Ride the Storm: Navigating Through Unstable Periods / Katerina Rudko (Belka G...
SR_TSII-Jusuf Agic.pdf
1. Univerzitet u Tuzli
Mašinski fakultet
Proizvodno mašinstvo
SEMINARSKI RAD
Transportni sistemi II
Tema: Industrijski roboti sa hidrauličkim aktuatorima
Student: Agić Jusuf Profesor:Dr.sc.Alan Topčić,red.prof
Br. Indeksa: II-48/16
Tuzla, januar 2022
3. Popis slika
Slika 1.2 Industrijski robot ........................................................................................................................2
Slika 1.2.2 Svjetska populacija industrijskih robota od 2012-2019Aktuatori ..........................................2
Slika 1.2.3 Poređenje pogonskih sistema ................................................................................................3
Slika 1.2.4 Lanac djelovanja sa aktorom .................................................................................................3
Slika 2.1.1 Kod cilindra jednostrukog djelovanja, razvijena sila je jednosmjerna ....................................4
Slika 2.1.2 Hidraulični cilindar dvostrukog djelovanja..............................................................................5
Slika 2.1.3 Hidraulični diferencijalni cilindar.............................................................................................5
Slika 2.1.4 Hidraulični obrtni motor, Poprečni presjek hidrauličnog obrtnog motora.............................5
Slika 2.1.5 Hidraulični razvodnik...............................................................................................................6
Slika 2.1.6 Hidraulični razvodnici..............................................................................................................6
Slika 2.2.1 Izrezani dijagrami aktuatora hidrauličnih cilindara koji prikazuju radne dijelove
komponenata ...........................................................................................................................................7
Slika 2.3.1 Pogon translatornog zgloba....................................................................................................9
Slika 2.3.2 Dve mogućnosti pogoni rotacionog zgloba zgloba.............................................................. 10
Slika 3.1.1 Industrojski roboti ............................................................................................................... 10
4. 1
1. Uvod
Humanizacija rada je jedan od najstarijih projekata koji još nije završen. Počeo je sa izumom čekića, a
očekuje se da će se završiti sa robotima koji će na sebe preuzeti sav fizički rad. Svako vrijeme ima svoje
ludističke pokrete, tako mnogi ljudi danas vjeruju da uvođenje robota dovodi do smanjena broja radnih
mjesta, treba samo napomenuti da je Japan zemlja sa najviše instaliranih robota, te sa najmanjom
nezaposlenošću od 5.7 %.
Različite industrijske primjene robotike trebaju pristupačne sisteme s velikom mogućmošću nošenja
tereta koji su kompaktni i pružaju pouzdanu silu tamo gdje je to potrebno. U tu svrhu vrlo su važna
trenutna istraživanja mogućih poboljšanja povezanih s aktuatorima i njihovim servo-ventilima. Nova
generacija robotskih sistema mora uspješno zamijeniti ljudski rad u mnogim različitim primjenama na
ljudski i ekološki prihvatljiv način. Dizajn i primjena robotskih sistema u industriji uključuju dizajn
strukture i potrebne mehanizme, dinamičko modeliranje i analizu sistema, izvor napajanja, kontrolu
povratnih informacija, aktuatore, senzore, obradu digitalnog sistema, ugrađene sisteme i inteligenciju
potrebnu za njegovu manipulaciju.
Roboti se mogu podijeliti u dvije osnovne kategorije na temelju njihove mobilnosti :
- autonomni i
- fiksni.
Autonomni roboti obično imaju pogonske sisteme pričvršćene na točkove ili gusjenice ili mogu imati
noge. Osim toga, mogu biti autonomna podvodna, morska ili zračna vozila. Mogu se koristiti za vojne
potrebe, istraživanja svemira i zabavne svrhe.Poslije toga, primjeri fiksnih robota su robotski
manipulatori, koji se široko koriste u industriji. Mogu se koristiti za visoke stope produktivnosti, ali i za
bilo koje druge zamorne, dosadne, ponavljajuće, vrlo precizne ili možda opasne ljudske zadatke.
Robotika se koristi u opasnim okruženjima (poput istraživanja svemira, čišćenja raznih opasnih
materijala, demontaže eksplozivnih naprava, čišćenja u slučaju katastrofe ili bojanja), za male
ponavljajuće zadatke za ljude (montaža, zavarivanje, pakiranje, rukovanje materijalom), u montažni
postupci koji zahtijevaju vrlo uske tolerancije i kratko vrijeme takta montaže (proizvodnja i montaža
elektronike, operacije, precizna obrada, kontrola kvalitete) i ergonomski zahtjevni i zamorni zadaci
(rukovanje materijalom, prijenos materijala, utovar / istovar stroja).
