Automatizarea Unui Strung Vertical Si Integrarea Acestuia Într Un Sistem Inteligent DE Fabricatie

PROIECT DE DIPLOMĂ

Conducător științific:

Prof. Dr. Ing. Adriana Florescu

Brașov, 2016

AUTOMATIZAREA UNUI STRUNG VERTICAL SI INTEGRAREA ACESTUIA ÎNTR-UN SISTEM INTELIGENT DE FABRICAȚIE

Conducător științific:

Prof. Dr. Ing. Adriana Florescu

Brașov, 2016

Cuprins

Introducere 4

1.1 Justificarea temei 4

1.2 Scurtă prezentare a proiectului 4

Capitolul 1. Strunguri. Strunguri verticale. Prezentarea variantei propuse. 6

1.1 Generalități 6

1.2 Clasificarea strungurilor 6

1.3 Strunguri verticale convenționale 7

1.3.1 Clasificarea și descrierea strungurilor verticale 7

1.3.2 Cinematica strungurilor verticale 10

1.3.3 Operații caracteristice și reglarea lanțurilor cinematice 13

1.4 Strunguri CNC 13

1.4.1 Mașini-unelte cu conducere numerică. Noțiuni generale. 13

1.4.2 Avantaje și dezavantaje ale mașinilor-unelte CNC 16

1.4.3 Părțile componente ale strungurilor CNC 17

1.4.4 Comanda și reglarea mașinilor-unelte CNC 18

1.5 Prezentarea soluției propuse de strung vertical automat 19

1.5.1 Funcționarea și părțile componente ale soluției constructive 20

Capitolul 2. Sisteme de schimbare automată a sculelor 22

2.1 Studiul privind sistemele de prindere și schimbare a sculelor 22

2.1.1 Montarea sculelor 25

2.1.2 Codificarea sculelor așchietoare 27

2.1.3 Prereglarea sculelor 28

2.2 Introducerea unei structuri robotice pentru schimbarea automată a sculelor 29

2.2.1 Studiu privind construcția roboților industriali. 30

2.2.2 Proiectarea structurii robotice pentru soluția constructivă aleasă 34

Capitolul 3. Automatizarea manipulării pieselor 43

3.1 Studiul privind sistemele de alimentare/evacuare automată a pieselor 43

3.1.1 Funcțiunile manipulării materialelor 43

3.1.2 Tipuri de echipamente pentru manipularea materialelor 43

3.2 Proiectarea sistemului de manipulare a semifabricatului 44

3.2.1 Calculul motoarelor hidraulice liniare 47

3.2.2 Calculul arborilor sistemelor de alimentare/evacuare 48

3.2.3 Calculul transmisiei prin curea dințată 52

3.2.4 Verificarea rulmenților 53

Capitolul 4. Senzori utilizați. Introducerea unui sistem de diagnoză online. 54

4.1 Senzori 54

4.2 Sistemul de diagnoză online 55

Capitolul 5. Integrarea strungului într-un sistem inteligent de fabricație 56

5.1 Sisteme flexibile de fabricație 56

5.2 Industria 4.0 56

Bibliografie 58

Introducere

Justificarea temei

Tema aleasă are la bază dorința de a automatiza un strung vertical cu conducere numerică pentru a ușura munca operatorilor, pentru a reduce costurile manoperei și manipulării materialelor, dar și de a crește simțitor productivitatea. Soluțiile alese vor putea fi utilizate și pe alte mașini-unelte, cu condiția ca acestea să aibă mese plane, verticale și cu prindere magnetică. O altă condiție ar fi ca mașinile-unelte să fie dotate cu echipamente de conducere numerică.

Tema are totodată la bază introducerea strungului într-un proiect nou, care poartă numele de „Industrie 4.0”. Termenul de Industrie 4.0 (numită și producție inteligentă, sau a patra revoluție industrială) duce înapoi la un proiect care poartă același nume. Acesta se referă la interconectarea digitală a tuturor entităților implicate într-un sistem, creând un sistem autonom, inteligent, al cărui participanți funcționează individual și care sunt legate la o rețea. Componentele sistemului pot fi programate, sau pot primi comenzi, chiar și wireless, dintr-un centru de comandă. Industria 4.0 prevede, printre altele, informatizarea echipamentelor de producție și logistică pentru comunicarea în timp real între mașini, dar și cu oamenii, cu ajutorul mai multor dispozitive care sunt conectate la Internet. Au fost introduse în industria 4.0 tehnologii ca de exemplu „Internetul Tuturor Lucrurilor” (în engleză „Internet of Things”) sau „Cloud Computing”, care să ușureze comunicarea om-mașină. Industria 4.0 este deci o strategie de modernizare high-tech a industriei.

Strungul vertical trebuie să fie deci unul extrem de performant, pentru a face față cerințelor industriei 4.0. Acesta va trebuie să funcționeze autonom, iar operatorul uman să intervină doar dacă este cazul, ca de exemplu atunci când apare o defecțiune, sau când trebuie să schimbe pastilele sculelor. Pentru ca strungul să facă față cerințelor viitorului, sunt necesari o mulțime de senzori și de o conexiune a acestuia la Internet.

Scurtă prezentare a proiectului

În proiect vor fi folosite cunoștințe care au fost acumulate pe parcursul studiilor, cunoștințe care au fost dobândite prin experiența profesională, dar și multe informații care au fost acumulate prin studiu individual.

Lucrarea este structurata pe cinci capitole. În primul capitolul vor fi prezentate mai multe modele de strunguri verticale, de diferite dimensiuni, definiții, scheme cinematice si soluții constructive, după care va fi prezentat și strungul modelat de mine.

În al doilea capitol vor fi prezentate mai întâi mai multe exemple de sisteme pentru schimbarea automată a sculelor, după care va fi prezentată soluția impusă.

Capitolul următor va conține mai multe sisteme de alimentare a pieselor care urmează a fi prelucrate, respectiv mai multe sisteme de evacuare a pieselor deja prelucrate, după care va fi prezentat sistemul de alimentare-evacuare de tip conveior proiectat.

În al patrulea capitol vor fi prezentate mai mulți senzori și sisteme de diagnoză online. Se vor studia mai mulți senzori în parte, iar în final va fi menționat ce va fi ales pentru automatizarea strungului vertical.

Ultimul capitol cuprinde integrarea strungului într-un sistem flexibil de fabricație. Se va face un studiu de caz pe un anumit reper și se va compara productivitatea înainte și după ce strungul va fi automatizat.

Strunguri. Strunguri verticale. Prezentarea variantei propuse.

Generalități

Mașina-unealtă este o mașină de lucru care, folosind scule corespunzătoare sau specifice, are rolul de a modifica printr-un proces de prelucrare forma și dimensiunile unor corpuri, care sunt în general metalice, în anumite condiții de precizie dimensională, calitate a suprafețelor prelucrate și de productivitate.

Mașina de lucru este sistemul tehnic ce efectuează servicii sau lucrări de execuție parțială sau totală a unor produse, prin transformări de energie și prin mișcări cu diferiți parametri.

Din definiția mașinii-unelte rezultă că pentru ca aceasta să facă parte din familia mașinilor de lucru, trebuie să respecte următoarele patru condiții:

să folosească scule;

să utilizeze un procedeu de prelucrare;

să acționeze asupra unui corp în vederea modificării formei și dimensiunilor sale;

să asigure anumite condiții de precizie dimensională și calitate a suprafețelor generate ale piesei supusă prelucrării, respectând în același timp niște cerințe de productivitate.

