Roboti Za Opsluzivanje Masina

Mehatronika Roboti za opsluživanje mašina Đaković Goran 33/07-3

UVOD:

Robotika je primijenjena tehnička nauka koja predstavlja spoj mašina i računarske tehnike. Ona uključuje različite oblasti kao što su projektovanje mašina, teoriju upravljanja i regulacije, mikroelektroniku, kompjutersko programiranje, umjetnu inteligenciju, ljudski faktor i teoriju proizvodnje. Drugim riječima, robotika je interdisciplinarna nauka koja pokriva područja mehanike, elektronike, informatike i automatike. Ona se bavi prvenstveno proučavanjem mašina koji mogu zamijeniti čovjeka u izvršavanju zadataka, kao što su razni oblici fizičkih aktivnosti i donošenje odluka (odlučivanje).Razvoj robotike je iniciran željom čovjeka da pokuša pronaći zamjenu za sebe koja bi imala mogućnost oponašanja njegovih svojstava u različitim primjenama, uzimajući u obzir i međudjelovanje sa okolinom koja ga okružuje.U 20. vijeku prvi se put susreće naziv robot: uveo ga je češki književnik K. Čapek 1920. g. u svojoj drami “RUR” (Rossumovi univerzalni roboti). Savremeni roboti nastali su 1950-ih u SAD, a potiču od pronalaska teleoptera, s jedne strane, te numerički upravljanih alatnih mašina, s druge strane. U Americi je Robot Institute of America, 1980 godine, definisao robota kao višefunkcionalnog manipulatora s mogućnošću reprogramisanja, projektovanog da prenosi materijale, dijelove, alatke i posebne naprave kroz različite programirane pokrete u svrhu obavljanje različitih zadataka. Ova definicija je prilično restriktivna, budući da isključuje mobilne robote, koji u današnje vrijeme doživljavaju ekspanziju.Opšta definicija bi bila da je robot mašina koji posjeduje inteligentnu vezu između percepcije i akcije. S tim u vezi se može definisati pojam inteligentnog robota kao mašine sposobne da prikuplja informacije iz okolnog svijeta i koristeći znanje o okolini uspijeva da se uspješno kreće u njoj.Računarsko upravljanje robotskim sistemima teži primjeni ekspertskih sistema i umjetne inteligencije u području automatskog upravljanja.Osnovni trend u robotici odnosi se na mobilnost, inteligenciju i autonomnost u nestrukturiranoj sredini. Ovaj trend je moguće postići upotrebom malih, jeftinih i visokoperformansnih računara. Termin robot, u ovom kontekstu, predstavlja sistem koji je sposoban ostvariti predviđena ponašanja u realnom svijetu. Robotski sistemi dobijaju signale (ulaze) iz okolne sredine preko senzora i djeluje na istu pomoću pogona (aktuatora).Veza između opažanja (eng. sensing) i djelovanja (eng. actuation) može biti ostvarena jednostavnom obradom signala ili pak može uključivati složene postupke odlučivanja, interpretaciju cilja i druge aspekte rasuđivanja. Većina autonomnih sistema pokazuju samo neke oblike mobilnosti: na zemlji, pod vodom, u zraku ili u svemiru.Mobilnost se može načiniti upotrebom točka, nogu, peraja, rotora ili drugih pogona. Težište je na mogućnosti kretanja i samodovoljnosti, a ne na činjenici da li je sistem biološka imitacija. Naravno, biološki modeli robotskih sistema su od važnog interesa budući da su živi sistemi prototipovi autonomnih ponašanja. Predmet izučavanja u nastavku je tzv. Industrijska robotika koja obuhvata projektovanje robota, upravljanje i primjenu u industriji.

1


1.1 INDUSTRISKI ROBOTINajčešće se pod pojmom robota podrazumijeva industriski robot koji se još naziva robotski manipulator (eng. robotic manipulator) ili robotska ruka (eng. robotic arm). Postoji mnogo različitih definicija robota, zavisno o mjestu i načinu primjene. Industriski robot posjeduje zadovoljavajuću fleksibilnost i okretljivost.

Glavni dijelovi industrijskog robota su:

1. Mehanička struktura ili manipulator sastoji se od niza krutih segmenata (eng. links) povezanih pomoću zglobova (eng. joints). Ponašanje manipulator je određeno rukom (eng. arm) koja osigurava pokretljivost, ručnim zglobom (eng. wrist) koji daje okretljivost i vrhom manipulatora (eng. end effector) koji izvršava operacije koje se zahtijevaju od robota.

2. Aktuatori (pogoni) postavljaju manipulator u određeno kretanje pomicanjem zglobova. Najčeće se upotrebljavaju električni i hidraulički motori, a ponekad i pneumatski .

3. Senzori detektiraju status manipulatora (proprioceptivni senzori) i , ako je potrebno, status okoline (heteroceptivni senzori).

