ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΣΧΕ ΙΑΣΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ & ΤΜΗΜΑ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΤΟΥ ΑΛΕΞΑΝ ΡΕΙΟΥ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟΥ ΕΚΠΑΙ ΕΥΤΙΚΟΥ Ι ΡΥΜΑΤΟΣ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥ ΩΝ «Σχεδίαση διαδραστικών και βιοµηχανικών προϊόντων και συστηµάτων» Τσαγκάρης Απόστολος Συνεργασία Ροµποτικού συστήµατος και τρισδιάστατου ψηφιοποιητή CMM για ολοκληρωµένη αυτοµατοποίηση εφαρµογών αντίστροφης µηχανιολογίας και µηχανουργικών κατεργασιών CNC Μεταπτυχιακή εργασία που εκπονήθηκε στο εργαστήριο Ροµποτικής του Τµήµατος Αυτοµατισµού του Α.Τ.Ε.Ι.Θ. Επιβλέπων Καθηγητής: ρ Γωγούσης Αριστείδης Θεσσαλονίκη 2005
Περιεχόµενα 1 Πρόλογος...7 2 Περίληψη...8 3 Εισαγωγή...10 4 Ροµποτική...13 4.1 Γενικά...13 4.2 Χρήση Ροµποτικών συστηµάτων...14 4.3 οµή των Ροµποτικών Συστηµάτων...17 4.3.1 Ηλεκτροµηχανολογικός Εξοπλισµός...19 4.3.2 Συστήµατα χειρισµού...22 4.3.3 Συστήµατα ελέγχου...23 4.3.4 Κριτήρια Απόδοσης Ροµπότ...26 4.4 Πλεονεκτήµατα από τη Χρήση Ροµπότ...28 4.5 Μειονεκτήµατα από τη Χρήση Ροµπότ...29 5 Αντίστροφη Μηχανική...30 5.1 Συλλογή δεδοµένων...33 5.2 Προβλήµατα στη συλλογή στοιχείων....35 5.3 Εφαρµογές Αντίστροφης Μηχανικής...38 6 CAD (Computer Aided Design)...43 6.1 Σχεδίαση Επιφανειών...48 6.2 Εξειδικευµένες µέθοδοι εργασίας...48 6.3 Συγκολλήσεις...49 6.4 Καλωδιοδεσµοί και Σωληνώσεις...49 6.5 Μηχανολογικά Βοηθήµατα...49 6.6 Αισθητήρες σχεδιαστικών κανόνων....49 6.7 Ανάλυση κίνησης...50 6.8 Μηχανολογικό Εγχειρίδιο...50 7 CAΜ (Computer Aided Manufacturing)...52 8 Ροµποτικός βραχίονας «SCORBOT-ER Vplus»...57 8.1 Εισαγωγή...57 8.2 Κινητήρες...61 8.3 Encoders...61 8.4 Μικροδιακόπτες...62 8.5 Μετάδοση κίνησης...62 2
8.6 Αρπάγη...63 8.7 Έλεγχος του SCORBOT-ER...63 8.7.1 Χειριστήριο ελέγχου...63 8.7.2 Ελεγχος µέσω Η/Υ...64 9 Microscribe CMM...65 10 Lab Volt 5400 CNC Mill...70 11 Καθοδήγηση CMM από τον ροµποτικό βραχίονα...72 11.1 Συγκράτηση του CMM από την αρπάγη του ροµπότ...72 11.1.1 Μηχανισµός µε ενδιάµεση σύνδεση ελατηριωτής διάταξης...72 11.1.2 Μηχανισµός χωρίς ενδιάµεση σύνδεση ελατηριωτής διάταξης...75 11.1.3 ιάταξη συστήµατος αυτοµατισµού µε µέτρηση απόστασης µε τη βοήθεια αισθητηρίου...76 11.1.4 Μηχανισµός µε την χρήση σωλήνα διέλευσης της µετρητικής διάταξης...77 12 ProEngineer...79 12.1 To CAM στο ProEngineer...82 13 Μελέτη περίπτωσης...91 14 Πλεονεκτήµατα Μειονεκτήµατα χρήσης Robotics CMM...96 15 Συµπεράσµατα...98 16 Βιβλιογραφικές αναφορές...100 17 Ηλεκτρονικές Αναφορές...102 3
Περιεχόµενα Εικόνων Εικόνα 4-1 Νανοροµποτική...16 Εικόνα 4-2. Τηλεχειρουργική...17 Εικόνα 5-1. Σύστηµα ανίχνευσης µε λέιζερ (Tam, 2000)...34 Εικόνα 5-2. Ψηφιοποίηση βυζαντινών κειµηλίων...38 Εικόνα 5-3. Μοντελοποίηση άρθρωσης ισχύου...40 Εικόνα 5-4. Προσδιορισµός νέφους σηµείων από αξονικές τοµογραφίες...41 Εικόνα 5-5. Επεξεργασία νέφους σηµείων για τη δηµιουργία τελικού µοντέλου κρανίου...41 Εικόνα 5-6. Μοντέλο κρανίου...42 Εικόνα 6-1. Μοντέλο ροής φάσεων σχεδιασµού προϊόντος (Κίτσιος, 2000)...46 Εικόνα 8-1. Ροµποτικός βραχίονας...57 Εικόνα 8-2. Ροµποτικός βραχίονας SCORBOT-ER...58 Εικόνα 8-3. Ο φάκελος εργασίας από πάνω...59 Εικόνα 8-4. Ο φάκελος εργασίας από πλάγια όψη...59 Εικόνα 8-5. Κινητήρας...61 Εικόνα 8-6. Encoders...61 Εικόνα 8-7. Μικροδιακόπτης...62 Εικόνα 8-8. Μετάδοση κίνησης...62 Εικόνα 8-9. Αρπάγη...63 Εικόνα 8-10. Χειριστήριο ελέγχου...64 Εικόνα 9-1. Μέρη του Microscribe...65 Εικόνα 9-2. Αρχική θέση του Microscribe...66 Εικόνα 9-3. Το CMM στη Home Position...66 Εικόνα 9-4. Συνδεσµολογία του CMM...67 Εικόνα 9-5. Ακίδες συλλογής δεδοµένων...67 Εικόνα 9-6. Εφαρµογές χρήσεις...69 Εικόνα 10-1. CNC εργαλειοµηχανή...70 Εικόνα 11-1. Κίνηση ροµποτικού βραχίονα...72 Εικόνα 11-2. Μηχανισµός συλλογής δεδοµένων...73 Εικόνα 11-3. Αρχική θέση διαδροµής συλλογής δεδοµένων...73 Εικόνα 11-4. Πρώτη ενδιάµεση θέση διαδροµής συλλογής δεδοµένων...74 Εικόνα 11-5. εύτερη ενδιάµεση θέση διαδροµής συλλογής δεδοµένων...74 4
Εικόνα 11-6. Τελική θέση διαδροµής συλλογής δεδοµένων...75 Εικόνα 11-7. Μηχανισµός συλλογής δεδοµένων...75 Εικόνα 11-8. Πλάγια όψη µηχανισµού συλλογής δεδοµένων...76 Εικόνα 12-1. ηµιουργία νέου αρχείου...82 Εικόνα 12-2. Αρχικό τεµάχιο κατεργασίας (Workpiece)...83 Εικόνα 12-3. Machinetool setup...83 Εικόνα 12-4. Tooltable του ProE...84 Εικόνα 12-5. Operation Setup...85 Εικόνα 12-6. Κατεργασία τεµαχίου...86 Εικόνα 12-7. Επιφάνεια κατεργασίας...87 Εικόνα 12-8. Όρια επιφάνειας κατεργασίας...87 Εικόνα 12-9. Πρώτο στάδιο αποπεράτωσης επιφάνειας...88 Εικόνα 12-10. εύτερο στάδιο αποπεράτωσης επιφάνειας...88 Εικόνα 12-11. Τελικό στάδιο αποπεράτωσης επιφάνειας...88 Εικόνα 13-1. Μηχανισµός συγκράτησης του προς σάρωση αντικειµένου...92 Εικόνα 13-2. Ενδιάµεσος µηχανισµός συλλογής δεδοµένων µε προσαρµοσµένο το CMM...92 Εικόνα 13-3. Τροχιά του ροµπότ για τη συλλογή δεδοµένων...93 Εικόνα 13-4. Σαρωµένη επιφάνεια στο Autocad....94 5
Περιεχόµενα Κώδικα Κώδικας 12-1 Πρόγραµµα σε µορφή Apt...89 Κώδικας 12-2 Πρόγραµµα σε µορφή G-κώδικα...90 Κώδικας 13-1 Πρόγραµµα του ροµπότ για τη σάρωση της επιθυµητής επιφάνειας..91 Περιεχόµενα Πινάκων Πίνακας 8-1.Τεχνικά χαρακτηριστικά του SCORBOT - ER...60 Περιεχόµενα Σχηµάτων Σχήµα 5-1 ιάγραµµα ροής διαδικασιών αντίστροφης µηχανικής (Tam, 2000)...32 Σχήµα 5-2 Μέθοδοι συλλογής στοιχείων (Tam, 2000)...33 6
1 Πρόλογος Η εργασία που ακολουθεί είναι το επιστέγασµα των προσπαθειών µου για την απόκτηση του µεταπτυχιακού διπλώµατος µε τίτλο «Σχεδίαση διαδραστικών και βιοµηχανικών προϊόντων και συστηµάτων», που θεωρώ ότι ήταν η καλύτερη επιλογή που είχα τη δεδοµένη χρονική στιγµή για µεταπτυχιακές σπουδές. Στην προσπάθειά µου να αντεπεξέλθω των δυσκολιών που είχε αυτό το µεταπτυχιακό, είχα πολλούς συµπαραστάτες. Θα ήθελα λοιπόν να ευχαριστήσω πρώτα απ όλα την οικογένειά µου, τους γονείς και τους αδελφούς µου, και ιδιαίτερα τη σύζυγό µου Κατερίνα, η οποία µου συµπαραστάθηκε σε όλες τις στιγµές αυτής της προσπάθειάς µου και να αφιερώσω την εργασία στα δύο µου παιδιά Κωνσταντίνο και Κυριακή. Θα ήθελα επίσης να ευχαριστήσω τους καθηγητές µου που µε βοήθησαν και µε υποστήριξαν στο δύσκολο έργο µου και ιδιαίτερα τους κ.κ. Γωγούση Αριστείδη, και Τζιώνα Παναγιώτη, Καθηγητές του Τµήµατος Αυτοµατισµού του Αλεξάνδρειου Τεχνολογικού Εκπαιδευτικού Ιδρύµατος Θεσσαλονίκης (Α.Τ.Ε.Ι.Θ.). Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να επισηµάνω ότι ο κος Γωγούσης Αριστείδης, ο επιβλέπων καθηγητής της µεταπτυχιακής µου διατριβής, µε βοήθησε αφάνταστα στην ολοκλήρωσή της. Η συµβολή του ήταν καθοριστική για την επιτυχή εξέλιξη αυτής της εργασίας, υποδεικνύοντάς µου αρκετές φορές λύσεις σε σηµεία καίρια και ουσιαστικά, και για τον λόγο αυτό τον ευχαριστώ θερµά. Τέλος, ευχαριστώ τους φίλους και συνεργάτες µου για την ηθική συµπαράστασή τους σε όλη τη διάρκεια των µεταπτυχιακών µου σπουδών και ιδιαίτερα τις κ. Ι. Σιµέλλη και Χ. Χατζηγεωργίου για τη συµβολή τους στη δηµιουργία του DVD που συνοδεύει την παρούσα εργασία. 7
