S. l. dr. ing. Mihai CRENGANIS [305791]
UNIVERSITATEA ,,LUCIAN BLAGA” SIBIU
FACULTATEA DE INGINERIE
Specializarea: MECATRONICĂ
LUCRARE DE LICENȚĂ
Coordonator științific:
S. l. dr. ing. Mihai CRENGANIS
Absolvent: [anonimizat]
2019
CAPITOLUL 1
1.Introducere
Procesele industriale sunt constituite din masini si instalatii tehnologice realizate spre a raspunde cerintelor societatii umane în a obtine bunuri si servicii spre consum. Procesele industriale se regasesc în diverse domenii de activitate ale economiei unei tari. [anonimizat], [anonimizat], constructii, [anonimizat].
Odata cu dezvoltarea societatii omenesti s-au impus tot mai mult cerintele controlului proceselor industriale fara interventia operatorului uman.Asa au aparut masinile automate. Primele masini automate s-au dezvoltat în domeniul industriei usoare. Revolutia industriala a cunoscut dezvoltarea masinismului în diverse sectoare de activitate. [anonimizat], „motoare” [anonimizat] a acestuia. Asa au aparut masinile cu comanda numerica (în jurul anilor 1950).
Realizarea tranzistorului ca dispozitiv electronic activ (1948) a [anonimizat] 1970 obtinerea microprocesorului ca unitate completa de prelucrare a informatiei. În jurul anilor 1980 s-a realizat microcontrolerul reprezentând un calculator pe un cip. În anii 1960 s-a realizat primul controler logic programabil.
Avansarea societatii industriale automatizate presupune o [anonimizat].In acest moment au luat startul lucrările pentru realizarea roboților care să aiba puterea de calcul necesara pentru a fi posibilă modificarea comportării lor ca răspuns la stimulii din mediul înconjurător.[anonimizat] a parcurs trei etape:
Etapa mecanizării: in aceasta etapa omul este preocupat de a minimiza efortul său fizic. Startul a [anonimizat] a realizat mijloace care sa-i [anonimizat]. [anonimizat].
Etapa automatizării: în aceasta etapa omul a cautat să găsească soluții pentru a reduce sau pentru a elimina complet intervenția sa directă. [anonimizat], [anonimizat] o [anonimizat]. Automatizarea s-a impus în conducerea proceselor continue, a [anonimizat] (avioane, vapoare, nave spațiale), conducerea centralelor electrice ([anonimizat]), [anonimizat]-se astăzi în toate domeniile (transporturi, servicii, agricultură, casnic, agrement etc.).
[anonimizat] a minimiza sau de a elimina chiar și activitatea de conducere a [anonimizat]. Pentru aceasta etapa este necesara realizarea unor echipamente capabile să efectuze operații de gândire logică, caracteristică activității industriale.
1.1.Notiuni generale
Ansamblul de obiecte materiale care asigura controlul desfasurarii proceselor tehnice sau altor categorii de procese,fara interventia directa a operatorului uman poarta denumirea de echipament de automatizare.
Ramura stiintei care se ocupa cu studiul metodelor si mijloacelor prin intermediul carora se asigura conducerea proceselor tehnice,fara interventia directa a operatorului uman,se numeste automatica.
Implementarea practica a acestor principii,metode si mijloace poarta denumirea de automatizare.
Automatizarea este o ramură a tehnicii, al cărei scop este ca mașinile și instalațiile să lucreze automat, deci independente de o continuă și/sau directă intervenție a forței de muncă umane.
Mecanizarea si automatizarea pot fi definite ca metode ce analizeaza,organizeaza si conduc mijloacele de productie pentru a realiza utilizarea optima a tuturor resurselor productive,mecanice,materiale si umane.Acestea reprezinta principala tendinta de progres in tehnologie.
In instalațiile automatizate operatorul uman preia sarcini de supraveghere, de aprovizionare cu material, de transport a produselor finite, de întreținere și alte activități similare. Pe langă protejarea forței de muncă umane de activități grele și monotone, automatizarea ridică calitatea produselor precum și productivitatea proceselor cu o reducere corespunzătoare a costurilor pentru resursele umane folosite.Automatizarea urmareste eliminarea interventiei directe a omului in procesul de productie.Aceasta poate fi flexibila sau rigida.
Automatul programabil este alcatuit din echipament cu logica programabila(ELP) si controler logic programabil (PLC).Acesta a aparut ca o solutie la problema inlocuirii schemelor de automatizare cablate realizate pe baza de relee intermediare.Automatul programabil realizeaza cele doua sarcini principale ale automatizarii unui proces:
-masura: presupune monitorizarea starii procesului prin achizitia la intrarile automatului (prin intermediul senzorilor,butoanelor,limitatoarelor de cursa,etc.) a variabilelor de stare din proces.
-controlul: presupune prelucrarea informatiilor primite de la intrari si generarea comenzilor spre elementele de executie din procesul automatizat,conform unui program specific.
Un automat programabil poate fi definit ca fiind un sistem specializat destinat pentru tratarea problemelor de logica secventiala si combinationala,simuland structurile logice de comanda printr-o configuratie elastica,programabila.
Sistemele de automatizare a masinilor si utilajelor de clasifica in:
a) sisteme rigide: caracteristice masinilor unelte automate si semiautomate (exemplu:strungul SARO).In acest caz programarea se face cu came,care actioneaza sisteme de parghii care la randul lor actioneaza saniile portscule. Acest tip de sistem este unul temporal.Automatizarea rigida este specifica fabricatiei de masa sau de serie foarte mare,dar are o utilizare limitata datorita costului relativ ridicat si a timpului de pregatire indelungat necesar pentru adaptarea la prelucrarea altui produs.
b) sisteme secventiale: sunt caracterizate prin existenta unor limitatori de cursa pentru fiecare directie de deplasare sau rotatie (sisteme de tip on/off).
c) sisteme si echipamente de comanda numerica,caracterizate prin :
-existenta traductoarelor/senzorilor pentru masura si control;
-schimbarea automata a sculelor;
-programarea sau reglarea automata a miscarilor;
-conducerea cu calculatorul.
d) sisteme de copiere:pot fi mecanice(dupa un sablon),electrice,hudraulice;
e) sisteme adaptive:prezinta o mare complexitate;permit adaptarea automata a masinii la parametrii procesului,ceea ce presupune existenta unor senzori ce pot controla cat mai multi parametrii ai procesului.
In faza actuala necesitatea refacerii industriei constructoare de masini, in conditiile dezvoltarii economice de piata, impune accelerarea introducerii si extinderii automatizarii proceselor de productie. Aceasta se realizeaza prin implementarea in industrie a masinilor si liniilor automate complexe, care sa cuprinda manipulatoare si roboti industriali ce beneficiaza de cele mai recente realizari ale industriei electrotehnice si anume: a comenzilor numerice automate programabil si microprocesoare miniaturizate cu fiabilitate sporita.
Stadiul actual al realizarilor privind constructia sistemelor de transfer automat al sculelor este caracterizat de introducerea aproape in proportie de 100 % a actionarii hidraulice. De asemenea un alt factor care caracterizeaza acest stadiu este numarul mare de scule inmagazinate, prin folosirea magazinului cu transport de tip lant. Eliminarea mainii mecanice simple intermediare, care sa aduca scula din zona magazinului in perimetrul de asteptare, aceasta fiind executata de catre mana mecanica dubla este un pas important realizat in constructia sistemelor de transfer.
Extinderea utilizarii pentru miscarea de rotatie a apucatorului dublu si deplasarea intregii maini mecanice se realizeaza cu ajutorul mecanismului pinion – cremaliera. Aceste deplasari sunt actionate prin intermediul unui motor hidraulic rotativ. Dispozitivul apucator este prevazut cu ghiara bilaterala, cu blocare mecanica ceea ce confera un plus de siguranta contra desfacerii sculei si evitarea accidentelor.
Ultimul factor important ce caracterizeaza stadiul actual al realizarilor in constructia sistemelor de transfer este faptul ca in caruciorul mainii mecanice sunt comasate toate motoarele hidraulice pentru fiecare micscare in parte si putem preciza si faptul ca miscarile in procesele industriale se bazeaza pe elemente de executie, elemente de conversie electromecanica a energiei prin care se obtine lucru mecanic. Lucrul mecanic presupune miscare, deplasare liniara sau de rotatie în prezenta fortelor sau cuplurilor mecanice.Elementele de executie le regasim sub forma motoarelor electrice de actionare cum ar fi: motorul asincron, motorul de curent continuu, motorul pas cu pas, motorul universal. Tot elemente de executie sunt si sistemele electro-hidro-pneumatice. Se foloseste tot mai mult termenul de actuator ca un ansamblu format din sursa de miscare urmata de elemente intermediare cinematice si mecanice cu rol de a asigura adaptarea acestuia la aplicatie.
1.2.Motivarea alegerii temei
In departamentul de Masini si Echipamente Industriale (MEI),in cadrul laboratorului de automatizari si actionari electrice se regaseste aparatura dezafectata,pe baza careia am propus spre realizare un sistem mecatronic de asamblare,sortare si depozitare a unor piese metalice si nemetalice.
Sistemul mecatronic este alcatuit din doua subsisteme :
– un subsistem pneumatic,S1 (fig.2.a);
-un subsistem de control al miscarii pe trei axe,S2 (fig.2.b);
Transferul pieselor intre cele doua subsisteme se face folosind o banda de transport,dotata cu senzori de prezenta piesa,senzor inductiv si senzor optic.La nivelul primului subsistem se realizeaza transferul pieselor pe banda si asamblarea lor,iar in cazul celui de-al doilea sistem piesele sunt preluate de pe banda de transport si depozitate pe anumite pozitii,in functie de tipul piesei transferate.
Fig.2.Schema cinematica a sistemului mecatronic.
CAPITOLUL 2
2.Generalitati privind automatizarile industriale
In vederea realizarii temei alese si motivate in capitolul anterior ,in continuare,vor fi prezentate posibilitati de actionare,comanda si control a subsistemelor prezentate (S1 si S2) ,elementele care pot realiza actionarile,caracteristici generale ale acestora si avantaje sau dezavantaje ale fiecarui tip de actionare,comanda si control si ale fiecarui element ales.In urma prezentarii posibilitatilor se va face o analiza si se vor alege solutiile cele mai optime pentru realizarea sistemului,astfel incat acesta sa indeplineasca sarcinile impuse.
Tipuri de actionari ale masinilor-unelte:
Pentru miscarea de pozitionare a axelor se folosesc trei tipuri de actionari:electrica,hidraulica si pneumatica (sau combinatii ale acestora).
In tabelul urmator sunt prezentate avantajele si dezavantajele actionarilor electrice si pneumatice,acestea fiind principalele tipuri de actionari utilizate pentru subsistemele prezentate anterior.
2.1.Actionarea subsistemului pneumatic (S1).
Fig.Schema cinematica a subsistemului pneumatic.
Acest sistem este alcatuit din doua subsisteme (a – manipulatorul 1 si b – manipulatorul 2) identice,care realizeaza aceleasi miscari liniare : translatie pe verticala (miscarea 1 si 4) si translatie pe orizontala (miscarea 2 si 3),dar intr-o ordine diferita stabilita prin intermediul programului de comanda.Fiecare subsistem cuprinde un modul pneumatic ce se deplaseaza pe verticala (ML1 pentru manipulatorul 1 si ML3 pentru manipulatorul 2) ,un modul pneumatic liniar ce realizeaza miscarea pe orizontala (ML2 pentru manipulatorul 1 si ML4 pentru manipulatorul 2) si un prehensor pneumatic pentru a prinde si transporta piesa (P1 pentru manipulatorul 1 si MP1 pentru maniplatorul 2).
Sistemul va fi actionat pneumatic,datorita unor calitati precum : simplitatea constructivă, productivitatea, fiabilitatea ridicată și nu în ultimul rând prețul de cost mai scăzut.In cazul sistemelor de actionare pneumatice utilizarea lor este de preferat atunci cand:
trebuie controlate forțe și momente de valori medii;
viteza de deplasare a sarcinii nu trebuie să respecte cu strictețe o anumită lege;
poziționarea sarcinii nu trebuie făcută cu precizie ridicată;
condițiile de funcționare sunt severe (există pericol de explozie, incendiu, umiditate etc);
trebuie respectate cu strictețe o serie de norme igienico – sanitare (în industria alimentară, farmaceutică, tehnică dentară).
