MTR 2009 Wstep do mechatr cz 7

background image

1

Politechnika Wrocławska

W y d z i a ł M e c h a n i c z n y

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

Mechatronika

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

Materiały do wykładu „

Wst

ę

p do

Wst

ę

p do

mechatroniki

mechatroniki

Przykłady systemów mechatronicznych: obrabiarki,

roboty przemysłowe

Dr in

ż

. Zbigniew Smalec (p. 3.19 B-4)

Cz

ęść

7 (1 – 48)

Wrocław, 2009

W budowie maszyn produkcyjnych stosowanych w takich bran

ż

ach przemysłu jak: obróbka mechaniczna,

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

ą

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

ą

one bardzo dokładnego (rz

ę

du

µ

m) i

realizowanego z wysok

ą

dynamik

ą

pozycjonowania zespołów roboczych.

I tak np. wcze

ś

niej w maszynach drukarskich synchronizacja działania ich zespołów roboczych była realizowana

na drodze mechanicznej za pomoc

ą

tzw. wału królewskiego i krzywek. Natomiast obecnie nowe generacje

maszyn drukarskich nie zawieraj

ą

ju

ż

przekładni i innych mechanicznych zespołów sprz

ę

gaj

ą

cych.

Synchronizacja na drodze elektronicznej umo

ż

liwia redukcj

ę

składników mechanicznych, zmniejszenie kosztów i

zapewnia wi

ę

ksz

ą

swobod

ę

w kształtowaniu wygl

ą

du maszyn. Praca poszczególnych zespołów jest

synchronizowana za pomoc

ą

sieciowego systemu komunikacyjnego. Otwiera to nowe mo

ż

liwo

ś

ci modułowej

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

ż

uzyskiwana przez sprz

ęż

enia mechaniczne. Dzi

ę

ki temu uzyskuje si

ę

wzrost

produktywno

ś

ci, dokładno

ś

ci i popraw

ę

jako

ś

ci druku.

Natomiast w prasach czy wtryskarkach coraz cz

ęś

ciej stosowane s

ą

serwonap

ę

dy elektryczne przy zachowaniu

wysokich wymaga

ń

dotycz

ą

cych bezpiecze

ń

stwa tych maszyn.

Istotn

ą

rol

ę

w budowie maszyn odgrywaj

ą

tak

ż

e takie innowacyjne rozwi

ą

zania jak np. bezpo

ś

rednie nap

ę

dy

elektryczne, czy elektroniczna technika bezpiecze

ń

stwa, które otwieraj

ą

nowe mo

ż

liwo

ś

ci rozwi

ą

za

ń

. Ze strony

firm produkuj

ą

cych maszyny wytwórcze wyst

ę

puj

ą

oczekiwania, aby stosowane w nich zespoły umo

ż

liwiały

jeszcze dokładniejsz

ą

i wydajniejsz

ą

realizacj

ę

procesów wytwarzania.

Istotne znaczenie w budowie maszyn maj

ą

równie

ż

komputerowe systemy wspomagania prac in

ż

ynierskich

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

ż

liwiaj

ą

one tworzenie modeli konstrukcyjnych poszczególnych zespołów maszyny, analiz

ę

obci

ąż

e

ń

i

wytrzymało

ś

ci elementów, a tak

ż

e przygotowanie procesów wytwarzania cz

ęś

ci i monta

ż

u zespołów.

Mechatroniczne podej

ś

cie w budowie maszyn wymaga specjalistów, którzy maj

ą

pogl

ą

d na cał

ą

maszyn

ę

, a

zatem nie oddzielnie rozpatrywane cz

ęś

ci mechaniczne, elektryczno/ elketroniczne i oprogramowanie. Konieczne

jest rozpatrywanie zespołów mechanicznych, techniki nap

ę

dów i regulacji w modelu systemowym. Wa

ż

ne jest

przy tym równie

ż

uwzgl

ę

dnianie relacji efekty (u

ż

yteczno

ść

) /koszty.

Aspekty rozwoju obiektów mechatronicznych

background image

2

Serwis w budowie maszyn i instalacji w tradycyjnym podej

ś

ciu obejmuje usuwanie zakłóce

ń

w ich

pracy oraz wykonywanie napraw. Usługi serwisowe s

ą

przez producentów maszyn i instalacji cz

ę

sto

traktowane jako niepo

żą

dana działalno

ść

. Jednak obecnie obserwuje si

ę

stopniow

ą

zmian

ę

takiego

nastawienia. Globalizacja i rosn

ą

ca zale

ż

no

ść

od eksportu powoduj

ą

,

ż

e producenci wyrobów musz

ą

zapewnia

ć

serwis jako dodatkow

ą

usług

ę

ze wzgl

ę

dów konkurencyjnych. Taki rozwój jest ponadto

wzmacniany przez rosn

ą

c

ą

porównywalno

ść

wielu wyrobów. Z tego wynika fakt,

ż

e na rynkach o du

ż

ej

konkurencji czynnikiem rozstrzygaj

ą

cym o zakupie wyrobu staje si

ę

nie tylko jego jako

ść

i cena, ale

tak

ż

e dodatkowe usługi serwisowe.

Dalszym powodem silnie rosn

ą

cego znaczenia serwisu jest du

ż

a zło

ż

ono

ść

maszyn i urz

ą

dze

ń

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

ą

dzenia i systemy mechatroniczne cz

ę

sto mog

ą

by

ć

instalowane i

eksploatowane tylko ł

ą

cznie ze wspomaganiem serwisowym, poniewa

ż

wymagaj

ą

one specjalnego

Know-how i w przypadku zakłóce

ń

ich działania lub konieczno

ś

ci naprawy wymagaj

ą

odpowiedniego

wsparcia przez kompetentny personel producenta. Z tych wzgl

ę

dów serwis z czysto technicznej

działalno

ś

ci usługowej rozwin

ą

ł si

ę

do oddzielnej dyscypliny z szerokim zakresem działa

ń

.