2 Περίληψη Σκοπός της εργασίας είναι να δείξει τη δυνατότητα που έχουν τα διάφορα συστήµατα αυτοµατοποιηµένης παραγωγής και λειτουργίας να επικοινωνούν µεταξύ τους και να συνεργάζονται ώστε να αποδίδουν καλύτερα. Ιδιαίτερη αξία παίρνει αυτή η προσπάθεια αν αναλογιστούµε ότι προσπαθούµε να θέσουµε σε συνεργασία συστήµατα τα οποία προέρχονται από τέσσερα διαφορετικά θεµατικά πεδία. Τα πεδία αυτά βέβαια δεν είναι εντελώς ξένα µεταξύ τους, αλλά τα έχουµε συνηθίσει έως τώρα να λειτουργούν αυτόνοµα και ανεξάρτητα, επιφέροντας βέβαια πολύ καλά αποτελέσµατα. Πρώτα έχουµε να κάνουµε µε τη ροµποτική, ένα κλάδο που αναπτύσσεται ραγδαία και που προσφέρεται για συνεργασία µε απεριόριστα θεµατικά πεδία. Στη συνέχεια έχουµε την αντίστροφη µηχανιολογία, που καλείται να εκτελέσει διαδικασίες ακριβώς αντίθετες από αυτές που έχουµε συνηθίσει έως τώρα. Έπειτα έχουµε τα CAD/CAM συστήµατα και τέλος τις CNC εργαλειοµηχανές που χρησιµοποιούνται ως τελικό στάδιο για την παραγωγή όσων έχουν αποτυπωθεί από τις προηγούµενες διαδικασίες. Προσπαθήσαµε να επιτύχουµε το συνδυασµό όλων αυτών µέσα από ένα σύστηµα στο οποίο ένας ροµποτικός βραχίονας συγκρατεί έναν τρισδιάστατο ψηφιοποιητή (CMM) µέσω ενός µηχανισµού συγκράτησης και σαρώνει κάποια επιφάνεια. Ο µηχανισµός βοηθάει ώστε να συλλέξουµε τα σηµεία στον χώρο. Προσδιορίζει, δηλαδή τα Ζ των σηµείων. Στη συνέχεια τα σηµεία που συλλέγουµε τα συνθέτουµε σε επιφάνεια µε τη βοήθεια του AutoCad, και µεταφέρουµε την επιφάνεια αυτή σε µορφή iges αρχείου στο CAD/CAM πρόγραµµα ProEngineer, για να γίνει το CAM και να παράξουµε το πρόγραµµα κοπής για την CNC εργαλειοµηχανή. Το πρόγραµµα αυτό το µεταφέρουµε σε µια CNC εργαλειοµηχανή τριών αξόνων και κόβουµε ένα κοµµάτι ώστε να δούµε την πιστότητα της επιφάνειας που παράγουµε σε σχέση µε την αντιγραφόµενη επιφάνεια. Θεωρώ πως σε πολύ µεγάλο βαθµό επιτεύχθηκε ο αρχικός µας σκοπός, κάνοντας πολύ λίγους συµβιβασµούς και παραδοχές σε σηµεία όπου συναντήσαµε 8
προβλήµατα που αναγνωρίσθηκαν, αλλά δεν ήταν δυνατόν να ξεπεραστούν µέσα στο χρονικό διάστηµα που απαιτούταν για την υλοποίηση µιας τέτοιας εργασίας. Στην προσπάθεια να γίνουν όλα τα παραπάνω συναντήσαµε αρκετά προβλήµατα, µερικά εκ των οποίων και παραθέτουµε παρακάτω. Ο ροµποτικός βραχίονας είχε ένα δύσχρηστο περιβάλλον προγραµµατισµού που δεν επέτρεπε τον εύκολο προγραµµατισµό του. Ήταν σε περιβάλλον DOS και η επικοινωνία του λογισµικού µε το ροµπότ, για ανταλλαγή δεδοµένων δεν ήταν εύκολη. Επίσης, εναλλακτικά, θα µπορούσε να είχε χρησιµοποιηθεί και ένα ροµπότ τύπου SCARA. Το υλικό από το οποίο ήταν φτιαγµένο το τεµάχιο που χρησιµοποιήσαµε για την κατεργασία (βιοµηχανικό κερί) ήταν αρκετά µαλακό και µας δηµιουργούσε προβλήµατα κατά τη διάρκεια της σάρωσης της επιφάνειας µε την ακίδα του CMM. εν υπήρχε η δυνατότητα αντικατάστασης της ακίδας διότι δεν υπήρχε κάποια διαθέσιµη από την κατασκευάστρια εταιρεία. Για το λόγο αυτό τοποθετήθηκε στην ακίδα ένα εξάρτηµα για να στρογγυλοποιηθεί το άκρο συλλογής δεδοµένων. Το κόστος για την προµήθεια του λογισµικού για την οδήγηση του CMM απευθείας από το ProEngineer ήταν πολύ υψηλό και έπρεπε να παραγγελθεί από την Αµερική και για το λόγο αυτό χρησιµοποιήθηκε το AutoCad. Το αντίστοιχο λογισµικό για το AutoCad υπήρχε διαθέσιµο από την εταιρεία Immersion στο διαδίκτυο και έτσι προτιµήθηκε η χρήση του για τη διεκπεραίωση της εργασίας. Υπήρχαν και κάποια άλλα λιγότερο σηµαντικά προβλήµατα, τα οποία όµως επιλύθηκαν ανάλογα. Αξίζει να σηµειωθεί ότι η εργασία συνοδεύεται και από ένα DVD όπου έχουν καταγραφεί και βιντεοσκοπηθεί λεπτοµερώς όλες οι διεργασίες που έλαβαν χώρα για την υλοποίηση της εργασίας. 9
3 Εισαγωγή Είναι γνωστό ότι ο σχεδιασµός προϊόντων συµβάλλει σε µεγάλο βαθµό στη βελτίωση της ανταγωνιστικότητας γιατί επιτρέπει τη µείωση του κόστους, την αύξηση της ποιότητας, και συχνά, τη µείωση του χρόνου που απαιτείται για να βγει το προϊόν στην αγορά Είναι φαινόµενο της ζωής και ειδικά της τακτικής που ακολουθείται στη βιοµηχανία να καθορίζονται τα πάντα από τις ανάγκες της αγοράς. Ο χρήστης είναι αυτός που καθορίζει τι είναι αυτό που θα δηµιουργήσουµε και πως, διότι ο χρήστης είναι αυτός που το ζητάει. Οι ανάγκες του πελάτη είναι αυτές που θα µας οδηγήσουν στο τι θα παραγάγουµε και πως. Είναι το λεγόµενο «The voice of the customer», δηλαδή η φωνή του πελάτη. Μέχρι πριν λίγα χρόνια, η διαδικασία σχεδιασµού και ανάπτυξης προϊόντων εστιαζόταν ουσιαστικά στον προσδιορισµό των χαρακτηριστικών που πρέπει να έχει ένα προϊόν ώστε να αποτελεί την ορθή απάντηση σε συγκεκριµένες λειτουργικές προδιαγραφές που καθορίζονται από τους περιορισµούς που επιβάλλουν οι παραγωγικές διαδικασίες, αλλά και οι ανάγκες. Ωστόσο, σύµφωνα µε τον Φ. Κίτσιο (2000), η διαδικασία σχεδιασµού εξετάζεται τώρα από µια ευρύτερη προοπτική: αντί να γίνεται απλή αναφορά στα ίδια τα χαρακτηριστικά των προϊόντων, λαµβάνονται υπόψη «εξωτερικοί» παράγοντες όπως: Οι απαιτήσεις των πελατών Η ποιότητα Η µείωση του κόστους παραγωγής και των ελέγχων Η διαδικασία συναρµολόγησης και διανοµής Οι περιβαλλοντικές συνέπειες πριν και µετά την παραγωγή Η εκ νέου χρήση αποσυναρµολογηµένων προϊόντων και η ανακύκλωση Η ασφάλεια, η υγιεινή, οι εργονοµικοί παράγοντες, κλπ. 10
