Importanţa noilor structuri de maşini – unelte cu mecanisme spaţiale paralele

Mecanismele cu structură paralelă s-au impus în cele mai diverse domenii de utilizare, ca de exemplu :

a) Roboţi industriali

Roboţii concepuţi pe baza acestor structuri formează o clasa aparte, denumit roboţi paraleli. Roboţii paraleli au

apărut la inceputul anilor 90, putând asigura o extensie a roboţilor clasici seriali printr-o mai bună precizie

poziţională, o foarte bună comportare dinamică şi o mare manevrabilitate. Din păcate volumul de lucru este mai

mic, iar comanda lor este mult mai complexă. Roboţii paraleli se disting printr-un excelent raport masă

manipulată / masă robot.

b) Dispozitive de poziţionare precisă

Aceste dispozitive se folosesc in diverse domenii unde este necesar poziţionarea unor componente cu o precizie

mare : antene cu microunde , tehnologia laserelor , industria optica , industria semiconductoarelor, etc. Pot

asigura o precizie submicronică.

c) Industria extractiva

S-au construit platforme de foraj maritim bazate pe structura mecanismelor paralele. S-au construit utilaje de

extracţie minieră cu partea activă (freza) montată pe un dispozitiv cu structură paralelă.

d) Dispozitive de orientare

Structurile paralele se folosesc in construcţia dispozitivelor de orientare pentru diverse antene, telescoape

astronomice, etc.

Roboţii paraleli pot fi definiţi ca mecanisme cu lanţuri cinematice închise formate dintr-un

organ terminal cu n grade de libertate dispus pe o platformă mobilă ce se leagă de o platformă fixă prin n

lanţuri cinematice independente.

Utilizarea mecanismelor paralele are următoarele avantaje:

un raport foarte bun masă manipulată / masă robot, graţie structurii sale fiecare motor suportând 1/n din

masa manipulată, unde n reprezintă numărul lanţurilor cinematice independente,

masele mici în mişcare asigură o bună comportare dinamică ceea ce asigură viteze şi acceleraţii mari

(max. 6m/s respectiv 22g),

o modelul geometric simplu asigură o conducere uşoară,

precizie poziţională deosebită (0.010-0.005).

Dezavantajele sunt:

volumul de lucru redus comparativ cu cel al roboţilor seriali,

utilizarea unor articulaţii superioare cu mai multe probleme tehnologice.

3

Recent, cercetătorii au încercat să utilizeze aceste avantaje pentru proiectarea unui tip de robot paralel ca

o maşina cu axe multiple şi pe care să se asambleze scule de precizie mare. Complexitatea structurii acestui tip

de mecanism nu numai că limitează spaţiul de mişcare al platformei dar şi creează singularităţi complexe ale

structurii cinematicein spaţiul de lucru al platformei mobile, totodată acestea fac proiectarea, planificarea

traiectoriilor a robotului paralel foarte dificilă şi riguroasă. Pentru a înlătura acest deficit am creeat un tip de

acţionare pentru proiectarea roboţilor paraleli.

1.1. Structura mecanismului paralel

Un sistem modular al unui robot paralel trebuie sa conţină un set de module independente conţinând

cuple pasive, conectori rigizi, platforme mobile şi efectori finali, toate acestea pot fi rapid ansamblate într-un

robot cu configuraţii varialbile (grade de libertate si geometrii), fiecare cu caracteristici dinamice si cinematice

diferite.

În trecut conceptul de modularitate a fost introdus în proiectarea roboţilor seriali, pentru flexibilitate,

uşurinţa întreţinerii, uşor de conceput.

La proiectarea modulelor robotului paralel am apelat la următoarele tipuri de module pentru

simplificarea efortului de proiectare: elemente de actionare standard, cuple pasive, efectori finali cu dimensiuni

fixe, conectori rigizi. Prin utilizarea acestor tipuri diferite de cuple pasive sau active standard, tipologia

proiectării se reduce la alegerea tipurilor de configuraţii.

