Flexible Automation & Robotics Solutions by: Hossein Majdfar_Lecture#10

 

تعريف ربات صنعتی

 

هر بازوی مکانيکی قابل برنامه دهی و چند منظوره که برای جابه­جايی مواد، قطعات، ابزارها و يا دستگاه­های ويژه از طريق حرکت­های برنامه ريزی شده به منظور انجام مجموعه متنوعی از کارها مورد استفاده قرار می­گيرد، «ربات­» ناميده می­شود. البته تعاريف ساده تری نيز ارائه شده­اند؛ مانند: « نيروی همراه با هوشمندی».

يک ربات صنعتی، دستگاهی است که از اجتماع تعدادی مفصل متصل به يکديگر، تشکيل شده است و با کنترل قابل برنامه ريزی و کار اندازها به نقاط مطلوب حرکت داده می­شود تا وظايف گوناگونی را انجام دهد. ربات­ها بر حسب تعداد حسگرها، رايانه و قابليت­های خاصی که دارند، کاربردهای گسترده­ای از ماشين­های ساده گرفته تا سامانه­های بسيار پيچيده و هوشمند دارند.

 

Flexible Automation & Robotics Solutions by: Hossein Majdfar_Lecture#9

 

ساختار يک ربات صنعتی

 

يک ربات­ صنعتی، سامانه­ای پيچيده شامل چندين زير مجموعه است که درون يک سازه فيزيکی گرد آمده­اند. هر يک از اين زير مجموعه­ها عمليات خاص خود را که به صورت دقيق تعريف شده است انجام می­دهد و در عملکرد کلی يک ربات صنعتی سهم دارد. سه مورد از اين زير مجموعه­ها که بيشترين اهميت را دارند عبارتند از:

 

سينماتيک:

که به چيدمان مکانيکی محورهای حرکت بستگی دارد و اين که با چه ساختاری و در چه زنجيره حرکتی نسبت به هم قراردارند. چهار گونه اصلی حرکت که سينماتيک زبات اجازه آن را می­دهد عبارتند از: کارتزين، استوانه­ای، قطبی و مفصلی.

 

سامانه کنترل:

که انعطاف پذيری و بازده ربات را در حضور مجموعه محدوديت­هايی که از طراحی سازه مکانيکی ربات سرچشمه می­گيرد، مشخص می­سازد و يک زنجيره منطقی از فرمان­ها برای ربات فراهم میآورد.  اين سامانه، مقادير تئوری موقعيت نقاط را برای هر مرحله از حرکت تعيين و به کاراندازها ارسال می­کند و به طور پيوسته موقعيت واقعی را اندازه­گيری و تصحيح می­کند.

 

کاراندازها:

که توان الکتريکی دريافت شده را به انرژی جنبشی تبديل می­کند تا ربات قادر به حرکت باشد. اصلی ترين گونه­های سامانه­های محرک شامل انواع الکتريکی، بادی و هيدروليکی می­شود.

 

Flexible Automation & Robotics Solutions by: Hossein Majdfar_Lecture#8

 

روش انتخاب و سفارش ربات

 

به هنگام انتخاب يک ربات­ بايد دقت زيادی به کار برد تا خواص آن ربات با نيازمندی­های فعاليت­هايی که بايد صورت پذيرند، همخوانی داشته باشد. به طور کلی بسته به محل استفاده از ربات­ها در محيط­های صنعتی، آزمايشگاهی، متحرک، نظامی، امنيتی، خدماتی، تفريحی، خانگی و شخصی، ملاحظات متفاوتی را بايد در نظر گرفت.

نوع کاربرد، ابعاد ربات، قابليت­های کنترل­کننده، قابليت­های ساز و کار حرکتی، سرعت، شتاب، دقت، ظرفيت بار، هندسه فضای کاری و قيمت مناسب، از جمله مهم­ترين عوامل تعيين­کننده در انتخاب و سفارش يک ربات صنعتی است. اين فرايند برای هر يک از عوامل نامبرده، از روی جداولی صورت می­پذيرد که به صورت تجربی به دست آمده­اند. در اين­گونه جداول معمولاً بيشترين بار مجاز برای محدوده دسترسی مدل­های مختلفی از ربات­های يک توليدکننده، برای هر مدل به صورت يک «منطقه مجاز» نشان داده میشود.

 

Flexible Automation & Robotics Solutions by: Hossein Majdfar_Lecture#7

 

کاربری ربات­ در صنعت خودرو

 

از جمله مهم ترين بخش­های صنعت خودرو که کاربرد ربات­ در آنها چشمگيرتر است، می­توان موارد زير را نام برد:

 

Press Shop

که در آن ورق­های فلزی به قطعات مختلف بدنه خودرو تبديل می­شوند.

