Descrierea Generală A Sistemului Mecatronic DE Micropoziționare

DESCRIEREA GENERALĂ A SISTEMULUI MECATRONIC DE MICROPOZIȚIONARE

Modelul experimental de sistem mecatronic pentru micropoziționări a fost conceput, proiectat și realizat în manieră modulară și se află în laboratorul INCDMTM București.

În vederea realizării modelului virtual al sistemului mecatronic flexibil de micropoziționare, a fost stabilită tema tehnică a lucrării, cu caracteristicile tehnice, schema modelului experimental al sistemului mecatronic (figura 1), ciclograma de funcționare (tabelul 1).

În figura 1 este redat schematic modelul experimental al sistemului micromecatronic, cu evidențierea elementelor componente ale acestuia.

Figura nr.1 Schema modelului experimental al sistemului mecatronic

Componența sistemului mecatronic:

1 și 10 – motoare de curent continuu
2 și 8 – axe liniare
3 și 9 – sănii axe liniare
4 – griper electric
5 – degete profilate
6 – piesa
7 – senzor de temperatură
11 și 11’ – alimentare
12 și 12’ – controlere

13 – senzor prezență piesă.

Caracteristici tehnice ale sistemului mecatronic de micropoziționare:

masa de lucru: 1250x780x750 (mm)

cursa săniilor: 0 ÷ 200 mm pe x și pe z

sarcina de transport: pe x 100 ÷ 200 N , pe z este 25 ÷ 50 N

precizia de poziționare : ± 0,00025 mm;

griper (electric, cu două degete) cu posibilitatea prinderii și poziționării reperelor de până la 0,5 kg.

alimentare electrică 220 V.c.a./50 Hz; (15V- CC motoare, 24V- griper și controller.

În tabelul 1 este redată ciclograma de funcționare a sistemului de micropoziționare.

Tabelul 1. Ciclograma de funcționare a sistemului de micropoziționare

Schema cinematică a sistemului mecatronic de micropoziționare

În figura 2 se prezintă schema cinematică a sistemului mecatronic de micropoziționare.

Figura nr. 2 Schema cinematică a sistemului mecatronic de micropoziționare

Partea principală a sistemului mecatronic o constituie sistemul de micropoziționare, format din două axe liniare, acționate electric.

Axe liniare electrice model M403- 8PD

Cele două axe liniare ale sistemului de micropoziționare sunt conectate la două controlere model C-863.10; cursa liniară pentru fiecare axă de poziționare este de 200 mm.

Acționarea axelor liniare este asigurată de motoare de curent continuu, iar transmisia de tip șurub – piuliță asigură siguranța și precizia de poziționare.

În figura 3 este prezentată o axă liniară, cu evidențierea elementelor sale componente.

Figura nr. 3 Axă electrică liniară

Elementele componente ale axei liniare:

Motor de curent continuu

Șurub antrenare –

Platforma axei mecatronice – z/x

Senzor poziționare

Cablu conectare la controler

Axele liniare de precizie submicronică au curse liniare limitate pentru evitarea cumulării erorilor.

Flexibilitatea sistemului rezidă din posibilitatea de montare a celor doua axe electrice atât în planul orizontal cât și în planul vertical; erorile de deplasare sunt corectate prin software-ul specific.

Montajul axelor liniare electrice

Prin proiectare, axele M-403 sunt destinate pentru o singură axă de poziționare, montate orizontal sau vertical.

Pentru a atinge precizia specificată de ghidare și pentru a evita torsiunea ghidajelor, axele trebuie să fie montate pe o suprafață plană.

Montajul axelor liniare electrice a fost realizat prin așezarea reciprocă, astfel încât să se materializeze cele două axe de deplasare, în plan vertical, x-z (figura 4).

Figura nr. 4.– Montarea și asamblarea celor două axe mecatronice liniare în plan orizontal

z

x

Figura nr.5 – Montajul și asamblarea axelor liniare mecatronice în plan vertical

Axa liniară x este fixată cu șuruburi și piulițe în canalele “T“ ale mesei de lucru, așa cum poate fi observat în figura 6.

Figura nr. 6 Fixarea axei orizontale, cu șuruburi si piulițe în canalele “T” ale mesei de lucru

Axa liniară Z a fost montată pe masa axei X, în poziție verticală, prin intermediul unor șuruburi (șuruburi 6 M4 x 30 și 4 M6 x 2) (figura 7).

Figura nr.7 – Asamblare axe liniare în plan vertical

Pentru realizarea sistemului de poziționare, cele două axe liniare sunt montate în plan vertical formând un sistem cartezian XZ (figura 7, figura 8).

