Stadiul Actual al Utilizarii Robotilor Industriali In Procese Tehnologice

stadiul actual al utilizarii robotilor industriali in procese tehnologice

Introducere

Roboții industriali constituie la ora actuală o componentă prezentă în cele mai diverse sisteme de fabricație [TIN10],

Interesul pentru roboți apare încă din antichitate, în istoria greaca, egipteană și chineză apare pentru prima dată interesul oamenilor pentru automatizarea proceselor de producție. In anul 270 IH fizicianul și inventatorul grec Ctesibus din Alexandria a creat un ceas cu apa numit Drepsidra care marca trecerea timpului [KAR10].

Leonardo Da vinci creează primul robot care imita forma umana, un cavaler condus de un sistem de pârghie si roți dințate ce avea capacitatea de a a-și mișca: capul, brațele, si chiar de a se ridica de pe scaun. Primul sistem de automatizare a fost creat de Joseph Jacquard (1752-1834) acesta a automatizat o țesătorie folosind seturi de carduri. Pe acest principiu Charles Babbage în anul 1823 creează, “Motorului de calculat”, primul calculator automat. Acest “motor de calculat” este strămoșul calculatoarelor moderne. In anul 1890 apare primul vehicul controlat de la distanta, prin comanda radio inventat de către Nikola Tesla [JOH08].

General Motors în primăvara anului 1961 folosește în procesul de producție al uzinelor de la Ewing Township primul robot industrial fig, acesta fiind un braț de robot care avea rolul de a manipula piese cu temperaturi ridicate și de a le transporta prin lichid de răcire[JOH08].

În 1962 la uzinele Ford din Canton USA se pune in funcțiune primul robot cilindric numit Versatran [DRA06].

In anul 1968 firma Kawasaki Havy Ind. Preia spre fabricație pe scara larga robotii de tip UNIMATE, iar în 1973 compania KUKA dezvoltă primul său robot numit Famulus fiind primul robot cu șase axe condus electromecanic. Tot în același an Hitachi dezvoltă primul robot industrial cu senzori de vedere dinamic pentru mutarea obiectelor, acesta se sincroniza cu mașina de injectat. 1973 duce la apariția primului robot humanoid la scara 1:1 [HIS12].

Primul robot de sudura cu arc electric este pus în funcțiune în Japonia în 1974 de către firma Kawasaki, acesta fiind o versiune a UNIMATE utilizat pentru sudarea în puncte a cadrelor de motocicletă. Compania ASEA din Suedia dezvoltă în același an primul robot IRB 6 controlat de un microprocesor IRB 6, apare primul robot utilizat pentru asamblare a fost in 1975 Italia produs de Sigma, În 1978 la Universitatea Yamanashi din Japonia dezvolta Roboții scara, urmând ca în 1984 compania Adept din SUA să utilizeze motoare electrice direct pe axa robotului eliminând astfel sistemele de transmisie și crescând precizia roboților scara, Compania KUKA din Germania dezvoltă in 1985 un braț de robot in formă de Z cu trei rotații și trei translați care are șase grade de libertate, noua configurație având avantaje în procesele de producție. Demaurex din Elveția utilizează în 1992 prima aplicație robotizată de ambalat, aceasta utiliza 6 roboții Delta pentru a încărca covrigi pe tăvii. În 1998 compania ABB din Suedia dezvoltă robotul FlexPicker, bazat pe robotul Delta dezvoltat de Reymond Clavel Federal Institute of Technology of Lausanne (EPFL), cel mai rapid robot din lume acesta fiind capabil să ridice 120 de obiecte pe minut sau să ridice și să elibereze cu viteze de 10m/s. [HIS12].

In 1982 se pune in exploatare primul robot industrial romanesc , REMT – 1, la Electromotor Timișoara [ ]

O utilitate actuală a roboților industriali se referă la procesele tehnologice din categoria șlefuire, debavurare, frezare, [OLO12], [MOH15], [HUI06], [TOM07], [ADN10]. Avantajele utilizării roboților industriali în aceste procese decurg din flexibilitatea deosebită și posibilitatea adaptării în mod suplimentar pentru operații suplimentare necesare în sistemul de fabricație.

Aspecte actuale ale utilizării roboților industriali in procese de fabricație

Introducere

Din categoria proceselor tehnologice robotizate prezint în capitolul de față procese, cel al tehnologice robotizate din categoria prelucrare. Obiectivul capitolului este identificării problemelor care rezultă dintr-o astfel de aplicație.

Procesul de producție, în orice tip de industrie este de neconceput, fără utilizarea roboților industriali. Automatizarea permanentă a proceselor de fabricație și flexibilitatea lor, precum și cererea pentru o continuă schimbare a linei de producție. Precum si caracteristicile roboților industriali devin tot mai exigente și mai complexe, împreună cu o tendință de creștere a utilizării roboților industriali. [ ]

Dezvoltarea de noi tehnologii și utilizarea de materiale noi în industrie, determină necesitatea de noi linii de producție și utilizarea de roboți industriali. Întreprinderile mici și mijlocii vor începe să utilizeze automatizări flexibile, pentru a fi competitive pe piață. [ ]

Cererea de sisteme robotizate în industrie contribuie la umanizarea muncii, mai ales în locuri de muncă care pot fi dăunătoare pentru operatorul uman, cum ar fi operațiile de frezare, debavurare, sudare, vopsire etc.

Sistem de fabricație robotizat (sistem de fabricatie flexibil ?)

Definiție și structura

Procese de frezare cu utilizarea robotului industrial

Procesul de frezare

Frezarea reprezintă operația de eliminare a materialului sub forma de șpan, folosind scule așchietoare în puncte multiple, de diferite forme pentru a genera suprafețe plane sau profiluri pe o piesă, de secțiune  regulată sau neregulată [SWI13].

