Lucrare de licență [623526]
Lucrare de licență
Robotică
UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ -NAPOCA
FACULTATEA DE CONSTRUCȚII DE MAȘINI
DEPARTAMENTUL DE INGINERIA PROIECTĂRII ȘI ROBOTICĂ
SPECIALIZAREA ROBOTICĂ
LUCRARE DE LICENȚĂ
STUDENT: [anonimizat]
2017
Lucrare de licență
Robotică
2
UNIVERSITATEA TEHNICĂ DIN CLUJ -NAPOCA
FACULTATEA DE CONSTRUCȚII DE MAȘINI
DEPARTAMENTUL DE INGINERIA PROIECTĂRII ȘI ROBOTICĂ
SPECIALIZAREA ROBOTICĂ
URSA FLORIN
SISTEM AUTOMATIZAT PENTRU POPULARE CU SIGURNAȚ E AUTO
Coordonator științific
Ș.l. Dr. Ing. STEOPAN MIHAI
Lucrare de licență
Robotică
3
Declarație de originalitate din partea student: [anonimizat]:
Declar c ă lucrarea de licență cu titlul:
SISTEM AUTOMATIZAT PENTRU POPULARE CU SIGURNAȚE AUTO
Reprezint ă contribuț ia mea original ă și nu a fost plagiat ă.
Lucrarea a fost elaborat ă de mine sub îndrumarea Ș.l. Dr. Ing. STEOPAN MIHAI și am primit
concursul persoanelor nominalizate mai jos drept consultan ți.
Consultant:
Ș.l. Dr. Ing. Schonstein Claudiu
Conf. Dr. Ing. Vaida Calin
Data:
________________________
(semn ătura student: [anonimizat]
4
Declarație de originalitate din partea coordonatorului științific
Subsemnatul Ș.l. Dr. Ing. STEOPAN MIHAI
cadru didactic îndrumător al lucrării de diplomă cu titlul:
SISTEM AUTOMATIZAT PENTRU POPULARE CU SIGURNAȚE AUTO
realizată de doamna/domnul: URSA FLORIN
confirm prin prezenta că nu am cuno ștință ca realiz ările prezentate în lucrare s ă fie copiate sau s ă reprezinte
contribu țiile unei alte persoane dec ât autorul nominalizat.
Mențiuni speciale (dacă este cazul):
Data:
________________________
(semnătura coordonatorului)
Lucrare de licență
Robotică
5
Încadrarea lucrării de licență în domeniul de specialitate sau domenii conexe
Domeniul de specialitate
Programarea în robotică Acționarea sistemelor robotice
Interfețe om-robot Managementul lanțului de furnizori pentru producția robotizată
Tele-service și tele -monitorizare în robotică Comanda și controlul sistemelor robotice
Realitate virtuală în robotică Managementul informației în sisteme robotice
Optimizarea proceselor de fabricație robotizate Sisteme inteligente de fabricație
Mecanică avansată în robotică Optimizare în robotică
Modelare și simulare în robotică Sisteme robotice de mare precizie
Planificarea producției robotizate / automatizate Mini și micro -robotică
Aplicații client -server în robotică Sisteme flexibile de fabricație
Asigurarea calității în procesele automatizate Proiectare mecanică în robotică
Sisteme robotice autonome Aplicații de cooperare om -robot și multi -robot
Sisteme de viziune în robotică Altele (precizați):
Domenii conexe
Automatizarea fabricației Senzorică
Automatică Echipamente și dispozitive medicale
Produse industriale inteligente Clădiri inteligente
Automatizări industriale Tehnologii de fabricație automatizate
Module mecatronice de orice natură Monitorizarea și controlul proceselor și tehnologiilor
Internetul lucrurilor Sisteme de planificare a producției
Produse de larg consum inteligente Realitate virtuală și tehnologii aferente
Module din structura echipamentelor de fabricație Electronică aplicată
Echipamente de fabricație cu comandă numerică Tehnologii în fizică și chimie (laseri, holografie etc.)
Motoare, servomotoare și a cționări electrice Sisteme de inspecție, măsurări și control nedistructiv
Hidronică și pneutro nică Orice inovații de natură tehnică și tehnologică
Microcontrolere Altele (precizați):
Aprecierea lucrării de licență de către coordonatorul științific
Acest spațiu este alocat pentru coordonatorul ș tiințific
Nesatisfăcătoare Satisfăcătoare Bună Ridicată Foarte ridicată
Criteriul Nivelul 1 2 3 4 5
Calitatea exprimării în limba română / engleză
Aspectul estetic al lucrării
Actualitatea temei
Claritatea documentației scrise
Originalitatea
Calitatea tehnică (corectitudine soluție, calcule etc.)
Calitatea documentării bibliografice
Calitatea planșelor desenate
Relevanța pentru mediul social sau economic
Semnătura coordonatorului științific: ______________________________
Lucrare de licență
Robotică
6
CUPRINS
CUVINTE DE MULȚUMIRE ………………………….. ………………………….. …………………. 7
REZUMATUL LUCRĂRII DE LICENȚĂ ………………………….. ………………………….. .. 8
SUMMARY OF BACHELOR THESIS ………………………….. ………………………….. ……. 9
REZUMATUL CAPITOLELOR ………………………….. ………………………….. ……………. 10
OBIECTIVUL GENERAL ȘI OBIECTIVELE SPECIFICE ………………………….. ….. 11
1. INTRODUCERE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 13
1.1. Elemente de bază privind domeniul temei de proiect ………………………….. ……………………….. 13
1.2. Repere privind dezvoltările tehnologice în domeniul temei de proiect ………………………….. .. 32
2. PLANIFICAREA PROIECTULUI ………………………….. ………………………….. ……… 34
2.1. Problema de rezolvat ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 34
2.2. Metodologia de lucru ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 36
2.2.1. Traseul de parcurs ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 36
2.2.2. Teoriile, metodele și instrumentele utilizate ………………………….. ………………………….. ………… 38
2.2.3. Tehnologiile, experimentele, testele utilizate ………………………….. ………………………….. ………. 39
3. DEZVOLTARE CONCEPT ………………………….. ………………………….. ………………. 41
3.1 Cerinte ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 41
3.2 Detaliere co ncept final ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………. 41
4. CALCULE ORGANOLOGICE ………………………….. ………………………….. ………….. 49
4.1 Algoritmul matricelor de situare în modelarea geometrică ………………………….. ………………… 49
4.2 Algoritmul iterativ ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 52
4.3 Algoritmul matricelor de transfer ………………………….. ………………………….. ………………………. 53
4.4 Ecuațiile geometriei directe (MGD) ………………………….. ………………………….. …………………… 57
4.5 Modelul cinematic ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………….. 62
4.4 Calcule pentru surubul cu bile ………………………….. ………………………….. ………………………….. . 71
CONCLUZII ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 72
BIBLIOGRAFIE ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……… 73
Anexe ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 74
CD-ROM cu proiectul în format electronic ………………………….. ………………………….. 87
Lucrare de licență
Robotică
7
CUVINTE DE MULȚUMIRE
Pentru realizarea lucrării de licența cu numele ”Sistem automatizat pentru popularea cu
siguranțe auto ” am apelat la ajutorul mai multor persoane și organizații la care doresc să le
mulțumesc în următoarele rânduri.
Doresc să le mulțumesc tuturor profesorilor din cadrul Facultății de Construcții de Mașinii
pentru devotamentul cu care aceștia ne -au împartă șit din cunoștințele lor în cadrul acestor patru anu
frumoși de facultate.
În special vreau să îi multumesc domnului S.l dr. Ing Mihai Steopan pentru ajutorul acordat
în elaborarea lucrării de licență și pentru faptul că a acceptat să îmi fie coordonato r la întocmirea
lucrării de licență.
De asemenea vreau să îi mulțumesc și domnului S.l. dr. ing. Claudiu Schonstein pentru
timpul acordat ți pentru informațiile oferite pentru calculele de cinematica ale mecanismului.
Nu în ultimul rând doresc să îi mu lțumesc domnului director al firmei Leoni Bistrița în
cadrul căreia s -a desfășurat lucrarea de licență si pentru informațiile oferite despre firmă.
Lucrare de licență
Robotică
8
REZUMATUL LUCRĂRII DE LICENȚĂ
Scopul temei de cercetare propuse
Tema lucrări de licența a fost aleasă de catre managerul de proiect al firmei Leoni secția
BMW LU , dorința fiind reducerea numa rului de sigurante deteriorate și scă derea timpului de
populare.
Obiectivul general
Obiectivul general a fost proiectarea și modelarea unui sistem automatiz at de populare a
unei cutii de siguranțe auto.
Obiective specifice
Pentru realizarea temei propuse am pus accentul pe proiectarea unui mecanism cât mai
simplu, cu costuri cât mai reduse, ușor realizabil, și siguranța cât mai ridicată pentru a fi ușor de
implementat in cadrul firmei Leoni Bistrița.
Metodologie/Abordare/Proiectare
Pentru a proiecta si modela conceptul am folosit softul SolidWorks, iar pentru calcule ale
motoarelor si a surubului cu bile am folosit Mathcad. Am preluat concep tul de la un tip de robot
cartezian care este cel mai potrivit cerintelor.
Rezultatele majore
În urma evaluări cerintelor am ajuns la un concept final am robotului și am automatizat
procesul. Am redus si numarul de deseuri in urma populari. Costul constructie es te unul foarte mic
comparativ cu ce exista in acest moment pe piata.
Implicații practice
Conceptul urmează sa fie realizat practic și testat de către ISCIR pentru obiținerea
certificării de funcționare pentru a putea fi implementat in fabrica Leoni .
Originalitatea/valoarea
Conceptul este proiectat in cadrul firmei Leoni Bistrita, cu dorinta de a reduce numarul de
operatori , popularea cutiei de siguranțe cu costuri cât mai reduse și precizie ridicată.
Lucrare de licență
Robotică
9
SUMMARY OF BACHELOR THESIS
Project scope
The subject of the bachelor thesis was chosen by the project manager of Leoni Company
area BMW LU , in order to reduce the number of the brocken fuses and to reduce the population
time.
General objective
The general objective was to design and make an automated system for popilation a box
with automotive fuses.
Specific objectives
In order to acomplish the project scope, I emphased the design of a simpller mechanism,
with reduced costs, easy to make and high security to be easy to implement in Leoni Bistrita
Company.
Metodology/Approach/Design
I udes the soft SolidWorks in order to desing the concept, and to calculate the power of
motors and the ball -screw, I used the soft MathCad. I overtake the concept from a carthesian robot
wich is appropiate t o the requirements.
Major results
After I evaluate the requirements, I decised a final concept of the robot and I get the process
automated. I had reduced the number of scraps after the population. The manufacturing cost is very
low, comparising with s omething on the market.
Practical implications
The concept is about to be realised and tested by ISCIR, in order to obtain the funtioning
certificate, in order to be implementated in Leoni Company.
Originality/Value
The concept is designed in Leoni Bistrita Comapany, in order to reduce the number of
human operator, to populate the box with fuses with low costs and to have higher precision.
Lucrare de licență
Robotică
10
REZUMATUL CAPITOLELOR
.
În primul capitol al lucrării de licență cu ”Sistem automatizat pentru popularea cu siguranțe
auto” am scris despre partea introductivă, care reprezintă procesele de automatizare industrială,
scopul automatizării industriale, principiile automatizării, necesitatea și importanta automatizării,
metodele și condițiile care trebuie urmate pentru a automatiza un proces de fabricație, avantaje și
dezavantaje ale acestora. În partea a doua a primului capitol am adus la discuție despre firma în
cadrul căreia s -a realizat lucrarea de licență, și anume Leoni Bistrita, am vorbit despre procesele
care se execută în firmă, despre echipamente și mașinile utilizate.
În cel de -al doilea capitol este reprezentată problema care trebuie rezolvată în cadrul firmei
Leoni Bistrița, pentru popularea cu siguranțe, instrumente care pot fi folosite pentru impl ementarea
în procesul de automatizare, tipuri de grippere și modele de roboți. În partea a doua a acestui capitol
am vorbit despre metodologia de lucru și traseul parcurs pentru realizarea a lucrării de licență, iar la
sfârșitul capitolului am detaliat teo riile, metodele si elementele utilizate si date despre analiza de
element finit.
