Robotické aplikácie v priemysle
Robotické aplikácie v priemysle
Roboty sa typicky používajú v nasledovných aplikáciách:
- oblúkové a laserové zváranie, plazmové a laserové rezanie, rezanie vodným
lúčom, bodové zváranie, nitovanie, spájkovanie, nanášanie lepidla a tmelu
- striekanie farby, smaltu a iných náterových hmôt, pieskovanie a čistenie,
- brúsenie, odihľovanie, vŕtanie, frézovanie, leštenie
- výstupná kontrola (meranie rozmerov, kvality povrchovej úpravy)
- manipulácia s materiálom, obrobkami a hotovými výrobkami (zakladanie obrobkov
do obrábacích strojov, vstrekovacích lisov a pod., prenášanie predmetov z/na
dopravníkový pás (pick&place operácie), plnenie súčiastok do zásobníkov, balenie
výrobkov, paletizácia a depaletizácia)
- montáž: výroba automobilov a domácich spotrebičov (vkladanie súčiastok,
uťahovanie skrutiek), montáž dosiek plošných spojov, výroba mikroelektronických
a optoelektronických súčiastok
- transport materiálu a súčiastok zo skladu, obrobkov medzi výrobnými zariadeniami
a hotových výrobkov do skladu (indukčne vedené vozíky)
Robotické aplikácie v priemysle
Delenie - robot manipuluje s technologickou hlavicou, ktorou pôsobí na obrobok
(uchytený na pracovnom stole, ktorý má v prípade potreby vlastné
stupne voľnosti – napr. polohovadlo pri oblúkovom zváraní...)
- robot manipuluje s obrobkom (ktorý zakladá do iných technologických
zariadení, kde je nad nimi vykonávaná príslušná technologická operácia
Delenie - robot nie je v kontakte s obrobkom (oblúkové zváranie, striekanie,
plazmové rezanie)
- robot je vo fyzickom kontakte s obrobkom (manipulácia, montáž,
brúsenie, bodové zváranie)
Delenie - robot pracuje bez informácií z vonkajších snímačov (opracovávané
obrobky musia mať pri požiadavke na vysokú kvalitu opracovania rovnaký
tvar, polohu a orientáciu)
- robot pracuje adaptívne a na základe informácií z vonkajších snímačov
koriguje dráhu vedenia nástroja nad obrobkom resp. sily a momenty
pôsobenia na obrobok resp. aj ďalšie technologické parametre voči
naprogramovaným hodnotám
- robot pracuje kognitívne a na základe informácií z vonkajších snímačov
riadi sled aj samotný priebeh všetkých technologických operácií
Robotické aplikácie v priemysle
Náklady na
1 výrobok
Jednoúčelové
automaty
Ručná výroba
Robotizovaná
výroba
malosériová a
kusová výroba
strednosériová
výroba
veľkosériová
výroba
Objem výroby
Porovnanie rôznych typov výroby z hľadiska výrobných nákladov
Robotické aplikácie v priemysle
Porovnanie rôznych typov výroby z hľadiska vhodnosti aplikácie
Robotické aplikácie v priemysle
Montáž 6%
Ostatné 15%
Obrábanie 6%
Striekanie 5%
Manipulácia 35%
Zváranie 33%
Podiel jednotlivých aplikácií podľa štatistiky EUROP za rok 2003
Oblúkové zváranie
Arc Welding
Požiadavky na robot: typicky kĺbová kinematika, 5-6 DOF,
nosnosť 3-20 kg, presnosť 0,1-0,2 mm, v prípade veľkých
zvarencov aplikácia pojazdu/portálu, pracovná rýchlosť
rádovo cm/s
Ďalšie zariadenia zváracieho pracoviska:
- polohovadlá s 1 resp. 2 DOF alebo pevné stoly
(typicky dvojité alebo 2 jednoduché na každé pracovisko) s upínacími prípravkami
- zvárací horák (vzduchom alebo vodou chladený, typicky s bezpečnostným
uchytením, zahnutý tvar kvôli lepšiemu prístupu do zvaru a súčasne udržiavaniu
uhla náklonu voči normále, sklon 5-25º)
- v prípade adaptívneho zvárania aj príslušné typy snímačov
- zvárací zdroj (napäťové, prúdové alebo výkonové riadenie, novinka: pulzné riadenie)
- podávač zváracieho drôtu (typicky s priemerom okolo 1 mm)
- čistička zváracieho horáka, nástroj na “pristrihnutie” zváracieho drôtu
- zdroj ochranného plynu (CO2, argón,...)