Frezele sunt scule cu mai mulți dinți așchietori, reuniți pe un corp unic, la care,

datorită mișcării de rotație, fiecare din dinți ajunge, printr-o succesiune repetată, în

așchiere. Numărul dinților variază în funcție de tipul frezei, putând scădea în cazuri

speciale până la un singur dinte. Dinții desprind așchii, de obicei numai în timpul

unei perioade scurte din rotația sculei, astfel încât așchierea întreruptă rezultată

asigură o răcire bună a tăișurilor în timpul prelucrării [NIC08].

În ceea ce privește procesul de frezare, parametrii de tăiere de bază ce definesc operația sunt: viteza de taiere, avansul pe dinte, adâncimea axială de taiere și lățime radială de tăiere respectiv diametrul frezei [NOR11] În funcție de caracteristicile materialelor de prelucrat sunt utilizate diferite valori ale parametrilor de frezare.

În funcție de scopul urmărit, frezele se construiesc cu tăișurile dispuse pe

suprafața cilindrică (freze cilindrice), sau cu tăișurile dispuse pe partea frontală a corpului de bază (freze frontale), precum și cu tăișuri dispuse atât pe suprafața cilindrică, cât și pe cea frontală (freze cilindro-frontale). [NIC08].

Sistem de fabricație robotizat pentru frezare

A fost propus un sistem de control bazat un modelul de prototip pentru controlul poziției mecanismului prin utilizarea controlului LQG, Contribuția principală a acestei lucrări este o verificare experimentală a beneficia de utilizarea sistemului de compensare on-line. Ne arata ca precizia de frezare obținută cu mecanismul de compensare propusă se mărește până la de trei ori față de cazul necompensate [OLO12].

Fig. 2.1 Montajul experimental pentru compensare în timp real a erorilor de poziționare [OLO12].

În lucrarea: Chatter analysis of robotic machining process, este prezentată o celulă de lucru robotizată formată dintr-un robot industrial ABB IRB6400, axul de prelucrare este fixat ca efector final al robotului iar piesa de prelucrat este fixată pe o masa de oțel. Un senzor de forță model ATI cu șase grade de libertate a fost fixat între efectorul final al robotului și axul de prelucrare așa cum se poate vedea în figura 2.2, cu scopul de a determinării condițiilor experimentale pentru aplicații de frezare robotizate [ZEN06].

Fig. 2.2 Robotul industrial ABB IRB6400 în aplicații de frezare [ZEN06].

Mohamed Slamani în lucrarea sa abordează efectele combinate ale parametrilor de prelucrare prin frezare asupra componente de forță în timpul frezării robotizate cu viteză mare, O tehnica statică bazată pe evaluarea gradului și numărului a matrici de observație urmată de un proces de eliminare, pentru selectarea celor mai importante variabile ale modelelor. Modelele dezvoltate au fost utilizate pentru a anticipa componentele forței de tăiere pentru diferitele valori ale forței de frezare ale avansului și configurației robotului, [MOH15]

Fig. 2.3 Robotul KUKA KR 500-2 MT în timpul operațiilor de frezare [MOH15].

Robotics Solutions Inc. a dezvoltat o celula de prelucrare care sa satisfacă nevoia de a prelucra piese de dimensiuni mari, cu complexitate si precizie ridicata, având capacitatea de a prelucra materiale de diferite durități. Noua soluție este o varianta particulara a celulei de prelucrare RMC 100-RTSL. Soluția propusa utilizează un robot KUKA KR 100 L80HA montat pe o axa liniara KL 1500 [KUKA].

Fig 2.3 Celula de prelucrare RMC 100-RTSL formata din KUKA KR 100 L80HA montat pe o axa liniara KL 1500 in aplicați de frezare [KUKA].

Robotul KUKA KR 100 L80HA este un robot ce manipulează pana la 100 kg si poate atinge 3000 mm, are o repetabilitate de 0,01 mm. Datorita vitezei sale ridicate de lucru KR 100 se situează peste standardul impus in domeniu. Axa liniara KL 1500 este utilizata pentru mărirea spațiul de lucru al robotului. Controlul axei liniare KL 1500 este integrat ca o axa matematica in controlerul robotului nefiind necesar un controler suplimentar. Sistemul este capabil sa prelucreze piese de diferite dimensiuni din diferite materiale cu precizie si viteza ridicata. Acest sistem reduce timpul de lucru si spațiul ocupat in interiorul unități de producție [KUKA].

Concluzii:

Procesele de frezare cu ajutorul roboților industrial sunt tot mai des întâlnite, acest lucru se datorează evoluției tehnologice atât din punct de vedere a matrițatelor utilizate in proces cât și a dezvoltări tehnicii de calcul.

Proces de debavurare cu utilizarea robotului industrial

Procesul de debavurare

Debavurarea este procesul de îndepărtarea bavurilor. Bavurile fiind muchi ascuțite rezultate din procese de prelucrare anterioare, în general piesele nu au nevoie de finisare și deci debavurarea devine etapa finală de prelucrare mecanică. Bavurile pot fi îndepărtate manual, caz în care operatorul uman trebuie să fie instruit și este un proces consumator de timp sau mecanic cu discuri abrazive [DIC07].

Sistem de fabricație robotizat pentru debavurare

Hui Zhang prezintă în lucrarea [HUI06] o metodă de generare a traseelor de robot ce utilizează forța hibridă și Visual Servoing. Forță servoing păstrează instrumentul robotului în contact continu cu suprafața roții și servoing vizual controlează instrumentul robotul să urmeze o traiectorie definită asupra roți în timp ce poziția și orientarea sunt controlate și înregistrate,

Fig. 2.4 ABB 6400 în aplicați de debavurare a jantelor din aluminiu [HUI06].

Concluzii

Proces de găurire cu utilizarea robotului industrial

Procesul de găurire

Găurirea reprezintă operația de eliminare a materialului sub formă de șpan, folosind unelte rotative de diferite tipuri, cu două sau mai multe muchii de tăiere pentru a produce găuri cilindrice într-o piesa [SWI13].