Roboţii paraleli posedă capacităţi de încărcare foarte mari şi caracteristici de mişcare fine toate acestea

datorându-se mecanismului în lanţuri cinematice închis. Toate aceste avantaje au fost fructificate în proiectarea

masinilor unelte „multi axis”, cu axe multiple şi în samblarea cu precizie a sculelor aşchietoare.

Modulele robotului si proiectarea configuraţiilor.

Structura de lanţuri cinematice închise a unui robot paralel impune constrângeri de dimensiuni pentru

subansamble. Pentru înlăturarea inconvenientului se folosesc două tipuri de subansamble pentru crearea

modulului robotului:

module standard cu dimensiuni fixe ;

module cu dimensiuni variabile, acestea pot fi fabricate rapid.

Modulele standard cu dimensiuni fixe includ module de acţionare, module cu cuple pasive si module cu

efectori finali. Mecanismele de orientare spaţiale sunt mecanisme de largă utilizare în tehnică. În primul rând

unde intră în structura unor dispozitive care servesc la fixarea , orientarea , poziţionarea si mişcarea unor

semifabricate in vederea prelucrării , mişcarea putându-se realiza atât cu scopul repoziţionării semifabricatului

intr-o noua poziţie de prelucrare sau cu scopul imprimării unei mişcări de avans. De asemenea pe mecanismele

de orientare spaţiala se pot fixa diferite scule si dispozitive de prelucrare sau instrumente de măsură care in 4

timpul utilizării trebuie sa aibă o anumita orientare spaţiala sau sî descrie o anumita traiectorie intr-un volum

dat. Mecanismele paralele sunt mecanisme formate din doua platforme :una considerata a fi fixă si una

considerată a fi mobilă ; cele doua platforme sunt legate intre ele prin “n” lanţuri cinematice independente,

mişcarea platformei mobile fiind introdusă prin cele “n” lanţuri cinematice.

1.2. Clasificarea mecanisnelor paralele

mecanisme cu ghidare spaţială în 3 punctemecanisme cu ghidare spaţială în 6 puncte

Aceasta clasificare presupune satisfacerea următoarelor condiţii: a) mecanismele paralele cu ghidare în şase puncte sunt antrenate numai de la batiu, cuplele motoare de pe treapta I fiind cu f =1;

b) fiecare treaptă are un acelaşi număr de cuple;

c) fiecare treaptă are aceleaşi tipuri de cuple ;

d) există o singură treaptă pe care sunt : cuple sferice cu f =3 de tipul : “sferă curbă “ GK sau “curbă sferă” KG cu f =4; ori cuplă “sferă suprafaţă” GF sau cuplă “suprafaţă sferă” FG cu f =5.

e) întroducerea mişcărilor se face pe treapta I sau II.

Mecanismele cu ghidare în 6 puncte pot fi:a) mecanisme paralele de tip I la care cele 6 puncte Ai aparţinând platformei mobile, se deplasează

pe 6 suprafeţe mobile, fiecare cu 1 g.d.l. în raport cu batiulb) mecanisme paralele de tip II unde cele 6 puncte ghidate aparţinând platformei mobile se

deplasează pe 6 curbe mobile (fiecare cu 1 g.d.l. în raport cu batiul) şi respectiv pe 6 alte curbe în raport cu efectorul final .

c) mecanisme paralele de tip III la care cele 6 puncte ghidate aparţinând platformei mobile se deplasează pe 6 curbe fixe (fiecare cu 1 g.d.l. în raport cu batiul) şi respectiv pe 6 alte suprafeţe în raport cu platforma mobilă.

Mecanismele spaţiale ghidate în 3 puncte au acţionatori pe nivelul I şi II pornind de la batiu înspre platforma mobilă. Acestea se împart în:- mecanisme paralele de tip A la care cele 3 puncte Ai aparţinând platformei mobile, se deplasează pe 3 curbe mobile, fiecare cu 2 g.d.l. în raport cu batiul.- mecanisme paralele de tip B la care 3 puncte ghidate aparţinând platformei mobile se deplasează pe 3 curbe mobile (fiecare cu 1 g.d.l. în raport cu batiul) şi respectiv pe alte 3 curbe în raport cu platforma mobilă.

