Structura Robotilor Industriali

Politehnica

Structura Robotilor Industriali

Byadmin ianuarie 1, 2024

Cuprins

CAPITOLUL 1

STRUCTURA ROBOȚILOR INDUSTRIALI

1.1. INTRODUCERE

1.2. SISTEMUL MECANIC AL ROBOTULUI

CAPITOLUL 2

MECANISME GENERATOARE DE TRAIECTORIE CU MODULE DE TRANSLATIE

2.1. STRUCTURI CINEMATICE SI SPATII DE LUCRU.

2.2 TIPURI DE MODULE DE TRANSLATIE

CAPITOLUL 3

SISTEME DE ACȚIONARE ELECTRO-MECANICĂ A ROBOȚILOR

3.1. INTRODUCERE

3.2 SISTEME DE ACȚIONARE CU MOTOARE DE CURENT CONTINUU

3.3. SISTEME DE ACȚIONARE CU MOTOARE DE CURENT CONTINUU CU MAGNEȚI PERMANENȚI ÎN STATOR

3.4. SISTEME DE ACȚIONARE CU MOTOARE ELECTRICE DE CURENT ALTERNATIV

CAPITOLUL 4

TRANSMISII MECANICE SI SISTEME DE GHIDARE UTILIZATE ÎN STRUCTURA MODULELOR DE TRANSLAȚIE

4.1 TRANSMISIILE ROBOȚILOR

4.2. SOLUȚII CONSTRUCTIVE PENTRU PRELUAREA JOCULUI DE FLANC ÎN ANGRENAJE

CAPITOLUL 5

MODELAREA MATEMATICĂ A MODULELOR DE TRANSLAȚIE CU ACȚIONARE ELECTROMECANICĂ

5.1. INTRODUCERE

5.2. CONDUCEREA ADAPTIVĂ A UNUI MODUL DE TRANSLAȚIE CU ACȚIONARE ELECTRICĂ

CAPITOLUL 6

MODELAREA CONSTRUCTIVĂ A MODULELOR DE TRANSLAȚIE CU ACȚIONARE ELECTROMECANICĂ

6.1. BREVIAR DE CALCUL M.O.

6.2 CALCULUL DE REZISTENTĂ:

6.3 CALCULUL MOTORULUI ELECTRIC DE ACȚIONARE:

6.4 MODELUL GEOMETRIC AL MODULULUI DE TRANSLAȚIE

6.5 DESCRIEREA MODULULUI DE TRANSLAȚIE:

CONCLUZII

BIBLIOGRAFIE

Capitolul 1

STRUCTURA ROBOȚILOR INDUSTRIALI

1.1. Introducere

Prin structura unui sistem se înțelege modul cum se compune acesta din subsistemele și legăturile dintre aceste subsisteme. Compunerea sistemelor din subsisteme se evidențiază prin scheme bloc, iar legăturile dintre subsisteme prin matrice de cuplare, ce consemnează legăturile dintre „intrările” și „ieșirile” lor și matrice de structură ce indică, care subsisteme sunt în legătură.

Orice robot poate fi considerat ca un sistem desine stătator este un sistem constituit dintr-o serie de subsisteme cu diverse funcții. După cum se cunoaște se înțelege prin sistem un ansamblu de elemente componente și legăturile dintre acestea. Părțile componente ale sistemului se numesc subsisteme de diferite ranguri. Orice sistem pentru a putea funcționa are o serie de mărimi de intrare numite „input” și mărimi de ieșire numite „ output”. Sistemele se pot prezenta subforma de schemă bloc, sub forma de structură cinematică sau model fizic.

În figura 1.1 se prezintă schema bloc a unui robot industrial.

Figura 1.1-Structura generală a unui robot

Funcțiile subsistemelor componente sunt:

Sistemul de comandă emite comenzi către sistemul de acționare și prelucrează în vederea acestui scop informații provenind de la sistemul mecanic, de acționare și de la mediu, și are drept scop stabilirea succesiunii parametrilor, duratei mișcărilor elementelor sistemului mecanic. El joacă rolul sistemului nervos al omului.

Sistemul de acționare, are drept scop punerea în mișcare a elementelor sistemului mecanic (a cuplelor cinematice). El joacă rolul sistemului muscular al omului. Împreună cu sistemul de comandă el formează sistemul de conducere al robotului.

Sistemul mecanic, are rolul de a impune obiectului manipulat mișcarea dorită, realizând funcția de situare și de solidarizare a obiectului manipulat. El joacă rolul sistemului osos al omului.

Sistemul de preparare a energiei, asigură energia necesară sistemului de acționare. El joacă rolul aparatului digestiv, respirator, și circulator al omului.

Traductoarele și aparatele de măsură, recepționează și furnizează sistemului de comandă informații despre “starea internă” a elementelor robotului: poziții și mișcări relative ale sistemului mecanic (deplasări, viteze, accelerații), parametri funcționali ai sistemului de acționare (debite, presiuni, temperaturi).

Senzorii, recepționează și furnizează informații sistemului de comandă despre „starea externă” a robotului: parametrii mediului (temperatură, presiune, compoziție chimică etc.) și acțiunea acestuia asupra robotului (forțe, cupluri etc.) și joacă rolul organelor de simț ale omului.

În cazul roboților mobili, deplasarea se realizează cu o parte componentă a sistemului mecanic (roți, pinioane, platforme, etc.) și joacă rolul aparatului locomotor al omului.

Prin “mediu” al robotului se înțelege spațiul în care acesta evoluează, cu obiectele conținute și cu fenomenele care au loc în acest spațiu. Totalitatea obiectelor cu care robotul interacționează constituie “periferia” acestuia.

Legăturile dintre sistemele robotului, respectiv ale acestora cu mediul, sunt directe și inverse (biunivoce “feedback”).

Sistemul de comandă transmite comenzi sistemului de acționare, acesta acționează cuplele cinematice conducătoare (c.c.c.), „axele” sistemului mecanic, prin „actuatori” (motoare), care la rândul lor acționează asupra mediului prin intermediul efectorului final. Toate aceste legături sunt directe, informațiile furnizate sistemului de comandă de către traductoare, senzori și aparatele de măsură și control, constituie legături inverse.

1.2. Sistemul mecanic al robotului

Sistemul mecanic al robotului are rolul de a impune obiectului manipulat mișcarea dorită, dintr-un punct inițial într-un punct final (punct țintă), într-o anumită orientare, funcție numită „situare”.

Sistemul mecanic al robotului este format dintr-o serie de subsisteme, conform figurii 1.2:

Dispozitivul de ghidare (DG) are funcția de a conferi efectorului final mișcările și energia mecanică aferente acestor mișcări în conformitate cu acțiunea necesară a se efectua asupra mediului. Acțiunea robotului asupra mediului poate fi de manipulare a unor obiecte, sau una de prelucrare a acestora.

Prin manipulare înțelegând modificarea poziției și orientării (situării) obiectelor în spațiu.

Figura 1.2-Structura sistemului mecanic al robotului

Dispozitivul de ghidare al robotului poate fi realizat într-o aritectură cu topologia serială, paralelă sau mixtă.

Dispozitivul de ghidare (DG) este constituit la rândul său din două elemente principale: mecanismul generator de traiectorie (MGT) și mecanism de orientare (MO).

Efectorul final (EF) al robotului are funcția de a solidariza obiectul manipulat de un element al dispozitivului de ghidare, asigurând acestuia o situare relativă bine determinată, menținută în timp. Efectorul final care fixează obiecte se numește dispozitiv de prehensiune (DP).

Manipularea obiectului se realizează prin modificarea situării bazei efectorului final (EF) cu care obiectul manipulat (OM) este solidarizat. În acest scop EF este solidarizat de ultimul element al DG.

Roboții industriali trebuie să răspundă cerințelor funcționale de realizare a cinematicii mișcării impuse (precizia de poziționare, viteza de deplasare), a preluării sarcinii utile în condiții dinamice, a unei bune fiabilități și în anumite cazuri, a lucrului în medii neprietenoase față de om.