 

Body-in-white Shop

که در آن قطعات مختلف بدنه خودرو به يکديگر جوش داده می­شوند.

 

Paint Shop

که در آن بدنه کامل، آب بندی و سپس رنگ می­شود.

 

Power-train Shop

که در آن موتور و سامانه انتقال توان خودرو به بدنه رنگ شده افزوده می­شود.

 

Trim & Final Assembly Shop

که در آن تزئينات داخلی اتاق در جای خود نصب می­شود.

 

سلول­های کوچکتر رباتيک نيز در جاهای مختلف مانند کارگاه ريخته گری، کارگاه آبکاری، کارگاه موکت بری، کارگاه ساخت بردهای الکترونيکی و ... نصب و راه اندازی شده­اند.

 

Flexible Automation & Robotics Solutions by: Hossein Majdfar_Lecture#5

 

کاهنده سرعت با محرک هارمونيک

 

تاريخ پيدايش جعبه‎دندة كاهندة سرعت به دوهزار سال پيش باز مي‌گردد. نخستين پيشينة ثبت شده دربارة جعبه‎دنده‌هاي كاهندة سرعت در نوشته‌هاي مهندسي رومي به نام «وتيروويوس» به دست آمده كه در قرن يكم پيش از ميلاد زندگي مي‌كرده است. او دربارة چرخدنده‌هايي با دندانه‌هاي چوبي توضيح داده است كه با چرخ‎هاي گردان داخل آب، درگير مي‎شده‌اند و از اين محرك براي آسياب كردن غلات استفاده مي‌كرده‌اند. اين جعبه دنده‌ها قادر بودند سرعت را به نسبت 5 به 1 كاهش دهند. البته در حدود 300 سال پيش از ميلاد مسيح نيز ارشميدس، دربارة چرخدنده‌هاي ساخته شده از برنز، يادداشتهايي كوتاه نوشته است.

در سال 1556، فيزيكداني اهل ساكسون (شمال آلمان كنوني) به نام «آگريكولا» دربارة يك چرخ چاه چرخدنده‌دار توضيحاتي داده است كه با اسب به حركت درآمده و مي‌توانسته بارهاي سنگين را از معادن واقع در «بوهميا» بيرون بكشد. چرخدنده‌هاي قدرتمند چدني نخستين بار در ميانه‌هاي سدة هجدهم ميلادي ساخته شدند ولي پيش از آن، چرخدنده‌ها كه براي استفاده در ماشين آلات كوچك، ساعتها و تجهيزات نظامي ساخته مي‌شدند، از جنس برنج يا ساير آلياژهاي رايج بودند.

سامانة كاهندة سرعت با محرك هارمونيك در دهة 1950 م. در سازمان ملي ماشين‌‌آلات توليد كفش شهر بورلي ماساچوست اختراع شد. ژاپني‌ها با خريد امتياز توليد اينگونه محرك به ساخت آن مبادرت نمودند. اين محرك‎ها در بسياري از دستگاه‎هاي دقيق براي كاربردهاي بدون لقي مورد استفاده قرار گرفته‌اند كه از آن جمله مي‌توان به جعبه دندة محورهاي 5،4 و6 ربات‎هاي صنعتي مفصلي، ماشين‎هاي ابزار و تجهيزات دقيق نظامي و فضايي اشاره نمود.

هر محرك هارمونيك از سه بخش اصلي تشكيل يافته است كه شامل خورشيدي صلب دايره‌اي با دندانه‌هاي داخلي، هزارخار منعطف استوانه‌اي با دندانه‌هاي خارجي كه قطر خارجي آن اندكي كوچكتر از قطر داخلي خورشيدي است و سرانجام، يك بلبرينگ مولد موج كه درون يك پوستة بيضوي محكم شده است و نقش يك مبدل گشتاور پربازده را بر عهده دارد.

سه بخش نامبرده به صورت زير، نسبت دور ورودي به خروجي را فراهم مي‌آورند:

قطر هزار خار اندكي از قطر خورشيدي كمتر است و معمولاً دو دندانه كمتر از خورشيدي دارد. شكل بيضوي مولد موج، سبب مي‌گردد دندانه‌هاي هزارخار در امتداد محور اصلي بيضي در 2 منطقة روبه‎روي هم با خورشيدي درگير باشند.

چنانچه مولد موج دوران كند، ناحيه‌اي كه دندانه‌هاي هزارخار با خورشيدي درگير هستند در امتداد محور اصلي بيضي باقي مي‌ماند.