4. Sistem upravljanja (računar) omogućuje upravljanje i nadzor kretanja manipulatora.

Zbog svojstava rukovanje materijalima, manipulacije i mjerenja, industriski roboti imaju uspješnu primjenu u proizvodnim procesima.U proizvodnim procesima svaki objekat (materijal) može se prenijeti sa jednog mjesta tvornice na drugi radi čuvanja, daljnje obrade, montisanja i pakisanja. Tokom prenosa, fizičke karakteristike objekta nisu podvrgnute nikakvim promjenama. Sposobnost robota da podigne objekat, prenese ga u prostoru po unaprijed definisanoj stazi i otpusti, čini ga idealnim kandidatom za rukovanje materijalima.Tipične primjene ove vrste su:

paletiranje (smještanje objekata na palete po određenom poretku) utovar i istovar skladišta struganje sortiranje dijelova pakiranje

Proces proizvodnje sastoji se od transformisanja objekta iz sirovine u konačni proizvod, tokom kojeg se mijenjaju fizička svojstva kao rezultat mašinske obrade ili se mijenja izgled objekta uslijed montaže. Sposobnost robota da manipuliše objektima (koji se obrađuju) i alatima čini ga prikladnim u procesima proizvodnje.

2


Tipične primjene su :

lučno i tačkasto zavarivanje bojenje sprejom struganje i bušenje ljepljenje i pečenje lasersko rezanje i rezanje vodenim mlazom brušenje i ljuštenje montiranje mehaničkih i električnih grupa montiranje električnih ploča zašarafljivanje stavljanje žice.

Osim rukovanja i manipulisanja materijalima u procesu proizvodnje je neophodno vršiti mjerenja za testiranje kvaliteta proizvoda. Sposobnost robota da istražuje trodimenzionalni prostor i dostupnost mjerenja statusa manipulatora omogućuju upotrebu robota kao mjernog uređaja. Primjene ove vrste su:

nadziranje (inspekcija) objekta pronalaženje kontura detekcija proizvodnih nedostataka.

1.2 GRAĐA ROBOTA I OSNOVNE STRUKTURE MANIPULATORA

3


Robotski manipulator sastoji se od tijela (eng. body), ruke (eng. arm) i ručnog zgloba (eng. wrist). U proizvodnim procesima najčešće se koriste roboti pričvršćeni na podlogu. Na kraju ruke nalazi se ručni zglob sastavljen od mnogo komponenti koje mu omogućuju orijentaciju u različitim položajima. Relativna kretanja među različitim komponentama tijela, ruke i ručnog zgloba ostvaruju se pomoću niza zglobova.

Neki od tipova zglobova prikazani su na Sl. 1.1.

Kod industriskih robota koriste se dva osnovna tipa zglobova: rotacijski (eng. revolute joint) i translacijski (eng. prismatic joint). Rotacijski zglob vrši rotaciju oko osi, a translacijski(linearni) linijsko kretanje po osi. Dva susjedna zgloba spojena su pomoću krutih segmenata. Na ručni zglob pričvršćena je šaka (eng. hand) koja se u tehničkom žargonu naziva vrh manipulatora (eng. end of effector), alat (eng. tool) i hvataljka (eng. gripper). Vrh manipulatora se ne smatra dijelom robota, već služi za obavljanje određenih zadataka koji se traže od robota.

Za svaki robot karakterističan je broj osi za rotacijsko ili translacijsko kretanje njegovih segmenata. Kako se kretanje robota odvija u trodimenzionalnom prostoru, prve tri osi najčešće se koristeza određivanje pozicije ručnog zgloba, dok preostale osi određuju orijentaciju vrha manipulatora. Općeniti manipulator ima šest osi te može dovesti vrh manipulatora u bilo koju poziciju i orijentaciju unutar radnog prostora. Radni prostor robota predstavlja skup tačaka u trodimenzionalnom prostoru koje se mogu dohvatiti vrhom manipulatora. Oblik i zapremina radnog prostora ovise o strukturi manipulatora, kao i prisutnim ograničenjima mehaničkih zglobova.

4


Danas se najviše susreću slijedeće četiri osnovne strukture manipulatora :

1. pravougaona (eng. Cartesian or rectangular) ili TTT,2. cilindrična (eng. cylindrical) ili RTT,3. sferna (eng. spherical) ili RRT,4. rotacijska (eng. articulated) ili RRR.

Pravougaona konfiguracija robota ima tri translacijska zgloba čije su osi međusobno okomite (Sl. 1.2). S obzirom na jednostavnu geometriju, svaki stepen pokretljivosti je korespodentan sa stepenom slobode u Cartesianovom prostoru, budući da se radi o pravolinijskom kretanju. Struktura pokazuje dobru mehaničku čvrstoću. Tačnost pozicionisanja ručnog zgloba je konstantna u cijelom radnom prostoru.

Nasuprot visokoj tačnosti, struktura ima slabu pokretljivost, jer su svi zglobovi translacijski. Radni prostor ovog robota je prizma. Cartesianov manipulator pristupa objektu “sa strane”. Ukoliko želimo objektu pristupiti “odozgo”, ovaj manipulator treba realizirati u obliku stalka (engl. Gantry manipulator). Cartesianova struktura omogućuje postizanje radnog prostora velikih dimenzija i manipuliranje glomaznim objektima. Zbog toga se najčešće primjenjuje u rukovanju materijalima i montaži. Motori za pokretanje zglobova manipulatora su električni, a rijetko pneumatski.Ako se prvi zglob kod pravougaone strukture zamijeni rotacijskim zglobom, tada se dobija robot cilindrične konfiguracije, prikazan na Sl. 1.3. Radni prostor takvog robota je volumen između dva vertikalna koncentrična plašta valjka (zbog ograničenog translatornog kretanja). Cilindrični manipulator pokazuje dobru mehaničku čvrstoću, ali se tačnost pozicionisanja ručnog zgloba smanjuje sa povećanjem horizontalnog hoda. Uglavnom se upotrebljava za prenos objekata većih dimenzija i koristi hidrauličke motore za pogon zglobova više nego električne.Zamjenom drugog zgloba cilindrične konfiguracije robota rotacijskim zglobom dobija se robot sferne konfiguracije (Sl. 1.4).

