Roboi indusriali Noţiuni generale definiţii erminologie clasificarea manipulaoarelor şi roboţilor indusriali pe generaţii clasificarea roboţilor indusriali în funcţie de scara evoluivă a repelor de auomaizare clasificarea roboţilor indusriali în funcţie de complexiae Paramerii ehnici ai roboţilor rezoluţia, precizia saică, repeabiliaea saică, spaţiul de lucru, numărul gradelor de liberae, sarcina uilă, parameri globali de analiză Srucura mecanică a roboţilor grade de liberae, legăuri mecanice, mobiliaea mecanismelor, redondanţă, lanţ cinemaic, coordonae ariculare, coordonae operaţionale srucuri mecanice purăoare cu lanţ cinemaic deschis srucuri mecanice purăoare cu lanţ cinemaic închis srucura mecanică a ariculaţiei pumnului dispoziivul efecor Axa roboizaă adapoare de mişcare Siseme de acţionare siseme de acţionare hidraulice şi disribuioare de energie hidraulică siseme de acţionare pneumaice, mooare pneumaice şi surse de energie pneumaice Mooare pas cu pas cu relucanţă variabilă, cu magneţi permanenţi, disribuioare de energie elecrică Deerminarea poziţiei unui solid în spaţiul carezian cosinusurile direcoare, unghiurile lui Euler, Denavi-Harenberg conf. univ. dr. ing. Cezar Dumiru POPA
Roboi indusriali Noţ iuni generale Definiţii Roboul ese un sisem auomaiza de înal nivel capabil să îndeplinească obiece şi scule în scopul suplinirii unor aciviăţi umane. Realizarea şi implemenarea aplicaţiilor necesiă cunoşinţe din domenii diverse (mecanică, hidraulică, elecroehnică, elecronică, informaică). Roboţii indusriali rebuie să răspundă necesiăţilor mediului indusrial: flexibiliae (penru a puea fi adapaţi diferielor serii de fabricaţie), produciviae mare, fiabiliae, cos câ mai redus. Roboţii indusriali se uilizează în aplicaţii indusriale caracerizae prin repeabiliae, cadenţă foare mare, aplicaţii în medii nocive. Principalele aplicaţii în care uilizarea roboţilor indusriali are avanaje evidene sun: încărcarea şi descărcarea maşinilor unele cu comandă numerică; sudură prin punce sau pe conur (9%); operaţii de ansamblare (9%); vopsire (8%); urnarea în forme a pieselor mari (%); conrolul caliăţii; manipularea subsanţelor oxice, radioacive. Roboul indusrial ese defini în prezen ca un manipulaor ridimensional, mulifuncţional, reprogramabil, capabil să deplaseze maeriale, piese, unele sau aparae speciale după raiecorii programae, în scopul efecuării unor operaţii diversificae de fabricaţie. Roboţii mobili (independenţi) uilizaţi din ce în ce mai mul în diverse aplicaţii penru a îndeplini sarcini complexe în spaţii sau medii în care accesul omului ese dificil sau imposibil: mediu marin la adâncimi foare mari, inspecţia anumior insalaţii din indusria chimică sau nucleară. Nanoroboţi, medicină penru microoperaţii. Maşini unele Maşini unele cu comandă program (CP): comandă prin came profilae; comandă prin copiere după şablon; comandă secvenţială. Maşinile unele cu comandă numerică (CN) Maşini unele cu comandă numerică asisaă de calculaor (CNC). Sisemul CNC faţă de sisemul CN are numeroase avanaje:. un sofware mai puernic (se de insrucţiuni exins al noilor generaţii de procesoare);. uilizarea limbajelor de programare evoluae simplifică aciviaea de programare;. memoria RAM de mare capaciae permie memorarea uuror programelor piesă acesea puând fi esae şi corecae pe echipamen;. posibiliae de adapare la diverse ipuri de maşini unele prin modificări hardware minime daoriă inerfeţei programabile cu echipamenele convenţionale; 5. scăderea volumului hardware prin implemenarea sofware a unor funcţii a acesuia; 6. scăderea semnificaivă a impului de depanare daoriă faciliăţilor de auoesare şi diagnoză. Terminologie Penru diferiele componene ale roboţilor indusriali, figura, s-au defini ermeni specifici care vor fi uilizaţi şi în lucrarea de faţă prin preluarea ermenilor din lieraura anglo saxonă. Baza ese suporul pe care se fixează prima axă a srucurii mecanice. oloseşe penru fixare şi reprezină puncul de referinţă în rapor cu care se calculează oae deplasările axelor. Srucura purăoare ese formaă din axa, axa şi axa şi asigură poziţionarea grosieră a ariculaţiei pumnului. Ariculaţia pumnului ese alcăuiă din axele, 5 şi 6, rebuie saă aibă minim două axe şi ese uilizaă la realizarea poziţionării fine a dispoziivului efecor. Efecorul ese un dispoziiv prin care se efecuează operaţii specifice. Elemenul cuplor ese un dispoziiv specializa care permie cuplarea rapidă a dispoziivelor efecoare care inră în doarea roboului. Axa ese elemenul mecanic independen doa cu elemene de acţionare şi raducoare de axe. Acţionarea axelor roboului se poae face de la surse de energie hidraulică, pneumaică sau elecrică.