Burghiele sunt scule așchietoare utilizate la executarea găurilor din plin, fiind

dintre cele mai răspândite scule. Trebuie privite ca scule de degroșare, cu toate că, în numeroase situații, găurile burghiere pot fi considerate suficient de precise, astfel încât nu mai necesită prelucrări ulterioare. Se construiesc, de regulă, cu două tăișuri, aflate permanent în contact cu materialul prelucrat în timpul așchierii.

Burghiele se pot clasifica după construcție și după execuție. În acest sens, în

funcție de construcție, se disting următoarele categorii principale de burghie[ ]: burghie cu canale elicoidale, burghie cu canale drepte, burghie late, monobloc sau cu lamă demontabilă, burghie pentru găuri adânci,

După materialul părții așchietoare, există: burghie din oțeluri de scule și burghie din carburi metalice sinterizate [NIC08].

Sistem de fabricație robotizat pentru găurire

În lucrarea: Cost-efficient drilling using industrial robots with high-bandwidth force feedback, este prezentată o metodă de găurire cu precizie ridicată. Folosind un robot industrial cu lățime de bandă mare a forței de răspuns, care este utilizat pentru a crea presiune de fixare a efectorului final pe piesa de prelucrat înaintea procesului de găurire. Scopul este de a elimina mișcarea de glisare a efectorului final pe suprafața de lucru. Efect ce apare datorită rigidități scăzute a roboților industriali seriali și ale forțelor de tăiere ce apar în timpul găuriri [TOM09].

Fig. 2.5 Prezentare generală, a sistemului de control al robotului [TOM09].

O aplicație de găurire necesită un mecanism cu cinci grade de libertate, pentru a poziționa și orienta corect a scula de lucru. În timpul proceselor de găurire cu roboți industriali cu șase grade de libertate, această sarcină lasă un grad de libertate în plus. Acest grad poate fi exploatat pentru orice criteriu suplimentar. Din păcate arhitectura roboților industriali nu permite utilizatorului algoritmul cinematici inverse, și astfel de a rezolva sarcina de redundanță, ca urmare a oricărei criteriu specificat. În această lucrare o metodă de a pune în aplicare un criteriu arbitrar de rezoluție redundanță prioritar a unui controlor de robot industrial, se discută și se aplică în cazul unei sarcini găurire. Gradul de libertate suplimentar este utilizat pentru a efectua o găurire-cuplu eficient. Pentru această aplicație sa utilizat un robot ABB IRB 140 [AND11].

Fig. 2.6 Robotul ABB IRB 140 în aplicați de găurire [AND11].

Tomas în lucrarea sa Flexible Force Control for Accurate Low-Cost Robot Drilling, abordează problematica utilizării roboților industriali în procese de găurire, și prezintă metode și sisteme de control al forței de găurire a robotului, pe baza suprimării active a alunecări burghiului printr-un sistem bazat pe forță model [TOM07] .

Fig. 2.7 Robot, instrument găurire și trepied, cu senzor de forță JR3 montat pe mașină găurire. După cum se vede în figură, pe direcție axială este notat z,

în timp ce x și y-direcțiile sunt tangent la suprafața în timpul găuririi [TOM07].

Concluzii

Proces de lustruirea/șlefuire cu utilizarea robotului industrial

Procesul de polizare / șlefuire

Finisarea mecanică se referă la o operațiune care modifică suprafața unui substrat prin mijloace fizice cum ar fi șlefuirea și lustruirea, lustruirea reprezintă îmbunătățirea calități suprafeței prin intermediul îndepărtări de material și se face în general cu ajutorul unor suporturi abrazive cum ar fi bandă abrazivă, roată de rectificat. Această operație este în cele mai multe cazuri precedată de polizare și dacă se impune de operația de finisare [DIC07]. În cele mai multe cazuri această operație este realizată de către operatorul uman de regula cu experiență [LIA08]

Sistem de fabricație robotizat pentru lustruire

Fusaomi Nagata în lucrarea Polishing robot for pet bottle blow molds, prezintă un robot YASKAWA MOTOMAN UP6 cartezian cu controlul poziției și al forței, utilizat în operați de lustruire a unei matrițe pentru, Controlerul reglează, poziția sculei, direcția de contact a acesteia și forța de lustruire compusă din forța de contact și forțele de frecare cinetică. Când robotul efectuează operați de lustruire, bucla de control a poziției contribuie delicat la bucla de control a forței pentru a realiza un control periodic de avans și un control precis al forței de contact.

Fig. 2.8. Robotul YASKAWA MOTOMAN UP 6 efectuând operați de lustruire a unei matrițe

Robotul SMART NS 16-1.65 (de la COMAU Robotic Italia) utilizat în operații de lustruire. Robotul are șase axe și o structură antropomorfă, echipat cu un instrument de lustruire pneumatic compus din polizor și roți de lustruire abrazive, împreună cu aparatul de fotografiat, OMRON F500Sistem Vision cu o rezoluție de 1mega pixel care permite inspectarea cu o precizie ridicată a suprafețelor lustruite [ADN10],

Fig. 2.9 Robotul SMART NS 16-1.65 în aplicați de lustruire,

Un sistem robotizat de lustruire a fost dezvoltat la Universitatea Ryerson, care constă dintr-un robot hibrid și o instrument de lucru cu dublu scop. Acesta este un sistem decuplat, deoarece robotul este folosit doar pentru a asigura mișcarea sculei în raport cu piesa de prelucrat, în timp ce capul de lucru este folosit doar pentru a furniza forța instrument de lucru. Robotul are cinci axe, compus dintr-un robot paralel cu trei axe, numit ParaWrist trepied, și o doua axe fixate așa cum se arată în Figura 2.3 [LIA08].

