GYÁRTÓCELLÁK IPARI ROBOTOK. Összefoglaló áttekintés. 1. előadás. Dr. Pintér József. Gyártócellák

Átírás

1 GYÁRTÓCELLÁK IPARI ROBOTOK Összefoglaló áttekintés Dr. Pintér József 1. előadás 1

2 Vázlat IPARI ROBOTOK fejlődésének áttekintése A robot szó eredete, alkalmazási területek, a "kiábrándulás" és okai, a hazai helyzet, a fejlődés tendenciái, stb. Az ipari robot és a manipulátor fogalma Robotok kinematikai jellemzői, munkatértípusok, azok jellemzése, összehasonlítása Robotok szerkezeti elemei, Robotok terhelhetősége, Robotok hajtásrendszerei Robotok irányítása Robotok megfogószerkezetei 2

3 FEJLŐDÉSTÖRTÉNET Löw rabbi GÓLEM " Sem ha foras varázsige "programlapocska" információ hordozó Kempelen Farkas ( ) sakkozógépe (1769) ROBOT szláv eredetű szó "rabota" igás v. kézi napszám,... Karel Čapek R.U.R. (Rossum univerzális robotjai színdarab) 1923-ban lefordítják angol nyelvre (Itt a robotok gépi szörnyek, androidok, amelyek az emberek ellen fordulva elpusztították őket, és átvették a hatalmat). 3

4 FEJLŐDÉSTÖRTÉNET A VDI 2860 irányelv (1981) szerint: Az ipari robot univerzálisan állítható többtengelyű mozgó automata, melynek mozgás-egymásutánisága (utak és szögek) szabadon - mechanikus beavatkozás nélkül programozható és adott esetben szenzorral vezetett, megfogóval, szerszámmal vagy más gyártóeszközzel felszerelhető, anyagkezelési és technológiai feladatra felhasználható 4

5 FEJLŐDÉSTÖRTÉNET Előzmények: NC-technika, USA, M.I.T. Térbeli felület marógéppel való megmunkálása, egyszerre 3 irányban távműködtetésű manipulátorok, USA, Georg DEVOL szabadalma, Joe Engleberger (a robotika atyja ) 1961-ben megalapítja az UNIMATE céget General Motors részére robot (számjegyes vezérlés, hidraulikus hajtás) 5

6 FEJLŐDÉSTÖRTÉNET Anglia USA robotokat vásárol Kifejlesztik a Stanford kart, amely egy tisztán villamos hajtású kisrobot, a PUMA sorozat előfutára Az Unimation PUMA sorozatának a bevezetése Világméretben elkezdődik az autonóm mobil robotoknak a fejlesztése. 6

7 FEJLŐDÉSTÖRTÉNET 7

8 Robotok alkalmazása Alkalmazási területek (1980-as években): ponthegesztés 28% ívhegesztés 20% festés 11% szerelés 7%!!! munkadarab kezelés 24% kutatás, oktatás 10% 8

9 Robotok alkalmazása megkezdődik a "csalódás" időszaka telítődött az egyszerű alkalmazások piaca, a szerelés műveletének robotosítása igen nehéz (pl. érzékelők, szoftverek, stb. ) 9

10 Robotok alkalmazása Alkalmazási területek (1990-es években): anyagmozgatás 25% hegesztés (pont- és ívh.) 15% festés 10% szerelés 35%!!! egyéb 15% 10

11 Robotok alkalmazása Anyagmozgató robotok 11

12 Robotok alkalmazása Szerelő robot 12

13 Robotok alkalmazása Festő robotok 13

14 Robotok alkalmazása 14

15 Robotok alkalmazása Asimo a humanoid 15

16 Robotok alkalmazása 16

17 Robotok alkalmazása Alkalmazási területek M.on. (1990-es évek): présgépkiszolgálás 25% hegesztés (pont- éls ívh.) 25% festés 5% szerelés 3%? Szerszámgépkiszolgálás 20% oktatás 17% fémöntés és egyéb 5% Hegesztő robot Szerelő robot Hegesztő robot Festőrobot 17

18 Robotok alkalmazása FANUC ROBOT SCARA robot 18

19 Robotok alkalmazása Érdekes a WORLD INDUSTRIAL ROBOTS 1994 Statistics and Forecasts to 1997 összeállítása: alkalmazási gyakorisági sorrend:: ív és ponthegesztés, szerelés, fröccsöntés, szerszámgép kiszolgálás, elembeültetés, különleges munkadarab- és szerszámmanipulálás, palettázás, festékek és vegyszerek adagolása, mérés és ellenőrzés, présgépkiszolgálás, vágás (vízsugaras, plazma és lézeres), forgácsolás, sorjázás, polírozás, festés, bevonatolás, besajtolás, szegecselés, ragasztás, forrasztás, oktatás, kutatás, fejlesztés, egyéb (tömítés, elszívás, stb. ). 19