J.P.Merlet imparte robotii paraleli in doua categorii functie de tipul de actionatori: cu actionatori rotativi ( actionări de motoare electrice) si cu actionatori liniari ( ce pot fi : electrici, pneumatici sau hidraulici).

Alţi autori propun utilizarea unor actionatori nonconventionali de exemplu de tip electromagnetic Un alt criteriu de clasificare ţine cont de integrarea roboţilor paraleli in mediul industrial. Se ia în considerare volumul de lucru mai redus ca la roboţii seriali. Din acest punct de vedere in accepţiunea lui J.P.Merlet vorbim de:

roboţi paraleli independenţi cuplaţi în aplicaţiile industriale cu roboţi seriali.Intr-o astfel de structură robotul paralel este cunoscut sub numele de “mâna stângă”.

structuri hibride în care mecanismul paralel este fixat în partea terminală a unui robot serial. Mecanismul paralel asigură compleanţa întregii structuri.

F.Pierrot si alţii împart roboţii paraleli în categorii: 1. roboţi deplin paraleli la care numărul legaturilor între platforme este egal cu numărul gradelor de libertate.

5

2. roboţi mixti cu o structură combinată3.roboţi uşor paraleli, comportă o structura uşoară ce are avantaje certe legate de comportarea

dinamică ( viteze si acceleratii foarte mari)Fig.1. Masa de poziţionare dupa 6 axe combinat cu o freza „HEXABOT”

1.3. Acţionarea mecanismelor paralele

1.3.1 Acţionarea pneumatică:

Avantajul principal al acţionării pneumatice îl constituie faptul că este prezent în majoritatea posturilor

de lucru industriale a agentului de lucru aerul comprimat.

Acţionarea pneumatica este simplă ,permite viteze mari de lucru dar este soluţia cea mai puţin precisă şi

totodată permite obţinerea unor forţe relativ mici.

Principalele variante ale acţionării pneumatice sunt:

Actionare pneumatica secventiala

Actionare pneumatica asistata hydraulic

Actionarea pneumatica de precizie

1.3.2. Acţionarea hidraulică

Permite obţinerea unor forţe foarte mari la precizii ridicate dar este o soluţie mai putin curată din cauza

scăpărilor inevitabile de ulei din sistemul hidraulic. De asemenea acţionarea hidraulică necesită condiţii de mediu

( temperatura ) stricte şi nu permite viteze ridicate de lucru. Variantele de acţionare cele mai raspândite sunt:

1. Acţionarea electro-hidraulică servocomandată analogic;

2. Acţionarea electro-hidraulică servocomandată digital.

6

Acţionarea electrică se face preponderent cu ajutorul unor motoare electrice rotative, motoarele

electrice lineare se aplică doar pentru aplicaţii care nu necesita o precizie ridicată şi forte însemnate.

Acţionarea electrica se aplică în cazul roboţilor mici si mijlocii, acolo unde puterea necesară acţionării

nu depaşeşte ordinul a 3-5 KW, caz în care şi gabaritul şi greutatea motoarelor se încadrează în dezideratele de

formă şi supleţe ale structurii mecanice.

De asemenea, acţionarea de tip electric este posibilă acolo unde nu se pun condiţii speciale de mediu

( medii explozive, medii umede).

Deoarece variatia turatiei motorului este absolut necesara se folosesc tipuri de motoare care permit

realizarea acestui lucru si in primul rind motoare electrice de curent continuu.

Cele mai utilizate la ora actuală sunt aşa numitele servomotoare în care motoarele de construcţie specială

concepute special pentru a fi acţionate prin intermediul computerelor şi dedicate acţionarilor de precizie au

incluse constructiv şi senzori de turaţie care asigură

feed-backul necesar fără a mai fi necesari alţi traductori.

