Roboty przemysłowe znajdują swoje zastosowanie w każdego rodzaju produkcji. Wykorzystanie maszyny, w zamian za pracę człowieka pozwala znacznie przyśpieszyć i zoptymalizować dany proces produkcyjny. Możliwość przemieszczania się elementów roboczych danego robota zapewnia jego zespół napędowy. Dla każdego stopnia swobody robota przydzielony jest oddzielny napęd do zmiany współrzędnych jego położenia.
W zależności od rodzaju energii wykorzystanej do uruchomienia poszczególnych mechanizmów wyróżnić można trzy główne napędy robotów:
– napędy elektryczne,
– napędy elektrohydrauliczne,
– napędy pneumatyczne.
Typ zastosowanego napędu wynika głównie z konstrukcji oraz przeznaczenia robota. Przy wyborze należy zwrócić uwagę na charakter i wielkość obciążenia napędu, parametry kinematyczne robota (np. prędkość, dokładność pozycjonowania, przyśpieszenie), fizyczne cechy obiektu manipulacji oraz warunki pracy robota (np. strefa zagrożona wybuchem, wysoka temperatura pracy). Charakterystyki energetyczne, dokładnościowe i dynamiczne robotów w znacznym stopniu zależą od zastosowanego napędu, któremu stawiane są poszczególne wymagania:
– duża dokładność pozycjonowania elementu roboczego robota
– dobra jakość procesów dynamicznych,
– praca ze znacznymi obciążeniami,
– długotrwała praca w stanie bezruchu elementu roboczego,
Napędy elektryczne
Obecnie większość występujących na rynku robotów wyposażona jest w napędy elektryczne. Cechują się wysoką całkowitą sprawnością przetwarzania energii co powoduje ich powszechne zastosowanie w robotyce. Wśród stosowanych obecnie rozwiązań napędów elektrycznych robotów przemysłowych należy wymienić:
– napędy prądu stałego z komutatorowymi silnikami prądu stałego,
– napędy prądu stałego z wysokomomentowymi silnikami prądu stałego,
– napędy prądu stałego z bezszczotkowymi silnikami prądu stałego,
– napędy prądu przemiennego z silnikami asynchronicznymi i synchronicznymi,
– napędy z silnikami skokowymi (krokowymi).
Zalety napędów elektrycznych:
– mały koszt uzyskiwanej energii i proste doprowadzenie energii do silników,
– niezmienność parametrów pracy,
– zwarta konstrukcja silników i małe wymiary urządzeń sterujących,
– cicha praca (niski poziom szumu i wibracji),
– brak zanieczyszczenia otoczenia,
– bezpieczeństwo pracy,
– duża szybkość działania i wysoka dokładność przemieszczeń
– eksploatacja bez nadzoru i obsługi
Wady napędów elektrycznych:
– ograniczona trwałość szczotek w komutatorach silnika prądu stałego,
– wysoki koszt zakupu,
– ograniczone wykorzystanie w środowisku zagrożonym wybuchem,
– występowanie dodatkowych przekładni między silnikiem elektrycznym a elementem wykonawczym robota.
Napędy elektrohydrauliczne
Napędy elektrohydrauliczne robotów przemysłowych działają w większości przypadków jako serwonapędy. W skład napędy wchodzi: źródło cieczy roboczej o stabilizowanym ciśnieniu, układ serwozaworów oraz siłowniki hydrauliczne.
