În această lucrare sunt prezentate noțiuni teoretice și practice din cadrul roboților industriali, [601011]
1 Rezumat
În această lucrare sunt prezentate noțiuni teoretice și practice din cadrul roboților industriali,
obiectivele principale din cadrul acestei lucrări sunt :
● Realizarea unui studiu asupra unui robot industrial ac ționat cu motoare pas cu pas ;
● Implementarea unor aplicații asupra robotului folosind placa de dezvoltare Arduino ATMEGA
2560 ;
Pentru studierea robotului industrial am atins următoarele obiective : analiza de element finit a
unui braț a robotului indu strial; controlul și simularea unui motor pas cu pas folosind programul
ISIS; calcularea ecuaților matematice pentru cinematica directa, cinematica inversă și validarea
acestor ecuații folosind programul MATLAB ; simularea tridimensionala a subansamblelor
robotului industrial prin intermediul pachetului SimMechanics din cadr ul programului
MATLA B; proiectarea robotului în programul SolidWorks și a unor parți componente în
programul Catia .
Summary
This paper presents theoretical and practical notions of the industrial robots, the main objectives
of this paper are:
● A study on an industrial robot drived by the stepper motor;
● Implementation of application on robot using development board Arduino ATMega 2560;
For the study of industrial robot I touched the following objestives: finite element analysis of an
industrial robot arm; control and simulation of a stepper motor using the ISIS program;
mathematical equation for the calculating the direct kinematics, inverse kinematics and validate
these equations usi ng MATLAB; dimensional simulation of industrial robot assemblies through
the SimMechanics package within MATLAB; robot design software SolidWorks and Catia
component parts.
2 Rezumat ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 1
CAPITOLUL 1 ………………………….. ………………………….. …………………… 4
INTRODUCERE ………………………….. ………………………….. ……………….. 4
1.1 Evoluția roboților ………………………….. ………………………….. ………………………….. 5
1.2 Definiții și terminologie ………………………….. ………………………….. ………………….. 6
1.3 Clasificarea roboților industriali ………………………….. ………………………….. …….. 8
CAPITOLUL 2 ………………………….. ………………………….. …………………. 10
ROBOȚII INDUSTRIALI, CONDUCEREA PRIN
MICROCONTROLLER ………………………….. ………………………….. …… 10
2.1 Cinematica roboților industriali ………………………….. ………………………….. …… 10
2.1.1 Structura roboților ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 10
2.1.2 Sistemul mecanic ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 13
2.1.3 Sistemul de acționare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 17
2.1.4 Sistemul de comandă ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 17
2.2 Elemente constructive și organologia a roboților industriali ……………………. 18
2.2.1 Cuple cinematice utilizate la construcția roboților industriali ………………………….. ………….. 18
2.2.2 Lanțuri cinematice utilizare la construcția roboților industriali ………………………….. ……….. 23
2.2.3 Mecanisme utilizate la construirea roboților industriali : ………………………….. …………………. 24
2.2.4 Elemente organologice de trasmitere a mișcări și forțelor în cazul roboțilo r industriali ….. 26
2.3 Sisteme de acționare a roboților industriali ………………………….. ……………….. 30
2.3.1 Acționarea electrică ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 31
2.3.2 Acționare hidraulică ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 36
2.3.3 Acționarea pneumatică ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 42
2.4 Sisteme de programare și con trol a roboților industriali ………………………….. 46
2.4.1 Structura și funcționarea PLC -ului ………………………….. ………………………….. ………………….. 46
3 2.5 Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………… 56
CAPITOLUL 3 ………………………….. ………………………….. …………………. 56
ROBOT CONDUS CU PLACA DE DEZVOLTARE ARDUINO … 56
3.1 Proiectarea elementelor mecanice ………………………….. ………………………….. … 56
3.1.1 Prezentare scurtă a subasamblelor robotului RRR ………………………….. …………………………. 57
3.1.2 Calculele geometriei angrenajelor cilindrice din cadrul blocului motor a robotului ……….. 62
3.2 Acționarea cu motoare pas cu pas ………………………….. ………………………….. … 67
3.2.1 Alimentarea motoarelor pas cu pas ………………………….. ………………………….. …………………. 69
3.3 Configurația hardware folosind placa de dezvoltare Arduino ………………….. 73
3.4 Programarea robotului ………………………….. ………………………….. ………………… 75
3.5 Concluzii ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……….. 79
CAPITOLUL 4 ………………………….. ………………………….. …………………. 80
EXPERIMENTE ȘI APLICAȚII ………………………….. …………………… 80
4.1 Analiză element finit a brațului 2 al robotului industrial ………………………… 80
4.2 Simularea motorului pas cu pas ………………………….. ………………………….. …… 83
4.3 Cinematica directă și inversă a robotului industrial RRR ……………………….. 88
CAPITOLUL 5 ………………………….. ………………………….. ……………….. 101
CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII ………………………….. …… 101
Biblografie ………………………….. ………………………….. ……………………… 102
4
CAPITOLUL 1
INTRODUCERE
– „ Un robot nu are voie să răneasc ă o ființă umană și nici să permită prin inactivitate ca o
ființă umana să fie lezată.
– Un robot trebuie să se supună ordinelor provenite de la o fi ință umană cu excepția cazului
în care un astfel de ordin contravine primei legi.
– Un robot trebuie să -și prot ejeze propria existență atât timp cât aceasta nu intră în
contradicție cu prima și a doua lege.”
Isaac Asimov’s Three Laws of Robotics -1983
Mecatronica este știința ce stu diază totalitatea principiilor metodelor și mijloacele
necesare realizării produselor care înglobează elemente mecanice, electrice și electronice in
vederea asigurării unui grad cât mai ridicat de calitate [2].
Fig.1 Legătura sinergetică mecatronică
Robotica ca o parte a mecatronicii este știința și tehnica concepției și construirea roboților.
Principala materializare a roboticii este robotul care reprezintă un produs mecatronic cu un
aspect mai mult sau mai puțin care este capabil să execute acțiun i specifice omului sau care s -ar
putea realiza în manieră umană [2]. Sursa: http://mdm.utcluj.ro/Revista/capa.htm
5 Prin prezent a lucrare imi propun următoarele obiective:
1. Realizarea unui studiu asupra unui robot industrial acționat cu motoare pas cu pas;
2. Implementarea unor aplicați pe robotul indust rial folosind placa de dezvoltare arduino;
Scurt istoric privind apariția și evoluția roboților industriali
Termenul ROBOT a fost utilizat pentru prima dată de către scriitorul ceh Karel Capek, în
lucrarea sa “Roboții universali ai lui Rossum” apărută la Praga în anul 1921, traducerea
cuvântului în limba română find echivalentă cu substantivul muncă respectiv verbul a munci.
În anul 1940 Isac Asimov folosește pentru prima dată cuvântul robotica, cu înțeles de
știință care se ocupă cu studiul sistematic al roboților. Lucrările science fiction ale scriitorului
Isac Asimov au inspirat în 1956 fabricarea primului robot de firma General Motors, într -o
aplicație în turnătorie, numit UNIMATE. În anul 1968 firma japoneză Kavasakhi Heavy
industries cumpără licența robotului Unimate. În anul 1973 la Stanford University este realizat
primul limbaj de programare pentru roboți numit WAVE [1].
Plaja largă de aplicații în domeniile neindustrializate și industrializate face ca această
știință să joace un rol important în restructurarea civilizației mileniului III. La mijlocul anilor
1990, jumătate din numărul roboților din lume funcționau în Japonia, mai ales în industria
constructoare de mașini și industria electronică.
Apariția plăcilor de dezvoltare, a modulelor mec anice prefabricate și cu diverse
posibilități de ansamblare și nu în ultimul rând a dispozitivelor de senzoristică au condus la o
revoluție a aplicaților robotizate. Așadar, în momentul de față, s -a ajuns la o posibilitate de
studiu a acestora mult mai pro fundă, stundeții din cadrul universitățiilor tehnice beneficiind încă
de la bun început de interacțiunea directă cu știința robotici.
1.1 Evoluția roboților
Primele modele de mașini pot fii mai degraba numite automate, deoarece acestea puteau executa
câte un singur obiectiv fiind constrânse de construcție. Matematicianul grec Archytas a construit
unul din aceste prime automate:
Un porumbel propulsat cu vapori care putea zbura fără a interveni o ființă umană. Acest
porumbel construit din lemn era um plut cu aer sub presiune, acesta avea un ventil care permitea
închiderea sau deschiderea printr -o contragreutate. Au urmat multe astfel de modele de -a lungul
secolelor, unele din aceste modele ușurau munca oamenilor iar altele deserveau ca amuzament
pentru copii. Cu apariția cesului mecanic din secolul al 14 –lea s-a deschis calea unor posibilitați
noi și complexe [1].
Dezvoltarea electrotehnicii din secolul al 20 –lea a adus cu sine și o dezvoltare a robotici,
construirea primilor roboți mobili se gase ște în sistemul Elmer și Elsie proiectat de William Grey
Walter in anul 1948. Aceste triciclete se puteau deplasa spre o sursă de lumină și puteau să
6 recunoască coliziuni din mediul inconjurător. În 1956 era anul considerat ca fiind momentul
nașteri robotu lui industrial.
Programele pentru acest robot au fost salvate sub formă de comenzi direcționate spre motoare
pe un cilindru magnetic, din acest moment se introduc roboți industriali în multe domenii de
producție fiind continu u dezvoltați mai departe p entru a putea îndeplini cererile ce li se impun.
Roboții sunt construiți mai ales prin combinația disciplinelor de:
– Mecanică
– Electrotehnică
– Informatică
Între timp sa creat prin combinarea sinergetică a acestor elemente disciplina de mecatronică,
cele mai importante componente ale roboților s unt senzorii, care permit o diri jare cât mai
precisă a sistemului mecanic al robotului.
1.2 Definiții și terminologie
Ideea generala despre roboți era aceea de mașina universală capabilă de a îndeplini o mulțime
de operații secundare repetitive, aceste sisteme automate prezintă primele materializări ale
înlocuirii omului în prosesul muncii fizice.
Organinizația Internațională de Standardizări (I.S.O) adoptă în anul 1980 o definiție a
robotului industrial ela borată de către Robot Institute of America.
Robotul industrial este manipulatorul automat cu mișcari programabile având un
numar de grade de mobilitate, care este capabil să efectueze operații de manipulare prin
programarea variabilă a mișcărilor pent ru realizarea unei varietăți de funcții [2].
Pe baza acestei definiți trebuie facută distincția clară între robot industrial și manipulator.
Manipulatorul este sistemul mecanic automat a cărui comanda se bazează pe sisteme
rigide, care presupune o intervenție în structura fizică a sistemului de programare pentru
modificarea ciclului de funcționare. Robotul industrial presupune un sistem flexibil de
comandă la care programul se poate modifica fără intervenție asupra structurii sale fizice [1].
Adapta bilitate (adaptability) noțiune ce descrie gradul în care comportamentul cinematic și
dinamic al robotului sau a unei părți a acestuia corespunde condițiilor și solicitările din mediu
[1].
Adducție -abducție (adduction -abduction) mișcări ce constau în apro pierea respectiv
îndepărtarea unui segment de un alt element considerat fix.
Autoadaptabilitate (self adaptability) capacitatea unui robot de a înțelege sarcina pe care o are
de îndeplinit și de adaptare a comportamenului în vederea îndepliniri corecte a acesteia,
oricare ar fi condițiile de mediu.
7 Cinematică directa (direct kinematics) determinarea poziției și a orientării efectorului final
față de un reper legat de baza robotului, cunoscând elementele mișcării.
Cinematică inversă (invers kinematic) det erminarea elementelor mișcării dacă se cunosc
poziția și orientarea organului efector față de un reper legat, de baza robotului.
Comanda punct cu punct comanda în care un punct de referință se deplasează oprindu -se
într-o secvență de poziții discrete.
Comanda de urmărire a traiectoriei comanda în care punct de referință urmărește o
traiectorie continuă dată.
Comanda secvențială comanda efectorului prin activarea secvențială a fiecărui servomotor de
acționare.
Configurație critică poziție geometrică rel ativă a elementelor unui robot în care gradul de
mobilitate se modifică instantaneu ducând la imposibilitatea determinării mișcării acestuia și
la creșterea la valori primejdioase a forțelor de interacțiune între elementele sistemului.
Grad de mobilitate (degree of freedom ) numărul parametrilor cinematici independenți
necesari determinărilor pozițiilor și implicit a mișcărilor elementelor cinematice ale robotului.
Manipulator mater -slave teleoperator în care un operator slave (de exemplu robot de
dimensi uni de gabarit mare) repetă mișcarea unui manipulator master (de exemplu robot de
dimensiuni de gabarit mic ), acesta mișcare putând fi amplificată, demultiplicată sau identică
geometric asemănător trasmisă prin sisteme mecanice.
Mișcare de orientare (orie ntation motion) mișcare ce asigură atingerea unei orientări impuse
obiectului manipulat față de sistemul de referință fix realizată prin mecanismul de orientare
(din 6 grade de mobilitate mișcarea de orientare are 3 grade).
Mișcarea de poziționare (positi oning motion) mișcare ce asigură atingerea unei poziții
impuse punctului caracteristic al efectorului final față de sistemul de referință fix realizată de
către mecanismul de poziționare (din 6 grade de mobilitate mișcarea de poziționare are 3
grade)
Modul (modulus) subansamblu ce materealizează mișcarea de translație sau de rotație în
cadrul unui robot modular.
Pedipulator (pedipulator) sistem mecanic articulat destinat modelării funcțiilor picioarelor
organismelor vii.
Prehensor (gripper) sistem meca nic articulat destinat modelării funcțiilor de prindere și
reținere ale mâinii umane.
Pronație -suspinație (pronation -suspination) grupă de mișcări antagonice ce au ca efect rotirea
segmentului distal sau medial din interior spre exterior,
Redundanță (redu ndancy) calitate a unui robot de a avea în lanțul cinematic mobilități
independente în surplus ce nu influențează comportarea cinematică a acestuia.
8 Reliabilitate (reliability) capacitatea ce exprimă rezistența la oboseală, gradul de
repetabilitate, nive lul de menținere a atenției.
Robot pick and place robot destinat preluării și transferării obiectelor.
Robot playback robot programabil prin învățarea traiectoriei imprimate efectorului.
Robot inteligent robot dotat cu percepție senzorială, inteligență artificială adecvate îndeplinirii
unor sarcini complexe reacționând corespunzător la schimbările din mediu.
Rotații „Pitch” corespunde rotației brațului uman în plan vertical.
„Yaw” corespunde rotației brațului uman în plan orizontal.
„Roll” corespunde rotației brațului uman în jurul propriei axe.
Singularitate poziția și configurația efectorului final pentru care jacobianul asociat modelării
geomentrico -cinematice a acestuia nu este definit.
Spațiul de lucru (work space) mul țimea tuturor punctelor din mediul de lucru al robotului ce
pot fi atinse de punctul caracteristic al efectorului final.
Telemanipulator (telemanipulator) robot comandat de la distanță prin canale informaționale
diferite față de cele de natura mecanică, d e către un manipulator uman și care acționează ca
element în bucla de întoarcere a sistemului de control [1].
1.3 Clasificarea roboților industriali
Federația Internațională de Robotică (IFR), î n conformitate c u ISO 8373 [WIR 98], a stabilit
în anul 199 7 clasificarea dup ă structura constructiv ă a roboț ilor pe urmatoarele 5 categorii de
roboț i:
a.) Roboti cartezieni si roboti portali sunt roboț ii al caror mecanism generator de
traiectorie are 3 cuple motoare de translaț ie, având direcția de miș care par alela cu cea a axelor
sistemului cartezian de referință [3];
b.) Roboț i cilindrici sunt roboț ii al că ror mecanism g enerator de traiectorie are 2 cuple
motoare de translație și una de rotație ș i a că ror axe formează un sistem de coordonate
cilindric .
c.) Roboț i sferici sunt roboț ii al că ror mecanism g enerator de traiectorie are 2 cuple motoare
de rotație și una de translație și a căror axe formează un sistem de coordonate sferic.
d.) Roboț i tip SCARA sunt roboții al că ror mecanism generator de traiectorie are 2 cuple
motoare de rota ție cu axele paralele î n plan vertical, iar a trei a cupla motoare este de translație
pe o direcț ie paralela cu cea a axelor cuplelor motoare de rotaț ie.
9 e.) Roboti articulati (antropomorfi) sunt roboții al că ror mecanism gener ator de traiectorie
este com pus din 3 cuple motoare de rotație, doua având axele paralele î n plan orizontal, iar a
treia axă fiind perpendiculara pe direcția primelor două .
f.) Roboț i paraleli sunt roboț ii care au dispozitivul de ghidare format d in 3-6 cuple motoare
de translație sau de rotație a căror axe sunt concurente î ntr-un punct [3].