- odsávanie splodín, ochrana obsluhy pred nepriaznivými vplyvmi zváracieho oblúka
Oblúkové zváranie
Oblúkové zváranie
Iný názov: GMAW alebo SMAW (Gas/Shielded Metal Arc Welding)
MIG/MAG – Metal Inert/Active Gas (odtavujúca sa elektróda,
pracovný plyn: argón, CO2,kyslík)
TIG – Tungsten Inert Gas (netaviaca sa wolfrámová elektróda)
Iný názov: GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)
Zváracie prúdy: stovky ampérov (do 500 A)
pri napätí desiatok volt (do 50 V). Zvárať možno
železo, meď, hliník, nikel a ďalšie kovy
Druhy zvarov:
1: tupý I-zvar (butt joint)
2: tupý V-zvar
3: preplátovaný zvar (lap joint)
4: kútový zvar (T-joint)
MIG zváranie
TIG zváranie
Oblúkové zváranie
Príklady technických riešení robotického manipulátora
Oblúkové zváranie
Podávač zváracieho drôt a zdroj zváracieho prúdu
Oblúkové zváranie
Príklady technických zváracích horákov
Oblúkové zváranie
Problémy pri zabezpečení presného polohovanie horáka vzhľadom na zvar:
- zvarenec je v inej polohe a orientácii ako v okamihu tvorby programu
- zvarenec je nepresne vyrobený
- zvarenec sa počas zvárania tepelne deformuje
Riešenie - polohová adaptivita:
- aplikácia snímačov na zistenie skutočnej polohy a orientácie zvarenca a
následnú korekciu programu, pri vykonávaní ktorého sa už informácie
zo snímačov nevyužívajú
- aplikácia snímačov na zistenie polohy začiatku zvaru a priebežné vedenie
horáka v osi zvaru
Oblúkové zváranie
Lokalizácia začiatku zvaru
pomocou zváracieho drôtu
Taktilný snímač
Aplikácia indukčných snímačov
Rôzne varianty aplikácie laserového snímača
Príklady snímačov na zabezpečenie polohovej adaptivity
Oblúkové zváranie
Mechanické oscilácie horáka
Zmena zvár. prúdu pri oscilačnom
pohybe horáka naprieč zvaru
Magnetické vychyľovanie oblúka
Efekt samoregulácie dĺžky oblúka
Využitie zváracích parametrov ako snímača
Oblúkové zváranie
Príklady technickej realizácie snímačov na polohovú adaptivitu
Oblúkové zváranie
Príklady technických riešení polohovadiel
Plazmové rezanie / rezanie plameňom
Plasma cutting
Oxy-fuel cutting
Rezanie plameňom je menej presné a je vhodné na hrubšie materiály
(len oceľ typicky od 2 cm vyššie). Nízke rezné rýchlosti rádovo mm/s v závislosti
od hrúbky. Výhoda – hlavy s viacerými horákmi. Nevhodné pre roboty. Pracovný
plyn – kyslík + acetylén alebo propán, metán, zemný plyn...
Rezanie plazmou (silným prúdom ionizovaného plynu)
je rýchlejšie a presnejšie a vhodné aj na tenšie materiály
– pri oceli do hrúbky do 5 cm. Rezná rýchlosť pri hrúbke
1 cm je 5 cm/s. Materiál musí byť vodivý, vhodné aj na
oceľ, hliník a nerez. Riadený prúdový zdroj, musí sa
natiahnuť oblúk (zapaľovanie) a vytvorí sa plazma a
prúdový obvod sa uzavrie cez plazmu.