2.1.1.Componentele sistemului de actionare pneumatic:
-motorul pneumatic,MP: are rolul de a transforma energia pneumatica de intrare in lucru mecanic util;
-elemente de reglare si control ERC,care au rolul de a indeplini urmatoarele functii:
dirijeaza fluidul sub presiune si controleaza astfel sensul de miscare al sarcinii antrenate de motor si oprirea acesteia (distribuitorul pneumatic DP);
reglează debitul la valoarea cerută de motor și in acelasi timp viteza de mișcare a sarcinii (droselele de cale D1 și DC2);
reglează presiunea în sistem, în corespondență cu sarcina antrenată;
-generatorul de energie GE: generează energia pneumatică necesară sistemului; în practică pot fi întâlnite două situații:
când se dispune de o rețea de aer comprimat, caz în care energia necesară este preluată de la această rețea prin simpla cuplare a sistemului la unul din posturile de lucru ale rețelei;
când nu se dispune de rețea de aer comprimat, situație în care trebuie apelat la un compresor;
Fig.Componentele sistemelor de actionare pneumatice.
[7] Majoritatea echipamentelor sunt actionate manual ,actionarea electrica este intalnita numai in cazul distribuitoarelor.Acestea controleaza debitul la modul “totul sau nimic”.Cele mai intalnite sisteme de actionare pneumatica sunt cele la care subsistemul de comanda foloseste energie electrica.Aceste sisteme sunt denumite sisteme de actionare electropneumatice.
Argumentele in favoarea utilizarii acestor sisteme:
-permit automatizarea cu usurinta a unor procese industriale complexe;
-viteza mare de transmitere si prelucrare a semnalelor electrice ce conduce la cresterea semnificativa a productivitatii sistemului de automatizare;
-pretul mai mic al echipamentelor electrice in comparatie cu cele pneumatice,de cele mai multe ori;
-posibilitatea controlului unor puteri foarte mari cu o putere de comanda foarte mica;
-gabaritul mult mai redus al echipamentelor componente ale subsistemului de comanda;
-posibilitatea utilizarii pentru comanda acestor sisteme a programatoarelor electronice si a calculatoarelor de proces.
Dezavantaje:
-sistemul necesita doua surse de energie (pneumatica si electrica);
-asemenea sisteme nu pot fi folosite in medii cu pericol de explozie,incendiu,cu umiditate ridicata,etc.
-existenta pericolului de accidentare prin electrocutare.
[7] Motoarele pneumatice,MP au rolul funcțional de a transforma energia aerului comprimat într-o energie mecanică pe care o transmit prin organele de ieșire mecanismelor acționate. Organul de ieșire al unui motor pneumatic poate fi o tijă sau un arbore. După modul în care sunt separate cele două camere funcționale motoarele pneumatice se pot clasifica în:
–cilindrii : la aceste motoare separarea se face prin intermediul unui piston, iar etanșarea se realizează prin intermediul unor garnituri nemetalice;
Fig.Motor pneumatic de tip cilindru.
–camere ca membrană : la aceste motoare rolul pistonului este preluat de o membrană nemetalică, care realizează și etanșarea celor două camere.
Fig.Motor pneumatic cu membrana.
Din punct de vedere constructiv motoarele pneumatice liniare sunt formate din două subansambluri principale:
subansamblul carcasă: format din cămașa și capace;
subansamblul piston: format din piston și tija.
În funcție de subansamblul ce se deplasează, motoarele pneumatice liniare se pot clasifica în:
motoare cu carcasă fixă și piston mobil ;
motoare cu carcasă mobilă și piston fix .
Deplasarea subansamblului mobil se poate realiza:
– sub efectul aerului sub presiune în ambele sensuri de mișcare; în acest caz se spune că motorul este cu dublă acțiune ; pentru deplasarea către dreapta se alimentează cu aer sub presiune camera din dreapta și se pune în legătură cu atmosfera camera din stanga, pentru deplasarea către stânga se alimentează cu aer sub presiune camera din stanga și se pune în legătură cu atmosfera camera din dreapta;
– sub efectul aerului sub presiune într-un sens, iar în celălalt sens:
sub acțiunea unui arc ;
sub efectul greutății proprii a ansamblului mobil, situație în care motorul trebuie să lucreze în poziție verticală;
sub acțiunea mecanismului antrenat;În acest caz se spune că motorul este cu simplă acțiune.
În cazul motoarelor cu dublă acțiune se pot întâlni două situații:
– când cele două suprafețe active sunt egale ; în acest caz se spune că motorul este cu tijă bilaterală sau că acesta este nediferențial; vitezele și forțele dezvoltate sunt egale dacă alimentarea celor două camere active se face în aceleași condiții (același debit și aceeași presiune);
– când cele două suprafețe active sunt diferite ; în acest caz se spune că motorul este cu tijă unilaterală sau că acesta este diferențial; pentru un asemenea motor viteza catre dreapta < viteza catre stanga și forta de avans > forta de revenire,atunci când alimentarea celor două camere se face în aceleași condiții. Una dintre problemele ce apar la aceste motoare este cea a opririi la capetele de cursă.Aici, în urma impactului dintre ansamblul mobil și capace, apar șocuri mecanice care solicită dinamic elementele constructive ale motorului.
Pentru alegerea cilindrilor trebuie mai întâi precizate:
–forța ce trebuie dezvoltată de motor;
–viteza de deplasarea;
–cursa;
–modul de montare a motorului în structura mecanică și restricțiile privind gabaritul și greutatea motorului.
2.1.2.Comanda motoarelor pneumatice [12]
Pentru a putea comanda motoarele pneumatice vom utiliza distribuitoarele pneumatice care au rolul de a dirija aerul comprimat pe anumite trasee în funcție de comenzi primite din exterior. În cadrul sistemului nostru de acționare distribuitorul are în primul rând sarcina de a realiza inversarea sensului de mișcare al organului de ieșire al motorului și în anumite situații de a realiza oprirea acestuia. Acest tip de distibuitoare se mai numesc și distribuitoare principale (DP).
Un distribuitor cuprinde doua elemente :
Un organ de distributie ;
Un organ de comanda.
Numim mod de comanda sistemul care permite punerea in pozitie a organului de distributie.Fiecare pozitie corespunde deci unui mod de comanda. Modul de comanda pentru fiecare pozitie va fi definit printr-un simbol plasat in fiecare extremitate a simbolului organului de distributie.
Pentru actionarea distribuitoarelor exista diferite moduri de comanda:
a)comanda pneumatica;
b)comanda electrica directa;
c)comanda electropneumatica;
d)comanda manuala;
e)comanda mecanica.
Avem mai multe posibilitati de comanda a unui distribuitor,principalele fiind:
Fig.2.50.Simbolizarea comenzilor distribuitoarelor.
Comanda pneumatica : recomandata in atmosfera explosiva, umeda sau agresiva.Acest tip de pilotare este posibil chiar si cu o parte de comanda electrica datorita interfetelor electropneumatice in carcasa protejata.
Comanda electrica : deplasarea clapetei distribuitorului este asigurata direct de un electromagnet. Se foloseste mai ales la cilindrii mici, ventuze si interfete electropneumatice. La alegerea unuia dintre tipurile de comanda este recomandat sa se verifice timpul de comutatie care este o caracteristica importanta.
Comanda electropneumatica : deplasarea sertarului distribuitorului este asigurata prin aerul comprimat, care este admis prin intermediul unei mini-electrovalve cu clapeta. Acest tip de comanda este cel mai raspandit deoarece este adaptat la parti de comanda electrice consumand putin curent.
Fig.2.51.Exemple de comenzi ale distribuitoarelor.
Pentru sistemul pneumatic al temei de studiu vom utiliza cate doi cilindrii (unul pentru deplasarea pe verticala si unul pentru deplasarea pe orizontala) pentru fiecare susbsistem in parte (a si b).Cilindrul orizontal este cu dubla actiune,deplasarea subansamblului mobil facandu-se sub presiunea aerului in ambele sensuri de miscare,iar cel vertical este cu simpla actiune.Intr-un sens deplasarea rezulta ca efect al introducerii aerului sub presiune,iar in celalalt sens se deplaseaza sub efectul propriei greutati. Deoarece nu dispunem de o retea de aer comprimat,vom utiliza un compresor de aer ca si generator energetic.Pentru comanda cilindriilor pneumatici am ales pentru deplasarea pe orizontala si verticala un distrubuitor de tip 5/2 cu,comanda prin electromagneti si revenire cu arc (a) ,iar pentru comanda prehensorului un distribuitor 3/2 comandat electromagnetic si revenire cu arc (a) .
Fig.Distribuitoarele sistemului pneumatic S1: 5/2-a si 3/2-b.
2.1.3.Prehensorul pneumatic
Prehensorul pneumatic este un tip specific de actuator pneumatic, care implică,mișcări paralele sau unghiulare a unor suprafețe (fălci de scule sau degete), ce prind un obiect. Atunci când este combinat cu alte componente pneumatice, electrice sau hidraulice, prehensorul poate fi utilizat ca parte a unui sistem de manipulare, care permite preluarea si plasarea în altă parte a unei piese.Unele tipuri de prehensoare actionează direct asupra obiectului ce urmează a fi manipulate, actiune bazată pe forța presiunii aerului furnizat către prehensor, în timp ce alte prehensoare folosesc mecanisme, cum ar fi mecanisme cu roti dintațe sau mecanisme tip bielă manivelă.Prehensoarele diferă și prin mărimea cursei de deschidere, cantitatea de forța aplicata și prin forma suprafețelor de prehensiune.Sunt folosite pentru manipularea diverselor piese, de la marimea unor piese de circuit (tranzistori sau chip-uri) până la piese grele si voluminoase (cum ar fi blocul motor de la mașină).
Tipul maxilarului utilizat de către prehensor are un rol important în determinarea forței necesare într-o aplicație de prindere. Există două tipuri de maxilare, care manipulează obiectele fie datorită forțelor de frecare dintre obiect si falcă; fie prin cuprinderea obiectului. (Fig. 3.5).Maxilarele pentru fricțiune se bazează exclusiv pe forța de prindere a prehensorului pentru a menține un obiect. Fălcile de cuprindere facilitează o stabilitate sporită prin cuprinderea obiectului. Acest tip de prehensiune este preferat pentru rezistență și stabilitate, dar suma pe care falca cuprinde partea trebuie să fie scăzută din cursa utilizabilă
Fig. 3.5 Tipuri de prehensiune.
.O regulă generală pentru tipul de prehensiune prin frecare este aceea că prehensiunea prin frecare necesită forțe de până la 4 ori mai mari pentru a manipula un obiect, în comparație cu prehensiunea cuprinzătoare.
2.1.4.Exemple-Actionari Pneumatice
1.Cu doi cilindrii
Fig.2.53.Sistem de actionare pneumatic cu doi cilindrii cu revenire pe arc.
Tipul distribuitorului:
-5/2;
-pilotat;
-actionare manuala si pneumatica/electrica pe partea stanga;
-revenire cu arc;
-debitul nominal standard 60 l/min.
Pompa:
-1000 l/min (debit);
-0.6 Mpa (presiune).
Functionare:
Fig.2.55.Etapa 1-se apasa butonul de start (S).
In faza initiala pistonul cilindrului C2 este mentinut la capatul din dreapta de o presiune de 0.60Mpa.Dupa apasarea butonului de start (S) din schema electrica,releul contactorului K1 va fi alimentat,rezultand inchiderea contactului K1 (fig.2.56).
Fig.2.56.Inchiderea contactului K1. Fig.2.57.Deplasarea pistonului C1 spre dreapta.
Dupa inchiderea contactului K1,releul electromagnetului E1 va fi alimentat,astfel electromagnetul E1 din schema pneumatica va actiona distribuitorul,mutand comanda pe camera 1 a distribuitorului,aerul va intra cu presiune pe calea 4 in cilindrul C1 si astfel pistonul cilindrului C1 se va deplasa pana in capatul din dreapta,iar presiunea din cilindrul C2 incepe sa scada spre 0 (fig.2.57).
Fig.2.58.Revenirea pe arc a pistonului cilindrului C2.
Cand pistonul din stanga ajunge la capat de cursa,presiunea in cilindrul din dreapta ajunge la 0,astfel ca pistonul acestuia va reveni in pozitie de repaus (revenire pe arc) (fig.2.58).