Strungul este o mașină-unealtă care este destinat prelucrării suprafețelor de revoluție prin combinarea a două mișcări, a mișcării principale de așchiere și a mișcării de avans. Mișcarea principală de așchiere este o mișcare de rotație a semifabricatului, iar mișcarea de avans este în general una rectilinie, executată de sculă, care este de regulă un cuțit de strung.

Operația caracteristică este cea de strunjire, dar se pot executa si alte operații, ca de exemplu: găuriri, alezări cu alezorul sau cu cuțitul, rectificări, chiar și frezări dacă freza este prinsă în arborele principal, iar piesa pe sania transversală sau direct pe cărucior.

Clasificarea strungurilor

Strungurile se clasifică după mai multe criterii:

după calitatea suprafeței și precizia dimensională: strunguri de degroșare, de finisare;

după precizie: strunguri cu precizie normală și cele de precizie);

după greutate și dimensiuni: strunguri mici, mijlocii, grele și foarte grele;

după gradul de universalitate: strunguri universale, specializate și speciale;

după gradul de automatizare: strunguri cu comandă manuală, semiautomate, automate și cu conducere numerică (CNC);

după poziția arborelui principal: strunguri orizontale și verticale (carusel);

după numărul arborilor principali: strunguri monoax și multiax.

Strunguri verticale convenționale

Clasificarea și descrierea strungurilor verticale

Strungurile verticale, numite și strunguri carusel, se utilizează in general la prelucrarea pieselor grele și de dimensiuni mari, care au diametrul mai mare decât lungimea. Prinderea unor asemenea piese pe strunguri pe axa orizontală ar prezenta dificultăți. Specific la aceste strunguri este poziția verticală a axei platoului. Prinderea pieselor pe platourile verticale se face de regulă cu bacuri, care pot fi acționate mecanic, pneumatic, sau hidraulic, sau pe platouri magnetice.

Clasificarea strungurilor verticale se poate face după mai multe criterii:

După numărul montanților sunt:

strunguri verticale cu un montant;

strungurile verticale cu mai mulți montanți.

După construcția traversei sunt:

strunguri cu traversă fixă;

strunguri cu traversă mobilă.

După gradul de universalitate sunt:

strunguri verticale universale, destinate producției individuale și de serie mică;

strunguri verticale speciale (de exemplu pentru prelucrarea capacelor de dimensiuni mari, a bandajelor roților mari etc.).

După gradul de automatizare sunt:

strunguri verticale cu comandă manuală, indiferent de modul cum se transmite mai departe comanda (pe cale mecanică, hidraulică etc.);

strunguri verticale semiautomate, la care comenzile ciclului de lucru al mașinii sunt date automat (cu excepția schimbării semifabricatului);

strunguri verticale automate, la care semifabricatul este schimbat automat;

strunguri verticale cu conducere numerică (CNC), care sunt, ca toate celelalte mașini-unelte cel mai des întâlnite în ultimul timp.

Mărimea strungurilor verticale este caracterizată prin diametrul maxim al piesei care poate fi prelucrată (Dmax), cu poziția extremă a căruciorului pe ghidajele traversei și distanța maximă (Lmax) dintre platou și suportul de scule, deci lungimea maximă a piesei care se poate monta pe platoul strungului. Seria diametrelor maxime este formată între limitele 800 și 20000 mm. Există și excepții în care piesele depășesc diametrul de 20000 mm.

Fig. 1. Vederea simplificată asupra unui strung vertical cu un singur montant.

În figura 2 este reprezentat schematizat un strung vertical cu un singur montant, săgețile reprezentând mișcările de avans, sau posibilitățile de reglare a diferitelor poziții de reglare a diverselor părți componente ale strungului. Cu I este notat avansul axial al saniei căruciorului. Direcția acestei mișcări poate fi variată în plan vertical (mișcarea IV), II reprezentând avansul orizontal (radial) executat de cărucior pe ghidajele traversei. Prin combinarea mișcărilor de avans I și II se obțin suprafețe conice sau profilate. Traversa poate glisa pe ghidajele verticale ale montantului (mișcarea III). Sania portsculă a căruciorului lateral executa avansul orizontal (radial), mișcarea V și, împreună cu căruciorul avansul axial, mișcarea VI.

Fig. 2. Vedere asupra unui strung vertical cu doi montanți.

Strungul vertical cu doi montanți este destinat prelucrării în general prelucrării semifabricatelor foarte mari și grele. În figura 3 este reprezentată vederea generală a unui astfel de strung, unde cu 1 este notat pupitrul de comandă, cu 2 montanții, pe ghidajele cărora glisează traversa 3. Cu 4 s-au notat cărucioarele orizontale de pe traversă, iar cu 5 contragreutățile care echilibrează săniile portsculă. În vederea măririi rigidității mașinii, cei doi montanți sunt legați la capetele superioare cu o traversă de legătură (traversă de rigidizare 6). În unele cazuri pe montantul din dreapta se mai află un cărucior lateral, asemănător ca la strungul cu un singur montant.

În figura 4.1 este prezentat un model mai nou de strung vertical cu un singur montant, marca Profimach, iar în figura 4.2 este prezentat un strung de aceeași marcă, dar care are doi montanți.

Fig. 3.1. Profimach PTV 1250SC Fig. 3.2. . Profimach PTV 2500DC

Cinematica strungurilor verticale

Deoarece strungurile de ultimă generație au la bază funcționarea strungurilor convenționale, va fi prezentată mai întâi cinematica strungurilor convenționale.

Schema cinematică a strungurilor este întocmită în așa fel, încât să asigure atât efectuarea mișcărilor de lucru, cât și cea a mișcărilor auxiliare. Lanțurile cinematice principale sunt:

lanțul cinematic al mișcării principale;

lanțurile cinematice ale mișcărilor de avans.

Lanțul cinematic al mișcării principale pornește de la motorul principal de antrenare și transmite mișcarea la platou. Acesta este compus din două grupe de mecanisme și anume: prima grupă care transmite mișcarea cu raport constant și a doua grupă care transmite mișcarea cu raport variabil. Astfel se obține o gamă de turații între turațiile limită. La strungurile utilizate în producție domeniul de reglare al turațiilor variază între 20 și 75, în cazuri rare depășește 100. Deoarece la prelucrarea suprafețelor plane, la turație constantă a platoului ,viteza de așchiere poate să varieze între limite largi, depinzând de limitele razelor punctelor de contact între sculă și semifabricat, lanțul mișcării principale este prevăzut cu variator continuu de turații. Variatorul de turații este sincronizat cu căruciorul de pe traversă, astfel încât în timpul prelucrării cu avans radial la micșorarea razei de contact turația platoului să se mărească, menținând viteza de așchiere între limite apropiate.

Fig. 4. Mecanismul mișcării principale la un strung vertical.

În figura 5 este prezentat un exemplu de lanț cinematic pentru antrenarea platoului 2, pornind de la grupul variator 1. Deoarece un asemenea variator (Ward-Leonard) nu poate acoperii un domeniu de reglare al turațiilor mai mare de 3 – 4 la putere constantă, respectiv 4 -5 la moment constant, lanțul este dotat cu un mecanism intermediar dublu. Când cuplajul 3 este cuplat mișcarea se transmite direct de la angrenajul Z1 – Z1’ la angrenajul Z5 – Z5’, respectiv Z6 – Z6’. Când cuplajul 3 este decuplat mișcarea se transmite prin intermediar cu două posibilități, prin angrenajul Z2 – Z2’ și Z3 – Z3’ și Z4 – Z4’.

