Automatizace technologických procesů: Průmyslové roboty a manipulátory

     Automatizacetechnologickýchprocesů Průmyslovérobotyamanipulátory       Autor:  MilanVrožina,DavidJiří,GarzinováRomana   Ostrava,2008                   Název:Automatizacetechnologickýchprocesů‐Průmyslovérobotyamanipulátory Katedra:Katedraautomatizaceapočítačovétechnikyvprůmyslu Autoři:MilanVrožina,DavidJiří,GarzinováRomana Místorok,vydání:Ostrava,2008 Početstran:42 Vydala:Vysokáškolabáňská–TechnickáuniverzitaOstrava Neprodejné     TotodílopodléhálicenciCreativeCommonsUveďtepůvod‐Neužívejtekomerčně‐Nezpracovávejte 4.0MezinárodníLicense. VYSOKÁ ŠKOLA BÁŇSKÁ – TECHNICKÁ UNIVERZITA OSTRAVA FAKULTA METALURGIE A MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ STUDIJNÍ OPORA Název opory/předmětu: AUTOMATIZACE TECHNOLOGICKÝCH PROCESŮ Část 3: Průmyslové roboty a manipulátory Číslo předmětu: 638419, 638414, 638418 Autor/Autoři: prof. Ing. Milan Vrožina, CSc. doc. Ing. Jiří David, Ph.D. Ing. Romana Garzinová, Ph.D. Katedra: Automatizace a počítačová technika v metalurgii Tato studijní opora vznikla v rámci rozvojového projektu Tvorba elektronických studijních opor pro studijní programy FMMI v r. 2008 2 Obsah 1. ÚVOD............................................................................................................................................................. 3 2. MANIPULAČNÍ ZAŘÍZENÍ....................................................................................................................... 4 2.1 MECHANIZACE A AUTOMATIZACE VÝROBY ............................................................................................. 4 2.2 MANIPULAČNÍ ZAŘÍZENÍ .......................................................................................................................... 5 2.2.1 Jednoúčelový manipulátor .............................................................................................................. 5 2.2.2 Synchronní manipulátory ................................................................................................................ 6 2.2.3 Programovatelné jednoúčelové manipulátory ................................................................................ 6 2.2.4 Synchronní univerzální manipulátory – teleoperátory.................................................................... 6 2.2.5 Programovatelné univerzální manipulátory s pevným programem ................................................ 6 2.2.6 Univerzální manipulátory s proměnlivými programy ..................................................................... 6 2.2.7 Kognitivní roboty ............................................................................................................................ 7 3. ARCHITEKTURA PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ.................................................................................. 9 4. POHONY..................................................................................................................................................... 13 4.1 FUNKCE POHONU ................................................................................................................................... 13 4.1.1 Otevřený obvod ............................................................................................................................. 14 4.2 ELEKTRICKÝ POHON .............................................................................................................................. 16 4.3 TEKUTINOVÉ POHONY............................................................................................................................ 18 5. VÝSTUPNÍ HLAVICE............................................................................................................................... 23 6. ČIDLA PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ A MANIPULÁTORŮ.............................................................. 27 6.1 DĚLENÍ ČIDEL ........................................................................................................................................ 27 6.2 ČIDLA PRO VNITŘNÍ INFORMACI............................................................................................................. 28 6.3 ČIDLA PRO VNĚJŠÍ INFORMACI ............................................................................................................... 32 7. ŘÍDICÍ SYSTÉMY PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ. .............................................................................. 34 7.1 KOGNITIVNÍ ROBOTY ............................................................................................................................. 34 7.2 ŘÍZENÍ PRAM BEZ KOGNITIVNÍHO SYSTÉMU ......................................................................................... 35 8. APLIKACE PRAM V PRŮMYSLU ......................................................................................................... 37 9. ROBOTIZOVANÝ TECHNOLOGICKÝ KOMPLEX (RTK) .............................................................. 38 10. ROBOTIZACE PROCESŮ V METALURGII .................................................................................... 39 11. ZÁVĚR..................................................................................................................................................... 42 12. LITERATURA:....................................................................................................................................... 