Monter_mechatronik_725[03].Z1.02

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

Wprowadzenie

Wymagania wstępne

Cele kształcenia

Materiał nauczania

4.1. Struktura i sposób działania urządzeń i systemów mechatronicznych

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Urządzenia mechatroniczne powszechnego użytku

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Maszyny manipulacyjne i roboty

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Obrabiarki sterowane numerycznie

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Specjalistyczne urządzenia mechatroniczne

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

Sprawdzian osiągnięć

Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik będzie Ci pomocny w opanowaniu wiadomości oraz ukształtowaniu umiejętności

niezbędnych do analizowania działania urządzeń i systemów mechatronicznych.

W poradniku zamieszczono:

−

wymagania wstępne – wykaz wiadomości i umiejętności, jakie powinieneś mieć już
opanowane, abyś bez problemów mógł korzystać z poradnika,

−

cele kształcenia – wykaz wiadomości i umiejętności, jakie zdobędziesz i ukształtujesz po
zrealizowaniu zajęć,

−

materiał  nauczania  –  wiadomości  niezbędne  do  analizowania  działania  układów  systemów
mechatronicznych,  opisu  funkcji  urządzeń  i  układów  mechatronicznych,  wyjaśnienia  budowy
i sposobu  działania  wybranych  urządzeń  mechatronicznych  powszechnego  użytku, rozpoznawania
układów  manipulacyjnych  i  robotów  oraz  określania  ich  przeznaczenia,  rozpoznawania  zespołów
funkcjonalnych obrabiarek sterowanych numerycznie,

−

pytania sprawdzające, które pomogą sprawdzić, czy opanowałeś zakres materiału nauczania,

−

ćwiczenia, które umożliwią identyfikowanie zespołów funkcjonalnych urządzeń i systemów
mechatronicznych,

−

sprawdzian postępów – umożliwiający osobistą refleksję nad osiągniętym efektami,

−

sprawdzian osiągnięć – przykładowy zestaw zadań umożliwiający ocenę osiągniętego przez
Ciebie poziomu wiadomości oraz umiejętności.
Bardzo uważnie zapoznaj się z wiadomościami zawartymi w materiale nauczania mając

świadomość, że podane są one w formie skróconej. Nauczyciel wskaże Ci literaturę i inne
materiały, które pozwolą na rozszerzenie i lepsze opanowanie wiadomości.

Realizując ćwiczenia zaproponowane w Poradniku dla ucznia oraz przez nauczyciela

będziesz  miał  sposobność  do  weryfikacji  wiedzy,  jaką  nabyłeś  i  zastosowania  jej  w  praktyce.
Po wykonaniu  ćwiczeń  określ  poziom  swoich  postępów  rozwiązując  sprawdzian  postępów.
Sprawdzian  osiągnięć,  któremu  będziesz  poddany,  pozwoli  na  określenie  stopnia  opanowania
przez  Ciebie  wiadomości  i  umiejętności  określonych  w  jednostce  modułowej  „Analizowanie
działania urządzeń i systemów mechatronicznych”.

Schemat układu jednostki modułowych

725[03].Z1

Budowa urz

ądzeń i systemów mechatronicznych

725[03].Z1.01

Analizowanie dzia

łania układów i systemów sterowania

w urz

ądzeniach i systemach mechatronicznych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. WYMAGANIA WSTĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

−

stosować podstawowe jednostki miar układu SI,

−

wyjaśnić zasadę obróbki skrawaniem: toczenia i frezowania,

−

rozpoznawać strukturę urządzeń i systemów mechatronicznych,

−

analizować działanie układów elektrycznych,

−

analizować działanie układów pneumatycznych i elektropneumatycznych,

−

analizować działanie układów hydraulicznych i elektrohydraulicznych,

−

obsługiwać komputer na poziomie podstawowym,

−

korzystać z różnych źródeł informacji,

−

poszukiwać informacji w Internecie,

−

posługiwać się normami, katalogami,

−

uczestniczyć aktywnie w dyskusji,

−

przygotowywać i realizować prezentacje,

−

stosować rόżne metody i środki porozumiewania się w zakresie zagadnień technicznych (symbole,
rysunki, zdjęcia, itp),

–

stosować ogόlne zasady bezpieczeństwa i higieny pracy w czasie eksploatacji maszyn i urządzeń,

–

charakteryzować zagrożenia dla środowiska wynikające z eksploatacji maszyn i urządzeń
technicznych,

– charakteryzować zagrożenia pożarowe wynikające z eksploatacji maszyn i urządzeń

technicznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3. CELE KSZTAŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:

– określić przeznaczenie urządzenia lub systemu mechatronicznego,
– scharakteryzować moduły, podzespoły i elementy występujące w urządzeniach i systemach

mechatronicznych,

– określić współdziałanie modułów w wybranym urządzeniu lub systemie mechatronicznym,
– posłużyć się dokumentacją techniczną podczas określania struktury urządzenia lub systemu

mechatronicznego,

– wyjaśnić zasadę działania wybranych urządzeń mechatronicznych powszechnego użytku

(komputera, kamery wideo, sprzętu AGD),

–  rozpoznać układy manipulacyjne i określić ich przeznaczenie,
–  wyjaśnić budowę manipulatora i robota,
–  rozpoznać zespoły funkcjonalne obrabiarki sterowanej numerycznie,
–  wyjaśnić zasadę działania wybranych urządzeń specjalistycznych,
–  rozpoznać strukturę i wyjaśnić zasadę działania wybranego systemu mechatronicznego,
–  skorzystać  z  różnych  źródeł  informacji  dotyczących  budowy  i  przeznaczenia  urządzeń

i systemów mechatronicznych,

– zastosować zasady bezpieczeństwa i higieny pracy oraz ochrony przeciwpożarowej

i ochrony środowiska na stanowisku pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Struktura i sposób działania urządzeń i systemów

mechatronicznych

4.1.1. Materiał nauczania

Urządzenia mechatroniczne są zintegrowanymi zespołami elementów składowych

i podzespołów  spełniających  różne  funkcje,  działających  na  różnych  zasadach  fizycznych
i wykorzystujących  różne  zjawiska.  Ich  głównym  zadaniem  jest  realizowanie  czynności
mechanicznych:  przemieszczania  obiektów,  wywierania  nacisku  (siły),  realizowania  procesu
obróbki). Mają możliwość reagowania na bodźce zewnętrzne docierające do urządzenia poprzez
system  czujników.  Pomiędzy  czujnikami  a  elementami  wykonawczymi  znajdują  się  układy
przetwarzania  i  analizy  sygnałów,  jak  również  element  decyzyjny  wyposażony  w  odpowiedni
program działania urządzenia.

Urządzenie mechatroniczne łączą w sobie konstrukcje mechaniczne, czujniki różnorodnych

wielkości

fizycznych (parametrów istotnych dla realizowanego zadania), systemy

przekazywania  przetwarzania  i  interpretacji  sygnałów  i  informacji,  układy  napędowe.
Charakteryzuje  je  synergia,  czyli  możliwość  uzyskiwania  lepszych  efektów  pracy  niż  suma
możliwości elementów składowych. Mechatronika  jest dziedziną interdyscyplinarną  integrującą
mechanikę, budowę maszyn, automatykę, elektrotechnikę, elektronikę i informatykę (rys.1).

Istotną cechą urządzeń mechatronicznych jest zdolność do wiernego przetwarzania

i przekazywania,

informacji

formie

sygnałów

mechanicznych,

elektrycznych,

pneumatycznych, optycznych i innych) przy jednoczesnym wysokim stopniu automatyzacji tych
urządzeń. Systemy mechatroniczne wyposażone są w czujniki zbierające sygnały ze swojego
otoczenia, programowalne układy przetwarzania i interpretacji tych sygnałów oraz zespoły
komunikacyjne i urządzenia wykonawcze oddziałujące odpowiednio na otoczenie.

Rys. 1

Części składowe mechatroniki

[4, s.132]

Urządzenia mechatroniczne charakteryzują się:

−

multifunkcjonalnością – łatwością realizacji różnych zadań przez jedno urządzenie,
np. przez zmianę oprogramowania,

−

inteligencją – oznaczającą możliwość podejmowania decyzji i komunikacji z otoczeniem,

−

elastycznością – łatwością modyfikacji konstrukcji na etapie projektowania, produkcji oraz
eksploatacji urządzenia, np. przez zastosowanie konstrukcji modułowej,

−

możliwością niewidocznego dla operatora sposobu działania, co wymaga zastosowania
interfejsu użytkownika dla komunikowania się z operatorem.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 2. Struktura urządzenia mechatronicznego [3, s.28]

Urządzenie mechatroniczne (rys. 2) składa się z trzech niezbędnych, podstawowych grup

elementów:

−

elementów wykonawczych (aktorów), za których pomocą urządzenie aktywnie oddziałuje na
otoczenie, czyli bezpośrednio ingeruje (nastawia) w sterowany proces techniczny; są to
głównie elementy mechaniczne,

−

czujników (sensorów), za których pomocą urządzenie zdobywa niezbędne informacje
o procesie; elementy te w swojej pracy wykorzystują technikę pomiarów,

−

przetworników informacji (procesorów), za których pomocą urządzenie odpowiednio
przetwarza (oblicza, kieruje, przełącza) informacje; są to elementy techniki komputerowej.

W urządzeniu mechatronicznym znajdziemy elementy; mechaniki, elektroniki, techniki

sterowania, technologii komputerowej, informatyki i wielu innych dziedzin.

Elementy wykonawcze i sterujące mogą być mechaniczne, elektryczne, pneumatyczne lub

hydrauliczne.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Mechaniczne urządzenia sterujące mogą realizować dokładne przemieszczenia wykonywane

z dużymi prędkościami. Sterowanie jest dokładne, działa bez opóźnień, lecz często koszt jego
wykonania jest znaczny.

Przykładem sterowania mechanicznego jest układ rozrządu silnika spalinowego, który służy

do  otwierania  i  zamykania  zaworów.  Elektrycznymi  elementami  wykonawczymi  są:  silniki
prądu  przemiennego,  silniki  prądu  stałego,  silniki  krokowe  oraz  urządzenia  wykonawcze
zbudowane  na  bazie  elektromagnesów.  Do  hydraulicznych  i  pneumatycznych  elementów
wykonawczych należą siłowniki oraz silniki. Hydrauliczne elementy robocze charakteryzują się
zdolnością  do  bardzo  szybkiej  reakcji  oraz  posiadają  małe  wymiary  gabarytowe  na  jednostkę
mocy,  jednak  koszt  ich  wykonania  jest  duży  i  powiększony  jeszcze  o  koszt  wykonania  układu
zasilania.  Pneumatyczne  elementy  wykonawcze  są  tańsze  od  hydraulicznych  lecz  również
wymagają  osobnego  źródła  zasilania  (sprężone  powietrze),  a  ponadto  siły  i  momenty
uzyskiwane na nich są stosunkowo małe. Silniki elektryczne, ze względu na dużą różnorodność
konstrukcji i cech eksploatacyjnych, są powszechnie stosowane, lecz wadą większości z nich jest
duża  bezwładność  wirnika  utrudniająca  precyzyjne  zatrzymanie  i  powodująca  trudny  rozruch
(przy  większych  mocach).  Tak  więc  w  urządzeniach  mechatronicznych  możemy  spotkać
wszystkie rodzaje napędów.

Nieco inna sytuacja jest w układach sterujących. W zasadzie można spotkać również i w tej

dziedzinie zarówno sterowanie mechaniczne, elektryczne, pneumatyczne i hydrauliczne jednak
zdecydowanie dominuje tu sterowanie elektryczne i elektroniczne.

Sterowanie elektryczne jest najbardziej popularne z następujących powodów:

−

możliwość przekazywania sygnałów na duże odległości,

−

łatwość obróbki sygnału,

−

możliwość zastosowania sterowania elektronicznego,

−

możliwość współpracy układu sterującego z różnymi rodzajami sensorów,

−

łatwość współpracy układu z systemami komputerowymi możliwość tworzenia złożonych
systemów sterujących.

Cechą charakterystyczną urządzenia mechatronicznego jest rozbudowane przekazywanie

informacji do systemu, z systemu lub wewnątrz systemu. Stanowi podstawę do symulowania
inteligencji, czemu towarzyszy rozszerzenie „mądrości” systemu.

Sensory

Czujniki – wykorzystywane w maszynach – odpowiadają zmysłom człowieka.

Są elementami, które dostarczają informacji o stanie samej maszyny i jej otoczenia.
Na podstawie tej informacji mikroprocesor określa działania maszyny. Czujniki w urządzeniach
mechatronicznych mierzą wielkości sterowane, sterujące, zakłócające itp.

Najważniejsze wielkości mechaniczne mierzone w układach mechatronicznych to:

−

położenie (pozycja),

−

przemieszczenie,

−

sztywność,

−

podatność,

−

prędkość,

−

masa,

−

gęstość,

−

przyspieszenie,

−

natężenie przepływu,

−

siła,

−

moment,

−

kształt,

−

chropowatość,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

naprężenie,

−

ciśnienie,

−

lepkość,

−

odkształcenie,

−

inne (akustyczne/ponaddźwiękowe).

Z punktu widzenia mechatronizacji napędów mechanicznych szczególną rolę odgrywają

sensory  pozycji  (położenia,  drogi,  przemieszczenia),  mniejszą  –  sensory  prędkości  i  sensory
obecności.  Sensory  pozycji  elementu  wykonującego  ruch  obrotowy  nazywane  są  czujnikami
obrotu,  czujnikami  kąta,  resolwerami  czy  enkoderami.  Mierzą  one  drogi,  długości,  kąty
i położenia.  Sensorami  prędkości  są  zwykle  prądnice  tachometryczne.  Mierzą  one  prędkość
kątową  i  liczbę  obrotów.  Wielkości  te  mogą  być  łatwo  uzyskiwane  podczas  obróbki  sygnału
sensorów  położenia  kątowego.  Dlatego  sensory  te  odgrywają  rolę  podstawową.  Sensory
obecności  nazywane  są  zwykle  wyłącznikami  zbliżeniowymi  czy  magnetycznymi,  a  niekiedy
sensorami  binarnymi,  ponieważ  służą  tylko  do  wykrywania  i  rozróżniania  stanu  systemu
w sensie odpowiedzi tak/nie, jest/nie ma, obecny/nieobecny itp.

Aktory

Aktor (ang. actuator, niem. Aktor, franc. actionneur) jest elektronicznie sterowanym

członem  wykonawczym.  Jest  on  łącznikiem  między  urządzeniem  przetwarzającym  informacje
(mikroprocesorem)  i  procesem,  którego  parametry  trzeba  zmienić  (nastawić).  Za  pomocą
aktorów można  nastawiać  w określony  sposób strumienie  energii, przepływy  masy.  Wielkością
wyjściową  aktorów  jest  zwykle  energia  lub  moc  mechaniczna  (człony  z  niemechaniczną
energią/mocą  wyjściową,  np.  półprzewodniki  mocy,  mogą  być  również  zaliczane  do  aktorów).
Aktory  przetwarzają  analogowe  lub  cyfrowe  sygnały  urządzeń  sterowniczych  w  mechaniczne
wielkości wejściowe (drogę, siłę, kąt, moment obrotowy). Poziom mocy wielkości wyjściowych
przekracza  sygnał  wejściowy.  Potrzebne  do  tego  wzmocnienie  mocy  jest  osiągane  na  drodze
elektrycznej, hydraulicznej lub pneumatycznej.

W zależności od energii pomocniczej można stosować różne zasady nastawiania i budować

różne aktory. Można je podzielić na: elektromechaniczne, hydrauliczne i pneumatyczne oraz
niekonwencjonalne (rys. 3).

aktory

elektromechaniczne

aktory płynowe

aktory

o koncepcjach alternatywnych

silnik prądu stałego
silnik prądu przemiennego
silnik krokowy
elektromagnes
silnik liniowy

aktor hydrauliczny
aktor pneumatyczny

koncepcje piezoelektryczne
koncepcje magnetostrykcyjne
aktor elektrochemiczny
aktor termobimetaliczny
aktor z metalem z „pamięcią”

Rys. 3. Rodzaje aktorów. [3, s.56]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 1. Porównanie własności elementów wykonawczych.

Rodzaj elementu (napędu)

Własność

elektryczny

pneumatyczny

hydrauliczny

Rodzaj wykonywanego
ruchu

Obrotowy, rzadko liniowy

Liniowy oraz obrotowy

Zakres prędkości ruchu

Prędkość obrotowa 600 – –
3000 min

– 1

Prędkość liniowa do 10 m/s

Prędkość obrotowa do
105000 min

– 1

, prędkość

liniowa 0,5 – 1,5 m/s,
w wykonaniach
specjalnych do 30 m/s

Prędkość obrotowa do
3000 min

– 1

, prędkość

liniowa do 1,5 m/s,
możliwość uzyskiwania
bardzo małych prędkości

Zakres przesunięć
liniowych

Bez ograniczeń

Do 1 m, siłowniki
beztłoczyskowe do 5 m

Do 1,5 m, siłowniki
teleskopowe do 15 m

Sterowanie prędkością

Skomplikowane sterowania
metodami elektrycznymi
lub elektronicznymi

Proste nastawianie
za pomocą elementów
dławiących przepływ
powietrza

Szerokie możliwości
sterowania prędkością
za pomocą elementów
dławiących lub zmiany
wydajności pomp

Bezpieczeństwo pracy w
atmosferach wybuchowych

Wymagane zabezpieczenie
przeciwiskrowe

Całkowicie bezpieczne

Nie stosuje się specjalnych
zabezpieczeń, stosowanie
cieczy niepalnych lub
trudnopalnych

Pewność eksploatacji,
łatwość obsługi

Duża usterkowość,
wymagane wysokie
kwalifikacje personelu

Duża niezawodność
i trwałość, średni poziom
kwalifikacji personelu

Duża trwałość i pewność
działania, prosta obsługa,
średni poziom kwalifikacji
personelu

Praca w warunkach
zawilgocenia

Konieczne wykonanie
specjalnych obudów

Odporne na wilgoć

Bardzo odporne na
zawilgocenei środowiska
pracy

Wprowadzane zagrożenia

Możliwość porażenia
prądem elektrycznym

Nieszkodliwe, niekiedy
możliwy wypływ
sprężonego powietrza

Możliwy wypływ cieczy
roboczej, zanieczyszczenie
środowiska

Mechatroniczny system nastawczy

Wymaganie, które powinien spełniać aktor, to duża dokładność nastawiania

(pozycjonowania) przy dobrej dynamice nastawiania (wykonywania szybkich i dokładnie
pozycjonujących ruchów nastawczych). Czynnikami, które ograniczają jakość regulacji prawie
wszystkich typów aktorów, są:

−

tarcie i straty w przekładniach mechanicznych i prowadnicach,

−

efekty histerezy i nasycenia w określonych materiałach,

−

nieliniowe statyczne charakterystyki,

−

zmiana zachowania się procesu wskutek zmienności punktu pracy parametrów obiektu
regulowanego lub czynników zewnętrznych, takich jak: zużycie, starzenie,

−

temperatura, wahania energii pomocniczej.
Czynniki te można wyeliminować lub skompensować przez zastosowanie nowoczesnej

mikroelektroniki. Pożądane przy tym powiązanie napędu nastawczego, komputera
oprogramowania nazywane jest dalej mechatronicznym systemem nastawczym.