20 Robotok alkalmazása 20

21 Robotok alkalmazása Beruházási javak Fogyasztási javak Alapanyagok és fémek Autóipar 21

22 Robotpiac A nehezen beinduló robotpiac 5,4 milliárd dollárosra nőtt, és egyes elemzők szerint ez 2010-re mintegy17 milliárdra emelkedett. 22

23 Robotpiac 23

24 Robot fejlődési trendek 5 évenként 25%-os robotigény növekedés Növekszik a speciális alkalmazások részaránya Beállási pontosság nő (kisebb mint 1 µm) A legnagyobb teherbírás eléri az 5000 kg-ot A programozható pont sebessége eléri a m/s -ot, a gyorsulás 5-7 G-re nő Az önsúly a jelenlegi 25%-ára, a teljesítményigény 20%-ára csökken Bővül a számítógépes alkalmazások köre Elterjednek az optikai eszközök (pl. lézer) Vezérlésekben megjelenik a CISC és a RISC, a neurális hálózatok, a FUZZY LOGIC megjelenése 24

25 Manipulátor: Ipari robot fogalma Kézzel, vagy gépi úton vezérelt anyagmozgató szerkezet, mely tárgyak megfogását, térbeli helyzetének megváltoztatását, vagy megtartását, majd elengedését biztosítja. 25

26 Ipari robot fogalma Ipari robot: Ujraprogramozható, többcélú manipulátor, amely anyag, alkatrész, szerszám, vagy különleges eszköz változtatható program szerinti mozgatását végzi számos feladatvariáció végrehajtására. Tehát a robot is manipulátor. 26

27 Ipari robot fogalma A robot fogalmának megfogalmazása a VDI 2860 (VDI - Verein Deutscher Ingenieure: Német Mérnök Egyesület) irányelv (1981) szerint: Az ipari robot univerzálisan állítható többtengelyű mozgó automata, melynek mozgás-egymásutánisága (utak és szögek) szabadon - mechanikus beavatkozás nélkül programozható és adott esetben szenzorral vezetett, megfogóval, szerszámmal vagy más gyártóeszközzel felszerelhető, anyagkezelési és technológiai feladatra felhasználható. 27

28 Ipari robot fogalma Egy másik megfogalmazás szerint az ipari robot: mechatronikai szerkezet, amely (nyílt) kinematikai láncú mechanizmust és (intelligens) vezérlést tartalmaz, irányított mozgásokra képes, automatikus működésre képes, előírt programozható feladatokat végez, együttműködik a környezetével. 28

29 Ipari robot fogalma Főbb jellemzői: aktív mesterséges ágens, aminek környezete a teljes fizikai világ, teljes egészében ember készítette szerkezet, mozogni tud, és több szabadságfokkal (több olyan tengellyel, amelyek egymástól függetlenül mozogni képesek) rendelkezik, tevékenységét részben vagy teljesen önállóan irányítja (autonóm). A robotika két okból is kihívást jelentő terület, mert a robotoknak a fizikai világban kell tevékenykedniük, ami sokkal bonyolultabb, mint a legtöbb szimulált szoftvervilág, és olyan hardvert (érzékelőket és beavatkozókat) igényel, amelyek valóban működnek, ezért a robotika gyakorlatilag a mesterséges intelligencia valamennyi összetevőjét igényli. 29

30 Ipari robot fogalma Kézi vezérlésű manipulátor közvetlenül a kezelő által vezérelt szerkezet. A mozgatás a kezelő mozgató erejének mechanikus átvitelével, vagy távvezérléssel lehetséges (master-slave, mester-szolga szerkezetek). Hat szabadságfokú közvetett kézi vezérlésű Manipulátor (Master-slave-System) 30

31 Ipari robot fogalma Hajtásszabályozás blokkdiagramja Mesterkar Tiny-Micro Mark-1 (Japán) mikromanipulátor 31

32 Ipari robot fogalma Exoskeleton Master-slave (mester-szolga) rendszer JET Propulsion Laboratory, USA 32

33 Ipari robot fogalma Robotgenerációk: 1. Generációs robotok: Csak vezérléssel működtethetők A környezet meghatározott Egyszerű feladat Gyorsaság, pontosság jellemzi Nincs alkalmazkodó képessége, nem érzékeli a környezet változásait 33 33

34 Ipari robot fogalma 2. Generációs robotok: Nem egyértelműen meghatározott a tárgyak helyzete, Környezetüket szenzorokkal vizsgálják, A számítógép bármikor képes módosítani a robot mozgását (pl. váratlan akadály), Döntően szerelő robotok, Kikerüli a váratlanul elébe került akadályt, megkeresi és megfogja az elcsúszott tárgyat

