mecatronica Curs1
-
Upload
ivan-liviu-ion -
Category
Documents
-
view
117 -
download
2
Transcript of mecatronica Curs1
-
Curs 1
-
Termenul mecatronic (MECAnic + elecTRONIC) a fost conceput n 1969de un inginer al firmei japoneze Yaskawa Electric i protejat pn n 1982 camarc a acestei firme. Se referea iniial la complectarea structurilor mecanicedin construcia aparatelor cu componente electronice.
IEEE/ASME Transactions on Mechatronics (1996) mecatronica a fostdefinit astfel: Mechatronics is the synergetic integration of mechanicalengineering with electronic and intelligent computer control in the design
Mecatronic
engineering with electronic and intelligent computer control in the designand manufacturing products and processes., n traducere: Mecatronic esteintegrarea sinergetic a ingineriei mecanice cu controlul electronic i celinteligent cu calculatoare n proiectarea i fabricaia produselor iproceselor..
Termenul sinergetic impune o detaliere. n Mic Dicionar Enciclopedic (Ed. Enciclopedic Romn, 1972) termenul sinergieeste definit astfel:
- gr. Synergia (conlucrare) s.f. (FIZIOL.) Asociaie a mai multor organe sau esuturi pentru ndeplinirea aceleiai funciuni.
-
Conceptul de sistem mecatronic Un sistem mecatronic este un sistem
tehnic care integreaz, ntr-o configuraie flexibil, componente mecanice, electronice i de comand cu sisteme electronice i de comand cu sisteme numerice de calcul, pentru generarea unui control inteligent al micrilor, n vederea obinerii unei multitudini de funcii.
-
Ce este mecatronica?
-
Diagram de detaliu a subsistemelor ce concura la realizarea unui sistem mecatronic
-
Fig. 1 Diagrame pentru ilustrarea noiunii de mecatronic: a) Conceptul Universitii Stanford; b) Conceptul Universitii Missouri-Rolla; c) Conceptul Universitii Purdue
-
Sisteme mecatronice n industrie: Lagre magnetice; Elemente constructive ale mainilor, cu
electron; Sisteme de injecie electronice ; Sisteme automate pentru comanda vehiculelor; Maini unelte cu comand numeric; Roboi industriali; Roboi mobili i pitori, de diferite tipuri i con; Vehicule cu ghidare automat; Avioane militare autonome; Rachete autoghidate; Sisteme pentru condiionarea aerului; Imprimante laser i plottere; Sisteme pentru citirea/scrierea informaiei etc.
n vehicule civile i militare: automobile, trenuri de mare vitez, avioane, rachete etc.
n agricultur - Roboi agricoli; Roboi pentru industria alimentar; Maini agricole autonome; Sisteme pentru irigaii comandate prin calculator;
n medicin i biomecanic - Roboi medicali; Organe artificiale; Dispozitive chirurgicale; Aparate pentru investigaii medicale complexe etc.
PRODUSE MICRO-MECATRONICE - Micro-Mechanic-Electro-Systems (MEMS); Micro-actuatori; Micro-senzori; Microsisteme
-
Evoluia sistemelor mecanice, electrice i mecatronice
-
Clasificarea sistemelor mecatronice O imagine asupra diversitii i complexitii domeniilor care sunt incluse n vasta noiune de Mecatronic poate fi furnizat de tematica seciunilor primei conferine IFAC (International Conference of Automatic Control) de Sisteme Mecatronice, organizat ntre 18 i 20 septembrie 2000 la Darmstadt (Germania):
Seciunea A Sisteme mecatronice, incluznd vehicule mecatronice, motoare i maini mecatronice, trenuri mecatronice i sisteme spaiale mecatronice;
Seciunea B - Componente mecatronice, cu temele actuatori i dispozitive mecatronice i lagre magnetice; dispozitive mecatronice i lagre magnetice;
Seciunea C Roboi i maini pitoare, cuprinznd roboi mecatronici, sisteme robotice mobile, maini pitoare;
Seciunea D Proiectarea sistemelor mecatronice a avut ca centre de greutate: modelarea i identificarea; instrumente software; simularea n timp real i hardware-in-the-loop;
Seciunea E Controlul automat al sistemelor mecatronice, s-a concentrat asupra metodelor de control, a controlului micrii i vibraiilor i a sistemelor mecatronice pentru detectarea i diagnosticarea erorilor.
