AUTOMATIZACE A ROBOTIZACE I. Učební text pro žáky 3. ročníku oboru M/001 Strojírenství

Transkript

1 AUTOMATIZACE A ROBOTIZACE I. Učební text pro žáky 3. ročníku oboru M/001 Strojírenství 1

2 3 Průmyslové roboty Širokému publiku představil slovo robot Karel Čapek ve své divadelním dramatu R.U.R. (Rossumovi Univerzální Roboti) při premiéře v roce Hra začíná v továrně na výrobu umělých lidí, tzv. robotů, kteří jsou ale bližší moderní myšlence androidů nebo dokonce klonů, tvorů, kteří se mohou lidstvu vymknout z ruky. Mohou jasně uvažovat ve svůj prospěch, ačkoliv se zdá, že jsou šťastni, když slouží. Karel Čapek sám nebyl původcem slova robot; ve svém krátkém dopise v článku pro etymologický slovník oxfordské angličtiny uvádí jako skutečného původce tohoto pojmu svého bratra, malíře a spisovatel Josefa Čapka. V článku v českých Lidových novinách v roce 1933 také vysvětlil, že původně chtěl ty tvory nazvat laboři (z latinského labor, práce). Ale toto slovo se mu nelíbilo, protože bylo příliš umělé, a tak požádal o radu svého bratra Josefa, který navrhl termín roboti. Existuje řada různých definic robotů. Proto je někdy obtížné srovnávat počty robotů v různých zemích. Ve snaze poskytnout všeobecně přijatelnou definici stanovila Mezinárodní organizace pro standardizaci definici robota v normě ISO 8373, kde je robot definován jako automaticky řízený, opětovně programovatelný, víceúčelový manipulátor pro činnost ve třech nebo více osách, který může být buď upevněn na místě nebo mobilní k užití v průmyslových automatických aplikacích. 5.1 Úvod do robotizace Historie a vývoj Myšlenka umělých lidí se datuje minimálně od časů starověké legendy o Kadmovi, který zasel dračí zuby, a ty se proměnily ve vojáky, a od báje o Pygmalionovi, jehož socha Galatea obživla. V řecké mytologii vytvářel zmrzačený bůh kovářství (Vulkán či Hefaistos) mechanické sluhy od inteligentních, zlatých služebných, užitkovějších třínožek pohybujících se na vlastní pohon až po robota Talose, který střežil Krétu. Návrhy podobající se robotům se objevily již ve 4. st. př. n. l., kdy řecký matematik Archytas z Tarentu sestavil mechanického ptáka poháněného parou a nazval ho holub. Jeden z prvních zachovaných návrhů humanoidního robota je od Leonarda da Vinciho ( ) přibližně z roku Da Vinciho poznámky znovuobjevené kolem roku 1950 obsahují podrobné náčrty mechanického rytíře schopného sedět, mávat pažemi, hýbat hlavou a čelistmi. Není však známo, zdali se mu podařilo robota sestavit. Raný automat vytvořil v roce 1738 Jacques de Vaucanson, který sestavil mechanického kačera schopného jíst a trávit zrní, mávat křídly a vyměšovat. Společnost Westinghouse Electric Corporation vytvořila v roce 1926 Televox prvního robota schopného vykonávat užitečnou práci. Biolog Makoto Nishimura vyvinul a zkonstruoval v roce 1928 prvního japonského robota Gakutensoku. První elektronické samostatné roboty byly vytvořeny Williamem Greyem Walterem z neurologického institutu Burden Neurological Institute v Bristolu v Anglii v letech 1948 a Byly nazvány Elmer a Elsie. Tito roboti vnímali světlo, kontaktovali vnější objekty a používali tyto stimuly k 2

3 navigaci. Americký vynálezce George C. Devol vyvinul robotickou paži přibližně v roce Obr. 109 Robotická paže Trvalo až do druhé poloviny dvacátého století, než byly vynalezeny integrované obvody a počítače, které rychle zdvojnásobovaly svou výkonnost, čímž bylo umožněno postavit takové roboty, jaké si představujeme. Až do té doby byly automaty věci blízké robotům, a přestože mohly vypadat jako humanoidi a jejich pohyby byly komplexní, nebyly schopny samokontroly a rozhodování jako dnešní roboti. Prvního skutečně moderního robota, digitálního, programovatelného a učenlivého, vyvinul George Devol v roce Nakonec byl pojmenován Unimate. Prvního robota Unimate prodal Devol firmě General Motors v roce 1960 a byl instalován roku 1961 v továrně v Trentonu ve státě New Jersey, kde sloužil ke zvedání a skladování horkých kusů kovu z tlakové slévárny Současné aplikace Roboty lze rozdělit zhruba do dvou kategorií podle práce, kterou dělají: 3

4 práce, které umí robot dělat lépe než člověk (roboti mohou zvyšovat produktivitu, přesnost a odolnost); práce, které by člověk mohl udělat lépe než robot, ale je žádoucí, aby je člověk z určitých důvodů nedělal (roboti lidem ušetří špinavé, nebezpečné a nudné práce). Práce vyžadující rychlost, přesnost, spolehlivost nebo odolnost provádějí roboti mnohem lépe než lidé. Tudíž mnoho pracovních činností v továrnách, kde je tradičně vykonávali lidé, se nyní robotizuje. To vede k výrobě levnější hromadné produkce včetně automobilů a elektroniky. V současné době již pracují roboty v továrnách více než 50 let, a to od doby, kdy byl instalován robot Unimate, aby automaticky odebíral horký kov z tlakové slévárny. Následně se automatizace výroby prostřednictvím velkých stacionárních manipulátorů stala největším odbytištěm pro roboty. Počet instalovaných robotů rostl rychleji a rychleji a dnes je na světě v provozu více než 1 mil. robotů. Polovina populace robotů je v Asii, třetina v Evropě a 16 % v Severní Americe. V Oceánii a Africe je po 1 % robotů. Nasazování PRaM (průmyslové roboty a manipulátory) technologických profesí (viz. použitá literatura [6]): Manipulace na obráběcích strojích, paletizace Bodové odporové svařování karosérií a podvozku Povrchové úpravy Tlakové lití kovů a plastických hmot Manipulace u tvářecích strojů Obloukové svařování pod ochrannými plyny Montážní a měřící práce V hutích (odpichové roboty, těžké manipulační roboty) Jiné práce (hlubinné dobývání, apod.) z pohledu jednotlivých 52 % 15 % 12 % 8% 7% 2% 2% 1% 1% Oblasti nasazení továrních robotů Výroba automobilů Dnes se jedná o primární příklad tovární automatizace. Během uplynulých třech desetiletí v automobilkách začaly roboty převládat. Typická továrna je vybavena stovkami průmyslových robotů pracujících v plně automatizovaných výrobních linkách; jeden robot na každých deset lidských pracovních sil. 4

5 Obr. 110 Montážní linka Obr. 111 Robotizace svařování 5

6 Obr. 112 Robotická obsluha vstřikovacího lisu Balicí technika Průmyslové roboty se také ve značné míře používají k paletizaci a balení vyráběné produkce, např. k odebírání nápojových kartonů z konce dopravníkového pásu a rychlému umístění do přepravek nebo k nakládání a vykládání v obráběcích centrech. 6

7 Obr. 113 Robotizovaná paletizace Obr. 114 Robotizovaný balící stroj Elektronický průmysl Při hromadné výrobě tištěných obvodů jsou téměř výlučně používány roboty typu pick and place (seber a umísti). Takové roboty mohou přemístit několik součástek za vteřinu (desítky tisíc za hodinu), což značně překoná člověka v rychlosti, přesnosti a 7

8 spolehlivosti. V případě automaticky řízených vozidel sledují mobilní roboty značky nebo dráty na podlaze, případně používají zrak nebo lasery. Používají se k přepravě zboží v prostoru velkých zařízení, jako jsou obchodní domy, přístaviště kontejnerů nebo nemocnice. Obr. 115 Robot typu pick and place Další aplikace Existuje mnoho pracovních činností, které by člověk mohl dělat lépe než robot, ale z různých důvodů je dělat nechce nebo nechce být přítomen u této práce. Práce může být příliš nudná, např. vysávání prachu v domácnosti, nebo příliš nebezpečná, např. průzkum uvnitř vulkánu. Tyto práce jsou známy jako nudné, špinavé a nebezpečné. Jiné činnosti mohou být zase fyzicky nedostupné. Jde např. o průzkum nějaké planety, čištění vnitřku dlouhého potrubí nebo provádění laparoskopické chirurgie. Obr. 116 Úklidový robot 8

9 Obr. 117 Kování Obr. 118 Laparoskopický robotický chirurgický přístroj 9

10 Protože cena robotů klesá a jejich výkon a použitelnost počítače se zvyšuje, jsou roboty dostupné i dostatečně nezávislé, aby mohly být stále častěji vidět v domácnostech, kde vykonávají jednoduché a nezábavné práce, jako např. vysávání prachu, čištění podlah a sekání trávníků. Pokud nemůže být člověk přítomen na místě, kde se práce provádí, protože je to nebezpečné, vzdálené nebo nepřístupné, používají se dálkově ovládané roboty neboli teleroboty. Na rozdíl od sledování předem určené sekvence pohybů je telerobot řízen na dálku člověkem operátorem. Robot může být v jiné místnosti nebo v jiné zemi, případně může být ve velmi rozdílném poměru k operátorovi. Dálkově řízené letadlové roboty se stále častěji používají pro armádní účely. Tyto roboty mohou být řízeny odkudkoli na světě a umožňují armádě průzkum terénu, a dokonce i střelbu na cíl, aniž by byla ohrožena řídící obsluha Fakta versus fikce ohledně robotové automatizace Existují určité úporně přetrvávající mýty o využívání robotu ve výrobních procesech. Říká se, že použití robotu je rentabilní pouze pro velké série, říká se, že jsou nákladné a realizace je obtížná. Nic nemůže být dále od pravdy. Díky současnému stavu techniky je využití robotu mnohem snazší, flexibilnější a rentabilnější než tomu bylo dříve. Dnes lze snadno automatizovat i malé série, čímž vzniknou zajímavé příležitosti také pro malé a střední výrobce! Fikce... Nepravdivé tvrzení 1. Programování robota je složité, časově náročné a obtížně se učí. Nepravdivé tvrzení 2. Svařovací robot se nikdy nemůže vyrovnat řemeslné zručnosti kvalifikovaného svářeče. Nepravdivé tvrzení 3. Využití svařovacího robota je rentabilní pouze při výrobě ve velkých sériích. Nepravdivé tvrzení 4. Pro provoz robota jsou zapotřebí vysoce kvalifikovaní pracovníci. Nepravdivé tvrzení 5. Robot může provádět pouze jeden úkol a pracovat pouze s jedním nástrojem. Nepravdivé tvrzení 6. Robot je mimořádně nákladná záležitost.... a fakta: 1. Programování robota není obtížné ani časově náročné. Řídící panel robota má grafické symboly, které programování usnadňují. Kromě toho většina řídících panelů využívá softwaru Microsoft, se kterým je uživatel dobře obeznámen. Pro další usnadnění programovacích činností existují na trhu různé nástroje. Roboty mohou být nyní například programovány přes 10

