Autor wykładu:
dr hab. inż. Adam Rogowski
pok. ST 405
tel. 022-234-8357
www.cim.pw.edu.pl/arog
AUTOMATYZACJA
Literatura:
- Treść niniejszego wykładu dostępna na www.cim.pw.edu.pl/lzp
PROCESÓW WYTWARZANIA
- J. Honczarenko: Elastyczna automatyzacja wytwarzania, WNT, 2000
- M. Marciniak (red.): Elementy automatyzacji we współczesnych
procesach wytwarzania, Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej, 2007
Opracował: dr hab. inż. Adam Rogowski
Proces produkcyjny Formy zautomatyzowanej produkcji
1. Zautomatyzowane linie produkcyjne
Proces przetwarzania surowców w gotowe produkty.
2. Obrabiarki CNC i centra obróbkowe
Jego realizacja jest związana ze zmianami kształtu, wymiarów oraz
3. Elastyczne gniazda/systemy produkcyjne
właściwości materiału.
4. Obrabiarki konwencjonalne
Typy organizacji produkcji:
Wielkość
" Produkcja jednostkowa
produkcji 1
" Produkcja seryjna
2
" Produkcja masowa
3
Typ organizacji produkcji ma duży wpływ na możliwości jej
4
automatyzacji.
Liczba asortymentów
Ryzyka związane z wyborem stopnia Zalety automatyzacji
automatyzacji
" Polepszenie jakości i stałości jakości produktów
" Zwiększenie wydajności (koncentracja zabiegów)
" Niższa jakość i wysokie koszty produkcji w przypadku zbyt niskiego
stopnia automatyzacji
" Większe wykorzystanie funduszu czasu pracy maszyn (II i III zmiana,
dni wolne od pracy)
" Nakłady na zbyt wysoki stopień automatyzacji mogą się nie zwrócić w
przypadku, gdy z
le zostanie oszacowana wielkość rynku
" Ograniczenie liczebności personelu
" Nakłady na automatyzację mogą się nie zwrócić w przypadku
" Poprawa warunków pracy (wyeliminowanie prac uciążliwych i
niespodziewanych zmian na rynku (produkt przestaje się sprzedawać)
szkodliwych)
" Zmniejszenie kosztów produkcji
Automatyzacja elastyczna Znaczenia elastyczności wytwarzania
" A
atwe i szybkie przezbrojenie i szybka zmiana programów pracy " Elastyczność wyboru różnych przedmiotów obrabianych jednocześnie
środków wytwarzania w celu dostosowania do zmiennych zadań (mix flexibility)
produkcyjnych, przy zachowaniu wysokiej wydajności np. realizacja
" Możliwość dodania nowego przedmiotu (nowego procesu
kilku procesów technologicznych równolegle z możliwością
technologicznego) w czasie trwania produkcji, a także możność
wprowadzania nowych procesów w czasie trwania produkcji
wycofania produkcji określonego przedmiotu, bez wpływu na
" Zastosowanie głównie w produkcji małoseryjnej (liczne asortymenty) prawidłowy przebieg produkcji pozostałych przedmiotów (parts
flexibility)
" Elastyczność marszruty technologicznej (routing flexibility)
Środki elastycznej automatyzacji:
" Możliwość szybkiego uwzględnienia zmian w konstrukcji
" obrabiarki CNC
wytwarzanego przedmiotu (design change flexibility)
" roboty przemysłowe
" Możność zmiany wielkości produkcji (volume flexibility)
" Możność wytwarzania przedmiotów w różnych systemach wytwarzania
W przypadku kompleksowej automatyzacji elastycznej zachodzi
w ramach danej fabryki (customing flexibility)
konieczność zapewnienia współpracy (wzajemnej synchronizacji)
zautomatyzowanych środków produkcji poprzez komunikację
pomiędzy ich układami sterowania.
