Mechatronika Modul 10: Robotika Jegyzet Készítették: Petr Blecha Zden k Kolíbal Radek Knoflí ek Aleš Pochylý Tomáš Kubela Radim Blecha Tomáš B ezina Brno-i M szaki Egyetem, Gépészmérnöki Kar Gyártási Gépek, Rendszerek és Robotika Intézet Dr. Cser Adrienn EU-Project Nr. 2005-146319,,MINOS, EU-Project Nr. DE/08/LLP-LDV/TOI/147110,,MINOS** Európai elképzelés a globális ipari termelésben résztvev szakemberek mechatronika témakörben történ továbbképzésér l A projektet az Európai Unió a Leonardo da Vinci szakmai továbbképzési akcióterv keretében támogatta. www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch
A szakmai anyag elkészítésében és kipróbálásában az alábbi magáncégek és intézmények vettek részt - Chemnitz University of Technology, Institute for Machine Tools and Production Processes, Germany - np neugebauer und partner OhG, Germany - Henschke Consulting, Germany - Corvinus University of Budapest, Hungary - Wroclaw University of Technology, Poland - IMH, Machine Tool Institute, Spain - Brno University of Technology, Czech Republic - CICmargune, Spain - University of Naples Federico II, Italy - Unis a.s. company, Czech Republic - Blumenbecker Prag s.r.o., Czech Republic - Tower Automotive Sud S.r.l., Italy - Bildungs-Werkstatt Chemnitz ggmbh, Germany - Verbundinitiative Maschinenbau Sachsen VEMAS, Germany - Euroregionala IHK, Poland - Korff Isomatic sp.z.o.o. Wroclaw, Polen - Euroregionale Industrie- und Handelskammer Jelenia Gora, Poland - Dunaferr Metallwerke Dunajvaros, Hungary - Knorr-Bremse Kft. Kecskemet, Hungary - Nationales Institut für berufliche Bildung Budapest, Hungary - Christian Stöhr Unternehmensberatung, Germany - Universität Stockholm, Institut für Soziologie, Sweden Tartalom: Jegyzet, munkafüzet és oktatói segédlet az alábbi témakörökhöz Modul 1: Alapismeretek Modul 2: Interkulturális kompetencia, Projektmenedzsment Modul 3: Folyadékok Modul 4: Elektromos meghajtók és vezérlések Modul 5: Mechatronikus komponensek Modul 6: Mechatronikus rendszerek és funkciók Modul 7: Üzembehelyezés, biztonság, teleservice Modul 8: Távkarbantartás és távdiagnosztika Modul 9: Gyors prototípusgyártás Modul 10: Robotika Modul 11: Európai migráció Modul 12: Interfészek Az alábbi nyelveken: német, angol, spanyol, olasz, lengyel, cseh és mag ar További információ: Technische Universität Chemnitz Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse (Chemnitz-i M szaki Egyetem, Szerszámgépek és Gyártási Folyamatok Intézete) Dr.-Ing. Andreas Hirsch Reichenhainer Straße 70, 09107 Chemnitz phone: + 49(0)371 531-23500 fax: + 49(0)371 531-23509 e-mail: minos@mb.tu-chemnitz.de www.tu-chemnitz.de/mb/werkzmasch or www.minos-mechatronic.eu
1. A robotok története, fejl dése és definíciója...1 1.1. A mechanikus írnokoktól a robotokig...1 1.2. A robotok definíciója...4 2. Az ipari robotok és manipulátorok (IR&M) szerkezete...6 2.1. Az IR&M-ek kinetikai szerkezete...6 2.1.1. Az IR&M-ek mozgásrendszere...6 2.1.2. Kinematikai párok az IR&M-ek konstrukcióinál...7 2.1.3. Soros kinematikájú ipari robotok...8 2.1.4. Alapvet IR&M típusok pozicionálási pontosságának problematikája...13 2.1.5. Párhuzamos kinematikájú ipari robotok...15 2.1.6. Automatizált, vezérelt járm vek (AGV)...16 2.2. Az IR&M-ek tipikus képvisel i konstrukciós szempontból...17 2.2.1. Az alapvet ipari robotok típusai...17 2.2.2. Az ipari robotok származtatott típusai...19 2.2.3. Kinematikai