Ipari robotok

 

 

Mobil robotok egyelőre nem játszanak alapvető szerepet átfogó ipari alkalmazások terén. Jelenleg meglepő tulajdonságokkal rendelkező, leginkább játékra, házibuli-meglepetésként alkalmazható laboratóriumi modellek vannak - a japánok ebben úttörők - (fonó, kétlábon járó, orgonán játszó robotok, stb).

 

A VDI 2860 irányelv (1981) szerint: „az ipari robot univerzálisan állítható többtengelyu mozgó automata, amelynek mozgásegymásutánisága (utak és szögek) szabadon – mechanikus beavatkozás nélkül – programozható és adott esetben szenzorral vezetett, megfogóval, szerszámmal vagy más gyártóeszközzel felszerelheto, anyagkezelési és technológiai feladatra felhasználható.”

A másik megfogalmazásunk ennél tömörebb:

A robot olyan, nyílt kinematikai láncú mechanizmus, amely:

-         irányított mozgásokra képes,

-         megfogója rugalmasan programozható,

-         mesterséges intelligencia funkciókra képes.

A robot mechatronikai egység, szerkezet, azaz mechanikai, elektromechanikai és elektronikai szerkezeti elemek integrálásából származó berendezés.

 

Az ipari robotok két fő csoportba sorolhatók: "standing" (alaphoz rögzített) és "portal" (három további független tengely körül forgatható keretbe, "portál"-ba szerelt, ezáltal lényegesen megnövelt munkaterületű) robotok.

 

Programozható manipulátor:

Tulajdonképpen helyező berendezés. Általában megfogó-szerkezettel van felszerelve. Programja egyszerű, fix program, a vezérlés egyetlen mozgásciklus végrehajtására alkalmas. A mozgások egymásutánisága merev program szerint fut le és mechanikus behatás nélkül nem változtatható meg. Ilyen irányítórendszerek a pneumatikus logikákkal realizált vezérlések és a huzalozott relés logikára épülő vezérlések. Programozásuk tehát meglehetősen kényelmetlen.

Teleoperációs manipulátor:

Tulajdonképpen kézi irányítású manipulátor, melynek távirányítását rudazattal, vagy joystick rendszerű erőátviteli rendszerrel végzik. Főleg ott alkalmazzák, ahol az anyagmozgatási, vagy technológiai munkatér az ember számára veszélyes. A kezelő ekkor figyelőablakkal ellátott, szeparált térben dolgozik, ahonnan a munkatér belátható. Segítségével bonyolult mozgások valósíthatók meg emberi irányítással.

Pont-szakasz vezérlésű robot:

A célpontok adottak, a pályákat a robot felépítése határozza meg. Nincs útmérés, a koordináták mentén diszkrét helyzetérzékelés van. Nincs helyzet-szabályozókörös pozícionálás, csak útvezérlés. Programozása mozgássorrend előírásból és helyzetkapcsolók beállításából áll. Vezérlése PLC szintű. A robotkéz helyzetét csak kevés pontban definiálja.

Pályavezérlésű, vagy szervrobot

A programozott pont pályáját a program meghatározza. Koordinátánként külön útmérővel rendelkezik és helyzet-szabályozókörrel pozícionál. A robotfunkciók és pályák számjegyesen programozhatók (CNC típusú vezérlő). Általában van betanítási üzemmód.

Intelligens robot

Bizonyos pályaelemeket a feladat jellege határoz meg a robot szenzorinak segítségével. Pályavezérlésű, magas szinten programozott robotok.

 

Robotok csoportosítása az ellátandó feladat szerint

Anyagkezelő robotok

Feladatuk munkadarabok és műveleti eszközök manipulálása (általában a műveletek szünetében).

Jellegzetes feladatok:

-         adagolás megmunkálógépre,

-         megtartás, forgatás (operációhoz, vagy operáció alatt),

-         áthelyezés program szerint,

-         válogatás, rendezés,

-         szerszámozás, szerszámcsere,

-         mérőeszköz csere,

-         

Anyagmozgató robot

Műveletvégző robotok

Feladatuk műveleti eszközök operatív mozgatása.

