#04 Návrh a konštrukcia efektorov

Návrh a konštrukcia efektorov

Aby bolo aizovanie určitej činnosti alebo úlohy pomocou robota naozaj efektívne, musí robot byť schopný ju aj efektívne a rýchlo vykonávať. Je dôležité, aby bol efektor - nástroj robota správne navrhnutý a aby jeho konštrukcia umožňovala vykonávanie danej úlohy a činnosti čo najlepšie, vzhľadom na typ úlohy a konkrétne parametre. Samotný návrh ovyplyvnuje množstvo faktorov. Konštrukcia každého efektora je špecifická, avšak vo všeobecnosti je možné popísať skupiny jednotlivých prvkov. Zásady a princípy konštruovania závisia hlavne na druhu efektora (uchopovací, technologický a pod.)

Návrh uchopovacích efektorov

Pre návrh a konštrukciu uchopovacích efektorov platia vo všeobecnosti rovnaké zásady ako pri konštruovaní iných strojných súčastí a zariadení. Tempo vývoja inžinierskych postupov, CA technológií a rast požiadaviek na vlastnosti, parametre a kvalitu spôsobujú, že metodiku navrhovania efektorov je potrebné trvalo spresňovať a zvyšovať jej efektivitu. Efektor je možné popísať ako funkčný konštrukčný celok, ktorý je zostavený s prvkov:

  • P - Príruba pripojenia k zápästiu robota. Plní funkciu prepojenia koncového efektora so zápästím robota. Príruby majú normalizované tvary a rozmery. Zabezpečujú mechanické pripojenie, ale aj pripojenie efektora na energetické a riadiace obvody. Vďaka normalizácií je možnosť prepojenia robota a efektora zaručená.
  • M - Mechanizmus doplnkového pohybu. Plní funkciu pohybového mechanizmu ktorý má viac stupňov voľnosti. Zabezpečuje posuvné, rotačné, alebo kombinované pohyby uchopovacieho ústrojenstva.
  • K - Kompenzátor polohy a orientácie. Odstraňuje možné nepresnosti pri polohovaní robota.
  • V - Príruba prepojenia. Plní funkciu základne - tuhého člena uchopovacej štruktúry efektora.
  • U - Uchopovacie ústrojenstvo. (Prípadne aj N - nástroj, alebo S - špeciálna nadstavba).

Návrh konštrukcie efektora však nemusí obsahovať všetky prvky, nakoľko je závislý na mnohých faktoroch. Tieto faktory vyplývajú z typu použitého robota a potrieb pri jeho aplikácií. Pre plnenie požadovanej úlohy je teda možné zostaviť rôzne konfigurácie efektorov. Ďalej môžme konštrukciu rozdeliť podľa druhu vstupného pohybu a pohybu uchopovacích čeľustí. Pohyb môže byť buď rotačný alebo posuvný. Jednotlivým pohybom potom zodpovedá aj konštrukčné riešenie a usporiadanie. V prípade potreby zmeny spôsobu pohybu alebo niektorých parametrov, je do konštrukcie zaradený aj tzv. transformačný blok.

Konštrukčné požiadavky

Pri návrhu uchopovacích efektorov je potrebné brať do úvahy napríklad:

  • Spôsob vyvodenia uchopovacej sily.
  • Zaručenie presnosti polohy uchopeného objektu.
  • Možnosti kompenzácie polohy a orientácie.
  • Hmotnosť a rozmery.