Fig. 2.10 Sistem robotizat de lustruire dezvoltat la Universitatea Ryerson [LIA08],

Concluzii

Prin sinteza bibliografică prezentată anterior au fost prezentate câteva exemple de aplicați cu roboți industriali în procese de prelucrare, și au fost identificate aspecte esențiale ale utilizări roboților industriali în procese de: frezare, debavurare, găurire, șlefuire/lustruire.

Beneficiile utilizării roboților industriali în procese de prelucrări mecanice sunt: înlocuirea operatorului uman cu roboți industriali în mediile periculoase, îmbunătățirea calități produselor, ameliorarea flexibilități linilor de producție, reducerea rebuturilor și a deșeurilor, reducerea costurilor de producție prin creșterea productivității.

Principalele provocări în dezvoltarea roboților industriali pentru aplicați în procese de prelucrare sunt: îmbunătățirea rigidități structuri mecanice a roboților în vederea creșteri preciziei de prelucrare și reducerea vibrațiilor din structura mecanică a roboților industriali.

Structura robotului industrial pentru procese de prelucrare

Introducere

Calitatea proceselor industriali de prelucrare robotizate sunt influențate de caracteristicile constructive ale roboților industriali, cum sunt: rigiditatea structuri robotului, acuratețea, viteza, precizia de repetabilitate, sarcina de lucru și spațiul de lucru. Datorită structurii cinematice roboți industriali pot acoperi un spațiu de lucru mare și sunt capabili să ajungă în poziții dificile pe piesa de lucru, astfel încât acestea pot fi utilizați pentru a efectua operațiuni de prelucrare complexe.

Principalele operați de utilizare ale roboților industriali în procese de prelucrare mecanice sunt: debavurarea, operați anterioare prelucrării, frezare, găurire, șlefuire/lustruire [REI11].

Structura unui robot industrial este formată din subsisteme, un sistem este un ansamblu de părți componente, elemente, și legăturile dintre acestea, Care pot fi formate la rândul lor din subsisteme. În fig. 2.11. este prezentată schema bloc a unui robot industrial.

Fig. 2.11 Schema bloc a unui robot industrial [GAC08].

Structura mecanică a robotului industrial

Sistemul mecanic este constituit dintr-un lanț cinematic format din elemente rigide interconectate prin cuple de rotație sau translație care permit mișcarea lor relativă. Capătul inferior al lanțului cinematic este fixat în batiu, iar capul superior susține mâna robotului respectiv dispozitivul de pretensiune, sculă sau gripper.

Fig. 2.12. Sistemul mecanic al roboților industriali [GAC08].

Subsistemul mecanic al robotului care imprimă mișcarea dispozitivului de lucru, este un mecanism cu mai multe grade de mobilitate acționat de tot atâtea motoare. Numărul mare de mobilități ale mecanismului manipulator oferă acestuia posibilitatea realizării unei mari varietății de mișcări ale elementului efector, numai prin reprogramarea sistemului de comandă, fără a fi necesare modificări in structura mecanică a acestuia. S-au dezvoltat două mari categorii de mecanisme manipulatoare: mecanisme seriale și mecanisme paralele Cele două categorii diferă prin rigiditate, precum și prin forma și dimensiunile spațiului de lucru [ALE12].

Dispozitivul de ghidare

Dispozitivul de ghidare are rolul de a furniza mișcările de transport necesare efectorului final pentru ca robotul să manipuleze obiecte [ȘTF08]. Considerând dispozitivul de ghidare ca un mecanism având unul dintre elemente solidarizat cu obiectul manipulat și ținând cont că situările inițiale respectiv finale sunt oarecare, numărul gradelor de mobilitate al dispozitivului trebuie să fie egal cu numărul gradelor de libertate,

M = 6 (2,1)

Numărul gradelor de mobilitate ale uni mecanism oarecare este:

(2,2)

unde

n- număr de elemente

c1- numărul cuplelor cinematice de clasa I

– numarul gradelor de libertate ale legăturilor pasive

– numărul gradelor de libertate de prisos

Mecanismul care stă la baza dispozitivului de ghidare trebuie să fie desmodrom. Condiția de desmodromie este :

(2,3)

Unde

– numărul total al parametrilor cinematici în mișcare relativă a elementelor

Cc- cuple cinematice conducătoare

Deci din cele trei relații rezultă condiția de desmodromie a dispozitivului de ghidare în cazul general:

(2,4)

Un robot cu topologie serială, lanțul cinematic al dispozitivului de ghidare este descris conține numai cuple cinematice de casa a V-a nu are legături pasive sau grade de libertate de prisos. Ca urmare

(2,5)

(2,6)

Cum relația Și ținând cont de relațiile (2,5) și (2,6) rezultă:

(2,7)

Deci în general dispozitivul de ghidare al unui robot cu topologie serială trebuie să aibă șase cuple cinematice conducătoarele clasa a V-a și un număr de 7 elemente. [KOV99]

Mecanismul generator de traiectorie

Este definit ca spațiul de lucru care conține mulțimea pozițiilor posibile ale punctului caracteristic. Spațiul de lucru este delimitate de puncte linii sau suprafețe [ȘTF08]. Mecanismul generator de traiectorie are rolul de a poziționa punctul caracteristic în spațiul de lucru. Sunt notate cu R și T cuplele cinematice de clasa a V-a acestea fiind controlate de sistemul de comandă, unde R reprezintă axele de rotație ale cuplelor iar T direcțiile de translație ale cuplelor în Fig. (2.13) sunt prezentate principalele variante structurale ale mecanismului generator de traiectorie în funcție de gradul de mobilitate M, numărul cuplelor Ccs și al elementelor necesare [Cov 99].