Jellegzetes alkalmazások:

-         festés, tisztítás, sorjázás,

-         pont- és vonalhegesztés, varratlerakó hegesztés,

-         fúrási, ujjmarási műveletek,

-         lézeres megmunkálási műveletek,

-         láng- és plazmasugaras vágás,

-          mérőeszköz mozgatás, mérés kiszolgálás

-        

Hegsztő robot

Szerelő robotok

Feladatuk munkadarabok és műveleti eszközök manipulálása, mozgatása.

Általában szenzorokkal rendelkezik.

Jellegzetes feladatok:

-         alkatrészek kiválasztása,

-         alkatrészek orientálása,

-         alkatrészek összeillesztése, helyezése,

-          kötések létesítése.

Szerelő robot

Alapvető fogalmak és definíciók

Mechanika

A klasszikus ipari robot teste a környezethez rögzített tengely (test-tengely) körül szabadon elforgatható - általában 360o-nál kisebb szöggel. A robottesthez a felsőkar a vállízületen, az alsókar a felsőkarhoz a könyökízületen, a kéz az alsókarhoz a csuklóízületen keresztül kapcsolódik. A kézhez különböző effektorok (fogó, hegesztő- vagy szórópisztoly, stb.) rögzíthető. A robottestet, a felső- és alsókart külön motorok mozgatják; a kéz, ezáltal az effektor térbeli orientációját pedig 3 motorral lehet beállítani. A robotnak tehát legalább 6 tengelye (ízülete), s mindegyik tengelyhez külön motorja van. A konstrukcióra jellemző határokon belül mindegyik tengely a többihez függetlenül mozgatható. Bár a tengelyek általában forgatást tesznek lehetővé, egyes esetekben beszélhetünk transzlációs tengelyekről is (Scara-elven működő hajlókarú robotok, mozgatható robotkeretek esetén).

A kéz és ezáltal az effektor helyzetét az ún.TCP-vel (tool center point) jellemezzük; ez a pont az effektor típusától függ: hegesztőpisztoly esetében a TCP az elektróda-csúcsok közötti felezőpont, egy fúró esetében a fúró hegye, stb. A TCP-t a kéz síkjának középpontjához viszonyítjuk.

A munkaterület, WS (working space) azon pontok összessége a térben, amelyet a TCP elérhet. A WS-t a konstrukció geometriája határozza meg, határoló felületei általában síkok, henger-, kúp- és gömbfelületek.

Ha PэWS a TCP számára elérhető pont, akkor annak ismételt megközelítése esetén a TCP a P körüli variációs gömb belsejébe esik. Az ismétlési pontosság a legnagyobb variációs gömb sugara, ha P bejárja WS-t. Az ismétlési pontosság a robot alkatrészeinek precizitásától és merevségétől függ.

Ha QэWS tetszőlegesen kijelölt pont (függetlenül attól, hogy a TCP elérheti), akkor az ismételt megközelítések esetén a TCP és Q között adódó legnagyobb eltérést pozícionálási pontosságnak nevezzük. A pozícionálási pontosság egyrészt az ismétlési pontosságtól, másrészt a pozíciómérő rendszer felbontásától függ.

A robotok felhasználása

Az USA-ban először 1965-ben, Európában a hetvenes évek elején jelentek meg az ipari robotok, elsősorban az autóiparban. Elterjedésükre jellemző példa, hogy míg 1980-ban egy BMW-14 előállítására 192, 1985-ben már csak 89 órára volt szükség.

80-as évek végén Németországban körülbelül 14.000 ipari robot működött szerelési (ponthegesztés, vonalhegesztés, összeszerelés, zománcozás, polírozás, stb.) és termelési (szerszámgépgyártás, hengerelés, kovácsolás, fröccsöntés, stb.) folyamatokban, viszonylag kis százalékban (2,8 %) kutatási és oktatási célokra is.

Terjedésük elsősorban azokban az országokban gyors, ahol a bérek magasak (Németország, Svédország). Itt több-száz ezer munkahely szűnt-szűnik meg a robotok alkalmazása miatt.