Roboi indusriali Sursă de energie srucură purăoare Sisem de programare axa axa axa 5 Siseme de comandă, acţionare şi senzorial Srucura mecanică axa axa axa 6 Bază ariculaţia pumnului: ig. Robo indusrial SISTEM DE PROGRAMARE magisrală indusrială SURSĂ DE ENERGIE insrucţiuni ROBOT INDUSTRIAL Modulul senzorial şi de decizie SISTEM DE COMANDĂ SISTEM DE PRELUCRARE SENZORIAL comenzi axe măsurări raducori inerni SISTEM DE ACŢIONARE AXE STRUCTURĂ MECANICĂ Modulul operaţional măsurări raducori exerni I / O ig. Arhiecura roboţilor indusriali MEDIU DE LUCRU sarcină
Roboi indusriali Arhiecura de bază a roboţilor indusriali acuali ese prezenaă în figura. Mediul de lucru ese spaţiul în care roboul poae desfăşura operaţia şi în care sun incluse oae obiecele din acel volum. Sarcina ese reprezenaă de aplicaţia pe care rebuie îndepliniă de srucura mecanică a roboului. Srucura mecanică ese un ansamblu de corpuri rigide conecae prin ariculaţii asfel încâ să formeze un lanţ cinemaic. Sisemul de acţionare ese forma din disribuioarele de energie, adapoarele de mişcare şi elemenele de execuţie prin care se ransmie energia de la sursă la srucura mecanică. Sursa de energie poae fi hidraulică, pneumaică sau elecrică. Sisemul de comandă ese un microconroler pe 8 sau 6 biţi. Asigură inerprearea insrucţiunilor de nivel înal şi ransformarea lor în comenzi specifice căre sisemul de acţionarea al axelor. Prelucrează informaţii de la raducoarele de axă sau de la raducoarele exerne. Sisemul de prelucrare senzorial ese un sisem cu microprocesor care realizează prelucrarea locală a informaţiilor de la raducoare şi oferă informaţii finale căre sisemul de comandă sau sisemul de programare. Sisemul de programare ese un procesor de cel puţin de biţi unde sun socae sisemul de operare, limbajul de programare specific roboului, precum şi ale programe uiliare şi aplicaţii. Modulul I/O se foloseşe penru cuplarea roboului la procesul indusrial sau penru sincronizarea cu ale uniăţi de producţie. Magisrala indusrială ese o magisrală de mare vieză prin care se asigură comunicaţia cu nivelul ierarhic superior (baza de dae a aplicaţiei). Clasificarea manipulaoarelor şi roboţilor pe generaţii Clasificarea pe generaţii foloseşe drep crieriu de bază capaciaea maşinii de percepere şi inerpreare a semnalelor din mediul exerior, precum şi de adapare la mediu în impul procesului de lucru. Manipulaoare: manuale (prima generaţie): ese un sisem de manipulaoare amplificaoare de efor care are cel puţin grade de liberae şi care permie, sub acţiunea comenzii umane, efecuarea unor operaţii în medii nocive sau improprii aciviăţii umane; auomae (generaţia a doua) sun mecanisme de manipulare care au cel puţin două axe. Ele realizează deplasarea în conformiae cu un ciclu presabili, în regim auoma. Nu au senzor şi lucrează în buclă deschisă. Se uilizează la operaţii simple de încărcare/descărcare; ineligene (generaţia a reia) sun mecanisme de manipulare care îmbină conrolul uman (grosier) cu conrolul de fineţe asisa de senzori ineligenţi. Scopul consă în depăşirea limielor senzoriale ale organismului uman. Roboţi indusriali: prima generaţie sun manipulaoare auomae programabile, având cel puţin axe (dinre care cel puţin axe sun programabile prin învăţare sau prinr-un limbaj simbolic). Sun doaţi cu senzori de conrol a poziţiei fiecărei axe, lucrând în buclă închisă. Po fi comandae de un auoma programabil sau un calculaor compaibil IBM; generaţia a doua sun manipulaoare auomae cu cel puţin axe programabile sun doaţi cu senzori specializaţi de ip acil, de forţă, camere video ec. Sun comandaţi de cel puţin un calculaor. Au o coordonare de ip ochi mână în sensul că po idenifica obiece de formă simplă aşezae aleaor. Po face deplasări pe raiecorie în mod ineraciv funcţie de modificările mediului de lucru. Po execua operaţii de ansamblare indiferen de poziţia iniţială a subcomponenelor; generaţia a reia sun doaţi cu senzori ineligenţi (prelucrare locală a informaţiei) şi uilizează elemene de ineligenţă arificială. Sun doaţi cu senzori performanţi ce reuşesc să facă o analiză a daelor şi să furnizeze informaţii căre sisemul de comandă; ineligenţi sun doaţi cu programe de ineligenţă arificială avansae, cu senzori de înal nivel, au capaciae de auoinsruire, uilizând şi inerpreând experienţa dobândiă din siuaţiile anerioare. Majoriaea roboţilor indusriali folosiţi în prezen sun din generaţia şi.
Roboi indusriali Clasificarea roboţilor indusriali în funcţie de scara evoluivă a repelor de auomaizare Sursa de informaţii Energia Treapa Descriere 0 Maşină care se auoperfecţionează: robo cu ineligenţă arificială Mediul exerior 9 Maşină cu program adapabil în funcţie de condiţiile exerne: robo cu elemene de ineligenţă arificială, robo indusrial generaţia Elecrică Maşină care îşi corecează programul în funcţie de condiţiile de 8 lucru: maşină uneală cu comandă adapaivă Maşină universală programabilă: sisem sau cenru de prelucrare Hidraulică 7 Program variabil cu CNC, robo indusrial generaţia (programabiliae) Maşină monooperaţie programabilă: maşină uneală cu CN, robo 6 indusrial generaţia Pneumaică Maşină auomaă penru operaţii muliple: srung cu prelucrare 5 auomaă, auoma de monaj Program fix Maşină auomaă monooperaţie: auoma de monaj rigid, manipulaor auoma Mecanică Sculă mecanizaă, maşină comandaă