párok kombinációiból származtatott IR&M típusok...21 3. Végszerszámok (effektorok)...23 3.1. A végszerszámok célja és felosztása...23 3.2. Technológiai végszerszámok...23 3.3. Manipulációs végszerszámok megfogó szerkezetek...24 3.3.1. Kombinált megfogó fejek...33 3.3.2. Speciális effektorok...34 3.3.3. A robot mozgása által kiváltott er k a megfogott tárgyon...34 3.3.4. Automatikus végszerszám-csere...38 3.4. Az IR&M-ek perifériái...39 3.4.1. Bevezetés, osztályozás, alkalmazási célok...39 3.4.2. A periferális eszközök osztályozása funkció alapján...40 3.4.3. A periferális eszközök osztályozása jellemz konstrukciós vonások alapján...40 3.4.4. A periferális eszközök osztályozása a munkahelyen elfoglalt helyük alapján..47 4. Robotizált munkahelyek...49 4.1. A robotizált munkahelyek alapvet épít elemei...49 4.2. A munkahely vezérlése...51 4.3. Robotizált munkahelyek típusai...54 4.3.1. Hegesztés...54 4.3.2. Manipuláció...57 4.3.3. Bevonás...58 4.3.4. Technológiai m veletek...60 5. Ipari robotok programozása...64 5.1. Bevezetés...64 5.2. On-line programozás...64 5.2.1. Felhasználói interfész betanító egységek...65 5.2.2. 6 szabadságfokú ipari robot...66 5.2.3. F mozgástípusok...70 5.2.4. Mozgásközelítés...72 5.2.5. Az ABB robotok alapvet utasításainak áttekintése...74 5.2.6. A KUKA robotok alapvet utasításainak áttekintése...75
5.2.7. Esettanulmány: Rakodási feladat...76 5.3. Off-line programozás...79 6. Robotizált munkahelyek biztonsága...81 6.1. Kifejezések és definíciók...81 6.2. A robotok konstrukciójával szembeni követelmények...82 6.2.1. Gépi hajtású komponensek...82 6.2.2. Tápfeszültség-kimaradás vagy -ingadozás...82 6.2.3. Tápellátás...82 6.2.4. Látens energia...82 6.2.5. Elektromágneses kompatibilitás (EMC)...83 6.2.6. Elektromos berendezés...83 6.2.7. Vezérl elemek...83 6.3. A vezérl rendszer biztonságreleváns részeivel szembeni követelmények...83 6.3.1. Vészleállító funkció...84 6.3.2. Biztonsági leállás...84 6.3.3. Csökkentett sebesség...84 6.3.4. Üzemmódok...84 6.3.5. Vezérlés a betanítóegység segítségével...85 6.3.6. Követelmények operátorral való együttm ködés esetén...85 6.4. A vezérl rendszer biztonságreleváns részeinek kategóriái...86 6.4.1. B kategória...86 6.4.2. 1-es kategória...86 6.4.3. 2-es kategória...87 6.4.4. 3-as kategória...88 6.4.5. 4-es kategória...88 6.5. Biztonsági véd berendezések...89 6.5.1. Vészkapcsoló...89 6.5.2. Biztonsági fényfüggöny...90 6.5.3. Biztonsági lézeres letapogató...92 6.5.4. Szilárd korlátok...93 6.5.5. Biztonsági ajtóérzékel k...93 6.5.6. Biztonsági sz nyegek...94 6.6. Példa robotizált munkahely biztosítására...94
1. A robotok története, fejl dése és definíciója 1.1. A mechanikus írnokoktól a robotokig Az igény, hogy ember alakú vagy él szervezetekre hasonlító gépeket állítsunk szolgálatunkba majdnem olyan régi, mint maga az emberi kultúra. A mozgó bábuk építésének története egészen az si bizánci korig nyúlik vissza. Már Homérosz Iliászában is szó esik arról, hogy Hephaestus, az olimposzi istenek egyike házában tiszta aranyból kovácsolt szolgálókat tartott. Kr. e. 400-365-ben Archytus egy fa galambot készített, amelynek belsejében állítólag egy kis léggömb volt. Az alexandriai Hérón híres gépészmérnök, a g z 1 és más anyagok (pl. higany) h tágulásából származó energiával hajtott bábuk, automata színpadi szerkezetek, nyíló templomkapuk, stb. mestere volt. Szerkezetei meghajtásához