Cap 11 - Aplicatii Ri

Aplicaţii ale roboţilor industriali

165

11 Aplicaţii ale roboţilor industriali În aplicaţiile industriale roboţii pot manipula scule - caz în care ei fac parte din subsistemul de lucru sau obiecte de lucru - caz în care ei fac parte din subsistemul de manipulare. Prin obiect de lucru se înţelege semifabricatul, piesa, ansamblul, subansamblul, dispozitivul de lucru, scula (neaflată în operaţia de prelucrare) etc., care este manipulată în cadrul operaţiilor subsistemului de manipulare. În Tab. 11.1 se prezintă domeniile de aplicaţie ale roboţilor industriali. În cazul în care robotul industrial manipulează obiecte de lucru, cel mai des întâlnit domeniu de utilizare este servirea unor maşini / utilaje / instalaţii de alimentare / evacuare / dispozitive de lucru. Prin servire se înţelege operaţia de introducere a obiectului de lucru în maşina / utilajul / instalaţia / dispozitivul în care se produce operaţia de prelucrare şi extragerea lui după terminarea prelucrării. Definiţia de mai sus este valabilă atât în cazul în care obiectul de lucru este supus procesului de prelucrare, cât şi în cazul în care el este o sculă (pe care robotul o extrage din port sculă, o introduce în depozitul de scule, extrage altă sculă pe care o introduce în port sculă), sau un dispozitiv de lucru pe care robotul îl introduce într-un alt dispozitiv. Operaţia de servire robotizată se caracterizează prin faptul că robotul preia obiectul de lucru dintr-un dispozitiv al IA/E, într-o situare univoc precizată (“post de prezentare”), îl depune în dispozitivul de lucru, aflat de asemenea într-o situare univoc precizată, apoi, după un interval de timp, îl preia din dispozitivul de lucru şi îl depune într-un dispozitiv al IA/E, de fiecare dată în situări univoc precizate (în cazul aplicaţiilor A1 - A13 şi A15 - A18). În cazul aplicaţiei A14, robotul ia parte la procesul de prelucrare, în decursul căreia îi conferă obiectului de lucru o mişcare relativă (succesiuni de situări relative) în raport cu scula utilajului fix. În toate aplicaţiile de servire, mişcarea obiectului - între preluarea dintr-un dispozitiv şi depunerea lui într-altul sau aducerea lui în zona în care mişcarea lui relativă faţă de sculă este prescrisă - poate fi oarecare, singura condiţie fiind evitarea coliziunii lui cu alt echipament periferic robotului. În consecinţă, robotul industrial care efectuează operaţii în cadrul aplicaţiei de servire poate utiliza un program secvenţial sau un program punct cu punct (PTP). Pentru efectuarea părţii aplicaţiei A14, care se referă la mişcarea relativă obiect de lucru / sculă, în conformitate cu cerinţele procesului tehnologic, se impune conducerea după un program multipunct (MP) sau de traiectorie continuă (CP).

Aplicaţii ale roboţilor industriali

166

Tab.11.1 ROBOTUL INDUSTRIAL MANIPULEAZĂ OBIECTE DE LUCRU

NR CRT

DOMENIUL DE APLICAŢIE

NR. FIG.

1

2

3

A

Servirea unor maşini utilaje/instalaţii/dispozitiv e Cuptoare de oţelărie (încărcare, manipulare lingouri) Laminoare (manipulare lingouri, laminate) Utilaje de miezuit Cubilouri (încărcare, manipulare oale de turnare) Maşini de turnat sub presiune Utilaje de turnare de precizie Utilaje de tratament termic (cuptoare, băi) Ciocane şi prese de forjare Ciocane şi prese de matriţare la cald Maşini de forjat orizontale Prese de matriţare şi stanţare la rece Utilaje de presat materiale plastice Cuptoare de uscat Utilaje fixe pentru debavurare, demaselotare, curăţire, sablare sudare, vopsire Maşini unelte de prelucrat prin aşchiere Maşini unelte de prelucrat prin procedee neconvenţionale Maşini de lucru în industria alimentară, textilă, de pielărie, de încălţăminte, a lemnului, etc. Dispozitive ale instalaţiei aducătoare / de evacuare

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9 A10 A11 A12 A13 A14

A15 A16 A17

A18 B1

NR FIG

4

5

6

C1

Montaj

D1

Furnal (desfundare canal de turnare) Formare

E E1 E2 E3

Prelucrarea unor semifabricate Turnate, demaselotare Turnate, curăţire Turnate, forjate, aşchiate, debavurare şi polizare

F1

Sablare

G

Prelucrarea unor semifabricate Prin aşchiere Prin fascicul laser

G1 G2 G3

Prin jet de apă cu înaltă presiune

H H1

Sudare Prin presiune în puncte

H2

Cu arc în mediu de gaz protector

H3

Lipire

I1

Metalizare

K K1 K2

Vopsire Umedă Uscată

L1

Măsurare, control de calitate, testare

M1

Operaţii în “camere curate”

