Microsoft PowerPoint - RPT03-04.ppt

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Zagadnienia:

Wymagania stawiane robotom manipulacyjnym
Kryteria oceny robotów manipulacyjnych
Klasyfikacja parametrów i charakterystyk robotów

manipulacyjnych

Ruchliwość łańcucha kinematycznego

manipulatora a liczba stopni swobody efektora

Przyczyny powstawania błędów pozycjonowania
Dokładność a powtarzalność pozycjonowania
Udźwig nominalny
Drgania własne manipulatorów

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Wprowadzenie

Manipulacyjny robot przemysłowy został zaprojektowany i
zastosowany na skutek rozwoju obrabiarek i systemów obróbkowych
NC/CNC.

Pierwsze zastosowania robotów manipulacyjnych – to często obsługa
obrabiarek NC, pras lub paletyzacja (czynności manipulacyjne).

Pierwsze roboty były projektowane wg zasad projektowania urządzeń
NC

SPECYFIKA OBRABIAREK:

PRECYZJA osiągana przez dużą SZTYWNOŚĆ -> DUŻA MASA

ruch Z USTALONĄ PRĘDKOŚCIĄ i USTALONYM

ZAKRESEM OBCIĄŻEŃ DYNAMICZNYCH

większa część masy NIERUCHOMA

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

SPECYFIKA ROBOTA MANIPULACYJNEGO

PRECYZJA osiągana biernie przez dużą SZTYWNOŚĆ -> ale DUŻA

MASA niedopuszczalna, lub czynnie przez odpowiedni algorytm
sterowania ruchem manipulatora

PRECYZJA może być polepszona poprzez ZMNIEJSZENIE V

MAX

ruch ze ZMIENNĄ PRĘDKOŚCIĄ, ZATRZYMANIA, NAWROTY
wymagana szybka ODPOWIEDŹ DYNAMICZNA - MASA/

BEZWŁADNOŚĆ OGRANICZONA

EKSTREMALNE OBCIĄŻENIA występują tylko w pewnych

odcinkach cyklu pracy, tylko w pewnych z klasy możliwych do
wykonania operacji technologicznych

OBCIĄŻENIA DYNAMICZNE mogą być zmniejszone poprzez

ZMNIEJSZENIE V

MAX

, A

MAX

większa część masy RUCHOMA

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

WYMAGANIA STAWIANE ROBOTOM

A - WYMAGANIA KINEMATYCZNE I DYNAMICZNE:

• duża prędkość ruchu efektora
• duże przyspieszenie ruchu efektora
• duże obciążenie robocze

B - WYMAGANIA DOKŁADNOŚCIOWE

• duża precyzja pozycjonowania efektora
• duża precyzja śledzenia toru ruchu przez efektor

C - WYMAGANIA EKONOMICZNE

• materiałooszczędność konstrukcji robota
• energooszczędność pracy robota
• niezawodność
• niskie koszty obsługi

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

KRYTERIA OCENY ROBOTÓW

KRYT

SZTYWNOSC

MASA BEZWLADNOSC

Ocena części mechanicznej robota - manipulatora

Ocena napędów manipulatora robota

KRYT

MOC NAPEDU

MASA NAPEDU

Ocena robota jako całości: manipulatora, napędu i układu
sterowania ruchem efektora

KRYT

MASA BEZWLADNOSC OBCIAZENIA ROBOCZEGO

MASA BEZWLADNOSC MANIPULATORA

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Zakres wartości KRYT

dla robotów manipulacyjnych: 0.03 - 0.15

IRb 6

0.04

PUMA 560

0.06

Adept 3 (SCARA)

0.12

(DLR LWR III)

Fanuc F-200i (platforma) 0.52
DLR LWR III 1.15
SRMS (450 kg) 60.00

Człowiek

0.20

(SRMS – Fjeld)

(Fanuc F200i)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

PARAMETRY FUNKCJONALNE

Zakres zastosowań (operacje, chwytaki, narzędzia)
Programowanie, sterowanie i nadzorowanie pracy (system

operacyjny, języki programowania, interfejs graficzny I/O)

Integracja ze stanowiskiem (układy sensoryczne)

PARAMETRY EKSPLOATACYJNE

Niezawodność
Trwałość
Wymogi konserwacji i serwis
Efektywność działania systemu diagnostycznego.
Efektywność ekonomiczna (koszty: zakupu, instalacji,

oprogramowania, eksploatacji, serwisu)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