Główne przyczyny wprowadzania elastycznej Przesłanki rozwoju elastycznej automatyzacji
automatyzacji
Związane z przedsiębiorstwem:
" Zróżnicowanie asortymentu wyrobów
" Wzrost konkurencji
" Wielowariantowość odmian/typów wyrobów
" Konieczność dostosowania asortymentów do życzeń odbiorców
" Krótkie terminy realizacji zamówień
" Zmieniający się popyt na wyroby
" Mniejsze serie produkcyjne
" Krótsze cykle życia wyrobów
" Częste unowocześnianie wyrobów
Związane z procesem wytwarzania:
" Potrzeba pełniejszego wykorzystania maszyn i urządzeń
" Zmniejszenie zapasów materiałów wejściowych i wyrobów w toku
" Konieczność skrócenia czasu wytwarzania wyrobów
" Konieczność łatwego i szybkiego przezbrajania maszyn
" Humanizacja pracy
Wykorzystanie funduszu czasu pracy maszyn Etapy wprowadzania automatyzacji czynności
(przykłady) pomocniczych
Firma 1 Firma 2 1. Obróbka bez oprzyrządowania (obrabiarki NC z obsługą
operatorską i dowolnym systemem mocowania przedmiotów)
Obrabiarki: tokarki Obrabiarki do
konwencjonalne części typu korpus 2. Etap standaryzacji uchwytów i oprawek
Dni wolne od pracy, 34% 28% 3. Etap organizacji (ustawianie przedmiotów poza obrabiarką)
urlopy
4. Automatyzacja podstawowa (automatyczne dostarczanie na
II i III zmiana 44% 40% stanowisko pracy przedmiotów na paletach, ładowanie ręczne)
Przestoje 10% 6% 5. Automatyzacja standardowa (podawanie przedmiotów i narzędzi
przez manipulator)
Przezbrajanie,
nastawianie itp. 6% 7% 6. Automatyzacja elastyczna (podawanie narzędzi i przedmiotów
przez robota przemysłowego)
Wymiana narzędzi,
czynności załadowczo- 11%
-rozładowcze
Wykorzystanie 6% 8%
efektywne
Efekty poszczególnych etapów wprowadzania Efekty poszczególnych etapów wprowadzania
automatyzacji czynności pomocniczych automatyzacji czynności pomocniczych
(przykład) (przykład c.d.)
Czas Nastawy, Czas Koszty Terminy realizacji
nieprodukcyjny przygotowanie efektywny roboczogodziny zleceń
[godz./rok] [godz./rok] [godz./rok] [%] [tygodnie]
Bez oprzyrządow. 6960 1000 800 Bez oprzyrządowania 100 2
Standaryzacja 6960 600 1200 Standaryzacja 84 1,7
Organizacja 6960 200 1600 Organizacja 77 1,4
Automatyzacja 3960 800 4000 Autom. podstawowa 55 0,9
Autom. elast. 1960 800 6000 Autom. standardowa 40 0,6
Autom. elastyczna 33 0,3
Zmiany w poglądach na strategię produkcyjną Zmiany w poglądach na elastyczną
automatyzację
Produkcja powinna być:
 wysoka technika produkcja oszczędna
zorientowana na wydajność zorientowana na płynny
(obrabiarki zestawione z elastycznie
przepływ materiałów
konfigurowanych modułów)
zależna od wyposażenia zależna od asortymentu
pełna automatyzacja automatyzacja dostosowana do
produkcji
potrzeb
sterowana wg. planów sterowana według zleceń
organizacja zorientowana autonomiczna organizacja zorien-
produkcji klientów
na technikę towana na pracowników
nieciągła ciągła
praca kierowana praca zespołowa
w partiach ekonomicznie w partiach uwzględniających
obsługa przyuczona umotywowani, dobrze wyszkoleni
uzasadnionych potrzeby klientów
pracownicy
(przy jednoczesnym minimali-
zowaniu kosztów)
Wybór stopnia automatyzacji w procesie Wybór stopnia automatyzacji w procesie
przygotowania produkcji nowego wyrobu przygotowania produkcji nowego wyrobu  c.d.
Koncepcja nowego
produktu Projekt właściwy A
konstruktor
Warianty wstępne zleceniodawca Opinie zainteresowanych
technolog
handlowiec
Opracowanie technologii A!
Warianty rozwojowe kierownictwo firmy
Opinie zainteresowanych
Projekt wstępny A
Seria próbna
Analiza technologiczności
i analiza ekonomiczna
Modyfikacje i poprawki
A  podejmowanie
Wybór wariantu decyzji odnośnie
automatyzacji
Wybór stopnia automatyzacji w procesie Komputerowe wspomaganie technologicznego
przygotowania produkcji nowego wyrobu  c.d. przygotowania produkcji
Technologiczne przygotowanie produkcji  wszystkie działania mające na celu
zaprojektowanie procesu technologicznego oraz elementów biorących w nim
udział (przedmiotów pracy, środków technologicznych itd.)
Opinie zainteresowanych
Komputerowe systemy inżynierskie są stosowane najczęściej w obszarze
technologicznego przygotowania produkcji, wspomagając rutynowe oraz
koncepcyjne działania inżyniera  technologa:
Właściwa produkcja
CAD (Computer Aided Design)
(wyrób na rynek)
CAE (Computer Aided Engineering)
CAP (Computer Aided Planning)
CAM (Computer Aided Machining) lub (Computer Aided Manufacturing)
CAQ (Computer Aided Quality Assurance)
CAR (Computer Aided Robotics)
CIM (Computer Integrated Manufacturing)
&
Inżynieria współbieżna Inżynieria współbieżna  c.d.
