

wzmacniany przez rosn

porównywalno

ść

wielu wyrobów. Z tego wynika fakt,

e na rynkach o du

konkurencji czynnikiem rozstrzygaj

cym o zakupie wyrobu staje si

nie tylko jego jako

ść

i cena, ale

tak

e dodatkowe usługi serwisowe.

Dalszym powodem silnie rosn

cego znaczenia serwisu jest du

a zło

ono

ść

maszyn i urz

dze

(instalacji), która została znacznie przyspieszona przez szerokie zastosowanie układów
mechatronicznych. Urz

dzenia i systemy mechatroniczne cz

sto mog

instalowane i

eksploatowane tylko ł

cznie ze wspomaganiem serwisowym, poniewa

wymagaj

one specjalnego

Know-how i w przypadku zakłóce

ich działania lub konieczno

ci naprawy wymagaj

odpowiedniego

wsparcia przez kompetentny personel producenta. Z tych wzgl

dów serwis z czysto technicznej

działalno

ci usługowej rozwin

ł si

do oddzielnej dyscypliny z szerokim zakresem działa

Przeprowadzone analizy wykazały,

e usługi np. serwisowe maj

bardzo du

e znaczenie dla klientów.

Dzi

ki rozwojowi szerokopasmowych sieci komunikacyjnych i upowszechnieniu Internetu jako ogólnie

dost

pnego, globalnego medium telekomunikacyjnego ro

nie równie

zastosowanie teleserwisu

(serwisu zdalnego). Teleserwis jest przy tym traktowany przede wszystkim jako efektywna mo

liwo

ść

przeprowadzania zdalnej diagnostyki i usuwania niektórych bł

dów w maszynach (instalacjach).

Teleserwis nie jest przy tym ograniczony tylko do poszczególnych obszarów zastosowa

, takich jak

np. zdalna diagnostyka i piel

gnacja, lecz mo

e si

rozci

na cały cykl

ycia wyrobów.

W teleserwisie dotycz

cym maszyn mog

realizowane nast

puj

ce istotne usługi: (1)

uruchamianie, (2) zapewnienie cz

ęś

ci zamiennych, (3) przygotowanie cz

ęś

ci zamiennych, (4)

inspekcja/ monitoring, (5) diagnostyka, (6) ustawianie stanu, (7) tuning maszyny, (8) nadzorowanie
procesu, (9) kierowanie procesem oraz (10) tuning procesu.

Teleserwis (zdalna obsługa)

Wiele zastosowa

układów regulacji poło

enia ma za zadanie wyeliminowanie niepo

żą

danych drga

. I tak np.

roboty przemysłowe i manipulatory s

sto budowane jako lekkie konstrukcje o małym ci

ęż

arze, aby uzyska

wysok

dynamik

ich ruchu. Jednak zwi

zana z tym elastyczno

ść

elementów mechanicznych powoduje

podatno

ść

do drga

. Odkształcenia wyst

puj

ce podczas fazy przyspieszania wzbudzaj

oscylacje i powoduj

znaczne obni

enie dokładno

ci pozycjonowania. Dlatego te

w celu ograniczenia bł

dów cz

sto konieczna jest

wzgl

dnie wolna i bez zmiany kierunku realizacja ruchów. Ponadto w pozycjach ko

cowych wymagany jest

czas na ustalenie poło

enia.

Znacznie lepsze pozycjonowanie mo

na uzyska

przez zastosowanie zaawansowanych algorytmów regulacji z

dodatkowymi zmiennymi stanu. Jednak najcz

ęś

ciej bardzo trudno jest zmierzy

dokładn

pozycj

punktu

cowego struktury lub ugi

cie konstrukcji. Rozwi

zanie tego problemu mo

na uzyska

przez zastosowanie

regulacji wyprzedzaj

cej. Do realizacji takiego rozwi

zania nie s

wymagane

adne dodatkowe czujniki, ale

konieczna jest dokładna identyfikacja systemu i okre

lenie zmian jego parametrów. I tak np. zastosowanie

filtracji cyfrowej w układach regulacji poło

enia pozwala na wyeliminowanie wyst

powania drga

podczas pracy

obrabiarek, robotów i innych maszyn. Odpowiednie kształtowanie sygnału wej

ciowego w czasie w cyfrowych

układach regulacji poło

enia wymaga szybkich i efektywnie realizowanych oblicze

. Mo

na równie

łatwo

wprowadzi

dodatkowe ograniczenia w sygnałach steruj

cych.

W systemach mechatronicznych, zwłaszcza o wielu stopniach swobody, obserwuje si

sto problem

wzbudzania rezonansów mechanicznych.