2.Cu un cilindru
In pozitia initiala (v=0 m/s) pistonul se afla pe microlimitatorul ML3,fiind astfel indeplinita prima conditie din schema electrica,ceea ce duce la alimentarea releului K1 .
Fig.2.60.Etapa 1 – Initializare.
Alimentarea releului K1 produce inchiderea contactului K1,alimentandu-se astfel releul electromagnetului E1.In schema pneumatica acest lucru insemnand ca E1 comanda trecerea distribuitorului 1 pe camera din stanga,introducand aerul sub presiune pe calea 2 prin droserul variabil,care se va deschide la nivelul de 50%,lasand sa treaca un debit standard,pornind deplasarea pistonului spre dreapta.La inceperea deplasarii spre dreapta,contactul ML3 de pe linia 4 din schema electrica se va deschide si se va inchidel cel de pe linia 7 (fig.2.61).
Fig.2.61.Etapa 2 – Deplasarea pistonului spre dreapta.
La ajungerea pe microlimitatorul ML1 contactul acestuia se va inchide,alimentand releul contactorului K2,ceea ce va produce inchiderea contactului K2.Inchiderea contactului K2 va alimenta releul electromagnetului E2. Viteza de deplasare a pistonului scade la atingerea microlimitatorului ML1.Electromagnetul E2 va comanda mutarea distribuitorului 2 pe camera din stanga (fig.2.62).
Fig.2.62.Etapa 3-Ajungerea pistonului pe microlimitatorul ML1.
Dupa ce pistonul trece de microlimitatorul ML1,contactul acestuia din schema electrica se va deschide,iar viteza de deplasare a pistonului va creste pentru ca debitul aerului va fi mult mai mare,nemaifiind limitat de trecerea prin drosel (fig.2.63)
Fig.2.63.Etapa 4-Cresterea vitezei de deplasare.
Viteza de deplasare a pistonului va creste pana cand ajunge pe microlimitatorul ML2 (fig.2.64).In acel moment contactul ML2 din schema electrica se va deschide intrerupandu-se alimentarea circuitului (ML2-are rolul butonului de stop),iar viteza va fi 0.
Fig.2.64. Etapa 5-Ajungerea la capat de cursa pe ML2.
Cand pistonul ajunge la capat de cursa in partea dreapta a cilindrului,incepe revenirea pe arc.Cele doua distribuitoare comuta pe camera din dreapta prin actionare pe arc,aerul fiind eliminat prin orificiul 3 al distribuitoarelor in rezervor,pe calea pe care aerul a urcat in cilindru (2).Etapele sunt asemenatoare celor de avans,dar intr-o ordine inversa si se ajunge pana ce pistonul revine pe microlimitatorul ML3 (capat de cursa),unde viteza va fi 0 (fig.2.66),moment in care ciclul o va lua de la capat (circuit in bucla inchisa),fiind reindeplinita conditia initiala (fig.2.60).
Fig.2.65.Revenirea(pe arc). Fig.2.66.Revenirea la pozitia initiala.
2.2.Actionarea subsistemului de control al miscarii pe trei axe (S2).
Fig.2.1.Schema cinematica a sistemului S2,cu deplasarile pe cele trei axe : X,Y,Z.
Pentru a realiza miscarile pe cele trei axe ale sistemului S2,tipul de actionare folosit va fi actionarea electrica (pentru deplasarile pe axele X si Y) si actionarea pneumatica (pentru deplasare pe axa Z – la fel ca la sistemul S1).
2.2.1.Actionari electrice
Scop: conversia electronica a energiei pentru un anumit proces tehnologic.
Utilizare: cand precizia impusa este una ridicata.
Componenta de baza: convertorul electromecanic,motorul electric ( cu miscare de rotatie sau translatie ).
Motorul electric: transforma energia electrica in energie mecanica,lucru mecanic,forte si deplasari,cupluri de rotatie si unghi de rotatie.
Parametrii fizici ai proceselor industriale: deplasarea,viteza si acceleratia.
Fig.2.1.1.Masina electrica de actionare (MEA) si procesul industrial (PI).
Fig.2.1.2.Comanda actionarii electromecanice (AEM).
O actionare electromecanica se bazeaza pe un dispozitiv de comanda (DC) prin intermediul caruia se prescrie valoarea dorita pentru marimea vitezei din proces, figura 2.1.2.Actionarea electromecanica, AEM are în componenta sa masina electrica de actionare, motorul electric, actuatorul.
O masina electrica de actionare (MEA), dupa ce este alimentata la tensiunea nominala de lucru specificata în documentatie, poate porni în gol sau în sarcina. Când porneste în gol la axul sau va apare un cuplu rezistent determinat de frecarile în lagarele motorului, frecarile rotorului cu aerul din zona întrefierului (spatiul dintre rotor si stator), de elicea care are rolul de a ventila si raci motorul.Pentru realizarea preciziei este necesara o transmisie de tip surub cu bile,fara jocuri mecanice si cu un coeficient de frecare redus.[3]
Fig.2.1.3.Actionare electrica si transmisie prin surub cu bile.
Pentru actionarea electrica a sistemului S1 putem folosi mai multe tipuri de motoare electrice:
-motorul de curent continuu (MCC) cu perii;
-motorul de curent continuu fara perii (MCC brushless);
-motorul de curent continuu pas cu pas (MPP).
2.2.2.Motorul de curent continuu(MCC) cu perii (Brushed DC motors).
Fig.2.1.4.Motorul de curent continuu cu colector.
Avantaje:
-una dintre cele mai utilizate masini de actionare electrica reglabila si de pozitionare;
-viteza variabila;
-simplitate in comanda si control;
Dezavantaje:
-costul relativ ridicat de fabricatie si intretinere (datorat uzurii colctorului si a periilor);
-pericol de functionare in medii inflamabile sau cu pericol de explozie.
Constructia si functionarea MCC
Au constructie similara cu generatoarele de curent continuu si pot fi descrise ca generatoare care „functioneaza invers”. Când curentul trece prin rotorul unui motor, este generat un câmp magnetic care genereaza o forta electromagnetica, si ca rezultat rotorul se roteste.Actiunea periilor colectoare si a placutelor colectoare este exact aceiasi ca la generator, figura 2.1.4. Rotatia rotorului induce un voltaj în bobinajul rotorului.Acest voltaj indus are sens opus voltajului exterior aplicat rotorului. În timp ce motorul se roteste mai rapid, voltajul rezultat este aproape egal cu cel indus. Curentul este mic, si viteza motorului va ramâne constanta atât timp cât asupra motorului nu actioneaza nici o sarcina mecanica, sau motorul nu efectueaza alt lucru mecanic decât cel efectuat pentru învârtirea rotorului. Când asupra rotorului se aplica o sarcina mecanica, voltajul va fi redus si prin rotor va trece un curent mai mare. Astfel, motorul este capabil sa absoarba un curent mai mare de la sursa care îl alimenteaza, si astfel sa efectueze un lucru mecanic mai mare.
In momentul de repaus al rotorului , la nivelul axului nu apare nici o rezistenta mecanica, iar daca este alimentat la potential normal, prin rotor va trece un curent mare, ceea ce ar putea duce la avarierea periilor colectoare sau a motorului. Pentru a preveni aceste accidente se foloseste o rezistenta în serie , la început, împreuna cu rotorul, pentru a limita curentul pâna când motorul începe sa dezvolte un curent suficient. Pe parcurs ce motorul prinde viteza, rezistenta devine redusa treptat, eliminarea acestor rezistente din rotor se poate face fie manual,fie automat.Viteza cu care un motor de curent continuu functioneaza, depinde atat de puterea câmpului magnetic care actioneaza asupra rotorului, cât si de curentul rotorului. Cu cât câmpul magnetic este mai intens, cu atât variatia turatiei rotorului este mai mica si tensiunea contra electromotoare este mai mica. Din acest motiv viteza motoarelor cu curent continuu poate fi controlata prin variatia câmpului. Caracteristica mecanica a masinii de curent continuu poate fi rigida sau elastica.
Fig.2.1.5.Schema electrica echivalenta.
U – tensiunea de alimentare;
– tensiunea contraelectromotoare;
I – curentul prin înfășurare;
R – rezistența înfășurării;
L – inductanța înfășurării.
Dezavantajul acestui tip de motor 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.
2.2.3.Motorul de curent continuu fara perii (brushless DC motors).
Fig.2.1.6.Motorul de curent continuu fara perii.
Avantaje:
-comutarea “fara scantei de perii”;
-durata de viata mai mare;
-lipsa dispozitivului electromecanic,colector si perii,inlatura limitarea vitezei maxime dictata de incalzirea periilor colectoare;
-dimensiuni mai reduse si mai compacte;
-precizie si forta mare;
-nu exista de forta de frecare,deci avem cuplu si viteza mai mare si racire mai buna.
Dezavantaje:
-control mai complex (necesita existenta unui controller mult mai complicat)
-transmiterea smnalelor in bobine se face cu ajutorul senzorilor Hall (senzori activi care necesita alimentare cu energie electrica),care se pot intrerupe.
-costuri mai mari.
Motorul de c.c. fără perii este definit, ca fiind un motor sincron cu magneți permanenți, pentru care tensiunea contra-electromotoare are o formă trapezoidală.Acest motor are bobinele din cupru plasate pe stator,iar rotorul sau contine o serie de magneti permanenti.Motorul este alimentat cu trei forme de unda diferite care genereaza in stator un camp magnetic.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.Transferul de căldură poate fi activat și prin ventilarea motorului.
Eliminarea comutatorului mecanic și a înfăsurării 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 MCC convențional.In loc de perii si un comutator,o placa de circuit mica coordoneaza livrarea de energie la infasurari.
Comanda MCC cu perii.
In cazul masinii de curent continuu cu excitatie permanenta (magnet permanent) schimbarea sensului se realizeaza prin schimbarea polaritatii tensiunii de alimentare a rotorului, acesta fiind alimentat de la o singura sursa, figura 2.1.7.
Fig.2.1.7.Schimbarea sensului de rotatie a MCC alimentat de la o sursa.
Când comutatorul A este pe pozitia 1 iar B pe pozitia 2 motorul se roteste într-un sens iar când A este 2 si B este 1 rotorul se va roti în sens invers.[15]Datorită faptului că aceste motoarele necesită o intensitate a curentului semnificativă pentru a produce mișcare, ele nu pot fi conectate direct la ieșirile (pinii) unui microcontroller. Se impune separarea semnalelor de comandă de circuitul de putere, și acest lucru se realizează prin folosirea puntilor H (“H bridges”).[16]
O punte H este un circuit electronic ce permite aplicarea unei tensiuni pe o sarcină în orice sens. Aceste circuite sunt adesea folosite în robotică și alte aplicații pentru a permite motoarelor de curent continuu să ruleze înainte și înapoi. Punțile H sunt disponibile ca circuite integrate sau pot fi construite din componente discrete, tranzistoare bipolare sau MOS.[17]Punțile H conțin 4 comutatoare (de obicei tranzistori), numerotate S1, S2, S3 si S4 (figura 2.1.8).
Fig.2.1.8.Punte H: S1-S4 sunt comutatoarele,iar M – motorul.
Fig.2.1.9.Starile posibile ale comutatoarelor.[17]
Denumirea de punte „H” vine de la aspectul schemei din figura de mai sus. Porțile din stânga sus (S1) și dreapta jos (S4) sunt de obicei conectate la un semnal de control comun (“A”), în timp ce porțile din dreapta sus (S3) și stânga jos (S2) sunt conectate la un al semnal de control comun, (“B”). Semnalele A și B sunt exclusive, activarea unuia cauzând rotatia motorului într-un anume sens. Activarea ambelor semnale în același timp va scurtcircuita sursa de alimentare. Cele două stări permise ale comutatoarelor unei punti H sunt ilustrate mai sus în figura 2.1.9 :Prin deschiderea comutatoarelor S1 și S4 motorul se va roti într-o direcție, iar dacă vom deschide comutatoarele S2 și S3 motorul se va roti în directia opusă.[16]
În cazul alimentarii de la doua surse separate se simplifica schema le alimentare,în schimb apar conditii de interblocare pentru evitarea scurtcircuitarii surselor. O sursa va asigura un sens de rotatie iar cealalta alt sens de rotatie, figura 2.1.10.