Lanțurile cinematice ale mișcărilor de avans sunt construite în două variante:

când mișcările sunt preluate de la lanțul mișcării principale

de la motoare electrice independente

La prima soluție avansul poate fi raportat la o turație a platoului, condiție care este necesară la prelucrarea canalelor elicoidale sau spirale. La a doua soluție avansul se raportează la unitatea de timp (minut).

În figura 6. este dat un exemplu la care mișcările de avans sunt preluate de la lanțul mișcării principale. De la platoul 1 mișcarea este preluată de angrenajul Z1 – Z2 la arborele I și transmisă prin arborele II, inversorul cu roți conice 2, la cutia de avansuri 3. De aici mișcarea se ramifică pentru avansul radial și axial.

Fig. 5. Schema cinematica simplificată a unui strung vertical.

Avansul radial (orizontal) se transmite prin angrenajul Z8 – Z9 și șurubul VI la piulița 5 care este legată de căruciorul orizontal. Această mișcare poate fi executată și cu viteză mărită de la motorul 6 când roata baladoare Z9 angrenează cu Z10.

Pentru avansul axial mișcarea se transmite prin lira roților de schimb a, b, c, d, la arborele III, prin angrenajele Z5, Z6, Z7, Z8 și Z11, Z12 și șurubul V, care angrenează cu piulița 4. Mișcările de avans radial și axial se execută independent, dar pot fi și legate cinematic în vederea prelucrării suprafețelor conice. Raportul dintre avansul radial și axial se reglează cu lira roților de schimb (a, b, c, d). În mod asemănător se transmit mișcările de avans și la căruciorul lateral, respectiv sania portsculă a acestuia.

După gradul de mecanizare și automatizare a mișcărilor există și lanțurile cinematice respective. Structura lanțurilor cinematice a strungurilor de ultimă generație este cu mult simplificată datorită echipamentelor CNC, fiecare dintre componentele care execută diferitele deplasări având propriul motor electric, renunțând astfel la diferitele legături mecanice dintre mecanisme.

Operații caracteristice și reglarea lanțurilor cinematice

Strungurile verticale sunt destinate prelucrării suprafețelor plane, cilindrice exterioare și interioare, conice exterioare și interioare a canelurilor elicoidale (fileturi) și în spirală. În cazuri speciale în suportul de scule se poate monta un disc abraziv, antrenat de un motor electric independent, cu care să se rectifice suprafețele menționate anterior. Există și strunguri verticale care au unul sau două capete revolver montate pe montanți. Capul revolver este de asemenea indexat de către un motor electric independent. Pe strungurile mai performante este posibil a se monta una sau mai multe ieșiri pe capetele revolver, cu ajutorul cărora se pot executa de exemplu burghieri și frezări pe mașina de strunjit, ieșirile respective având la rândul lor propriile lor motoare electrice.

Când strungul este prevăzut cu dispozitiv de copiat se pot prelucra piese conice cu unghiul la vârf mare, precum și suprafețele profilate. La unele tipuri se poate înclina sania portsculă a căruciorului lateral în vederea prelucrării suprafețelor conice cu unghi de vârf mare. Prin înclinarea saniei portsculă a căruciorului de pe traversă se pot prelucra și suprafețe conice interioare sau exterioare cu unghi mai mic la vârf decât 60°, respectiv 90°. Înclinarea la unghiul dorit se poate realiza cu ajutorul mișcării IV din figura 2. Dezavantajul acestor metode de lucru constă în faptul că se pot prelucra numai piese cu generatoare mai scurte decât lungimea cursei saniei.

Atât reglarea, cât și cinematica strungurilor verticale cu conducere numerică a fost cu mult simplificată, tocmai datorită echipamentului CNC. Pentru a regla o mașină-unealtă de genul este suficient de a încărca programul CNC pe mașina respectivă, a introduce dimensiunile piesei, a sculei și a dispozitivelor ajutătoare (înălțători, distanțatori etc.) dacă este cazul, în computerul mașinii-unelte, cu ajutorul panoului de comandă.

Strunguri CNC

Mașini-unelte cu conducere numerică. Noțiuni generale.

Noțiunea de control numeric își are originile încă din anul 1720, când a fost inventat un mecanism care utiliza cartele perforate din hârtie pentru brodarea diferitelor țesături cu anumite modele. Necesitatea de a mări cu cât mai mult productivitatea cu costuri cât mai reduse, a determinat o evoluție firească a sistemelor de automatizare a proceselor tehnologice, începând cu cele rigide care erau folosite în producția de serie mare sau de masă, continuând cu cele flexibile la care, datorită faptului că programul de conducere numerică poate fi schimbat în condiții tehnico-economice avantajoase, oferă posibilitatea aplicării unui proces tehnologic complex în producția de serie mică sau unicat.

În funcție de tipul procesului tehnologic, problema automatizării complexe se soluționează diferit. Dacă procesul este de tip continuu (serie mare sau masă) se execută același reper pe baza unei tehnologii fixe, iar în cazul proceselor discontinue (serie mică sau unicat) reperele se schimbă la anumite intervale de timp. Succesiunea operațiilor și a locurilor de muncă este variabilă, astfel că fiecare utilaj execută prelucrarea unor suprafețe diferite.

Noua orientare în dezvoltarea industriei constructoare de mașini în ultimii 15-20 de ani se caracterizează prin înlocuirea mașinilor-unelte prevăzute cu sisteme de comandă și conducere rigidă utilizate la prelucrarea în serie mică sau mijlocie cu mașini-unelte echipate cu sisteme de automatizare elastice, cunoscute și sub denumirea de mașini-unelte cu conducere numerică (MUCN) sau după program.

Apărute în S.U.A. ca o cerință imperioasă, MUCN-urile pătrund din ce în ce mai mult ca o necesitate firească în cadrul proceselor tehnologice de serie mică și mijlocie.

Mai multe generații de mașini-unelte cu conducere numerică au fost dezvoltate de-a lungul timpului astfel:

Prima generație de mașini-unelte CNC a apărut din mașini-unelte convenționale, adaptate la comandă numerică prin:

– introducerea motoarelor electrice de curent continuu în lanțurile cinematice de avans, orin introducerea traductoarelor pentru măsurarea deplasărilor săniilor și prin introducerea șuruburilor cu piulițe, cu bile, ca și a tanchetelor cu role pe ghidaje.

– utilizarea componentelor electronice (diode, triode) cu germaniu în echipamentele de comandă numerică, prin utilizarea afișelor numerice cu tuburi electronice NIXIE și a comutatoarelor decadice pe panoul operator. Aceste mașini au aceleași batiuri, montanți, carcase, cutii de viteză ca și mașinile-unelte din care provin. Viteza mișcărilor de avans este mică (1…1,5 m/min), o singură sculă prelucrează o singură piesă, în consecință productivitatea prelucrării este redusă.

A doua generație de mașini-unelte CNC este construită din mașini-unelte special concepute pentru a fi echipate cu comandă numerică. Frecvent, asemenea mașini-unelte sunt dotate cu capete revolver. Batiurile, carcasele, montanții, cutiile de viteze, mesele, săniile le sunt proprii, având în general pereți mai groși decât la mașinile-unelte convenționale, pentru a permite regimuri de așchiere mai grele.

Sculele așchietoare sunt de obicei echipate cu plăcuțe din carburi metalice schimbabile. Motoarele electrice încep să pătrundă și ele în lanțul cinematic principal.

Echipamentele de conducere numerică utilizează circuite integrate pe scară redusă (SSI – Small Scale Integration) și pe scară medie (MSI – Medium Scale Integration). Afișajele electronice sunt realizate cu LED-uri (Light Emiting Diod). Vitezele săniilor în timpul deplasărilor rapide cresc la 5…6 m/min, astfel că și productivitatea prelucrării crește.