Οι παράγοντες αυτοί πρέπει να ληφθούν υπόψη ήδη από την αρχική σύλληψη του προϊόντος ώστε να συµµορφώνονται µε τις δυναµικές που αναπτύσσονται στις πιο ανταγωνιστικές αγορές όσον αφορά στην τιµή, την ποιότητα και τον χρόνο διάθεσης στην αγορά των νέων προϊόντων. Η ανάπτυξη του προϊόντος δεν είναι µια στατική διαδικασία, αλλά συµµορφώνεται µέχρι την υλοποίησή του από συνεχείς παράγοντες. Οι µεταβαλλόµενες απαιτήσεις των πελατών πρέπει επίσης να ικανοποιούνται, παράγοντας που εµπλέκει νέες κοινωνικές αντιλήψεις όπως το ενδιαφέρον για το περιβάλλον. Όλα αυτά έχουν άµεση επίδραση στον τρόπο µε τον οποίο πρέπει να σχεδιάζονται, να παράγονται και να ανακυκλώνονται τα προϊόντα, και µας υποδεικνύουν νέους τρόπους θεώρησης της ιαδικασίας Ανάπτυξης Προϊόντων συµπεριλαµβανοµένου φυσικά και του σχεδιασµού- καθώς και όλων των σχετικών τεχνικών και τεχνολογιών. Η νέα αυτή προοπτική στον σχεδιασµό έχει σηµαντικά συνεπακόλουθα: α) Το νέο προϊόν πρέπει να ικανοποιεί ταυτόχρονα πολυάριθµα κριτήρια. β) Τα κριτήρια αυτά πρέπει να λαµβάνονται υπόψη κατά τη σύλληψη του προϊόντος. Συνεπώς, καθένα από αυτά πρέπει να αναγνωρίζεται, να γίνεται σαφές και να συνδέεται µε τα υπόλοιπα. Πρέπει να αναλύονται οι συνδυασµένες δράσεις και οι περιορισµοί που µπορεί να προκύψουν µεταξύ των κριτηρίων αυτών καθόλη τη διάρκεια ζωής του προϊόντος. γ) Συνεπώς, ο σχεδιαστής δεν µπορεί πλέον να ενεργεί µεµονωµένα. Αντίθετα, πρέπει να ενεργεί σε συνδυασµό µε πολλούς άλλους ειδικούς τόσο εντός όσο και εκτός της επιχείρησης, ώστε να προσδιορίζει τα διαφορετικά κριτήρια που χαρακτηρίζουν ένα προϊόν. Επιπροσθέτως, συστήµατα που προσφέρουν τη δυνατότητα κατάλληλου φιλτραρίσµατος, αποθήκευσης και ανάκτησης των πληροφοριών που προκύπτουν από κάθε µια από αυτές τις σύνδροµες διαδικασίες ή οµάδες εργασίας είναι επίσης απαραίτητα. δ) Ο αριθµός των πληροφοριών που συγκεντρώνονται από τις προαναφερθείσες διαδικασίες και οι οποίες χρήζουν διαχείρισης αυξάνεται εκθετικά. Τα χαρακτηριστικά σχεδιασµού και παραγωγής θεωρούνται βασικές πληροφορίες, η διαχείριση των οποίων πρέπει να γίνεται από κοινού και παράλληλα κατά τη διαδικασία σχεδιασµού. 11
Οι τεχνικές σχεδιασµού αποτελούν ένα σύνολο εργαλείων που καθιστά δυνατή την καινοτοµία στα προϊόντα, βελτιώνοντας την ποιότητά τους, τη λειτουργικότητα, την εικόνα και τη διαφοροποίησή τους. Οι κύριοι στόχοι των µεθοδολογιών Σχεδιασµού Προϊόντων περιλαµβάνουν: 1. στήριξη των νέων προϊόντων ώστε να πληρούν τις προδιαγραφές που σχετίζονται µε τις ανάγκες των πελατών, την ποιότητα, την τιµή, την παραγωγή, την ανακύκλωση κλπ. 2. µείωση του κόστους ανάπτυξης και του χρόνου που απαιτείται για εµπορευµατοποίηση. 3. συντονισµό και προγραµµατισµό των δραστηριοτήτων που σχετίζονται µε το σχεδιασµό και την ανάπτυξη των προϊόντων, λαµβάνοντας υπόψη το χρόνο, τις διάφορες εργασίες, τους πόρους, την παραγωγή κλπ., όλα αυτά στο πλαίσιο της εταιρίας. 4. ενσωµάτωση των παραπάνω αντικειµενικών κριτηρίων σε µια στρατηγική ανάπτυξης σε συνδυασµό µε τις δυνατότητες της εταιρίας. Υπάρχουν τεχνικές που υποβοηθούν την ολοκλήρωση του σχεδιασµού µέσω κοινών µοντέλων προϊόντων και διαδικασιών καθώς και βάσεων δεδοµένων. Τα πλεονεκτήµατα της αποτελεσµατικής χρήσης των υπολογιστικών τεχνικών και των εργαλείων είναι να επιτρέπουν σε διαφορετικές οµάδες να µοιράζονται πληροφορίες και να διαχειρίζονται όλες τις πληροφορίες που απαιτούνται για να προχωρήσουν στην διαδικασία (Κίτσιος Φ., 2000). Μια από τις κύριες τεχνικές στο σχεδιασµό βιοµηχανικών προϊόντων είναι η αντίστροφη µηχανική, την οποία και θα εξετάσουµε παρακάτω σε συνδυασµό µε ροµποτικά συστήµατα. 12
4 Ροµποτική 4.1 Γενικά Σύµφωνα µε τον ιεθνή Οργανισµό Τυποποίησης (ΙSΟ), το ροµπότ είναι αυτοµατοποιηµένη ως προς τις κινήσεις στο χώρο, επαναπρογραµµατιζόµενη, πολυλειτουργική χειριστική διάταξη που έχει περισσότερους από έναν άξονες, ικανούς να χειρίζονται υλικά, εξαρτήµατα, εργαλεία ή εξειδικευµένες διατάξεις µέσω µεταβλητών προγραµµατιζόµενων κινήσεων για την εκτέλεση σειράς εργασιών. Ροµποτική είναι ο τεχνολογικός κλάδος που έχει ως αντικείµενο την έρευνα, το σχεδιασµό και τη λειτουργία των ροµπότ. Η ανάπτυξη της ροµποτικής έχει καταστήσει δυνατή τα τελευταία χρόνια τη συνεχώς αυξανόµενη χρήση των ροµπότ σε ένα ευρύ φάσµα βιοµηχανικών δραστηριοτήτων σε πολλούς παραγωγικούς κλάδους, όπως η αυτοκινητοβιοµηχανία, η βιοµηχανία τσιµέντου, η βιοµηχανία τροφίµων, καθώς και σε πυρηνικά εργοστάσια και µάλιστα σε εργασίες ανθυγιεινές και ιδιαίτερα δύσκολες για τον άνθρωπο. Η εφαρµογή των επιτευγµάτων της ροµποτικής στην παραγωγική διαδικασία έχει ευνοϊκές συνέπειες κυρίως όσον αφορά την αύξηση της παραγωγικότητας της εργασίας και τη βελτίωση της ποιότητας των παραγόµενων προϊόντων. Νεότατη εξέλιξη στον τοµέα της ροµποτικής αποτελεί το λεγόµενο "ευφυές ροµπότ", που χάρη στη χρησιµοποίηση της τεχνητής νοηµοσύνης είναι ικανό να διεκπεραιώνει σύνθετα και πολύπλοκα καθήκοντα. Η ροµποτική είναι ένας κλάδος ο οποίος αυξάνεται όλο και περισσότερο. Από τα πειράµατα και τις εργασίες των εργαστηρίων µεταβαίνουµε στην όλο και αυξανόµενη χρήση της ακόµη και στην καθηµερινή µας ζωή. Το ερώτηµα όµως που τίθεται είναι αν τα ροµποτικά συστήµατα θα µας αντικαταστήσουν ή απλά θα µας βοηθήσουν. Είναι ένα ερώτηµα το οποίο πολύ δύσκολα θα απαντηθεί ακόµη και από τους ειδικούς. Αυτό βέβαια που πρέπει σε κάθε περίπτωση να προσεχθεί, και που µέχρι πρότινος το συναντούσαµε µόνο σε ταινίες επιστηµονικής φαντασίας είναι, ότι δεν πρέπει η κατάσταση να ξεφύγει από τον έλεγχό µας. Ένα ροµπότ είναι µια µηχανή που εκτελεί χρήσιµες εργασίες και είναι πολλές φορές σε θέση να παίρνει και αποφάσεις για τις εργασίες του. Κατασκευάζεται σε 13
πάρα πολλά µεγέθη και σχήµατα, ανάλογα µε την λειτουργία του και τη χρήση του. Το πεδίο εφαρµογής του είναι πάρα πολύ µεγάλο και συνεχώς αυξάνεται όλο και περισσότερο. Μέχρι τώρα η εικόνα που έχουµε για τα ροµποτικά συστήµατα είναι περισσότερο από ταινίες επιστηµονικής φαντασίας και από διάφορα ντοκιµαντέρ. Βλέπουµε ροµποτικά συστήµατα να έχουν την ανθρώπινη µορφή, άλλα µεγάλα και άλλα µικρά, µε ένα, δύο τρία κ.ο.κ. πόδια και γενικά µορφές οι οποίες θα λέγαµε δεν είναι και οι καλύτερες δυνατές από άποψη σχεδιασµού. Αλλά στην προκειµένη φάση αυτό που έχει σηµασία είναι να λειτουργεί αποδοτικά στο βαθµό που επιθυµούµε και το καλλιτεχνικό κοµµάτι µπορεί προς το παρόν να περάσει σε δεύτερη µοίρα. Υπάρχουν διάφορα κριτήρια διάκρισης και αντίστοιχες κατηγοριοποιήσεις των ροµπότ. Μία από αυτές είναι η διάκρισή τους σε τρεις, επί του παρόντος, "γενιές". Στην πρώτη γενιά κατατάσσονται ροµπότ µε περιορισµένη ευελιξία, που διευθύνονται από τον άνθρωπο, όπως π.χ. οι απλοί "χειριστές". Σχετικά απλά εργαλεία που επιτρέπουν π.χ. τη µετακίνηση επικίνδυνων αντικειµένων (π.χ. ραδιενεργών υλικών). Στη δεύτερη γενιά κατατάσσονται τα ροµπότ που είναι εφοδιασµένα µε σταθερό πρόγραµµα δράσης και ροµπότ που λαµβάνουν εντολές από κάποιο σύστηµα αριθµητικού ελέγχου. Στην τρίτη γενιά κατατάσσονται ροµπότ που είναι εφοδιασµένα α) µε αισθητήριες "πληροφορίες" από το περιβάλλον, β) µε διάταξη επεξεργασίας των πληροφοριών και γ) µε κινητήριο σύστηµα εκτέλεσης εργασιών. 4.2 Χρήση Ροµποτικών συστηµάτων Οι πρώτες δειλές εµφανίσεις των ροµποτικών συστηµάτων έγιναν στην αρχή της δεκαετίας του 60, όπου τα πρώτα ροµπότ κλήθηκαν να κάνουν εργασίες βαριές, ανιαρές, µονότονες και επικίνδυνες, τις οποίες σιγά-σιγά ο άνθρωπος ήθελε να ξεφορτωθεί. Πολλές φορές εργασίες που ήταν πολύ επικίνδυνες για τον άνθρωπο εκτελούνταν από ροµποτικά συστήµατα. Τα πρώτα αυτά ροµπότ δεν κόστιζαν λιγότερο από την ανθρώπινη εργασία, είτε στην κατασκευή τους είτε στη λειτουργία τους. Η αποφυγή ωστόσο των επικίνδυνων και δυσάρεστων χειρονακτικών εργασιών από τους ανθρώπους αποτελούσε πολύ καλή αιτιολογία για τη χρησιµοποίησή τους. 14