Fig.2.1.10.Alimentarea MCC de la doua surse.
În cazul comutatiei prin tranzistori baza acestora se va comanda cu curenti de valori mici în timp ce prin circuitul de colector vor trece curentii corespunzatori cuplului mecanic de la axul motorului. În acest caz tranzistorul se comporta ca si un comutator.
Fig.2.1.11.Comanda prin tranzistori a MCC.
Sarcina poate fi asezata în colectorul sau în emitorul tranzistorului, figura 2.1.11.Comutatia o poate asigura un transistor PNP sau NPN. [15]
2.2.4.Motorul pas cu pas (MPP).
Fig.2.1.12.Motor pas-cu-pas Fig.2.1.13.Componentele motorului pas-cu-pas
Utilizarea MPP conferă următoarele avantaje:
– Rotatia unghiulara a motorului este proportionala cu pulsul electric aplicat;
– Motorul are moment maxim în pozitia oprit daca bobinele sunt alimentate;
– Pozitionare precisa, cu o eroare de 3-5% la un pas, care nu se cumuleaza de la un pas la altul;
– Raspunsuri excelente la pornit/oprit/schimbarea directiei de rotatie;
– Fiabilitate excelenta deoarece nu exista perii de contact la motor, deci durata de functionare depinde de rulment;
– Posibilitatea de a obtine viteze foarte mici cu sarcina legata direct pe axul motorului;
– Gama foarte larga de viteze de rotatie;
Dezavantaje:
– Randament energetic scăzut;
– Putere dezvoltată la arbore de valoare redusă;
– Viteză de rotație relativ scăzută(control greoi la viteze foarte mari).
– Rezonanța poate apărea in cazul unui control deficitar.
Este un convertor electromecanic care realizează transformarea unui tren de impulsuri digitale într-o mișcare proporțională a axului său (miscari mecanice discrete). Mișcarea rotorului MPP constă din deplasări unghiulare discrete, succesive, de mărimi egale și care reprezintă pașii motorului. Numărul pașilor efectuați trebuie să corespundă cu numărul impulsurilor de comandă aplicate fazelor motorului.Un pas este definit ca fiind rotația unghiulară a axului motorului la aplicarea unui impuls de comandă (trecerea de la o poziție la alta).Un “pas unghiular“ reprezintă rotația axului motorului la fiecare pas, și se măsoară in grade.
Modul de funcționare al motorului pas cu pas:
Când bobina este alimentată apare un flux magnetic în stator.Direcția fluxului poate fi determinată folosind “regula mâinii drepte”.Prin “energizarea” în secvența corectă a bobinelor statorului,motorul va efectua rotația dorită.Polul reprezintă acea regiune din corpul magnetizat în care densitatea de flux magnetic este concentrată.Atât rotorul cât și statorul unui motor pas cu pas au poli.Tipuri de conducere a motoarelor pas cu pas în funcție de modul de alimentare a fazelor:
-pas întreg;
-jumătate de pas;
-micropășire.
Motorul pas cu pas este foarte utilizat în aplicații datorită acurateței și repetabilității.Acuratețea unui motor depinde în mare parte de părțile sale mecanice și nu de cele electrice.Performanta unui motor pas cu pas depinde foarte mult de parametrii mecanici ai sarcinii.Sarcina reprezinta acel lucru ce este actionat de catre motor.Sarcina (incarcarea motorului) apare de obicei datorita frecarii sau inertiei (sau combinatia celor doua).
Frecarea reprezinta rezistenta opusa miscarii datorata asperitatii suprafetelor care se ating una de alta si este proportionala cu viteza.Pentru a efectua un pas este necesar un moment cel putin egal cu frecarea.Cresterea sarcinii duce la cresterea frecarii,a acceleratiei si a erorii de pozitie si la scaderea vitezei.
Inertia poate fi definita ca fiind opozitia schimbarilor de viteza.O sarcina cu inertie mare are nevoie de un moment inertial mare atat la pornire cat si la oprire.O sarcina inertiala mare va creste stabilitatea vitezei si timpul necesar ajungerii la viteza dorita si va scadea rata de porniri/opriri pe unitatea de timp.Rotorul va realiza oscilatii odata cu cresterea/scaderea sarcinii inertiale si/sau frecarii.Acest lucru poate fi redus prin amortizare mecanica sau prin amortizarea acestor oscilatii pe cale electrica prin schimbarea din modul de pasire intreg in modul de pasire jumatate de pas.
Cand motorului ii este aplicat un impuls electric,rotorul realizeaza o miscare unghiulara (fig.2.1.14).Timpul ”t” reprezinta timpul necesar rotorului sa se roteasca cu un pas odata ce un impuls electric a fost aplicat.Acest timp este dependent de raportul dintre moment si sarcina .Din moment ce cuplul este o functie de deplasare rezulta ca acceleratia va fi si ea dependenta de deplasare.Timpul “T” este timpul necesar pentru amortizarea acestor oscilatii.
Comanda motoarelor pas cu pas [4]
Pentru comanda motorului avem nevoie de comutatoare care sa asigure o anumita secventa pentru curentii care circula prin bobine. Diodele sunt necesare pentru a elimina energia înmagazinata în câmpul magnetic creat de bobina, în situatia în care comutatorul se întrerupe (asigura cale de circulatie a curentului, deoarece curentul prin bobina nu trebuie întrerupt brusc).Pentru comanda alimentării înfășurărilor statorice există mai multe posibilități:
a)Comandă bipolară (pas întreg, excitație normală): cele două bobine sunt permanent alimentate, cuplul ce se obține are valoarea optimă;
Fig.2.24.Comanda MPP in conexiune bipolara serie.
Fig.2.25.Comanda MPP in conexiune bipolara paralela.
În prezent cele mai folosite comutatoare pentru comanda MPP in conexiune bipolara sunt:
– tranzistoarele bipolare în cazul motoarelor de mica putere, unde curentii sunt mici si tensiunea de alimentare este mica
– tranzistoarele MOS în cazul motoarelor de putere mare, unde curenti sunt mari si tensiunea de alimentare este mica (pâna în 100 V)
– tranzistoarele IGBT în cazul motoarelor de putere mare, unde curenti sunt mari si tensiunea de alimentare este mare (peste în 300 V)
Pentru motoarele de putere mica se gasesc circuite integrate care asigura comanda si controlul motorului, singure sau prin interfatare cu un microprocesor / microcontroler.
Fig.2.26.Modul de comanda simpla pentru motorul pas cu pas bipolar
Pentru motorul bipolar se asigura curent în ambele sensuri prin bobinele motorului. În felul acesta se poate crea atât polul nord cât si polul sud la capatul dinspre rotor al bobinei.Bobinele sunt grupate doua câte doua, fiind legate fie în serie fie în paralel.
b)Comandă unipolară (pas întreg, excitație cu undă plină): una dintre cele două bobine este alimentată, cuplul este mai mic dar comanda este mai simplă;
Fig.2.27.Comanda MPP in conexiune unipolara-schema electrica.
Aceasta este varianta cea mai simpla pentru schema electrica a circuitului de forta pentru comanda motorului pas cu pas unipolar. Se asigura curent doar într-un sens prin fiecare bobina daca este închis comutatorul asociat. Când comutatorul se deschide curentul bobinei respective continua sa circule prin dioda de "drum liber" pâna se elimina energia înmagazinata în câmpul magnetic al bobinei. Acest circuit se foloseste în cazul alimentari cu tensiune nominala.
Bobina activata creeaza un camp magnetic echivalent unui magnet ce are polul nord spre rotor. Polul nord creat de bobina atrage polul sud al magnetului din rotor (vârful acului).La primul pas este activata bobina A, polul sud al magnetului fiind orientat spre bobina A.Daca dorim ca motorul sa se roteasca în sens orar la urmatorul pas se activeaza bobina B si se dezactiveaza bobina A, motorul se roteste în sens orar cu un unghi de 90ᵒ. Daca dorim sa se roteasca în sens antiorar la urmatorul pas se activeaza bobina D si se dezactiveaza bobina A.
Secventa pentru sens orar va fi: A-B-C-D, iar pentru sens antiorar secventa va fi A-D-C-B, dupa cum se poate vedea si în figura urmatoare.
Fig.2.28.Pasirea normala,secventa simpla.
c)Comandă mixtă (jumătate de pas): combinație între cele două.În cazul comenzii în secventa mixta, pasul va fi de 45ᵒ, o rotatie completa se efectueaza în opt semipasi. Cuplul dezvoltat nu este constant pentru acest tip de comanda.
d)Comandă în „micropași”: bobinele sunt alimentate cu,curent variabil, motorul se rotește cu „micropași”, aproape continuu, ca un motor sincron.
2.2.5.Controlul MCC.
Controlul motoarelor de curent continuu se poate realiza prin mai multe metode,in functie de tipul fiecarui motor (cu perii,brushless,pas cu pas,etc).In continuare va fi prezentata o scurta descriere a modurilor in care pot fi controlate aceste motoare :
a) Sisteme de control in bucla inchisa – utilizate pentru controlul motoarelor de curent continuu cu perii.Sunt sisteme in care variabila de control de iesire depinde (dupa o functie oarecare) de variabila de intrare.Functia de dependenta a variabilei de iesire determina tipul sistemului (proportional, integrativ, derivativ, etc.).Procesul de reglare a iesirii fata de intrare se face prin compensarea variabilei de intrare cu o valoare de referinta.
Fig.Schema bloc a unui sistem de control in bucla inchisa.
Sistem de control in bucla inchisa = reglare – comanda sau acțiune asupra sistemului comandat care depinde în permanență de măsurarea variabilei comandate.
Bucla de reglare se definește ca un ansamblu de elemente conținând elementul de comparație, calea directă corespunzătoare și calea de reacție corespunzătoare. Reglarea este utilizată în combinație cu servomotoare de curent continuu (sau de curent alternativ) și un traductor de deplasare (sau de rotație). Traductoarele de rotație (encoder-e) se numesc resolver-e și sunt montate pe axul motorului sau la celălalt capăt al axei. Un resolver transformă poziția unghiulară într-un semnal electric, care este transmis la controller.Traductoarele de deplasare se montează paralel cu axa. Pe traductor poate culisa un cursor care se fixează de sania mobilă a axei. Traductorul măsoară exact poziția sculei, și elimină astfel erorile datorate jocului dintre șurub și sanie (piuliță) și de asemenea erorile datorate uzurii șurubului. Poziția cursorului este convertită într-un semnal electric, transmis la controller.Primind informații de la traductoarele de poziție, controller-ul poate corecta imediat eroarea de poziționare prin comenzi către servomotoare.[24]
Fig.Structura unui sistem cu comanda in bucla inchisa.
Sistemele de reglare au în componență următoarele elemente principale:
– element de comparație: bloc funcțional cu două intrări și o ieșire, semnalul de ieșire fiind diferența între cele două semnale de intrare.
– elemente de reglare pe calea directă: destinate prelucrării semnalului de eroare;
– element de execuție: elementul de pe calea directă care acționează direct asupra variabilei comandate;
– elemente de reacție: elemente de pe calea de reacție a unui sistem automat;
– traductor de măsură: împreună cu elementele de reacție este destinat să transforme variabila reglată indirect într-un semnal de reacție de aceiași natură cu variabila de referință.[25]
Pentru monitorizarea continua a erorilor obtinute si pentru corectia acestor erori se utilizeaza un mecanism de feedback (controler) ce execută o buclă de control utilizat în mod obișnuit în sistemele de control industrial. Un regulator PID calculează continuu o valoare de eroare e (t) ca diferență între o valoare de referință dorită și o variabilă de proces măsurată și aplică o corecție bazată pe termeni proporționali, integrați și derivați (uneori denumiți P, I și respectiv D) care dau numele lor tipului de controler.Controlerul încearcă să minimizeze eroarea în timp prin ajustarea unei variabile de control u(t), cum ar fi poziția unei supape de control, a unui amortizor sau a energiei furnizate unui element de încălzire, la o valoare nouă determinată de o sumă ponderată:
u(t) = Kpe(t) + Ki + Kd;
Unde Kp, Ki si Kd, toate non-negative, denotă coeficienții pentru termenii proporționali, integrali și derivați, t este timpul,iar este variabila integrarii.
P reprezintă valorile actuale ale erorii.
I pentru valorile anterioare ale erorii.