manual, manipulaor manual (eleoperaor) Om Sculă de mână Manuală Mână Clasificarea roboţilor indusriali în funcţie de complexiae Caracerisica Generaţia Generaţia Generaţia Generarea punc cu punc pe conur prin inerpolaor de raiecorie raiecoriei Conrolul limiaoare de raducoare numerice raducoare numerice asisae de poziţiilor poziţie asociae cu raducoare senzori ineligenţi analogice Capaciaea un singur program: mai mule programe: limiaă la capaciaea de socare a memoriei penru raiecorie zeci de poziţii, penru raiecorie sue de HDD penru programul aplicaţie sue poziţii, penru programul insrucţiuni aplicaţie sue insrucţiuni, max. Ko max. 5 Mo Modul de prin învăţare direcă, limbaj maşină limbaj propriu de nivel înal limbaj de nivel înal, programare programare sau simbolic deriva din limbajele de orienaă pe obiece programare Pascal, C Legăura cu inerblocări şi sincronizări înre Senzori acili, de efor, senzori ineligenţi (sonar, elemeru exeriorul roboul indusrial şi poziţia unor proximiae şi vizuali (cameră laser, camere video, ec.) cu piese sau dispoziive, comenzile video) prelucrare locală a informaţiei maşinilor deservie Capaciaea de nu avansează în program decâ dacă capabil să ocoleascăidenifică forma obiecelor decizie sun confirmae condiţiile de obsacole, să idenifice forma împrăşiae în funcţie de inerblocare şi sincronizare unui număr limia de obiece caracerisicile proprii şi le programae în funcţie de conur, masă, poziţionează în poziţia corecă de rugoziae prin raducori şi monaj; alege ordinea operaţiilor, dispoziive de apucare special raiecoriile opime adapae
Roboi indusriali 5 Paramerii ehnici ai roboţilor Rezoluţia unui sisem ese daă de mărimea uniăţii elemenare pe care acesa o poae procesa. În cazul roboţilor rezoluţia depinde de: rezoluţia sisemului de programare şi rezoluţia raducorilor ce asigură conrolul în buclă închisă. z y 0 x poziţia medie reală P rec P m X m ; Y m ; Z m P c poziţia comandaă P i, i=..n poziţii realizae X c ; Y c ; Z c ig.. Precizia saică P c şi media poziţiilor realizae Precizia saică exprimă diferenţa înre poziţia comandaă P 0,5 R + P + P rec ROBOT ez ROBOT rec sisem mecanic rec a lg orimi comanda Pm de dispoziivul efecor. Repeabiliaea saică de poziţionare reprezină o mărime saisică asociaă noţiunii de precizie, pe care o compleează. Asfel penru aceeaşi mişcare, în condiţii idenice de mediu şi sarcină, se măsoară poziţiile finale ale efecorului care, vor prezena o anumiă dispersie P i, i =,..., n (figura ), faţă de poziţia comandaă P c : P c P m P i scară măsură raducor precizie repeabiliae rezoluţie ig.. Definirea rezoluţiei, preciziei şi a repeabiliăţii saice Valoarea maximă absoluă a dispersiei de poziţionare în rapor cu valoarea medie de poziţionare P m reprezină repeabiliaea saică a roboului. Spaţiul de lucru al manipulaorului sau roboului ese da de volumul în care ese posibil să se găsească elemenele srucurii mecanice. Spaţiul de lucru uil ese volumul maxim, descris de oaliaea mişcărilor roboului, în care se poae găsi efecorul în impul funcţionării conform figurii 5.: R max = 75 0 5 ig. 5. Spaţiul de lucru uil
Roboi indusriali 6 Numărul gradelor de liberae ese da de numărul maxim al deplasărilor posibile ale efecorului fără a include mişcarea de prehensiune. Sarcina uilă reprezină masa maximă pe care o poae manipula dispoziivul de prehensiune al roboului (valori uzuale în gama 0,5 0 Kg). Performanţele consrucive şi de comandă ale aceleiaşi clase de roboţilor po diferi desul de mul, în funcţie de producăor, dacă sun comparaţi paramerii ehnici. De aceea de mule ori sun preferaţi urmăorii parameri globali de analiză: V - paramerul privind supleţea şi eficienţa inervenţiei în spaţiul de lucru: K = ; [ m / N] G unde V ese volumul spaţiului de lucru; G greuaea roboului în condiţii de funcţionare. G - paramerul capaciăţii graviaţionale specifice de manipulare: K = unde G reprezină G greuaea obiecului manipula. V G - paramerul de apreciere globală a caliăţilor ehnice: K = ; [ m / mm] unde G Prec Prec reprezină precizia saică de poziţionare. Penru valori mari ale paramerului global K se apreciază că pe ansamblu, roboul indusrial analiza îndeplineşe înr-un grad mai înal sandardele de performanţă. Srucura mecanică a roboţilor Grade de liberae Poziţia şi orienarea unui solid nedeformabil în spaţiu, înr-un sisem de coordonae, ese definiă prin maxim 6 numere reale independene: unghiuri de roaţie α, β, γ, în rapor cu axele de coordonae x, y, z; coordonaele careziene x, y, z ale unui punc caracerisic al solidului. Legăuri mecanice Numărul de grade de liberae al unei legăuri mecanice ese deermina de numărul de mişcări independene permis de legăură. În abelul sun prezenae cele mai uzuale legăuri mecanice în reprezenare plană şi spaţială: Mobiliaea mecanismelor Ese un parameru caracerisic deermina de numărul mişcărilor independene posibile. Mobiliaea unui robo ese idenică cu numărul de axe (mai puţin dispoziivul de prehensiune). Penru roboţii indusriali mobiliaea are valorile m 7. Numărul gradelor de liberae necesar execuării unei anumie operaţii se numeşe grad de liberae a sarcinii Ks 6. Redondanţă, poziţie pariculară Dacă Ks < m penru oae configuraţii unui robo, aunci acesa ese redondan: are un număr de axe mai mare decâ numărul de axe necesar efecuării operaţiilor de complexiaea ceruă de procesul ehnologic.