śą

danej jako

ci dynamicznych ruchów struktury kinematycznej o

elastycznej budowie cz

sto nie mo

na uzyska

przez odpowiednie nastawienie poszczególnych regulatorów w

serwonap

dach.

Przykładem takiego podatnego na drgania systemu mechatronicznego mo

e by

wig bramowy.

Konwencjonalna regulacja poło

enia w takim obiekcie zapewnia wprawdzie uzyskiwanie dokładno

ci statycznej,

ale problemem s

wahania przenoszonego ładunku podczas dynamicznej pracy d

wigu. Takie zjawisko, oprócz

konieczno

ci wydłu

enia czasu pozycjonowania dla zapewnienia wymaganej dokładno

ci, mo

e równie

powodowa

niebezpiecze

stwo wyst

pienia kolizji. Rozwi

zanie tego problemu mo

na uzyska

przez

zastosowanie zaawansowanych algorytmów regulacji.

Mechatronika jako sposób eliminowania drga

i poprawy

dokładno

Model wahadła odwróconego jako przykład systemu

mechatronicznego i Segway

Stabilizacja elementów (zespołów) mechanicznych w niestabilnych poło

eniach jest problemem, który

spotyka si

w wielu obszarach techniki. Mog

to by

np. procesy transportowe, w których przedmioty

(ładunki) musz

w niestabilnym stanie przenoszone z jednego miejsca na drugie. Równie

transport cieczy w otwartych pojemnikach wymaga odpowiednich rozwi

, aby unikn

ąć

ich wylania.

Reprezentatywnym przykładem tego rodzaju przypadków zastosowa

jest

model wahadła

odwróconego

odwróconego, które jest stabilizowane w pozycji pionowej (

ϕϕϕϕ

= 0).

Aktuator

Sensory

Przetwarzanie

informacji

Układ podstawowy (mechaniczny)

ϕϕϕϕ

t (rami

)

Przegub

Segway Human Transporter

Zawiera m.in.
5 czujników
przechyłu

Prosty system mechatroniczny ”unosz

ca si

kulka“

Systemy mechatroniczne s

tego rodzaju układami technicznymi, w których realizowane jest

odpowiednie „gospodarowanie” (zarz

dzanie) energi

przez regulowane działania. W typowym

systemie mechatronicznym sygnały s

mierzone, nast

pnie przetwarzane, po czym wyprowadzane

oraz przetwarzane np. w siły lub ruchy. Mo

na to zobrazowa

na prostym przykładzie systemu

„unosz

cej si

kulki” (lewitacji magnetycznej). Ferromagnetyczna kulka jest utrzymywana w powietrzu

za pomoc

układu regulacji. Sygnał wej

ciowy (mierzony) pochodzi z czujnika optycznego, w którym

promienie

wietlne z o

wietlacza, w zale

ci od poło

enia kulki, padaj

wiatłoczuły element

czujnika. Warto

ść

uzyskiwanego z takiego czujnika napi

cia jest w przybli

eniu proporcjonalna do

pionowego ruchu kulki. Sygnał ten jest nast

pnie podawany do regulatora, który za po

rednictwem

wzmacniacza wyprowadza odpowiedni sygnał (warto

ść

du) do cewki elektromagnesu.

Wzmacniacz

Regulator

Czujnik

optoelektro-

niczny

Elektromagnes

wietlacz

Technika magnetycznego ło

yskowania jest stosowana szczególnie w takich zastosowaniach, gdzie

konieczne jest zapewnienie małych strat tarcia, pracy bezobsługowej, wysokich warto

ci pr

dko

obrotowych, niestosowania

rodków smarnych, hermetyczne zamkni

cie, sterylno

ść

oraz praca

bezstykowa (np. wynikaj

ca z agresywnych lub bardzo czystych, wra

liwych mediów). Wskutek tego

rodzaju specjalnych wymaga

zastosowanie ło

ysk magnetycznych jest uzasadnione wówczas, gdy

nie jest mo

liwe u

ycie konwencjonalnej techniki ło

yskowania. I tak np. w konwencjonalnym

ło

yskowaniu zu

ycie wzrasta w kwadratowej zale

ci od pr

dko

ci obrotowej. Ponadto przy bardzo

ych warto

ciach pr

dko

ci obrotowej wyst

puj

e straty mocy oraz problemy z wydzielaniem

ciepła.