D reprezintă posibile tendințe viitoare ale erorii, pe baza ratei actuale de schimbare.
Fig.2.58.Diagrama bloc a PID-ului.
Fig.2.59.Efectele constantelor de reglare ale unui regulator PID asupra raspunsului indicial al unui sistem in bucla inchisa.
Traductorul – reprezinta un dispozitiv care converteste un semnal de o anumita natura fizica intr-un semnal corespunzator avand o natura fizica diferita.
Fig.2.61.Structura generala a unui traductor.
ES(D) = element sensibil(senzor)/detector –> detecteaza marimea fizica pe care traductorul trebuie sa o masoare;
ET = element de transmitere(de transfer)
A = AD(adaptorul) –> modifica informatia obtinuta la iesirea detectorului la cerintele impuse de aparatura de automatizare,adica sa o converteasca sub forma impusa pentru semnalul de iesire y.
SEA = sursa de energie auxiliara.
Traductoarele de pozitie si deplasare reprezinta sistemul de masurare a deplasarii elementului mobil în sistemele de control al miscarii, organizate pe principiul sistemelor cu bucla de reactie.
Encoder-ul – Traductorul rotativ de pozitie este un encoder optic montat in cele mai multe cazuri pe capatul surubului cu bile. Encoderul este constituit din o sursa de lumina, un fotodetector si un disc care cuprinde o serie de fante. Cand surubul se misca, discul encoderului se roteste iar fotodetectorul inregistreaza o serie de impulsuri luminoase la trecerea luminii prin fantele discului. Aceste impulsuri luminoase sunt convertite intr-o serie de impulsuri electrice echivalente, care sunt trimise la controller, putand astfel determina pozitia si viteza .
In comparatie cu controlul in bucla deschisa, sistemul este similar, cu exceptia faptului ca valoarea unghilui unui pas este data de valoarea unghiului dintre doua fante consecutive de pe discul encoderului.Traductoarele de deplasare se montează paralel cu axa. Pe traductor poate culisa un cursor care se fixează de sania mobilă a axei. Traductorul măsoară exact poziția sculei, și elimină astfel erorile datorate jocului dintre șurub și sanie (piuliță) și de asemenea erorile datorate uzurii șurubului. Poziția cursorului este convertită într-un semnal electric, transmis la controller. Primind informații de la traductoarele de poziție, controller-ul poate corecta imediat eroarea de poziționare prin comenzi către servomotoare.[22]
O structură tipică de transmisie utilizată în componența axelor numerice este prezentată în figura 2.63. În figură se pot observa motorul electric de acționare, transmisia prin curele și transmisia de tip cuplă elicoidală cu elemente de rulare (șurub cu bile).
Componentele transmisiei mecanice au rigiditate finită, iar proiectarea și realizarea unor structuri cu rigiditate cât mai ridicată este o sarcină extrem de complexă și costisitoare. [22]O altă problemă, din aceeași categorie, este ridicată de metoda de măsurare utilizată pentru obținerea mărimii de reacție de poziție: măsurarea directă sau măsurarea indirectă.
Inductosynul liniar reprezinta un rezolver desfasurat în plan. Acesta este compus din doua parti: o rigla (cu rol de rotor), a carei lungime acopera domeniul de masurare, solidara cu elementul (elementul mobil) a carei deplasare o masoara si un cursor (cu rol de stator), aflat deasupra riglei (solidar cu batiul masinii sau utilajului). Între rigla si cursor este un cuplaj magnetic permanent, realizat prin intermediul spirelor din conductor electric prevazute în acest scop pe cele doua elemente ale traductorului într-o anumita forma si dispunere spatiala.
b)Sisteme de control in bucla deschisa – utilizat pentru controlul motoarelor pas cu pas. Bucla deschisă se definește,ca și cale de semnal fără reacție. Controlul unei axe in bucla deschisa presupune lipsa feedback-ului. Pentru a realiza o anumita deplasare, sistemul se bazeaza pe precizia motoarelor pas-cu-pas care antreneaza surubul cu bile. Axul motorului se roteste la un anumit unghi, in raspuns la numarul de impulsuri primite (figura 2.55.). Acuratetea sistemului depinde de abilitatea motorului de a realiza numarul exact de pasi.[23]
La motoarele pas-cu-pas, pe stator există două, patru sau cinci înfășurări (bobine) distincte. Rotorul este format din magneți permanenți. Alimentând cu,curent o bobină, rotorul se aliniază în direcție perpendiculară pe acea bobină, polul nord al magnetului permanent fiind orientat către polul sud al electromagnetului (bobină parcursă de curent într-un anumit sens). La un impuls provenit de la controller se comută curentul prin altă bobină a statorului, determinând astfel deplasarea rotorului cu un pas. [22]
Deoarece fiecare impuls este contorizat, controller-ul știe în permanență unde se află axa.Nu există posibilitatea de a verifica dacă motorul execută întradevăr un pas la fiecare impuls. În general nu se “pierd” pași decât dacă axa se blochează din cauze accidentale sau de avarie (coliziune). Precizia unui sistem cu motor pas-cu-pas și axă cu șurub poate atinge 0,01 mm – precizia unui pas. Cu reglare (sistem în buclă închisă) se poate obține o precizie cu un ordin de mărime mai mare, 0,001 mm. Sistemele de poziționare cu motoare pas-cu-pas se folosesc îndeosebi la construcția mașinilor CNC de mărime mică. Sunt simple și mai ieftin de întreținut.[22]
2.3.Banda de transport
Fig.Schema cinematica a benzii de transport.
Are rolul de a asigura transportul pieselor intre posturile de lucru din cadrul sistemului.Pornirea si oprirea benzii este influentata de cei patru senzori amplasati pe aceasta:
-senzorul de prezenta piesa,S1 – detecteaza prima piesa adusa de primul manipulator pneumatic al sistemului.In momentul in care piesa este detectata banda porneste,deplasandu-se de la stanga la dreapta,pana cand ajunge in dreptul urmatorului senzor;
-senzorul de prezenta piesa,S2 – determina oprirea benzii pana la indeplinirea unor conditii impuse in program.Dupa ce conditiile impuse au fost indeplinite banda porneste din nou in acelasi sens de deplasare;
-senzorul inductiv,SI – opreste banda doar daca piesa din dreptul senzorului este metalica,in caz contrar banda isi continua deplasarea;
-senzorul optic,SO – opreste banda in momentul in care piesa nemetalica ajunge in dreptul senzorului.,banda ramane oprita pana in momentul in care senzorul S1 da iar semnal.
Tipurile de senzori utilizati:
Fig.2.68.Senzorul de proximitate.
Senzorii de proximitate au rolul de a identifica prezenta elementelor mobile ale sistemelor aflate în miscare.Senzorii de proximitate au capacitatea de a sesiza prezenta unui obiect în dreptul lor si la o anumita distanta. Prezenta este transformata în semnal logic ce este transmis catre PLC. Semnalul oferit de senzor la iesirea sa este de fapt, intrarea în controler.
S1 si S2 – senzori de proximitate capacitivi.Apropierea obiectelor de zona sensibila a senzorului va efectua influente asupra câmpului electric al zonei active. În cazul senzorului capacitiv obiectul tinta va schimba caracteristicile unui dielectric.Prezenta obiectului în zona sensibila a senzorului capacitiv va avea ca efect cresterea amplitudinii semnalului.Efectul utilizarii senzorilor inductivi sau capacitivi, pentru controlerul logic programabil este acelasi, la intrarea controlerului, prezenta obiectului se percepe prin semnal de tensiune „1” logic.
Fig.2.70.Semnalul util al unui senzor capacitiv.
SI – senzor inductiv . În cazul senzorilor inductivi, obiectul identificat va fi metalic astfel încât acesta va produce întreruperea liniilor de câmp electromagnetic care va dezechilibra un oscilator. Rezultatul final va fi un semnal util logic „1”. Forma semnalului oferit de senzor este prezentata în figura.
Fig.2.67.Semnalul unui senzor de proximitate inductiv.
SO – senzor optic – sesizarea prezentei obiectului presupune întreruperea circuitului unei raze luminoase care parcurge traseul de la emitator spre receptor. Semnalele si forma acestora sunt prezentate în figura .
Fig.2.73.Senzorul optic-principiu de functionare.
2.3.1.Actionare banda transportoare
Pentru a actiona electric banda transportoare vom utiliza un motor electric asincron trifazat cu miscare de rotatie,deoarece este motorul cel mai utilizat în actionarile industriale datorita avantajelor pe care le are: simplitate constructiva, fiabilitate ridicata, pretul scazut si, începând cu anii 1980 acest tip de motor a beneficiat de aparitia microcontrolerului care a permis elaborarea de sisteme complexe de tip invertor prin care se poate realiza rapid si usor reglarea turatiei acestui tip de masina, precum si o multime de drivere care permit programarea în limite largi si controlul parametrilor de iesire: turatie si cuplu.Denumirea de asincron vine de la diferenta dintre frecventa de rotatie a rotorului si frecventa câmpului magnetic învârtitor. Acest tip de motor se construieste în variante: cu rotorul bobinat si cu rotorul în scurtcircuit.
Motorul asincron cu rotorul în scurtcircuit este mai simplu si mai fiabil deoarece nu are sistemul de perii colectoare, în schimb are raportul putere gabarit mai mic decât motorul cu rotorul bobinat. Acesta din urma are putere mai mare.
Comanda MAS
Un motor asincron se alimenteaza prin conectarea la reteaua trifazata cu ajutorul unor elemente care formeaza circuitele de protectie si alimentare. Aici gasim sigurante fuzibile, relee de protectie magneto-termice, întreruptoare manuale, contactoare sau relee, relee de protectie termica. Pentru automatizarea actionarilor cu reglarea turatiei motorului aici este necesar sa avem un sistem invertor. Invertorul permite interfatarea cu sistemul de automatizare prin intrarile digitale si analogice pe care le are si se poate conecta in retelelede calculatoare prin protocoale de comunicatie consacrate.
Comenzile externe pot fi setate direct de la nivelul invertorului sau prin sistemul de automatizare: microcontroler sau controler logic programabil.Alimentarea si pornirea masinii asincrone pentru functionare într-un singur sens se poate realiza prin metode clasice, pe baza unui element de comutatie electromecanic de tip contactor sau releu, K1, figura 2.32.Conexiunea la reteaua de alimentare se realizeaza prin intermediul unui grup de sigurante fuzibile, e1. Acestea asigura protectia la curenti intensi de scurta durata. Contactorul K1 este elementul de automatizare, prin intermediul sau este posibila comanda de la distanta, automentinerea si protectia la suprasarcina a masinii asincrone.
Fig.2.32.Pornirea intr-un sens a MAS.
Automatul de pornire si comanda permite comanda de la distanta, separarea circuitului de forta de circuitul de comanda sau subordonarea comenzii motorului respectiv elementelor de protectie cum este releul termic e2. Daca în serie cu contactul normal deschis, de automentinere, 1K1 se interpune un contact normal deschis, K pe care-l putem comanda de la distanta atunci automatul respectiv devine „slave” fata de un „master”. Acel contact normal deschis aflat în serie cu 1K1 ar permite functionarea motorului în regim de „durata” sau în regim de „impulsuri”.Când K va fi deschis automatul va functiona în impulsuri, când K va fi închis, automatul va functiona pe durata determinata de comanda STOP. Contactul normal deschis K va putea sa apartina unui sistem de comanda de la nivelul liniei tehnologice careia este subordonata masina respectiva.Oprirea functionarii motorului se poate realiza prin apasarea butonului „STOP” sau prin deschiderea contactului normal închis al releului termic e2.
În cazul motorului asincron care poate fi pornit în doua sensuri, circuitul de forta se bazeaza pe doua contactoare K1 si K2. Schimbarea sensului de rotatie a motorului asincron trifazat se realizeaza prin schimbarea a doua faze între ele. Protectia la suprasarcina se realizeaza cu ajutorul releului termic e2. Automatul de pornire, neprogramabil, rigid, trebuie sa îndeplineasca urmatoarele functii: automentinerea functionarii într-un sens sau altul prin contactele normal deschise ale contactoarelor 1K1, respectiv 1K2, interblocarea functionarii simultane a contactoarelor K1, K2 prin interpunerea a câte un contact normal închis, 2K2 în circuitul lui K1, respectiv 2K1 în circuitul contactorului K2. Ca si în cazul automatului pornirii într-un sens, a masinii asincrone si automatul pornirii în doua sensuri asigura comanda de la distanta, separarea circuitelor, de forta de circuitul de comanda, oprirea de urgenta si protectia la suprasarcina.