Roboi indusriali 7 Denumire legăură Reprezenare plană Reprezenare spaţială K ranslaţie C C C C C C C roaţie nelimiaă C 00 C C roaţie limiaă 00 C C ranslaţie elicoidală C C C C C C pivo C C C roulă C C C C C plană C C
Roboi indusriali 8 axa 8 axa a. b. ig. 6. Roboţi indusriali cu redondanţă Dacă Ks < m numai penru anumie configuraţii ale srucurii mecanice, acesea se numesc poziţii pariculare caracerizae de redondanţă locală, figura 7.: axa axa 5 Lanţ cinemaic. Srucura mecanică a roboţilor ese realizaă din corpuri rigide C j legae prin legăuri mecanice L j asfel încâ să formeze lanţuri cinemaice funcţionale. Cele mai uzuale legăuri sun cele de ranslaţie, roaţie nelimiaă şi roaţie limiaă. În funcţie de aplicaţie la consrucţia srucurii purăoare (primele axe) se uilizează urmăoarele variane de lanţuri cinemaice: lanţ cinemaic deschis; lanţ cinemaic arborescen; lanţ cinemaic închis. C n L n x i ; i= C j+ L j L j+ L n- q j ; j= m L q j- C C L O z 0 y 0 x 0 a. b. c. O 0 ig. 8. Lanţuri cinemaice: a. deschis; b. arborescen; c. închis ig. 0. Coordonae ariculare, operaţionale
Roboi indusriali 9 Coordonae ariculare (de axă) sun mărimi, variabile în imp (unghiuri, lungimi), ce definesc configuraţia srucurii mecanice a roboului la un momen da. Po fi unghiuri său lungimi. Cu coordonaele ariculare se poae deermina configuraţia srucurii mecanice a roboului la un momen da şi poziţia efecorului. q q ig. 9. Coordonae ariculare Coordonaele operaţionale x i (i = m) sun variabilele care definesc poziţia şi orienarea obiecului manipula în rapor cu un sisem de coordonae fix [O 0, x 0, y 0, z 0 ], aaşa bazei roboului (baiului). Srucuri mecanice purăoare cu lanţ cinemaic deschis Srucurile purăoare ale roboţilor indusriali au în general axe care asigură poziţionarea generală. Srucurile mecanice po fi idenificae prin lisa simbolurilor legăurilor mecanice pornind de la baza roboului (T legăură mecanică de ranslaţie, R - legăură mecanică de roaţie).. Srucura careziană (TTT).. Srucura cilindrică (RTT). r m r m ig.. Srucură purăoare careziană ig.. Srucură purăoare cilindrică Rezoluţia roboţilor cu srucură purăoare cilindrică nu ese consană, ea depinde de mărimea razei de roaţie r dinre axa coloanei cenrale şi poziţia efecorului. r max =,5 m r min = 0,5 m α α r max R 60 = 0.000 π = 80 ez srucura puraoare.500 0, 9 ig.. Rezoluţia penru elongaţia maximă Rezoluţia roboţilor cu srucură cilindrică ese ne inferioară celor cu srucură careziană penru aceeaşi echipare a raducorilor de poziţie. mm
Roboi indusriali 0. Srucura sferică (RRT). 0 Rez axa ranslaie = = 0,0mm / impuls.000 60 π Rez axa roaie =.000 = 0,7 mm / impuls 6.000 80 ig.. Srucură purăoare sferică (RRT) ig. 5. Srucură purăoare bi-cilindrică (RRT) ig. 6. Srucură purăoare bi-sferică (RRR) Srucuri mecanice purăoare cu lanţ cinemaic închis Elemenele suplimenare aaşae srucurilor purăoare cu lanţ cinemaic deschis, po fi uilizae în acelaşi imp penru consolidarea şi echilibrarea saică a srucurii prin preluarea unei părţi din încărcarea generaă de propria greuae a axelor, figura 7.: Se observă că plecând de la o srucură purăoare bi-sferică, rezulă o nouă srucură purăoare, în lanţ cinemaic închis, mai complexă, dar care asigură o precizie mai bună concomien cu creşerea sarcinii uile manipulae (axa nu mai deplasează elemenele de acţionare şi conrol aferene). Dezavanajul principal al srucurilor cu lanţ cinemaic închis ese deermina de reducerea flexibiliăţii şi a spaţiului de lucru uil daoriă limiărilor impuse de legăurile mecanice a suplimenare. b ig. 7. Srucuri purăoare: a. lanţ cinemaic deschis; b. lanţ cinemaic închis
Roboi indusriali Srucura mecanică a ariculaţiei pumnului Srucuri cu mişcări independene. Rolul principal al ariculaţiei pumnului ese de a asigura orienarea de fineţe a dispoziivului efecor cu un nivel de flexibiliae câ mai ridica. cu axe orogonale concurene; cu axe orogonale neconcurene. O O O O ig. 8. Srucura ariculaţiei pumnului cu axe orogonale concurene ig. 9. Srucura ariculaţiei pumnului cu axe orogonale neconcurene Srucuri cu mişcări dependene. Uilizează un mecanism de orienare ip rompă de elefan, figura., forma din elemenele de ghidare G i, conecae prin legăurile sferice L i. Poziţionarea în spaţiu a elemenului cuplor EC se realizează ca rezula al prepoziţionării simulane a elemenelor de ghidare G i sub acţiunea cablurilor C, C, C, C fixae la un capă de elemenul cuplor EC, celălale capee fiind acţionae de mooarele liniare corespunzăoare. Caliăţile ariculaţiei pumnului se deermină în funcţie de coeficienul de serviciu θ defini ca rapor înre unghiul de serviciu γ şi valoarea sa eoreică maximă π: γ θ = π Unghiul de serviciu γ ese defini ca deplasarea spaţială unghiulară maximă a efecorului în rapor cu cenrul de mişcare P (prin inermediul căruia se asigură fixarea la srucura mecanică purăoare). Dispoziivul efecor În funcţie de domeniul aplicaţiei dispoziivele efecoare po diferi foare mul având în vedere scopul penru care au fos proiecae: dispoziive efecoare cu rol de prehensiune; dispoziive efecoare penru operaţii de sudură; dispoziive efecoare penru operaţii de vopsire; dispoziive efecoare penru prelucrări cu unele specializae. Dispoziive efecoare cu rol de prehensiune Dispoziive de prehensiune cu acţiune unilaerală. Acţionează pe o singură faţă a obiecului manipula: dispoziive de prehensiune ip venuză sau dispoziive de prehensiune magneice. p oală = p saică + p dinamică p d P aer a. b. c. A P p s A P ig. 0. Dispoziive de prehensiune ip venuză cu vid: a. venuză aderenă; b. pompă de vid; c. venuză orienabilă şi generaor de vid cu ajuaj
Roboi indusriali ig.. Dispoziiv de prehensiune magneic Dispoziive de prehensiune cu acţiune bilaerală. Realizează prinderea obiecului manipula înr-un sisem de pârghii ariculae asemănăoare unui cleşe, forţa de apăsare fiind dependenă de consrucţia mecanismului aricula şi geomeria obiecului manipula. s m = s s m M s m ig.. Mecanism de prehensiune bilaerală cu caracerisică mecanică consană Dispoziive de prehensiune cu acţiune bilaerală cu acţionare pneumaică: 8 7 5 6 5 9 Dispoziive de prehensiune cu acţiune muliplă, adapive. aer comprima ig.. Dispoziive de prehensiune cu acţiune bilaerală şi acţionare pneumaică ig.. Dispoziive de prehensiune cu acţiune muliplă penru manipularea obiecelor fragile