A treia generație de mașini-unelte CNC este construită din mașini-unelte cu largi posibilități tehnologice de prelucrare (centre de prelucrare), obținute prin introducerea magaziei de scule și a mecanismului de transfer scule. Echipamentele de comandă numerică utilizează circuite integrate pe scară largă (LSI – Large Scale Integration) și pe scară foarte largă (VLSI – Very Large Scale Integration).

În structura lor începe să pătrundă microprocesorul, primul fiind unul de opt biți. Uneori comanda numerică este dublată de comanda adaptivă (comanda intensității regimului de așchiere). Pe panoul operator al echipamentului de comandă numerică apare monitorul alb negru pe care se pot afișa fragmente din program (fraza actuală și câteva fraze următoare) precum și diverse alarme. Viteza deplasărilor rapide crește la 10…12 m/min, astfel că și productivitatea prelucrării este cu mult mărită.

A patra generație de mașini-unelte CNC este constituită din mașini-unelte echipate cu schimbătoare și stocatoare de palete și mese paletabile, care le transformă în celule flexibile de producție. Viteza deplasărilor rapide crește spre 50…60 m/min, viteza mișcărilor de avans fiind și ea superioară vitezelor mașinilor-unelte precedente, ceea ce duce iarăși la mărirea productivității. Microprocesoarele incorporate în echipamentele de comandă numerică sunt pe 16, 32 și chiar 64 de biți. Pe monitorul color se vizualizează mișcările relative dintre scule și piesă, simulând în acest fel procesul de așchiere. Adăugând la acestea vizualizărilor traiectoriilor descrise de vârful fiecărei scule, apare posibilitatea corectării eventualelor erori de programare înainte de începerea procesului de așchiere. Strungurile, uneori cu doi arbori principali coaxiali, ajung să aibă de la două până la opt axe comandate numeric, ceea ce face posibilă prelucrarea simultană a piesei la ambele capete. Capetele revolver au scule rotative care fac posibilă prelucrarea de găurire, frezare din diverse direcții unghiulare, canelare, danturare, tratament termic.

Avantaje și dezavantaje ale mașinilor-unelte CNC

Dintre avantajele introducerii mașinilor-unelte cu conducere numerică în cadrul sistemelor de producție, se pot enumera:

– micșorarea timpului auxiliar necesar reglării poziției dintre sculă și piesă, timpul de prelucrare efectiv crescând de la 20 – 40 % din fondul de timp la mașinile convenționale, până la 60 – 75 % din fondul de timp la mașinile unelte comandate numeric, avantaj pus în evidență în special la seriile mici de piese, prototipuri, unicate, care necesită schimbarea frecventă a reperului prelucrat;

– scade necesarul de SDV-uri, în special came, șabloane, a căror confecționare consumă timpi importanți la mașinile convenționale, ceea ce le recomandă pentru prelucrarea produselor cu rată mare de înnoire.

– la reluarea fabricației unui anumit reper după un anumit interval de timp scade timpul necesar reglării față de mașinile care utilizau came, șabloane, sau modele;

– crește precizia de prelucrare, care nu este dependentă de gradul de calificare sau oboseală a muncitorului ca în cazul mașinilor convenționale;

– crește gradul de securitate al muncitorului, care asistă la corecta desfășurare a procesului de prelucrare, intervenind foarte rar pentru măsurarea cotelor sau pentru eliminarea așchiilor din zona de lucru;

– scade timpul necesar proiectării și execuției părții mecanice a mașinilor-unelte prin eliminarea cutiilor de avansuri și uneori și a cutiilor de viteze

Apar însă și dezavantaje:

– costul destul de ridicat datorat atât echipamentului de comandă numerică, precum și a mașinilor-unelte propriu-zise, ceea ce a determinat într-o anumită perioadă orientarea sore mașinile-unelte grele și mijlocii, la care procentual, costul echipamentului de comandă numerică nu are pondere importantă față de costul mașinii-unelte convenționale;

– fiabilitatea încă necorespunzătoare a componentelor electronice, dar nu numai a acestora, ceea ce reclamă existența unui service corespunzător dotat atât cu piese de schimb, cât și cu specialiști;

– necesitatea specializării de cadre pentru programare, exploatare, întreținere în domeniul mecanic, electric, hidraulic, electronic;

– organizarea corespunzătoare a pregătirii fabricației astfel ca mașina să nu staționeze din lipsă de comenzi, semifabricate, sau scule.

Părțile componente ale strungurilor CNC

Strungurile CNC sunt compuse din două componente majore pe lângă care se află diverse echipamente auxiliare. Prima componentă este mașina-unealtă propriu-zisă. A doua componentă este controllerul pentru coordonarea mișcării sculei așchietoare. Pentru fiecare dintre cele două componente pot exista accesorii necesare sau operaționale. De exemplu, pentru controllere poate exista o consolă de introducere a datelor sau un calculator cu o conexiune permanentă pe care se realizează programele, o imprimantă sau un plotter pentru verificarea acurateții programului înaintea utilizării acestuia pe mașină.

Componenta mecanică

Strungurile CNC au o construcție specială. Prima cerință în proiectarea unei mașini-unelte este rigiditatea. Axele trebuie să fie foarte rigide sub sarcină pentru a nu influența precizia de prelucrare. Axele sunt acționate de obicei cu ajutorul unui mecanism de tip șurub-piuliță cu bile (Fig. 7). Bilele din oțel care circulă între axa fixă (șurub) și bacul mobil (piulița) asigură rigiditatea necesară și o frecare foarte mică a cuplajului. Bilele sunt alese sa se potrivească perfect (fără jocuri mecanice) cu dimensiunile filetului, care are la bază o formă rotunjită. O rotație completă a axului produce o mișcare a bacului cu distanța pasului filetului. În unele soluții constructive bacul este fix și axa este mobilă.

Fig. 6. Mecanism șurub-piuliță.

Strungurile CNC au un sistem automat de schimbare a sculei și sunt dotate cu turele port-scule (capete revolver) pe care pot fi montate zece până la douăzeci de scule diferite. Acestea pot fi folosite pentru operații de strunjit, filetat, găurit, etc.

Acționarea mașinilor-unelte

Pentru mișcarea de poziționare a axelor se folosesc trei tipuri de acționări:

electrice;

hidraulice;

pneumo-hidraulice.

Acționările electrice folosesc următoarele motoare electrice:

pas-cu-pas;

de curent continuu;

servomotoare de curent alternativ.

În orice mișcare de poziționare, controllerul trebuie să cunoască locația precisă a sculei tăietoare. Acest lucru se poate realiza prin comandă (sistem în buclă deschisă), sau reglare (sistem în bulă închisă).

Fig. 7. Motor electric pas cu pas.

Comanda și reglarea mașinilor-unelte CNC

Comanda se folosește în combinație cu motoarele electrice pas-cu-pas (fig. 8), la care pe stator există două, patru, sau cinci înfășurări (bobine) distincte. Rotorul este format din magneți permanenți. Alimentând cu curent bobina, rotorul se aliniază în direcția perpendiculară pe acea bobină, polul nord al magnetului fiind orientat către sud al electromagnetului. La un impuls provenit de la controller se comută curentul prin altă bobină a statorului, deplasând astfel deplasarea rotorului cu un pas. La unele motoare, o rotație completă a rotorului se realizează în 500 de pași, adică de impulsuri. Controllerul este capabil să genereze impulsuri cu frecvențe maxime de ordinul kiloherților. Deoarece fiecare impuls este contorizat, controllerul știe în permanență unde se află axa. Precizia unui motor pas-cu-pas și axa cu șurub poate atinge 0,01 mm precizia unui pas. Cu reglare (sistem în bucă închisă) se poate obține o precizie cu un ordin de mărime mai mare, de 0,001 mm. Sistemele de poziționare cu motoare pas-cu-pas se folosesc în mod special la construcția mașinilor CNC de mărime mică. Aceste sunt simple și mai ieftin de întreținut.