-
Diagrama bloc a unui sistem mecatronic
-
Sistem mecatronic
-
Designul unui produs integrat
-
Proiectarea sistemelor mecatronice Proiectarea clasica: prima etap, ingineri mecanici proiectau structura mecanic de baz; a doua faz a proiectrii, inginerii de profil electric i electronic complectau aceast structur cu senzorii i actuatorii
necesari; ultima etap era realizat de ingineri automatiti, al cror rol consta n implementarea unei structuri de control i a unui
algoritm adecvat funcionrii ntregului ansamblu.
Proiectare actuala:
Modelul proiectrii simultane (concurente) - mecatronica are la baz principiile ingineriei concurente, impunnd, nc din momentul demarrii proiectrii unui produs, munca ingineriei concurente, impunnd, nc din momentul demarrii proiectrii unui produs, munca ntr-o echip, care include att ingineri de diferite specializri, ct i reprezentani ai compartimentelor de fabricaie, marketing, din domeniul financiar etc.
-
Diferene principiale ntre proiectarea convenional i cea mecatronic
-
Succesiunea etapelor de proiectare1. Funcii ale sistemului mecatronic
Proiectarea sistemului mecanic de baz: simplificare; mprirea funciilor ntre mecanic i electronic; Performane n funcionare: precizie, domenii mari de lucru, funcionarea n apropierea
limitelor extreme; Funcii noi: controlul mrimilor care nu pot fi msurate, generarea unor comportamente
dinamice speciale, sisteme adaptive, detectarea timpurie a erorilor n funcionare i diagnosticarea erorilor;
Vehicule drive-by-wire, avioane fly-by-wire: tolerante la erori, componente redundante, propieti influenate de software;
Noi senzori (micro-mecatronic), senzori inteligeni; Noi actuatori: electro-mecanici, piezo-electici, electro-reologici. Noi actuatori: electro-mecanici, piezo-electici, electro-reologici.
2. Forme de integrare Integarea componentelor (integrarea hardware, integrarea senzorilor, actuatorilor i a
microelectronicii n structura mecanic a sistemului); Integrarea prin procesarea informaiei (integrarea software, bazat pe cunoaterea
modelului i a procesului, metode algortmice). 3. Componente electronice
Lan de prelucrare a informaiei: senzori microcalculatoare actuatori; Microelectronic dedicat (embedded); Microprocesoare, microcontrollere, DSP-uri, ASIC; Magistrale i protocoale de comunicaie: CAN-, PROFI-, SERCO-Bus; Structuri redundante: arhitecturi duble i triple pentru funciile critice pentru sigurana
sistemului.
-
Succesiunea etapelor de proiectare (Continuare)4. Operare: noi interfee om-main
Pedale electronice sau manete cu reacie haptic; Tele-manipulare; Noi tipuri de sisteme de afiare.
5. Metode de proiectare Instrumente software pentru modelare i simulare; Instrumente software pentru proiectarea i construcia sistemelor mecanice i
electronice; electronice; Simulare n timp real (simulare hardware-in-the-loop, prototipare a
controlului). 6. Efecte sinergetice
Noi efecte prin integrarea hardware i software; Reducerea componentelor mecanice, prin mbinarea componentelor mecanice
i electronice.
-
Arhitectura de principiu:
Sistem central de comanda
Sistem c-da(uP, distribuita)
SenzoriC-da axa 1 C-da axa n
..
..Actionareaxa 1
Actionareaxa nSistem
mecanic
-
Sistemul mecanic - compus din mecanisme, care asigur micarea efectorului final n siturile sale pe traiectoria programat.
- preia forele generalizate ce acioneaz din mediu.
Sistemul de acionare impune micarea relativ a elementelor mecanismelor sistemului mecanicare ca i componente cte un element de acionare pentru fiecare cupl cinematic conductoare a mecanismelor sistemului mecanic.
Sistemul de comand prelucreaz informaiile despre starea mediului (externo - percepie) i despre starea interioar a sistemului (proprio - percepie) i emite , n conformitate cu aceste informaii i propriul program, comenzi ctre sistemul de acionare. Senzorii i traductoarele sunt elemente de inteligen artificial ce culeg informaii (senzori culeg informaii care nu sunt legate de deplasri provenite din mediu, iar traductoarele culeg informaii legate de deplasri ale subsistemelor cel compun.