11 počítač pomocí tzv. off-line programovacího softwaru. 2. Není pochyb o tom, že kvalifikovaný svářeč má vlastnosti, které u robota chybí, ale na druhé straně má zase svařovací robot mnoho výhod ve srovnání s člověkem. Ve většině případů se člověk a stroj dobře doplňují. Svařovací robot nemá vůbec žádné problémy s monotónní a náročnou prací: nikdy není nemocen, neobtěžují ho škodlivé výpary a je schopen svařovat výrobek za výrobkem s tou největší možnou přesností. 3. Samozřejmě, že ne! I malé série lze perfektně automatizovat pomocí svařovacího robota. I výroba jediného kusu je možná! Existuje několik výrobků na trhu, které dovolují flexibilní výrobu jediných kusů a nebo malých sérií. Například: off-line programovací software pro programování robota z PC bez nutnosti jej zastavit a flexibilní a multifunkční upínací rámy, které robotu nabízejí několik výrobků. 4. Není pravda. Řídit robota je tak snadné, že instalace udělá práci pouhým stisknutím tlačítka. Operátor musí jen umístit materiál a odebrat dokončené svařené výrobky. Pomocí jednoduchého uživatelského rozhraní může sám operátor vytvářet programy podle potřeby. 5. Také není pravda. Robot může nezávisle měnit nástroje a využívat například zachycovač, svařovací hořák nebo plazmový řezací hořák. S těmito nástroji muže robot dělat lehké montážní práce, a poté nakonec výrobek svařit a provést požadované drážky ve výrobku. A to vše zcela bez zásahu obsluhy! 6. Robot nemusí být drahý. Existují nejrůznější nízkorozpočtové robotové systémy na trhu, se kterými lze většinu výrobku automatizovat. Je zřejmé, že pokud porovnáte nákupní cenu s výkonem a úsporami mzdových nákladů, robotová automatizace se bude jevit jako velice lukrativní záležitost! 11

12 5.1.4 Desatero dobrých důvodů, proč investovat do robotů Použití robotů přináší mnoho výhod v širokém spektru aplikací. Výrobci, kteří uvádějí roboty do výroby zaznamenávají významnou změnu v produktivitě a efektivitě. Obr. 119 Ilustrační 1. snížení provozních nákladů 2. snížení zmetkovitosti 3. zlepšení opakované kvality a úrovně výrobků 4. zvýšení produkce za jednotku času 5. úspora pracovního místa 6. vylepšení pracovních podmínek pro zaměstnance 7. nahrazení nedokonalosti člověka 8. snížení odpadu materiálu 9. neporovnatelně lepší flexibilita výrobních linek 10. navýšení výtěžnosti a zisku 12

13 5.1.5 Rozdělení robotů Členění manipulátorů, robotů a průmyslových automatů není dosud jednotně stanoveno a v odborné literatuře najdeme celou řadu různých výkladů. Mezi nejčastější rozdělení patří člení robotů do tří tříd: 1. ruční manipulační zařízení uváděné do chodu operátorem (teleoperátory) Manipulátory (teleoperátory) jednoúčelové i víceúčelové jsou manipulační zařízení ovládané člověkem. Jejich úkolem je zesilňovat síly, respektive moment a pohybové možnosti operátora. Rozdíl mezi jednoúčelovými a univerzálními je v konstrukčním provedení. Jednoúčelové manipulátory mají omezenou možnost použití pro jiné případy manipulace. Jako příklad lze uvést jednoúčelové teleoperátory (balancéry) pro zdvihání těžkých předmětů. Univerzální manipulátory jsou konstrukčně složitější, kopírují pohyby člověka (řídícího pracovníka). Manipulátor a člověk tvoří vlastně uzavřenou regulační smyčku. Jsou nazývány zařízeními pracujícími na principu master-slave. Na obsluhovaném stroji jsou nezávislé. Manipulátor a člověk (řídící pracovník) tvoří uzavřenou smyčku. Tato zařízení přenášejí na dálku příkazy člověka. Současná představa automatizace manipulačních cyklů je spojována jen s uplatněním univerzálních manipulátorů a robotů, které jsou poměrně komplikované, a tedy i drahé. Potom je jejich nasazení v jednodušších případech nevýhodné (z ekonomického hlediska, ale i z hlediska malého využití jejich celkových možností). Při současné úrovni výroby je možné řadu problémů, spojených s její automatizací, řešit pomocí jednoúčelových manipulátorů. Několik příkladů manipulátorů: Obr. 120 Přemisťování pytlů - přisátí pod tlakem 13

14 Obr. 121 Manipulace s válcovými částmi: rolemi a rourami Obr. 122 Závěsný manipulátor 14

15 Obr. 123 Portálový manipulátor v kombinaci s manipulační paží doplňující palivo do stíhacího letounu 15

16 Obr. 124 Manipulátor plochých předmětů 2. robot s pevnou sekvencí Manipulátory s pevným programem pracují automaticky bez přímé účasti člověka. Mohou opakovat jednodušší, pevně stanovené pracovní cykly, sestavené z dílčích pohybů, jejichž velikosti je možné seřídit. Pracovní cyklus lze měnit - pokud je to vůbec možné bez zásahu do konstrukce jen jiným zapojením řídícího obvodu, výměnou vaček apod. 3.robot s proměnlivou sekvencí snadno měnitelnou řídící sekvencí Manipulátory s pružným programem (volně programovatelné manipulátory) pracují automaticky na základě reprodukce vloženého programu, který se dá rychle změnit přestavením zadaných prvků řídícího systému anebo výměnou nositele programu. 16

17 Průmyslové roboty jsou volně programovatelné manipulátory projevující se větším rozsahem pohybových funkcí s.možností realizace manipulačních i technologických operací. Charakteristickou vlastností adaptivních průmyslových robotů je schopnost korigovat zadaný program podle informací získaných z pracovního prostředí pomoci čidel. Rozsah zásahu je třeba chápat v několika stupních od úpravy parametrů jednotlivých pohybových úkonů přes výběr pracovního cyklu z určitého souboru. Kognitivní roboty jsou manipulační zařízení využívající prvky umělé inteligence, s komplexním vnímáním okolí a s rozhodováním o své činnosti podle zadaných cílů a s vysokou úrovní komunikace s člověkem. Roboty této kategorie sou schopny vytvářet program své činnosti na základě požadovaných výsledků a to samozřejmě podle vložených algoritmů zpracovaných člověkem. V souvislosti s touto generací robotů přicházejí v úvahu ve větším rozsahu mobilní roboty a roboty s novými kinematickými principy realizace pohybových funkcí. V současné době zcela výrazně převažuji v praktických aplikacích zařízení do úrovně adaptivních robotů. 5.2 Stavba robotů Základní části a jejich funkce Obr. 125 Konstrukční skupiny Periferie (vstupní a výstupní zařízení) : Vstupní a výstupní zařízení usnadňují obsluhu a programování. panel pro ruční ovládání; terminál; mechaniky pro externí paměti; tiskárna. Řízení: 17

18 řídící systém řídí podle uloženého programu činnost robotu ovládáním pohonů a ostatních mechanismů, dále zajišťuje komunikaci s řídícím systémem výrobního stroje. Konstrukce robotu: pohony - pohybují osami průmyslového robotu do požadované polohy rychlostí zadanou řízením; kinematika - mechanická konstrukce průmyslového robotu složená z kloubů a ramen určuje pohybové možnosti chapadla, nástroje, apod.; odměřovací zařízení - snímají okamžitou polohu v každé souřadné ose; senzory - jedná se o měřící čidla, která zjišťují např. polohu součásti a úchylky jejich rozměrů Kinematické struktury Vlastní mechanickou konstrukci průmyslového robotu tvoří pohybový systém, který je většinou rozdělen do dvou oddělených částí. První část tvoří hlavní pohybový systém, který zajišťuje nastavení polohy těžiště objektu v prostoru (polohovací systém) a druhou část představuje vedlejší pohybový systém (orientační systém), který určuje natočení - orientaci objektu v prostoru. Orientační systém často rozšiřuje i funkci hlavního polohovacího systému a je konstrukčně soustředěn v podskupině, která se označuje jako zápěstí. Na výstupu celého pohybového systému je umístěna pracovní hlavice přizpůsobená způsobu použití manipulátoru nebo robotu pro provádění manipulačních, popřípadě i jiných technologických operací. Manipulační schopnosti manipulátoru nebo robotu jsou určeny počtem kinematických dvojic realizovaných v rámci konstrukce a způsobem řízení jejich relativního pohybu. Počet nezávislých pohybů se vyjadřuje počtem stupňů volnosti. Zatím nejsou k dispozici objektivní kriteria, která by umožnila hodnotit kvalitu jednotlivých kinematických struktur. Proto se v průběhu vývoje objevilo velké množství variant konstrukcí tvořených různými kombinacemi rotačních a translačních dvojic. Jednotlivé translační, popřípadě rotační pohyby se vyskytují u jednoduchých manipulátorů, u universálních konstrukcí manipulátorů, popřípadě u robotů se setkáváme se třemi pohyby v rámci hlavního polohovacího systému a dvěma až třemi pohyby vedlejšího orientačního systému. I když rozmanitost pohybových funkcí robotů se zdá být srovnatelná s pohyblivostí lidské paže, je ve skutečnosti výrazný rozdíl nejen ve struktuře pohybového systému, ale i v rozsahu jeho možností. Zásadní rozdíl mezi pohybovým systémem lidské paže a ramenem robotu spočívá v tom, že výsledná pohybová funkce u robotu se dosahuje superpozicí 18