Reglarea se face în combinație cu servomotoarele de curent continuu (sau de curent alternativ) și un traductor de deplasare (sau de rotație). Traductoarele de rotație se numesc se numesc revolvere și sunt montate pe axul motorului sau la celălalt capăt al axei. Un resolver transformă poziția unghiulară într-un sistem electric, care este transmis la controller. Traductoarele de deplasare se montează paralel cu axa. Pe traductoare poate culisa un cursor care se fixează de sania mobilă a axei. Traductorul măsoară exact poziția sculei și elimină astfel erorile datorate jocului dintre șurub și sanie, dar și erorile datorate uzurii șurubului. Poziția cursorului este convertită într-un semnal electric și transmis la controller. Primind informații de la traductorul de poziție, controllerul poate corecta imediat eroarea de poziționare prin comenzi către servomotoare.

Prezentarea soluției propuse de strung vertical automat

Fig. 8. Vederi asupra exteriorul strungului

Soluția propusă are drept scop prelucrarea inelelor interioare și exterioare ale rulmenților, al căror diametru exterior să nu depășească dimensiuni mai mari de 500 mm, iar masa lor să nu depășească 50 kg. În figura 9 sunt prezentate trei vederi ale strungului: prima este din față, a doua din stânga, iar a treia este o vedere izometrică. Strungul este dotat cu un platou magnetic rotativ, două capete revolver pe care se pot monta în parte șase scule diferite, două magazii de stocare a câte șase scule de rezervă, mai multe mecanisme transportoare de tip conveior pentru alimentarea și evacuarea semifabricatelor și o structură robotică de tip portal pentru schimbarea automată a sculelor, respectiv pentru depozitarea sculelor de rezervă după ce au fost schimbate pastilele cuțitelor de strunjit.

Funcționarea și părțile componente ale soluției constructive

În figura 10 este prezentat interiorul mașinii de strunjit, respectiv părțile componente din zona de prelucrare.

Fig. 9. Părțile componente din zona de prelucrare a semifabricatelor.

Semifabricatul care urmează să fie prelucrat 1 este adus pe platoul rotativ cu prindere magnetică 2, cu ajutorul sistemului de alimentare/evacuare 3, care se află pe transportorul cu bandă 4. Platoul strungului are o construcție specială din care ies patru motoare hidraulice liniare, la capătul cărora se află câte o roată conducătoare (sau condusă) pe care se află o bandă transportoare. Funcționarea mecanismului de sistemului de alimentare/evacuare va fi prezentat detaliat ulterior. Semifabricatul care a fost prelucrat 5 este evacuat în mod identic cu un sistem de alimentare/evacuare 3, care este montat tot pe un transportor cu bandă 4’. Acesta este transportat către următoarea mașină-unealtă unde va fi prelucrat mai departe.

Pentru ca mașina unealtă să nu se oprească cât timp este schimbată pastila uzată a sculei 6, scula este înlocuită cu una a cărei pastile nu este uzată din magazia de scule 7. În magazia de scule se află șase scule identice cu cele șase scule montate pe capul revolver 9 din stânga. După ce scula este înlocuită, structură robotică de tip portal 8 va aduce scula uzată în fața ușii 10, prin care operatorul uman va avea posibilitatea să schimbe pastila uzată, iar prin apăsarea unui buton, robotul va primi confirmarea schimbării sculei și o va trimite în magazinul de scule. Acolo va sta până când va fi din nou folosită, respectiv până când se va uza și scula schimbată anterior. În același mod vor fi schimbate sculele montate pe capul revolver din dreapta, robotul translatând între capetele revolver și ușile mașinii de strunjit. Pentru schimbarea pastilei se va folosi o ușă identică 10’. Operatorul uman va fi înștiințat în legătură cu schimbarea sculelor prin intermediul lămpilor de semnalizare 11, dar va primi și o notificare pe calculator, tabletă, sau telefonul mobil, toate acestea fiind interconectate în rețea datorită industriei 4.0.

Pentru a evita o coliziune între robotul industrial pe care se află scula care urmează a fi schimbată și oricare alt obiect care trece prin fața mașinii de strunjit, robotul va aștepta confirmarea de a ieși prin ușa 10 sau 10’. Confirmarea ca acesta să iasă pe ușile respective se face prin simpla apăsare a unui buton, montat chiar lângă ușă. Dacă butoanele respective nu vor fi apăsate, robotul își va menține poziția. În cazul în care semifabricatul își termină ciclul, sau ciclul necesită scula a cărei pastilă nu a fost schimbată, procesul se va opri până când se va schimba scula care este în așteptare. După ce scula a fost schimbată, ciclul este reluat automat.

Fig. 10. Vedere de sus asupra părților componente din interiorul mașinii de strunjit

Sisteme de schimbare automată a sculelor

Studiul privind sistemele de prindere și schimbare a sculelor

Realizarea mașinilor-unelte cu comandă numerică a permis cu mult reducerea timpilor auxiliari, datorită măririi vitezei de poziționare, automatizării lanțurilor cinematice auxiliare, programării ciclului de lucru, reglării sculelor atât în afara, cât și în timpul ciclului, precum și schimbării automate a sculelor în funcție de diversele operații tehnologice.

În prezent, mașinile-unelte CNC asigură o precizie de prelucrare ridicată. Obținerea unor precizii dimensionale și de formă mari, a unor rugozități diminuate, în condiții de productivitate mărită, este condiționată atât de performanțele mașinii, cât și de cele ale sculelor așchietoare și ale dispozitivelor folosite pentru fixarea acestora.

Fig. 11. Sisteme de scule pentru mașini unelte CNC

Folosirea eficientă a mașinilor-unelte CNC este dependentă de alegerea sculelor așchietoare, deoarece:

– productivitatea este reflectată în funcție de calitatea sculelor, prin capacitatea acestora de așchiere;

– precizia de prelucrare depinde de precizia de poziționare și de rigiditatea sculelor folosite;

– efectuarea unui număr de operații diferite necesită scule adecvate.

Una din particularitățile mașinilor-unelte CNC, ca de exemplu: schimbarea automată a sculelor, compensarea uzurii sculei, utilizarea sculelor prereglate, etc., conduc la tratarea unitară a sculelor, portsculelor și mijloacelor de codificare. Aceasta a avut drept urmare crearea unui “sistem de scule” așchietoare și dispozitive de prindere a acestora pe mașinile-unelte CNC.

În figura 13 este prezentat un sistem de scule generalizat, care reflectă particularitățile sculelor așchietoare folosite pe mașinile-unelte CNC.

Fig. 12. Sistem de scule

Din aceste figuri se observă că, în afara caracteristicilor constructive și geometrice, pentru sculele cu schimbare automată, trebuie să se prevadă modul de codificare și reglare (axială sau radială) a acestora. În figura 14 este prezentat un sistem de scule folosit pe mașini-unelte cu comandă numerică.

Din analiza sistemului reiese că precizia și rigiditatea prinderii sculelor sunt dependente de numărul și tipul port-sculelor utilizate, de forma și de lungimea cozilor sculelor, iar durata și precizia pregătirii sunt în funcție de numărul și de tipul portsculelor, precum și de tipul aparatului de pregătit.