Fig. (2.13) Variante structurale ale MGT [Cov 99]

Mecanism de orientare (MO)

Mecanismul de orientare este o componentă a dispozitivului de ghidare, care realizează funcția de orientare a obiectului manipulat. Lanțul cinematic care stă la baza mecanismului de orientare are maximum trei grade de libertate, iar cuplele cinematice conducătoare din componenta sa sunt numai cuple de rotație. Dacă se atașează de ultimul element al mecanismului generator de traiectorie un sistem de referință triortogonal xOyz, astfel încât axa Ox să fie în prelungirea axei ultimului element al MGT, atunci făcând o analogie cu mișcările anatomice ale mâinii umane se pot identifica următoarele mișcări:

– pronație – supinație (ROLL) pentru mișcarea în jurul axei Ox;

– flexie – extensie (PITCH) pentru mișcarea în jurul axei Oy;

– aducție – abducție (YAW) pentru mișcarea în jurul axei Oz; [Cov 99].

Efector final

Efectorul final este parte sistemului mecanic al robotului industrial, prin care robotul realizează acțiunea sa asupra mediului [VOL81]. Așa cum reiese din definiția lor roboții industriali, aceștia îndeplinesc sarcini tehnologice (sudură, vopsit, etc. ) sau de transfer (manipularea pieselor și a semifabricatelor în procesul de producție). Dacă sarcinile robotului sunt de transfer (manipulare) atunci efectorul final al său trebuie să fie un dispozitiv de pretensiune. Atunci când îndeplinesc sarcini tehnologice efectorul final este o sculă (pistol de vopsit, cap de sudură sau freză) [GAC08].

În procese de prelucrare ca: debavurarea, frezarea sau găurirea, factorul final este considerat capul de forță datorită faptului că pe lângă energia mecanică necesară pentru acționarea cuplelor cinematice conducătoare ala dispozitivului de ghidare, mai trebuie să existe o sursă de energie mecanică pentru acționarea sculei [ȘTF08].

Pot fi considerate două abordări diferite pentru realizarea aceluiași proces tehnologic (frezare). În prima abordare efectorul final utilizat este un dispozitiv de pretensiune care are rolul de a manipula piesa de prelucrat în câmpul de acțiune al unui echipament de prelucrat ex. Freză [OLO12]. În cea de-a doua abordare, efectorul final este un cap de forță sau o sculă care acționează în mediul de lucru direct asupra piesei de prelucrat, aceasta fiind fixata în aria de lucru a robotului [REI11].

Fig. 2.14 Dispozitiv de prehensiune [OLO12]. Fig. 2.15 Cap de forță [REI11].

Materiale utilizate în construcția stricturilor mecanice ale roboților industriali

Din punct de vedre al materialelor utilizate în construcția elementelor componente ale structurii mecanice a roboților industriali trebuie luat în considerare proprietăților acestora de a confrerii robotului rezistență și rigiditate. În acest scop tendințele sunt de a înlocui materialele metalice tradiționale utilizate în construcția roboților cu noi materiale care să îndeplinească condițiile de rezistență și rigiditate pentru diferite tipuri de roboți. Sunt utilizate materiale precum materialele compozite armate, acestea prezentând rapoarte rezistență-greutate și modul-greutate mult superior materialelor metalice [DAI04]. Sau îmbunătățirea utilizării structurilor tip sandwich a materialelor compozite în construcția brațelor de roboti. Autori propun o ameliorare a proprietăților prin eliminarea procesului de lipire a materialelor si utilizarea unui proces de co-cure [CHA04], utilizarea aliajelor metalice cum ar fi titanul utilizat sub forma celulară Fig. (2.16) și a aluminiului nanocristalin pentru a construi brațe de robot mai ușoare care să păstreze aceleași caracteristici fizico-mecanice [HAG13].

Fig 2.16, Braț de robot armat cu titan sub formă celulară [HAG13].

Structura sistemului de acționare

Introducere

Funcția sistemului de acționare este aceea de apune în mișcare relativă la momentul oportun elementele cuplelor cinematice conducătoare ale sistemului mecanic. Sistemul de acționare are două părți componente motorul de acționare și transmisia mecanică (sistem de echilibrare) [Cov 99].

Sistemul de acționare al robotului realizează conversia tuturor surselor de energie ale robotului în energie mecanică necesară mișcări robotului.

Fig. 2.17 Structura generală a unui sistem de acționare [GAC08].

Convertoare (motoare)

Sistemele uzuale de acționare folosesc trei surse primare de energie: electrică,

pneumatică sau hidraulică.

In sistemele de acționare electrică ale roboților industriali se pot folosi motoare electrice de curent continu, curent alternativ și motoare pas cu pas.

Acționarea hidraulică și pneumatică a roboților industriali folosește motoare volumice liniare sau rotative și organe de distribuție a fluidului, acumulatoare de fluid, organe de reglare și protecție și elemente de rețea [Cov 99].

Transmisiile mecanice

Transmisia adaptează parametri energetici furnizați de motor cu parametri energetici ai mișcări relative dintre elementele cuplei cinematice conducătoare acționată. Adaptarea parametrilor energetici poate avea loc cu sau fără modificarea naturii mișcări. În construcția roboților industriali, precizia cinematică a transmisiei cinematică utilizate trebuie să fie ridicată. Precizia cinematică a unei transmisii se apreciază prin eroarea cinematică, aceasta reprezentând diferența la un moment dat între valoarea teoretică și valoarea efectiv realizată a unui parametru cinematic de ieșire, liniar sau unghiular pentru a obține precizii satisfăcătoare, trebuie evitată folosirea transmisiilor la care pot apare patinări, alunecări elastice, efecte de înfășurare poligonală. Se recomandă folosirea transmisiilor cu erori cinematice neglijabile. Din această categorie fac parte transmisiile cu cuplă cinematică elicoidală de rostogolire, transmisiile cu dantură cicloidală, transmisiile armonice, poli angrenajele, transmisiile sincrone cu curele dințate [ȘTF08].