11.4

11.5

11.12 11.13 11.14

11.6 11.7 11.8 11.9 11.10

11.11

11.2

11.3 Paletizare / depaletizare

DOMENIUL DE APLICAŢIE

D2

11.1

SCULE

NR CRT

11.15

Aplicaţii ale roboţilor industriali

167

Pentru realizarea deplasării obiectului de lucru, robotul trebuie să fie înzestrat cu un dispozitiv de prehensiune ca efector final. Dispozitivul de prehensiune (DP) realizează solidarizarea obiectului de lucru cu un element al dispozitivului de ghidare, căruia sistemul mecanic al robotului îi conferă mişcarea dorită. În majoritatea cazurilor, DP este prevăzut cu degete, ale căror bacuri vin în contact cu obiectul de lucru. Pentru obiectele de lucru uşoare, care prezintă suprafeţe plane extinse, se utilizează DP cu ventuze cu vid, iar în cazul obiectelor de lucru feromagnetice, DP cu electromagneţi. Flexibilitatea procesului de manipulare în condiţiile aplicaţiilor de servire se asigură ori prin reprogramarea facilă a sistemului de conducere al robotului industrial, ori prin adaptabilitatea uşoară a DP la forme geometrice diferite ale obiectelor de lucru. Această adaptabilitate este realizată prin forma specială a bacurilor (spre exemplu în formă de prismă pentru prinderea unor obiecte cilindrice de diferite dimensiuni), construcţia specială a degetelor (spre exemplu deformabile elastic) sau schimbarea automată a DP, robotul industrial depunând DP pe care nuFig. 11.1 Robotul serveşte un strung [NOF l mai foloseşte într-o magazie şi preluând automat alt DP din acelaşi depozit pentru noua sarcină de manipulare. Adaptarea DP la forma geometrică a obiectului manipulat este deosebit de importantă în cazul aplicaţiilor la care forma geometrică a obiectului se modifică mult în decursul operaţiei de prelucrare, spre exemplu la deformarea plastică la rece sau la cald. În cazul când DP vine în atingere cu obiecte de lucru având temperaturi ridicate, respectiv pătrunde în spaţii încălzite (spre exemplu vatra unui cuptor) se iau măsuri pentru răcirea lui, fie prin imersiune periodică întrun vas cu lichid de răcire fie cu jet de fluid rece. În timpul aplicaţiilor de servire în operaţiile de manipulare pot interveni defecţiuni care pot fi prevenite automat. Astfel s-ar putea întâmpla ca DP să nu prindă sau să elibereze obiectul de lucru sau ca acesta să nu se instaleze corect în dispozitiv. Înlăturarea urmărilor acestor defecţiuni se poate realiza prin montarea unor senzori tactili în elementele active ale dispozitivelor de lucru / ale IA / E, care să semnaleze prezenţa / absenţa, corectitudinea / incorectitudinea instalării obiectelor. Fig. 11.2 Robotul serveşte o maşină de Presiunea prea mare a bacurilor asupra tâmplărie [NOF 92] obiectului de lucru poate duce la deteriorarea suprafeţei lui, presiunea prea mică poate conduce la desprinderea obiectului din DP. Senzori de presiune montaţi în bacuri informează sistemul de conducere a robotului despre starea contactului cu obiectul, putând juca şi rolul de senzori de prezenţă. Informaţiile senzoriale prelucrate de sistemul de conducere pot opri operaţia de manipulare în caz de defecţiune (interblocare) sau pot determina o modificare a parametrilor funcţionali ai robotului (spre exemplu, creşterea forţei de strângere a degetelor). Exactitatea şi repetabilitatea robotului industrial utilizat în aplicaţiile de servire este impusă de precizia de situare a dispozitivelor cu care conlucrează. Dacă aceste dispozitive sunt prevăzute cu elemente active care realizează corectarea automată a instalării, pot fi utilizaţi roboţi industriali având o repetabilitate de poziţionare de 0,5 mm. Prin “paletizare / depaletizare” se înţelege operaţia de aşezare / scoatere a obiectelor din locaşurile depozitelor tip paletă. Fig. 11.3 Robotul paletizează / depaletizează obiecte de lucru prismatice [NOF 92]

168

Aplicaţii ale roboţilor industriali

Operaţia de paletizare / depaletizare robotizată se aseamănă cu cea de servire robotizată, deosebirea constând în faptul că situarea finală a obiectului de lucru la paletizare sau situarea iniţială la depaletizare diferă de la o fază de operaţie la alta. Prin “fază de operaţie” se înţelege secvenţa componentă a operaţiei aferentă unui obiect de lucru din mulţimea obiectelor de lucru manipulate. În consecinţă, programul de conducere al robotului industrial se necesită a fi unul de suprafaţă sau de volum. Celelalte cerinţe impuse robotului industrial de procesul de manipulare în aplicaţii de paletizare / depaletizare sunt similare cu cele impuse în cazul aplicaţiilor de servire, cu observaţia că în timpul operaţiei de paletizare / depaletizare forma geometrică a obiectului de lucru nu se modifică. Deseori, operaţiile de paletizare / depaletizare, respectiv de servire se combină în procesele de manipulare unitare efectuate de aceiaşi roboţi. În cazul operaţiilor de servire şi / sau de paletizare / depaletizare care se efectuează în medii dificile (spre exemplu siderurgie, sectoare calde) se utilizează şi membrii ai “familiei robot” - instalaţii de teleoperare. Prin “montaj” (“asamblare”) se înţelege operaţia de construcţie a unui ansamblu prin îmbinarea mai multor obiecte de lucru componente. Studiile efectuate au arătat, că 90% din fazele operaţiei de montaj se reduc la introducerea unor obiecte de tip ştift în alezaje practicate în obiecte denumite ”de bază”, de preferinţă pe direcţie verticală şi ca sens, de sus în jos. În acest tip de operaţie se încadrează şi înşurubarea, în care caz ştiftul este prevăzut ca un filet exterior (devenind “şurub”) iar alezajul corpului de bază cu un filet interior (devenind “piuliţă”). În ultimul caz la mişcarea relativă amintită mai înainte se adaugă o mişcare de rotire în jurul axului şurubului. Operaţia de montaj robotizat se aseamănă cu operaţia de servire în cadrul aplicaţiei C1. Robotul industrial prevăzut cu un DP preia ştiftul (sau corpul de bază) dintr-un dispozitiv al IA/E, îl deplasează cu o mişcare impusă de procesul tehnologic până în apropierea alezajului, după care îi impune o mişcare relativă care să realizeze îmbinarea (“inserţia” ştiftului în alezaj). Această parte propriu zisă a operaţiei de montaj are o fază de “căutare“ a alezajului (ştiftului), realizarea coincidenţei axelor ştiftului cu cea a alezajului şi una de introducere a ştiftului în alezajul corpului de bază (sau invers) peste care, în cazul înşurubării, se suprapune şi mişcarea suplimentară de rotaţie relativă în jurul axei comune. În vederea uşurării execuţiei operaţiei de montaj, efectorul final al robotului mai conţine în afara DP un dispozitiv de corecţie pasivă (de complianţă, spre exemplu RCC), care modifică automat poziţia ştiftului în raport cu alezajul, ca urmare a acţiunii forţelor de contact - sau activă (spre exemplu IRCC), care conţine senzori de forţă / moment, ale căror semnale permit modificarea adaptivă a programului robotului industrial în vederea uşurării inserţiei ştiftului în alezaj. În timpul fazei de montaj propriu-zis, robotul industrial trebuie să fie condus după un program de traiectorie continuă. Pentru operaţii de tip inserţie a ştiftului în alezaj, a) robotul va fi prevăzut cu un DP cu degete, similar cu cele utilizate în operaţia de servire. Cum în decursul Fig.11.4 Sistem de montaj cu trei roboţi: montajului se manipulează în sistemul servit de a) - schemă de amplasament acelaşi robot mai multe tipuri de obiecte, se va b) - vedere generală [NOF 92] prevede posibilitatea schimbării automate a DP. Dacă efectorul final conţine un dispozitiv de corecţie, repetabilitatea robotului industrial utilizat în operaţia de montaj poate fi între 0,05 şi 0,5 mm. În Fig. 11.1 - Fig. 11.4 sunt ilustrate domenii de aplicaţie în care robotul manipulează obiecte de lucru. Aplicaţiile în care robotul manipulează o sculă b) activă (“sculă purtată”) într-un proces tehnologic au ca şi caracteristică faptul, că obiectul de lucru este instalat într-un dispozitiv de lucru, de obicei fix.