În capitolul 3 am realizat detalierea conceptului final unde sunt reprezentate modele 3D ale
robotului cartezian pentru popularea cu sigurante auto care prin construcția sa, sa poata manipula
diferite tipuri de siguranțe. În acest capitol mai sunt prezentate și desene 2D ale fiecărei părti
component ale mecanismului cu dimensiuniile necesare și modul de functionare.
Ultimul capitol reprezintă algoritmul matricelor de situa re în modelarea geometrica,
algoritmul iterative si algoritmul matricelor de transfer. La sfârșitul acestui capitol sunt reprezentate
calcule de la surubul cu bile.
Lucrare de licență
Robotică
11
OBIECTIVUL GENERAL ȘI OBIECTIVELE SPECIFICE
Obiectivul general al acestei teme de licența cu titlul ” SISTEM AUTOMATIZAT
PENTRU POPULARE CU SIGURNAȚE AUTO ”, reprezintă proiectarea unui mecanism care să
insereze siguranțe intr -o cutie care gazduieste trei tipuri de siguranțe și un tip de releu. In tema de
licenta tratăm doar două tipuri de siguranțe deoarece releul și un tip de siguranța se inserează intr -un
proces anterior.
Mecanismul este destul de simplu deoarece acesta este compus din profile standardizare, din
table metalice de oțel care vin prinse in suruburi de axe si de p icioarele de sus ținere. Prin realizarea
și implementarea acestui robot firma Leoni va beneficia de timp de populare mult mai mic implicit
costuri de fabricatie mai mici.
Pentru realizarea sistemului automatizat s -au efectuat calcule de element finit și analiza de
element finit, pentru a observa rezistenta materialelor si gradul de deformare al acestora, calcule
pentru alegerea motoarelor , determinarea matricelor de orientare, de transformare omogena si
matricea antisimetrica.
Lucrare de licență
Robotică
12
Partea I
Aspecte generale în contextul temei
Lucrare de licență
Robotică
13
1. INTRODUCERE
1.1. Elemente de bază privind domeniul temei de proiect
Robotul este un sistem mecatronic mobil, destinat automatizării interacțiunii omului cu
mediul în care evoluează. Denumirea de “ robot” a fost folosită prima data de scriitorul ceh Karel
Čapek în piesa de teatru "Roboții universali ai lui Rossum", 1920. Cuvântul " robot " este de origine
slavă și definește o muncă executată forțat.
Apariția roboților în epoca actuală poate fi justificată și prin n ecesitatea adecvării omului la
mediu, în scopul creșterii productivității intracțiunii cu mediul prin diminuarea efortului necesar
realizării și creșterea calității produselor. Inițial roboții erau folosiți în principiu pentru realizarea
operațiilor de man ipulare, operații care mai puteau fi realizate și cu ajutorul manipulatoarelor. Se
dorește a nu se face confuzie între termenii de manipulatoare și roboți pentru operații de manipulare
deoarece ultimii amintiți au o structură mecanică mult mai complexă și sunt conduși după programe
flexibile, iar primii menționați au o structură mecanică simplă și sunt conduși după programe
rigide.
Figura 1 Manipulator cartezian [1]
Spațiul de lucru al manipulatorului sau robotului este dat de volumul in care este posibil sa
se găsească elementele structurii mecanice. Spațiul de lucru util este volumul maxim descris de
totalitatea mișcarilor robotului, în care se poate găsi efectorul in timpul funcți onări.
Sarcina utilă reprezintă masa maximă pe care o poate manipula dispozitivul de prehensiune
al robotului.
Funcțiile robotului sunt:
– creșterea productivității muncii umane (a eficienței interacțiunii acestuia cu mediul);
– adecvarea omului cu mediu l cu care el interacționează.
Creșterea productivității muncii rezultă din însăși înlocuirea omului în activitățile necreative,
repetitive, plictisitoare, prin creșterea vitezei și preciziei cu care lucrează robotul față de cazul când
operațiile sunt executate de către om.
Lucrare de licență
Robotică
14
Adecvarea la mediu permite eliminarea influenței nocive a acestuia asupra omului (căldură –
frig, lumină – întuneric, vibrații – șocuri, mediu agresiv chimic, atmosferă poluată, monotonie etc.),
desfășurarea activității în medii inaccesibile omului (radioactiv, subacvatic, extraterestru etc.), sau
interacțiunea unui om cu deficiențe cu un mediu normal.
În sistemele de fabricație clasice operatorul uman este singura componentă atât a
subsistemului
de prelucrare cât și a celui de m anipulare, în cele mecanizate lipsește robotul industrial, în cele
mecanizate avansat robotul industrial este cel mult un manipulator, iar în cele automate lipsește
operatorul uman.
Câteva dintre domeniile în care sunt utilizați roboții sunt:
– servirea u nor mașini utilaje/instalații/dispozitive;
– paletizare / depaletizare;
– montaj;
– vopsire;
– măsurare, control de calitate, testare;
– sudare;
– prelucrarea unor semifabricate;
– operații în “camere curate” etc.
Aplicații industriale ale roboților
Robotul industrial este deci componenta esențială a sistemelor de fabricație automate
flexibile , deoarece poate executa automat și operațiile proceselor discontinue (de manipulare) de
mare complexitate și este reprogramabil / adaptabil cu cheltuieli mici de manoperă / energie /
materiale.
Robotul industrial poate fi prezent atât în subsistemul de prelucrare cât și în cel de
manipulare.Subsistemul de prelucrare poate conține între altele fie mașini de lucru, scule și
dispozitive de lucru,
fie roboți industr iali, scule și dispozitive de lucru.
În consecință se poate concluziona că în aplicațiile lor industriale, roboții pot manipula:
– obiecte de lucru – caz în care fac parte din subsistemul de manipulare;
– scule – caz în care fac parte din subsistemul de p relucrare.
Prin obiect de lucru se înțelege semifabricatul, piesa, ansamblul sau subansamblul de manipulat,
scule (neaflate însă în procesul de prelucrare), iar prin sculă – o freză, un pistol de sudare, un cap de
sudare în puncte, un pistol de vopsire e.t .c.
Manipulare obiectelor de lucru de către un robot industriale este cel mai des întâlnită la:
– servirea unor mașini de lucru, instalații sau dispozitive,
– operații de paletizare / depaletizare
– operații de montaj automat
Manipularea sculei de către un robot industriale este frecvent utilizata in:
– operații în turnătorii de formare, demaselotare, debavurare, curățire sau sablare;
– prelucrarea unor semifabricate prin așchiere, cu fascicul laser sau prin jet de apă cu înaltă
presiune;
– operații de suda re prin presiune sau cu arc în mediu de gaz protector;
– operații de lipire cu material nemetalic sau cu material metalic;
– operații de metalizare robotizată;
Lucrare de licență
Robotică
15
– operații de vopsire prin pulverizarea vopselei lichide sau împrăștierea vopselei sub formă
de pulbere;
– operații de măsurare, control de calitate, testare și inspecție;
– operații "în camere curate".
Din punct de vedere structural, robotul este definit ca fiind un sistem, adică un ansamblu de
elemente componente, denumite subsisteme, și conexiunile dintre acestea. Din punct de vedere
ierarhic, sistemele pot fi:
– de rang 1, sistemele;
– de rang 2, subsistemele sistemelor de rang 1;
– de rang 3, ș.a.m.d.
Structura sistemului robotic poate fi reprezentată prin scheme bloc , respectiv matric ea de
structură iar legăturile dintre elementele componente prin matricea de cuplare . Inițial roboții erau
imaginați ca sisteme similare omului, similitudine care nu era eronată dacă este considerată din
punct de vedere al funcțiilor îndeplinite de cele do uă sisteme, ci nu din punct de vedere constructiv.
Figura 2 Structura sistemului robotic
Astfel:
– sistemul mecanic al robotului are rolul scheletului uman și este definitoriu în delimitarea
naturii și amplitudinii mișcărilor care se pot realiza;
– sistemul de acționare este echivalentul sistemului muscular al omului impunând mișcarea
relativă a elementelor mecanismelor care constituie elementele sistemului mecanic;
– sistemul de comandă , echivalentul sistemului nervos uman, pr elucrează informațiile de la
sistemul mecanic și emite comenzi spre sistemul de acționare;
– grupul hidraulic , echivalentul aparatului digestiv, respirator și circulator, este destinat
Lucrare de licență
Robotică
16
preparării și realizării circuitului fluidului purtător de energie;
– traductoarele și aparatele de măsură , ca și senzorii sunt echivalentul organelor de simț
umane, furnizând informații despre starea internă, respectiv externă a mediului.
În componența sistemului mecanic al robotului intră sistemul de conducere care are ca
subsisteme sistemul de comandă și pe cel de acționare.
Prin mediu se înțelege spațiul în care evoluează robotul, cu obiectele pe care le conține și
totalitatea fenomenelor care au loc în acest spațiu.
Mediul poate fi împărțit în:
– mediu natural – spațiu nestructurat;
– mediu industrial – spațiu structurat.
Conexiunile robotului cu obiectele din mediu pot fi:
– directe: informații transmise de la sistemul de conducere la sistemul de acționare, informații
transmise de la sistemul de acționare la cuplele cin ematice conducătoare și fluxurile
energetice;
– inverse: informațiile primite de la robot de către senzori și traductoare. [3]
Programarea roboților
Aplicațiile și chiar profitabilitatea unei celule de fabricație cu robot depind de metodele de
programare utilizate.
Scopul activitații de programare a robotului este acela de a transfera o succesiune de mișcări
complexe către controller -ul robotului, folosind instrucțiuni simple și diverse metode de
programare, astfel încât să poată fi automatizat un proces de fabricație.
Metodele de programare ale robotului se pot compara cu metodele de programare pentru alte
echipamente cu control numeric, dar cerințele tehnice sunt mai mari din cauza posibilităților mai
complexe de mișcare ale roboților. De aceea nu este rezonabilă aplicarea aceleiași metode de
programare de la mașinile CNC.
În plus, producătorii de roboți oferă diferite interfețe de programare, care nu respectă un
standard. Rezultatul este că nu există încă un singur limbaj de programare pentru toate t ipurile de
roboți. Fiecare producător mai important poate avea implementat un limbaj de programare specific
pentru roboții pe care îi produce.
Metode de programare
Un prim criteriu de clasificare a metodelor de programare a roboților se referă la utilizarea
sau nu a robotului în timpul creării programului. Dacă se utilizează robotul în timpul programării
atunci se vorbește de programare online. Dacă nu se utilizează atunci se programează offline. Alte
detalii despre metodele de program are se pot ve dea în figura 3 .
Lucrare de licență
Robotică
17
Figura 3 Metode de programare a roboților
Pentru programarea unei aplicații se pot folosi și combinații dintre mai multe metode de
programare. Este un lucru obișnuit să se folosească programarea teach -in pentru corecția pozițiilor
planificate într -un program creat prin metoda offline.
Programarea online
Metodele de programare online suportă în general numai comenzi pentru mișcări. De obicei nu
suportă comenzi care să țină cont de senzori externi.
Metodele de programare online cuprind: programarea manuală și programarea teach -in. În
prezent, pro gramarea manuală se folosește numai pentru dispozitive de alimentare/evacuare
(feeding devices).
Programarea manuală
Programarea manuală înseamnă stabilirea de puncte de mișcare prin limitatori statici (opritori), la
nivelul axelor. De aceea, în această metodă se folosesc coordonatele robot. În robotică, sistemul de
coordonate robot (sau de coordonate articulații) este un sistem de măsurare diferit de cel Cartezian.
Sistemul de coordonate robot folosește valorile pozițiilor articulațiilor pentru a specifi ca un punct
din spațiul de lucru. Articulațiile pot fi liniare sau rotaționale. De exemplu, în cazul roboților
articulați cu 6 axe, pentru determinarea unică a unei poziții se dau toate cela 6 valori dorite pentru
poziția articulațiilor.
Avantaje:
Timpi ma i mici necesari pentru programare.
Nu este necesar un computer pentru programare.
Deoarece se utilizează mișcări PTP, chiar și un simplu controller poate obține viteze mari de
poziționare.
Lucrare de licență
Robotică
18
Dezavantaje:
Este necesară muncă la nivelul mecanic.
Poziționarea robotului se limitează la câteva puncte.