Pracovný plyn – stlačený vzduch, kyslík,
dusík, argón ... v závislosti od druhu
rezaného materiálu. Riadenie výšky
cez meranie napätia oblúku plazmy
priamo v zdroji. Prúdy až do 1000 A.
Plazmové rezanie
Príklady usporiadania pracoviska pre plazmové rezanie
Plazmové rezanie
Príklady usporiadania pracoviska pre plazmové rezanie
Laserové rezanie a zváranie
Laser cutting/welding
Continuous wave
Používané typy laserov: pulzné alebo kontinuálne (CW) s výkonom niekoľko kW
CO2 – typická vlnová dĺžka 10600 nm (lúč sa privádza do hlavice systémom zrkadiel)
Nd:YAG (Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet) - 1064 alebo 1320 nm
(lúč možno rozvádzať aj svetlovodnými vláknami – výhoda pre roboty!!!, sú ale
omnoho drahšie ako CO2 lasery)
Pri rezaní nerezu sa privádza pod vysokým tlakom dusík, ktorý vyfukuje roztavený
materiál, pri rezaní čiernej ocele sa privádza kyslík, ktorý horí a zvyšuje teplotu
v mieste rezania. Dá sa rezať kovový plech (aj nerez a hliník), preglejka, výhodou
je hladký rez, ktorý nie je potrebné začisťovať ako v prípade plazmového rezania.
2 kW laser dokáže rezať 1 cm hrubú oceľ rýchlosťou 10 mm/s a 2 cm hrubú
oceľ rýchlosťou 3 mm/s
Laserové rezanie a zváranie
Príklady usporiadania pracoviska pre laserové rezanie a zváranie
Rezanie vodným lúčom
Water jet cutting
Rezanie nenasiakavých materiálov (nevhodné na papier, drevo...):
- čistá voda: molytan, penové izolačné hmoty (polystyrén), plexisklo
- voda s prímesou abrazívneho materiálu (žulový jemný piesok):
oceľ, titan, kameň (mramor, žula), guma, plast, sklo (nevhodné na
tvrdené sklá kvôli praskaniu). Pri menších tlakoch možno použiť
aj na popis materiálov.
Tlaky 3-4 tisíc atmosfér, vydáva silný hluk, cez dýzu z umelého
diamantu alebo zafíru, s priemerom 0,1-0,5 mm ide ešte čistá
voda a potom v zmiešavacej komore sa primieša abrazívum.
Rezanie vodným lúčom
Detail konštrukcie robota pre rezanie vodným lúčom
Rezanie vodným lúčom
Detail pracoviska pre rezanie vodným lúčom
Bodové (odporové) zváranie
Spot/Resistance Welding
Požiadavky na robot: kĺbová kinematika, 6 DOF, nosnosť 50-200 kg v závislosti
na type klieští, presnosť do 0,5 mm, rýchlosť presunu medzi zvarovacími bodmi
až 2,5 m/s, riadenie PTP
Ďalšie zariadenia zváracieho pracoviska:
- zváracie kliešte (tvar C alebo X, pneumatické alebo
hydraulické, vodné chladenie)
- nástroj na úpravu kontaktných plôch zváracích klieští
- zvárací zdroj (impulzne až stovky voltov a tisícky ampér!!!)