Din aceste motive structura mecanică a roboților industriali, față de structurile din alte domenii ale tehnicii trebuie să întrunească o serie de condiții specifice cum sunt:

– suplețe constructivă, înțelegând prin aceasta o structură mecanică minimală, formată din elemente fixe și mobile, de gabarit cât mai mic și greutăți reduse în condițiile asigurării unei rigidități statice și dinamice cât mai bune; suplețea structurii mecanice mai implică și utilizarea ca surse de energie mecanică a unor motoare performante, cu indice energetic cât mai ridicat;

– consum energetic redus, aceasta impunând utilizarea unor tipuri de ghidaje și lagăre ce introduc forțe și momente de frecare cât mai reduse;

– asigurarea unei rigidități și a unei precizii de acționare sporite, prin utilizarea soluțiilor și a elementelor specifice de reglare sau eliminare a jocurilor;

– asigurarea stabilității structurii mecanice la acțiunea unor factori perturbatori externi;

– asigurarea condițiilor de protecție a muncii, atât în situațiile normale de funcționare cât și în cele de întrerupere accidentală a alimentării cu energie;

– utilizarea unor elemente de siguranță și protecție la suprasarcina de exploatare și suprasolicitări accidentale.

Condițiile arătate mai înainte a impus realizarea unor construcții robuste, dar cu o masă proprie (în special a elementelor periferice) cât mai reduse.

În mare măsură soluțiile mecanice constructive depind și de mărimea sarcinii manipulate, de tipul acționării și de modul de amplasare al motoarelor de acționare și a aparaturii de comandă.

Amplasarea subansamblelor sistemului mecanic în construcția unui robot industrial (RI) se prezintă în figura 1.3. Fiecare subansamblu al R.I. este format dintr-o serie de cuple cinematice care pot fi de translație (T) sau de rotație (R). Aceste prescurtări pentru denumirile tipurilor cuplelor cinematice se vor folosi în continuare.

Elementele mobile ale acestora au pe lângă rolul funcțional de realizare a unor mișcări, și pe cel de susținere și fixare a celorlalte cuple cinematice din „avalul” său.

Figura 1.3. Structura generală a sistemului mecanic al robotului industrial

Figura 1.4 Structuri mecanice, modele fizice

Ultima cerință determină ca în ordinea amplasării lor în cadrul sistemului mecanic al RI, cuplele cinematice respectiv structurile mecanice să fie dimensionate pentru sarcini statice și dinamice din ce în ce mai reduse, astfel încât gabaritul lor și puterea necesară acționării scad de la bază spre efectorul final. Dimensionarea elementelor lanțurilor cinematice, a motoarelor, dimensionarea constructivă a structurii mecanice se face în concordanță cu acest criteriu.

Structura sistemului mecanic al roboților industriali, se realizează:

– într-un „sistem clasic”, constituit dintr-o serie de subansambluri specifice (module) fără posibilitatea modificării structurii (rearanjarea modulelor), ceea ce a condus la realizarea unor roboți universali, de complexitate ridicată, destinați pentru a putea răspunde la multiple aplicații, fără a fi întotdeauna utilizați la capacitate, ceea ce ridică și prețul de cost al operațiilor de manipulare;

– într-un „sistem modular” tipizat interschimbabil, care permite modificarea structurii lanțului cinematic prin rearanjarea modulelor, după cerințele impuse de operațiile de manipulare, utilizând numai acele module care determină lanțul cinematic generator de traiectorie, și lanțul cinematic de orientare de configurație minimă, impusă de aplicație.

Ultimul considerent a condus la realizarea așa numiților “roboți modulari” tipizați, care a impus producătorului necesitatea realizării unei diversități mari de tipuri de module de la cele mai simple la cele mai complexe, dar cu unele avantaje pentru utilizator, privind reducerea timpului de pregătire a fabricației, restructurarea robotului și reducerea prețului de cost al operațiilor de manipulare.

În tabelul 1.1 se prezintă o clasificare a roboților industriali după structura mecanică.

Tabelul 1.1 Clasificarea roboților după structura mecanică

Capitolul 2

MECANISME GENERATOARE DE TRAIECTORIE CU MODULE DE TRANSLATIE

2.1. Structuri cinematice si spatii de lucru.

Modulele de translatie materializeaza cuplele cinematice de translatie si ele se intalnesc in structura mecanismului generator de traiectorie (MGT). In tabelul 2.1 se prezinta principalele structuri cinematice ale MGT-ului cu una, doua sau trei grade de mobilitate prcum si spatiile de lucru realizate.

Tabelul 2.1. Scheme cinematice și spații de lucru ale MGT cu topologie serială

2.2 Tipuri de module de translatie

În figura 2.1. se prezintă o variantă de modul de translație de bază format din subansamblele: (1) lagărele șurubului; (2) batiu; (3) sanie; (4) motor hidraulic rotativ de acționare; (5) flanșe de cuplare (interfață mecanică); (6) șurub cu bile; (7) traductor de poziție (TIRO); (8) ghidaje cu role (tancheți); (9) sistem de blocare a saniei; (10) tahogenerator; (11) transmisie mecanică; (12) piuliță.

Fig. 2.1.Modul de translație de bază

În figura 2.2 se prezintă un modul de translatie orizontal sau vertical produs de firma FIBROMANTA. Acționarea se realizează prin intermediul motorului electric 5, transmisia mecanică 6, ș clasificare a roboților industriali după structura mecanică.

Tabelul 1.1 Clasificarea roboților după structura mecanică

Capitolul 2

MECANISME GENERATOARE DE TRAIECTORIE CU MODULE DE TRANSLATIE

2.1. Structuri cinematice si spatii de lucru.

Modulele de translatie materializeaza cuplele cinematice de translatie si ele se intalnesc in structura mecanismului generator de traiectorie (MGT). In tabelul 2.1 se prezinta principalele structuri cinematice ale MGT-ului cu una, doua sau trei grade de mobilitate prcum si spatiile de lucru realizate.

Tabelul 2.1. Scheme cinematice și spații de lucru ale MGT cu topologie serială

2.2 Tipuri de module de translatie

În figura 2.1. se prezintă o variantă de modul de translație de bază format din subansamblele: (1) lagărele șurubului; (2) batiu; (3) sanie; (4) motor hidraulic rotativ de acționare; (5) flanșe de cuplare (interfață mecanică); (6) șurub cu bile; (7) traductor de poziție (TIRO); (8) ghidaje cu role (tancheți); (9) sistem de blocare a saniei; (10) tahogenerator; (11) transmisie mecanică; (12) piuliță.

Fig. 2.1.Modul de translație de bază

În figura 2.2 se prezintă un modul de translatie orizontal sau vertical produs de firma FIBROMANTA. Acționarea se realizează prin intermediul motorului electric 5, transmisia mecanică 6, și mecanismul șurub piuliță 3. Ghidarea mesei mobile 2 se realizează prin intermediul tijei de ghidare 4. Poziția mesei mobile este urmărită prin intermediul traductorului rotativ 7. Sunt realizate module în diferite tipodimensiuni.

Fig.2.2. Modul de translație Fibromanta

În figura 2.3 se prezintă o structură modulară de translație cu mecanism elicoidal (șurub-piuliță) cu două coloane de ghidare.

Fig. 2.3. Modul de translație cu cupla elicoidală

În figura 2.4 se prezintă un modul de translație cu mecanism de tip curea dințată și role. Este format din corpul 1, motorul de acționare 2, traductorul 3, reductorul cu rolă dințată motoare 4, curea dințată 5, masa mobilă 6 fixată de o ramură a curelei dințate, bloc rolă liberă 7. Și aceste module sunt realizate într-o structură modulară.

Fig.2.4 Modul de translație cu curea dințată

Fig.2.5 Modul de translație de cursă lungă

Fig.2.6 Combinație din două module de translație

Fig.2.9 Combinație din trei module de translație, structură portal

Fig. 2.10. Exemplu de cuplare a două module de translatie electro-mecanice

1-bază, 2-placă superioară, 3-masă mobilă, 4,8-șuruburi cu bile, 5,9-coloane de ghidare, 6,10- motoare de acționare, 7,11- reductoare, 12- element de cuplare, 13,15- bucșe de ghidare

Capitolul 3

SISTEME DE ACȚIONARE ELECTRO-MECANICĂ A ROBOȚILOR

3.1. Introducere

Roboții industriali sunt echipamente cu largă răspândire în industrie, care trebuie să fie din ce în ce mai performante, având în vedere cerințele în creștere ale procesului tehnologic privind manipularea obiectelor și alegerea economică a componentelor acționării. Sistemul de acționare electrică adoptat trebuie să asigure:

a) realizarea cantitativă și calitativă a cerințelor procesului tehnologic de producție;

b) funcționarea cu consum minim de energie electrică;

c) cheltuieli minime de investiție.