به ازاي هر 180 درجه گردش ساعتگرد مولد موج، هزارخار نسبت به خورشيدي به اندازة يك دندانه، پادساعتگرد مي‌چرخد.

بنابراين هر گردش كامل مولد موج به صورت ساعتگرد معادل است با گردش پادساعتگرد دو دندانه از هزار خار نبست به موقعيت پيشين خود در برابر خورشيدي. اكنون مشخص مي‌گردد كه اختلاف دو دندانه كمتر در هزارخار نسبت به خورشيدي چه كاهش دور قابل توجهي را سبب مي‌گردد.

 

Flexible Automation & Robotics Solutions by: Hossein Majdfar_Lecture#4

 

كار اندازها در رباتيک (Robots’ Actuators)

 

در حالت كلي، كارانداز دستگاهي است كه انرژي را به كار تبديل مي‌نمايد. در دانش رباتيك، كارانداز به دستگاهي گفته مي‌شود كه با دريافت انرژي از منبع انرژي و اعمال نيرو و يا گشتاور سبب مي‌گردد تا بازوي مكانيكي ربات به صورت يك جسم صلب به حركت درآيد و به هدف از پيش تعيين شده برسد.

كاراندازها مي‌توانند نيرو يا گشتاور را هم به صورت مستقيم به مفاصل ربات منتقل كنند و هم به كمك سامانه‌هاي انتقال توان (جعبه دنده و ...) نيرو يا گشتاور را به طور غير مستقيم انتقال دهند.

               

انواع كاراندازها بر پايه چگونگي حركت

از اين ديدگاه، دو گونه كارانداز وجود دارد: يكي كاراندازي كه حركت خروجي آن خطي (رفت و برگشتي) است و ديگري داراي حركت خروجي زاويه‌اي (دوراني) است. بيشتر كاراندازهاي الكتريكي در خروجي خود داراي حركت دوراني هستند.

 

انواع كاراندازها بر پايه توان دريافتي

از اين ديدگاه، دو گروه كارانداز وجود دارد: الكتريكي و مكانيكي كه كاراندازهاي مكانيكي، خود شامل دو دسته بادي (Pneumatic) و هيدروليكي (Hydraulic) هستند.

روشن است كه بر پايه نوع توان دريافتي، ساز و كار (Mechanism) توليد حركت نيز فرق مي‌كند كه در هر مورد، مزايا و معايبي وجود دارد كه سبب مي‌گردد تا هر كاراندازي براي كاربردهاي ويژه‌اي مناسب باشد. همچنين كاراندازهايي يافت مي‌شوند كه از تركيب دو يا چند گونه توان دريافتي، خروجي خود را توليد مي‌كنند، مانند كاراندازهاي الكترونيوماتيكي و يا الكتروهيدروليكي.

كاراندازهاي الكتريكي رايج‌ترين موارد به كار رفته براي تحريك بازوهاي مكانيكي ربات‌ها را تشكيل مي‌دهند. منبع توان آنها، انرژي الكتريكي است. بنابراين تبديل انرژي الكتريكي به انرژي مكانيكي، فرايندي است كه در اين گونه كاراندازها صورت مي‌پذيرد.

نكته مهم درباره كاراندازهاي الكتريكي آن است كه با وجود اين كه نسبت توان به وزن در اين موتورها به بزرگي دستگاه‌هاي نيوماتيكي يا هيدروليكي نيست، كنترل‌پذيري و سادگي اتصال آنها كاربردشان را براي بازوهاي كوچك و متوسط مناسب مي‌سازد.

به عنوان مزيت‌هاي درخور توجه اين كاراندازها مي‌توان موارد زير را نام برد: دقت بالا، بازدهي زياد، سر و صداي كم، تميزي، ارزان بودن، وزن و حجم كم، تعمير و نصب آسان، سرعت بالا و قابليت كنترل‌پذيري خوب با رايانه.

مهم‌ترين معايب كاراندازهاي الكتريكي نيز از اين قرارند:

نياز به ترمز كردن براي قفل شدن در موقعيت فعلي.

نياز به وسايل انتقال توان مكانيكي هم از نظر تبديل حركت دوراني آنها به حركت خطي و هم از ديدگاه كم كردن سرعت.

جرقه‌زدن و برق گرفتگي كه كاربرد آنها را در محيط‌هاي قابل انفجار محدود مي‌سازد. ضمن آن كه در محيط كارخانه بايد براي خطوط انتقال برق، ايمني بالايي را در نظر گرفت تا كارگران از خطر برق گرفتگي در امان باشند.