Nu există funcționalitate adițională.
Programarea manuală este utilizată pentru aplicații foarte simple, ca de pildă alimentarea și
evacuarea cu piese a mașinilor CNC sau a altor puncte de lucru.
Prog ramarea Teach -In
Programarea teach -in poate fi subdivizată în trei metode: teach -in direct, programare master –
slave și teach -in indirect.
Obs. Dacă nu se dau alte informații suplimentare, atunci când se vorbește de programare
teach -in, de obicei, se f ace referire la metoda teach -in indirect.
Caracteristici comune pentru toate metodele teach -in:
Robotul este mișcat în timpul programării.
Punctele de poziționare sunt definite de senzorii interni (traductoarele de deplasare atașate
axelor).
a) Teach -in direct
Caracteristici:
Programatorul conduce cu mâna end -effector -ul robotului în pozițiile pe care dorește să le
obțină (robotul are inhibat sau dezactivat sistemul de frânare al axelor).
Pozițiile robotului sunt înregistrate fie direct (la o comandă explicită a programatorului) fie
automat (înregistrează exact toate mișcările pe care operatorul le aplică end -effector -ului).
Al doilea caz, cel al înregistrării automate, este numit și progra mare play -back și necesită
spațiu mare de memorare a programului.
Necesități:
Roboți cu greutate mică
Raport de transmisie mic pentru angrenajele mecanice de mișcare a axelor (în special pentru
transmisii cu roți dințate)
Programarea cu teach -in direct este utilă pentru roboții folosiți în aplicații de tratare a
suprafețelor (vopsire, polizare, șlefuire etc.).
b) Programarea Master -Slave
Programarea Master -slave este comparabilă cu programarea teach -in direct. În acest caz,
operatorul nu mișcă robotul în mod direct, ci folosește un model miniatură (sau simplificat) al
robotului. Robotul principal (slave) va urmării mișcările realizate cu robotul model (master).
Această metodă necesită un echipament complex pentru programare.
Lucrare de licență
Robotică
19
c) Teach -in indirect
Program area teach -in indirect (sau simplu: programarea teach -in) este cea mai utilizată
metodă de programare a roboților.
Caracteristici:
Robotul este mișcat prin acționarea unor taste funcționale de pe panoul de operare (Teach
Panel) al robotului. De aceea, mot oarele robotului sunt active în timpul programării.
Poziția dorită a robotului este memorată prin apăsarea unei taste funcționale de pe panoul de
operare al robotului.
Panoul de operare permite introducerea de informații suplimentare pentru fiecare po ziție (ex.
citire intrări digitale, setare/resetare ieșiri digitale).
Utilizatorul poate alege și schimba sistemul de coordinate în care dorește să miște robotul,
de-a lungul procesului de programare (ex. coordonate universale, coordonate TCP,
coordonat e robot, coordonate piesă etc.).
d) Proprietăți generale pentru metodele de programare Teach -in
Avantaje:
Verificare imediată a modului de mișcare (programare demonstrativă)
Necesități reduse de memorie pentru program
Pentru programe simple se obțin cei mai mici timpi de programare
Ușor de implementat
Dezavantaje:
Pentru programe complexe este necesar un timp mare de programare
Producția este oprită în timpul programării robotului
Celula de fabricație trebuie să fie construită înainte de începerea programării
Deseori programul robotului este incomplet sau are documentația incompletă
Nu este ușor să se folosească informații de la senzori în programul robotului
Sunt puține funcții de programare suportate pentru prelu crări de date de tip algoritmi de
calcul
Programele realizate nu sunt ușor de structurat (în subprograme, proceduri, funcții etc.)
Este greu să se programeze traiectorii curbilinii complexe (ex. parabole)
Programarea offline
Programarea offline a unui robot se face, de exemplu, prin generarea de text în programul
robotului, respectând o sintaxă dată de un limbaj de programare specific roboților. Programarea
offline a unui robot are următoarele avantaje în comparație cu metoda online:
Lucrare de licență
Robotică
20
Nu este necesară prezența unui robot în timpul programării.
Se pot dezvolta programe complexe prin utilizarea unor structuri de programare (if.. then..,
for .., while.. do.., etc.).
Sunt ușor de tratat semnale de la senzori și de utilizat comenzi pentru ieșiri digitale.
Principalele dezavantaje sunt:
Deseori pozițiile nu se pot defini exact, din calcule matematice (este necesară și utilizarea
metodei teach -in).
Este dificil de realizat un test complet al programului în modul offline. [5]
Gripper e
Un gripper (denumire engleză) fixează mecanic poziția și orientarea obiectului apucat,
relativ la brațul robotului. Astfel, este posibilă mișcarea și poziționarea unei piese, de exemplu, într –
o celulă de fabricație. Dacă se dorește obținerea de informații suplimenta re despre piesa apucată,
gripper -ele pot fi dotate cu senzori specializați.
Tipuri de gripper -e:
mecanice
– mână mecanică cu 2 degete paralele (posibil cu senzor de poziție: închis – deschis)
– mână mecanică cu 3 degete paralele (poziția lor formează un triunghi echilateral)
– mâini mecanice cu 2 sau 3 degete ce execută mișcări de rotație
– mâini mecanice cu pârghii articulate
cu vacuum
magnetice (cu magnet permanent sau electro -magnet)
speciale (ex. cârlige, spatule, piese gonglabile etc.)
Cerințe în funcționarea gripper -elor
Principala cerință:
Apucare piesă fără a ține cont de anumite proprietăți specifice de material
Alte cerințe:
Greutate mică, pentru a minimiza efectele de stres mecanic – statică și dinamică bună a
robotului
Lungime mică, pentru a putea fi ușor mânuit în spațiul de lucru al robotului
Rigiditate mare, pentru a menține precizia de poziționare a piesei
Forță de apucare definită clar, pe baza regulii "doar cât este necesar "
Fiabilă, ieftină, ușor de întreținut
Lucrare de licență
Robotică
21
Gripper -e cu gheare
Ghearele sunt accesorii metalice, sau din alt material, de o anumită formă geometrică ce ține
cont de forma externă sau internă a piesei. Se pot folosi mai multe tipuri de gheare cu același
gripper. Ghearele se atașează pe degetele un or gripper -e mecanice. În figurile de mai jos de arată
câteva tipuri elementare de gheare folosite pentru poziționare prin auto -centrare a piesei, după
apucare.
Figura 4 Centrare în doua puncte
Figura 5 Centrare în trei puncte
Figura 6 Centrare în patru puncte
Figura 7 Centrare în trei puncte
Cele mai utilizate gripper -e cu degete sunt acționate pneumatic, deoarece:
Sunt ușor de construit.
Este posibilă implementarea unei protecții ușoare în caz de cădere a tensiunii (gripper -ul
poate să rămână strâns)
Sunt ieftine în comparație cu alte alternative.
Clești mecanici
Diferite sisteme cu pârghie pot converti mișcarea unui cilindru pneumatic sau a unei mâini
mecanice cu 2 degete paralele, într -o mișcare de prindere tip clește. Astfel de sisteme sunt folosite
pentru reglarea forței de strângere și a distanțelor de mișcare a ghearelor.
Gripper -e cu vacuum
Prinderea cu vacuum este indicată în manipularea pieselor cu suprafață netedă, de ex. sticlă.
Pentru piese de formă geometrică mai complexă, pot exista mai multe ventuze, dispuse pe diferite
părți ale piesei, pentru o rep artizare uniformă a forțelor de sucțiune.
Lucrare de licență
Robotică
22
Tipuri standard de gripper -e cu vacuum:
Generatoare de vacuum alimentate la presiune (pe baza principiului tubului Venturi), plus
ventuză
Pompe de vacuum, plus ventuză
Figura 8 Gripper -e cu vacuum pentru ouă (stânga) și pentru plăci metalice (dreapta).
Gripper -e magnetice
Gripper -ele magnetice funcționează cu un magnet permanent sau cu un electro -magnet (o
bobină alimentată cu curent electric este echivalentă cu un magnet tempor ar). Aceste gripper -e sunt
folosite pentru a manipula piese plate din material feromagnetic. În cazul utilizării unui magnet
permanent este necesar un mecanism suplimentar pentru îndepărtarea piesei prinse de magnet,
figura 9.
Figura 9 Gripper magnetic cu pârghie acționată pentru desprinderea piesei de pe magnet.
Figura 10 Exemplu de gripper magnetic folosit pentru operația de polizare.
Lucrare de licență
Robotică
23
Gripper -e flexibile
Caracteristicile unui gripper flexibil:
Spațiu de prindere variabil
Forță de strângere variabilă
Adaptabilitate a suprafeței de prindere (de contact cu piesa)
Flexibilitate mecanică a poziției și a orientării gripper -ului
Gripper -ele flexibile au un spectru mai larg de aplicații decât cele standard dar ele nu sunt
aplicabile universal (pentru orice proces de apucare). În vederea adaptării unui robot la situații
foarte diferite, se folosesc sisteme mecanice de schimbare a gripper -ului sau a sculei.
Gripper -e multi – senzor
În viitor, aceste g ripper -e cu mai mulți senzori se vor folosi pentru extinderea funcționalității
robotului. Scopul este de a crea un gripper care posedă capacități de sesizare comparabile cu ale
unei mâini umane. În figura 11 se arată o variantă constructivă de astfel de g ripper.
Figura 11 Gripper multi senzor.
Pentru a realiza o producție modernă, inginerii proiectanții au în vedere, încă din faza de
proiectare a pieselor, tipul de gripper ce trebuie folosit în faza de asamblare. În acest fel, piesele se
pot proiecta pentru a fi posibilă asamblarea lor cu gripper -e mai simple.
Scule
O sculă montată pe un robot se poate folosi pentru procesarea unei piese fixate în spațiul de
lucru al robotului. Tipuri de scule:
sudare în puncte/cu prinderea piesei
Lucrare de licență
Robotică
24
sudare cu arc
sudare/tăiere cu flacără
tăiere cu jet de apă
prelucrare cu laser
curățare cu aer
motoare rotative pentru
– găurire
– frezare
– polizare
– periere
diferite tipurui de șurubelnițe
scule speciale (ex. pentru diverse acțiuni de as amblare)
Sisteme de schimbare a gripper -elor și sculelor
Sistemele de schimbare a gripper -elor și sculelor funt folosite pentru a crește flexibilitatea în
utilizarea roboților. Diferite scule și gripper -e sunt montate pe brațul robotului cu ajutorul unei
flanșe universale.
Caracteristicile unei flanșe universale:
desprinderea ușoară și sigură a gripper -ului de înlocuit,
atașarea ușoară și sigură a noului gripper,
blocarea (fixarea rigidă) noului gripper
asigurarea alimentării cu energie (pneumatică ș i/sau electrică) a gripper -ului sau uneltei.
Astăzi, roboții sunt capabili să își schimbe gripper -ele sau sculele în mod autonom. Fixarea
noului gripper pe brațul robotului se poate face automat, cu vacuum, electric sau cu mecanisme
deblocabile de zăvorâr e. In ultimul caz, deblocarea zăvorului se poate face pneumatic sau electric.
Se poate spune că flanșa universală este de fapt un gripper universal, care nu lucrează direct cu
piese, ci cu diverse alte gripper -e. Flanșele universale sunt folosite și pentru atașarea a diferite
scule: pistoale de vopsit, șuru belnițe, burghie etc. În figura 12 este prezentat un robot cu sistem de
schimbare gripper -e.
Domeniul tipic de apicație al sistemelor de schimbare a gripper -elor și sculelor este în
asamblare. În aceste a plicații sunt necesare atât mânuirea unor scule pentru plelucrarea pieselor, cât
și mânuirea pieselor pentru poziționare.
Figura 12 Robot cu sistem de schimbare a gripper -elor.[6]
Lucrare de licență
Robotică
25
Sisteme de prehensiune
Clasificarea sistemelor de prehensiune
Principalul criteriu de clasificare a sistemelor de prehensiune este cel care ține cont de
natura acestora . Conform acestui criteriu, sistemele de prehensiune pot fi naturale și artificiale .