Fig. 13. Sistem de scule

Crearea unor sisteme de scule pentru mașinile-unelte CNC permite ca, folosind un număr minim de elemente schimbabile, să se deservească cât mai multe mașini. De exemplu, în cazul cuțitelor cu plăcuțe schimbabile (figura 15.1), acest lucru este posibil dacă sistemul de prindere al plăcuței (figura 15.2) este simplu, iar numărul de piese componente este mic. Sistemul de prindere al plăcuțelor este atât pentru plăcuțele standard, cât și pentru cele speciale, dacă sistemul se poate folosi la prelucrări interioare și exterioare, dacă este asigurată formarea, fragmentarea și eliminarea așchiilor.

Aceste cerințe au condus la normalizarea și standardizarea formei dimensiunilor locașului plăcuței, formei și dimensiunile sculelor și ale plăcuțelor dure.

La o mașină-unealtă CNC se efectuează o mare parte din operațiile de reglare necesare programării și pregătirii sculelor în timpul funcționării mașinii. În momentul începerii ciclului automat de lucru, muchia așchietoare a sculei ocupă o poziție bine determinată, stabilită în prealabil la întocmirea programului. Aceasta corespunde poziției muchiei sculei reglate manual, în cazul unei mașini-unelte convenționale.

Dacă informațiile referitoare la traiectoria pe care o va urma un punct al muchiei așchietoare sunt conținute în program, atunci poziționarea inițială a muchiei într-un timp cât mai scurt poate fi efectuată prin reglarea prealabilă și schimbarea automată a sculei.

Având în vedere operațiile de prereglare a sculei, de reglare a acesteia, de introducere în magazin, se constată că noțiunea de sculă propriu-zisă este improprie pentru înțelegerea din punct de vedere funcțional a acestor faze distincte și se va folosi noțiunea mai cuprinzătoare de “sistem se scule”.

Sistemul de scule reprezintă ansamblul format din următoarele elemente (figura 13):

sculă;

portsculă;

elemente de codificare.

Montarea sculelor

Sculele utilizate la strungurile CNC pot fi fixe, în cazul cuțitelor cu pastile schimbabile, sau cu scule rotative, în cazul prelucrărilor de găurire cu burghiul, sau operațiilor de frezare. Fixarea sculelor se poate face manual (figura 15) sau automat (figura 16).

Fixarea manuală a sculelor fixe poate să fie: cu portsculă cilindrică, cu portsculă prismatică sau direct în locașuri speciale din capul revolver. Problema principală reprezintă rezolvarea fixării elementelor sculei și posibilitatea automatizării.

Pentru prinderea sculei sunt folosite corpuri de fixare prismatice, cilindrice și conice. La schimbări automate sunt utilizate portscule conice după standardul ISO. Cel mai mult sunt utilizate sculele cu plăcuțe schimbabile, realizate din carburi metalice. Cele mai multe tipuri sunt plăcuțe acoperite cu strat de TiC, TiN, TiC+Al2O3 sau carbură metalică Ni-Mo fără W. La alegerea plăcuțelor trebuie luat în considerare că plăcuțele acoperite pot fi utilizate numai la un avans mai mare de 0.1 mm/rotație, datorită rotunjirii muchiei. Plăcuțele ceramice sunt utilizate unde mișcarea principală are putere mare. Materialul de bază a ceramicei este oxidul de aluminiu. Plăcuțele sunt presate fără lianți, de aceea rezistența mecanică este mai mică și rezistența termică mai mare decât a carburilor metalice.

Fig. 14. Fixarea manuală a sculelor în locașurile capului revolver

Fig. 15. Fixarea automată a sculelor, folosind o magazie de scule rotativă.

Fixarea manuală se poate face mecanic (figura 15), sau în unele cazuri se poate realiza și magnetic. Pentru strângerea magnetică sunt necesare ghidaje speciale care să conțină un electromagnet. Operatorul va aduce în acest caz scula în locașul capului revolver, iar prinderea magnetică se va face după apăsarea unui buton.

Schimbarea sculelor din figura 16 este realizată cu ajutorul magaziei de scule din stânga, care se rotește astfel încât să aducă în dreptul capului revolver un loc liber, în care va fi depozitată scula care urmează a fi schimbată. După ce scula respectivă a fost înmagazinată, magazia se rotește din nou, aducând în dreptul locașului liber din capul revolver de data aceasta, scula cea nouă. Se poate folosi în acest caz și o structură robotică care să aducă sculele în pozițiile dorite.

În vederea montării plăcuței schimbabile 6 din figura 17.1, aceasta este așezată pe placa de suport 2, care este executată tot din carburi metalice și prinsă de șurubul 3. Strângerea plăcuței 4 se efectuează cu ajutorul șurubului 1, prin intermediul bridei 5.

Fig. 16.1. Schema sistemului de fixare a plăcuței schimbabile.

Fig. 16.2. Cuțit de strung cu plăcuță schimbabilă Fig. 16.3. Plăcuță schimbabilă

Codificarea sculelor așchietoare

În cazul mașinilor-unelte cu comandă numerică dotate cu instalații pentru schimbarea automată a sculelor, identificarea acestora se poate face astfel:

prin codificarea sculei;

prin codificarea locașului portsculei din magazinul de scule.

În cele ce urmează, se vor prezenta aspecte legate de codificarea sculei. Pentru recunoașterea fiecărei scule, se impune o construcție adecvată a portsculei, astfel încât aceasta să cuprindă în componența sa și elementul de identificare; această soluție prezintă avantajul că sculele pot fi așezate în magazin de scule într-o ordine arbitrară. După poziția pe care îl ocupă elementul de identificare pe portsculă, se deosebesc trei construcții:

cu amplasare pe coada portsculei;

cu amplasare pe flanșa acesteia;

cu amplasare în regiunea de fixare a sculei.

a b c

Fig. 17. Amplasarea elementului de identificare pe portsculă

Elementul de identificare 2 din figura 18.a. este amplasat pe coada portsculei 1, sesizarea făcându-se de către blocul de citire 3. Asemenea soluții sunt folosite la centrele de prelucrare Sharmann, Oerlikon și Olivetti. În cazul variantei folosite de Sharmann, elementul de identificare este format din patru came sub forma de inele codificate, fixate prin tija ciupercă de conul portsculei.

Fig. 18. Cele patru inele ale elementului de identificare

Codul de pe cele patru inele este materializat prin frezarea unor suprafețe pe o parte sau alta a inelului, realizându-se în felul acesta 8 piste. Codificarea este făcută în sistemul binar-zecimal; primele patru piste sunt codificate pentru numerele 1, 2, 4 și 8, iar celelalte patru piste pentru numerele 10, 20, 40, 80, în felul acesta putând fi codificate 99 de scule. Pentru cele patru inele ale elementului de identificare din figura 19, rezultă codul 01101010, ceea ce corespunde sculei cu numărul 58. Operația de codificare se face într-un dispozitiv special, orientarea inelelor de codificare făcându-se cu ajutorul unei pene care intră în canalul fiecăruia dintre inele, canale ce servesc și la orientarea sculei montate în locașul ei din magazinul de scule.

În figura 18.b., este prezentată varianta cu elementul de identificare amplasat pe flanșa portsculei. Elementul de identificare 2, montat pe flanșa portsculei 1, este citit de elementul de sesizare 3. Această soluție are avantajul că nu mărește gabaritul portsculei.