5


Ako postoji ograničenje translatornog kretanja, tada je radni prostor tog tipa robota volumen između dvije koncentrične sfere, a uz ograničenje svih kretanja, radni prostor je dio volumena između dvije koncentrične sfere.Mehaničke čvrstoća je manja u odnosu na prethodne strukture zbog složenije geometrijske i mehaničke konstrukcije. Tačnost pozicionisanja se smanjuje sa porastom radijalnog hoda.

Sferični manipulator se uglavnom koristi u mašinaarskoj industriji. Obično se koriste električni motori za pokretanje zglobova manipulatora.

Robot tipa SCARA (eng. Selective Compliance Assembly Robot Arm) također ima dva rotacijska i jedan translacijski zglob, kao što je prikazano na Sl. 1.5. Kod ovog tipa robota su sve tri osi vertikalne. SCARA manipulator karekterizira visoka čvrstoća za opterećenja na vertikalnoj osi i popustljivost za opterećenja u horizontalnoj osi. Zbog toga se SCARA koristi za zadatke montisanja po vertikalnoj osi. Tačnost pozicionisanja se smanjuje sa porastom udaljenosti između ručnog zgloba i osi prvog zgloba.

Ako su upotrebljena sva tri rotacijska zgloba dobija se rotacijska struktura manipulatora, koja se još naziva laktasta, antropomorfna ili zglobna (Sl. 1.6).

Osi rotacije drugog i trećeg zgloba su paralelne i okomite na os rotacije prvog zgloba. Ako ne postoje ograničenja rotacijskih kretanja, tada je radni prostor tog robota kugla, a uz ograničenja to je dio kugle složenog oblika čiji je presjek sa strane najčešće u obliku polumjeseca.

Zbog sličnosti sa čovjekovom rukom, drugi zglob se zove vratni zglob, a treći zglob lakta jer povezuje gornji dio ruke sa podlakticom. Za pogon zglobova antropomorfne strukture koriste se električni motori. Područje primjene je jako široko.

Navedene strukture manipulatora dobivene su na osnovu zahtjeva na poziciju ručnog zgloba i orijentaciju vrha manipulatora. Ako se želi postići odgovarajuća orijentacija u trodimenzionalnom prostoru, ručni zglob mora posjedovati najmanje tri stupnja pokretljivosti ostvarenih rotacijskim zglobovima.

6


Budući da ručni zglob čini krajnji dio manipulatora on može biti stisnut (zbijen) , što će imati za posljedicu kompliciranu mehaničku izvedbu. Bez ulaženja u konstrukcijske detalje, realizacija ručnog zgloba sa najvećom okretljivošću je ona gdje se osi sva tri rotacijska zgloba sijeku u jednoj tački. Ovaj zglob se zove sferni. Glavna osobina sfernog zgloba je razdvajanje pozicije i orijentacije vrha manipulatora; ruka je zadužena za zadatke pozicionisanjagornje tačke presjeka, dok je ručni zglob zadužen za određivanje orijentacije vrha manipulatora. Realizacije u kojima zglob nije sferni su jednostavne s mehaničke tačke gledišta, ali su pozicija i orijentacija sjedinjene i to komplicira kordinaciju između kretanja ruke i obavljanja zadatka od strane ručnog zgloba.

Vrh manipulatora je određen u skladu sa zadatkom kojeg robot treba izvršiti. Za rukovanje materijalom, vrh manipulatora je sačinjen u obliku hvataljke određenog oblika i dimenzija koje ovise o objektu koji se hvata. Za zadatke montiranja, vrh manipulatora je alat(oruđe) ili određena sprava, kao npr. zavarivač, glodalica, bušilica, uređaj za zašarafljivanje.Izbor robota je uslovljen primjenom koju ograničava oblik i dimenzije radnog prostora, maksimalan iznos tereta, tačnost pozicionisanja i dinamičke perfomance manipulatora.

1.3 PODELA ROBOTA

Roboti se u osnovi razlikuju s obzirom na svoju veličinu, materijale kojima mogu rukovati, motore kojima pogone segmente (zblobove), vrste primijenjenih senzorskih sistema, te računarske sisteme koji ih opslužuju. Opšta podela manipulatora može se izvršiti u odnosu na vrstu pogona, geometriju radnog prostora i načine upravljanja kretanjem.

1.3.1 Vrste pogona

Pomicanje tijela, ruke i ručnog zgloba robotskog manipulatora omogućeno je upotrebom pogonskog sistema (mehanizma) robota. Pogonski sistem određuje brzinu pomicanja ruke, jakost i dinamičke perfomanse manipulatora. U stanovitoj mjeri, pogonski sistem određuje područja primjene robotskog manipulatora.