Transmisiile mecanice utilizate în sistemele de acționare ale roboților industriali conțin și frâne, care au rolul de a disipa energia mecanică înmagazinată în sistemul mecanic, atunci când se comandă oprirea acestuia, se utilizează frâne electromagnetice sau frâne acționate cu pneumomotoare [Cov 99].

Structura sistemului de comandă

Sistemul de comandă și control este format dintr-un calculator dotat cu programe specifice și interfețe pentru transferul informației între acesta și sistemele de senzori pe de o parte și dispozitivele de comandă ale motoarelor, pe de altă parte [ALE12].

Fig. 2.11 Schema bloc a unui robot industrial.

Studiul teoretic și experimental al proceselor de prelucrare robotizate

Introducere

Au fost raportate studii ale operațiilor de prelucrare mecanica cu ajutorul roboților industriali încă din anii 1990. Chiar dacă există cercetări la nivel mondial in analiza prelucrări cu ajutorul roboților industriali, potențialul aplicațiilor cu roboți în prelucrarea mecanica este departe de a se fi încheiat.

Principalele direcții ale cercetări privind dezvoltarea sistemului de prelucrare cu ajutorul robotului au fost: Planificarea căi de prelucrare a robotului, analiza vibrațiilor datorate regimului de prelucrare si compensarea acestora, analiza si modelare dinamica sau de rigiditate. [CHE13]

DETERMINAREA RIGIDITĂȚII UNOR ROBOȚI INDUSTRIALI

INTRODUCERE

Construcția roboților industriali trebuie să răspundă cerințelor funcționale de realizare a cinematicii impuse (precizia de poziționare, viteza de deplasare), a preluării sarcinii în condiții dinamice, a unei bune fiabilități, a lucrului în medii nocive pentru om. Creșterea rigidității în lanțurile cinematice se poate obține prin eliminarea jocurilor și introducerea pretensionărilor la transmisii. Rigiditatea favorizează rapiditatea comenzilor și a acționărilor și precizia de poziționare. Articolul prezintă noțiuni vizând rigiditatea și posibilitatea determinării acesteia pe două tipuri de roboți industriali, robotul de tip SCARA și robotul industrial Fanuc LR Mate 100iB [X ].

PARCURSUL LUCRARII

În vederea studierii rigidității unui robot industrial tip SCARA, s-au determinat experimental deplasările în trei puncte pentru două structuri de robot SCARA: robot 3D, prototip și 2D, model plan (idem tensiunile, la modulul de bază a modelului plan). Analitic, pe baza legilor de similitudine, s-au calculat deplasările (și tensiunile) structurii 3D, în funcție de valorile experimentale ale acestora obținute pentru modelul plan. Lucrarea prezintă parte din aceste rezultate și deschiderea posibilităților de studiu și aplicare și asupra altor construcții inginerești. Pentru studiul analitic s-au realizat structurile CAD a celor două modele (3D și 2D). În figura 2.18 se prezintă cele două structuri SCARA, formate din două elemente (bază și braț), cu secțiuni și dimensiuni diferite, ceea ce înseamnă că modulul de rigiditate este diferita pentru fiecare element structural. Se cunosc: Bp = Hp = Bm = 90 mm; bp = hp = bm = 80 mm; tp = 2,5 mm; Dp = 84 mm; dp = 30 mm; tm = 6 mm. Pentru acest tip de robot, utilizând teorema lui Castigliano [BEJ09], deplasarea după direcția forței aplicate, se poate determina cu relația:

δ = F (2.8)

în care, k1,k2 sunt constante și au expresiile:

· ; (2,9)

Având în vedere relația (1) și utilizând principiul de similitudine dintre cele două modele (3D și 2D) exprimată în deplasări [6, 8], s-a obținut expresia:

(2,10)

Relația (2,10) permite determinarea deplasărilor în orice punct a structurii prototip, respectiv a tensiunilor normale pe elementul 2 a robotului, în funcție de valorile deplasărilor și tensiunilor determinate experimental a structurii model (2D) [X ].

Fig. 2.18 Roboți industriali tip SCARA

CONCLUZII

Pentru ambele structuri (prototip (3D) și model(2D)), a robotului industrial tip SCARA, deplasările s-au determinat în punctele notate cu Pi , i =1÷3, fiind solicitate cu forte diferite Fi , i =1÷8 [N] . Studiul experimental a deplasărilor s-a realizat prin metoda corelării digitale a imaginii (Dantec Dynamics). Validarea rezultatelor experimentale s-a realizat cu metoda elementelor finite, utilizând programul Ansys 12. În figura 2.19 s-au reprezentat sub formă grafică variația deplasărilor în cele trei puncte, în funcție de forțele aplicate în cazul structurilor 2D, prin cele trei metode de investigare.

S-a realizat un studiu analitic [3] pentru determinarea eforturilor, construindu-se apoi diagramele de eforturi pentru robotul industrial serial Fanuc LR Mate 100iB și analiza numerică pentru determinarea stării de deformații (și tensiuni) a structurii de rezistență a robotului, considerându-se o poziție particulară de lucru. Din diagramele de eforturi rezultă că valorile cele mai ridicate se obțin pentru momentele de încovoiere după axa x (intervalul 1-2) și după axa y (intervalul 2- 3), ce corespund modulelor de la bază și de rotație.

Fig. 2.19. Graficul deplasărilor structurii 2D.