Sistemele de prehensiune naturale sunt întâlnite în lumea viețuitoarelor la pǎsǎri, crustacee,
mamifere, reptile, etc,câteva exempl e fiind prezentate în figura 1 3:
Figura 13 Sisteme naturale de prehensiune
Derivate din cele naturale, sistemele artificiale de prehensiune sunt destinate diferitelor
aplicații industriale, medicale sau în alte domenii de activitate. Clasificarea acestor sisteme se poate
realiza în funcție de mai multe criterii, dupǎ cum urmezǎ:
a. În funcție de metoda de prehensiune, pot exista sisteme cu contact (la care douǎ sau
mai multe forțe sunt aplicate direct obiectului), intruzive (prehensiunea este realizatǎ
prin străpungerea suprafeței corpului), astringente (o forțǎ de legǎturǎ este aplicatǎ
într-o singurǎ direcție) și contigue(o metodǎ de prehensare fǎrǎ contact, la care este
necesarǎ generarea unei forțe de atr agere pe o singurǎ direcție) . În t abelul 1 sunt
prezentate câteva caracteristici ale acestor metode de prehensiune:
Tabel 1 Metode de preh ensiune
Metode de prehensiune Tipul prehensorului Obiect de prehensat
Cu contact Cu bancuri, tentaculare Obiecte rigide
Intruiziv Intruiziv Obiecte flexibile: textile, carbon,
fibra de sticla
Astingent Vacuumatic Obiecte rigide, neporoase
Magnetoadezive Materiale feroase
Electroadezive Table subțiri
Contigue Termic Obiecte flexibile: textile, carbon,
fibra de sticla
Chimic Fibra de carbon impregnata cu
adeziv
Cu tensiune superficiala Obiecte mici și ușoare
Lucrare de licență
Robotică
26
b. În funcție de tipul mișcǎrii executate de bacurile de prindere: cu mișcare de rotație
(prehensoare unghiulare) și cu mișcare liniarǎ (prehensoare paralele).
Prehensor unghiular Prehensor paralel
Figura 14 Clasificarea sistemelor de prehensiune dupǎ tipul mișcǎrii
c. Dupǎ numǎrul zonelor de prindere a obiectului, sistemele de prehensiune pot fi cu
douǎ (cel mai des), cu trei sau cu mai multe degete (bacuri).
Figura 15 Clasificarea sistemelor de prehensiune dupǎ numǎrul zonelor de prindere
d. Dupǎ tipul elementului de prehensiune: cu bacuri rigide, cu bacuri adaptive la forma
obiectului prehensat, cu tentacule realizate din elastomeri.
Figura 16 Clasificarea sistemelor de prehensiune dupǎ gradul de flexibilitate al bacurilor
e. Dupǎ tipul energiei folosite pentru acționare, sistemele de prehensiune pot fi pneumatice,
hidraulice, cu vacuum, servo -electrice, magnetice etc.
Lucrare de licență
Robotică
27
Variante constructive
Cele mai rǎspândite sisteme de prehensiune sunt acelea care au în componența lor roți dințate și
mecanisme cu bare articulate. Câteva exemple de asemenea sisteme prehensoare sunt prezentate în
continuare.
În figura 17 este arǎtat un sistem prehensor paral el al cǎrui lanț cinematic aferent unui portbac
are ca element inițial un melc ce antreneazǎ o roatǎ melcatǎ. În continuare, lanțul cinematic conține un
mecanism patrulater cu bare articulate, una dintre laturile sale fiind chiar portbacul. De la același m elc
este antrenat, în oglindǎ, și celǎlalt portbac al prehensorului.
Figura 17 Prehensor cu angrenaj melcat și bare articulate
O construcție asemǎnǎtoare, bazatǎ pe același principiu al antrenǎrii cu angrenaj melcat este cea
din figura 18. În acest caz este vorba despre un sistem prehensor cu patru bacuri.
Figura 18 Prehensor cu patru bacuri
Angrenaj
melc -roată
Mecanism
patrulater
Lucrare de licență
Robotică
28
Acționarea sistemelor de prehensiune
Generalități
Motoarele de acționare a sistemelor de prehensiune trebuie sǎ rǎspundǎ principalelor sarcini
care-i revin unui asemenea sistem, ca de exemplu: asigurarea unei forțe de strângere suficiente,
precizie, fiabilitate, flexibilitate și complianțǎ etc. În funcție de natura energiei utilizate pentru
acționare, motoarele pot fi electrice, hidraulice, pneumatice sau de tip neconvențional.
Motoarele electrice sunt des utilizate la construcția sistemelor de prehensiune datoritǎ
simplitǎții comenzii acestora. Motoarele hidraulice, liniare sau rotative, sunt folosite în aplicațiile
care presupun forțe mari de strângere, în timp ce acționarea pneumaticǎ este utilizatǎ pentru
aplicațiile la care forțele necesare au valori mai reduse, complianța fiind însă o caracteristică
importantă. În figura 19 sunt prezentate câteva exemple de sisteme de prehensiune a cționate fluidic
și electric :
Figura 19 Exemple de acționǎri ale sistemelor de prehensiune a. cu motor fluidic;
b. cu membranǎ (pneumatic); c. a cționare electromecanicǎ; d. acționare electromagneticǎ
O comparație între diferitele tipuri de energie utilizatǎ pentru acționǎrile industriale este
realizatǎ în tabelul 2.
Tabel 2 Tipuri de energie pentru acționări industritale
Criteriul de comparație Tipul acționării
Pneumatică Hidraulică Electrică
Disponibilitate ** * ***
Posibilitatea de transport la distanțe mari ** * ***
Costuri de stocarea a mediului de lucru *** ** *
Gradul de poluare a mediului înconjurător *** * **
Costurile componentelor *** * ***
Viteza de mișcare la elementul de execuție ** * ***
Mărimea forței obținute ** *** *
Durata de viață *** ** **
Reglabilitatea parametrilor de lucru *** ** *
*** = foarte bine; ** = bine; * = satifăcător.
Lucrare de licență
Robotică
29
Acționarea pneumaticǎ
Generalitǎți
Acest tip de acționare este cel mai des întâlnit la sistemele de prehensiune, fapt datorat
avantajelor pe care le prezintǎ:
– simplitatea schemelor de comandǎ;
– posibilitatea supraîncǎrcǎrii sistemului;
– întreținere ușoarǎ;
– mediu de lucru nepoluant;
– transmisiile pneumatice permit porniri și opriri dese, cât și schimbări bruște de sens, fără a
se produce avarii;
– complianțǎ etc
Sisteme de prehensiune acționate pneumatic
Firma Festo AG & Co. din Germania este unul dintre cei mai im portanți producǎtori de
sisteme pneumatice de prehensiune. În cele ce urmeazǎ sunt prezentate câteva asemenea vari ante
constructive de sisteme :
Figura 20 Sisteme de prehensiune paralele cu douǎ bacuri
Figura 21 Sisteme de prehensiune paralele cu trei bacuri
Lucrare de licență
Robotică
30
Figura 22 Sisteme de prehensiune unghiulare
Un motor pneumatic de tip relativ nou este mușchiul pneumatic. Sunt cunoscute câteva
construcții de sisteme de prehensiune bazate pe acest motor, douǎ dintre acestea fiind prezentate în
figura 23.
Figura 23 Sisteme de prehensiune acționate cu mușchi pneumatici
Primul prehensor, dezvoltat de firma Festo și denumit Power Gripper, a pornit de la ideea
modului de a apuca cu ciocul al pǎsǎrilor. Ca motor este utilizat un mușchi pneumatic, iar
construcția prehensorului este bazatǎ pe lanțurile cinematice Watt. Sistemu l are un bun raport forțǎ
dezvoltatǎ/greutate proprie, datorat utilizǎrii unui motor ușor (mușchiul pneumatic).
Cel de -al doilea sistem prezent at în figura 23 este un prehensor paralel de tip DMSP -…-
HGP -SA acționat cu doi mușchi pneumatici. El este de stinat funcționǎrii în aplicații de tip pick and
place, în medii cu un conținut ridicat de praf.
Mușchi pneumatici
Principiul de lucru al mușchilor pneumatici
Mușchiul pneumatic este definit ca fiind un sistem elastic ce are la bază o membrană contrac tantă
care, sub acționarea aerului comprimat, își mărește diametrul și își micșoreazǎ lungimea inițială.
Schema de principiu care descrie modul de acțiune al mușchilor pneumatici este redată in figura 24:
Figura 24 Modul de lucru al mușchiului pneumatic
Lucrare de licență
Robotică
31
La ora actualǎ, pe piațǎ, mușchiul pneumatic cu cele mai competitive proprietǎți este cel realizat
de firma Festo din Germania reprezentat in figura 25.
Figura 25 Mușchi pneumatic Festo
Acest tip de mușchi are ca element principal un tub flexibil acoperit cu un înveliș etanș
confecționat din fibre inelastice dispuse romboidal, obținându -se astfel o rețea tridimensională. Atunci
când mușchiul artificial pneumatic este alimentat cu aer comprimat, ac easta se deformeazǎ, pe direcție
longitudinalǎ luând naștere o forță de tragere. [4]
Lucrare de licență
Robotică
32
1.2. Repere privind dezvoltările tehnologice în domeniul temei de proiect
1.2.1 Prezentarea firm ei S.C. Leoni
Un lider global
Fondată în 1917, LEONI este acum lider global în furnizarea de sisteme de cablare și
tehnologie de cablu. Aproxmativ 80,000 de angajati, cu înaltă calificare, lucrează împreună în 31 de
țări pentru a menține și extinde poziția noastră de lider global pe piață. Pentru a face acest lucru, ne
concentrăm pe următoarele piețe principale aflate în dezvoltare: autovehicule și vehicule
comerciale, industria și sectorul de sănătate, comunicații și infrastructură, aparate de uz casnic și
electrice, cabluri și fire. Prin întregu l proces de îmbunătătire continuă, LEONI îsi sprijină clienții în
mod proactiv, atât la nivel global, cât si la nivel național. Tot ceea ce întreprindem pornește de la
întelegerea cerințelor clienților nostri, iar soluțiile propuse sunt întotdeauna customi zate,
îndeplinind în mod precis solicitările clienților.
LEONI semnifică competență de primă clasă în tot ceea ce ține de fire, cabluri, sisteme de
cablare și produse conexe. Soluțiile noastre inovatoare sunt utilizate la nivel global în industria de
autom obile, precum și în sectoarele industriale cheie, cum ar fi telecomunicațiile, IT, sănătate și
energie. Axate pe livrarea de beneficii de înalt nivel către clienți, acestea oferă cele mai bune
conexiuni posibile pentru aproape toate domeniile vieții modern e.
Parteneri în industrie
Ca furnizor global de fire, fibre optice, cabluri și cablaje am ținut pasul cu evoluțiile din
ultimele decenii când lumea noastră a devenit mai densă în rețea. Acest lucru ne -a făcut să fim un
partener căutat și un furnizor de în credere pentru nenumărate companii industriale internaționale.
Noi folosim ideile și evoluțiile noastre pentru a vă face inovațiile mai sigure și mai eficiente,
reducând în același timp impactul lor asupra mediului.
Produse și servicii orientate spre viito r
LEONI oferă un portofoliu unic de produse, tehnologii și servicii pentru aproape toate
domeniile de sisteme de cablare si tehnologie de cablu. Lucrând în mod constant la extinderea
portofoliului de produse, LEONI face un pas înainte, propunând soluții n oi, ecologice. Am fost unul
dintre primii producători de cabluri din lume în dezvoltarea unui concept de sustenabilitate holistic
pentru " tehnologia verde ". Acest concept sublini ază angajamentul nostru clar de a acționa în mod
responsabil de -a lungul lanțului de produs si de valoare adăugată.
Cifre cheie
Tabelul 1.3 ne arată cifrele -cheie ale ultimilor doi ani de activitate
Tabel 3 Cifrele cheie
2016 2015
Vanzari de grup € 4.431,3 milioane € 4.502,9 milioane
EBIT € 78,1 milioane € 151,3 milioane
Venit net € 10,5 milioane € 77,3 milioane
Fluxul de numerar € -40,3 milioane € -5,2 milioane
Angajati (la 31 dec) 79.037 74.018
Lucrare de licență
Robotică
33
LEONI in România
Cu peste 11.700 de angajați la cele trei fabrici : Arad (a câștigat locul 1 pentru costuri și
motivație în anul 2010 și locul 3 pentru costuri și motivație în anul 2013), Bistrița (care a devenit
"Fabrica Anului" în 2010) și Pitești (care a devenit "Fabrica Anului" în 2009 și în 2013) – toate
acestea ne conduc la gândul că România este o țară importantă în lumea LEONI .[7]
Lucrare de licență
Robotică
34
2. PLANIFICAREA PROIECTULUI
2.1. Problema de rezolvat
În cadrul acestei lucrări trebuie rezolvată problema populari cu siguranțe auto la firma Leoni
Bistrița. În momentul de față popularea cu siguranțe se face de către muncitori dupa cum apare pe
monitorul de la statia de lucru.
