Az ipari robot II.
2006/1-2. lapszám | netadmin | 6881 |
Figylem! Ez a cikk 19 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Az ipari robot II. Az ipari robotok felépítése, működése Az ipari robotok általában két jól elkülönülő egységből épülnek fel. Egyik a robotkar, mely a rászerelt megfogó eszköz segítségével a munkafolyamatot végzi. A másik a vezérlőegység, mely ...
Az ipari robotok felépítése, működése
Az ipari robotok általában két jól elkülönülő egységből épülnek fel. Egyik a
robotkar, mely a rászerelt megfogó eszköz segítségével a munkafolyamatot végzi.
A másik a vezérlőegység, mely a robotkar mozgását vezérli. A következőkben ezeknek
a részletesebb felépítésével ismerkedhetünk meg.
A robotkar felépítése
A jobb oldali ábrán látható robotkar humanoid típusú, amely elnevezést az emberi
kéz összetettségéhez hasonló felépítéséről kapta. Ez a típus az ipari robotok
egyik legelterjedtebb fajtája, hiszen legtöbbször a robotokat az emberek
által végzett munkafolyamatok kiváltására használják, így a robotnak is képesnek
kell lenni az emberi kéz által végzett bonyolult mozgások véghezvitelére,
ami legegyszerűbben hasonló felépítéssel sikerülhet. A humanoid robotok 5
vagy 6 szabadságfokúak, amit 5 vagy 6 egy szabadságfokú csukló egymásra építésével
érnek el. A hat szabadságfok azt jelenti, hogy a robot munkaterének pontjait
képes elérni (3 szabadságfok), és ezekben a pontokban a kar végén lévő megfogó
bármely orientációban képes állni (3 szabadságfok).
Az előbb említett egy szabadsáfokú csuklók szabadságfoka a szögelfordulás,
tehát mindegyik csukló a saját síkjában képes elfordulni. Mivel a csuklók síkjai
egymással szöget zárnak be (az első, második és negyedik tengely a robotkar
bármely pozíciójában merőlegesek egymásra, míg a harmadik tengely egy síkba
esik a másodikkal, így szintén merőleges az első és negyedik tengely síkjára,
az utolsó két tengely síkjának szöge pedig a pozíciótól függ), így a robotkar
végén lévő megfogó már 6 szabadságfokban képes mozogni. Az egyes csuklók alapvetően
három további részegységre bonthatók: motorra, áthajtásra és csapágyazásra.
A mai ipari robotok legnagyobb része 3 fázisú AC szervomotorokat használ, amelyek
speciális háromfázisú motorok, fékkel és inkrementális jeladóval egybeépítve.
A fékek a tengelyek pozíciójának megőrzését szolgálják a kar áramtalanítása
esetén (összecsuklás elleni védelem), míg a jeladók a motor tengelyének pozícióját
csatolják vissza a vezérlőegységbe a mozgás szabályzásához. A motorok hajtóműveket
hajtanak, melyek a motor nyomatékának növelését szolgálják.
Mivel a hajtómű méretének és tömegének csökkentése nagyon fontos a robotkar
működésének szempontjából, így a különböző robotgyártók különböző speciális
hajtóműtípusokat használnak, melyek mindegyikének fő jellemzője a nagy áttétel
(1:100) és a kis méret. Egyik ilyen, több gyártó által is használt hajtóműtípus
a hullámhajtómű. Ennek lényeges tulajdonsága, hogy egy elliptikus korong
(hullámgenerátor) által deformált, kívülről fogazott "lemezharangból" és
egy belülről fogazott fogaskerékből áll. A két fogaskerék közti fogkülönbség
tipikusan két fog, míg nagyságrendileg 200 foggal rendelkeznek. A hullámgenerátor
egy körbefordulása a fogak összenyomódásának körülfordulásával jár, így
a két fog különbség miatt a fogaskerekek egymáshoz képest két foggal, tehát
nagyságrendileg egy század körrel (a fogszámok függvénye) fordulnak el.
A hajtóműtípus további előnye, hogy a fogkülönbségek miatti folyamatos
"előfeszítés" miatt gyakorlatilag nincs holtjátéka, egy szögpercnyi a pozicionálási
pontossága, míg ismétlési pontossága néhány szögmásodpercnyi. A mellékelt
ábrán egy ilyen hajtómű működési modellje látható.
A csukló harmadik fontos egysége a speciális csapágyazás, melynél az egyik
legfontosabb kritérium a szögmerevség, hiszen a robotkar végének pontos pozicionálásához
a csuklóknak a saját elfordulási síkjukban kell maradniuk a terhelés gyors
változása (a robotkar gyors mozgása) közben is. A nagy szögmerevséget keresztgörgős
csapágyazással érik el: ez olyan görgős csapágy, melyekben a hengeres görgők
felváltva egyik, illetve a másik irányban ferdén állnak előfeszítve. Egy
ilyen csapágy látható a mellékelt ábrán.