Ło

yska magnetyczne

Ło

yska magnetyczne s

stosowane w:

• systemach laserowych CO

(spr

ęż

arki),

• biotechnologii (bioreaktory),

• technice medycznej (pompy do krwi,

wspomaganie oddychania),

• obrabiarkach (obróbka szybko

ciowa HSC, HSG,

HSD),

• maszynach włókienniczych (szybkoobrotowe

wrzeciona),

• pompach do cieczy (przemysł chemiczny,

farmaceutyczny,

rodków spo

ywczych),

• technice lotniczej i kosmicznej,

• przemy

le optycznym (np. skanery).

Regulator

Wzmacniacz

mocy

Sensor

Elektromagnes

Wirnik

Dzi

ki działaniu sił pola magnetycznego wałek unosi

dzy magnesami. Ło

yska bierne składaj

z magnesów trwałych. Natomiast w aktywnych
ło

yskach magnetycznych wyst

puj

elektromagnesy wraz z układem sensorycznym i
cyfrowym sterowaniem, a zatem s

to systemy

mechatroniczne.

Przykład obiektu mechatronicznego

Informacje z ró

nych narz

dzi rozwojowych

PCz

Fieldbus (miejscowa
sie

komunikacyjna)

Przetwornik cz

stotliwo

Silnik

Specyficzne informacje CAE

Specyficzne informacje CAD

Poruszaj

ca si

send(device, message);

Logika programu

Wbudowany PC

CAD (ang. Computer Aided Design), CAE (ang. Computer Aided Engineering)

Bez systemów mechatronicznych, które opieraj

swoje działanie na oprogramowaniu, np. bezpiecze

stwo i

komfort obecnych samochodów byłyby znacznie ni

sze, a zu

ycie paliwa znacznie wy

sze. Szacunki wykazuj

e obecnie prawie 80% potencjału wszystkich ulepsze

w samochodach zawiera si

w elektronice i tym samym

zastosowaniu systemów mechatronicznych. Równie

producenci nowoczesnych maszyn (np. drukarskich)

twierdz

e ponad 50% funkcjonalno

ci, a tak

e mo

liwo

ci optymalizacyjnych jest okre

lone przez

oprogramowanie.
Mechatronika, głównie dzi

ki zastosowaniu oprogramowania, daje zatem du

e szanse optymalizacji

dotychczasowych rozwi

mechanicznych. Jednak rozwój wyrobów mechatronicznych wymaga zmiany

podej

cia w in

ynierii. Konieczne jest zastosowanie interdyscyplinarnego post

powania. Istotnym czynnikiem

skutecznego zastosowania mechatroniki s

takie koncepcje rozwi

, które zapewniaj

przejrzysto

ść

rosn

cego

udziału oprogramowania w budowie wyrobów. Dlatego tez coraz cz

ęś

ciej np. funkcjonalno

ci maszyn s

tworzone

jako gotowe moduły oprogramowania. Przykładem rozwi

zania mechatronicznego w budowie maszyn jest

funkcjonalno

ść

„lataj

cej piły”. Polega ona na realizacji ci

cia prostopadłego do kierunku ruchu podczas ci

gle

produkowanego materiału, np. płyty wiórowe, wykładziny podłogowe, tafle szklane itp.

Zasad

„lataj

cej piły” mo

na tak

e przenie

ść

na inne aplikacje, np. produkcj

opakowa

foliowych. Wówczas jedna stacja zgrzewa w
stałych odst

pach r

kaw foliowy, a nast

pna

stacja (tzn. lataj

ca piła) w okre

lonej odległo

odcina poszczególne sztuki opakowania.

Tego rodzaju rozwi

zania musz

zapewnia

cisł

współprac

mechaniki, nap

dów i

oprogramowania steruj

cego, co pozwala na

uzyskanie wymaganych własno

dynamicznych i dokładno

ci.

„Lataj

ca piła” jako klasyczny przykład systemu

mechatronicznego

W praktyce, takie rozwi

zania mechatroniczne jak lataj

ca piła, które wymagaj

zawsze dokładnej

regulacji poło

enia i wysokich własno

ci dynamicznych, prowadz

do coraz cz

stszego zastosowania

serwo-nap

dów.

Innym standardowym zastosowaniem systemu mechatronicznego jest „elektroniczny nap

d krzywkowy”.

Zamienia on liniowe informacje o drodze osi wiod

cej poprzez sterowany drogowo generator profili w

„krzywkowe” ruchy. W efekcie uzyskuje si

kkie, płynne przebiegi ruchów zespołów roboczych

maszyny. Typowymi przykładami „elektronicznych nap

dów krzywkowych” s

maszyny pakuj

ce,

automaty monta

owe lub maszyny do oprawy ksi

ąż

ek. Takie rozwi

zania s

tak

e domen

serwonap

dów. Ze wzgl

du na du

żą

ilo

ść

danych, które wyst

puj

podczas obliczania przebiegów

krzywek, zaleca si

bezpo

redni

implementacj

takich zada

w regulatorze serwonap

du.