Aplicaţii ale roboţilor industriali

169

Operaţia tehnologică de prelucrare cu sculă purtată de robot are trei faze: apropierea sculei, faza de prelucrare propriu-zisă şi îndepărtarea sculei. Mişcările impuse sculei de către robot în decursul fazelor de apropiere şi îndepărtare sunt similare celor impuse de robot în cazul operaţiilor de servire cu obiectul de lucru. Se impun situările de început şi de sfârşit ale sculei, situările intermediare putând fi oarecare, cu condiţia evitării coliziunilor. În consecinţă, programul după care se comandă robotul în decursul acestor mişcări este ori secvenţial, ori punct cu punct (PTP). În decursul fazei de prelucrare propriu-zise a obiectului de lucru robotul conferă sculei o mişcare relativă în raport cu obiectul de lucru, în conformitate cu geometria acestuia şi natura procesului tehnologic. Ca urmare, programul prin care se comandă robotul în această fază este un program multipunct (MP) - în cazul în care nu se impun condiţii deosebite de precizie în execuţia acestor mişcări (spre exemplu aplicaţiile D1, D2, F1, K), sau de traiectorie continuă (CP) - în cazul când precizia acestor mişcări trebuie să fie mai mare. În cazul aplicaţiilor în discuţie, efectorul final al robotului este constituit dintr-o “sculă”. Se înţelege prin “sculă” un mijloc de producţie care, în decursul procesului tehnologic acţionează asupra formei geometrice sau calităţii (inclusiv superficiale) a obiectului de lucru. Sculele purtate de robot în aplicaţiile din domeniile D - L se caracterizează prin forma geometrică a suprafeţelor active (prin care vin în contact cu obiectul de lucru) şi prin dispozitivele care asigură aportul suplimentar de materiale şi energie necesară efectuării prelucrării. În cazul în care aportul de energie suplimentar cauzează o mişcare relativă a unei părţi a sculei în raport cu interfaţa mecanică prin care scula este legată de ultimul element al dispozitivului de ghidare al robotului, se vorbeşte de faptul că robotul manipulează un cap de forţă cu sculă. În timpul operaţiilor robotizate de prelucrare cu scule purtate se necesită reglarea / ascuţirea / curăţirea periodică a sculelor. În acest scop, în componenţa sistemului de fabricaţie robotizat se vor prevede posturi de lucru automate care permit executarea operaţiilor amintite, cuprinse în ciclogramele de lucru ale sistemului şi în programele de comandă aferente. Aplicaţiile în care robotul manipulează scule necesită informaţii senzoriale legate de prezenţa / absenţa / situarea obiectului de lucru, forma sa geometrică reală. Spre exemplu, la sudarea robotizată cu arc în mediu de gaz protector informaţiile respective se prelevează cu ajutorul unor ”senzori de rost”, interacţiunea dintre sculă şi obiectul de lucru la operaţia de debavurare se prelevează folosind senzori de forţă - moment, funcţionarea corectă a sculei (încălzire, existenţa aportului de gaz sau de lichid de răcire) sunt semnalizate prin intermediul termometrelor, a traductoarelor de gaz, etc. Flexibilitatea robotului în aplicaţiile în care acesta manipulează scule este asigurată prin reprogramare, respectiv prin posibilitatea schimbării efectorului final, inclusiv automat, robotul conlucrând în acest caz cu un depozit automat de scule / capete de forţă cu scule. Sistemele de fabricaţie în care robotul execută operaţii tehnologice cu scule purtate pot cuprinde şi instalaţii aducătoare / de evacuare cu dispozitive de transfer şi roboţi de manipulare a obiectelor şi dispozitivelor de lucru în operaţii de “servire”. Se prezintă în continuare domenii de aplicaţie în care robotul manipulează scule. Destuparea manuală a canalului de turnare la furnale este o operaţie cu un înalt grad de dificultate fizică şi periculoasă pentru integritatea operatorului uman care execută operaţia. El poate fi înlocuit de o instalaţie de teleoperare, care manipulează un ciocan de perforat acţionat pneumatic (un cap de forţă), cu care operaţia de destupare se realizează prin lovituri mecanice. O altă operaţie dificilă, într-un mediu dăunător sănătăţi umane, este confecţionarea formelor de turnătorie. Unele dintre ele nu se pot executa prin vibrare şi necesită îndesarea pământului de turnare prin batere. Această operaţie poate fi executată de robot (instalaţii de teleoperare), care manipulează un cap de forţă cu sculă de îndesare (de “batere”) acţionată pneumatic. Demaselotarea şi curăţirea pieselor turnate, debavurarea şi polizarea pieselor turnate, forjate sau prelucrate prin aşchiere se realizează folosind scule adecvate, acţionate prin capete de forţă manipulate de roboţi. Dificultatea operaţiei constă în geometria Fig. 11.5 Post de lucru robotizat pt. debavurarea chiulaselor de motor cu 6 cilindri [THI 92]