A belátható jövőben elsősorban

-          a mezőgazdaságban (birkanyírás, fejés),

-          a mély tengerekben (pl. a transzatlanti kábel karbantartása, elsüllyedt kincsek keresése, stb.),

-          az űrkutatásban (űrállomások összeszerelése),

-          -a gépipari tervezésben,

-          a hadiiparban (automata tankok és fegyverrendszerek, majd intelligens harci robotok) is várható az elterjedésük.

-          A távolabbi jövőben a determinisztikus alapon működő robotokat felválthatják a feladat-orientált, szenzorvezérlésű, automatikus adaptálódásra képes robotok.

-          A különböző CAP (Computer Aided Planning), CAD (Computer Aided Design), CAM (Computer Aided Manufacturing) és CIM (Computer Integrated Manufacturing) folyamatok teljesen integrálhatóak lehetnének segítségükkel.

-          A szenzorok tökéletesítése által az emberi érzékelés utánzása, sőt, némely területen meghaladása is elképzelhető.

-          Integrált szakértői rendszerek kifejlesztése (a robotok független, racionális és célszerű döntések meghozatalára képesek).

A további fejlődés már a fantasztikus regényekben megjósolt lehetőségek megvalósítása lenne: intelligens, független mozgásra és cselekvésre képes robotrendszerek, emberhez hasonló (antropomorf) androidok.

 

 

 

Robotikai rendszer felépítése

A rendszer hardver elemei:

Az elvégzendo technológia megvalósításához szükséges elemek általában

a következok:

-          robot,

-          technológiai berendezés,

-          segéd-, vagy társberendezések,

-          szenzorok

Az irányítás hardver elemei:

Alapkiépítés:

-          robotvezérlo (ROC),

-          szenzor processzor (SPS),

-          segédberendezés vezérlo PLC

Alternatív elemek:

-          cellavezérlo (CAM modul),

-          helyi hálózat (LAN),

-          tervezo munkahelyek (PC, CAD/CAPP… ).

A rendszer szoftver elemei.

-          CAD rendszer, azaz tervezo számítógép szoftverekkel (AutoCAD,

-          CADKEY, FEM, ...),

-          Számítógéppel segített robotprogramozó rendszer,

-          Szenzorjel feldolgozás,

-          Robotvezérlo (real time op. rendszer).

-          A programok átküldését az egyik egységtol a másikhoz kommunikációs

-          szoftverek támogatják.

 

Vezérlési módok

A legalapvetőbb feladatok egyike a TCP mozgatása egy adott indulási helyről az adott végpozícióba. Különbséget teszünk egyszerű mozgásvezérlés és összetett szabályozófunkciók között. Az első vezérlési mód mindazon funkciókat foglalja magában, amikor a pozíció-mérőrendszer adatait visszacsatolva szabályozzuk a motorokat. Az összetett szabályozófunkciók magasabbrendűek az előzőnél és általában indítják azokat. Mindezeket egy példával világítjuk meg:

A mozgás szabályozását a ROB3 belsejében elhelyezett elektronika végzi. Ez az elektronikus szabályozó rendszer a parancsokat ASCII szekvenciák (American Standard Code for Information Interchange) formájában kapja a vezérlő számítógéptől az RS232 interface-en keresztül, és elvégzi a kiindulási beállítást. Ezzel egyidőben folyamatosan összehasonlítja a pillanatnyi pozíciót a beállított pozícióval minden egyes motornál. Ha ez a két változó megegyezik, a mozgás leáll. Zavarok esetén rezgések keletkezhetnek (hardware hiba). Minden magasabb szabályozó funkció a ROB3 vezérlő számítógépében helyezkedik el.

 

Az ipari robotok motorjának vezérlő egysége a következő részekből áll:

- egy rendkívül precíz szögmérő-kódolóval megvalósított pozíció-mérőrendszer. Ez lehet, pl. egy üvegkorong, amelynek peremén elhelyezett rovátkák (> 2000) forgás közben impulzust keltenek egy foto-elektromos kapun. Így a forgássebességtől függően maximum 800kHz-es helyzetjelző jelek keletkeznek a vezérlő egység számára. Az érvényes beállított helyzettel (tehát nem a véghelyzettel) való összehasonlítás egy ún. követő hibajelet generál. A követő hibajelből (a drift kompenzáció hatásának figyelembe vételével) képződik a sebesség-beállító jel a motorvezérlés részére. Ez utóbbi biztosítja, hogy a TCP ne végezzen a beállított helyzet körül rezgéseket. Ez az elem azért szükséges, mert az ipari robotok motorjai, egyenáramú motorok, vagy újabban háromfázisú motorok. A probléma nem létezik léptető motorok esetében (itt egyéb nehézségek vannak).