Roboi indusriali Dispoziive efecoare penru operaţii de sudură 5 ig. 5. Dispoziiv efecor penru sudarea prin punce 8 6 7 5 ig. 6. Dispoziiv efecor penru operaţii de sudură pe conur Dispoziive efecoare penru prelucrări cu unele specializae M a. M b. M c. ig. 7. Dispoziive efecoare penru prelucrări mecanice: a. găurire; b. debavurare; c. finisare, şlefuire Axa roboizaă Deplasarea efecorului în vederea realizării unei sarcini ese rezulaul deplasării corelae a unui anumi număr de axe. Penru deplasarea conrolaă a axei aceasa cuprinde urmăoarele componene: Sisem de comandă + - x* x r corecor sursă de energie disribuior de energie pierderi elemen de execuţie adapor mişcare eforuri parazie mecanică axă vieză raducoare axă poziţie Sisemul de comandă ese alcăui din elemenul comparaor şi elemenul corecor. Elemenul corecor are rolul de a adopa semnalul de eroare la cerinţele de comandă a disribuiorului de energie asfel încâ deplasarea pe raiecorie să se facă fără oscilaţii şi sa fie amorizaă şi la nivelul de precauţie ceru de aplicaţie.
Roboi indusriali Adapoare de mişcare Adaporul de mişcare are rolul de a ransmie şi evenual de a modifica paramerii cinemaici şi dinamici furnizaţi la axul elemenului de execuţie asfel încâ să se asigure parameri opimi de mişcare penru axa mecanică. Cele mai uilizare adapoare de mişcare penru disanţe mici înre axa elemenului de execuţie şi axa mecanică sun: siseme adapoare ip camă - ache; siseme adapoare ip reducor (cele mai uilizae); siseme adapoare ip şurub piuliţă. Cele mai uilizae adapoare de mişcare uilizae penru disanţe mari înre axele în mişcare sun: siseme adapoare cu roţi dinţae concenrice; siseme adapoare cu curele. Adapoare de mişcare penru disanţe mici înre axele de mişcare: Camă ache; Reducoare. Sun uilizae cu precădere în cazul sisemelor de acţionare elecrice penru micşorarea viezei concomien cu creşerea cuplului disponibil. Reducoarele uilizae în roboică rebuie să fie de caliae deosebiă, cu jocuri foare mici (de dori nule) penru a asigura o precizie de poziţionare a părţii mecanice câ mai ridicaă. Reducoare cu roţi dinţae cu danură dreapă : Reducoare cu roţi dinţae cu danură înclinaă: Reducoare cu roţi conice: Şurub piuliţă. Sun elemene adapoare ce ransformă mişcarea de roaţie în mişcare de ranslaţie, fiind uilizae cu precădere penru axe de ranslaţie. a. 5 b. ig. 8. a. reducor şurub piuliţă: b. reducor şurub piuliţă cu bile Adapoare de mişcare penru disanţe mari înre axele de mişcare Roţi dinţae cu axe concenrice. Asfel de siseme adapoare sun uilizae în cazul axelor de dimensiuni mici la care problema spaţiului de monare a elemenului de execuţie precum şi greuaea axei reprezină probleme criice de acţionare penru proiecan. M M5 axa axa axa axa C ig. 9. Soluţie de amplasare a elemenelor de acţionare şi adapoarelor de mişcare axa axa M M M M axa C C M C M ig. 0. Adapoare de mişcare penru disanţe mari înre axe: a. ransmisie cu mişcări independene; b. ransmisie prin cuplaje cu mişcări dependene Curele. Se uilizează penru ransmisia mişcării la disanţe mari acolo unde ese necesar un sisem adapor cu gabari şi greuae minim, cu inerţie redusă şi randamen mecanic foare bun.: curele rapezoidale; curele cu dinţi; curele din bandă de oţel; lanţuri cu zale.
Roboi indusriali 5 Siseme de acţionare Sisemul de acţionare al axei roboizae ese forma din: elemen de execuţie; disribuior de energie; sursa de energie. Se consideră două axe succesive ale unui robo prevăzu cu adapoare de mişcare înre elemenele de execuţie şi srucura mecanică a axelor conform figurii : M m, Ω M Ω M m, Ω M θ M, i M, i M s axa M m Ω M s axa θ M s sarcină M a Mooarele de acţionare M, M rebuie să învingă cuplurile rezisene saice, dinamice şi aleaoare ce po apare la deplasarea pe raiecorie: cuplurile saice sun deerminae de forţa graviaţională şi forţele de frecare; cuplurile dinamice sun generae de forţele ce apar la deplasarea axelor şi po fi urmăoarele: - cuplul de inerţie, deermina de momenul de inerţie ese proporţional cu acceleraţia axei; - cuplul Coriolis, deermina de forţa Coriolis ese proporţional cu produsul viezelor axelor succesive (apare în cazul mişcărilor combinae); - cuplul cenrifug, deermina de forţa cenrifugă, apare la nivelul axei urmăoare (axa ) celei luae în considerare în procesul de evaluare şi ese proporţional cu păraul viezei de roaţie a aceseia. cuplul sarcinii manipulae ese un cuplu variabil, suplimenar care apare în siuaţia în care roboul deplasează obiece ce po fi de dimensiuni şi forme diferie ca urmare şi cu momene saice şi de inerţie diferie; cuplurile aleaoare sun cupluri exerioare roboului care po apărea în procesul de ansamblare sau prelucrare în special la nivelul dispoziivului de prehensiune şi care deermină eforuri suplimenare la nivelul axelor de poziţionare. Penru acţionarea axei roboizae po fi alese rei soluţii în funcţie de puerea (cuplul) soliciaă moorului de acţionare şi impul de răspuns impus: acţionare hidraulică; acţionare pneumaică; acţionare elecrică. Siseme de acţionare hidraulice Sisemele de acţionare hidraulice sun uilizae penru acţionarea a 0 % din parcul mondial de roboţi indusriali fiind preferae în cazul roboţilor de forţă daoriă urmăoarelor avanaje: rapor foare bun înre puerea dezvolaă şi greuaea elemenelor de execuţie care sun robuse şi fiabile ; elemenele de execuţie hidraulice lucrează la vieze moderae (po lipsi adapoarele de mişcare); daoriă incompresibiliăţii uleiului, sisemului i se conferă suficienă rigidiae penru a menţine poziţiile programae; au imp de răspuns mic şi cu siseme performane de comandă se po ainge precizii de poziţionare foare bune; fluidul hidraulic (ulei) are rol de lubrifian şi agen de răcire; ese prefera daoriă siguranţei în funcţionare penru uilizări în medii explozive (vopsiorii), cu praf (urnăorii) sau corozive (acoperiri galvanice). Principalele dezavanaje ale sisemelor de acţionare hidraulice sun urmăoarele: cosul sisemului de acţionare ese ridica şi necesiă operaţii de înreţinere preenţioase; elemenele hidraulice sun dificil de miniauriza deoarece necesiă secţiuni de recere a fluidului (volum elemen) deerminae de debiul şi presiunea de lucru; se preează în cazul roboţilor cu ciclu de lucru len.