Obiectivul (a) se referă la realizarea în condiții optime a cerințelor procesului de producție, exprimate prin valori și grafice de variație ale distanțelor parcurse, vitezelor, accelerațiilor, masei transportate și cuplurilor. Aceasta se obține prin alegerea unui anumit sistem de acționare electrică, care să permită realizarea cantitativă și calitativă a proceselor stabilizate și tranzitorii de pornire, frânare, reversare, modificare și reglare a vitezei și automatizare, în condițiile parametrilor, de procesul de manipularesau de prelucrare

Obiectivele (b) și (c) se realizează astfel:

– alegerea rațională a datelor mașinilor electrice de acționare, adică: putere, turație, tensiune, supraîncărcabilitate, serviciu de funcționare, tipul constructiv;

– alegerea rațională a convertoarelor statice, transformatoarelor și bobinelor;

– funcționare cu parametri energetici cât mai ridicați (randament și factor de putere), astfel încât consumul de energie să fie minim;

– promovarea metodelor de modificare a vitezei fără pierderi;

– promovarea metodelor de frânare recuperative energetic;

– alegerea rațională a blocurilor de comandă și reglare și a aparatajului de conectare și protecție;

– corelarea dimensionării părții electrice cu alegerea datelor principale ale organelor de transmisie;

– utilizarea calculatorului și a mijloacelor moderne de măsură și achiziție de date pentru comanda întregului sistem.

Un sistem modern de acționare electrică comandat presupune o structură hard alcătuită din motorul electric, convertorul electronic de putere, traductoarele și sistemul de comandă și control, definit global prin noțiunea de controler inteligent, controler conectat la sistem printr-o interfață.

În figura 3.1 se prezintă structura unui sistem de acționare electrică cu controler inteligent.

Un rol important în funcționarea sistemelor moderne de acționare electrică îl au convertoarele electronice de putere. Elementele de comutație dezvoltate sunt de foarte mare viteză, de tensiune și putere ridicată, controlul acestora asigurând posibilitatea generării la ieșirea convertorului a unor tensiuni și/sau curenți de forma, valoarea și viteza de variație dorită.

Traductoarele reprezintă componente hard foarte importante (după cum s-a precizat în capitolul precedent). Acestea asigură o redare cât mai fidelă a mărimilor din sistemele de acționare, electrice sau neelectrice. Precizia ridicată a traductoarelor este susținută și de conversia adecvată analog/digitală din interfață, precum și de acuratețea cu care se prelucrează semnalele obținute.

Figura 3.1.Structura unui sistem de acționare electrică cu controler inteligent

O acționare electrică se apreciază în general pe baza următoarelor considerente:

a) dinamica corespunzătoare (valoare ridicată a suprasarcinii de scurtă durată, viteza de răspuns ridicată);

b) funcționare bună la turații mici (cuplu independent de poziție, unghi și fără oscilații);

c) domeniu de turații mare, cu posibilitatea funcționării în cele patru cadrane;

d) precizie de poziționare corespunzătoare;

e) volum și greutate cât mai mici;

f) eficiență ridicată, incluzând o exploatare economică;

g) întreținere nepretențioasă și ieftină (fiabilitate ridicată, durată mare de funcționare fără inspecții și reparații periodice dese).

În general, într-un sistem de acționare electrică sunt controlate mărimi mecanice (turație, poziție) și electrice (curent).

Controlul, în sistemele de acționare electrică moderne, se realizează hard cu regulatoare analogice sau soft cu controlere numerice interfațate cu sistemul. Se pot construi sisteme cu comandă mixtă, o parte analogică, o parte numerică, mai frecvent în cazul în care comenzile sunt distribuite și ierarhizate.

3.2 Sisteme de acționare cu motoare de curent continuu

3.2.1 Principiul de funcționare și variantele constructive

Servomotoarele de curent continuu sunt utilizate în foarte multe aplicații din domeniul mecanicii fine și mecatronicii (roboți industriali și de servicii, vehicule cu ghidare automată, periferice de calculator, automate de control și servire, automate bancare etc.), datorită unor caracteristici remarcabile:

Domeniu amplu al puterilor/momentelor dezvoltate;

Moment de inerție redus al părților mobile și, în consecință, un raport mare putere/moment de inerție;

Posibilitatea reglării în limite foarte largi a turației;

Greutate și volum mici;

Moment impulsional foarte mare, care oferă o protecție la suprasarcini de scurtă durată;

Facilități favorabile de montare etc.

Principiul de funcționare a unui motor de curent continuu poate fi înțeles cu ajutorul figurii 3.2. Asupra unui conductor parcurs de un curent electric, I, și aflat într-un câmp magnetic de inducție, B, se exercită o forță, FL, al cărei sens poate fi determinat cu "regula mâinii drepte" (vectorul B intră în palmă, degetele sunt orientate de-a lungul lui I, iar degetul mare indică sensul forței). Mărimea acestei forțe, pentru cazul în care B și I sunt perpendiculare, are expresia:

FL = I • l • B.

Figura 3.2 Principiul de funcționare a unui motor de curent continu

Se consideră, în continuare, un rotor de rază, r, pe care sunt dispuse mai multe cadre dreptunghiulare. Se constată că asupra jumătății din dreapta a conductorului, a cărui normală la suprafață este perpendiculară, la un moment dat, pe inducția B, se exercită o forță, FL, îndreptată în jos. Apare un cuplu de forțe, care tinde să rotească rotorul în sensul acelor de ceasornic. Pentru ca momentul mecanic, care acționează asupra rotorului, să-și mențină sensul, este necesar un comutator, care să determine schimbarea ciclică a sensului curentului prin conductoarele motorului, pe măsură ce acestea se deplasează în câmpul magnetic.

O schemă electrică echivalentă a înfășurării unui motor de curent continuu este prezentată în figura 3.3, în care s-au folosit următoarele notații:

U – tensiunea de alimentare;

U0 – tensiunea contraelectromotoare;

I – curentul prin înfășurare;

R – rezistența înfășurării;

L – inductanța înfășurării.

Figura 3.3 Schema electrică echivalentă

Se poate scrie următoarea ecuație:

(3.1)

Pe de altă parte, tensiunea contraelectromotoare, U0, este proporțională cu viteza unghiulară a rotorului, ω:

(3.2)

Din relațiile (3.1) și (3.2) se obține relația pentru viteza unghiulară:

(3.3)

Conform ecuației (3.3), principalul parametru, care permite controlul vitezei unghiulare (turației) a motorului, este tensiunea de alimentare a înfășurării, U.

Pentru realizarea comutării curenților, în vederea menținerii sensului momentului care asigură deplasarea rotorului, se utilizează două soluții, diametral opuse:

Comutația mecanică;

Comutația electronică.

O schemă de principiu a unui servomotor de curent continuu cu comutație mecanică este prezentată în figura 3.4.

Statorul cuprinde poli magnetici, realizați cu ajutorul magneților permanenți, iar rotorul este bobinat și alimentat cu tensiune, prin intermediul unui sistem colector – perii.

Fiecare capăt al unui conductor (fig. 3.2) este scos la o lamelă a colectorului, iar comutarea sensului curentului se realizează prin contactul cu una din cele două perii, care își păstrează polaritatea (de exemplu "+" pentru peria din stânga și "-" pentru peria din dreapta).

Fig. 3.4 Motor de curent continuu cu comutație mecanică

La un servomotor, periile sunt plasate în așa fel, încât vectorul curentului este menținut perpendicular pe direcția câmpului magnetic de excitație, pentru oricare poziție a rotorului. Astfel, momentul motor rezultat va fi proporțional cu curentul care străbate înfășurarea motorului, iar viteza unghiulară a motorului va fi proporțională cu tensiunea. Ecuațiile clasice care definesc un motor de c.c sunt:

Moment motor (Mm) = km • I (3.5)

Tensiune contra-electromotoare Eg = ke • ω,

unde km este o constantă a momentului, ke este o constantă a tensiunii și ω este viteza unghiulară a motorului.

Un dezavantaj important al acestui tip de motor constă este determinat de "limita de comutație", la care apare o scânteiere puternică la perii, care reduce drastic durata de funcționare a motorului, parazitează semnalele radio și limitează nivelele tensiune/curent. Întrucât soluția presupune rotația înfășurărilor alimentate cu curent și a colectorului aferent, efectele constau într-un moment de inerție mai mare și un regim termic mai nefavorabil, întrucât căldura, dezvoltată mai ales în rotor, are puține căi de disipare.

Soluțiile mai recente au căutat să înlăture aceste neajunsuri, prin schimbarea rolurilor statorului și rotorului, respectiv polii magnetici, realizați din magneți permanenți, sunt amplasați în rotor, iar înfășurările, alimentate cu tensiuni electrice, în stator. Aceste motoare, cu comutație electronică, se numesc și motoare fără perii (brushless DC motors = BLDC).