Fig.2 Clasificarea roboților
Sursa: http://www.scrigroup.com/tehnologie/tehnica -mecanica/Robotul -Clasificarea –
robotilor12177.php
10
CAPITOLUL 2
ROBOȚII INDUSTRIALI, CONDUCEREA PRIN
MICROCONTROLLER
2.1 Cine matica roboților industriali
2.1.1 Structura roboților
Structura unui robot este, de fapt, un sistem compus din mai multe subsisteme. Sistem este un
ansamblu de părți componente, elemente, și legăturile dintre acestea. Elementele care compun
acest sistem se numesc subsisteme. La rândul lor subsistemele pot avea și ele subsisteme, din
acest motiv există o ierarhizare și anume sistemul principal se numește sistem de rangul 1,
subsistemele se numesc sisteme de rangul 2 .
Modul cum se compune un sistem din subsisteme și legăturile dintre aceste subsisteme
definesc str uctur a unui sistem. Aceast asamblu a sistemelor din subsisteme se evidențiază prin
scheme bloc, iar linkurile ( legăturile ) dintre subsisteme, prin matrici de cuplare (care definesc
legăturile dintre "intrările" și "ieșirile") și matrici de structură (care ne arată care subsisteme sunt
în legătură).
Robotul este un sistem de rangul 1 și se aseamănă constructiv cu sistemul unui om la fel
și subsistemele robotului.
Sistemele componente ale robotului industrial sunt:
– sistemul energetic (de acționare)
– sistemu l mecanic de locomoție și manipulare
– sistemul de măsurare (interoceptor)
– sistemul senzorial (exteroceptor)
– sistemul de comandă
Sistemul energetic asigură energia necesara funcționarii robotului, care poate fii energie
electrică, energie hidraulică, energie pneumatică, energie mecanică sau combinații ale
acestora.
Sistemul mecanic de locomoție (SML) este un sistem mecanic foarte complex care îi permite
robotului deplasarea în spațiul de lucru pentru efectuarea operației robotizate.
Dacă în general majoritate a roboților utilizați în procesele de producție clasice (fabricarea
produselor industriale ) operează în puncte fixe numite puncte țintă (nu au sistem de locomoție
separat) categoriile celelalte de roboți (atât industriali cât și cele din alte destinații) prezintă un
sistem de locomoție distinct [2].
11
Fig.3 Componentele robotului ca sistem mecatronic [2]
Acesta poate fi realizat pe bază de șenile, roți, pe bază de structuri articulare sau combinații ale
lor.
Sistemul mecanic de manipulare (SMM) cuprinde mecanismul de ghidare sau manipulatorul
și organul de execuție sau efectorul. Acesta constituie scheletul robotului este alcătuit în general
din elemente cinematice (rigide sau deformabile) legate între ele prin cuple cinematice [2].
Mecanismul manipulatorului înpreună cu efectorul poate fi conceput ca fiind compus din:
a.) mecanismul de poziționare (MP) se mai numește și mecanismul genetator de
traiectorii(MGT) a cărei funcție este să deplaseze în spațiu mecanism ul de orientare împreuna cu
efectorul.
Este construit ca lanț cinematic principal și are ca bază fundația sau postamentul robotului, de
regulă este un mecanism cu bare și poartă denumirea de brațul robotului.
b.) mecanismul de orientare (MO) a cărei funcți e este orientarea efectorului în spațiul de lucru
sau în mediul înconjurător. Este un lanț cinematic intermediar(secundar) și are ca bază elementul
final al mecanismului generator de traiectorii(MGT), este realizat de regulă din roții dințate. Mecanism de
Locomație Mecanism de
ghidare Efector
(prehensor)
Sistem de măsurare (interoceptor) Sistem mecanic de locomoție și manipulare O
P
E
R
A
T
O
R
U
M
A
N
S
I
S
T
E
M
U
L
D
E
C
O
M
A
N
D
Ă Sistemul senzorial (exteroceptor)
Sistem
Energetic
(de acționare) M
E
D
I
U
A
M
B
I
A
N
T
12 c.) Efectoru l a cărei destinație este îndeplinirea funcției pentru care a fost conceput robotul și
care în afară de mecanismul de prehensiune (de prindere, apucare a pieselor și reținerea lor)
poate fi: dispozitiv tehnologic de sudură, de vopsire, sculă, dispozitiv de măsură.
În funcție de particularitățile efectorului, roboții în special roboții in dustriali, pot fi înparțiți în
două mari clase și anume:
– roboți echipați cu prehensoare
– roboți dotați cu alte dispozitive (de sudură,de vopsire,de așchiere,de măsură)
Conform unei statistici recente din gama totală a roboților industriali, un procent de 41%
sunt prevazuți cu prehensor, respectiv subsisteme de prehensiune. Acești roboți sunt destinați
pentru aprovizionarea cu piese a mașinilor unelte asamblare, man ipulare, paletizare și ambalarea
produselor.
Are ca bază elementul final al mecanismului de orientare (MO).
Fig.4 Mecanism manipulator
Sistemul de măsurare are rolul de a stabili starea internă de funcționare a robotului (măsurarea
parametrilor cinema tici și dinamici interni), ceea ce se realizează cu traductori de forță, de
deplasare, de presiune,de turație etc.
Sistemul senzorial are rolul de a percepe caracteristicile mediului exterior robotului și furnizarea
acestuia a informațiilor necesare pentru efectuarea optimă a operației robotizate. Funcția acestui Sursa : http://www.scribd.com/doc/27506518/Mecanisme -Slide -Cap-10
13 sistem se realizează prin intermediul senzorilor vizuali, de proximitate, tactilii de radiații, de
sunet.
În cadrul acestui sistem se află:
– senzori intero ceptori au rolul de a stabili starea intern ă de funcționare a robotului descrisă
de parametrii cinematici și dinamici ai mișcării.
– senzori exteroceptori sunt sisteme senzoriale complexe destinate sesizării mediului
exterior (de lucru).
Sistemul de comandă asigură prelucrarea informațiilor furnizate de sistemul de masurare și
senzorial, necesare pentru luarea deciziilor care să asigure bună funcționare a robotului.
Ca și realizarea comunicării cu operatorul uman direct sau indirect, cu instrucțiunile prestabilite
de acesta.
2.1.2 Sistemul mecanic
Al robotului are rolul să asigure realizarea mișcărilor acestuia și transmiterea energiei mecanice
necesare interacțiunii cu mediul. Adică are sarcina de a deplasa un obiect. Partea din sistemul
mecanic care realizează această deplasare se numește dispozi tiv de ghidare sau manipulator.
Se înțelege prin manipulare modificarea stări în spațiu a unui obiect. Utilizarea mâinii de
către om a determinat formarea cuvântului de manipulare. Manipularea obiectului se realizează
prin modificarea situării efectorului final, cu care obiectul este solidarizat. În acest scop, baza
efectorului final este solidarizată cu un element al dispozitivului de ghidare.
Dispozitivul de ghidare are rolul de a da efectorului final mișcările și energia mecanică
necesară mișcări în co nformitate cu acțiunea asupra mediului.
Subsistemul din cadrul sistemului mecanic dedicat acestei interacțiuni este efectorul final .
Sistemul mecanic este constituit dintr -un lanț cinematic format din elemente rigide interconectate
prin cuple de rotație sau translație care permit mișcarea lor relativă. Capătul inferior al lanțului
cinematic este fixat în batiu, iar capul superior susține mâna robotului respectiv dispozitivul de
prehensiune sau sculă sau gripper [5].
Se urmărește ca structura mecanică să asigure:
– O mobilitate cât mai mare (determinat de antropomorf ism)
– Greutate cât mai mică
– Supleț e
– Randament energetic ridicat.
14
Fig.5 Sistemul mecanic al roboților industriali
Lanțul cinematic de ghidare realizează deplasarea efectorului final dintr -o poziție în
alta, generează o anumită traiectorie în concordanță cu cerințele procesului tehnologic în care
se integrează.
În spațiul tridimensional un corp material are 6 grade de libertate. Deplasarea dintr -o
poziție în alta, bine determinată este posi bilă prin modificarea convenabilă a tuturor celor 6
parametri scalari. Lanțu l cinematic de ghidare trebuie să aibă 6 grade de mobilitate. Lanțul
cinematic de ghidare este un lanț cinematic deschis.
Toate părțile din care este construită structura mecanică a unui robot se consideră generică
de elemente presupuse solide rigide (numerotate de la 0 la 4). Posibilitatea mișcărilor relative ale
elementelor se asigură prin legăturile dintre acestea numite cuple cinematice (notate cu A; B; C
și D). Se poat e considera că numărul gradelor de libertate (identic cu numărul gradelor de
mobilitate) este egal cu numărul cuplelor cinematice de rotație sau de translație [5].
Fig.6 Schema cinematică a unui robot articulat
15
Punctul obiectului manipulat, arbitrar al es, utilizat la stabilirea legilor de distribuție a poziților,
vitezelor și accelerațiilor, în scopul mișcării generale spațiale a corpului prins în dispozitivul
de prehensiune (efector final) se numește punct caracteristic .
O dreaptă care aparține obiectului manipulat și trece prin punctul caracteristic, folosită
pentru descrierea mișcării, poartă denumirea de dreaptă caracteristică (DC – d1). Punctul
caracteristic este un punct virtual ales de proiectant pentru studiul mișcării mecanismului
genera tor de traiectorie. Acest punct se alege pe axa longitudinală a ultimului element al lanțului
cinematic la încheietura mâinii pe sculă [5] .
Fig.7 Punct caracteristic, dreaptă caracteristică
16 Partea lanțului cinematic de ghidare care realizează modif icarea poziției punctului
caracteristic (PC) reprezintă mecanismul generator de traiectorie. În principiu acesta trebuie
să aibă gradul de mobilitate 3 realizând modificarea celor 3 coordonate carteziene ale
punctului caracteristic.
Acea parte a d ispozitivului de ghidare care are rolul la orientarea
dreptei caracteristice d1, după o succesiune de direcț ii impuse se numește mecanism de
orientare. Mecanismul de orientare în principiu are tot 3 grade de mobilitate.
Deci dispozitivul de ghidare trebui e să aibă minimum șase grade de libertate pentru a
realiza poziționarea și orientarea unui corp (piesă sau sculă ) în spațiu. În anumite cazuri
particulare el poate să aibă și mai puțin de șase grade de libertate (ca în cazul corpurilor
cilindrice , când u n grad de libertate nu -și mai justifică existența datorită simetriei față de axa
cilindrului, situație în care cinci grade de libertate sunt suficiente ) sau mai mult de șase grade
de libertate atunci când robotul trebuie să execute anumite operații care n ecesită o mare
versatilitate (ca în cazul vopsirii).
În marea majoritate a cazurilor dispozitivul de ghidare este
constituit dintr -un lanț cinematic deschis dar există și situații când se combină un lanț
cinematic închis (patrulater articulat) cu u nul deschis. Construit din elemente mecanice (corpuri
rigide sau deformabile), legate între ele prin cuple cinematice active sau pasive. Legătura este
definită prin restricții de natură geometrică impuse parametrilor de situare relativă a corpurilor
conect ate.
Din punct de vedere fizic, legătura reprezintă o cuplă cinematică motoare. Lanțul cinematic al
unui robot conține doar cuple cinematice de clasa a V -a, de rotație și de translație. În studiul
geometric, cinematic și dinamic al roboților, legătur ile sunt considerate ideale din punct de
vedere mecanic. Din punct de vedere al structurii mecanice, roboții pot fi:
– seriali (lanț cinematic deschis, toate cuplele cinematice sunt active),
– paraleli (lanț cinematic închis) sau structură mixtă.
Majo ritatea roboților au structură serială.
Fig.8 Lanț cinematic deschis
Fiecare cuplă cinematică a structurii mecanice este acționată de către un motor,
individual. O cuplă cinematică prevăzută cu motor și comandată individual se numește cuplă
cinematică co nducătoare . Astfel, lanțul cinematic al structurii mecanice a unui robot are numai
cuple cinematice conducătoare . Cuplele cinematice ale structurii mecanice a unui robot introduc
o singură coordonată generalizată.
17
Fig.9 Lanț cinematic închis
2.1.3 Sistemul de acționare
Este cel care produce mișcarea elementelor sistemului mecanic.
Sistemul de acționare presupune mai multe sisteme de conducere locală . Fiecare cuplă
cinematică a robotului este prevăzută cu câte un motor de acționare. Motoarel e de acționare pot
fi: electrice, hidraulice sau pneumatice sau combinați ale lor :
● sistem de acționare electric : este utilizat în aproximativ 20% din roboții de azi. Un sistem
electric constă în servo motoare, motoare pas cu pas, motoare cu impulsuri . Aceste
motoare convertesc energia electrică în energie mecanică. Controlul mișcării este superior
celorlalte tipuri de acționări, iar în caz de urgență, robotul poate fi oprit mai repede și mai
precis decât în celelalte două tipuri de acționări.
● sistem de acționare pneumatic : este utilizat în aproximativ 30% din roboții de azi. Un
sistem pneumatic utilizează aerul comprimat. Uzual, în spațiile industriale există linii de
aer comprimat în zonele de lucru, deci acționarea pneumatică a roboților nu rid ică
probleme suplimentare. Acest tip de sistem de acționare este dificil din punctul de vedere
al sistemului de comandă (comanda în viteză sau în poziție).
● sistem de acționare hidraulic : este cel mai utilizat, deoarece cilindrii hidraulici și
motoarel e sunt compacte și permit forțe mari și precizie ridicată. Sistemul hidraulic
convertește forțele datorate presiunii înalte a fluidului în mișcare liniară sau de rotație.
Acest tip de sistem de acționare este bun din punctul de vedere al sistemului de coma ndă
(comanda în accelerație, mișcări repetate).
2.1.4 Sistemul de comandă
Al robotului trebuie să asigure mișcarea structurii mecanice în două
moduri:
– liber (traiectorii libere) sau în contact cu alte obiecte (traiectorii semilibere). În primul
caz se evită, pe baza modelului mediului, coliziunea cu obiectele din spațiul de lucru și se
controlează situarea efectorului și parametrii cinematici ai mișcării acestuia pe tot parcursul
evoluției sale.
– În al doilea caz, trebuie studiată suplime ntar interacțiunea cu mediul și trebuie
controlată forța de interacțiune.
18 Sistemul de comandă al unui robot determină flexibilitatea și eficiența acestuia, în
limitele prestabilite prin proiectarea structurii mecanice. Sistemul de comandă este reprezentat de
unul sau mai multe calculatoare interconectate, cu dotări hardware și software specifice
aplicațiilor de robotică și are rolul de a conduce întregul robot. Sistemul de comandă efectuează
toate calculele necesare și asigură interfața cu sistemul senzoria l, elementele efectoare ale
robotului, respectiv echipamentele periferice asociate. Sistemul de comandă primește toate
informațiile și comenzile de la operatorul uman, înregistrează informațiile de la sistemul de
percepție și comandă sistemul de acționare pentru executarea sarcinii planificate, deci furnizează
o secvență logică pe care robotul trebuie s -o respecte.
Sistemul de comandă furnizează situările teoretice necesare fiecărei etape de lucru și
înregistrează continuu situarea curentă în timpul mișcării. În timpul operării robotului, sistemul
de comandă calculează mărimile teoretice, evaluează diferențele între acestea și mărimile
măsurate, înregistrează (memorează) datele și generează mișcarea robotului.
Există două tipuri de sisteme de comandă , corespunzătoare celor două tipuri de generări
de traiectorii:
▪ Point -to-Point Path/Controlled Path
▪ Continuous Path
□ point -to-point path: roboții programați și controlați în acest mod se deplasează de
la un punct la altul, în inter iorul volumului accesibil al spațiului de lucru. Robotul
înregistrează punctele unde au loc acțiuni importante ale sarcinii pe care trebuie s -o
îndeplinească.
Aceste puncte vor determina traiectoria robotului. Sistemul de comandă determină traiectori a
optimă între aceste puncte. Acest sistem de comandă este utilizat când este impusă o
repetabilitate mare, sau când traiectoria între punctele de început și sfârșit nu este importantă (de
exemplu aplicații de încărcare/descărcare). Între traiectoriile par curse de robot pentru execuția
aceiași operații există mici diferențe datorită variațiilor de viteze, geometriei cuplelor
cinematice și distribuției spațiale a punctelor care definesc traiectoria.
□ continuous path : robotul este programat să genereze/ urmărească cu precizie o traiectorie
oarecare dar impusă. Traiectoria este determinată de un număr mare de puncte foarte apropiate,
înregistrate în memoria robotului. În timpul secvenței de mișcare, robotul urmărește cu precizie
traiectoria specificată (de exemplu operații de sudare, vopsire).
Traiectoria robotului este comandată prin memorarea unui număr mare de puncte în
spațiu în timpul fazei de învățare. În timpul mișcării sunt monitorizate continuu
coordonatele punctelor din spațiul de lucru (coo rdonatele operaționale sau coordonate carteziene)
și memorate.