A speciális csapágytípus a nagy terhelhetőség szempontja miatt is szükséges
a csuklókban való alkalmazáskor.
A robotkar tehát 5-6 egymásra épülő speciális precíziós szervohajtásból áll,
melyet a vezérlő tesz egy kompletten mozgó rendszerré.
A robotkarban a vázon és a felsorolt csuklórészegységeken kívül az elektromos
jeleket (robot I/O, motor-jeladók, kamera-kábelezés) és tápellátást (motorok,
fékek) közvetítő elektromos, és a megfogót mozgató pneumatikus kábelezést
találjuk általában. Mint az ábrán látható speciális kivitelű (belül lyukas)
szervomotor és hajtómű párossal a robotkar kábelezése is egyszerűen megoldható.
A vezérlő felépítése
A vezérlő feladata, hogy az előbb felsorolt hajtások szabályzásával a bejövő
jeleknek és a beprogramozott utasításoknak megfelelően mozgassa a robotot.
Ehhez egyrészt szüksége van a szervók hajtását közvetlenül végző szervoegységekre,
a programot értelmező és futtató processzorra, és általában a robot tengelymozgásait
összehangoló másik mozgató processzorra, mivel a hat tengely mozgásának szabályozott
interpolálása speciális és jelentős számításigényű feladat. A programot futtató
processzor általában egy CISC vagy RISC processzor (gyártótól függően), míg
a mozgató processzor speciális feladatát egy DSP szokta betölteni. A rendszer
működéséhez természetesen további hardverelemek is szükségesek, mint a belső
vezérlő elektronika egyenáramát előállító szűrő- és kapcsolóüzemű tápegység,
és a robotokra jellemző vészleállító elektronika, mely a vészkör megszakítása
esetén a robotkart feszültségmentesíti. A környezettel való kommunikációt
lebonyolító eszközök (24 V I/O, RS232, RS485, Ethernet, Profibus stb.)
is szükségesek a robot működéséhez, valamint nélkülözhetetlen a motorok
háromfázisú tápellátását előállító inverteregység is, mivel a változtatható
nyomaték és sebesség eléréséhez a motorok táplálásának feszültségét és
frekvenciáját is változtatni kell. Természetesen a vezérlő lelkét képező,
a robot mozgását szabályzó processzor szabályzási algoritmusai meglehetősen
bonyolultak, és a gyártók ipari titkai közé tartoznak, hiszen a robotkarba
épített hardver mellett ez teszi a robotkart pontossá.
A vezérlés bonyolultságát szemléltetendő kiemeljük, hogy a mai modern ipari
robotok, miközben egyenes vagy körinterpolációt végeznek, a vezérlő a hat
tengely szabályzása mellett (pozíció interpoláció, sebesség interpoláció,
gyorsulás interpoláció) már számol a karra ható gravitáció hatásával (robotpozíció-
és installálásfüggő), és a robotkar gyorsulását és lassulását is képes optimalizálni
(robotpozíció- és installálásfüggő).
A vezérlők természetesen további számítási kapacitástartalékkal is rendelkeznek,
ezt jól mutatja, hogy általában két további külső tengelyt képesek a robotkar
tengelyeinek mozgásához interpolálni. Emellett akár képesek a robotkart úgy
szabályozni, hogy annak merevsége a mozgatás közben lecsökkenjen egy előre
megadott értékre (összeszerelési alkalmazások), hogy a robot például a munkadarab
sajátosságaiknak megfelelően megvezethető legyen.
Az említett funkciók mellett egyes típusú robotok operációs rendszere például
alapkonfigurációban is képes az érzékelő nélküli ütközés-felismerésre is.
Bekapcsolt ütközés-felismeréskor a rendszer a fent említett számítási feladatok
mellett szimulálja a saját működését (tengelypozíciók, sebességek, nyomatékok,
motoráramok), és ütközés első pillanatában érzékeli a tényleges és a szimulált
rendszer viselkedésének (motoráramfelvétel-eltérés) eltérését, ennek megfelelően
vészleállítja a robotkart, mielőtt nagyobb kár keletkezne a robotkarban vagy
a környezetben. Ehhez természetesen a szimulált robotkarnak nagyon jól meg
kell közelítenie a valós robot működését, valamint a szimulációnak valós
idejűnek kell lenni. Ez ugyancsak jelentős számítási kapacitást igényel.
A vezérlők mérete eléggé gyártó-specifikus, de a miniatürizálás itt is jól
tetten érhető. Míg akár egy-két évtizeddel ezelőtt is ruhásszekrény méretű
vezérlőegységek voltak az átlagosak, addig manapság a kisebb robotokhoz (1-3
kg terhelhetőség) már cipősdoboznyi méretű vezérlőegységek is előfordulnak,
amikbe az összes fent említett elektronikai egységet képesek belesűríteni.
Kovács Gábor