Principiul de funcționare a unui astfel de motor poate fi înțeles cu ajutorul figurilor 3.6, 3.7 și 3.8, iar în figura 3.9 este prezentat și blocul tranzistoarelor de putere care comandă alimentarea fazelor.

În figura 3.6 sunt redate cele 6 cadrane electrice, semnificative pentru un motor cu 3 înfășurări statorice, u-x, v-y, w-z, și 2 poli rotorici, defazate între ele cu 60° (360°/(3 faze x 2 poli)). În fiecare cadran se arată care trebuie să fie sensul curenților, astfel încât să se mențină un moment pentru deplasarea rotorului în sensul orar. Pentru o comutare riguroasă a curenților prin înfășurările statorului, în sincronism cu poziția rotorului, este necesar un senzor, care să determine, în permanență această poziție.

În figura 3.7 este prezentat un astfel de senzor, constituit din trei traductoare (în general, elemente Hall, prin dreptul cărora se deplasează un obturator, solidar cu rotorul. S-a presupus că, dacă obturatorul se găsește în dreptul unui traductor, ieșirea acestuia este "1" logic, iar dacă traductorul nu este influențat de obturator, ieșirea lui este "0" logic. Senzorul generează astfel 6 combinații binare distincte, pentru cele 6 cadrane (figura 3.6), iar sistemul de comandă trebuie să asigure pentru fiecare combinație, care corespunde unei anumite poziții a rotorului, configurația de curenți prin înfășurări, indicată în figura 3.8.

Figura 3.6 Principiul de funcționare a unui motor de c.c. cu comutație electronică

Caracteristicile construcției fără perii se regăsesc la o gamă largă de motoare electrice: motorul sioncron de c.a.; motorul pas cu pas; motorul de c. a. cu inducție etc.; motorul de c. c. fără perii este definit, în mod convențional, ca un motor sincron cu magneți permanenți, pentru care tensiunea contra-electromotoare are o formă trapezoidală.

Servomotorul fără perii, permite, datorită soluției sale constructive, ca aproape toată căldura degajată să fie eliminată prin stator, pe calea cea mai scurtă către mediul înconjurător (figura 3.9). Transferul de căldură poate fi activat și prin ventilarea motorului. Eliminarea comutatorului mecanic și a înfășurării statorice determină și un moment de inerție mai redus și o viteză unghiulară mai mare ale rotorului, precum și tensiuni de alimentare mai mari, comparativ cu motorul de c. c. convențional

În figura 3.10 sunt prezentate două secțiuni, una printr-un motor de curent continuu cu comutație mecanică, iar cealaltă printr-un motor de curent continuu cu comutație electronică, care permit o mai bună înțelegere a construcției celor două tipuri de motoare și a modului de amplasare a diferitelor elemente constructive.

O ultimă problemă care va fi prezentată în acest subcapitol, se referă la diferite variante constructive ale servomotoarelor de curent continuu:

a. Cu rotor cilindric sau cu întrefier radial (fig. 3.10);

b. Cu rotor disc sau cu întrefier axial; în acest caz rotorul are forma unui disc, pe care sunt dispuse fie conductoarele rotorului (realizate prin ștanțare sau imprimare), pentru motoare cu comutație mecanică, fie magneții permanenți, în cazul motoarelor cu comutație electronică.

c. Cu rotor tip "pahar".

Figura 3.9 Disiparea căldurii la MCC cu și fără perii

Există variante cu rotor cilindric sau rotor disc pentru ambele tipuri de motoare, cu și fără perii, fiecare cu avantajele sale, fără ca una din variante să prezinte un avantaj decisiv. Criteriul decisiv constă în dimensiuni: cele cu rotor cilindric sunt mai suple, cu diametrul mic și lungime mai mare, cele cu rotor disc au un diametru mai mare și o lungime mai mică.

Figura 3.10 Secțiuni prin motor

3.2.2 Controlul vitezei servomotoarelor de c.c.

Schemele de comandă a servomotoarelor de curent continuu sunt, în principiu, mai complexe, întrucât nu mai pot fi utilizate scheme de comandă în buclă deschisă, ci sunt necesare mai multe bucle de reglare, bazate pe reacții după curent, viteză și poziție (figura 3.11).

Figura 3.11 Schemă pentru comanda unui servomotor de curent continuu

Modul în care se realizează controlul vitezei unghiulare la un servomotor de c.c, poate fi înțeles pe baza caracteristicilor mecanice ale motorului ω = f(M), prezentate în figura 3.12, a. Aceste caracteristici sunt drepte ușor descrescătoare, care depind de tensiunea de alimentare, UA, a înfășurării motorului. Dacă, de exemplu, tensiunea este egală cu tensiunea nominală, motorul va funcționa la viteza unghiulară (turația) nominală, pentru tensiuni de alimentare mai mari vitezele unghiulare vor fi mai mari, iar pentru valori mai mici ale tensiunii ele vor scădea. Prin modificarea tensiunii de alimentare în limite foarte largi și vitezele unghiulare ale servomotoarelor de curent continuu pot fi variate într-o plajă amplă.

3.3. Sisteme de acționare cu motoare de curent continuu cu magneți permanenți în stator

În figura 3.12 este prezentată schema bloc pentru controlul turației unui motor de curent continuu, schemă care se poate realiza hard cu două regulatoare analogice și un generator de semnale pentru comanda variatorului de tensiune. Același control se poate realiza prin soft dacă toate elementele marcate în chenar punctat sunt înlocuite prin softul implementat într-un controler numeric, prevăzut cu interfața corespunzătoare (conversie analog-numerică pentru turație și curent, ieșire numerică pentru comanda convertorului electronic).

Figura 3.12.Schema de reglare în cascadă pentru comanda unui motor de curent continuu

Dacă se consideră un sistem de reglare în cascadă pentru poziție, turație și curent, în principiu controlul se poate realiza distribuit și ierarhizat utilizându-se un bloc analogic sau analogic-digital pentru reglajul local al turației și curentului, un microcontroler pentru reglajul poziției și stabilirea profilului de viteză și un calculator central care conduce întregul proces care cuprinde acționarea considerată. Cele trei regulatoare se pot realiza prin soft într-un singur controler interfațat cu restul sistemului, în interfață realizându-se conversia analog-digitală pentru poziție, turație, curent și ieșirea (ieșirile) pentru comanda convertorului electronic de putere, realizată direct digital sau cu un convertor digital-analogic.

Sistemul de acționare electrică poate fi realizat, în varianta controlului numeric asistat de calculator, fără traductoare de poziție și turație. În această situație se preiau din sistem doar tensiunile și curenții și se determină printr-un bloc de calcul valorile turației, poziției și eventual a cuplului electromagnetic, utilizându-se diverse metode de estimare-calcul bazate pe modele ale mașinilor electrice din sistem.

3.3.1.Convertoare electronice de putere

Convertoarele electronice de putere sunt constituite din patru blocuri principale și anume: redresor; circuit intermediar; invertor (chopper ); electronica de comandă, ele rezultând din schema bloc prezentată în figura 3.13.

Figura 3.13. Schema bloc a unui convertor de frecvență

La motorul de curent continuu convertorul constă dintr-un redresor necomandat uzual trifazat în punte, un circuit intermediar cu bobină și capacitate sau numai cu capacitate și un variator de tip punte H, pentru o acționare de patru cadrane, figura 3.14.

Figura 3.14.Alimentarea unui motor de curent continuu cu variator de tensiune în punte H

Convertoarele electronice de putere se realizează pentru puteri mici și medii cu tranzistoare (figura 3.14), tiristoarele, chiar cele comandate de tipul GTO (gate turn off) sau MCT (mos controlled thyristor) având frecvențe de comutație relativ scăzute și utilizându-se la puteri mai mari în convertoare fără modulare în durată a pulsurilor.

Figura 3.15. Domeniul de utilizare a semiconductorilor comandați

În mod normal convertorul electronic de putere împreună cu comanda corespunzătoare reprezintă un singur bloc în sistem denumit în continuare amplificator.

În funcționarea mașinilor electrice din sistemele de acționare, foarte importante sunt caracteristicile, performanțele și nu în ultimul rând comanda acestora în sistem.

Din punct de vedere al caracteristicilor, pentru servomotoare cele mai importante sunt caracteristicile mecanice.

Modificarea caracteristicilor mecanice se poate realiza convenabil prin:

– modificarea tensiunii la mașina de curent continuu, obținându-se caracteristici paralele cu cea naturală (figura 3.16);

– modificarea tensiunii și a frecvenței la mașina de inducție, caracteristicile înclinându-se cu scăderea frecvenței (figura 3.17).