7


U upotrebi su najčešće jedan od tri slijedeća pogona:

1. Električni motor2. Hidraulički motor3. Pneumatski motor.

Za većinu robotskih manipulatora danas se koriste električni motori i to najčešće istosmjerni, izmjenični i koračni, jer su relativno jeftini, zauzimaju malo prostora, s velikom brzinom i tačnosti teje kod njih moguća primjena složenih algoritama upravljanja. Međutim, kod specifičnih primjena (npr. rukovanje užarenim čelikom ili sastavljanje dijelova automobila), kada se zahtijeva manipulacija velikim teretima, češće se koriste roboti s hidrauličim motorom.

Hidraulički motor osim velike brzine (veća nego kod električnog motora) i snage, omogućuje mirnoodržavanje pozicije zbog nestlačivosti ulja. Koriste se kod robota većih dimenzija. Glavni nedostaci ovih motora su njihove visoke cijene i zagađivanje okoline zbog buke i mogućeg isticanja ulja. Pneumatski motori primjenjuju se kod malih robota. Prednost im je relativno niska cijena, velika brzina rada i nezagađivanje okoline, te su zbog toga pogodni za laboratorijski rad. Takvi motori nisu pogodni za rad s velikim teretima, jer je zbog stlačivosti zraka nemoguće mirno održavati željenu poziciju. Uz to je prisutna buka te je potrebno dodatno filtriranje i sušenje zraka zbog nepoželjne prašine i vlage. Ako se zahtijeva samo otvaranje i zatvaranje hvataljke (vrh manipulatora), tada se u završnom mehanizmu koristi pneumatski motor da se grubim stiskom ne bi oštetio lomljivi predmet.

2.1 FLEKSIBILNI PROIZVODNI SISTEMI

Jedna od karakteristika današnjih svetskih privrednih tokova je širenje tržišta, pa, dakle, otvaranje većine zemlja uticajima koje diktiraju razvijene privrede i savremene tehnologije. Ovakvo otvaranje ima kao važnu posledicu pojačanu konkurenciju. U takvoj situaciji, kao neophodan uslov uspešnog poslovanja nameće se stalno modifikovanje postojećih proizvoda i osvajanje novih, savršenijih.Orijentacija na česte izmene proizvodnog programa, međutim, zahteva bitne promene u organizaciji proizvodnje i poslovanja uopšte.U današnjim industriskim pogonima još uvek dominira tzv. Fiksna automatizacija tj. visokoautomatizovane proizvodne linije namenjene velikoserijskoj proizvodnji. Mašine i organizacija proizvodnje su specijalno projektovani za fabrikovanje određenog proizvoda. Rentabilnost ovakve proizvodnje počiva upravo na velikim serijama i relativno dugoj aktuelnosti tog proizvoda. Uslovi zaoštrene konkurencije, međutim, bitno su skratili vreme aktuelnosti istog proizvoda. Da bi mu se aktuelnost očuvala, neophodno ga je često inovirati u skladu sa novim tehnološkim dostignućima i važećim modnim tokovima. Treba, takođe, uočiti da je drastično skraćeno i vreme potrebno da se ideja o nekom potpuno novom proizvodu realizuje. U opisanoj situaciji velikoserijska proizvodnja postaje sve rede isplativa i postavljaju se zahtevi za srednjim i malim serijama. Međutim, danas je maloserijska ili pojedinačna proizvodnja orijentisana na upotrebu univerzalnih alatnih mašina uz veliko učešće ljudskog rada. Otuda se veliki napori ulažu da se organizuju takvi proizvodni sistemi koji bi i pri malim serijama (i čak pojedinačnoj proizvodnji) postigli ekonomičnost svojstvenu velikoserijskoj proizvodnji.

8


To je prilično složen problem budući da je izračunato da proizvodnja jednog elementa na univerzalnim mašinama, što uključuje i ljudski rad, može biti čak do 100 puta skuplja nego njegova proizvodnja na modernoj proizvodnoj liniji fiksne automatizacije. Tako se došlo do pojma fleksibilne automatizacije (engl. flexible automation) koja omogućava česte izmene proizvodnog programa tj. proizvodnju različitih proizvoda bez menjanja opreme koja u proizvodnji učestvuje. Fleksibilni proizvodi sistemi trebalo bi, zahvaljujući svojoj organizaciji i upotrebi savremene tehnologije, da postignu visoku produktivnost pri malim serijama i pojedinačnoj proizvodnji.

Slika 1.6. Fleksibilna proizvodna ćelija.

2.1.1 Roboti za opsluživanje masina kao deo FPS

Već u polaznom razmatranju FMS uočena je važna uloga robotskih sistema. Naime, FMC se, po pravilu, sastoji od nekoliko CNC alatnih mašina grupisanih oko robota koji ih opslužuje. Tako, robot zamenjuje radnika i omogućava da ceo sistem očuva u priličnoj meri onu fleksibilnost koju obezbeđuje ljudska radna snaga.

Uloga robota u FMS obuhvata, uglavnom, sve četiri kategorije poslova:

1. prenos radnog materijala i opsluživanje mašina2. procesne operacije3. poslove montaže4. kontrolu proizvoda (inspekcija).