Roboi indusriali 6 Elemene de execuţie hidraulice. Cele mai uilizae sun cilindrul hidraulic care realizează direc mişcarea de ranslaţie şi moorul hidraulic care realizează mişcarea de roaţie. U ensiune presiune p deermină forţa (cuplul); I curen debi volumic Q deermină vieza de ranslaţie sau roaţie; P puere elecrica puere hidraulica P = pq Cilindrul hidraulic V = V 0 ρ v (v) () m s Q i ig.. Cilindrul hidraulic p i () x() S p e () Q e f Disribuioare de energie hidraulică Disribuioarele hidraulice au rolul de a conrola energia hidraulică ransmisă elemenelor de execuţie şi po fi: disribuioare de comandă; disribuioare proporţionale; servodisribuioare. Disribuioare de comandă Se realizează penru diferie debie (l / min) DN6 DN00 şi presiuni de lucru 5.000 bar. 5 0 - A A ig.. Disribuior hidraulic de comandă cu simplu efec, cu căi şi poziţii, revenire mecanică Disribuioare proporţionale Reglează direcţia debiului şi în mod coninuu mărimea acesuia: elecromagne de comandă proporţional; raducor induciv de poziţie a serarului de comandă (opţional funcţie de variană); bloc elecronic de comandă care include în principal surse de alimenare, ieşiri în curen, inrări penru semnale de programare şi inrări de măsură (opţional). Elecromagneul de comandă proporţional denumi şi moor liniar ese prezena în figura :
Roboi indusriali 7 6 I = 0 +I N S S N N S s S N 5 7 N S S N N S S N ig.. Elecromagne de comandă proporţional: a. în poziţie neură; b. acţiona Alimenarea bobinelor de comandă cu un curen de o anumiă polariae deermină în înrefierurile armăurii un flux suplimenar Φ c care modifică echilibrul fluxurilor rezulane Φ s, Φ d în zonele din sânga dreapa: + I Φ = Φ + Φ ; Φ = Φ Φ ; Φ > Φ A B I Φ s s = Φ p p Φ a. b. c c ; Φ d d = Φ p p + Φ c c ; Φ s s < Φ d d ig. 5. Disribuior proporţional direc comanda, cu raducor de poziţie Disribuioare proporţionale piloae. Penru debie mari acţionarea elecrică a serarului de comandă nu mai ese posibilă daoriă forţelor rezisene mari. A B un disribuior proporţional cu comandă direcă prin elecromagneţi proporţionali; un disribuior penru debiul proieca, ce poae fi echipa opţional cu un raducor de poziţie. ig.6. Disribuior proporţional piloa Servodisribuioare În procesele de reglare la nivelul axei roboizae, procese rapide, ese imporan ca disribuiorul de energie să prezine şi o bună dinamică. La disribuioarele hidraulice proporţionale comandae cu elecromagneţi proporţionali aceasă cerinţă ese limiaă de induciviaea mare a bobinei elecromagneului şi din aces moiv sun preferae sisemele de comandă hidraulice ip servosupapă. Servosupapa ese un amplificaor hidraulic cu comandă elecrică forma din: moor elecric de comandă; amplificaor hidraulic de ip placă de recul şi duze. 6 I I 7 5 M ig. 7. Moorul elecric de comandă al servosupapei
Roboi indusriali 8 6 7 8 ig. 8. Servodisribuior cu două repe şi revenire mecanică A B 9 Aparae hidraulice proporţionale Supapa proporţională de limiare a presiunii direc comandaă ese uilizaă ca elemen de reglare auomaă a presiunii maxime din circuiul hidraulic supraveghea (exemplu penru reglarea forţei maxime de srângere la dispoziivele de prehensiune în funcţie de caracerisicile obiecului manipula). Supapa proporţională de reglare a presiunii piloaă. o supapă proporţională de limiare a presiunii cu rol de elemen de reglare; bloc de menţinere a presiunii ce lucrează ca o rezisenţă hidraulică variabilă; elemene adiţionale opţionale: siguranţă de presiune maximă, supapă de sens. Supapa proporţională de debi menţine consan debiul programa independen de emperaura şi presiunea uleiului. Penru a realiza aceasă funcţie de reglare supapa uilizează ca elemen hidraulic de conrol o balanţă de presiune cu două căi în circuiul de alimenare, figura 69.: Aplicaţii ale sisemelor de acţionare hidraulică în roboică Sisemele de acţionare hidraulică uilizae în roboică se po realiza cu elemene hidraulice clasice în cazul în care în cadrul aplicaţiei roboul execuă un ciclu de deplasări fix sau cu elemene de hidraulică proporţională (programabile elecronic sau numeric) în cazul în care roboul execuă sarcini complexe: ciclu de deplasări la vieze variabile, conrol aciv al forţei de prehensiune.