Pe lângă aspectele prezentate mai sus trebuie considerate și convertorul electronic de putere prin care se alimentează mașina electrică, precum și traductoarele cu interfața specifică. În toate cazurile sistemele sunt prevăzute cu traductoare de curent și de turație sau poziție, iar în anumite cazuri și traductoare de tensiune.

Convertoarele electronice de putere considerate pentru alimentarea mașinilor electrice sunt:

– invertor PWM pentru mașina de inducție;

– variator de tensiune în punte H cu comanda PWM pentru mașina de curent continuu clasică;

3.4. Sisteme de acționare cu motoare electrice de curent alternativ

3.4.1.Motor asincron comandat în frecvență

În cazul motoarelor asincrone cea mai eficientă metodă de comandă este comanda în frecvența tensiunii, respectiv curentului statoric. Modificarea frecvenței f1 a tensiunii de alimentare, asigură o gamă largă, o reglare fină, continuă, în ambele sensuri (sub și peste viteza nominală), fără pierderi de energie. Realizarea practică a schimbării frecvenței implică prezența unui convertor de frecvență. Cele mai utilizate convertoare de frecvență sunt cele cu circuit intermediar de curent continuu. În figura 3.18. se prezintă schema bloc a unui sistem de acționare cu motor asincron comandat în frecvență. Blocurile care apar în schemă sunt: AC – aparatura de conectare, CE – convertorul electronic, care este un convertor de frecvență cu circuit intermediar de curent continuu, ME – mașina electrică, asincronă cu rotor în scurtcircuit, T – transmisia între mașina electrică și mașina de lucru, reprezentată de blocul DT – dispozitivul de translație al axei de robot, CP – calculatorul , R – regulatorul, DM – dispozitivul de măsură (la acționările actuale este sub forma unor plăci de achiziții de date), BC – blocul de comandă, DP – dispozitivul de protecție.

Figura 3.18.Schema bloc a unui sistem de acționare cu motor asincron comandat în frecvență

Conducerea modernă a sistemului de acționare electrică al unui robot, presupune, deci, unificarea cunoștințelor unor domenii considerate relativ independente, ca: mecanică și organe de mașini, tehnica reglării automate, măsurări electrice și calculatoare.

3.4.2.Motor asincron cu rotor bobinat, comandat în rotor

În acționările moderne, comanda în rotor a motoarelor asincrone cu rotor bobinat, se face prin reglarea continuă a rezistenței din circuitul rotoric pe cale electronică. În figura 3.19 se prezintă două astfel de scheme:

• schema din figura 3.19.a asigură o variație a rezistenței aparente între limitele r (când chopperul Ch. conduce) și r + R (când chopperul este blocat). Astfel se poate scrie:

(3.6)

unde: Tc – durata de conectare a chopperului;

T – perioada de comandă;

a – durata relativă de conectare a chopperului.

• schema din figura 3.19.b conține trei perechi de tiristoare în antiparalel montate fiecare în paralel cu câte o rezistență R a cărei valoare o modifică prin unghiul de aprindere.

a. b.

Figura 3.19.Schema bloc a unui sistem de acționare cu motor asincron cu rotor bobinat, comandat în rotor: a)cu redresor și rezistență reglabilă prin chopper; b)cu rezistența trifazată reglabilă cu ajutorul tiristoarelor în antiparalel.

Capitolul 4

TRANSMISII MECANICE SI SISTEME DE GHIDARE UTILIZATE ÎN STRUCTURA MODULELOR DE TRANSLAȚIE

4.1 Transmisiile roboților

Transmisia mecanică (TM) realizează legătura dintre motorul de acționare și zonele de contact ale cuplei cinematice conducătoare, imprimându-le acestora mișcarea relativă cerută (T sau R).

În general natura cuplei cinematice (T sau R) determină specializarea constructivă a transmisiei mecanice în ansamblu, sau cel puțin a ultimei trepte a acesteia.

Opțiunea pentru o anumită variantă de transmisie mecanică este condiționată de următoarele grupe de factori:

specializarea tehnologică a roboților industriali;

tipul motorului de acționare (rotativ sau liniar) și amplasarea sa în arhitectura robotului industrial, față de poziția cuplei cinematice conducătoare (c.c.c.);

masa și gabaritul sarcinii utile manipulate;

orientarea în spațiu a axei de mișcare a cuplei (direcția de translație, axa de rotație), valorile maxime ale cursei, vitezei și accelerației;

restricțiile referitoare în special la exactitatea și incertitudinea de poziționare.

Trebuie avut în vedere faptul că transmisia mecanică integrată ca subansamblu în arhitectura unui modul al robotului industrial (T sau R) determină în mod hotărâtor performanțele calitative ale acestuia referitoare la: gabaritul și proporțiile dimensiunilor principale, rigiditatea la torsiune și încovoiere, comportarea la vibrații, inerție și eficiența energetică.

Transmisia mecanică din componența roboților industriali transmite direct mișcarea de (R) sau (T) a motorului la zonele de contact ale cuplei cinematice conducătoare acționate și realizează transformarea mișcării descrise de motorul de acționare.

Există o varietate mare de transmisii mecanice utilizate în construcția roboților industriali.

Transmisia aparține sistemului de acționare al robotului. Ea adaptează parametrii energetici furnizați de motor cu parametrii energetici ai mișcării relative dintre elementele cuplei cinematice conducătoare acționată. Adaptarea parametrilor energetici poate avea loc fără sau cu modificarea naturii mișcării.

Modificarea parametrilor energetici printr-o transmisie se realizează după ecuația puterilor, care pentru mișcări rotative de intrare – ieșire are forma:

(4.1)

iar pentru mișcarea de intrare rotativă și cea de ieșire de translație are forma:

(4.2)

Notațiile fiind: η – randamentul transmisiei, M1 și ω1, – momentul de intrare, respectiv, viteza unghiulară de intrare, M2 și ω2 – momentul de ieșire, respectiv, viteza unghiulară de ieșire, F2 și v2 – forța, respectiv, viteza liniară la elementul de ieșire al transmisiei.

În construcția roboților, precizia (exactitatea) cinematică a transmisiei utilizate trebuie să fie ridicată. Precizia (exactitatea) cinematică a unei transmisii se apreciază prin eroarea cinematică, ea reprezentând diferența la un moment dat între valoarea teoretică și valoarea efectiv realizată a unui parametru cinematic de ieșire (deplasare ori viteză), liniar sau unghiular. Pentru a obține precizii satisfăcătoare, trebuie evitată folosirea transmisiilor la care pot apare patinări, alunecări elastice, efecte de înfășurare poligonală. Se pot utiliza trenuri de roți dințate ordinare/planetare, cu roți dințate cilindrice, conice, melcate și cu cremalieră, dar numai luând măsuri de eliminare a jocurilor de flanc. Pot fi utilizate și transmisii cu cuplă cinematică elicoidală de alunecare, dar și la acestea se impune preluarea jocului dintre filete. Pentru construcția roboților există elaborate soluții specifice de preluare a jocurilor, dar ele au dezavantajul că măresc puterea disipată prin frecare și prin aceasta reduc randamentul transmisiei. 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, poliangrenajele, transmisiile sincrone cu curele dințate.

4.2. Soluții constructive pentru preluarea jocului de flanc în angrenaje

Pentru preluarea jocului de flanc într-un angrenaj sau tren de roți dințate, există metode pasive și active.

Metodele pasive urmăresc aproprierea roților aflate în angrenare, până la realizarea contactului bilateral între dinți. Soluțiile bazate pe metode pasive folosesc fie un element de reglare, fie un element elastic adaptiv. în ultimul caz apăsarea roților spre contactul dintre danturi se realizează pe seama forței/momentului generat prin montajul pretensionat al elementului elastic.

Folosirea elementului de reglare are avantajul că asigură o bună stabilitate la vibrații, dar are dezavantaje, întrucât este sensibil la dilatările termice ale roților și pe măsura uzării danturilor reclamă o refacere a reglajului. Soluțiile care utilizează un element elastic sunt mai instabile la vibrații, dar au avantajul adaptabilității la bătăile radiale ale danturilor cauzate de execuția lor necorespunzătoare și la modificările dimensionale ale danturilor cauzate de deformațiile termice și de procesul de uzare.

În tabelul 4.1 se prezintă soluții constructive tipice bazate pe metoda pasivă de eliminare a jocului de flanc la diferite tipuri de angrenaje.