g zt és forró leveg t használt. Példa erre az 1.1 ábrán látható oltár-berendezés: ha az oltáron tüzet gyújtottak, az (A) edényben található víz felmelegedett, a felszálló g z pedig nyomást gyakorolt az oltár alsó részén található tartályban elhelyezked víz felületére. A vizet ez az (L) csöveken keresztül felnyomta a szobrok kezében elhelyezked edényekbe. Amikor az edények megteltek, a szobrok kezei lehajlottak, a víz ráömlött az oltár tüzére, és eloltotta. a b c 1-1 ábra: Példák: Történelmi automaták a. si oltár, a szobrok automatikusan vizet öntenek az áldozati t zre b. Jacquete Droze mechanikus automatája c. Hosokawa mechanikus automatája Az automaták történetében a nagyszer m vész és m szaki zseni, Leonardo da Vinci (1452-1519) sem marad el híres el deit l. XII. Lajos király Milánóba érkezésére egy mechanikus oroszlánt épített, amely a király trónjához sétált és mancsának felemelésével üdvözölte t. A m emberekre vonatkozó biorobotikai kísérletek a 18. századra nyúlnak vissza. 1783 körül Jacques de Vaucanson francia mérnök egy gyakorlatilag m köd robotot épített egy fuvolást, amely 12 zeneszám lejátszására volt képes. A hangot egyszer en a száján leveg t kifújva hozta létre, a hangmagasságot pedig a hangszer különböz nyílásainak ujjaival való befedésével változtatta. 1772-ben Jacquet Droz egy gyermek alakú automatát alkotott (lásd 1.1b ábra), amelyet vezérl bütykök m ködtettek és rugók hajtottak. Ez az automata szövegrészeket tudott leírni, 1 Lásd a jól ismert Hérón labda kísérletet 1
mégpedig valódi tollal. 1796-ban Hosokawa Japánban egy másik ismert automatát, a teahordó fiút (1.1c ábra) hozta létre. A természettudományok egy komoly áttörése még fejlettebb eszközökkel látta el az automaták épít it. Az akusztika ismerete lehet vé tette a hangot kiadó automaták, például automata hangszerek és beszél szobrok megépítését. Az I. világháborút követ id szakban a robotok nem hiányozhattak egyetlen m szaki kiállításról sem. Alakjuk általában a történelmi fegyverhordozókéra hasonlított, mozgott a kezük és gramafonfelvétel hangjukon egyszer kérdésekre válaszoltak. Kés bb a robotok elektromos hajtást kaptak, így jobban tudtak mozogni, mint a hajtóbütykök és rugók idejében. Például az 1927-ben a brit R. J. Wensly által létrehozott TELEVOX robot a csengésre felvette a telefont és emberi hangon válaszolt. Az amerikai Whitman megépítette a radiohuman OCCULTA-t, amelynek célja katonai barikádok elpusztítása és akadályok legy zése volt. A robot szó a szláv -rob- t b l ered, amely felismerhet a cseh robota szóban, aminek jelentése nehéz, kötelez és fárasztó munka, és a robit (munka) szóban, de többek között a výroba (gyártás, termelés) és az obráb t (dolgozni, gép, szerszám) szavakban is. A zseniális cseh író, Karel apek alkalmazta el ször ezt a szót 1920-ben "R.U.R." cím m vében a mesterségesen létrehozott lényekre. Karel apek robotjait eredetileg labor -nek akarta nevezni (a latin labore, vagy az angol labour = nehéz munka szó alapján), de testvére, a fest Josef apek tanácsára mégis a robot elnevezés mellett döntött. Tény mindenesetre, hogy az 1921-es színházi bemutató után apek R.U.R cím darabja, és vele együtt a cseh robot szó is az egész világon hatalmas ismertségre tett szert. Azóta a szó mindennapi szóhasználattá vált automata vagy mechanikai berendezések jelölésére, az élelmiszeripartól a robotpilótákig. Elkerülhetetlenül azon számtalan