Controlerele roboților trebuie să aibă o capacitate suficientă:
– abilitate de calcul
– capacitate de memorie
– capabilitate input/output.
Programarea roboților nu este sta ndardizată. Producătorii de roboți folosesc limbaje de
programare proprii care necesită apoi o instruire specială a personalului.
2.2 Elemente constructive și organologia a roboților industriali
2.2.1 Cuple cinematice utilizate la construcția roboților i ndustriali
Elementul cinematic este un corp material component al mecanism ului care atunci când este
acționat , are rolul de a permite transmiterea mișcării și a forței [11].
Elementele cinematice se clasifică în următorul mod :
a.) După natura fizică :
19 ♦ elemente rigide (fig.10. a) – considerate nedeformabile, formate dintr -o singură piesă sau mai
multe piese asamblate între ele astfel ca ansamblul obținut să constituie un rigid ( de exemplu
biela unui motor reprezintă un singur element cinematic , deși este formată din mai multe piese
componente)
♦ elemente flexibile (cabluri, curele, lanț uri) folosite pentru transmiterea la distanță a mișcării
și implicit a puterii mecanice (fig.10.b)
♦ elemente lichide (apa la pompe și prese hidraulice, u leiul la prese de puteri mari)
♦ elemente gazoase (aerul comprimat utilizat la echipamentele pneumatice) –(fig10.c).
♦ elemente electrice (câmpul electromagnetic) – (fig.10. d).
Fig.10 Elemente cinematice
b.) După rangul lor:
Prin rang (j) se înț elege numărul de legături pe care un element cinematic le are cu elementele
vecine.
– elemente simple ( j≤2) din categoria cărora fac parte elementele monare ( j=1) și cele binare
(j=2).
– elemente complexe ( j>2) din categoria cărora fac parte elemen tele ternare ( j=3) și polinare
(j>3).
c.) După legea de mișcare:
– elemente conducătoare – sunt elemente mobile cu legi de mișcare cunoscute .
– elemente conduse – sunt elemente mobile a căror legi de mișcare sunt necunoscute și
depind de legea de mișcare a elementului conducător.
Cuplă cinematică prin ea se înțelege legătura mobilă, directă dintre două elemente cinematice,
realizată cu scopul limitării libertăților de mișcare relative dintre elementele cinematice și
transmiterii mișcării de la un element la altul. Legătura se poate realiza continuu sau periodic și
are loc pe o suprafață, linie sau punct.
Clasificarea cuplelor cinematice :
20 a.) Din punct de vedere structural cuplele cinematice se împart în cinci clase după numărul
gradelor de libertate interzise de cuplă. Gradul de libertate reprezintă numărul parametrilor
scalari independenți necesari pentru a determina, la un moment dat, poziția unui corp în raport cu
un sistem de referință.
Un corp liber în spațiu are 6 grade de libertate , ce corespund componentelor pe cele trei axe Ox,
Oy, Oz ale vectorului translație v și a vectorului de rotație instantanee ω ale mișcării sale
(Fig.11) . Cele 6 libertăți de mișcare pot fi limitate introducând anumite condiții de legătură care
pot suprima m ișcarea într -o direcție sau pot impune o relație între mărimile unor componente ale
translației și rotației instantanee.
Dacă se notează cu (L) numărul gradelor de libertate pe care cupla cinematică le permite
elementelor ei (0≤ L ≤6) și cu m numărul mi șcărilor anulate de cuplă (1≤L ≤5), rezultă formula:
L=6-m
Fig.11 Cele 6 grade de libertate a unui corp liber în spațiu
Clasa cuplei cinematice este dată de numărul mișcărilor anulate m. Ținân d cont de aceste cazuri
se disting următoarele cuple cinematice prezentate în continuare:
▪ cuple cinematice de clasa I (fig.12. a) notate cu C
1 și care anuleză elementelor cinematice un
grad de libertate ( m=1).
▪ cuple c inematice de clasa II -a (fig.12. b, c) notate cu C
2 și care anuleză elementelor
cinem atice două grade de libertate (m=2).
▪ cuple cinematice de clasa III -a (fig.12.d,e,f) notate cu
3C și care anuleză elementelor
cinematice trei grade de libertate (m=3).
21 ▪ cuple c inematice de clasa IV -a (fig.12. g,h) notate cu
4C și care suprimă elementelo r
cinematice patru grade de libertate (m=4).
▪ cuple cinematice de clasa V -a (de rotație fig.12.i de translație fig.12.j și cupla șurub -piuliț ă
(fig.12.k) notate cu
5C și care suprimă elementelor cinematice cinci grade de libertate (m=5).
b.) Din punct de vedere geometric (după natura contactului dintre elemente) se disting :
▪ cuple cinematice inferioare, la care contactul se re alizează pe o suprafață (fig.1.2. d, e, f, g, h,
i, j, k) .
▪ cuple cinematice superioare, la care conta ctul se face pe o linie (fig.12.b, c) sau într -un punct
(fig.12. a).
c.) Din punct de vedere cinematic cuplele cinematice se împar t în:
▪ cuple cinematice plane care permit elementelor , mișcări într -un singur pla n sau în plane
paralele (fig.12. f, g, h, i, j) .
▪ cuple cinematice spațiale, care permit mișcarea în spațiu a elementelor (fig.12. a, b, c, d, e).
d.) Din punct de vedere constructive cuplele cinematice se clasifică :
▪ cuple cinematice închise, la care contactul dintre elemente se asigură prin tr-o ghidare
permanentă (fig.12. b, d, e, g, h, i, j, k).
▪ cuple cinematice deschise, la care contactul dintre element e se asigură prin forță (fig.12. a, c,
f).
Pentru stabilirea clasei unei cuple c inematice se procedează în următor ul mod :
– se fix ează unul din elementele cuplei
– se atașează celuilalt element un sistem triortogonal de axe Oxyz și i se studiază posi bilitățile de
mișcare.
Clasa cuplei cinematice va fi dată de numărul mișcărilor anulate, (m)
Cuplele cinematice se reprezintă grafic p rin semne convenționale (fig.12 ).
22
Fig.12 Clasificarea cuplelor cinematice pentru construirea roboților industriali
23 2.2.2 Lanțuri cinematice utilizare la construcția roboților industriali
Lanțul cinematic reprezintă un ansamblu de elemente cinematice mobile legate între ele prin
cuple cinematice de diferite tipuri . Toate elementele lanțului fiind mobile, folosirea lui î n tehnică
este posibilă numai dacă i s-a fixat unul din elemente.
Clasificarea lanțurilor cinematice:
a.) După rangul elementelor componente :
♦ lanțuri cinematice simple, constituite din elemente de rang j ≤ 2 (fig.13.a, b, d, e, f)
♦ lanțuri cinemati ce complexe, care au în componența lor cel puțin un elemen t de rang j ≥ 3
(fig.13. c).
b.) După formă :
♦ lanțuri cinematice deschise (fig.13.a, b, c, e).
♦ lanțuri cinematice închise (fig.1 3.d, f).
c.) După felul mișcări i elementelor cinematice :
♦ lanțuri cinematice plane, ale căror elemente au mișcări într -un singur pla n sau în plane paralele
(fig.13. a, b, c, d).
♦ lanțuri cinematice spațiale, la care cel puțin un singur element are o mi șcare într -un plan diferit
față de ceelalte e lemente (fig.1 3.e, f).
Fig. 13 Lanțuri cinematice utilizate în cadrul roboților industriali
24 Gradul de libertate al unui lanț cinematic este dat de numărul gradelor de libertate ale
elementelor componente.
Se consideră că în structura unui lanț cinematic intră “e” elemente cinematice și
mC cuple
cinematice de clasa m (m=1, 2, …5). Gradu l de libertate al unui a lanț cinematic se obține
scăzând din numărul total al mișcărilor celor “e” elemente cinematice considerate libere în spațiu
numărul total d e restricții de mișcare intro du-se de cuple cinematice, rezultă formula:
Pentru lanț cinematic cu mișcare spațială:
5
16
mm e L
mC
Pentru lanț cinematic cu mișcare plană:
5
43 3
mm e L
mC
2.2.3 Mecanisme utilizate la construirea roboților industriali :
Mecanismul este un lanț cinematic închis, cu un element cinematic fix (sau presupus fix) care
are proprietatea ca pentru o mișcare dată unuia sau mai multor elemente cinematice în raport cu
elementu l fix, toate celel alte elemente au m ișcări determinate. Și rezulta astfel că mecanismul
este desmodrom .
Clasificarea mecanismelor :
a.) După posibilitățile de mișcare a elementelor cinematice:
▫ mecanisme plane (fig.14)
▫ mecanisme spațiale
b.) După varianta constructivă :
▫ mecanisme mecanice, care acestea la r ândul lor se împart:
– cu pârghii (fig.14.a, b, c)
– cu came (fig.14.d, e)
– cu roți (fig.14.f, g)
– cu elemente flexibile
▫ mecanisme pneumatice
▫ mecanisme hidraulice
▫ mecanisme electrice
▫ mecanisme electronice
25 c.) După destinație:
– mecanisme de strângere
– mecanis me de blocare
– mecanisme de cuplare
– mecanisme de reglare
– mecanisme de frânare
– mecanisme de prindere
– mecanisme de inversare
– mecanisme de acționare
– mecanisme de oprire -pornire
Fig. 14 Mecanisme utilizate la construcția roboților
Deoarece mecanismul este un caz particular al lanțului cinematic, când u n element al acestuia
este fix se va introduce noțiunea de grad de mobilitate în loc de grad de libertate .
Prin grad de mobilitate al unui mecanism se poate înțelege numărul posibilităților sale de
mișcare sau al gradelor de libertate ale elementelor cinematice mobile în raport cu elementul fix.
Unul din elementele lanțului cinematic al mecanismului fiind fix, rezultă că din numărul total de
elemente “e” se scade unul.
26 Relațiile pentru determinarea mobilitați (M), unui mecanism sunt următoarele:
5
11 6
mm e M
mC
Dacă ce notează cu e-1=n (n – numărul de elemente mobile) rezultă următoarea relație :
5
16
mm n M
mC
Pentru mecanismele plane relația de mai sus devine :
3
13 3
mm n M
mC
4 523 C Cn
Determinarea gradului de mobilitate (M) al unui mecanism este o operație obligatorie d eoarece
valoarea sa arată dacă mecanismul funcționează (M > 0) sau nu funcționează (M ≤ 0) și arată
numărul elementelor cinematice conducătoare necesare îndeplinirii condiției de desmodromie
[11].
2.2.4 Elemente organologice de trasmitere a mișcări și forțelor în cazul roboților
industriali
Angrenajele sunt mecanisme formate din două sau mai multe roți dințate, una fiind conducătoare
uar celelalte fiind conduse, cea conducătoare antrenându -le pe celelalte prin acțiunea dinților
aflați succesiv în conta ct [12].
Roțile dințate sunt organe de mașini care au la periferia lor dinți dispuși în mo d regulat pe
suprafețele de rostogolire , numite suprafețe de revoluție.
Procesul continuu de contact între dinții roților conjugate ale unui angrenaj, în vederea asigurării
mișcării continue a celor două roți dințate se numește angrenare.
Avantajele utilizări angrenajelor sunt următoarele:
– realizarea unui raport de trasmitere constant;
– posibilitatea de obținere unei plaje foarte largă de rapoart e de trasmitere cu puteri si viteze
diferite;
– siguranță în exploatare;
– gabarit relativ redus și durată de funcționare îndelungată;
– randament ridicat ;
Dezavantajele utilizări angrenajelor sunt următoarele:
– necesită pre cizie ridicată de execuție ;
– fac zgomot în timpul funcționări, mai ales la viteze ridicate ;
27 – nu se pot realiza orice raport de trasmitere ;
– construcția și controlul final al roților necesită utilaje, scule și instrumente speciale;
Clasificarea roților dințate se face în următorul mod:
a.) După poziția relativă a celor două roți și a axelor lor geometrice :
▫ angrenaje cu axe paralel e (angrenaje cilindrice, fig.15)
▫ angrenaje cu axe concurente (angren aje conice, fig.16 )
▫ angrenaje cu axe încrucișate (ang renaje hipoide, melcate, fig.17 )
b.) După forma feometrică a roților dințate :
▫ dinți drepți (fig.15.a, (fig.16.a)
▫ dinți înclinați (fig.15.b)
▫ dinți in în formă de „V” (fig.15.c), în formă de „W”, în formă de „Z”
▫ dinți curbi (fig.16. b)
c.) După poziția relativă a suprafețelor de rostogolire :
▫ angrenare exterioară (fig.15.a, b, c)
▫ angrenare interioară (fig. 15.d)
d.) După profilul dinților roților dințate :
▫ în evolventă
▫ în cicloidă
▫ în arc de cerc (dantură Novicov)
e.) După modul de mișcare a axelor geom etrice ale roților dințate :
▫ angrenaje cu ax e fixe
▫ angrenaje cu axe mob ile: planetare sau diferențiale
28 Fig.15
Fig.16 Fig.17
Trasmisii prin curele realizează trans ferul de putere și mișcare între doi sau mai mulți arbori,
datorită frecării dintre un element intermediar flexibil care se poate regla cureaua, care este
montat ă pretensionat și un element fix sau mai multe care sunt roțile de curea fixate pe arbori
[11].
Trasmisile prin curele prezintă următoarele avantaje :
▪ funcționare lină fără zgomot
▪ posibilitatea trasmiterii turației și a vitezei unghiulare pe distanțe mari
▪ constituie un element d e siguranță (de exemplu la suprasarcini cureaua poate patina
protejând astfel sistemul de acționare)
▪ amortizează șocurile și vibrațile la viteze mari
▪ nu se impun anumite condiții tehnice pentru montarea și întreținerea lor
▪ se pot utiliza la o plajă largă de viteze și puteri
Pe lângă avantajele arătate anterior curele prezintă o serie de dezavantaje:
▪ capacitate de trasmitere redusă
▪ durabilitate scazută
▪ gabarit mare
▪ funcționare însoțită de patinarea curelei ceea ce face ca rapotrul de trasmitere sa nu fie
constant
▪ slabirea curelei în timp datorită înbătrâniri și a deformaților ceea ce duce la necesitatea
unor dispozitive de întindere a curelei
29
Clasificarea trasmisi ilor prin curele se face în următorul mod:
a.) După forma secțiunii curelei există:
– curele late (fig.18.a)
– curele trapezoidale (fig.18.b)
– curele rotunde (fig.18.c)
– curele dinț ate (fig.18.d)
Fig.18
b.) După poziția axelor în spațiu, acestea se clasifică și ele ra rândul următor astfel:
1.) Cu axele paralele (fig.19):
– cu ramur i deschise (a)
– cu ramuri încrucișate (b)
– cu con etajat (c)
– cu con continuu (d)
2.) Cu axele neparalele (fig.20) :
– cu ramuri semiîn crucișate (a)
– în unghi, cu rolă de ghidare (b)
30 Fig.19
Fig.20
2.3 Sisteme de acționare a roboților industriali
Sistemul de acționare al roboț ilor industriali are rolul la transformare a unei energii potențiale
( hidraulicã , electricã , pneumaticã ) în tr-o altă formă de cum ar fii de exemplu energie m ecanicã
și transmiterea energiei mecanice rezultate la cuplele cinematice conducãtoare.
Deci sistemul de acționare constã din unul sau mai multe motoare rotative sau liniare ,
transmisii mecanice și mecanisme pentru transmiterea și transformarea mișcãrii mecanice într-o
altă formă de mișcare, dar tot mecanică .
În construcția roboților cele mai cunoscute surse de energie sunt următoarele:
▪ electrică
▪ hidraulică
▪ pneumatică
Fiecare tip de acționare are avantajele și dezavantajele ei, astfel în funcție de ceea ce avem
nevoie folosim un anumit tip de acționare sau combinași ale lor.
31
2.3.1 Acționar ea electrică
Acționarea electrică este cel mai răspândit sistem de ac ționare folosit în cadrul roboților
industriali datorită avantajelor sale pe care le are [4].
Motoarele electrice se împart în două categori mari și anume:
▪ motoarele electrice rotative, din această categorie fac parte următoarele tipuri de
motoare:
– motorul pas cu pas (MPP)
– motorul de curent continu
– motorul asincron trifazat
– motorul sincron trifazat
▪ motoarele electrice liniare, aceasta la rândul ei are următoarele tipuri de motoare :
– motorul pas cu pas liniar
– motorul asincron liniar
Cele mai des folosite sisteme de acționare electrice în cadrul roboților industriali sunt
motoarele pas cu pas (MPP)
Motorul pas cu pas (MPP) este un convertor electromecanic care realizează
transformarea unui tren de impulsuri digitale într -o mișcare direct proporțională cu a axului s ău.
În cazul unei funcționări corect există următoarea regulă ca numărul pașilor efectuați de
rotorul motorului să coincidă cu numărul de impulsuri digitale aplicate pe fazele motorului.
