Pneumatske komponente u robotskim sustavima

Zašto pneumatika na vrhu robotske ruke

Industrijski robot sam po sebi samo pomiče prirubnicu u prostoru. Koristan rad obavlja tek alat na prirubnici, koji se u struci naziva izvršni član ili prihvatnica (engl. end effector). U velikoj većini proizvodnih ćelija taj je alat pneumatski: paralelno hvatalo koje uzima strojni dio, niz vakuumskih prihvatnica koje podižu lim, pneumatski izmjenjivač alata ili kompenzator koji dopušta malu nepodudarnost položaja. Razlog nije tradicija, nego nekoliko vrlo praktičnih svojstava stlačenog zraka.

Prvo, masa. Svaki kilogram na prirubnici smanjuje korisnu nosivost robota i povećava momente u zglobovima. Pneumatsko hvatalo s klipom promjera 16 mm ima masu reda nekoliko stotina grama, a razvija silu od stotinjak njutna. Električno hvatalo iste sile uz motor, reduktor i elektroniku u pravilu je teže. Drugo, brzina: pneumatsko hvatalo otvara i zatvara za nekoliko desetaka milisekundi, što je važno kad takt ćelije iznosi nekoliko sekundi. Treće, podatnost: zrak je stlačiv, pa hvatalo pri dodiru s predmetom ne udara krutom silom kao vijčani mehanizam, nego se prilagodi. Četvrto, jednostavnost i cijena: dovoljna su dva voda, jedan razvodnik 5/2 i granični senzor na kućištu.

Pneumatika ima i poznata ograničenja. Položaj se ne može fino regulirati bez skupe servopneumatike, sila ovisi o tlaku u mreži, a potrošnja zraka, osobito kod vakuumskih ejektora, može biti iznenađujuće velika. Zato u robotici vrijedi jednostavno pravilo: pneumatika za dvopoložajne radnje (otvori/zatvori, uhvati/pusti, izvuci/uvuci), električni servopogon za gibanja s mnogo položaja. Električna hvatala se biraju kad treba programirati širinu otvora, mjeriti silu ili hvatati predmete različitih veličina bez mehaničke preinake.

Vrste pneumatskih hvatala

Pneumatsko hvatalo je u biti mali dvoradni (rjeđe jednoradni) cilindar čiji se pravocrtni hod klipa mehanizmom pretvara u gibanje čeljusti. Po gibanju čeljusti razlikuju se četiri osnovne izvedbe, prikazane na slici 8.1.

Paralelno hvatalo ima dvije čeljusti koje se gibaju pravocrtno, jedna prema drugoj. Klip preko klinasto-kukastog mehanizma, zupčaste letve ili poluge pomiče obje čeljusti istodobno, pa je predmet uvijek centriran u sredini hvatala. Paralelna hvatala su najčešća jer dodirne plohe čeljusti ostaju paralelne u cijelom hodu, što olakšava izradu umetaka (prstiju) prilagođenih obliku predmeta. Hod po čeljusti tipično iznosi nekoliko milimetara do nekoliko desetaka milimetara.

Kutno hvatalo zakreće čeljusti oko osovinica. Jeftinije je i kraće od paralelnog, a sila je najveća pri malom otvoru. Nedostatak je što se kut dodirnih ploha mijenja s veličinom predmeta, pa je pogodno samo za predmete stalnih dimenzija. Radijalno hvatalo otvara čeljusti gotovo do 180°. Koristi se kad robot mora prići predmetu odozgo, a otvorene čeljusti ne smiju smetati pri ulasku u napravu ili stroj. Trotočkasto (centrično) hvatalo ima tri čeljusti pod 120° i hvata okrugle predmete, osovine, čahure i prirubnice, pri čemu ih centrira kao stezna glava tokarilice.