-
Sistemul de conducere reunete sistemul de comand, sistemul de acionare elementele de inteligent artificial.
Sarcina principal a sistemului de comand este de a transpune programele de aplicaie n micri relative al elementelor cuplelor cinematice conductoare ale dispozitivului de ghidare.
-
EXEMPLU DE SISTEM MECATRONICMECATRONIC
-
ROBOT INDUSTRIAL: un sistem integrat mecano-electrono-informational, utilizat inprcesul de productie in scopul realizarii unor functii de manipulare analoage cu celerealizate de mana omului, conferind obiectului manipulat orice miscare programataliber, in cadrul unui proces tehnologic ce se desfasoara intr-un mediu specific.
Robot industrialRobot industrialExecuta miscari dupa un
ManipulatorManipulatorInstalatie automata care
executa operatiuni repetitive, miscarile realizandu-se dupa Executa miscari dupa un program flexibil, modificabil, in
functie de sarcinile de productie si de conditiile de
mediu
miscarile realizandu-se dupa un program fix, rigid
Trebuie sa posede elemente dereglaj, care sa permita reglarea inlimite restranse sau mai largi, a unorparametri cinematico-functionali saude precizie.
-
Clasificare Dup informaia de intrare i modul de nvare al echipamentului:
Manipulator manual, care este acionat direct de ctre om; Robot secvenial, care are anumii pai ce asculta de o procedur predeterminat. La rndul lor
acetia pot fi : robot secvenial fix, la care informaia predeterminat nu poate fi uor modificat; robot secvenial variabil, la care informaia predetrminat poate fi uor schimbat;
Robot repetitor (playback). La nceput omul nva robotul procedura de lucru, acesta memoreaz procedura, apoi o poate repeta de cte ori este nevoie.
Robot cu control numeric. Robotul industrial execut operaiile cerute n conformitate cu informaiile numerice pe care le primete.
Robotul inteligent i decide comportamentul pe baza informaiilor primite prin senzorii pe care i are la dispoziie i prin posibilitile sale de recunoatere
Dup forma micrii : Robotul cartezian este cel ce opereaz ntr-un spaiu definit de coordonate carteziene; Robotul cartezian este cel ce opereaz ntr-un spaiu definit de coordonate carteziene; Robotul cilindric este similar celui cartezian, dar spaiul de lucru al braului este definit n coordonate
cilindrice; Robotul sferic ( polar ) are spaiul de lucru definit n coordonate sferice (polare ); Robotul protetic are un bra articulat; Roboi industriali n alte tipuri de coordonate.
Dup numrul gradelor de libertate/ Dup spaiul de lucru i greutatea sarcinii manipulate.
Dup generaii sau nivele, n funcie de comanda i gradul de dezvoltare al inteligenei artificiale:
Roboi din generaia I, care acioneaz pe baza unui program flexibil, dar prestabilit de programator, care nu se mai poate schimba n timpul executiei;
Roboii din generaia a-II-a se caracterizeaz prin aceea c programul flexibil prestabilit poate fi schimbat n limite foarte restrnse n timpul execuiei;
Roboii din generaia a-III-a posed nsuirea de a-i adapta singuri programul n funcie de informaiile culese prin proprii senzori din mediul ambiant.
Dup metoda de control: Manipulatoare simple;
-
Sisteme mecanice pentru: Deplasare Efectuarea de operatii
Manipulare
Sisteme mecanice
Manipulare Plasare Asamblare Sudare Etc.