Opsluživanje mašina. Različiti manipulacioni uređaji koriste se za obavljanje nekoliko ključnih operacija opsluživanja mašina. U najmasovnijoj upotrebi su prostiji uređaji koji obavljaju zamenu alata u mašini. Oni su sastavni deo mašine i nemaju univerzalnost u smislu neke druge primene.Upotreba manipulacionih robota za zadatke zamene alata može biti

9


opravdana jedino ako se isti robot koristi i za rukovanje radnim predmetima tj. stavljanje predmeta u mašinu i vađenje iz nje. Ovakvi roboti, po pravilu, su prilično složeni i skupi. Zato se mora postaviti pitanje njihove isplativosti. Radi se o tome da je vreme obrade u mašini često prilično dugo, bar u odnosu na vreme potrebno za punjenje i pražnjenje mašine. Tako, robot bi dosta vremena bio neaktivan što bi bilo neekonomično. Jedno rešenje ovog problema nalazi se u korišćenju istog robota za opslužavanje više mašina. Dopunski problem koji se javlja pri rukovanju različitim predmetima je pitanje fleksibilnosti hvataljke tj. njenog prilagođavanja pojedinim predmetima. Svakako, najpogodnije bi bilo upotrebiti tzv. univerzalne hvataljke ,međutim, ovakvi uređaji su još pretežno laboratorij-iski eksperimentalni tipovi. Zato se koriste i drugačiji pristupi, na primer različiti sistemi za brzu zamenu hvataljke. U jednom primeru koristi se spremište u kome su različite hvataljke postavljene tako da budu pristupačne za ruku robota. Na vrhu ruke robota nalazi se magnetna ploča koja se prislanja na odgovarajuću ploču (osnovu) željene hvataljke, čime se ova vezuje za ruku.

Slka 2.1. Laktasti robot opslužuje mašinu

Roboti koji opslužuju alatne mašine najčešće su laktastog ili portalnog tipa. Laktasti robot postavlja se uz mašinu, i radne predmete unosi spreda. Portalni roboti opslužuju mašinu odozgo. Fleksibilni proizvodni sistemi osim ćelija za obradu, zavarivanje, kontrolu itd., sadrže i ćelije u kojima se obavljaju poslovi montaže. Budući da se zahteva automatizovanost, a istovremeno i fleksibilnost ovih ćelija, montažni procesi su nužno robotizovani. Roboti pri takvim poslovima pružaju velike mogućnosti u smislu fleksibilnosti, odnosno montaže različitih proizvoda. Možemo reći da roboti pri tome ne postavljaju nikakva apriorna ograničenja. Naime, oni, u principu, mogu obavljati montažu bilo čega, kao i čovek. Ograničenja, međutim, ipak postoje i nisu mala. Ona potiču od tehnološke nesavršenosti robotskog sistema. Nesavršenost se pojavljuje i u hardveru sistema (mehanička konstrukcija, motori i prenosni sistemi, hvataljke, senzori, mikroprocesor) i u softveru (upravljački

10


programi). Ograničenja su tolika da se poslovi montaže smatraju najsloženijim poslovima za robotizaciju. Ipak, brz razvoj tehnologije omogućava širenje primene robota u ovoj oblasti.

Slika 2.2. Portalni robot opslužuje mašinu

2.1.2 Opsluživanje mašina

Opsluživanje mašina spada u klasu zadataka prenošenja materijala. U ovom slučaju, radni predmet je potrebno uzeti sa trake i postaviti ga na određeno mesto u mašini za obradu (engleski termin je: machine loading). Nakon obrade, robot vadi predmet iz mašine (engl. unloading) i odlaže ga na predviđeno mesto.Iznesimo i opišimo nekoliko karakterističnih primena:1. Primena u livarstvu. Livenje metala podrazumeva oblikovanje metala takvim postupkom da se vreli tečni metal sipa u kalupe gde nakon hlađenja dobija željeni oblik.Prva mogućnost primene robota nalazi se u zadacima zahvatanja tečnog metala i sipanju u kalupe. Ovakav posao može obaviti i robot sa tri stepena slobode,prikazan na slici 2.4.

11


Slika 2.3. Vađenje užarenih metalnih delova iz peći

Češća primena robota je u sklopu tehnologije livenja pod pritiskom. Kalup se sastoji od dve polovine koje, kada se sastave, u šupljini formiraju oblik budućeg predmeta (sl. 2.5) . U tako zatvoren kalup, kroz predviđeni otvor, ubacuje se pod visokim pritiskom rastopljeni metal. Nakon hlađenja, kada je metal poprimio željeni oblik, kalup se otvara i oblikovani predmet vadi. U savremenim pogonima zatvaranje i otvaranje kalupa, kao i upumpavanje metala rešeno je potpuno automatski. Posao robota vidi se u zadatku pražnjenja kalupa tj. vađenja oblikovanog predmeta. U pitanju je veoma naporan posao (ciklus se ponavlja nekoliko stotina puta u toku jednog sata) u teškim uslovima visoke temperature.

Slika 2.4. Livenje tečnog metala u kalup

Unekoliko sličan je i postupak livenja plastike, pri čemu su temperature znatno niže, a vreme hlađenja bitno duže. Ovo drugo je posebno značajno sa stanovišta upotrebe robota. Naime, ne bi bilo ekonomično pustiti robota da čeka dok se plastika u kalupu ne ohladi dovoljno da bi se predmet mogao izvaditi. U tom periodu robot se upošljava nekim drugim zadacima: dalja obrada predmeta izvađenog u prethodnom ciklusu, opsluživanje neke druge mašine i sl.