1.1. Industrijski roboti
Robotika je naučna disciplina o tehnologijama vezanim za dizajn, proizvodnju, teoriju i aplikaciju
robota. Robotika se može definisati i kao tehnologija razvijena u cilju kombiniranja softvera,
mehaničkih manipulatora, senzora, kontrolera i računara u cilju obezbjeđivanja programibilnih
autonomnih uređaja. Robot se može definisati kao višefunkcionalni manipulator koji se može
reprogramirati koji je namijenjen da pomjera radni materijal, predmete, alate i specijalne uređaje na
razne zadate načine u cilju izvršenja zadataka.
Industrijski robot je uređaj koji se koristi za poslove manipulacije materijala na bazi upravljanja. Sama
konstrukcija robota sadrži sljedeće neophodne sisteme:
- mehanički sistem,
- energetski sistem,
- mjerni sistem,
- upravljački sistem
5. 2
Slika 1.2 Industrijski robot
Od nastanka prvih robotskih sistema(robota) do danas, razlikujemo tri generacije robota:
- 1. generacija - upravljani roboti, automati bez povratne veze i regulacije koji zahtijevaju visoko
organiziranu radnu okolinu i precizno definisan zadatak,
- 2. generacija - roboti s regulacijom po povratnoj vezi izlazne veličine. Sposobni za donošenje
jednostavnih predprogramiranih logičkih odluka,
- 3. generacija - roboti koji će biti sposobni donositi vlastite odluke na temelju dostupnih informacija,
inteligentni roboti.
Današnji roboti mogu se podijeliti prema stepenu samostalnosti na industrijske robote i mobilne
robote.
Industrijska robotika bavi se automatski upravljanim i reprogramabilnim višenamjenskim
manipulatorima koji se programiraju u tri ili više osi. Kreću se u skupu diskretnih lokacija unutar radnog
prostora.
Broj robota do 2019. dosegnuo je 414.000. Istraživanje pokazuje da više od polovine robota „živi“ u
Aziji, najviše u Kini, koja je i najveće tržište i bilježi najbržu stopu rasta.Neki od vodećih proizvođača su
japanska kompanija FANUC i švedska firma ABB.
Do rasta potražnje za robotima u Kini dolazi zbog starenja stanovništva ali i rasta radničkih plata. Na
Kinu se trenutno odnosi 30 postotražnje za industrijskim robotima.
Slika 1.2.2 Svjetska populacija industrijskih robota od 2012-2019Aktuatori
6. 3
2. Aktuatori
Aktuator u upravljačkoj i regulacionoj tehnici, mehatronici, robotici i slično, je naprava kojom se na
pobudu upravljačkog signala pokretni dijelovi sistema dovode u željeni položaj, ostvaruje njihov pokret
ili razvija sile ili moment sile kojim ti dijelovi djeluju u okolinu. U osnovi to je pretvarač koji pretvara
ulazni signal u mehanički rad. Motori koji daju kretanje u zglobovima robota nazivaju se pogoni ili
aktuatori. Postoje tri glavna tipa aktuatora koji se koriste, a to su:
• Pneumatski,
• Hidraulički i
• Električni.
Pneumatski pogon koristi se kod jednostavnijih manipulatora koji služe za opsluživanje mašina, tj. za
obavljanje prostijih ponavljajućih operacija ne uzimajući u obzir trajektoriju između početne i krajnje
tačke. Zglobove robota pokreću cilindri na bazi komprimiranog zraka.
Hidraulički pogon omogućava uspostavljanje veće tačnosti upravljanja zglobnom strukturom
zahvaljujući servoventilima (razvodnicima) koji omogućavaju uspostavljanje proporcionalnosti između
protoka ulja i upravljačke strukture. Danas se zbog svojih prednosti nad ostalim pogonima najčešće
koriste električni pogoni.
Slika 1.2.3 Poređenje pogonskih sistema
Najvažniji zahtjevi koje moraju zadovoljavati pogoni su:
· mala težina i zapremina motora,
· veći obrtni momenti,
· veće područje ugaonog zakretanja,
· veća tačnost pozicioniranja,
· velika pouzdanost itd.