Roboi indusriali 9 Aplicaţii cu elemene hidraulice clasice R p A B p Ss R R A R B Ss ig. 9. Scheme de acţionare hidraulică a axei roboizae: a. cu reglarea viezei în ambele direcţii şi a cursei maxime; b. cu reglarea viezei în ambele direcţii şi frânare hidraulică lină la capă de cursă p B a. b. B Modulul elecronic al elemenelor hidraulice proporţionale. Aparaele hidraulice proporţionale sun concepue să lucreze prin conecare la un modul elecronic specializa, de comandă şi conrol. Modulul elecronic ese concepu asfel încâ performanţele elemenului hidraulic (parea mecanică) să fie îmbunăăţie iar fenomenele perurbaoare să fie eliminae sau limiae. Siseme de acţionare pneumaice 6 5 p ; p f ; 9 ig.0. Cilindru pneumaic cu sisem de frânare la capă de cursă p x f p 7 8
Roboi indusriali 0 Mooare pneumaice 7 7 p s(p ) 5 6 7 ig.. Moor pneumaic cu membrană 8 5 6 ig.. Mooare pneumaice cu palee: a. unisens; b. reversibil Sursa de energie pneumaică Sursele de energie pneumaică po fi individuale (de mică puere deservesc un pos de lucru) sau cenralizae, caz în care exisă o saţie de ip indusrial de preparare a aerului comprima care ese disribui prin reţea căre consumaori. max. min. R a max. 0 bar bar M ~ R p Elemene pneumaice A ig.. Sursă de energie pneumaică A
Roboi indusriali Mooare pas cu pas Moorul pas cu pas (MPP) ese o maşinǎ sincronǎ ce realizează prin conversie elecro mecanicǎ discreǎ o funcţie univocǎ înre impulsurile de comandǎ aplicae saorului şi unghiul de roaţie al roorului (la fiecare impuls de comandǎ roorul execua un pas). Cei mai imporanţi parameri ai mooarelor pas cu pas sun: unghiul de pas ese unghiul exisen înre două poziţii consecuive ale roorului la aplicarea unui impuls de comandă; frecvenţa maximǎ de mers în gol ese frecvenţa maximǎ a impulsurilor de comandă pe care o poae urmări moorul fără pierderea sincronismului; frecvenţa maximă de sar - sop în gol ese frecvenţa maximă a impulsurilor de comandă la care moorul poae porni, opri sau reversa fără omisiuni de paşi, în lipsa sarcinii la arbore; cuplul maxim de sar - sop ese cuplul rezisen aplica pe arbore, la care moorul poae porni, opri sau reversa fără omisiuni de paşi, la o frecvenţa de comandă şi un momen de inerţie dae. vieza unghiularǎ definiǎ ca produsul înre unghiul de pas şi frecvenţa de comandă. Principalele avanaje ale mooarelor pas cu pas penru uilizarea în roboic ǎ sun: univociaea conversiei numǎr de impulsuri deplasare; ese compaibil cu comanda digialǎ; precizie de poziţionare şi rezoluţie unghiularǎ de pânǎ la 0,5 /pas; poae fi uiliza în circui deschis la porniri, opriri şi reversări fără pierderi de paşi; memorează poziţia; Dezavanaje moorului pas cu pas: vieza maximǎ în sarcinǎ penru mooarele de puere (maxim 5 kw) ese limiaǎ la valoarea de 500 00 rpm (frecvenţa de comandǎ nu depǎşeşe khz) în funcţie şi de sisemul de comandǎ; roaţia ese disconinuǎ şi produce vibraţii în special la frecvenţe joase; caracerisica mecanicǎ M(f) ese puernic cǎzǎoare şi penru aceleaşi caracerisici consrucive şi elecrice cuplul mediu scade odaǎ cu micşorarea pasului unghiular. Moorul pas cu pas cu relucanţǎ variabilǎ * 6 5 τ τ * α * * α = 6 5 * I * ig.. Moorul pas cu pas cu relucanţǎ variabilǎ ( faze, paşi, 5 /pas): a. alimenare unidirecţionalǎ o fazǎ, ; b. alimenare unidirecţionalǎ o fazǎ, * * Creşerea numǎrului de paşi pe roaţie se poae realiza prin danurarea polilor saorici asfel încâ, în funcţie de lǎţimea polului, pe acesa sǎ avem un numǎr de dinţi z ps, uniform disribuiţi cu un pas denar τ dps egal cu pasul denar al dinţilor roorului τ dr.