42 3 1. ÚVOD Mezi člověkem a technikou postupně vznikl rozpor vyvolaný omezením fyzických psychických možností člověka a charakterem technických systémů. Výkonnost a přesnost plnění pracovních operací u člověka s postupem času následkem fyzické a psychické únavy klesá. Člověk nemůže vykonávat práci ve zdraví škodlivém prostředí. Cílem automatizace je proto řešit tento narůstající rozpor tím, že člověk bude v daných podmínkách optimálně efektivně oproštěn od monotónní, zdraví neodpovídající psychické i tělesné zátěže. Ve výrobním procesu je řešením tohoto problému komplexní automatizace právě operační a mezioperační manipulace. Úkol automatizace manipulačních úkonů byl nejprve řešen u velkosériových a hromadných výrob. Řešení vedlo k jednoúčelovým zařízením (tvrdá automatizace). U málo a středně sériových výrob však nadále trvala potřeba vytvořit univerzální manipulační zařízení, které by bylo možno rychle přestavit pro různé aplikace. Výsledkem řešení byl vznik průmyslových robotů, které jsou logickým pokračováním vývoje manipulačních a podávacích zařízení používaných již po dlouhou dobu ve velkosériové výrobě. Průmyslové roboty se tak staly jedním ze základních prostředků automatizace výrobních procesů (pružná automatizace). Sám název robot byl užit ve hře Karla Čapka RUR (Rosum´s Universal Robots ) v roce 1925, kde tak Čapek označil své umělé lidi. Zde je pak vhodné připomenout, že průmyslový robot je pouze prvek automatizace, jeden z prvků struktury výrobního procesu. Je proto důležité, aby každý technologický projekt zabezpečoval rovnoměrný vývoj všech strukturálních složek. První pokusy s konstrukcí průmyslových robotů se datuje od roku 1954. V roce 1962 byly vUSA uvedeny na trh první modely průmyslových robotů (Unimate a Versatran). U nás se roboty objevily poprvé v roce 1974. Soustavně se začalo s vývojem asi v roce 1983. Rozvoj poznání a technické činnosti v oblasti robotizace lze zformovat do tří významných směrů: – robotika – robototechnika – robototechnologie Robotika - představuje hybridní směr poznávání, který využívá poznatků technické kybernetiky, počítačových věd, teorie informace a umělé inteligence pro vytváření modelů živých organizmů. Dále se ještě člení na teoretickou a technickou.. Robototechnika - zahrnuje výzkum a vývoj robotů včetně teoretických aspektů a algoritmů řízení systémů s roboty. Je to inženýrská disciplina zahrnující výpočty konstrukce, řízení a výroby robotů. Robototechnologie - je systémový technický směr, který se zabývá nasazováním průmyslových robotů do výroby, včetně analýzy sociálních a ekonomických aspektů. Z hlediska vývojových znaků lze průmyslové roboty dělit do tří generací: 1. generaci představují roboty nižší úrovně, které vykonávají naprogramované pohyby. Jsou předurčeny pro podávání a odebírání předmětů od výrobních strojů. 4 2. generaci představují roboty vyšší úrovně s pružným programováním, přičemž výběr programu je prováděn na podnět z okolí. Tyto roboty jsou vybaveny čidly, ale mají omezenou schopnost reakce na změny probíhající v pracovním procesu. Umožňují synchronizaci s vnějšími zařízeními. 3. generaci představují roboty, které mají schopnost samostatně řešit úkoly vznikající ve výrobním procesu. Tyto roboty jsou vybaveny velkým počtem snímačů a složitým adaptivním řídicím systémem schopným optimalizovat činnost více ramen a chapadel, jsou značně pohyblivé, přesné a spolehlivé. Do roku 1985 byly na trhu především roboty 1. generace. Současné období je nástupem 2. generace a 3. generace. Někteří autoři užívají jemnější dělení a vyčleňují znaky pro 1,5 generaci a 2,5 generaci. Specifickou oblastí jsou roboty v hutnictví a těžkém strojírenství. Až na výjimky se zde nedají univerzální průmyslové roboty určené pro strojírenství uplatnit. Nevyhovuje nosnost, schopnost pracovat v náročném prostředí hutí a těžkého strojírenství. Je zde patrný přechod k vývoji a uplatnění speciálních, tzv. účelových robotů. 2. MANIPULAČNÍ ZAŘÍZENÍ 2.1 Mechanizace a automatizace výroby Výroba se uskutečňuje na výrobním zařízení, které je mimo jiné charakterizováno produktivitou práce. Produktivitu práce lze zvýšit mechanizací a automatizací. Mechanizace je proces vývoje techniky, kde se využívá zařízení k osvobození člověka od namáhavé a opakující se fyzické práce. Automatizace je proces techniky, kde se využívá zařízení k osvobození člověka nejen od fyzické, ale zejména od duševní řídicí práce.. Míra mechanizace a automatizace určuje různé vývojové stupně, generace výrobního zařízení. Pojem produktivita práce úzce souvisí s pracností a pracnost je jedním z hlavních ekonomických ukazatelů výroby. Bývá vyjádřena tzv. normou času. V této normě času jsou zahrnuty časy jak na vlastní technologickou činnost, tak čas na všechny ostatní činnosti spojené s výrobou. Zavedení mechanizace a automatizace je omezeno technologickými možnostmi příslušné výroby. Další úspory tohoto času zavedením automatizace je závislé na kvalitativní změně způsobu výroby. Daleko více je však možno automatizací zkrátit dobu trvání pomocných úkonů s objekty – podávání, vkládání, upínání, vyjímání, doprava atd. Právě tyto pomocné fáze pracovního cyklu jsou předmětem automatizačních snah. Tyto snahy jsou realizovány následujícími pracovními prostředky: 1) manipulátory a průmyslovými roboty (PraM), 2) dopravníky, 3) přípravky, 4) zařízeními pro kontrolu, 5) kopírovacími zařízeními, 6) polohovacími zařízeními, 7) pomocnými zařízeními, jako jsou zásobníky, zařízení pro orientaci objektů, násypky atd. Řazením odpovídajících znaků obdržíme strukturu pomocných funkcí. Činnost spojená s realizací pomocných úkonů je vyjádřena v anglosaské literatuře „handling“ - „industrial handling“. V německé pak „ handhabung“ – „industrielle Handhabung“. 5 Snižování ztrátových časů není jediný důvod uplatňování PraM. Stejně důležité je odstraňování monotónní práce, namáhavé práce, práce v nepříznivém prostředí. Snaha je vyloučit lidský faktor z výrobního procesu. S ohledem na to, co bylo řečeno, rozeznáváme manipulaci, která je činností, při níž dochází ke změně polohy, anebo orientace předmětu v prostoru. Tu pak dělíme na manipulaci operační a manipulaci mezioperační. Operační manipulace je veškerá manipulace s materiálem na jediném technologickém pracovišti, souvisejícím s prováděním výrobní operace. Mezioperační manipulace je veškerá pomocná manipulace s předměty mezi pracovišti a na pracovišti během níž nedochází k technologickému opracovávání. 2.2 Manipulační zařízení Manipulační zařízení lze podle konstrukčního provedení a stupně složitosti řízení dělit následujícím způsobem Obr. 1. Členění PRaM 2.2.1 Jednoúčelový manipulátor Patří sem nejjednodušší podávací mechanizmy – podavače, manipulační zařízení přímo ovládané člověkem – synchronní manipulátory a manipulátory řízené programovacím ústrojím. Jednoúčelovost manipulátoru je charakterizována – - jednodušším konstrukčním řešením a tím omezeným rozsahem pohybů přizpůsobených dané aplikaci, Manipulační zařízení Jednoúčelové manipulátory Univerzální manipulátory Podavače Synchronní univerzální manipulátory Programovatelné jednoúčelové manipulátory Synchronní jednoúčelové manipulátory Programovatelné univerzální manipulátory Kognitivní roboty Manipulátory s pevnými programy Průmyslové roboty Manipulátory s proměnlivými (pružnými) programy Průmyslové roboty 6 – možnostmi řídicího systému přizpůsobenými dané aplikaci, – prostorovým uspořádáním přizpůsobeným dané aplikaci. Při současné úrovni výroby lze celou řadu problémů spojených s automatizací řešit uplatněním těchto jednodušších manipulátorů. Je chybou na tato místa nasazovat složitá univerzální zařízení, protože jsou komplikovaná a drahá a tudíž ekonomicky nevýhodná. Nejjednoduššími jednoúčelovými manipulátory jsou podavače. Tvoří obvykle celek se strojem a mají od něj většinou odvozen i pohon. 