Slika 1.2.4 Lanac djelovanja sa aktorom
7. 4
2.1. Industrijski roboti sa hidrauličkim aktuatorom
Ovi pogoni rade na bazi komprimiranog ulja. Hidrauličnim pogonom moguće je ostvariti visoke pritiske
u cilindru, a time i velike sile u zglobovima robota. Ovaj pogon ima ograničenu maksimalnu brzinu klipa
u cilindru pa je iz tog razloga ograničena i brzina robota.Hidraulično regulirani sistemi se sastoje od
izvora energije (pumpe), hidrauličnih vodova, razvodnika i samog aktuatora (tj. linearnog ili obrtnog
klipa u robotima).
Glavna razlika je u činjenici da razvodnik može biti proporcionalno regulisan i na taj način omogućava
konvencionalnu upotrebu hidrauličkih servo-sistema.Zbog nestlačivosti ulja može se koristit mnogo viši
pritisak, a zahvaljujući tome i mnogo veća snaga. Hidraulički aktuatori uglavnom se koriste za sisteme
koji zahtijevaju vrlo veliku silu, ali ne previše ograničavajući u pozicioniranju i točnosti.
Prednosti hidrauličkog pogona su:
• moguće postizanje velikih sila,
• velika gustoća snage,
• jednostavno pretvaranje energije hidrauličnog fluida u mehanički rad,
• mala inercija
• automatsko prilagođavanje potrebne sile,
• moguće pokretanje pod punim opterećenjem,
• jednostavno i neprekidno podešavanje brzine, sile,momenata itd,
• lako se ostvaruje linearno kretanje,
• jednostavnost podmazivanje i odvođenje toplote,
• visoka pouzdanost u radu,
• visoka ekonomičnost u radu, jednostavno i jeftino održavanje.
Nedostaci hidrauličkog pogona obuhvaćaju:
• potrebno generirati (uskladištiti) hidrauličku energiju,
• potrebni su povratni vodovi,
• relativno visoka cijena uređaja i elemenata, specifičnost (male serije)
Postoje tri tipa linearnih cilindara:
· klip jednostrukog djelovanja,
· klip dvostrukog djelovanja i
· diferencijalni klip.
Slika 2.1.1 Kod cilindra jednostrukog djelovanja, razvijena sila je jednosmjerna
8. 5
Povratni uređaj (npr. opruga) osigurava povrat osovine klipa u početni položaj. Klip dvostrukog
djelovanja ima dvije komore u kojima se pritisak p1 i p2 može naizmjenično određivati (slika 7.8). Treba
obratiti pažnju da prisustvo klipne osovine samo u jednoj komori znači da je klip asimetričan u odnosu
na pritisak koji je potreban da se dobije isto kretanje nadesno i nalijevo. Slika 7.7. Hidraulični cilindar
jednostrukog djelovanja
Slika 2.1.2 Hidraulični cilindar dvostrukog djelovanja
Za dugi hod klipa koristi se diferencijalni klip (slika 7.9). Poprečni presjek s osovine klipa jednak je
polovini površine tijela klipa S, odnosno S = 2s. Razvijena sila je: F = s(2p – pa)
Slika 2.1.3 Hidraulični diferencijalni cilindar
2.1.1. Obrtni (zakretni) motori
Moguće je na mehanički način transformisati linearno kretanje hidrauličkog klipa u obrtno kretanje.
Postoji, međutim tip klipa koji je napravljen da rotira. To je obrtni klip (slika 7.10).
Slika 2.1.4 Hidraulični obrtni motor, Poprečni presjek hidrauličnog obrtnog motora
9. 6
Najjednostavnija verzija sastoji se od cilindra s fiksnim zatvaračem. Unutar njega obrće se mobilni
zatvarač koja čini cjelinu s izlaznom osovinom. Hod klipa je ograničen dimenzijama zatvarača na oko
330 stepeni.Pored obrtnog motora (pumpe) postoje još aksijalnoklipni, radijalnoklipni i zupčasti
hidraulični motori (pumpe). Pošto se hudrauličke pumpe ne koriste često kao motori za robote,
nećemo ih dalje opisivati.
2.1.2. Razvodnici
Razvodnici su ustvari ventili koji prespajaju vodove između izvora napajanja i radnih jedinica. Tip
razvodnika definisan je brojem priključnih mjesta i brojem radnih položaja.