PARAMETRY OBSŁUGI

Bezpieczeństwo
użytkownika (stop bezpieczeństwa, zamknięcie PR.)
manipulatora (zabezpieczenie przed nieuprawnionym użyciem,

wrażliwość na błędy operatora)

operacji technologicznej (utrata zasilania, wrażliwość na zmiany

temperatury, wilgotności powietrza, pole elektromagnetyczne,
zanieczyszczenia)

Ergonomia

PARAMETRY UKŁADU STEROWANIA

I NADZOROWANIA PRACY ROBOTA

architektura, skala integracji, implementacja, algorytmy, integracja

PARAMETRY UKŁADU ZASILANIA

źródło energii, wzmacniacz mocy (modulacja i dystrybucja energii),
moc, napięcie i natężenie prądu, różnica ciśnień i natężenie przepływu

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

MECHANICZNE PARAMETRY I CHARAKTERYSTYKI
MANIPULATORÓW ROBOTÓW

GEOMETRYCZNE
KINEMATYCZNE
DYNAMICZNE

Problemy:

brak ścisłych definicji części z parametrów, co utrudnia porównywanie

manipulatorów - normy:

ISO 9283 'Manipulating industrial robots - Performance criteria and
related test methods'

PN-EN 29283 Roboty przemysłowe. Metody badania charakterystyk
funkcjonalnych

obie aktualnie obejmują tylko część parametrów

większość parametrów jest powiązana ze sobą
parametry osiągają różne wartości w różnych obszarach PR.

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Przestrzeń Robocza to zbiór pozycji (położeń i orientacji) efektora/
kołnierza kiści, które może on osiągnąć.

STRUKTURA MANIPULATORA

sposób wzajemnego połączenia ruchowego ze sobą kolejnych członów
manipulatora

Cechy:

człony czynne i bierne
manipulator tworzy łańcuch kinematyczny o 2 końcach (podstawa –

efektor) otwarty lub zamknięty

zmienny przestrzenny układ członów w czasie pracy manipulatora

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

RUCHLIWOŚĆ ŁAŃCUCHA KINEMATYCZNEGO
MANIPULATORA (DOM)

DOM

−

∑

Ruchliwość określa liczbę napędów konieczną do nadania
jednoznacznego ruchu mechanizmowi.

LICZBA STOPNI SWOBODY EFEKTORA (DOF)

Liczba niezależnych współrzędnych opisujących położenie i
orientację efektora jako bryły w przestrzeni 3D.

Bryła swobodna w przestrzeni 3D ma 6 DOF

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Na błędy pozycjonowania wpływ mają:

sterowanie (algorytm, implementacja, sterownik)
precyzja i adekwatność modelu geometrycznego
błędy, tolerancje wymiarów i położenia
tarcie, luz i podatność mechanizmów manipulatora
czynniki otoczenia (np. temperatura)
prędkość, przyspieszenie ruchu
obciążenie robocze

Pożądana Powtarzalność Pozycjonowania i Odtwarzania Toru
Ruchu

0.025 mm przy v=5-15m/s

malowanie: v=1.5 m/s RP=

±10.0 mm

spawanie:

v=1.0 m/s RP=

±0.5 mm

uszczelnianie: v=1.5 m/s RP=

±0.5 mm

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Dokładność i powtarzalność pozycjonowania jednokierunkowego
AP wg PN-EN 29283

„

Dokładność pozycjonowania

jednokierunkowego

podaje

odchyłkę między położeniem
zadanym a wartością średnią
położeń rzeczywistych przy
dochodzeniu do położenia
zadanego z tego samego
kierunku”

x x

y y

z z

−

(

)

(

)

(

)

Ruch liniowy

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

a a

b b

c c

= −

= −
= −

Orientowanie

Dokładność pozycjonowania jest istotna tylko w przypadku
zastosowania robota w operacjach: montażu, obróbki i inspekcji w
systemach CNC, gdzie nie ma możliwości zadawania pracy przez
uczenie.

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

„

Powtarzalność pozycjonowania jednokierunkowego RP

jest

miarą rozrzutu położeń lub orientacji rzeczywistych uzyskanych w
wyniku n-krotnie powtarzalnego ruchu o tym samym kierunku do
położenia zadanego wg orientacji kątowej”

(

) (

)

(

−

∑

położenie

orientacja

= ±

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Dokładność AD i Powtarzalność RD odwzorowania odcinka

−

„... określa odchyłkę pozycjonowania liniowego lub orientacji
kątowej między zadanym położeniem odcinka i średnią wartością
jego położeń rzeczywistych.”