19 oddělených jednoduchých translačních a rotačních pohybů, zatímco elementy částí paže člověka jsou pohyblivé v několika osách. Dílčí pohyby se přitom většinou ani nedají jednoznačně označit za čistě rotační nebo translační. Výrazný rozdíl je v rozsahu nezávislých pohybů. U technických zařízení se zatím počet nezávislých pohybů drží na úrovni minima pro dosažení libovolné polohy ve volném prostoru, zatímco lidská paže disponuje v tomto smyslu skoro pětinásobnou nadbytečností. V rámci konstrukce průmyslových manipulátorů a robotů se rozlišují tyto základní typy kinematických struktur hlavního pohybového systému: a) kartézská kinematická struktura - tvořená třemi translačními kinematickými dvojicemi: označení TTT; b) cylindrická kinematická struktura - tvořená dvěma translačními a jednou rotační kinematickou dvojicí: TRT; c) sférická kinematická struktura tvořená dvěma rotačními a jednou translační kinematickou dvojicí: RRT; Obr. 126 Kinematické struktury d) Angulární kinematická struktura - tvořená třemi rotačními kinematickými dvojicemi : označení RRR. Obr. 127 Angulární kinematická struktura Charakteristickou vlastností kinematické struktury manipulačního zařízeni je tvar a rozměry pracovního prostoru, který opíše koncový referenční bod při využití všech pohybových možností dané struktury. Dalším důležitým parametrem, který vychází z konstrukčního zpracování příslušné kinematické struktury je tzv. operační prostor vyjádřený rovněž tvarem, rozměry, popřípadě i objemem. Je to prostor, který opisuje daná konstrukce při realizaci činnosti s využitím celého pracovního prostoru. 19

20 Manipulační zařízení s kartézskou strukturou hlavního pohybového systému pracuje v prostoru tvaru kvádru a charakteristickou vlastností je, že při polohování nedochází ke změně orientace objektu. Pravoúhlá kinematická struktura se vyskytuje u tzv. portálových konstrukcí manipulačních zařízení. Obr. 128 Portálová konstrukce Manipulační zařízení s cylindrickou strukturou hlavního pohybového systému pracuje v prostoru tvaru válcového prstence a charakteristickou vlastností je, že při polohování dochází ke změně orientace objektu. Válcová struktura je často provedena jako konstrukce s otočným základním sloupem, který nese vertikálně a horizontálně pohyblivé hlavní manipulační rameno. Na konci ramene je umístěn vedlejší pohybový systém. Konstrukce s válcovou strukturou jsou rozšířené v aplikacích obsluhy výrobních strojů. V těchto případech je většinou zápěstí opatřeno posuvným pohybem nezbytným pro zasouvání a vyjímání objektů z upínače stroje. Angulární kinematická struktura s torusovým prostorovým pracovním prostorem je v současné době nejrozšířenější v konstrukcích univerzálních robotů, které mají zpravidla v rámci zápěstí zařazeny dva, případně tři rotační pohyby. 20

21 Obr. 129 Robot s angulární kinematickou strukturou Obr. 130 Pracovní rozsah robota s angulární kinematickou strukturou Robot disponuje rotačními pohyby, které jsou odvozeny od kompaktních elektromechanických motorových jednotek. Elektromechanický pohon je v současné době u univerzálních robotů malé a střední nosnosti (do 150 kg) samozřejmostí. Motorová jednotka obsahuje vedle motoru převodovku s velkým převodovým poměrem dopomala, elektromagnetickou brzdu, čidlo rychlosti (tachogenerátor) a čidlo polohy (nejčastěji optické čidlo s kódovými obrazci nebo inkrementální). V současné době se uplatňují převážně stejnosměrné motory s buzením permanentními magnety, ale současně do konstrukcí pohonů robotů rychle pronikají perspektivní střídavé motory. Motorová jednotka tvoří kompaktní celek nasunutý do příslušného kloubu, přičemž mechanickou vazbu zajišťuje pevná spojka a elektrické spoje - výkonové i signální, jsou provedeny přes konektory. Vlastní konstrukce mechanické části manipulátorů a robotů je tvořena především pohybovými jednotkami, které jsou konstrukčním zpracováním příslušné kinematické struktury a tzv. pracovní hlavice, což je funkční část umístěná na konci celého pohybového systému, tj. hlavního a vedlejšího a je svým provedením přizpůsobena charakteru dané aplikace. 21

22 Pracovní rozsah manipulátorů a robotů se zvětšuje jejich umístěním na tzv. transportní moduly. Obr. 131 Lineární podlahový modul Obr. 132 Rotační modul 22

23 Obr. 133 Portálový modul Souřadnicové systémy robotů Pomocí souřadnic jsou stanovovány body v pracovním prostoru robotu. Rozlišujeme : Prostorové souřadnice (pravoúhlé, kartézské). Podobně jako u číslicově řízených obráběcích strojů jsou polohy bodů v pracovním prostoru stanovovány pomocí pravoúhlého kartézského systémy. Poněvadž se přitom vždy vztahují k počátku souřadného systému, jsou také označovány jako absolutní souřadnice. Ke třem pravoúhlým osám X, Y, a Z je často zapotřebí definovat natočení kolem těchto os (rotační pohyb). Obr. 134 Souřadnicové systémy robotů 23

24 K najetí na požadovaný bod v prostoru s příslušnou orientací chapadla potřebuje koncový člen robotu 6 na sobě nezávislých směrů pohybu. Na sobě nezávislé směry pohybu označujeme jako stupně volnosti. Poloha koncového členu označeného např. F1 je určena následujícími údaji: F1 = (X, Y, Z, A, B, C), kde X, Y, Z jsou souřadnice v lineárních osách (mm) kde A, B, C určuje natočení kolem lineárních os (stupně) Souřadnice chapadla (souřadnicový systém vztažený k nástroji). V mnoha případech je výhodnější programovat polohu robotu v souřadném sytému, který je vztažen k chapadlu. Počátek souřadnicových os je přitom umístěn do středu chapadla. Kladný směr osy Z směřuje od chapadla směrem k součásti hlavní pracovní směr. Souřadné osy chapadla XG, YG, ZG Přidáním písmene G (gripper chapadlo) se tyto osy odlišují od prostorových souřadnicových os. Obr. 135 Souřadnice chapadla Souřadnice stroje (souřadnice kloubů). U robotů s kloubovými rameny lze udávat polohu jednotlivých os uvedením úhlu natočení. Úhly natočení kloubu jsou souřadnice vztažené ke stroji, které mohou být přepočítány řízením na pravoúhlé prostorové souřadnice. Dále je uveden zjednodušený výpočet pouze pro rovinu X/Z. Pomocí goniometrických funkcí lze na základě pravoúhlých trojúhelníků dle obr. 136 odvodit následující vztahy: 24

25 Obr. 136 Transformace souřadnic hodnota X = L2. sin β + L3. cos (β + γ 90) hodnota Z = L1 + L2. cos β L3. sin (β + γ 90) Z tohoto musí řízení ve zlomcích milisekundy vypočítat hodnoty úhlů β a γ Pohony průmyslových robotů a manipulátorů Funkcí pohonu manipulátoru i průmyslového robotu je přeměna vstupní - primární energie na mechanický pohyb. Pohon je tvořen motorem, který zprostředkovává tuto přeměnu, blokem pro ovládání energie do motoru a spojovacím blokem, který zprostředkovává vazbu mezi výstupem motoru a pohyblivou částí pohybové jednotky. Pohyb z výstupu motoru se na výstup pohybové jednotky přenáší buď přímo nebo přes transformační blok. V souvislosti s průmyslovými manipulátory a roboty jsou na jejich pohony kladeny především tyto požadavky: 1. plynulý bezrázový rozběh a brzdění; 2. vysoká přesnost polohování; 25

26 3. dostatečná polohová tuhost; 4. minimální hmotnost; 5. minimální rozměry; 6. vhodné prostorové uspořádání. Plynulý bezrázový rozběh a brzdění Plynulý bezrázový chod je požadován z několika důvodů. Prvním je bezpečnost držení přenášeného objektu, pro jejíž zaručení je při plynulém pohybu třeba menší úchopná síla než při pohybu s rázy. Dalším důvodem je vyloučení kmitání pracovních hlavic kolem konečné polohy, ke kterému by vzhledem k malé tuhosti konstrukcí mohlo docházet. Je zřejmé, že při pohybu s rázy je nepříznivější namáhání konstrukce a dochází k jejímu rychlejšímu opotřebení. To se projevuje ve snížení spolehlivosti a životnosti zařízení. Vysoká přesnost polohování Přesnost polohování pracovní hlavice je závislá na kinematické struktuře a na tuhosti její realizace, na přesnosti ovládání pohonu a na způsobu registrace polohy. Při ovládání pohonu v souvislosti s řízením pohybu se rozlišují dva základní principy: řízení pohybu bez zpětné vazby - otevřený systém; řízení pohybu se zpětnou vazbou - uzavřený systém. Dostatečná polohová tuhost Charakteristickou vlastností činnosti pohybových jednotek manipulátorů a robotů jsou přetržité vratné pohyby. Od pohonu pohybové jednotky, která je v klidu, se požaduje udržení dosažené polohy i při působení vnějších sil do určité úrovně. Polohovou tuhostí se potom rozumí schopnost pohonu udržet dosaženou polohu. Tato se zajišťuje v rámci konstrukce vazby mezi výstupem motoru a výstupem pohybové jednotky. Vysokou polohovou tuhostí disponují např. hydraulické motory při zablokování kapaliny v pracovním prostoru motoru prostřednictvím rozvaděče. Minimální polohovou tuhost mají elektromotory a pneumatické motory. V tomto případě je řešením např. umístění brzdy mezi výstup motoru a výstup pohybové jednotky. Toto uspořádání je ovšem problematické s ohledem na dále uvedené požadavky na pohon. Minimální hmotnost Hmotnost pohonu ovlivňuje celkovou hmotnost pohybové jednotky. U sériových koncepcí kinematických struktur, kdy pohony mohou být umístěny přímo v prostoru jednotlivých pohybových jednotek ovlivňuje hmotnost pohonů dynamické chování celé 26

