Roboti industriali

Roboti industriali

Noiuni generale definiii

terminologie clasificarea manipulatoarelor i roboilor industriali pe generaii clasificarea roboilor industriali n funcie de scara evolutiv a treptelor de automatizare clasificarea roboilor industriali n funcie de complexitate

Parametrii tehnici ai roboilor

rezoluia, precizia static, repetabilitatea static, spaiul de lucru, numrul gradelor de libertate, sarcina util, parametri globali de analiz

Structura mecanic a roboilor

grade de libertate, legturi mecanice, mobilitatea mecanismelor, redondan, lan cinematic, coordonate articulare, coordonate operaionale

structuri mecanice purttoare cu lan cinematic deschis structuri mecanice purttoare cu lan cinematic nchis structura mecanic a articulaiei pumnului dispozitivul efector

Axa robotizat adaptoare de micare

Sisteme de acionare sisteme de acionare hidraulice i distribuitoare de energie hidraulic

sisteme de acionare pneumatice, motoare pneumatice i surse de energie pneumatice

Motoare pas cu pas cu reluctan variabil, cu magnei permaneni, distribuitoare de energie electric

Determinarea poziiei unui solid n spaiul cartezian cosinusurile directoare, unghiurile lui Euler, Denavit-Hartenberg

conf. univ. dr. ing. Cezar Dumitru POPA

Roboti industriali 1

N o i u n i g e n e r a l e

Definiii

Robotul este un sistem automatizat de nalt nivel capabil s ndeplineasc obiecte i scule n scopul suplinirii unor activiti umane. Realizarea i implementarea aplicaiilor necesit cunotine din domenii diverse (mecanic, hidraulic, electrotehnic, electronic, informatic).

Roboii industriali trebuie s rspund necesitilor mediului industrial: flexibilitate (pentru a putea fi adaptai diferitelor serii de fabricaie), productivitate mare, fiabilitate, cost ct mai redus. Roboii industriali se utilizeaz n aplicaii industriale caracterizate prin repetabilitate, caden foarte mare, aplicaii n medii nocive.

Principalele aplicaii n care utilizarea roboilor industriali are avantaje evidente sunt: ncrcarea i descrcarea mainilor unelte cu comand numeric; sudur prin puncte sau pe contur (39%); operaii de ansamblare (19%); vopsire (8%); turnarea n forme a pieselor mari (14%); controlul calitii; manipularea substanelor toxice, radioactive.

Robotul industrial este definit n prezent ca un manipulator tridimensional, multifuncional, reprogramabil,

capabil s deplaseze materiale, piese, unelte sau aparate speciale dup traiectorii programate, n scopul efecturii unor operaii diversificate de fabricaie.

Roboii mobili (independeni) utilizai din ce n ce mai mult n diverse aplicaii pentru a ndeplini sarcini complexe n spaii sau medii n care accesul omului este dificil sau imposibil: mediu marin la adncimi foarte mari, inspecia anumitor instalaii din industria chimic sau nuclear.

Nanoroboi, medicin pentru microoperaii. Maini unelte Maini unelte cu comand program (CP): comand prin came profilate; comand prin copiere dup ablon;

comand secvenial. Mainile unelte cu comand numeric (CN) Maini unelte cu comand numeric asistat de calculator (CNC). Sistemul CNC fa de sistemul CN are numeroase avantaje: 1. un software mai puternic (set de instruciuni extins al noilor generaii de procesoare); 2. utilizarea limbajelor de programare evoluate simplific activitatea de programare; 3. memoria RAM de mare capacitate permite memorarea tuturor programelor pies acestea putnd fi testate

i corectate pe echipament; 4. posibilitate de adaptare la diverse tipuri de maini unelte prin modificri hardware minime datorit interfeei

programabile cu echipamentele convenionale; 5. scderea volumului hardware prin implementarea software a unor funcii a acestuia; 6. scderea semnificativ a timpului de depanare datorit facilitilor de autotestare i diagnoz.

Pentru diferitele componente ale roboilor industriali, figura 1, s-au definit termeni specifici care vor fi utilizai i n lucrarea de fa prin preluarea termenilor din literatura anglo saxon.

Terminologie

Baza este suportul pe care se fixeaz prima ax a structurii mecanice. Folosete pentru fixare i reprezint

punctul de referin n raport cu care se calculeaz toate deplasrile axelor. Structura purttoare este format din axa 1, axa 2 i axa 3 i asigur poziionarea grosier a articulaiei pumnului. Articulaia pumnului este alctuit din axele 4, 5 i 6, trebuie sa aib minim dou axe i este utilizat la

realizarea poziionrii fine a dispozitivului efector. Efectorul este un dispozitiv prin care se efectueaz operaii specifice. Elementul cuplor este un dispozitiv specializat care permite cuplarea rapid a dispozitivelor efectoare care intr

n dotarea robotului. Axa este elementul mecanic independent dotat cu elemente de acionare i traductoare de axe. Acionarea

axelor robotului se poate face de la surse de energie hidraulic, pneumatic sau electric.


SISTEM DE PROGRAMARE

SURS DE ENERGIE

SISTEM DE COMAND

SISTEM DE ACIONARE AXE

SISTEM DE PRELUCRARE

SENZORIAL

STRUCTUR

MECANIC

MEDIU DE LUCRU

comenzi axe

msurri traductori

interni

sarcin

msurri

traductori

externi

Mod

ulul

sen

zori

al

i de

deci

zie

Mod

ulul

ope

rai

onal

instruciuni ROBOT INDUSTRIAL

I / O

magistral

industrial

Fig. 1 Robot industrial

Fig. 2 Arhitectura roboilor industriali

Surs de energie

Sistem de programare

Sisteme de comand,

acionare i senzorial

axa 5

axa 1

Baz

axa 6

axa 3

axa 2

axa 4

Structura mecanic

structur purttoare

articulaia pumnului:


Arhitectura de baz a roboilor industriali actuali este prezentat n figura 2. Mediul de lucru este spaiul n care robotul poate desfura operaia i n care sunt incluse toate obiectele din

acel volum. Sarcina este reprezentat de aplicaia pe care trebuie ndeplinit de structura mecanic a robotului. Structura mecanic este un ansamblu de corpuri rigide conectate prin articulaii astfel nct s formeze un lan

cinematic. Sistemul de acionare este format din distribuitoarele de energie, adaptoarele de micare i elementele de

execuie prin care se transmite energia de la surs la structura mecanic. Sursa de energie poate fi hidraulic, pneumatic sau electric. Sistemul de comand este un microcontroler pe 8 sau 16 bii. Asigur interpretarea instruciunilor de nivel nalt i

transformarea lor n comenzi specifice ctre sistemul de acionarea al axelor. Prelucreaz informaii de la traductoarele de ax sau de la traductoarele externe.