Amplasarea elementului de identificare în regiunea de fixare a sculelor, este prezentată în Fig. 18.c. În figură s-a notat: 1 – portsculă; 2 – element de identificare; 3 –element de reducere; 4 –element de sesizare. La aceste construcții, elementul de identificare este format fie din inele cu două diametre diferite, fie din combinații de magneți permanenți. O astfel de soluție este reprezentată în Fig. 7.10.4., la care elementul de codificare este format din zece inele cu două diametre diferite, corespunzătoare unei codificări binare. O serie de 5 inele definesc 31 de grupe (burghie, alezoare, freze, etc.), iar celelalte 5 inele definesc 31 de caracteristici diferite ale acestora, în acest mod putând fi codificate 961 de scule distincte.

Prereglarea sculelor

Datorită diversității sculelor, cât și datorită numărului lor în continuă creștere, activitatea de prereglare are implicații multiple, atât organizatorice, cât și strict tehnice. Ea se face într-un atelier de sine stătător, specializat și dotat corespunzător, cu incinta climatizată, în condiții de curățenie totală. Aparatele din dotare pot avea construcții diverse, funcție de tipul de scule prereglate și de nivelul tehnic atins. Astfel, pe lângă dispozitivele din prima generație, cu măsurare cu rigle sau ceasuri comparatoare, se întâlnesc din ce în ce mai frecvent aparate cu citire optică sau electronică. Pentru toate aparatele de prereglare se impun următoarele condiții:

sistemul de prindere să fie identic cu cel de pe mașinile-unelte CNC;

precizia suprafețelor de bazare pentru fixarea sistemului de scule trebuie să fie cu o clasă de precizie mai mare în raport cu suprafețele de bazare corespunzătoare de pe mașinile-unelte CNC;

construcția sistemelor de ghidare, poziționare, a ansamblurilor în mișcare, să fie corespunzătoare incrementului de măsurare;

forțele de strângere a sculei să fie constante;

fiabilitate ridicată;

timp de prereglare minim.

După prereglare, sculele, însoțite de fișele de prereglare, sunt transportate în cărucioare speciale la mașinile-unelte CNC. Pe o suprafață nefuncțională și cât mai vizibilă, sculele sunt codificate, codul respectiv trecându-se în fișă și regăsindu-se în tabelul corespunzător cu corecții de sculă, atașat programului CNC. Sunt situații, mai ales la liniile flexibile sau secții complet automatizate, când se face prereglarea pentru seturi complete de scule, dispuse direct în magazinele de scule, la mașinile-unelte CNC schimbându-se direct magazinul, împreună cu setul de scule.

Introducerea unei structuri robotice pentru schimbarea automată a sculelor

Rentabilitatea unei mașini-unelte CNC depinde, în cea mai mare măsură, de minimizarea, sau chiar eliminarea totală a timpilor neproductivi. În acest context, alegerea sculelor așchietoare și a sistemelor de schimbare automată a sculelor pot duce la importante economii. Alegerea soluției trebuie să conducă la alcătuirea unui set limitat de scule, care să fie folosite indiferent de forma suprafețelor și natura materialului de prelucrat, cu condiția ca această restrângere să nu afecteze condițiile de așchiere. Ca acest lucru să fie posibil, se va folosi pentru varianta constructivă aleasă o structură robotică de tip portal și a unor magazii de scule, care va permite schimbarea sculelor fără ca procesul tehnologic să fie întrerupt.

Integrarea robotului are și un alt avantaj foarte important, și anume, acela că se va putea face reglajul mașinii, respectiv schimbarea sculelor, dacă acest lucru este necesar, și atunci când mașina încă prelucrează semifabricatul din reperul anterior. Scula cea nouă va putea fi înlocuită cu una deja folosită din magazia de scule, care nu mai este necesară la reperul următor.

Studiu privind construcția roboților industriali.

Caracteristici tehnice generale

Roboții industriali sunt sisteme generale electro-pneumo-hidro-mecanice, dotate cu mai multe grade de libertate care sunt capabile să execute, autonom și automat, operații de manipulare sub controlul unui sistem de comandă, care este echipat cu o memorie programabilă.

Principalele caracteristici ale roboților industriali sunt:

– realizarea operaților de manipulare, deplasare și transportare, care necesită viteză și exactitate, dar și forțe limitate;

– dotarea lor cu mai multe grade de libertate (între 2 și 6), astfel încât să poată executa operații complexe, astfel încât fiecare mișcare să fie controlată de unitatea de conducere;

– autonomia; trebuie să funcționeze fără intervenția sistematică a operatorului uman;

– dotarea cu o memorie reprogramabilă, capabilă să conducă o aparatură pentru executarea unor operații care să poată fie schimbată prin modificarea programului inițial;

– dotarea cu o capacitate logică, în general redusă, cu ajutorul căreia pot fi executate încercări și pot alege între două alternative, precum și a schimba semnale de aprobare cu alte aparaturi.

Caracteristici tehnice ale roboților industriali sunt: dimensiunile, valorile deplasărilor realizabile, precizia, rentabilitatea, numărul de grade de libertate, timpul de acționare, masa robotului, volumul spațiului de lucru, posibilitatea de a dispune de mai multe brațe de lucru, etc.

Pe baza analizei parametrilor constructivi și a domeniului de utilizare a roboților industriali, s-au stabilit pentru aceștia următoarele caracteristici:

Capacitatea de ridicare

Reprezintă mărimea masei maxime pe care o poate apuca și menține în orice poziție mâna robotului industrial. În prezent se fabrică manipulatoare și roboți industriali care au capacități de ridicare, de exemplu, dispuse în serie geometrică cu φ=2, cuprinse în gramele: 0,004 – 0,064; 1,25 – 160; 250 – 1000 kg, sau chiar mai mult. Metodele cele mai uzuale au capacitatea de ridicare cuprinsă între 10 și 160 kg.

Numărul gradelor de libertate

Este numărul posibilităților de mișcare a prehensorului robotului fără a lua în considerare deplasarea bacurilor prehensorului pentru strângere și desfacere. Numărul gradelor de libertate se stabilește constructiv și trebuie să fie minimul necesar pentru a corespunde destinației robotului.

Zona de lucru

Este spațiul în care se găsesc mecanismele de execuție ale robotului în timpul deplasării. Aceasta este caracterizată de:

– volumul de lucru, adică volumul maxim care poate fi luat de prehensor în timpul funcționării;

– volumul de lucru util care reprezintă volumul corespunzător spațiului în care prehensorul realizează un lucru mecanic util în concordanță cu programul robotului. Acest volum se schimbă în funcție de forma și masa piesei, precum și de poziția în care acesta trebuie deplasat către robot;

– raza maximă de deservire, reprezentând distanța cea mai mare de la axa de simetrie a corpului robotului până la axa prehensorului în poziția în care este încă posibilă apucarea și menținerea piesei de masa maximă.

Gradul de mobilitate

Se determină ca fiind capacitatea robotului de a executa deplasări locale, regionale, sau globale. Deplasarea locală este considerată mișcarea prehensorului pentru aducerea piesei manipulate în poziția necesară. Deplasarea regională a prehensorului se realizează la limitele poziției de lucru ale robotului și este determinată de raza maximă de deservire. Deplasarea globală se realizează pe distanțe care depășesc raza maximă de deservire, în cazul când este necesară de exemplu deplasarea robotului de la o mașină-unealtă la alta.

În funcție de gradul de mobilitate, roboții industriali se împart în două grupe:

– roboți staționaro, care realizează deplasări locale și regionale ale mâinii;

– roboți mobili, care execută toate cele trei deplasări.