A mozgásvezérlésnek általában két alapvető módját különböztetjük meg: a PTP-vezérlést (Point-to-point) és az útvonalvezérlést Az előbbi esetén csak a mozgás kiinduló- és végpontja alapvető; a TCP által bejárt útvonal másodrendű. Az utóbbi esetén viszont elsőrendű, hogy a TCP, amennyire csak lehet, az előre meghatározott útvonalon mozogjon.

 

PTP vezérlés

A PTP vezérlés esetén a mozgás kiinduló- (1) ill. véghelyzetét (2) a robottengelyek körüli forgásszögek értékeinek megadásával jellemezzük. A pillanatnyi helyzetben minden egyes tengelyre nézve kiszámoljuk a megfelelő szögkülönbségeket. Tiszta PTP vezérlés esetén az egyes motorok egymástól függetlenül, a lehető leggyorsabban végrehajtják a hozzájuk tartozó tengely körüli forgatást. Minthogy a szögkülönbségek a mozgás folyamán változnak, a mozgást kiváltó motorok különböző időpontokban működnek. Ennek következtében a mozgás szaggatottá válhat.

Ha a mozgás részleteit vizsgáljuk, azt látjuk, hogy a forgatás állandó Θ szöggyorsulással indul, ezután a max. szögsebességet elérve állandó szögsebességgel halad egy ideig, majd állandó szöggyorsulással fékez. A teljes ΔΘ szögelforduláshoz szükséges időt az elemi kinematikából ismert módon, integrálással számíthatjuk ki (Mθ a szögsebesség):

A teljes PTP elmozdulás ideje az egyes tengelyek körüli elfordulási idők közül a legnagyobb. Az eredmény azért fontos számunkra, mert főleg nehéz terhek mozgatása során a PTP mozgás szaggatottsága a robot ízületeinek és áttételeinek gyors kopásához vezethet. Ipari robotok esetében ezt célszerű elkerülni, az ún. szinkron PTP-vezérlésre való áttéréssel. A mi esetünkben ennek a neve tengely-interpoláció. A mozgatásban résztvevő összes tengely azonos időpontban kezdi és végzi mozgását Ennek megvalósításához a gyorsabb mozgásra képes tengelyeknek a leglassabbhoz, kell igazodniuk. Az egyszerűség kedvéért a gyorsulásokat nem változtatjuk, csak a maximális szögsebességek csökkennek le a megfelelő értékre.

Az ábrán láthatjuk a tiszta és szinkron PTP útvonalak közötti különbséget: a felső P pont, függőlegesen felfelé állított fogóval, a kiinduló helyzet. A Q végpontba való mozgás a felsőkar - alsókar síkban jön létre az A1 test-tengely részvétele nélkül.

Látható, hogy a szinkron PTP- mozgás egyenletes ívű, bár lényegesen eltér a PQ egyenes szakasztól. Ilyen eltérések váratlan mellékhatásokkal járhatnak: pl. akadályba ütközés, ami nem fordulhat elő tiszta PTP mozgás esetén.

Hosszú útvonalak esetén mind a tiszta, mind a szinkron PTP-mozgatásnál célszerű a kezdő- és a végpont közé köztes pontokat beiktatni. Ezt az eljárást interpolációnak nevezzük (lásd az említett angol nyelvű irodalmat).