Σιγά σιγά η χρήση τους εξαπλώθηκε και σε άλλους τοµείς της βιοµηχανίας και όχι µόνο, µε αποτέλεσµα να βλέπουµε σήµερα την χρήση τους σχεδόν παντού. Ένα από τα χαρακτηριστικά παραδείγµατα χρήσης τους είναι η αυτοκινητοβιοµηχανία. Αξίζει να σηµειωθεί ότι γενικά η αυτοκινητοβιοµηχανία συνήθως προηγείται τεχνολογικά έναντι των άλλων κλάδων της βιοµηχανίας. Ό,τι εφαρµόζεται εκεί επιτυχώς χρησιµοποιείται στη συνέχεια και στους άλλους κλάδους. Ο λόγος είναι ότι εκεί τα οφέλη είναι πολύ πιο άµεσα και αποτελεσµατικά µιας και εκεί διακυβεύονται πολύ περισσότερα χρήµατα από οπουδήποτε αλλού και κατά συνέπεια οποιαδήποτε, έστω και µικρή, αλλαγή έχει ορατά αποτελέσµατα. Στις βιοµηχανίες όπου υπάρχουν σειρές συναρµολόγησης και γενικά σειρές παραγωγής η χρήση των ροµποτικών συστηµάτων, που εκτελούν τις ίδιες και τις ίδιες επαναλαµβανόµενες εργασίες είναι η τέλεια λύση. Η ανάπτυξη των ροµπότ τα τελευταία χρόνια οφείλεται στη ραγδαία ανάπτυξη των υπολογιστικών συστηµάτων σε συνδυασµό µε την ανάπτυξη νέων µεθόδων και τεχνικών που πολλές φορές φθάνουν µέχρι και στο σχεδιασµό τεχνητών εγκεφάλων. Πρόσφατα η εταιρεία IBM ανακοίνωσε ότι ξεκινά συνεργασία µε ελβετικό ερευνητικό ινστιτούτο µε στόχο την ανάπτυξη του πρώτου υπολογιστικού µοντέλου του ανθρώπινου εγκεφάλου. Όπως ανακοίνωσε η IBM, το πρόγραµµα «Blue Brain» θα βασιστεί σε έναν υπερυπολογιστή Blue Gene, ο οποίος θα προσοµοιώνει τον εγκέφαλο σε κυτταρικό επίπεδο. Ο εικονικός εγκέφαλος θα µπορεί να αποκαλύψει νέα στοιχεία για τη µνήµη, την αντίληψη και άλλες ανώτερες λειτουργίες. Πρώτος στόχος του προγράµµατος είναι η µοντελοποίηση του νεοφλοιού, ο οποίος αντιστοιχεί στο 85% της µάζας του ανθρώπινου εγκεφάλου και ευθύνεται για τις λειτουργίες της γλώσσας, της µάθησης, της µνήµης και της αφηρηµένης σκέψης. Την επόµενη δεκαετία, τα τρισδιάστατα µοντέλα των νευρώνων και των µεταξύ τους συνδέσεων θα επεκταθούν στο σύνολο του ανθρώπινου εγκεφάλου, ελπίζουν οι ερευνητές. Η οµάδα του ρ Χέντρι Μάρκαµ στην Πολυτεχνική Σχολή της Λοζάννης εκτιµά ότι πρόκειται για ένα από τα πλέον φιλόδοξα ερευνητικά προγράµµατα στο χώρο των νευροεπιστηµών, εξαιτίας των εκατοντάδων χιλιάδων παραµέτρων που πρέπει να ληφθούν υπόψη. 15
Το σύστηµα Blue Gene που θα εγκατασταθεί στη Λοζάννη θα είναι ένα από τα ισχυρότερα του κόσµου, µε ανώτατη ισχύ 22,8 Tflop (τρισεκατοµµύρια υπολογισµοί κινητής υποδιαστολής ανά δευτερόλεπτο). Πριν από πέντε χρόνια, κανείς υπερυπολογιστής δεν µπορούσε να υπερβεί το ένα Tflop. Τα ροµπότ έχουν ευρεία εφαρµογή και στην ιατρική. Οι τρόποι που η ροµποτική µπορεί να συµβάλει στην ιατρική είναι µεταξύ άλλων µε τη νανοροµποτική και µε την τηλε-χειρουργική. Η νανο-ροµποτική έχει δυο κύριους στόχους: την κατασκευή κοµµατιών και τη συναρµολόγηση κοµµατιών. Κοµµάτια µπορεί να είναι τµήµατα ενός κατεστραµµένου οργάνου (ένα τραυµατισµένο όργανο από κόψιµο) ή τα τοιχώµατα ενός αγγείου. Στόχος είναι η εισαγωγή µικρών ροµπότ µέσα στο σώµα τα οποία θα κινούνται και θα εντοπίζουν ή θα καθοδηγούνται στην πάσχουσα περιοχή ώστε να είναι δυνατή η αποκατάσταση της βλάβης χωρίς χειρουργική επέµβαση. Ακόµη, σε περιπτώσεις παθήσεων θα εισέρχεται το ροµπότ στο σώµα και θα κάνει έλεγχο και θα δίνει το εύρος της πάσχουσας περιοχής και αν είναι δυνατό θα επεµβαίνει. Εικόνα 4-1 Νανοροµποτική 16
Η τηλε-χειρουργική είναι η χειρουργική επέµβαση που εκτελείται εξ ολόκληρου από ροµπότ τα οποία καθοδηγούνται από χειρουργό που µπορεί να βρίσκεται στο ίδιο δωµάτιο µε τον ασθενή ή χιλιάδες χιλιόµετρα µακριά. Εικόνα 4-2. Τηλεχειρουργική Σε στρατιωτικές εφαρµογές είναι επίσης πολύ διαδεδοµένη η χρήση τους. Εκεί όπου µπορεί να κινδυνεύσει µια ανθρώπινη ζωή λαµβάνουν δράση τα ροµπότ. Χαρακτηριστικό παράδειγµα είναι οι περιπτώσεις όπου κάποιοι καλούνται να εξουδετερώσουν έναν εκρηκτικό µηχανισµό. Επειδή και εκεί η τεχνολογία έχει κάνει µεγάλα βήµατα η εξουδετέρωση τέτοιων µηχανισµών γίνεται όλο και πιο δύσκολη και επικίνδυνη. Για το λόγο αυτό λαµβάνουν δράση τα ροµπότ. Επιστηµονικές εφαρµογές όπως είναι η έρευνα σε σηµεία που είναι δυσπρόσιτα ή επικίνδυνα για τον άνθρωπο είναι επίσης ένα σηµαντικό πεδίο εφαρµογής των ροµπότ. Έρευνες που έχουν να κάνουν µε ηφαίστεια, µε θαλάσσιες περιοχές, µε τοξικές ουσίες κ.λπ. είναι κάποια χαρακτηριστικά παραδείγµατα. 4.3 οµή των Ροµποτικών Συστηµάτων Όπως αναφέρθηκε και παραπάνω υπάρχουν πολλά είδη ροµποτικών συστηµάτων. Παρακάτω θα περιγράψουµε τη δοµή συστηµάτων σειριακού τύπου που αποτελούν και την πλειοψηφία των βιοµηχανικών ροµπότ. Αυτά τα συστήµατα αποτελούνται από µηχανικά µέλη τα οποία είναι συνδεδεµένα µεταξύ τους µε τη βοήθεια αρθρώσεων. Ένα ζευγάρι µέλους µε άρθρωση καλείται βαθµός ελευθερίας και ο αριθµός τους σε ένα ροµπότ αποτελεί ένα από τα βασικά κριτήρια λειτουργίας του. Τα σειριακού τύπου ροµπότ έχουν το ένα άκρο τους συνήθως στερεωµένο σε κάποιο σταθερό σηµείο (συνήθως είναι 17
πακτοµένα) και στο άλλο άκρο τους έχουν ενσωµατωµένο κάποιο τελικό στοιχείο εργασίας, συνήθως εργαλείο για να µπορεί να εκτελεί την εργασία για την οποία προορίζεται. Αυτά τα εργαλεία µπορεί να είναι κάποια συσκευή συγκόλλησης, µέτρησης ή και κάποια συσκευή συγκράτησης (αρπάγη). Ανάλογα βέβαια µε το είδος του εργαλείου ορίζεται και η εργασία που θα εκτελεί το ροµπότ. Για παράδειγµα τα ροµπότ µε αρπάγες χρησιµοποιούνται για µεταφορά και συναρµολόγηση. Υπάρχουν όµως και οι περιπτώσεις όπου το τελικό στοιχείο εργασίας είναι έτσι σχεδιασµένο ώστε να αλλάζει από το ίδιο το ροµπότ ανάλογα µε την εργασία που θέλει να εκτελέσει. Η σωστή λειτουργία ενός ροµπότ έγκειται στο κατά πόσο µπορούµε να ελέγξουµε την κίνηση και τη δύναµη που πρέπει να εφαρµόζει κάθε φορά ένα ροµπότ κατά τη διάρκεια κάποιας εργασίας. Αν για παράδειγµα θέλουµε να µετακινήσουµε ένα αντικείµενο από µια θέση σε κάποια άλλη πρέπει να µπορεί το ροµπότ να πάει στο πρώτο σηµείο να πάρει το αντικείµενο και να το µεταφέρει στο δεύτερο. Να κάνουµε µε άλλα λόγια κάποιο έλεγχο κίνησης από το ένα σηµείο στο άλλο σε συνδυασµό µε τον έλεγχο δύναµης που πρέπει να εφαρµόσουµε κατά τη διάρκεια της συγκράτησης του αντικειµένου. Ένα ροµπότ αποτελείται συνήθως από τα ηλεκτροµηχανολογικά του µέρη, από το σύστηµα χειρισµού και το σύστηµα ελέγχου. Ο ηλεκτροµηχανολογικός εξοπλισµός ενός ροµποτικού συστήµατος αποτελείται από όλα τα ηλεκτρολογικά και µηχανικά εξαρτήµατα που απαρτίζουν το σύστηµα. Περιλαµβάνει τους άξονες, τους κινητήρες, το σύστηµα µετάδοσης της κίνησης, το σύστηµα µετάδοσης των πληροφοριών και όλα εκείνα τα µέρη που θα αποκαλούσαµε Hardware σε ένα ροµποτικό σύστηµα. Το σύστηµα χειρισµού είναι αυτό που καθορίζει τον τρόπο µε τον οποίο θα ελέγξουµε την εργασία του ροµπότ. Το σύστηµα ελέγχου είναι το σύστηµα αυτοµατισµού που χρησιµοποιεί το ροµποτικό σύστηµα ώστε να εκτελέσει τις εργασίες που του αναθέτουµε. Όταν τα τρία αυτά συστατικά στοιχεία συνεργάζονται αρµονικά τότε ο ροµποτικός βραχίονας λειτουργεί µε τον καλύτερο δυνατό τρόπο. 18