-
Sisteme de deplasare In functie de mediu:
Terestre Roti, senile, picioare
Aeriene Aeriene Acvatice Spatiale
Sonde spatiale automate
-
Sisteme de deplasare (1) In functie de mediu:
Terestre Roti, senile, picioare
Aeriene Aeriene Acvatice Spatiale
Sonde spatiale automate
-
Sisteme de deplasare (2) Probleme principale
Schimbarea directiei/ intoarcerea Deplasare pe teren variat/ accidentat Stabilitatea legata de faptul ca senzorii si Stabilitatea legata de faptul ca senzorii si
sistemul de comanda nu pot decide traiectoria/ evita obstacole, gropi la fel ca omul
Gasirea unui sistem cu cat mai putine grade de libertate comanda sa nu fie prea complicata
-
Sisteme de deplasare terestre Roti
Foarte eficiente, dar limitate la suprafata plana
Pt extindere domeniu pe teren accidentat: Pt extindere domeniu pe teren accidentat: Dimensiune roti Suspensii elastice
Curbe: Directie + diferential (mecanic sau electric) Tip senila control de viteza pe fiecare roata
-
Permite rotilor motoare sa aiba viteze de rotatie diferite, si sa preia acelasi cuplu
Diferentialul
Motor: albastru; daca rotile (rosie si galbena) intampina rezistenta egala: verde oprita
Daca roata rosie isi reduce viteza: verde se roteste si creste viteza celei galbene
Diferential electric: comanda motoarelor la cuplu (curent) constant
-
Tip senila Pro: simpla; nu exista angrenaje
mecanice, sistem directie Mai potrivita pentru sisteme automate
r
w
r = raza curbeir = x1/sin()v2 v1 = w*v/(r+w/2)
-
Tip picioare
Pot fi: Bipede (tip android)
Foarte versatile Foarte complexe: articulatii, nr mare de motoare Foarte complexe: articulatii, nr mare de motoare
(min 3, tipic 5+) Tip multi-pod
Dezavantaj: intoarcere dificila-Greutate pe cate 3 picioare (2+1)-Cele care raman in spate
-
Tipuri de roti Roti standard 2 grade de libertate Roti castor 2 grade; articulatie mobila Roti omnidirectionale 3 grade
Reducere frecare orice directie Reducere frecare orice directie Roti bila (sferice) f. dificile
-
Configuratii ale rotilorNr roti
Aranjament Descriere Exemple
2 -centrul de greutate sub axa!
Cye
3 -2 motoare smartRob 3 -2 motoare centrale, una de suport (castor)
smartRob EPFL
3 - similar, departate
f. numerosi roboti indoor
Multe altele!!
-
Omni-directional (1) Doua roti motoare (fata rotot), vedere de
dedesubt o componenta roteste cilindrul,cealalta misca robotul sau se anuleaza cu sau se anuleaza cu cea de la roata opusa
Patent: Swedish company Mecanum AB, 1973
-
Omni-directional (2)
-
Omni-directional (3)Directia Roata 1 Roata 2 Roata 3 Roata 4
Inainte
Lat stangaLat dreaptaIntoarcere pe loc dreapta
-
Bratele robotului Sisteme mecanice pentru efectuarea de
operatii (manipulare, sudare, etc.) Mare varietate Cerinte principale: Cerinte principale:
Precizia Raza de actiune Sarcina maxima Forta exercitata (ex de prindere)
-
Structura unui manipulator Manipulator include articulaii i membre rigide:
Articulatiile furnizeaza miscarea relativa Elemente de legatura sunt membre rigite
intre articulatii Diferite tipuri de articulatii: liniare i rotative Fiecare articulatie ofer un grad de
libertate
Link2
Link3Joint3
End of Arm
Link1libertate Cei mai multe roboi dispun de cinci sau
ase grade de libertate Robotul Manipulator
corp-i-bra - pentru poziionarea obiectelor n spatiul de munca al robotului
asamblul ncheieturii - pentru orientarea de obiecte
Base
Link0
Joint1
Link1
Joint2
-
Rotative articulatii pe o axa Perpendiculare Paralele
Articulatii (cuple)
Glisare pe o axa
-
CUPLAJE DIRECTE
reprezinta cea mai simpla si mai ieftina solutie de cuplarese poate folosi numai in cazul cand vitezele de rotatie ale motorului si masinii delucru sunt egale
Tipuri de cuplaje directe
Cuplaj rigid, folosit intre doi arbori cu lagare dealunecare, daca piesele in miscare sunt echilibrate
39
directe alunecare, daca piesele in miscare sunt echilibratestatic si dinamic
Cuplaj flexibil, care poate compensa anumite eroriunghiulare ale arborilor unul fata de celalalt, cat simici erori laterale sau de inaltime. Este folosit intredoi arbori unul cu lagare cu rulmenti si altul cualunecare.