= ±

−

∑

(

)

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Pełzanie charakterystyk pozycjonowania: dAP, dRP

dAP - dokładności pozycjonowania jednokierunkowego AP

, AP

dRP – powtarzalności pozycjonowania jednokierunkowego RP

, RP

„ ... jest miarą rozrzutu tej dokładności w określonym czasie.”

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Charakterystyki odwzorowania toru

Tor liniowy

Dokładność odwzorowania toru AT

„ ... zdolność robota do dokładnego przemieszczania jego
interfejsu mechanicznego wzdłuż zadanego toru n-razy w tym
samym kierunku i n-razy w kierunku przeciwnym.”

(

) (

)

max

−

max

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Tor kołowy

Powtarzalność odwzorowania toru RT

m l

max(

... )[

]

)[

max(

]

)[

max(

]

)[

max(

„ ... jest miarą rozrzutu torów rzeczywistych, przy n-krotnym
odwzorowaniu zadanego toru.”

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Odchyłki odwzorowania kąta

CR – błąd zaokrąglenia naroża
–

„ ... minimalna odległość

między wierzchołkiem kąta a
torem rzeczywistym.”

Tor – 2 linie prostopadłe

CO - Przeregulowanie
odwzorowania kąta –

„ ...

największa odchyłka
położenia toru rzeczywistego
od toru zadanego, ... na
drugim odcinku toru.”

SPL – Długość odcinka stabilizacji toru –

„ ... odległość od

wierzchołka kąta do punktu leżącego na drugiej części toru
zadanego, od którego charakterystyki dokładności i powtarzalności
odwzorowania toru mieszczą się w określonych granicach.”

CO>0

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Określenie AT i RT dla toru prostoliniowego lub kołowego pozwala
na dekompozycję oceny odwzorowania toru ruchu na błąd położenia i
błąd prędkości. W przypadku rzeczywistej trajektorii błędy te są
zależne.

Dokładność pozycjonowania (2

÷15 mm) i dokładność odtwarzania toru

(do 200 mm) ruchu standardowych robotów jest bardzo zła, szczególnie
dla dużych prędkości i przyspieszeń ruchu.

Techniki polepszania charakterystyk dokładnościowych dla zadanych
wymagań kinematycznych i dynamicznych:

kalibracja bezwzględna manipulatora
zastosowanie manipulatorów elastycznych strukturalnie wraz

z odpowiednim układem sterowania

sterowanie z siłowym sprzężeniem zwrotnym w operacji montażu

i inspekcji

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Producenci zazwyczaj podają maksymalne prędkości pojedynczych

ruchów.

Prędkość i przyspieszenie ruchu

Zwiększenie przyspieszenia ruchu powoduje powstawanie

drganiowych procesów przejściowych, które mogą wydłużyć czas
pozycjonowania.

Ograniczenie przyspieszenia ruchu powoduje zmniejszenie

efektywnej prędkości ruchu w ograniczonym zakresie ruchu.

R1 240°/s
R2 280°/s
R3 360°/s

R4 410°/s
R5 500°/s
R6 800°/s

liniowy 1.5 m/s

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Prędkość i przyspieszenie efektora w przestrzeni roboczej

Przykład charakterystyki
maksymalnej prędkości efektora w
przekroju pionowym przestrzeni
roboczej [cm/s]

(Rivin)

Prędkość efektywna dla standardowej
drogi: stosunek długości drogi do sumy
czasu ruchu i czasu zanikania drgań.

Tym większa im większe prędkości w
złączach i im dłuższa droga w czasie
pomiaru

Tym mniejsza im większy udźwig
nominalny i zadana powtarzalność
pozycjonowania

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Dokładność prędkości odwzorowania toru AV

PN-EN 29283

„ ... błąd między wartością zadaną a wartością średnią rzeczywistych
prędkości osiągniętych podczas n-krotnie powtarzanych przemieszczeń
wzdłuż toru ... wyrażona w procentach wartości zadanej.”

−

= 100

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

„ ... największa odchyłka prędkości uzyskanych podczas jednokrotnego
odwzorowania określonej prędkości zadanej.”