Sistemul de prelucrare senzorial este un sistem cu microprocesor care realizeaz prelucrarea local a informaiilor de la traductoare i ofer informaii finale ctre sistemul de comand sau sistemul de programare.

Sistemul de programare este un procesor de cel puin 32 de bii unde sunt stocate sistemul de operare, limbajul de programare specific robotului, precum i alte programe utilitare i aplicaii.

Modulul I/O se folosete pentru cuplarea robotului la procesul industrial sau pentru sincronizarea cu alte uniti de producie.

Magistrala industrial este o magistral de mare vitez prin care se asigur comunicaia cu nivelul ierarhic superior (baza de date a aplicaiei). Clasificarea manipulatoarelor i roboilor pe generaii

Clasificarea pe generaii folosete drept criteriu de baz capacitatea mainii de percepere i interpretare a semnalelor din mediul exterior, precum i de adaptare la mediu n timpul procesului de lucru.

Manipulatoare: manuale (prima generaie): este un sistem de manipulatoare amplificatoare de efort care are cel puin 4 grade

de libertate i care permite, sub aciunea comenzii umane, efectuarea unor operaii n medii nocive sau improprii activitii umane;

automate (generaia a doua) sunt mecanisme de manipulare care au cel puin dou axe. Ele realizeaz deplasarea n conformitate cu un ciclu prestabilit, n regim automat. Nu au senzor i lucreaz n bucl deschis. Se utilizeaz la operaii simple de ncrcare/descrcare;

inteligente (generaia a treia) sunt mecanisme de manipulare care mbin controlul uman (grosier) cu controlul de finee asistat de senzori inteligeni. Scopul const n depirea limitelor senzoriale ale organismului uman.

Roboi industriali: prima generaie sunt manipulatoare automate programabile, avnd cel puin 3 axe (dintre care cel puin 2 axe

sunt programabile prin nvare sau printr-un limbaj simbolic). Sunt dotai cu senzori de control a poziiei fiecrei axe, lucrnd n bucl nchis. Pot fi comandate de un automat programabil sau un calculator compatibil IBM;

generaia a doua sunt manipulatoare automate cu cel puin 3 axe programabile sunt dotai cu senzori specializai de tip tactil, de for, camere video etc. Sunt comandai de cel puin un calculator. Au o coordonare de tip ochimn n sensul c pot identifica obiecte de form simpl aezate aleator. Pot face deplasri pe traiectorie n mod interactiv funcie de modificrile mediului de lucru. Pot executa operaii de ansamblare indiferent de poziia iniial a subcomponentelor;

generaia a treia sunt dotai cu senzori inteligeni (prelucrare local a informaiei) i utilizeaz elemente de inteligen artificial. Sunt dotai cu senzori performani ce reuesc s fac o analiz a datelor i s furnizeze informaii ctre sistemul de comand;

inteligeni sunt dotai cu programe de inteligen artificial avansate, cu senzori de nalt nivel, au capacitate de autoinstruire, utiliznd i interpretnd experiena dobndit din situaiile anterioare.

Majoritatea roboilor industriali folosii n prezent sunt din generaia 1 i 2.


Clasificarea roboilor industriali n funcie de scara evolutiv a treptelor de automatizare

Sursa de informaii

Energia Treapta Descriere

Mediul exterior

Electric Hidraulic Pneumatic

10 Main care se autoperfecioneaz: robot cu inteligen artificial

9

Main cu program adaptabil n funcie de condiiile externe: robot cu elemente de inteligen artificial, robot industrial generaia 3

8 Main care i corecteaz programul n funcie de condiiile de lucru: main unealt cu comand adaptativ

Program variabil (programabilitate)

7 Main universal programabil: sistem sau centru de prelucrare cu CNC, robot industrial generaia 2

6 Main monooperaie programabil: main unealt cu CN, robot industrial generaia 1

Program fix 5

Main automat pentru operaii multiple: strung cu prelucrare automat, automat de montaj

4 Main automat monooperaie: automat de montaj rigid, manipulator automat

Om

Mecanic Manual

3 Scul mecanizat, main comandat manual, manipulator manual (teleoperator)

2 Scul de mn 1 Mn

Clasificarea roboilor industriali n funcie de complexitate

Caracteristica Generaia 1 Generaia 2 Generaia 3 Generarea traiectoriei

punct cu punct pe contur prin interpolator de traiectorie

Controlul poziiilor

limitatoare de poziie asociate cu traductoare analogice

traductoare numerice traductoare numerice asistate de senzori inteligeni

Capacitatea memoriei

un singur program: pentru traiectorie zeci de poziii, pentru programul aplicaie sute instruciuni max. 2 Ko

mai multe programe: pentru traiectorie sute de poziii, pentru programul aplicaie sute instruciuni, max. 5 Mo

limitat la capacitatea de stocare a HDD

Modul de programare

prin nvare direct, limbaj main sau simbolic

limbaj propriu de nivel nalt derivat din limbajele de programare Pascal, C

limbaj de nivel nalt, programare orientat pe obiecte

Legtura cu exteriorul

interblocri i sincronizri ntre robotul industrial i poziia unor piese sau dispozitive, comenzile mainilor deservite

Senzori tactili, de efort, proximitate i vizuali (camer video)

senzori inteligeni (sonar, telemetru laser, camere video, etc.) cu prelucrare local a informaiei

Capacitatea de decizie

nu avanseaz n program dect dac sunt confirmate condiiile de interblocare i sincronizare programate

capabil s ocoleasc obstacole, s identifice forma unui numr limitat de obiecte n funcie de contur, mas, rugozitate prin traductori i dispozitive de apucare special adaptate

identific forma obiectelor mprtiate n funcie de caracteristicile proprii i le poziioneaz n poziia corect de montaj; alege ordinea operaiilor, traiectoriile optime


P a r a m e t r i i t e h n i c i a i r o b o i l o r

Rezoluia unui sistem este dat de mrimea unitii elementare pe care acesta o poate procesa. n cazul roboilor rezoluia depinde de: rezoluia sistemului de programare i rezoluia traductorilor ce asigur controlul n bucl nchis.