Elastyczność przedsiębiorstwa oznacza zdolność do szybkiego
Przygotowanie produkcji w przypadku inżynierii współbieżnej:
wprowadzenia do produkcji (i na rynek) nowego wyrobu.
Analiza rynku,
Tradycyjny proces przygotowania produkcji:
opracowanie
koncepcji
Analiza rynku, Sprzężenie zwrotne
opracowanie
koncepcji Sprzężenie zwrotne
Opracowanie
konstrukcyjne
Opracowanie
konstrukcyjne Sprzężenie zwrotne
Opracowanie
Opracowanie
technologii.
technologii.
Konstrukcja
Konstrukcja
pomocy
pomocy
warsztatowych
warsztatowych
Uruchomienie Uruchomienie
produkcji serii produkcji serii
próbnej próbnej
Czas Czas
Inżynieria współbieżna  c.d. Inżynieria współbieżna  c.d.
Cechy charakterystyczne inżynierii współbieżnej: Inżynieria współbieżna jako zintegrowanie działań skierowanych na
klienta z procesami projektowania i wytwarzania.
" Częściowe pokrywanie się w czasie poszczególnych etapów
Uwzględnienie wszystkich aspektów cyklu życia produktu:
przygotowania produkcji
" Wielokrotne pętle sprzężenia zwrotnego pomiędzy poszczególnymi
Pomysł
etapami, gdyż poszczególne etapy są realizowane bez pełnych danych
Konstrukcja (koncepcja) Recykling
wejściowych
" Czas trwania poszczególnych etapów jest dłuższy, jednak sumaryczny
czas przygotowania produkcji jest krótszy
" Możliwe jest wczesne rozpoznanie błędów w projektowaniu, zanim
Technologia Inżynieria Użytkowanie
spowodują one zwiększenie kosztów podczas realizacji etapów
współbieżna
póz
niejszych
Rachunek Dystrybucja
ekonomiczny
Logistyka Certyfikaty
Inżynieria współbieżna  c.d. Automatyzacja montażu
Pełna automatyzacja montażu oznaczałaby również automatyzację szeregu
Rozwiązania techniczne wspomagające inżynierię współbieżną:
czynności przed i po wykonaniu połączenia:
" Trójwymiarowe modele bryłowe CAD
" Pobranie poszczególnych części i odseparowanie ich od siebie
" Integracja systemów CAD i CAM
" Nadanie częściom właściwej orientacji
" Symulacja procesów wytwarzania na wczesnym etapie projektowania
" Dostarczenie części na miejsce montażu
wyrobów
" Dokładne pozycjonowanie części względem siebie
" Uwzględnienie doświadczeń z projektowania poprzednich produktów
" Realizacja połączenia
(bazy danych)
" Usunięcie zmontowanego zespołu ze stanowiska roboczego
Przy realizacji tych czynności wykorzystuje się indywidualne cechy każdego
asortymentu montowanych części. Stąd ograniczenie elastyczności
zautomatyzowanych systemów montażowych.
Automatyzacja montażu jest kosztowna i daje niewielki wzrost wydajności. Jej
podstawowe zalety to:
" Zwiększenie powtarzalności montażu
" Poprawa bezpieczeństwa pracy
Automatyzacja montażu jest opłacalna głównie w produkcji seryjnej i masowej.
Przykładowe dane opisujące stanowiska Automatyzacja montażu  c.d.
montażowe o różnym stopniu automatyzacji
Czynniki wpływające na łatwość/trudność automatyzacji montażu:
" Stosowanie połączeń gwintowych (wymagających separowania oraz
Montaż ręczny Montaż ręczny Automat montażowy
z podsystemem ze stołem obrotowo precyzyjnego orientowania i pozycjonowania wzajemnego)
transportu -podziałowym
" Stosowanie dodatkowych elementów spajających wymagających
separowania, orientacji i pozycjonowania np. nity
Koszty pracy 98% < 90% < 10%
" Stosowanie dodatkowych elementów spajających nie wymagających
orientowania np. klej
Czas jednostkowy 9 s./szt. 7 s./szt. 3 s./szt.