Równie

koordynowane ruchy wielu osi maszyny s

dobrym przykładem systemów mechatronicznych:

systemy manipulacyjne i roboty przenosz

towary, przedmioty lub narz

dzia po okre

lonych torach w

przestrzeni. Poniewa

w budowie maszyn stosowanych jest coraz wi

cej nap

dów o regulowanej

dko

ci obrotowej, to dobrym rozwi

zaniem jest wykorzystanie falowników ze wspólnym zasilaczem.

Kierowanie ruchem przejmuje najcz

ęś

ciej układ sterowania ruchem MC (ang. Motion Control), który mo

np. oparty na komputerze PC. Układ ten z wieloosiowego przebiegu ruchów oblicza warto

ci zadane

dko

ci obrotowych wzgl. momentu obrotowego dla poszczególnych osi.

Wszystkie z wymienionych przykładów maj

wspóln

cech

e ruchy ich zespołów roboczych powstaj

w wyniku

cisłej współpracy oprogramowania (w sterowniku lub inteligentnym nap

dzie) i elementów

mechanicznych maszyny. Aktuatorami s

tutaj serwo-silniki o bezstopniowo regulowanej pr

dko

obrotowej. Wbudowane czujniki do pomiaru poło

towych lub liniowych musz

uzupełnione

inicjatorami drogowymi (np. indukcyjnymi czujnikami zbli

eniowymi). Wszystkie te składniki tworz

system

mechatroniczny. W takim cało

ciowym rozwi

zaniu nie jest przy tym rozstrzygaj

ce przestrzenne

rozmieszczenie poszczególnych komponentów, ale ich funkcjonalna współpraca.

Elektroniczne krzywki i systemy manipulacyjne jako

przykłady systemów mechatronicznych

Mechatronika w technikach produkcyjnych

Obrabiarki sterowane numerycznie CNC

Roboty przemysłowe

Gniazda, systemy i linie wytwórcze

Aktywne tłumienie drga

Magnetycznie uło

yskowane wrzecion

Kontrola jako

ci i regulacja procesu w trybie on-line

Maszyna do produkcji woreczków foliowych

W maszynie do produkcji woreczków foliowych poszczególne osie serwonap

dów musz

porusza

w sposób synchroniczny. Zarówno nap

d dla listew zgrzewarki jak i dla no

odcinaj

cego musz

w biegn

cym procesie precyzyjnie i dynamicznie zsynchronizowane.

Oparte na sterowniku swobodnie programowalnym PLC (ang. Programmable Logical
Controller) sterowanie ruchem MC (ang. Motion Control) jest tutaj bardzo dobrym
rozwi

zaniem. Umo

liwia ono centralne sterowanie ruchami i mo

e bez problemu integrowa

ró

ne składniki systemu.

Sterownik

PLC

Rolka

rozwijaj

Czujnik

nacisku

doprowadzaj

Zgrzewanie

boków

Wyj

ciowy transporter

mowy

Rolki

Osie serwo

Terminal

obsługi

Znacznik nadruku

Falownik

Systemy monta

owe

Sterownik systemu umo

liwia bezpo

rednie

wykonywanie ci

gu indywidualnych lub

interpolowanych ruchów, przy czym dla
ka

dej osi w sterowniku pozycjonowania

na zapami

żą

liczb

punktów (np.

100). Praca systemu jest zaprogramowana
w sterowniku PLC.

Podawanie materiału

Przy pomocy funkcji dostarczania o

wyst

pieniu sygnału przerwania mo

e si

przemie

o okre

lony odcinek, dzi

czemu mo

na łatwo realizowa

aplikacje

podawania Odpowiednie sterowanie
przyspieszeniem i opó

nieniami zapewniaj

żą

dokładno

ść

dostarczania i pozwalaj

unika

lizgów materiału.

Przykłady systemów mechatronicznych

Przykład systemu mechatronicznego

Wykonywanie nadruków na płytkach ceramicznych metod

walców drukarskich

Ta maszyna drukuje wzory na płytkach ceramicznych. Musi to by

wykonywane z najwy

dokładno

, poniewa

płytki czterokrotnie (dla trzech farb pierwotnych i czarnej) musz

przebiec ten sam proces. Rozwi

zanie maszyny jest oparte na zastosowaniu serwonap

dów

(typu Sigma II), które dzi

ki swoim dobrym własno

ciom dynamicznym i mo

liwo

ciom

sterowania spełniaj

wszystkie wymagania aplikacji.