Nowoczesne aktory ułatwiają nadzór i diagnozę, zarówno siebie samego jak i całego

urządzenia mechatronicznego. Jest to zintegrowana jednostka funkcjonalna, charakteryzująca się
tym, że strumień siły jest, tak jak dotychczas, przejmowany przez elementy mechaniczne,
przepływ zaś informacji następuje na drodze elektronicznej.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Napęd mechatroniczny

Napęd mechatroniczny składa się zwykle z silnika elektrycznego, reduktora o dużym

przełożeniu  (>>  10:1),  elektroniki  cyfrowej,  elektroniki  mocy  oraz  z  oprogramowania
komputerowego. To ostatnie obejmuje pliki do opisu dynamicznego zachowania  się regulatora,
elektroniki mocy i mechaniki reduktora. Synchronizacja ruchów w różnych zespołach maszyny,
zapewniana  dotychczas  przez  sztywne  mechaniczne  połączenie  wałów  napędowych  tych
zespołów,  może  zostać  zastąpiona  synchronizacją  elektroniczną.  Korzyści  z  tego  wynikające
przedstawia tab. 2.

Tabela 2. Porównanie własności napędów mechanicznych i mechatronicznych [3, s. 78]

Modułowość budowy

Systemy mechatroniczne stają się coraz bardziej złożone. Rozwiązaniem problemów

wiążących się z budową i eksploatacją złożonych systemów mechatronicznych jest modułowość
(budowa  modułowa).  Chodzi  tu  o  podejście  oparte  na  modułach  mechatronicznych.  Moduły
obudowane  i spełniające  jasno  określone  funkcje,  są  integrowane  w  podsystemy  i  systemy.
Modułowość  ułatwia  konstruowanie,  symulację  czy  testowanie,  jak  też  utrzymywanie  stanu
technicznego urządzenia i systemu mechatronicznego.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Czym charakteryzują się urządzenia mechatroniczne ?
2.  Jaka jest struktura funkcjonalna urządzeń mechatronicznych?
3.  Dlaczego  w  urządzeniach  mechatronicznych  najczęściej  stosowane  jest  sterowanie

elektryczne?

4.  Jaki jest cel stosowania sensorów w urządzeniach mechatronicznych?
5.  Jaka jest zasada pracy aktorów w urzadzeniach mechatronicznych?
6.  Co to jest mechatroniczny system nastawczy?
7.  Na czym polega modułowość budowy urządzeń mechatronicznych?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Element napędowy urządzenia mechatronicznego powinien spełniać następujące warunki:

−

praca w warunkach zawilgocenia,

−

możliwość wykonywania bardzo powolnych ruchów liniowych,

−

trwałość, prosta obsługi,

−

możliwość łatwej zmiany prędkości ruchu.
Dobierz odpowiedni rodzaj elementu napędowego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z informacjami zawartymi w rozdziale 4.1. Poradnika dla ucznia,
2)  określić rodzaj elementu napędowego,
3)  zapisać w karcie sprawozdania z ćwiczenia uzasadnienie doboru napędu,
4)  przedstawić wyniki pracy w formie prezentacji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z rozdziałem 6 Poradnika dla ucznia,

−

arkusz papieru formatu A4,

−

przybory do pisania,

−

materiały do pracy metodą przewodniego tekstu.

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj strukturę wybranego urządzenia mechatronicznego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z informacjami zawartymi w rozdziale 4.1. Poradnika dla ucznia,
2)  przeprowadzić dyskusje z kolegami,
3)  narysować  w  karcie  sprawozdania  z  ćwiczenia  schemat  struktury  urządzenia

mechatronicznego oraz opisać funkcje poszczególnych składników jego struktury,

4) przedstawić wyniki pracy w formie prezentacji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z rozdziałem 6 Poradnika dla ucznia,

−

arkusz papieru formatu A4,

−

przybory do pisania,

−

materiał do pracy metodą przewodniego tekstu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wyjaśnić na czym polega interdyscyplinarność mechatroniki?



2) scharakteryzować cechy urządzeń i systemów mechatronicznych?



3) scharakteryzować napędy stosowane w urządzeniach

mechatronicznych?



4) wyjaśnić rolę elementów wykonawczych w urządzeniach

mechatronicznych?



5) scharakteryzować własności sterowania elektrycznego w

urzadzeniach mechatronicznych?



6) wyjaśnić przeznaczenie sensorów stosowanych w urządzeniach

mechatronicznych



7) wyjaśnić zasadę działania aktorów w urządzeniach i systemach

mechatronicznych?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Urządzenia mechatroniczne powszechnego użytku

4.2.1. Materiał nauczania

Z urządzeniami mechatronicznymi mamy do czynienia bardzo często. Codziennie przecież

korzystamy  z komputera i drukarki, cyfrowego aparatu fotograficznego  i kamery wideo, pralki,
suszarki  i  wielu  innych  urządzeń.  Do  podstawowych  urządzeń  mechatronicznych  można
zaliczyć:  drukarki  laserowe  lub  atramentowe,  kserokopiarki  nowej  generacji,  odtwarzacze  CD
i wiele  mikromaszyn;  sterowane  cyfrowo  maszyny  do  szycia  i  maszyny  dziewiarskie,
elektronicznie  sterowany  silnik  spalinowy,  systemy  przeciwblokujące,  przeciwpoślizgowe
i poduszki  powietrzne  w  technice  samochodowej,  obrabiarki  sterowane  numerycznie,  roboty
i manipulatory itp.

Komputer to zespół urządzeń wewnętrznych oraz zewnętrznych złożony w tzw. zestaw

komputerowy (rys. 5), gdzie rodzaje zastosowanych urządzeń określają przeznaczenie oraz
zdolności operacyjne komputera.

Staje się coraz bardziej niezbędnym urządzeniem

wspomagającym wykonywanie wielu czynności i prac. Umożliwia on generowanie
i przetwarzanie obrazu (tekstu i grafiki), dźwięku, sterowanie różnorodnymi urządzeniami
i systemami w domu oraz zakładach pracy, jest bardzo pomocny przy komunikowaniu się osób
oraz urządzeń.

Rys. 4. Widok zestawu komputerowego [12, s. 2]

Informacje do komputera wprowadzane są poprzez tzw. urządzenia wejściowe, wyniki

swoich działań komputer przekazuje za pomocą tzw. urządzeń wyjściowych. Struktura typowego
zestawu komputerowego przedstawiona jest na rys.5.

Rys. 5. Struktura zestawu komputerowego [12, s. 9]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Najważniejsze elementy komputera zlokalizowane są w obudowie jednostki centralnej

(rys. 6). Znajdują się tutaj:

1) płyta główna z obwodami drukowanymi, na której montowana jest znaczna część

komponentów niezbędnych do poprawnego funkcjonowania systemu komputerowego,

2)  dysk twardy,
3)  napęd dyskietki,
4)  napęd CD – ROM lub DVD,
5)  zasilacz komputera,
6)  gniazda wtykowe (np. USB) do podłączania urządzeń zewnętrznych.

Rys. 6.Rozmieszczenie wybranych elementów komputera w obudowie jednostki centralnej [12, s. 18]

Na płycie głównej znajdują się najważniejsze układy elektroniczne komputera (rys.7):

1) procesor – główny element komputera, jest odpowiedzialny za przetwarzanie informacji,
2) magistrala systemowa – ścieżka obwodu drukowanego łącząca wszystkie komponenty

komputera i umożliwiająca ich komunikowanie się pomiędzy sobą,

pamięć ROM – służąca do przechowywania głównego programu obsługi komputera,

4) pamięć RAM (pamięć operacyjna) – służąca do odczytu i zapisu informacji

wykorzystywanych i przetwarzanych przez komputer,

5) karty rozszerzeń – np. karta graficzna, karta dźwiękowa, karta sieciowa, karta telewizyjna.

Rys. 7. Rozmieszczenie elementów na płycie głównej [12, s. 10]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Procesor (rys. 8) jest centralną częścią systemu komputerowego i jego zadaniami są:

1) pobieranie rozkazów – w celu odczytania poleceń z pamięci,
2) interpretowanie rozkazów – polecenia należy zdekodować, aby wiedzieć jakie operacje

należy wykonać,

3) pobieranie danych – z pamięci lub modułu wejścia – wyjścia,
4) przetwarzanie danych – przeprowadzanie na danych operacji arytmetycznych lub

logicznych,

5) zapisywanie danych – w pamięci lub module wejścia – wyjścia.

Rys. 8. Procesory komputerów. [12, s.19]

Magistrala systemowa łączy najważniejsze podzespoły komputera tj. procesor, pamięć,

układy  wejścia  –  wyjścia,  jest  wspólnym  nośnikiem  transmisji.  Korzysta  z  niej  pewna  liczba
urządzeń,  które  się  poprzez  nią  komunikują.  Dostęp  do  magistrali  jest  sekwencyjny  –  w  danej
chwili  może  korzystać  z  niej  tylko  jedno  urządzenie  –  gdyby  w  tym  samym  czasie  nadawało
kilka  urządzeń,  ich  sygnały  zakłócałyby  się  wzajemnie,  co  prowadziłoby  do  przekłamań
w transmisji danych.(rys. 9).

Rys. 9. Sposób wykorzystania magistrali systemowej [2]

Każde urządzenie (dysk twardy, karta grafiki, drukarka) posiada swój sterownik. Sterownik

ma za zadanie zapewnić uporządkowany, synchroniczny dostęp do wspólnej pamięci.
Karta graficzna, jeden z najważniejszych komponentów zestawu komputerowego. Może być
zintegrowana z płytą główną komputera, lub jest to osobna karta rozszerzeń. Najważniejszymi
parametrami karty graficznej są:

−

szybkość pracy,

−

ilość pamięci,

−

rozdzielczość,

−

ilość kolorów wyświetlanego obrazu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Główne zadanie karty graficznej to przetwarzanie obrazu cyfrowego generowanego przez

układy komputera na sygnał „zrozumiały” dla monitora (może to być sygnał: analogowy lub
cyfrowy)(rys. 11).

Rys. 10. Karta graficzna

[12, s. 21

Karta dźwiękowa, zwana też kartą muzyczną, jest to karta rozszerzeń umożliwiająca pracę

z dźwiękiem  na  komputerze  klasy  PC.  Dzięki  niej  można  zarówno  odtwarzać  dźwięk,  jak
i tworzyć  pliki  dźwiękowe.  Do  karty  dźwiękowej  podłącza  się  takie  urządzenia  jak  głośniki,
wzmacniacz  czy  mikrofon  bądź  urządzenie  MIDI  (np.  syntezator).  Główne  zadanie  karty
dźwiękowej to przetwarzanie  sygnałów cyfrowych na analogowe (przy odtwarzaniu dźwięków)
lub odwrotnie (przy nagrywaniu dźwięków) (rys. 11).

Rys. 11. Karta dźwiękowa [12, s. 22]

Rys. 12. Karta sieciowa [12, s. 23]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Karta sieciowa – karta rozszerzeń niezbędna do podłączenia komputera do sieci LAN.

Do karty sieciowej można podłączyć kabel koncentryczny lub kabel typu skrętka łączący
komputer z siecią. Często karty mają możliwość podłączenia dwóch różnych typów kabla.
Najnowsze karty sieciowe obsługują już nie tylko sieci kablowe ale także sieci radiowe (rys.12).

Dysk twardy – zespół tarcz wykonanych z materiału o dużej sztywności pokrytych warstwą

magnetyczną służący do gromadzenia i przechowywania wszystkich danych, programów
i wyników pracy komputera.(rys. 13).

Rys. 13. Widok dysku twardego [12, s. 24]

Napęd CD – ROM stosowany jest do zapisu oraz odczytywania informacji na dysku CD

(rys. 14). Stosowane są również napędy DVD do zapisu i odczytywania informacji na dysku
DVD. Na dysku DVD można zmieścić wielokrotnie więcej informacji niż na dysku CD.

Rys. 14.Widok napędu CD – ROM [12, s. 25]

Liczba urządzeń zewnętrznych które mogą współpracować z komputerem jest bardzo duża

(rys. 15).

Mogą to być:

−

zewnętrzne napędy nośników danych,

−

trackaball (odwrócona myszka),

−

czytniki kodów kreskowych,

−

kasy fiskalne,urządzenia z dziedziny sterowania systemami,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 15. Przykłady urządzeń współpracujących z komputerem [12

s. 28, 29, 30]

Pralki inteligentne

Współczesna pralka powinna charakteryzować się niskim zużyciem wody i energii

oraz dobrą jakością prania (usunąć zabrudzenia, nie niszczyć tkanin). Mechatronika umożliwia
konstruowanie i budowanie takich pralek.

Inteligentne czujniki i sterownik nadzorują każdy

moment przebiegu prania. Na podstawie zebranych informacji, określane są ustawienia
programów, czas trwania prania, zużycie wody i energii. Optymalne kombinacje parametrów
gwarantują maksymalną efektywność prania.(rys. 16. rys. 17).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 16. Widok panelu sterowania pralki [24]

Rys. 17. Widok współczesnej pralki [24].

Typowe funkcje, które realizuje współczesna pralka to:

Sprawdzanie czystości  wody w czasie prania – specjalny  czujnik kontroluje  czystość wody
po wykonaniu płukania; jeżeli woda jest odpowiednio czysta to oznacza, że płukanie można
zakończyć.  Dzięki  takiemu  rozwiązaniu,  płukanie  przebiega  w  optymalny  sposób,
gdyż zużywa  się  tylko  tyle  wody  i  czasu  ile  jest  niezbędne.  Wysoka  efektywność  prania
jest zachowana przy mniejszym zużyciu wody, energii elektrycznej i czasu.

Sprawdzanie ilości piany – podczas trwania programu specjalny czujnik uniemożliwia
tworzenie się zbyt dużej ilości piany zmniejszającej efekty prania. Gdy piany jest zbyt dużo,
usuwany jest nadmiar detergentu, dzięki temu tkaniny są czyste, bez pozostałości środków
piorących.

3. Sprawdzanie ciężar, załadowanych tkanin – specjalny czujnik mierzy ciężar tkanin

załadowanych do bębna. Na podstawie pomiaru dobierana jest odpowiednia ilość środka
piorącego.

Dobranie optymalnej ilości wody do ciężaru załadowanych tkanin – ponieważ każdy rodzaj
tkaniny pochłania różną ilość wody z różną szybkością, więc ilość potrzebnej wody wciąż
się zmienia.

Czas rozpoczęcia lub zakończenia prania – m

ożliwość zaprogramowania startu programu

prania lub jego zakończenia.

Zabezpieczenie przed przelaniem się wody.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Automatyczny kocioł retortowy centralnego ogrzewania
Nowoczesne kotły grzewcze powinny spełniać, między innymi, następujące warunki:

−

zapewnić żądaną temperaturę medium w instalacji centralnego ogrzewania,

−

spełniać wymagania dotyczące emisji zanieczyszczeń do atmosfery,

−

automatyczna praca,

−

zagwarantowanie stałej (lub programowalnej) temperatury w pomieszczeniach,

−

zużywać jak najmniejszą ilość opału.

Kotły wyposażone są w palenisko retortowe, do którego podawane jest paliwo z zasobnika

za pomocą podajnika ślimakowego. Powietrze do spalania doprowadzane jest przez wentylator
do układu dysz w retorcie paleniska. Praca kotłów sterowana jest za pomocą oprogramowanego
sterownika elektronicznego włączającego w sposób sekwencyjny podajnik i wentylator (rys. 18).

Rys. 18. Schemat konstrukcyjny kotła retortowego. [16]

Ilość dostarczanego węgla zależna jest od zapotrzebowania ciepła. Moc cieplna kotła

regulowana  jest  czasem  pracy  podajnika  oraz  zadaną  temperaturą  wody  –  ręcznie  ustawiany
przez  termostat.  Śrubowy  podajnik  węgla  pracuje  w  cyklu  przerywanym.  Parametry  regulacji
można  dostosować  do  aktualnych  warunków  pogodowych  i  zapotrzebowania  na  ciepło
w ogrzewanych pomieszczeniach.  Kocioł został wyposażony w system ochrony przed skutkami
awarii zasilania oraz różnego rodzaju zakłóceń. Typowymi stanami alarmowymi są:

−

uszkodzenie czujnika temperatury wody wylotowej,

−

uszkodzenie czujnika temperatury podajnika węgla,

−

wygaśnięcie paleniska,

−

przekroczenie temperatury 95 ºC.

Widok kotła retortowego pokazany jest na rys. 19, a widok panelu programowania kotła

retortowego pokazany jest na rys. 20.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 19. Widok kotła retortowego [16]

Rys. 20. Widok panelu programowania kotła retortowego [16]

Aparat cyfrowy
Aparat cyfrowy (rys.21) to urządzenie optoelektroniczne służące do rejestracji obrazów

statycznych oraz ich gromadzenia w pamięci cyfrowej aparatu.

W aparatach cyfrowych można wyróżnić kilka zasadniczych elementów:

−

obiektyw,

−

matryca (niewymienny element półprzewodnikowy CCD lub CMOS),

−

wyświetlacz LCD,

−

wizjer,lampa błyskowa,
W aparacie cyfrowym na płaszczyźnie ogniskowej umieszczony jest przetwornik obrazu.