 

Flexible Automation & Robotics Solutions by: Hossein Majdfar_Lecture#3

 

بازسازی يک ربات صنعتي

 

يک ربات نيز مانند هر دستگاه ديگری، پس از چند سال کار مداوم در خط توليد نيازمند تعميرات اساسی (Overhaul) است تا دوباره به مشخصات نامی خود در زمان ساخت باز گردد. اين کار با تعويض قطعات فرسوده يا در شرف خرابی و جايگزينی هر يک از آنها با قطعة نو انجام می‎پذيرد. پيش ار آغاز فرايند بازسازی، با وارسی مقدماتی مشخص می‎شود که آيا ربات قابل بازسازی است و يا اين که بهتر است از قطعات سالم آن به عنوان «لوازم يدکی» استفاده شود و بقية قطعات کنار گذاشته شوند. برای بازسازی يک ربات، نخست محرکها (Drives) از روی آن باز می‎شوند. سپس قطعات جعبه‎دنده از بازوی مکانيکی جدا می‎شوند. آنگاه قطعات تشکيل‎دهندة بازوی مکانيکی (Manipulator) تا رسيدن به کوچکترين قطعه از هم باز می‎شوند؛ در اين جا منظور از کوچک‎ترين قطعه، مجموعه‎ای است که ديگر نتوان بدون خراب کردنش آن را از هم باز کرد! قطعات باز شده مورد بازبينی قرار می‎گيرند تا در صورت مشاهدة فرسودگی در آنها با قطعة نو جايگزين شوند. تقريباً تمامی بلبرينگ‎ها، شيرها، اُرينگها و آب‎بندها تعويض می‎شوند. هر قطعه‎ای از ديدگاه پوسيدگی، به دقت مورد آزمايش و بررسی قرار می‎گيرد و حتی در برخی موارد، چرخدنده‎های جعبه‎دنده هم تعويض می‎شوند. قطعات سالم نيز تميز و دوباره روغن‎کاری می‎شوند. عمليات تميزکاری برای هر قطعه، بسته به نوع آن با مواد شيميايی ويژه‎ای انجام می‎پذيرد. مجموعة بازسازی شده با وضع جديد بر روی ربات نصب می‎شود. به دليل حساسيت کار و ظرافت برخی از قطعات ربات، فرايند بازسازی نيازمند مهارت و تخصص ويژه‎ای است تا ربات بازسازی شده بتواند به معيارهای عملکردی مورد نياز چنين سامانة ظريف و دقيقی نائل شود.

برای سرهم بندی دوبارة رباتهايی از سازندگان متفاوت،  فرايند مشابهی انجام می‎پذيرد. نخست محور اول ربات بر روی يک پاية زمينی نصب می‎شود. بعد از آن، کابلهای برق جاسازی می‎شوند و روکش محفظه در جای خود قرار می‎گيرد. سپس محور دوم به اين مجموعه افزوده مي‎شود. بقية بخشها نيز ضميمه می‎شوند تا بازوی مکانيکی ربات کامل شود. آنگاه علائم تنظيمی صفر مکانيکی ربات در محلهای اصلی خود قرار می‎گيرند و برچسبهای راهنما نيز چسبانده می‎شوند. محورهای 4، 5 و 6 نيز که مچ ربات را تشکيل می‎دهند، به عنوان يک زيرمجموعة مونتاژی، بسته می‎شوند. اکنون نوبت آن است که ياتاقانها، موتورها و ترمزهای بازسازی شده‎شان در جای خود نصب شوند که عمليات دقيق و مهمی هم هست.

در بخش ديگری از کارگاه بازسازی، کابينتهای مربوط به کنترلر رباتها تخليه و تميز می‎شوند تا پس از رنگ‎آميزی، اتصالات و پايانه‎های برق که بازسازی شده‎اند، همراه با بردهای الکترونيکی بازبينی شده در داخل آنها جای داده شوند.

به طور کلی، فرايند بازسازی بايد به گونه‎ای سامان داده شود که بتوان صحت کارکرد ربات بازسازی شده را پس از ترک کارگاه، به مدت دست کم يک سال گارانتی نمود. با رعايت دقيق مراحل پياپی چنين فرايند حساسی می‎توان يک ربات را به گونه‎ای بازسازی نمود که 75 تا 80 درصد عمر مفيد تعريف شده برای آن را دوباره بازيابد. اين درحالی است که هزينة يک ربات کهنه، تنها نيمی از هزينة جايگزينی آن  را با يک ربات نو دربر دارد. اين اختلاف قيمت برای کارخانه‎هايی که چندين هزار ربات را به کار گرفته‎اند، رقم قابل ملاحظه‎ای است.