Viteza unui motor pas cu pas poate fi reglată pe o plajă largă prin modificarea frecvenței la
intrare.
Motoarele pas cu pas prezintă următoarele tipuri de avantaje și dezavantaje a utilizări lor.
Avantaje ale motoarelor pas cu pas(MPP) :
– plajă largă a frecvențelor de comandă
– răspunsuri foarte bune la pornit/ oprit/ schimbarea direcției de rotație
– precizie de poziționare și de rezoluție mari
– memorează poziția
– compatibile cu comanda numerică
32
Dezavantajele ale motoarelor pas cu pas(MPP) sunt următoarele:
– viteza de rotație relativ scăzută
– controlare greoaie la viteze de rotație foarte mari
Construcția motoarelor pas cu pas și funcționarea lor :
În funcție de construcția ci rcuitului magnetic al motorului există trei tipuri de motoare:
– cu reluctanță variabilă (reactiv)
– cu magnet permanent (activ)
– hibride
▪ Motorul pas cu pas cu reluctanță variabilă (de tip reactiv) este prevăzut atât statorul cât ș i
rotorul cu dinți dispuși uniform pe partea de revoluție a rotorului și statorului, rotorul fiind
elementul pasiv.
La alimentarea cu tensiune a unei faze statorice, el se rotește în așa fel încât dinții statorici să
se găsească fie față în față cu di nții rotorului (fig.21. I,II), fie dinții rotorici să se găsească între
dinții statorici, adică plasați după bisectoarea unghiului polilor statorici (fig.21.III) .
Acest tip de motor asigură pași unghilari mici și medii, poate lucra la frecvențe de comandă
mare. Motorul pas cu pas de tip reactiv nu memorează poziția, adică nu asigură un cuplu
electromagnetic în timpul în care nu este alimentat cu curent, mai precis nu are cuplu de
menținere.
Fig.21 Principiul funcționari MPP cu reluctanță vatiabilă
▪ Motor ul pas cu pas cu magnet permanent (de tip activ) are dinții rotorului construiți cu magneți
permanenți cu poli dispuși radial (fig 21, poziția I, polul rotoric N în dreptul polului statoric S și
polul rotoric S în dreptul polului statorului N generat de î nfășurarea AA’ ). Rotirea rotorului se
face în următorul mod, în momentul alimentări fazelor statorului se generează un câmp magnetic
33 care interacționează cu magneți permanenți ai rotorului dând nașterere astlel unor cupluri de
forțe care deplasează rotorul .
Acest tip de motor pas cu pas cu magnet permanent asigură momente motoare mai mari față
de cele cu reluctanță variabile și asigură și un cuplu de menținere a rotorului chiar în momentul
în care nu sunt alimentate fazele statorului.
▪ Motorul pas cu pas hibrid sunt acele motoare care sunt cel mai des folosite în construcția
roboților combinând ajantajele celor două motoare pas cu pas cu reluctanță variabilă și cu
magnet permanent. Rotorul motorului pas cu pas hibrid este construit dintr -un magnet p ermanent
dispus longitudinal, având la extremitățile acestuia două coroane dințate din material
feromagnetic (fig.22,a) [6, 16].
Dinții unei coroane dințate canstituie polul nord (N) al rototului, iar cealaltă coroană din țată
constituie polul sud (S) la rotorului. Dinții celor două coroane dințate sunt decalați spațial cu o
anumită dimensiune , astfel în cât dacă un dinte al unei coroane se gasește în dreptul unui dinte al
statorului , dintele de pe cealaltă coroană dinîată a rotorului se află la jumatat ea unghiului dintre
doi dinți statorici [4].
a.) b.)
Fig.22
Motorul de curent continuu sunt foate mult utilizate în domeniul roboților industriali și nu
numai datorită avantajelor lor:
– greutate și volum mic
– moment de inerție redus al elementelor mobile (rotorului), rezultând astfel un raport mare
de putere
– are posibilitatea reglari în limite foarte largi a turației
– moment impulsiunal foarte ma re ceea ce oferă o protecție la suprasarcini de durată scurtă
34
Dezavantajele utilizări motoarelor de curent continuu sunt:
– constante de timp prea mari
– caracteristici de reglare neliniare
– necesită o întreți nere mare
Construcția motorului de current continuu (fig.23) : este construit din două elemente de bază
stator și rotor
Motorul de curent continuu este format din două parți:
▪ Partea fixă , care și ea este formată la rândul ei din următoarele :
– carcasa are rol de protecție și servește ca suport pentru fixare elementelor constructive
din structura motorului.
– polii de excitație pe acestea se amplasează bobinele de excitație și sunt construiti din
tole de oțel.
– sistemul de perii ele asigură contact electric între înfășurarea rotorică și bornele
motorului.
– bornele asigură alimentarea cu energie a motorului electric
– capacele ele au rolul de a fixa structura și conțin lagăre pent ru susținerea rotorului în
momentul de rotație al acestuia.
▪ Partea mobilă , care este formată din:
– miez rotoric el este construit din tole de oțel circulare care sunt prevăzute cu dinți și
crestături
– înfășurare rotorică este alcătuită din bobinele amplasate în crestătirile miezului.
– colectorul este alcătuit din lamele de cupru izolate între ele și dispuse pe circumferință
are o formă cilindrică, el asigură contactul cu periile colectoare.
35
Fig.23
Motorul asincro n trifazat (fig.24) el este întâlnit pe o scară foarte largă în acționările electrice
sectoarele industriale și în cele sociale și în construcția roboților industriali [7, 20].
Motoarele asincrone se construiesc pentru o gamă foarte largă de puteri, de la ordinal
unităților de W până la ordinal zecilor de MW, pentru tensiuni joase (sub 500V) sau pentru
tensiuni medi (3 kV, 6 kV sau 10 kV).
Avantaj ele motoarelor electrice asincrone sunt următoarele:
– siguranță mare în exploatare
– cost de preț redus
– performanțe tehnice ridicate ( cuplu mare la pornire, randament ridicat )
– simplitate constructivă
– întreținere simplă, stabilitate de funcționare și manevrare
– alimentare direct de la rețeaua trifazată de curent alternative (c.a)
Principalele dezavantaje ale motoarelor electrice asincrone sunt:
– factor de putere relativ scăzut
– șoc mare la pornire
– caracteristica mecanică dură
Stator Carcasă
Capac
Arbore
Rulmenți Colector
Perii colectoare
Miezul rotoric
sursa: https://www.google.ro/search?q=motorul+de+curent+continuu&newwindow=1&source=lnms&tbm=isch&sa=X&
ei=ZyXIUoruLIT9ywPk -YKIAw&ved=0CAkQ_AUoAQ&biw=1920&bih=935
36 Motoarele asincrone trifazate sunt construite în două forme:
♦ cu rotorul bobinat (cu inele)
♦ cu rotorul în scurtcircuit (în colivie)
Motorul asi ncron poate funcționa în trei regimuri:
♦ în regim de motor , cel mai des utilizat (regimul de bază)
♦ în regim de generator
♦ în regim de frână electrică
Fig.24
2.3.2 Acționare hidraulică
Este acel tip de acționare care convertește energia me canică în mișcare controlată a unui lichid.
Pentru trasmiterea energiei în cazul acționărilor hidraulice se folosește lichidele, de cele mai
multe cazuri se utilizează uleiul mineral, dar poate fi utilizată și emulsia (apa -ulei).
Acționarea hidraulică e ste cea mai răspândită după acționarea electrică deoarece permite
dezvoltarea unor puteri mari și nu necesită mecanisme suplimentare pentru transformarea
mișcărilor. Cel mai des se utilizează acționarea electro -hidraulică combinând avantajele celor
două ti puri de acționări [8].
Principalele avantaje ale acționărilor hidraulice sunt următoarele:
– gabarit redus și greutate redusa pe unitatea de putere sursa: https://www.google.ro/search?q=motorul+trifazat&newwindow=1&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=YD3
IUrC7L6iWyAPIxYC4Aw&ved=0CAkQ_AUoAQ&biw=1920&bih=935
37 – are posibilitatea realizări pe un domeniu larg a unor cicluri de funcționare automatiz ate și
posibilitatea de schimbare ușoară a caracteristicilor acestor cicluri.
– elementele componente ale unor instalați hihraulice au forme constructive simple și
gabarit redus
– posibilitatea de reglare continuă a vitezei al organului de lucru
– menținerea constantă a vitezei dispozitivului de lucru
– posibilitatea de schimbare rapidă a sensului de deplasare fără a genera forțe de inerție mari
– precizie de acționare mare
– mișcări silențioase și stabile
Principalele dezavantaje a acționărilor hidraulice sunt :
– pierderi mari de energie
– în momentul funcționări apare o variație a temperaturi care duce la modificarea
vâscozități elementului de trasmitere a energiei
– necesită un sistem de filtrare a impurităților din ulei
– poluarea și pierderi volumice de lichid din cauza neetanjări corecte și a jocurilor inerente
dintre elementele componente
– pericol foarte mare de explozie și incendiu ăn special la pre siuni de lucru mari
Clasificarea acționărilor hidraulice se poate face după următoarele criterii:
♦ După modul în care se realizează acționarea din punct de vedere al fluxului de putere :
– sisteme hidraulice de acționare volumică (de tip hidrostatic)
– sisteme hidraulice de acționare hidrodinamică (de tip turbină)
– sisteme hidraulice de tip hidrosonică
♦ După modul de mișcare:
– motoare hidraulice cu mișcare de rotație
– motoare hidrau lice cu mișcare de translație
– motoare hidraulice cu mișcare oscilantă
Pompe utilizate la acționările hidraulice :
-Pompă cu roți dințate cu angrenaj exterior : aceste pompe sunt construite dintr -o pereche de
roți dințate cilindrice cu dinți dre pți (2,3) în care roțiile sunt etanșate periferic de carcasa (1) , cu
excepția zonelor de aspirație și refulare. Construcția unei astfel de pompe se află în (fig.25).
38 Fluidul pentru trasmiterea mișcari(uleiul hidraulic), intră prin orificiul de aspirați e sub acțiunea
presiunii atmosferice care umple spațiile create prin ieșirea dinților din angrenare , fiind apoi
transportat la periferia roților în golurile (4) spre orificiul de refulare. Linia de contact a dinților
roților dințate aflati în angrenare, o fera o izolare a celor două zone cu presiuni diferite,
prevenind întoarcerea uleiului dinspre zona de refulare spre rezervor.
Aceste pompe dezvoltă viteze mari de lucru (până la 3000 rot/min pentru pompele mici,
respectiv 640 rot/min pentru pompele m ari ).
Presiunile dezvoltate de pompă sunt presiuni mari (aproximativ 200 bari).
Fig. 25
– Pompă cu roții dințate cu angrenaj interior :
Aceste pompe prezintă față de pompele cu angrenaj exterior, avantajul datorat angrenarii
interioare. Care permite o angrenare mai bună a roțiilor dințate care execută mișcarea, construcții
mai favorabile datorită dispunerii centrale a axului de antrenare, etanșare mai buna față de cele
cu angrenaj exterior. Variația debitului este de asemenea mai mică, lucru care conduc e la o
funcționare a pompei cu un zgomot mai mic [9].
Pompele cu angrenaj interior pot obține randamente foarte bune, cât și presiuni de lucru mari.
În (Fig.26) de mai jos este prezentată construcția unei pompe cu angrenaj interior. Roțile
dințate: p inionul (2), roata condusă (4) sunt dispuse central în corpul pompei (1), separația dintre
zona de aspirație și cea de refulare se realizează cu ajutorul unui element în formă de semilună
(4).
39
Fig.26
-Pompa cu șuruburi:
Acest tip de pompă respectă același principiu funcțional ca și pompele cu roți dințate însa
cinematica lor este tridimensională. Proprietațile acestor pompe se pot număra ca fiind : debitul
uniform, turațiile mari la care pot fii antrenate, nu apar pulsații ale pompei, nu sunt zgomote în
funcționare, randamentul este mic datorită frecărilor mari între șuruburile care se află în
antrenare, aceste pompe lucrează până la presiuni de 200 de bari.
În următoarea figură de mai jos, (Fig.27) este prezentată construcția une i pompe cu trei
șuruburi. Șurubul din mijloc fiind cel conducător, iar celelalte două fiind cele conduse. Profilul
acestor șuruburi este cicloidal, șurubul din mijloc (conducător) având filet pe dreapta iar cele
conduse pe stânga.
Cele două canale ale șu ruburilor conduse împreună cu cel conducător și carcasa care îmbracă
șuruburile formează spațiul închis “A”, care se deplasează dinspre camera de aspirație spre
camera de refulare fără să -și schimbe volumul sub forma unei piulițe de fluid.
Fig.27
https://www.google.r o/search?newwindow=1&rlz=1C2AVNC_enRO564RO564&biw=1920&bih=979&tbm=isch
&sa=1&q=pompa+cu+3+suruburi&oq=pompa+cu+3+suruburi&gs_l=img.3…142421.148311.0.148879.17.16.1.0.
0.0.180.1794.2j14.16.0….0…1c.1.36.img..14.3.261.MwWP3saLK24#facrc=_&imgrc=8Al4_i1vY2 vH8M%253A%3B
BlCzc3654LMqKM%3Bhttp%253A%252F%252Ffluidsistem.ro%252Fimages%252Fpompa -cu-2-3-
suruburi.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Ffluidsistem.ro%252Fparteneri%252FALLWEILER.html%3B600%3B185
40 -Pompa cu palete :
Pompele cu palete sunt construite în mai multe variante, atât în varianta cu volum unitar reglab il,
cât și cu volumul unitar fix . Aceste pompe fiind des utilizate în diverse domenii, inclusiv la
acționarea roboților industriali.
Din p unct de vedere constructiv construcția unei astfel de pompe se află în Fig.28. Pompa
constă dintr -un inel statoric și un rotor montat excentric față de acesta, în care pot culisa în
direcția radială în canale special prevăzute acestui scop (paletele).
Datorită forței centrifuge este menținut în permanență contactul dintre vârful paletelor și inelul
statoric.
Uleiul hidraulic este aspirat din canalul “C
1” în spațiul aflat în creștere „O” , dintre palete, rotor,
și stator fiind tra nsportat spre canalul de refulare „C
2” și forțat să iasă din spațiul „P” aflat în
scădere, prin reintrarea paletelor în rotor. Distanța „s” dintre cele două canale de aspirație și
refulare trebuie să fie mai mare decât distanța dintre două palete pentru a separa cele două zone
de lucru.
Modificarea excentricității „e” se realizează prin deplasarea statorului, rezultând modificarea
volumului unitar.
● Proprietățile pompelor cu volum unitar fix sunt următoarele :
– Frecarea est e mică ceea ce determină un randament ridicat ;
– Funcționarea se face fără pulsații și fără zgomot;
– Aces tip de pompă lucrează cu presiuni până la 175 de bari;
● Proprietățile pompelor cu volum unitar reglabil sunt următoarele
– Din punc t de vedere al sistemului de forțe, pompa nu este echilibrată, de aceea acest tip de
pompă este utilizată la presiuni mici până la 70 de bari.
Fig.28
41 – Pompe cu pistonașe :
Clasificarea pompelor cu pistonașe se poate face din mai multe puncte de vedere , în aplicațiile
practice sunt întâlnite două categorii constructive mari de pompe cu pistonașe ân funcție de
modul de dispunere a pistonașelor:
– pompe cu pistonașe radiale;
– pompe cu pistonașe axiale;
Ambele tipuri constructive de p ompe pot fi realizate în varianta cu volum unitar fix sau
reglabil. Pompele cu pistonașe pot realiza debite mari și presiuni de lucru până la 500 bar,
antrenate la turații de maxim 3000 rot/min.
♦ Pompe cu pistonașe radiale:
Acest tip de pompă poate realiza volume unitare mari V
u=0.4…….15000 cm
3 și presiuni de
160….630 bar, randamentul acestor pompe este ridicat, putere mare.
La anumite soluții constructive de pompe cu pistonașe radiale, rotorul este montat excentric
și este prevăzut cu mai multe orificii cilindrice în care oscilează pistonașele în timpul rotației
rotorului. O astfel de pompă cu pistonașe radiale este prevazută în fig.29.
Fig.29
♦ Pompe cu pistonașe axiale:
La această categorie de pompă, principiul de funcționare este acela al aspirației și refulării create
de mișcarea oscilatorie a pistonașelor cilindrice. Mișcarea oscilatorie a pistonașelor este realizată
cu disc fulant, cu disc înclinat fix sau cu tambur ( bloc) port -pistoane înclinat. O astfel de
construcție a pompei cu pistonașe axiale este prezentată în fig.30 [8].