Koszt inwestycji < 3000 Ź < 30000 Ź < 250000 Ź
Czas przezbrojenia < 3 min./typ < 10 min./typ < 20 min./typ
(elastyczność)
Analiza technologiczności konstrukcji pod Analiza technologiczności konstrukcji pod
względem automatyzacji montażu względem automatyzacji montażu
Czynniki i elementy konstrukcyjne ułatwiające automatyzację montażu " Elementy pozwalające pozycjonować części z mniejszą dokładnością
(nie zawsze konieczne z punktu widzenia konstrukcji): np. fazy wprowadzające w otworach i czopach
" Elementy ułatwiające chwytanie przez manipulator
" Odpowiednia proporcja średnica/długość czopu przy połączeniach
" Symetria kształtu orientowanych części
typu wałek/otwór
Przykładowy algorytm wyboru stopnia Przykładowy algorytm wyboru stopnia
automatyzacji montażu automatyzacji montażu  c.d.
Wydajność . . . . . . . . . . .
(szt./zmianę) < 500 500  1500 1500  4500 > 4500
Stopień
Czas na
t n t t
n t n t n t trudności trudny trudny trudny
uruchomienie e" 8 > 8 14 > 14
montażu
serii (m-ce)
n n
Wymuszony
n
Przewidywany
transport trudny
n t n t n t
czas produkcji e" 3 e" 3 e" 3
między-
wyrobu (lata)
stanowiskowy
Różnorodność
t n t
Wybór ręczny ręczny mieszany zautoma-
wariantów > 20 < 5
systemu jedno- wielo- wielo- tyzowany
wyrobu
montażu stanowis- stanowis- stanowis- wielo-
n
kowy kowy kowy stanowisk.
. . . . . . . . . . .
Transport ręczny zmechaniz.
Automatyzacja kontroli jakości Automatyzacja kontroli jakości  c.d.
" Odmiany kontroli jakości: pełna i statystyczna Elastyczna automatyzacja kontroli jakości: rzadka (uniwersalne
programowalne maszyny pomiarowe).
" Kontrola statystyczna: decyduje o uznaniu, bądz
odrzuceniu CAA
EJ
partii wyrobów
" Uznanie partii nie oznacza, że nie ma w niej żadnych braków (przy Opłacalność automatyzacji kontroli jakości:
sprawdzaniu ok. 20% wyrobów prawdopodobieństwo wystąpienia
" produkcja wielkoseryjna i masowa,
braków jest rzędu 3%)
" gdy skutki przepuszczenia braków są bardzo poważne.
Wprowadzenie automatyzacji kontroli jakości zapewnia:
" eliminację czynnika ludzkiego z procesu decyzyjnego
" zwiększoną wydajność kontroli jakości (może to prowadzić nawet do
opłacalności wprowadzenia kontroli pełnej)
" automatyczne monitorowanie i dokumentowanie kontroli jakości
każdej partii, a nawet wyrobu (istotne w przypadku reklamacji)
Trendy w budowie automatów produkcyjnych Trendy w budowie automatów produkcyjnych 
c.d.
Typowa struktura urządzenia zautomatyzowanego:
Elementy wykonawcze:
Jak najszersze wykorzystanie podzespołów handlowych (jednostki
proces technologiczny
przemieszczeń liniowych i obrotowych, chwytaki itd.)
elementy wykonawcze
Napędy:
" pneumatyczne: używane głównie do przemieszczeń liniowych PTP na
niewielkich odległościach. Wady: ograniczenia dynamiczne
napędy układy
wynikające ze ściśliwości powietrza, hałaśliwość, konieczność
pozyskiwania
dostępu do instalacji sprężonego powietrza
energia urządzenia sterujące informacji
" elektryczne: używane głównie do ruchów obrotowych w szerokim
przepływem energii (czujniki)
zakresie prędkości. Zaleta: łatwość dostępu do z
ródła energii
" hydrauliczne: używane tam, gdzie jest potrzeba rozwinięcia dużych
sił. Wady: wysoki koszt zasilaczy hydraulicznych, kłopotliwy serwis
sterownik
" pneumohydrauliczne: niższy koszt, małe przemieszczenia. Główne
zastosowanie: mocowanie przedmiotów
Uchwyty obróbkowe w zautomatyzowanej Uchwyty obróbkowe w zautomatyzowanej
produkcji produkcji  c.d.