Slika 2.1.5 Hidraulični razvodnik
Tipičan primjer razvodnika prikazan je na slici. Uloga ovog razvodnika je da se mjeri protok q koji ulazi
u komoru s poznatim pritiskom [(pa + pb/2]. Kao što je prikazano na klipovi dužine d podešavaju se
otvor dužine d’, a mogu se pojaviti tri različite situacije:
d = d’ (razvodnik bez isticanja ili povraćaja),
d > d’ (razvodnik s povraćajem) i
d < d’ (razvodnik s isticanjem).
Slika 2.1.6 Hidraulični razvodnici
Dijelovi hidrauličkog sistema moraju postojati povratni vodovi za ulje od aktuatora prema spremniku,
jer za razliku od zraka, ulje ne možemo ispuštati u atmosferu. Hidraulični aktuatori mogu biti linearni
cilindri (jednoradni, dvoradni i teleskopski) kao kod pneumatskog pogona i zakretni motori.
10. 7
2.2. Princip rada
Cilindar sa klipom prikazan je na slici.Napajanje se vrši hidrauličkim uljem veoma male stišljivosti. Ulje
se pod pritiskom dovodi na ulaz tada će se klip pomjeriti udesno. Zapremina V1 će se povećavati, a V2
smanjivati. Kroz izlaz oticaće ulje iz cilindra.Protok i razlika pritisaka određuju ne samo smjer već i
brzinu kretanja klipa. Klip dalje vezujemo za određene spoljašnje mehanizme koje želimo pokrenuti i
koje nazivamo spoljašnjim opterećenjem (npr. zglob robota). Na istom principu moguće je ostvariti i
obrtno kretanje. Umjesto klipa postoji rotor sa krilima. Tako, ostvarujući pritisak na krilo rotora,
dobijamo obrtno kretanje.
Slika 2.2.1 Izrezani dijagrami aktuatora hidrauličnih cilindara koji prikazuju radne dijelove
komponenata
Posmatrajmo dinamičku ravnotežu klipa u cilindru. Neka su p1 i p2 pritisci ulja sa jedne i druge strane
klipa, a A slobodna površina klipa (jednaka sa obje strane). Tada na klip deluje sila pritiska
gde je pd=p1-p2 razlika pritisaka (diferencijalni pritiska). Ovoj sili suprotstavlja se inercijalna sila klipa ,
gde je m masa, w ubrzanje, a s koordinata pomeranja klipa .Zatim se suprotstavlja sila viskoznog trenja
FT = B , gde je B koeficijent. Konačno, sili F se suprotstavlja sila FM,koja predstavlja izlaznu silu
hidrauličnog pogona. Dinamička ravnoteža data je izrazom
11. 8
Ako posmatramo protok ulja kroz cilindar i označićemo ga sa Q. Zapreminski protok definišemo kao
količnik protekle zapremine ulja i vremena. Za cilindrične zapremine, ovaj količnik će postati proizvod
površine poprečnog preseka i brzine. Međutim, zbog curenja i zbog sabijanja (kompresije) ulja, ovom
protoku će se dodati dopunski sabirci: zbog curenja i zbog kompresije. Curenje ulja je posledica pritiska
i zato uvodimo koeficijent curenja (c) kao protok curenja za jedinični pritisak. Curenje dijelimo na
unutrašnje i spoljašnje. Unutrašnje predstavlja prolaz ulja pored klipa, sa jedne strane na drugu, i
dešava se unutar cilindra. Spoljašnje curenje predstavlja prolaz ulja pored vodica u spoljašnju sredinu.
Tako je koeficijent , gde je cu koeficijent unutrašnjeg, a cs spoljašnjeg curenja. Za kompresiju ulja treba
reći da je mala i da koeficijent stišljivosti β zavisi od procenta vazduha u ulju. Sada za protok možemo
napisati
V predstavlja ukupnu zapreminu tj. V = V1 + V2 (što uključuje cilindar, cijevi, servorazvodnik). Protok
se, kako je već rečeno, reguliše servorazvodnikom. Nelinearna statička karakteristika servorazvodnika
(protok u funkciji pritiska) ima oblik
Gdje je :
z- pomijeranje klipa servorazvodnika,
sgn (z) - njegov znak (+ ili -),
pn- pritisak napajanja,
w- gradijent povećanja površine sa pomeranjem klipa,
ρ-gustinu ulja i
D- bezdimenzioni koeficijent.