Slika 2.5. Kalup za livenje

2. Primena u kovačnicama. Posmatraćemo tehnologiju kovanja metala uz pomoć prese. Komadi metala vade se iz peći i tako usijani stavljaju pod presu. Spuštanjem bata prese, dakle dejstvom velike sile, vrši se oblikovanje metala. Pri-menu robota vidimo na dva moguća mesta. Prva primena je za vađenje zagrejanog metala iz peći. Ovaj posao ne zahteva složenu

12


konfiguraciju robota (tri stepena slobode plus hvatanje - sl. 2.3), ali zato unosi niz drugih, veoma specifičnih, zahteva. Osnovni zahtev je zaštita od visoke temperature. Hvataljka robota i završni deo ruke moraju biti otporni na visoku temperaturu, ili pak opremljeni sistemom za hlađenje. Ostali deo robota zaštićuje se tako što se ruka projektuje kao veoma dugačka, a vitalni sklopovi pokrivaju termičkim štitom (sl. 2.3).Užareni komadi se nakon vađenja iz peći transportuju pokretnom trakom do kovačke prese. Robot koji opslužuje presu uzima komad sa trake, stavlja ga u mašinu, a nakon spuštanja i ponovnog podizanja prese vadi oblikovani predmet iz mašine i odlaže ga na predviđeno mesto. Napomenimo da je u različitim slučajevima potreban različit broj udara prese radi postizanja željenog oblika.Očigledno je da se kod ovakvog opsluživanja prese ponovo postavlja problem hvataljke otporne na visoke temperature.Tehnologija tzv. hladnog kovanja podrazumeva oblikovanje nezagrejanog metala. Hladni metalni komadi stavljaju se u presu gde, pod dejstvom velike udarne sile, dobijaju željeni oblik (sl. 2.6). Po pravilu, složenije konfiguracije nisu potrebne (na slici 2.6 dovoljno je 4 stepena slobode) ali su zato česte neke specifičnosti kao što je, na primer, dvojna hvataljka.

Slika 2.6 Opsluživanje prese

3. Primena u sistemima za mašinsku obradu. Mašinska obrada podrazumeva niz postupaka kojima se grubo obrađenim predmetima (ili neobrađenim livenim ili kovanim komadima) daje završni oblik. Zajednička karakteristika ovih postupaka je ta da se mehaničkim putem (rezanjem) uklanja višak materijala do postizanja željenog oblika i dimenzija. U pitanju su obradni postupci na strugu, glodalici, itd., kao i postupci brušenja, poliranja i sl.Tipični obradni sistem (sl. 2.7) sastoji se od mašine za obradu (npr. strug), transportnog sistema za dovoz i odvoz materijala i robota koji opslužuju mašinu. U savremenim pogonima sreću se, po pravilu, tzv. numerički upravljane mašine1. Ako posmatramo primer struga, tada ovakav upravljački sistem obezbeđuje veliku fleksibilnost mašine. Radi se o tome da se željeni oblik predmeta i odgovarajući rad mašine reguliše računarskim programom koji može biti zapamćen na nekoj od memorijskih jedinica (bušena traka, kartice, magnetna traka, disketa i sl.).

13


Ako se na ovaj način formira programska biblioteka koja pokriva određeni broj različitih predmeta, tada je dovoljno signalizirati upravljačkom sistemu koji predmet nailazi i mašina će izvršiti potrebnu proceduru obrade. Tako dolazimo do mogućnosti da obradni sistem uspešno radi i sa velikim i sa malim serijama, pa čak i pojedinačnoj proizvodnji.Da bi se postigle opisane prednosti robot, kao deo obradnog sistema, mora biti programiran tako da podržava fleksibilnost cele ćelije. To se odnosi i na mehaniku robota, na primer, u smislu zahteva za hvataljkom koja odgovara određenom skupu različitih predmeta.Sto se tiče upravljanja robotom ono je, očigledno, u tesnoj vezi sa upravljanjem mašinom, a isto se odnosi i na upravljanje transportnim sistemom. Tako dolazimo do potreba za jedinstvenim upravljanjem celom obradnom ćelijom, gde strug ili robot predstavljaju podsisteme.Razmotrimo sada zahteve koje treba da zadovolje geometrija i upravljački sistem robota da bi se ovaj mogao primeniti u centrima za mašinsku obradu.S obzirom na prethodno razmatranje, možemo odmah uočiti jedan od zahteva koji se postavljaju pred upravljački sistem. To je uslov kompatibilnosti sa okruženjem, odnosno mogućnost uklapanja u jedinstveno upravljanje celom proizvodnom ćelijom (obradnim centrom). Dalje, upravljački sistem bi trebalo da obez-bedi i visoku ponovljivost koja se često zahteva.Sa stanovišta geometrije, obično je neophodno da robot raspolaže sa pet do šest stepeni slobode. Takođe, potrebno je da robot, ima mogućnost jednostavne izmene hvataljke, a pogotovo mogućnost korišćenja dvojne hvataljke koja može znatno ubrzati rad .