42
Fig.30
2.3.3 Acționarea pneumatică
Sistemele de acționare pneumatică sunt folosite într -un număr mare de aplicații ale roboților
industri ali și nu numai ele sunt folosite și în aplicații industriale. Agentul purtător de energie a
unei instalați pneumatice este aerul comprimat, care poate fi produs local cu ajutorul unui
compresor sau centralizat într -o stație de compresoare [9].
Calităț ile acționarilor pneumatice sunt urmatoarele :
– robustețea
– simplitatea constructivă
– fiabilitatea ridicată
– productivitatea
– prețul de cost scăzut
O instalație de acționare pneumatică se compune din urmatoarele elemente:
1. Compresorul este mașina care transformă energia mecanică primită de la motorul de
antrenare în energie pneumatică prin reducerea volumului specific al aerului, adică prin mărirea
presiuni.
Clasificarea compresoarelor se face în două familii mari:
A.) Compresoare volumetrice în care compresiunea este obținută prin reducerea spațiului care
conține aerul aspirat la presiunea atmosferică, acestea sunt:
a.) Copresoare de tip alternativ: cu piston
b.) Compresoare de tip rotativ: cu palete, cu șurub, cu angrenaje
43 B.) Compr esoarele dinamice în care compresiunea este obținută prin transformarea vitezei
aerului aspirat în presiune, acestea sunt:
– Compresoare axiale
– Turbocompresoare
– Turbosuflante
– Ventilatoare
a.) Compresorul cu piston acest tip de compre sor este alcătuit dintr -un piston, care deplasându –
se în jos în cilindru aspiră aerul din conductă prin supapa de admisie, iar la deplasare în sus îl
comprimă și îl refulează în conducta de evacuare prin supapa de refulare care se deschide la
creșterea pre siunii. Acest tip de compresor este prezentat în (fig. 31) de mai jos.
Fig.31
b.) Compresorul rotativ cu palete acest tip de compresor este alcătuit dintr -o carcasă „1”, un rotor
cilindric „2” dispus excentric față de carsasa în care este așezat, iar în canalele frezate pe
generatoarele rotorului sunt dispuse paletele „3”. Acest tip de compresor este prezentat în
(fig.32). Între suprafața rotorului, palete, capacele laterale și carcasă se formează ca,ere de volum
variabil (cvv) care în faza de aspiraț ie închid o cantitate de aer si pe masură rotirii ansamblului
mobil adica a rotorului, aceste camere își micșorează volumul determinând creștere presiunii,
conducând la eliberarea aerului comprimat din cameră, adică refularea.
sursa:
https://www.google.ro/search?q=compresorul+cu+piston&newwindow= 1&rlz=1C2AVNC_enRO564RO564&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=nlwtU
_e-
Acj8ygPbiYGwCw&ved=0CAkQ_AUoAQ&biw=1920&bih=979#facrc=_&imgdii=_&imgrc=YkjWtmzfbtO38M%253A%3BHRlp01HAhG2gZM%3Bh
ttp%253A%252F%252Fwww.net7.ro%252Fskins%252Fnet7%252Fcustomer%252Fimages%252Fprez entare%252520compresoare%252Fcompresor%25
2520cu%252520piston.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.net7.ro%252Fprezentare -tehnica -generala -pentru -compresoare.html%3B688%3B485
44 Paletele ansamblului mo bil trebuie să asigure etanșarea laterală (cu capacele), frontală (cu
carcasa ). Etanșarea frontală este asigurată prin apăsarea paletelor pe carcasă datorită forței
centrifuge.
Fig.32
2. Elementul pneumatic de execuție îl constituie cilindrul pneumatic (motorul pneumatic).
Aceste motoare pneumatice au rolul funcțional de a transforma energia fluidului (aerul
comprimat) într -o energie mecanică pe care o trasmit prin organele de ieșire mecanismelor
acționate.
Cilindrii pneumatici sunt:
– Cilindrii pneu matici cu piston
– Cilindrii pneumatici cu membrană
– Camere pneumatice cu membrană
Părțile componente ale unui cilindru cu piston cu dublă acțiune este prezentat în figura de mai jos
(fig.33)
Fig.33 sursă:
https://www.google.ro/search?newwindow=1&rlz=1C2AVNC_enRO564RO564&biw=1920&bih=936 &tbm=isch&sa=1&q=cilindru+pneumatic+c
u+dubla+actiune&oq=cilindru+pneumatic+cu+dubla+actiune&gs_l=img.3…373659.381852.0.382235.40.32.1.0.0.2.319.4135.7j22j2j1.32 .0….0…1c
.1.37.img..40.0.0.M5icbKdv_Qg#facrc=_&imgdii=_&imgrc=MLueB9lrX50pSM%253A%3B9yxor3q zaoyOvM%3Bhttp%253A%252F%252Fww
w.robotics.ucv.ro%252Fflexform%252Faplicatii%252Fm2%252FSandoi%252520Cristina%252520 –
%252520Statia%252520de%252520magazinare%252Fhtml%2525203_files%252Fimage141.gif%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.robotics.ucv.r
o%252Fflexform%252Fap licatii%252Fm2%252FSandoi%252520Cristina%252520 –
%252520Statia%252520de%252520magazinare%252F%3B542%3B219
45 3. Aparatajul pneumatic este construit din totali tatea elementelor sau aparatelor care au rolul de
a conduce și a asigura buna funcționare a unei instalații pneumatice.
Aparatajul pneumatic cuprinde :
Distribuitoarele sunt aparatele pneumatice care realizează distribuția aerului comprimat pe
anumite c ircuite ale instalației, potrivit unor comenzi primite de la electromagneții care sunt
atașați distribuitoarelor.
Supapele sunt elemente care reglează în mod automat funcționarea instalației, prin modificarea
presiunii aerului cumprimat din circuite în fu ncție de anumite condiții interne ale acționării.
Supapele sunt de două feluri:
– Supapele de presiune, acestea limitează presiunea aerului comprimat într -un anumit circuit al
instalației.
– Supapele de sens permit circulația aerului numai într -un sin gur sens
Rezistențele pneumatice (droselele) acestea realizează o cădere de presiune într -un anumit punct
al circuitului pneumatic. Droselele sunt folosite pentru a limita debitul de aer într -un circuit.
4. Elementele auxiliare acestea au rolul de a pregă ti aerul comprimat sau de a interveni asupra
acestuia cu scopul de a asigura funcționarea instalației în bune condiții.
Elementele auxiliare sunt:
Filtrele sunt elemente pneumatice care au rolul de a reține praful aflat în suspensie în aerul
comprimat la intrarea în instalație.
Ungătoarele sunt elemente care au rolul de a elibera în instalația de acționare pneumatică o
cantitate de lubrifiant necesară pentru reducerea frecării dintre organele aflate în mișcare.
Rezervoarele sunt elementele care înmagazine ază o cantitate oarecare de aer comprimat, scopul
înmagazinări este acea de a permite alimentarea uniformă a consumatorilor de aer comprimat, de
a evita căderi mari de presiuni în conducta de alimentare a instalației și de a elimina umiditatea
continuă in aer prin condesare. Înmagazinarea aerului comprimat permite de asemenea oprirea
periodică a compresorului atunci când consumul de aer comprimat este scăzut.
5. Conductele sunt elementele care servesc la transportarea aerului comprimat în instalație [9].
46 2.4 Sisteme de programare și control a roboților industriali
Programarea și controlul roboților se poate face prin mai multe moduri :
– Cu ajutorul calculatorului
– Cu ajutorul PLC -ului (cel mai utilizat mod de programare și control a roboților indust riali)
Cel mai des se utilizează pentru programarea și controlul roboților industriali PLC -urile [10].
2.4.1 Structura și funcționarea PLC -ului
Def: Echipamente cu logică programată (ELP) sau programmable logic controllers (PLC) sunt
echipamente cu rolul conducerii automate a proceselor industriale și a robotilor industriali.
Structura unui proces automatizat cu ajutorul echipamentului de logică programată poate fi
aratată printr -o schemă bloc, care este prezentată în continuare:
Fig.34
Astfe l echipamentul cu logică cablată realizează cele două obiecte principale ale automatizării
unui proces
♦ măsura care în cazul acesta presupune monitorizarea stării procesului prin achiziția la intrările
automatului programabil (AP) , prin intermediu butoan elor, limitatoarelor de cursă sau prin
intermediul senzorilor, etc.
♦ controlul care are rolul de prelucrarea informațiilor primite de la intrări și generarea
comenzilor necesare spre elementele de execuție care sunt conectate la ieșirile echipamentului cu
logică programată din procesul automatizat, conform unui program specific.
PLC-urile pot înlocui automatizările discrete ce utilizează o comandă realizată cu elemente
electromecanice, electrice în logică cablată sau pneumatice aducând odată cu acesta flexibilitate,
structură compactă, siguranță mărită în funcționare și programare ușoară și rapidă a proceselor
industriale și a roboților industriali.
47 Echipamentul cu logică programată funcționează doar dacă are o secvență de instrucțiuni
salvată în m emorie, acestă secvență de instrucțiuni constituie programul. PLC -ul execută
programul începând de la prima linie până la ultima și apoi se reia acest ciclu.
Ciclul se numește “scanare”, ciclul începe prin citirea intrărilor și apoi execută programul, s e
reia prin modificarea ieșirilor. Programul principal conține subrutine și întreruperi de program.
Schema bloc cu componentele principale ale unui echipament cu logică programată este
prezentată în Fig.35 de mai jos:
Fig.35
Intrările sunt realizate sub forma diverselor elemente de comandă și măsurare incluse în
sistemele operaționale și auxiliare ale instalațiilor automatizate: butoane, comutatoare, senzori
fotoelectrici, senzori de proximitate, limitatoare de cursă, traductoare de nivel, traductoar e de
deplasare incrementale sau absolute sau traductoare al căror semnal de ieșire are o variație
analogică.
Principalele tipuri de elemente care se conectează la intrările echipamentului cu logică
programată sunt prezentate în Fig.36 de mai jos:
48
Fig.36
Ieșirile dirijează acționarea elementelor de execuție de tipul releelor, contactoarelor, lămpilor de
control, electrovalvelor sau a elementelor de afișare etc.
Principalele tipuri de elemente care se conectează la ieșirile echipamentelor cu logică
programată sunt prezentate în Fig.37:
Fig.37
Poziționarea terminalelor de intrare și ieșire precum și modul de conectare al elementelor legate
la acestea, prezintă de asemenea aspecte importante în utilizarea automatelor programabile.
În figura 38 e ste prezentat în principiu, modul de conectare al unui element de intrare și al unui
element de ieșire la un echipament cu logică programată de tipul Simatic S7 200. Elementele
49 legate la ieșirile automatului programabil fiind în general sarcini rezistive s au indictive, ele se
conectează în paralel cu surse de tensiune continuă sau alternativă.
Fig.38
● Clasificarea PLC -urilor (Programmable logic controllers) se poate face în funcție de mai
multe criterii :
♦ După structura lor se pot distinge :
▪ automate programabile (AP) construite în structură deschisă, având forma unei plăci cu
circuite imprimate fără carcasă. Acest tip de automat programabil are avantajul ca este foarte
ieftin, de obicei sub 100 de Euro, dar are dezavantajul ca numărul de intrăr i, ieșiri este limitat și
nu are posibilitatea adăugării unor module de extensie, acest tip de echipament cu logică
programată (ELP), este prezentat în fig.39
Fig.39
50 ▪ automate programabile (AP) construite în structură monobloc, realizate în structură închisă , la
acest tip de echipament cu logică programată toate echipamentele sunt grupate într -o carcasă,
dimensiunile carcasei variază în funcție de numărul de terminale de intrare și ieșire. La acestă
variantă constructivă există avantajul canectări unor module de extensie care au o carcasă
separată și se conectează între ele cu ajutorul unor cabluri de legătură. Acest tip de echipament
cu logică programată (ELP) este prezentat în fig.40.
Fig.40
▪ automate programabile (AP) construite în structură mod ulară, această variantă constructivă
este specifică echipamentelor cu logică programată complexe cu un număr mare de intrări și
ieșiri și cu o mulțime de posibilități de control și în consecință cu un număr mare de modele de
extensie disponibile. Construcț ia acestui tip de automat programabil este prezentat în fig.41.
Fig.41
51 ♦ După dimensiunea lor :
▪ echipamente cu logică programată micro, cu un număr maxim de 32 de terminale de intrare și
ieșire, cea mai întâlnită variantă constructivă este 20 de ter minale de intr are și ieșire;
▪ echipamente cu logică programată mici, cu un număr maxim de 128 de terminale de intrare și
ieșire;
▪ echipamente cu logică programată medii, cu un număr maxim de 1024 de terminale de intrare
și ieșire;
▪ echipamente cu logică programată mari, cu un număr maxim de 4096 de terminale de intrare și
ieșire;
▪ echipamente cu logică programată foarte mari cu un număr maxim de 8192 de terminale de
intrare și ieșire, această variantă constructivă nu este o valuare limitată, deoarece de zvoltarea
echipamentelor cu logică programată este foarte rapidă.
● Programarea PLC -urilor (Programmable logic controllers)
Programarea echipamentelor cu logică programată (ELP) , se poate face prin următoarele metode :
♦ IL (Instruction List) are o structur ă asemănătoare cu limbajul de asamblare al
microprocesoarelor,acestă metodă de programare este prezentată în fig.42 [13].
Fig.42
♦ ST (Structured Text) această metodă de programare foloseș te instrucțiunile de atribuire,
selecție și control al sub programelor cu o construcție apropiată de limbajele de programare de
nivel înalt, această metodă de programare este prezentată în fig.43.
52
Fig.43
♦ LD (Ladder Diagram) , metodă de programare este un limbaj semigrafic care este asemănător
schemelor electrice cu circuite cu relee și contacte și lucrează în special cu variabile logice
(reprezintă metoda cel mai des întâlnită în programarea PLC -urilor) . Această metodă de
programare este prezentată în fig.44.
Fig.44
♦ FBD (Function Block Diagram) met oda reprezintă o extensie a limbajului ladder care lucrează
cu blocuri complexe, programarea cu această metodă este prezentată în fig.45 [13].
Fig.45
53
♦ SFC (Sequential Function Chart) programarea cu această metodă reprezintă un limbaj grafic
secve nțial asemănător cu organigramele funcționale care permit utilizarea funcțiilor complexe și
a procedurilor. Acest tip de metodă de programare este prezentată în fig.46.
Fig.46
● Programarea echipamentelor cu logică programată (ELP) utilizând limbajul LD
(Ladder Diagram)
Pentru scrierea unui limbaj de programare de tip LD (Ladder Diagram), înseamnă desenarea
unei diagrame ladder similară cu schema electrică cu contactoare, elementele componente care
se pot găsi în structura diagramei ladder modelează funcționarea elementelor unei scheme
electrice cu contactoare.
Elementele principale care sunt utilizate pentru construirea unui program în limbaj ladder sunt
următoarele :
♦ Contactele ele sunt elemente de programare care modelează contactele apa ratelor electrice
de comutație. Contactele sunt de tip normal deschise (ND) și normal închise (NÎ), în fig.47 sunt
prezentate contactele ND (a), contacte NÎ (b)
Fig.47
♦ Bobinele sunt acele elemente de programare care modelează funcționarea bobinelor
contactoarelor și releelor electromagnetice, ele putând fi asociate ieșirilor echipamentului cu
54 logică programată dar și a unor variabile interne modelând în cazul acesta releele auxiliare din
cadrul structuri electrice cu contacte. Fiecărei ieșiri i se poate asocia o singură bobină și unul sau
mai multe contacte ce pot fi utilizate în diagrama ladder în același mod cu contactele auxiliare
ale contactoarelor electrice și releelor.
Bobinele din diagramele ladder pot avea 2 stări, alimentate sau nealimentate, care sunt
prezentate în continuare în fig.48 , (a) bobină alimentată, (b) bobină nealimentată.
Fig.48
♦ Temporizatoarele sunt acele elemente de programare care modulează modul de funcțio nare al
releelor de timp și a contactelor temporizate, temporizatoarele sunt folosite pentru a realiza
actiuni, comenzi întârziate sau ce durează o anumită perioadă de timp.
Temporizatoarele care sunt folosite în programarea automatelor programabile uti lizând limbaj
de tip ladder au o flexibilitate și o funcționare mult mai mare decât acele temporizatoare care
sunt utilizate în schemele electrice.
Temporizatoarele simple pot realiza acțiuni întârziate cu o anumită perioadă de timp ce poate
fi progr amat
Temporizatoarele mai complexe permit obținerea unei temporizări variabile în funcție de
anumite condiții care pot aparea în mediul ambiant. În fig.49 este prezentat blocul unui
temporizator utilizat în diagrama ladder.
Fig.49
55
♦ Numărătoarele sunt acele elemente te programare care pot primi o serie de impulsuri care sunt
apoi analizate în cadrul programului ladder pentru a putea detecta numărul de apariții ale unor
anumite evenimente din mediul înconjurător.