Fig.2.33.Pornirea in doua sensuri a MAS.
2.4.Controlul sistemului mecatronic cu ajutorul PLC-ului.
Pentru controlul intregului sistem creat ( prelucrarea informatiilor primite si generarea comenzilor ) este necesara utilizarea unui automat logic programabil (PLC). Acesta este adaptabil pentru functionarea in mediul industrial,poate opera intr-o plaja larga de temperatura si umiditate,este usor adaptabil la interfatarea cu orice proces si nu ridica probleme deosebite privind formarea personalului de deservire datorita facilitatilor de programare oferite.Automatul programabil functioneaza doar daca are o secventa de instructiuni salvata in memorie (aceasta secventa de instructiuni constituie programul).
PLC-ul executa programul incepand de la prima linie (din stanga sus-“Top rung”),de la stanga la dreapta pana la ultima (“Bottom rung”) si apoi se reia acest ciclu,numit scanare.Ciclul incepe cu citirea intrarilor si apoi executarea programului si se incheie cu modificarea iesirilor.Programul principal contine subrutine si intreruperi de program ( de exemplu,daca dorim ca instalatia sa realieze o anumita sarcina la pornire,putem folosi o subrutina).
Intrarile din proces sunt realizate sub forma diverselor elemente de comanda si masurare incluse in sistemele operationale si auxiliare ale instalatiilor automatizate (butoane,limitatoare de cursa,comutatoare,etc.).
Fig.Intrari si iesiri PLC.
Iesirile dirijeaza actionarea elementelor de executie de tipul releelor,contactoarelor,lampilor de control,eletro-valvlor,etc.
Pentru programarea unui controler logic programabil (PLC) se pornește de la definirea intrărilor ca tip și evoluție. Intrările unui PLC pot fi de tip digital: „0” sau „1” sau de tip analogic, ca nivel de tensiune, de obicei cu gamă cuprinsă între 0 și 10V curent continuu (DC).În cazul intrărilor digitale nivelul logic „1” este determinat de valoarea tensiunii de alimentare a controlerului logic programabil. Dacă tensiunea de alimentare a PLC este de 24 V DC atunci valoarea pentru „1” logic pe intrări va fi de 24V DC. Dacă tensiunea de alimentare a PLC-ului este de 12V DC atunci și valoarea tensiunii pentru activarea intrărilor va fi de 12 V DC. Senzorii de proximitate care activează intrările unui PLC au gama tensiunii de alimentare cuprinsă între 10 V și 30 V DC.Înainte de automatele programabile, controlul, secvențierea și siguranța logica de inter-blocare pentru fabricarea de automobile a fost compusă în principal din relee, cronometre cu came, secventiometrele cu tambur controlere dedicate cu bucla inchisa. Insa se ajungea la folosirea a sutelor sau chiar miilor de astfel de componente, lucru ce ingreuna procesul de actualizare sau de schimbare a liniilor de asamblare, pe langa costul ridicat.
Configurarea Bardware presupune alegerea PLC-ului, a sursei de alimentare, elementelor care activeaza intrarile precum si a elementelor prin care se corecteaza procesul: actuatori electromecanici, electromagneți, contactoare, relee sau elemente care semnalizeaza starea procesului, semnalizatoare luminoase sau acustice.Numarul intrarilor si al iesirilor se stabileste de catre utilizator in funcție de complexitatea aplicației. Un PLC conține un numar de intrari si iesiri ca dotare de baza iar daca sunt necesare mai multe intrari sau iesiri se pot face extinderi prin conectare de module. Cu cat numarul acestora este mai mare cu atat se pierde din viteza de lucru a sistemului, timpul de scanare a tuturor intrarilor creste. In cazul automatizarii miscarilor, a deplasarilor, daca unitatea de baza are ca timp de ciclu, de scanare a intrarilor din modulul de baza de 3 ms atunci extinderea numarului de intrari nu poate afecta performanțele de ansamblu a sistemului, in cele mai multe din cazurile practice.
Limbajele de programare ale PLC pot fi :
Limbaje bazate pe text:
– Structured Text (ST);
– Instruction List (IL);
Limbaje grafice:
Ladder Diagram (LD)
Function Block Diagram (FBD)
Sequential Function Chart (SFC)
2.5.Microcontroller-ul [curs domnul Breaz]
– un sistem de calcul pe un sigur chip;
– un circuit logic, programabil de către utilizator, cu o structură adaptată pentru rezolvarea unei largi game de aplicații de timp real. El nu este folosit ca procesor de uz general ci ca procesor orientat pe aplicații, fiind, în general, inclus în echipamentul pe care îl conduce;
– structură electronică destinată controlului unui proces sau, mai general, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară intervenția operatorului uman;
– procesor simplificat echipat cu memorie, timere, terminale (pini) de intrare/ieșire și alte periferice on-chip;
– un computer simplificat destinat unei sarcini speciale, care, odată programat ,execută numai această sarcină;
– microcontrollerul este „încapsulat/înglobat (embedded)" în interiorul unui alt dispozitiv (de obicei un produs de consum) astfel încât poate controla funcționarea acelui produs. Astfel, o altă denumire utilizată pentru un microcontroller este "controller încapsulat/înglobat."
– accentul este pus pe reducerea dimensiunilor și a costurilor
– are nucleu similar cu cel al microprocesorului (unitate de control, regiștrii, unități aritmetice și logice), dar cu capacități limitate privind memoria adresată și viteza;
– include pe același chip (placă) memorie, timere, porturi (terminale) I/O, convertoare A/D, dispozitive de comunicație serială, oscilator (generator de tact), etc.
– interfața cu utilizatorul este proiectată în funcție de aplicație, nu există o tastatură standard, de obicei nu include nici monitor.
accentul este pus pe reducerea dimensiunilor și a costurilor
– are nucleu similar cu cel al microprocesorului (unitate de control, regiștrii, unități aritmetice și logice), dar cu capacități limitate privind memoria adresată și viteza;
– include pe același chip (placă) memorie, timere, porturi (terminale) I/O, convertoare A/D, dispozitive de comunicație serială, oscilator (generator de tact), etc.
– interfața cu utilizatorul este proiectată în funcție de aplicație, nu există o tastatură standard, de obicei nu include nici monitor.
Fig.1.2.Schema simplificata a unui microcontroller.
Ca intrări se folosesc de regulă semnale provenind de la comutatoarele individuale (butoane) sau de la traductoare. Intrările pot fi digitale sau analogice. Ieșirile sunt fie analogice, caz în care reprezintă de fapt ieșiri ale convertoarelor numeric-analogice, fie sunt digitale, caz în care informația este în general memorată pe acestea până la o nouă scriere operată de către UC la un port al MC;
Fig.1.3.Microcontroller-PIC16F887.
ARDUINO este o firma ce produce placute de dezvoltare bazate pe diferite tipuri de mirocontrolere , aceasta placuta reprezintă abia “miezul” și este conceputa pentru aplicații generale; dar cu puține componente hardware externe (cum ar fi interfețe capabile să transfere semnalele de la senzori și actuatori, precum și reducerea interferențelor electromagnetice, ce pot deteriora microcontrolerul) și cu un software adecvat, ARDUINO poate deveni o platformă foarte similară cu un adevărat automat programabil. [15]
Fig. Placa de dezvoltare ARDUINO MEGA2560.
CAPITOLUL 3
3.Calcule de verificare
3.1.Subsistemul S1
3.1.1.Prehensorul ales este GMK 20K,apartinand firmei AFAG.
Fig.Gripper AFAG GMK 20K.
Caracteristici tehnice:
Calculul suprafețelor active ale pistonului:
– suprafața activă a pistonului la avans (Fig. 3.7- a);
– suprafața activă a pistonului la retragere (Fig. 3.7- b);
d – diametrul tijei;
D – diametrul pistonului.
=
=
Calculul debitelor:
Q = v · S
v – viteza de închidere;
x – cursa prehensorului (deschiderea);
t – timpul de prehensiune;
S – suprafața activă a pistonului;
– debitul de aer pe avans;
– debitul de aer pe retragere.
= 0,062 mm/s =37,6 dm/min = 3,76 m/min
Calculul forțelor care actioneaza asupra pistonului:
p – presiunea de funcționare;
S – suprafața activă a pistonului;
– forta de avans;
– forta de retragere;
Calculul forței de prehensiune utile:
Verificare fortei de prehensiune si greutatea piesei de transportat :
F: forța de prehensiune;
μ: coeficientul de frecare dintre prehensor și piesă;
m: masa piesei de transportat;
g: accelerația gravitațională;
n: factor de siguranță ;
Forța de prehensiune recomandată, pentru siguranță, trebuie să îndeplinească condiția impusă de către funcția 3.8.
F = ,dar G = m · g => (3.8)
Fig. 3.9 Forțele ce acționează asupra piesei
3.1.2.Modulul liniar orizontal LM32/300 de la AFAG.
Fig.Dimensiuni functionale LM32/200.
Caracteristici tehnice:
Determinarea suprafețelor active ale pistonului:
– suprafața activă a pistonului la avans; (Fig. 3.7 a )
– suprafața activă a pistonului la retragere;(Fig. 3.7 b )
d – diametrul tijei;
D– diametrul pistonului.
=
=
Calculul forțelor care actioneaza asupra pistonului:
p – presiunea de funcționare;
S – suprafața activă a pistonului ;
– forta de avans;
– forta de retragere.
Fig.Schema pneumatica a ML2 din subsistemul S1.
3.1.3.Modulul liniar vertical LM20/60 de la firma AFAG.
Fig.Dimensiuni functionale modul vertical LM20/60.
Caracteristici tehnice:
Determinarea suprafețelor active ale pistonului:
– suprafața activă a pistonului la avans; (Fig. 3.7 a )
– suprafața activă a pistonului la retragere;(Fig. 3.7 b )
d – diametrul tijei;
D – diametrul pistonului.
=
=
Calculul forțelor care actioneaza asupra pistonului:
p – presiunea de funcționare;
S– suprafața activă a pistonului ;
– forta de avans;
– forta de retragere.
Fig.Schema pneumatica a ML1 din subsistemul S1.
3.2.Alegerea componentelor pentru sistemul S2.
Pentru a predimensiona partea de tracțiune și pentru a alege tipul de motor electric necesar trebuie determinate forțele ce acționează asupra axelor . In timpul deplasarii pe o anumita axa, trebuie invinse forțele de frecare dintre sanie si ghidaj, forțele de inerție. Aditional, trebuie invinsa forta de prelucrare impusa. Existenta unei forte de prelucrare implica aparitia unui moment de rasturnare pe cele 3 axe.
În continuare sunt prezentați pașii parcurși pentru determinarea cuplului necesar motoarelor electrice. Pentru a menține o viteză constantă , motorul electric trebuie să dezvolte un cuplu motor care sa invingă momentul rezistiv de la axul motor. Dacă momentul motor este mai mic decât momentul rezistent, sistemul nu se va misca și acest lucru poate duce la arderea infașurării motorului electric.
3.2.1.Calculul momentului motor pentru axa X:
Fig.Forta de prelucrare pe directia Y.
Fig.Fortele care actioneaza pe axa X.
Vom considera forta rezistenta la prelucrare (Fr) ca fiind 150 N,pentru a putea calcula momentul motor,necesar pentru a deplasa o sanie pe axa X. Forțele rezistive corespunzatoare sunt urmatoarele:
Forta necesara deplasarii saniei pe axa X:
Fx = Ffx + Fr
Fr – forta rezistenta la prelucrare, 150 [N];
Ffx – forta de frecare din ghidaj.
Rezulta un moment de rasucire,care va fi calculat conform formulei:
Mx = Fr · bx= 150 · 0,18 = 27 [Nm]
bx – bratul fortei Fr, 180 [mm];
FNx – reactiunea pe ghidajul saniei;
lx – bratul fortei in ghidaj, 16 [mm].
FNx = = = 843,75 [N].