kísérletre is alkalmazták, amelyek során mesterséges, emberre hasonlító android -okat próbáltak létrehozni, els sorban mechanisztikus alapokon. Itt kell azonban megjegyezni, hogy ez az elképzelés Karel apekt l idegen volt; az robot -jainak koncepciója szigorúan biokémiai jelleg volt. Ett l függetlenül azonban manapság a robotokat élettelen gépeknek tekintjük. Az ipari tömegtermelésben széles körben alkalmazott gépeket, amelyek átveszik néhány, korábban emberek által elvégzett m velet kivitelezését általában nem robotoknak, hanem automatáknak nevezzük. Ennek oka, hogy az automaták küls megjelenése nem hasonlít az emberére, funkciójuk pedig nagyon speciális (autó-operátorok, cél-manipulátorok). Az 1.3 ábra az ipari gépek és robotok történeti fej dését mutatja be. Jóllehet az ipari gépek történeti fejl dése sokkal korábban kezd dött, általában a XV. és a XVI. század fordulóját tekintik kiindulópontnak. Innen indul az ipari gépek valódi fejl dése, beleértve a mechanizációt és a fiktív elképzelések fejl dését (Gólem) egészen apek robotjáig. Ezt a két f áramlatot kapcsolja össze a numerikusvezérlés (NC) kifejlesztése a XX. század közepén: az NC vezérelt ipari gépek és az NC-vel felszerelt ipari manipulátorok robotok lassan kivitelezhet vé tették az automatikus gyártás gondolatát. Az amerikai AMF (American Machine and Foundry Corporation) vállalat 1961-ben VERSATRAN Industrial Robot (VERSAtile TRANsfer = sokoldalú transzfer ) néven dobta piacra többcélú automatáját, amely úgy m ködött, mint egy a gyártósor mellett dolgozó ember, bár küls megjelenésében egyáltalán nem hasonlított emberre. Ekkor kezd dött az ipari robotok kora. Az ipari robotok és az NC gyártóberendezések szimbiózisa a XX. század fordulójára már teljesen automatizált gyáraknak, mint a japán FANUC-nak nyitott utat. Más ipari robotok a gyártással nem összefügg területeken, például a mez gazdaságban nyertek alkalmazást. Az 1.3 ábra pirossal bekeretezett része néhány tipikus ipari robot felépítését mutatja. A bal oldali közvetlen tanulással programozható, azaz el ször a TEACH (tanít) üzemmódban a programozó végigvezeti a szükséges útvonalon, amelyet a vezérlés eltárol, majd a rögzített program aktiválása után a robot a REPEAT (ismétel) üzemmódban a tanult 2
mozdulatot ismétli újra meg újra. Az ilyen robotokat például egy adott pálya menti folytonos hegesztésre, festékszórásra vagy véd réteg felvitelére használják. A jobb oldalon látható robotot a programozó implicit programozza egy betanító panel segítségével, amikoris a programozó a robotot elvezeti a kívánt ponthoz. Ezt megjegyezvén a robot e pontokon, vagy közöttük elvégzi a szükséges m veletet. Az ilyen robotokat például az autóiparban a karosszériák ponthegesztésére használják. 1-2 ábra: Ipari robot közvetlen betanítása 1-3 ábra: Az ipari gépek és robotok fejl désének vázlata A biorobotikus (protetikus) alkalmazások, amelyeket MASTER-SLAVE rendszerek, esetleg idegi EMG (elektromyogrammetrikus) jelek m ködtetnek az NC vezérlés egy oldalágaként 3