4.3.1 Ηλεκτροµηχανολογικός Εξοπλισµός Στον ηλεκτροµηχανολογικό εξοπλισµό ανήκουν όλα εκείνα τα µέρη που απαρτίζουν τον µηχανολογικό, τον ηλεκτρολογικό και τον ηλεκτρονικό εξοπλισµό. ηλαδή οι άξονες, οι κινητήρες, τα συστήµατα µετάδοσης της κίνησης, τα συστήµατα µετάδοσης των δεδοµένων, τα συστήµατα παροχής ρεύµατος, κ.λπ. Η κίνηση στους βραχίονες µπορεί να δοθεί µε διάφορους τρόπους. Μπορεί να χρησιµοποιηθούν ηλεκτρικοί κινητήρες ή υδραυλικοί. Επίσης τους ηλεκτρικούς µπορούµε να τους διαχωρίσουµε σε DC κινητήρες συνεχούς ρεύµατος, βηµατικούς ή σερβοκινητήρες. Ανάλογα µε την χρήση του ροµποτικού συστήµατος γίνεται και η επιλογή του είδους της κίνησης που πρέπει να δοθεί. Ο DC κινητήρας συνεχούς ρεύµατος είναι ένας µετατροπέας ροπής, ο οποίος µετατρέπει την ηλεκτρική ενέργεια σε µηχανική. Η ροπή που αναπτύσσεται στον άξονα του κινητήρα είναι ανάλογη προς τη ροή του µαγνητικού πεδίου και του ρεύµατος οπλισµού. Επιπρόσθετα προς την αναπτυσσόµενη ροπή, όταν ο αγωγός κινείται σε ένα µαγνητικό πεδίο, αναπτύσσεται µία τάση στα άκρα του. Η τάση αυτή είναι ανάλογη προς την ταχύτητα περιστροφής του κινητήριου άξονα και τείνει να αντιστέκεται στη ροή του ρεύµατος, και ονοµάζεται αντι-ηλεκτρεγερτική δύναµη (ή αντι-ηε, back electromotive force ή back-emf) του κινητήρα. Τα πλεονεκτήµατα των ηλεκτρικών κινητήρων είναι: Πολύ υψηλή ακρίβεια θέσης και επαναληψιµότητα. Παραµονή σε σταθερή θέση ακόµη και όταν διακοπεί η ισχύς. Ιδιαίτερα απλή υλοποίηση ανάδρασης θέσης και ταχύτητας. Εύκολη σχεδίαση του συστήµατος µε γραµµική συµπεριφορά. Ικανότητα χρήσης και σε ειδικές περιβαλλοντικές συνθήκες (ψύχος, υψηλή θερµοκρασία, κλπ.). Ασφάλεια καλωδίου ισχύος (σε αντίθεση µε το σωλήνα µίας γραµµής λαδιού). Χαµηλό κόστος. Χαµηλός θόρυβος. Τα µειονεκτήµατά τους είναι: 19
Κατώτερος λόγος ισχύος προς βάρος έναντι των υδραυλικών (οι βηµατικοί κινητήρες έχουν το µικρότερο λόγο). Χαµηλή ταχύτητα. Απαίτηση ψύξης του κινητήρα, µε παράλληλη αύξηση του µεγέθους του. Ιδιαίτερα εύκολη θέρµανση των βηµατικών κινητήρων. Μεγάλη πολυπλοκότητα του σερβοκινητήρα εναλλασσόµενου ρεύµατος. Πολύ αργή απόκριση σε σύγκριση µε όλους τους τύπους κινητήρων. Απαίτηση γραναζιών σε όλους τους κινητήρες για το ταίριασµα των µηχανικών φορτίων. Κατάληψη περισσότερου χώρου από έναν ηλεκτρικό κινητήρα σε σύγκριση µε έναν υδραυλικό της ίδιας ισχύος. Ένας βηµατικός κινητήρας (step motor) είναι µία ηλεκτροµηχανική συσκευή που δέχεται παλµoύς σαν σήµατα εισόδου και ανάλογα παράγει παλµούς ως διακριτά επαναληπτικά βήµατα στη γωνιακή θέση του άξονα σαν έξοδο. Μετατρέπει δηλαδή το σύνολο των παλµών εισόδου σε τµήµατα της γωνιακής θέσης που πρέπει να πάρει ο κάθε άξονας και την αποδίδει ως έξοδο στο συγκεκριµένο σηµείο. Η ακρίβεια της γωνιακής θέσης, δηλαδή η διακριτική ικανότητα, εξαρτάται από τον αριθµό των διακριτών επιπέδων που δηµιουργούνται από την τµηµατοποίηση του εύρους γωνιακών θέσεων σε ίσα βήµατα. Οι υδραυλικοί κινητήρες χρησιµοποιούνται σε εφαρµογές που απαιτούν µεγάλη ισχύ, για παράδειγµα στην ανύψωση βαρέων αντικειµένων. Η λειτουργία ενός υδραυλικού κινητήρα οφείλεται στη ροή λαδιού µε τη βοήθεια ενός εµβόλου. Η υδραυλική µετάδοση έχει πολλά ελκυστικά χαρακτηριστικά. Έχει παρατηρηθεί γενικά ότι οι υδραυλικοί κινητήρες λειτουργούν πιο οµαλά σε χαµηλές ταχύτητες σε σχέση µε τους ηλεκτρικούς κινητήρες. Εφόσον οι υδραυλικοί κινητήρες διαθέτουν εσωτερικό σύστηµα ψύξης, µπορούν να λειτουργήσουν σε συνθήκες κορεσµού (stall) (π.χ. σε περίπτωση βραχυκυκλώµατος) χωρίς να καταστραφούν. 20
Τα χαρακτηριστικά ταχύτητας / διαδροµής των κινητήρων υδραυλικής µετάδοσης είναι τέτοια ώστε ο άξονας του κινητήρα περιστρέφεται µε ταχύτητα ανάλογη της διαδροµής του εµβόλου. Η σχέση ταχύτητας - διαδροµής διατηρείται σε ένα µεγάλο εύρος µεταβολών του φορτίου. Συγκεκριµένα, η ταχύτητα του άξονα σε έναν υδραυλικό κινητήρα δεν µεταβάλλεται σηµαντικά ακόµα και όταν η ροπή του φορτίου µεταβάλλεται σε µεγάλο εύρος. Η διατήρηση της διαδροµής του εµβόλου κατά τη διανοµή µίας ροπής απαιτεί µία σηµαντική δύναµη. Κατά συνέπεια, απαιτείται συχνά µία σηµαντική ενίσχυση του σήµατος εισόδου για το µηχανισµό µετακίνησης του εµβόλου. Η ενίσχυση αυτή µπορεί να επιτευχθεί ηλεκτρικά ή υδραυλικά (. Εµίρης, 1999). Τα πλεονεκτήµατα των κινητήρων αυτών είναι: Ο υψηλότερος λόγος ισχύος προς βάρος από κάθε άλλο τύπο µετάδοσης κίνησης. Υψηλή ταχύτητα και µηχανική απλότητα. Πολύ γρήγορη απόκριση. υνατότητα ανάδρασης θέσης και ταχύτητας. Αξιοπιστία (µικρός αριθµός βλαβών κατά τη διάρκεια ζωής τους). Κατασκευαστική τυποποίηση. Τα µειονεκτήµατά τους είναι: Επικινδυνότητα λόγω κρουστικής πίεσης (εάν ο σωλήνας τροφοδοσίας σπάσει). Απαίτηση ιδιαίτερα καλού φιλτραρίσµατος του λαδιού. ιαρροή λαδιού (ενδεχοµένως πολύ µικρή) και κίνδυνος ανάφλεξης. Απαίτηση χρόνου προθέρµανσης σε ψυχρή εκκίνηση. Σηµαντικός επηρεασµός της ακρίβειας από τις θερµοκρασιακές συνθήκες. Περιορισµένη χρήση στη βιοµηχανία τροφίµων εξαιτίας της τοξικότητας του λαδιού. Απαίτηση για µεγάλο χώρο εγκατάστασης και συντήρησης. 21