2.2.2 Synchronní manipulátory Tvoří tzv. jednoúčelové teleoperátory – člověkem ovládané mechanizmy. Působí jako zesilovače síly, momentu a pohybových možností operátora. Příkladem mohou být balancéry – určené pro zdvihání těžkých předmětů v dopravě, zdravotnictví, hutích a těžkém strojírenství. 2.2.3 Programovatelné jednoúčelové manipulátory Jejich činnost je řízena programovým ústrojím. Jsou složitější než podavače, netvoří s člověkem uzavřenou regulační smyčku, nemají však víceúčelovost. Dělíme je na: – s pevným programem - jsou řízeny se stále se opakujícím programem, – s proměnlivými programy – samočinně avšak programově si vybírají vhodnou vloženou variantu programu. Univerzální manipulátory Mají větší rozsah manipulačních schopností, které jsou využívány podle způsobu nasazení. Jejich použitelnost není omezena typem strojů ani součástí. Jsou charakterizovány: – kinematickými parametry, rozsahy pohybů, přesností polohování, maximálním zatížením, – pro uchopení předmětů jsou použity jednoúčelové úchopné hlavice, – lze je použít na různých pracovištích, popřípadě k obsluze různých (i několika) strojů, – mají vlastní řízení, jsou provedením, pohonem i funkcí na obsluhovaných strojích nejdražší. Vlastnosti univerzálních manipulátorů překrývají především průmyslové roboty. 2.2.4 Synchronní univerzální manipulátory – teleoperátory Řízení provádí obsluhující pracovník – manipulátor zesiluje jeho silové a pohybové úkony – manipulátor a člověk tvoří uzavřenou smyčku – tato zařízení přenášejí na dálku příkazy člověka – řízení „master – slave“. 2.2.5 Programovatelné univerzální manipulátory s pevným programem Program se v průběhu manipulace nemění, řídicí a programovatelné zařízení je jednoduššího typu. Jsou označovány jako „průmyslové roboty“ (1. generace). 2.2.6 Univerzální manipulátory s proměnlivými programy Mají možnost volby programu většinou podle situace (scény), ve které se manipulátory zrovna nacházejí 7 – mají zpravidla adaptivní řízení – představují v současné době špičku konstrukčního provedení manipulačního zařízení a jsou označovány jako „průmyslové roboty“ (2. generace). 2.2.7 Kognitivní roboty Jsou vybaveny možností vnímání a racionálního myšlení. Kognitivní proces – proces vnímání a racionálního myšlení – bez cílového vnímání a volního jednání. Uvedené typy manipulátorů lze znázornit následujícími funkčními schématy: Synchronní manipulátor Manipulátor s pevným programem Manipulátory s proměnlivými programy Obr. 2. Funkční schémata PRaM Manipulační zařízení, která jsme označili jako průmyslové roboty se od ostatních manipulačních mechanizmů liší především úrovní řízení a vyznačují se následujícími vlastnostmi: – manipulační schopnost, tj. uchopení a přemisťování předmětů, různé montážní úkony, úprava předmětů, zacházení s pracovními nástroji, – autonomnost chování, tj. složitá posloupnost úkonů prováděná automaticky, buď volitelná člověkem nebo automaticky vlastním zařízením. (Liší se od teleoperátorů, kde člověk je nedílnou součástí systému), – univerzálnost ve smyslu víceúčelovosti – zařízení slouží k rozmanitým účelům, – existence vazby s prostředím (vnímání) prostřednictvím čidel, – prostorová soustředěnost jednotlivých složek do kompaktního celku (mohou být výjimky). Pojem robot tedy zdůrazňuje, že jde o ústrojí složitější než manipulátor, které má většinu výše uvedených vlastností. Roboty s dokonalým řízením mohou mít dokonce schopnosti, které u Akční podsystém Vnímací podsystém Člověk Řídící podsystém Akční podsystém Vnímací podsystém Řídící podsystém Akční podsystém 14 – přizpůsobení pohonů jednotlivých os; většinou rychleji reagující pohony se musí přizpůsobit těm, které reagují pomaleji. Úlohou řízení PraM je přivést každému pohonu pohyblivého členu informaci o dráze, kterou má vykonat a jakou rychlostí, ve tvaru řídicí veličiny. Převedení této řídicí veličiny na příslušnou hodnotu polohy a rychlosti se provádí buď v otevřeném nebo v uzavřeném obvodu. 4.1.1 Otevřený obvod V tomto obvodu není skutečná hodnota polohy pohyblivého členu porovnávána s hodnotou žádanou. Je to obvod bez zpětné vazby. Příkladem může být krokový motor. Jeho rotor vykoná na každý impulz přesně definovaný úhel natočení. Počet impulzů je úměrný úhlu natočení rotoru a tedy i dráze x, je-li tento obecný pohyb převáděn na pohyb posuvný. Rychlost pohybu pak odpovídá frekvenci impulzů, kterou lze řídit. Obr. 8. Otevřený obvod řízení pohonu Uzavřený obvod Dokonalejším způsobem řízení polohy, zejména při užití pohonů s plynulou změnou rychlosti (stejnosměrný motor, hydraulický motor), je řízení provedené v uzavřeném obvodu. V tomto obvodu se kontroluje souhlas natočení a úhlové rychlosti s řídicí veličinou. Příkladem může být provedení polohového řídicího obvodu při užití stejnosměrného servopohonu. Řízení je provedeno v polohovém obvodu s podřízeným obvodem rychlostním. Řídicí veličina je zadávána jako sled impulzů. Počet impulzů je mírou pro vykonávání dráhy, frekvence pak je mírou žádané rychlosti pohonu. V obousměrném čítači je vytvořena regulační odchylka Jw – okamžitý rozdíl mezi počtem impulzů zadaných řízením a počtem impulzů vznikajících v odměřovacím systému. Tato odchylka je převedena do analogové formy. Sám regulátor je volen typu PI či PID. u(t) Zesilovač impulsů Krokový motor ϕ (t) u(t) t t ϕ (t) 15 Js Obr.9. Schéma zpětnovazebního řízení pohonu Tento regulátor tvoří žádanou hodnotu pro podřízený rychlostní obvod, která je porovnávána s výstupem tachometrického dynama. Odchylka je zpracována v regulátoru rychlosti, který ovládá motor představovaný zde dvěma soustavami zahrnujícími časové konstanty elektrické i mechanické části motoru. Rotační pohyb výstupu motoru je převeden na posuvný pohyb v mechanickém převodu. Skutečná hodnota polohy je měřena odměřovacím zařízením. Rychlostní zpětná vazba zlepšuje vlastnosti pohonu a sice zmenšuje se otáčková poddajnost motoru,zvyšuje se přesnost polohování a zlepšují se dynamické poměry pohonu,tj. především stabilita. Obr.10. Chování pohonu při zpětnovazebním