Przeprowadzone analizy wykazały,

ż

e usługi np. serwisowe maj

ą

bardzo du

ż

e znaczenie dla klientów.

Dzi

ę

ki rozwojowi szerokopasmowych sieci komunikacyjnych i upowszechnieniu Internetu jako ogólnie

dost

ę

pnego, globalnego medium telekomunikacyjnego ro

ś

nie równie

ż

zastosowanie teleserwisu

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

ż

liwo

ść

przeprowadzania zdalnej diagnostyki i usuwania niektórych bł

ę

dów w maszynach (instalacjach).

Teleserwis nie jest przy tym ograniczony tylko do poszczególnych obszarów zastosowa

ń

, takich jak

np. zdalna diagnostyka i piel

ę

gnacja, lecz mo

ż

e si

ę

rozci

ą

ga

ć

na cały cykl

ż

ycia wyrobów.

W teleserwisie dotycz

ą

cym maszyn mog

ą

by

ć

realizowane nast

ę

puj

ą

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

ń

układów regulacji poło

ż

enia ma za zadanie wyeliminowanie niepo

żą

danych drga

ń

. I tak np.

roboty przemysłowe i manipulatory s

ą

cz

ę

sto budowane jako lekkie konstrukcje o małym ci

ęż

arze, aby uzyska

ć

wysok

ą

dynamik

ę

ich ruchu. Jednak zwi

ą

zana z tym elastyczno

ść

elementów mechanicznych powoduje

podatno

ść

do drga

ń

. Odkształcenia wyst

ę

puj

ą

ce podczas fazy przyspieszania wzbudzaj

ą

oscylacje i powoduj

ą

znaczne obni

ż

enie dokładno

ś

ci pozycjonowania. Dlatego te

ż

w celu ograniczenia bł

ę

dów cz

ę

sto konieczna jest

wzgl

ę

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

ń

cowych wymagany jest

czas na ustalenie poło

ż

enia.

Znacznie lepsze pozycjonowanie mo

ż

na uzyska

ć

przez zastosowanie zaawansowanych algorytmów regulacji z

dodatkowymi zmiennymi stanu. Jednak najcz

ęś

ciej bardzo trudno jest zmierzy

ć

dokładn

ą

pozycj

ę

punktu

ko

ń

cowego struktury lub ugi

ę

cie konstrukcji. Rozwi

ą

zanie tego problemu mo

ż

na uzyska

ć

przez zastosowanie

regulacji wyprzedzaj

ą

cej. Do realizacji takiego rozwi

ą

zania nie s

ą

wymagane

ż

adne dodatkowe czujniki, ale

konieczna jest dokładna identyfikacja systemu i okre

ś

lenie zmian jego parametrów. I tak np. zastosowanie

filtracji cyfrowej w układach regulacji poło

ż

enia pozwala na wyeliminowanie wyst

ę

powania drga

ń

podczas pracy

obrabiarek, robotów i innych maszyn. Odpowiednie kształtowanie sygnału wej

ś

ciowego w czasie w cyfrowych

układach regulacji poło

ż

enia wymaga szybkich i efektywnie realizowanych oblicze

ń

. Mo

ż

na równie

ż

łatwo

wprowadzi

ć

dodatkowe ograniczenia w sygnałach steruj

ą

cych.

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

ę

cz

ę

sto problem

wzbudzania rezonansów mechanicznych.

śą

danej jako

ś

ci dynamicznych ruchów struktury kinematycznej o

elastycznej budowie cz

ę

sto nie mo

ż

na uzyska

ć

przez odpowiednie nastawienie poszczególnych regulatorów w

serwonap

ę

dach.

Przykładem takiego podatnego na drgania systemu mechatronicznego mo

ż

e by

ć

d

ź

wig bramowy.

Konwencjonalna regulacja poło

ż

enia w takim obiekcie zapewnia wprawdzie uzyskiwanie dokładno

ś

ci statycznej,

ale problemem s

ą

wahania przenoszonego ładunku podczas dynamicznej pracy d

ź

wigu. Takie zjawisko, oprócz

konieczno

ś

ci wydłu

ż

enia czasu pozycjonowania dla zapewnienia wymaganej dokładno

ś

ci, mo

ż

e równie

ż

powodowa

ć

niebezpiecze

ń

stwo wyst

ą

pienia kolizji. Rozwi

ą

zanie tego problemu mo

ż

na uzyska

ć

przez

zastosowanie zaawansowanych algorytmów regulacji.

Mechatronika jako sposób eliminowania drga

ń

i poprawy

dokładno

ś

ci

background image

3

Model wahadła odwróconego jako przykład systemu

mechatronicznego i Segway

Stabilizacja elementów (zespołów) mechanicznych w niestabilnych poło

ż

eniach jest problemem, który

spotyka si

ę

w wielu obszarach techniki. Mog

ą

to by

ć

np. procesy transportowe, w których przedmioty

(ładunki) musz

ą

by

ć

w niestabilnym stanie przenoszone z jednego miejsca na drugie. Równie

ż

transport cieczy w otwartych pojemnikach wymaga odpowiednich rozwi

ą

za

ń

, aby unikn

ąć

ich wylania.