Slika 2.7. Robot opslužuje strug

4. U slučajevima kada postoji potreba za većim kapacitetom magazina alata, ipak se ne uvećavaju sopstveni (lokalni) magazini već se uvodi sistem za njihovu dopunu tj. ponovno punjenje, te stoga, lokalni magazini mogu biti manji, a dopuna se vrši iz jednog centralnog. Jedna od mogućnosti koja se koristi je zamena celog lokalnog magazina novim, i to onim koji sadrži alate potrebne za obradu konkretnog proizvoda. Svakako da u ovom slučaju ceo lokalni magazin mora biti prenosiv.

14


Druga mogućnost je zamena (ili dopuna) alata u fiksnom lokalnom magazinu. U tom slučaju određeni pokretni sistem (npr. automatska transportna kolica) dovozi nove alate, a manipulacioni uređaj ih prebacuje u lokalni magazin. Najpogodnije je koristiti mobilni manipulacioni robot koji vrši punjenje magazina onim redom kojim transportni sistem vrši dopremanje alata. Na slici 2.8. predstavljena su transportna kolica sa robotskom rukom u zadatku dopremanja i zamene alata u magazinu.

Slika 2.8. Zamena alata u magazinu obradnog centra uz pomoć mobilnog robota

3.1 CAD/CAM SISTEMI ZA UPRAVLJANJE ROBOTIMA

Projektovanje uz pomoć računara bitan je činilac fleksibilne proizvodnje i automatizacije. Najprostije rečeno, radi se o programskim sistemima koji obavljaju niz proračuna vezanih za budući proizvod, pa su zato veoma korisne alatke za projektante. Po »pravilu, ovi sistemi uključuju i veoma razvijene programe za komunikaciju sa korisnikom u smislu prijema podataka i prezentacije rezultata.Ako se CAD sistemi uklope sa fleksibilnom proizvodnjom, u kojoj se računari koriste za planiranje i vođenje procesa, dolazimo do pojma CAD/CAM sistema čija je osnovna karakteristika veliko smanjenje vremena koje protekne od nastanka ideje za novi proizvod do njene realizacije.

3.1.1 Struktura sistema CAD

Razmotrimo strukturu CAD sistema čija je opšta shema prikazana na slici 3.1. Centralno mesto zauzima baza podataka o proizvodu koji se projektuje. Polazne parametre zadaje projektant posredstvom komunikacionih programa za unošenje podataka.Programski modul za proračune (analizu) izračunava karakteristike proizvoda na osnovu zadatih podataka. Izbor karakteristika koje treba izračunati vrši projektant i definiše ih kroz ulazne podatke.Modul za prezentaciju rezultata omogućava jednostavno i pregledno saopšta-vanje rezultata proračuna. Moguće je rezultate saopštiti nakon završetka proračuna ili, pak, saopštavati ih simultano sa proračunom (praćenje međurezultata).

15


Na osnovu dobijenih rezultata projektant odlučuje o izmenama polaznih podataka i izmene vrši posredstvom odgovarajućih komunikacionih programa.Razmotrimo detaljnije pojedine programske module u sistemu CAD.

Slika 3.1. Struktura sistema CAD

3.1.2. Unošenje i izmena podataka

Unošenje podataka o proizvodu podrazumeva popunjavanje datoteka koje formiraju bazu podataka. Ovaj posao može se obaviti na različite, prostije i složenije načine.Najprostiji ali i najnekomforniji način unošenja podataka je sukcesivno unošenje brojnih vrednosti korišćenjem linijskog ili nekog drugog standardnog editor-skog programa. Kod ovog pristupa korisnik pri unošenju podataka mora sam voditi računa o redosledu podataka kao i formatu upisivanja, a sve to, pored velike mogućnosti greške, predstavlja i dugotrajan i zamoran posao.U ovakvim slučajevima izmena podataka se takođe vrši editorskim programom, pri čemu korisnik sam traži podatak koji treba menjati.Savremeni sistemi CAD sadrže posebne programske module koji omogućavaju da se podaci unose u vidu popunjavanja tabela u kojima je naznačen smisao svakog podatka. Ovakvi programi imaju i mogućnost klasifikacije podataka. Naime, kada korisnik definiše proračun koji želi da izvrši, računar će analizirati zadatak i zatim zahtevati samo one podatke koji su za taj proračun potrebni. Ukoliko korisnik naknadno želi neki drugi proračun, računar će tražiti dopunske podatke.Posebno koristan deo svakog savremenog modula za unošenje podataka je blok za davanje objašnjenja, koji se može aktivirati na zahtev korisnika. Takođe je važan i blok za preliminarnu proveru podataka. Na primer, u zavisnosti od fizičkog značenja nekog podatka, mogu se oceniti granice između kojih se njegova vrednost nalazi (npr. ako se zadaje koeficijent korisnog dejstva reduktora, onda po teoriji znamo da on mora biti između 0 i 1, a praktično ovaj interval možemo još