Fig. 3. Precizia static

Precizia static exprim diferena ntre poziia comandat cP i media poziiilor realizate mP de dispozitivul efector.

comandaoritmiarecmecanicsistemrecROBOTezROBOTrec PPRP lg5,0 ++ Repetabilitatea static de poziionare reprezint o mrime statistic asociat noiunii de precizie, pe care o completeaz. Astfel pentru aceeai micare, n condiii identice de mediu i sarcin, se msoar poziiile finale ale

efectorului care, vor prezenta o anumit dispersie iP , ni ,...,1= (figura 4), fa de poziia comandat cP :

Fig. 4. Definirea rezoluiei, preciziei i a repetabilitii statice Valoarea maxim absolut a dispersiei de poziionare n

raport cu valoarea medie de poziionare mP reprezint repetabilitatea static a robotului. Spaiul de lucru al manipulatorului sau robotului este dat de volumul n care este posibil s se gseasc elementele structurii mecanice. Spaiul de lucru util este volumul maxim, descris de totalitatea micrilor robotului, n care se poate gsi efectorul n timpul funcionrii conform figurii 5.:

Fig. 5. Spaiul de lucru util

precizie rezoluie repetabilitate

Pc Pm Pi

scar msur

traductor

75

15

1 0

2 4

1 12

Rmax =

0

z

x

poziia comandat

Xc ; Yc ; Zc

Pc

Pm

Pi , i=1..n

poziia medie real

Xm ; Ym ; Zm

poziii realizate

Prec

y


Numrul gradelor de libertate este dat de numrul maxim al deplasrilor posibile ale efectorului fr a include micarea de prehensiune. Sarcina util reprezint masa maxim pe care o poate manipula dispozitivul de prehensiune al robotului (valori uzuale n gama 0,520 Kg).

Performanele constructive i de comand ale aceleiai clase de roboilor pot diferi destul de mult, n funcie de

productor, dac sunt comparai parametrii tehnici. De aceea de multe ori sunt preferai urmtorii parametri globali de analiz:

- parametrul privind supleea i eficiena interveniei n spaiul de lucru: ]/[; 31 NmGVK =

unde V este volumul spaiului de lucru; G greutatea robotului n condiii de funcionare.

- parametrul capacitii gravitaionale specifice de manipulare: GGK 12 = unde G1

]/[; 313 mmmPGGVK

rec

=

reprezint

greutatea obiectului manipulat.

- parametrul de apreciere global a calitilor tehnice: unde

recP reprezint precizia static de poziionare. Pentru valori mari ale parametrului global K3

3 unghiuri de rotaie , , , n raport cu axele de coordonate x, y, z;

se apreciaz c pe ansamblu,

robotul industrial analizat ndeplinete ntr-un grad mai nalt standardele de performan.

S t r u c t u r a m e c a n i c a r o b o i l o r

Grade de libertate Poziia i orientarea unui solid nedeformabil n spaiu, ntr-un sistem de coordonate, este definit prin maxim 6

numere reale independente:

coordonatele carteziene x, y, z ale unui punct caracteristic al solidului.

Legturi mecanice Numrul de grade de libertate al unei legturi mecanice este determinat de numrul de micri independente

permis de legtur. n tabelul 3 sunt prezentate cele mai uzuale legturi mecanice n reprezentare plan i spaial:

Mobilitatea mecanismelor Este un parametru caracteristic determinat de numrul micrilor independente posibile. Mobilitatea unui robot

este identic cu numrul de axe (mai puin dispozitivul de prehensiune). Pentru roboii industriali mobilitatea are valorile 3 m 7. Numrul gradelor de libertate necesar executrii unei anumite operaii se numete grad de libertate a sarcinii Ks 6.

Redondan, poziie particular Dac Ks < m pentru toate configuraii unui robot, atunci acesta este redondant: are un numr de axe mai mare

dect numrul de axe necesar efecturii operaiilor de complexitatea cerut de procesul tehnologic.


C1 C2

C1

C2

C2

C1

Denumire legtur Reprezentare plan Reprezentare spaial K

translaie

1

rotaie nelimitat

1

rotaie limitat

1

translaie elicoidal

1

pivot

2

rotul

3

plan

4

C2

C1

C2 C1

C2

C1

300

300

C1

C2

C1

C2

C2

C1 C1

C2

C1

C2

C1

C2

C2

C1 C1

C2


Fig. 6. Roboi industriali cu redondan Dac Ks < m numai pentru anumite configuraii ale structurii mecanice, acestea se numesc poziii particulare caracterizate de redondan local, figura 7.:

Lan cinematic. Structura mecanic a roboilor este realizat din corpuri rigide Cj legate prin legturi mecanice Lj

astfel nct s formeze lanuri cinematice funcionale. Cele mai uzuale legturi sunt cele de translaie, rotaie nelimitat i rotaie limitat. n funcie de aplicaie la construcia structurii purttoare (primele 3 axe) se utilizeaz urmtoarele variante de lanuri cinematice: lan cinematic deschis; lan cinematic arborescent; lan cinematic nchis.

Fig. 8. Lanuri cinematice: a. deschis; b. arborescent; c. nchis Fig. 10. Coordonate articulare, operaionale

axa 1 axa 5

a. b. c.

C1 L1

Cj+1

C2

Cn

L2

Lj

Lj+1

Ln

Ln-1

O

axa 1

axa 8

a. b.

y0 x0

z0

qj ; j=1m

O0

qj-1

xi ; i=112


Coordonate articulare (de ax) sunt mrimi, variabile n timp (unghiuri, lungimi), ce definesc configuraia

structurii mecanice a robotului la un moment dat. Pot fi unghiuri su lungimi. Cu coordonatele articulare se poate determina configuraia structurii mecanice a robotului la un moment dat i poziia efectorului.