Problema poate fi rezolvată cu ajutorul unui sistem automatizat la care se ata șează un
gripper electric pentru o p rindere și eliberare cat mai rapidă. O alta variantă ar fi ca gripperul sa fie
electromagnetic dar având în vedere că siguranțele auto contin foarte puțin material feromagnetic
există riscul ca siguranțele să cadă pe traseu. Având învedere cele de mai sus cel mai potrivit
gripper este electric deoarece folosim motoare pas cu pas. Avem nevoie de o precizie ridicată pentru
că locașurile de la cutia de siguranțe sunt în toleranțe foarte strânse.
În realizarea sistemului automatizat pentru popularea cu sigura nțe auto, trebuie luat în
considerare următoarele cerinț e:
– viteză de lucru cât mai mare ;
– deplasare la depozitele de siguranțe cat mai mica ;
– reducerea numărului de defecte cat mai mult ;
– spatial de lucru a manipulatorului;
Figura 26 Robot cartezian
Lucrare de licență
Robotică
35
În construcția sistemului automatizat avem în vedere următoarele cerințe :
– să conțina piese standardizate și un design cât mai simplu;
– costuri cât mai reduse;
– gabarit redus;
– să poata manipula diferite tipuri de siguranțe;
– ușor de implementat în fabrică;
– ușor de utilizat de către operatori;
– să aibă rezistentă mare la uzură;
Gripperul p entru manipularea siguranțelor auto trebuie să fie construit în așa fel incât
să poată manipula siguranțe de diferite dimensiuni și să aibă o prindere corectă fără ca
siguranțele să sufere deformatâții sau să se desprindă in timpul transportului.
– să aibă un gabarit cât mai redus;
– să aiba greutate cât mai redusă;
– să manipuleze siguranțe de diferite dimensiunii;
– să aibă material maleabil in zona de contact (cauciuc);
– timp de închidere și deschidere foarte mic;
Figura 27 Gripper cu degete
Lucrare de licență
Robotică
36
2.2. Metodologia de lucru
2.2.1. Traseul de parcurs
Figura 28 Meteodologia 6sigma[ 8]
În cazul Metodologiei DMAIC, aferentă Lean 6 Sigma, fazele sunt:
– Definirea – reprezintă definirea problemei, a modului în care este afectat clientul, dar și a
obiectivelor de reducere a acestei insatisfacții.
– Măsurarea – reprezinta măsurarea oricărui indicator pe care -l considerăm suficient de
relevant pentru problema pe care o studiem: aici orice simptom poate fi luat în
considerare.
– Analiza – reprezintă analiza cauzelor problemei, scopul fiind analiza cauzei rădăcină.
– Îmbunătățirea – este bazată pe identificarea cauzei rădăcină și pe izolarea acesteia, se
poate în sfârșit trece la reducerea sau eradicarea problemei, nu l a ameliorarea problemei,
așa cum auzim adesea.
– Controlul / menținerea sub control – odată implementată acțiunea corectivă, efortul final
este focalizat pe menținerea nivelului competitiv atins. [9]
Dezvoltarea de produs reprezintă inovarea și dezvoltarea noilor produse care sunt esențiale
pentru multe companii, pentru a susține creșterea viitoare a veniturilor și uneori chiar pentru
supraviețuirea pe piață. Procesul de dezvoltare produselor este și unul dintre procesele incluse în
sistemele de management al ciclului de viață al produsului.
Lucrare de licență
Robotică
37
Aceasta cuprinde un num ăr mare de subiecte și solicitări într -o firmă, de exemplu :
– formularea strategiei;
– colaborarea între echipele implicate;
– planificarea sistematică;
– monitorizarea și controlul întregului proces de dezvoltare.
Metodologia Six Sigma se concentreză pe eliminarea tuturor erorilor din procesele de
fabricație și de servicii , luând proiectul la un nivel aproape fără de ero ri . În termen scurt , în cazul
în care procesul de operează cu Six Sigma, apoi pe termen lung , nive lurile de defecte va fi sub 3.4
defecte la milion de soluții ( DPMO ). Prin urmare, nivelul de calitate este foarte ma re. În
metodologia six sigma , nemulțumirea clienților este considerată a f i o gravă eroare care împiedică
calitatea proceselor de afaceri . [10]
Aspectele de inginerie ale procesului care urmează să fie proiectate, prin urmare, clientul
găsește o creștere semnificativă în produs sau eficiența serviciului. Pentru a atinge acest lucru,
metodologia six sigma folosește ins trumente specializate, cum ar fi implementarea în funcție de
calitate, de proiectare a experimentelor DOE, TRIZ și metodele Taguchi.
Figura 29 DFSS DMADV – QUALICA
Lucrare de licență
Robotică
38
Define – Definirea designului sau obiectivele proiectului care îndeplinesc cerințele clientului
(VOC), analiza și nevoile de afaceri.
Measure – Măsoară și a identifică factorii critici calității ( CTQs ) , nevoile clienților,
riscurile și potențialii concurenți.
Analyze – Analiza proiectării procesului, în scopul de a reproiecta pentru satisfacerea
nevoilor clienților.
Design – Proiectarea procesului , astfel încât să îndeplinească cerințele clientului.
Verify – Verificarea performanțelor de proiectare și indeplinire a nevoilor clienților . [11]
2.2.2. Teoriile, me todele și instrumentele utilizate
Pentru modelarea și proiectarea mecanismului, s -a folosit softul SoldiWorks 2016 figura 30,
o aplicatie din domeniul proiectării asistate de calculator.
Modelarea asistată de calculator s -a dezvoltat ca răspuns la proble ma materializării unui
model geometric existent pe planșa proiectantului. Primul pas in modelarea asistată de calculator
este transpunerea în calculator a modelului geometric dorit, folosind o aplicație specializată. Există
in momentul actual pe piața mult e aplicații care pot ajuta la realizarea acestei etape, depinde de
mulți factori alegerea soluției optime.
Analizând soluțiile CAD propuse de diferite firme (AutoCAD Inventor, SolidEdge,
SolidWorks, ProENGINEER, CATIA, etc.), se observa că toate au la baz ă un modelor geometric
3D peste care s -au adăugat sau se pot adăuga aplicații care permit exploatarea modelului realizat.
Aplicațiile care exploatează modelul geometric pot fi independente sau integrate aplicației de bază.
Figura 30 Imagine din softul SolidWorks 2016
Lucrare de licență
Robotică
39
2.2.3. Tehnologiile, experimentele, testele utilizate
Metoda Elementelor finite (MEF) sau Analiza cu Element Finit (FEA) are la bază
conceptual construirii unor obiecte complexe cu ajutorul unor elemente simple sau a devizării unor
obiecte complexe în piese mici ușor manipulabile.
Exemple :
– construcții
– aproximarea ariei unui cerc
– aria unui singur triunghi
Aplicații ale acestui concept simplu pot fi găsite cu ușurință în viața reală și în special în
inginerie.
Metoda elementelor finite are la bază alegerea unor funcții de aproximare pentru rezolvarea
ecuațiilor diferențiale cu derivate parțiale. Modelarea cu elemente finite este utilizată în diferite
domenii pentru rezolvarea problemelor de analiză statică sau din amică cum ar fi:
– mecanica solidului deformabil;
– electromagnetism ;
– mecanica fluidelor;
– biomecanică ;
Pentru o analiză cu elemente finite a unei structuri, principal a etapă o constituie elaborarea
modelului de calcul al structurii respective. Pentru trecerea de la s tructura reală la modelul ei de
calcul nu există algoritmi și metode generale care să asigure elab orarea unui model unic, care să
aproximeze cu o eroare rezonabilă structura care urmează sa fie analizată. [12]
Figura 31 Analiză cu element finit
Lucrare de licență
Robotică
40
Partea a II -a
Contribuții la tema proiectului
Lucrare de licență
Robotică
41
3. DEZVOLTARE CONCEPT
3.1 Cerinte
În acest capitol s -a realizat dezvoltarea de concept pentru popularea cu siguranțe cu ajutorul
unui robot cartezian in cadrul firmei Leoni Bistrița.
Prima etapă reprezintă ierarhizarea cerințelor clientului și transformarea lor în cerințe
tehnice. In tabelul 4 este reprezentată lista cerințe lor realizată în urma discuțiilor avute cu
reprezentați firmei Leoni.
Tabel 4 Cerințe client
Cerinte
Cost redus in exploatare
Să fie ușor de realizat
Să contină un design cât mai simplu
Să asigure o prindere corespunzătoare
Să ofere siguranță in exploatare
Ușor de implementat
Ușor de utilizat
Mentenanță usoara
Să contina interfață usor de utilizat
3.2 Detaliere concept final
În cadrul firmei Leoni Bistrița a trebuie conceput un model prin care să putem popula cu
sigurnate auto o cutie cu dimensiuni cuprinse între 260×150 [mm] până la 300×200 [mm].
Siguranțele cu care se populeză au o greutate neglijabilă pana in 2 g.
În momentul de față siguranțele sunt inserate de către operatori, care într -un interval de 8 ore
ajung sa insereze peste 12000 de siguranțe, lucru care duce inev itabil la inserții gresite, greșeala
care se vede doar in procesul următor. Proces care trebuie refăcut de la inceput.
Procesul populari cu siguranțe incepe prin scanarea unui cod de bare care conține toate firele
care intră pe cablajul respectiv, in urm a scanări pe monitor apare in ce cavitate trebuie inserate
siguranțele și care tip de siguranța trebuie inserată.
Operatorul ia siguranțele din locul unde sunt depozitate, le inserează în cutie pe urma cu un
dispozitiv special apasă toate siguranțele pen tru a fi aranjate la aceași înaltime.
După inserarea tuturor siguranțelor se bifează pe monitor terminarea procesului, iar cablajul
trece in următorul proces.
Lucrare de licență
Robotică
42
Figura 32 Stadiu actual
Figura 33 Stadiu actual
Lucrare de licență
Robotică
43
În figura 3 4 este prezentat modelul 3D al robotului cartezian care vine amplasat in locul
statie de lucru prezentate in figura 3 2 si 33 .
Figura 34 Robot cartezian
Robotul cartezian are 3 grade de libertate.
translație pe X
translație pe Y
rotație pe Z
Mecanismul, are la bază 4 picioare de sustinere din teava patrata 40×40 [mm] cu
grosimea de 2 [mm]. Pe capete are sudate 2 table de 80×80 [mm] cu grosime de 5 [mm] .
Picioarele vin fixate in podea cu 16 suruburi M5x120.
Lucrare de licență
Robotică
44
Figura 35 Picior sustinere
Peste picioarele de susținere este fixat suportul în care intr ă cutia de siguranțe.
Suportul este făcut din tablă de 5 [mm] sub care este sudată o platbanda de 30×5 [mm]
pentru reziste nța.
Figura 36 Suport sustinere cutie siguranțe
Lucrare de licență
Robotică
45
Pe suportul pentru cutia de siguranțe sunt fixate intrările de la benziile rulante pe care se
aranjează sigurnatele in mod automat.
Figura 37 Depozit de siguranțe
În continuarea suportului de susținere sunt prinse in surube alte 4 picioare asemănătoare ca si cele
de susținere mai scurte pentru susținerea axelor .
Figura 38 Picior susținere ghidaje
Pe ax a X avem doua axe car e translatează. Axele sunt cu surub cu bile. S unt descărcate de
pe site -ul THK.com . Am ales doua axe pentru stabilitatea sistemului care sunt prezentate in figura
41 si 42. Ghidajele lineare sunt elemente de suspensie pentru mișcări de translație. Ca și la rulmenții
de rotație, și aici se deosebește daca forțele de susținere sunt preluate de elemente de rostogolire sau
de alunecare.