170

Aplicaţii ale roboţilor industriali

neregulată, imprevizibilă a obiectelor de lucru supuse prelucrării. Se folosesc instalaţii de teleoperare cu reacţie de forţă / moment sau roboţi industriali conduşi adaptiv, pe baza informaţiilor furnizate de senzori de forţă / moment. Sculele utilizate în operaţiile de demaselotare şi debavurare sunt de regulă scule aşchietoare în formă de freză disc, deget sau profilată, respectiv disc abraziv. Operaţia de curăţare a turnatelor se mai poate executa şi cu ajutorul unor scule de tip daltă, acţionate prin capete de forţă pneumatice, care le conferă o mişcare de translaţie alternativă. Pentru curăţire se mai folosesc perii de sârmă rotative, polizare cu scule disc abrazive iar pentru lustruire, perii disc din pâslă. În Fig. 11.5 se prezintă un post de lucru de debavurare robotizată. În cazul aplicaţiilor amintite trebuie luate măsuri speciale pentru împiedicarea transmiterii vibraţiilor de la sculă la sistemul mecanic al robotului. Acest lucru se poate realiza prin introducerea unui cuplaj cu amortizare la nivelul interfeţei mecanice efector final - dispozitiv de ghidare. Curăţirea obiectelor de lucru turnate, respectiv pregătirea suprafeţelor obiectelor în vederea acoperirii se poate face prin sablare. Praful degajat în timpul operaţiei efectuată manual, afectează sănătatea operatorului uman. Înlocuirea operatorului poate fi făcută prin manipularea capetelor de forţă de sablare cu ajutorul unei instalaţii de teleoperare. Repetabilitatea roboţilor utilizaţii în aplicaţiile amintite mai sus poate avea ordinul de 1 ÷ 2 mm, cu excepţia celor utilizate la debavurarea prin prelucrare de aşchiere a pieselor, când se necesită valori ale acestui indicator de precizie de ordinul a 0,05 mm. Domeniul de aplicaţie în care robotizarea a pătruns cel mai mult este sudarea. TE Sudarea prin presiune în puncte utilizează ca efector final al robotului un cleşte de sudare, al cărui electrozi sunt TE presaţi pe componentele de tablă care urmează a fi asamblate. Circuitul electric se închide prin electrozi şi TE componentele de sudat, topind local metalul şi formând Fig. 11.6 Posibilităţi de amplasare ale transforsudura “în punct”. matorului electric TE: a) - suspendat separat, În Fig. 11.6 se prezintă trei variante de amplasare a b) - montat pe robot, c) - înglobat în cleşte transformatorului: separat (suspendat), pe robot sau b) c) a) înglobat în cleşte. Robotul trebuie să poziţioneze electrozii în punctul de sudură de executat şi să orienteze axa comună a acestora, normală pe suprafeţele componentelor de tablă. Transferul cleştilor de la un punct de sudură la altul poate fi realizat după un program punct cu punct (PTP). Dispozitivul de ghidare al robotului de sudare prin presiune în puncte trebuie să aibă cel puţin 5 grade de mobilitate, să asigure acceleraţii mari la trecerea de la un punct la altul iar mecanismul generator de traiectorie trebuie să asigure realizarea unui spaţiu de lucru mare. Sistemul de fabricaţie în care există un post de sudare prin presiune în puncte trebuie să conţină şi un post de corectare (prin frezare) a formei geometrice a electrodului. În Fig. 11.7 este ilustrat un post de lucru robotizat în care se efectuează sudarea în puncte a unor uşi de autocamioane. Repetabilitatea roboţilor utilizaţi pentru sudare prin presiune în puncte este cuprinsă între 0,5 ÷ 1 mm. În cazul în care robotul execută operaţia de sudare cu arc în mediu de gaz protector, efectorul final este un cap de sudare (Fig. 11.8). El constă dintr-o piesă tubulară, Fig. 11.7 Post de lucru robotizat pentru manipulată de robot, care conduce centric electrodul în sudarea prin puncte a unei uşi de autocamion formă de sârmă. În spaţiul dintre electrod şi tub se scurge gazul protector (CO2 sau un gaz inert).