Reprezentatywnym przykładem tego rodzaju przypadków zastosowa

ń

jest

model wahadła

model wahadła

odwróconego

odwróconego, które jest stabilizowane w pozycji pionowej (

ϕϕϕϕ

= 0).

Aktuator

Sensory

Przetwarzanie

informacji

x

y

z

Układ podstawowy (mechaniczny)

ϕϕϕϕ

Pr

ę

t (rami

ę

)

Przegub

Segway Human Transporter

Zawiera m.in.
5 czujników
przechyłu

Prosty system mechatroniczny ”unosz

ą

ca si

ę

kulka“

Systemy mechatroniczne s

ą

tego rodzaju układami technicznymi, w których realizowane jest

odpowiednie „gospodarowanie” (zarz

ą

dzanie) energi

ą

przez regulowane działania. W typowym

systemie mechatronicznym sygnały s

ą

mierzone, nast

ę

pnie przetwarzane, po czym wyprowadzane

oraz przetwarzane np. w siły lub ruchy. Mo

ż

na to zobrazowa

ć

na prostym przykładzie systemu

„unosz

ą

cej si

ę

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

za pomoc

ą

układu regulacji. Sygnał wej

ś

ciowy (mierzony) pochodzi z czujnika optycznego, w którym

promienie

ś

wietlne z o

ś

wietlacza, w zale

ż

no

ś

ci od poło

ż

enia kulki, padaj

ą

na

ś

wiatłoczuły element

czujnika. Warto

ść

uzyskiwanego z takiego czujnika napi

ę

cia jest w przybli

ż

eniu proporcjonalna do

pionowego ruchu kulki. Sygnał ten jest nast

ę

pnie podawany do regulatora, który za po

ś

rednictwem

wzmacniacza wyprowadza odpowiedni sygnał (warto

ść

pr

ą

du) do cewki elektromagnesu.

Wzmacniacz

Regulator

Czujnik

optoelektro-

niczny

Elektromagnes

O

ś

wietlacz

background image

4

Technika magnetycznego ło

ż

yskowania jest stosowana szczególnie w takich zastosowaniach, gdzie

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

ś

ci pr

ę

dko

ś

ci

obrotowych, niestosowania

ś

rodków smarnych, hermetyczne zamkni

ę

cie, sterylno

ść

oraz praca

bezstykowa (np. wynikaj

ą

ca z agresywnych lub bardzo czystych, wra

ż

liwych mediów). Wskutek tego

rodzaju specjalnych wymaga

ń

zastosowanie ło

ż

ysk magnetycznych jest uzasadnione wówczas, gdy

nie jest mo

ż

liwe u

ż

ycie konwencjonalnej techniki ło

ż

yskowania. I tak np. w konwencjonalnym

ło

ż

yskowaniu zu

ż

ycie wzrasta w kwadratowej zale

ż

no

ś

ci od pr

ę

dko

ś

ci obrotowej. Ponadto przy bardzo

du

ż

ych warto

ś

ciach pr

ę

dko

ś

ci obrotowej wyst

ę

puj

ą

du

ż

e straty mocy oraz problemy z wydzielaniem

si

ę

ciepła.

Ło

ż

yska magnetyczne

Ło

ż

yska magnetyczne s

ą

stosowane w:

• systemach laserowych CO

2

(spr

ęż

arki),

• biotechnologii (bioreaktory),

• technice medycznej (pompy do krwi,

wspomaganie oddychania),

• obrabiarkach (obróbka szybko

ś

ciowa HSC, HSG,

HSD),

• maszynach włókienniczych (szybkoobrotowe

wrzeciona),

• pompach do cieczy (przemysł chemiczny,

farmaceutyczny,

ś

rodków spo

ż

ywczych),

• technice lotniczej i kosmicznej,

• przemy

ś

le optycznym (np. skanery).

Regulator

Wzmacniacz

mocy

Sensor

F

M

F

g

Elektromagnes

Wirnik

S

x

Dzi

ę

ki działaniu sił pola magnetycznego wałek unosi

si

ę

mi

ę

dzy magnesami. Ło

ż

yska bierne składaj

ą

si

ę

z magnesów trwałych. Natomiast w aktywnych
ło

ż

yskach magnetycznych wyst

ę

puj

ą

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

ą

to systemy

mechatroniczne.

Przykład obiektu mechatronicznego

Informacje z ró

ż

nych narz

ę

dzi rozwojowych

PCz

M1

Fieldbus (miejscowa
sie

ć

komunikacyjna)

Przetwornik cz

ę

stotliwo

ś

ci

Silnik

Specyficzne informacje CAE

Specyficzne informacje CAD

O

ś

Poruszaj

ą

ca si

ę

ta

ś

ma

send(device, message);

Logika programu

Wbudowany PC

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

background image

5

Bez systemów mechatronicznych, które opieraj

ą

swoje działanie na oprogramowaniu, np. bezpiecze

ń

stwo i

komfort obecnych samochodów byłyby znacznie ni

ż

sze, a zu

ż

ycie paliwa znacznie wy

ż

sze. Szacunki wykazuj

ą

,

ż

e obecnie prawie 80% potencjału wszystkich ulepsze

ń

w samochodach zawiera si

ę

w elektronice i tym samym

zastosowaniu systemów mechatronicznych. Równie

ż

producenci nowoczesnych maszyn (np. drukarskich)