Pożądane właściwości uchwytów w zautomatyzowanej produkcji na Pożądane właściwości uchwytów w zautomatyzowanej produkcji na
przykładzie uchwytów tokarskich: przykładzie centrów obróbkowych i elastycznych systemów
obróbkowych dostosowanych do obróbki części typu korpus:
" Maksymalne skrócenie czasu związanego z mocowaniem przedmiotów
i zmianą szczęk mocujących " Możność dostosowania do różnorodności kształtów i wielkości
obrabianych części oraz do różnych metod obróbki
" Zapewnienie stałości sił mocujących pomimo znacznych prędkości
obrotowych wrzecion obrabiarek " Zapewnie dużej wolnej przestrzeni dla przejść narzędzi (newet z
czterech lub pięciu stron)
" Wysoka dokładność i powtarzalność ustalania
" Podwyższona dokładność i sztywność (aby można było w pełni
" Duża sztywność przy dużych siłach mocowania
wykorzystać moc obrabiarki w zabiegach obróbki zgrubnej oraz
" Umożliwienie obróbki różnych typów i wymiarów części mocowanych
zapewnić odpowiednią dokładność w zabiegach wykańczających)
" Możliwość wymiany obrabianych części przez roboty lub manipulatory
Nowa tendencja: przyrządy obróbkowe ze sterowaniem numerycznym.
Wybrane zasady projektowania operacji Wybrane zasady projektowania operacji
obróbkowych na obrabiarki CNC obróbkowych na obrabiarki CNC  c.d.
Zmiana narzędzia w bezpiecznej odległości od przedmiotu obrabianego:
Dobiegi w cyklach obróbkowych:
70
1 2
N10 G00 X20 Z71
�20 �14 Z
N20 G84 X14 Z40 H1 F0.1
10
Punkt początkowy cyklu
40
X
N50 G01 X18 Z40 F0.1
3
N60 G00 X50 Z40
5 N70 M06 T02 X4 Z-5
14
Prawidłowy dobieg zapewnia, że podczas przejścia narzędzia na kolejną średnicę (które
odbywa się ruchem szybkim) nie ma kontaktu narzędzia z przedmiotem obrabianym.
Zmiana narzędzia powinna się odbywać w odpowiednio dużej odległości od przedmiotu
Punkt początkowy cyklu powinien się znajdować na średnicy takiej samej, jak średnica obrabianego i takich elementów obrabiarki jak np. wrzeciono lub konik.
półfabrykatu. Zapewnia to jednakową głębokość skrawania dla przejścia pierwszego i
Każde narzędzie może być w różnym stopniu  wysunięte z głowicy rewolwerowej.
przejść następnych.
Należy pamiętać, że w głowicy pomiędzy narzędziem bieżącym i następnym używanym narzędziem
mogą się znajdować inne narzędzia, jeszcze bardziej  wysunięte z głowicy. Mogą one być
przyczyną kolizji podczas obrotu głowicy o kilka pozycji.
Wybrane zasady projektowania operacji Wybrane zasady projektowania operacji
obróbkowych na obrabiarki CNC  c.d. obróbkowych na obrabiarki CNC  c.d.
Powrót do stanu pierwotnego po zrealizowaniu operacji:
Realizacja cyklu obróbki rowka:
50
Punkt końcowy cyklu
44
N10 G00 X22 Z50
N20 G86 X16 Z44 H2 F0.1
�20 �16 Z
X
Punkt charakterystyczny Punkt początkowy cyklu
narzędzia
Po zakończeniu operacji głowica rewolwerowa powinna się obrócić do pozycji, w której się znajdowała przy Przed rozpoczęciem cyklu punkt charakterystyczny narzędzia (wierzchołek) powinien być
rozpoczęciu tej operacji. W przeciwnym razie kolejny przedmiot może być obrabiany niewłaściwymi narzędziami
doprowadzony do współrzędnej Z odpowiadającej ściance planowanego rowka, oraz do
(gdy obroty głowicy są programowane przyrostowo).
współrzędnej X uwzględniającej dobieg.
Wierzchołek narzędzia także powinien się wówczas znalez
ć w pozycji wyjściowej, aby uniknąć nieprzewidzianej
W opisie cyklu w słowie H podaje się nie skok narzędzia po każdym przejściu roboczym (ten
ścieżki narzędzia w pierwszym przejściu w kolejnych uruchomieniach programu. Niezastosowanie się do tego
zostanie obliczony automatycznie przez układ sterowania obrabiarki), lecz szerokość narzędzia,
zalecenia, gdy obrabiarka jest programowana przyrostowo, będzie przyczyną błędnych wymiarów kolejnych
konieczną do określenia współrzędnej Z dla ostatniego przejścia roboczego.
przedmiotów.
Wybrane zasady programowania robotów Wybrane zasady programowania robotów
realizujących zadania manipulacyjne realizujących zadania manipulacyjne  c.d.
Opis orientacji za pomocą kątów Eulera Opis orientacji efektora za pomocą kątów Eulera  c.d.