Αργή κάµψη (drooping) του ροµπότ όταν διακοπεί η παροχή ισχύος. Στους σερβοκινητήρες η διάταξη ανατροφοδότησης θέσης που είναι ένας διαφορικός κωδικοποιητής στερεώνεται στον άξονα του κινητήρα και παρέχει παλµική έξοδο. Η διάταξη σύγκρισης αφαιρεί το σήµα ανατροφοδότησης από το σήµα εισόδου (εντολή), επεξεργάζεται κατάλληλα το αποτέλεσµα (τούτο γίνεται από τον αντισταθµιστή ή ρυθµιστή) και µέσω του µετατροπέα Ψ/Α (ψηφιακού σήµατος σε αναλογικό σήµα) τροφοδοτεί το τελικό διορθωτικό σήµα στον ενισχυτή εισόδου του κινητήρα. Για τη µετάδοση της κίνησης στους διάφορους συνδέσµους του ροµποτικού βραχίονα. µπορούν να χρησιµοποιηθούν διάφοροι τρόποι. Ελατηριωτά γρανάζια µετακινούν συχνά τη βάση ενός ροµπότ, διότι είναι το πιο βαρύ σηµείο. Τροχαλίες, ιµάντες, γρανάζια κεκλιµένα ή µη µετακινούν άλλα τµήµατα. Κοχλιωτά συστήµατα µετάδοσης χρησιµοποιούνται επίσης συχνά στην περίπτωση που έχουµε ανοιγοκλεισίµατα κάποιων µερών, όπως ανοιγοκλείσιµο της αρπάγης. 4.3.2 Συστήµατα χειρισµού Τα συστήµατα χειρισµού χωρίζονται σε αυτά που είναι άµεσα προγραµµατιζόµενα και σε αυτά που µε τη βοήθεια ενός λογισµικού µπορούµε µέσω ενός Η/Υ να κατευθύνουµε τον βραχίονα εκεί που θέλουµε. Μπορούµε δηλαδή είτε µε µεµονωµένες εντολές είτε µε τη βοήθεια ολόκληρου προγράµµατος να κατευθύνουµε το βραχίονα εκεί που θέλουµε και στα απλά χειριστήρια, που καλούνται συχνά και χειριστήρια διδασκαλίας, όπου µε τη βοήθεια ακόµη και ενός joystick µπορούµε να κατευθύνουµε το ροµπότ. Oι λειτουργίες του χειριστηρίου διδασκαλίας είναι οι ακόλουθες: χρησιµεύει σαν το βασικό σηµείο ελέγχου για την έναρξη και την παρακολούθηση λειτουργιών. οδηγεί το ροµπότ, ενώ παράλληλα γίνεται διδασκαλία θέσεων. υποστηρίζει τα προγράµµατα εφαρµογών. Το χειριστήριο διδασκαλίας χρησιµοποιείται µε το ροµπότ κυρίως για να του διδάξει θέσεις που θα χρησιµοποιηθούν σε προγράµµατα εφαρµογών. Το χειριστήριο 22
χρησιµοποιείται και σε εφαρµογές που περιλαµβάνουν "ρουτίνες διδασκαλίας". Σε µια τέτοια ρουτίνα διακόπτεται η εκτέλεση του προγράµµατος σε καθορισµένα σηµεία και µπορεί ο χειριστής να διδάξει (ή να επαναδιδάξει) θέσεις του ροµπότ, που µπορούν να χρησιµοποιηθούν στη συνέχεια στο πρόγραµµα. Το κοµµάτι αυτό ενός ροµποτικού συστήµατος είναι το σύστηµα διεπαφής - επικοινωνίας ανθρώπου-µηχανής (man-machine interface). Το σύστηµα αυτό εξυπηρετεί την αµφίδροµη επικοινωνία του χρήστη µε το ροµποτικό σύστηµα. Οι διασυνδέσεις αυτές είναι απαραίτητες για τον αποδοτικό προγραµµατισµό εκ µέρους του ανθρώπου, για τη σωστή πραγµατοποίηση ενός έργου, την παρακολούθηση, και τον έλεγχο του ροµπότ. Η κατεύθυνση της επικοινωνίας από το χρήστη προς το ροµποτικό σύστηµα εκφράζεται µε τη µορφή εντολών προς αυτό ή µε τη µορφή ερωτήσεων σχετικά µε την τρέχουσα κατάσταση λειτουργίας. Η επικοινωνία από το ροµποτικό σύστηµα προς το χρήστη έχει τη µορφή πληροφοριών που αφορούν την κατάσταση του βραχίονα ή / και των άλλων συνιστωσών του συστήµατος. Οι εντολές προς το σύστηµα µπορεί να είναι εντολές προς το βραχίονα που να περιγράφουν κάποια λειτουργία (π.χ. µετακίνηση µίας άρθρωσης κατά ένα διάστηµα ή µία γωνία), εντολές προς κάποιο περιφερειακό (π.χ. απόκτηση εικόνας από τον οπτικό αισθητήρα), εντολές εσωτερικών λειτουργιών µεταξύ περιφερειακών και ελεγκτή (π.χ. αποστολή αισθητήριου σήµατος σε κατάλληλο επεξεργαστή για την καθοδήγηση του βραχίονα), κλπ. Το πλήθος και το είδος των εντολών καθορίζεται από τη γλώσσα προγραµµατισµού µε την οποία είναι εφοδιασµένο το ροµποτικό σύστηµα, και η οποία είναι συνήθως υψηλού επιπέδου, στα πιο σύγχρονα συστήµατα δε, είναι αλληλεπιδραστική (interactive). Κατά τη χρήση του εκπαιδευτικού χειριστηρίου «εκπαιδεύεται» ταυτόχρονα το σύστηµα και υπάρχει η δυνατότητα της αποθήκευσης και µελλοντικής χρήσης των στοιχείων της κίνησης. 4.3.3 Συστήµατα ελέγχου Ο σκοπός του ροµποτικού ελέγχου είναι η εκτέλεση και διατήρηση της κίνησης του ροµποτικού βραχίονα κατά µήκος µίας επιθυµητής τροχιάς, µέσω της εφαρµογής κατάλληλων διορθωτικών ή αντισταθµιστικών ροπών στους κινητήρες των αρθρώσεων ώστε να εξαλειφθούν τυχόν αποκλίσεις του βραχίονα από την 23
τροχιά. Η τροχιά µπορεί να είναι προδιαγεγραµµένη ή να προσδιορίζεται σε πραγµατικό χρόνο βάσει, κυρίως εξωτερικής αισθητήριας πληροφορίας. Το λογισµικό ελέγχου της κίνησης είναι υπεύθυνο για την παραγωγή, το συντονισµό και την παρακολούθηση της κίνησης των αρθρώσεων του ροµπότ, έτσι ώστε να επιτευχθεί µία επιθυµητή κίνηση του ροµποτικού άκρου. Στη προσπάθεια αυτή συµβάλλουν όλα εκείνα τα χαρακτηριστικά στοιχεία του ροµπότ που χρειάζονται. Τα κύρια σηµεία είναι τα αισθητήρια όργανα και ο αυτοµατισµός. Οι αισθητήρες παρέχουν στο ροµπότ τη δυνατότητα βελτίωσης των ικανοτήτων χειρισµού, εισάγοντας πληροφορία της εξέλιξης του έργου και διορθώνοντας τις αποκλίσεις. Υπάρχουν δύο γενικές κατηγορίες εξωτερικών αισθητήρων για ροµποτικές εφαρµογές: (α) οι αισθητήρες επαφής (contact sensors) και (β) οι αισθητήρες χωρίς επαφή (non-contact sensors). Οι αισθητήρες επαφής είναι αυτοί που µεταδίδουν την πληροφορία από το εξωτερικό περιβάλλον κατόπιν της επαφής τους µε κάποιο αντικείµενο. Χρησιµοποιούνται κυρίως ως µετρητικές διατάξεις. Ορισµένα ροµπότ χρησιµοποιούν τέτοιους αισθητήρες στα άκρα των δακτύλων τους προκειµένου να παρακολουθήσουν τις αλληλεπιδράσεις µεταξύ του ροµποτικού χεριού και των υπό µεταχείριση αντικειµένων. Στην περίπτωση αυτή, οι αισθητήρες ονοµάζονται αφής (tactile sensors) και µετρούν τη δύναµη ή / και τη ροπή που ασκεί το µηχανικό χέρι σε ένα αντικείµενο. Τέτοια πληροφορία χρησιµοποιείται συνήθως για τη σωστή συγκράτηση αντικειµένων, ή την ελεγχόµενη από αισθητήρες µεταχείριση αντικειµένων. Μεταξύ των αισθητήρων µη επαφής που χρησιµοποιούνται σε ορισµένα ροµποτικά συστήµατα, τα συστήµατα όρασης είναι τα πλέον δηµοφιλή. Πέραν της εξωτερικής αίσθησης στη ροµποτική, τα συστήµατα όρασης έχουν ένα µεγάλο αριθµό εφαρµογών στο βιοµηχανικό αυτοµατισµό, συµπεριλαµβανοµένης της επίβλεψης, της αναγνώρισης προτύπων και της οπτικής πλοήγησης. Άλλος τύπος αισθητήρων µη επαφής είναι οι ακουστικοί αισθητήρες (sonar sensors). Αυτοί αποτελούνται κυρίως από ενεργά στοιχεία τα οποία προσδιορίζουν προσεγγιστικά την απόσταση από αντικείµενα. Παθητικοί ακουστικοί αισθητήρες ήδη 24