Fluktuacja prędkości odwzorowania toru FV

„ ... jest miarą rozrzutu prędkości rzeczywistych dla tej samej
prędkości zadanej.”

Powtarzalność prędkości odwzorowania toru RV

100

PN-EN 29283

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Czas stabilizacji położenia

Przeregulowanie pozycjonowania

„ ... jest przedziałem czasu, jaki upływa między chwilą, w której robot
przekazuje sygnał o rzeczywiście osiągniętym położeniu a chwilą, gdy
oscylacyjnie lub aperiodycznie tłumione ruchy jego interfejsu
mechanicznego mieszczą się w zakresie odchyłek określonym przez
producenta.”

„ ... Jest to maksymalna odchyłka
między torem dochodzenia i
położeniem rzeczywistym, badana po
przekazaniu przez robot sygnału
rzeczywiście osiągniętego położenia.”

Czas trwania cyklu pracy

Suma czasu pozycjonowania i innych operacji

PN-EN 29283

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

UDŹWIG NOMINALNY

Jest to:

maksymalna MASA JAKĄ MANIPULATOR może przenosić

w danym punkcie PR, obejmująca masę efektora.

MASOWY MOMENT BEZWŁADNOŚCI względem kołnierza kiści

MOMENT SIŁY CIĘŻKOŚCI EFEKTORA względem kołnierza kiści

MINIMALNĄ WARTOŚĆ masy dla całej PR.

funkcja PRĘDKOŚCI i/lub PRZYSPIESZENIA (linie stałego

udźwigu nominalnego dla stałej prędkości/przyspieszenia w
przekroju PR).

(ABB)

IRb 140

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

SZTYWNOŚĆ

Im niższa sztywność tym:

niższe wartości częstotliwości drgań własnych manipulatora

większe prawdopodobieństwo powstania drgań w czasie pracy

robota dla zadanego widma wymuszenia

dłuższy czas trwania procesów przejściowych wpływający na czas

pozycjonowania

możliwość powstawania przeregulowań

dla zadania pozycjonowania - obniżenie dokładności pozycjonowania

dla zadania śledzenia toru ruchu - duże błędy śledzenia oraz

niebezpieczeństwo powstania niestabilności ruchu

dla operacji wymagających dużej sztywności (

wiercenie, szlifowanie,

stępianie

) mała sztywność może uniemożliwić proces obróbki (

brak

skrawania, zły przebieg skrawania na skutek powstawania drgań
samowzbudnych

)

dla operacji montażu często biernie lub czynnie obniża się sztywność

by ułatwić montaż

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

TŁUMIENIE

Im większe tłumienie tym:

krótszy czas procesów przejściowych
mniejsze przesterowania
większa stabilność dynamiczna

MASA/BEZWŁADNOŚĆ

Przestrzenny rozkład masy manipulatora określa jego bezwładność

Im większa miara bezwładności tym wolniejsza odpowiedź
dynamiczna robota przy tym samym napędzie.

Duża masa zwiększa ciężar manipulatora, momenty sił ciężkości
oddziaływujące na strukturę i napęd manipulatora

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

Drgania własne analizowane są:

numerycznie przy pomocy Metody Elementów Skończonych

eksperymentalnie przy pomocy Eksperymentalnej Analizy Modalnej

Manipulatory powinny mieć jak największe wartości częstotliwości
drgań własnych ze względu na niekorzystny wpływ drgań wymuszonych
o dużej amplitudzie na pozycjonowanie efektora.

Zbyt niskie:

częstotliwości drgań własnych

częstotliwości próbkowania sygnałów pomiarowych

częstotliwości generacji sterowania w układach cyfrowych sterowania

mogą powodować niestabilność ruchu

Roboty przemysłowe

KRIM, AGH w Krakowie

UWAGA

wszystkim ruchom nieustalonym towarzyszą drgania

intensywność drgań zależy od: położenia efektora w PR., prędkości

i przyspieszenia ruchu

wartości częstotliwości drgań własnych manipulatora ulegają zmianie

w zależności od położenia efektora w PR.

Obserwuje się tendencje w dominowaniu drgań:

NISKOCZĘSTOTLIWOŚCIOWYCH STRUKTURY w czasie

zatrzymywania i ruszania

Układów Transmisji Ruchu NAPĘDÓW w czasie ruchu ustalonego.