- riadiaca jednotka zváracieho procesu
Bodové zváranie
Príklady technických riešení robotického manipulátora
Bodové zváranie
Príklady technických riešení zváracích klieští
Paint Spraying
Povrchová úprava - striekanie
Požiadavky na robot: kĺbová kinematika s dlhými ramenami kvôli dobrej
dostupnosti k striekaným plochám, 6+ DOF, nosnosť cca 5-15 kg, presnosť
sledovania trajektórie rádovo mm, pohony do nevýbušného prostredia, často s
ochranným návlekom proti znečisteniu farbou, pracovná rýchlosť desiatky cm/s
Ďalšie zariadenia striekacieho pracoviska:
- striekacia pištoľ (jednoduchá, dvojitá, s elektrostatickým nanášaním)
s možnosťou výmeny pri zmene nanášanej farby
- príprava nanášaného materiálu (tekutý rozpustný v riedidle alebo vo vode,
jedno alebo dvojzložkový, práškový náter...)
- zariadenie na čistenie trysiek pištole
Povrchová úprava - striekanie
Príklady technických riešení striekacej hlavice
Povrchová úprava - striekanie
Príklady usporiadania striekacieho pracoviska
Iné priemyselné aplikácie
lepenie
brúsenie
odihľovanie
leštenie
spájkovanie
vŕtanie
Iné priemyselné aplikácie
Aplikácie v obuvníckom priemysle
Iné priemyselné aplikácie
Šijacie roboty
Iné priemyselné aplikácie
3D tlač nábytku a bytových doplnkov
Manipulačné roboty
Machine tending (loading), palletizing
Požiadavky na robot: od 3 do 6 stupňov voľnosti, rozmery ramien a nosnosť
v závislosti od aplikácie a hmotnosti manipulovaných predmetov (nosnosť až
do 500 kg). Pri menšom počte stupňov voľnosti a malých nosnostiach aj pneumatické
pohony, štandardne elektrické, pri veľkých hmotnostiach bremien aj hydraulické.
Kinematika kĺbová, kartézska, cylindrická a v špecifických prípadoch aj paralelná.
Ďalšie zariadenia:
- chápadlo elektrické, pneumatické alebo hydraulické
- prísavky pre manipuláciu so sklom a hladkými materiálmi
- elektromagnety pre manipuláciu s feromagnetickými materiálmi
Manipulačné roboty
Príklady usporiadania (de)paletizačného pracoviska s manipulačným robotom
Manipulačné roboty
Príklady obsluhy obrábacieho stroja manipulačným robotom
Manipulačné roboty
Príklady technických riešení pneumatických chápadiel firmy Schunk
Manipulačné roboty
“mäkké” chápadlo
čelusť so snímaním prítlačnej sily
magnetické chápadlo
chápadlo prísavkového typu
Príklady technických riešení chápadla
Manipulačné roboty
Výmenné chápadlá-nástroje
Robotizovaná montáž
Assembly
Špecifiká aplikácie: obdobne ako pri manipulácii sa pomocou
vhodného chápadla uchopujú predmety, ale na rozdiel od jednoduchej manipulácie sa predmety nekladú voľne na iné miesto, ale
je potrebné ich vsunúť resp. naskrutkovať do montovaného výrobku.
Požiadavky na robot: 6-7 stupňov voľnosti, rozmery ramien a nosnosť
v závislosti od aplikácie (obvykle omnoho nižšia ako v prípade manipulačných
robotov). Takmer výlučne sa používajú elektrické pohony. Pokiaľ nie je možné
zabezpečiť opakovateľnosť z hľadiska polohy a orientácie montovaných
súčiastok, je potrebné aplikovať výkonný vizuálny systém. V špecifických
prípadoch je potrebné tiež uvažovať o aplikácií silovomomentových snímačov
uľahčujúcich realizáciu montážnych operácií. Platí zásada: čím “hlúpejší”
robot (pracujúci “na slepo”, bez informácií z vonkajších snímačov), tým drahšie
je technologické okolie robota, ktoré musí pripraviť všetky montované súčiastky
tak, aby nedochádzalo k žiadnym odchýlkam od naprogramovaného stavu.
Typicky je potrebné úplne prerobiť konštrukciu výrobkov oproti verzii určenej
pre manuálnu montáž.
Robotizovaná montáž
Požiadavky na design výrobku pre robotizovanú montáž:
- minimalizácia počtu diskrétnych súčiastok, s ktorými má robot manipulovať.