Fig. 9. Coordonate articulare

Coordonatele operaionale xi (i = 1m) sunt variabilele care definesc poziia i orientarea obiectului manipulat n raport cu un sistem de coordonate fix [O0, x0, y0, z0

], ataat bazei robotului (batiului). Structuri mecanice purttoare cu lan cinematic deschis

Structurile purttoare ale roboilor industriali au n general 3 axe care asigur poziionarea general. Structurile mecanice pot fi identificate prin lista simbolurilor legturilor mecanice pornind de la baza robotului (T legtur mecanic de translaie, R - legtur mecanic de rotaie). 1. Structura cartezian (TTT). 2. Structura cilindric (RTT).

Fig. 11. Structur purttoare cartezian Fig. 12. Structur purttoare cilindric Rezoluia roboilor cu structur purttoare cilindric nu este constant, ea depinde de mrimea razei de rotaie r dintre axa coloanei centrale i poziia efectorului.

mmR purtatoarestructuraez 94,0180500.1

000.10360

==

Fig. 13. Rezoluia pentru elongaia maxim Rezoluia roboilor cu structur cilindric este net inferioar celor cu structur cartezian pentru aceeai echipare a traductorilor de poziie.

q1 q2

rm

rm

rmin = 0,5 m

rmax = 1,5 m

rmax


3. Structura sferic (RRT).

impulsmmR translatieaxaez /01,0000.110

==

impulsmmR rotatieaxaez /17,0180000.1

000.1360

361

==

Fig. 14. Structur purttoare sferic (RRT)

Fig. 15. Structur purttoare bi-cilindric (RRT) Fig. 16. Structur purttoare bi-sferic (RRR)

Structuri mecanice purttoare cu lan cinematic nchis

Elementele suplimentare ataate structurilor purttoare cu lan cinematic deschis, pot fi utilizate n acelai timp

pentru consolidarea i echilibrarea static a structurii prin preluarea unei pri din ncrcarea generat de propria greutate a axelor, figura 17.:

Se observ c plecnd de la o structur purttoare bi-sferic, rezult o nou structur purttoare, n lan cinematic nchis, mai complex, dar care asigur o precizie mai bun concomitent cu creterea sarcinii utile manipulate (axa 3 nu mai deplaseaz elementele de acionare i control aferente). Dezavantajul principal al structurilor cu lan cinematic nchis este determinat de reducerea flexibilitii i a spaiului de lucru util datorit limitrilor impuse de legturile mecanice suplimentare.

Fig. 17. Structuri purttoare: a. lan cinematic deschis; b. lan cinematic nchis

a b


O

O

O

O

Structura mecanic a articulaiei pumnului Structuri cu micri independente. Rolul principal al articulaiei pumnului este de a asigura orientarea de finee a dispozitivului efector cu un nivel de flexibilitate ct mai ridicat. cu axe ortogonale concurente; cu axe ortogonale neconcurente.

Fig. 18. Structura articulaiei pumnului Fig. 19. Structura articulaiei pumnului cu axe ortogonale concurente cu axe ortogonale neconcurente

Structuri cu micri dependente. Utilizeaz un mecanism de orientare tip tromp de elefant, figura 22., format din elementele de ghidare G i, conectate prin legturile sferice Li. Poziionarea n spaiu a elementului cuplor EC se realizeaz ca rezultat al prepoziionrii simultane a elementelor de ghidare G i sub aciunea cablurilor C1, C2, C3, C4

2

=

fixate la un capt de elementul cuplor EC, cellalte capete fiind acionate de motoarele liniare corespunztoare. Calitile articulaiei pumnului se determin n funcie de coeficientul de serviciu definit ca raport ntre unghiul de serviciu i valoarea sa teoretic maxim 2:

Unghiul de serviciu este definit ca deplasarea spaial unghiular maxim a efectorului n raport cu centrul de micare P (prin intermediul cruia se asigur fixarea la structura mecanic purttoare).

Dispozitivul efector n funcie de domeniul aplicaiei dispozitivele efectoare pot diferi foarte mult avnd n vedere scopul pentru care au fost proiectate: dispozitive efectoare cu rol de prehensiune; dispozitive efectoare pentru operaii de sudur; dispozitive efectoare pentru operaii de vopsire; dispozitive efectoare pentru prelucrri cu unelte specializate. Dispozitive efectoare cu rol de prehensiune Dispozitive de prehensiune cu aciune unilateral. Acioneaz pe o singur fa a obiectului manipulat: dispozitive de prehensiune tip ventuz sau dispozitive de prehensiune magnetice.

Fig. 20. Dispozitive de prehensiune tip ventuz cu vid: a. ventuz aderent; b. pomp de vid; c. ventuz orientabil i generator de vid cu ajutaj

F

aer F P

A

F P

A

ptotal = pstatic + pdinamic

ps

Pt pd

a. b. c.


Fig. 21. Dispozitiv de prehensiune magnetic Dispozitive de prehensiune cu aciune bilateral. Realizeaz prinderea obiectului manipulat ntr-un sistem de prghii articulate asemntoare unui clete, fora de apsare F fiind dependent de construcia mecanismului articulat i geometria obiectului manipulat.

s

sFF m

m

=

Fig. 22. Mecanism de prehensiune bilateral cu caracteristic mecanic constant Dispozitive de prehensiune cu aciune bilateral cu acionare pneumatic:

Fig. 23. Dispozitive de prehensiune cu aciune bilateral i acionare pneumatic

Dispozitive de prehensiune cu aciune multipl, adaptive.