Uchopovacia sila musí byť dostatočná na to, aby bolo možné zabezpečiť bezpečné uchopenie objektu pri pôsobení zotrvačných, odstredivých alebo tiažových síl. Taktiež musí byť zabezpečená určitá miera bezpečnosti, aby bolo v čo najväčšej miere vylúčené zranenie osôb alebo poškodenie iných zariadení. Pevnosť uchopovaného objektu však môže veľkosť uchopovacej sily obmedzovať. Štruktúra efektora a rozmiestnenie jednotlivých prvkov závisí hlavne od tvaru a rozmerov uchopovaného objektu, prípadne aj od charakteru spolupráce s iným zariadením. Pri vkladaní objektu do prípravkov/obrábacích strojov musí byť zabezpečená presnosť polohy a orientácie. Ďalším dôležitým faktorom je hmotnosť. Hmotnosť efektora spolu s hmotnosťou uchopeného objektu nesmie presiahnuť nosnosť robota. Na konštrukciu sú tak kladené vysoké nároky. Pri posudzovaní efektora z tohto hľadiska je dôležitým parametrom je pomer užitočného zaťaženia k hmotnosti celého efektora. Cieľom návrhu konštrukčných riešení efektorov býva často práve dosiahnutie čo najlepšieho využitia nosnosti robota.

Návrh technologických efektorov

Všeobecné zásady konštruovania platia aj v prípade návrhu technologických efektorov. Konkrétne postupy pri návrhu závisia od účelu využitia efektora - technologickej operácie ktorú vykonáva.

Konštrukčné požiadavky

Charakteristickými parametrami ktorým je potrebné venovať pozornosť pri návrhu technologických efektorov sú napríklad:

  • Hmotnosť a rozmery.
  • Operačné schopnosti.
  • Počet a usporiadanie jednotlivých prívodov.

Rovnako ako v prípade uchopovacích efektorov je dôležité dosiahnuť čo najmenšiu hmotnosť efektora. Hmotnosť vplýva hlavne na veľkosť dynamických síl pri rozbehu a zastavení efektora. Príliš veľké sily môžu spôsobiť kmitanie nástroja v pracovnej polohe. Tento prípad môže nastať pri vedľajších pohyboch, pomocou ktorých sa efektor s nástrojom vysokou rýchlosťou presúva medzi pracovnými polohami. Technologické efektory majú zvýšené požiadavky na jednotlivé prívody. Okrem energetických prívodov pohonných jednotiek sú ich súčasťou aj pomocné alebo technologické prívody ako napríklad:

  • Prívod elektrického prúdu a chladiacej vody v prípade zváračských klieští.
  • Prívod stlačeného vzduchu a farby do striekacej hlavice.
  • A iné.

Usporiadanie týchto prívodov môže výrazne ovplyvniť funkčné možnosti efektora.

Metodika návrhu a zber dát

Základom pri navrhovaní efektora je analýza vstupných prvkov a jednotlivých procesov vykonávaných pri činnosti efektora. Medzi analyzované procesy patria napríklad technologické a manipulačné procesy ktoré zabezpečuje robot s daným efektorom. Proces analýzy dát môže vyzerať nasledovne: Zozbierané a analyzované dáta sú využité pri tvorbe návrhu. Samotný proces návrhu môže byť veľmi konkrétny a špecifický vzhľadom na riešenú úlohu efektora. Aj napriek tomu je však možné postup návrhu a konštruovania riadiť pomocou obecného modelu. Ten zaručuje systematický postup zostavenia optimálneho návrhu pre zadané podmienky. Obecný model tvorby návrhu uchopovacieho efektora môže vyzerať napríklad takto:

Etapa Postupové kroky Metódy a prostriedky
Formulácia a spresnenie zadania
 ·   Formulácia zadania (požiadavkový list) a jeho spresnenie ·    Doplňujúce údaje a spresnenie zadania – forma -  expertné konzultácie (zadávateľ, užívateľ, špecialisti). ·    Vypracovanie úvodnej štúdie riešenia – forma - predbežné návrhy riešenia na úrovni koncepcie a princípu a ich technicko-ekonomického popisu. ·    Spresnenie úvodnej štúdie – forma -  expertné konzultácie k štúdií. ·    Plánovanie, riadiaca a správna dokumentácia – forma - dokumentácia a správne doklady pre prípravu, organizovanie a riadenie riešenia a realizáciu zadania.
·   Určenie uzlových bodov a cieľov riešenia ·    Plánovanie kvality riešenia – forma - aplikácia niektorej metódy plánovania kvality konštrukčného riešenia efektora na báze určených potrieb a požiadaviek zadávateľa.
·   Definitívne spresnenie zadania a vypracovanie požiadavkového listu ·    Požiadavkový list – forma – vydanie a oficiálne potvrdenie záväzného dokumentu medzi zadávateľom a riešiteľom.
Tvorba koncepcie a princípov riešenia efektora
 ·   Návrh variant riešenia, analýza variant a kriteriálne hodnotenie, výber optimálnej varianty riešenia ·    Zostava variant riešenia – forma - riešenie rôznych variant koncepcie a princípov,  varianty aplikácie prvkovej základne v riešeniach. ·    Kriteriálne hodnotenie variant – forma - aplikácia niektorej kriteriálnej metódy technicko / ekonomického hodnotenia, výber optimálnej varianty riešenia.
·   Určenie funkčnej štruktúry efektora a jej zostavenie ·    Analýza vybranej varianty riešenia – forma – definovanie funkčnej štruktúry a jej optimalizácia, definovanie prvkov a interakcii medzi prvkami, systematizácia prvkov a vzťahov.
·   Určenie orgánovej štruktúry a jej zostavenie ·    Aplikácia metódy morfologickej matice – forma – hľadanie komplexného optimálneho riešenia. ·    Analýza štruktúry – forma – vylepšenie a zefektívnenie štruktúry, odstránenie kritických (problematických) miest a uzlov.
Návrh riešenia a konštrukčného vyhotovenia efektora
 ·  Návrh, zostavenie a spracovanie hrubej stavebnej štruktúry ·    Upresnenie parametrov efektora a ich transformácia do parametrov a funkcii podzostáv stavebnej štruktúry efektora. ·    Rozpracovanie 3 D modelov – forma – zadaním modelu je orgánová štruktúra, optimalizácia parametrov a usporiadania štruktúry efektora. ·    Výpočtové postupy – forma – výpočty súvisiace s dimenzovaním a navrhovaním jednotlivých uzlov, prvkov a konštrukčných časti efektora. ·    Aktívne navrhovanie – forma – varianty konštrukčného riešenia detailov, analýza možných riešení vo vzťahu na vyššiu funkciu a zadanie.
·   Úplný návrh efektora, spracovanie úplnej stavebnej štruktúry ·    Aplikácia metód simulácie – forma – zostavenie modelov a postupov pre simuláciu funkcii a parametrov riešeného variantu. ·    Spresnenie konštrukčných detailov, kontrolné výpočty – forma – spracovanie výkresovej a technickej dokumentácie efektora.
Úplná stavebná štruktúra efektora
 ·   Kompletná výkresová a technická dokumentácia efektora ·    Kompletná výkresová a technická dokumentácia – forma – úplná dokumentácia riešeného efektora, vrátane sprievodnej technickej dokumentácii a ostatnej dokumentácie podľa požiadaviek zadávateľa. ·    Výrobná technická dokumentácia – forma – úplná dokumentácia efektora podľa požiadaviek výrobcu efektora.

Metodika návrhu je zostavená z jednotlivých postupových krokov zoradených do etáp konštrukčného procesu. Obecný model môže byť pri konkrétnom riešení ešte spresnený, hlavne pri využívaní počítačom podporovaných metód.   Autor: Jakub Michalčík | Daily Automation   Zdroje:

  • SMRČEK, J. 2007. Robotika: Uchopovacie efektory. Košice: Elfa Košice, 2007. 248 s. ISBN 9788080739614
  • ADAMEC. J. 2006. Technologie Automatizovaných Výrob. Ostrava: Technická univerzita Ostrava, 2006. 119 s. ISBN 80-248-0871-4
  • SKAŘUPA, J. 2007. Průmyslové roboty a manipulátory. Ostrava: Technická univerzita Ostrava, 2007. 260s. ISBN 978-80-248-1522-0