Roboty i wnioski dla nas 4

Roboty i wnioski dla nas 4

Upowszechnienie, tanienie i rozwój maszyn CNC i robotów jest także pochodną sukcesów mikroelektroniki. Z jednej strony coraz szybsze są mikroprocesory i pojemniejsze pamięci z  drugiej strony coraz lepsze są klucze mocy używane w inverterach.

Jakość kluczy mocy doskonale widoczna była na przykładzie klucza H-out w układzie odchylania poziomego kineskopowych odbiorników telewizyjnych. Lampowy odbiornik telewizyjny Rubin pobierał z sieci 380 Wat mocy. Odbiornik Jowisz z tyrystorowym układem odchylania pobierał do 200 Wat mocy. Odbiornik z tranzystorowym kluczem H-out o tej wielkości ekranu pobierał ca 70-80 Wat mocy.  Koncern Motorola już w 1961 roku pokazał pełnotranzystorowy odbiornik o przekątnej ekranu 21'.
Ostatnia generacja wysokonapięciowych  tranzystorów mocy do stopnia H-out była tak dobra ze czasem nie stosowano już radiatora dla tranzystora. 

Ere energoelektroniki otworzył w 1956 roku wynalazek tyrystora w koncernie General Electric. W tym samym roku tyrystor był dostepny komercyjnie na rynku.  Od końca lat sześćdziesiątych produkowane były servonapędy tyrystorowe z silnikami prądu stałego. Miały niespecjalne parametry i były drogie. Zasadniczą wadą silnika prądu stałego DC była obecność nietrwałego komutatora. Z dostępnym wówczas magnesami stałymi silniki DC miały dość słabe parametry. 
W od lat siedemdziesiątych jako klucze mocy stosowano tranzystory Darlingtona. Inverter z nimi był skomplikowany i drogi. Dopiero tranzystor IGBT przyniósł przełom. Co ciekawe był to w 1971 roku jedyny nieznany obecnie przyrząd połprzewodnikowy. Został przegapiony.
Tranzystor IGBT nadaje sie tylko do średnich czestotliwości pracy. Przy wyższych czestotliwościach królem jest tranzystor Mosfet. Od dwóch lat komercyjnie dostępne sa tranzystory Mosfet ale wykonane w SiC a nie tradycyjnie krzemowe. Mają znakomite parametry ale są jeszcze drogą nowością.
Bardzo dobrą pozycje na rynku elementów mocy do inverterów miały Siemens a pożniej wydzielony z niego Infineon i International Rectyfier. Niedawno koncerny zostały połączone. Przy popularyzacji samochodów elektrycznych rynek inverterów i elementów do nich będzie wprost przepastny co jak widąc nie uszło uwadze firm szykujących się razem do boju o miliardy ! 
Dla wygody sześć tranzystorów IGBT czyli mostek trójfazowy obudowano jako moduł. Później dodano w module sterownik bramek a pozniej układy do pomiaru prądów fazowych. 
Ponizej wnętrze takiego małego modułu, Intelligent Power Modules,  firmy International Rectyfier.

Obecnie invertery do regulacji silników AC stosowane sa nawet w lepszych pralkach i lodowkach.

Poniżej fragment opracowania autora sprzed blisko 30 lat.
"Sterowane napedy uzywane sa takze  w:
-systemach transportowych
-maszynach pakujacych
-maszynach konfekcjonujacych
-maszynach papierniczych
-maszynach produkcji tekstylnej
-maszynach poligraficznych
-dzwigach
-liniach montazowych
-centrach obrobczych
-potokach walcowniczych
-przetworstwie tworzyw sztucznych

Maszyny z serwonapedami nie mecza sie, nie choruja i nie urlopuja. Jeden robot przemyslowy malujacy karoserie samochodow zastepuje az 5 pracownikow !
Produkcja elektroniki profesjonalnej jest bardzo wysoko rentowna i stwarza doskonale perspektywy rozwojowe kraju producenta.
Doskonale w tej dziedzinie radzi sobie nasz polnocny sasiad.