Fig. 24. Dispozitive de prehensiune cu aciune multipl pentru manipularea obiectelor fragile

1 2

3

4

F

M

s

sm

1

3

1

2 3

5 6 4 7 8

1

4 5

9

1

3

4

2

aer comprimat 3

1 4


Dispozitive efectoare pentru operaii de sudur Fig. 25. Dispozitiv efector pentru sudarea prin puncte

Fig. 26. Dispozitiv efector pentru operaii de sudur pe contur Dispozitive efectoare pentru prelucrri cu unelte specializate

Fig. 27. Dispozitive efectoare pentru prelucrri mecanice: a. gurire; b. debavurare; c. finisare, lefuire

A x a r o b o t i z a t

Deplasarea efectorului n vederea realizrii unei sarcini este rezultatul deplasrii corelate a unui anumit numr de axe. Pentru deplasarea controlat a axei aceasta cuprinde urmtoarele componente:

Sistemul de comand este alctuit din elementul comparator i elementul corector. Elementul corector are rolul de a adopta semnalul de eroare la cerinele de comand a distribuitorului de energie astfel nct deplasarea pe traiectorie s se fac fr oscilaii i sa fie amortizat i la nivelul de precauie cerut de aplicaie.

4

1

2 3

5

M

a.

M

b.

M

c.

1

2

3 4

2

1

3 4

7

5

6

8

Sistem de comand

+ corector distribuitor de

energie

surs de

energie

element de execuie

mecanic ax

pierderi

eforturi

parazite

traductoare

ax

vitez

poziie

-

x*

xr

adaptor

micare


M5 M4

1

2 4 3

5

b.

1 2

Adaptoare de micare

Adaptorul de micare are rolul de a transmite i eventual de a modifica parametrii cinematici i dinamici furnizai la axul elementului de execuie astfel nct s se asigure parametri optimi de micare pentru axa mecanic.

Cele mai utilizare adaptoare de micare pentru distane mici ntre axa elementului de execuie i axa mecanic sunt: sisteme adaptoare tip cam - tachet; sisteme adaptoare tip reductor (cele mai utilizate); sisteme adaptoare tip urub piuli.

Cele mai utilizate adaptoare de micare utilizate pentru distane mari ntre axele n micare sunt: sisteme adaptoare cu roi dinate concentrice; sisteme adaptoare cu curele. Adaptoare de micare pentru distane mici ntre axele de micare: Cam tachet; Reductoare. Sunt utilizate cu precdere n cazul sistemelor de acionare electrice pentru micorarea vitezei concomitent cu creterea cuplului disponibil. Reductoarele utilizate n robotic trebuie s fie de calitate deosebit, cu jocuri foarte mici (de dorit nule) pentru a asigura o precizie de poziionare a prii mecanice ct mai ridicat. Reductoare cu roi dinate cu dantur dreapt : Reductoare cu roi dinate cu dantur nclinat: Reductoare cu roi conice: urub piuli. Sunt elemente adaptoare ce transform micarea de rotaie n micare de translaie, fiind utilizate cu

precdere pentru axe de translaie.

Fig. 28. a. reductor urub piuli: b. reductor urub piuli cu bile

Adaptoare de micare pentru distane mari ntre axele de micare Roi dinate cu axe concentrice. Astfel de sisteme adaptoare sunt utilizate n cazul axelor de dimensiuni mici la care problema spaiului de montare a elementului de execuie precum i greutatea axei reprezint probleme critice de acionare pentru proiectant.

Fig. 29. Soluie de amplasare a elementelor de acionare i adaptoarelor de micare

Fig. 30. Adaptoare de micare pentru distane mari ntre axe: a. transmisie cu micri independente; b. transmisie prin cuplaje cu micri dependente

Curele. Se utilizeaz pentru transmisia micrii la distane mari acolo unde este necesar un sistem adaptor cu gabarit i greutate minim, cu inerie redus i randament mecanic foarte bun.: curele trapezoidale; curele cu dini; curele din band de oel; lanuri cu zale.

a.

M1

M

M

axa 2

C

C

C

C

M2 M3 M4

axa 3

axa 4 axa 4

axa 3

axa 2

axa 1


S i s t e m e d e a c i o n a r e Sistemul de acionare al axei robotizate este format din: element de execuie; distribuitor de energie; sursa de energie. Se consider dou axe succesive ale unui robot prevzut cu adaptoare de micare ntre elementele de execuie i structura mecanic a axelor conform figurii 31: Motoarele de acionare M1, M2

cuplurile statice sunt determinate de fora gravitaional i forele de frecare;

trebuie s nving cuplurile rezistente statice, dinamice i aleatoare ce pot apare la deplasarea pe traiectorie:

cuplurile dinamice sunt generate de forele ce apar la deplasarea axelor i pot fi urmtoarele: - cuplul de inerie, determinat de momentul de inerie este proporional cu acceleraia axei; - cuplul Coriolis, determinat de fora Coriolis este proporional cu produsul vitezelor axelor succesive (apare

n cazul micrilor combinate); - cuplul centrifug, determinat de fora centrifug, apare la nivelul axei urmtoare (axa 2) celei luate n

considerare n procesul de evaluare i este proporional cu ptratul vitezei de rotaie a acesteia. cuplul sarcinii manipulate este un cuplu variabil, suplimentar care apare n situaia n care robotul deplaseaz obiecte

ce pot fi de dimensiuni i forme diferite ca urmare i cu momente statice i de inerie diferite; cuplurile aleatoare sunt cupluri exterioare robotului care pot aprea n procesul de ansamblare sau prelucrare n

special la nivelul dispozitivului de prehensiune i care determin eforturi suplimentare la nivelul axelor de poziionare. Pentru acionarea axei robotizate pot fi alese trei soluii n funcie de puterea (cuplul) solicitat motorului de

acionare i timpul de rspuns impus: acionare hidraulic; acionare pneumatic; acionare electric. Sisteme de acionare hidraulice Sistemele de acionare hidraulice sunt utilizate pentru acionarea a 40 % din parcul mondial de roboi industriali fiind preferate n cazul roboilor de for datorit urmtoarelor avantaje: raport foarte bun ntre puterea dezvoltat i greutatea elementelor de execuie care sunt robuste i fiabile ; elementele de execuie hidraulice lucreaz la viteze moderate (pot lipsi adaptoarele de micare); datorit incompresibilitii uleiului, sistemului i se confer suficient rigiditate pentru a menine poziiile programate; au timp de rspuns mic i cu sisteme performante de comand se pot atinge precizii de poziionare foarte bune; fluidul hidraulic (ulei) are rol de lubrifiant i agent de rcire; este preferat datorit siguranei n funcionare pentru utilizri n medii explozive (vopsitorii), cu praf (turntorii) sau

corozive (acoperiri galvanice). Principalele dezavantaje ale sistemelor de acionare hidraulice sunt urmtoarele: costul sistemului de acionare este ridicat i necesit operaii de ntreinere pretenioase; elementele hidraulice sunt dificil de miniaturizat deoarece necesit seciuni de trecere a fluidului (volum element)

determinate de debitul i presiunea de lucru; se preteaz n cazul roboilor cu ciclu de lucru lent.