-
Angrenaje cu roti dintate mecanisme simple, rigide
40nN
N i0
ii0
====
====
-
Roti dintate cu dinti inclinatiRoti dintate cu dinti drepti
TPSEM - CURS 1 41
- forte axiale reduse - suprafata de contact mai mare
-
Sisteme de transmisie prin curele sau lanturi mecanism simplu, elastic
v
12
Pot fi utilizate ca :
42
- sisteme de actionare liniare
- sisteme de transmisie cu modificarea vitezei
Dv
pipipipi====
dD
n ====
-
Mecanism surub-piulita mecanism rigid, cu modificarea tipului miscarii
urub
Lagr liniar
Piuli p
v
43
Mecanism roata melcata-surub cu bile- rigid, cu modificarea tipului miscarii
-
- viteza de rotatiev viteza liniaraL pasul surubuluiL
v====
micri de translaie de precizie ridicat, msurabile cu exactitate,
44
raport de transfer cu valori n limite largi, lipsa zgomotului n funcionareo rigiditate i un randament foarte bune, ceea ce permite adaptarea lor la motoare electrice de curent continuu, motoare pas cu pas si la motoare hidraulice rotative.
-
Mecanism pinion-cremalier - rigid, cu modificarea tipului miscarii
Pinion
Cremalier
Mecanism cu culis oscilant rigid, cu modificarea tipului miscarii si autoinversare a sensului miscarii
45
autoinversare a sensului miscarii
Culis
n
AB
Manivel
-
Mecanism biel-manivel rigid, cu modificarea tipului miscarii
n
Biel
46
n
Manivel
-
CUPLAJE ELECTROMAGNETICE - permit modelarea fluxului de energie mecanica de lamotorul electric spre masina de lucru prin semnale electrice de comanda de putere redusa
47
motorul electric spre masina de lucru prin semnale electrice de comanda de putere redusa
-
Cuplaje electromagnetice cu frictiune1
2
4
5
6
89
1 corp de forma inelara2 bobina de excitatie3 inele de alimentare a bobinei4 arborele condus5 suprafata de frecare (formade disc)6 arborele conductor
48
3
67
6 arborele conductor7 bucsa dintata8 armatura9 resort
SOLUTII CONSTRUCTIVE pentru partea de cuplare mecanica:- prin forta de frecare intre doua sau mai multe suprafete, supuse la o forta axiala;- prin forte tangentiale, rezultate din descompunerea unei forte pe planuri inclinate(cuplaje cu dinti).
-
AVANTAJE :
asigura protectia motorului electric la cupluri de sarcina periculos de mari, prinalunecarea partii conduse fata de cea conductoare ;
permite realizarea unor acceleratii mari de pornire ;
permite comanda de la distanta si automatizarea.
DEZAVANTAJE :
49
DEZAVANTAJE :
suprafetele de frecare trebuie curatate, pentru a impiedica scaderea coeficientuluide frecare ;
datorita uzurii discurilor este necesara reglarea periodica a distantei dintre celedoua semicuple si dupa un timp inlocuirea discurilor de frecare ;
reglarea vitezei arborelui condus se poate realiza numai prin impulsuri, ceea ceimplica uzura suplimentara a discurilor de frecare.
-
Cuplaje electromagnetice cu pulbere - realizeaza legatura dintre arborele conducator sicondus prin intermediul unei suspensii de material feromagnetic in ulei
- fier carbonil sau fier pulverizat- aliaj pulverizat de otel cu nichel sau crom amestecat cu oxid de magneziu, sticla
fin dispersata, etc.
7
32
64
1 arbore conductor
50
1 5
8
1 arbore conductor2 bobina de excitaie;3 semicupla conductoare4 semicupla condus5 - arbore condus6 ntrefier7 inele de alimentare8 lagr
-
AVANTAJE :
timp de actionare mai mic si datorita inertiei mai scazute a semicuplei conduse ;
uzura mai mica, in regim de alunecare ;
randament mai ridicat.