Lucrare de licență
Robotică
46
Cerințele impuse componentelor lineare sunt la fel de diverse ca și aplicațiile în care acestea
sunt utilizate. Astfel, la si stemele de transport și de alimentare se solicită în principal viteză și
exactitate de poziționare, în timp ce la mașinile de măsurat, precizie și rigiditate. Pentru alegerea
ghidajului optim din multitudinea de variante existente, o consiliere detaliată e ste inevitabilă.
Fiecare tip de ghidaj linear are proprietăți caracteristice și se pretează pentru anumite cazuri
de suspensie. Reguli general valabile pentru alegerea tipului de ghidaj au o valabilitate limitată,
deoarece de multe ori trebuiesc luați în considerare mai mulți factori contradictorii. Astfel, pe lângă
sarcină, accelerație, viteză și cursă, trebuiesc considerate și alte influențe precum temperatura,
lubrifierea, vibrațiile, montajul, întreținerea, etc. Detalii despre axele de mai jos găsim in anexa 4.
Figura 39 Caracteristici axe
Figura 40 Grafic cu etapele procesului
Lucrare de licență
Robotică
47
Figura 41 Axa cu surub cu bile
Pe axa Y avem o singura axa care translatează. Axa de pe Y este prinsă de axele de p e X cu
flanse care sunt in forma de Z prezentate in figur a 42.
Figura 42 Axa cu surub cu bile
Figura 43 Axa cu surub cu bile
În continuarea axei de pe Y avem fixată o flansă prins ă în 4 surub uri la care este atașat un
cilindru pneumatic care face translație pe Z pentru preluarea și inserarea siguranțelor. Acestea sunt
prezentate in figura 44.
Lucrare de licență
Robotică
48
Figura 44 Axa cu cilindru atasat
În figura 45 este reprezentat mecanismul final cu motoare si cilindru care executa miscariile
de translație respectiv rotație in vârful cilindrului. Endefectorul este un gripper electric acționat de
doua servomotare electrice , unul care realizează inchiderea si deschi derea ghearelor, iar celălalt
servomotor realizeaza o rotatie completa de 360 ᵒ pentru aranjarea siguranțelor.
Figura 45 Sistem automatizat de populare cu siguranțe
Lucrare de licență
Robotică
49
4. CALCULE ORGANOLOGICE
4.1 Algoritmul matricelor de situare în modelarea geometrică
În aplicarea algoritmului în această fază se parcurg următoarele etape:
(G.1) Se consideră o structură de robot de tipul:
3 ; ; ; 5 ; 3 ; 6 ;R RTTR RRTR R RTT R R
.
(G.2) Pentru trasarea schemei cinematice a robotului se utilizează datele de intrare din matricea
geometriei nominale în configurația inițială, notată cu
0
vnM :
0 0 0
1611TTT
vn i inM Matrix p k i n
. (1)
(G.3) Schema cinematică a robotului este reprez entată în configurația inițială (configurația de zero):
0 T
i = = 0; i = 1 nq
(2)
(G.4) Corespunzător configurației inițiale a structurii mecanice de robot se stabilesc următoarele
matrice:
00 1
1 1 1 0 ; ; ; ; 1 1i
i i i i i i i i R p T T i n
. (3)
În centrul geometric al fiecărei cuple motoare se atașează sistemul mobil
0i . Orientarea acestui
sistem coincide cu orientarea sistemului de referință fix, adică:
00ORORi . Această
restricție reprezintă un avantaj important oferit de acest algoritm. Matricea de rotație și vectorul de
poziție dintre sistemele de referință învecinate
1ii se determină astfel:
0 0 0 0 1
1 3 0 3 1 1 1 ;;i
i i i i i ii i iR I R I p p p p
. (4)
Se determină expresia matricei de situare dintre sistemele
1ii și
0 i :
00 1
1 1 0 0
10 ;
0 0 0 1 0 0 0 1i
i i i i i i
i i iR p R pTT
.
(5)
Lucrare de licență
Robotică
50
Pentru
1 in , matricele de situare dintre sistemele
1 nn și
01 n sunt:
0 0 0 0 0
1 1 1
10 0 0 1 0 0 0 1nn
n n n n n n
nnR p n s a pT
; (6)
0 0 0 0
10 0 10 0 0 1n n n nn s a pT T T
. (7)
Partea a doua a algoritmului este consacrată ecuațiilor MGD pentru cazul:
0
k .
(G.5) Din tabloul datelor de intrare, se apelează matricea configurațiilor nominale, adică:
11TT
n k k ik
mn M = k m unde q i n
(8)
.
În cadrul matricei generalizate, prezentată anterior,
ikq reprezintă variabila generalizată din fiecare
axă motoare
1in , iar
k = 1 m reprezintă numărul de configurații ale robotului.
(G.6) Pentru
i =1 n dar și pentru fiecare configurație a robotului
0
k se determină:
11 1 1 0
11 ; ; ; ; ; ; ; ;ii i i j
i i i i i i i i i i iiR r p T k q T p p T T
.
;;i i i ik x y z
;
1; ; 0;i i R i T (9)
(10)
(G.7) Pentru
i =1 n , matricea de rotație și vectorul de poziție dintre două sisteme învecinate
1ii
se determină cu ajutorul următoarelor expresii matriceale:
1; ; ; ; ; ;i
i i i i i i i i i i i i iR R k q R x q R y q R z q
;
(11)
00 1 1 1 1 1
1 1 1 11i i i i i i
i i i i i i i i i i i i ir p p q k p q k
. (12)
(G.8) Pentru
i =1 n , matricele de situare dintre sisteme învecinate
1ii se definesc cu:
;1; ; 1 ; ;
0 0 0 1i
i i i i i i
i i T i i i R i i iR k q q kT k q T k q T k q
; (13)
Lucrare de licență
Robotică
51
01
1 1
1;1;
0 0 0 1ii
i i i i i i i i i
i i i i iR k q p q kT T T k q
. (14)
(G.9)
i =1 n .Matricea de situare a sistemului
i în raport cu sistemul
0 este definită cu:
0 1
1 110
1 1 0 0 0 1i
ii iiip p R
;
1
1xii
i j j yi
j
zip
p p p
p
. (15)
0
01
1 0 0 0 1iji i
ij
jRpTT
. (16)
Pentru
1 in , matricea de situare dintre sistemele
01 n se determină cu expresia:
0
01
1 0 0 0 1iji i
ij
jRpTT
; (17)
0
001
1 10 0 0 1 0 0 0 1n
nn nnn s a p RpT T T
. (18)
(G.10) Pentru
i =1 n și
1ji matricele de situare ale sistemului mobil
i în raport cu un
alt sistem
j se determină, utilizând expresiile prezentate în cele ce urmează, astfel:
10
1 1
1 1
1
1
10 0 0 10 0 0 1
0 0 0 1i ikTj j ijk kk kj ij ikj kjik
kj
j j j j
xij
j ijk yij
j ik
kj zij ix iy izR R p RpTT
p
pTTp
. (19)
(G.11) Vectorul de orientare se determină cu ajutorul următoarei identități matriceale:
00
1;;T
C B A A B C A B C nnR R R R
. (20)
(G.12) În ultimul pas, ecuațiile MGD vor fi incluse în cadrul următoarelor matrice generalizate:
Lucrare de licență
Robotică
52
0; 1 1 6
1 ; 1 3 ; ; 4 6T T
x y z j i i
T
ii A B Cp p p f q i n j pX
jj
; (21)
4.2 Algoritmul iterativ
Într-o primă etapă de aplicare a acestui algoritm, pentru
1i , se pornește de la ipoteza
conform căreia valorile parametrilor cinematici absoluți ce corespund bazei fixe a structurii
mecanice a robotului sunt
0 0 0 0
0 0 0 00, 0, 0, 0 vv
. Parametrii ce caracterizează
ecuațiile MCD se determină în două etape. Pentru în ceput se determină parametrii cinematici
(viteze și accelerații liniare și unghiulare) ce definesc mișcarea fiecărei cuple în raport cu sistemul
de referință fix
0 , expresii care sunt mai apoi proiectate pe sistemul de referință mo bil
i . În
ultima etapă, când
in , se determină parametrii cinematici ce caracterizează mișcarea absolută și
relativă a efectorului final:
0 0 0 0; ; ;n n n n
n n n n vv
. În aplicarea algoritmului iterativ, se vo r
parcurge următoarele etape:
1. Se stabilește modelul geometric direct pentru structura de robot supusă analizei utilizând unul
dintre algoritmii prezentați anterior (Algoritmul matricelor de situare). Rezultatele obținute vor
constitui date de intrare în m odelarea cinematică directă (MCD).
2. În prima etapă de aplicare a algoritmului se consideră că vitezele și accelerațiile liniare și
unghiulare corespunzătoare bazei fixe a robotului sunt definite astfel:
0 0 0 0
0 0 0 00, 0, 0, 0 vv
(22)
3. Pentru
1in , se determină vitezele unghiulare și liniare ce definesc mișcarea absolută a
fiecărei cuple motoare, utilizând expresiile de mai jos:
0 0 0 0 0
11i
i i i i i i i i i i q k R q k
; (23)
0 0 0 0
1 1 1 1i i i ii i i iv v p q k
; (24)
4. Similar, pentru fiecare cuplă a robotului
1in , accelerațiile unghiulare și liniare
corespunzătoare, proiectate pe sistemul de referință fix sunt definite astfel:
00 0 0 0
11ii
ii i i i i i i i i q R k q R k
; (25)
0 0 0 0 0 0 0 0
1 1 1 1 1 1 12i i i ii i i ii i i i i i iv v p p q k q k
; (26)
5. În partea a doua a algoritmului iterativ, pentru
1in , se determină parametrii cinematici,
ce caracterizează mișcarea în fiecare cuplă motoare în raport cu sistemul de referință mobil
i .
Astfel, vite zele unghiulare și liniare se determină utilizând următoarele expresii:
0 01
1 1Ti i i i
i i i i i i iiR R q k
; (27)
0 0 1 1 1
1 1 1 11Ti i i i i i
i i i i ii i i i iiv R v R v p q k
. (28)
Lucrare de licență
Robotică
53
6. Expresiile accelerațiilor unghiulare și liniare, proiectate pe sistemul de referință mobil
i ce
caracterizează mișcarea relativă a fiecărei cuple
1in , sunt definite pe baza expresiilor de
mai jos:
0 0 1 1
11 11ii i i i i i
i i i i i i i i i i i i R R R q k q k
; (29)
0 1 1 1 1 1 1
1 1 1 1 1 1 11
12ii i i i i i i i
i i i i ii i i ii ii
i i i
i i i i i iv R v R v p p
q k q k
(30)
7. În ultima etapă a aplicării algoritmului iterativ, pentru
in , este definită mișcarea absolută a
efectorului final, ținând seama de ecuațiile de situare respectiv de vitezele și accelerațiile
liniare și unghiulare absolute (vitezele și accelerațiile operaționale).
0 0 0Tn n n TT
nn Xv
; (31)
0 0 0Tn n n TT
nn Xv
. (32)
Expresiile determinate anterior reprezintă ecuațiile cinematicii directe (MCD) ce
caracterizează mișcarea absolută a efectorului final și care vor fi utilizate ca și date de intrare în
modelarea dinamică. [13]
4.3 Algoritmul matricelor de transfer
Primul pas în aplicarea algoritmului matricelor de transfer constă în determinarea matricelor
liniare de transfer,
3
3;1
1T
nn jk
i Tni=1 n ii np t p t f q t k nV t Matrix V tq t q t t jn
(33)
Pentru fiecare
1in , se aplică următorii vectori coloană ai variabilelor generalizate:
1; 1 1 ;1
0; ; ; ; 1 ; 0; 1T
jj kki
i
nki jiq t j i q t k i n
t q t
i n q t i n q t i i
(34)
1; 1 1 ;1
0; ; ; ; 1 ; 0; 1T
jj kki
i
nki jiq t j i q t k i n
t q t
i n q t i n q t i i
(35)
Asupra efectorului final se transferă o viteză liniară cauzată de mișcarea din cupla motoare
i . În
funcție de tipul cuplei motoare, ea poate fi o viteză de rotație sau de translație, după cum se poate
observa din ecuațiile:
Lucrare de licență
Robotică
54
001i i i i i n i i i iV t q t k t q t p t p t k t q t
(36)
Prin identificarea termenilor, cu care se înmulțesc vitezele generalizate
iqt
, din ambii membri ai
identității de mai sus, se obține în final o nouă expresie pentru vectorul
iV (vectorul coloană a vitezelor
liniare de transfer).