παρέχουν πρωταρχικά την αίσθηση της ακοής σε ροµπότ µέσω µεθόδων που έχουν αναπτυχθεί για την κατανόηση και ερµηνεία των ακουστικών σηµάτων. Χηµικοί αισθητήρες που θα προσεγγίζουν την αίσθηση της γεύσης και της όσφρησης, ίσως αναπτυχθούν µελλοντικά για ροµποτικές εφαρµογές. Ήδη υπάρχουν τέτοιοι χηµικοί αισθητήρες οι οποίοι αναµένεται να παίξουν κάποιο ρόλο και στη ροµποτική. Η µελέτη της τεχνολογίας, της λειτουργίας, και των διαφόρων τύπων αισθητήρων είναι ιδιαίτερα σηµαντική στη Ροµποτική, µε δεδοµένο ότι σήµερα η πλειοψηφία των βιοµηχανικών εφαρµογών µε ροµπότ, χρησιµοποιεί σε κάποιο βαθµό αισθητήρια ανατροφοδότηση (. Εµίρης, 1999). Το σύστηµα αυτοµατισµού απαρτίζεται από ηλεκτρονικά συστήµατα µε ελεγκτές, κυκλώµατα µετατροπής D/A, κυκλώµατα ενίσχυσης του αναλογικού σήµατος για την οδήγηση των κινητήρων, κωδικοποιητές (shaft encoders) και κύκλωµα ελέγχου των επιµέρους αρθρώσεων / κινητήρων, οι οποίοι µετρούν τα σφάλµατα θέσης (µε διαφόριση ταχύτητας-επιτάχυνσης) ανατροφοδότησης του βρόγχου ελέγχου της άρθρωσης. Ένας ψηφιακοαναλογικός µετατροπέας (D/A) χρησιµοποιείται για τη διασύνδεση µεταξύ ενός ψηφιακού υπολογιστή και της διαδικασίας (ή της µονάδας) που ελέγχεται από τον υπολογιστή. Η έξοδος του ψηφιακού υπολογιστή ή ενός µικροεπεξεργαστή έχει τη µορφή παλµών (είναι δηλαδή σήµα διακριτού χρόνου) και συνεπώς πρέπει να µετατραπεί σε αναλογικό (δηλ. συνεχούς χρόνου) πριν εφαρµοσθεί σε µία µονάδα όπως ένας κινητήρας. Στα ροµποτικά συστήµατα, τέτοιοι µετατροπείς χρησιµοποιούνται προκειµένου να µετατρέψουν την έξοδο του µικροεπεξεργαστή που παράγει και ελέγχει την κίνηση της, σε κατάλληλα αναλογικά σήµατα ρεύµατος, που εν συνεχεία ενισχύονται και οδηγούν τον εκάστοτε κινητήρα. Εξάλλου, είναι συχνά απαραίτητο ένα σύνολο σηµάτων να τύχει επεξεργασίας σε έναν ψηφιακό υπολογιστή. Πριν την τροφοδότηση στον υπολογιστή, το αναλογικό σήµα πρέπει να υποστεί δειγµατοληψία και να µετατραπεί σε ψηφιακό. Η δειγµατοληψία επιτυγχάνεται µε τη χρήση ενός διακόπτη, ο οποίος θεωρείται ιδανικός, δηλαδή ανοίγει και κλείνει στιγµιαία κατά τέτοιο τρόπο, ώστε η έξοδος να αποτελείται από παλµούς των οποίων η επιφάνεια ισούται µε την τιµή του σήµατος κατά τη στιγµή της δειγµατοληψίας. 25
Η συσκευή που πραγµατοποιεί την κβάντιση και παράγει το ψηφιακό σήµα, καλείται αναλογικοψηφιακός µετατροπέας (A/D). Αυτό επιτυγχάνεται από τη σύγκριση του άγνωστου αναλογικού δείγµατος εισόδου µε µία γνωστή τάση, σε σχέση µε την οποία λαµβάνεται η δυαδική αναπαράσταση. Μετά τον προσδιορισµό του πλησιέστερου επιπέδου κβάντισης της τάσης, λαµβάνεται η αναπαράσταση του ψηφιακού σήµατος. Η λειτουργία αυτή µπορεί να πραγµατοποιηθεί µε συγκριτή (comparator). Τα κυκλώµατα ισχύος, εξάλλου, έχουν αποστολή να ενισχύσουν το αναλογικό σήµα από την έξοδο του µετατροπέα D/A, το οποίο αντιπροσωπεύει την εντολή µετακίνησης από τον ελεγκτή και το οποίο θα οδηγήσει τον κινητήρα. H θέση ενός άξονα άρθρωσης µπορεί να µετρηθεί µε έναν κωδικοποιητή (encoder) ή µε ένα ποτενσιόµετρο (potentiometer), ενώ η ταχύτητά του µε ένα ταχύµετρο (tachometer). Οι συνιστώσες αυτές παρέχουν την αναγκαία πληροφορία για τις πραγµατικές τιµές αυτών των µεγεθών των αρθρώσεων. Όταν χρησιµοποιούνται βρόχοι ανατροφοδότησης, οι µετρήσεις συγκρίνονται µε τις επιθυµητές τιµές και τα σφάλµατα χρησιµεύουν για τον έλεγχο των κινητήρων, έτσι ώστε οι έξοδοί τους να επιτύχουν, ή να προσεγγίσουν επιθυµητές τιµές. Ένα απλό κυλινδρικό ποτενσιόµετρο αποτελείται από ένα σύρµα αντίστασης τυλιγµένο στην επιφάνεια ενός κυλίνδρου. Το κεντρικό σηµείο του ποτενσιόµετρου µπορεί να κυλίεται στο εσωτερικό κυλινδρικό τοίχωµα. Η θέση του εξαρτάται από τη γωνία του άξονά του. Εάν τα δύο ακραία σηµεία του πηνίου του ποτενσιόµετρου συνδεθούν υπό σταθερή τάση, τότε η τάση µεταξύ του κυλιόµενου σηµείου και ενός εκ των ακραίων σηµείων θα είναι ανάλογη της γωνίας του άξονα που είναι προσαρτηµένος στο κυλιόµενο σηµείο. Αυτός ο τύπος ποτενσιόµετρου είναι µικρός και απλός, και προσαρµόζεται σε δύσκολα µέρη όπως ο καρπός ή οι αρθρώσεις στο χέρι ενός χειριστή (. Εµίρης 1999). 4.3.4 Κριτήρια Απόδοσης Ροµπότ Οι πλέον κρίσιµες παράµετροι απόδοσης, ενός ροµπότ, είναι η διακριτική ικανότητα, η ακρίβεια και η επαναληψιµότητα, οι οποίες ορίζονται ως ακολούθως: ιακριτική Ικανότητα (resolution) είναι το µέτρο της µικρότερης δυνατής µεταβολής στη µεταβλητή έξοδο µίας συσκευής. 26
Ακρίβεια (accuracy) είναι ο βαθµός στον οποίο η πραγµατική τοποθέτηση αντιστοιχεί στην επιθυµητή ή διατεταγµένη τοποθέτηση. Επαναληψιµότητα (repeatability) είναι το µέτρο της απόκλισης επαναλαµβανόµενων κινήσεων τοποθέτησης (θέσης και προσανατολισµού), κάτω από τις ίδιες συνθήκες περιβάλλοντος, φορτίου και εργασίας. Η διακριτική ικανότητα του ροµπότ, διακρίνεται σε ιακριτική Ικανότητα Ελέγχου (Control Resolution) και σε Χωρική ιακριτική Ικανότητα (Spatial Resolution). Ως διακριτική ικανότητα ελέγχου του ροµπότ ορίζεται η µικρότερη µεταβολή που µπορεί να παράγει το ροµπότ µέσω κινήσεων των αρθρώσεών του, και προσδιορίζεται από την ευαισθησία των εσωτερικών κωδικοποιητών. Ο έλεγχος αυτός πραγµατοποιείται µέσω των εντολών του µετατροπέα των κινηµατικών εντολών σε αναλογικές εντολές ρεύµατος (Ψηφιακοαναλογικές Εντολές ΨΑΕ (D/A Commands DACS)). Οι εντολές αυτές είναι δυαδικοί αριθµοί µε µήκος ίσο µε το µήκος της λέξης που µπορεί να αναπαραστήσει ο κωδικοποιητής. Κάθε τέτοιος αριθµός αναπαριστά τη διακριτή θέση µίας άρθρωσης όπως προκύπτει από την ένδειξη του κωδικοποιητή. Η χωρική διακριτική ικανότητα (spatial resolution) εξάλλου, ορίζεται ως η µικρότερη µεταβολή κίνησης που µπορεί να επιτύχει ένας ροµποτικός χειριστής στο τελικό στοιχείο δράσης του. Προκύπτει, κατά σύµβαση, ως το άθροισµα της διακριτικής ικανότητας ελέγχου και των ανακριβειών της κίνησης που προέρχονται από τη µηχανική κατάσταση και τη δυναµική αλληλεπίδραση του ροµπότ και του περιβάλλοντός του. Οι µηχανικές ανακρίβειες µπορεί να οφείλονται στη βαρύτητα, σε ταλαντώσεις, σε επιταχύνσεις (κεντροµόλες, Coriolis, κλπ.), σε παραµορφώσεις (ελαστικές, πλαστικές, κλπ.) των συνδέσµων, σε τζόγο των γραναζιών, κ.ά. Μία άλλη πηγή ανακριβειών υπεισέρχεται κατά τον υπολογισµό τροχιών του ροµπότ σε υπολογιστή µέσω των κινηµατικών του εξισώσεων. Κατ αυτόν τον τρόπο, η ακρίβεια του ροµπότ επηρεάζεται επιπρόσθετα από τα αριθµητικά σφάλµατα αποκοπής, στρογγυλοποίησης ή και προσέγγισης τριγωνοµετρικών και άλλων συναρτήσεων. Η χωρική διακριτική ικανότητα εποµένως καθορίζεται από τις συσκευές ανατροφοδότησης της τοποθέτησης, π.χ. τους γωνιακούς κωδικοποιητές, που είναι στοιχεία του συστήµατος ελέγχου του ροµπότ και µεταβάλλεται ανάλογα µε τη θέση 27