Kućište hvatala u pravilu ima utore za beskontaktne senzore (magnetske senzore položaja klipa, kao na cilindrima iz modula 4) kojima upravljač robota provjerava je li hvatalo otvoreno, zatvoreno ili je zatvoreno „na predmet". Treći položaj je važan: ako se hvatalo zatvori do kraja, a predmet je trebao biti između čeljusti, predmet nedostaje i robot ne smije nastaviti program. Za hvatala koja moraju zadržati predmet i pri nestanku zraka koristi se ugrađena opruga za zadržavanje sile ili nepovratni ventil za zadržavanje tlaka na priključcima.

Sila hvatanja i faktor sigurnosti

Predmet se u hvatalu drži na dva načina. Kod hvatanja oblikom čeljusti ili umetci obuhvaćaju predmet tako da ga geometrija drži: prizmatični umetak na osovini, prst ispod ruba kutije, zatik u provrtu. Sila hvatala tada samo drži čeljusti zatvorenima, a težinu i inercijske sile preuzimaju dodirne plohe okomito na smjer opterećenja. Kod hvatanja trenjem čeljusti su ravne i predmet drži isključivo trenje. Tada je potrebna sila hvatanja višestruko veća od težine predmeta, jer trenje iznosi samo μ puta normalna sila.

Za hvatanje trenjem s n čeljusti, kad robot predmet podiže okomito prema gore ubrzanjem a, ravnoteža sila daje uvjet

n · μ · F_H ≥ m · (g + a) · S   ⇒   F_H = m · (g + a) · S / (μ · n)

gdje je F_H sila hvatanja po čeljusti (normalna sila kojom svaka čeljust pritišće predmet), m masa predmeta, g = 9,81 m/s², a najveće ubrzanje robota u smjeru koji nastoji izvući predmet iz čeljusti, μ koeficijent trenja između umetka i predmeta, n broj čeljusti, a S faktor sigurnosti. Svaka od n dodirnih ploha prenosi trenje μ · F_H, pa ukupno trenje iznosi n · μ · F_H. U katalozima proizvođača sila hvatanja navodi se ili po čeljusti ili kao zbroj svih čeljusti, pa uvijek provjerite koja je od njih navedena prije usporedbe s izračunom.

Faktor sigurnosti S obuhvaća ono što se ne računa: udarce pri naglom zaustavljanju, vibracije, pad tlaka u mreži, trošenje umetaka, ulje i prašinu na predmetu. Uobičajeno je S = 2 za normalan pogon, a S = 3 i više kad predmet ne smije ispasti ni pri zaustavljanju u nuždi. Pri zaustavljanju u nuždi robot koči mnogo jače od programiranih ubrzanja, pa se kod teških predmeta za a uzima deceleracija zaustavljanja koju navodi proizvođač robota.

Koeficijent trenja najjače utječe na rezultat. Orijentacijske vrijednosti: čelik na čeliku, suho, μ ≈ 0,15–0,2; čelik na nauljenom limu μ ≈ 0,1 i manje; poliuretanski ili gumeni umetci na čeliku μ ≈ 0,4–0,6. Zato se na ravne čeljusti često stavljaju gumeni ili nazubljeni umetci. Kod hvatanja oblikom trenje se uopće ne koristi, pa potrebna sila pada nekoliko puta.

Uzmimo savijeni dio iz naprave SL-3 mase 0,8 kg, koji robot podiže ubrzanjem 6 m/s², dvije čeljusti, suhi čelik μ = 0,2 i S = 2:

F_H = 0,8 · (9,81 + 6) · 2 / (0,2 · 2) = 63,2 N po čeljusti

Ako je lim nauljen (μ = 0,1), potrebna sila raste na 126,5 N, dakle dvostruko. Ako se isti dio uhvati prizmatičnim umetkom koji ga drži oblikom, sila hvatanja potrebna je samo toliko da čeljusti ostanu zatvorene, a to je reda desetak njutna.