27 konstrukce manipulátoru nebo robotu. Požadavkem na minimální hmotnost pohonu se sleduje dosažení situace s minimálními hmotnostmi pohybujících se částí konstrukce s ohledem na dynamiku a energetickou náročnost. Minimální rozměry Minimální rozměry pohonu souvisí jednak s předcházejícím požadavkem na minimální hmotnost a jednak s vytvořením předpokladů pro dosažení co nejlepších manipulačních vlastností. V druhém případě jde o problém překrývání pracovního prostoru manipulátoru nebo robotu částmi jeho konstrukce. Vhodné prostorové uspořádání Vhodné prostorové uspořádání pohonu ovlivňuje celkové uspořádání konstrukce manipulátoru nebo robotu, a tím se podílí na pracovních možnostech celé konstrukce ve vztahu k úrovni schopností pro činnost v prostoru s překážkami apod. Hlavním prvkem pohonu je motor. Podle druhu energie přiváděné na vstup motoru se rozlišují pohony: elektrické; tekutinové; kombinované. Elektrické pohony pracují s elektromotory. Tekutinovým pohonem se rozumí hydraulický, popřípadě pneumatický pohon. Kombinované pohony lze chápat buď v rámci pohonu jedné pohybové jednotky nebo v rámci celého manipulátoru. V prvním případě jde např. o spojení elektromotoru přes kopírovací systém s hydromotorem a v druhém případě je např. některá pohybová jednotka manipulátoru vybavena elektromotorem a jiná tekutinovým motorem. V poslední době je nejrozšířenější v oblasti konstrukce robotů elektrický pohon. Hydraulický pohon byl do značné míry postupně vytlačen do prostoru zařízení vyšších nosností. Pneumatický pohon zaujímá významné postavení v konstrukcích jednoduchých manipulátorů s nižší nosností (asi do 10kg). Je třeba připomenout, že na počátku novodobého vývoje manipulačních prostředků, tj. asi před třiceti lety byly s výraznou převahou používány tekutinové pohony. Podstatným důvodem byla jednoduchá konstrukce motoru s významnou předností rozměrových a provozních parametrů přímočarých tekutinových motorů, které mohou pracovat s přímou vazbou na výstup pohybové jednotky, a tedy bez transformačního bloku. Elektrický pohon se dostal do popředí zásluhou moderních typů mechanických převodů, které s moderními typy elektromotorů umožnily nástup výhodných kloubových kinematických struktur. Strukturu pohonu manipulátoru i robotu tvoří podle blokového znázornění tyto hlavní funkční části: 27

28 1. motor (elektrický, hydraulický, pneumatický); 2. ovládací blok (elektrický, hydraulický, pneumatický, kombinovaný); 3. transformační blok (zařízení pro přizpůsobení charakteru pohybu a parametrů pohybu mezi výstupem motoru a výstupem pohybové jednotky). Elektrický pohon Postupným rozšířením moderních stejnosměrných, a v poslední době i střídavých motorů, v kombinaci s harmonickými a cykloidními převodovkami se dostal elektrický pohon na přední místo v konstrukcích, zejména u robotů střední nosnosti. Zatím převažují pohony do maximálního výkonu asi 6 kw. Tím je dána možnost využívat servopohony určené pro CNC obráběcí stroje, které se vyznačují velkým regulačním rozsahem rychlosti (při rotačním pohybu až 1:20000) a ve spojení s číslicově řízenými systémy velkou přesností nastavení polohy v uzavřené smyčce. Za výhody elektrického pohonu je považována činnost se snadno dostupným zdrojem energie, jednoduchost vedení zdroje k motoru, jednoduchost spojení s řídícími prvky, poměrně jednoduchá údržba, čistota provozu. V porovnání s hydraulickým pohonem vystupuje do popředí především nižší hlučnost, menší nároky na chlazení i na celkový instalovaný prostor a nižší pořizovací, provozní i udržovací náklady. Za nevýhody se považuje závislost na dodávce elektrické energie, která není u průmyslových zařízení významná, značné požadavky na kvalitu provedení všech částí mnohdy složitých systémů a nebezpečí úrazu elektrickým proudem, které je většinou zaviněno nedodržením bezpečnostních předpisů. V pohonech manipulátorů a robotů se uplatňují prakticky všechny základní typy elektrických motorů. Jde o motory: 1. s rotačním výstupem: rotační motory se spojitým pohybem; rotační krokové motory; otočné elektromagnety. 2. s přímočarým výstupem lineární motory se spojitým pohybem; lineární krokové motory; hybridní motory; přímočaré elektromagnety. 28

29 Elektrické motory se uplatňují ve dvou verzích: střídavé motory; stejnosměrné motory. Součástí elektrického pohonu jsou vedle elektromotorů ovládací a jistící prvky, říditelné zdroje elektrické energie pro napájení hlavních a budících vinutí a prvky pro automatické řízení výstupních parametrů pohybových jednotek. Nejjednodušším typem elektrického pohonu s rotačním pohybem je pohon s asynchronním elektromotorem s kotvou nakrátko. Pro menší výkony se používají jednofázové motory s pomocnou fází a kondenzátorem. Pro větší výkony se používají asynchronní motory třífázové s kotvou nakrátko. V asynchronním motoru trojfázové střídavé napětí vytváří magnetické točivé pole, které obíhá ve vzduchové mezeře mezi statorem a rotorem a prostřednictvím proudů v rotoru (kotva nakrátko) vzniká síla, která otáčí rotorem. Vzniklý točivý moment již můžeme mechanicky odebírat na hřídeli rotoru. Obr. 137 Asynchronní elektromotor Krokové motory Vzhledem k rozvoji číslicové techniky, a s tím souvisejícího zpracování digitální informace, se rozšiřuje užití tzv. krokových motorů, jejichž úhel natočení hřídele je dán počtem impulzů přivedených na řídící vinutí. Charakteristickým znakem je proto nespojitý pohyb hřídele, daný úhlovými skoky kroky, které jsou odezvou rotoru na jeden řídící impulz. Pracují s využitím nespojité změny složek elektromagnetického pole. Této diskrétní změny se dosahuje impulsním buzením vinutí motoru. Proudovými impulsy do prostorově rozložených cívek se vytváří nespojitě se otáčející pole, které unáší působením synchronizačního momentu rotor. Poloha hřídele motoru je úměrná počtu přivedených impulsů, rychlost otáčení je závislá na frekvenci impulsu. Předností krokových motorů je jednoduché řízení rychlosti pohybu prostřednictvím jejich počtu. Podstatnou nevýhodou je poměrně malý kroutící moment, který klesá s rostoucí frekvencí řídících impulsů. Z těchto 29

30 důvodů lze elektrické krokové motory použít k přímému pohonu pohybových jednotek menších výkonů. V případě konstrukcí manipulátorů a robotů jde o výkony odpovídající nosnosti do 1 kg. Pro větší výkon se elektrický krokový motor používá v kombinaci s hydraulickým zesilovačem. Obr. 138 Krokový motor Otočné elektromagnety Používají se pro natáčení o určitý úhel, k realizaci přímočarých vratných pohybů, popřípadě ve spojení s rohatkovým mechanismem i k realizaci kratších přímočarých pohybů. Výhodná je možnost řízení kroutícího momentu změnou proudu. Otočné elektromagnety přicházejí v úvahu pro pohon ústrojí přídavných pohybů pracovních hlavic a k ovládání úchopných čelistí. Výkon většiny vyráběných typů leží v rozmezí W, úhel natáčení 25 o95o a kroutící moment až do 5 Nm. Obr. 139 Otočný elektromagnet Lineární motory Patří mezi nejmodernější typy převodníků energie. Umožňují přímou transformaci elektrické energie na mechanickou energii translačních pohybů postupných nebo kmitavých. Pro číslicové řízení jsou vhodné zejména krokové a hybridní motory. U lineárních krokových 30

31 motorů se v podstatě uplatňuje princip činnosti rotačních krokových motorů. Lineární krokový motor charakterem funkce nahrazuje rotační krokový motor s převodem rotačního pohybu na translační. Při stejných požadavcích na parametry výstupu bude u lineární verze jemnější krokování a nižší pracovní frekvence. Mechanický přenosový systém je při použití lineárního motoru jednodušší, neboť odpadají převody, což se příznivě projevuje na dynamických vlastnostech. Určitým nedostatkem je menší konečná polohová tuhost, kterou u rotačních krokových pohonů zajišťuje samosvornost převodu. Lineární hybridní motor odpovídá z hlediska činnosti spojení lineárního indukčního motoru se spojitým přímočarým pohybem na výstupu a lineárního krokového motoru. Nejde ovšem o konstrukční spojení dvou lineárních motorů, ale o jedinou jednotku, schopnou pracovat ve dvou režimech. Lineární elektromotory jsou vzhledem k parametrům a k možnosti řízení předurčeny především pro pohon hlavních pohybových jednotek manipulátorů a robotů. Jistou překážkou jejich uplatnění u stávajících konstrukcí je zatím jejich poměrně značná robustnost a problém s chlazením. Obr. 140 Elektrický lineární pohon Obr. 141 Aplikace lineárního pohonu Přímočaré elektromagnety 31