twierdz

ą

,

ż

e ponad 50% funkcjonalno

ś

ci, a tak

ż

e mo

ż

liwo

ś

ci optymalizacyjnych jest okre

ś

lone przez

oprogramowanie.
Mechatronika, głównie dzi

ę

ki zastosowaniu oprogramowania, daje zatem du

ż

e szanse optymalizacji

dotychczasowych rozwi

ą

za

ń

mechanicznych. Jednak rozwój wyrobów mechatronicznych wymaga zmiany

podej

ś

cia w in

ż

ynierii. Konieczne jest zastosowanie interdyscyplinarnego post

ę

powania. Istotnym czynnikiem

skutecznego zastosowania mechatroniki s

ą

takie koncepcje rozwi

ą

za

ń

, które zapewniaj

ą

przejrzysto

ść

rosn

ą

cego

udziału oprogramowania w budowie wyrobów. Dlatego tez coraz cz

ęś

ciej np. funkcjonalno

ś

ci maszyn s

ą

tworzone

jako gotowe moduły oprogramowania. Przykładem rozwi

ą

zania mechatronicznego w budowie maszyn jest

funkcjonalno

ść

lataj

ą

cej piły”. Polega ona na realizacji ci

ę

cia prostopadłego do kierunku ruchu podczas ci

ą

gle

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

Zasad

ę

„lataj

ą

cej piły” mo

ż

na tak

ż

e przenie

ść

na inne aplikacje, np. produkcj

ę

opakowa

ń

foliowych. Wówczas jedna stacja zgrzewa w
stałych odst

ę

pach r

ę

kaw foliowy, a nast

ę

pna

stacja (tzn. lataj

ą

ca piła) w okre

ś

lonej odległo

ś

ci

odcina poszczególne sztuki opakowania.

Tego rodzaju rozwi

ą

zania musz

ą

zapewnia

ć

ś

cisł

ą

współprac

ę

mechaniki, nap

ę

dów i

oprogramowania steruj

ą

cego, co pozwala na

uzyskanie wymaganych własno

ś

ci

dynamicznych i dokładno

ś

ci.

„Lataj

ą

ca piła” jako klasyczny przykład systemu

mechatronicznego

W praktyce, takie rozwi

ą

zania mechatroniczne jak lataj

ą

ca piła, które wymagaj

ą

zawsze dokładnej

regulacji poło

ż

enia i wysokich własno

ś

ci dynamicznych, prowadz

ą

do coraz cz

ę

stszego zastosowania

serwo-nap

ę

dów.

Innym standardowym zastosowaniem systemu mechatronicznego jest „elektroniczny nap

ę

d krzywkowy”.

Zamienia on liniowe informacje o drodze osi wiod

ą

cej poprzez sterowany drogowo generator profili w

„krzywkowe” ruchy. W efekcie uzyskuje si

ę

mi

ę

kkie, płynne przebiegi ruchów zespołów roboczych

maszyny. Typowymi przykładami „elektronicznych nap

ę

dów krzywkowych” s

ą

maszyny pakuj

ą

ce,

automaty monta

ż

owe lub maszyny do oprawy ksi

ąż

ek. Takie rozwi

ą

zania s

ą

tak

ż

e domen

ą

serwonap

ę

dów. Ze wzgl

ę

du na du

żą

ilo

ść

danych, które wyst

ę

puj

ą

podczas obliczania przebiegów

krzywek, zaleca si

ę

bezpo

ś

redni

ą

implementacj

ę

takich zada

ń

w regulatorze serwonap

ę

du.

Równie

ż

koordynowane ruchy wielu osi maszyny s

ą

dobrym przykładem systemów mechatronicznych:

systemy manipulacyjne i roboty przenosz

ą

towary, przedmioty lub narz

ę

dzia po okre

ś

lonych torach w

przestrzeni. Poniewa

ż

w budowie maszyn stosowanych jest coraz wi

ę

cej nap

ę

dów o regulowanej

pr

ę

dko

ś

ci obrotowej, to dobrym rozwi

ą

zaniem jest wykorzystanie falowników ze wspólnym zasilaczem.

Kierowanie ruchem przejmuje najcz

ęś

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

ż

e

by

ć

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

ś

ci zadane

pr

ę

dko

ś

ci obrotowych wzgl. momentu obrotowego dla poszczególnych osi.

Wszystkie z wymienionych przykładów maj

ą

t

ą

wspóln

ą

cech

ę

,

ż

e ruchy ich zespołów roboczych powstaj

ą

w wyniku

ś

cisłej współpracy oprogramowania (w sterowniku lub inteligentnym nap

ę

dzie) i elementów

mechanicznych maszyny. Aktuatorami s

ą

tutaj serwo-silniki o bezstopniowo regulowanej pr

ę

dko

ś

ci

obrotowej. Wbudowane czujniki do pomiaru poło

ż

e

ń

k

ą

towych lub liniowych musz

ą

by

ć

uzupełnione

inicjatorami drogowymi (np. indukcyjnymi czujnikami zbli

ż

eniowymi). Wszystkie te składniki tworz

ą

system

mechatroniczny. W takim cało

ś

ciowym rozwi

ą

zaniu nie jest przy tym rozstrzygaj

ą

ce przestrzenne

rozmieszczenie poszczególnych komponentów, ale ich funkcjonalna współpraca.

Elektroniczne krzywki i systemy manipulacyjne jako

przykłady systemów mechatronicznych

background image

6

Mechatronika w technikach produkcyjnych

Obrabiarki sterowane numerycznie CNC

Roboty przemysłowe

Gniazda, systemy i linie wytwórcze

Aktywne tłumienie drga

ń

Magnetycznie uło

ż

yskowane wrzecion

Kontrola jako

ś

ci i regulacja procesu w trybie on-line

Maszyna do produkcji woreczków foliowych

W maszynie do produkcji woreczków foliowych poszczególne osie serwonap

ę

dów musz

ą

si

ę

porusza

ć

w sposób synchroniczny. Zarówno nap

ę

d dla listew zgrzewarki jak i dla no

ż

a

odcinaj

ą

cego musz

ą

by

ć

w biegn

ą

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

ą

zaniem. Umo

ż

liwia ono centralne sterowanie ruchami i mo

ż

e bez problemu integrowa

ć

ż

ne składniki systemu.