Tabelul 4.1

Metodele active folosite pentru eliminarea jocurilor de flanc presupun participarea unor părți din sistemul de comandă al robotului. Soluțiile constructive având la bază o metodă activă permit scoaterea jocurilor cumulate din partea a mai multor angrenaje legate într-un tren de roți dințate.

Se prezintă în continuare principalele transmisii cu șurub piuliță (elicoidale), utilizate în structura roboților industriali,

Tabelul 4.2

Tabelul 4.3

Tabelul 4.4

La alegerea motorului de acționare al axei de robot prin intermediul unei transmisii cu cuplă elicoidală de rostogolire, se pune problema stabilirii momentului de antrenare necesar. Acest moment depinde de soluția constructivă adoptată și de încărcarea axei.

În Fig. 4.2 se prezintă construcția modulului pentru translația de bază a unui robot, la care mișcarea de translație se realizează cu ajutorul unei transmisii cu cuplă cinematică elicoidală de rostogolire.

Fig. 4.2 Schema de principiu a transmisiei cu cuplă cinematică elicoidală

Sania modulului de translație este încărcată cu rezultanta F dintre forțele tehnologice exterioare orizontale care lucrează asupra robotului, precum și cu rezultanta W dintre greutatea dispozitivului de ghidare, a capului de forță echipat cu sculă și componenta verticală W a forțelor tehnologice exterioare. Ca urmare, forța axială pe tija transmisiei este:

(4.3)

unde cu µ s-a notat coeficientul de frecare în ghidaj. Momentul de torsiune necesar învingerii forței axiale este:

(4.4)

unde e este pasul filetului și µ este randamentul transmisiei cu cuplă elicoidală de rostogolire
(η = 0.9).

În cazul transmisiei pretensionate trebuie dezvoltată un moment suplimentar pentru învingerea forței de pretensionare Fa0. Momentul suplimentar se determină cu relația:

(4.5)

unde k reprezintă coeficientul de frecare intern al nucii pretensionate (k = 0.1 ~ 0.3).

Momentul de torsiune redus la axa motorului este dată de relația:

(4.6)

în care coeficientul i12 = z2/z1 reprezintă raportul de transmitere al transmisiei dințate existentă între actuator și tija de intrare în transmisia cu cuplă elicoidală de rostogolire, iar MA este momentul de accelerare:

(4.7)

unde s-au notat: Jm – momentul de inerție masic redus la axa motorului în [kgf cm s2 ], – accelerația unghiulară a arborelui motor în [rad / s2], Δn – creșterea de turație a arborelui motor în [rot / min], Δt – timpul de accelerare în [s], θ – unghiul de rotire al arborelui motor pe impuls în [grade / impuls], Δf – modificarea frecvenței impulsurilor curentului de alimentare pe durata accelerării în [nr. impulsuri / s]. Relația între Δf și Δn este:

(4.8)

Momentul de inerție masic redus la axa motorului se datorează antrenării în mișcare accelerată a saniei pe care se găsește etajat robotul, a tijei filetate din transmisia cu cuplă cinematică elicoidală, a elementelor din transmisia dințată, precum și a rotorului motorului de antrenare propriu zis. Astfel, în expresia lui JM se ține cont de toate componentele inerte existente în lanțul cinematic de acționare:

(4.9)

Notațiile noi introduse în această relație au următoarele semnificații: δ – avansul pe impuls a saniei în [cm/impuls], g = 980 cm / s2 – accelerația gravitațională, J1 – momentul de inerție masic al roții dințate conducătoare în [kgf cm s2], J2 – momentul de inerție masic al roții dințate conduse în [kgf cm s2], J3 – momentul de inerție masic al tijei filetate aferentă transmisiei cu cupla elicoidală de rostogolire în [kgf cm s2], J4 – momentul de inerție masic al rotorului motorului de antrenare, tot în [kgf cm s2]. Momentele de inerție masice precizate pot fi calculate cu relațiile:

(4.10)

în care notațiile reprezintă: γ1, γ2, γ3, – greutățile specifice ale materialelor din care sunt confecționate roțile dințate, respectiv, tija transmisiei cu cupla elicoidală de rostogolire în [kgf / cm3], B1, B2 – lățimile roților dințate în [cm], L – lungimea totală a tijei filetate în [cm], D1, D2 – diametrele de divizare ale roților dințate în [cm], d1, d2 diametrele alezajelor celor două roți în [cm], d – diametrul tijei filetate în [cm]. Valoarea momentului de inerție J4 poate fi preluat din catalogul motorului de antrenare. Se precizează, că respectând unitățile de măsură menționate, momentele de torsiune se obțin în [kgf cm].

Practica proiectării arată, că suma momentelor (MF + MP), care intervine în relația (4.6), reprezintă în majoritatea aplicațiilor 10 – 30% din momentul de antrenare total Mm. Această constatare permite alegerea simplificată a motorului necesar, urmând ca verificarea lui pe baza relației (4.6) să fie făcută ulterior pentru datele de catalog concrete ale motorului ales.

Se prezintă în figura 4.3. o transmisie mecanică elicoidală cu șurub piuliță cu bile, și modul de racordare a șurubului prin rulment.

Fig. 4.3. Transmisie mecanica tip surub si piulita cu bile

În continuare se prezintă variante de sisteme de ghidare.

Fig.4.4 Sistem de ghidare cu bile

Fig.4.5 Sistem de ghidare cu bile recirculabile

Fig.4.6 Sistem de ghidare tip UU

Fig.4.7 Sistem de ghidare profilat cu bile

Fig. 4.8. Bucșă de ghidare pentru coloane cilindrice

Fig.4.9 Bucșă de ghidaretip LM-UU cu bile

Capitolul 5

MODELAREA MATEMATICĂ A MODULELOR DE TRANSLAȚIE CU ACȚIONARE ELECTROMECANICĂ

5.1. Introducere

Funcția sistemului de acționare este aceea de a pune în mișcare relativă la momentul oportun elementele cuplelor cinematice conducătoare ale sistemului mecanic al roboților industriali.

Sistemul de acționare se compune din două subsisteme: motorul de acționare și transmisia mecanică (conform celor prezentate în capitolele anterioare).

În general, efectele dinamice datorate electronicii de putere, motoarelor de acționare și transmisiilor mecanice sunt mai puțin tratate în literatura de specialitate, deși efectele generate de cele trei componente ale robotului nu sunt de o mai mică importanță ca și efectele structurii mecanice a robotului.

5.1.1. Transmisii mecanice. Generalități

Motoarele sistemului de acționare pot acționa direct sau indirect cuplele cinematice conducătoare ale robotului.

Acționarea directă – direct drive – constă în faptul că elementul de ieșire al motorului acționează în mod direct elementele cuplei cinematice conducătoare.

Acționarea indirectă necesită ca între motor și elementele cuplei cinematice conducătoare să se interpună transmisii mecanice.

Transmisiile mecanice asigură adaptarea caracteristicii mecanice a mașinii motoare la caracteristica mecanică rezistentă, la nivelul cuplei cinematice conducătoare. Acest rol funcțional se realizează prin transfer de energie și printr-o transformare cinematică.

Transformarea cinematică are în vedere două aspecte și anume:

o transformare cantitativă, adică o schimbare a parametrilor mișcării (viteze, accelerații generalizate);

o transformare calitativă, adică o schimbare a naturii mișcării (transformarea rotației în translație sau invers).

O acționare indirectă se reprezintă schematic în figura 5.1.

Transmisiile mecanice pot fi cu elemente dințate (reductoare, angrenaj pinion cremalieră), la a căror utilizare se va avea în vedere introducerea unor dispozitive de scoatere a jocului dintre dinți, cu șurub – piuliță, cu lanț – apare efectul poligonal, prin curele, prin fricțiune, cu mecanisme cu bare, cu cabluri pretensionate sau fire, etc.

Indiferent de transmisia mecanică utilizată, esențial este ca raportul de transmitere μ a mișcării de la mașina motoare la cupla cinematică conductoare să fie riguros constant.

Pentru cuplele de rotație, mărimile măsurate la nivelul elementului din cadrul sistemului mecanic al robotului (la ieșirea din transmisia mecanică) sunt legate de mărimile din amonte de transmisia mecanică după relațiile prezentate în tabelul 5.1.

Tabelul 5.1. Relațiile de dependență a mărimilor din aval de mărimile
din amonte de transmisia mecanică funcție de raportul de transmitere μ

Motoarele sistemului de acționare pot fi dispuse periferic – amplasare distribuită – sau pot fi dispuse umeral.

Amplasarea distribuită, periferică prezintă avantajul simplificării transmisiei mecanice, dar prezintă dezavantajul încărcării extremităților de ghidare cu forțe masice suplimentare.