32 Používají se v konstrukcích ovládacích mechanismů úchopných hlavic, popřípadě v pohonech pohybových jednotek s menšími rozsahy pohybu - jde tedy především o realizaci přídavných pohybů pracovních hlavic, ovládání přestavitelných dorazů apod. Rozsáhlé využití nacházejí jako ovládací prvky rozvaděčů, ventilů, spojek a brzd. Stejnosměrné magnety jsou vhodné pro větší stálé síly a menší zdvihy, zatímco střídavé elektromagnety se používají pro větší zdvihy. U běžných provedení elektromagnetů lze uvažovat rozsah zdvihů 10 až 50 mm a rozsah silových účinků N. Obr. 142 Přímočarý elektromagnet Pneumatický a hydraulický pohon Pneumatický a hydraulický (tekutinový) pohon se v konstrukcích manipulátorů a robotů uplatňuje ve dvou hlavních oblastech. Hydraulický pohon v zařízeních především větších výkonů a to jak se spojitým řízením pohonu, tak i při realizaci jednoduchých pohybových funkcí. Pneumatický pohon je zajímavý pro konstrukce jednodušších manipulátorů s menší nosností a periferních prvků a zařízení automatizovaných pracovišť. V souvislosti s konstrukcemi manipulátorů a robotů lze uvést tyto přednosti tekutinového pohonu: možnost realizace přímočarých pohybů konstrukčně jednoduchými, rozměrově malými a spolehlivými motory bez nutnosti zařazení transformačního bloku; jednoduché spojité řízení základních parametrů pohonu, tzn. síly, kroutícího momentu, rychlosti v celém rozsahu prostřednictvím řízení tlaku a proudu tekutiny; nízká hodnota poměru hmotnosti a výkonu, zejména u hydraulických motorů; možnost přetížení motoru bez nebezpečí poškození. Hydraulické i pneumatické pohony pracují se stejným druhem média, s tekutinou. Z rozdílných vlastností kapalin a plynů se na rozdílných vlastnostech mechanismů podílí především různá poddajnost a viskozita. Jako pracovní kapaliny se v hydraulických mechanismech používají minerální oleje, pracovním médiem pneumatického pohonu je stlačený vzduch. U hydraulických pohonů se projevují v porovnání s pneumatickými pohony tyto přednosti: 32

33 velká tuhost; plynulý chod, možnost dosažení i malých rychlostí pohybů bez převodů, a to s velmi dobrou rovnoměrností; velká účinnost. Obr. 143 Hydrogenerátor Nedostatkem hydraulického pohonu je: potřeba samostatného, odděleného energetického bloku; poměrně obtížné dosažení vyšších pohybových rychlostí; závislost viskozity kapaliny na teplotě, což se projevuje ve změně tlakových poměrů a případně i rychlosti pohybu motoru; hořlavost některých druhů pracovních kapalin. Přednosti pneumatického pohonu jsou: možnost připojení na centrální rozvod stlačeného vzduchu v rámci pohonu, jednoduchý rozvod bez zpětného odvádění vzduchu z motoru; možnost dosažení rychlých přímočarých pohybů; možnost činnosti ve velkém tepelném rozsahu, ve výbušném prostředí a v provozech s nebezpečím vznícení od otevřeného ohně. Obr. 144 Pneumatický pohon 33

34 Obr. 145 Kloubová hlavice pneumatického pohonu Nedostatky pneumatického pohonu: obtížné udržování rovnoměrného pohybu, zejména při malých rychlostech; poměrně komplikované mazání pohyblivých částí prvků mechanismu; poměrně drahý provoz, výroba stlačeného vzduchu je (6-8)krát dražší než výroba elektrického proudu a asi 4krát dražší než výroba tlakové kapaliny. S ohledem na uvedené skutečnosti lze říci, že použití pneumatického pohonu je účelné u manipulátorů menších výkonů, tj. asi do 1 kw, jednodušších pracovních cyklů, kde se vystačí s nastavováním polohy na pevné dorazy a kde nevadí obtížné řízení rychlosti pohybu a jeho nerovnoměrnost. Kombinovaný pohon Smyslem této koncepce pohonu je soustředění výhodných vlastností různých druhů pohonů v jednom pohonu. Kombinované pohony pracují s různými druhy nositele energie a většinou se pod tímto označením rozumí kombinace v bezprostřední blízkosti motoru. I když je teoreticky možné při použití elektrického, hydraulického a pneumatického pohonu vytvořit 6 různých typů kombinovaného pohonu, má zatím praktický význam jen elektrohydraulický a pneumohydraulický pohon. V případě elektrohydraulického pohonu se sleduje využití možností řízení elektromotorů, jejich jednoduchého spojení s elektrickými řídícími systémy a výhodnými vlastnostmi hydromotorů. U tohoto typu pohonu je na vstupu elektromotor, nejčastěji stejnosměrný nebo krokový, a na výstupu hydromotor. Způsob spojení mezi oběma motory je proveden tak, že dochází k přenosu pohybu od elektromotoru na hydromotor v přesně definovaném poměru natočení, popřípadě natočení - posunutí a s výkonovým zesílením. Podstatnou vlastností spojení je tedy polohová zpětná vazba. Elektromotor plní řídící funkci a jeho pohyb je sledován hydromotorem se zesíleným výkonem. 34

35 Rozlišují se elektrohydraulické pohony rotační a přímočaré. U obou je na vstupu elektromotor s rotačním pohybem, který představuje prvek pro ovládání rozvodu tlakové kapaliny do hydromotoru. V rámci tohoto prvku je zároveň realizována mechanická polohová zpětná vazba od výstupu pohonu na vstup. Nevýhodou elektrických krokových motorů je poměrně malý kroutící moment a jeho velká závislost na pracovní frekvenci, nebo naopak závislost kritické frekvence na zátěži, zejména na jejím momentu setrvačnosti. Tento nedostatek odstraňuje spojení s hydraulickými zesilovači, kde zatížení krokového motoru představují jen odpory šoupátka rozvodu. Kombinovaný pohon uvažovaný v rámci celé konstrukce manipulátoru nebo robotu znamená uplatnění různých druhů primární energie na vstupu různých pohybových jednotek. V tomto případě jde např. o využití elektrického pohonu u transportního modulu s větším rozsahem pohybu a hydraulického pohonu na úrovni základního pohybového systému robotu nebo manipulátoru. Rozšířené jsou kombinace na úrovni pohybový systém - ovládací systém pracovní hlavice. Z čistě provozního hlediska je samozřejmě výhodnější uplatnění pohonů se stejným druhem pracovního média, a z tohoto důvodu nejsou kombinované pohony uvedeného typu příliš rozšířené. Dá se říci, že kombinace různých typů pohonů u jedné konstrukce je častější u jednoúčelových provedení, zejména u manipulátorů. Uspořádání pohonu pohybových jednotek v konstrukci PRaM V rámci konstrukce manipulátoru nebo robotu může být pohon jednotlivých pohybových jednotek uspořádán: odděleně, každá pohybová jednotka je opatřena pohonem se samostatným motorem; společně, jednotlivé pohybové jednotky mají pohon odvozen od společného motoru. Oddělené uspořádání pohonu je typické pro konstrukce robotů a často i manipulátorů. Společné řešení pohonu se zatím vyskytuje především u manipulátorů, přičemž se rozlišují tyto modifikace společného pohonu: paralelní uspořádání, u kterého je od výstupu společného motoru odvozen pohon dvou, popřípadě i několika pohybových jednotek v paralelních větvích. Rozvětvení za motorem může být řešeno např. prostřednictvím společného transformačního bloku, třeba v podobě vačkového hřídele. Druhým příkladem řešení je umístění dílčích ovládacích bloků na vstupech paralelních větví. Konkrétním provedením v tomto případě je spínání rotačních pohybů na vstupu paralelních větví prostřednictvím spojek v kombinaci s brzdami; sériové uspořádání, u kterého je pohyb každé následující pohybové jednotky odvozen od pohybu předcházející jednotky; semiparalelní uspořádání vychází z kombinace společného sériového a paralelního pohonu v jedné konstrukci manipulátoru. Možnost oddělení motoru od pohonu vede k uvažování uspořádání pohonu v rámci konstrukce manipulátoru na dvě koncepce: vnitřní pohon; 35

36 vnější pohon. V případě vnitřního pohonu je motor součástí konstrukce manipulátoru, u vnějšího pohonu se využívá odvození pohybu od pohonu spolupracujícího zařízení. Takováto verze pohonu má smysl jen v souvislosti s koncepcí označenou jako společný pohon. Vyskytuje se zejména u účelových manipulátorů, např. pro automatickou výměnu nástrojů výrobních strojů Pracovní hlavice Pracovní hlavice je funkční část umístěná na konci celého pohybového systému, tj. hlavního a vedlejšího a je svým provedením přizpůsobena charakteru dané aplikace. Činnost manipulátoru nebo robotu spočívá v nastavování diskrétních poloh pracovní hlavice nebo ve spojitém pohybu pracovní hlavice po obecně definované prostorové dráze, přičemž se zpravidla řídí i orientace pracovní hlavice. Pracovní hlavice je tedy funkční část, která podle charakteru požadované činnosti určuje využití pohybového systému manipulačního prostředku. Pracovní hlavice je umístěna na výstupu pohybového systému manipulátoru nebo robotu, a proto se setkáváme v této souvislosti i s označením výstupní hlavice. Provedení pracovní hlavice odpovídá charakteru aplikace manipulátoru nebo robotu a ve výrobě lze uvažovat těchto charakteristických typech aplikací: 1. vkládání objektů do pracovního prostoru výrobních zařízení a jejich vyjímání; 2. mezioperační manipulace; 3. technologická operace; 4. kontrolní operace. Podle charakteristických typů operací prováděných manipulátory nebo roboty lze uvažovat těchto typech pracovních hlavic: úchopné hlavice; technologické, kontrolní a měřící hlavice; speciální hlavice; kombinované hlavice. Úchopné hlavice umožňují zachycení objektů při manipulaci. Hlavní částí technologické hlavice je příslušný nástroj, nebo systém nástrojů, u kontrolní nebo měřící hlavice jde potom o čidla pro sledování jistých veličin. Kombinované hlavice mohou zajišťovat v rámci jedné konstrukce dvě i několik funkcí. 36