Jest  to  specjalny  światłoczuły  układ  scalony.  Obecnie  stosowane  są  dwa  rodzaje  takich
przetworników:  CCD  (ang.  Charge  –  Coupled  Device)  i  CMOS  (ang.  Complementary  Metal
Oxide  Semiconductor).  Oba  spełniają  taką  samą  rolę,  ale  częściej  stosowane  są  przetworniki
CCD.  W czasie  wykonywania  zdjęcia  aparatem  cyfrowym,  przetwornik  próbkuje  światło
docierające  przez  obiektyw  i  przetwarza  je  na  sygnały  elektryczne,  które  są  następnie

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

wzmacniane i przesyłane do przetwornika analogowo – cyfrowego (A/C), który nadaje im postać
cyfr. Na końcu komputer zaistalowany w aparacie przetwarza zgromadzone w ten sposób dane
cyfrowe, które potem są zapisywane w pamięci jako nowy obraz

Rys. 21. Budowa aparatu cyfrowego [ 25]

Nowoczesny silnik spalinowy

Przykładem systemu mechatronicznego w którym wyraźnie widać integrację różnorodnych

dziedzin inżynierii i technologii może być silnik współczesnego samochodu.

Zastosowano tu:

−

elektroniczny system sterujący wtryskiem paliwa (elektronika, elektrotechnika, systemy
informatyczne),

−

system sterowania otwarciem i zamknięciem zaworów (mechaniczno – hydrauliczny),

−

układ kontroli zawartości tlenu w spalinach (inżynieria chemiczna),

−

katalizator spalin (inżynieria chemiczna oraz ochrona środowiska),

−

układ recyrkulacji spalin (inżynieria chemiczna oraz ochrona środowiska).
Parametry pracy silnika są na bieżąco podawane przez sensory do głównego modułu

sterującego pracą silnika. Część sygnałów dostarczana jest na deskę rozdzielczą samochodu
w postaci informacji optycznej, jest to więc forma monitoringu i wizualizacji

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jaką rolę w komputerze pełni płyta główna?
2.  Do czego służą urządzenia wejściowe komputera?
3.  Jaka jest różnica pomiędzy pamięciami RAM, a ROM?
4.  Na czym polega opcja sprawdzania czystości wody w nowoczesnej pralce automatycznej?
5.  Jaki jest cel stosowania w aparacie cyfrowym matrycy CCD?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Scharakteryzuj wszystkie elementy struktury funkcjonalnej zestawu komputerowego

znajdującego się w pracowni, w której odbywasz zajęcia z zakresu analizowania urządzeń
i systemów mechatronicznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z informacjami zawartymi w rozdziale 4.2. Poradnika dla ucznia,
2)  zidentyfikować elementy struktury funkcjonalnej komputera,
3)  zapisać  w  karcie  sprawozdania  z ćwiczenia  krótką  charakterystykę  poszczególnych

elementów ,

4) przedstawić wyniki pracy w formie prezentacji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z rozdziałem 6 Poradnika dla ucznia,

−

zestaw komputerowy,

−

arkusz papieru formatu A4,

−

materiały do pracy metodą przewodniego tekstu.

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj urządzenia współpracujące z komputerem.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1) zapoznać się z informacjami zawartymi w rozdziale 4.2. Poradnika dla ucznia,
2) zapisać w karcie sprawozdania z ćwiczenia rodzaje i przeznaczenie urządzeń

współpracujących z komputerem,

3) przedstawić wyniki pracy w formie prezentacji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura zgodna z rozdziałem 6 Poradnika dla ucznia,

−

arkusz papieru formatu A4,

−

przybory do pisania.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

wyjaśnić sposób działania komputera?



scharakteryzować strukturę funkcjonalną komputera?



uzasadnić, że nowoczesna pralka automatyczna jest urządzeniem
mechatronicznym?



wyjaśnić procesy zachodzące w aparacie cyfrowym podczas
wykonywania zdjęcia?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Maszyny manipulacyjne i roboty

4.3.1. Materiał nauczania

Wprowadzenie do zagadnień robotyzacji procesόw

Współczesne formy i metody realizacji procesόw produkcyjnych i usługowych posiadają

nastepujące cechy:
1) wyeliminowanie (lub ograniczenie) udziału człowieka przy wykonywanu prac nudnych,

monotonnych, powtarzających się,

2) zwiększanie poziomu bezpieczeństwa podczas wykonywania pracy,
3) dążenie do zapewnienia wysokiej i stałej jakości wytwarzanych produktόw oraz

świadczonych usług,

4) maksymalne wykorzystanie czasu pracy drogich i skomplikowanych maszyn i urządzeń,
5) możliwość szybkiego przystosowania linii produkcyjnych (stanowisk produkcyjnych)

do produkcji innego asortymentu produktόw,

6) obniżenie kosztόw realizacji procesόw produkcyjnych oraz usług.

Istotne znaczenie ma w tych przypadkach zastąpienie pracy człowieka podczas

wykonywania czynności manipulacyjnych przez pracę maszyn – tzw. maszyn manipulacyjnych.
Czynności  manipulacyjne  polegają  na  uchwyceniu  określonego  obiektu  (przedmiotu),
zmienianiu  jego  położenia,  transportowaniu,  pozycjonowaniu  lub  orientowaniu  względem
przyjętej  bazy,  przygotowaniu  obiektu  do  wykonywania  na  nim  lub  za  jego  pomocą  operacji
technologicznych.

Z pewnym uproszczeniem można stwierdzić, iż wykonywanie czynności manipulacyjnych

przez  człowieka  wymaga  wydatkowania  energii  (funkcje  energetyczne)  oraz  zaangażowania
pracy  umysłowej  (funkcje  intelektualne).  Maszyny  manipulacyjne  są  to  urządzenia  (maszyny)
lokomocyjne  przeznaczone  do  częściowego  lub  całkowitego  zastępowania  funkcji
energetycznych  oraz  intelektualnych  człowieka.  Wśród  maszyn  manipulacyjnych  wyróżnia  się
dwie ich podstawowe kategorie mające znaczące zastosowanie – manipulatory oraz roboty.

Manipulator przemysłowy jest to ręcznie sterowane urządzenie przeznaczone

do wspomagania, częściowego zastępowania człowieka przy wykonywaniu czynności
manipulacyjnych w przemysłowym procesie produkcyjnym.

Robotem

(przemysłowym)

jest

urządzenie

wielofunkcyjne

przeznaczone

do przemieszczania  w przestrzeni  materiałόw,  części,  narzędzi  lub  specjalnych  przyrządόw
mający programowane ruchy w celu wykonania rόżnorodnych zadań. Cechą odrόżniającą roboty
od  manipulatorόw  jest  ich  uniwersalność  polegająca  na  możliwości  zastosowania  tego  samego
urządzenia  technicznego  do  realizacji  rόżnych  funkcji  w  procesie  produkcji.  Wymaga
to zapewnienia  większych  możliwości  ruchowych  oraz  realizacji  mniej  lub  bardziej  złożonych
automatycznych czynności związanych z procesem sterowania ruchem.

Charakterystycznymi właściwościami robotόw są:

−

programowalność,

−

możliwość wykonywania ruchόw po rόżnych torach.

Struktura funkcjonalna układόw manipulacyjnych i robotόw

Wspόłczesne roboty przemysłowe nie są budowane zgodnie z jednym schematem

konstrukcyjnym. Jednakże w skład każdego robota przemysłowego wchodzą następujące układy:
(rys. 22),

−

układ zasilania,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

układ sterowania,

−

układ ruchu (jednostka kinematyczna).
W przypadku manipulatorόw wszystkie układy zazwyczaj zabudowane są w jednym

korpusie, natomiast dla robotόw stanowią one odrębne urządzenia połączone ze sobą w sposόb
umożliwiający przepływ pomiędzy nimi energii oraz sygnałόw (rys. 23).

Rys. 22. Struktura funkcjonalna robota [8, s. 17]

Zadaniem układu zasilania jest dostarczenie do poszczegόlnych elementόw robota energii

niezbędnej do poprawnego ich działania. Może to być energia elektryczna, hydrauliczna
lub pneumatyczna. W zależności od rodzaju energii zasilającej robot, w skład układu zasilania
mogą wchodzić:
–

urządzenia zasilania silnikόw prądu stałego oraz przemiennego, falowniki oraz niezbędne

układy przekaźnikowe (w przypadku zasilania energią elektryczną),

–

stacja olejowa oraz niezbędny osprzęt hydrauliczny (w przypadku zasilania energią
hydrauliczną),

–

stacja przygotowania powietrza, jeśli sprężone powietrze nie jest pobierane z sieci
(w przypadku zasilania energią pneumatyczną).
Spotykane jest mieszane zasilanie robotόw, np. energią elektryczną i pneumatyczną lub

energią elektryczną i hydrauliczną.

Zadaniem układu sterowania jest generowanie sygnałόw sterujących poszczegόlnymi

napędami  robota  i  urządzeń  wspόłpracujących  z robotem. Sygnały  te generowane są  w  oparciu
o informacje  dotyczące  aktualnego  stanu  układu  ruchu  i  urządzeń  wspόłpracujących
i przetwarzane  zgodnie  z  programem  działania  robota.  Układ  sterowania  robotόw  jest  zwykle
wykonywany jako szafa sterownicza zawierająca:

−

głόwny pulpit sterowniczy z urządzeniami do uruchamiania robota lub ręcznego sterowania,

−

przenośny sterownik ręczny połączony z szafą długim kablem, służący do programowania
robota i doprowadzania układu ruchu robota do kolejnych położeń wynikających
z realizowanej trajektorii ruchu (ręczny programator, panel sterowania),

−

jednostkę sterująco – ogiczną (komputer), zawierającą pamięć operacyjną programόw pracy
robota i wspόłpracującą z układami WE/WY.
Układami WE/WY(wejść – wyjść) dla jednostki sterująco–logicznej robota są:

−

serwonapędy uładu ruchu,

−

układy pomiarowe przemieszczeń,

−

czujniki położeń chwytakόw i narzędzi,

−

czujniki stanu pracy urządzeń wspόłpracujących z robotem.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 23. Widok robota [23]

Rys. 24. Budowa układu ruchu robota przemysłowego [8, s. 17]

Zadaniem układu ruchu (rys. 24) jest fizyczna realizacja zaprogramowanej trajektorii ruchu

robota, czyli przemieszczanie obiektu, ktόrym robot manipuluje po określonym torze.

Układ ruchu składa się z układu kinematycznego (zbioru członόw mechanicznych

połączonych ruchowo), napędów wprawiających w ruch odpowiednie człony układu
kinematycznego oraz sensorόw umożliwiających pomiary pozycji poszczegόlnych członόw.

Układ ruchu maszyn manipulacyjnych (manipulatorόw i robotόw) wzorowany jest na

budowie ciała ludzkiego.

Zarόwno w maszynie manipulacyjnej, jak i u człowieka można wyrόżnić analogiczne człony

składowe  bardzo  zbliżone  do  siebie  pod  względem  funkcjonalnym:  tzn.  podstawa  (korpus),
dołączone  do  niego  ramię  (ramiona),  kiść  oraz  mechanizm  chwytowy.  Układ  kinematyczny,
stanowiący układ  nośny  maszyny  manipulacyjnej, odpowiada szkieletowi człowieka, natomiast
mięśniom odpowiadają napędy poszczegόlnych członόw mechanicznych układu ruchu.

Rola, jaką spełniają podstawowe zespoły funkcjonalne układu ruchu, jest następująca:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

−

podstawa – płyta lub inna konstrukcja stanowiąca pierwszy człon układu kinematycznego
robota albo konstrukcja, z którą jest połączony nieruchomo pierwszy człon układu
kinematycznego,

−

ramię – zespół połączonych członów i napędzanych przegubów, który ustawia położenie
kiści,

−

kiść – zespół połączonych członów i napędzanych przegubów między ramieniem,
a elementem roboczym, który podtrzymuje, ustawia i orientuje element roboczy,

−

efektor – urządzenie przeznaczone do chwycenia i utrzymania obiektu manipulacji
albo do bezpośredniego wykonania operacji technologicznej realizowanej przez robot.

Szczegόlne miejsce wśrόd wymienionych powyżej zespołόw układu ruchu stanowią

efektory  (chwytaki).  Wynika  to  z  autonomicznych  w  stosunku  do  samego  robota  zadań
związanych  bezpośrednio  z  samym  przemiotem  manipulacji  oraz  realizowanym  procesem
(chwycenie,  odpowiednia  orientacja  przedmiotu  lub  narzędzia,  wykonanie  procesu
technologicznego).

Efektory

traktowane

muszą

być

jako

urządzenia

specjalne

dokonstruowywane do robota (rys. 25).

We wspόłczesnych rozwiązaniach konstrukcyjnych robotόw układ ruchu jest z reguły

wydzielony  i  stanowi  odrębną  jednostkę  strukturalną  robota.  Układ  sterowania  oraz  układ
zasilania  znajdują  się  w  pewnym  oddaleniu  od  układu  ruchu.  Wynika  to  z  konieczności
zapewnienia  tym  układom  warunkόw  bezpiecznego  i  pewnego  działania  poprzez
wyeliminowanie  lub  ograniczenie  szkodliwego  wpływu  zakłόceń  mechanicznych  (np.  drgań),
cieplnych,  elektrycznych,  itp.,  ktόrych  źrόdłem  mogą  być  urządzenia  procesu  produkcyjnego
(urządzenia wspόłpracujące), jak rόwnież sam układ ruchu robota.

Rys. 25. Przykłady efektorów

Struktura jednostek kinematycznych układόw manipulacyjnych i robotόw

Układy ruchu (jednostki kinematyczne) robotόw są zbiorem członόw mechanicznych

połączonych  ruchowo.  Człony  te  połączone  są  szeregowo tworząc  tzw.  łańcuch  kinematyczny.
Struktura  kinematyczna  robota  przemysłowego  dotyczy  więc  rozmieszczenia  elementόw
składowych  robota  wraz  z  przedstawieniem  możliwości  relacji  między  tymi  elementami  dla
danego  układu.  Jednostkę  kinematyczną  manipulatora  tworzy  mechanizm  kinematyczny  wraz
z dołączonymi  napędami.  Mechanizm  maszyny  manipulacyjnej  określają  dwa  parametry
kinematyczne:

−

ruchliwość

–

liczba

stopni

swobody

łańcucha kinematycznego mechanizmu

z unieruchomionym członem – podstawą;

−

manewrowość – liczba stopni swobody łańcucha kinematycznego mechanizmu
z unieruchomionymi: członem – podstawą i członem – ostatnim w łańcuchu
kinematycznym.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Manipulatory i roboty przemysłowe najczęściej posiadają otwarty łańcuch kinematyczny.

Łańcuchy te składają się z kilku ogniw czynnych umożliwiających przestrzenne przemieszczanie
i orientacje końcówki roboczej, czyli efektora.(rys. 26).

Rys. 26. Przykłady łańcuchów kinematycznych.

a)otwarty prosty, b) zamknięty prosty, c) złożony [8, s. 18]

W celu racjonalnego i bezpiecznego użytkowania jednostek kinematycznych maszyn

manipulacyjnych definiuje (określa) się następujące przestrzenie:

−

głόwna przestrzeń robocza – przestrzeń, w obrębie ktόrej przemieszcza się konstrukcyjne
zakończenie ostatniego, wolnego, ale nierozdzielnie związanego z mechanizmem jednostki
kinematycznej członu (z reguły sprzęgu chwytaka),

−

pomocnicza przestrzeń robocza – przestrzeń w obrębie której przemieszczają się dodatkowe
człony mechanizmu jednostki kinematycznej maszyny manipulacyjnej, np. chwytaki,
narzędzia,

−

przestrzeń kolizyjna – przestrzeń w obrębie ktόrej zawierają się wszystkie elementy
konstrukcyjne i przemieszczają się wszystkie człony mechanizmu jednostki kinematycznej,

−

przestrzeń strefy zagrożenia (strefa zagrożenia) – przestrzeń zabroniona przepisami
lub

normami bhp dla obsługi w czasie pracy jednostki kinematycznej.

Jednostki kinematyczne wspόłczesnych maszyn manipulacyjnych zwykle budowane

są w oparciu o pięć podanych w tabeli 3 struktur kinematycznych.

Tabela 3. Konfiguracja, oznaczenia, schematy i przestrzenie robocze robotόw o rόżnych strukturach
kinematycznych układu ruchu

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

a) b)

Rys. 27. Robot równoległy o zamkniętym łańcuchu kinematycznym [23]

a) przykład zastosowania b) widok

Istnieją również roboty równoległe o zamkniętym łańcuchu kinematycznym. Zasada

działania  tego  typu  robotów  opiera  się  na  idei  odpowiednio  zaprojektowanych  ramion  robota.
Użycie  tych  ramion  pozwala  ustawić  pozycję  i  orientację  ruchomej  platformy.  Takie  roboty
posiadają  3  ramiona.  Ruchoma  platforma  jest  wyposażona  w  efektor  który  posiada  dodatkowy
stopień swobody umożliwiający np. obrót (rys. 27). Przykładem zastosowania tych robotów jest
przenoszenie  i  odpowiednie  ustawienie  ciężkiego  mikroskopu  używanego  do  przeprowadzania
skomplikowanych operacji chirurgicznych.

Klasyfikacja układόw manipulacyjnych i robotόw

Robotyka jest nauką interdyscyplinarą, nie w pełni sformalizowaną i stąd wynikają trudności

w jej jednoznacznym definiowaniu. Spotykane są rόżne podejścia do klasyfikacji maszyn
manipulacyjnych. Poniżej zaprezentowano jedną z możliwych klasyfikacji (rys. 28) będącą
kompilacją poglądόw rόżnych autorόw.

Maszyny manipulacyjne uniwersalne są przeznaczone do wykonywania rόżnego rodzaju

operacji technologicznych i czynności manipulacyjnych, wspόłpracują z rόżnymi rodzajami
wyposażenia.

Maszyny manipulacyjne specjalizowane są przeznaczone do wykonywania operacji

technologicznych lub czynności manipulacyjnych jednego rodzaju, współpracują z jednym
rodzajem wyposażenia.

Maszyny

manipulacyjne specjalne są przeznaczone do wykonywania operacji

technologicznych lub czynności manipulacyjnych przy wykorzystaniu jednej odmiany
wyposażenia.

Maszyna manipulacyjna sekwencyjna jest wyposażona w sekwencyjny układ sterowania

(wykonujący kolejno zaprogramowane ruchy i czynności).

Maszyna manipulacyjna realizująca zadane trajektorie realizuje ustaloną procedurę

sterowanych  ruchόw  według  instrukcji  programowych  specyfikujących  żądane  pozycje
oraz żądaną prędkość ruchu.
Maszyna  manipulacyjna  adaptacyjna  jest  wyposażona  w  sensoryczny,  adaptacyjny  lub  uczący
się układ  sterowania. Ma  możliwość zmiany swoich własności dzięki wykorzystaniu  informacji
sensorycznych  lub  nagromadzonych  doświadczeń,  planowaniu  zadań  lub  przez  nauczanie
i trening.