00
001
1i i n i i i n
i
i=1 n ii i ni i ik t p t p t k t pt
Vtqt k t p t k t
(37)
0
01i n ii
i i i ni i i i
i=1 n ipt
V t R t k R t p t kqt
(38)
Prin aplicarea derivatei în raport cu timpul expresiei de definire a vitezei liniare:
0
11;;nn
n
n n i i i
ii ipt
v t t p t t q V t q tqt
, (39)
care este identică cu derivata de ordinul doi aplicată vectorului de poziție
npt , se obține accelerația
liniară a originii
nO a sistemului
n , în raport cu sistemul
0 după cum se poate observa din
ecuația:
110
1 1 1;;nn
i i i i
ii
nn n n
i
i i i j
i i j jV t q t V t q t
v t t tVt
V t q t q t q tqt
(40)
Expresia de definiție a accelerației liniare corespunzătoare originii sistemului
n fața de
0 este:
0;
; ; ;
;nV t t V t t t
tv t t t A t ttt V t V t t
t
(41)
unde:
2
1 33 2 3;;n
nn
j TT
j n j nnp t p t
A t t V t V t t q t
t t q t
(42)
reprezintă matricea liniară de transfer a accelerațiilor.
Derivata în raport cu timpul a fiecărui vector coloană a matricei liniare de transfer a vitezelor se
determină prin:
2
11;nnin
i j j
jj j i ji=1 nV t p t
V t t q t q tq t q t q t
, sau
Lucrare de licență
Robotică
55
00
1
1
0 0 0
1 1 1
00;1
1i i i i i ni
n
i i j j j j j j j
jii=1 n
i i i i it q t k t p t
V t t k t t p t q t k t
t q t k t
(43)
unde:
0 0 0 0
10
1i
i
i i i i i i j j j
jt t q t k t q t k t
;
0; 1 ; 1 ; 1i ii
Matricele unghiulare de transfer, care stau la baza determinării vitezelor și accelerațiilor unghiulare
absolute care caracterizează situarea efectorului final robotului. Se obține o nouă expresie pentru
i
exprimată prin:
00 0
31T
i i i i nn
n i n it t vect R t R t k tqt
(44)
Pe baza acestei matrice se determina viteza unghiulară absolută corespunzătoare efectorului
final:
00 0;T
n nnt t vect R t R t t
t
tt
(45)
Ținând cont de expresiile anteriore, matricele de transfer ale accelerațiilor un ghiulare, sunt:
3213 2 1E ; ; ;ii
ninn i nt t t t t Matrix t t t
(46)
unde,
E; tt
reprezintă matricea unghiulară de transfer a accelerațiilor, având
dimensiunea
32 n . Derivata în raport cu timpul a matricei unghiulare de transfer a vitezelor, este
dată de: E
0
311;;n
i
i j i j i inj jintt t Matrix t t q t k tqt
(47)
Accelerațiile unghiulare asociate efectorului final al robotului se determină cu ajutorul relației:
Lucrare de licență
Robotică
56
0;
;;
Ε;n T
TTt t t t t
t t t
t t t t
(48)
Matricele unghiulare de transfer sunt aplicate în vederea determinării vitezelor și
accelerațiilor unghiulare absolute, ce caracterizează ecuațiile cinematicii directe. [13]
Lucrare de licență
Robotică
57
4.4 Ecuațiile geometriei directe (MGD)
Ecuațiile geometriei directe (MGD), se vor determina prin utilizarea algoritmului matricelor de
situare. Conform primei etape, aferentă oricărui algoritm consacrat ecuațiilor MGD, se reprezintă
schema cinematică a robotului, în configurația inițială, în ca re motoarele nu lucrează, iar toate
coordonatele generalizate sunt inițializate la zero:
T
i0n1i;0q .
Conform datelor de intrare corespunzătoare modelării geometrice directe, matricea geometriei
nominale
0
vnM pentru robotul de tip 3TR, este dată în cadrul tabelului 5.
Tabel 5
Element
i=1-5 Cupla
{R,T}
1 0 T 0 0 1 0 0
2 0 T 0 0 0 1 0
3 0 T 0 0 0 0 1
4 1 R 0 0 0 0 1
5 – – 0 0 1 0 0
Pe baza tabelului 5, se realizeaza schema cinematica a structurii 3TR, asa cum rezultă din figura 46.
Figura 46 Schema cinematică a structurii 3TR
Lucrare de licență
Robotică
58
1. Determ inarea matricelor de orientare î n raport cu sisteme {i) și {0} pentru configuraț ia
k .
Pe baza t abelului 5 și a figuri 46 sunt evidențiate particularitățile geometrice, scrise mai jos:
1 1 1 2 2 2 3 3 3 4 1 11; ; 0 ; 2; ; 0 ; 3; ; 0 ; 4; ; 1i k x i k y i k z i k z
Ținând seama de [13] pe baza expresiilor (9) -(11) se ob ține :
(
) (49)
(
) (50)
(
) (51)
(
) (52)
(
) (53)
(
) (54)
Matricelor de rotație î ntre sistemele {4} -{3} și {4} -{0} sunt determinate conform cu relația (11)
(
) (55)
(
) (56)
În conformitate cu relația [13] matricea de rotație între sistemul {5} -{4} este:
(
) (57)
Matricele de rotație absolute ale cuplelor (2) -(4) conform cu relația (13) sunt:
(
) (58)
Lucrare de licență
Robotică
59
(
) (59)
(
) (60)
Matricea de rotație absolută a efectorului final este:
(
) (61)
2.Determinare pozi ției in raport cu sistemele {i}si se determină conform cu relația (12) astfel:
(
) (62)
(
) (63)
(
) (64)
(
) (65)
(
) (66)
2. Pe baza configurației robotului 3TR supus analizei vectorul de poziț ie a elementului (i) și (i –
1) este:
(
) (67)
(
) (68)
(
) (69)
(
) (70)
Lucrare de licență
Robotică
60
(
) (71)
3. Conform cu algoritmul matricelor de transformare omogenă pozi ția centrului geometric al
fiecărei cuple în raport cu sistemul de referintă fix atașat bazei robotului este:
(
) (72)
(
) (73)
(
) (74)
(
) (75)
(
) (76)
Tinând seama de matricele de rotație respectiv de pozi ție dintre sistemele {i}si{i -1}
determină matricea de transformare omogena intre sistemele {i}si{i -1} respective {i}si{0} astfel:
(
) (77)
(
) (78)
(
) (79)
(
) (80)
Lucrare de licență
Robotică
61
(
) (81)
(
) (82)
(
) (83)
(
) (84)
În cadrul expresiei, ce caracterizează matricea de situare dintre sistemele {5} -{0}, sunt incluse
atât matricea de rotație
0
5R , cât și vectorul de poziție
5p . Componentele celor două matrice sunt
următoarele:
(
) (85)
Modelarea geometrică, indiferent că utilizează matrice de situare sau alt algoritm, are drept
scop determinarea ecuațiilor geometriei directe care vor servi la stabilirea modelului cinematic
direct respectiv a modelului geometric și cinematic cu erori, ace stea din urmă fiind incluse printre
obiectivele acestei lucrari.
Lucrare de licență
Robotică
62
4.5 Modelul cinematic
În analiza cinematică se ține cont atât de poziția și orientarea fiecărei cuple necesară pentru
a descrie situarea efectorului final în spațiul de lucru al robotul ui cât și de variația vitezelor din
cuple pe tot parcursul procesului de lucru.
1. Pentru modelul cinematic, în conformitate cu [13] orientarea sistemului {i} în raport cu
sitemul fix 0 (zero).
(
) (86)
(
) (87)
(
) (88)
(
) (89)
Având în vedere că în modelarea cinematică este necesară utilizarea matricelor antisimetrice atașate
vectorului de orientare i=1-4 se determina:
(
) (90)
(
) (91)
(
) (92)
(
) (93)
2. Determinarea vitezelor si acceleratiilor liniare si unghiulare ale sistemului “i” in raport cu
sistemul de referința fix în conformitate cu algoritmul iterativ [13] are la bază expresiile:
(22)-(23)
3. Determinarea vitezelor unghiulare din fiecare cupla motoare in raport cu sistemul de
referința fix.
(
) (94)
Lucrare de licență
Robotică
63
(
) (95)
(
) (96)
(
) (97)
4. Vitezele liniare din fiecare cupl ă motoare in raport cu sistemul de referința fix au valorile:
(
)
(98)
(
)
(99)
(
) (100)
(
) (101)
Vitezele/ accelera țiile unghiulare ș i liniare ale sistemul de referința fix.
(
) (102)
̇ (
) (103)
(
) (104)
Lucrare de licență
Robotică
64
̇ (
) (105)
Matricea antisimetric ă asociata vitezelor/ accelera țiilor unghiulare î n raport cu sistemul de referința
fix.
(
) (106)
(
) (107)
(
) (108)
(
) (109)
(
) (110)
Viteze liniare î n raport cu sistemul de referința fix
(
) (111)
(
) (112)
(
) (113)
(
) (114)
Acceleratii unghiulare in raport cu sistemul de referința fix.
Lucrare de licență
Robotică
65
̇ (
) (115)
̇ (
) (116)
̇ (
) (117)
̇ (
) (118)
Matricea antisimetrica asociată acceleratiilor unghiulare î n raport cu sistemul de referința fix.
̇ (
) (119)
̇ (
) (120)
̇ (
) (121)
̇
(
)
(122)
Vitezele/ accelerațiile unghiulare și liniare exprimate î n sistemul de referința mobil i .
(
) (123)
(
) (124)
(
) (125)
Lucrare de licență
Robotică
66
(
) (126)
(
) (127)
(
) (128)
(
) (129)
(
) (130)
Pe baza algoritmului, a ccelera țiile unghiulare și liniare exprimate î n sistemul de referința mobil i .
̇ (
) (131)
̇ (
) (132)
̇ (
) (133)
̇ (
) (134)
Accelerații liniare exprimate î n sistemul de referința mobil i .
̇ (
) (135)
̇
(
)
(136)
Lucrare de licență
Robotică
67
̇
(
)
(137)
̇
(
)
(138)
II. Algoritmul matricelor de transfer în cinematica directă
1. Calculul matricelor de transfer liniare a vitezelor și accelerațiilor c onform algoritmului se
determină :
(
) (139)
(
) (140)
(
) (141)
(
) (142)
2. Matricea de transfer a vitezelor liniare este:
(
) (143)
3. Derivat ă matricei de transfer a vitezelor liniare .
̇ (
) (144)
Lucrare de licență
Robotică
68
̇ (
) (145)
̇ (
) (146)
̇ (
) (147)
Matricea de transfer a accelerațiilor liniare este :
(
) (148)
4. Matricea de transfer a acelerațiilor conform cu algoritmii din paragraful 3.3.
(
) (149)
(
) (150)
5. Calculul matricelor de transfer unghiulare .
(
) (151)
(
) (152)
(
) (153)
(
) (154)
(
) (155)
(
) (156)
Lucrare de licență
Robotică
69
(
) (157)
(
) (158)
(
) (159)
(
) (160)
(
) (161)
(
) (162)
(
) (163)
(
) (164)
(
) (165)
(
) (166)
(
) (167)
Derivata matricelor de transfer unghiulare este:
̇ (
) (168)
Lucrare de licență
Robotică
70
̇ (
) (169)
̇ (
) (170)
̇ (
) (181)
(
) (182)
(
) (183)
(
) (184)
Lucrare de licență
Robotică
71
4.4 Calcule pentru surubul cu bile
Calculele pentru surubul cu bile sunt calculate cu ajutorul softului MathCad. Mai jos avem
prezentate câteva capturi din anexa 6.
Lucrare de licență
Robotică
72
CONCLUZII
După realizarea lucrării de licență cu numele ”Sistem automatizat pentru popularea cu
siguranțe auto” s-a ajuns la concluzia ca acest mecanism poate fi implementat cu încredere în cadrul
firmei Leoni Bistrita proiectul BMW LU, deoarece, datorită mecansimului construit pe baza
cerințelor clientului timpul de p opulare este mai mic și scade numarul de siguranțe deteriorate.