Przykład systemu mechatronicznego

Etykieciarka

Ta maszyna do naklejania etykiet (etykieciarka) umieszcza samoprzylepne etykiety na
obiektach (np. butelkach, kartonach), które przemieszczaj

na transporterze ta

mowym

maszyny. Transporter ten jest nap

dzany silnikami krokowymi, które zapewniaj

szybki i

dokładnie powtarzalny ruch osi etykieciarki, aby umie

wszystkie etykiety we wła

ciwych

miejscach.

Przykład rozproszonego układu sterowania lini

wytwórcz

Falowniki s

rozwi

zaniem odpowiednim w nap

dach do:

• sterowania bram,

• stacji pomp,

• inteligentnych przeno

ników ta

mowych,

• sterowania pionowych osi,

• myjni przemysłowych,

• ogólnych zada

pozycjonowania.

Sterownik PLC w poł

czeniu z

falownikami nap

dów umo

liwia

dokładne sterowanie wszystkich
procesów.

Dzi

ki modułowej budowie

na łatwo system

rozbudowywa

„Maszyna pakuj

ca“ jako system mechatroniczny

Tokarka CNC typu NEF 400 (prod. DMG)

System mechatroniczny „obrabiarka CNC“

Efektywne wrzeciono

16.000/24.000 obr/mion

Magazyn narz

dzi typu Pick-up

(wymaga mało miejsca w przestrzeni roboczej

)

Liczba narz

dzi: 40

Wymiana przedmiotów

czna lub automatyczna

Palety przedmiotów

500-630 mm

Czas wymiany palety: 7 s

Obróbka z chłodzeniem i na sucho

Silniki liniowe dla osi X, Y i Z

Zwarta budowa

obrabiarki

wymaga to małej

powierzchni np. 1200 x

2400 mm

Pełna hermetyzacja

wszystkie agregaty s

zwarte i chronione oraz

łatwo dost

pne

Przykład frezarskiego centrum obróbkowego

Magazyn
narz

dzi

Zmieniacz
palet z
przedmiotem
obrabianym

Zmieniacz
narz

dzi

Realizacja ruchu w maszynach na przykładzie obrabiarki CNC

Do poruszania zespołów roboczych maszyn stosowane s

trzy rodzaje nap

dów: elektryczne, hydrauliczne i

pneumatyczne. Wybór rodzaju nap

du zale

y od konkretnej aplikacji.

I tak nap

dy elektryczne s

stosowane w takich przypadkach, gdy wymagana jest du

a dokładno

ść

pozycjonowania, a tak

e ruch ci

gły. Szczególnie przydatne s

tutaj serwonap

dy, które mog

stosowane

w ró

nych aplikacjach: np. sterowania numerycznego CNC i komputerowego, w windach, instalacjach

transportowych i monta

owych.

Układy hydrauliczne stosuje si

w przypadku wyst

powania du

ych obci

ąż

, a tak

e gdy wymagana jest

szybka reakcja układu nap

dowego (np. w prasach).

Natomiast nap

pneumatyczne s

niezawodne i bezpieczne, a
tak

e odporne na wahania

temperatury, zabrudzenia,
drgania i zakłócenia
elektromagnetyczne.

- układy pneumatyczne

- układy elektryczne

- układy hydrauliczne

- zespoły (przekładnie)

liniowe

Przykład budowy centrum obróbkowego EX-CELL-O

Budowa frezarki bramowej CNC typu DCG firmy Mori Seiki

Podwójny

nap

d osi X

Rama

Sanie osi Y

Centrum obróbkowe ULTRASONIC do frezowania

HSC i obróbki ultrad

kowej (DMG)

1. Kombinacja ró

nych technologii:

frezowania szybko

ciowego HSC (ang.

High Spesd Cutting) i obróbki
ultrad

kowej w jednej obrabiarce,

dzi

ki głowicy ULTRASONIC-HSK 32.

2. Zwarta budowa bramowa z bezpo

rednimi

nap

dami liniowymi w osiach X, Y i Z oraz

bezwzgl

dne układy pomiaru poło

enia

we wszystkich osiach.

3. Mo

liwo

ść

modułowej rozbudowy do 4-tej

wzgl. 5-tej osi: ULTRASONIC 20-5 linear z
opcjonalnym stołem obrotowo-uchylnym
dla symultanicznej obróbki 5-osiowej.

4. Chłodzone wod

wrzeciono o max.

dko

ci obrotowej 40.000 obr/min.