Útvonalvezérlés

Sokszor szükség van egy szerszám, vagy akár egy munkadarab a lehető legnagyobb pontossággal - egy adott térbeli görbe mentén - előre megadott útvonal-sebességgel való mozgatására.(Ilyen feladat lehet a vonalhegesztés, ragasztás, egy fúró adott helyre való merőleges beállítása, stb.). Ezekben az esetekben nem fogadhatók el a PTP-mozgatásra jellemző rángások és éles irányváltoztatások. Ekkor célszerű az útvonalvezérlés vagy CP - vezérlés (Continiuous Path control) alkalmazása. A PTP-mozgatással ellentétben a CP-mozgatás alkalmával az útvonal pillanatnyi kinematikai jellemzői - helyzet, vonalmenti sebesség és gyorsulás - határozzák meg minden egyes motor működését. A funkcionális függés transzformációs egyenletek útján adható meg.

Ebben az üzemmódban a vezérlés kemény követelményeket támaszt a mozgató- és vezérlőegységekkel szemben. Különösen nagy feladat hárul a vezérlő processzorra, hogy az a számítási műveleteket elfogadható időn belül végezze el.


Programozás

Programozás alatt a továbbiakban nem az egyszerű mozgás-vezérlés gépi rutinjait, hanem az egyes modulok, eljárások és függvények alkalmazását fogjuk érteni.

Program-eljárások

 

Elektromechanikus programozás:

Az előre huzalozott programot csak hardware úton lehet változtatni. Egyszerű feladatokra használható robotok, úgymint adagolóeszközök és hengerművek esetén használatos; ez mára már jelentőségét vesztette.

Modern ipari robotok esetében jóval inkább a tanulás előjátszás alapján módszer kerül előtérbe. Ennek több, a felhasználói területtől függő változata létezik.

 

Mozgás programozása visszajátszással (Play-back):

A "tanító" végigjátssza a TCP mozgatását, amelyet egy adott időfelbontásban rögzítünk. A program futása során a mozgás minden fázisa PTP-vezérlés útján ismétlődik. A play-back módszer még mindig használatos, pl. polírozó-robotok programozásához.

 

Master-slave programozás:

A programozó a robotot egy áttétel segítségével (pl. egy kis modell-robot megfelelően arányos vezérlése útján) mozgatja. A "master" minden tevékenységét (nemcsak a mozdulatokat!) tárolja, és azonos időfelbontásban, azonnal le is játssza a "slave" számára.

Mivel ez a módszer viszonylag bonyolult, elsősorban ott használják, ahol az előző, betanító módszer nem lehetséges (pl. atomerőművek aktív zónája). Abban az esetben, ha a tárolási folyamat kimarad, teleoperációról, vagy telemanipulációról beszélünk.

 

Betanító (Teach-in) programozás:

Ezt a módszert jelenleg is használják majdnem minden ipari robotnál. A programozó a robotot egy mozgatón keresztül vezérli - vagy a programozási helyek durva beállításával vagy a tanítás-vezérlő programozó eszköz (teach control device) manuális használatával. Evvel a nagyobb zsebszámológéphez hasonlatos eszközzel a robot, biztonsági okokból, csak erősen csökkentett sebességgel működtethető. Nem csak a helyzetek, de az interpolációk, gyorsulások, sebességek, késleltetési idők és szenzor-utasítások is a programba kerülnek.

Megjegyzendő, hogy a modern rendszerekben általában csak a program-keret tanítása történik evvel a módszerrel. A mozgás részletei on-line módon kerülnek a programba.

 

Off-line programozás:

A programozás szöveges formában írt program segítségével történik. Az on-line programozással ellentétben, amely rendkívül mozdulat-orientált, az off-line programozás inkább feladat-orientált. Ahelyett, hogy a robot minden mozdulatát külön beprogramoznánk (mint pl. a teach-in módszer esetén), a feladat absztrakt megfogalmazására helyezzük a hangsúlyt. A programozás hatékonyságát egyes rendszerek felhasználóbarát szolgáltatásokkal segítik (pl. az Apple Mackintosh a grafikus tervezési elemekkel). A módszernek, sok előnye mellett (a programozás már a tervezési fázisban lehetséges, stb.), alapvető hibája többek között, hogy a programozás hibái sokszor csak az első próbafutás alatt derülnek ki. A hibakeresés és -javítás csak ismételt futások során végezhető, ami növeli a robotok improduktív idejét.