Teleoperator jest maszyną manipulacyjną ze sterowaniem zdalnym realizowanym przez

operatora lub komputer. Przenosi na odległość funkcje motoryczne i sensoryczne operatora.
Nie ma połączeń mechanicznych z operatorem.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 28. Klasyfikacja maszyn manipulacyjnych

Maszyny manipulacyjne (roboty) I generacji wyposażone są w pamięć, do ktόrej można

wprowadzić rozkazy (program pracy) – wprowadzony program maszyna realizuje samodzielnie.
Maszyny manipulacyjne I generacji nie są wyposażone w układy pozwalające zbierać informacje
o środowisku zewnętrznym. Wspόłczesne roboty należą do I generacji.

Maszyny manipulacyjne (roboty) II generacji mają możliwość kontaktowania się

z otoczeniem w celu optymalnego działania. Są zdolne rozpoznać obiekt spośrόd innych
bez względu na jego położenie i kształt, dopuszczalna jest zmiana położenia robota względem
poszukiwanego przedmiotu.

Maszyny manipulacyjne (roboty) III generacji posiadać będą pewien „poziom intelektualny”

umożliwiający im aktualizowanie programu działania w zmieniających się warunkach.
Wyposażone będą w układy sensoryczne wzroku, słuchu, czucia pozwalające im rozpoznawanie
obiektόw w przestrzeni zapamiętanej przez robot i umożliwiać będą samodzielną realizację
zadania robota.

Maszyny manipulacyjne kartezjańskie (rys. 29), (niektόre ich modele zwane są bramowymi)

mają  przestrzeń  roboczą  w  kształcie  prostopadłościanu  nieraz  o  bardzo  dużych  wymiarach.
Typowym zastosowaniem robotόw kartezjańskich jest :
–  przemieszczanie materiałόw pomiędzy maszynami na duże odległości,
–  przemieszczanie (oraz wyszukiwanie) obiektόw w zautomatyzowanych magazynach.

Przestrzeń robocza robotόw cylindrycznych (rys. 30) ma kształt wydrążonego cylindra,

może posiadać dużą objętość. Mniejsze roboty cylindryczne stosowane są do szybkiego
precyzyjnego montażu, natomiast duże roboty wykorzystywane do przenoszenia, podawania
i odbierania obiektόw, załadunku i rozładunku maszyn technologicznych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

a) b) c) d)

Rys. 29. Roboty kartezjańskie: a) schemat struktury kinematycznej, b) kształt przestrzeni roboczej,

c) przykład umieszczenia kilku robotόw kartezjańskich na jednej bramie, d) przykład konstrukcji robota

kartezjańskiego [20]

a) b) c)

Rys. 30. Roboty cylindrycze: a) schemat struktury kinematycznej, b) kształt przestrzeni roboczej, c) przykład

konstrukcji robota cylindrycznego [20]

Maszyny manipulacyjne sferyczne (rys. 31) charakteryzują się dużą przestrzenią roboczą

przy stosunkowo niewielkiej jednostce mechanicznej. Ruchy robota nie są płynne, co jest
powodem obniżenia ich szybkości i dokładności.

a) b) c)

Rys. 31. Roboty sferycze: a) schemat struktury kinematycznej, b) kształt przestrzeni roboczej,

c) przykład konstrukcji robota sferycznego [20]

Maszyny manipulacyjne antropomorficzne (rys. 33) charakteryzują się dużą przestrzenią

roboczą  w  porόwnaniu  z  wielkością  ich  jednostki  mechanicznej,  bardzo  dobrą  gibkością  kiści
umożliwiającą  jej  orientację  prawie  w  każdym  położeniu.  Powtarzalność  i  dokładność
pozycjonowania  są  dobre,  lecz  nie  nadające  się  do  montażu  precyzyjnego.  Typowymi
zastosowaniami robotόw antropomorficznych są: spawanie, malowanie, gratowanie, podawanie,
przemieszczanie i odbieranie materiału.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

a) b) c)

Rys. 32. Roboty antropomorficzne: a) schemat struktury kinematycznej, b) kształt przestrzeni roboczej, c) przykład

konstrukcji robota antropomorficznego [20]

Roboty SCARA (Selective Compliance Assembly Arm) mają największą szybkość

i powtarzalność  ze  wszystkich  konfiguracji  robotόw.  Roboty  stosowane  są  do  precyzyjnego,
bardzo  szybkiego,  lekkiego  montażu.  Typowymi  zastosowaniami  robotów  SCARA
są: wkładanie  elementόw  w płytki  obwodόw  drukowanych,  montaż  małych  urządzeń
elektromechanicznych, montowanie napędόw dyskόw w komputerach (rys. 33).

a) b) c)

Rys. 33. Roboty SCARA: a) schemat struktury kinematycznej, b) kształt przestrzeni roboczej,

c) przykład konstrukcji robota SCARA [20]

Roboty monolityczne mają układy ruchu o niezmiennej konstrukcji (o stałej strukturze

kinematycznej. Robot monolityczny można uzupełnić chwytakiem bądź narzędziami. Roboty
modułowe składają się z oddzielnych zespołόw ruchu, tzw. modułόw. Moduły te zestawiane
są zgodnie z zapotrzebowaniem odbiorcy.

Roboty pseudomodułowe charakteryzują się w pewnej części stałą strukturą kinematyczną,

ale dopuszczalna jest zmiana zgodnie z zapotrzebowaniem odbiorcy niektόrych zespołόw ruchu.

Roboty stacjonarne mocowane są bezpośrednio do podłoża lub do płyt wspornikowych.
Roboty mobilne są wyposażone w mechanizmy przemieszczania całego robota względem

podłoża. Mogą to być roboty suwnicowe, bramowe lub samodzielnie wykonujące ruch
autonomiczny dzięki procesom adaptacyjnym i uczenia się (rys. 34).

a) b

Rys. 34. Roboty mobilne, a) mocowany do suwnicy[17], b) samokroczący [15]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Obszary stosowania robotów

Roboty spawalnicze – jest to jedno z najpowszechniejszych zastosowań robotów

w przemyśle. Pod pojęciem robotów spawalniczych należy rozumieć szereg różnych robotów
stosowanych do spawania, zgrzewania, lutowania, stosowanych najczęściej w przemyśle
samochodowym i elektronicznym.

Rys. 35. Robot spawalniczy [23]

Ważnym obszarem wykorzystania robotów w przemyśle motoryzacyjnym jest proces

technologiczny zgrzewania karoserii samochodów zilustrowany na rys. 36.

Rys. 36. Zrobotyzowana linia zgrzewania karoserii samochodowych [1]

Roboty malarskie (rys. 37)

Innym zastosowaniem robotów w przemyśle jest natryskowe malowanie wyrobów.

Powtarzalność  i  szybkość  pracy  robotów  pozwala  uzyskać  prawie  doskonałe  pokrycie
malowanego  materiału.  Dodatkowym  powodem  stosowania  robotów  przy  malowaniu
natryskowym  jest  eliminacja  szkodliwości  stosowanych  substancji  dla  człowieka.  Roboty
są zabezpieczone przed skutkami działania nieprzyjaznego środowiska.

Rys. 37. Robot malarski [23]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Roboty montażowe

Z analizy rozwoju robotyki wynika, iż w przyszłości największym obszarem zastosowań

robotów będą prace montażowe. Prace te ze względu na dokładność i powtarzalność czynności
są idealne do robotyzacji i dlatego też większość obecnie produkowanych urządzeń
jest montowana automatycznie lub półautomatycznie.

Należy wspomnieć, iż procesowi montażu mogą podlegać różnego rodzaju operacje

technologiczne, od mało skomplikowanych (np. zakręcanie nakrętki na śrubie) do bardzo
skomplikowanych (operacje montażu układów elektronicznych).

Rys. 38. Robot paletyzujący [17]

Roboty paletyzujące.(rys. 38)

Częstym zadaniem robotów jest paletyzowanie wyrobów. Duży wysięg ramienia robota,

odpowiednio duża prędkość przemieszczania i udźwig są pożądanymi cechami dla procesu
paletyzowania.

Roboty stosowane do obróbki materiałów

Roboty są wykorzystywane do operacji obróbki materiałów, np. obróbka skrawaniem.

Ciekawym  przykładem  może  być  zastosowanie  robotów  do  cięcia  przy  pomocy  wody
pod wysokim  ciśnieniem.  Taki  sposób  wykorzystania  robotów  umożliwia  bardzo  precyzyjną
obróbkę  nawet  bardzo  skomplikowanych  operacji technologicznych.  Na rys.  39.  przedstawiony
jest robot do obróbki krawędzi produkowanych elementów.

Rys. 39. Robot do obróbki [23]

Roboty do utylizacji i zabezpieczania odpadów

Ważnym

zastosowaniem robotów jest utylizacja i zabezpieczanie odpadów przemysłowych

i militarnych. Przykładem takiego zastosowania może być np. rozbrajanie amunicji (rys. 40).
Roboty mogą być także wykorzystywane do zabezpieczania i utylizacji substancji
radioaktywnych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 40. Robot do rozbrajania amunicji.[23]

Roboty usługowe

Usługi są kolejnym obszarem gdzie mogą być z powodzeniem stosowane roboty. Obecnie

trwają pracę nad robotami mającymi zastąpić ludzi w wielu dziedzinach, jak na razie są to raczej
ciekawostki  niż  roboty  użytkowe.  Głównym  problemem  przy  budowie  takiego  robota  jest
stworzenie  oprogramowania,  które  zapewniałoby  poprawną  interakcję  z  otoczeniem.  Przez
usługi dla  ludzi rozumie  się działanie robotów na rzecz zapewniania  bezpieczeństwa  ludzi oraz
dostarczanie  rozrywki,  natomiast  usługi  użyteczne  dla sprzętu  rozumiane  są  tu  jako
serwisowanie, dokonywanie napraw oraz czyszczenie. Innym przeznaczeniem tego typu robotów
jest  pełnienie  dodatkowych  autonomicznych  funkcji  takich  jak  inspekcja,  transportowanie  oraz
pozyskiwanie  danych. Pierwszym  przykładem  zilustrowanym  na  rys.  41  a  jest  robot, który
pomaga  w  utrzymaniu  niezależności  ludzi  starszych,  którzy  mają  problemy  z  samodzielnym
poruszaniem się po pomieszczeniach.

a) b)

Rys. .41. Roboty usługowe.[23] a) pomagający ludziom w przemieszczaniu się, b) robot medyczny

Przedstawiony na rys. 41 b robot medyczny posiada manipulator o 6 stopniach swobody

oraz układ sterowania współpracujący ze stacją graficzną do wykonywania wizualizacji
i programowania. Może on między innymi przenosić mikroskop chirurgiczny, a jego ruchy mogą
być wcześniej zaprogramowane lub sterowane ręcznie za pomocą odpowiedniego urządzenia
lub głosu.

Innym przykładem robota usługowego jest robot wykonujący operacje tankowania paliwa.

rys.43 a. Kierowca wprowadza kartę, kod PIN oraz szczegóły dotyczące zamówienia. Robot
lokalizuje samochód, odchyla klapę oraz odkręca korek wlewu i wprowadza głowicę tankującą.
Robot na podstawie zamówienia tankuje zadaną ilość paliwa o odpowiedniej liczbie oktanów.

Kolejnym przykładem jest robot "Skywash" przedstawiony na rys.42 b, którego zadaniem

jest  czyszczenie  samolotów.  Robot  ten  łączy  w  sobie  wszystkie  cechy  zawansowanych
systemów  wykorzystywanych  w  robotyce:  przygotowanie  oraz  zaprogramowanie  ruchów  przy
pomocy  trójwymiarowych  modeli  samolotu,  lokalizacja  obiektów  poprzez  sensory,  kontrola
ruchów robota poprzez zainstalowane czujniki siły.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

a) b)

Rys. 42. Roboty usługowe [23] a) do tankowania samochodów, b) do mycia samolotów.

Struktura kinematyczna robotów i maszyn manipulacyjnych

Jednostkę kinematyczną manipulatora (robota) tworzy mechanizm kinematyczny wraz

z dołączonymi

napędami.

Mechanizmem

kinematycznym

jest

połączenie

dwóch

współpracujących ze sobą ruchomych elementów. Elementy te mogą wykonywać ruch względny
obrotowy (para kinematyczna obrotowa) lub ruch liniowy (para kinematyczna postępowa).
Elementy tworzące parę kinematyczną z dołączonym napędem pozwalają na realizację ruchów
względnych elementów pary kinematycznej, tworzą zespół ruchu.

W każdym zespole ruchu oprócz napędu (silnika, siłownika) występuje również układ

pomiarowy parametrów ruchu (położenia, prędkości i przyspieszenia, przemieszczenia).

Zadaniem napędów jest wprawianie w ruch poszczególnych zespołów układu

kinematycznego  i efektora  końcowego  zgodnie  z  potrzebami  wynikającymi  z  programu  pracy
maszyny  manipulacyjnej.  Dla  każdej  pary  kinematycznej  stosuje  się  odrębny  napęd.  Układy
napędowe  maszyn  manipulacyjnych  są  z  reguły  zasilane  energią  przetworzoną  w  odrębnym
układzie  zasilania  (energia  elektryczna,  hydrauliczna,  pneumatyczna).  Z  reguły  do  napędu
robotów stosowany jest napęd elektryczny. W przypadkach, gdy potrzebna jest bardzo duża moc
napędu  lub  w  środowiskach  zagrożonych  eksplozją  wykorzystywany  jest  napęd  hydrauliczny.
Napędy pneumatyczne stosowane są sporadycznie, tylko w bardzo prostych robotach.

Napędy maszyn manipulacyjnych posiadają specyficzne właściwości odrόżniające

je od napędόw innych maszyn technologicznych. Kilka z nich podano poniżej.
1. Maszyny manipulacyjne posiadają kilka stopni swobody, każdemu z tych stopni

przyporządkowany jest odrębny zespόł napędowy; w celu zrealizowania przez maszynę
konkretnego ruchu konieczne jest jednoczesne działanie kilku napędόw.

2. Zakres obciążeń poszczegόlnych napędόw zmienia się w szerokim przedziale. Najczęściej

obciążenia mają charakter dynamiczny, co ma decydujący wpływ na dobór rodzaju napędu.

3. Wymagana jest duża dokładność pozycjonowania elementu roboczego (efektora), szybkie

ruszanie oraz hamowanie. Odtwarzanie żądanej trajektorii lub żądanej pozycji powinno być
zrealizowane bardzo dokładnie. Biorąc pod uwagę to, że maszyna manipulacyjna zawiera
kilka par kinematycznych, od napędu wymagana jest wysoka dokładność.

4. Wymagana jest możliwość pracy maszyny manipulacyjnej przy znacznych obciążeniach

dynamicznych i w nieustalonych warunkach eksploatacji.

5. Napędy pracują długotrwale w stanie bezruchu elementu roboczego.

Ważnymi elementami składowymi zespołów ruchu są przekładnie ruchu, których zadaniem

jest dostosowywanie parametrów i rodzaju ruchu do potrzeb danego członu jednostki
kinematycznej (zmiana prędkości ruchu elementu wykonawczego lub zamiana ruchu
obrotowego na ruch liniowy, ewentualnie ruchu liniowego na obrotowy).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Napędy elektryczne robotόw przemysłowych

Stosowane są:

1. napędy prądu stałego z wysokomomentowymi komutatorowymi silnikami prądu stałego,

oraz bezszczotkowymi silnikami prądu stałego,

2. napędy prądu przemiennego z silnikami indukcyjnymi i synchronicznymi,
3. napędy z silnikami skokowymi (krokowymi), (rys.43).

Najczęściej stosowane są napędy prądu przemiennego, a zwłaszcza indukcyjne silniki prądu

przemiennego.  Wchodzą  one  w  skład  tzw.  układόw  napędowych  AC  –  CNC,  ktόre  oprόcz
silnika  zawierają  rόwnież  zespoły  zasilająco–sterujące  przystosowane  do  wspόłpracy
z mikroprocesowymi układami sterowania. Dzięki temu spełniają wymagania stawiane napędom
robotόw przemysłowych, takie jak:
1.  bezstopniowa zmiana prędkości obrotowej,
2.  unieruchomienie ramienia robota momentem silnika,
3.  pozycjonowanie  kątowe  dyskretne,  ciągły  obrόt  powiązany  z  innymi  sterowanymi

numerycznie ruchami.
Elektryczne silniki krokowe są urządzeniami umożliwiającymi bezpośrednie przetwarzanie

cyfrowych sygnałόw sterujących na przesunięcie liniowe lub kątowe. Mogą one pracować
w otwartym układzie sterowania zapewniając przy tym dużą dokładność pozycjonowania.
Eliminują przez to potrzebę stosowania pomiarowych przetwornikόw przemieszczeń.

Rys. 43. Silnik krokowy reluktancyjny [8, s. 43]

Napędy elektrohydrauliczne

Budowane są z reguły jako serwonapędy. W skład napędu hydraulicznego robota

przemysłowego wchodzą (rys. 44):
1. zespόł zasilania hydraulicznego,
2. zespόł urządzeń sterujących przepływem cieczy roboczej (układ serwozaworόw –

wzmacniaczy elektrohydraulicznych – zapewniający zadawanie stanόw elementόw
wykonawczych napędu zgodnie z założonym programem),

3. zespόł elementόw wykonawczych napędu (siłowniki, silniki hydrauliczne).

W napędach hydraulicznych zespołόw ruchu maszyn manipulacyjnych stosuje się układy

ze zmienną  wydajnością  (ze  zmiennym  wydatkiem)  oraz  ciśnieniem.  Układ  ten,  w  przypadku
gdy  napędy  robota  są  nieruchome  (tzn.  gdy  chłonność  układu  jest  zerowa),  pozwala
zminimalizować  straty  energetyczne  układu  spowodowane  przelewaniem  przez  zawory
przelewowe nadmiaru cieczy roboczej do zbiornika.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 44. Schemat hydraulicznego napędu robota [5, s.56]

Napędy pneumatyczne

Składają się z (rys. 45):

−

bloku przygotowania czynnika roboczego (sprężonego powietrza),

−

bloku sterowania przepływem sprężonego powietrza,

−

bloku elementόw wykonawczych.