Sterownik

PLC

Rolka

rozwijaj

ą

ca

Czujnik

nacisku

Ta

ś

ma

doprowadzaj

ą

ca

Zgrzewanie

boków

Wyj

ś

ciowy transporter

ta

ś

mowy

Rolki

Osie serwo

Terminal

obsługi

Znacznik nadruku

Falownik

background image

7

Systemy monta

ż

owe

Sterownik systemu umo

ż

liwia bezpo

ś

rednie

wykonywanie ci

ą

gu indywidualnych lub

interpolowanych ruchów, przy czym dla
ka

ż

dej osi w sterowniku pozycjonowania

mo

ż

na zapami

ę

ta

ć

du

żą

liczb

ę

punktów (np.

100). Praca systemu jest zaprogramowana
w sterowniku PLC.

Podawanie materiału

Przy pomocy funkcji dostarczania o

ś

po

wyst

ą

pieniu sygnału przerwania mo

ż

e si

ę

przemie

ś

ci

ć

o okre

ś

lony odcinek, dzi

ę

ki

czemu mo

ż

na łatwo realizowa

ć

aplikacje

podawania Odpowiednie sterowanie
przyspieszeniem i opó

ź

nieniami zapewniaj

ą

du

żą

dokładno

ść

dostarczania i pozwalaj

ą

unika

ć

po

ś

lizgów materiału.

Przykłady systemów mechatronicznych

Przykład systemu mechatronicznego

Wykonywanie nadruków na płytkach ceramicznych metod

ą

walców drukarskich

Ta maszyna drukuje wzory na płytkach ceramicznych. Musi to by

ć

wykonywane z najwy

ż

sz

ą

dokładno

ś

ci

ą

, poniewa

ż

płytki czterokrotnie (dla trzech farb pierwotnych i czarnej) musz

ą

przebiec ten sam proces. Rozwi

ą

zanie maszyny jest oparte na zastosowaniu serwonap

ę

dów

(typu Sigma II), które dzi

ę

ki swoim dobrym własno

ś

ciom dynamicznym i mo

ż

liwo

ś

ciom

sterowania spełniaj

ą

wszystkie wymagania aplikacji.

background image

8

Przykład systemu mechatronicznego

Etykieciarka

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

ą

si

ę

na transporterze ta

ś

mowym

maszyny. Transporter ten jest nap

ę

dzany silnikami krokowymi, które zapewniaj

ą

szybki i

dokładnie powtarzalny ruch osi etykieciarki, aby umie

ś

ci

ć

wszystkie etykiety we wła

ś

ciwych

miejscach.

Przykład rozproszonego układu sterowania lini

ą

wytwórcz

ą

Falowniki s

ą

rozwi

ą

zaniem odpowiednim w nap

ę

dach do:

• sterowania bram,

• stacji pomp,

• inteligentnych przeno

ś

ników ta

ś

mowych,

• sterowania pionowych osi,

• myjni przemysłowych,

• ogólnych zada

ń

pozycjonowania.

Sterownik PLC w poł

ą

czeniu z

falownikami nap

ę

dów umo

ż

liwia

dokładne sterowanie wszystkich
procesów.

Dzi

ę

ki modułowej budowie

mo

ż

na łatwo system

rozbudowywa

ć

background image

9

„Maszyna pakuj

ą

ca“ jako system mechatroniczny

Tokarka CNC typu NEF 400 (prod. DMG)

background image

10

System mechatroniczny „obrabiarka CNC“

Efektywne wrzeciono

16.000/24.000 obr/mion

Magazyn narz

ę

dzi typu Pick-up

(wymaga mało miejsca w przestrzeni roboczej

)

Liczba narz

ę

dzi: 40

Wymiana przedmiotów

r

ę

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

Pełna hermetyzacja

wszystkie agregaty s

ą

zwarte i chronione oraz

łatwo dost

ę

pne

Przykład frezarskiego centrum obróbkowego

Magazyn
narz

ę

dzi

Zmieniacz
palet z
przedmiotem
obrabianym

Zmieniacz
narz

ę

dzi

background image

11

Realizacja ruchu w maszynach na przykładzie obrabiarki CNC

Do poruszania zespołów roboczych maszyn stosowane s

ą

trzy rodzaje nap

ę

dów: elektryczne, hydrauliczne i

pneumatyczne. Wybór rodzaju nap

ę

du zale

ż

y od konkretnej aplikacji.

I tak nap

ę

dy elektryczne s

ą

stosowane w takich przypadkach, gdy wymagana jest du

ż

a dokładno

ść

pozycjonowania, a tak

ż

e ruch ci

ą

gły. Szczególnie przydatne s

ą

tutaj serwonap

ę

dy, które mog

ą

by

ć

stosowane

w ró

ż

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

transportowych i monta

ż

owych.

Układy hydrauliczne stosuje si

ę

w przypadku wyst

ę

powania du

ż

ych obci

ąż

e

ń

, a tak

ż

e gdy wymagana jest

szybka reakcja układu nap

ę

dowego (np. w prasach).