Numărul evenimentelor din medi ul înconjurător pot fi comparate cu anumite valori prestabilite
în programul ladder și în funcție de rezultatul comparației celor 2 evenimente sunt luate anumite
decizii și date mai departe comenzile corespunzătoare. Pentru fiecare numărător în parte se
stabilește valoarea prestabilită, această valuare semnificând valuarea maximă pe care o va
număra numărătorul după care va da semnal mai departe.
Numărătorul în general are cel puțin 2 intrări, una de numărare și una de inițializare, la
activarea intrări de inițializare numărătorul începe sa numere impulsurile sosite la intrarea de
numărare, pe lângă aceste 2 intrări numărătorul mai are o singură ieșire.
La alte variante de numărătoare sunt prevăzute și cu o intrare de validare și o ieșire care
reprezin tă negarea primei ieșiri. Schema unui numărător este prezentată în fig.50.
Fig.50
În fig.51 este prezentat un fragment de program folosind limbajul ladder, în figură sunt
prezentate o parte din componentele de bază care sunt necesare pentru construire a unui program
folosind limbajul ladder diagram (LD) [10].
Fig.51
56
2.5 Concluzi i
Pentru construirea unui robot industrial indiferent de cât de performant fiind acesta, el are
nevoie de un ansamblu sinergetic constru it din trei elemente principale și subelemente ale
acestora : mecanică, electronică, informatica. Fără integrarea acestor elemente și a
subelementelor lor formând un singur element, roboții industriali nu ar putea fi realizați.
Acest ansamblu care asamblează aceste elemente, care acțione ază ca și cum ar fi un singur
element poarta denumirea de mecatronică.
În ziua de azi peste tot în orice produs de exemplu în industria automobilelor, mașinilor unelte
cu comandă numerică, industria roboților industriali găsim asamblarea acestor trei ele mente
principale care actionează ca unul singur și nu pot fi despărțite unul de celălalt.
Fabricarea roboților din ziua de astăzi folosesc o tehnologie de înaltă calitate din toate
punctele de vedere.
CAPITOLUL 3
ROBOT CONDUS CU PLACA DE DEZVOLTARE ARDUINO
3.1 Proiectarea elementelor mecanice
Proiectarea robotului industrial RRR cu 6 grade de mobilitate, robotul este proiectat în
programul de proiectare SolidWorks 2010, a fost proiectat î n programul acesta pentru că
programul SolidWorks este compati bil cu programul Matlab pentru calcularea cinematici directe
și inverse a robotului industrial și unele componente din subansamblu blocului motor au fost
proiectate în programul Catia .
Subansamblele componente care alcătuiesc robotul industrial sunt pre zentate în continuare în
fig. 52
● Placa de bază
● Blocul motor cu elementele de trasmisie
● Brațul 1
● Brațul 2
● Mecanismul de prehensiune
57
Fig.52
3.1.1 Prezentare scurtă a subasamblelor robotului RRR
Placa de bază
Reprezintă modulul fix al robotului industrial, modulul acesta este construit din mai multe piese
toate având un caracter fix, excepție facându -se în cazul piciorușelor robotului care nu sunt fixe
ele se montează în placa de bază prin filetare. Rolul acestor piciorușe reprezint ă acela de a
echilibra placa de bază și odata cu acesta întregul robot , daca placa de bază este poziționată pe o
suprafață înclinată.
Alte piese componente ce alcătuiesc acest modul sunt : flanșa de poziționare și fixare a roți
dințate cu dinți înclina ți, pene paralele, șuruburi pentru fixarea flanșei de placa de bază , inel
elastic de siguranță . Roata dințată asam blată pe flanșă și fixată cu ajutorul a 2 pene paralele,
angrenează cu un ax melcat ce este montat pe rotorul unui motor pas cu pas, astfel re alizându -se
mișcarea de rotație a robotului in jurul axei sale. Placa de bază fiind de dimensiuni mari ii oferă
robotului o rigiditate mare. Placa de bază este prezentată în fig.53. Placa de bază Blocul motor Brațul 1 Brațul 2
Mecanism de prehensiune
58
Fig.53
Blocul motor
Acest bloc este așezat pe o placă intermediară car e este paralelă cu placa de bază, placa
intermediară făcând parte din subansamblul blocului motor între placa intermediară și placa de
bază se află un spațiu de 2.5 [mm], acest spațiu având rolul pentru a evita frecarea între placa de
bază și placa interme diară.
Blocul motor conține cele mai mare număr de piese față de celelalte subansamble, de la acest
bloc se coordoneaza toate mișcările pe care le poate efectua robotul , acelea fiind: controlul
brațelor 1 și 2, controlul gripărului, controlul mecanismu lui de prehensiune, controlul mișcări de
rotație a robotului în jurul propriei axe față de placa de bază.
Piesele importante care alcătuiesc subansamblul blocului motor sunt: angr enaje cilindrice cu
dinți drepți și dantură evolventică, plăcii verticale pe care se asanblează arborii roților dințate,
motoarele pas cu pas, tije având rol de rigidizar, ax melcat care este montat pe unul din rotorul
celor 6 motoare pas cu pas, placă secundară, elemente de asamblare demontabilă.
Numărul total al roților di nțate care sunt prezente în acest subansamblu este un număr de 10,
care 5 din ele sunt grupuri a câte 2 roții dințate. Aceste 5 roții dințate sunt roții dințate
intermediare care asigură trasmiterea mișcării de la roțile dințate montate pe rotorul motorulu i
pas cu pas la roțile dințate care au în construcția lor role de înfă șurare a cablurilor de tracțiune,
care cu ajutorul lor se va manipula brațele 1 și 2 ale robotului industrial RRR.
Cu ajutorul cablurilor de tracțiune se poate manipula și mecanismul de prehensiune sau
gripărul robotului industrial. Fixarea motoarelor pas cu pas se va face prin proiectarea
individuală a modului de susținere a motoarelor pas cu pas pentru fiecare motor în parte datorită
poziționării lor. Blocul motor al robotului RRR es te prezentat în fig. 54.
59
Fig.54
Brațul 1
Acest braț reprezintă prima parte a lanțului cinematic industrial care conduce la noțiunea de
antro pomorfism. Principalele componente care alcătuiesc acest subansamblu sunt: structura
brațului, 2 tije care au rolul de rigidizare a brațului, 4 role care au funcția de a trasmisie a
cablului de tracțiune la celelalte subansamble, din aceste 4 role există o rolă cu caracter fix în
jurul ei se va înfășura un cablu de tracțiune care ajută la coborârea și ridicarea br ațului 1.
Pe una din cele 2 plăci laterale ale brațului se află 2 alezaje care au rolul de a oferi suport de
montaj pentru o asamblare demontabilă (șurub, șaibă, piuliță), scopul pe care îl are acest
ansamblu demontabil este acela de prindere a cablului de tracțiune. Alezajul de formă ovală din
placa laterală a brațului robotului , permite deplasarea subansamblului având rolul tensionării
cablului de tracțiune.
Toate rolele care fac parte din acest subansamblu se vor asambla pe un ax având la capete fi let,
la capetele axului și exteriorul brațului 1 se vor monta pe ac 2 flanje de mici dimensiuni având
rolul de centrare a brațului 1 între plăcile verticale ale blocului motor , deschiderea brațului 1 și
brațului 2 la maxim formează un unghi de 180
0 . Brațul 1 al robotului industrial se află în fig.55.
60
Fig.55
Brațul 2
Acest subansamblu reprezinntă un n umăr mai mare de piese față de b rațul 1, având și o mișcare
mai complexă față de b rațul 1. Brațul 2 ar putea teoretic executa o mișcar e de roto -translație,
datorită situației ca microcontrolerul care este încorporat în placa de dezvoltare Arduino nu poate
sa execute mai multe seturi de instrucțiuni, comanda tuturor motoarelor pas cu pas se va face pe
rând.
În concluzie dacă se doreș te executarea unei mișcări de rotație a brațului 2, atunci se va
comanda doar motorul care a fost ales pentru a comanda acest subansamblu. Mișcarea de
translație a brațului 2 se execută indirect odată cu mișcarea brațului 1, prin comandarea
motorului pas cu pas pentru executarea mișcarii de rotație a brațului 1 în vederea efectuări
mișcări de translație a brațului 2 , această mișcare de translație pune în mișcare și mecanismul de
prehensiune a robotului.
La fel cum sa putut observa la brațul 1 și brațu l 2 este prevăzut cu un alezaj de formă ovala pe
una din cele 2 plăci laterale ale brațului 2, rolul acestui alezaj este tot acela ca la brațul 1 și
anume de a oferi suport de montaj a ansamblului demontabil care prinde și tensionează cablul de
tracțiune p entru executarea condiției de manipulare a brațului 2. În componența subansamblului
61 brațului 2 mai sunt prezente 2 roții dințate conice, la care fiecare roată este antrenată individual
de către un motor pas cu pas, aceste 2 roții conice mai au rolul de a f ace legătura cu mecanismul
de prehensiune unde este prezentă o roată dințată conică care este fixată solidar cu mecanismul
de prehensiune prin intermediul unui bolț pentru ca mecanismul de prehensiune sa poată executa
o mișcare de rotație în funcție de sen sul de rotație ale celor 2 roții dințate care fac p arte din
subansamblul brațului 2 . Brațul 2 al robotului industrial RRR este prezentat în fig.56.
Fig.56
Mecanismul de prehensiune
Ultimul subansamblu din componența ansamblului robotului industrial RRR e ste controlat cu
ajutorul a 3 motoare pas cu pas, care unul dintre ele va coordona închiderea și deschiderea
gripărului iar celelalte 2 rămase va coordona mișcarea de flexare care se mai numește și roll care
este mișcarea de rotație în jurul axei sale și m ai poate coordona mișcarea de rotație în jurul
brațului 2. Numărul de dinți de pe roata dințată conică care se află în subansamblul
mecanismului de prehensiune este egal cu numărul de dinți al celor 2 roți dințate conice care se
află în subansamblul brațul ui 2, având numărul de dinți ale roților dințate conice egali, rezultă un
62 raport de trasmitere care este egal cu 1. În subansamblul mecanismului de prehensiune se află 4
role care se poziționează cu ajutorul stifturilor, rolul rolelor este acela de a se pu tea lega în jurul
lor firul de tracțiune care închide mecanismul de prehensiune. În momentul când firul este
eliberat de către motorul pas cu pas care este destinat pentru închidere și deschiderea
mecanismului de prehensiune arcurile care sunt plasate într e cei 2 elemenți ale unui deget al
mecanismului de prehensiune, forțează mecanismul de prehensiune sa revină în poziția inițială.
Mecanismul de prehensiune se află în fig.57.
Fig.57
3.1.2 Calculele geometriei angrenajelor cilindrice din cadrul blocului m otor
a robotului
Roțiile dințate care sunt în componența blocului motor au fost proiectate parametrizat în
programul de proiectare Catia, după care au fost importate în programul Solidworks .
Legendă:
a
unghiul de presiune
wd diametrul de divizare
63
znumărul de dinți
ad diametrul de cap
m
modulul danturi
ah înalțimea capului dintelui
p
pasul danturi
fh înălțimea piciorului dintelui
fd
diametrul de picior
bd diametrul de bază
cr
raza de racordare la piciorul dintelui
b lațimea danturi
*0ah
coefi cientul înălțimi capului de referință
*0fh coeficientul înalțimi piciorului de referință
*0fp
coeficientul razei de racordare la piciorul dintelui
*0c
coeficientul jocului de referință
c jocul la capul dintelui
Formulele de calcul ale roților dințate cilindrice cu dinți drepți sunt următoarele:
m h ha a*0
m h hf f*0
m cc*0
m p
a w a h d d 2
f w f h d d 2
) cos(a d dw b
m prf c*0
m cc*0
Angrenajele roților dințate este prezentat în fig.58 :
zm dw
64
Fig.58
Rezultatele calculelor geometrice ale roților dințate sunt următoarele :
65
66
Raportul de trasmitere între angrenaje este prezentat în fig. 59:
67
Fig.59
3.2 Acționarea cu motoare pas cu pas
Robotul industrial RRR folosește pentru mișcarea subansamblelor motoare pas cu pas hibride, se
numesc așa după cum am precizat și în capitolul 2 pentru că combină avantajele motoarelor pas
cu pas cu magnet permanent și a celor cu ruluctanță variabilă, acest tip de motor este utilizat în
majoritatea aplicaților [19].
Pentru a comanda pașii motoarelor pa s cu pas acest lucru se poate face în următoarele moduri:
▪ Comanda în secvență simplă – această comadă alimentează câte o singură fază statorică,
AA’;BB’;CC’, comanda în secvență simplă este prezentată în fig. 60.
68
Fig.60
▪ Comanda în secvență dublă – aceas tă comandă alimentează simultan câte 2 faze statorice,
AA’+BB’; BB’+CC’; CC’+AA’, camanda în secvență dublă este arătată în fig.61.
Fig.61
▪ Comanda în secvență mixtă – această comandă reprezintă o combinație a comenziilor în
secvență simplă și dublă, adi că utilizând această comandă se alimentează succesiv o fază, urmată
de alimentarea a 2 faze de exemplu: AA’ ; AA’+BB’; BB’; BB’+CC’; CC’. etc.
Din punctul de vedere al mențineri sau inversări sensului sunt urmăroarele comenzii :
– Comanda unipolară, cu me nținerea sensului curentului
– Comanda bipolară, cu alternarea sensului curentului
69
Din punct de vedere constructive motoarele pas cu pas pot avea un număr diferit de fire, existând
motoare cu 4,5,6,8 fire , numărul de fire al motoarelor este prezentat î n fig.62
înfașurări în paralel înfășurări în serie
Fig.62
3.2.1 Alimentarea motoarelor pas cu pas
Pentru alimentarea motoarelor pas cu pas se utilizează puntea “H” utilizând driverul
L298N, a cest driver se utilizează și pentru controlul motoarelor pas cu pas si nu numai și a celor
de current continuu. Problema pentru care se utilizează acest driver este că placa de dezvoltare
Arduino trimite pe pinii de ieșire un curent mic care este insuficie nt pentru alimentarea bobinelor
unui motor fapt care conduce la staționarea rotorului motorului pas cu pas. Pentru a putea pune
în mișcare rotorul motorului pas cu pas avem nevoie de un amplificator de putere care sa ia
70 tensiunea de la sursa de alimentare și sa o trasmită motorului pas cu pas pentru alimentarea
bobinelor fapt care conduce la mișcarea rotorului.
Acest amplificator este driverul de motoare L298N, există foarte multe soluții constructive ale
driverelor, diferența dintre acestea este de cât d e multă putere pot controla în funcție de cat de
puternice sunt motoarele.
Driverul pe care îl folosesc eu pentru a alimenta și controla motoarele bipolare care au 2
bobine este L298N, acest driver este de nivel mediu din punct de vedere al puterii pe care o
poate conduce. Este un circuit integrat care suportă o tensiune de pînă la 46 de volți și un curent
maxim de 2 amperi.
Driverul prin construcția lui realizează următoarele:
♦ schimb ă direcția curentului și fluxului care circulă prin bobinele motor ului
♦ alimentează bobinele motorului cu curentul necesar pentru punerea în mișcare a rotorului
Motorul pentru a putea realiza pașii necesari aplicației dorite în înfășurările motorului trebuie sa
se schimbe sensul fluxului, iar pentru a putea schimbă flux ul înfășurărilor motorului trebuie sa se
schimbe sensul curentului, care poate fi modificat în 2 moduri: bipolar și unipolar.
În cazul meu având un motor pas cu pas folosesc conducerea bipolară pentru a schimba
direcția curentului printr -o bobină fapt care conduce la schimbarea polarității la bornele bobinei.
Pentru a putea schimba polaritățile la bornele bobinei este necesară o punte „H ” construită
din 4 contacte. În cazul meu motorul pas cu pas cu 2 faze are 2 bobine, 4 borne de alimentarea
bobinelor.
Pentru fiecare înfășurare a motorului am nevoie de o punte “H” în cazul meu motoarele pas
cu pas având 2 înfășurări am nevoie de 2 punții “H”.
Driverul pentru motoare L298N este alcătuit din 2 punții “H” care sunt construite să accepte
comandă TTL (tranzistor tranzistor logic) care poate comanda motoare pas cu pas, motoare de
curent continuu. Schema electrică a driverului este prezentată în fig.63 [18].
Fig.63
71 Driverul L298N este prevăzut cu 2 intrări care comandă accesul la punțiile “H” , notate cu A și B,
fără a fii nevoie de întreruperea alimentări integratului.
OUT1, OUT2, reprezintă ieșirile punții A de la această ieșire putem alimenta o înfăsurare a
motorului.
OUT3, OUT4, reprezintă ieșirile punții B, de la această ie șire putem alimenta a 2 -a
înfăsurare a motorului.
Curenții sunt monitorizați prin aceste ieșiri de către SENSE A pentru puntea A, respectiv SENSE
B pentru puntea B.