Można udowodnić, że dowolnie zorientowany układ współrzędnych A - Kąty kolejnych takich obrotów mogą służyć do jednoznacznego
można zorientować zgodnie z innym, dowolnie zorientowanym układem określenia orientacji układu współrzędnych B w stosunku do układu
współrzędnych B, poprzez złożenie kolejno po sobie następujących współrzędnych odniesienia A
co najwyżej trzech obrotów o odpowiednio dobrane kąty wokół własnych
- Kąty te nazywamy kątami Eulera
osi tego układu
- Kolejność obrotów wokół poszczególnych osi (X, Y i Z) ma znaczenie
ZA Z  =Z   ZB
Z  dla końcowej orientacji kątowej obracanego układu, w związku z czym
Z Z
przy podawaniu kątów Eulera należy określić kolejność tych obrotów
Y  
Y 
Y 
YB
np.:
Y
YA=Y
ąX=Ą �Y=Ą/2 łZ=Ą/4 - obroty kolejno wokół osi X o kąt Ą, następnie
wokół osi Y o kąt Ą/2, a na końcu wokół osi Z
X  
o kąt Ą/4
XA
X 
X X =X 
ąY=Ą/2 �Z=Ą/4 łX=Ą - obroty kolejno wokół osi Y o kąt Ą/2, następnie
wokół osi Z o kąt Ą/4, a na końcu wokół osi X
o kąt Ą
Wybrane zasady programowania robotów Wybrane zasady programowania robotów
realizujących zadania manipulacyjne  c.d. realizujących zadania manipulacyjne  c.d.
Opis orientacji efektora za pomocą kątów Eulera  c.d. Opis orientacji efektora za pomocą kwaternionów
Przykład opisu orientacji układu współrzędnych chwytaka robota XCYCZC Można udowodnić, że dowolnie zorientowany układ współrzędnych A
w globalnym układzie współrzędnych robota XRYRZR: można zorientować zgodnie z innym, dowolnie zorientowanym układem
współrzędnych B, poprzez realizację pojedynczego obrotu o określony
kąt wokół odpowiednio dobranej osi (najczęściej nie pokrywającej się
z żadną osią tego układu współrzędnych)
YR
ZC
ZA
YC
ZB
Z =ZB Oś obrotu
YA
XC
YB
XR
ZR
XA Y =YB
XB
X =XB
ąX=Ą �Y=0 łZ=Ą/2
Wybrane zasady programowania robotów Wybrane zasady programowania robotów
realizujących zadania manipulacyjne  c.d. realizujących zadania manipulacyjne  c.d.
Opis orientacji efektora za pomocą kwaternionów  c.d.
Opis orientacji efektora za pomocą kwaternionów  c.d.
Orientacja osi obrotu (określona przez współrzędne jej wersora nx,ny,nz)
oraz wartość kąta obrotu � mogą służyć do jednoznacznego określenia Przykład opisu orientacji układu współrzędnych chwytaka robota XCYCZC
orientacji układu współrzędnych B w stosunku do układu współrzędnych w globalnym układzie współrzędnych robota XRYRZR:
odniesienia A
ZA
ZB
Z =ZB Oś obrotu
YR Kąt obrotu: Ą
nX="2 / 2 nY= -"2 / 2
YA
�
nZ=0
Ś = Ą
YB
ZR XR
Wersor osi obrotu [nx,ny,nz]
stąd:
YC ZC Wersor osi obrotu
XA Y =YB
XB Q1 = 0
X =XB
Q2 = "2 / 2
Równoznaczne z powyższym jest określenie orientacji układu współrzędnych B w
Q3 = -"2 / 2
XC
stosunku do układu współrzędnych A za pomocą tzw. kwaternionów, określonych
Oś obrotu
Q4 = 0
następującymi wzorami:
Q1 = cos (�/2) Q2 = nx sin (�/2) Q3 = ny sin (�/2) Q4 = nz sin (�/2)
Wybrane zasady programowania robotów Wybrane zasady programowania robotów
realizujących zadania manipulacyjne  c.d. realizujących zadania manipulacyjne  c.d.
Typowa sekwencja przemieszczeń dla zadania  pick-and-place :
Opis pozycji dla robota Movemaster-EX (5 stopni swobody):
MP 0,300,100,-90,0
MP x, y, z, ą, �
MP 0,300,30,-90,0
x,y,z  współrzędne kartezjańskie punktu TCP
GC
ą, �  położenie kątowe chwytaka
MP 0,300,100,-90,0
ą
Z Ustawienie nad przedmiotem z
MP 0,350,100,-90,0
docelową orientacją kątową
MP 0,350,30,-90,0
�
Przemieszczenie nad docelową
Y pozycję z docelową orientacją
Pionowe opuszczenie obiektu,
X
Podniesienie przedmiotu zapobiegające ew. kolizji z pod-
pionowo w górę łożem, która mogłaby mieć
miejsce przy braku interpolacji
Manipulacja częściami niesztywnymi Manipulacja częściami niesztywnymi  c.d.