1

2

M1, i1 M2, i2

1

2

Mm1, M1

Mst axa1

Mm2

Mst axa2

Mst sarcin

Ma

Mm2, M2


Elemente de execuie hidraulice. Cele mai utilizate sunt cilindrul hidraulic care realizeaz direct micarea de translaie i motorul hidraulic care realizeaz micarea de rotaie.

ppresiunetensiuneU determin fora (cuplul); QvolumicdebitcurentI determin viteza de translaie sau rotaie;

pQPhidraulicaputereelectricaputereP = Cilindrul hidraulic Fig. 32. Cilindrul hidraulic Distribuitoare de energie hidraulic Distribuitoarele hidraulice au rolul de a controla energia hidraulic transmis elementelor de execuie i pot fi: distribuitoare de comand; distribuitoare proporionale; servodistribuitoare. Distribuitoare de comand Se realizeaz pentru diferite debite (l / min) DN6DN100 i presiuni de lucru 3151.000 bar.

Fig. 33. Distribuitor hidraulic de comand cu simplu efect, cu 2 ci i 2 poziii, revenire mecanic

Distribuitoare proporionale Regleaz direcia debitului i n mod continuu mrimea acestuia: electromagnet de comand proporional; traductor inductiv de poziie a sertarului de comand (opional funcie de variant); bloc electronic de comand care include n principal surse de alimentare, ieiri n curent, intrri pentru semnale de

programare i intrri de msur (opional). Electromagnetul de comand proporional denumit i motor liniar este prezentat n figura 34:

S

x(t) Qi Qe

pi(t)

pe(t)

V = 2V0

F(t)

ms

Fv(v)

Ff

4

A

A

1

2

3

5 0 - 1


Fig.34. Electromagnet de comand proporional: a. n poziie neutr; b. acionat Alimentarea bobinelor de comand 3 cu un curent de o anumit polaritate determin n ntrefierurile armturii un flux suplimentar c care modific echilibrul fluxurilor rezultante s , d

=+=+

dscpdcps

dscpdcps

II

;;;;

n zonele din stnga dreapta:

Fig. 35. Distribuitor proporional direct comandat, cu traductor de poziie

Distribuitoare proporionale pilotate. Pentru debite mari acionarea electric a sertarului de comand nu mai este posibil datorit forelor rezistente mari. un distribuitor proporional cu comand direct prin electromagnei proporionali; un distribuitor pentru debitul proiectat, ce poate fi echipat opional cu un

traductor de poziie.

Fig.36. Distribuitor proporional pilotat Servodistribuitoare n procesele de reglare la nivelul axei robotizate, procese rapide, este important ca distribuitorul de energie s prezinte i o bun dinamic. La distribuitoarele hidraulice proporionale comandate cu electromagnei proporionali aceast cerin este limitat de inductivitatea mare a bobinei electromagnetului i din acest motiv sunt preferate sistemele de comand hidraulice tip servosupap. Servosupapa este un amplificator hidraulic cu comand electric format din: motor electric de comand; amplificator hidraulic de tip plac de recul i duze.

Fig. 37. Motorul electric de comand al servosupapei

A

B

A

B

N S

N S S N

S N N S

N S S N

S N

s

1 2 3 4 6

7

5

a. b.

I = 0 +I

6 1

2 3

4

7

5 M

I I


Fig. 38. Servodistribuitor cu dou trepte i revenire mecanic

Aparate hidraulice proporionale Supapa proporional de limitare a presiunii direct comandat este utilizat ca element de reglare automat a presiunii maxime din circuitul hidraulic supravegheat (exemplu pentru reglarea forei maxime de strngere la dispozitivele de prehensiune n funcie de caracteristicile obiectului manipulat).

Supapa proporional de reglare a presiunii pilotat. o supap proporional de limitare a presiunii cu rol de element de reglare; bloc de meninere a presiunii ce lucreaz ca o rezisten hidraulic variabil; elemente adiionale opionale: siguran de presiune maxim, supap de sens. Supapa proporional de debit menine constant debitul programat independent de temperatura i presiunea uleiului. Pentru a realiza aceast funcie de reglare supapa utilizeaz ca element hidraulic de control o balan de presiune cu dou ci n circuitul de alimentare, figura 69.: Aplicaii ale sistemelor de acionare hidraulic n robotic

Sistemele de acionare hidraulic utilizate n robotic se pot realiza cu elemente hidraulice clasice n cazul n care n cadrul aplicaiei robotul execut un ciclu de deplasri fix sau cu elemente de hidraulic proporional (programabile electronic sau numeric) n cazul n care robotul execut sarcini complexe: ciclu de deplasri la viteze variabile, control activ al forei de prehensiune.

A

B

1

2

7

6

4

8

9


Aplicaii cu elemente hidraulice clasice

Fig. 39. Scheme de acionare hidraulic a axei robotizate: a. cu reglarea vitezei n ambele direcii i a cursei maxime; b. cu reglarea vitezei n ambele direcii i frnare hidraulic lin la capt de curs

Modulul electronic al elementelor hidraulice proporionale. Aparatele hidraulice proporionale sunt concepute s lucreze prin conectare la un modul electronic specializat, de comand i control. Modulul electronic este conceput astfel nct performanele elementului hidraulic (partea mecanic) s fie mbuntite iar fenomenele perturbatoare s fie eliminate sau limitate. Sisteme de acionare pneumatice

Fig.40. Cilindru pneumatic cu sistem de frnare la capt de curs

R

Ss

R

B

A

B

R

Ss

R

B

A

B

a. b.

p

p

p

xf

p1;

pf;

p1 p2

4 1

9

3 2

7 8

6 5


Motoare pneumatice

Fig. 41. Motor pneumatic cu membran Fig. 42. Motoare pneumatice cu palete: a. unisens; b. reversibil

Sursa de energie pneumatic

Sursele de energie pneumatic pot fi individuale (de mic putere deservesc un post de lucru) sau centralizate, caz n care exist o staie de tip industrial de preparare a aerului comprimat care este distribuit prin reea ctre consumatori.