+Vs reprezintă tensiunea de alimentare,+ Vss reprezintă tensiunea de alimentare a blo curilor
logice, pentru fiecare punte îi sunt atașate câte 2 intrări digitale In1 respectiv In2 pentru puntea
A, iar In3 și In4 reprezintă intrările digitale pentru puntea B.
În continuare am făcut o simulare pentru a demonstra schimbarea sensului curen tului fapt care
conduce la rotirea motorului în sens orar și trigonometric. În fig. 64 este prezentată puntea „H ”
pentru conducerea unui motor de curent continuu (M) deci alimentarea unei singure înfășurări a
motorului, K1,K2,K3,K4 reprezintă contactele ca re se vor închide în funcție de schimbarea
sensului curentului. Alimentarea motorului este de 24 de volți.
Fig.64
În cazul în care puntea este alimentată iar curentul din circuit circulă în așa fel încât contactele
K1 și K2 să fie închise rezultă rotirea rotorului motorului în sens trigonometric, așa cum este
arătat în fig.65.
72
Fig.65
Pentru inve rsarea sensului de rotație a rotorului motorului se va inversa sensul de circulație a
curentului prin punte, fapt care conduce la închiderea contactelor K2,K3 de ci rotirea axului
motorului în sens orar, așa cum este prezentat în fig. 66.
Fig.66
73 În cazul meu contactele K1,K2,K3,K4 vor fi privite ca niște borne care se vor conecta la
porturile digitale ale platformei de dezvoltare Arduino, iar în momentul cân d platforma de
dezvoltare Arduino trimite un impuls către bornele K1 și K4 axul motorului se va deplasa într -un
sens, dacă se trimite un impuls către bornele K2,K3 axul motorului se va deplasa în celălalt
sens.
Circuitul integrat cu driverul pentru mo toare L298N este prezentat în fig.67.
Fig.67
3.3 Configurația hardware folosind placa de dezvoltare Arduino
Această placă reprezintă o platformă de procesare open -source (liberă) care este bazată pe un
software și hardware flexibil care este simplu de utilizat. Placa de dezvoltare constă dintr -un
gabarit de mici dimensiuni, această placă este capabilă de a prelua date din mediul înconjurător
printr -o serie de senzori și de a efectua acțiuni asupra mediului prin intermediul luminilor,
motoarelor, servomo toarelor și alte dispozitive mecanice care sunt conectate la acestă placă în
cazul meu la această placă sunt conectate motoare pas cu pas.
Procesorul plăci de dezvoltare este capabil să ruleze și să prelucreze codul scris într -un limbaj
care este asem ănător cu limbajul de programare C++. Placa de dezvoltare A rduino are un număr
foarte mare de dispozitive care sunt create special pentru a putea fi folosite împreună cu aceasta
platformă. Printre aceste dispozitive se numără o gamă foarte mare de senzori , iar pentru a putea
face acțiuni asupra mediului înconjurător există o mare varietate de motoare, servomotoare,
motoare pas cu pas care sunt compatibile cu a ceastă placă de dezvoltare A rduino.
Placa de dezvoltare Arduino M ega 2560 este bazat pe un micro controller A TMega 2560 care
are 54 de pinii digitali de intrare sau de ieșire dintre acesti pinii 14 dintre ei pot fi folosiți ca ieșiri
74 de tip PWM (Pulse width modulation) în română , modu lația în durată a impulsurilor, iar 16 pini
sunt folosiți ca intrări analogice [14].
Specificații t ehnice ale plăci de dezvoltare Arduino M ega 2560 [18]:
Microcontroler -ul Atmega 2560
Tensiunea de operare 5V
Tensiunea de intrare care este recomandată 7-12V
Tensiunea de intrare (limita tă) 6-20V
Pini digitali 54 (14 dintre ei pot fi folosiți ca ieșiri de tip PWM)
Pini analogici 16
Curent de ieșire pentru pinii de intrare, ieșire 40 mA
Curent de ieșire pentru pinul 3.3V 50 mA
Memoria 256 KB, 8KB pentru bootloader
SPAM 8 KB
EEPROM 4 KB
Clock 16 MHZ
Placa de dezvoltare A rduino M ega este prezentată în fig.68.
Fig.68 https://www.google.ro/search?q=arduino+mega+2560&ne wwindow=1&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=2ti
NU-GpIuvU4QT9i4CoAQ&ved=0CAgQ_AUoAQ&biw=1041&bih=951#facrc=_&imgdii=_&imgrc=O1UBDt –
8JPbAEM%253A%3BZuhp1nGcu -bERM%3Bhttp%253A%252F%252Fres.cloudinary.com%252Ffusion –
ghost%252Fimage%252Fupload%252Fv1396745241%252FArd uino –
MEGA2560_09_onpiba.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Fkernelreloaded.blog385.com%252Findex.php%252Farc
hives%252Ffix -arduino -mega -2560 -avr-libc-issue%252F%3B775%3B549
75 Microcontrolerul ATM ega 2560 este prezentat în fig.69
Fig.69
3.4 Programarea robotului
Pentru a putea programa ro botul să execute o serie de mișcări cu ajutorul motoarelor pas cu pas
care sunt controlate de către platforma de dezvoltare Arduino Mega 2560, am utilizat Arduino
IDE (Integrated Development Environment) care reprezintă un program care îl oferă gratuit
producătorul plăci de dezvoltare Arduino, având rolul de a putea programa microcontrolerul
plăci în limbajul pe care Arduino îl poate prelucra mai departe [14].
Limbajul de programare al platformei de dezvoltare Arduino este un limbaj uzual care îl
foloses c majoritatea plăcilor de dezvoltare, limbajul folosit pentru programarea microcontrolerul
ATMega 2560 este limbajul de nivel înalt C++.
Arduino IDE permite scrierea programului pentru controlarea robot pe calculator, programul
fiind format dintr -un set de instrucțiuni pe care le vom încărca în placa de dezvoltare Arduino.
Platforma Arduino va procesa instrucțiunile care au fost scrise în Arduino IDE și va
interacționa cu mediul înconjurător prin intermediul motoarelor pas cu pas.
Programul care este încărcat în platforma de dezvoltare Arduino AT Mega 2560 este împărțit
în 3 diviziuni, acelea fiind următoarele:
● Înainte de comanda void setup() https://www.google.ro/search?q=arduino+mega+2560&newwindow=1&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=2ti NU-
GpIuvU4QT9i4CoAQ&ved=0CAgQ_AUoAQ&biw=1041&bih=951#facrc=_&imgdii=_&imgrc=O1UBDt -8JPbAEM%253A%3BZuhp1nGcu –
bERM%3Bhttp%253A%252F%252Fres.cloudinary.com%252Ffusion –
ghost%252Fimage%252Fupload%252Fv1396745241%252FArduino –
MEGA2560_09_onpiba.jpg%3Bhttp%253A%25 2F%252Fkernelreloaded.blog385.com%252Findex.php%252Farchives%252Ffix -arduino –
mega -2560 -avr-libc-issue%252F%3B775%3B549
76 În această parte a programului vor fi definite librăriile pentru diferite motoare senzori, variabi le,
constante, ce vor fi utilizate în continuare în programul respectiv.
● În a doua diviziune a programului propriuzis setup()
În această parte a programului vom scrie instrucțiunile care le vom executa o singură dată în
momentul când placa de dezvoltar e Arduino AT Mega 2560 este alimentată.
● În ultima diviziune a programului propriuzis loop()
În această parte a programului se vor scrie instrucțiunile care le vom executa într -un ciclu închis,
aceste instrucțiuni se vor executa atât timp cât placa de dez voltare Arduino AT Mega 2560 este
alimentată de la o sursă de alimentare.
Câteva secvențe din programul pe care îl va executa robotul este prezentat în continuare:
#include <Stepper.h> //definim bibloteca pe care programul o folosește
const int stepsPerRe volution=200; //numărul de pași necesari pentru o rotație completă
//Definim pinii de ieșire pentru fiecare motor în parte, ieșiri care sunt conectate la pinii
digitali ai platformei Arduino
Stepper myStepper1(stepsPer Revolution, 14,15,16,17); //rotire bloc motor
Stepper myStepper2(stepsPerRevolution, 2,3,4,5); //brat2
Stepper myStepper3(stepsPerRevolution, 18,19,20,21); //brat1
Stepper myStepper4(stepsPerRevolution, 46,47,48,49); //strangere prehensor
Stepper myS tepper5(stepsPerRevolution, 8,9,10,11); //rotire prehensor Motor1
Stepper myStepper6(stepsPerRevolution, 30,31,32,33); //rotire prehensor Motor2
//Definim pinii ficărui motor, pentru al putea comanda la nivel de impuls
//pentru ca în derularea programului pinii la ieșire vor primi comanda LOW.
//adică bobinele fiecărui motor nu vor mai fii alimentate cu tensiune.
//pentru rotire
int motorPin1=14; //Stabilim câte o denumire pentr u fiecare pin ai motoarelor
77 int motorPin2=15;
int motorPin3=16;
int motorPin4=17;
//pentru brat2
int motorPin5=2;
int motorPin6=3;
int motorPin7=4;
int motorPin8=5;
void setup()
{
myStepper1.setSpeed(100); //Stabilim viteza de rotație pentru ficare moto r în parte
myStepper2.setSpeed(80); //viteza motorului este exprimată în numărul de pașii pe secundă
//pentru rotire
pinMode(motorPin1,OUTPUT); //Pinii pentru fiecare motor sunt setați ca ieșiri
pinMode(motorPin2,OUTPUT);
pinMode(motorPin3,OUTPUT);
pinM ode(motorPin4,OUTPUT);
//pentru brat2
pinMode(motorPin5,OUTPUT);
pinMode(motorPin6,OUTPUT);
pinMode(motorPin7,OUTPUT);
pinMode(motorPin8,OUTPUT);
}
void loop()
{
78 delay(2000); //Programul va începe cu o întârziere de 2 secunde
myStepper1.step(s tepsPerRevolution); //stepsPerRevolution va genera un număr de pașii
necesari
myStepper1.step(stepsPerRevolution); //pentru fiecare rotație
myStepper1.step(stepsPerRevolution); // în acest caz comanda se repeta de 15 ori asta
înseamnă că
mySteppe r1.step(stepsPerRevolution); // blocul motor realizează 15 rotații complete
myStepper1.step(stepsPerRevolution ); //sensul de rotație este orar pentru ca nu are nici un
semn în față.
myStepper1.step(stepsPerRevolution);
myStepper1.step(stepsPerRe volution);
myStepper1.step(stepsPerRevolution); // Pentru rotație bloc motor spre stâ nga
myStepper1.step(stepsPerRevolution);
myStepper1.step(stepsPerRevolution);
myStepper1.step(stepsPerRevolution);
myStepper1.step(stepsPerRevolution);
myStepper1.step(stepsPerRevolution);
myStepper1.step(stepsPerRevolution);
myStepper1.step(stepsPerRevolution);
digitalWrite(motorPin1,LOW); //înfășurările motorului nu vor fi alimentate cu tensiune,
digitalWrite(motorPin2,LOW); //deci motorul nu rămâne sub tensiune.
digitalWrite(motorPin3,LOW);
digitalWrite(motorPin4,LOW);
myStepper2.step(stepsPerRevolution);
myStepper2.step(stepsPerRevolution);
myStepper2.step(stepsPerRevolution);
79 myStepper2.step(stepsPerRevolutio n);
myStepper2.step(stepsPerRevolution ); //Pentru btațul2 apropiere, coboară pentru a lua
obiectul
myStepper2.step(stepsPerRevolution); //Dacă ar avea semnul minus în față sensul de rotație al
myStepper2.step(stepsPerRevolution); //motorului va fi unul trigonometric, adică brațul2 se va
myStepper2.step(stepsPerRevolution); //ridica
myStepper2.step(stepsPerRevolution);
digitalWrite(motorPin5,LOW);
digitalWrite(motorPin6,LOW);
digitalWrite(motorPin7,LOW);
digitalWrite(motorPin8,LOW);
}
3.5 Concluzii
Proiectarea robotului industrial RRR cu 6 grade de libertate în programul de proiectare
SolidWorks 2010 și realizarea roților dințate parametrizate în programul de proiectare Catia
V5R20, legatura dintre aceste 2 pro grame de proiectare asist ată se face în momentul când dorim
importarea unui ansamblu sau subansamblu dintr -un program de proiectare asistată de exemplu
Catia în programul SolidWorks pentru realizarea ansamblului, ca produsul sa prindă formă.
Acest lucru se poate realiza prin s alvarea subansamblului sau a ansamblului cu extensia ( .igs
sau .stp). Programele de proiectare asistată se vor dezvolta tot mai mult în ficare an aducând noi
înbunătățiri ale acestor programe, acest lucru se întâmplă datorită vitezei de dezvoltarea a
tehno logiei în domeniul robotici, automotive și nu numai. De exemplu programul de proiectare
Catia V5 a evoluat la o nouă versiune, Catia V6 care în curând o sa se utilizeze și în centrele de
cercetare .
S-a observat pentru acționarea motoarelor pas cu pa s am avut nevoie de un driver
(amlificator) și o sursă de alimentare separată pentru a putea alimenta înfașurările motorului.
Deoarece dacă conectam motorul pas cu pas direct la pinii digitali ai platformei Arduino riscam
să se ardă placa de dezvoltare, di n cauza aceasta la pinii digitali ai platformei de dezvoltare se
vor conecta ieșirile din amplificatorul de putere al motorului pas cu pas, driver -ul motorului pas
cu pas trebuie privit ca 4 tranzistoare bipolare de tip NPN , adică cu un curent mic comandam un
curent mare, cum sunt cele prezentate în fig.70.
80
Fig.70
CAPITOLUL 4
EXPERIMENTE ȘI APLICAȚII
4.1 Analiză element finit a brațului 2 al robotului industrial
Pentru început mi -am propus efectuarea unei analize de element finit asupra brațului 2 din
ansamblul robotului industrial RRR. Brațul robotului este incastrat într -un capăt al brațului,
încastrarea îi preia brațului robotic toate gradele de libertate, toate cele 6 grade de libertate.
Iar în celălalt capăt al robotului i -am aplicat o forță de 30 de newtoni (30N), care apasă brațul
robotului în jos pentru a putea vedea tensiunea din material. Materialul din care este construit
brațul robotului este Aluminiu având următoarele proprietății:
– Modulul de elasticitate: 70 GPa
– Coeficientul l ui Poisson: 0.35
În fig. 71 este prezentată analiza brațului pentru a observa tensiunea din material la o forță de
apăsare de 30N. http://cs.curs.pub.ro/wiki/pm/_detail/pm/prj2009/ca/hbridge2.gif?id=pm%3Aprj2009%3Aca%3Amasinut
a_line -follower
81
Fig.71
Ce este încercuit cu cercul de culoarea portocaliu reprezintă forța care este aplicată asupra
brațului robotului. Iar ce este încercuit cu cercul de culoare galbenă reprezintă locul unde este
încastrat brațul robotului.
După cum se poate observa în legendă de la fig.71 tensiunea maximă din material, care este
solicitat la o forță de 30N este de 3.9 MPa.
În fig.72 este prezentată o secțiune pentru a observa cât de tensionat este materialul în locul
respectiv.
82
Fig.72
După cum se poate observa tensiunea materialului în cazul celor 2 alezaje, locul unde este
încastrat brațul robotului. Tensiunea nu este mare es te doar la suprafață, acest lucru ducând la
mărirea diametrului alezajului.
Locul încercuit cu un cerc de culoare neagra reprezintă locul unde tensiunea din material este
maximă.
În fig.73 este prezentată deplasarea materialului în momentul aplicări un ei forțe de 30N.
83
Fig.73
După cum se poate observa deplasarea maximă este de 0.0123 [mm] care se află partea brațului
robotului unde este aplicată forța.
4.2 Simularea motorului pas cu pas
Pentru simularea motorului pas cu pas am folosit programul de co nstrucție a schemelor electrice
și nu numai, programul în care am simulat modul de funcționare și controlul unui motor pas cu
pas se numește Proteus ISIS. În programul acesta poți construi aproape tot ce iți dorești dacă ne
definim biblotecile pentru fieca re componentă în parte.
Eu am vrut să comand și să controlez un motor pas cu pas cu ajutorul acestui program, pentru
a simula un motor pas cu pas aveam nevoie de un motor pas cu pas , un driver L298N, L297 care
este un controler pentu a comanda motorul pas cu pas prin intermediul drive rului L298N, L2610
care este de fapt tot un driver construit din 8 diode, asta însemnând 2 punții „H ”, câte 4 diode
pentru fiecare punte “H”.
Circuitul pe care l -am contruit cu elementele prezentate anterior este p rezentat în fig.74.