35 Ipari robot fogalma 3. Generációs robotok: Mesterséges intelligenciával rendelkeznek (intelligens robotnak is nevezik), s így messzemenően alkalmazkodni tudnak a környezet változásaihoz, Jól alkalmazkodnak a környezet változásaihoz, Alakokat és helyzeteket ismernek fel, Önálló döntéseket hoznak 35 35

36 Ipari robot fogalma 3. Generációs robotok: (Folytatás) Önálló döntéseket hoznak, A környezetből információt szereznek, és ez alapján képesek saját programot írni, szükség esetén módosítja a betáplált programot, tanulási képesség Bonyolult feladatok elvégzésére lehet alkalmas 36 36

37 Robotok alkalmazása ABB robot család ABB IRB 140-es robot 37

38 Robotok alkalmazása Két huzalos eljárással dolgozó hegesztő robot (igm) 38

39 Kinematikai struktúrák, munkatértípusok 39

40 Kinematikai strukturák Az ipari robotok kinematikai felépítése igen sokféle lehet. A kinematikai felépítés alapvetően meghatározza munkaterének alakját, a mozgási sebességét, a terhelhetőségét, a pontosságát. Az ipari robotok alkalmazhatóságát nemzetközi szabvány rögzíti (Manipulating industrial robots Performance criteria and related test methods ISO 9283). 40

41 Kinematikai strukturák Az ipari robot kinematikai felépítését (a karrendszerét) a szabadságfokok, másképpen fogalmazva a mozgástengelyek határozzák meg. A mozgástengelyek lehetnek: transzlációs (T - egyenes vonal mentén elmozduló), és/vagy rotációs (R - forgó) mozgástengely. Megjegyzés: A megfogó szerkezet nyitás/zárás funkciója nem számít mozgástengelynek. 41

42 Kinematikai strukturák Az ábrán látható egy jellemzően transzlációs (egyenes vonalú, lineáris) és egy jellemzően rotációs (forgó) mozgásokat végző ipari robot 42

43 Kinematikai strukturák A munkatér az ipari robot effektora (illetve pontosabban: a robot mechanikus csatlakozó felülete felületének középpontja, lásd a későbbiekben is) által bejárható tér. Az ipari robot fontos eleme az effektor. Az effektor az ipari robot tényleges munkát végző szerkezeti egysége. Alapvetően két csoportot különböztetnek meg, az effektor lehet: megfogó szerkezet, vagy szerszám. 43

44 Kinematikai strukturák A mozgástengelyeket (szabadságfokokat) szokták alap- vagy fő-, és segéd- vagy melléktengelyeknek is nevezni. A főtengelyek viszik a robot effektorát (megfogó szerkezetét vagy szerszámát) a munkatér előírás szerinti, programozott (kijelölt) helyére. A segédtengelyek (például a korábbi ábrán a 4., 5. és 6. tengelyek az effektor kívánt helyzetét (orientációját) állítják be, helyváltoztatásuk mértéke a főtengelyekhez viszonyítva kicsi. 44

45 Kinematikai strukturák Munkaterük alapján az ipari robotok a következő négy csoportba sorolhatók: hasáb, henger (-koordinátás), gömb (üreges), humanoid. 45

46 Kinematikai strukturák 3T 1T+2R 2T+1R 3R 46

47 Kinematikai strukturák Hasáb alakú munkatér 2T+1R 3T három haladó mozgás Derékszögű (Descartes) koord.rendszer 40% Henger alakú (üreges) munkatér 2T+1R kettő haladó + egy forgó mozgás Hengerkoordináták 47

48 Kinematikai strukturák Hasáb alakú munkatér 3T három haladó mozgás Derékszögű (Descartes) koord.rendszer 40% 48

49 Kinematikai strukturák Henger alakú (üreges) munkatér 2T+1R 2T+1R kettő haladó + egy forgó mozgás Hengerkoordináták 49

50 Kinematikai strukturák Gömb (üreges) alakú munkatér 1T+2R (egy haladó és kettő forgó mozgás) Gömbkoordináták b és c munkatér összesen kb. 12% Gömbalakú munkatér 3R (három forgástengely) Csuklókoordináták 40% 50

51 Kinematikai strukturák 1T+ 2R (akadálykerülő képesség) Kb % Szerelés (akadálykerülő képesség) SCARA típusú robot és munkatere 51