Natomiast nap

ę

dy

pneumatyczne s

ą

niezawodne i bezpieczne, a
tak

ż

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

background image

12

Budowa frezarki bramowej CNC typu DCG firmy Mori Seiki

Podwójny

nap

ę

d osi X

Rama

Po

d

w

ó

jn

y

n

a

p

ę

d

o

s

i

Z

Sanie osi Y

x

z

y

Centrum obróbkowe ULTRASONIC do frezowania

HSC i obróbki ultrad

ź

wi

ę

kowej (DMG)

1. Kombinacja ró

ż

nych technologii:

frezowania szybko

ś

ciowego HSC (ang.

High Spesd Cutting) i obróbki
ultrad

ź

wi

ę

kowej w jednej obrabiarce,

dzi

ę

ki głowicy ULTRASONIC-HSK 32.

2. Zwarta budowa bramowa z bezpo

ś

rednimi

nap

ę

dami liniowymi w osiach X, Y i Z oraz

bezwzgl

ę

dne układy pomiaru poło

ż

enia

we wszystkich osiach.

3. Mo

ż

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

ą

wrzeciono o max.

pr

ę

dko

ś

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

ę

dzi

(magazyn z max. 32-narz

ę

dziami).

7. Rozwi

ą

zanie monoBock zapewniaj

ą

ce

wysok

ą

sztywno

ść

i dobre tłumienie drga

ń

.

background image

13

Wizualizacja

Przygotowanie danych

Sterownik (PLC)

Generator profilu

Regulator
poło

ż

enia

Regulator
poło

ż

enia

Regulator pr

ę

dko-

ś

ci obrotowej

Regulator pr

ę

dko-

ś

ci obrotowej

Regulator pr

ę

dko-

ś

ci obrotowej

Regulator pr

ą

du

Regulator pr

ą

du

Regulator pr

ą

du

Jednostka mocy

Jednostka mocy

Jednostka mocy

CNC

CNC

Obliczanie toru

ruchu/ interpolacja

Generator profilu

Regulator
poło

ż

enia

Generator profilu

Serwonap

ę

dy

Sieciowy system

komunikacjny

(np. Profibus)

Przykład sterowania kształtowego CNC (obrabiarka)

Układ sterowania

numerycznego CNC

oparty na PC

Porównanie:

Po

ś

rednie tworzenie siły nap

ę

dowej:

ograniczone własno

ś

ci dynamiczne

Tworzenie siły nap

ę

dowej bezpo

ś

rednio na saniach:

wy

ż

sze własno

ś

ci dynamiczne

Konwencjonalny nap

ę

d posuwu

z toczn

ą

ś

rub

ą

poci

ą

gow

ą

Bezpo

ś

redni nap

ę

d liniowy

Podatno

ść

w ła

ń

cuchu

nap

ę

dowym

Bezpo

ś

redni układ

pomiaru poło

ż

enia

Po

ś

redni układ

pomiarowy

Toczna

ś

ruba

poci

ą

gowa

Sanie

Sanie

Ło

ż

e obrabiarki

Ło

ż

e obrabiarki

Silnik

Silnik liniowy

obrotowy

Dwa rozwi

ą

zania nap

ę

dów posuwu obrabiarek

Podstawow

ą

ż

nica pomi

ę

dzy nap

ę

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

ą

ś

rub

ą

poci

ą

gow

ą

) polega na

bezpo

ś

rednim tworzeniu siły nap

ę

dowej

w bezpo

ś

rednim nap

ę

dzie

liniowym

bez wyst

ę

powania podatno

ś

ci

w ła

ń

cuchu nap

ę

dowym.

Silnik liniowy umo

ż

liwia

bezpo

ś

rednie i bezdrganiowe uzyskiwanie siły

na saniach obrabiarki przy

najwy

ż

szych pr

ę

dko

ś

ciach ruchu i dokładno

ś

ciach toru

.

Dzi

ę

ki bezpo

ś

redniemu zamocowaniu aktywnej cz

ęś

ci na saniach

obrabiarki wyeliminowane s

ą

takie

elementy po

ś

rednicz

ą

ce jak: sprz

ę

gła, paski z

ę

bate, toczne

ś

ruby poci

ą

gowe, a tym samym tak

ż

e

wyst

ę

puj

ą

ce w nich luzy i spr

ęż

ysto

ś

ci (podatno

ś

ci).

Dzi

ę

ki zastosowaniu izolacji termicznej w poł

ą

czeniu z chłodzeniem ciecz

ą

uzyskuje si

ę

pełne

odprz

ę

gni

ę

cie termiczne

silnika liniowego od obrabiarki i tym samym

unika si

ę

nagrzewania zespołów

obrabiarki

.

background image

14

Konfiguracja

Konfiguracja

Skaner kodu

Skaner kodu

kreskowego

kreskowego

Zewn

ę

trzne

Zewn

ę

trzne

pami

ę

ci dyskowe

pami

ę

ci dyskowe

Cyfrowe pomiary

Cyfrowe pomiary

Pami

ęć

USB

Pami

ęć

USB

Servo

Servo

Link

Link

Nap

ę

dy i układy

Nap

ę

dy i układy

pomiarowe

pomiarowe

Sygnały I/O

Sygnały I/O

Plan obróbki (Excel)

Plan obróbki (Excel)

System unikania

System unikania

kolizji CAS

kolizji CAS

Architektura systemu OSP

Architektura systemu OSP

-

-

200

200

PDA/MDA

PDA/MDA

Budowa systemu sterowania numerycznego CNC P

Budowa systemu sterowania numerycznego CNC P

-

-

200 firmy

200 firmy

OKUMA

OKUMA

Prosta obsługa jest czynnikiem kluczowym zastosowania CNC:

wysoka wydajno

ść

u u

ż

ytkownika obrabiarki,

wysoka dyspozycyjno

ść

układu CNC i obrabiarki,

przyjazna dla u

ż

ytkownika warstwa obsługi,

5-osi, obróbka szybko

ś

ciowa HSC i hybrydowa,

technika bezpiecze

ń

stwa jako integralna cz

ęść

CNC,

technologia Ethernet’u do wymiany danych przez sie

ć

komunikacyjn

ą

,

zdalna diagnostyka.