Vakuumska hvatala i vakuumski sustavi

Za ravne, glatke i tanke predmete (limove, staklo, kartonske kutije, plastične ploče) čeljusti su nespretne, pa se koriste vakuumske prihvatnice (sisaljke). Sila držanja nastaje razlikom atmosferskog tlaka izvana i sniženog tlaka ispod prihvatnice:

F = Δp · A = Δp · π · d² / 4

Za prihvatnicu promjera 40 mm i podtlak Δp = 0,6 bar (60 kPa, tj. oko 60 % vakuuma) teorijska sila iznosi 0,06 N/mm² · 1257 mm² = 75,4 N. Lim za SL-3 dimenzija 300 × 150 × 2 mm ima masu 0,71 kg. Pri podizanju s vodoravno položenim prihvatnicama, ubrzanju 5 m/s² i S = 2 potrebno je oko 21 N, pa dvije prihvatnice (ukupno 151 N) imaju veliku pričuvu. Ako je lim okomit, a prihvatnice ga drže bočno, teret prenosi trenje između gume i lima (μ ≈ 0,5) pa je potrebno oko 42 N. Uvijek se računa nepovoljniji položaj koji se pojavi u ciklusu robota.

Vakuum se na robotima najčešće dobiva ejektorom (vakuum-generatorom po načelu Venturijeve sapnice, jedinica 1.5). Stlačeni zrak struji kroz sapnicu velikom brzinom i usisava zrak iz prihvatnice. Ejektor se postavlja izravno na alat, što bliže prihvatnicama: vod između ejektora i prihvatnice je kratak, mali volumen se brzo evakuira i vrijeme prihvata pada na desetinke sekunde. Do alata tada vodi samo tanak vod stlačenog zraka, a ne debeo vakuumski vod kroz cijelu ruku robota.

Nadzor vakuuma obavlja vakuum-sklopka ili senzor podtlaka. Upravljač dopušta pomak robota tek kad podtlak dosegne zadanu vrijednost (npr. 0,5 bar), a tijekom prijenosa prati pada li podtlak. Pad znači da je predmet oštećen, porozan, zakrivljen ili da je prihvatnica istrošena. Uz to se ugrađuje impuls za otpuštanje (kratak mlaz stlačenog zraka u prihvatnicu), jer bi bez njega lagani predmeti ostajali prilijepljeni.

Ejektor troši mnogo zraka. Uzmimo ejektor koji pri 6 bar troši 45 Nl/min i uključen je 4 s u svakom ciklusu od 12 s: potrošnja je 3,0 Nl po ciklusu, gotovo koliko sva tri cilindra naprave SL-3 zajedno (3,52 Nl). Zato se koriste ejektori s funkcijom uštede zraka: kad podtlak dosegne gornju granicu, ugrađena sklopka zatvori dovod zraka, a nepovratni ventil zadrži vakuum; ejektor se ponovno uključi tek ako podtlak padne ispod donje granice. Ako je ejektor aktivan ukupno 0,5 s po ciklusu, potrošnja pada na 0,38 Nl po ciklusu, odnosno za oko 88 %.

Izmjenjivači alata i kompenzatori

Kad jedan robot poslužuje više operacija, na primjer ulaže lim u SL-3 vakuumskim hvatalom, a savijeni dio vadi paralelnim hvatalom, koristi se izmjenjivač alata. Sastoji se od dva dijela: glavnog dijela na prirubnici robota i alatnog dijela na svakom alatu. Glavni dio ima mali pneumatski cilindar koji preko kuglica ili klina zaključava alatni dio. Kroz spoj se istodobno prenose pneumatski kanali (za hvatalo i ejektor) i električni kontakti (za senzore). Alati stoje u odlagalištu (stanici za odlaganje), a robot ih zamjenjuje programom za nekoliko sekundi.

Izmjenjivač mora biti siguran pri nestanku zraka: mehanizam zaključavanja je samokočan ili ga drži opruga, pa alat ne otpadne ako tlak u mreži padne. Upravljač preko senzora provjerava tri stanja: alat zaključan, alat otključan, alat prisutan. Robot ne smije otključati alat izvan odlagališta; to se osigurava i programom i mehaničkim blokiranjem koje otključavanje dopušta samo u stanici.