A másik hátrány a programozás absztraktságának következménye, nevezetesen az, hogy a robot egyes funkciókat ellátó részeit és azok kapcsolatát ideálisnak tételezik fel, így nem tud előre számolni a gyakorlatban előforduló pontatlanságokkal és egyéb zavaró körülmények (hőmérséklet, páratartalom, rezgések, stb.) hatásával.

Azt mondhatjuk, hogy a tisztán off-line módszer nem jó megoldás. A fenti hibák viszont elkerülhetők, ha a próbafutás előtt az új programot először a terminálon szimuláljuk. Ehhez természetesen szükség van egy teljes geometriai és technológiai adatbankra, amely egyfelől az összes alkalmazni kívánt robot alkatrészeinek és perifériáinak (forgó asztalok, futószalagok, stb.) geometriai paramétereit, másfelől a munkafolyamatban szereplő egyéb adatokat (motorok és szenzorok karakterisztikái, teher-válaszfüggvények, szerszámok és munkadarabok fizikai jellemzői) tartalmazza. A szimuláció során a kimenet real-time módon 3-dimenziós grafika formájában képernyőre kerül, ahol diagnosztizálhatók és kijavíthatók a hibák - szinkronizációs problémák, ütközések, túlterhelés, stb.

A precíz TCP pozícionálási hibáit a szenzortechnológia alkalmazásával próbálják kiküszöbölni. Hagyományosan tapintó és vizuális elven működő szenzorokat használnak a robotok adaptív vezérlése céljából. Itt röviden olyan, nem-determinisztikus módszereket mutatunk be, ahol a TCP által bejárni tervezett útvonal a programozás alatt még nem minden részletében ismert. A program futása alatt a szenzorok tudósítják a központi műveleti egységet a robot belső "világát" érintő külső eseményekről, amelynek következtében a robot "modell-világában" megfelelő belső események keletkeznek.
Ezáltal a szenzor által küldött információkra a robot adekvát módon képes reagálni. Ezen az elven működik például a varrat-követő szenzor (seam trace sensor). A hegesztendő felületen a kiinduló hegesztési pontot teach-in módszerrel adjuk meg a robotnak. A varrat útvonala a munkadarabtól függ, a szenzor a hegesztés alatt folytonosan követi a hegesztő elektróda útját. A munkafolyamat egyes beprogramozandó lépéseinek száma és bonyolultsága lényegesen csökkenthető. Természetesen ennek a módszernek megvannak a korlátjai (alak-felismerési problémák, reach-in-the-box feladat). Ha egy dobozban, amelybe további feldolgozásra váró munkadarabok esnek, elég nagy a "rendetlenség", és a kiszemelt munkadarab kellően bonyolult alakú, akkor annak azonosítása, helyzetének meghatározása és a manipulátorral való megközelítése túlságosan is komplexnek bizonyulhat a robot alakfelismerő programja számára.

 

Programozási nyelvek

Elvben minden univerzális programnyelv alkalmas robotok programozására. A feladat speciális természetéből következően mégis célszerű volt olyan programnyelvek kifejlesztése, amelyeken a tipikus feladatelemek, mint koordináta-transzformációk, effektor- és szenzorvezérlés könnyen programozhatók. Ilyenek például az SRL (Structured Robot Language), a PASRO (PAScal for RObots), ROBEX (ROBot EXapt), ARLA (ASEA Robot Language), BAPS ( Bosch Advanced Programming System), SRCL (Siemens Robot Control Language), ROLF (Robot Language Formula), ROBOTstar, AL (Assembly Language), AML (A Manufacturing Language), HELP, VAL (Variable Assembly Language), SIGLA (SIGma LAnguage).

Cosimir

 

 

Felhasznált irodalom:

 

  1. Dr. Csáki Tibor ROBOTTECHNIKA.
  2. Dr. Kulcsár Béla: Robottechnika
  3. Makó I. Robottechnika előadásvázlat
  4. http://www.szgt.uni-miskolc.hu/~mako/robel1.pdf
  5. http://www.szgt.unimiskolc.hu/~mako/robel2.pdf
  6. http://www.szgt.uni-miskolc.hu/~mako/robel3.pdf
  7. http://www.szgt.uni-miskolc.hu/~mako/robot.pdf
  8. http://www.muszeroldal.hu
  9. http://www.axicont.hu/robot.htm