Roboi indusriali α p pol saor; dine saor; dine roor. ig. 5. Pol saoric danura şi dinţi roorici în configuraţie Darrieus τ ds τ d Cuplul dezvola de moorul cu relucanţǎ variabilǎ poae fi menţinu şi la rezoluţii unghiulare imporane prin uilizarea mai mulor circuie magneice cu configuraţie geomericǎ simplificaǎ (diferenţǎ de relucanţǎ, frecvenţǎ de comandǎ ridicaǎ), cuplae în paralel pe acelaşi ax moor. Pracic s-au impus douǎ variane consrucive: un ansamblu de minim douǎ mooare idenice, având circuiele saorice aliniae şi rooarele cuplae pe acelaşi ax, decalae spaţial; un moor cu un singur circui saoric şi mai mule rooare cuplae pe acelaşi ax, decalae spaţial. Moorul pas cu pas cu magneţi permanenţi θ = * θ =9 S * * 5 + - N S θ = * θ =6 a. b. ig. 6. Moorul pas cu pas cu magneţi permanenţi: a. consrucţia moorului cu faze şi perechi de poli roorici ( paşi, 0 /pas); b. variana cu numǎr mare de poli roorici Disribuioare de energie elecricǎ Comanda mooarelor Brushless În funcţie de cerinţele aplicaţiei se uilizeazǎ rei moduri de comandǎ: Comandǎ rapezoidalǎ (Six seps, Brushless DC), Comandǎ sinusoidalǎ (Sine wave, Brushless AC), Comanda vecorialǎ (ield Oriened Conrol). Comandǎ sinusoidalǎ (Sine wave, Brushless AC) Asigurǎ un conrol foare bun al cuplului şi poziţiei roorului în baza unui algorim care urmǎreşe asigurarea cuplului moor înr-un mod câ mai eficien posibil, adicǎ la un curen minim, obţinu la alimenarea simulanǎ a celor rei faze cu curenţi de sinezǎ sinusoidali rezulaţi în conformiae cu relaţiile: i i i A B C = I = I = I M M M sin sin sin ( θ + θ ) e ( θ e 0 + θ a ) ( θ 0 + θ ) e a unde I M ese curenul maxim necesar realizǎrii cuplului care sǎ asigure paramerii de mişcare impuşi axei; θ e unghiul elecric ce defineşe poziţia câmpului magneic saoric; θ a unghiul elecric de comuaţie în avans. Pracic modaliaea de comandǎ ese similarǎ cu comanda moorului sincron cu undǎ de ensiune sinusoidalǎ de a
Roboi indusriali frecvenţǎ variabilǎ şi din aces moiv în lieraura de specialiae apare şi sub denumirea Brushless AC. Penru un curen de fazǎ I consan, cuplul moor rezulan M ese consan (riplu nul) şi reprezinǎ suma cuplurilor generae de fiecare fazǎ în pare M A,B,C, numai în cazul în care se asigurǎ sric generarea unor curenţi de formǎ sinusoidalǎ. Deerminarea poziţiei unui solid în spaţiul carezian În rapor cu sisemul de coordonae absolu WCS lega de baza roboului O 0 X 0 Y 0 Z 0, poziţia unui solid în spaţiul carezian ese deerminaǎ dacǎ ese cunoscuǎ poziţia originii O i a sisemului de coordonae asocia solidului şi orienarea axelor sisemului de coordonae O i X i Y i Z i în rapor cu sisemul de coordonae absolu WCS: Z i rep(i) Yi O i Z 0 O 0 O i X i O i O j Z j rep(j) k O j Y j O 0 i j Y 0 X j X 0 ig. 7. Reperarea solidului în sisemul de coordonae absolu WCS OiO = a j ii + a ji + a ki unde i i, ji, ki sun vecorii uniari ai sisemului de referinţǎ O i X i Y i Z i. Maricea de poziţie V ij care dă coordonaele originii noului reper rep(j) în rapor cu sisemul de referinţǎ O i X i Y i Z i, ese de forma: V ij a = a a
Roboi indusriali Meoda cosinusurilor direcoare Vecorii uniari ai noului sisem de referinţǎ O i X i Y i Z i se po exprima în funcţie de vechiul sisem de referinţǎ O i X i Y i Z i cu relaţia maricialǎ: i j k j j j = i i ji ki = cos α = cosβ unde = cos α = cosβ = cos α = cosβ = cos γ = cos γ = cos γ sun cosinusurile direcoare ale unghiurilor formae de fiecare axǎ a nouluisisem (aldoilea indice) în rapor cu axele vechiului sisem de referinţ ǎ (p rim u lin di ce). Maricea cosinusurilor direcoare ranspusǎ se num e şe maricea de roaţie R ij şi defineşe orienarea reperului rep(j) în rapor cu vechea poziţie rep(i): R ij Maricea de roaţie are proprieaea: = T ij = R ij R = R ji Cunoaşerea celor două marici caracerisice permie deerminarea compleă a poziţiei unui reper în rapor cu alul prin inermediul maricei de recere neomogene: A ij = Marice de recere omogenă ( ): T ij = 0 = T T a a a a a a 0 0... T +... T Tin ij jj+ kk n n unde T k,k+ sun maricile de recere omogene corespunzăoare unei receri de la rep(k) la rep( k + ). Meoda unghiurilor Euler Poziţia axelor noului reper rep(j) poae fi definiǎ în rapor cu vechiul reper rep(i) în funcţie de rei unghiuri rezulae prin rei roaţii succesive realizae în urmǎoarea ordine: [ O X Y Z ] ( ) [ O X Y Z ] ( ) [ O X Y Z ] ( ) [ O X Y Z ] i i i i Ro Z ψ i + i + i + i + Ro X, θ j j j j Ro Y, φ i, i+ j j j j j
Roboi indusriali 5 Z i Z j- Z j- Z i+ Z i+ Z j θ Y j- Y j Y j- Y i+ O i O i+ Y i O i+ O j- Y i+ O j- O j X i ψ X i+ X i+ X j- ig. 8. Unghiurile lui Euler X j- φ X j R ij cosψ = sinψ 0 sinψ cosψ 0 0 0 0 0 0 cosθ sinθ 0 cosφ sinθ sinφ cosθ 0 sinφ cosφ 0 0 0 = Corespunzǎor unei deplasǎri în spaţiu a sisemului O j X j Y j Z j aaşa unui corp solid, se deerminǎ maricea de recere omogenǎ (Euler), având în vedere şi maricea de poziţie: T ij = cos sin ψ cosφ sinψ cosθ sinφ ψ cosφ + cosψ cosθ sinφ sinθ sinφ 0 cosψ sinφ sinψ cosθ sinφ sinψ sinφ + cosψ cosθ cosφ sinθ cosφ 0 sinψ sinθ cosψ sinθ cosθ Meoda Denavi Harenberg Deerminarea poziţiei unui solid oriena rep(j) în rapor cu al solid oriena rep(j-) poae fi deerminaǎ prin inermediul a paru parameri de poziţie θ j, a j, d j, α j definiţi asfel: O X Y Z O j j j j Ro ( Z, θ ) + Trans( X, a ) + Trans( Z, d ) Ro ( X, ) j j j j j j + j α j cupla j+ 0 j X j Y xi y i z i j Z j Z j α j Z j- X j- X j O j O j- cupla j Y j Y j- X j- Z j- O j- dj X j- Z j- cupla j- Y j- θ j O j- a j Y j-