Kompenzatori su podatni elementi između prirubnice i alata. Robot je ponovljiv na desetinke milimetra, ali naprave, palete i predmeti imaju svoja odstupanja. Kompenzator položaja (XY) dopušta alatu da se pri ulaganju bočno pomakne nekoliko milimetara i sam se centrira po skošenju provrta; pneumatski se može zaključati u središnji položaj dok robot giba. Kompenzator zakreta dopušta kutno odstupanje. Sudarna zaštita (engl. collision sensor) je kompenzator s pneumatski namještenom silom okidanja: pri sudaru se alat odmakne, sklopka odmah zaustavi robot, a skupo hvatalo i naprava ostanu neoštećeni. Sila okidanja se namješta tlakom zraka, pa se ista sudarna zaštita može prilagoditi lakšem i težem alatu.

Meki aktuatori, pneumatski mišići i mobilni roboti

Meka robotika koristi aktuatore od elastomera (silikona, poliuretana) koji se pri upuhivanju zraka savijaju, izdužuju ili uvijaju. Tipičan meki prst ima niz komorica s jedne strane i nerastezljiv sloj s druge: pri tlaku od nekoliko desetinki bara komorice se napuhnu i prst se savije oko predmeta. Takva hvatala nježno hvataju voće, pekarske proizvode, jaja i predmete nepravilnog oblika bez posebnih umetaka. Radni tlakovi su mali (često ispod 1 bar), sila je mala, a hvatalo je gotovo neosjetljivo na sudar. Ograničenja su trajnost elastomera i slaba točnost položaja.

Pneumatski mišić (fluidni mišić) je elastična cijev obavijena pletenom mrežicom od nerastezljivih vlakana. Kad se u cijev upuše zrak, cijev se širi u promjeru, a pletivo je pritom skraćuje u duljini, kao ljudski mišić. Kontrakcija iznosi do otprilike četvrtine duljine. Sila je najveća na početku kontrakcije i pada gotovo na nulu kad je mišić najviše skraćen, pa se ponaša kao vrlo podatna opruga čija se krutost mijenja tlakom. Mišić nema klip, brtve ni klipnjaču, pa nema trenja ni prianjanja (klizanja u trzajima) i ne propušta. Za istu silu ima mnogo manju masu od cilindra. Primjenjuje se za stezanje, amortiziranje, vibracijske uređaje, rehabilitacijske naprave i robote koji rade uz ljude.

Na mobilnim robotima pneumatika je rjeđa jer robot mora nositi izvor zraka: mali kompresor i spremnik ili bocu stlačenog plina. Koristi se kad je potrebna velika kratkotrajna sila ili udarac (skakački i hodajući istraživački roboti, pneumatski ispucavani mehanizmi u natjecateljskoj robotici), te na autonomnim mobilnim manipulatorima s vakuumskim ili mekim hvatalom za preuzimanje kutija. Kod humanoidnih robota pneumatski mišići su dugo bili zanimljivi jer podsjećaju na biološke mišiće i prirodno su podatni; danas prevladavaju električni pogoni s reduktorima, a pneumatika ostaje u istraživačkim i rehabilitacijskim sustavima te u šakama robota.

Dovod zraka kroz robot i primjer ćelije sa SL-3

Zrak do alata dolazi na dva načina. Vanjskim vođenjem se crijeva vode po ruci robota u zaštitnom paketu (s oprugom za povrat i obujmicama); jednostavno je, ali crijeva se troše trenjem, zapinju za napravu i ograničavaju zakret šestog zgloba. Unutarnjim vođenjem gotovo svaki industrijski robot ima u postolju i podlaktici ugrađene zračne kanale ili crijeva koja izlaze na priključke blizu prirubnice. Uz to se na podlakticu (treću os) često postavlja ventilski otok s nekoliko razvodnika, tako da su vodovi do hvatala kratki, a kroz robot prolaze samo jedan dovodni vod zraka i komunikacijski kabel. Kratki vodovi znače brže zatvaranje hvatala i manju potrošnju zraka.