W programach sterujących robotami przemysłowymi instrukcje Przy przemieszczaniu części niesztywnych ważna jest nie tylko ścieżka,
pozycjonowania determinują: ale i trajektoria:
- ścieżkę, po której przemieszcza się efektor (chwytak), Maksymalne prędkości i przyspieszenia ruchu przemieszczania części
zapewniają największą wydajność (np. w przypadku linii pras), jednak
- prędkość ruchu (najczęściej stosuje się największą możliwą w celu
profil prędkości ma wpływ na:
osiągnięcia maksymalnej wydajności  ograniczenia są głównie ze
strony robota). - odkształcenia przenoszonych części, mogące prowadzić do kolizji z
obiektami otoczenia (przeszkodami),
Przy przemieszczaniu części sztywnych:
- drgania części po doprowadzeniu ich do pozycji docelowej.
- występujące przyspieszenia nie mają najczęściej wpływu na
prawidłową manipulację częściami,
Demonstracja zachowania części niesztywnych
- nie programuje się profilu prędkości przemieszczania chwytaka.
v
" Wpływ wartości przyspieszenia na odkształcenia
" Wpływ profilu prędkości w danej fazie ruchu na drgania w kolejnej fazie tego
ruchu
" Wpływ profilu prędkości na drgania w pozycji docelowej
t
(ta = n�0.297s np. 1.188s)
Manipulacja częściami niesztywnymi  Modelowanie analityczne  czynnik zależny od
modelowanie analityczne położenia
Blacha (pręt) uchwycona
w sposób sztywny
i przemieszczana
w kierunku pionowym
Nie uwzględniamy:
- siły grawitacji,
- oporu powietrza,
- tłumienia drgań.
Demonstracja
n  numer modu drgań (t=0.587, a=10, a=-10 dla n=1 i n=5)
Modelowanie analityczne  czynnik zależny od Modelowanie analityczne  wpływ warunków
czasu początkowych
Współczynniki An i Bn opisują wpływ warunków początkowych:
  prędkość odkształcenia w danym punkcie
Częstotliwość drgań własnych dla modu n:
Na początku pierwszej fazy ruchu (stan spoczynku):
Dla przekroju prostokątnego:
Modelowanie analityczne  c.d. Optymalizacja profilu prędkości  przykład
Dla kolejnych faz ruchu może być: Podnieść blachę na wysokość s, przy spełnieniu następujących
warunków:
" Jak najkrótszy czas ruchu
An `" 0 Bn = 0
" zapewnienie An = 0 i Bn = 0 w każdej fazie ruchu
" Blacha nie może drgać w położeniu docelowym
Demonstracja
An `" 0 Bn `" 0 t=0.445s.
Założenia dotyczące manipulatora:
t=0.536s.
" Chwytak może się przemieszczać ruchem jednostajnym albo
t=0.536/0.526s.
jednostajnie przyspieszonym
t=586s.
" Ograniczenie prędkości chwytaka: v d" vmax
An = 0 Bn `" 0
" Ograniczenie przyspieszenia: %a% d" amax
An = 0 Bn = 0
sytuacja najkorzystniejsza (brak
wpływu  historii na odkształcenia
części w danej fazie ruchu)
Optymalizacja profilu prędkości  c.d. Optymalizacja profilu prędkości  c.d.
Wez
miemy pod uwagę tylko pierwszy mod drgań (n = 1). Ponieważ:
Więc dla n = 1 , A1 = 0 , B1 = 0 otrzymujemy:
Zauważmy, że jeśli f1(t) = 0 to w (x,t) = 0 dla każdego x , gdyż:
w (x,t) = X1(x) � f1(t)
Aby było f1(t) = 0 to musi być:
" a = 0 (ruch jednostajny)
albo:
Cel: tc min przy ograniczeniach: vj d" vmax
" 1  cos (�1�t) = 0
%a%d" amax
Optymalizacja profilu prędkości  c.d. Optymalizacja profilu prędkości  c.d.
Przekształcamy wzór, aby obliczyć tc: Aby było:
musi być:
Warunki ograniczające:
s  dane
vj  ograniczone przez vj d" vmax
ta  zdeterminowane przez:
a ponieważ:
Zatem:
Graficzne przedstawienie ograniczeń Przekroje przez powierzchnię odwzorowującą
funkcję tc
dla vj = const.
k  może przyjmować tylko wartości całkowite e" 1
dla k = const.