5. Inteligentne algorytmy regulacji

(sterowanie adaptacyjne ADC i sterowanie
akustyczne ACC) dla automatycznego
dopasowania posuwu w czasie
rzeczywistym.

6. Automatyczna wymiana narz

dzi

(magazyn z max. 32-narz

dziami).

7. Rozwi

zanie monoBock zapewniaj

wysok

sztywno

ść

i dobre tłumienie drga

Wizualizacja

Przygotowanie danych

Sterownik (PLC)

Generator profilu

Regulator
poło

enia

Regulator
poło

enia

Regulator pr

dko-

ci obrotowej

Regulator pr

dko-

ci obrotowej

Regulator pr

dko-

ci obrotowej

Regulator pr

Jednostka mocy

CNC

Obliczanie toru

ruchu/ interpolacja

Generator profilu

Regulator
poło

enia

Generator profilu

Serwonap

Sieciowy system

komunikacjny

(np. Profibus)

Przykład sterowania kształtowego CNC (obrabiarka)

Układ sterowania

numerycznego CNC

oparty na PC

Porównanie:

rednie tworzenie siły nap

dowej:

ograniczone własno

ci dynamiczne

Tworzenie siły nap

dowej bezpo

rednio na saniach:

sze własno

ci dynamiczne

Konwencjonalny nap

d posuwu

z toczn

rub

poci

gow

Bezpo

redni nap

d liniowy

Podatno

ść

w ła

cuchu

nap

dowym

Bezpo

redni układ

pomiaru poło

enia

redni układ

pomiarowy

Toczna

ruba

poci

gowa

Sanie

Ło

e obrabiarki

Ło

e obrabiarki

Silnik

Silnik liniowy

obrotowy

Dwa rozwi

zania nap

dów posuwu obrabiarek

Podstawow

ró

nica pomi

dzy nap

dami z silnikami liniowymi a silnikami obrotowymi (np. z toczn

rub

poci

gow

) polega na

bezpo

rednim tworzeniu siły nap

dowej

w bezpo

rednim nap

dzie

liniowym

bez wyst

powania podatno

w ła

cuchu nap

dowym.

Silnik liniowy umo

liwia

bezpo

rednie i bezdrganiowe uzyskiwanie siły

na saniach obrabiarki przy

najwy

szych pr

dko

ciach ruchu i dokładno

ciach toru

Dzi

ki bezpo

redniemu zamocowaniu aktywnej cz

ęś

ci na saniach

obrabiarki wyeliminowane s

takie

elementy po

rednicz

ce jak: sprz

gła, paski z

bate, toczne

ruby poci

gowe, a tym samym tak

wyst

puj

ce w nich luzy i spr

ęż

ysto

ci (podatno

ci).

Dzi

ki zastosowaniu izolacji termicznej w poł

czeniu z chłodzeniem ciecz

uzyskuje si

pełne

odprz

gni

cie termiczne

silnika liniowego od obrabiarki i tym samym

unika si

nagrzewania zespołów

obrabiarki

Konfiguracja

Skaner kodu

kreskowego

Zewn

trzne

Zewn

trzne

pami

ci dyskowe

pami

ci dyskowe

Cyfrowe pomiary

Pami

ęć

USB

Pami

ęć

USB

Servo

Link

Nap

dy i układy

Nap

dy i układy

pomiarowe

Sygnały I/O

Plan obróbki (Excel)

System unikania

kolizji CAS

Architektura systemu OSP

200

PDA/MDA

Budowa systemu sterowania numerycznego CNC P

200 firmy

OKUMA

Prosta obsługa jest czynnikiem kluczowym zastosowania CNC:

wysoka wydajno

ść

u u

ytkownika obrabiarki,

wysoka dyspozycyjno

ść

układu CNC i obrabiarki,

przyjazna dla u

ytkownika warstwa obsługi,

5-osi, obróbka szybko

ciowa HSC i hybrydowa,

technika bezpiecze

stwa jako integralna cz

ęść

CNC,

technologia Ethernet’u do wymiany danych przez sie

komunikacyjn

zdalna diagnostyka.

Wymagania dotycz

ce układów i obrabiarek CNC

ne kryteria doboru sterowników CNC:

niezawodno

ść

i jako

ść

szybka wymiana bloków programu NC,

dost

pno

ść

ęś

ci zamiennych,

krótkie czasy realizacji usług dla klientów,

małe nakłady zwi

zane ze szkoleniem.