Rys. 45. Struktura napędu pneumatycznego robota

Przekładnie ruchu

Stosowane są w przypadkach:

−

dopasowania rodzaju ruchu realizowanego przez element napędowy do rodzaju ruchu
realizowanego przez człon napędzany,

−

dopasowania zakresu i prędkości ruchu realizowanego przez element napędowy do zakresu
i prędkości ruchu realizowanego przez człon napędzany.
Ze względu na rodzaj ruchόw wejściowych oraz wyjściowych w zespołach napędowych

robotόw wykorzystywane są przekładnie umożliwiające zamianę następujących rodzajów ruchu:
a) przemieszczenie liniowe na obrόt (rys. 46),
b) obrόt na obrόt,
c) obrόt na przemieszczenie liniowe.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Przekładnie przemieszczenie liniowe – obrόt są stosowane w przypadku zastosowania

siłownikόw liniowych do napędu obrotowych zespołόw ruchu. Przekładnie te mogą stanowić
wspόlną konstrukcję z siłownikami liniowymi tworząc siłowniki o ruchu wahadłowym, bądź
stanowić odrębne elementy konstrukcji układu napędowego zespołu ruchu.

Rys. .46. Przekładnie ruch liniowy – obrót [10, s. 140]

Najczęściej elementami napędzającymi w robotach są silniki wysokoobrotowe. Obroty

zespołόw ruchu są o wiele mniejsze, dlatego zachodzi konieczność stosowania przekładni
redukcyjnych o bardzo dużych przełożeniach (od 1: 50 do 1:500).

Powszechnie stosowane są przekładnie:

1. zębate walcowe oraz walcowo – kątowe,
2. planetarne oraz przekładnie umożliwiające uzyskiwanie znacznych przełożeń (w jednym

stopniu 1:300) – falowe (rys. 47),

3. kształtowo–toczne.

Przekładnia falowa składa się z owalnej tarczy (generator fali) połączonej z wałkiem

napędzającym,  która  poprzez  łożyskowanie  kulkowe  dociska  elastyczną  cienkościenną  tuleję
z zewnętrznym  uzębieniem  do  sztywnego,  nieruchomego  pierścienia  z  uzębieniem
wewnętrznym.  Dzięki  owalnemu  kształtowi  tarczy  napędzającej  zazębienia  sztywnego
pierścienia i elastycznej tulei stykają się tylko w dwóch przeciwległych punktach. Liczba zębów
elastycznej  tulei  jest  np.  o  dwa  zęby  mniejsza  od  liczby  zębów  sztywnego  pierścienia.  Jeżeli
liczba  zewnętrznych  zębów  elastycznej  tulei  wynosi  np.  200,  a  wewnętrznego  uzębienia
pierścienia  202,  to  odtaczanie  się  tulei  po  obwodzie  pierścienia  przy  jednym  obrocie  owalnej
tarczy  napędzającej  powoduje  obrócenie się tulei  o 2  zęby,  a  więc o  1/100  obrotu.  Przełożenie
redukujące  wynosi  1:100.  Przekładnie  falowe  mają  prostą  i  zwartą  budowę,  są  lekkie,
charakteryzują  się  dużą  sprawnością  (więcej  niż  80%),  nie  mają  luzów, wymagają  stosunkowo
niewielkiej przestrzeni do zabudowy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

a) b)

Rys. 47. Przekładnia falowa. a) części składowe, b) zasada działania [13, s. 277]

Jako przekładnie obrόt – przemieszczenie liniowe stosowane są przekładnie śrubowe,

zwłaszcza przekładnie śrubowo – toczne (rys. 48).

Rys. 48. Budowa przekładni śrubowo – tocznej: a) z zewnętrznym obiegiem kulek, b) z wewnętrznym obiegiem

kulek [10, s. 142]

Przekładnie stosowane w zespołach ruchu jednostek kinematycznych maszyn

manipulacyjnych powinny spełniać następujące wymagania:

−

wysoka dokładność przenoszenia ruchu,

−

bezluzowość,

−

małe momenty bezwładności wirujących mas,

−

duża sztywność skrętna.

Układy pomiarowe położenia i przemieszczenia zespołόw ruchu maszyn manipulacyjnych

Informacje generowane przez te układy umożliwiają regulację położenia organu

wykonawczego serwonapędu.

W strukturze funkcjonalnej układu pomiarowego położenia i przemieszczenia występują:

−

czujnik pomiarowy przekształcający parametr ruchu (przemieszczenie, prędkość) na inną
wielkość fizyczną,

−

układ zasilająco–przekształcający (przetwornik) – układ umożliwiający uzyskanie
elektrycznego sygnału pomiarowego.
Ze względu na specyfikę pracy jednostek kinematycznych maszyn manipulacyjnych

układom pomiarowym w nich stosowanym stawia się następujące wymagania:

−

duży zakres pomiarowy (osiągający kilka metrόw w przypadku robotόw bramowych),

−

wysoka dokładność pomiaru wynosząca dla przemieszczenia liniowego od 10

– 4

do 10

– 5

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

(co oznacza dokładność pomiaru 0,1 do 0,01 [mm] na długości 1[m] ), a dla przemieszczenia
kątowego 10

– 3

(tzn.1/1000 obrotu),

−

przystosowanie do pracy w warunkach trudnych, w środowiskach o dużym zapyleniu,
wysokiej temperaturze, zagrożenia wybuchem i pożarem, wibracji, dynamiczne zmiany
prędkości i przyspieszenia,

−

sygnał wyjściowy elektryczny, dogodny do dalszego przetwarzania.
Zadaniem układόw pomiarowych stosowanych w zespołach ruchu jest pomiar

przemieszczenia liniowego i kątowego (rόwnież prędkości i przyspieszeń). Najczęściej
stosowane są:
1. potencjometry pomiarowe obrotowe – układy pomiarόw absolutnych w napędach ruchu

lokalnego, np. w napędach ruchu obrotowego chwytakόw, gdy zakres obrotu nie przekracza
360

; negatywną właściwością potencjometrόw jest ich niska trwałość spowodowana

wycieraniem się stykόw,

2. selsyny przelicznikowe (resolwery) – selsyny są jednym z bardziej rozpowszechnionych

układόw  pomiarowych  ze  względu  na  bardzo  wysoką  dokładność  pomiaru  (5  minut
kątowych,  tzn.  1/1000  obrotu),  dużą  trwałość  i  niezawodność  wynikającą  z  braku  części
zużywających  się  (bezstykowe  przekazywanie  napięcia  indukowanego  w  wirniku),  prosty
układ przetwarzania sygnałόw pomiarowych, niską cenę,

3. induktosyny liniowe i obrotowe – induktosyny są indukcyjnymi czujnikami

do bezpośredniego pomiaru przemieszczeń liniowych (induktosyn liniowy) (rys. 49)
lub kątowych (induktosyn obrotowy); dokładność induktosynόw liniowych wynosić może
± 2,5 [μm], a induktosynόw obrotowych ± 3

′

4. fotoelektryczne przetworniki impulsowe – mogą być wykorzystywane do pomiaru

przemieszczenia kątowego (przetwornik obrotowo–impulsowy) oraz przemieszczenia
linowego (liniał kreskowy – zakres pomiarowy do 3 m).
Zalety fotoelektrycznych przetwornikόw impulsowych:

−

wysoka niezawodność działania, odporność na zakłόcenia,

−

prosty montaż i ochrona przed zanieczyszczeniami,

−

wysoka rozdzielczość (do 1/5000 obrotu, zwykle 1/1000),

−

wysokie dopuszczalne parametry ruchu (prędkość, przyspieszenie),

−

niski koszt.
Resolwer przypomina silnik elektryczny. (rys. 50). Ma on twornik i uzwojenia pola.

Pojedyńcze  uzwojenie  twornika  jest  zasilane  napięciem  prądu  przemiennego.  Dwa  uzwojenia
pola  są  przesunięte  wzajemnie  o  90°.  Dwa  wyjścia  będą  generować  fale  sinusoidalne
i cosinusoidalne,  których  poziom  napięcia  zmienia  się  zależnie  od  pozycji  wirnika  resolwera.
Obwód  elektryczny  (konwerter  resolwera)  porównuje  te  dwie  fale  i  przekształca  napięcia  pola
w sygnał  analogowy,  proporcjonalny  do  kąta  wirnika.  Dokładność  resolwerów  wynosi  zwykle
od 2 do 20 minut kątowych.

Rys. 49. Induktosyn liniowy [10, s. 159]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 50. Schemat ideowy resolwera [3,s. 44]

Fotoelektryczne przetworniki impulsowe

Fotoelektryczne przetworniki kodowe budowane są jako przetworniki do pomiaru

przemieszczenia  kątowego  (rys.  51)  oraz  przemieszczenia  liniowego  (rys.  52).  Stosowane  są
tam,  gdzie  konieczne  jest  użycie  układu  pomiarowego  absolutnego  o  wysokiej  dokładności.
Najważniejszą  cechą  liniałów  i  tarcz  kodowych  jest  trwałe  zapamiętywanie  zmierzonego
położenia. Wyłączanie sterowania lub chwilowy zanik napięcia zasilającego nie powoduje utraty
informacji.  Zastosowanie  przetworników  kodowych  nie  wymaga  najazdu  na  punkt  bazowy
(referencyjny) po każdorazowym uruchomieniu robota.

Rys. 51. Zasada działania fotoelektrycznego przetwornika obrotowo – impulsowego [5, s. 86]

Rys. 52. Zasada działania fotoelektrycznego liniowego przetwornika impulsowego [8, s. 50]

Urządzenia chwytające i narzędzia układόw manipulacyjnych i robotόw

Maszyny manipulacyjne, niezależnie od ich przeznaczenia, wyposażone są w odpowiednie

końcόwki manipulacyjne zwane efektorami końcowymi. W przypadku maszyn manipulacyjnych
przeznaczonych do zadań transportowych efektorami są chwytaki. Transportowanie obiektu
składa się z trzech faz:

−

pobranie (uchwycenie) obiektu z miejsca składowania,

−

trzymanie obiektu podczas jego przemieszczania,

−

uwolnienie obiektu w miejscu przeznaczenia.
Każda z tych faz wiązać się może z realizacją wielu operacji rozpoznania obiektu

manipulacji, określenia jego pozycji i zorientowania oraz przemieszczenie członόw
mechanizmu chwytaka powodujące uchwycenie obiektu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Poprawne uchwycenia obiektu manipulacji zależne jest od:

−

sposobu unieruchomienia obiektu w chwytaku,

−

parametrόw obiektu manipulacji,

−

wzajemnego początkowego ustawienia chwytaka i obiektu,

−

warunkόw dynamicznych procesu manipulacji.
Sposόb unieruchomienia powinien zagwarantować niezmienność położenia obiektu

względem  chwytaka  w  czasie  trwania  procesu  manipulacji.  Parametry  obiektu  manipulacji
(np. kształt  i gabaryty,  masa,  rodzaj  materiału,  odporność  na  naprężenia  zewnętrzne,  gładkość
powierzchni)  mają  wpływ  na  konstrukcję  chwytaka  –  siłę  zacisku,  sposόb  przemieszczania
szczęk,  zastosowanie  odpowiednich  czujnikόw.  Przy  niedokładnym  wzajemnym  początkowym
ustawieniu chwytaka i obiektu mogą wystąpić podczas chwytania niepożądane obciążenia, ktόre
mogą  być  przejmowane  przez  obiekt,  jednostkę  kinematyczną  maszyny  manipulacyjnej  oraz
urządzenia  wspόłpracujące  i  stanowić  zagrożenie  dla  poprawnej  pracy  robota.  Warunki
dynamiczne procesu manipulacji (rodzaj wykonywanych ruchόw oraz przyspieszenia) powodują
znaczne  zmiany  wartości  oraz  kierunku  i  zwrotu  sił  wypadkowych  działających  na  obiekt.
Poprawne  uchwycenie  polega  na  unieruchomieniu  obiektu  w  najbardziej  niekorzystnych
warunkach dynamicznych.

Trzymanie obiektu w czasie procesu manipulacji może wiązać się z:

−

kontrolą obecności obiektu w chwytaku,

−

kontrolą poprawności osadzenia obiektu w chwytaku,

−

regulacją siły chwytu.
Uwolnienie obiektu w miejscu przeznaczenia może wiązać się z:

−

koniecznością rozpoznania miejsca, w ktόrym obiekt manipulacji ma być umieszczony,

−

koniecznością pomiaru i ewentualnie sterowania sił i momentόw powstających na skutek

zetknięcia się przemieszczanego obiektu z podłożem.

Wyrόżnić można dwa podstawowe sposoby oddziaływania chwytaka na obiekt manipulacji:

−

przez wytworzenie pola sił działających na obiekt – chwytanie siłowe,

−

przez wytworzenie połączeń pomiędzy elementami chwytaka i obiektem pozbawiającymi
obiekt chwytany wszystkich stopni swobody – chwytanie kształtowe.

W przypadku chwytania siłowego siły oddziałujące na obiekt manipulacji mogą być typu:

−

naprężającego (ściskające lub rozciągające),

−

przyciągającego (adhezyjnego).

Chwytaki realizujące chwytanie kształtowe oraz siłowe naprężające nazywane

są chwytakami mechanicznymi, natomiast chwytakami realizującymi chwytanie adhezyjne
są chwytaki podciśnieniowe oraz magnetyczne.W chwytakach mechanicznych stosowany może
być napęd pneumatyczny, hydrauliczny lub elektryczny. Wspόłcześnie duże znaczenie ma napęd
elektryczny.

Elementami wykonawczymi chwytakόw mogą być rόwnież elastyczne końcόwki chwytne.

Elastyczne  końcόwki  chwytne  wykonywane  są  ze  specjalnie  profilowanego  elastomeru
lub gumy  i  zmieniają  swόj  kształt  pod  wpływem  ciśnienia  sprężonego  powietrza  (lub  cieczy
roboczej)  podawanego  do  ich  wnętrza.  Chwytaki  z  elastycznymi  końcόwkami  chwytnymi
(rys. 53) są często stosowane z uwagi na ich zalety, takie jak:
1.  możliwość  chwytania  przedmiotόw  kruchych,  o  delikatnych  ściankach,  skomplikowanych

kształtach,

2. możliwość budowania chwytakόw z wieloma końcόwkami chwytnymi, dzięki czemu są one

bardziej uniwersalne,

3. możliwość nastawiania wartości siły chwytu dzięki nastawieniu odpowiedniej wartości

ciśnienia sprężonego powietrza lub cieczy roboczej,

4. niski koszt wykonania, prosty montaż, prosta wymiana zużytych elementόw.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 53. Zasada budowy i działania chwytakόw z elastycznymi końcόwkami [10, s. 85, 86]

Chwytaki podciśnieniowe (próżniowe)

Chwytaki podciśnieniowe (prόżniowe) (rys. 54, rys. 55) wykorzystują zasadę powstania siły

dzięki istnieniu podciśnienia w przestrzeni ograniczonej powierzchnią obiektu manipulacji
i czaszą elestycznej przyssawki. Podciśnienie w komorze przyssawki wytwarzane jest
przez strumienice gazowe (iniektory) lub przez tłokowe lub wirnikowe pompy prόżniowe.

Rys. 54. Zasada budowy chwytaka prόżniowego [10, s. 87]

Rys. 55. Trόjprzssawkowy chwytak podciśnieniowy z zaworami doszczelniającymi [10, s. 90]

W celu zwiększenia pewności chwycenia stosuje się kilka (co najmniej trzy) przyssawki

zamocowane w jednym korpusie posiadające wspόlny kolektor podciśnieniowy z zaworami
kulowymi gwarantującymi doszczelnienie kolektora podciśnieniowego. Ze względu na prostotę
konstrukcji, mały ciężar, niski koszt chwytaki podciśnieniowe są powszechnie stosowane.

W chwytakach magnetycznch (rys. 56, rys. 57) pole sił działających na obiekt manipulacji

wytwarzany jest w dwojaki sposόb: przez magesy trwałe lub przez elektromagnesy.

Ograniczenia stosowania chwytakόw magnetycznych są następujące:

–

możliwość chwytania wyłącznie obiektόw ferromagnetycznych,

–

gwałtowne przemieszczanie się obiektu manipulacji podczas zbliżania się chwytaka (zmiana

położenia początkowego obiektu),

–

występowanie magnetyzmu szczątkowego powodujące przyciąganie drobin metalowych

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

oraz trudności w uwalnianiu obiektu,

–

zmniejszanie się siły chwytu z powodu zabrudzenia powierzchni uchwytu,

–

wydzielanie się dużej ilości ciepła w uzwojeniach elektromagnesu.

Rys. 56. Zasada działania chwytaka z magnesem trwałym. [20]

Rys. 57. Chwytak elektromagnetyczny.[8, s. 30]

Chwytaki kształtowe

Uchwycenie obiektu manipulacji przez chwytak kształtowy następuje poprzez wytworzenie

połączeń  pomiędzy  elementami  chwytaka,  a  obiektem  i  pozbawienia  obiektu  możliwości
wykonania  ruchu  względem  elementόw  chwytających.  Najprostszym  i  typowym  przykładem
konstrukcji  chwytaka  kształtowego  (rys.  58)  jest  wyposażenie  chwytaka  mechanicznego
w końcόwki chwytne o kształcie odpowiadającym kształtowi powierzchni chwytanego obiektu.

Chwytaki kształtowe znajdują zastosowanie przy manipulowaniu:

−

obiektami kruchymi, wiotkimi, o powierzchni pokrytej powłokami wykluczającymi
wywieranie jakiegokolwiek nacisku,

−

obiektami o dużej masie, kiedy niezbędne jest wytworzenie bardzo dużych sił chwytu,

−

obiektami o bardzo złożonym kształcie.