DEZAVANTAJE :
constructie relativ complicata, datorita etanseitatii superioare ;
51
la viteze mari, sub actiunea fortei centrifuge, apare o functionare nestabila sau griparea ;
- caracteristicile mecanice sunt determinate de imbatranirea amestecului, fenomen care impune si reimprospatarea amestecului la fiecare 1500 ore de functionare
-
Cuplaje electromagnetice cu alunecare de tip:- asincron, daca exista o infasurare in colivie pe semicupla conductoare ;-sincron, daca pe suprafata dinspre intrefier semicupla conducatoare este prevazuta cudinti ;- cu curenti turbionari, daca semicupla conducatoare se executa din otel masiv .
1 semicupla conductoare
1
24
52
1 semicupla conductoare2 semicupla condus3 nfurarea de excitaie alimentat n c.c.4 - inele de contact5 - arbore conductor6 arbore condus
35
6
-
AVANTAJE :
nu au piese supuse uzurii ;
nu necesita intretinere ;
permit modificarea turatiei ;
protejeaza mult mai bine motorul electric.
DEZAVANTAJE :
53
DEZAVANTAJE :
dimensiuni de gabarit si greutate mai mari ;
inertie mai mare ;
caracteristicile sunt influentate de incalzire.
-
Articulatii (cuple) Alte tipuri
Sferice rotatie in spatiu Tip cuplaj elastic aproape 360o
Dificil de controlat Alegerea articulatiilor: solutia nu e unica gasire Alegerea articulatiilor: solutia nu e unica gasire
optim - functie de: Precizia ceruta Raza de actiune Sarcina maxima necesara Cost
-
Structura mecanismului generator de traiectorie a miscarii poate fi modificatschimbnd natura i ordinea cuplelor.
Astfel, se obin 8 variante: TTT, TTR, TRT, RTT, RRT, RTR, TRR i RRR.
Aceste variante sunt obinute analitic, fr s se considere modificrile structuriispaiale cnd se schimb poziia
Notarea articulatiilor pe scheme (1)
-
Tipurile de articulatii pentru roboti manipulatori
Miscare de translatie Articulatie lineara (tip L)
Utilizeaz simboluri comune (eng: L, O, R, T, V) pentru a desemna tipurile de comun folosite pentru a construi un robot manipulator
Separatia dintre asamblul corp-bra si incheietura mainii este realizatafolosind notatia (:) Exemplu: TLR : TR
Articulatie lineara (tip L) Articulatie ortogonala (tip O)
Miscare de rotatie Articulatie rotativa (tip R) Articulatie de rasucire (tip T) Articulatie cu miscare de revolutie (tip
V)
-
Brat robot in coordonate polare
Notatie TRL:
Include un bra glisant (articulatie L) acionat n raport cu corpul, care se poate roti att dupa o ax vertical (articulatie T), cat i dupa axa orizontal (articulatie R)
-
Brat robot in coordonate cilindrice
Notatie TLO: Const dintr-o coloan vertical, n
raport cu care braul este mutat n sus sau n jos
Braul poate fi mutat n sus, sau catre exterior n raport cu coloana
-
Brat robot in coordonate carteziene
Notatie LOO: include din trei articulaii glisante, dintre
care dou sunt ortogonale
-
Exemple Exemple de configuratii posibile pt un
manipulator (a) TRT:R, (b) TVR:TR, (c) RR:T.
R
T
R
T
V
(a) TRT:R
R
T
RT R TR
R
(c) RR:T(b) TVR:TR
-
Robot de tip brat articulat
Notatie TRR:
-
Articulatii Ex. manipulator in plan
Lmin Lmax- Raza de operare:
Lmin = L1
Lmax=L1+L2
Lmin = L1-L2
Lmax=L1+L2
L1L1
L2L2
-
- Structura standard de manipulatoare (robot articulat)-3 grade de libertate (articulatii rotative)
L2
1
-
Cel prezentat anterior: Selective Compliant Assembly Robot Arm sau Selective Compliant Articulated Robot Arm.
Modelul SCARA
Rapide; ajung usor in spatii inguste Control: mai dificil
-
Impartirea functionala a comenzii
Sistem central de comanda
-Control traiectorie-Citire senzori globali (obstacole etc)-Comenzi pentru sist locale (deplasare, apucare, etc)
..
C-da axa nC-da axa 1
-Control viteza/ pozitie pe axa 1-Citire senzori locali (pozitie, curent)-Supervizare act axa 1; avarie-Comunicare cu sist central