DETERMINAREA VIBRATIILOR

INTRODUCERE

Lucrarea prezintă o procedură de evaluare si analiza a vibrațiilor ce apar in roboții tip SCARA. Condițiile de mișcare și de funcționare ale acestor roboți sunt foarte complicate, fapt care conduce la producerea de vibrații și șocuri, acestea fiind generate de brațul robotului in timpul funcționării. În acest studiu analiza vibrațiilor a fost realizata pentru a îmbunătăți performanța roboților tip SCARA. La fel cum sunt importante constrângerile traiectoriilor brațului robotului generate de model de a demonstra performanța în condiții de siguranță satisfăcătoare în momentul apariției vibrațiilor, astfel încât acestea să evite apariția erorilor. Rezultatele obținute din astfel de proceduri de evaluare si analiza a vibrațiilor sunt considerate a fi un proces valoros și de încredere, nu numai în ceea ce privește evaluarea riscului la vibrații, dar și pentru analiza cinematică prin investigarea mișcării brațului robotului, utilizând analiza cinematică și a vibrațiilor. Vibrațiile forțate sunt studiate analitic pentru a ajuta proiectantul în a prezice comportamentul sistemului hardware sau de control al robotului și îmbunătățirea proiectării acestuia.

Etape experimentale

Într-o analiză cinematică poziția, viteza și accelerația în toate cuplele sunt calculate fără a ține seama de forțele care cauzează această mișcare. Relația dintre mișcare și forțele asociate din cupluri se studiază în dinamică robotului. În cazul cinematici directe, lungimea fiecărui braț și unghiul fiecărei îmbinări este dat și trebuie calculata poziția in orice punct al spațiului de lucru al robotului. În cazul cinematici inverse, lungimea fiecărui braț și poziția punctului în spațiul de lucru este dat și trebuie să se calculeze unghiul fiecărei îmbinări. Analiza vibrațiilor acestui model cu ajutorul unei abordări Lagrange a fost efectuate pentru a obține ecuația frecvenței, metoda rigidității dinamice se aplică în principal la excitații ale forțelor nodale armonice. Acest studiu analizează efectele vibrațiilor asupra stabilități dinamice a unui manipulator a cărui forțe sunt controlate flexibil. Analiza vibrațiilor induse de forțe este realizată pentru a obține valorile proprii și vectorii proprii. Abordarea modala pentru încărcările aplicate conduce la formularea unui model utilizat pentru a prezice comportamentul robotului SCARA. Folosind MATLAB-Simulink-Sim Mecanica se construiește modelul și se analizează ecuația cinematica.

Analiza cinematică:

Poziția, viteza, și accelerația robotului SCARA, poate fi obținută prin utilizarea analizei cinematice cu ajutorul identității Euler:

Unde:

, , iar ,

, , iar ,

Vitezele unghiulare ale cuplelor roboți SCARA sunt date de:

Iar accelerațiile unghiulare sunt:

Transformărilor accelerațiilor din cuple sunt:

Analiza vibrațiilor:

Ecuațiile mișcării libere a unui robot SCARA, supus la vibrații poate fi derivată din ecuația Lagrange:

Energia cinetică a robotului poate fi scris ca:

Unde pentru unghiuri mici:

Prin substituirea ecuației (14) în ecuația (13) și reamenajare rezultă:

Energia potențială a robotului SCARA poate fi scris ca:

După diferențierea ecuația (15) pentru in funcție de timp se obține:

Diferențierea ecuația (16) în raport cu θ1:

Iar pentru unghiuri mici:

Q1=0

După repetarea aceeași proceduri pentru energiile cinetice și potențiale pentru 2 obținem:

Abordarea ecuația Lagrange este:

Prin substituirea ecuațiile (17, 19, și 20) ecuația Lagrange rezulta:

Iar prin substituirea ecuațiile (21, 22 și 23) în ecuația lui Lagrange se obține:

Acum, scriind ecuația de mișcare (25, 26) a robotului SCARA în formă de matrice:

Valori proprii și vectori proprii

Se utilizeaza procedura de matrice dinamică pentru a determina valorile proprii (naturale

frecvențe) și vectori proprii (forme modul) ale robotului SCARA:

Valorile proprii (frecvențe naturale):

Vectori proprii (forme modul):

Timpul de răspuns:

Pentru răspuns generalizat pentru SCARA robot este:

Unghiurile de fază () pot fi determinate din cele patru condiții inițiale ale robotului SCARA:

Deplasarea inițială:

,

Viteza inițiala:

,

Prin substituirea celor patru condiții inițiale în ecuațiile (42, 43), se poate obține unghiul de fază.

Rezultate și discuții:

Coordonatele efectorului final ale brațelor robotului (x și y) se află prin utilizarea cinematici directe și comanda meshgrid din MATLAB prin introducerea valorilor pozițiilor θ1 θ2 atunci când unghiurile θ1 respectiv θ2 se afla in intervalele 0 ≤ θ1 ≤ 180 ° și 0 ≤ θ2 ≤ 180º.

Atunci când se utilizează analiza cinematică inversă se introduc valorile rezultate mai sus ale (x și y) in programul MATLAB s ecuațiile derivate (1si 2), pentru a obține aceeași valoare a unghiurilor.

Prin utilizarea MATLAB-Simulink-Sim Mechanics pentru a construi modelul și pentru analizarea ecuațiile cinematice, s-au obținut aceleași rezultate pentru determinarea poziției vitezei, și accelerației robotului SCARA ca prin utilizarea ecuațiilor derivate.

CONCLUZII

In urma analizării din punct de vedere dinamic a robotului SCARA supus la încărcări, ce variază ca timp si frecventă, iar toate cuplele robotului au rezonanță sau frecvență naturală, s-a observat ca în momentul excitări structurii robotului aproape de aceste valori ale frecvenței exista posibilitatea apariției unui răspuns cu amplitudine înaltă. Prin urmare, este necesar să se asigure în proiectarea robotului SCARA că frecvențele de rezonanță și de excitație nu sunt aproape una de cealaltă.

S-a identificat o similitudine între rezultatele obținute prin ecuația derivată și software-ul MATLAB.