Przykład 5-osiowego centrum obróbkowego typu Gantry

Przykład 5-osiowej frezarki CNC

Sondy stykowe stosowane do pomiarów na obrabiarkach CNC

Przeł

cznik

LED

t sondy

Ró

nicowy element

fotoelektryczny

Układ soczewek

Budowa sondy stykowej do pomiaru

przedmiotów (Heidenhein)

Przykład obróbki przedmiotu i symulacji dla obrabiarek CNC

Przykłady wtryskarek sterowanych CNC

Robot przemysłowy jako system mechatroniczny

Informatyka

Elektronika

Mechanika

Sensory

Sprz

Nap

Układ

kinematyczny

Symulacja

Programowanie

Definicja robota wg Robot Institute of America z 1979 r.:

"A robot is defined as a reprogrammable, multifunctional manipulator designed
to move material, parts, tools, or specialized devices through various
programmed motions for the performance of a variety of tasks".

Robot jest re-programowalnym, wielofunkcyjnym manipulatorem, który jest
przeznaczony do manipulowania materiałami, przedmiotami, narz

dziami lub

specjalistycznymi

urz

dzeniami

podstawie

ró

nych,

uprzednio

zaprogramowanych przebiegów ruchu, aby zrealizowa

szereg zada

Podobnie jak wiele innych rozwi

technicznych równie

historia robotów

rozpocz

ła si

od fikcji. W tym przypadku jest to sztuka teatralna czeskiego autora

Karela

apka, który wprowadził poj

cie „robot”. Słowo robot zostało u

yte po raz

pierwszy w 1921 r. w sztuce "R.U.R." (ang. Rossum's Universal Robots). Słowo to
wywodzi si

z czeskiego okre

lenia "robota", które mo

na tak

e przetłumaczy

jako

praca przymusowa (niewolnicza).

Spopularyzowanie robotów i poj

cia robotyka nast

piło w w latach 40-tych XX w.

przez autora literatury Science Fiction Issac’a Asimov’a, który t

tematyk

opisał w

wielu ksi

ąż

kach i sformułował trzy prawa robotów (Runabout, 1942 r.), rozszerzone

pó

niej jeszcze o prawo zerowe.

Zatem roboty były najpierw cz

ęś

wiata fikcji, a dopiero po ok. 20-tu latach stały si

rzeczywisto

Definicja robota

System robota przemysłowego

Granica systemu

PC do programowania robota

Panel do uczenia

Układ sterowania robota

Robot (cz

ęść

manipulacyjna)

Przył

cza do zasilania spr

ęż

onym powietrzem

Przył

cza do zasilania elektrycznego

Chwytak nap

dzany

pneumatycznie

Elementy układu robota przemysłowego

(aktuatory):

Ogólna struktura układu regulacji robota przemysłowego

Sterowanie

ruchami

Algorytmy

regulacji

Ramiona

robota, układ

nap

dowy

Układ

pomiarowy,

sensoryka

Zadane ruchy,

siły/ momenty

Warto

zadane

Trajektorie

ruchu (siły/

momenty)

rodowisko

robocze

Wewn

trzna i zewn

trzna regulacja robota

Zewn

trzna

regulacja

Wewn

trzna

regulacja (regulacja

przegubów)

Odwrotna

kinematyka

Zadane
warto

ci dla

przegubów

Zadane
warto

ci we

współrz

dnych

roboczych

Informacje z sensorów

Wielko

ci mierzone

Wielko

nastawiaj

Okre

lenie

celu

Regulacja kaskadowa osi robota

Warto

ci zadane (interpolator dokładny

)

Regulator
poło

enia

Regulator pr

ci obrotowej

Regulator

Jednostka mocy

Pomiary

Rzeczywista warto

ść

poło

enia

Rzeczywista warto

ść

dko

ci obrotowej

∼∼∼∼

Moment

Silnik

Rodzaje układów kinematycznych robotów przemysłowych

Pionowy przegubowy

Poziomy przegubowy

Kartezja

ski

Cylindryczny

Kulisty

Heksapod

OG: o

główna

OP: o

pomocnicza

OG: o

główna

OP: o

pomocnicza

OG: o

główna

OP: o

pomocnicza

OG: o

główna

OP: o

pomocnicza

OG: o

główna

OG: o

główna

OG1

OG2

OG3

OG1

OG2

OG3

OG1

OG2

OG1

OG3

OG1

OG2

OG1- 6

OP1

OP2

OP3

OP2

OP1

OP2

OG3

Robot sekwencyjny:

- wyposa

ony w sekwencyjny (wykonuj

cy kolejno zaprogramowane ruchy

i czynno

ci) układ sterowania.

2. Robot realizuj

cy zadane trajektorie

- realizuje ustalon

procedur

sterowanych ruchów według instrukcji

programowych.