To možno dosiahnuť integráciou viacerých funkcií do jednej súčiastky.
- jednotlivé súčiastky musia byť ľahko rozlíšiteľné, teda definovaného tvaru,
veľkosti a kvality bez potreby ich analýzy počas montážneho procesu
- asymetria tvaru súčiastok má byť výrazná pre ľahké zabezpečenie ich
podávania, orientácie a uchopovania
- súčiastky majú byť navrhnuté pre jednoduché uchopenie chápadlom bez
potreby jeho výmeny pre jednotlivé súčiastky
- súčiastky musia byť oddelené a so stabilnou polohou a dopredu známou
orientáciou
- aplikácia súčiastok, ktoré sa vedia pri vkladaní samé správne orientovať
- montáž súčiastok vo vertikálnom smere - zhora nadol (využitie gravitácie)
- zabezpečenie montáže v otvorenom priestore bez obmedzení prístupu
chápadla
Robotizovaná montáž
Porovnanie klasického návrhu a návrhu pre robotickú montáž
Robotizovaná montáž
Príklady usporiadania pracoviska s montážnym robotom
Robotizovaná montáž
Aplikácie v automobilovom priemysle
Robotizovaná montáž
Aplikácia silovomomentových snímačov
Robotizovaná montáž
© Geoffrey Boothroyd and Peter Dewhurst
Štruktúra typického robotického montážneho pracoviska
Robotizovaná montáž
Komponenty pracoviska pre robotickú montáž:
- 1 a viac robotov typu SCARA, prípadne s kĺbovou alebo kartézskou
kinematickou štruktúrou, ktoré sú vybavené chápadlom a môžu byť
alternatívne vybavené aj silovomomentovým snímačom a vlastným
vizuálnym systémom
- vibračné zásobníky (lineárne, kruhové)
a rôzne podávače súčiastok
- poháňané dopravníky
- upínače, stojany, držiaky...
- systémy výstupnej
kontroly
Robotizovaná montáž
Reťazový (článkový) dopravník
Valčekový dopravník
Pásový dopravník
Dopravníky
Robotizovaná montáž
Vibratory bowl/linear feeder
Vibračný podávač (zásobník)
Kontrola kvality
Testovanie
Prehľad najvýznamnejších výrobcov PR
Najvýznamnejší výrobcovia priemyselných robotov: ABB, KUKA, Stäubli,
Fanuc, Motoman, Panasonic, Adept, Comau, Kawasaki, Nachi (OTC-Daihen),
REIS, CLOOS, EPSON...
Automaticky vedené vozíky (AGV - Automated Guided Vehicle)
Automaticky vedené vozíky (AGV - Automated Guided Vehicle)
Riadenie polohy na základe
- indukčného snímania vodiča s VF signálom v podlahe (Wire guidance)
- optického snímania kontrastnej stopy na podlahe (Tape guidance)
- laserového navádzania voči stenám resp. voči majákom vhodne umiestneným
v budove alebo mimo nej (Laser guidance)
- iné (inerčné navádzanie, kombinované...)
Delenie:
- do vnútorných priestorov (indoor)
- do vonkajších priestorov (outdoor)
Automaticky vedené vozíky (AGV - Automated Guided Vehicle)
Konštrukčné riešenia
Automaticky vedené vozíky (AGV - Automated Guided Vehicle)
Aplikácia AGV pri výrobe automobilov
Automaticky vedené vozíky (AGV - Automated Guided Vehicle)
Aplikácia AGV v Rotterdamskom prístave
Automaticky vedené vozíky (AGV - Automated Guided Vehicle)
Aplikácia AGV v prístave Hamburg
Aplikácia mobilných robotov v skladoch
Roboty firmy Kiva Systems (Amazon)
Aplikácia mobilných robotov pri obaľovaní paliet
Robot Master od firmy ROBOPAC
Download

Robotické aplikácie v priemysle