Wymagania dotycz

ą

ce układów i obrabiarek CNC

Wa

ż

ne kryteria doboru sterowników CNC:

niezawodno

ść

i jako

ść

,

szybka wymiana bloków programu NC,

dost

ę

pno

ść

cz

ęś

ci zamiennych,

krótkie czasy realizacji usług dla klientów,

małe nakłady zwi

ą

zane ze szkoleniem.

background image

15

Przykład 5-osiowego centrum obróbkowego typu Gantry

Przykład 5-osiowej frezarki CNC

background image

16

Sondy stykowe stosowane do pomiarów na obrabiarkach CNC

Przeł

ą

cznik

LED

Pr

ę

t sondy

ż

nicowy element

fotoelektryczny

Układ soczewek

Budowa sondy stykowej do pomiaru

przedmiotów (Heidenhein)

Przykład obróbki przedmiotu i symulacji dla obrabiarek CNC

background image

17

Przykłady wtryskarek sterowanych CNC

Robot przemysłowy jako system mechatroniczny

Informatyka

Elektronika

Mechanika

Sensory

Sprz

ę

t

Nap

ę

dy

Układ

kinematyczny

Symulacja

Programowanie

background image

18

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

ę

dziami lub

specjalistycznymi

urz

ą

dzeniami

na

podstawie

ż

nych,

uprzednio

zaprogramowanych przebiegów ruchu, aby zrealizowa

ć

szereg zada

ń

.

Podobnie jak wiele innych rozwi

ą

za

ń

technicznych równie

ż

historia robotów

rozpocz

ę

ła si

ę

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

Karela

Č

apka, który wprowadził poj

ę

cie „robot”. Słowo robot zostało u

ż

yte po raz

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

ę

z czeskiego okre

ś

lenia "robota", które mo

ż

na tak

ż

e przetłumaczy

ć

jako

praca przymusowa (niewolnicza).

Spopularyzowanie robotów i poj

ę

cia robotyka nast

ą

piło w w latach 40-tych XX w.

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

ą

tematyk

ę

opisał w

wielu ksi

ąż

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

ź

niej jeszcze o prawo zerowe.

Zatem roboty były najpierw cz

ęś

ci

ą

ś

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

ę

rzeczywisto

ś

ci

ą

.

Definicja robota

System robota przemysłowego

Granica systemu

PC do programowania robota

Panel do uczenia

Układ sterowania robota

Robot (cz

ęść

manipulacyjna)

Przył

ą

cza do zasilania spr

ęż

onym powietrzem

Przył

ą

cza do zasilania elektrycznego

Chwytak nap

ę

dzany

pneumatycznie

background image

19

Elementy układu robota przemysłowego

(aktuatory):

Ogólna struktura układu regulacji robota przemysłowego

Sterowanie

ruchami

Algorytmy

regulacji

Ramiona

robota, układ

nap

ę

dowy

Układ

pomiarowy,

sensoryka

Zadane ruchy,

siły/ momenty

Warto

ś

ci

zadane

Trajektorie

ruchu (siły/

momenty)

Ś

rodowisko

robocze

background image

20

Wewn

ę

trzna i zewn

ę

trzna regulacja robota

Zewn

ę

trzna

regulacja

Wewn

ę

trzna

regulacja (regulacja

przegubów)

Odwrotna

kinematyka

Zadane
warto

ś

ci dla

przegubów

Zadane
warto

ś

ci we

współrz

ę

dnych

roboczych

Informacje z sensorów

Wielko

ś

ci mierzone

Wielko

ś

ci

nastawiaj

ą

ce

Okre

ś

lenie

celu

Regulacja kaskadowa osi robota

Warto

ś

ci zadane (interpolator dokładny

)

Regulator
poło

ż

enia

Regulator pr

ę

d-

ko

ś

ci obrotowej

Regulator

pr

ą

du

Jednostka mocy

Pomiary

Rzeczywista warto

ść

poło

ż

enia

Rzeczywista warto

ść

pr

ę

dko

ś

ci obrotowej

Pr

ą

d

∼∼∼∼

Moment

Silnik

background image

21

Rodzaje układów kinematycznych robotów przemysłowych

Pionowy przegubowy

Poziomy przegubowy

Kartezja

ń

ski

Cylindryczny

Kulisty

Heksapod

OG: o

ś

główna

OP: o

ś

pomocnicza

OG: o

ś

główna

OP: o

ś

pomocnicza

OG: o

ś

główna

OP: o

ś

pomocnicza

OG: o

ś

główna

OP: o

ś

pomocnicza

OG: o

ś

główna

OG: o

ś

główna

OG1

OG2

OG3

OG1

OG2

OG3

OG3

OG1

OG2

OG2

OG1

OG3

OG1

OG2

OG1- 6

OP1

OP2

OP3

OP2

OP1

OP1

OP2

OG3

1.

1.

Robot sekwencyjny:

Robot sekwencyjny:

- wyposa

ż

ony w sekwencyjny (wykonuj

ą

cy kolejno zaprogramowane ruchy

i czynno

ś

ci) układ sterowania.