Indiferent de tipul acţionării: electrica ,pneumatică sau hidraulică prezenţa traductorilor este obligatorie

deoarece este absolut necesară cunoaşterea cu precizie a poziţiei relative şi absolute a elementelor lanţurilor

cinematice. Motivul pentru care mecanismele paralele sunt de mare actualitate este chiar faptul ca tehnica de

calcul abia acum a ajuns în stare să rezolve în timp real legile de mişcare de o mare complexitate asociate

mecanismelor paralele.

1.4. Aplicaţii şi realizări practice în domeniu

Cu toate că primele aplicaţii în practică a mecanismelor paralele datează de secole prima realizare folosita

în practică a fost mecanismul “Pollard” din 1938 utilizat la vopsitul automobilelor.

Alta aplicaţie celebră a fost manipulatorul lui V.E. Gough din 1954.

Primul autor care a facut analiza cinematică a unui mecanism cu lanţ cinematic închis, a fost D.

Stewart. Platforma Stewart este un mecanism cu şase grade de libertate , cu actionatori hidraulici ce orientează

o platformă triunghiulară.

D.Stewart a facut un studiu al spaţiului de lucru denumit

“limitările amplitudinilor” relevând pentru prima data existenţa

singularităţilor şi rezolvând pentru prima data problema inversă a

mecanismului. Pe baza unor mecanisme paralele a construit : un

7

simulator de zbor, un mecanism de orientare a unei antene radar, o platforma marină de foraj, un dispozitiv

pentru maşini - unelte.

Fig.2 Platforma Stewart

Multe din realizările practice actuale au caracteristici remarcabile:

Firma Giddings & Lewis a realizat o maşină de frezat bazată pe un mecanism paralel

“VARIAX” având o precizie de 0,002mm la un spaţiu de lucru de 500x500x630mm

In 1999 Heckert Germania construieşte modelul SKM 400 o freză cu o viteză de poziţionare de

100m/min

CELERIUS, ITIA CNR Milan construieste o freză după 5 axe care la o putere de 20KW are o

viteză de poziţionare de 60m/min si o precizie de 0.005mm.

Fig.3 Mecanism de orientare “ROTOBOT” Fig.4 Micromanipulator “SAMM”

Din datele furnizate de firmele si institutele care au construit în practica masini de prelucrare bazate pe diverse

variante constructive de mecanisme paralele se disting urmatoarele performante obtinute:

precizia poate fii sub 0.005mm

viteza de pozitionare este mai mare de 50m/min sau chiar mai mare de 100m/min pentru diferite variante

constructive

repetabilitate ridicata

robustete deosebita

spatiul de lucru in mod obisnuit de 500x500x500 mm

puterea de actionare 1-10kW

8

Fig.5 Mecanism de orientare “IKERLAN” Fig.6 Manipulator “ParaDex”

Fig.7 Mecanism de orientare cu aplicatie Fig.9 Mecanism de orientare “ZEISS Hexapod”

medicala “M850”

1.5 Constructia mecanismelor paralele

Pentru construcţia robotului paralel trebuie să alegem una din variantele posibile a acestor mecanisme.

Alegerea se face pe baza criteriilor :

mecanismul să aibă un volum de lucru cât mai mare;

să fie cât mai uşor de realizat din punct de vedere tehnologic;

să ţină cont de limitările cinematice ( cu privire la amplasarea unui dispozitiv pe platforma mobilă ).

Modelul conceptual al robotului paralel: In principiu, cerinţele impuse sunt următoarele:

asigurarea unei productivităţi cât mai ridicate ;

asigurarea unei precizii de prelucrare adecvate ;

posibilitatea de integrare intr-un sistem flexibil de fabricaţie.