Aplicaţii ale roboţilor industriali

171

Arcul electric, format între electrod şi subansamblul de sudat, topeşte electrodul şi metalul topit îl Întrare gaz umplă rostul de sudare. Sârma de adaus înaintează datorită protector unui dispozitiv de avans montat pe robot iar gazul protector este alimentat dintr-un recipient tip butelie. Obiectul Piesă de lucru - subansamblul de sudat - este instalat întrun tubulară dispozitiv de lucru, montat la rândul său pe un dispozitiv al IA/E - o masă de poziţionare-orientare de ghidare (Fig. 11.9) - care aduce obiectul de lucru în situarea cea Sârma de mai adaus favorabilă în raport cu robotul (astfel ca suprafaţa topiturii să fie orizontală). Robotul trebuie să poziţioneze capul de sudare cu vârful electrodului în axul rostului de sudare, axa capului de sudare având o anumită înclinare faţă de acesta, Fig. 11.8 Cap de lucru pentru sudarea cu arc în apoi să mediu de gaz protector îl deplaseze în lungul rostului. În cazul în care se necesită umplerea cu metal topit a unui rost de secţiune mare, capului de sudare i se mai comunică de către robot şi o mişcare suplimentară de “ţesere”, în direcţie perpendiculară pe axa rostului. Executarea operaţiei de sudare cu arc în mediu de gaz protector impune pentru sistemul de comandă al robotului un program de traiectorie continuă (CP). Sistemul de sudare robotizat (Fig. 11.10) va conţine şi un post de curăţire a capului de sudare (pentru tăierea capului electrodului, îndepărtarea prin frezare a Fig. 11.9 Masă de poziţionare-orientare folosit în procesele robotizate de sudare cu arc stropilor de metal solidificat, împroşcarea cu lichid împotriva depunerii de stropituri). Cum robotul poate repeta doar mişcările programate, pregătirea de lăcătuşerie a subansamblului ar trebui să asigure o precizie ridicată a componentelor care urmează să fie asamblate prin sudare, pentru ca rostul de sudare să aibă mereu aceeaşi situare pentru fiecare obiect de lucru. Pentru evitarea cheltuielilor suplimentare cauzate de o pregătire de lăcătuşerie de precizie mare, robotul utilizat în aplicaţiile de sudare cu arc în mediu de gaz protector se înzestrează cu senzor pentru găsirea Fig. 11.10 Sistem robotizat de sudare cu arc în mediu de gaz protector [NOF 92] capătului de rost (tactil sau vizual) şi cu senzor de rost (tactil, prin arc - se urmăreşte la “ţesere” variaţia căderii de tensiune pe arc în funcţie de distanţa până la marginea rostului - cu fascicul laser, vizual). Repetabilitatea roboţilor utilizaţi pentru operaţii de sudare cu arc trebuie să fie de 0,05 ÷ 0,5 mm. Utilizarea senzorilor de rost reduce cerinţele exactităţii de repetabilitate. Lipirea poate fi realizată cu material nemetalic sau metalic. În cazul operaţiilor de lipire cu material nemetalic, scula manipulată de robot este un cap de lipire tubular, care depune un fluid în stare vâscoasă în zona de contact dintre componentele care urmează să fie asamblate prin lipire. Materialul fluid vâscos ajunge la capul de lipire dintr-un recipient în care se găseşte sub presiune. În cazul operaţiei de lipire cu material metalic, capul de lipire conduce un electrod de metal cu un avans determinat de procesul de lipire, care se topeşte fie datorită efectului Joule produs de curentul electric care îl străbate, fie în contact cu un “ ciocan de lipit” conţinut în cap, care se încălzeşte tot electric. Metalul topit al electrodului este depus pe conturul sau în punctul unde trebuie să se producă lipirea. La execuţia operaţiei de lipire, robotul se comandă cu un program de traiectorie continuă (CP). Repetabilitatea roboţilor de lipire cu fluid vâscos poate fi de 1 ÷ 2 mm, iar a celor cu electrod metalic utilizaţi spre exemplu în montajele electronice - de 0,01 ÷ 0,05 mm. Metalizarea robotizată se realizează folosindu-se un cap de lucru în formă de pistol. Electrodul metalic, cu avans automat în funcţie de procesul de metalizare, este topit în pistol prin efectul Joule al curentului