Axele electrice liniare transformă mișcarea de rotație a motorului de curent continuu, alimentat la 24 V, în mișcare de translație prin mecanismul de tip șurub – piuliță, incrementul de deplasare fiind 0,2 µm.

Figura nr.8

Axele electrice liniare sunt precis prelucrate, cu ghidaje de înaltă precizie, încastrate în suport de aliaj de aluminiu pasivat, având stabilitate ridicată cu o greutate minimă, permițând deplasări de 25 ÷ 200 mm.

Ghidajele cu rulmenți liniari cu bile recirculabile, asigură o mare rigiditate sistemului; platformele axelor liniare pot transporta până la 20 kg și împinge/trage de până la 50 N.

Pentru protecția echipamentelor, pe sanie sunt montați senzori non contact cu efect Hall, senzori ce oferă oportunități de automatizare de înaltă precizie.

Funcționarea corectă a axei liniare este posibilă numai în combinație cu un controler și software-ul adecvat.

Cele două axe liniare ale sistemului de micropoziționare sunt conectate la două controlere (figura 9) model C-863.10; cursa liniară pentru fiecare axă de poziționare este de 200 mm.

Figura nr. 9 Controlerele celor două axe electrice liniare

Dispozitivul de control a fost selectat astfel încât să fie capabil să citească și să proceseze semnalele de referință și senzorii de limită și să codifice poziția incrementală pentru a asigura performanța corespunzătoare a sistemului de servo-control.

Senzor inductiv prezență piesă

Pentru siguranța mișcării săniilor electrice liniare, sunt utilizate grupuri de senzori cu efect Hall, ce informează despre poziția unui obiect în raport cu un punct de referință.  

Senzor de temperatură

Deoarece precizia de poziționare este de mărime submicronică, se utilizează un senzor de temperatură, montat în apropierea sistemului (figura 10).

Senzorul de temperatură este inclus în circuitul de comandă, pentru a se putea avertiza sau opri sistemul în cazul depășirii temperaturii mediului ce ar putea compromite precizia.

Senzorul, neavand piese in mișcare fiabilitatea creste foarte mult in comparatie cu alte tipuri de senzori electromecanici și in plus poate fi protejat adecvat

Figura nr. 10

Griper electric

Griperul electric LEHZ 32K2-22 s-a asamblat pe masa axei verticale prin intermediul unei piese de legatura (figura 11)

.

Figura 11- Gripperul LEHZ 32K2-22, conectat cu controller, asigura incarcarea-descarcarea automata a pieselor

Griperul electric și conexiunile cu PLC și controler sunt prezentate în figura 12.

Figura nr. 12 Griperul electric și conexiunile electrice

Griperul electric este montat pe sania verticală a sistemului mecatronic de micropoziționare. Acesta asigură prinderea piesei în vederea micropoziționării, permițând susținerea unei piese având masa de până la 0,5 kg. Degetele griperului vor fi individualizate dupa forma reperelor ce urmează a fi poziționate.

Griperul electric cu două degete poate fi montat în diverse poziții, așa cum este evidențiat în figura 13.

Figura nr. 13 – Griper – montaj

Griperul electric ce echipează sistemul flexibil de micropoziționare cu axe liniare electrice și comandat prin controler, oferă la ieșire o forță constantă de circa 50N, aplicată la o anumită distanță de punctul de aplicare, față de baza degetelor.

Variația acestui punct atrage, în consecință, o variație a forței, care în funcție de încărcarea motorului se prezintă ca în figura 14.

Figura nr. 14. Variația forței de prindere în funcție de punctul de aplicare al griperului

Pentru a asigura poziționarea și strangerea piesei transportate, bacurile griperului au fost adaptate prin montarea unor degete profilate.

Figura nr. 15 – Griper electric LEHZ 32K2-22

Figura nr. 16 Microgriperul electric cu două degete

Masa de lucru a sistemului mecatronic de micropoziționare

Pentru realizarea structurii de amplasare a sistemului mecatronic de micropoziționare, s-a optat pentru alegerea profilelor de aluminiu 45×45 mm, datorită avantajelor pe care le conferă acest material, astfel: aluminiul este un metal ușor, cu o densitate de 2,7 g/cm3, este impermeabil, non-toxic și lipsit de miros, are capacitate mare de reflexie, este un bun conducător electric și termic, este un metal ductil și maleabil. O altă proprietate importantă a acestui metal este rezistența la coroziune și nu în ultimul rând, este un material 100% reciclabil (poate fi reciclat fără a-și degrada proprietățile, cu un consum redus de energie; consumul de energie pentru obținerea aluminiului recuperat este mai redus decât pentru producerea aluminiului primar, motiv pentru care procedeul este considerat mai favorabil mediului).