3. Robot adaptacyjny

- ma sensoryczny, adaptacyjny, b

ucz

cy si

układ sterowania,

- typowym przykładem jest tutaj robot wyposa

ony w czujniki wizyjne, przez

co jest mo

liwa korekta ruchów podczas pobierania elementów, monta

lub spawania łukowego.

Teleoperator

- ze sterowaniem zdalnym, realizowanym przez operatora lub komputer,

- jego funkcje s

zwi

zane z przenoszeniem na odległo

ść

funkcji

motorycznych i sensorycznych operatora,

- z tej klasy wył

cza si

manipulatory o poł

czeniach mechanicznych.

Klasyfikacja robotów ze wzgl

du na sterowanie

Generacje robotów

0. generacja

–

mechanizmy:

Zapami

tanie ci

gu ruchów (przestrzennie, czasowo) w konstrukcji mechanicznej (np. sprz

ęż

enia

nap

dów), kartach dziurkowanych i walcach z kołkami,

Lalki mechaniczne, mechanizmy.

1. generacja

–

programowalne manipulatory/ maszyny, 1960

–

1975 r.:

Mała moc obliczeniowa, wzmocnienie siły ci

gu ruchów,

Tylko stałe punkty zatrzymania (programowanie PTP – od punktu do punktu),

Brak zdolno

ci sensorycznych (tylko działania Pick-and-Place).

2. generacja

–

roboty adaptacyjne, automatyzacja, 1976

–

1982 r.

Wiele sensorów (np. kamery),

Dopasowywanie do otoczenia,

Własne j

zyki programowania (np. VAL),

Mała inteligencja robotów (adaptacyjna realizacja zada

3. generacja

–

autonomia, integracja, od 1983 r.:

a moc obliczeniowa (systemy wieloprocesorowe),

Programowanie zorientowane na zadania,

Wymaganie (maszynowej) autonomii, integracja funkcji sterowniczych w robocie.

4. generacja

–

humanoid

, rozwi

zania sztucznej inteligencji AI (ang.

, rozwi

zania sztucznej inteligencji AI (ang.

Artificial Intelligence

Wysoka elastyczno

ść

w odniesieniu do otoczenia i zada

Zdolno

ść

uczenia i dopasowywania,

Samorefleksja,

Emocje.

Ze wzgl

du na sposób programowania i mo

liwo

ci komunikowania si

robota ze

rodowiskiem

zewn

trznym mo

na podzieli

roboty na trzy generacje:

Roboty nauczane.

II.

Roboty ucz

ce si

III. Roboty inteligentne.

Ruch wzgl

dem

zewn

trznego

rodowiska.

Alternatywno

ść

programu.

Brak

Stopie

samodzielno

W j

zyku naturalnym o

ograniczonej liczbie słów.
Model

rodowiska

zewn

trznego. Wybór i

optymalizacja programów
na podstawie modelu.

Przez nauczanie przez
operatora z elementami
adaptacyjnymi. Szukanie
pozycji ze sprz

ęż

eniem

zwrotnym.

Sekwencyjne lub przez
nauczanie przez
operatora. Brak modelu

rodowiska

zewn

trznego.

Rodzaj
programowania

Za pomoc

sensorów

dotyku, wzroku i/lub
innych „zmysłów”.

Za pomoc

sensorów

dotyku i/lub wzroku.

Brak

Zbieranie
informacji o

rodowisku

zewn

trznym

Ró

ne obiekty. Zmienne

poło

enie obiektów w

czasie.

Ró

ne obiekty, ale

jednorodne. Zmienne
poło

enie obiektów.

Stałe obiekty. Stałe
poło

enie obiektów.

rodowisko

zewn

trzne

III-generacja

II-generacja

I-generacja

Robot przemysłowy

Cecha

Generacje robotów

IRB 140 (ABB)

wig: 6 kg

6 osi

IRB 340 (ABB) - tripod

wig: 1,2 kg

4 osie

Przykłady robotów przemysłowych firmy ABB

FS003N (Kawasaki)

wig: 3 kg

6 osi

ZD130S (Kawasaki)

wig: 130 kg

4 osie

Przykłady robotów przemysłowych firmy Kawasaki

KR 1000 titan (KUKA)

wig: 1000 kg

6 osi

KR 5 sixx R650 (KUKA)

wig: 5 kg

6 osi

Przykłady robotów przemysłowych firmy KUKA

MOTOMAN-HP3L

wig: 3 kg

6 osi

MOTOMAN-SSF2000

wig: 6 kg

6 osi

Przykłady robotów przemysłowych firmy MOTOMAN