Fig. 43. Surs de energie pneumatic

p

1 2 3

4

5

6 7

8

Fs(p1)

F

F

1

3

4

2

5

7

1

7 2

6

A

3~

M Elemente pneumatice

Ra max. 10 bar 24 bar

A

Rp

max.

min.


M o t o a r e p a s c u p a s

Motorul pas cu pas (MPP) este o main sincron ce realizeaz prin conversie electro mecanic discret o

funcie univoc ntre impulsurile de comand aplicate statorului i unghiul de rotaie al rotorului (la fiecare impuls de comand rotorul executa un pas). Cei mai importani parametri ai motoarelor pas cu pas sunt: unghiul de pas este unghiul existent ntre dou poziii consecutive ale rotorului la aplicarea unui impuls de comand; frecvena maxim de mers n gol este frecvena maxim a impulsurilor de comand pe care o poate urmri motorul

fr pierderea sincronismului; frecvena maxim de start - stop n gol este frecvena maxim a impulsurilor de comand la care motorul poate

porni, opri sau reversa fr omisiuni de pai, n lipsa sarcinii la arbore; cuplul maxim de start - stop este cuplul rezistent aplicat pe arbore, la care motorul poate porni, opri sau reversa fr

omisiuni de pai, la o frecvena de comand i un moment de inerie date. viteza unghiular definit ca produsul ntre unghiul de pas i frecvena de comand.

Principalele avantaje ale motoarelor pas cu pas pentru utilizarea n robotic sunt: univocitatea conversiei numr de impulsuri deplasare; este compatibil cu comanda digital; precizie de poziionare i rezoluie unghiular de pn la 0,5 /pas; poate fi utilizat n circuit deschis la porniri, opriri i reversri fr pierderi de pai; memoreaz poziia;

Dezavantaje motorului pas cu pas: viteza maxim n sarcin pentru motoarele de putere (maxim 5 kW) este limitat la valoarea de 500300 rpm

(frecvena de comand nu depete 12 kHz) n funcie i de sistemul de comand; rotaia este discontinu i produce vibraii n special la frecvene joase; caracteristica mecanic M(f) este puternic cztoare i pentru aceleai caracteristici constructive i electrice cuplul

mediu scade odat cu micorarea pasului unghiular. Motorul pas cu pas cu reluctan variabil

Fig. 44. Motorul pas cu pas cu reluctan variabil (4 faze, 24 pai, 15 /pas): a. alimentare unidirecional o faz, F1; b. alimentare unidirecional o faz, F2

Creterea numrului de pai pe rotaie se poate realiza prin danturarea polilor statorici astfel nct, n funcie de

limea polului, pe acesta s avem un numr de dini zps, uniform distribuii cu un pas dentar dps egal cu pasul dentar al dinilor rotorului dr.

1

2

3

4

5

6

*F

F1

*F

*F

*F

F

F

F

1 2

3

4 5

6

*F

F1

*F

*F

*F

F

F

F

=

2

1

3

I


2 3

N +

-

S

a. b.

*F

*F

*F4

*F

4=9

1

4 5

1=

2=3 3=6

S

Fig. 45. Pol statoric danturat i dini rotorici n configuraie Darrieus

Cuplul dezvoltat de motorul cu reluctan variabil poate fi meninut i la rezoluii unghiulare importante prin utilizarea mai multor circuite magnetice cu configuraie geometric simplificat (diferen de reluctan, frecven de comand ridicat), cuplate n paralel pe acelai ax motor. Practic s-au impus dou variante constructive: un ansamblu de minim dou motoare identice, avnd circuitele statorice aliniate i rotoarele cuplate pe acelai ax,

decalate spaial; un motor cu un singur circuit statoric i mai multe rotoare cuplate pe acelai ax, decalate spaial. Motorul pas cu pas cu magnei permaneni

Fig. 46. Motorul pas cu pas cu magnei permaneni: a. construcia motorului cu 4 faze i 3 perechi de poli rotorici (12 pai,

30 /pas); b. varianta cu numr mare de poli rotorici Distribuitoare de energie electric Comanda motoarelor Brushless

n funcie de cerinele aplicaiei se utilizeaz trei moduri de comand: Comand trapezoidal (Six steps, Brushless DC), Comand sinusoidal (Sine wave, Brushless AC), Comanda vectorial (Field Oriented Control). Comand sinusoidal (Sine wave, Brushless AC) Asigur un control foarte bun al cuplului i poziiei rotorului n baza unui algoritm care urmrete asigurarea cuplului motor ntr-un mod ct mai eficient posibil, adic la un curent minim, obinut la alimentarea simultan a celor trei faze cu cureni de sintez sinusoidali rezultai n conformitate cu relaiile:

( )( )( )aeMC

aeMB

aeMA

IiIiIi

+=

+=

+=

240sin120sin

sin

unde IM este curentul maxim necesar realizrii cuplului care s asigure parametrii de micare impui axei; e unghiul electric ce definete poziia cmpului magnetic statoric; aPractic modalitatea de comand este similar cu comanda motorului sincron cu und de tensiune sinusoidal de

unghiul electric de comutaie n avans.

ds

d

1

2

3

1 pol stator; 2 dinte stator; 3 dinte rotor.

p


frecven variabil i din acest motiv n literatura de specialitate apare i sub denumirea Brushless AC. Pentru un curent de faz I constant, cuplul motor rezultant M este constant (riplu nul) i reprezint suma cuplurilor generate de fiecare faz n parte MA,B,C , numai n cazul n care se asigur strict generarea unor cureni de form sinusoidal.