řízení Jžad JW otáčky rychlostní obvod převodník MOTOR reg. rychlosti reg. polohy čítač Č/A PI PI, PID motor Mech. převod motor Odměřovací zařízení Tachodynamo x x t t t t bez rychlostní vazby s rychlostní zpětnou vazbou velké zesílení v r yc hl ost ní s m yčce malé zesílení menší zesílení větší zesílení x x 16 Je vidět, že u regulace s rychlostním regulátorem je možné dosáhnout při vysokém zesílení rovněž vysokého tlumení obvodu, což vede k získání dobrých dynamických vlastností bez překmitů. Koncepce uspořádání pohonu Podle umístění motoru vzhledem k vlastní konstrukci PraM rozlišujeme vnější pohon a vnitřní pohon. U vnějšího pohonu je manipulátor poháněn od jiného zařízení. Z jiného hlediska se koncepce pohonu rozdělují do dvou skupin: – společný pohon, – oddělený pohon. U společného pohonu je několik pohybových jednotek poháněno společným motorem. Pro univerzální manipulátory je typický vnitřní oddělený pohon. Tato koncepce vede k použití motorů s malou hmotností. Podle druhu energie pro napájení pohonu rozlišujeme pohony s motorem – elektrickým, – tekutinovým, – kombinovaným. Udává se, že PraM v současné době používají 48% hydraulické pohony, 40% pneumatické, 8% elektrické, 4% mechanické. Některé prameny však uvádějí až 25% užití elektrických pohonů. 4.2 Elektrický pohon – energie jednoduše dostupná, – jednoduchý přívod energie, – jednoduché spojení s řídicími prvky, – vhodné dynamické vlastnosti, – malé pořizovací a provozní náklady, jednoduchá údržba. Nejčastěji se vyskytují typy motorů 1) střídavé 2) stejnosměrné 3) krokové 4) elektromagnety Ad 1) Nejjednodušší provedení mají indukční motory s kotvou nakrátko – asynchronní. Změna smyslu otáčení připojeného ústrojí přímo přepnutím fází nebo prostřednictvím reverzačních spojek, kombinovaných s brzdou. Řízení polohy zastavení se provádí vypínáním motoru se současným zapnutím brzdy. Výhodou je jednoduchá konstrukce, jsou však na daný výkon dosti těžké; změna otáček se provádí buď přepínáním pólů nebo změnou kmitočtu,v omezené míře změnou odporu v kotvě, skluzem. Dále se užívají střídavé motory synchronní. Tento motor má třífázové vinutí statoru s permanentními magnety, které tvoří kotvu stroje. Typů střídavých motorů je celá řada a různí výrobci mohou používat další typy – asynchronní, 17 – jednofázové asynchronní, – třífázové s kotvou kroužkovou, – motory se speciální kotvou nakrátko (dvojitá, vírová), – synchronní stroje (stejnosměrné buzení do rotoru), – trojfázový derivační, – komutátorový motor napájený do rotoru (Schrage), – komutátorový třífázový motor napájený do statoru. Ad 2) Podstatně rozšířenější než asynchronní motory jsou stejnosměrné motory. Důvodem je možnost plynulé regulace rychlosti otáčení ve velkém rozsahu při malých energetických ztrátách. Nejrozšířenějším řízením otáček je změnou napětí v obvodu kotvy. K tomu se v současné době uplatňují řízené usměrňovače. Podle zapojení obvodu pro buzení rotoru známe motory derivační, sériové, kompaundní a s cizím buzením. Základním požadavkem při uplatnění stejnosměrných motorů při konstrukci PraM je zmenšení elektrických a mechanických časových konstant. Jedná se především o snížení elektromechanické časové konstanty kotvy max 2 Mk nDG m⋅ ⋅⋅ = τ kde G·D2 je setrvačný moment kotvy, n jsou otáčky, Mmax maximální moment. Je to čas potřebný pro rozběh motoru na jmenovité otáčky při působení maximálního momentu. Cílem je snížit setrvačný moment kotvy. Příkladem snížení momentu setrvačnosti kotvy je motor 3SHAT, který je základem známého servopohonu MEZOMATIC. U motoru SHAT se používá pro buzení permanentních magnetů. Poměrně nízké otáčky i nízké napětí kotvy dovolují dobrou komutaci i při několikanásobném proudovém přetížení. Motory mají vestavěné tachometrické dynamo a elektromagnetickou brzdu. Na druhý konec hřídele se upevňuje selsyn jako čidlo polohy. Motory mají tři velikosti. Napájení je provedeno z třífázových tyristorových měničových systémů. Dalším příkladem jsou motory s diskovým rotorem. Jedná se o stejnosměrné motory s buzením permanentním polem, v jejichž vzduchové mezeře je otočně uložena kotva krátké délky sestávající z rotoru s nalepeným měděným vinutím. Došlo tak ke snížení hmotnosti rotujících částí. Motor může být v několika milisekundách nastaven na požadované otáčky. Motor má vysoký specifický výkon (80W/kg) proti normálním motorům (40W/kg). Motory s dutým rotorem – zvonová kotva – mají vinutí kotvy upevněno na lehkém tělese ve tvaru zvonu, které je pevně spojeno s hřídelem motoru. Proti konvenčním motorům není železo kotvy částí hřídele, ale je pevně spojeno a tvoří díl skříně. Obr.11. Odlehčený rotor motoru 18 Na hřídeli motoru se nachází bezdrážkové jádro z křemíkových ocelových plechů, na které je nalisováno vinutí kotvy. Vinutí samo je zpevněno bandáží se sklolaminátem. Toto provedení má časovou konstantu přechodového děje kratší než 0,125 s, rozsah pracovních otáček 0,2 – 500 při přesnosti 1ot/min, maximální otáčky až 1500 ot/min, 10 – 42Nm. Ad 3) Krokové motory. Umožňují jednoduché řízení rychlosti pohybu změnou frekvence vstupních impulzů a jednoduché řízení polohy na základě registrace počtu přivedených impulzů. Nevýhodou je poměrně malý krouticí moment, který rychle klesá s rostoucí frekvencí vstupních impulzů. Proto se užívá těchto jednotek k přímému pohonu pohybových jednotek jen malých výkonů. Pro větší výkony se spojují často s hydromotorem přes polohový mechanicko-hydraulický systém. Krokové motory se užívají jak v otevřené, tak v uzavřené smyčce. Princip motoru je takový, že se skládají ze tří statorů a tří rotorů. Póly rotoru jsou vzájemně uspořádány tak, že vůči statorům jsou posunuty o 1/3 pólového dělení a. Rotor se pohybuje v krocích odpovídajících 1/3 pólového dělení, při postupném buzení statoru 1,2,3, atd., úhlová hodnota je v rozmezí 1,5 – 3,6 0. Rotory totiž mají vždy zaujmout stabilní polohu, kdy póly statoru a rotoru stojí proti sobě. (Vyrábět se mohou až 10000 kroků/s, 400 kroků na otáčku). Podobně pracuje i lineární krokový motor, který se skládá z hřebenu a reakční pohybové části. Řízením napájecího proudu postupně na jednotlivé hřebeny lze dosáhnout krokování pohyblivé části, neboť se motor snaží zaujmout stabilní polohu. Výhoda krokových motorů: – jednoduchost návrhu, – spolehlivost a dlouhá životnost, – přesné polohování, – jednoduchá možnost spojení s číslicovým zařízením. (Vyrábějí se v provedení 60 – 100 kroků/s, délka kroku 91mm, opakovaná přesnost polohování setiny mm, napájení 1fázové i 3fázové). Ad4) Elektromagnety Používají se převážně k realizaci posuvných pohybových lineárních úkonů. Jsou stejnosměrné i střídavé. 