52 Kinematikai strukturák ADEPT SCARA SCARA típusú robot és munkatere 52

53 Kinematikai strukturák 53

54 Munkatértípusok összehasonlítása 54

55 Kinematikai strukturák Portálrobot felépítése (ABB) 55

56 Kinematikai strukturák Portálrobot felépítése 56

57 Kinematikai strukturák igm_tla0 Portálrobot (igm) 57

58 Kinematikai strukturák Portálrobot (igm) 58

59 Kinematikai strukturák Portálrobot igm_5275 Portálrobot (igm) 59

60 Kinematikai strukturák Csuklós robot Mitsubishi SCARA típusú robot Mitsubishi 60

61 Kinematikai strukturák SCARA típusú robot 61

62 62

63 Robotok mukatértípusai 63

64 Robotok mukatértípusai FANUC A legnagyobb munkaterű Robot RÁBA 64

65 Robotok mukatértípusai ABB IRB 140-es robot 65

66 Különleges robotok Tricept robot három kar egyidejű mozgatásával tud lineáris mozgásokat végezni (3T), párhuzamos kinematikájú Előnyök: gyors, merev, pontos. Hátrányok: kisebb munkatér kisebb teherbírás 66

67 Különleges robotok Pókrobot Fanuc A karokhoz több csukló is tartozik, de csak 6 hajtott csuklóval rendelkeznek. Mivel még az iparban viszonylag újdonságnak számít, ezért jelenleg mindössze 0,5-1%-os elterjedtség becsülhető. A robot gyors, pontos, de kis teherbírású (0,5-0,8kg), ezért főként elektronikai iparban lehet térhódítására számítani. 67

68 Különleges robotok Tripod robot (FESTO) 68

69 Robotok mukatértípusai Gyorsulása: 10 G Terhelhetősége: 2 kg ABB QuickMoveTM 4 tengelyes robot munkatere (IRB 340) 69

70 Robotok mukatértípusai Egy konkrét ipari robot munkatere (katalógusból) 70

71 Robotok mukatértípusai Hagyományos és Tricept robot munkatere 71

72 Robotok mukatértípusai Portál robot munkatere 72

73 Ipari robot mozgástér jellemzői Az ipari robotok ütközésvizsgálataihoz, valamint a robot környezetében található objektumok (például szerszámgépek, perifériák, stb.) elhelyezésének tervezéséhez ismerni szükséges az ipari robot mozgásteret. A mozgástér az a tér, amelyet a robot mozgása során annak valamely eleme elérhet. A mozgástér és a munkatér különbsége az un. holttér, ennek célszerűen kicsinek kell lennie Az ábra oldalnézetből (bal oldali ábra) és felülnézetből ábrázolja a robotot). A biztonsági tér pontjaiba a robot egyetlen eleme sem juthat el, valóban egy látszólag felesleges, de a biztonság szempontjából mégis fontos térrész. 73

74 Ipari robot mozgástér jellemzői (VDI 2861) a biztonsági tér b holttér c munkatér Veszélyzóna = a + b + c 74

75 Ipari robotok terhelhetősége 75 75

76 Ipari robotok terhelhetősége Gyakorlati szempontból is igen fontos robot jellemző a robot terhelhetősége. Belátható, hogy a robot tényleges terhelhetősége az előzőekben tárgyalt tényezőkön túl erőteljesen függ attól is, hogy a külső terhelő erők eredője a munkatér melyik pontjában terheli a robotot. A robotok kiválasztásánál, a robotos rendszer tervezésénél kiinduló alapadat a munkafolyamattól függő terhelhetőség. A robotok katalógusai minden esetben tartalmazzák a terhelhetőségi diagramot, amely az un. kinyúlás, illetve kinyúlások függvényében megadja a maximális terhelhetőséget

77 Ipari robotok terhelhetősége Példaképpen: az ábra az ABB IRB 140-es ipari robot terhelési diagramját szemlélteti a Z és az L tengelyek mentén megvalósuló kinyúlások függvényében. Fontos megjegyezni, hogy a diagramban szereplő tömeg adatok a manipulálandó tárgy és a megfogó szerkezet együttes tömegét, illetve technológiai műveletet végző robotnál a szerszám tömegét jelentik

78 Ipari robotok terhelhetősége A terhelőerő robottípustól függően - néhány tized N nagyságrendtől (mikro-robot) több ezer N értékig változhat. Ezt rendszerint két adattal jellemzik: legnagyobb sebességű mozgáshoz tartozó terhelhetőség redukált (rendszerint 50%-os) sebességhez tartozó terhelhetőség A robot fejrészét - a megfogó szerkezettel, illetve a szerszámmal együtt - úgy kell megtervezni, hogy a specifikációban megadottnál nagyobb erő illetve nyomaték ne érje a robotot

79 Ipari robotok terhelhetősége Robot terhelhetősége az 5-ös és a 6-os csukló térbeli helyzetének függvényében 79 79

80 Köszönöm a figyelmet! 80