D e t e r m i n a r e a p o z i i e i u n u i s o l i d n s p a i u l c a r t e z i a n

n raport cu sistemul de coordonate absolut WCS legat de baza robotului O0X0Y0Z0 , poziia unui solid n spaiul

cartezian este determinat dac este cunoscut poziia originii Oi a sistemului de coordonate asociat solidului i orientarea axelor sistemului de coordonate OiX iY iZ i

Fig. 47. Reperarea solidului n sistemul de coordonate absolut WCS

n raport cu sistemul de coordonate absolut WCS:

iiiji kajaiaOO 131211 ++=

unde iii kji ,, sunt vectorii unitari ai sistemului de referin OiX iYiZ i . Matricea de poziie V ij care d coordonatele originii noului reper rep(j) n raport cu sistemul de referin OiX iY iZ i

=

13

12

11

aaa

Vij

, este de forma:

O0Oi

O0

X0

Z0

Y0 i

j

k

OiOj

Oi

Xi

Zi

Yi

Oj Xj

Zj

Yj rep(j)

rep(i)


Metoda cosinusurilor directoare Vectorii unitari ai noului sistem de referin OiX iYiZ i se pot exprima n funcie de vechiul sistem de referin OiX iYiZ i

=

i

i

i

j

j

j

kji

ttttttttt

kji

332313

322212

312111

cu relaia matricial:

unde 111 cos=t 112 cos=t 113 cos =t

221 cos=t 222 cos=t 223 cos =t 331 cos=t 332 cos=t 333 cos =t

sunt cosinusurile directoare ale unghiurilor formate de fiecare ax a noului sistem (al doilea indice) n raport cu axele vechiului sistem de referin (prim ul indice).

Matricea cosinusurilor directoare transpus se num e te matricea de rotaie R ij

=

333231

232221

131211

ttttttttt

Rij

i definete orientarea reperului rep(j) n raport cu vechea poziie rep(i):

Matricea de rotaie are proprietatea:

jiijTij RRR ==

1

Cunoaterea celor dou matrici caracteristice permite determinarea complet a poziiei unui reper n raport cu altul prin intermediul matricei de trecere neomogene:

=

13333231

12232221

11131211

atttatttattt

Aij

Matrice de trecere omogen ( 44 ):

=

100013333231

12232221

11131211

atttatttattt

Tij

nnkkjjijin TTTTT 111 ...... ++ = unde Tk,k+1 1+k sunt matricile de trecere omogene corespunztoare unei treceri de la rep(k) la rep( ). Metoda unghiurilor Euler Poziia axelor noului reper rep(j) poate fi definit n raport cu vechiul reper rep(i) n funcie de trei unghiuri rezultate prin trei rotaii succesive realizate n urmtoarea ordine:

[ ] ( ) [ ] ( ) [ ] ( ) [ ]jjjjYRotjjjjXRotiiiiZRotiiii ZYXOZYXOZYXOZYXO jii + ++++ ,1111,1111, 11


Fig. 48. Unghiurile lui Euler

=

=

1000cossin0sincos

cossin0sincos0001

1000cossin0sincos

ijR

Corespunztor unei deplasri n spaiu a sistemului OjXjYjZj

++

=

1000coscossinsinsin

sincoscoscoscossinsinsincoscoscossinsinsinsincossinsincossincossincoscos

i

i

i

ij zyx

T

ataat unui corp solid, se determin matricea de trecere omogen (Euler), avnd n vedere i matricea de poziie:

Metoda Denavit Hartenberg Determinarea poziiei unui solid orientat rep(j) n raport cu alt solid orientat rep(j-1) poate fi determinat prin intermediul a patru parametri de poziie j, a j, d j, j

jjjjXRotdZTransaXTransZRotjjjj ZYXOZYXO jjjjjjjj +++ ),(),(),(),(1111 1111 definii astfel:

OiOi+1

Xi

Zi

Yi

Xi+1

Zi+1

Yi+1

Oi+1Oj-1

Xj-1

Zj-1

Yj-1

Xi+1

Zi+1

Yi+1

Oj-1Oj

Xj-1

Zj-1

Yj-1

Xj

Zj Yj

aj

Xj

Zj

Yj

j Oj-1

Xj-1

Zj-1

Yj-1

j

Oj-1 Xj-1

Zj-1

Yj-1

Oj Oj-1 Xj-1

Zj-1

Yj-1 dj

cupla j

cupla j+1

cupla j-1

03-08-00-titlu_cuprins-roboti03-08-01-robotiPentru diferitele componente ale roboilor industriali, figura 1, s-au definit termeni specifici care vor fi utilizai i n lucrarea de fa prin preluarea termenilor din literatura anglo saxon.Fig. 2 Arhitectura roboilor industrialiMediul de lucru este spaiul n care robotul poate desfura operaia i n care sunt incluse toate obiectele din acel volum.Clasificarea manipulatoarelor i roboilor pe generaii

Manipulatoare: inteligeni sunt dotai cu programe de inteligen artificial avansate, cu senzori de nalt nivel, au capacitate de autoinstruire, utiliznd i interpretnd experiena dobndit din situaiile anterioare.

Clasificarea roboilor industriali n funcie de complexitateFig. 3. Precizia staticFig. 4. Definirea rezoluiei, preciziei i a repetabilitii staticeFig. 5. Spaiul de lucru utilNumrul gradelor de libertate necesar executrii unei anumite operaii se numete grad de libertate a sarcinii Ks ( 6.Fig. 6. Roboi industriali cu redondanFig. 8. Lanuri cinematice: a. deschis; b. arborescent; c. nchis Fig. 10.Coordonate articulare, operaionaleFig. 9. Coordonate articulareFig. 11. Structur purttoare cartezian Fig. 12. Structur purttoare cilindric

3. Structura sferic (RRT).Fig. 15. Structur purttoare bi-cilindric (RRT) Fig. 16. Structur purttoare bi-sferic (RRR)Fig. 17. Structuri purttoare: a. lan cinematic deschis; b. lan cinematic nchis

Denumire legturFig. 18. Structura articulaiei pumnului Fig. 19. Structura articulaiei pumnuluicu axe ortogonale concurente cu axe ortogonale neconcurenteDispozitive efectoare pentru prelucrri cu unelte specializate

O1PEOPEPGPPPTPTYXPTB

Ss1F1DRF1PhSpRF2PTCSs1F1DdaxS1PhSpS2CPTBAFCaCKRDUaH2OR1AcFDezavantaje motorului pas cu pas:NNSSNNS

WCS

Roboti industriali

Documents

Transcript of Roboti industriali