Liderem w dziedzinie robotow z napedem elektrycznym stala sie na lata szwedzka ASEA wypuszczajac w 1974 roku  5 osiowego  robota IRB-6 mogacego przenosic przedmioty o masie 6 kg. Konstrukcja  mechaniczna tego robota jest bardzo wysoko oceniana nawet obecnie.  Naped stanowily silniki pradu stalego sterowane z  mostkow mocy H wykonanych na japonskich tranzystorach bipolarnych Toshiby zasilanych napieciem tylko 48Vdc z trojfazowego prostownika pojemnosciowego z transformatorem sieciowym. Wyjsciowy prad maksymalny dochodzi do 30A. Czestotliwosc modulacji PWM jest niewielka i slychac ciche szumienie silnikow.Wewnetrzny kaskadowy regulator pradu silnika  byl oczywiscie analogowy. W tamtym czasie norma w maszynach CNC I i II generacji  byly raczej sterowniki tyrystorowe. Male napiecie zasilajace tranzystorowy mostek  mocy limituje poziom mocy drivera. Szczegolowo budowe driverow omowiono w opracowaniu autora. Konstrukcja byla bardzo nowoczesna.  Silnik wyposazony byl w analogowe Tacho a pomiaru polozenia dokonywano resolverem. Rozdzielczosc pomiaru wynosila zaledwie 256 pozycji  na obrot. Uzwojenia SIN i COS statora resolvera zasilano przesunietymi w fazie sygnalami quasi prostokatnymi, kwadraturowymi o czestotliwosci 2kHz. Z uwagi na znaczne znieksztalcenie sygnalow sygnal wyjsciowy z wirnika resolvera podano na filtr dolnoprzepustowy a dalej na komparator i system do pomiaru przesuniecia fazy. Zasade dzialania takiego klasycznego systemu z resolverem,  identycznego do stosowanego w maszynach CNC  zawiera dostepna  ksiazka "Serwomechanizmy obrabiarek sterowanych numerycznie", Jerzy Mierzejewski , WNT Warszawa. Komputer sterujacy wszystkimi osiami robota wykonano na procesorze Intel 8008 bowiem tylko taki byl dostepny w 1972 roku, w czasie opracowywania systemu. Popularny procesor 8080 pojawil sie bowiem dopiero w 1974 roku. System ma 8 kb pamieci i czterocyfrowy wyswietlacz oraz prosta klawiature . Z tego wzgledu oprogramowanie wspomagajace uzytkownika  jest ubogie a zaprogramowanie robota jest pracochlonne i uciazliwe oraz wymaga wysokich kwalifikacji. Po zaprogramowaniu robot dziala bezawaryjnie calymi latami.
Poniewaz wydajnosc tego komputera jest znikoma to konstrukcja programu i sprzetu jest genialna. Kolejny system S2 wykonany na wydajnym procesorze Motorola 68000 wypuszczono juz w 1981 roku. Programowanie  jest już latwe a system posiada Joystick ktorym mozna sterowac ruchami robota  i projektowac trajektorie jego ruchu  W najnowszym systemie  S3 z 1986 roku zastosowano juz silniki AC co znow jest rozwiazaniem rewolucyjnym.  Warto zwrocic uwage ze uklad (bez procesora DSP lub bardzo szybkiego mikrokontrollera) do sterowania invertera silnika synchronicznego lub BLDC wspolpracujacy z resolverem jest wzglednie prosty. Silniki AC sa  lzejsze , tansze i bardziej niezawodne. Inverter do silnika AC ma 6 kluczy mocy zamiast 4 uzywanych do sterowania  silnika DC. Za szwedzkim  liderem podazaly pozostałe koncerny swiatowe.

Chociaz IRB-6 byl pierwszym robotem elektrycznym to roboty z napedem hydraulicznym uzywane byly juz 10 lat wczesniej. Naped hydrauliczny oprocz wielu zalet ma tez bardzo powazne wady. Nie mozna robotow hydraulicznych uzywac do spawania ani do wykonywania czynnosci tam gdzie wymagana jest wysoka czystosc.

System elektroniczny  robota przemyslowego nie rozni sie w zasadzie od systemu maszyn CNC.
Firmy szwedzkie nie produkuja mikroprocesorow ani ukladow mikroelektronicznych ale nie stoi to wcale na przeszkodzie produkowaniu znakomitych, drogich i poszukiwanych urzadzen. Myslac optymistycznie o przyszlosci Polski trzeba stawiac na energoelektronike i w ogole na elektronike profesjonalna.
W systemach sterujacych robotami przemyslowymi spotyka sie takze komercyjne mikrokomputery. W 1972 roku nie bylo jednak mikrokomputera o pozadanych wlasnosciach, wymiarze  i cenie. 

Praca robotow przemyslowych i maszyn CNC zastepuje ciezka i niewdzieczna fizyczna prace ludzie. Roboty musza byc konkurencyjne cenowo do pracy ludzkiej. Cena nowego robota o udzwigu kikunastu kilogramow wynosi ponad 100 tysiecy dolarow. O jakiej tu mozna mowic konkurencji skoro place Polakow wynosza 20 czarnorynkowych dolarow.
W katalogu CEMI nie ma zadnego elementu ktory mozna stosowac jak klucz w energoelektronice bowiem w czasie kryzysu on sie nie rozwija."