4.3 Tekutinové pohony Tyto motory mají v porovnání s elektrickými pohony větší rozšíření. To je dáno některými vlastnostmi, z nichž lze uvést: – možnost realizace přímočarých pohybů konstrukčně jednoduchými, rozměrově malými a spolehlivými motory bez zařazování převodů, – jednoduché spojité řízení základních parametrů pohonu, t.j. síly, krouticího momentu, rychlosti ve velkém rozsahu prostřednictvím řízení tlaku a proudu tekutiny, – nízká hodnota poměru hmotnosti a výkonu zejména u hydraulických motorů, – možnost přetížení motoru bez nebezpečí poškození. Výhody hydraulického pohonu – velká tuhost, 19 – plynulý chod, možnost dosažení i malých rychlostí pohybu bez převodu a s velmi dobrou rovnoměrností, – velká účinnost. Nedostatky hydraulického pohonu – potřeba samostatného, odděleného energetického bloku, – poměrně obtížné dosažení vyšších pohybových rychlostí, – změna viskozity kapaliny v závislosti na teplotě, která se projevuje ve změně tlakových poměrů, – hořlavost pracovních kapalin. Výhody pneumatického pohonu – možnost připojení na centrální rozvod stlačeného vzduchu, – jednoduchý rozvod bez zpětného odvádění vzduchu k motoru (ke zdroji), – možnost dosažení rychlých přímočarých pohybů, – možnost činnosti ve velkém teplotním rozsahu, ve výbušném prostředí a v provozech s nebezpečím vznícení od otevřeného ohně. Nevýhody pneumatického pohonu – malá tuhost, – obtížné udržení rovnoměrného pohybu, zejména při malých rychlostech, – z energetického hlediska poměrně drahý provoz. Výroba energie stlačeným vzduchem je 6 – 8 krát dražší, než energie elektrické a asi 4krát dražší, než energie tlakovou kapalinou. Obecné vlastnosti a oblast použití Hydraulické i pneumatické pohony pracují se stejným druhem media – tekutinou. Z rozdílných fyzikálních vlastností kapalin a plynů je nutno uvést poddajnost a viskozitu. Stejný druh pracovního media se projevuje v podobné struktuře pohonu a v koncepční shodě většiny prvků. Hydraulické pohony - mají podstatně širší oblast využití. Jde zejména o oblast rozsahu výkonu. V současné době pracují s tlakem 25 – 32MPa. Malá stlačitelnost zaručuje dostatečně velkou tuhost pohonu, umožňuje jiné způsoby nastavování polohy, např. hydraulické polohové servomechanizmy vyhoví i nejnáročnějším požadavkům. Zdrojem tlakové tekutiny u hydraulického pohonu je hydraulický agregát. Jeho základní zapojení je na obr. 12. 20 Obr.12. Zdroj hydraulického motoru V současné době se dá počítat s tlakem do 25 – 32MPa. Hydrogenerátor je poháněn asynchronním motorem. Přepouštěcí ventil udržuje tlak připojeného obvodu na nastavené pracovní hodnotě. Pneumatický pohon - je vhodný pro manipulátory menších výkonů ( < 1kW ), kde se vystačí s nastavováním polohy mechanickým omezováním pohybu motoru, kde nevadí nerovnoměrnost rychlosti pohybu. Omezení výkonu vychází z provozního tlaku 0,6MPa. U manipulátoru s vlastním kompresorem se používá tlak do 1MPa. Obvyklé zapojení vstupního obvodu pneumatického pohonu je na následujícím obrázku: Stlačený vzduch z centrálního rozvodu se zbavuje v čističi mechanických nečistot a kondenzované vody. Redukční ventil snižuje tlak na požadovanou pracovní hodnotu pohonu a udržuje ji přibližně neměnnou bez ohledu na kolísání vstupního tlaku a výstupního proudu. Maznice slouží k obohacování stlačeného vzduchu olejovou mlhou pro zajištění mazání kluzných ploch pneumatických prvků. Proti hydraulickým prvkům jsou podstatně rozměrnější. Hodí se do výbušného prostředí. Účinnost pneumatických systémů je pak 50% (středotlaká 0,02 – 0,2MPa, nízkotlaká <0,01MPa – logické prvky). Pro realizaci řízení pohybu – smyslu, rychlosti, polohy se rozlišují tyto tři typy řízení tekutinových pohonů: 1) Pohony s řízením rozváděči (ventily) a škrticími ventily. 2) Pohony s řízením servoventily. 3) Pohony s řízením regulačními generátory, popřípadě motory. 21 Ad1) Jedná se o pohony jednodušších typů PraM. Zde slouží rozváděče k řízení smyslu pohybu motoru a škrticí ventily k řízení rychlosti. Princip takové koncepce hydraulického Pohonu je na obr. 13. Obr.13. Pohony s řízením rozvaděči Rychlost pohybu přímočarého motoru je řízena nezávisle v obou směrech škrticími ventily. Paralelně připojené jednosměrné ventily zajišťují vlivnost škrticího ventilu. Třípolohovým rozvaděčem je řízen smysl pohybu motoru. Při přestavení rozvaděče do střední polohy může být zastaven a blokován pohyb motoru v požadované poloze. Samozřejmě rozvaděče mohou být různého provedení – s ručním ovládáním, elektromagnetickým ovládáním, hydraulickým ovládáním. V zásadě se ve schématu vyskytují prvky pro: – hrazení průtoku, – řízení tlaku, – řízení průtoku servoventily. Pro hrazení průtoku to jsou: – jednosměrné ventily, – řízené jednosměrné ventily, – hydraulické zámky, – uzavírací ventily, – rozváděče, – logické prvky, Typické zapojení obvodu pneumatického pohonu je na obr. 14. 22 Obr.14. Pohony s řízením servoventily Dvoupolohovým rozvaděčem je řízen smysl pohybu, škrticími ventily rychlost. Za škrticími ventily jsou zařazeny tlumiče pro snížení hluku při vyprazdňování pracovního prostoru motoru. Ad 2) Pohony s řízením servoventily – jsou typické pro hydraulické pohony PraM. Elektrohydraulický servoventil je prvek, jehož výstupní parametry – proud nebo tlak kapaliny jsou spojitě řízeny elektrickým signálem. Velikost proudu kapaliny odpovídá velikosti elektrického proudu, smysl průtoku kapaliny polaritě. Tak je možné spojitě řídit rychlost, smysl pohybu a polohu zastavení motoru – viz obr. 15. Řídicí signál servomotoru je odvozen od porovnání žádané hodnoty a signálu od odměřovacího zařízení. Obr. 15. Pohony s řízením servoventily Ad 3) – jsou vhodné pro větší výkony. Jde o typ pohonu, kde se využívá pro řízení rychlosti změny geometrického objemu, nejčastěji generátoru – geometrický objem = objem kapaliny, který proteče generátorem při jedné otáčce. Princip zapojení pohonu s regulačním hydrogenerátorem je na obr. 16. 23 Obr.16. Pohon s regulačním generátorem (Rotační motory jsou podle principu činnosti děleny na zubové, pístové, lamelové, šroubové. Rotační hydromotory mohou pracovat v rozsahu od několika otáček do několika tisíc otáček za minutu, pneumatické od několika set do desítek tisíc otáček za minutu. Pneumatické motory však mají měkkou otáčkovou charakteristiku, malou účinnost a jsou hlučné – používají se málo). Kombinovaný pohon Praktický význam zde má elektrohydraulická nebo pneumohydraulická verze. Na vstupu je nejčastěji ss motor spojitý nebo krokový; je proveden souběh s motorem hydraulickým řídicím obvodem pro řízení natočení a získá se tak výkonné zesílení. 