In urma analizei rezultatelor obţinute în aplicarea structurilor paralele în domeniul maşinilor unelte, s-a

constatat că maşinile bazate pe cinematica paralelă satisfac pe deplin aceste cerinţe, adăugând un plus

semnificativ în ceea ce priveşte viteza (deci şi productivitate), precizia de prelucrare, posibilităţi de a genera

9

suprafeţe complexe, practic fără constrângeri geometrice in interiorul volumului de lucru, de unde rezultă un

grad mare de flexibilitatea a lor.

Putem identifica următoarele părţi componente principale :

- Talpa de prindere – necesară pentru a susţine structurile componente ale maşinii , are rol în diminuarea

vibraţiilor produse în timpul efectuării operaţiilor. Se propune realizarea ca şi construcţie sudată.

- Platforma fixa - are rol de a susţine modulele de acţionare ale mecanismului de ghidare în 6 puncte.

- Platforma mobilă - are rolul de poziţionare în spaţiu a dispozitivului ce i se ataşează

- Modulele de actionare - au configuraţia geometrică de tip [PRSR]

Fig. 8 Modelul conceptual al robotului paralel

1.5 Descrierea funcţionării mecanismelor paralele

Mecanismul, fiind un 6[PRSR] varianta I, este

format din şase lanţuri cinematice închise identice ,ce

leagă platforma mobila Pm de platforma fixă Pf prin intermediul cuplelor de rotaţie CR1 şi CR2, respectiv a

cuplei sferice CS. Constructiv, lanţul cinematic al unui braţ este format din servomotor M, o transmisie prin

curea şi mecanismul de transformare Mt a mişcării constituit dintr-un mecanism şurub – piuliţă (cupla de

translaţie) cu bile.

10

Fig. 9 Lanţul cinematic al braţului mecanismului paralel

Pe baza schemei cinematice prezentate, luând în considerare şi factorii geometrici-dimensionali

respectiv analizand mai multe variante constructive, folosind modelarea in 3D s-a proiectat mecanismul paralel

prezent în figura 8.

Mecanismul se compune din platforma fixă, platforma mobilă şi şase brate identice. În fucţie de

amplasamentul robotului pot să apară constrângeri dimensionale pe platforma mobilă (trebuie să existe suficient

spaţiu pentru dispozitiv) , în schimb dimensiunile celorlalte componente se pot alege liber , criteriul principal

fiind asigurarea unui volum de lucru cât mai mare pentru mecanismul paralel.

Prin materializarea lantului cinematic al unui braţ, am ajuns la următoarea variantă constructivă

Fig.10 Braţul mecanismului paralel, vedere 3D

Componente principale ale bratului sunt in tabelul urmator:

Mecanismul surub-piulită

Cuplu surub-piuliţă cu bile fabricat de firma NOOK INDUSTRIES, cu urmatoarele caracteristici :

Surubul :1000-0250 SGT

pasul :0.25” = 6.35 mm

diametru de fund :21,15 mm

fiet cu un singur inceput

cpetele de surub vor fi prelucrate de catre firma producatoare conform specificatiilor trimise.

Piuliţa :SAG 0703

11

Piulita cu prestrangere reglabilă

Capacitate statică :70350 N

Capacitate dinamică :10160 N

Forta de prestrangere :1450 N

Legătura dintre partea mobilă şi cea fixă a tronsonului extensibil al braţului s-a realizat printr-un sistem de

flanşe. Scopul principal al acestui sistem este de a elimina posibilitatea rotirii părţii mobile a braţului in jurul

axei surubului cu bile, acest lucru a fost înlăturat prin alegerea unei piuliţe cu canale longitudinale 3 la numar

dispuse la 120º pe genereatoarea cilindrului.

MODELAREA MECANISMULUI PARALEL

Modelarea geometrica

Structura mecanismului spaţial cu ghidare în şase puncte de tip II

este prezentată în figura 11

Ţinând cont de numărul respectiv tipul cuplelor cinematice şi de

numărul elementelor mobile al fiecărui model de mecanism spaţial

cu ghidare , gradul de mobilitate al mecanismului se determină cu formula

M = 6 n - 5 C5 - 4 C4 - 3 C3 - 2 C2 - C1

unde: C5, C4, C3, C2, C1 reprezintă numărul cuplelor cinematice

de clasa V, IV, III, II, I. Pentru cele trei tipuri de mecanisme

gradul de mobilitate al lor este M = 6.