37 Technologické hlavice, umožňují provádění technologických operací a jejich, charakteristickým znakem je odpovídající nástroj. Příkladem může být stříkací pistole, kleště pro bodové svařování, brousící vřeteno atd. Koncepce pracovní hlavice umožňuje buď realizaci jediné operace a nebo několika operací. Příslušná operace může být ovšem dále vázána například v případě úchopných hlavic na určitý typ objektu určitého tvaru a rozměrů. Z hlediska rozsahu realizovaných operací lze rozlišit dvě kategorie pracovních hlavic: monofunkční; multifunkční. Pro konstrukci multifunkčních pracovních hlavic jsou v současné době k dispozici dva koncepční přístupy: změna funkce aktivací pracovní pozice revolverové pozice revolverové hlavy; změna funkce automatickou výměnou pracovní hlavice. Úchopné hlavice Při zachycení objektu v úchopné hlavici jsou v rovnováze vnější síly působící na objekt. Síly, jejichž působením je držen objekt, označujeme jako úchopné síly. Uchopení objektu je doprovázeno mechanickým stykem tzv. úchopných prvků hlavice s povrchem objektu a prakticky použitelné technické prostředky umožňují uchopení objektu dvěma způsoby: a. s oboustranným mechanickým stykem s hlavicí; b. s jednostranným mechanickým stykem s hlavicí. V prvním případě jsou úchopné síly vyvozeny mechanickými prostředky a působí proti sobě v protilehlých částech povrchu tělesa. Jde o stejný princip mechanického uchopení, jaký je s velkou rozmanitostí využíván lidskou rukou. U technických realizací jde o konstrukce úchopných hlavic s mechanickými čelistmi. Při uchopení s jednostranným mechanickým stykem s hlavicí se využívá působení gravitačních, magnetických a podtlakových sil. Hlavními částmi struktury úchopné hlavice jsou tzv. úchopné prvky, které jsou umístěny na nosné části hlavice. Úchopné prvky přicházejí do styku s povrchem objektu a realizují zachycení objektu v hlavici. Úchopné prvky, jejichž funkce může být bezprostředně ovládána řídícím systémem se označují jako aktivní úchopné prvky. Obdobně pod označením pasivní úchopné prvky se rozumí prvky, které umožňují uchopení objektů při manipulaci, ale úchopnou sílu nelze přímo ovládat řídícím systémem (úchopné prvky bez přímého ovládacího vstupu). V souvislosti s 37

38 principy uchopení objektů a s uvažováním rozdělení podle možnosti ovládání úchopné síly budeme rozlišovat úchopné prvky: mechanické pasivní (pevné opěry, odpružené čelisti); aktivní (pohyblivé čelisti s pohonem). Mezi nejjednodušší prostředky k zachycení objektů při jejich přenášení patři různé typy tvarových lůžek, čepy, vidlice, háky, pružné čelisti apod., které označujeme jako pasivní mechanické úchopné hlavice. Například hák nebo čep je podle uvedené klasifikace úchopnou hlavici s jedním pasivním prvkem. Poměrně často se u nejjednodušších manipulátorů - jednoúčelových podavačů, používají prizmatická lůžka. Úchopná síla se v tomto případě vyvozuje vlastní tíhou objektu, kterou je objekt přitlačován k pevným opěrám. Pohyb ramene manipulátoru musí být plynulý, bez rázů, aby nedošlo k vypadnutí objektu. Pro určitý směr pohybu, a k tomu vztaženou orientaci lůžka, je třeba respektovat maximální přípustné zrychlení vzhledem k bezpečnému zachycení objektu. Aktivní mechanické úchopné hlavice jsou často označovány jako mechanická chapadla. Jsou vybaveny ovládanými pohyblivými čelistmi - aktivní úchopnými prvky. K uchopení objektů dochází jako v případě uchopování lidskou rukou. Vzhledem k velkému počtu použitelných řešení a jejich různorodosti je možné sledovat konstrukce mechanických úchopných hlavic jen s uvažováním omezeného počtu hledisek. Obr. 146 Úchopná hlavice robota 38

39 Obr. 147 Schéma mechanické úchopné hlavice podtlakové pasivní (deformační přísavky); aktivní (podtlakové komory s řízeným vyvození podtlaku). Pasivnými podtlakovými prvky jsou pryžové deformační přísavky. K vyvození úchopné síly dochází po přitlačení přísavky na povrch objektu. Její deformací se nejdříve zmenší objem vnitřního prostoru a při zpětném pohybu, kdy se pružnost stěn přísavky opět do určité míry zvětší, vzniká podtlak. Úchopná síla závisí kromě změny vnitřního objemu i na tvaru a tuhosti přísavky. Používají se dvě základní provedení deformačních přísavek. Na obr. a) je uveden příklad řešení pryžové deformační přísavky s uchycením na čep. Delší poddajná válcová část umožňuje přizpůsobení i mírně zakřivenému povrchu objektu. Není-li zaručen dostatečně hladký povrch objektu, je možné použít provedení podle b) Proměnný vnitřní objem je vytvořen jako válec s odpruženým pístem. V závislosti na velikosti proměnného objemu je možné udržovat podtlak i při určitých netěsnostech styku pryžové planžety s povrchem objektu. Velikost úchopné síly se dá nastavit při stejné činné ploše manžety změnou tuhosti pružiny. Uvolňování objektů z přísavek se provádí stejným způsobem jako u ostatních typů pasivních úchopných prvků, tj. stržením při zpětném pohybu po zachycení objektu nějakým jiným zařízením. Velkou výhodou úchopných hlavic s deformačními přísavkami je jejich jednoduchost. Přitom mohou pracovat jak v plynném, tak v kapalném prostředí. Aktivní podtlakové úchopné prvky, které jsou označovány také jako podtlakové komory, využívají při vyvození úchopné síly podtlaku, který se vytváří buď vývěvou, nebo ejektorem. 39

40 Obr. 148 a) schéma pryžové deformační přísavky s uchycením na čep b) schéma přísavky s odpruženým pístem Obr. 149 Přísavky Obr. 150 Přísavky na různé tvary karoserie magnetické 40

41 Používají se při manipulaci s objekty z feromagnetických materiálů. Mezi pasivní úchopné prvky patří permanentní magnety, zatímco elektromagnety počítáme k úchopným prvkům aktivním. Velkou předností magnetických úchopných hlavic je jednoduchost. Výhodná je i možnost jednoduchého přizpůsobení tvaru objektu rozmístěním jednotlivých magnetů. Jejich počtem je určena úchopná síla. Nevýhodou je zachycování i jiných magnetických předmětů, zejména drobnějších částic, které mohou narušit polohu uchopeného objektu. Úchopné hlavice s permanentními magnety jsou vhodné pro manipulaci s magnetickými objekty menších rozměrů o malé hmotnosti, jinak vznikají problémy s uvolňováním, které se provádí stejným způsobem jako u ostatních typů pasivních úchopných hlavic. Aktivní magnetické úchopné hlavice využívají elektromagnetů a jejich konstrukce je obdobná. Nejvíce aplikací, ve kterých najdou uplatnění elektrické úchopné hlavice, souvisí s manipulací s měkkými či křehkými výrobky, u kterých hrozí jejich rozbití nebo deformace díky příliš velké úchopné síle. Další rozšířenou aplikací je kontrola kvality přenášených výrobků měřením jejich rozměru již při samotném uchopení či detekce přítomnosti přenášeného materiálu. Významnou výhodou je bezpečnostní funkce všech elektrických úchopných hlavic. Při výpadku napájení totiž nedojde k uvolnění čelistí, takže se přenášený výrobek nemůže uvolnit. Obr. 151 Elektrická úchopná hlavice Počet úchopných prvků v konstrukci úchopné hlavice závisí na prostorové členitosti, rozměrech, tuhosti a hmotnosti objektu, podíl počtu pasivních a aktivních prvků v celkovém počtu úchopných prvků je určován především požadavky na přesnost zachycení objektu v hlavici. Podle počtu úchopných prvků se rozlišují úchopné hlavice jednoprvkové; víceprvkové. 41

42 Obr. 152 Čtyřprstá úchopná hlavice Obr. 153 Tříbodová chapadla Technologické hlavice Využívání průmyslových robotů pro realizaci technologických operací, popřípadě celých procesů, lze v současné době pokládat za počátek předpokládaných možností. Na druhé straně je ale velmi těžké odhadnout rozsah jejich dalšího uplatnění. Je totiž nutné počítat s vývojem dosavadních technologií, se zaváděním úplně nových technologií, ale i s vývojem koncepcí i konstrukčního provedení robotů. Předmětem úvah a diskusí je i uplatnění robotů v tradičních výrobních oborech, které mají v současné době k dispozici výrobní prostředky na velmi vysoké úrovní. Jde například o třískové obrábění, které je zajišťováno rozsáhlým sortimentem univerzálních i jednoúčelových obráběcích strojů a v poslední době se ve zvýšené míře uplatňují i obráběcí centra, bezobslužné obráběcí stroje a pružné výrobní systémy. Objekt technologického procesu je umístěn v pracovním prostoru stroje a kolem jsou určitým způsobem prostorově uspořádány funkční jednotky s příslušnými nástroji. V průběhu technologického postupu může objekt svoji polohu měnit. Změna polohy je buď součástí dané operace, jako například při frézování, anebo se díky změně polohy dostane objekt do pracovního prostoru jiné skupiny nástrojů, jak je tomu u obráběcích linek. Operace mohou probíhat současně na různých plochách objektu. Výrobní možnosti zařízení typu obráběcích linek a pružných výrobních systémů, pokud jde o produktivitu, jsou takové, že lze těžko v dohledné době očekávat jejich vhodnější náhradu. V kusové a malosériové výrobě se operace provádějí postupně většinou na různých strojích a při různých polohách objektu. V takovém případě je možné uvažovat o nasazení průmyslového robotu, vybaveného pracovním vřetenem s možností změny otáček a upnutí různých typů nástrojů. Využití stávajících provedení robotů pro tyto účely je zatím velmi problematické. Překážkou je především malá tuhost konstrukce, a s tím do značné míry související i malá přesnost polohování. Proto se s roboty zatím setkáváme u takových technologických operací, kde se tyto nedostatky neprojevují. Technologické operace prováděné robotem můžeme rozdělit do dvou skupin: 42