Amplasarea umerală realizează dispunerea motoarelor de acționare în elementul fix al dispozitivului de ghidare. Această variantă prezintă avantajul descărcării dispozitivului de ghidare de forțe masice, dar are dezavantajul unei transmisii mecanice de o construcție complicată.

5.1.2. Modelarea și alegerea transmisiei mecanice

Alegerea tipului de transmisie mecanică se face după următoarele criterii:

specificul obiectului de situat;

corelarea caracteristicilor mecanice statice cuplu (putere) – viteză ale servomotorului cu cele ale sarcinii;

regim dinamic optim;

corectarea factorului de proporționalitate pentru asigurarea stabilității servomecanismului cu sistem automat.

După primul criteriu tipul transmisiei este determinat de caracterul particular al sarcinii și de tipul mișcării elementului de acționare. O clasificare se poate face astfel:

Fig. 5.2. Clasificarea acționărilor de rotație

Fig. 5.3. Clasificarea acționărilor de translație

Ecuațiile de mișcare raportate la ieșirea elementului de acționare sunt:

(5.1)

pentru mișcarea de translație, iar în cazul mișcării de rotație

(5.2)

Coeficienții în aceste ecuații sunt:

m , J – masa, respectiv momentul de inerție echivalent, Kg, respectiv Kgּm2;

D, B – coeficienții de frecare vâscoasă, în Nּs/m, respectiv Nּmּs/rad;

Fr, Mr – forța, respectiv cuplul rezistent static, în N, respectiv Nּm;

Fe , Me – reprezintă forța, cuplul electromagnetic;

x, θ sunt deplasarea liniară, respectiv unghiulară.

Ecuațiile (5.1) și (5.2) reprezintă legătura între elementul de execuție (în dreapta) și ansamblul mecanic transmisie – sarcină (în stânga).

Considerând forța, respectiv cuplul rezistent de tip reactiv, de forma

Mr = Kθ

Fr = K'x (5.3)

Funcțiile de transfer ale elementului mecanic rezultă

și respectiv (5.4)

Se observă că partea mecanică constituie în general un element de ordinul doi cu funcția de transfer

(5.5)

în care:

sau – constantă;

sau – pulsația proprie;

sau – factorul de amortizare;

Relațiile (5.4) sau (5.5) servesc la identificarea părții mecanice.

În tabelul 5.2 se prezintă cele mai răspândite sisteme de transmisie și unele relații de calcul.

Criteriul al II-lea de alegere a sistemului de transmisie are la bază cerința puterii optime transmise. Pentru servomotoarele de curent continuu cu excitație cu magneți permanenți, caracteristica mecanică motoare este liniară ca în figură 5.4.a, iar puterea utilă maximă se obține la coordonatele punctului P de la 1=2 și aceasta este Pmax=M11. Dacă sarcina solicită puterea maximă la viteza 2, este necesară o transmisie cu raportul de transmitere = 1/2.

Metoda de alegere a raportului este indicată de fig. 5.4.b. Alura caracteristicii mecanică rezistentă este o hiperbolă, care suprapusă peste caracteristica mecanică motoare a servomotorului determină suprafața hașurată. În această zonă viteza se poate lua la o valoare convenabilă, cu care se determină raportul de transmitere. În afara zonei hașurate rezultă un raport de reducere neeconomic sub aspectul puterii optime. Dacă cele două caracteristici nu se intersectează, atunci este necesar un servomotor de putere mai mare, iar dacă suprafața hașurată este prea mare mașina motoare nu este utilizată economic din punct de vedere al puterii. Această ultimă variantă însă se utilizează atunci când se dorește existența unei rezerve de putere.

Figura 5.4. Alegerea raportului de transmisie:

a) puterea utilă a servomotorului; b) metoda grafică.

Cel de-al III-lea criteriu de alegere al transmisiei se referă la utilizarea mașini motoare la un regim dinamic optim. Se ia în considerare influența raportului de transmitere asupra căldurii dezvoltate de motor și evident se dorește minimizarea pierderilor de căldură în timpul pornirii.

Pentru cele ce urmează se consideră sistemul de acționare din figura 5.5 pentru care există următoarele relații:

coordonata generalizată a elementului în mișcare este dată de:

(5.6)

momentul masic de inerție redus la arborele motorului este:

(5.7)

momentul redus la arborele motorului este:

(5.8)

Considerând servomotorul de curent continuu având cuplul electromagnetic proporțional cu curentul în indus și variația vitezei liniare în intervalele de timp, se calculează energia pierdută în rotor la pornire.

(5.9)

Figura 5.5. Explicativă pentru deducerea raportului de transmisie dinamic.

Ținând cont de relația (5.6) și de faptul că se ajunge la expresia:

(5.10)

în care s-a făcut notația

Expresia (5.10) se minimizează în raport cu variabila și se obține un minim pentru

(5.11)

Pentru cazul servomecanismelor, la care rezultă și se găsește expresia raportului de transmisie dinamic:

(5.12)

Raportând expresia energiei (5.8) se poate scrie

(5.13)

Concluzia este că trebuie îndeplinită condiția:

(5.14)

pentru ca puterea disipată să fie minimă.

În practică cele două rapoarte sunt de obicei diferite și se încearcă apropierea lor modificând fie Je, fie ω1. Dacă diferența între cele două nu este prea mare se poate lua γ rezultat din criteriile anterioare întrucât pierderile de putere nu cresc mult.

Al patrulea criteriu permite ajustarea lui pentru a putea face sistemul stabil. Se știe că stabilitatea unui sistem automat se poate influența prin ajustarea factorului de amplificare. Cum în acesta intră și raportul de transmitere, rezultă că este posibilă o alegere convenabilă a acestuia.

5.2. Conducerea adaptivă a unui modul de translație cu acționare electrică

Am analizat comportarea dinamică a unui sistem de acționare electrică cu motor de curent continuu a unui modul de translație (T) din structura unui robot industrial, ca model de laborator, comandat prin calculator.

Am umărit aspectele următoare:

Conceperea constructivă a unui modul de translație cu acționare electrică;

Conceperea constructivă a unui sistem perturbator;

Conceperea sistemului de conducere adaptivă a modulului de translație cu acționare electrică;

Modelarea funcțională a sistemului conceput;

Analiza prin simulare pe calculator, utilizând mediul Simulink și regulatoare fuzzy a funcționării motorului de curent continuu (m.c.c.) în regim adaptiv și în condițiile alimentării print-un circuit în punte „H” comandat cu un semnal de tip PWM.

Realizarea fizică a modulului de translație a echipamentelor de comandă și interfață cu calculatorul.

Realizarea unui sistem cu regulator fuzzy pentru comanda în timp real a sistemului în forță.

Optimizarea funcțională a sistemului conceput.

Măsuratorile și rezultatele obținute s-au realizat pe baza modelului funcțional conceput și a standului realizat, comandat cu calculatorul numeric tip pentium 4

Valorile măsurătorilor au fost achiziționate prin intermediul unei plăci de achiziție de date National Instruments P.C.I. 1200, și s-au prelucrat grafic cu softul MATLAB-SIMULINK.

5.1.3. Modelarea acționării electrice a unei axe de robot cu motor de curent continuu

În figura 5.6. se prezintă cupla cinematică conducătoare “i” a unui robot industrial acționată de un motor de curent continuu.

Întrucât în ceea ce urmează toate mărimile sunt aferente cuplei “i” pentru ușurință acest indice se ignoră.

Notațiile sunt următoarele:

– m,m reprezintă poziția unghiulară și respectiv viteza unghiulară a motorului din cupla “i” [rad], [rad/s];

– , reprezintă poziția unghiulară și respectiv viteza unghiulară a cuplei “i” [rad], [rad/s];

– Ja reprezintă momentul de inerție masic al rotorului motorului de curent continuu [kg m2];

– Jm reprezintă momentul de inerție masic al cuplajului și a părții din reductor cuplată de rotorul motorului de curent continuu [kg m2];

– Je reprezintă momentul de inerție masic al elementului dispozitivului de ghidare redus la arborele motorului, care este acționat de cupla respectivă [kg m2];

– reprezintă raportul de transmitere /m;

Figura 5.6. Cupla cinematică conducătoare “i” a unui robot industrial

acționată de un motor de curent continuu.

Pentru un servomotor de curent continuu comandat prin tensiune, modelul simplificat se prezintă în figura 5.7.