Rys. 58. Przykład chwytaka kształtowego [8, s. 28]

Układy sensoryczne stosowane w układach manipulacyjnych i robotach

Maszyna manipulacyjna pracuje w pewnym środowisku (otoczeniu innych urządzeń

oraz zdarzeń). Wyrόżnić można dwie struktury powiązań maszyny manipulacyjnej
ze środowiskiem:

−

otwartą – środowiskowo–niezależną,

−

zamkniętą – środowiskowo–zależną.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W przypadku powiązań otwartych, środowisko jest odpowiednio przygotowane, zapewnione

są niezmienialne  jednakowe  dla  każdego  cyklu  warunki  pracy.  W  przypadku  powiązań
zamkniętych  maszyna  manipulacyjna  poprzez  urządzenia  i  układy  sensoryczne  rozpoznaje
środowisko  i wypracowuje  sygnały  umożliwiające  podejmowanie  decyzji  o  realizacji  zadań
adekwatnie do stanu środowiska. Urządzenia sensoryczne rozmieszczone mogą być na jednostce
kinematycznej  robota,  chwytaku  lub  w  określonych  miejscach  stanowiska  produkcyjnego
oraz maszynach  i urządzeniach  technologicznych.  Układ  sensoryczny  ma  wygenerowć
informacje,  na podstawie ktόrych układ  sterowania wypracowuje decyzje  sterownicze  nie tylko
dla samej  jednostki kinematycznej  i efektora, ale rόwnież dla wszystkich elementόw i urządzeń
tworzących  stanowisko  produkcyjne.  Znaczące  zastosowanie  mają  następujące  urządzenia
i układy sensoryczne:

−

taktylne – zastępujące zmysł dotyku,

−

wizyjne – zastępujące zmysł wzroku.
Typowe zadania układόw i urządzeń taktylnych dotyczą:

−

pomiarόw i sterowania parametrami chwytania lub obrόbki,

−

rozpoznawania położenia i zorientowania obiektu manipulacji, rozpoznania umiejscowienia
obiektu manipulacji,

−

zabezpieczenia efektorόw przed kolizją.
Dla realizacji zadań układόw i urządzeń taktylnych najczęściej stosuje się:

−

czujniki stykowe,

−

czujniki zbliżeniowe,

−

przetworniki siły i naprężeń,

−

przetworniki typu „sztuczna skόra”.
W czujniki stykowe (sensory mikroprzełącznikowe) wyposażane są chwytaki robotόw

dzięki czemu możliwe jest zabezpieczenie chwytakόw przed kolizją, wykrywanie obecności
obiektόw w chwytaku lub w miejscu składowania, wyszukiwanie wolnych miejsc na stanowisku
składowania (rys. 59).

Rys. 59. Sensor mikroprzełącznikowy [8, s. 56]

Czujniki zbliżeniowe służą do wykrywania przeszkόd znajdujących się na torze ruchu

członόw jednostki kinematycznej oraz chwytaka lub na określaniu odległości od tych przeszkόd.

Najczęściej stosowane są czujniki:

−

indukcyjne (rys. 60),

−

ultradźwiękowe (rys. 61),

−

optyczne(rys. 62–64).

Rys. 60. Przykład zastosowania czujnikόw indukcyjnych do śledzenia styku spawanych blach [8, s. 63]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ze względu na niewielkie gabaryty czujniki zbliżeniowe montowane są najczęściej

w chwytaku. Czujniki indukcyjne zbliżeniowe służą do detekcji obiektόw metalowych.

Czujniki ultradźwiękowe, w zależności od zakresu pomiarowgo, umożliwiają wykrycie

obecności przedmiotu (czujniki zbliżeniowe) lub dokonanie pomiaru odległości (dalmierze).

Rys. 61. Zasada pomiaru odległości dalmierzem ultradźwiękowym [8, s. 53]

Do podstawowych zalet stosowania dalmierzy ultradźwiękowych należą:

−

niezależność wyniku pomiaru od oświetlenia,

−

niska cena,

−

duży zakres pomiarowy (do klikunastu metrόw),

−

zdolność detekcji obiektόw silnie pochłaniających lub odbijających światło.
Spośrόd czujnikόw optycznych najczęściej stosowane są czujniki laserowe (do pomiaru

odległości),  fotometryczne  oraz  światłowodowe.  W  czujnikach  fotometrycznych  źrόdło
promieniowania i detektor sprzężone są optycznie. Promienie ze źrόdła promieniowania, ktόrym
jest  najczęściej  dioda  elektroluminescencyjna,  po  odbiciu  od  powierzchni  obiektu  trafiają  do
fotodetektora.  W  układzie  istnieje  wspόlny  obszar  źrόdła  promieniowania  i  detektora  zwany
obszarem czułości. Obiekt znajdujący się w tym obszarze jest rozpoznawany przez czujnik.

Rys. 62. Zasada działania czujnika światłowodowego [8, s. 56]

Rys. 63. Zasada działania sensora laserowego [8, s. 55]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 64. Zasada działania sensora fotometrycznego [8, s. 56]

Przetworniki siły i naprężeń

Do generowania informacji o wartości siły oddziaływania chwytaka na obiekt

oraz o wartości naprężeń powstających w określonych miejscach jednostki kinematycznej
i chwytaka stosuje się przede wszystkim czujniki tensometryczno-rezystancyjne (rys. 65)
i magnetoelektryczne.

Rys. 65. Schematy budowy ternsometrycznych czujnikόw sił

i momentów [8, s. 52]

Rys. 66. Zasada działania czujnika poślizgu [8, s. 58]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Duże znaczenie dla pewności chwycenia obiektu manipulacji przez chwytak

ma odpowiednia wartość siły chwytu. Czujnikami pomocnymi w ustaleniu właściwej wartości
siły chwytu są czujniki poślizgu (rys. 66). Właściwie chwycony obiekt nie może przemieszczać
się względem chwytaka, a do kontroli, czy to przemieszczenie występuje, służą czujniki
poślizgu.

Przetwornik dotykowy typu „ sztuczna skóra”

Najczęściej stosowane są „sztuczne skόry” wykonane z wykorzystaniem przewodzących

prąd elastomerόw (rys. 67). Efekt elastomeryczno – rezystancyjny polega na zmianie rezystancji
przejścia między dwiema elektrodami przyłożonymi do elastomeru w zależności od zewnętrznej
siły nacisku na elektrody. Zwiększenie siły nacisku powoduje zmniejszenie rezystancji przejścia
i zwiększenie prądu płynącego przez elektrody. Poszczegόlne elektrody są prόbkowane z dużą
częstotliwością przez multiplekser elektroniczny wprowadzający zakodowane binarne wartości
ich napięcia do pamięci komputera.

Rys. 67. Zasada działania sensora typu „sztuczna skóra” [5, s. 150]

Rys. 68. Przykład rozmieszczenia sensorów na chwytaku.[8, s. 58]

Przykład rozmieszczenia sensorów na chwytaku przedstawiono na rys.68.

Układy wizyjne

Dzięki układom wizyjnym stosowanym w budowie robotόw przemysłowych można:

−

wykryć obecność obiektu o określonym kształcie,

−

określić orientację obiektu w otoczeniu,

−

klasyfikować obiekty (np. określić, że jest to wałek, podkładka, itp).

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Zadaniem układu przedstawionego na rys. 69 jest montaż elementόw zgodnie z pokazanym

rysunkiem obiektu (studio obrazu).

Rys. 69. Sposób działania układu wizyjnego maszyny manipulacyjnej: a) schemat działania,

b) proces uczenia [8, s. 59]

Robot jest wyposażony w dwie kamery, z których jedna rejestruje obiekt, a druga obserwuje

wyłożone  do  montażu  obiekty.  Sygnały  z  kamer  są  przesyłane  do  układu  rozpoznawania  SR,
a stamtąd  przez  program  przetwarzający  PE  do  bloku  GMP,  gdzie  jest  generowany  program
dla manipulatora.  Obraz  widziany  przez kamerę  jest przesyłany  do  komputera,  gdzie  określane
są kontury  i  następuje  umieszczenie  obrazu  obiektu  w  układzie  wspόłrzędnych  biegunowych
(tak,  aby  środek  ciężkości  pokrył  się  ze  środkiem  układu  wspόłrzędnych).  Następnie  ustalane
są wspόłrzędne charakterystycznych punktόw obiektu i przekazanie modelu obiektu do pamięci.
Tu następuje porόwnanie przekazanego modelu z modelami przechowywanymi w pamięci.

Programowanie robotów (rys. 70)
Stosowanymi metodami programowania obrotów są:

1. programowanie przez obwiedzenie toru ruchu (metoda Play – back),
2. programowanie przez uczenie, programowanie współrzędnych punktów toru ruchu

(metoda teach – in),

3. interaktywne programowanie graficzne.

Programowanie play – back

W przypadku zadań manipulacyjnych określanych głównie przez doświadczenie

wykonującego, np. w przypadku malowania natryskowego, racjonalnym wyborem metody
programowania jest ręczne bezpośrednie przemieszczenie narzędzia zamocowanego na robocie
po przewidzianym torze ruchu (obwiedzenie toru ruchu).

Układ sterowania zapamiętuje przy tym, co ok. 20 ms współrzędne kolejnych pumktów toru

dla wszystkich osi robota. Po przejściu w tryb normalnej pracy robot odtworzy zaprogramowany
tor  ruchu.  Zapamiętane  w  trakcie  programowania  wartości  współrzędnych  wykorzystane  są
przy tym jako wartości zadane układów tregulacji położenia poszczególnych osi ruchu. Nazywa
się  to  programowaniem  play  –  back.  Metoda  programowania  jest  mniej  dokładna  niż
programowanie metodą Teach – in, ponieważ kinematyka robota podczas ręcznego prowadzenia
narzędzia  jest  inaczej  obciążona,  niż  przy  automatycznym  odtwarzaniu.  Podczas  ręcznego
prowadzenia  ramię  jest  np.  ciągnione,  a  podczas  automatycznego  odtwarzania  –  przez  własny
napęd wysuwane.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 70. Metody programowania [13, s. 279]

Następną wadą programowania typu Play – back jest, że (operator musi razem z robotem,

poruszać się w jego przestrzeni roboczej. Ta czynność ze względu na ciasnotę miejsc dostępu ,
np. przy lakierowaniu wnęk karoserii samochodu jest i niezwykle trudna i niebezpieczna
dla operatora.

Programowanie Teach – in

Podczas programowania Teach – in osie ruchu robota przemieszczane są przez operatora

za pomocą przycisków pulpitu lub drążka sterującego joy – stick do żądanego punktu toru ruchu
i lub miejsca obróbki. Możliwe jest przy tym także zaprogramowanie położenia narzędzia (jego
orientacji).  Po  osiągnięciu  żądanego  położenia  i  orientacji  narzędzia,  ich  współrzędne
są zapisywane  pod  kolejnym  numerem  adresu  danej  procedury  programu  ruchu;  co  pozwala
na zaprogramowanie  następnego  położenia  i  orientacji  narzędzia.  Podczas  pracy  automatycznej
wszystkie  zapamiętane  położenia  kinematyki  robota  będą  odtworzone  kolejno  zgodnie  z  ich
wzrastającym  numerem.  Nauczanie  położenia  i  orientacji  odbywa  się  przez  ręczne  sterowanie
punkt  po  punkcie.  Pozostałe  rozkazy  zostają  zaprogramowane  z  pulpitu  sterowania  robota
lub przy pomocy komputera.

Interaktywne programowanie graficzne

W tym przypadku na stanowisku programowania zostają wytworzone – oprócz instrukcji

przebiegu  programu  i  wszystkich  instrukcji  ruchu  –  również  dane  określające  współrzędne
położenia  i  orientacji  narzędzia.  Programowanie  odbywa  się  na  wygodnym  dla  operatora
stanowisku typu CAD, z kolorową symulacją stanowiska roboczego z poruszającym się robotem
(rys.  72).  Całe  zadanie  robota  jest  wirtualnie  realizowane  na  ekranie  monitora  –  następnie
automatycznie  tworzony  jest  program  sterowania  robotem.  Do  sterowania  ruchem  robota
wirtualnego używa się takich samych instrukcji – rozkazów jak dla rzeczywistego robota

Rys. 71. Symulacja stanowiska zrobotyzowanego w programie komputerowym.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Bezpieczeństwo pracy systemόw robotycznych

Wprawdzie roboty powinny wykonywać swoje zadania na stanowiskach zrobotyzowanych

bez udziału człowieka, to jednak ingerencja człowieka jest potrzebna (lub nawet konieczna):

−

w czasie programowania (uczenia) robota,

−

podczas napraw i konserwacji,

−

podczas automatycznej pracy robota, gdy w jego zasięgu znajdzie się człowiek.
W dwόch pierwszych przypadkach obecność człowieka jest niezbędna i dlatego osoby

wykonujące  te  czynności  powinny  przestrzegać  określonych  zasad,  np.  zmniejszyć  prędkość
ruchu  poszczegόlnych  osi,  zapewnić  możliwość  natychmiastowego  wyłączenia  robota
lub odcięcia  zasilania  itp.  W  trzecim  przypadku  najlepszym  środkiem  jest  uniemożliwienie
pojawienia  się  człowieka  w  strefie  pracy  robota.  Należy  mieć  świadomość,  że  zagrożenie
ze strony  robota  wynika  nie  tylko  z  fizycznego  kontaktu  z  częściami  ruchomymi  robota,
ale rόwnież  trzeba  mieć  na  względzie  przedmioty,  ktόre  mogą  wypaść z chwytaka.  Dążenie  do
zagwarantowania  bezpiecznej  pracy  stanowisk  zrobotyzowanych  realizowane  powinno  być  na
drodze  sprzętowej  oraz  programowej.  W  programach  sterowania  powinny  być  zawarte
algorytmy zabezpieczające przed kolizją oraz gwarantujące pewny chwyt chwytaka. Dodatkowo
stanowisko  powinno  być  zabezpieczone  barierami  mechanicznymi  oraz  systemami
sensorycznymi.

Systemy ochronne na stanowiskach zrobotyzowanych, w zależności od zasięgu,

ich oddziaływania, można podzielić na trzy poziomy:

−

poziom 1 – ochrona operatorόw i osόb postronnych wkraczających w obszar stanowiska
podczas automatycznej pracy robota,

−

poziom 2 – wykrywanie obecności człowieka w obszarze stanowiska zrobotyzowanego 2a –
poza zasięgiem ruchόw robota, 2b – wewnątrz strefy ruchόw robota; ochrona operatorόw
i osόb wspόłpracujących z robotem podczas pracy automatycznej w przypadku awarii lub
odłączenia poziomu 1 lub niecelowości jego stosowania,

−

poziom  3  –  wykrywanie  obecności  człowieka  podczas  bezpośredniego  kontaktu  z  robotem
lub  w  niewielkiej  odległości  od  ramienia  robota  –  ochrona  operatorόw  lub  konserwatorόw
podczas programowania, testowania i konserwacji robotόw.
Systemy  ochronne  poziomu  pierwszego  są  powszechnie  stosowane,  natomiast  systemy

poziomu 2 i 3 są w fazie opracowywania i wdrażania.

Zabezpieczenia sprzętowe poziomu 1 polegają na:

1)  ograniczeniu prędkości ruchu robotόw podczas ich uczenia max do 0,3 [m/sek],
2)  oznaczeniu zasięgu strefy pracy robotόw na podłożu żόłtymi liniami,
3)  stosowanie  ogrodzeń  stanowisk  (można  zabezpieczyć  człowieka  przed  wkroczeniem

w strefę pracy robota oraz ochronić przed urazem ze strony przedmiotόw upuszczonych
przez chwytak w czasie procesu manipulacji),

4) stosowanie systemόw sensorycznych, najlepiej razem z osłoną stałą,
5) podzielenie nadzorowanej powierzchni na strefy i ostrzeganie o ich przekroczeniu.

Układy sensoryczne umożliwiające wykrywanie obecności człowieka w strefie pracy robota.

1. Maty podłogowe – są budowane z dwóch płyt umieszczonych jedna na drugiej, które

pod wpływem obciążenia stykają się i zamykają obwód elektryczny.

2. Kurtyny świetlne – działają na zasadzie odbioru światła wysyłanego przez nadajnik,

np. przez diody. Strefa czułości ma kształt prostopadłościanu. Instalowane są również
dźwiękowe i świetlne sygnały ostrzegające osoby zbliżające się do układu zrobotyzowanego
lub obecne w strefie zagrożenia.

3. Skanery laserowe – należą do najnowszej generacji bezdotykowych urządzeń ochronnych.

Promień lasera „omiata” kontrolowaną strefę. Mierzony jest poziom promienia odbitego.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Skanery laserowe umożliwiają nie tylko wykrycie naruszenia strefy, ale i określenie miejsca
jej naruszenia.

4. Czujniki ultradźwiękowe – nadajniki i odbiorniki ultradźwiękόw umieszczone są na

ramieniu robota. Miarą odległości od przeszkody jest czas, jaki upłynie pomiędzy impulsem
wysłanym, a odbitym od przeszkody.

5. Analizatory obrazόw telewizyjnych – obraz wytwarzany przez kamerę telewizyjną

umieszczoną nad stanowiskiem jest poddawany analizie – rozpoznawane są kontury robota,
ludzi i innych elementόw stanowiska. W przypadku pojawienia się człowieka na stanowisku
system ustala jego położenie względem robota i przewiduje, czy może wystąpić kolizja.

Przykład zastosowania kurtyny świetlnej do ochron stanowisk zrobotyzowanych podano

na rys. 72.

Rys. 72. Przykłady zastosowania kurtyny świetlnej do ochrony stanowiska zrobotyzowanego [27]

4.3.2.

Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Na czym polegają czynności manipulacyjne wykonywane na obiektach podczas realizacji

procesόw produkcyjnych?

2.  Jakie są cechy odrόżniające roboty przemysłowe od innych maszyn manipulacyjnych?
3.  Jakie są zadania poszczegόlnych układόw funkcjonalnych robota?
4.  Jakie są rodzaje energii zasilania robota?
5.  Jakie są podobnieństwa w budowie człowieka i wspόłczesnych robotόw?
6.  Jakie parametry umożliwiają scharakteryzowanie układόw kinematycznych robotόw?
7.  Czym  napędy  maszyn  manipulacyjnych  i  robotόw  odrόżniają  się  od  napędόw  innych

maszyn technologicznych?

8.  Jaki jest cel stosowania przekładni ruchu w zespołach ruchu robotόw?
9.  Jakie są warunki poprawnego chwycenia obiektu przez chwytak robota?
10.  Jaki jest cel stosowania układόw sensorycznych w robotach?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Sformułuj argumenty uzasadniające tezę: „Stosowanie układόw manipulacyjnych i robotόw

w realizacji procesόw produkcyjnych daje wiele korzyści”.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z informacjami zawartymi w rozdziale 4.3. Poradnika dla ucznia,
2)  zapoznać się z fragmentami literatury wskazanymi przez nauczyciela,
3)  zapisać argumenty w sprawozdaniu z wykonania ćwiczenia,
4)  zaprezentować kolegom wyniki pracy.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura podana w rozdziale 6 Poradnika dla ucznia,

−

arkusz papieru formatu A4,

−

przybory do pisania,

−

materiały do pracy metodą przewodniego tekstu.