43 1.operace, při nichž nedochází k mechanickému styku výstupní hlavice s objektem technologického procesu; 2.operace s přímým mechanickým stykem výstupní hlavice s objektem technologického procesu. Obr. 154 Manipulátor obrobků integrovaný s obráběcím strojem Do první skupiny patří operace, které lze z hlediska obtížnosti realizace označit jako jednodušší. Je to zejména tím, že není nutné přesně přizpůsobovat polohu technologické hlavice skutečné poloze objektu, vystačí se s jednodušším principem řízení bez potřeby adaptivních schopností, jsou i menší požadavky na přesnost ustavení objektu v pracovní poloze. Při provádění operace není konstrukce robotu zatěžována vnějšími silami, které by nepříznivě ovlivňovaly především přesnost polohování. Do této skupiny operací spadá právě většina současných technologických aplikací robotů. Jako příklad lze uvést povrchové úpravy, čištění odlitků pískováním, obloukové svařování, svařování elektronovým paprskem aj. Operace s přímým mechanickým stykem technologické hlavice s objektem jsou provázeny vznikem vnějších sil, které zatěžují konstrukci robotu. Tyto operace mají většinou takový charakter, že je nutné buď přesně nastavovat konečnou relativní polohu nástroje, nebo řídit jeho relativní dráhu vzhledem k objektu. To lze zajistit v podstatě dvěma způsoby. V prvním případě se vychází z přesně definované polohy objektu, na kterou je situována činnost řídícího systému, který není vybaven adaptivními schopnostmi. Jde o jednodušší řešení, pro jehož úspěšnost musí být splněny i některé další podmínky, jako například malý rozsah tvarových a rozměrových nepřesností objektů. Daleko větší možnosti lze očekávat od využití adaptivních systémů. Přizpůsobení pohybu technologické hlavice skutečné dispozici objektu může být uskutečněno na úrovni řídícího systému, anebo přímo v rámci konstrukce hlavice. Adaptivní řídící systémy jsou schopny korigovat svoji činnost na základě informací čidel. V uvažované souvislosti jde o polohové nebo dráhové korekce technologické hlavice s využitím údajů polohových čidel, která jsou umístěna na hlavici a umožňují navádění nástroje vzhledem k objektu. Se spojitým přenosem informací o skutečné poloze jednotlivých bodů na povrchu objektu pracují kopírovací systémy. Tvar objektu i s uvažováním polohy v prostoru je sledován mechanicky dotekem, jehož pohyby se transformují na odpovídající pohyby technologické hlavice. 43

44 Při nastavování konečné relativní polohy nástroje, nebo při řízení relativního pohybu vůči objektu, je možné využívat i přímého mechanického navádění hlavice. Vodicí plocha je buď součástí objektu - například otvor, válcový nákružek apod., nebo je umístěna mimo objekt, například na přípravku. Korekci polohy v tomto případě umožňuje kompenzátor, který je součástí technologické hlavice. Závažným problémem při realizaci operací této skupiny je zajištění polohové tuhosti hlavice podle požadavků vyplývajících z charakteru operace. V jednodušších případech se vystačí s vlastní tuhosti konstrukce robotu, kterou lze někdy i zvýšit mechanickým zpevněním kloubů. Při vyšších požadavcích na polohovou tuhost v průběhu operace je nezbytné mechanické vedení zpevnit proti objektu. To lze provést mechanickým zachycením hlavice na objektu, na přípravku apod. Hlavice může být opatřena ovládanou čelistí, kterou se upne na objekt. Příkladem operací s mechanickým stykem technologické hlavice s objektem je odporové svařování a montáž. Typy technologických hlavic odpovídají jednotlivým operacím, podle kterých se rozlišují technologické hlavice: - svářecí odporové; - svářecí obloukové; - stříkací; - montážní, aj. Obr. 155 Využití robotu pro polyesterové nástřiky syntetických koupacích van 44

45 Obr. 156 Svářecí robot Je zřejmé, že počet různých typů a jejich provedení je tak velký, že není možné je jednotlivě sledovat. Společné charakteristické parametry, kterým je třeba při konstrukci věnovat pozornost, jsou: - hmotnost, rozměry; - operační schopnosti; - počet a uspořádání pomocných přívodů. Požadavky na hmotnost a rozměry jsou obdobné jako u úchopných hlavic. Jde samozřejmě o dosažení minimální hmotnosti, protože dynamické síly při rozběhu a zastavování musí být co nejmenší, aby nedocházelo ke kmitání nástroje v pracovní poloze. Toto nebezpečí vzniká při vedlejších pohybech, kterými se přemísťuje nástroj co nevyšší rychlostí mezi jednotlivými pracovními polohami. Operační schopnosti určuje kromě hlavního pohybového systému robotu i počet stupňů volnosti orientačního, popřípadě polohovacího systému samotné technologické hlavice a rozsah relativních pohybů. Na rozdíl od úchopných hlavic mají technologické hlavice často kromě energetických přívodů pohonných jednotek další přívody, které se označují jako pomocné nebo technologické. Jde například o přívody elektrického proudu a chladicí vody ke svářecím kleštím, přívody stlačeného vzduchu a barev k tryskám stříkacích hlavic. Uspořádání technologických i energetických přívodů může výrazně omezovat operační možnosti hlavice. Předpokládaná rozsáhlejší aktivní účast robotů při realizaci technologických operací v budoucnosti bude nutně zpětně ovlivňovat nejen strukturu výrobních postupů, ale v některých případech i konstrukci vyráběných součástí. Speciální hlavice 45

46 Do této kategorie patří: 1- jednoúčelové konstrukce, přísně přizpůsobené určité konkrétní aplikaci; 2- konstrukce využívající vývojově nové, tedy zatím neobvyklé prvky. Přizpůsobení úchopné hlavice způsobu nasazení může zahrnovat kromě vlastní mechanické konstrukce i umístění čidel pro rozlišení vlastností přenášených objektů (tvar, rozměr, hmotnost, teplota, drsnost povrchu apod.) nebo pracovního prostředí (teplota, tlak, světlo, radioaktivní záření apod.) Snímače Snímač je takový prvek, který je schopen sledovat měřenou neelektrickou veličinu a v závislosti na ní dodávat na výstupu veličinu jinou. Informace nutné pro činnost řídícího systému podle zadaného programu v paměti zprostředkovávají čidla, která lze rozdělit do dvou skupin : čidla vnitřní informace (interorecepce systému); čidla vnější informace (exterorecepce systému). 1. Čidla vnitřní informace slouží ke sledování činnosti systémů samotného manipulátoru nebo průmyslového robotu. Jde především o snímače polohy pohybových ústrojí. Do kategorie vnitřních informací patří dále rychlost a parametry, jejichž charakter souvisí s koncepcí jednotlivých systémů (tlak v hydraulickém obvodu, proud v obvodu kotvy elektromotoru apod.) a jejich vliv se projevuje přes doplňkové zpětnovazební smyčky při udržování správného pracovního režimu systému, jeho stability apod. Ke sledování polohy se používají : a) dvoupolohové spínače - kontaktní, bezkontaktní; b) vícepolohové spínače. 46

47 Obr. 157 Snímač koncové polohy Nejednodušší prostředky k rozlišení polohy jsou dvoupolohové spínače, které převádějí změnu polohy na diskrétní změnu napětí nebo proudu elektrického signálu tlaku nebo proudu tekutinového signálu. Spolehlivost a životnost elektrických kontaktních.prvků bývá nepříznivě ovlivňována opalováním nebo korozí kontaktů. Jsou ale k dispozici i provedení s kontakty chráněnými skleněným pouzdrem naplněným inertním plynem. Kontakty jsou ovládány magneticky. Nejpoužívanější elektrické bezkontaktní prvky využívají fotoelektrický princip nebo změnu magnetického odporu obvodu v závislosti na poloze sledovaného objektu. Standardní fotoelektrické senzory zajišťují nejvyšší spolehlivost pro detekci objektů a chodu, detekci na malé i na velké vzdálenosti. Obr. 158 Příklad zapojení fotoelektrického senzoru Pneumatické kontaktní spínače vznikly většinou miniaturizací klasických konstrukcí rozvaděčů a ventilů. Pro svou jednoduchost a malé rozměry jsou výhodná provedení pracující na principu klapka - tryska. U bezkontaktních pneumatických spínačů se nejčastěji využívá přerušení proudu vzduchu mezi dvěma tryskami nebo změny výstupního odporu trysky, což je doprovázeno změnou proudu, popřípadě tlaku. Podle charakteru výstupního signálu se snímače polohy s větší rozlišovací 47

48 schopností dělí na : a) analogové (odporové, indukční, kapacitní, selsyny, resolvery aj.); b) číslicové (snímače s kódovými obrazci, impulsní snímače). Potenciometry - převádějí přímočaré posunutí nebo natočení na spojitou změnu napětí prostřednictvím změny odporu. Nejdůležitějšími parametry je přesnost, rozlišovací schopnost, odolnost kontaktní dráhy proti korozi a mechanickému opotřebení. Výhodná jsou víceotáčková provedení, která vzhledem k dlouhé dráze mají větší rozlišovací schopnost a malé rozměry. Nedostatkem potenciometrů je vliv zátěže na průběh výstupního napětí a mechanický kontakt, který nepříznivě ovlivňuje spolehlivost i životnost. Obr. 159 Potenciometr Indukční snímače - pracují s využitím změny indukčnosti v závislosti na změně polohy některé části magnetického obvodu cívky. Předností je bezkontaktní činnost, nedostatkem omezený rozsah. Standardní indukční senzory zajišťují nejvyšší spolehlivost pro detekci kovových objektů a částí strojů od detekce na malé vzdálenosti po detekci na velké vzdálenosti. Obr. 160 Indukční senzory Kapacitní snímače - jsou vhodné pro velmi přesná měření v malém rozsahu. Změnou vzájemné polohy elektrod kondenzátoru, který se napájí střídavým signálem, se mění impedance. Změna polohy se projevuje změnou plochy nebo změnou vzdálenosti elektrod. 48