Figura 5.7. Modelul simplificat pentru un servomotor de curent continuu

comandat prin tensiune

În figură Jef reprezintă momentul de inerție masic efectiv redus la arborele motorului și este dat de relația:

(5.15)

iar:

– u(t) tensiunea de intrare (V);

– reprezintă momentul redus la nivelul motorului de acționare [Nm];

– R rezistența circuitului rotoric [];

– L inductanța circuitului rotoric [H];

– e(t) pierderea de tensiune datorată tensiunii electromotoare [V], descrisă de relația:

(5.16)

unde , iar Ke constanta motorului este dată de unde:

p – numărul perechilor de poli;

a – numărul perechilor de căi de curent în paralel între bornele motorului;

N – numărul total de conductoare în secțiunea rotorului.

Din figura 5.8. se poate scrie – în concordanță cu legile lui Kirchoff următoarele:

(5.17)

Momentul generat de motor este dat de:

(5.18)

Momentul generat de motor trebuie să învingă momentul redus inerțial să compenseze cuplul rezistent de frecări vâscoase, precum și momentul de încărcare. Din aceste considerente rezultă:

(5.19)

Momentul de încărcare Me este determinat de efectul Coriolis și cel centrifugal reduse la nivelul cuplei “i”, de sarcina apărută în procesul de lucru, de efectul gravitațional și de cel de frecare.

Coeficientul global de frecare vâscoasă Bef [Nm/rad/s] este dat de relația:

(5.20)

unde: – Bm reprezintă coeficientul global de frecare vâscoasă aferent motorului, iar Be reprezintă coeficientul global de frecare vâscoasă aferent părții de dincolo de reductor.

Se face observația că u(t) se prezintă sub următoarea formă:

(5.21)

Ecuațiile (5.17) respectiv (5.19) reprezintă modelul matematic al dinamicii cuplei “i” acționate de un servomotor de curent continuu cu magneți permanenți.

Dacă se alege vectorul de stare x dat de:

(5.22)

atunci se poate scrie modelul matematic al acționării din cupla “i” sub următoarea formă matricială:

(5.23)

unde matricele și vectorii coloană din ecuația de mai sus sunt date de:

(5.24)

Aplicându-se transformata Laplace ecuațiilor (5.17), respectiv (5.19) acestea vor fi descrise de următoarele relații:

(5.25)

(5.26)

Pornind de la aceste ecuații, rezultă schema bloc a unei acționări cu motor de curent continuu și poate fi construită așa cum se prezintă în figura 5.8.

Figura 5.8. Schema bloc a unei acționări cu motor electric de curent continuu

Din ecuațiile (5.25), respectiv (5.26) rezultă:

(5.27)

sau poate fi pusă sub forma:

(5.28)

unde:

– este constanta de timp electromagnetică;

– este constanta de timp electromecanică;

– este constanta de timp a forțelor de frecare vâscoasă.

Din relația de mai sus se poate deduce modelul matematic pentru acționarea cuplei “i” funcție de poziția unghiulară a cuplei, știind că , acesta prezentându-se:

(5.29)

Capitolul 6

MODELAREA CONSTRUCTIVĂ A MODULELOR DE TRANSLAȚIE CU ACȚIONARE ELECTROMECANICĂ

6.1. Breviar de calcul M.T.

În conformitate cu tema dată și datele inițiale, am proiectat un modul de translație orizontal, cu acționare electromecanică, utilizând un motor electric de curent continuu și transmisie mecanică elicoidală, șurub piuliță cu bile prezentat în fig.6.1.

Fig.6.1.Structura modulului orizontal

Pentru dimensionarea structurii mecanice de rezistență și a sistemului de acționare se determină forțele generalizate ce acționează asupra modulului ținând cont de toate elementele din avalul modulului, adică:

Masa obiectului manipulat m=10Kg;

Masa efectorului final mEF=5Kg;

Masa modulului de orientare mMo=7Kg;

Viteza de lucru v=5m/min;

Cursa C=200mm.

Acționarea modulului se realizează cu ajutorul unui motor electric de curent continuu și a transmisiei mecanice melc-roată melcată și elemente de transformare a mișcării de tip șurub-piuliță cu bile.

Sistemul de ghidare este asigurat de două coloane de ghidare cilindrice. Deoarece motorul electric, transmisia mecanică melc-roată melcată se fixează pe elementele mobile, masa acestora se va lua în considerare la determinarea forței generalizate componenta de inerție.

Calculul forței generalizate se va face pentru poziția cea mai defavorabilă, adică extensia maximă a brațului, cu viteza maximă.

Pentru această situație avem schema din fig.6.1.

Forța generalizată redusă se determină cu relația:

Accelerația se determină ținând cont de cursă și viteză:

Pentru determinarea forței de frecare se face analiza cinetostatică a sistemului. Se scrie ecuația de momente ce acționează asupra acestui sistem:

Motorul electric trebuie să învingă această forță generalizată, de unde se determină puterea motorului electric de acționare. Motorul electric se alege din catalog astfel încât: Pcat ≥ Pcal

6.2 Calculul de rezistentă:

În cadrul acestui subcapitol se determină structura mecanică de rezistență și puterea motorului de acționare. Cunoscând forța generalizată care acționează la nivelul modulului orizontal, se realizează calculul de dimensionare a ghidajelor alegând două ghidaje cilindrice paralele cu șurubul de acționare, conform fig.6.1.

Tijele de ghidare se execută din OLC 25 STAS 880-80 având σai=300daN/cm2

Mi=Qδn200=244*200=48*800Nmm=48,8daNcm

S-a ales un diametru pentru tijele de ghidare dt=20mm.

Dimensionarea șurubului:

Se alege un șurub cu bile cu dimensiunile: di=20mm; Ps=6mm.

Verificarea șurubului la compresiune:

Verificarea șurubului la flambaj (se determină coeficientul de zveltețe):

lf= -lungimea șurubului

6.3 Calculul motorului electric de acționare:

Se alege un motor electric cu următoarele caracteristici:

Pales=120W

U=42V

l=40A

n=5000rot/min

Tip MRF-1 Electrotehnica-România

6.4 Modelul geometric al modulului de translație

Pe baza schmei de principiu a modulului de translație am realizat modelul geometric utilizând Autodesk Inventor. Modelul este prezentat în figura 6.2. Se prezintă modelul în „explozie”

Fig. 6.2 Modul de translație

Fig 6.3 Captura Inventor

În continuare am proiectat elementele componente sau am ales din cataloage (baze de date) ale firmelor producătoare, elementele tipizate și sunt prezentate în figurile următoare.

6.5 Descrierea modulului de translație:

Modulul de translație orizontal proiectat este format din următoarele elemente:

1- plăci suport; 2- coloane de ghidare; 3- piulițe de fixare coloane; 4- placă de bază; 6- carcasă rulumenți; 7- șuruburi de fixare carcasă rulumenți.; 8- carcasă rulumenți; 9- șurub cu bile; 10- masă mobilă 12- piuliță arbore; 16- motor electric; 17- reductor melc-roată melcată; 18- cuplaj; 19- suport traductor; 20- traductor rotativ.

Acționarea modulului de translație se realizează de către motorul de curent continuu care primește comanda de la un tablou de comandă, și este condus în turație, funcție de informațiile primite de la traductorul de rotație. Mișcarea de rotație de la motorul electric se transmite printr-un reductor melc-roată melcată cu raportul de transmitere i=1:30, la șurubul cu bile, având pasul p=6mm. Șurubul cu bile este lăgăruit în plăcile 1, iar piulița este fixată de masa mobilă 10, astfel încât masa mobilă 10 execută o mișcare de translație ghidată de coloanele 2 prin intermediul bucșelor de ghidare cu bile. Viteza de deplasare a mesei mobile este funcție de turația motorului electric și pasul șurubului cu bile care poate fi reglată prin sistemul de comandă, conform cerințelor. Traductorul de rotație TIRO 1000, urmărește turația șurubului și transmite informații privind poziția deplasării sistemului de comandă.

Concluzii

În cadrul proiectului amprezentat modul de proiectare a unui modul de translație cu transmisii mecanice de tip elicoidal (șurub cu bile). Modulul poate fi realizat în construcție modulară de diferite tipodimensiuni sau tipoforme, putând fi utilizat ca și prima, a doua sau a treia cuplă cinematică din structura mecanismuli generator de traiectorie. Ca și element de acționare poate fi utilizat și motor electric de curent alternativ sau motor electric pas cu pas. Reductorul poate fi de tip melc-roată melcată; armonic; planetar, etc.. Elementul central pe baza căruia se realizează construcția modulară de tipodimensiune este șurubul cu bile care ne dă cursa de translație a mesei mobile.