Na šestom zglobu koji se okreće više od punog okretaja koristi se zakretni prolaz (rotacijski razdjelnik): kućište miruje, a osovina s kanalima se okreće, pri čemu brtve odvajaju pojedine kanale. Kroz zakretni prolaz trebaju prolaziti samo čist i suh zrak, jer kondenzat i čestice brzo oštete brtve.

Zamislimo robotsku ćeliju koja poslužuje napravu SL-3. Robot vakuumskim alatom s dvije prihvatnice Ø40 mm uzima lim sa slagališta i ulaže ga u napravu; nakon savijanja (A+ B+ B− A−) cilindar C izbaci dio, a robot ga preuzme paralelnim hvatalom (izmjenjivač alata mijenja alat) i odloži na traku. Za ćeliju treba predvidjeti:

• zaseban granski vod iz mreže od 6 bar s vlastitom pripremnom grupom i ventilom za ispuštanje tlaka;
• ventilski otok na podlaktici robota: razvodnik 5/2 za hvatalo, razvodnik 3/2 za ejektor, ventil za impuls otpuštanja, razvodnik za zaključavanje izmjenjivača;
• senzore: dva magnetska senzora na hvatalu, vakuum-sklopku, tri senzora na izmjenjivaču;
• uvjet u programu: robot ulazi u napravu tek kad su A, B i C u početnom položaju, a naprava pokreće takt tek kad je robot izvan radnog prostora.

Takva ćelija povećava potrošnju zraka: uz 3,52 Nl ciklusa naprave dolazi hvatalo (malo, nekoliko desetinki normnih litara po ciklusu) i ejektor (0,4 do 3 Nl, ovisno o uštedi). Kompresor od 0,8 m³/min ima za to dovoljno pričuve, ali propuštanja na novim spojevima brzo pojedu dio te pričuve (jedinica 8.3).

Računski prikaz: sila hvatanja i izbor hvatala

Prikaz računa potrebnu ukupnu silu hvatanja pri hvatanju trenjem prema formuli F_H = m · (g + a) · S / (μ · n) i uspoređuje je s raspoloživom silom hvatala. Hvatalo ima dvije čeljusti. Za njegov mehanizam uzmimo prijenosni omjer i = 1,5 (klinasto-kukasti mehanizam pojačava silu klipa) i stupanj djelovanja η = 0,8, pa je raspoloživa sila po čeljusti F_č = p · A_k · η · i / 2. Stvarne vrijednosti za konkretno hvatalo uzimaju se iz kataloga proizvođača. Mijenjajte masu, ubrzanje, trenje, faktor sigurnosti, tlak i promjer klipa.

Za zadane vrijednosti (dio iz SL-3 mase 0,8 kg, a = 6 m/s², μ = 0,2, S = 2, dvije čeljusti) potrebno je 63,2 N po čeljusti. Hvatalo s klipom Ø20 mm pri 6 bar daje po čeljusti 0,6 · 314,2 · 0,8 · 1,5 / 2 = 113,1 N, pa je omjer raspoložive i potrebne sile 1,79 i hvatalo zadovoljava. Manje hvatalo Ø16 mm daje 72,4 N, omjer je samo 1,14 i hvatalo je na granici. Postavite μ = 0,1 (nauljen lim): potrebno je 126,5 N i ni hvatalo Ø20 više ne zadovoljava (omjer 0,89); hvatalo Ø25 mm daje 176,7 N (omjer 1,40). Postavite ubrzanje 15 m/s² kao procjenu za zaustavljanje u nuždi: uz μ = 0,2 potrebno je 99,2 N, pa hvatalo Ø20 ostaje na granici (omjer 1,14). Rješenja su veće hvatalo, gumeni umetci s većim μ ili, najbolje, hvatanje oblikom.

Ključni pojmovi

Provjeri se

Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.