49 Předností kapacitních snímačů je malá direktivní síla a velká životnost. Obr. 161 Bezdotykový kapacitní senzor vzdálenosti Kapacitní snímače měří např. odstup, délku, rozměry nebo polohu proti všem elektricky vodivým předmětům (např. kovy). S využitím linearizační funkce je možné i měření proti izolačním materiálům. Selsyny se nejčastěji používají pro: dálkovou indikaci polohy nebo pohybu - přenášejí neelektrické veličiny na vzdálenosti, na které by se mechanické veličiny nedaly přenést (např. poloha antény, tlakoměru, teploměru, ventilu, šoupátka, plováku atd.); dálkovou regulaci a programová řízení - např. pro natáčení ventilů a šoupátek, natáčení antény atd.; přenos točivého momentu (elektrický hřídel) - synchronizuje točivý pohyb dvou nebo několika mechanismů (např. synchronizace papírenských strojů, textilních strojů, válcovacích stolic, velkých portálových jeřábů atd.). Obr. 162 Selsyn Resolvery speciální enkodéry umožňující velmi přesné měření úhlů. Princip činnosti je stejný jako u selsynu, rotor i stator má dvě nezávislá vinutí, jejichž osy svírají úhel

50 Obr. 163 Resolver Snímače s kódovými obrazci - převádějí polohu na absolutní číslicový údaj. Kódový obrazec je osvěcován světelným zdrojem a snímán fotoelektrickými prvky. Prostřednictvím kódového obrazce, který je spojen s pohybující se částí, může být sledována velikost jak přímočarého posunutí, tak i velikost natočení. Snímače čárových kódů jsou velmi rychlá a spolehlivá vstupní zařízení logistického systému. Obecně mohou být vstupními zařízeními pro jakýkoliv informační nebo řídící systém. Uplatní se v logistice podniku, ve skladech, meziskladech, při mezioperační přepravně a manipulaci, na příjmu a v expedici zboží. Jsou využívány i na montážních a kontrolních pracovištích. Čárovými kódy bývají označeny součástky, polotovary a finální výrobky (např. plošné spoje, moduly PLC, celá zařízení v obalech), manipulační palety nebo pozice ve skladu. Údaje ze sejmutých kódů mohou být využity pro řízení manipulačních a přepravních zařízení, např. pro přesunutí výrobku či palety na odpovídající větev dopravníku, pro uložení na vhodné místo v regálovém skladu, pro určení potřebné polohy pro gondolu v oběžném skladu a její nastavení, pro odebrání vhodné palety z dopravníku, pro kontrolu správného typu součástí na montážním pracovišti. Výrobky označené trvanlivým čárovým kódem pak mohou být dlouhodobě sledovány v rámci systému řízení jakosti, při vyřizování reklamací, při určení viníka, který způsobil nekvalitní výrobu nebo ztráty (v čárovém kódu mohou být uloženy údaje potřebné ke zjištění času ukončení výroby, k identifikaci pracoviště a pracovníka nebo alespoň klíč do databáze pro získání potřebných údajů). Podobně lze dlouhodobě dokumentovat celkový výrobní proces a podmínky výroby. Obr. 164 Příklad čárového kódu Impulsní snímače - převádějí změnu polohy na určitý počet impulsů, které se registrují čítačem. Měření úhlové rychlosti pomocí impulsů odvozených z otáček hřídele patří mezi nejpřesnější metody. Existuje množství čidel, které mohou snímat impulsy z hřídele (od nejjednodušších mechanických kontaktů až po přerušované zdroje jaderného záření apod.). Během jedné otáčky hřídele je možné získat jeden nebo více impulsů. U elektrokontaktních čidel se používá výhodně jazýčkových kontaktů. Impulsní snímače rychlosti vychází z definičního vztahu pro rychlost, tj. z podílu dráhy 50

51 x vykonané objektem za časový interval t. Rychlost otáčení můžeme měřit pomocí el. impulsů odvozených z otáček hřídele pomocí snímačů polohy. Přesné informace o okamžité poloze rotujících dílů nebo součástí, které vykonávají axiální posuvný pohyb, jsou velmi důležité v mnoha oblastech strojírenství. Přesná regulace pohybu však nabývá na významu i s rostoucími nároky na automatizaci všech typů procesů. K tomu požadavky na lehčí a jednodušší konstrukce vyžadují integrovaná systémová řešení, jako např. ložiskové jednotky vybavené snímači, které zaznamenávají počet otáček, rychlost, smysl otáčení, relativní polohu a zrychlení nebo zpomalení. 51

52 Obr. 165 Ložisková jednotka se snímačem 2. Čidla vnější informace zachycují stav pracovního prostředí a interakci robotů s prostředím. Jsou buď přímo součástí robotu nebo jsou umístěna v jeho pracovním prostoru. Do této skupiny patří především hmatová čidla úchopné hlavice, snímače přenášené síly a momentu, snímače pro rozlišení tvaru a polohy objektů v prostoru, popřípadě dalších vlastností a parametrů (teplota, radioaktivní záření apod.). Počet druhů čidel vnější informace závisí na prováděné činnosti a na úrovni jejího řízení. Soubor parametrů a vlastností, které mohou být do řízení zapojeny, je rozsáhlý, a proto jsou dále popsány jen některé typy čidel, přicházejících častěji v úvahu. Čidla pro indikaci styku s objektem - "hmatová" čidla se rozdělují do dvou kategorií: - kontaktní (taktilní) čidla; - bezkontaktní čidla. 52

53 Obr. 166 Laserový senzor bezdotykového měření vzdálenosti Obr. 167 Bezkontaktní laserový senzor Laserové senzory řady E3Z, které jsou k dispozici ve verzích BGS (s potlačením pozadí), představují ideální řešení pro přesné nastavování polohy a detekci malých předmětů například v průmyslu výroby polovodičových součástí, při výrobě obalů nebo ve farmaceutickém průmyslu. Řada laserových senzorů E3Z umožňuje snímání na dlouhé vzdálenosti pomocí červených laserů třídy 1 (stejná klasifikace jako běžné LED). Tím rovněž významně přispívá k ochraně uživatele (snížení nebezpečí poškození zraku). Použití nové, vysoce přesné technologie seřizování polohy paprsků minimalizuje odchylku osy paprsků. Verze BGS se navíc vyznačuje vynikající hodnotou černobílé chyby, která je nižší než 1,5% při vzdálenosti 100 mm a umožňuje tak mimořádně stabilní detekci i provoz. Za nejjednodušší taktilní čidla lze pokládat mikrospínače, které jsou schopny zaregistrovat jen existenci styku úchopného prvku s objektem. Bez nebezpečí mechanického poškození pracují bezkontaktní pneumatická čidla na principu klapka - tryska, jejichž velkou předností jsou i velmi malé rozměry a jednoduchost montáže. Snímací tryska může být vytvořena přímo v úchopném prvku. Na podobném principu pracují i ultrazvuková čidla, u nichž přiblížením objektu dochází ke změně výstupní impedance snímacího kanálu. To se projeví ve změně zatížení budícího generátoru a ve změně amplitudy akustického tlaku. Uchopení objektu je registrováno buď prostřednictvím změny proudu v budícím obvodu generátoru, nebo prostřednictvím změny amplitudy v akustickém obvodu. Použití ultrazvukových senzorů: - kontrola navinutí (při použití senzoru dle obrázku je výstupní signál přímo úměrný průměru); 53

54 Obr. 168 Kontrola navinutí - kontrola napnutí (při navíjení materiálu je důležité udržovat jeho stálé napnutí. Ultrazvukovým čidlem je možno měřit průhyb materiálu před navinutím a udržovat tento průhyb konstantní); Obr. 169 Kontrola napnutí - stohování materiálu (velmi jednoduše lze měřit celkovou výšku naskládaného materiálu, tím lze odvodit i počet naskládaných kusů); Obr. 170 Stohování materiálu - měření výšky hladiny (ultrazvukem lze měřit výšku hladiny většiny sypkých látek a kapalin); Obr. 171 Měření výšky hladiny - třídění podle výšky (ultrazvukový senzor měří výšku velikost - jednotlivých kusů, příklad dopravníku. Na základě vyhodnocení je možno tyto kusy třídit, sčítat apod.). Obr. 172 Třídění podle výšky Indukční čidla pracují s využitím změny magnetického pole vyvolané změnou polohy vodivého objektu. Člověk při uchopení předmětu vnímá kromě přítomnosti předmětu i tlak, který působí na povrch ruky a podle hmotnosti a tuhosti předmětu upravuje úchopnou sílu. Vzhledem k 54

55 realizaci stejného vztahu se věnuje velká pozornost čidlům, která reagují spojitě na změny tlaku. Jedním řešením jsou tenzometry, které umožňují nepřímé sledování tlaku ve styku s objektem prostřednictvím deformace vloženého tělíska. Tenzometr je snímač, jehož odpor se mění dle působící síly. Převádí sílu, tlak, pnutí, hmotnost apod. na změnu elektrického odporu, který pak může být změřen. Perspektivní jsou zejména polovodičové tenzometry, které mají malé rozměry a velkou citlivost. Obr. 173 Foliový tenzometr Piezoelektrické snímače reagují na působení síly vznikem náboje na elektrodách krystalu. Jsou velmi jednoduché, nevýhodný je však velký vnitřní odpor. Snímače sil a momentů. Sledování velikosti sil a momentu, jako vstupních parametrů pro řídící systém, přichází v úvahu zejména při náročnějších aplikacích, jako je například montáž. Jsou k dispozici dvě metody měření : 1. přímé sledování prostřednictvím snímačů sil a momentů; 2. nepřímé sledování prostřednictvím měření parametrů v ovládacích obvodech pohonů (proud v obvodu kotvy elektromotoru, tlak na vstupu hydromotoru apod.). Snímače sil a momentů pracují s využitím deformace tělesa, změn magnetických vlastností, změn odporových vlastností, piezoelektrického jevu aj. Přenášené momenty se měří nejčastěji prostřednictvím deformace, kterou vyvolávají. Čidla jsou většinou umístěna v blízkostí pracovní hlavice (v zápěstí) a registrují složky sil a momentů, ze kterých se stanoví skutečný vektor síly a moment. 55