Costurile pentru realizarea acestui sistem automatizat pentru popularea cu siguranțe este
relativ mic deoarece sunt folosite in mare măsura piese standardizate, table si tevi din otel cu
grosimi cuprinse intre 3 -5 [mm]. Datorită costurile mici pentru construirea mecanismului cei de la
Leoni Bistrița au inceput procesul de certificare ISCIR, care se ocupă cu cerințe esențiale de
securitate prevazute în Directivele Uniunii Europene, pentru ca t otul sa fie conform legii.
După efectuarea calculelor si analizei de element finit s -a ajuns la concluzia ca sistemul
automatizat poate fi implementat deoarece are precizie ridicată si rezistență mare, lucru care ajuta
mult in obținerea certificări pentr u calitate.
Lucrare de licență
Robotică
73
BIBLIOGRAFIE
[1] http://www.carcanyon.com/cartesian -gantry –
robot_heVHmumtbkh*QA8GyFYfH4o%7CDKNVBuz78flGvEO6ICY/QDCYbxdCuH4m*
K0n7Kwdu4ruNyGN4ABvLxUqzgBua0dOhONB2T0DcHwfDusdYnFyZCaFzmfv11zJON
yXTNuuiOKDk7uMAVPh8yFeciUCTD09SbeKgMOrHNGckHP%7CLUDV/ , descărcat de
pe internet la 06.06 .2017
[2] Starețu, I. – Sisteme de prehensiune. Editura Lux Libris Brașov, 2010 .
[3] http://www.vatau.com/Robotica_Avansata_Laborator.pdf , descărcat de pe internet la
23.04.2017
[4] http://www.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri%20de%20doctorat/Rezumate2014/Tarliman%28
Negrea%29.pdf descărcat de pe internet la 06.03.2017
[5] http://mecatronicastiintaviitorului.wikispaces.com/file/view/Cap.2+Roboti+indust riali_2.doc
descărcat de pe internet la 22.05.2017
[6] http://mecatronicastiintaviitorului.wikispaces.com/file/view/Cap.2+Roboti+industriali_3.doc
descărcat de pe internet la 22.05.2017
[7] https://www.leoni.ro/ro/companie/ descărcat de pe internet la 05.04.2017
[8] http://www.ttonline.ro/sectiuni/management -calitate/articole/12171 -lean-6-sigma –
leadership -bune -practici -problem -solving -ii descărcat de pe internet la 05.04.2017
[9] http://www.ttonline.ro/sectiuni/management -calitate/articole/1432 -lean-six-sigma –
importanta -proiectelor -importanta -leadership -ului descărcat de pe internet la 15.05.2017
[10] http://www.brighthubpm.com/six -sigm a/35457 -dfss-design -for-six-sigma -explained/
descărcat de pe internet la 15.05.2017
[11] http://www.brighthubpm.com/six -sigma/35457 -dfss-design -for-six-
sigma -explained/ descărcat de pe internet la 15.05.2017
[12] http://cfdp.utcb.ro/uploads/files/Curs%20MEF%202012 %20Nr_%201.p
df descărcat de pe internet la 15.0 6.2017
[13] I. Negrean, s.a, -Mecanic ă avansată în robotică , UT PRESS, ISBN ,
(2008)
Lucrare de licență
Robotică
74
Anexe
Anexa 1
Simulation of Flansa Z
Date: Tuesday, July 4, 2017
Designer: Ursa Florin
Study name: Static 1
Analysis type: Static
Model Information
Model name: flansa Z
Current Configuration: Default
Solid Bodies
Document Name and
Reference Treated As Volumetric Properties Document Path/Date
Modified
Boss -Extrude7
Solid Body Mass:0.619796 kg
Volume:7.9461e -005 m^3
Density:7800 kg/m^3
Weight:6.074 N
D:\Faculta \Anul
IV\Licenta \ghidaje \flansa
Z.SLDPRT
Jul 01 16:43:08 2017
Lucrare de licență
Robotică
75
Study Properties
Study name Static 1
Analysis type Static
Mesh type Solid Mesh
Thermal Effect: On
Thermal option Include temperature loads
Zero strain temperature 298 Kelvin
Include fluid pressure effects from
SOLIDWORKS Flow Simulation Off
Solver type FFEPlus
Inplane Effect: Off
Soft Spring: Off
Inertial Relief: Off
Incompatible bonding options Automatic
Large displacement Off
Compute free body forces On
Friction Off
Use Adaptive Method: Off
Result folder SOLIDWORKS document (D: \Faculta \Anul
IV\Licenta \ghidaje)
Units
Unit system: SI (MKS)
Length/Displacement mm
Temperature Kelvin
Angular velocity Rad/sec
Pressure/Stress N/m^2
Lucrare de licență
Robotică
76
Material Properties
Model Reference Properties Components
Name: Plain Carbon Steel
Model type: Linear Elastic Isotropic
Default failure criterion: Unknown
Yield strength: 2.20594e+008 N/m^2
Tensile strength: 3.99826e+008 N/m^2
Elastic modulus: 2.1e+011 N/m^2
Poisson's ratio: 0.28
Mass density: 7800 kg/m^3
Shear modulus: 7.9e+010 N/m^2
Thermal expansion
coefficient: 1.3e-005 /Kelvin
SolidBody 1(Boss –
Extrude7)(flansa Z)
Curve Data:N/A
Loads and Fixtures
Fixture name Fixture Image Fixture Details
Fixed -1
Entities: 1 face(s)
Type: Fixed Geometry
Resultant Forces
Components X Y Z Resultant
Reaction force(N) 0.00205999 0.00466319 200.018 200.018
Reaction Moment(N.m) 0 0 0 0
Load name Load Image Load Details
Force -1
Entities: 1 face(s)
Type: Apply normal force
Value: 200 N
Mesh information
Mesh type Solid Mesh
Mesher Used: Standard mesh
Automatic Transition: Off
Include Mesh Auto Loops: Off
Lucrare de licență
Robotică
77
Jacobian points 4 Points
Element Size 4.69985 mm
Tolerance 0.234993 mm
Mesh Quality High
Mesh information – Details
Total Nodes 16833
Total Elements 8303
Maximum Aspect Ratio 9.4402
% of elements with Aspect Ratio < 3 95.3
% of elements with Aspect Ratio > 10 0
% of distorted elements(Jacobian) 0
Time to complete mesh(hh;mm;ss): 00:00:07
Computer name: RALA
Resultant Forces
Reaction forces
Selection set Units Sum X Sum Y Sum Z Resultant
Entire Model N 0.00205999 0.00466319 200.018 200.018
Lucrare de licență
Robotică
78
Reaction Moments
Selection set Units Sum X Sum Y Sum Z Resultant
Entire Model N.m 0 0 0 0
Study Results
Name Type Min Max
Strain1 ESTRN: Equivalent Strain 2.06527e -013
Element: 6386 0.000186263
Element: 8030 Name Type Min Max
Displacement1 URES: Resultant
Displacement 0 mm
Node: 67 0.131359 mm
Node: 1732
flansa Z -Static 1 -Displacement -Displacement1 Name Type Min Max
Stress1 VON: von Mises Stress 0.0487454 N/m^2
Node: 5942 5.61324e+007 N/m^2
Node: 15445
flansa Z -Static 1 -Stress -Stress1
Lucrare de licență
Robotică
79
flansa Z -Static 1 -Strain -Strain1
Name Type
Displacement1{1} Deformed shape
flansa Z -Static 1 -Displacement -Displacement1{1}
Lucrare de licență
Robotică
80
Anexa 2
Simulation of
suport sibo
Date: Tuesday, July 4, 2017
Designer: Ursa Florin
Study name: Static 1
Analysis t ype: Static
Model Information
Model name: suport sibo
Current Configuration: Default
Solid Bodies
Document Name and
Reference Treated As Volumetric Properties Document Path/Date
Modified
Split Line2
Solid Body Mass:16.9883 kg
Volume:0.00217799 m^3
Density:7800 kg/m^3
Weight:166.486 N
D:\Faculta \Anul
IV\Licenta \ghidaje \suport
sibo.SLDPRT
Jul 03 19:27:05 2017
Lucrare de licență
Robotică
81
Study Properties
Study name Static 1
Analysis type Static
Mesh type Solid Mesh
Thermal Effect: On
Thermal option Include temperature loads
Zero strain temperature 298 Kelvin
Include fluid pressure effects from SOLIDWORKS
Flow Simulation Off
Solver type FFEPlus
Inplane Effect: Off
Soft Spring: Off
Inertial Relief: Off
Incompatible bonding options Automatic
Large displacement Off
Compute free body forces On
Friction Off
Use Adaptive Method: Off
Result folder SOLIDWORKS document (D: \Faculta \Anul
IV\Licenta \ghidaje)
Units
Unit system: SI (MKS)
Length/Displacement mm
Temperature Kelvin
Angular velocity Rad/sec
Pressure/Stress N/m^2
Lucrare de licență
Robotică
82
Material Properties
Model Reference Properties Components
Name: Plain Carbon Steel
Model type: Linear Elastic Isotropic
Default failure criterion: Unknown
Yield strength: 2.20594e+008 N/m^2
Tensile strength: 3.99826e+008 N/m^2
Elastic modulus: 2.1e+011 N/m^2
Poisson's ratio: 0.28
Mass density: 7800 kg/m^3
Shear modulus: 7.9e+010 N/m^2
Thermal expansion
coefficient: 1.3e-005 /Kelvin
SolidBody 1(Split
Line2)(suport sibo)
Curve Data:N/A
Loads and Fixtures
Fixture name Fixture Image Fixture Details
Fixed -1
Entities: 4 face(s)
Type: Fixed Geometry
Resultant Forces
Components X Y Z Resultant
Reaction force(N) 0.0175643 0.226236 399.819 399.819
Reaction Moment(N.m) 0 0 0 0
Load name Load Image Load Details
Force -1
Entities: 5 face(s)
Type: Apply normal force
Value: 80 N
Mesh information
Mesh type Solid Mesh
Mesher Used: Standard mesh
Automatic Transition: Off
Include Mesh Auto Loops: Off
Lucrare de licență
Robotică
83
Jacobian points 4 Points
Element Size 15.5223 mm
Tolerance 0.776114 mm
Mesh Quality High
Mesh information – Details
Total Nodes 24821
Total Elements 12246
Maximum Aspect Ratio 17.125
% of elements with Aspect Ratio < 3 54.2
% of elements with Aspect Ratio > 10 0.229
% of distorted elements(Jacobian) 0
Time to complete mesh(hh;mm;ss): 00:00:12
Computer name: RALA
Resultant Forces
Reaction forces
Selection set Units Sum X Sum Y Sum Z Resultant
Entire Model N 0.0175643 0.226236 399.819 399.819
Lucrare de licență
Robotică
84
Reaction Moments
Selection set Units Sum X Sum Y Sum Z Resultant
Entire Model N.m 0 0 0 0
Study Results
Name Type Min Max
Stress1 VON: von Mises Stress 9.70307 N/m^2
Node: 24258 1.33013e+008 N/m^2
Node: 21028
suport sibo -Static 1 -Stress -Stress1
Name Type Min Max
Displacement1 URES: Resultant Displacement 0 mm
Node: 5 0.521135 mm
Node: 1867
Lucrare de licență
Robotică
85
suport sibo -Static 1 -Displacement -Displacement1
Name Type Min Max
Strain1 ESTRN: Equivalent Strain 4.12078e -011
Element: 7632 0.00026607
6
Element:
11513
suport sibo -Static 1 -Strain -Strain1
Lucrare de licență
Robotică
86
Anexa 3
C(D)85K, ISO Cylinder, Double Acting, Single Rod, Non -Rotating C85KE12 -200
The C85 series conforms to ISO 6432 and CETOP RP52P. The C85 is available in bore sizes 8mm
through 25mm with standard strokes ranging from 10mm through 300mm. A unique rod packing
design prevents entry of dust and the effectiveness of the seal is such that the C85 is suitable for use
in extremely dus ty environments. With abrasion resistant packings and replaceable nose seals, the
C85 offers exceptional service life.
Lucrare de licență
Robotică
87
CD-ROM cu proiectul în format electronic
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: Lucrare de licență [623526] (ID: 623526)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.