84
Fig.74
În fig.74 sunt prezentate pe lângă componentele principale care au fost enumerate anterior și
circuite logice care generează semnale de tipul “1” logic, adică circuitul la care este conectat este
alimentat cu tensiune se află în starea ON. Și semnal “0” logic, adică circuitul la care est e
conectat nu este alimentat cu tensiune se află în starea OFF. Am dispus 2 voltmetre pentru a
masura tensiunea din fiecare punte care este formată din 4 diode, care face parte din driver -ul
L2610. Am dispus 4 ampermetre pentru a masura in tensitatea curentului elec tric pentru fiecare
fază în parte în momentul când îi comandăm motorului ca rotorul să se rotea scă.
În fig. 74 mai este prezentat și un generator de semnal de tip PWM (Pulse widt h modulation
), modulația în durată a impulsurilor , dacă acordăm un număr mai mare de impulsuri se modifică
viteza de rotație a motorului pas cu pas și un osciloscop pentru a urmări cum se schimbă cele 4
faze ale motorului între ele .
● În momentul când îi acordăm controlerului L297 pe pinul 10 valuarea “1” logic întregul circuit
este alimentat cu tensiune, dup ă cum se poate observa în fig.75 de mai jos cele 4 ampermetrele
pentru fie care fază au valori egale, de 0.04 [A] . Iar voltmetrul 2 indică o tensiune de 4.94 [V] ,
voltmetrul 1 indică o tensiune de 0.06 [V]. Voltmetrul 2 indică o tensiune mai mare față de
voltmetrul 1, datorită poziției rotorului față de înfășurările statorului motorului pas cu pas.
85
Fig.75
● Dacă îi acordăm pinului 20 al controlerului L297 valoarea „1” logic rotorul începe să se
rotească în sens orar din 90 în 90 de grade , valoarea celor 4 ampermetre rămâne neschimbată,
ceea ce se schimbă este valoarea între cele 2 voltmetre pentru cele 2 punții „H”, modificându -se
tensiunea din fiecare punte “H” pentru alimentarea înfășurărilor bobinelor . Această fază a
simulări este prezentată în fig.76.
Fig.76
Alimentând 2 faze BC ale motorului pas cu pas osciloscopul indică următorul semnal prezentat
în fig. 76.
86
Fig.76
Alimentând fazele A D ale motorului pas cu pas, osciloscopul indică următorul semnal prezentat
în fig.77
Fig.77
B
C
A
D
B
C
A
D
87 ● În momentul ocordări pinului 19 a controlerului L297 valoarea logică “1” rotorul motorului
pas cu pas nu se mai rotește din 90 în 90 de grade, el se roteșt e cu jumătate de pas adică din 45 în
45 de grade. În acest mod de funcționare a motorului pas cu pas se modifică atât tensiunea între
cele 2 voltmetre care sunt legate la cele 2 punții H, cât și intensitatea curentului electric între cele
4 faze ale motoru lui pas cu pas, modificându -se 2 câte 2 faze. Această fază a simulări este
prezentată în fig.78.
Fig.78
● În momentul acordări pinului 17 a controlerului L297 valoarea “1” logic și valoarea pinului 19
rămânând neschimbată, adică având valoarea logică “1”, rotorul motorului pa s cu pas se rotește
în sens trig onometric cu 45 în 45 de grade. Modificându -se valoarea între cele 2 voltmetre care
sunt conectate la cele 2 punții “H” pentru alimentarea înfășurărilor bobinelor și valoarea
intensități curentului elec tric care își modifică sensul de trecere prin cele 4 faze ale motorului
pas cu pas, modificându -se 2 câte 2 fa ze care sunt vizualizate cu ajutorul celor 4 amper metre
care sunt legate la fiecare fază în parte a motorului pas cu pas. Această fază a simulări este
prezentată în fig.79.
88
Fig.79
4.3 Cinematica directă și inversă a robotului industrial RRR
Pentru calcularea cinematici directe și inverse a robotului industrial RRR am folosit programul
de calcul Matlab , acest program permite și vizualizarea mișcă rilor subansamblelor robotului
industrial cu ajutorul unui pachet de librării care este campatibil cu programul matlab .
Vizualizare care nu este prea mult detaliată, am construit aceas tă vizualizare pentru a observa
deplasarea elementelor cinematice în fun cție de datele de intrare [15].
▪ Cinematica directă reprezintă determinarea poziției și orientări a efectorului final față de un
față de un alt reper care este legat de baza robotului, dar cunoscându -se mărimile de intrare.
▪ Cinematica inversă reprez intă determinarea mișcării dacă sunt cunoscute poziția și orientarea
a efectorului final față de un reper care este legat de baza robotului, adică cinematica inversă
realizează calculul mărimilor d e intrare în funcție de mărimile de ieșire.
● Ecuațiile mat ematice pentru cinematica directă a robotului industrial
Aceste ecuații sunt matrici omogene de transfer, matrici de rotație în jurul axelor x, y, z și matrici
de translație in lungul axelor x, y,z.
Aceste matricii de transfer sunt prezentate in figur ile 80, 81.
89
Fig.80
Fig.81
90 În continuare aceste matrici omogene de transfer se vor î nmulti pentru a rezulta matricea totala
de transfer, care este prezentată în fig.82
Fig.82
91 Având rezultatul matricei totale de transfer se va determina în continua re poziționarea ș i
orientarea efectorului final, acest lucru se face în următorul mod. Se extrage din matricea totală
de transfer linia și coloana aferentă fiecarei axe în parte.
Pentru orientarea efectorului final acest lucru se determină cu ajutorul unghiurilor Pitch, Roll și
Yaw.
Poziționarea și orientarea efectorului final sunt prezentate în fig.83
Fig.83
Schema cinematica a robotului industial RRR este prezentată simplificat în fig.84.
Fig.84
92 ● Ecuații matematice pentru cinematica inversă a rob otului industrial
Pentu a afla cinematica inversă a robotului industrial trebuie să aflăm cu ce unghi de rotație se
rotește fiecare cupla în parte în momentul când vrem să manipulăm un obiect dintr -un loc în
altul, deci se cunoaște poziționarea și orienta rea efectorului final.
Matriciile omogene de transfer sunt prezentate în continuare în fig. 85
Fig.85
Aceste matricii omogene de transfer se vor înmulți pentru a rezulta matricea totala de trasnsfer,
care este urmatoare:
z y x z y x R RRTTT H 05
93 În contin uare pentru a începe calcularea cinematici inverse a robotului se pleacă de la punctul
caracteristic al efectorului final și se face o transl ație în lungul axei x cu distanț a D4 în sens
negativ pentru a se putea ajunge la cupla D.
Același lucru se fae porn ind de la baza robotului se face o translație în lungul axei z cu distanța
D1 de sens pozitiv pentru a se ajunge la cupla care este cea mai apropiată de baza robotului,
adică cupla B. Translatarea în lungul acestor axe ne rezultă ca rezultat o matrice colo ană pentru
fiecare axă în parte.
Mai departe calculăm lungimea dintre cuplele de rotație B și D , pentru a calcula unghiul de
rotație pentru cuplele A și C.
Aceste elemente explicate până acuma sunt prezentate în fig.86
Fig.86
În continuare sunt prezen tate matricile omogene de transfer care sunt cunoscute până acum și
înmulțind aceste matricii omogene de trasfer rezultă o matrice totala de transfer care se va
înmulți cu o matrice coloană, această matrice totală ne va ajuta pentru a afla unghiul de rotaț ie al
cuplei B.
Aceste lucruri sunt prezentate în fig. 87.
94
Fig.87
Rezultatul unghiului de rotație a cuplei B și calcularea unghiurilor de rotație pentru cuplele
D și E se face prin înmulțirea matricilor omogene de transfer
9 8 7,,AAA . Care sunt prezentate în
fig. 88.
95
Fig.88
● Simularea ecuaților matematice pentru cinematica directă
Ecuațiile matematice pentru cinematica directă prezentate anterior vor fi simulate pentru a
vizualiza poziția și orientarea efectorului final în func ție de unghiul de rotație care îl execută
fiecare cuplă în parte. Blocurile pentru simularea ecuaților matematice a cinematici directe sunt
prezentate în fig.89. În această figură se poate observa următoarele blocuri:
Blocul principal din această figură es te blocul function (fcn) în care sunt încărcate ecuațiile
matematice pentru cinematica directă, care vor fi procesate iar rezultatul se modifică în funcție
de intrările care intră in blocul function (fcn). Aceste intrări sunt de fapt unghiurile de rotație
pentru fiecare cuplă în parte. Ca ieșiri din acest bloc sunt poziționările și orientările efectorului
final, care vor fi afișate pe un display între display și blocul principal se află un multiplexor.
Deci noi cunoaștem cu ce unghi trebuie sa se roteas că fiecare cuplă, dar nu cunoaștem unde se
află efectorul final, poziționarea și orientarea acestuia.
96
Fig.89
● Simularea ecuați ilor matematice pentru cinematica inversă
În plus față de simularea ecuațiilor matematice la cinematica directă , simularea ecua țiilor
matematice la cinematica inversă conține încă un bloc principal de tip function (fcn), dar de data
asta acest bloc este pent ru cinematica inversă , în acest bloc sunt stocate ecuațiile matematice
pentru cinematica inversă cele prezentate anterior. Ca date de intr are în acest bloc sunt
poziționă rile și orientările efectorului final, deci ieșirile din blocul function (fcn) pentru
cinematica directă . Iar ca date de ieșire sunt unghiurile de rotație pentru fiecare cuplă în parte,
deci intrările pentru blo cul function (fcn) de la cinematica directă. Rezultatul în urma simulări i ar
trebui sa fie același cu datele de intrare în blocul function (fcn), de la cinematica directă.
Aceste blocuri sunt prezentate în fig. 90.
97
Fig.90
● Simulare tridimensională a robotului prin cinematica directă cu ajutorul pachetului
SimMechanics
Acest pachet generează automat lanțul de scheme bloc de tipul elemente cinematice și cuple
cinematice , elementele cinematice sunt salvate din SolidWorks cu extensia (.STL) pentru a put ea
fi vizualizate in timpul rulări simulări. Pe lângă aceste blocuri am atașat fiecarei cuple în parte
câte un motor pentru a acționa elementul cinematic cu care este legat. Ca date de intrare sunt
unghiurile de rotație pentru fiecare cupla în parte, cupla este legată de câte un element cinematic.
Între blocul bază și blocul prehensor se află un bloc care are ca date de intrare sistemul de
coordonate al bazei robotului și sistemul de coordonate al prehensorului, acesta fiind punctul
caracteristic al efe ctorului final. Datele de ieșire din acest bloc sunt captate de trei senzori care ne
oferă informații despre rotațiile , orientările efectorului final în jurul axelor sistemului de
coordonate care este legat de punctul carecteristic al efectorului final în momentul modificări
unghiurilor de rotație ale cuplelor cinematice , iar rezultatele sunt afișate pe un display 2. Iar
pentu poziționarea efectorului final în lungul celor 3 axe, am legat la blocul efectorului final,
adică la sistemul de coordonate al efec torului final un body senzor pentru a măsura poziționarea
98 efectorului final în funcție de baza robotului și rezultatele sunt afișate pe un display. Toate
componentele menționate anterior sunt prezentate în fig. 91.
Fig.91
Iar vizualizarea tridimensională a robotului cu rezultatele afișate pe display -uri din fig.91 este
prezentată în fig.92.
99
Fig.92
● Simulare tridimensională a robotului industrial prin cinematica inversă cu ajutorul pachetului
SimMechanics
La fel cum am prezentat anterior la simularea tr idimensională a robotului prin cinematica directă,
aceleași blocuri se află și în cinematica inversă. Diferă faptul că la fiecare cupla cinematica nu
am mai legat un motor pentru a acționa cupla cinematica, la fiecare cuplă cinematică am legat
câte un senz or pentru sesiza în orice moment unde se află cupla cinematică, în ce poziție. Iar
această poziție pentru fiecare cuplă în parte este afișată pe un display. La blocul care se află între
blocul bază și blocul prehensor care are ca intrări sistemele de coord onate pentru fiecare bloc , iar
ca ieșiri câte un motor , care îi putem modifica poziția în orice moment dorim. Schema bloc
pentru toate elementele menționate sunt prezentate în fig. 93.
100
Fig.93
Iar vizualizarea tridimensională a robotului este prezentată î n fig. 94.
Fig.94
101 CAPITOLUL 5
CONCLUZII FINALE ȘI CONTRIBUȚII
Pentru prima oară vom avea nevoie de un program pentru placa de dezvoltare Arduino, care
acest program se poate realiza conform celor prezentate în subcapitolul 3.4, iar acest program se
va sto ca în memoria microcontrolerului.
După ce am realizat programul se va face conectarea între sistemul de comandă și cel de
acționare prin intermediul amplificatorului de putere (Driverul L298N) cum este prezentat în
fig.95.
Fig.95
Cei 4 pinii digitali de pe placa de dezvoltare Arduino, care au fost definiți ca ieșiri din program
se conectează la cele 4 intrări al driverului L298N, se va comanada cele 2 punții „H” ale
driverului.
O singură punte „H” de pe driver are 2 intrări și 2 ieșiri, driverul L2 98N este construit cu 2
punții „H”, deci el are 4 intrări și 4 ieșiri.
Motoarele pas cu pas din cadrul robotului sunt de două tipuri unele de 3 faze, având câte 6 fire,
iar celelalte de 4 faze care au câte 8 fire. Aceste motoare pas cu pas pentru a le pute a comanda cu
driverul L298N, înfășurările bobinelor statorului le -am legat în serie una câte una pentru
motoarele pas cu pas care au 6 fire, iar pentu acele motoare pas cu pas care au câte 8 fire le -am
legat în serie înfășurările bobinelor statorului 2 câte 2. Deci avem motoare pas cu pas cu 2 faze,
adică 4 fire. Aceste 4 fire ale motoarelor pas cu pas vor fi conectate la ieșirile driverului L298N.
102 Driverul L298N este alcătuit din trazistori bipolari de tipul NPN care înlocuiesc contactele
electrice di n schema celor 2 punții “H”, cele 4 intrări în circuitul integrat sunt legate la bazele
tranzistorilor care p rin intermediul lor se comandă î nchiderea sau întreruperea circuitului cu
ajutorul unui curent mic, care alimentează sau nu bobinele statorului cu un curent mult mai mare .
Pentru a putea face acest lucru avem nevoie de alimentarea circuitului integrat cu +5V de la
borna Vss, care fiind tensiunea de alimentare pentru blocurile logice ale circuitului integrat, iar
borna Vs va fi alimentată cu 24V, care reprezintă tensiunea de alimentare a motorului pas cu pas
care va fi condusă la bobinele statorului pentru rotirea rotorului în funcție de comanda primită de
la intrări în circuitul integrat, acestea fiind ieșirile digitale din placa de dezvoltare.
Biblografie
1. Prof. Dr. Ing. Dorin Telea, Bazele Robotici, Universitatea „Lucian Blaga” din Sibiu, 2010
2. Prof. Dr. Ing. Ionel Starețu, Sisteme de prehensiune, Editura Lux Libris Brașov, 2010
3. F. Kovacs, C. Radulescu, Roboti Industriali, vol. I -II, Univ ersitatea Tehnica Timisoara, 1992
4. http://webbut.unitbv.ro/Carti%20on -line/BSM/BSM/capitol5.pdf
5. Gacsadi Alexandru, Bazele Robotici, Curs pentru uzul studenților, Universitatea din Oradea,
2008
6. Dan Mandru, Olimpiu Tatar, Rares Crisan, Simona Noveanu Acționari în mecaninică fină și
mecatronică, Editura Alma Mater, Cluj -Napoca , 2004
7. http://www.emie.ugal.ro/doc/me/Capitolul%203.pdf
8. Dr. Ing.Ioan -Lucian Marcu , Actionari hidraul ice suport de curs electronic
9. Dr. Ing. Ioan Bârsa n, Acționări hidra ulice și pneumatice pentru uzul studenților, Sibiu, 2012
10. http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/
11. Viorica Constantin, Vasile Palade , Organe de mașini și mecanisme Vol.1, Editura Fundaț iei
Universitare "Dunarea de Jos" Galaț i
12. Viorica Constant in, Vasile Palade , Organe de mașini și mecanisme Vol.2, Editura Fundaț iei
Universitare "Dunarea de Jos" Galaț i
13. http://mctr.mec.upt.ro/~ciupe/ap/Curs_AP_2012_final.pdf
14. Carte Arduino pentru începători
15. Laborator Sisteme Flexibile de Fabricație
16. http://www.engineering.upm.ro/master -ie/mse/mat_did/acel005/curs/Capitolul%20II.pdf
17. http://www.arduino.cc/
103 18. http://www.robofun.ro/
19. http://www.atelierulelectric.ro/articole/Actionarea%20motoarelor%20pas%20cu%20pas.pdf
20. Prof. Dr. Ing. Laurea n Bogdan, Sisteme de acționare electromecanice curs
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: În această lucrare sunt prezentate noțiuni teoretice și practice din cadrul roboților industriali, [601011] (ID: 601011)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.