fejl dtek ki. A robotika közvetlen fejl dése azonban a lehet legfantasztikusabb utat követi, mégpedig a mozgó, sétáló, humanoid robotok (pl. HONDA) irányába. Ezek a berendezések megdöbbent en hasonlítanak a történetbeli Gólemre, és az ipari robotoknál alkalmazott közvetlen tanulási folyamat is, amely során a programozó végigvezeti ket a kívánt útvonalon, k pedig rögzítik ezt, emlékeztet a Gólemek életre-keltésére, amikor a misztikus šém -et kell a fejükbe helyezni. Ichiro Kató, a tokiói Waseda egyetem professzorának zongoristája egy teljes szimfonikus zenekart kísért az osakai világkiállításon. A Honda nev humanoid robot pedig, hasonlóan más android -okhoz, fel tud sétálni egy lépcs n, tárgyakat visz, táncol, stb. 1.2. A robotok definíciója A gépek és az emberek tulajdonságait a gyártási folyamatokban az alábbi kategóriák alapján vethetjük össze: fizikai tulajdonságok funkcionális tulajdonságok értelmi színvonal A gyártási folyamat számára szükséges és lehetséges értelmi színvonal határát az emberi tudat határozza meg. Ez adott esetben az els dleges észlelés, felfogás és döntéshozatal, memória és logika. A funkcionális lehet ségek közé tartozik az alkalmazkodókészség, univerzalitás, a térben való mozgás lehet sége, manipulációs készség, stb. A fizikai tulajdonságok lehetnek például többek között az er, a sebesség, a folytonos munkavégzés képessége, a karakterisztikák stabilitása, kitartás, megbízhatóság. Ez a három említett kategória egy derékszög koordináta-rendszer x, y, z koordinátáinak segítségével vizualizálható [4; p.38]. 1-4 ábra: Ember és gép sematikus összehasonlítása a gyártási folyamat szempontjából [NODA] Az 1-4 ábra az ember egy nagyon sematikus besorolását ábrázolja a gyártási folyamat szempontjából: jellemz i a magas intellektuális szint (a kérdéses gyártási folyamat szempontjából), a funkcionális lehet ségek relatív magas szintje, de ezzel egyidej leg a gyenge 4
fizikai tulajdonságok. Az ember ezt már az id k kezdete óta tudja, így minden korai, egyszer gép feladata a gyenge fizikai képességek javítása volt. Ezeket a gépeket a fizikai lehet ségeket ábrázoló tengelyen egydimenziósként ábrázoljuk. Az építéshez használt és a hozzájuk hasonló gépek, mint például az exkavátorok, markolók, teleoperátorok, stb., amelyeket közvetlenül egy ember vezérel és m ködtet kétdimenziós gépek a fizikai és a funkcionális lehet ségek síkjában. Ezzel egyidej leg a fenti diagramm szerint a matematikai és azokhoz hasonló információs gépek (számítógépek, vezérl rendszerek) is kétdimenziósak, de ezek nem mozgathatók, hanem a fizikai tulajdonságok és az intellektuális szint síkjában helyezkednek el. A fent leírt két nagy alcsoport összekapcsolása, vagy inkább áthatása eredményezi az ipari manipulátorokat robotokat, amely az ember gyártási folyamatban betöltött helyével azonos tulajdonságokkal bír. A robotika tanulmányozásába természetesen beletartozik a manipulátorok és robotok megfelel definíciójának keresése is. A világirodalomban a robot fogalom definíciója aligha mondható egységesnek, bár bizonyos definíciók, mint az ilyen eszközök szabadsági fokait értékel definíció, miszerint A robot egy legalább 3 szabadsági fokkal bíró szerkezet. A kevesebb szabadsági fokkal bíró eszközöket manipulátoroknak nevezzük és a Az ipari robot egy az ipari használatra tervezett automatikus manipulációs eszköz, amely 3 tengely mentén szabadon programozható, és amely rendelkezik szállító kezekkel (fogókkal) vagy technológiai eszközökkel ékes tanúbizonyságot tesznek a robotok alapvet filozófiájával szembeni ignoranciáról. Mindazonáltal ez utóbbi definíció felvet egy további kérdést, miszerint a robot és az ipari robot azonos eszközök-e. Az ipari jelz sugallja, hogy mit is értettek a definíció utolsó része alatt: az ipari robotok a robotok egy