172

Aplicaţii ale roboţilor industriali

electric cu care este alimentată scula. Un jet de aer comprimat expulzează metalul topit, care se depune pe obiectul de lucru de metalizat. Robotul este condus după un program multipunct (MP). Repetabilitatea necesară este de 0,5 ÷ 1mm. Roboţii industriali utilizaţi în operaţii de acoperire a suprafeţelor prin vopsire, manipulează scule de tip “pistol”. Acestea conţin o duză prin care realizează pulverizarea vopselei lichide sau împrăştierea vopselei sub formă de pulbere. Pulverizarea se realizează fie sub acţiunea unui jet de aer comprimat, fie sub presiunea care se exercită asupra suprafeţei lichidului aflat într-un rezervor din care se alimentează pistolul (procedeul “airless”). În acelaşi rezervor se realizează la nevoie şi preîncălzirea vopselei. Împrăştierea vopselei sub formă de pulbere se realizează cu ajutorul aerului comprimat. În cazul vopsirii electrostatice, pistolul este legat la un pol al unei surse de curent iar obiectul vopsit la celălalt. Ca urmare, particulele de vopsea se încarcă electrostatic şi sunt atrase de obiect, ale cărei suprafeţe - chiar “ascunse” - se acoperă uniform. Sistemul robotizat de vopsire trebuie să conţină un dispozitiv automat de curăţire a pistolului, cu funcţionarea inclusă în ciclul de funcţionare al robotului. În cazul în care robotul trebuie să vopsească cu vopsele de diferite culori / calităţi, el va fi prevăzut cu un dispozitiv de schimbare automată a efectorului final, care va conlucra cu un depozit de scule (pistoale) amplasate în periferia robotului. Comanda roboţilor de vopsire se face prin programe multipunct (MP) sau de traiectorie continuă (CP). Programarea “on-line” a roboţilor de vopsire se poate realiza prin “conducere directă”, când operatorul uman manipulează pistolul de vopsire fixat de ultimul element al dispozitivului de ghidare al robotului. Se execută operaţia de vopsire de programat iar mişcările relative ale elementelor cuplelor cinematice conducătoare ale dispozitivului de ghidare ale robotului - având elementele de acţionare decuplate - se memorează în forma semnalelor emise de traductoare. În cazul conducerii directe, robotul trebuie să admită o forţă de programare de intensitate redusă şi aproximativ constantă în tot spaţiul de lucru. O altă posibilitate de programare “on-line” utilizează un lanţ cinematic de instruire, de care este fixat pistolul, care este manipulat de operatorul uman. Lanţul cinematic de instruire este identic din punct de vedere structural şi al dimensiunilor elementelor cu dispozitivul de ghidare al robotului. În timpul instruirii robotului, pentru executarea unei operaţii de vopsire date, traductoarele de deplasare din cuplele cinematice ale lanţului de instruire emit semnale memorate de sistemul de conducere al robotului. În faza operaţională pe baza programului învăţat - sistemul de acţionare va impune elementelor cuplelor cinematice conducătoare ale dispozitivului de ghidare al robotului mişcări relative similare cu cele executate de elementele cuplelor cinematice omoloage ale lanţului cinematic de instruire. Avantajul programării folosind lanţ cinematic de instruire constă în efortul mai mic solicitat operatorului uman şi din acest motiv el va avea posibilitatea efectuării mai corecte a operaţiei de vopsire. În componenţa sistemului de acoperire robotizată mai intră o instalaţie aducătoare / de evacuare, cu mişcările dispozitivelor faţă de care robotul îşi sincronizează propriile mişcări, un “cuptor de uscare / coacere” a stratului de acoperire şi uneori, o “cabină de vopsire”. Această cabină izolează spaţiul de lucru al robotului şi este prevăzut cu o instalaţie de exhaustare a norului de vopsea nedepus pe obiecte. Este de dorit utilizarea unor senzori de existenţă pentru sesizarea prezenţei obiectului de vopsit în spaţiul de lucru al robotului. Semnalele acestor senzori declanşează / opresc procesul de vopsire, adaptând instalaţia robotizată la fluxul de material concret. Roboţii utilizaţi în procesele de vopsire trebuie să aibă exactitatea de repetabilitate de 1 ÷ 3 mm. Evitarea erorilor de “urmărirea colţului” şi de viteză, asigură constanţa grosimii stratului de vopsea depusă. În Fig. 11.11 se prezintă o instalaţie de vopsire robotizată. Prelucrarea prin aşchiere a unor obiecte cu ajutorul unor scule purtate de robot se utilizează în cazul obiectelor de dimensiuni mari, care nu pot fi montate în dispozitivele de lucru ale maşinilor unelte (spre exemplu, subansamble componente ale corpului avioanelor, caroserii de autovehicule aflate pe linia de montaj, etc.). De obicei este vorba de efectuarea Fig. 11.11 Instalaţie de vopsire robotizată unor pentru caroserii de autoturisme [NOF 92] operaţii de găurire sau frezare, sculele de aşchiere corespunzătoare fiind acţionate de capete de forţă manipulate ca efectori finali de către robot. Ciclul de lucru al robotului cuprinde în acest caz, ca faze

Aplicaţii ale roboţilor industriali

173

distincte, deplasările capului de forţă la / de la zona de execuţie a operaţiei de prelucrare, care se poate realiza printr-un program punct cu punct (PTP) şi deplasări în timpul procesului de prelucrare, după un program de traiectorie continuă (CP). Senzori de forţă - moment controlează desfăşurarea procesului de aşchiere. Robotul trebuie să aibă o exactitate de repetabilitate de 0,01 ÷ 0,05 mm. În Fig. 11.12 se prezintă prelucrarea cu sculă purtată a unei componente de avion, robotul deplasând scula în lungul unui şablon. Eficienţe tehnico-economice deosebite prezintă Fig. 11.12 Prelucrarea robotizată a unei robotizarea proceselor de prelucrare prin tehnologii componente de avion [WAR 90] neconvenţionale: cu fascicul laser sau cu jet de apă de înaltă presiune. Cu ajutorul fasciculului laser se pot efectua operaţii de sudare, de tăiere şi de tratament termic superficial de precizie, cu influenţarea minimală a structurii metalului din zona de prelucrat. Scula manipulată de robot este în acest caz un cap laser (Fig. 11.13), conţinând un sistem optic, care asigură concentrarea puterii fasciculului pe o suprafaţă mică a obiectului. Fasciculul laser este condus de la sursă la capul de lucru printr-un cablu cu fibre optice (pentru sursa YAG cu Fig. 11.13 Cap laser pentru tăiere lungimea de undă de 1,06 µm), prin grupuri de oglinzi (pentru sursa cu CO2 cu lungimea de undă de 10,6 µm), sau direct, când robotul manipulează şi sursa laser (de putere mică). În cazul conducerii prin intermediul unui grup de oglinzi, acestea se instalează în conductori articulaţi, amplasaţi în interiorul dispozitivului de ghidare al robotului (Fig. 11.14), Fig. 11.14 Conducerea fasciculului laser prin sau în exterior, constituind un lanţ cinematic legat de dispozitivul de ghidare al robotului folosind un extremităţile dispozitivul de ghidare al robotului. sistem de oglinzi Comanda roboţilor care realizează prelucrări cu fascicul laser se realizează de obicei cu programe de traiectorie continuă (CP), ei trebuind să aibă o exactitate de repetabilitate de 0,005 ÷ 0,01mm. Cu ajutorul jetului de apă cu înaltă presiune se pot efectua operaţii de tăiere - decupare, fără influenţarea termică a metalului sau a materialului plastic din care este confecţionat obiectul de lucru. Prelucrarea cu jet de apă cu înaltă presiune poate înlocui economicos operaţia de ştanţare, nefiind nevoie de ştanţe şi putânduse executa orice fază a procesului tehnologic. Scula purtată de robot este în acest caz un cap cu duză. Procesul de decupare se realizează prin efectul de eroziune a jetului de apă cu înaltă presiune. Pentru intensificarea acestui efect, apei i se adaugă particule abrazive. Conducerea robotului se realizează după un program de traiectorie continuă (CP). Se necesită roboţi cu exactitate de repetabilitate de 0,005 ÷ 0,05 mm. Roboţii utilizaţi în operaţii de măsurare, control de calitate, testare şi inspecţie, manipulează ca şi scule capete de lucru, care realizează operaţiile respective în diferite zone ale obiectului de lucru. Construcţia capetelor de lucru în cauză este adecvată tipului de operaţie de realizat. În cazul operaţiilor de măsurare se utilizează ca şi capete de lucru, aşa numitele “instrumente de zero”. Extremitatea palpatorului instrumentului este deplasat de către robot într-un punct, care teoretic ar Fig. 11.15 Cap de inspecţie cu senzor video purtat de robot