Modelarea geometrică inversă

Rezolvarea problemei poziţionale inverse presupune determinarea coordonatelor generalizate q i ale

mecanismului spaţial cu ghidare (deplasările liniare sau unghiulare din cuplele motoare) cunoscând : poziţia şi

orientarea efectorului final - P faţă de platforma fixă - Pf prin coordonatele carteziene X 10, Y10, Z10 şi unghiurile

lui Euler y, j, şi q. În abordarea problemelor ce urmează se definesc următoarele mărimi:

d fi - unghiurile ce dau poziţia cuplelor Ai ( i = 16) de la baza mecanismului faţă de axa O1X1 a

sistemului de referinţa fix O1X1Y1Z1 sunt definite în următorul mod:

12

d mi - unghiurile ce arată poziţia cuplelor Ci ( i = 16) de la baza mecanismului spaţial cu ghidare în

şase puncte, în raport cu axa Ox a sistemului de referinţă mobil Oxyz sunt definite în următorul mod

Structura unui braţ al modelului 6[PRSR] tratat în proiect este

formată din: o cuplă de translaţie, o cuplă de rotaţie, o cuplă sferică şi

respectiv o cuplă de rotaţie.

Schema structurală a mecanismului

spaţial cu ghidare în şase puncte de tip

6PRSR cât şi schema cinematica a fiecărui

braţ este dată în figura12, respectiv figura 13

Modelarea geometrică inversă la acest

mecanism, presupune determinarea

succesivă a următorilor parametrii, precizaţi

în: XAi , YAi , YAi ; xCi , yCi , zCi ; i ,i ,i , X1i

, Y1i , Y1i ; XCi , YCi , Yci ;qi ; ui ; vi ; wi ; i=16 .

CALCUL TEHNIC

Servomotor de curent continuu

Pentru acţionarea robotului am ales un servo-motor de curent continuu al firmei „ Northrop Grumman”

modelul „SD 956-01”. Servomotoarele sunt folosite pentru aplicaţii care necesită schimbarea sensului de rotaţie

al arborelui. Un alt avantaj al servomotoarelor este acela ca dispun de frâne de siguranţă, care se activează

13

atunci când motorul nu mai este alimentat de la sursă. În timpul aplicaţiilor frânele ţin încărcătura in poziţia pe

care se afla la momentul întreruperii sursei de curent.

Modelul 956-01 caracteristicile:

Limitele mediului

de funcţionare:

Ansamblu piuliţă-şurub cu bile

Şuruburile cu bile sunt utilizate frecvent în sistemele de avans ale maşinilor unelte pot fi cu una sau cu

două piuliţe. Cele cu o singură piuliţă se utilizează de în situaţiile în care se impune obţinerea unui randament

ridicat al transmiterii mişcării. Construcţia cu două piuliţe sunt preferate pentru transmisii ale mişcării

caracterizate prin precizii ridicate şi rigiditate sporită. Şurubul cu bile se recomandă a fi confecţionat din oţel

carbon OLC 55X. După tratamentul termic trebuie să prezinte o duritate de 58-62 HCR. Piuliţele şi corpurile de 14

rostogolire sunt confecţionate din oţel de rulmenţi ( Rul 1, Rul 2) având o duritate după tratamentul termic de

61-63 HCR.

Montarea piuliţei se face direct prin intermediul unei flanşe, soluţia de fixare este prezentată in figura 16 .

Mişcarea de rotaţie din piuliţă se anulează prin intermediul a trei pene dispuse simetric (la 120º) pe suprafaţa

cilindrică a piuliţei. Alegerea variantei prin montare directă şi cea indirectă a depins de spaţiul de lucru relativ

mic şi de condiţiile de funcţionare.

15