5. VÝSTUPNÍ HLAVICE Je to ta část PRaM, která přichází bezprostředně do styku s objekty manipulace nebo technologického procesu. Dělí se na: – úchopné, – technologické. Úchopné slouží k zachycení objektů (polotovarů, součástí,…) při manipulaci. Technologické umožňují realizaci technologické operace (stříkací pistole, kleště pro bodové svařování, vrtací hlavy atd.). Někdy může jít o kombinaci – jsou to speciální konstrukce – různé druhy hlavic mohou být umístěny v jednotlivých pozicích, tzv. revolverové hlavy. Úchopné hlavice Při uchopení objektu jsou v rovnováze vnější síly působící na objekt. Uchopení je provázeno mechanickým stykem hlavice s objektem. Tento styk může být – oboustranný styk s hlavicí – jednostranný styk s hlavicí. Při oboustranném styku jsou úchopné síly vyvozeny mechanickými prostředky – síly působí proti sobě v protilehlých stranách povrchu tělesa. Při jednostranném styku jde o využití podtlaku nebo magnetických sil působících na objekty, popřípadě o využití gravitační síly. Stykové plochy hlavice s objektem jsou přizpůsobeny s ohledem na přesnost a bezpečnost držení objektu. 30 Selsyny Selsyny se vyrábějí v řadě provedení. Známé jsou selsyny pro přenos úhlů. Snímač se skládá ze dvou základních částí – pevná část je stator, otočná je rotor. Na rotoru je umístěno jednofázové vinutí napájené proudem o kmitočtu 50 ÷ 500 Hz. Ve statorových drážkách je uloženo vinutí synchronizační, vytvořené jako souměrné trojfázové vinutí. Toto vinutí je spojeno do hvězdy nebo trojúhelníku. Často bývá na statoru vinutí tlumicí – spojené nakrátko – proti rotorovému kývání. Spojíme-li dva selsyny, dostaneme nejjednodušší spojení pro přenos úhlové výchylky. Jeden selsyn pracuje jako snímač úhlové výchylky, druhý pak jako ukazatel výchylky. Ukazatel je pevně spojen s rotorem druhého selsynu. Obr.20. Schéma selsynu Vodičové spojení obou statorů je označováno jako synchronizační. Pootočíme-li rotor selsynu A o úhel α proti původní poloze, indukují se v obou statorech rozdílná napětí, vznikne mezi statory vyrovnávací proud, jehož působením vznikne ve statoru selsynu B magnetické pole, které natočí rotor tohoto selsynu do stejné polohy jako u selsynu A. Lineární induktosyn Pracuje na stejném principu jako selsyn, i když konstrukčně je mu hodně vzdálen. Je možné si jej představit jako selsyn rozvinutý do roviny. Mezi jednoduché diskrétní odměřovací prostředky patří: Systém odměřování polohy pomocí narážek. V souvislosti s jejich použitím se hovoří o narážkových řídicích systémech. Narážky, při přejíždění posuvného členu kinematického řetězce, přestavují při svém pohybu postupně např. kontakty spínače či spínačů. Spínací funkce může být realizována mechanicky, elektricky, hydraulicky nebo pneumaticky. Pro velmi přesné plnění funkce se užívá elektrických mikrospínačů. Narážky jsou upevňovány na narážkových lištách, které mohou obsahovat i několik drah. Variant provedení je velký počet. Mezi čidla vnitřní informace patří další diskrétní odměřovací prostředky. Základní představa spočívá v tom, že dráhu budeme měřit pomocí základního nedělitelného elementu. Velikost každého posunutí či natočení bude celistvým násobkem těchto elementů. A vysílač B přijímač 31 Zde rozeznáváme: – inkrementální neboli přírůstkové systémy – absolutní neboli kódované systémy. U systémů, nazývaných inkrementální systémy (přírůstkové) počítáme, kolik těchto elementů při pohybu přibylo či ubylo. Pohybující se část je spojena s clonkou, která přerušuje proud stlačeného vzduchu, magnetický tok, světelný tok, elektrický proud, elektromagnetické pole. Příklady: Nejobvyklejší provedení: Obr.21. Příklady inkrementálních systémů Jiný druh diskrétního snímání je absolutní (kódované). Příkladem je kódovaný kotouč nebo pravítko. Každé poloze odpovídá jednoznačná kombinace kódovaných stop. Stopy jsou vytvořeny na průhledné podložce, prosvětlovány a snímány např. diodami. přívod vzduchu clony odvod vzduchu S J clona Hallova sonda čítač 8 4 2 1 Protože je možno začít s načítáním impulzů v libovolné poloze, od libovolně zvoleného počátku, je toto odměřování označováno jako relativní. 32 Výhody – každá měřená hodnota je vztažena k pevně určenému počátku a lze ji přímo odečíst – správná měřená hodnota zůstává zachována i při ztrátě napětí bez potřeby zvláštních prostředků. Příkladem je provedení dle obr. 22. Obr. 22. Absolutní odměřovací systémy 6.3 Čidla pro vnější informaci Jedná se o dorazy, koncové vypínače, infračervená čidla překážek a obrysů, taktilní neboli hmatová čidla kontaktní elektrická i bezkontaktní, čidla k nacházení kovových předmětů, optické systémy různého stupně složitosti až po televizní či termovizní kamery, laserová čidla, ultrazvuková čidla apod. Realizace stereoskopického pohledu je možná pomocí digitální televize – tj. systému, který umožňuje uložení obrazového údaje do paměti počítače, jeho vyhodnocení, zpětnou rekonstrukci dvojice záznamů pro stereoskopické vidění do zvolených, např. kartézských souřadnic a následnou korekci chapadla v souřadnicovém systému kinematiky robotu. Televizní kamera pracuje na rozdíl od oka se seriovým přenosem informací. Snímá bod po bodu. Jedině o jasové informaci se dá hovořit jako o přenosu paralelním. Záznam pohybujícího se předmětu je zkreslen vždy, pohybuje-li se kolmo k ose optické soustavy. Tento děj lze znázornit dle obrázku Obr. 23. dekodér 0 8 4 2 1 snímač 33 Obr.23 Princip analýzy scény Pro vyjádření jasu každého obrazového elementu (bodu) je třeba určitý počet bitů. Např. pro 16 úrovní jasu jsou nutné 4 bity. Pro sejmutí jednoho snímku postupuje signál po trase kamera – digitalizátor – číslicová vyrovnávací paměť. Digitalizátor obstarává analogově-číslicový převod a rovněž sdružování čtveřic bitů do slov po 16 bitech, které odpovídají slovům počítače. Přenos obrazu do počítače nemůže probíhat v reálném čase. Přesun dat z vyrovnávací paměti → interface → počítač je dán rychlostí danou vstup/výstup počítače. Např. nahrání čtyř po sobě následujících bodů do vyrovnávací paměti je třeba 600ns, avšak pro přenos slova do počítače je třeba 2µs. Proto je nutná vyrovnávací pamětˇ, aby se do ní vešel celý obrázek. Pro zpětný přenos z počítače do vyrovnávací paměti platí tytéž časové údaje. Proto se výstup z počítače nedá přímo zobrazit na monitoru a je třeba vyrovnávací paměti, kde se čte rychlostí 16 bitové slovo za 600ns. Do bloku rekonstrukce analogového signálu tedy přichází každých 600ns jedno 16 bitové slovo. To se dělí na 4 čtyřbitová a vytváří se analogový signál trvající 150µs. Uvážíme-li obvyklou normu (obraz složený ze dvou půlobrázků s 313 a 312 řádky o poměru stran 4 : 3 , trvání půlobrázku 20ms a výřez o rozměrech 256 řádků x 256 (bodů o stejné šíři jak je vysoký řádek), braný z každého půlsnímku, zjistíme, že na každý bod máme k dispozici pouhých 150µs. Za tuto dobu musí být sejmut vzorek jasu, proveden jeho analogově-číslicový převod. Pak následuje další bod. Scéna ¡ Monitor Rekonstrukce analogového signálu Digitalizace TV signálu Číslicová vyrovnávací paměť Interface počítače ¢ Počítač  Kamera 34 7. ŘÍDICÍ SYSTÉMY PRŮMYSLOVÝCH ROBOTŮ. 