16


suziti). Računar, odmah nakon unošenja podatka, proverava da li je on unutar granica i ako nije, onda se korisniku signalizira greška. Na ovaj način otklanjaju se grube greške ulaznih podataka.Jedan od veoma komfornih načina unošenja podataka je korišćenjem grafičkog predstavljanja. Korisnik može definisati predmet-proizvod tj. zadati njegove parametre u vidu crteža (dvodimenzionalnih i trodimenzionalnih). Ovaj pristup je posebno pogodan ukoliko se realizuje tzv. interaktivna grafika. Tada se izmena podataka svodi na korekcije crteža. Pri tome, često postoji mogućnost da se pojedini delovi slike uvećavaju ili da se predmet obrće u prostoru, a u realnom vremenu dobij a odgovarajuća slika.Izmene podataka obično se rade nakon izvršenog proračuna. Naime, korisnik-projektant, u zavisnosti od dobijenog rezultata, odlučiće koje parametre proizvoda treba menjati. Savremeniji sistemi CAD omogućavaju praćenje toka proračuna, njegovo prekidanje i prelaz na režim izmene podataka u bilo kom trenutku. Očigledno, ovako realizovani programski sistemi predstavljaju veoma korisnu alatku u procesu projektovanja jer omogućavaju da se niz karakteristika budućeg proizvoda izračuna vrlo brzo. Dakle, moguće je vršiti niz izmena, analizirati njihov uticaj na rezultate i tako se približavati cilju - kvalitetnom proizvodu. Međutim, naglasimo da sva logika projektovanja ipak ostaje u domenu korisnika.U složenije sisteme CAD ugrađuje se i logika projektovanja. Tako, uz brojne vrednosti rezultata ili njihov grafički prikaz, korisniku se daju i komentari rezultata, na primer, preporučivanje podataka koje bi trebalo menjati. U prostijim slučajevima ovo se može izvesti algoritamski, a u složenijim se formira odgovarajući ekspertni sistem.

3.1.3. Proračun

Modul za proračun ili analizu obuhvata programe koji, polazeći od zadatih podataka, izračunavaju određene karakteristike proizvoda. Ovakvi proračuni mogu biti prostiji ili složeniji. Iznećemo nekoliko primera. Za neki predmet čiji je oblik zadat moguće je izračunati površinu, zapreminu, položaj težišta, odrediti glavne ose inercije i izračunati momente inercije. Ukoliko su poznata i elastična svojstva materijala, tada se mogu zadati sile koje na predmet deluju i izračunati naponi u pojedinim tačkama predmeta. Ako se izvrši proračun elastodinamike, moguće je naći i grafički predstaviti odziv tj. elastične deformacije u funkciji vremena. Za ovakve analize najčešće se koristi metoda konačnih elemenata.Ako se projektuje neki mehanizam, tada proračun podrazumeva i analizu ki-nematike i dinamike. Na primer, kinematička analiza mehanizma robota omogućava da se odredi radni prostor, tačke singulariteta itd. Dinamička analiza koristi se za izbor pogonskih motora, izračunavanje parametara sistema za prenos pogona, sintezu upravljanja, itd. Konačno, kod projektovanja bilo kog sistema automatskog upravljanja proračun može obuhvatiti i simulaciju sistema.Napravimo sada jedno uopštenje.

Umesto da vrši samo izračunavanje traženih geometrijskih, kinematičkih ili dinamičkih karakteristika, modul za analizu može obuhvatiti i testiranje ovih karakteristika. Time sistem CAD preuzima na sebe deo posla projektanta. Korisnik-projektant će sada u interaktivnom radu menjati podatke dok ne dođe do zadovoljavajuće konfiguracije proizvoda. Pri izmenama

17


podataka projektant vodi računa da one budu u skladu sa nekom njegovom predstavom o optimalnosti proizvoda.

Slika 3.2. Primer optimizacije dimenzija

Konačno, moguće je i optimizacionu proceduru ugraditi u modul za analizu. Tada je neophodno precizno definisati kriterijum optimalnosti i ograničenja, a zatim izabrati odgovarajući algoritam za optimizaciju. Na ovaj način, kod prostijih proizvoda sav posao projektovanja prelazi na računar, dok kod složenijih ovi rezultati optimizacije predstavljaju samo međurezultate. Na slici 11.8. predstavljen je jedan primer, poklopac podvodnog rezervoara izrađen u obliku sferne kalote sa orebrenjima. Ako poluprečnik sfere (R) smatramo fiksnim i zadatim, kao i po-luprečnik kalote (r je određeno dimenzijom otvora) i broj rebara, tada preostaje da se u procesu projektovanja odredi debljina sfernog dela (δ) i poprečne dimenzije rebara (a i b). Kao kriterijum optimalnosti izabraćemo masu poklopca koju treba minimizirati (dakle funkcija m(δ, a, b)), a ograničenje je definisano zahtevom da napon ni u jednoj tački ne prede dozvoljenu vrednost (uslov σmax(δ, a, b)< σd). Postupkom optimizacije dobićemo δ, a, b. Ove vrednosti možemo smatrati kao krajnji rezultat, ili pak, promeniti broj rebara, pa postupak optimizacije ponoviti.

Zaključak:

18


Industriski roboti ili manipulatori za opsluživanje mašina nemaju veliku primenu ali zato doprinose većem stepenu automatizacije kao i smanjenju troskova na dugorocnom nivou. Njihova najšira primena u mašinskoj industri je kao roboti za pakovanje i paletiranje robe. Prednosti industriskih robota uopšte kao i u mašinskoj industri veoma mala mogućnost greške, neprestalan rad tj. kontinet. Mogu da rade po svim vremenskim uslovima bez pauze.

Literatura :

1. http://labintsis.com

19

http://labintsis.com/


2. http://automatizacija1.etf.rs

20

http://automatizacija1.etf.rs/

Documents

Roboti Za Opsluzivanje Masina