Ćwiczenie 2

W oparciu o kartę katalogową robota (model robota lub robot rzeczywisty) scharakteryzuj

jego strukturę funkcjonalną:
–

zidentyfikuj i opisz układy funkcjonalne robota,

–

określ rodzaj energii zasilania,

– rozpoznaj ile ramion posiada jednostka kinematyczna robota.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z informacjami zawartymi w rozdziale 4.3. Poradnika dla ucznia,
2)  zapoznać się z fragmentami literatury wskazanymi przez nauczyciela,
3)  przeanalizować  kartę  katalogową  robota  (zapoznać  się  z  konstrukcją  modelu  robota

lub robota rzeczywistego),

4) przedstawić wyniki pracy w formie prezentacji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura podana w rozdziale 6 Poradnika dla ucznia,

−

karta katalogowa robota (model robota lub robot rzeczywisty),

−

arkusz papieru formatu A4,

−

materiały do pracy metodą przewodniego tekstu.

Ćwiczenie 3

W oparciu o dokumentację techniczno–ruchową robota zakwalifikuj go do odpowiedniej

grupy, zgodnie z klasyfikacją zamieszczoną na rys. 28, s. 31 Poradnika dla ucznia.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z informacjami zawartymi w rozdziale 4.3. Poradnika dla ucznia,
2)  zapoznać się z fragmentami literatury wskazanymi przez nauczyciela,
3)  przeanalizować dokumentację techniczno–ruchową,
4)  zapisać  w  sprawozdaniu  z  ćwiczenia  właściwości  robota  wiążące  się  z poszczegόlnymi

kryteriami klasyfikacji robotów.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura podana w rozdziale 6 Poradnika dla ucznia,

−

dokumentacja techniczno – ruchowa robota,

−

materiały do pracy metodą przewodniego tekstu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wskazać cele stosowania robotόw przemysłowych?



2) wyjaśnić strukturę funkcjonalną maszyn manipulacyjnych i robotόw?



3) rozrόżnić struktury jednostek kinematycznych robotόw?



4) wyjaśnić strukturę i przeznaczenie układόw ruchu robotόw?



5) opisać budowę i zadania urządzeń chwytających?



6) scharakteryzować metody programowania robotόw?



7) scharakteryzować strukturę układόw sensorycznych robotόw?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Obrabiarki sterowane numerycznie

4.4.1. Materiał nauczania

Sterowaniem numerycznym obrabiarek jest system sterowania, w którym wszystkie

informacje  dotyczące  kształtu  obrabianego  przedmiotu,  warunków  obróbki  jak  też  czynności
pomocniczych podane są w postaci zakodowanych symboli cyfrowych  i  literowych. Informacje
te  mogą  być  przygotowane  w  postaci  zapisu  na  nośniku  informacji  lub  wprowadzane
bezpośrednio  przez  operatora  do  pamięci  układu  sterowania  obrabiarki  za  pomocą  komputera.
Dzięki  temu  istnieje  możliwość  łatwego  i  szybkiego  przystosowywania  obrabiarki
do wykonywania różnych zadań obróbkowych.

W układzie sterowania obrabiarki (rys. 73) wyróżnia się:

−

elektroniczny układ sterowania,

−

układ (układy) sterująco–napędowe.
Zadaniem elektronicznego układu sterowania jest przetworzenie informacji wprowadzonych

za pomocą nośnika informacji lub przez operatora na sygnały sterujące przesyłane
do odpowiednich układów sterująco–napędowych.

Rys. 73. Schemat blokowy układu sterowania obrabiarki [11, s. 187]

Zadaniem układów sterująco–napędowych jest nadawanie tym zespołom położeń zgodnych

z sygnałami sterującymi wynikającymi z programu działania obrabiarki.Przepływ sygnałów i ich
przetwarzanie w obrabiarkach sterowanych numerycznie (CNC) przedstawiono na rys. 74.

Rys. 74. Schemat przepływu sygnałów i przetwarzania informacji w obrabiarce CNC [11, s. 188]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

W nowoczesnych obrabiarkach sterowanych numerycznie dokonuje się kontroli wielu

parametrów  związanych  z  narzędziem,  przebiegiem  procesu  obróbki  oraz  stanu  obrabiarki
i zebrane  w  ten  sposób  informacje  wykorzystywane  są  do  zagwarantowania  optymalnego
przebiegu  procesu  (rys.  75).  Automatyzacja  zespołów  konstrukcyjnych  obrabiarek  i  całych
maszyn  wymaga  skutecznej  kontroli  i  nadzorowania  prawidłowości  działania  poszczególnych
elementów  i  podzespołów  obrabiarki  poprawy  dokładności  obróbki,  uniknięcia  awarii.
Współczesne układy sterowania CNC są bardzo niezawodne, szybkie i precyzyjne.

Zespoły napędowe obrabiarek CNC wykonywane są jako serwonapędy (rys. 76). Składają

się z następujących części:

−

serwomotoru (silnika prądu stałego lub przemiennego, silnika krokowego lub silnika
hydraulicznego),

−

przekładni (bezluzowa przekładnia zębata, przekładnia cięgnowa z pasem uzębionym,
przekładnia śrubowo – toczna),

−

układu pomiarowego położenia oraz prędkości obrotowej.

Rys. 75. Typowe wielkości wymagające śledzenia w obrabiarkach sterowanych numerycznie [26, s. 576]

Rys. 76

Struktura serwonapędu obrabiarki CNC [11, s. 189]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wraz z rozwojem układów sterowania numerycznego istnieje konieczność dostarczania

coraz  większej  liczby  informacji  o  prawidłowości  działania  obrabiarki  i  poprawności
realizowanego  procesu.  Uzyskuje  się  to  dzięki  diagnostyce  i  nadzorowaniu  pojedynczych
obrabiarek  i  całych  systemów  obróbkowych.  Diagnostyka  obrabiarek  CNC  obejmuje  układy
sterowania  mechanizmami  maszyn,  urządzenia  pomocnicze,  oprogramowania  i  wreszcie
narzędzia i proces obróbki. Kontroli podlegają następujące grupy parametrów:

−

określające gotowość obrabiarki do pracy, takie jak: wyłącznik sygnalizujący zamknięcie
osłony zabezpieczającej, sensor sygnalizujący obecność przedmiotu obrabianego lub sensor
sygnalizujący zadziałanie urządzeń mocujących,

−

nadzorujące stan maszyny: dokładność pozycjonowania, temperaturę czy odkształcenia
geometrii, geometrię i położenie przedmiotu obrabianego, drgania,

−

nadzorujące prawidłowość procesu: siły skrawania, siły posuwowe, moment na wrzecionie,

−

nadzorujące stan narzędzi (zużycie i wykruszenie),

−

łożyska wrzecion, łożyska wałków, przekładnie zębate i pasowe, napędy posuwów i obrotów
oraz wielkości kinematyczne, geometryczne i inne mechanizmy.
Przyczyną wielu nieprawidłowości w procesie obróbki mogą być błędy w programach

technologicznych.  Błędy  programowania  powinny  być  wykryte  i  usunięte  przed  rozpoczęciem
obróbki.  Dobre  efekty  diagnostyczne  zapewnia  symulacja  ruchów  zespołów  oparta
o zamodelowanie  uchwytów,  przedmiotu,  narzędzi  i  wzajemnych  ruchów,  wynikających
z programu  technologicznego.  Można  więc  w  ten  sposób  nie  tylko  diagnozować  błędy
programów, ale również kolizje.

Kolizjom związanym z nieprawidłowościami narzędzi i przedmiotów można zapobiegać

przez  automatyczną  symulację  w  układzie  sterowania  CNC  torów  narzędzi  w  przestrzeni
roboczej  obrabiarki,  z  uwzględnieniem  ich  aktualnych  wymiarów  i  wymiarów  przedmiotów.
Układ  do  diagnozowania  kolizji  korzysta  oprócz  programu  CAD  i  danych  technologicznych,
z odpowiednich  sygnałów  pomiarowych:  pomiarów  przedmiotu  dokonywanych  każdorazowo
po jego  zamocowaniu  i  pomiarów  narzędzia  wprowadzonego  do  obróbki.  Możliwość
wystąpienia  kolizji  jest  sygnalizowana  na  ekranie  monitora,  układ zaś nadzorowania  zapobiega
jej wystąpieniu (rys.77).

Rys. 77. Obraz symulacji procesu toczenia [21]

Diagnozowanie gotowości systemu do rozpoczęcia pracy stanowi podstawę uruchomienia

cyklu pracy i obejmuje sprawdzenia:

−

czy poszczególne zespoły zajmują prawidłowe położenia;

−

czy spełnione są warunki zadziałania poszczególnych składników;

−

czy prawidłowo zadziałały podstawowe mechanizmy, np. mocowania przedmiotu
i narzędzia, blokowania i odblokowania poszczególnych mechanizmów i inne;

−

czy jest narzędzie i przedmiot.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Układy CNC podejmują zaprogramowane działania, gdy spełnione są określone warunki.

Niespełnienie  któregoś  z  nich  jest  sygnalizowane  przez  układ  sterowania  co  najmniej
na monitorze,  co  stanowi  podstawę  postępowania  operatora  zmierzającego  do  usunięcia
niesprawności.  Przy  bardzo  dobrze  zorganizowanej  diagnostyce  na  monitorze  pojawi  się
dokładny  opis  niesprawności,  jej  lokalizacja  i  objaśnienie  sposobu  usuwania.  Wyświetlona
informacja może też mieć postać syntetyczną, wymagającą interpretacji operatora.

Schemat przepływu i przetwarzania informacji w układzie sterowania obrabiarki CNC

przedstawiono na rys. 78, gdzie: ZP

– zespół porównujący osi x, ZP

– zespół porównujący

osi y, WSG – wzmacniacz sygnału napędu głównego, WSP – wzmacniacz sygnału napędu
pomocniczego, s – silniki napędów, c – czujniki.

Rys. 78. Schemat przepływu i przetwarzania informacji w układzie sterowania obrabiarki CNC [11, s. 179]

Sterowanie pracą obrabiarki obejmuje następujące czynności:

−

przemieszczenie suportu wzdłużnego i poprzecznego,

−

ustawienie prędkości posuwów roboczych i ruchów ustawczych,

−

ustawienie prędkości obrotowej wrzeciona,

−

wybór narzędzi (wybór położenia głowicy rewolwerowej),

−

zatrzymanie obrabiarki po zakończeniu procesu obróbki.

Rys. 79. Widok frezarki CNC [19]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 80. Widok tokarki CNC [19]

Na rys. 79 i 80 przedstawiono widoki frezarki i tokarki CNC.

Struktura programu sterowania

Program sterowania składa się z pewnej liczby bloków danych oraz informacji

pomocniczych,  takich  jak  nazwa  programu,  komentarz.  Bloki  danych  są  zbiorem  rozkazów
skierowanych  do  komputera,  nakazujących  wykonanie  przez  obrabiarkę  sekwencji  ściśle
określonych  przesunięć  względnych  narzędzia  i  obrabianego  przedmiotu,  a  także  wielu  innych
ruchów  oraz  czynności  pomocniczych  maszyny  wymaganych  przez  technologa  lub  operatora
obrabiarki.

Wszystkie znaki tekstu programu powinny być zapisane w kodzie ISO (PN – 7/M 55250).
W systemie PRONUM 630 T występują następujące funkcje standardowe:

−

funkcja przygotowawcza G,

−

funkcja prędkości posuwu F,

−

funkcja prędkości obrotowej S,

−

funkcja narzędzia T,

−

funkcja pomocnicza M,

−

funkcja adresu pamięci D.
Funkcje przygotowawcze określają wszystkie istotne cechy programowanego ruchu zespołu

roboczego obrabiarki. Za ich pośrednictwem można wybrać:

−

pożądany kształt toru,

−

sposób wykonania ruchu po torze,

−

metodę wymiarowania przesunięć,

−

rodzaj korekcji toru.
Cykle stałe obróbki określają sekwencje ruchów szybkich i roboczych oraz

skoordynowanych z nimi czynności maszyny niezbędnych do przeprowadzenia złożonych
operacji technologicznych, takich jak:

−

toczenie zgrubne i wykańczające,

−

gwintowanie,

−

wiercenia.
W ramach programowania funkcji pomocniczych stosowane są następujące funkcje:

−

funkcja prędkości obrotowej,

−

funkcja identyfikacji i wyboru narzędzia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.2. Pytania sprawdzające

Opowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Na czym polega sterowanie numeryczne obrabiarek?
2.  Jaka jest struktura układu sterowania numerycznego obrabiarek?
3.  Czym charakteryzują się zespoły napędowe obrabiarek sterowanych numerycznie?
4.  Jaki  jest cel kontroli określonych grup parametrów obrabiarki sterowanej numerycznie oraz

realizowanego procesu?

5. Dlaczego przed uruchomieniem programu sterowniczego obrabiarki CNC należy

przeprowadzić jego symulację?

6. Jaka jest struktura programu sterowniczego obrabiarki CNC?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Sformułuj argumenty uzasadniające tezę: „Stosowanie obrabiarek sterowanych numerycznie

w realizacji procesów produkcyjnych daje wiele korzyści”.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z informacjami zawartymi w rozdziale 4.4. Poradnika dla ucznia,
2)  zapoznać się z fragmentami literatury wskazanymi przez nauczyciela,
3)  zapisać argumenty w sprawozdaniu z wykonania ćwiczenia,
4)  zaprezentować wyniki pracy.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura podana w rozdziale 6 Poradnika dla ucznia,

−

arkusz papieru formatu A4,

−

materiały do pracy metodą tekstu przewodniego.

Ćwiczenie 2

W oparciu o dokumentację techniczno–ruchową obrabiarki sterowanej numerycznie

scharakteryzuj jej strukturę funkcjonalną:

−

zidentyfikuj i opisz układy funkcjonalne obrabiarki,

−

określ rodzaj energii zasilania.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z informacjami zawartymi w rozdziale 4.4. Poradnika dla ucznia,
2)  zapoznać się z fragmentami literatury wskazanymi przez nauczyciela,
3)  przeanalizować dokumentację techniczno – ruchową obrabiarki sterowanej numerycznie,
4)  zapisać w sprawozdaniu z ćwiczenia odpowiedzi na polecenia zawarte w treści ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura podana w rozdziale 6 Poradnika dla ucznia,

−

dokumentacja techniczno–ruchowa obrabiarki sterowanej numerycznie,

−

arkusz papieru formatu A4,

−

materiały do pracy metodą przewodniego tekstu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.4.

Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wyjaśnić na czym polega sterowanie numeryczne obrabiarek?



2) scharakteryzować strukturę układu sterowania obrabiarki CNC?



3) wyjaśnić budowę układu napędowego obrabiarki CNC?



4) scharakteryzować zakres diagnozowania systemów obrabiarki CNC

oraz realizowanego procesu?



5) wyjaśnić cel przeprowadzania symulacji programu sterowniczego

obrabiarki CNC ?



6) scharakteryzować strukturę programu sterowniczego obrabiarki?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Specjalistyczne urządzenia mechatroniczne

4.5.1. Materiał nauczania

Robot neutralizująco-wspomagający EXPERT

Expert jest nowoczesnym kompaktowym robotem neutralizująco–wspomagającym

przeznaczonym do rozpoznawania i neutralizacji ładunków niebezpiecznych.

Rys. 81. Widok robota EXPERT [22]

Zestaw robota składa się z: gąsienicowej platformy mobilnej, zamontowanego na niej

manipulatora z chwytakiem oraz stanowiska operatora (rys. 81). Expert może pracować
w ciasnych pomieszczeniach (samoloty, autobusy, pociągi).(rys. 82. rys. 83)

Urządzenie

jest napędzane silnikami zasilanymi z akumulatorów umieszczonych wewnątrz platformy
mobilnej lub przez kabel z sieci 220V. Czas pracy przy zasilaniu z akumulatorów wynosi
od dwóch do pięciu godzin (zależnie od rodzaju wykonywanych czynności).

Rys. 82. Wykorzystanie robota EXPERT w wagonie kolejowym [22]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 83. Wykorzystanie robota EXPERT w samolocie [22]

Rys. 84. Panel operatora [22]

Robot jest zdalnie sterowany ze stanowiska drogą radiową lub przez kabel (rys.84).

Platforma  mobilna  umożliwia  pokonywanie  krawężników  i  niewielkich  nierówności  terenu.
(rys. 85).  Specjalnie  zaprojektowana  konstrukcja  zapewnia  stabilność  robota  przy  pracy
i przy pokonywaniu  przeszkód.  Platforma  mobilna  ma  elastyczne  zawieszenie  dopasowujące
kształt  gąsienicy  do  podłoża  i  zapewniające  równomierny  rozkład  nacisków.  Rozkładane
stabilizatory  boczne  pozwalają  na  bezpieczną  pracę  urządzenia  nawet  przy  maksymalnym
wysięgu i obciążeniu manipulatora.

Rys. 85. Wjazd robota EXPERT po pochyłości [22]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Manipulator o sześciu stopniach swobody, zaopatrzony w chwytak, jest osadzony w tylnej

części  platformy  mobilnej.  Składa  się  z  obrotowej  kolumny  oraz  dwóch  niezależnych  ramion
(dolne  i górne  wysuwane)  oraz  niezależnej  osi  nadgarstka  zaopatrzonej  w  elektryczne  gniazdo
uniwersalne.  W  osi  nadgarstka  znajduje  się  uniwersalny  interfejs  mechaniczny  służący
do szybkiej  i  łatwej  wymiany  elementów  wyposażenia.  System  napędowy  manipulatora  został
zabezpieczony  sprzęgłami  przeciążeniowymi,  które  minimalizują  skutek  odrzutu  podczas
wystrzału  bądź  wybuchu  ładunku  umieszczonego  w  chwytaku  lub  w  jego  pobliżu.  Na  ekranie
monitora  jest  prezentowana  graficzna  interpretacja  aktualnej konfiguracji  ramion  manipulatora.
Robot  został  wyposażony  w  funkcje,  które  przeciwdziałają  samozniszczeniu  elementów
manipulatora  w  wyniku  błędnego  sterowania  przez  operatora.

Siła zacisku szczęk chwytaka

jest przedstawiana graficznie na stanowisku operatorskim.

System sterowania przepływem gazu LPG

System przeznaczony jest do sterowania składem mieszanki paliwowo–powietrznej

zasilającej  silnik  samochodowy  o  zapłonie  iskrowym,  w  pojazdach  przystosowanych
do zasilania  gazem  propan  –  butan.  Centralka  zainstalowana  w  przedziale  pasażerskim
samochodu  umożliwia  przełączanie  rodzaju  zasilania  silnika  z  benzyny  na  gaz  i  odwrotnie
(rys. 86). Pełni  ona  również  funkcję  informacyjną,  umożliwiając  ocenę  ilości  gazu  w  zbiorniku
oraz  aktualnego  rodzaju  paliwa,  którym  zasilany  jest  silnik.  System  steruje  składem  mieszanki
gazowej  zasilającej  silnik  w  sposób  automatyczny.  Kierowca  pojazdu  może  jedynie  zmienić
rodzaj zasilania: z benzynowego na gazowe i odwrotnie.