7.1 Kognitivní roboty Úroveň řídicího systému je dána tím, jsou-li roboty vybaveny kognitivním systémem nebo nikoliv. Kognitivní robot se vyznačuje tím, že člověkem je mu zadán cíl. Plán, jak tohoto cíle dosáhnout, si pak kognitivní robot vytváří sám. Konečným produktem kognitivního systému je plán. Plán je vytvářen během řešení úlohy, která vzniká existuje-li rozdíl mezi žádaným a cílovým stavem okolního světa (scény). Formování plánu pak v podstatě spočívá v hledání cesty ve stavovém prostoru od současného stavu k cílovému stavu. Při tvorbě plánu jsou informace o současném stavu okolního světa dodávány z modelu prostředí, který zajišťuje vnitřní reprezentaci prostředí a vytváření hypotetických stavů prostředí, slouží k mapování stavového prostoru při hledání cesty k cíli. Kromě těchto funkcí reprezentace je zapotřebí vzít rovněž v úvahu schopnosti robotu. Poslední částí kognitivního systému je ta část, která provádí analýzu a interpretaci vstupních senzorických dat – část, která provádí vnímání a porozumění. Zde je vnímání považováno za jednodušší funkci – rozpoznání a klasifikace vstupních dat. Porozumění již potřebuje hlubší souvislosti a je pokládáno za základní složku myšlení. Předpokládá už zkušenost a racionální uvažování. Vnímání, zejména vizuální, bude asi první kognitivní schopnost robotů, která bude využita u průmyslových robotů. U strojového vnímání lze rozlišit dvě úrovně: – klasifikační – umožňující rozlišovat a třídit jednotlivé vjemy – deskripční – vede k popisu složitých vnímaných obrazců a jejich struktury. Klasifikace je dnes už značně rozvinutá. Deskripční metody jsou ve vývoji. Ve spojení s tím, co už víme, lze pak základní blokové schéma robotu kreslit takto: Obr. 24 Řízení kognitivních PRaM Senzorický systém – přijímá a částečně zpracovává informaci o prostředí. Je rozdělen na receptory provádějící transformaci fyzikálních veličin na elektrické signály a na předběžné zpracování vstupních dat, která jsou důležitá pro kognitivní systém – prostředky vnějších informací a pro motorický systém – prostředky vnitřních informací. motorický é kognitivní systém senzorický Řešení úloh a plánování Model prostředí Realizátor plánů Efektory Vnímání a chápaní Zpracování a výběr dat Receptory cíl Prostředí 35 Motorický systém – má část efektorů, tj. akční a pohybové orgány, které provádějí zásah do vnějšího prostředí a realizují pohyb robotu, a část realizátor plánů – realizuje program předaný z kognitivního systému robotu (kognitivní smyčka, zpětná vazba nejvyšší úrovně, kognitivní zpětná vazba). 7.2 Řízení PRaM bez kognitivního systému Vzhledem k tomu, že současné průmyslové roboty nejsou ve své většině vybaveny kognitivním systémem, mohou být blokově vyjádřeny takto: Obr. 25 Řízení PRaM bez kognitivní části Tyto řídicí systémy mohou být realizovány i na nižší úrovni než jsou počítače (než je řízení počítačem). Důležitou úlohu zde totiž hraje cena. Laciná a spolehlivá mikropočítačová technika provádí použití výpočetní techniky i na úrovni současných robotů. Řídicí systémy se třídí dle různých hledisek. Podle časového průběhu je lze dělit na časově závislé, závislé od vykonávané práce a smíšené. Časově závislé systémy řídí manipulační část podle pevného časového plánu. Např. podle údajů z magnetické pásky, děrné pásky, vačkového mechanizmu. Podle způsobu programování se dělí na systémy s pevným programem a programovatelné. Realizací s pevným programem je už málo – např. vačkové řídicí mechanizmy. Podle způsobu zpracování informace jsou analogové, číslicové a smíšené. U analogových jsou údaje o poloze uloženy např. na potenciometrech, sled úkonů je na speciálním programovacím bubnu. Podle průběhu dráhy manipulačního systému dělíme řízení na řízení bod po bodu – PTP (point to point) a na souvislé řízení – CP (continuous path). Při řízení PTP je manipulační nebo technologická operace rozdělena do malého počtu bodů (30 ÷ 60). Je zadána koncová poloha mechanizmu v každém kroku. Požadovaných bodů v operačním prostoru se dosahuje, aniž by mezi průběhy pohybu v jednotlivých osách byla funkční souvislost. Jinak řečeno, dráha, po níž se do zadaných bodů výstupní hlavice dostane, může být libovolná. Při řízení CP je trajektorie pohybu výstupní hlavice vzorkována v malých ekvidistantních časových intervalech a uložena v paměti. Program je pak vhodnou rychlostí reprodukován a R R´ plán (program) Realizátor plánů Efektory Zpracování a výběr dat Receptory Prostředí řídicí systém 36 na základě zpětných vazeb od polohových a rychlostních čidel v kinematických dvojicích výkonových mechanizmů realizován. Většina PRaM je řízena PTP, jsou malé nároky na paměť. Bývá realizován bez zpětné vazby. Schopnosti robotů jsou omezeny počtem kroků programu. Pracuje-li robot v členitém prostředí, programy se rozrůstají. K obejití překážek je totiž třeba zadat některé pomocné body pro bezpečné obejití. Obr.26. Řízení PRaM metodou PTP Řízení PTP je možno podstatně zkvalitnit doplněním o interpolátory. Ty zabezpečí, že dráha mezi body bude rovněž definována. V matematice se pod pojmem interpolace rozumí úloha proložení hladké křivky soustavou daných bodů. Zde se vychází z potřeby výpočtu bodů mezi počátkem a koncem interpolovaného úseku křivky tak, aby tyto ležely na křivce zadané funkce. Nejčastěji používanými funkcemi na výkresech jsou přímky a kružnice. Proto se při praktickém využití vyskytují interpolátory lineární a kruhové. Prakticky se interpolace provádí tak, že dráhy mezi body se rozdělí na menší drobné úseky, ve kterých se postupuje podle rovnice přímky