Zalety napędów elektrohydraulicznych:
– duża szybkość działania,
– wykorzystanie cieczy praktycznie nieściśliwej jako czynnika roboczego, umożliwiające uzyskanie wysokiej stabilności prędkości w przypadku znacznych zmian obciążeń, dużej dokładności pozycjonowania,
– bezstopniowa regulacja prędkości elementu wyjściowego napędu,
– bardzo dobre własności dynamiczne,
– mała masa przypadająca na jednostkę mocy,
– łatwość sterowania,
– możliwość uzyskiwania małych prędkości ruchu elementu wykonawczego bez konieczności stosowania przekładni,
– spokojny i płynny ruch,
– mała wrażliwość na zmiany obciążenia i przeciążenia,
– duży współczynnik wzmocnienia mocy (ponad 1000),
– wysoki współczynnik sprawności przy różnych sposobach regulacji,
– duża trwałość (elementy napędu są smarowane przez czynnik roboczy),
– duże doświadczenie w zakresie budowy i eksploatacji napędów elektrohydraulicznych w wielu dziedzinach techniki,
– duży wybór typowych elementów hydraulicznych, wytwarzanych przez przemysł.
Wady napędów elektrohydraulicznych:
– konieczność stosowania układów zasilających (zasilaczy hydraulicznych),
– większy koszt energii niż w przypadku napędów elektrycznych,
– głośna praca, szczególnie przy dużych prędkościach obrotowych i ciśnieniach
– wrażliwość na zanieczyszczenie czynnika roboczego,
– możliwość występowania przecieków, ograniczających stosowanie w niektórych procesach produkcyjnych,
– niemożliwe zastosowanie robotów w środowisku zagrożonym pożarem lub wybuchem ograniczona trwałość cieczy roboczej (konieczność wymiany),
– ograniczony zakres temperatur pracy cieczy roboczej ( max 150⁰C),
– wysoka cena elementów napędu w stosunku do napędów elektrycznych i pneumatycznych.
Napędy pneumatyczne
Roboty przemysłowe z napędami pneumatycznymi charakteryzują się stosunkowo niewielkim udźwigiem. Głównym czynnikiem roboczym jest sprężone powietrze, które odpowiedzialne jest m.in. za przenoszenie energii i sygnałów sterujących. Elementem wykonawczym przeważnie jest siłownik pneumatyczny, którego skrajne położenia ramienia ustawiane są przez zderzaki i ograniczniki. Układ napędu pneumatycznego dzieli się na kilka bloków:
– blok przygotowania czynnika roboczego (sprężonego powietrza),
– blok sterowania przepływem sprężonego powietrza, (zawory rozdzielające sterowanie elektromagnetycznie)
– blok elementów wykonawczych (siłowniki pneumatyczne)
Zalety napędów pneumatycznych:
– prosta i niezawodna konstrukcja,
– duża prędkość elementu wyjściowego napędu (w przypadku przemieszczeń liniowych do 1 m/s, prędkości obrotowej do 60 obr/min) ,
– możliwość użycia sprężonego powietrza z zakładowej sieci,
– proste sterowanie sekwencyjne (pozycjonowanie odbywa się za pomocą zderzaków),
– możliwość pracy w środowisku agresywnym i zagrożonym pożarem,
– duży współczynnik sprawności (do 0,8),
– mały stosunek masy napędu do uzyskiwanej mocy,
– mały koszt napędu i eksploatacji,
– odporność na przeciążenia i wibracje.
Wady napędów pneumatycznych:
– niestałość prędkości członu wyjściowego napędu w przypadku zmian obciążeń, spowodowana ściśliwością czynnika roboczego,
– ograniczona liczba punktów pozycjonowania (najczęściej dwa punkty) w napędach
ze sterowaniem cyklicznym (zwiększenie liczby punktów pozycjonowania wymaga stosowania dodatkowych urządzeń pozycjonujących),
– konieczność wyhamowania członu wyjściowego napędu w końcowej fazie ruchu,
– głośna praca napędu.
Obecnie większość robotów wyposażona jest w napędy elektryczne i tylko w nielicznych robotach jest stosowany jedynie napęd pneumatyczny czy hydrauliczny. Najczęściej występuje połączenie dwóch rodzajów napędów. Przykładem może być zastosowanie napędów elektrycznych do głównych ruchów ramion robota a zarazem napędu pneumatycznego
do realizowania zadań chwytaka. W zależności od przeznaczenia i miejsca pracy robota dopierane są jego jednostki napędowe.