Rys. 86. Schemat połączeń systemu sterowania przepływem gazu LPG: 1 – silnik benzynowy, 2 – czujnik tlenu

w spalinach (sonda lambda), 3 – katalizator, 4 – przepustnica, 5 – reduktor – parownik, 6 – zawór gazowy,

7 – centralka, 8 – mieszalnik, 9 – czujnik poziomu gazu [7]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

2. Symulacja obecności – polegająca na zapalaniu/gaszeniu światła w wybranych

pomieszczeniach oraz, np. na odtwarzaniu muzyki, uruchomieniu telewizora, uchylaniu
okien, podnoszeniu lub opuszczaniu rolet.

3. System alarmowy i monitoringu – reakcja systemu na próby włamania, jak np. stłuczenie

szyby w oknie, przekroczenie wyznaczonej linii. Przykładem takiej reakcji może być
automatyczne poinformowanie policji o zaistniałych okolicznościach, uruchomienie syren
alarmowych. System może rejestrować wydarzenia zachodzące na terenie budynku, co może
się przydać np. policji.

4. System przeciwpożarowy – sieć czujników dymu i temperatury oraz spryskiwacze.

Zadaniem tego podsystemu jest ochrona budynku i jego użytkowników na wypadek pożaru.

5. System personalizacji.

Integracja wszystkich instalacji sprawia, że zdarzenia zachodzące w jednej z nich, mogą

być

wykorzystywane do sterowania innymi instalacjami (co zapobiega dublowaniu tych urządzeń

i w znacznym stopniu wpływa na obniżenie kosztów wszystkich instalacji).

Budynki wyposażone w tego typu systemy, zyskały miano „inteligentnych”.
Do podstawowych funkcji systemu, zalicza się

sterowanie:

−

obwodami oświetleniowymi, w tym sterowanie złożonymi scenami świetlnymi,

−

roletami i karniszami elektrycznymi,

−

bramami wjazdowymi i garażowymi,

−

ogrzewaniem,

−

zraszaniem trawników,

−

elementami bezpieczeństwa budynku, jak klapy dymowe, elektrozawory wody i gazu, itd.,

−

innymi obwodami elektrycznymi, jak np., gniazdkami, pompami, elektrozaczepami
i zworami elektromagnetycznymi, siłownikami, urządzeniami grzewczymi, itd.
Inteligentny dom, to wygoda i komfort użytkowania. Brak ograniczeń związanych

z fizycznym  przypisaniem  wyłączników  do  określonych  obwodów,  daje  możliwość
zainstalowania takiej  liczby wyłączników, aby "pod ręką" zawsze znajdował się ten najbardziej
potrzebny  (dowolna  liczba  wyłączników  w  dowolnych  miejscach  –  sterujących  dowolnymi
obwodami).  Przypisanie  wielu  funkcji  jednemu  wyłącznikowi,  daje  możliwość  grupowania
najczęściej  wykonywanych  funkcji,  np.:  jeden  wyłącznik  w  salonie  zapala  wybrane  punkty
świetlne, wg ustawionego dla nich natężenia oświetlenia, zamyka rolety w tym pomieszczeniu,
wyłącza  oświetlenie  w  innych  pomieszczeniach.  Wyłącznik  przy  drzwiach  wyjściowych,  gdy
wychodzą mieszkańcy – powoduje zamknięcie wszystkich rolet, wyłączenie całego oświetlenia,
wyłączenie  obwodów  elektrycznych  (np.  gniazdek  których  używamy  do  prasowania),  zamyka
zawór  gazu  i  zawór  wody.  Tego  typu  funkcje  sprawiają,  że  w  każdej  chwili  jest  gwarancja,
iż wszystko  co  należy  wyłączyć  –  rzeczywiście  zostało  wyłączone.  Możliwość  pełnej
automatyzacji  zadań  ma  największy  wpływ,  nie  tylko  na  wygodę  użytkowników,  ale  i  na
oszczędności,  ponieważ  system  jest  w  stanie  wykonać  wszystkie  czynności  o  wiele  dokładniej
niż  ludzie,  niczego  nie  przeoczy  i  o  niczym  nie  zapomni,  a  na  dodatek  wykona  to  wszystko
w sposób  optymalny.  Jednocześnie  przejmie  na  siebie  wiele  codziennych,  nieraz  uciążliwych
czynności,  których  często  nie  wykonuje  się  z  prostych  przyczyn:  zapomnienia,  braku  czasu,
nieobecności, czy też zwykłego, nie przykładania do nich odpowiedniej wagi, np.: automatyczne
załączanie  światła  (gdy  jest  ciemno),  w  pomieszczeniach  i  miejscach  do  których  wchodzimy
i wyłączanie  ich  po  naszym  wyjściu.  Podstawowym  celem  systemu,  jest  wyeliminowanie
sterowników  poszczególnych  urządzeń

i ich zastąpienie, a tym samym integracja wszystkich

elementów instalacji domowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat ideowy systemu inteligentnego domu przedstawiono na rys.88.

Rys. 88. Schemat ideowy systemu inteligentnego domu [6]

Łożysko toczne z sensorem

Łożysko toczne jest organem, w którym powstają względne ruchy innych elementów

lub przez  które  przechodzą  siły  obciążające.  Jako  organ  precyzyjny  jest  idealnym  miejscem
do zdobycia  informacji,  takich  jak  liczba  obrotów,  kierunek  obrotów,  pozycja  absolutna,
obciążenie  itd.  Łożysko  toczne  z  sensorem  jest  kombinacją  mechaniki  i  sensoryki.  Koncepcja
takiego łożyska, polega na integracji dwóch funkcji w jednym nośniku: funkcji łożyska tocznego
i generowania sygnału elektrycznego (rys. 90). Łożysko sensorowe ma takie  same wymiary  jak
standardowe  jednorzędowe  łożysko  kulkowe.  Jego  zastosowanie  obniża  koszty  funkcji
pomiarowych i nadzorczych i przez to rozszerza możliwości stosowania łożysk.

Opracowanie łożyska sensorowego polegało na takiej integracji sensora i łożyska

standardowego, aby pozostała absolutna wymienialność łożysk. Uzyskano to przez sensor efektu
Halla. Sensor ten współpracuje z pierścieniem magnetycznym (namagnesowane są bieguny NS),
naciągniętym na wewnętrzny pierścień łożyska. Element Halla wbudowany jest w uszczelnienie
nieruchomego pierścienia zewnętrznego. W ten sposób wytwarzane jest przemienne napięcie,
którego częstotliwość zależy od liczby obrotów wewnętrznego pierścienia łożyska. W ten sposób
powstało łożysko, które dodatkowo spełnia funkcję inkrementalnego czujnika impulsów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Rys. 89. Budowa łożyska – sensora: 1 – nieruchomy pierścień zewnętrzny, 2 – uszczelnienie, 3 – wewnętrzny

pierścień łożyska, 4 – wielobiegunowy pierścień magnetyczny, 5 – sensor efektu Halla,

6 – kabel przyłączeniowy.[3, s.48]

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1. Jakie są korzyści wynikające ze stosowania robotów neutralizująco–wspomagających

EXPERT?

2. Które elementy systemu sterowania przepływem gazu zaliczyć można do grupy sensorów?
3. Jakie cechy systemu „inteligentny dom” uzasadniają twierdzenie, iż jest to system

mechatroniczny?

4. Jaką rolę w urządzeniach mechatronicznych spełnia łożysko z sensorem?

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Uzasadnij, że system sterowania przepływem gazu LPG jest systemem mechatronicznym.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z informacjami zawartymi w rozdziale 4.5. Poradnika dla ucznia
2)  zapoznać się z fragmentami literatury wskazanymi przez nauczyciela,
3)  zapisać uzasadnienie w sprawozdaniu z ćwiczenia oraz przedstawić je w formie prezentacji.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura podana w rozdziale 6 Poradnika dla ucznia,

−

arkusz papieru formatu A4,

−

dokumentacja techniczno–ruchowa systemu sterowania przepływem gazu LPG,

−

materiały do pracy metodą przewodniego tekstu.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 2

W oparciu o dokumentację techniczną systemu „inteligentny dom” scharakteryzuj

jego strukturę funkcjonalną i uzasadnij, że jest zgodna ze strukturą systemu mechatronicznego.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:

1)  zapoznać się z informacjami zawartymi w rozdziale 4.5. Poradnika dla ucznia,
2)  zapoznać się z fragmentami literatury wskazanymi przez nauczyciela,
3)  przeanalizować dokumentację techniczną systemu ”inteligentny dom”,
4)  przedstawić w postaci graficznej strukturę funkcjonalną systemu „inteligentny dom”,
5)  porównać  strukturę  funkcjonalną  systemu  „inteligentny  dom”  ze  strukturą  sytemu

mechatronicznego,

6) zapisać wnioski w karcie sprawozdania z wykonania ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

−

literatura podana w rozdziale 6 Poradnika dla ucznia,

−

dokumentacja techniczna karty katalogowe systemu „inteligentny dom”,

−

arkusz papieru formatu A4,

−

przybory do pisania.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak

Nie

1) wskazać cele stosowania robota neutralizująco–wspomagającego

EXPERT?



2) scharakteryzować strukturę funkcjonalną robota neutralizująco–

wspomagającego EXPERT ?



3) wyjaśnić na czym polega synergia układów występujących

w systemie „inteligentny dom”?



4) scharakteryzować

możliwości

wykorzystania

systemach

mechatronicznych łożyska z sensorem?



„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA

1.  Uważnie przeczytaj instrukcję.
2.  Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3.  Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4.  Test  zawiera  20  zadań.  Do  każdego  zadania  dołączone  są  4  odpowiedzi.  Tylko  jedna  jest

prawidłowa.

5. Udzielaj odpowiedzi na załączonej karcie odpowiedzi, stawiając w odpowiedniej rubryce

znak X. W przypadku pomyłki należy błędną odpowiedź zaznaczyć kółkiem, a następnie
ponownie zakreślić odpowiedź prawidłową.

6. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy będziesz miał satysfakcję z wykonanego zadania.
7. Jeśli udzielenie odpowiedzi będzie Ci sprawiało trudność, wtedy odłóż rozwiązanie zadania

na później i wróć do niego, gdy zostanie Ci wolny czas.

8. Na rozwiązanie testu masz 45 minut.

Powodzenia!

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH

1. Multifunkcjonalność urządzeń mechatronicznych polega na

łatwości realizacji różnych zadań przez jedno urządzenie.

możliwości podejmowania decyzji i komunikacji z otoczeniem.

łatwości modyfikacji konstrukcji na etapie projektowania oraz produkcji
oraz eksploatacji urządzenia.

możliwości niewidocznego dla operatora sposobu działania.

2. Synergia jest to

reagowanie na bodźce zewnętrzne dochodzące od czujników.

przetwarzanie i analiza sygnałów.

możliwość uzyskiwania lepszych efektów pracy, niż suma możliwości elementów
składowych.

realizacja działań zgodnie z założonym planem.

3. W urządzeniach mechatronicznych sterowanie jest realizowane najczęściej jako

elektryczne i elektroniczne.

hydrauliczne.

pneumatyczne.

mechaniczne.

4. Aktor w układach mechatronicznych jest to

urządzenie do przechowywania informacji niezbędnych do działania układu.

elektronicznie sterowany człon wykonawczy.

urządzenie do przetwarzania informacji w układzie mechatronicznym.

czujnik położenia.

5. Do kategorii sensorów zaliczyć można

siłownik.

silnik.

bezpiecznik.

czujnik indukcyjny.

6. Urządzeniem mechatronicznym nie jest

drukarka laserowa.

odtwarzacz CD.

przekładnia łańcuchowa.

robot przemysłowy.

7. Urządzeniem wyjściowym komputera jest:

klawiatura.

procesor.

skaner.

drukarka.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

8. Zadaniem efektora końcowego robota jest

chwycenie i utrzymanie obiektu manipulacji.

orientowanie i ustawianie elementu roboczego we właściwej pozycji.

ustawianie położenia kiści robota.

zabezpieczenie ramienia robota przed kolizją.

9. Przeznaczeniem czujnika typu „sztuczna skόra” jest

określanie wilgotności środowiska pracy robota.

wyczuwanie obecności przedmiotu oraz jego kształtu.

zabezpieczenie obiektu manipulacji przed wypadnięciem z chwytaka.

pomiar temperatury przedmiotόw chwytanych przez chwytak.

10. Programowanie robotόw polega na

planowaniu czynności i parametrόw, jakie kolejno powinien zrealizować robot
w procesie manipulacji, wprowadzeniu ich do pamięci układu sterującego, testowaniu
oraz uruchamianiu,

określaniu parametrόw położenia efektora końcowego w celu realizacji procesu
manipulacji obiektem,

kontrolowaniu stanu wspόłpracujących urządzeń technologicznych w celu
ich synchronizacji z procesem manipulacji realizowanym przez robot,

sprawdzaniu parametrόw procesu manipulacji w celu zapewnienia bezawaryjnej pracy
robota.

11. Cechą odrόżniającą roboty od manipulatorόw jest

szybkość działania.

duża dokładność pozycjonowania efektora.

mały udźwig.

uniwersalność.

12. Zadaniem układu sterowania obrabiarki sterowanej numerycznie jest

przetwarzanie wprowadzonych informacji na sygnały sterujące przesyłane
do odpowiednich układów sterujących obrabiarki.

kontrola poprawności działania podzespołów obrabiarki w celu uniknięcia awarii.

generowanie informacji o stanie narzędzi skrawających obrabiarki.

zabezpieczenie narzędzi skrawających obrabiarki przed nadmiernym zużyciem.

13. Parametrem określającym gotowość do pracy obrabiarki sterowanej numerycznie jest

dokładność pozycjonowania.

luzy w łożyskach.

drgania obrabiarki.

zamknięcie osłony zabezpieczającej.

14. System ochronny stanowiska zrobotyzowanego należący do grupy 1 umożliwia

wykrywanie obecności człowieka w obszarze stanowiska zrobotyzowanego poza
zasięgiem ruchόw robota.

wykrywanie obecności człowieka w obszarze stanowiska zrobotyzowanego wewnątrz
strefy ruchόw robota.

wykrywanie obecności człowieka na granicy stanowiska zrobotyzowanego.

wykrywanie obecności człowieka podczas bezpośredniego kontaktu z robotem.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

15. W łożysku mechatronicznym zastosowany jest sensor

pojemnościowy.

optyczny.

sensor Halla.

sensor ultradźwiękowy.

16. W „domu inteligentnym” system symulacji obecności realizuje

utrzymanie stałej temperatury w wybranych pomieszczeniach.

zapalanie/gaszenie oświetlenia w określonych pomieszczeniach o kreślonej godzinie.

uruchomienie alarmu w przypadku np. stłuczenia szyby.

włączenie spryskiwaczy w momencie wyczucia dymu.

17. Do kategorii sensorów w systemie „inteligentny dom” zaliczyć można

ściemniacz oświetlenia.

elektrozawór grzejnikowy.

czujnik temperatury.

napęd rolet.

18. W systemie sterowania przepływem gazu LPG elementem wykonawczym jest

czujnik poziomu gazu.

sonda lambda.

czujnik rezerwy gazu.

elektrozawór gazu.

19. Przedstawiony poniżej robot posiada strukturę kinematyczną

SCARA.

kartezjańską.

cylindryczną.

biegunową.

20. Na rysunku zamieszczonym poniżej przedstawiona jest przekładnia

śrubowa.

kulkowa.

śrubowo–toczna.

planetarna.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ...............................................................................

Analizowanie działania urządzeń i systemów mechatronicznych

Zakreśl poprawną odpowiedź.

zadania

Odpowiedzi

Punkty

Razem:

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

6. LITERATURA

1. Biuletyn automatyki nr 3/2004; Astor
2. Dąbrowski W., Nowak S.,Michalak G.: Informatyka 1,Akademickie podręczniki

multimedialne.Ośrodek Kształcenia na Odległość, Politechnika Warszawska, Warszawa
2002

3. Gawrysiak M., Mechatronika i projektowanie mechatroniczne., Wydawnictwo Politechniki

Białostockiej, Białystok, 1997

4.  Heimann B., Mechatronika. PWN, Warszawa, 2001
5.  Honczarenko J. Roboty przemysłowe – elementy i zastosowanie. WNT, Warszawa 1996
6.  Instrukcja instalacyjna systemu D 2000, firmy ADK Group
7.  Instrukcja  montażu  systemu  sterowania  przepływem  gazu  LPG  „DETEC  Super”

DTS01D.T. Gas System Spółka Jawna

8.  Kornowicz-Sot A. : Automatyka i robotyka – robotyka. WSiP, Warszawa 1999
9.  Morecki A. , Knapczyk J. : Podstawy robotyki. WNT, Warszawa 1994
10.  Olszewski M. [red.] : Manipulatory i roboty przemysłowe. WNT , Warszawa 1985
11.  Paderewski K., Obrabiarki. WSiP,Warszawa 1993
12.  Skibicki D.: Wykład: Budowa i działanie komputera. 2003
13.  Schmid  D.,  Baumann  A.,  Kaufmann  H.,  Paetzold  H.,  Zippel  B.:  Mechatronika.  REA,

Warszawa 2002

14. Szydelski Z.: Napęd i sterowanie hydrauliczne Wydawnictwa Komunikacji i Łączności,

Warszawa 1993

15.  www.asimo.pl
16.  www.buderus.pl: Dokumentacja techniczno–ruchowa automatycznego kotła retortowego
17.  www.fanuc.pl Karty katalogowe robotów
18.  www.gorenje.pl: Pralki automatyczne i suszarki bielizny. 2004
19.  www.haas.com
20.  www.mechatronika.wm.pb.bialystok.pl; Gawrysiak M.: Wykłady Robotyka. 2004
21.  www.mts – cnc.com.pl
22.  www.piap.pl
23.  www.robotyka.pl: teoria robotyki
24.  www.siemens.pl: Katalog pralek, 2006
25.  www.sound.eti.pg.gda.pl
26.  Żółtowski  B.,  Cempel  C.  (red):  –  Inżynieria  diagnostyki  maszyn  :  Polskie  Towarzystwo

Diagnostyki Technicznej, Instytut Technologii Eksploatacji PIB Radom – Warszawa,
Bydgoszcz, Radom 2004

Katalogi firmowe:
Urządzenia optoeletroniczne – katalog firmy SICK (wersja elektroniczna)