Forța de frecare,se calculeaza astfel :
Ff x= μx * (Nx + FNx) = 0,01 * (58,86 + 843,75) = 9,02 [N]
μx- coeficientul de frecare,care va fi considerat 0,01;
Nx – forța normală la suprafață,care are expresia:
Nx = Gz = mz * g = 6 * 9,81 = 58,86 N;
mz – este masa ansamblului corespunzator axei Z, 6 [Kg];
g – este accelerația gravitațională, 9,81 [m/s2];
Rezulta ca forta necesara deplasarii saniei pe axa X va avea valoarea :
Fx = Ffx + Fr = 9,02 + 150 = 159,02 [N].
Cuplul necesar pentru rotatia axului pe care sunt montate cele 2 roti canelate este definit de expresia:
Mxr = Fx * rx = 159,02 * 0,025 = 3,97 [Nm]
rx – raza rotii conduse de pe axa x, 25 [mm].
Intre roata condusa si motor se gaseste un ansamblu tip reductor, format din 2 roti dintate,astfel momentul motor necesar are expresia :
MFx = Mxr * = 3,97 * = 1,31 [Nm].
D – diamentrul rotii conduse, 94,3 [mm];
d – diamentrul rotii conducatoare, 31,2 [mm].
Pe baza momentului rezultat din calcul, s-a ales ansamblul motor – reductor Nidec 402 866 (figura 3.1.1.4), capabil sa dezvolte 1,5 Nm, avand raport de transmisie 25:1.
3.2.2.Calculul momentului motor pentru axa Y:
Fig.Forta de prelucrare pe directia Y.
Raportul de transmisie si ghidajele sistemului vor fi la fel ca si pentru axa X si vom considera aceeasi forta rezistenta la prelucrare ( Fr ) de 150 N.
Fig.Fortele ce actioneaza asupra axei Y.
Forta necesara deplasarii saniei pe axa Y:
Fy = Ffy + Fr
Fr – forta rezistenta la prelucrare, 150 [N];
Ffy – forta de frecare din ghidaj.
Rezulta un moment de rasucire,care va fi calculat conform formulei:
My = Fr * by= 150 * 0,18 = 27 [Nm]
by – bratul fortei Fr, 180 [mm];
FNy – reactiunea pe ghidajul saniei;
ly – bratul fortei in ghidaj, 16 [mm].
FNy = = = 843,75 [N].
Forța de frecare,se calculeaza astfel :
Ff y = μy * (Ny + FNy) = 0,01 * (215,82 + 843,75) = 10,59 [N]
μy – coeficientul de frecare,care va fi considerat 0,01;
Ny – forța normală la suprafață,care are expresia:
Ny = Gxz = mxz * g = 22 * 9,81 = 215,82 N;
mxz – masa ansamblului corespunzator axei Z, 22 [Kg];
g – accelerația gravitațională, 9,81 [m/s2];
Rezulta ca forta necesara deplasarii saniei pe axa Y va avea valoarea :
Fy= Ffy+Fr = 10,59 + 180 = 190,59 [N].
Cuplul necesar pentru rotatia axului pe care sunt montate cele 2 roti canelate este definit de expresia:
Myr = Fy * ry = 190,59 * 0,02 = 3,81 [Nm]
ry – raza rotii conduse de pe axa y, 20 [mm].
Intre roata condusa si motor se gaseste un ansamblu tip reductor, format din 2 roti dintate,astfel momentul motor necesar are expresia :
MFy = Myr * = 3,81 * =1,26 [Nm].
D – diamentrul rotii conduse, 94,3 [mm];
d – diamentrul rotii conducatoare, 31,2 [mm].
La fel ca in cazul axei X,momentul necesar, MFy < 1,5 N,deci vom folosi acelasi tip de motor de curent continuu.
3.2.3.Axa Z
Pentru axa Z vom utiliza un modul liniar vertical ( LM 25/200 )apartinand firmei AFAG.
Fig.Dimensiuni functionale modul vertical LM 25/200.
Caracteristici tehnice
:
Determinarea suprafețelor active ale pistonului:
– suprafața activă a pistonului la avans; (Fig. 3.7 a )
– suprafața activă a pistonului la retragere;(Fig. 3.7 b )
d – diametrul tijei;
D – diametrul pistonului.
=
=
Calculul forțelor care actioneaza asupra pistonului:
p – presiunea de funcționare;
S– suprafața activă a pistonului ;
– forta de avans;
– forta de retragere.
Fig.Schema pneumatica a ML din subsistemul S2-axa Z.
3.2.4.Prehensorul subsistemului S2
Fig.Gripper SMC MXS8-20.
Caracteristici tehnice:
Calculul suprafețelor active ale pistonului:
– suprafața activă a pistonului la avans ;
– suprafața activă a pistonului la retragere ;
d – diametrul tijei;
D – diametrul pistonului.
=
=
Calculul debitelor:
Q = v · S
v – viteza de maxima a pistonului;
S – suprafața activă a pistonului;
– debitul de aer pe avans;
– debitul de aer pe retragere.
mm/s =299,9 dm/min = 29,99 m/min
CAPITOLUL 4
4.Modelare 3D
Pentru modelarea sistemului,s-a utilizat programul Catia V5,care este un program de modelare 3D,utilizat in aplicatiile industriale de proiectare.Primul pas in proiectarea sistemului l-a reprezentat proiectarea fiecarei componente prezentate anterior.
4.1.Proiectarea subsistemului pneumatic (S1)
Fig.Prehensorul AFAG GMK 20/K.
Fig.Modulul liniar orizontal AFAG LM 32/200.
Fig.Modulul vertical AFAG LM 20/60.
Dupa proiectarea modulelor,urmatorul pas a fost asamblarea acestora pentru obtinerea primului manipulator.Pentru sustinerea modulelor si prinderea acestor pe placa de baza a fost proiectat si un picior suport.
Fig.Manipulatorul subsistemului 1 (S1).
Dupa asamblarea manipulatoarelor fost proiectata banda de transport,urmata de proiectarea motorului asincron trifazat pentru banda, a pieselor si a suportilor pentru piese si apoi asamblarea intregului subsistem S1.
Fig.Subansamblul S1.
4.2.Proiectarea subansamblului in coordonate carteziene S2.
Fig.Gripper SMC MX S8-20.
Fig.Prinderea encoder-ului YUMO pe motorul Nidec 402-866.
Dupa proiectarea fiecarei parti componente,urmatorul pas a fost asamblarea lor in vederea obtineri sistemului.
Fig.Sistemul de deplasare pe axe in coordonate carteziene.
In urmatoarea etapa a fost proiectat cadrul pe care sunt prinse cele doua subsisteme si asamblarea intregului sisteme mecatronic.
Fig.Statie de sortare,transport si depozitare piese metalice si nemetalice.
CAPITOLUL 5
5.Parte experimentala
In acest capitol sunt prezentate datele tehnice ale componentelor celor doua sisteme,S1 si S2.
5.1.Date tehnice ale componentelor
5.1.1.PLC S7-300 CPU 314 C
Siemens Simatic S7-300 PLC (CPU 314 C-2 PN/DP)
-alimentare la 24 V;
-dimensiuni : 130 x 125 x 40 mm;
-greutate : 280 g;
-memorie integrata : 48 Kbyte;
-numarul intrarilor digitale : 24;
-iesiri digitale : 16;
– intrari analogice : 5;
-iesiri analogice : 2.
Fig.PLC S7-300.
5.1.2.Componentele subsistemului S1:
-motoare pneumatice liniare formate din doi cilindri,avand fiecare cate o tija,ce se unesc intr-un singur cap.
Fig. 4.1 Motor pneumatic liniar cu dubla actiune.
LM 32/200: LM 20/60:
Diametrul cilindrului = 32 mm; Diametrul cilindrului = 20 mm;
Diametrul tijei pentru = 20 mm; Diametrul tijei pentru = 12 mm;
Cursa = 200 mm. Cursa = 90 mm.
prehensor GMK 20 K:
Diametru cilindru = 20 mm;
Cursa = 10 mm;
Greutate = 0,266 kg;
Forta maxima de prindere : 5,7 N.
-sistemul cuprinde cate un distribuitor pentru fiecare motor pneumatic:
Distribuitor cu 5 cai si 2 pozitii,cu actionare pe baza de electromagneti si revenire cu arc ,pentru deplasarea pe orizontala si verticala si distribuitoare cu 3 cai si 2 pozitii,actionate electromagnetic si cu revenire cu arc pentru prehensiune.
Fig.Distribuitor 5/2-a);Distribuitor 3/2-b).
-sistemul este dotat cu drosele pentru reglarea debitului de aer ce intra in motorul pneumatic.Acestea sunt utilizate impreuna cu o supapa de sens,pentru a facilita trecerea libera a fluxului intr-o directie.Regulatorul de debit utilizat este de la firma Bosch.
Fig. 4.5 Supapă de sens utilizată împreună cu un drosel variabil.
-insula de ventile :
Fig. insula de ventile CPV 18-VI de la firma FESTO
-dimensiune ventil :18 mm;
-presiune de operare: 0,9 – 10 bar;
-numar maxim de pozitii ventile : 8;
-tip de actionare : electric ;
-presiune de comanda : 3 – 8 bar ;
-tensiune nominala de operare DC : 24V;
-display status semnal : LED.
5.1.3.Componentele subsistemului S2:
1)Motorul de curent continuu Nidec 402 866
Caracteristiciile motorului de curent continuu Nidec 402 866 sunt :
Tensiune de alimentare : 24 [V];
Moment nominal : 1,5 [Nm];
Turatie : 138[];
Greutate : 1,2 [kg];
Raport de transmisie : 25:1.
Fig.3.1.1.4.Motor Nidec 402 866.
2) Placa de dezvoltare Arduino Mega 2560
Componenta electronica utilizată are la bază un microprocesor din familia AVR, repectiv un microcontroler ATmega2560. Are 54 de intrari și ieșiri digitale din care 14 pot fi utilizate ca și ieșiri PWM, 16 intrări analogice, 4 porturi UART, un cristal de quatz (oscilator) de 16 MHz, un port de comunicație pe USB, și un buton de Reset. Alegerea acestei plăcuțe,s-a datorat in principal faptului că au fost dezvoltate si alte componente electronice de tip modular, cu conexiuni in corespondenta pentru o utilizare rapida ( driver pentru motoare de curent continuu, senzori,etc.).Deasemenea,tipul de programare folosit,este unul usor, asemanator C,placuta putand fi programata cu Soft-ul Arduino,ce poate fi gasit online. Placa utilizata este prezentata mai jos, in figura 3.2.11.
Fig. 3.2.11. Placa de dezvoltare Arduino Mega 2560.
Principalele caracteristici ale placii Arduino Mega 2560 sunt :
– tensiune de alimentare: 5V;
– tensiunea de alimentare recomandata: 7 – 12 V;
– intrări/ieșiri digitale: 54;
– intrări analogice: 16;
– curentul maxim pe intrările/ieșirile digitale: 40mA;
– microcontroller: ATmega2560;
– memoria flash: 256 KB;
– frecvența de ceas: 16 MHz;
3) Driver-ul pentru motoare Pololu Dual VNH5019
Acest driver reprezinta o componenta electronica de putere ridicata si poate opera 2 motoare de curent continuu cu tensiunea de alimentare intre 5,5 si 24V. In cazul in care sunt utilizate 2 motoare, driverul poate controla un current electric de 12A pe fiecare motor, iar in cazul utilizarii unui singur motor 24A. Curentul maxim abmisibil este de 60A. Acest driver este foarte compatibil cu placile de dezvoltare Arduino prin constructia sa, in special cu placutele Arduino Mega 2560 si Arduino Uno, in ceea ce priveste existenta bibliotecilor care simplifica programarea.
Driverul ofera feedback cu privire la curentul consumat de motoare, dar si controlul unor frecvente ridicate de PWM.
Conexiunile utilizate intre driverul Pololu Dual VNH5019 si placa Arduino Mega 2560 sunt prezentate in figura 3.2.13.
4) Encoder-ul YUMO E6B2-CWZ3E
Pentru realizarea controlului în buclă închisă, au fost alese encodere incrementale în quadratură. Precizia propusă spre realizare, a determinat numărul de impulsuri/rotație necesare. Astfel a fost ales encoderul YUMO E6B2-CWZ3E pentru axele X, Y(figura 3.2.14), cu o rezoluție de 1024 impulsuri/rotație, iar pentru axa Z există posibilitatea citirii a 64 impulsuri/rotație.