του, γι αυτό και σπάνια προσδιορίζεται από τον κατασκευαστή. Στα αρθρωτά ροµπότ είναι συνήθως καλύτερη στα σηµεία κοντά στη βάση του ροµπότ και χειροτερεύει κοντά στα εξωτερικά όρια του χώρου εργασίας. Συχνά, ένα ροµπότ διδάσκεται µία ακολουθία τοποθετήσεων από τον χειριστή µέσω π.χ. του άκρου διδασκαλίας, ενώ ταυτόχρονα καταγράφονται οι θέσεις των αρθρώσεων στις αντίστοιχες τοποθετήσεις. Εάν αργότερα δοθεί εντολή στο ροµπότ να επαναλάβει την διδαγµένη κίνηση ή να τοποθετήσει το άκρο του σε διδαγµένες θέσεις, τότε ως επαναληψιµότητα ορίζεται η ικανότητα του ροµπότ να το πράξει αυτό. Η επαναληψιµότητα επηρεάζεται µόνο από τη διακριτική ικανότητα ελέγχου και τις µηχανικές ανακρίβειες. Τόσο η επαναληψιµότητα όσο και η ακρίβεια εξαρτώνται από τη διακριτική ικανότητα, καθότι ο ελεγκτής πρέπει να χρησιµοποιήσει την πληροφορία θέσης από τις συσκευές ανατροφοδότησης για να προσδιορίσει εάν βρίσκεται στο προκαθορισµένο σηµείο ή κατά µήκος της επιθυµητής τροχιάς. Η ακρίβεια συνεπώς είναι ένα µέτρο του πόσο καλά ένα ροµπότ µετακινείται στην απόλυτη θέση και προσανατολισµό της διδαγµένης τοποθέτησης κάθε φορά που του ζητείται, ενώ η επαναληψιµότητα µετράει το πόσο καλά το ροµπότ επιστρέφει στη διδαγµένη θέση κάθε φορά. Η ακρίβεια είναι µέτρο της θεωρητικής τοποθέτησης ή τροχιάς, ενώ η επαναληψιµότητα είναι µέτρο της σχετικής τοποθέτησης ή τροχιάς. Όταν ένα ροµπότ ξεκινάει τη λειτουργία του, πραγµατοποιεί τη βαθµονόµησή (calibration) ή αρχικοποίησή του (initialization), δηλαδή µετακινεί όλες τις αρθρώσεις του σε τέτοια θέση ώστε οι ενδείξεις σε όλους τους κωδικοποιητές να έχουν κάποια τιµή αναφοράς. Όταν δίνεται η εντολή µετακίνησης του ροµπότ σε µία συγκεκριµένη θέση, επιλύονται από τον ελεγκτή οι αντίστροφες κινηµατικές εξισώσεις και προσδιορίζονται οι απαραίτητες µετατοπίσεις κάθε άρθρωσης, οι οποίες αντιστοιχούν σε µία συγκεκριµένη λέξη για κάθε κωδικοποιητή. Στη συνέχεια ο ελεγκτής παράγει τα κατάλληλα σήµατα για τον κινητήρα κάθε άρθρωσης ώστε ο αντίστοιχος κωδικοποιητής να βρεθεί στη ζητούµενη θέση (. Εµίρης,1999). 28
4.4 Πλεονεκτήµατα από τη Χρήση Ροµπότ Πλεονεκτήµατα από την χρήση των ροµπότ υπάρχουν πολλά. Κάποια από αυτά αναφέρονται παρακάτω, χωρίς όµως να σηµαίνει ότι δεν υπάρχουν και άλλα. Η Ασφάλεια των εργαζοµένων είναι ίσως και το σηµαντικότερο από τα πλεονεκτήµατα. Κατορθώθηκε να γίνει δυνατή η εργασία σε επικίνδυνα περιβάλλοντα µε τοξικά αέρια, υψηλές θερµοκρασίες, ραδιενέργεια κ.τ.λ. Εκτελούνται επικίνδυνες εργασίες µε φόρτωση και εκφόρτωση επικίνδυνων εργαλείων και βαρέων αντικειµένων. Έχουµε υψηλότερη παραγωγικότητα µε 24ωρη λειτουργία, υψηλότερη ταχύτητα λειτουργίας στις περισσότερες εφαρµογές, λιγότερα σφάλµατα που έχουν σαν αποτέλεσµα λιγότερα απορριπτέα κοµµάτια ή κατεστραµµένες µηχανές, οµοιόµορφη ποιότητα των παραγοµένων προϊόντων. υνατότητα εργασίας υπό αντίξοες συνθήκες (µη εφικτές από ανθρώπους), σε υποθαλάσσιες και διαστηµικές έρευνες / επιδιορθώσεις, ηφαίστεια, σήραγγες, κλπ. 4.5 Μειονεκτήµατα από τη Χρήση Ροµπότ Ωστόσο εκτός όµως από πλεονεκτήµατα υπάρχουν και µειονεκτήµατα, όπως η δυσκολία προγραµµατισµού ανάλογα µε την εφαρµογή, σχετικά µικρή ταχύτητα λειτουργίας, ειδικά για σερβοελεγχόµενα συστήµατα συνεχούς τροχιάς, κόστος εγκατάστασης, συντήρησης, εκµάθησης, κλπ. 29
5 Αντίστροφη Μηχανική Η ανάπτυξη των καινοτόµων προϊόντων και της πραγµατοποίησής τους µε τη βοήθεια των προηγµένων µεθόδων κατασκευής και συνδυασµό αυτών γίνεται όλο και περισσότερο ένα βασικό ζήτηµα στη διεθνή ανταγωνιστικότητα. Η βιοµηχανική παραγωγή επηρεάζεται όλο και περισσότερο από τις δυνατότητες που προσφέρουν οι ταχείες τεχνολογίες, όπως η ταχεία διαµόρφωση και αντίστροφη εφαρµοσµένη µηχανική, η ταχεία διαµόρφωση πρωτοτύπου και σχεδίαση, η ταχεία κατασκευή,. (Rapid Technologies - Rapid Modelling and Reverse Engineering, Rapid Prototyping and Tooling, Rapid Manufacturing). Η αντίστροφη µηχανική (RE) είναι η διαδικασία της ψηφιοποίησης ενός φυσικού αντικειµένου, διαδικασία ακριβώς αντίθετη της κατασκευής ενός προϊόντος από ένα ψηφιακό πρότυπο, π.χ. CNC κατεργασία. Χαρακτηριστικά αρχίζει µε την µέτρηση µιας επιφάνειας ή ενός στερεού και την ψηφιακή τους αναπαράσταση, ώστε να µπορεί να χρησιµοποιηθεί στην συνέχεια από κάποιο υπολογιστικό σύστηµα και να εκµεταλλευτεί τα πλεονεκτήµατα των τεχνολογιών CAD/CAM. Υπάρχουν διάφοροι τοµείς εφαρµογής της αντίστροφης µηχανικής. Είναι συχνά απαραίτητο να παράγεται ένα ηλεκτρονικό πρότυπο ενός αντικειµένου, όταν κανένα αρχικό σχέδιο ή τεκµηρίωση δεν είναι διαθέσιµο. Σε άλλες περιπτώσεις µπορεί να θελήσουµε την επαναδηµιουργία ενός προϊόντος ή µέρος αυτού, όταν απαιτείται για να κατασκευάσουµε ένα νέο βελτιωµένο προϊόν. Στους τοµείς όπου η αισθητική ενός προϊόντος παίζει ιδιαίτερα σηµαντικό ρόλο, όπως στην αυτοκινητοβιοµηχανία, απαιτούνται συχνά πραγµατικά αντικείµενα κάποιας κλίµακας (ξύλινα ή αλουµινίου) επειδή οι στιλίστες στηρίζονται συχνά περισσότερο στην αξιολόγηση πραγµατικών τρισδιάστατων αντικειµένων παρά στην εξέταση των αντικειµένων στις οθόνες. Στην περίπτωση των συστηµάτων αυτόµατης επιθεώρησης προϊόντων µετά την δηµιουργία από κάποιο σύστηµα ταχείας πρωτοτυποποίησης. Στο σχεδιασµό εργονοµικών και λειτουργικών προϊόντων. 30
Τέλος ένας άλλος σηµαντικός τοµέας της εφαρµογής είναι στην παραγωγή αντικειµένων για χρήση από τον άνθρωπο όπου οι επιφάνειες των αντικειµένων πρέπει να ταιριάζουν απόλυτα σε επιφάνειες παρόµοιες µε το ανθρώπινο σώµα, π.χ. τα κράνη, τα διαστηµικά κοστούµια κ.τ.λ. Βέβαια είναι σηµαντικό να γίνει κατανοητό στο σηµείο αυτό η διαφορά µεταξύ ενός 3D αντιγραφέα (copier) και ενός σαρωτή (scanner). Ένα φωτοτυπικό µηχάνηµα παίρνει ένα κοµµάτι χαρτί και παράγει ένα άλλο κοµµάτι χαρτιού ακριβώς όπως το αρχικό. Ένας τρισδιάστατος αντιγραφέας είναι µια συσκευή που παίρνει ένα στερεό και κάνει ένα άλλο ακριβώς της ίδιας µορφής (αγνοεί το υλικό). Σε τελική ανάλυση η τεχνολογία των αντιγραφικών είναι µια τεχνολογία καλά καθιερωµένη εδώ και πολύ καιρό. Από την άλλη, ο σαρωτής (scanner) όχι µόνο εισάγει µια σελίδα του κειµένου στον υπολογιστή, αλλά µπορεί επίσης να αναγνωρίσει χαρακτήρες και σύµβολα. Οµοίως, ένας τρισδιάστατος σαρωτής όχι µόνο θα συλλέξει τα ακατέργαστα στοιχεία από το αντικείµενο, αλλά τα στοιχεία θα ερµηνευθούν και θα δηµιουργηθεί κάποιο υπολογιστικό πρότυπο. Τώρα, όχι µόνο µπορεί ένα ενιαίο αντίγραφο να παραχθεί, αλλά λαµβάνεται η γνώση της µορφής, και κατά συνέπεια µπορούµε να παράγουµε τις νέες µορφές, να κάνουµε τις παραλλαγές, να αναλύσουµε τις ιδιότητες και να καθορίσουµε χαρακτηριστικές ποσότητες όπως η περιοχή όγκου ή επιφάνειας. Ο τελευταίος στόχος των συστηµάτων αντίστροφης εφαρµοσµένης µηχανικής είναι να πραγµατοποιηθεί ένας ευφυής τρισδιάστατος ανιχνευτής. Εντούτοις, υπάρχει πολύς δρόµος. Ακόµη και συλλαµβάνοντας τη µορφή και µεταφράζοντάς την σε ένα CAD πρότυπο είναι ένα δύσκολο και περίπλοκο πρόβληµα. Οι διαδικασίες της αντίστροφης µηχανικής µπορούν να περιγραφούν από το παρακάτω διάγραµµα ροής. Φυσικά αυτή η ακολουθία είναι αρκετά εννοιολογική. Στην πραγµατικότητα, αυτές οι φάσεις επικαλύπτονται συχνά και αντί της διαδοχικής διαδικασίας που παρουσιάζεται, απαιτούνται συχνά διάφορες επαναλήψεις. 31