részhalmaza. A robot általános fogalmának meghatározásához használjuk Ing. Ivan M. Havel CSs. [2] definícióját [3; p.20]: A robot egy automatizált, vagy számítógéppel vezérelt integrált rendszer, amely az ember utasításai alapján képes önálló és célorientált interakcióra a környezetével. Az interakció a környezet észlelése és felismerése, tárgyak kezelése és a környezetben történ mozgás. A fenti definíciót kétségkívül alkalmazhatjuk számos, nem csak ipari robotikai rendszerre. Az ipari robot -ot Prof. Ing. P. N. Beljanin definiálta [1]: Az ipari robot egy önállóan m köd gép automata, amelyet úgy terveztek, hogy reprodukálja az ember bizonyos mozgási és intellektuális funkcióit, amikor adott kiegészít vagy alapvet m veletet végez emberi felügyelet nélkül, és amelyet e célból felruháztak az ember bizonyos képességeivel (hallás, látás, érintés, memória, stb.), az önálló tanulás, önszervezés és a (pl. az adott környezethez való) alkalmazkodás képességével. A fent definiált eszköz ténylegesen az embert pótolja a gyártási folyamatban. Azt, hogy ez ténylegesen egy ipari robot vagy egy manipulátor, az értelmi szint, pl. vezérl rendszerek elemzése alapján határozhatjuk meg. Az 1-4 ábrát kísér szöveg értelmében nem létezik egyetlen egységes szabályrendszer, amely alapján egyértelm, vajon az adott berendezés manipulátor vagy ipari robot. 5
2. Az ipari robotok és manipulátorok (IR&M) szerkezete 2.1. Az IR&M-ek kinetikai szerkezete 2.1.1. Az IR&M-ek mozgásrendszere A fenti definíciók alapján, valamint e bonyolult eszközökr l alkotott általános nézeteknek megfelel en levonhatjuk azt a következtetést, hogy az ipari robotokat a robotok egy részhalmazának tekintjük. Képvisel ik f ként mobil robotok, amelyek különböz kerekes vagy hernyótalpas alvázon mozognak, illetve a lábakon járó robotok, amelyek néha még hasonlítanak is az emberre vagy bizonyos állatokra. A mobil robotikai rendszerek esetén a manipulációs kar már önmagban egy aktuátor rendszernek felel meg. Az ilyen robotot alkalmazhatjuk helyhez kötött ipari robotként, vagy felszerelhetjük egy egyszer bb vagy bonyolultabb mozgásrendszerrel is. Az IR&M aktuátorrendszerek konstrukciójuk alapján az alábbi csoportokra oszthatók: helyváltoztató mechanizmusok pozicionáló mechanizmusok orientáló mechanizmusok végszerszámok (effektorok) A B r referenciapont az alapvet kinematikai lánc (basic kinematic chain (BKC)) végén, a pozicionáló és az orientáló mechanizmusok között helyezkedik el. Az alapvet kinematikai lánc a pozicionáló mechanizmusokból áll, de néha kiterjed a helyváltoztató mechanizmusra is. A kinematikai lánc (kinematic chain (KC)) az alapvet kinematikai láncból és az orientáló mechanizmusból áll. Az orientáló mechanizmus és a végszerszám között néha egy pozíciókompenzátor is található. A 2-1 ábra egy példa rendszert mutat be: lineáris helyváltoztatásra képes robot aktuátorrendszere. a. b. 2-1 ábra: Példa: helyhez kötött ipari robotok aktuátorrendszerének klasszifikációja a. Adaptív ipari robot APR- 20 VUKOV-PREŠOV (SK) b. Ipari robot BEROE RB-321(BG) X - helyváltoztató mechanizmus pozicionáló mechanizmus - CBB (APR-20), CZY (korábban RB-321) B r - referencia pont A 0, B 0, C 0 - orientáló mechanizmus (lehetséges elrendezés) Megjegyzés: X, Y, Z transzláció az x, y, z tengelyek mentén A, B, C rotáció az x, y, z tengelyek mentén A 0, B 0, C 0 - rotáció az orientáló mechanizmus tengelye mentén 6