Caracteristici encoder-ului Yumo YUMO E6B2-CWZ3E:
-Rezolutie: 1024 Pulsuri / Rotatie
-Tensiune de intrare: 5 – 12VDC
-Viteza maxima de rotatie: 6000rpm
-Incarcare radiala admisibila: 5N
-Incarcare axiala admisibila: 3N
-Lungime cablu: 50cm
-Diametru arbore iesire: 6mm.
5.1.4.Motor asincron trifazat M56b4
Pentru a actiona banda de transport vom utiliza un motor asincron trifazat M56b4 ,apartinand firmei WALTHER FLENDER.
Fig.Motor asincron trifazat-M56b4.
-frecventa : 50 Hz;
-greutate : 3 Kg;
– tip : B14;
– turatie : 1400 rpm;
– putere : 0,09 Kw.
5.2.Partea practica
5.2.1.Schema pneumatica a unui manipulatorului:
Fig.Schema pneumatica-manipulator 1.
5.2.2.Schema electrica a subsistemului S1.
Fig.Schema electrica-manipulator 1 + deplasare banda.
Fig.Schema electrica-manipulator 2 + pornire banda + trimitere semnal Arduino.
5.2.2.Etape de functionare:
1)Initializarea
In aceasta etapa se apasa butonul de start care activeaza releul “fazei initiale – FI”,care va porni timer-ul T1,setat pe 3 secunde.Toate cele trei pistoane raman in pozitia initiala pe toata durata acestei faze.
Fig.Diagrama Ladder-initializare.
Fig.Faza de initializare.
2)Deplasarea pe verticala
Dupa trecerea celor 3 secunde,timer-ul alimenteaza releu V1 pentru deplasarea pe verticala a motorului liniar 1,componenta a manipulatorului 1.Alimentarea releului V1 produce inchiderea contactului V1,alimentandu-se astfel releul electromagnetului E1.In schema pneumatica acest lucru insemnand ca E1 comanda trecerea distribuitorului pe camera 1 din stanga,introducand aerul sub presiune pe calea 4 prin supapa de sens,pornind deplasarea pistonului in jos.Deplasarea pistonului va avea ca si efect inchiderea gripper-ului pentru prinderea piesei.
Fig.Diagrama Ladder – deplasarea pe verticala.
Fig.Faza 2 – deplasarea pe verticala.
3)Prehensiunea
Alimentarea releului P1 (prindere piesa),va inchide contactul P1 ceea ce are ca efect alimentarea releului electromagnetului E4.Prinderea piesei indeplineste conditia necesara pentru deplasarea modulului liniar 2 (al primului manipulator) pe orizontala,catre dreapta,prin alimentarea releului H1,care va inchide contactul H1 si va alimenta releul electromagnetului E2,E4 mentinandu-se activ.
Fig.Diagrama Ladder – prindere piesa.
Fig.Faza 3-prehensiunea.
Fig.Faza 3-inchidere gripper.
4)Transport piesa
Dupa deplasarea pe orizontala si alimentarea releului electromagnetului E2,se va indeplini conditia de alimentare a releului V2,pornind deplasarea pe verticala a motorului liniar ML1 .
Fig.Diagrama Ladder – deplasare orizontala + verticala.
Fig.Faza 4-Retragere pe verticala-deplasare pe orizontala-deplasare pe verticala.
Fig.Faza 4 – Retragere pe verticala (a);deplasare pe orizontala-deplasare pe verticala (b).
5)Pornire banda
Dupa realizarea deplasarii pe verticala,pistoanele vor reveni in pozitia initiala in urmatoarea ordine: prehensorul,ML1,ML2.Odata indeplinite aceste conditii si senzorul SP1 sa dea semnal,atunci se va alimenta releul pentru pornire banda,care va inchide contactul PB si va alimenta releul electromagnetului E3.
Fig.Diagrama Ladder – pornire banda.
Fig.Faza 5.Pornire banda.
6)Oprire banda
Cand piesa ajunge pe banda in dreptul senzorului SP2 se opreste alimentarea releului electromagnetului E3,adica se opreste banda.Cand banda s-a oprit se alimenteaza releul MV1,se inchide contactul MV1 si se alimenteaza releul electromagnetului E5,pornind deplasarea pe verticala a motorului liniar ML1 din componenta manipulatorului 2.
Fig.Diagrama Ladder – deplasare pe verticala + oprire banda.
Fig.Faza 6.Oprire banda + deplasare verticala manipulator 2.
7)Asamblare piesa
Piesa numarul 2 va fi transportata si asamblata peste piesa numarul 1,aflata deja pe banda in fata senzorului SP2.Pentru transportul piesei doi,dupa deplasarea pe verticala,se va alimenta releul MP1 si se va activa electromagnetul E9 (prindere piesa),dupa care urmeaza oprirea alimentarii releului electromagnetului MV1 si revenirea pistonului pe verticala in pozitie initiala.Rezultatul consta in activarea releului MH1 si activarea lui E6,care va porni deplasarea pe orizontala a ML2,urmata de activarea releului MV2 (a doua deplasare pe verticala a ML1),iar apoi se vor opri alimentarile electromagnetilor in urmatoarea ordine : E9,E5 si E6 ; si va porni din nou banda,dupa asamblarea pieselor,prin alimentarea releului PB1 si activarea electromagnetului E10.
Fig.Asamblarea pieselor.
Fig.Faza 7- prindere piesa si transfer pe banda.
8)Piesa metalica
In momentul in care produsul asamblat ajunge in dreptul senzorului inductiv SI,daca piesa este metaliza se va opri alimentarea releului electromagnetului E10 si banda se va opri.Se va alimenta releul A1 si se va activa electromagnetul E7,trimitand un semnal pe una din intrarile placutei ARDUINO,care va da comanda catre sistemul de deplasare in trei axe,pentru a prelua si depozita piesa in depozitul drept.
Fig.Trimitere semnal catre intrarea 1 de pe Arduino.
Fig.Faza 8 – Activare senzor inductiv-trimitere semnal catre Arduino.
9)Piesa nemetalica
In cazul in care piesa este nemetalica,banda merge mai departe pana ajunge in dreptul senzorului optic,unde se va opri alimentarea lui E10 si se va alimenta releul A2 si apoi electromagnetul E8,dand semnal catre cealalta intrare a placutei ARDUINO.Placuta va comanda deplasarea sistemului in trei axe pentru a efectua miscarile necesare preluarii si depozitarii piesei in depozitul din stanga.
Fig.Trimitere semnal catre intrarea 2 de pe Arduino.
Fig.Faza 9 – Activare senzor optic – trimitere semnal catre Arduino.
10)Oprire sistem
La apasarea butonului de oprire,BO,toate memoriile vor fi resetate in program ,iar fizic sistemul se va intoarce in pozitiile initiale.Sistemul va porni din nou,doar la apasarea butonului de start,BP si doar daca toate conditiile initiale sunt indeplinite.
Fig.Oprirea sistemului.
CONCLUZII
În urma alegerii temei de licență s-a realizat un studiu de specialitate, cu ajutorul căruia s-a realizat o clasificare a manipulatoarelor industriale în funcție de configurația și de tipul acționării acestora, de mediul de operare și de modalitatae de control utilizată,o clasificare a tipurilor de actionare si a motoarelor ce pot fi utilizate pentru aceasta actionare.
Ca și rezultat al proiectului s-a dezvoltat un sistem mecatronic automatizat care are ca scop transferul,sortarea si depozitarea pieselor metalice si nemetalice.Sistemul mecatronic este format din două subsisteme: unul pneumatic (S1) si unul cu deplasare pe axe in coordonate carteziene (S2).Primul subsistem contine doua manipulatoare pneumatice ( doua motoare liniare si un prehensor), fiecare cu câte 3 grade de libertate, actuatorii pneumatici operând la o presiune de 6 bari, iar controlul întregului sistem este realizat cu ajutorul unui PLC ( automat programabil).Metoda de acționare ce stă la baza manipulatorului ales este cea pneumatică și se bazează pe intrarea aerului sub presiune într-una din camerele cilindrului pneumatic și ieșirea aerului din cealaltă. Cilindrii pneumatici sunt montați în serie, astfel că actuatorul ce efectuează mișcarea de translație pe orizontală, are montat pe capăt actuatorul ce efectuează mișcarea de translație pe verticală,acesta din urmă având instalat pe capăt prehensorul pneumatic.Configurația manipulatorului ales este cea carteziană, pe 2 axe ( X,Z ).
Al doilea subsistem este format din 3 axe ( X,Y,Z ),doua actionate electric ( X si Y ) cu ajutorul unor motoare de curent continuu si cea de-a treia axa,( Z ),este actionata pneumatic printr-un motor liniar,de care este atasat un prehensor pneumatic.Controlul susbisitemului este realizat cu ajutorul unei placute de dezvoltare de la firma Arduino,care are la baza un microcontroller Mega 2560 din familia AVR,care prezintă o mare flexibilitate datorită numărului ridicat de intrări/ieșiri analogice și digitale. Avantajul controlului unui astfel de sistem mecatronic cu o placă de dezvoltare ce are la bază un microcontroler este costul de dezvoltare scăzut. Un microcontroler este mult mai accesibil din punct de vedere financiar în comparație cu un automat programabil și totodată mult mai flexibil din punct de vedere al programării. Dezavantajul principal constă în mediile de funționare și numărul de aplicații limitate în care poate fi folosit un microcontroler. Microcontrolerele și componentele hardware ce pot fi legate la acesta, nu au fost produse pentru funționarea în medii la fel de solicitante ca și un automat programabil (mediu plin de impurități, vibrații, zgomot electric, etc).
Arduino primeste semnal de la PLC-ul care comanda subsistemul pneumatic ,S1 in functie de tipul piesei ( metalica sau nemetalica ) ,iar apoi da comanda de deplasare a axelor in anumite coordonate,care apartin spatiului de lucru de lucru al subsistemului S2.
Mediul unui laborator al facultății este unul propice pentru acest tip de proiect, datorită costului scăzut de dezvoltare și a flexibilității acestui tip de control.
BIBLIOGRAFIE
[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Linear_motor
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Linear_actuator
[3] licenta 08.07-pag 20
[4] Automatizari.pdf (laurean)-pag 41.
[5] https://modulul5.files.wordpress.com/2011/02/curs-sisteme-de-actionare-pneumatice.pdf-accesat la data de 10.03.2019;
[6] https://www.scribd.com/doc/114438494/Utilizarea-sistemelor-electro-pneumatice-in-schemele-de-actionare-accesat
[7] https://airo-pneumatics.ro/2013/10/18/sisteme-de-actionare-pneumatice-motoare-pneumatice/
[8] https://airo-pneumatics.ro/category/tutoriale-pneumatica/page/9/?print=pdf-search
[9] http://mec.upt.ro/dolga/SAII_1.pdf
[10] https://www.scribd.com/document/69995422/Actionari-electrice
[11] http://www.rasfoiesc.com/inginerie/electronica/SISTEME-DE-ACTIONARE-ELECTRICE44.php
[12]. https://airo-pneumatics.ro/2015/09/17/capitolul-5-distribuitoare-pneumatice-introducere/
[13]. https://airo-pneumatics.ro/2013/07/07/totul-despre-distribuitoare-comenzile-distribuitoarelor/
14.Automatizari teorie si aplicatii-laurean.-pag 15.
15. Automatizari teorie si aplicatii-laurean.-pag 60.
16. http://users.utcluj.ro/~rdanescu/pmp-lab09.pdf
17. http://www.electronicstefan.ro/2012/01/ce-este-puntea-h/
18. http://www.pge.ro/sites/default/files/imagini_produse/z-getriebe.jpg
19. http://www.thk.com/?q=ro/node/812
20. http://www.rasfoiesc.com/inginerie/tehnica-mecanica/Mecanismul-surubpiulita-constr73.php
21. http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/MECANISM-CU-SURUB-SI-PIULITA32211.php
22. https://mecatronicastiintaviitorului.wikispaces.com/file/view/Cap.1+Masini+CNC.doc.,
23. www.wings.buffalo.edu/eng/mae/courses/460-564/Course-Notes/CNC%20notes.pdf
24. http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/PLC1.pdf, accesat la data de
25. ] Buxbaum, A., Schierau, K., Straughen, A., Design of Control Systems for DC Drives, Springer Verlag, Berlin, 1990
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: S. l. dr. ing. Mihai CRENGANIS [305791] (ID: 305791)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.