Aplicaţii ale roboţilor industriali

174

trebui să se găsească pe suprafaţa obiectului de măsurat, iar axa palpatorului, normală pe această suprafaţă. Reacţiunea de contact din poziţia reală a punctului palpat va deplasa palpatorul. Această deplasare este în funcţie de eroarea de poziţie după normala la suprafaţa obiectului. Deseori, operaţiile de control de calitate şi inspecţie se realizează cu ajutorul unor capete de lucru echipate cu senzori video (metode “ochi în mână”). În Fig. 11.15 se prezintă un cap de inspecţie cu senzori video, purtat de robot pentru controlul calităţii suprafeţei, pe care un alt cap purtat de acelaşi robot depune un strat de etanşare sub formă de fluid vâscos (care se autolipeşte). Comanda roboţilor utilizaţi în operaţii de măsurare, control de calitate, testare şi inspecţie se realizează după programe “punct cu punct” (PTP) în cazul în care zonele de măsurat / controlat / testat / inspectat sunt amplasate izolat sau pe ”traiectorie continuă“ (CP) dacă aceste zone prezintă o continuitate în lungul unei linii. Exactitatea de repetabilitate a roboţilor utilizaţi în asemenea aplicaţii trebuie să fie corelată cu exactitatea măsurătorilor care urmează a fi efectuate. În ultimul deceniu s-au înmulţit aplicaţiile roboţilor în activităţi de prelucrare / manipulare în “camere curate”, deci în incinte în care puritatea aerului respectă anumite prescripţii normate. Asemenea “camere curate” conţin de exemplu echipamentele şi utilajele pentru procese tehnologice de fabricare a componentelor electronice. Principala condiţie pe care trebuie să o îndeplinească roboţii care lucrează în “camere curate” este să nu emită în timpul funcţionării particule care să polueze mediul camerei. Sistemul mecanic şi de acţionare a roboţilor pentru operaţii de “cameră curată” conţin în structura elementelor lor incinte închise, care “încapsulează“ toate sursele care emit particule (spre exemplu zonele de contact ale cuplelor cinematice). Aerul din aceste incinte este exhaustat în timpul funcţionării robotului şi evacuat din “camera curate”.

Conceperea şi realizarea aplicaţiilor industriale ale roboţilor prezintă unele particularităţi. În legătură cu aplicaţiile robotice S. Nof a formulat trei legi [NOF 92]: 1. roboţii trebuie să continue înlocuirea oamenilor în munci periculoase (de aceasta beneficiază toţi); 2. roboţii trebuie să continue înlocuirea oamenilor în munci pe care ei nu vor să le execute (şi de aceasta beneficiază toţi); 3. roboţii ar trebui să înlocuiască oamenii în munci pe care le pot executa mai economicos (aceasta la început va dezavantaja pe unii, dar în final va fi în avantajul tuturor, ca şi în cazul primelor două legi). Proiectul “Hindsight” al Forţelor Aeriene ale SUA stabileau în 1968 că pentru succesul robotizării sunt necesare următoarele trei condiţii [NOF 92]: 1. să existe o necesitate clar percepută; 2. să fie disponibile tehnologii adecvate şi practicieni competenţi; 3. să existe un suport financiar adecvat. După J. Engelberger, în 1961 cei de la firma UNIMATION “aveau o soluţie (robotul UNIMATE)” şi căutau o “problemă (aplicaţia)”. De fapt, firma respectivă a început să aibă beneficii doar după 1968 [ENG 89]. Ch. F. Carter, jr. [NOF 92] este de părere că activităţile de fabricaţie s-au automatizat - robotizat atunci când: 1. energia necesară sau mediul înconjurător depăşeşte posibilităţile de suportare ale operatorului uman; 2. priceperea necesară pentru a produce ceva util depăşeşte capacităţile operatorului uman; 3. cererea pentru produs este atât de mare încât există o motivaţie pentru căutarea unor modalităţi de fabricaţie mai bune.