Zagadnienie do rozwiązania brzmi:
Dla jakich wartości k i vj funkcja
osiąga minimum w tym obszarze?
Powierzchnia odwzorowująca funkcję tc Optymalizacja profilu prędkości  c.d.
Obliczenie wartości kgr odpowiadającej przecięciu linii L1 i L2:
L1:
L2:
Poszukujemy  najniższego punktu tej powierzchni w obszarze ograniczonym
płaszczyznami pionowymi (równoległymi do osi tc) przechodzącymi przez linie
L1 i L2.
Ponieważ k może przyjmować tylko wartości całkowite, więc punkt ten może
" kgr rośnie wraz ze wzrostem częstotliwości drgań własnych �
leżeć albo na linii L1 (dla k d" kgr) albo na linii L2 w pobliżu punktu określonego
" kgr maleje wraz ze wzrostem przyspieszenia amax
przez kgr).
" kgr nie musi być liczbą naturalną
Demonstracja powierzchni reprezentującej funkcję tc
Demonstracja zależności kgr od � i amax
tc = f (k , vj)
Optymalizacja profilu prędkości  c.d. Optymalizacja profilu prędkości  c.d.
Wzdłuż linii L1 wartość funkcji optymalizowanej tc zmienia się,
osiągając w pewnym miejscu minimum (dla pewnej wartości k = ktmin)
Demonstracja
Obliczenie ktmin: stąd:
Ponieważ
zatem
a dla linii L1 jest
stąd
więc wzdłuż linii L1 wartość tc zmienia się według wzoru:
Warunek wystarczający istnienia minimum lokalnego:
Podstawiając
spełniony, gdyż:
otrzymujemy
ktmin nie musi być liczbą naturalną
Optymalizacja profilu prędkości  c.d. Optymalizacja profilu prędkości  c.d.
Poszukiwana najmniejsza wartość tc odpowiada więc punktowi, którego Określenie parametrów ruchu manipulatora
współrzędna kopt jest liczbą naturalną oraz:
Na podstawie obliczonej współrzędnej kopt punktu odpowiadającego
" leżącemu na linii L2, jak najbliżej punktu o współrzędnej kgr, przy najmniejszej osiągalnej wartości tcopt = tc (kopt) , można obliczyć
zachowaniu warunku kopt e" kgr parametry ruchu manipulatora:
Prędkość ruchu jednostajnego vj:
" jeśli ktmin d" kgr, to leżącemu na linii L1, jak najbliżej punktu o
współrzędnej ktmin, przy zachowaniu warunku kopt d" kgr (w ogólnym
jeśli kopt < kgr to
przypadku mogą być dwa takie punkty)
jeśli kopt e" kgr to
" jeśli ktmin > kgr, to leżącemu na linii L1, jak najbliżej punktu o
Czas trwania fazy przyspieszania (hamowania) ta1, ta2:
współrzędnej kgr, przy zachowaniu warunku kopt d" kgr
Demonstracja
Wartość przyspieszenia a:
Całkowity czas ruchu tcopt:
Czas trwania fazy ruchu jednostajnego tj:
Przykład obliczeniowy Rozwiązanie
Zadaniem manipulatora jest podniesienie niesztywnego arkusza blachy
na wysokość h = 1.69 m. Maksymalna prędkość manipulatora wynosi
vmax = 1.8 m/s, zaś maksymalne przyspieszenie amax = 1 m/s2.
Przyjmując trapezoidalny profil prędkości chwytaka manipulatora oraz
częstotliwość drgań własnych blachy � = 2�Ą rad/s, obliczyć czas
rozpędzania (ruchu jednostajnie przyspieszonego) chwytaka tr oraz
wartość przyspieszenia a, zapewniające najkrótszy czas
Możliwe rozwiązania: k1 = 1 < kgr k2 = 2 > kgr
przemieszczania blachy, przy braku odkształcenia blachy zarówno w
momencie zakończenia fazy rozpędzania, jak i w momencie zakończenia Maksymalna prędkość dla każdego z przypadków:
fazy hamowania. Obliczyć też całkowity czas przemieszczenia tc oraz
maksymalną prędkość v. Podczas fazy rozpędzania i hamowania,
odkształcenie blachy w funkcji czasu wynosi:
Rozwiązanie  c.d.
Całkowity czas przemieszczenia dla obu przypadków:
Zatem najkrótszy czas przemieszczenia jest tc = tc1 = 2,69s dla k = k1 = 1
Maksymalna prędkość wynosi v = v1 = 1 m/s
Czas fazy rozpędzania:
Stąd przyspieszenie:
Profil prędkości:


Wyszukiwarka