či kružnice. Někdy se i kruhová interpolace provádí lineárními interpolátory. Pak se kružnice nahrazují mnohoúhelníky. Řídicí systém má zajistit tři základní funkce: 1. učení 2. pamatování 3. reprodukci Učení robotu 1. a 2. generace se podobá programování počítačů a číslicově řízených obráběcích strojů. Bývá však hodně zautomatizováno. Zde rozeznáváme: – přímé učení (play-back), Obsluha provádí s robotem pracovní cyklus a ten se automaticky zaznamenává do paměti počítače a pak se neustále reprodukuje. – nepřímé učení, Rameno robotu je přemísťováno z pultu obsluhy klávesnicí do žádaných poloh, které jsou zaznamenávány do paměti a poté se postupně reprodukují. Pamatování – uchování informací, které robot získal při učení. Jsou to: – posloupnosti úkonů, – poloze ramene, – čase a podmínkách. pomocný bod při PTP řízení CP A C B x y y B A PTP z bodu A do bodu B x překážka 37 Kromě toho musí být ještě sledovány informace o rychlosti pohybu, síle stisku chapadla apod. Reprodukce je proces, při kterém se vybírá informace uložená v paměti a předává se v upravené formě pohybovým řídicím systémům. Pokud se sled operací mění podle okolních podmínek, je i tato část řídicího systému značné složitosti. 8. APLIKACE PRAM V PRŮMYSLU Programové vybavení při řízení PRaM pomocí počítačů připomíná programování počítačů, je však mnohem více automatizováno. Při vývoji programového vybavení se vychází z požadavků: – postupný vývoj programových modulů, – standardizace programových modulů, – relativní nezávislost programových modulů. Uvedené požadavky umožňují postupné rozšiřování programů, uplatnění software pro různé technologie a různé počítače. Pro řízení robotů byly vyvinuty jazyky, které se dále zdokonalují. Patří mezi tzv. problémově orientované jazyky. Automatizovaná technologická pracoviště Základem pro automatizaci výrobních procesů je automatizovaný výrobní systém. Ten se skládá – subsystém technologické soustavy, – subsystém mezioperační dopravy a skladování, – subsystém řízení, – subsystém zdrojů a rozvodu energie, – subsystém měření a kontroly. Komponentem subsystému technologické soustavy je PRaM. Z hlediska složitosti a komplexnosti automatizace je možno určit následující hierarchii automatizovaných výrobních pracovišť: – automatizované technologické pracoviště ATP (někdy také RTP – robotizované technologické pracoviště), – účelové seskupení výrobních zařízení a PRaM, které autonomně a v automatickém pracovním cyklu vykonává manipulační nebo technologické operace daného výrobního procesu, případně jeho části. V ATP může být 1 PRaM a více výrobních zařízení nebo opačně. Patří sem i bezobslužný stroj (PRaM je integrován s automatickým výrobním zařízením se zvoleným počítačovým řízením). 38 9. ROBOTIZOVANÝ TECHNOLOGICKÝ KOMPLEX (RTK) (někdy také AVS – automatizovaný výrobní systém) je soubor dvou nebo více ATP a prostředků automatizované mezioperační manipulace, které realizují v automatickém pracovním cyklu návazné technologické a manipulační operace. V RTK může PRaM vykonávat integrovanou funkci automatizované operační resp. mezioperační manipulace a mezioperační dopravy na dvou i více RTP. Nejvíce zastoupenou technologií je obrábění. Zde vznikají: – integrované výrobní úseky (IVU) – speciální seskupení výrobní soustavy pro maloseriovou výrobu, vhodné pro výrobu technologicky podobných součástek, – pružné výrobní systémy (PVS) – jsou to technologická pracoviště s pružně seřiditelnými stroji, komplexem operační i mezioperační manipulace, nástroji, pomůckami, odstraňováním odpadu a řízením počítačem. Zřizování ATP a RTK s PRaM je složitou technologickou projekční úlohou vývojového charakteru. Vyžaduje práci v týmu. Při jejich zavádění se došlo k určité standardizaci postupu. Proto se úvodem provádí vypracování ZTEZ (základní technicko-ekonomické zadání. To určuje: – koncepci technického řešení ATP, – požadavky na parametry doplňkových zařízení z vývoje a nákupu, – nároky na energii, – etapy měření a realizace, jejich časové vymezení a vztah mezi účastníky realizace a řešení, – předpokládané přínosy, – náklady a zdroje financování, – podmínky a způsob zkoušení, – řešení z hlediska OBP. V rámci ZTEZ se vypracovává rovněž projekt nasazení, který se skládá z úvodního a prováděcího projektu. V jednoduchých případech se nahrazuje jednostupňovým projektem. Pak následuje etapa řešící začlenění zařízení do nadřazeného systému řízení. Zároveň v rámci těchto prací je třeba analyzovat jednotlivé funkční oblasti a stanovit požadavky na výběr zařízení, která budou výrobní systém tvořit. Tuto analýzu tvoří: – určení cíle automatizace, – vymezení funkčních oblastí automatizace, – funkční analýza, – výběr typů automatizačních prostředků, – stanovení automatizačních stupňů, – vytvoření profilu požadavků na počítač řízení procesu. 39 10. ROBOTIZACE PROCESŮ V METALURGII Hutnické procesy: vysoké pece, ocelárny, válcovny, koksovny, manipulace dlouhých výrobků, těžké PRaM, těžká hutní doprava. Vedle univerzálních PRaM se často užívají účelové PRaM vyvinuté speciálně pro danou oblast. Mezi vedoucí firmy patří např.: Japonsko – Daido Steel, Kobe Steel, Kurosaki, NSR - Dango Dienenthal, Gega, Švédsko - ASEA. Vysoké pece – K místům aplikace PRaM u provozů VP patří drtírny, třídírny, aglomerace, rudiště, ohřívače větru, agregát VP, železové a struskové hospodářství, čistírna plynu, vodní hospodářství a pomocné provozy. – K zabezpečení automatizovaného chodu VP se užívají manipulátory pro poskytování různých údajů pro řídicí počítač, např. – zjišťování profilu zavážky, – analýza a měření teploty a tlaku plynů, – vzorkování zavážky, – odběr vzorků surového železa. Např. firma Dango Dienenthal – manipulátory pro zasouvání vodorovných měřicích sond do VP. Sondy se zasouvají do hloubky 2,5 ÷ 4m a rychlost posuvu je 2,5 ÷2,8m/min. Sondy jsou chlazeny vodou. - operace u nístějě Odpichy a práce na licím poli u VP. Těžké, namáhavé, v prachu, exhalace, nebezpečí popálení. K těmto pracím patří – vrtání odpichového otvoru, – ucpávání odpichového otvoru, – práce na licím poli, – odběr vzorků surového železa, – vypouštění a uzavírání struskového otvoru. Také převážná část údržby je prováděna ručně – výměna výfučen, – oprava struskových a železových – žlabů, – oprava pláště VP, – vyzdívání a bourání ohřívačů větru. – manipulátor pro opravu šachty vysoké pece torketováním, Zde jsou vyvinuty teleoperátory pro zasunutí a ovládání trysky, kterou se stříká torkretovací směs pro opravy vyzdívek.