2. Robot realizuj

2. Robot realizuj

ą

ą

cy zadane trajektorie

cy zadane trajektorie

:

:

- realizuje ustalon

ą

procedur

ę

sterowanych ruchów według instrukcji

programowych.

3. Robot adaptacyjny

3. Robot adaptacyjny

:

:

- ma sensoryczny, adaptacyjny, b

ą

d

ź

ucz

ą

cy si

ę

układ sterowania,

- typowym przykładem jest tutaj robot wyposa

ż

ony w czujniki wizyjne, przez

co jest mo

ż

liwa korekta ruchów podczas pobierania elementów, monta

ż

u

lub spawania łukowego.

4.

4.

Teleoperator

Teleoperator

:

:

- ze sterowaniem zdalnym, realizowanym przez operatora lub komputer,

- jego funkcje s

ą

zwi

ą

zane z przenoszeniem na odległo

ść

funkcji

motorycznych i sensorycznych operatora,

- z tej klasy wył

ą

cza si

ę

manipulatory o poł

ą

czeniach mechanicznych.

Klasyfikacja robotów ze wzgl

ę

du na sterowanie

background image

22

Generacje robotów

0. generacja

0. generacja

mechanizmy:

mechanizmy:

Zapami

ę

tanie ci

ą

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

ęż

enia

nap

ę

dów), kartach dziurkowanych i walcach z kołkami,

Lalki mechaniczne, mechanizmy.

1. generacja

1. generacja

programowalne manipulatory/ maszyny, 1960

programowalne manipulatory/ maszyny, 1960

1975 r.:

1975 r.:

Mała moc obliczeniowa, wzmocnienie siły ci

ą

gu ruchów,

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

Brak zdolno

ś

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

2. generacja

2. generacja

roboty adaptacyjne, automatyzacja, 1976

roboty adaptacyjne, automatyzacja, 1976

1982 r.

1982 r.

Wiele sensorów (np. kamery),

Dopasowywanie do otoczenia,

Własne j

ę

zyki programowania (np. VAL),

Mała inteligencja robotów (adaptacyjna realizacja zada

ń

).

3. generacja

3. generacja

autonomia, integracja, od 1983 r.:

autonomia, integracja, od 1983 r.:

Du

ż

a moc obliczeniowa (systemy wieloprocesorowe),

Programowanie zorientowane na zadania,

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

4. generacja

4. generacja

humanoid

humanoid

, rozwi

ą

zania sztucznej inteligencji AI (ang.

, rozwi

ą

zania sztucznej inteligencji AI (ang.

Artificial Intelligence

Artificial Intelligence

):

):

Wysoka elastyczno

ść

w odniesieniu do otoczenia i zada

ń

,

Zdolno

ść

uczenia i dopasowywania,

Samorefleksja,

Emocje.

Ze wzgl

ę

du na sposób programowania i mo

ż

liwo

ś

ci komunikowania si

ę

robota ze

ś

rodowiskiem

zewn

ę

trznym mo

ż

na podzieli

ć

roboty na trzy generacje:

I.

Roboty nauczane.

II.

Roboty ucz

ą

ce si

ę

.

III. Roboty inteligentne.

Ruch wzgl

ę

dem

zewn

ę

trznego

ś

rodowiska.

Alternatywno

ść

programu.

Brak

Brak

Stopie

ń

samodzielno

ś

ci

W j

ę

zyku naturalnym o

ograniczonej liczbie słów.
Model

ś

rodowiska

zewn

ę

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

ś

rodowiska

zewn

ę

trznego.

Rodzaj
programowania

Za pomoc

ą

sensorów

dotyku, wzroku i/lub
innych „zmysłów”.

Za pomoc

ą

sensorów

dotyku i/lub wzroku.

Brak

Zbieranie
informacji o

ś

rodowisku

zewn

ę

trznym

ż

ne obiekty. Zmienne

poło

ż

enie obiektów w

czasie.

ż

ne obiekty, ale

jednorodne. Zmienne
poło

ż

enie obiektów.

Stałe obiekty. Stałe
poło

ż

enie obiektów.

Ś

rodowisko

zewn

ę

trzne

III-generacja

II-generacja

I-generacja

Robot przemysłowy

Cecha

Generacje robotów

background image

23

IRB 140 (ABB)

Ud

ź

wig: 6 kg

6 osi

IRB 340 (ABB) - tripod

Ud

ź

wig: 1,2 kg

4 osie

Przykłady robotów przemysłowych firmy ABB

FS003N (Kawasaki)

Ud

ź

wig: 3 kg

6 osi

ZD130S (Kawasaki)

Ud

ź

wig: 130 kg

4 osie

Przykłady robotów przemysłowych firmy Kawasaki

background image

24

KR 1000 titan (KUKA)

Ud

ź

wig: 1000 kg

6 osi

KR 5 sixx R650 (KUKA)

Ud

ź

wig: 5 kg

6 osi

Przykłady robotów przemysłowych firmy KUKA

MOTOMAN-HP3L

Ud

ź

wig: 3 kg

6 osi

MOTOMAN-SSF2000

Ud

ź

wig: 6 kg

6 osi

Przykłady robotów przemysłowych firmy MOTOMAN


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 5 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 7 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 1
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 6
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 2 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 4 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 8 Nieznany
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3 (2)
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 2
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 5
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 1
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 3
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 4
MTR 2009 Wstep do mechatr cz 8
MTR 2011 Wstep do mechatr cz 8
MTR 2011 Wstep do mechatr cz 1
Wstęp do MATLABA cz 1

więcej podobnych podstron