Aplicaţii ale roboţilor industriali

175

În numeroase ţări principala dificultate în dezvoltarea robotizării a constituit-o şi o constituie şi astăzi faptul că fabricaţia este o activitate foarte conservatoare, care nu se schimbă uşor. De fapt, tot ce se execută de către robot poate fi executat şi de către operatorul uman şi patronii firmelor ezită să utilizeze roboţi, până când concurenţa nu o face, chiar dacă cheltuielile de fabricaţie utilizând operatori umani sunt mai mari decât cele rezultate în cazul folosirii roboţilor. La cele de mai sus se adaugă faptul, că în mod normal patronii firmelor nu iau hotărâri de înlocuire a unor operatori umani cu robot / roboţi, decât în cazul în care costul de operare al robotului este mai mic decât costul de operare al unui operator uman. În Fig. 11.16 se prezintă variaţia în timp a costurilor de operare în SUA pentru operatori umani, 20 $ Cost orar de manoperă în respectiv roboţi. industria de Se observă că utilizarea roboţilor în SUA devine 15 $ rentabilă automobile din acest punct de vedere abia din prima jumătate al anilor 1970, după introducerea sistemelor de comandă bazate Cost orar de operare pe microprocesoare ieftine, respectiv după creşterea 10 $ robot accentuată a costului manoperei, datorită inflaţiei. Ca urmare a caracterului restrictiv al raportului 5 $ cost de operare robot / manoperă subunitar, în ţările cu forţă de Cost orar de manoperă medie pt. prod. industr. muncă ieftină - cum este România - introducerea robotizării este aproape imposibilă din acest punct de 1960 1970 1990 1980 vedere. Ori, rămânerea în urmă în introducerea robotizării condamnă la rândul ei industria acestor Fig. 11.16 Variaţia în timp a costurilor de ţări la operare robot, respectiv operator uman în SUA stagnare din punct de vedere tehnic, deci perpetuarea nivelului scăzut al costului manoperei şi astfel, menţinerea unui nivel de trai scăzut. Dacă în anii 1970, introducerea / neintroducerea automatizării bazate pe roboţi în SUA a fost determinată de costuri, întreprinderile trebuind să devină mai productive, apariţia pieţei globale în anii 1980 a deplasat interesul de la creşterea productivităţii, la satisfacerea cerinţelor consumatorilor în condiţiile unei concurenţe globale. Acest lucru presupune produse de calitate, de mare varietate, îmbunătăţiri frecvente, apariţia unor modele noi, deci flexibilitate. Cele de mai sus nu se pot asigura decât prin utilizarea pe scară largă a roboţilor. Concluzia exprimată arată, că dacă ţările cu manoperă ieftină vor să concureze cu produsele lor pe piaţa globală, ele nu vor putea face acest lucru decât utilizând automatizarea bazată pe roboţi, chiar dacă această cerinţă nu este justificată din punctul de vedere al raportului cost operare robot / cost manoperă. Cele de mai sus pledează pentru automatizare flexibilă, folosind roboţi şi în România.

În continuare se prezintă concluziile publicaţiei World Robotics - 2003 al International Federation of Robotics [WOR 03] privind aplicaţiile roboţilor industriali. Una din cele mai răspândite aplicaţii, în care se utilizează roboţi industriali, este sudarea (Fig. 11.17 a). Roboţii sudează caroserii de maşini de exemplu, un robot nu va uita niciodată un punct de sudură şi are aceleaşi performanţe pe toată durata unei zile de lucru. Aprox. 25% din toţi roboţii industriali sunt utilizaţi în aplicaţii de sudare.

Aplicaţii ale roboţilor industriali

176

Asamblarea ocupă aproximativ 33% din numărul de aplicaţii ale roboţilor industriali pe o plan mondial. Mulţi din aceşti roboţi sunt utilizaţi în industria de automobile (Fig. 11.17 b) şi în industria electronică.

b) b) a) a)

Fig. 11.18 Utilizarea roboţilor industriali in: a) ambalare / paletizare; b) în industria alimentară Fig. 11.17 Utilizarea roboţilor industriali in [WOR 03] sudarea: a) cu arc; b) în puncte [WOR 03]

Ambalarea/ paletizarea (Fig. 11.18 a) este încă o aplicaţie cu o arie restrânsă pentru roboţii industriali, atribuită doar pentru 2,8% din aplicaţii (1997 – WOR 03). Acest gen de aplicaţii este de aşteptat să crească deoarece roboţilor le este mai uşor să manipuleze. Industria alimentară este un domeniu unde se aşteaptă ca pe viitor roboţii să joace un rol important. In figură se prezintă robotul FANUC Washdown Type (A-520i) special construit pentru a manipula alimente (Fig. 11.18 b).. In domeniul BioRoboticii, Australia a dezvoltat un sistem de micropropagare a plantelor (Fig. 11.19). Procesul demarează prin culegerea unei plante, tăierea ei in segmente în apropierea fiecărui nod, şi replantarea segmentelor astfel ca să crească o nouă plantă.

Fig. 11.19 Utilizarea roboţilor industriali in înmulţirea puieţilor [WOR 03]

Marele scriitor de “science fiction” canadian, Issac Asimov a scris numeroase cărţi despre roboţi încă pe la mijlocul secolului XX, înaintea apariţiei primului robot real. El a formulat de altfel conceptul de “Robotică”, definit ca ştiinţa care se ocupă de roboţi şi cele "trei legi fundamentale ale Roboticii” [ASI 50 ], [ASI 85]:

Aplicaţii ale roboţilor industriali

177

1. Robotul nu poate să pricinuiască vreun rău omului, sau să îngăduie vătămarea acestuia prin neintervenţia lui. 2. Robotul trebuie să execute comenzile omului, cu excepţia când acţiunile rezultate ar contraveni legii 1 3. Robotul trebuie să-şi protejeze propria existenţă, cu excepţia cazurilor când acţiunile rezultate contravin legilor 1 şi 2.