Posibilitatea de montare și demontare rapidă a profilelor de aluminiu a permis realizarea mesei de lucru a sistemului mecatronic de micropoziționare prin operații tehnologice constând din: debitări, ajustări și asamblări, astfel:

blatul mesei (figura 17) este compus prin asamblarea unor profile cu canale “T“, pentru fixarea unor subansamble componente ale sistemului:

Figura nr. 17 – Blat masă

structura (scheletul mesei) este obținută prin operații de montaj ale profilelor din aluminiu 45×45 mm, debitate la dimensiunile precizate în proiect. Montajul se realizează prin elemente de legătură și fixare, șuruburi – piulițe.

Figura nr. 18 – Profil aluminiu 45×45 mm, cu șurub asamblare

Pentru a asigura mesei o stabilitate pe pardoseală, s-au montat în extremitățile inferioare ale celor patru montanți suporți cu tălpi flotante, reglabile pe verticală, realizate din oțel cromat.

De asemenea, pentru ca masa de lucru să poată fi deplasată ușor, au fost prevăzute roți. Prin reglarea suporților cu tălpi prin care se anulează contactul acestora cu suprafața orizontală de sprijin, roțile preiau acest contact, permițând deplasarea mai ușoară a mesei.

Figura nr. 19 – Montaj combinat: suporți reglabili, cu tălpi flotante și roți

Figura nr.20 Masa de lucru a sistemului mecatronic de micropoziționare

Cutia electrică de comandă

Figura 21 prezintă cutia electrică de comandă. La partea superioară sunt montate cele două controllere ale axelor liniare ce formează sistemul xz și cele patru alimentatoare (doua pentru controllerele axelor și doua pentru cele doua motoare ale axelor liniare). Din considerente ergonomice, controllerul griperului electric nu a fost montat în cutie ci este amplasat pe masa de lucru, realizată din profile de aluminiu.

Figura nr.21 Instalația electrică de comandă

Fiura nr.22 Instalația electrică de comandă este poziționată într-un panou, montat accesibil.

Bariere optice de siguranță

Pentru a asigura prevenirea ajungerii accidentale în spațiul de lucru a mâinilor operatorului sau a unor obiecte, sistemul mecatronic a fost dotat cu bariere optice de siguranță, tip OMRON F3S-B182P-L/ F3S-B182P-D ( conf. Tabelele de mai jos ). Acestea au rolul de a opri funcționarea sistemului mecatronic atunci când în spațiul de lucru operatorul introduce mâna sau diferite obiecte ce pot perturba desfășurarea ciclului de lucru.

În figura 23 sunt reprezentate schematic barierele opotice, cu indicarea principalelor elemente componente: receptorul, emitătorul, indicatorul ariei.

Figura nr.23 Reprezentare schematică a barierelor optice

Caracteristicile barierelor optice sunt următoarele:

Număr raze optice: 12 ÷ 66

Înălțimea zonei protejate: 450 mm

Distanța de detectare: 0,3 ÷ 5 m

Software specializat. Testarea software-ului

Poziționarea micromecatronică este realizată prin soft specializat.

Testarea software-ului constă în parcurgerea următoarelor etape:

– aplicarea curentă la software-ul/controler-ul programabil;

– genererea semnalelor de I/O pentru a pregăti configurarea sistemului;

– introducerea în memorie a programului specific prin programare de la consolă sau prin uneltele software adaugate sistemului;

– dupa terminarea programării, se verifică orice eroare de cod prin intermediul funcțiilor de diagnostic; dacă este posibil, se face simularea unei întregi operații pentru a verifica dacă totul este în regulă.

– rularea sistemului: înainte de a fi apăsat butonul de start, trebuie verificat în detaliu dacă cablarea input-lor și output-lor este corect executată, în acord cu atribuirea de I/O. O dată confirmată cablarea corectă, aplicația poate fi pornită.

Trebuie executată o operație de verificare a sistemului de operare și o reglare a sistemului de controlul dacă e necesar. Se rulează testarea completă până când sistemul mecatronic este sigur de operat.

Limitatorul LS3 sesizează poziția închisă a griper-ului. Pentru pornirea/oprirea ciclului există 1 buton de start – PB1 și 1 buton de stop – PB2.

Aceste componente prezentate mai sus, au fost asamblate, reglate și supuse unor teste de funcționare, parțiale și integrale, realizând în final ciclul de funcționare proiectat.

În figura 2.2. este prezentat sistemul mecatronic de micropoziționare realizat fizic împreună cu sistemul de protecție implementat.

Figura nr.24 Sistemul mecatronic de micropoziționare, amplasat în spațiul protejat, pe masa de lucru

Figura nr. 25 Amplasarea sistemului mecatronic de poziționare pe masa de lucru