Analiza vibrațiilor în procesului de frezare,

Forced vibration analysis of the milling process with structural nonlinearity, internal resonance, tool wear and process damping effects

C:\Users\Adrian\Desktop\pop adrian\DOCTOREE\Adrian POP Cap_2 Stadiul Actual\PARTEA A 3 CAP 2

INTRODUCERE

În această lucrare autorii tratează, analiza forțelor vibrațiilor unui model dinamic extins al procesului de frezare în prezența rezonanței interne. In modelul propus sunt incluse vibrațiile regenerative, non linearitatea structurala, uzura sculei si efectele procesului de amortizare. Luând în considerare media si primul grad de expansiune al seriei lui Fourier pentru componentele forțelor de taiere, expresiile lor formă închisă sunt derivate. Mai mult decât atât, în prezența amplitudinii mari ale vibrațiilor, efectele pierderi contactului sunt incluse în acest model. Un răspuns, aproximativ, analitic a sistemului neliniar este construit printr-o abordare multi-balanțata. Dinamica sistemului este studiată pentru doua cazuri de rezonanță primară și superioară asociată cu rezonanța internă. În plus sunt identificate soluții multiple pentru fenomenul de salt și de transfer de energie între modurile vibrației și sunt prezentate și comparate pentru doua cazuri, primare și super armonice.

Fig. 2.20 Dinamica procesului de așchiere

PARCURSUL LUCRARII

CONCLUZII

CONTROLUL IN PROCESE DE FREZARE

INTRODUCERE

ABSTRACT

PARCURSUL LUCRARII

CONCLUZII

Planificarea vitezei de avans pentru prelucrarea mecanica cu roboți industriali

Introducere

Un rol important în calitatea prelucrării prin așchiere îl are planificarea vitezei de avans a capului de forță, Adel Olabi in lucrarea sa [FEE10] prezintă o metodologie de 10planificare a vitezei de avans, Lucrarea prezintă o metodă de planificare a traiectoriei adaptate pentru prelucrarea continuă cu ajutorul unui robot industrial. Metodologia utilizată se bazează pe o interpolare parametrică a geometriei în spațiu operațional. Proprietățile de filtrare FIR sunt exploatate pentru a genera avansul sculei cu șocuri limitate.

PARCURSUL LUCRARII

Procedura utilizată pentru a genera comenzi de mișcare este următoarea. În primul rând, mișcarea capului de forță pe o suprafață curbă este planificată, prin utilizarea unui profil neted al avansului. În al doilea rând, prin interpolarea parametrilor se generează poziția sculei de tăiere la fiecare moment. În al treilea rând, aceste poziții carteziene eșantion sunt convertite în coordonate comenzi comune prin utilizarea modelului cinematicii inverse. În al patrulea rând, constrângerile cinematice comune, exprimate prin intermediul unor limite superioare de viteză, accelerație și șocuri sunt verificate și, dacă este necesar, avansul este adaptat. În cele din urmă, traiectoriile spațiale comune sunt utilizate ca referințe pentru articulațiile servomotoarelor.

Generarea unei mișcări line a capului de forța este împărțit în două etape. În prima etapă, este generat un profil trapezoidal simplu al vitezei. Aceste profiluri sunt filtrate în a doua etapă de un filtru cu impuls finit de răspuns.

In figura 2.21. Schema logică a metodei de planificare a avansului.

Fig. 2.21. Schema logică a metodei de planificare a avansului.

Traiectoria capului de forța sau punctul central al acestuia sunt presupuse a fi proiectate în sisteme CAD cu forme parametrice cum ar fi NURBS sau L1 Splines.

Aproximare parametrilor vitezei poate induce fluctuații avansului care va deveni sensibil pentru segmente foarte scurte. În acest caz, adăugând al doilea ordin de aproximare este o soluție care sa dovedit a fi eficientă. Poziția in coordonate carteziene

de referințe care se află pe curba inițială poate fi generata în timp real prin înlocuirea valori parametrului dată de ecuația (2,11) în expresia parametrica a curbei. Pentru controlul articulațiilor robotului este necesară utilizarea modelului cinematici inverse.

(2,11)

Modelul cinematici inverse a robotului studiat este derivat analitic folosind convenția clasică Denavit-Hartenberg. Principala dificultate a modelului geometric invers este că pentru o configurație a efectorului final dorita, exista opt soluții in spațiul comun. În această lucrare autorii i-a in considerare doar o singura soluție Această soluție corespunde configurație de prelucrare pe o masă plasata în fața robotului fig. 2.22.

Fig. 2.22 Configurația de prelucrare.

Ultima etapă a planificării mișcare în spațiul cartezian constă în verificarea constrângerilor cinematice comune ale axei j exprimate prin intermediul unor limite superioare de viteză, accelerație și șocuri maxime.

Comparativ cu profilul accelerației limitate, profilul șocurilor limitate reduce vibrația efectorului final si in unele cazuri poate suprima total vibrație reziduală. Legea socului limitat se poate reprezenta în domeniul continuu ca o sumă de timpi ai întârzieri pașilor.

(2.12)

Unde P(S) reprezintă poziția de referința axelor, JM Valoarea maxima ale șocurilor pentru aceasta axa, n este numărul comutațiilor, F(S) reprezintă timpul timpului de întârziere, Coeficienții Ai iau valorile din ansamblu, iar Ti sunt timpi de comutare.

(2.13)

CONCLUZII

În această lucrare, o metodă de planificare a avansului adaptată pentru prelucrare continuă cu robotul industrial a fost propusă. Pornind de la o reprezentare parametrica a traseului descris de capul de forță în spațiul de lucru, metoda generează o mișcare cu șocuri reduse a capului de forță, respectând constrângerile articulațiilor robotului. Diferite traiectorii au fost planificate și testate cu ajutorul unu robot industrial și s-a demonstrat că strategia de planificarea a avansului este o soluție eficientă pentru controlul mișcării capului de forță atașat robotului industrial. Acest fapt oferă un prim pas către îmbunătățirea procesului de prelucrare cu roboți industriali.

CONCLUZII

½

Concluzii