2.3. Način postavljanja motora
Oni se uglavnom postavljaju u zglobove robota gde bez reduktora ostvaruju traženi pogonski mo-
menat. To je moguće zahvaljujući velikom izlaznom momentu i maloj brzini ovih motora. Može se još
reći da postoje i takozvani brzohodni hidraulični motori koji se odlikuju velikom brzinom i manjim
izlaznim momentom.Posmatrajmo zglob "j" robota. Neka je u pitanju rotacioni zglob pokretan
rotacionim hidrauličnim motorom. Izlazni momenat motora (Pmj) je jednak pogonskom momentu u
zglobu (Pj) ukoliko je veza direktna. Tako je:
Ako je veza ostvarena preko para zupčanika odnosa tada je:
Slično važi i za vezu obrtanja motora (ugao ) i obrtanja zgloba (ugao ). Ako je veza direktna tada je:
12. 9
a ako postoji zupčasti par tada je:
Slika 2.3.1 Pogon translatornog zgloba
Veća raznolikost je u slučaju primene hidrauličnih cilindara dakle motora koji proizvode translatorno
kretanje. Prikazaćemo to sa nekoliko primjera.
U prvom primjeru translatorni zglob S3 jednog zamišljenog robota. Sam zglob realizovan je u vidu
jednog duguljastog segmenta koji se izvlači kroz odgovarajuće ležište postavljeno na segmentu 2.
Hidraulični motor M3 direktno pokreće zglob tako što je cilindar vezan za segment 2, a klip za segment
3. Očigledno da je ovde izlazna sila klipa, u stvari, pogonska sila zgloba, a pomjeranje u zglobu jednako
je pomjeranju klipa.
Sljedeći primer predstavlja jedno rješenje pogona rotacionog zgloba. Neka je to neki zglob (sl. 2.3.2(a)).
Cilindar se vezuje za segment "j-1" a klip za segment "j"na način prikazan na slici. Ovo je vrlo čest način
postavljanja hidrauličnih cilindara. Karakteristično je da postoji nelinearna veza između kretanja klipa
(pomeranje sj) i obrtanja zgloba (ugao qj )kao i između pogonske sile klipa (FMj) i odgovarajućeg
momenta oko ose zgloba (Pj). Druga mogućnost za pogon rotacionog zgloba prikazana je na slici
2.3.2(b). U pitanju je pogon preko zupčaste letve. U ovom slučaju veza između kretanja klipa i obrtanja
zgloba je linearna. Primer je dat za slučaj pokretanja prvog zgloba S1.
13. 10
Slika 2.3.2 Dve mogućnosti pogoni rotacionog zgloba
3.Primjena hidraulicnih robota
Hidraulični pogoni se još uvijek koriste kad su u pitanju nosivosti veće od 100 kg. U principu idndustrijski
roboti sa hidrauličnim aktuatorom, koristi se kod manipulacije tereta velikih težina koji obezbjeđuje
potrebnu snagu, veoma tačno izvršava pozicioniranje, ali problem su male brzine. Obzirom da se radi
o manipulaciji sa velikim težinama, male brzine nisu problem zbog pojave inercijalnih sila.
Hidraulični roboti se mogu koristiti u:
- livačnici,
- kovačnici,
- montaži i sl.
Slika 3.1.1 Industrojski roboti
14. 11
4. Zaključak
U skorijem periodu robotika kao nauka je doživjela svoj procvat i roboti su postali svakodnevnica u
razvijenim proizvodnim pogonima. Različite industrijske primjene robotike trebaju pristupačne sisteme
s velikom mogućmošću nošenja tereta koji su kompaktni i pružaju pouzdanu silu tamo gdje je to
potrebno.Tri glavna tipa aktuatora koji pokreću robotski sistem mogu biti pneumatski, hidraulički i
električni, i kao takvi moraju ispuniti odredjene zahtjeve u pogledu male tezine i zapremine,veci obrtni
momenti itd.
Hidraulički aktuatori rade na bazi kopripiranog ulja,koji pod pritiskom ulazi u razvodnik pri čemu protok
i razlika pritisaka odredjuje smjer i brzinu kretanja klipa.Hidraulični pogon omogućuje postizanje
visokog pritiska u cilindru, a time i velike sile u zglobovima robota. Ovaj pogon ima ograničenu
maksimalnu brzinu klipa u cilindru pa je iz tog razloga ograničena i brzina robota i koristi se kada je u
pitanju nosivost veća od 100 kg.Primjena industrijskih robota sa hidrauličkim aktuatorom našli su veliku
primjenu u kovačnicama,livačnici i prilikom montaže.