Schema cinematică structurală

Schema cinematică structurală determină posibilitățile cinematice și funcționale ale roboților industriali.

Analiza schemei cinematice structurale se face în funcție de sistemul de coordonate (cartezian, cilindric, sferic) în care se deplasează prehensorul robotului. Alegerea schemei cinematice structurale este determinată de particularitățile constructive și tehnologice ale mașinii sau utilajului care este deservit de robotul industrial, precum și forma și dimensiunile piesei manipulate.

Numărul gradelor de libertate ale unui robot determină o mare varietate de variante posibile de scheme cinematice structurale, ceea ce îngreunează alegerea schemei cinematice structurale optime. Nu toate variantele teoretice posibile sunt analoage din punct de vedere constructiv, iar unele nu prezintă interes.

Fig. 19. Moduri de mișcare de translație și de rotație

Pentru stabilirea tuturor variantelor cinematice structurale posibile este necesar să se ia în calcul modul de realizare a mișcărilor de translație și de rotație (figura 20). Mișcarea de translație se poate face cu brațul drept, sa dacă acesta este îndoit, iar mișcarea de rotație se poate face având axa de rotație coaxială, dacă direcțiile acestor mișcări coincid cu axele sistemului cartezian de referință (condiție care duce la realizarea zonei de lucru maxime), atunci fiecare mișcare următoare (sau precedentă) în raport cu precedenta (sau următoarea) poate fi paralelă, perpendiculară, sau încrucișată.

Pentru ușurința analizei alegerii corecte a cinematicii, roboții se pot împărții în trei grupe cinematice care se deosebesc între ele după rolul funcțional, cinematica batiului, cinematica, brațului și cinematica articulațiilor.

Cinematica batiului

Gradele de libertate ale mișcărilor care asigură deplasarea robotului, adică deplasarea batiului său, caracterizează cinematica batiului. Având în vedere destinația funcțională, cât și exemplele de construcții ale roboților deja existenți, se consideră că este suficient dacă batiul are un singur grad de libertate caracteristic zonei de lucru sau sistemului de deplasare (de exemplu, pentru deplasarea robotului de la o mașină-unealtă la alta).

Cinematica batiului

Gradele de libertate ale mișcărilor care asigură deplasarea spațială a prehensorului pentru un batiu nedeplasabil, caracterizează cinematica brațului robotului. Schema cinematica structurala care realizează trei deplasări rectilinii alternative (figura 21a) asigură deplasarea brațului 1 cu prehensorul mecanic 2 intr-un sistem de coordonate carteziene (figura 21). Avantajul acestei scheme cinematice structurale constă în aceea că în timpul deplasării piesa manipulata își păstrează orientarea. Schema cinematica structurala care realizează două mișcări rectilinii alternative și una de rotație (figura 21c) asigură deplasarea piesei în coordonatele cilindrice (figura 21d). Pentru o schemă cinematică structurală a brațului cu doua mișcări de rotație și una de translație (figura 21e), robotul deplasează piesa în coordonate sferice (figura 21f).

Fig. 20. Deplasările roboților industriali

Cinematica articulației

Se definește ca fiind caracterizată de gradele de libertate ale mișcărilor care asigură orientarea pieselor transportate, deplasarea piesei din articulație având un caracter local.

Alegerea cinematicii articulației depinde în mare măsură de cinematica brațului, adică de caracterul deplasărilor piesei din poziția finala. Deplasarea piesei prin intermediul unei rotiri, de regula, duce la modificarea orientării ei unghiulare. Astfel numărul de grade de libertate de rotație ale brațului reprezintă tot atâtea posibilități de orientare unghiulara la deplasarea spațială a acesteia. Pentru menținerea neschimbata a poziției unghiulare in timpul deplasării ei este necesar ca și articulația să aibă același număr de grade de libertate de rotație în raport cu axa de coordonate ca și brațul.

Se pot distinge câteva subansambluri caracteristice folosite în prezent, ele sunt prezentate in figura 1.6 si reprezintă: a – braț mobil; b – braț dublu articulat; c – braț triplu articulat; d – mecanism de rotire; e – mecanism de ridicare; f – cărucior; g – monorai; h – masă; i – prehensor mecanic. Variantele constructive se deosebesc prin construcția brațului, numărul prehensoarelor, mărimile curselor de deplasare, prezența sau absența unora din subansamblurile mai sus menționate.

Fig. 21. Subansambluri folosite în construcția roboților.

Proiectarea structurii robotice pentru soluția constructivă aleasă

Schema cinematică

q1 ∈ [0,1070] mm;

q2 ∈ [0,1710] mm;

q3 ∈ [0,150] mm;

q4 ∈ [0,180]°;

l = 700 mm.

Denavit-Hartenberg

Structura robotică aleasă va fi una de tip portal, care va avea trei cuple de translație (C1, C2, C3) și una de rotație (C4). Prima cuplă (C1) va translata transversal pe o distanță de 1070 mm, apropiind astfel prehensorul cu scula care urmează a fi schimbată. Cupla (C2) va translata longitudinal pe o distanță de 1710 mm, asigurând deplasarea prehensorului în partea opusă a strungului, respectiv în zona în care se află celalalt cap revolver a cărei sculă trebuie schimbată. Cupla a treia (C3) va translata în sus și în jos pe o distanță de 150 mm, făcând posibilă astfel scoaterea și introducerea sculei din locașul capului revolver. A patra cuplă de rotație (C4) se va roti în jurul axei sale cu 180°, aducând astfel o nouă sculă, care a fost luată din magazia de scule, în locașul capului revolver.

Materializarea cuplelor în structuri de tip sisteme de acționare/organe de mașini

Toate elementele cuplelor au fost alese din catalogul Medias Professional al companiei Schaeffler.

Cupla de translație C1:

Fig. 22. Ghidaj liniar în tandem

Au fost alese două ghidaje liniare în tandem (MDKUE25-3ZR), a căror cărucioare au câte două rânduri de bile, ținând cont că această cuplă trebuie să suporte greutatea tuturor elementelor structurii robotice. Aceste două ghidaje pot suporta împreună o masă de până la 60 kg.

Cupla de translație C2:

Fig. 23. Ghidaj liniar care are o cutie de viteze planetară integrală și cărucior cu șase rânduri de bile

Pentru cupla de translație longitudinală a fost ales un ghidaj liniar care are o cutie de viteze planetară integrală și cărucior cu șase rânduri de bile (MKUSE25-ZR-GTRI/4). Masa maximă care poate fi transportată este de 19,9 kg.

Cupla de translație C3:

Fig. 24. Ghidaj liniar cu două rânduri de bile care are un mecanism șurub piuliță

A fost ales un ghidaj liniar cu două rânduri de bile, care are un mecanism șurub piuliță (MKUE-25-KGT05). Acesta suportă o masă de 13,4 kg.

Cupla de rotație C4:

Pe cupla de translație C3 este montat un servomotor prin intermediul căruia se transmite direct mișcarea de rotație către elementele executoare ale robotului. Mișcarea este transmisă prin pana de pe axul motorului.

Proiectarea unei cuple cinematice din punct de vedere organe de mașini și preproiectarea sistemului de comandă și acționare și alegerea pe baza datelor obținute a motoarelor.

Se va proiecta cupla de rotație C4. Toate elementele care sunt rotite se află direct pe axa motorului electric. Se va alege deci un motor electric în funcție de cuplul (M) pe care acesta trebuie să îl depășească învârtind masa maximă a sculei (3,5 kg), masa prehensorului (2 kg) și masa suportului pe care

l = 480 mm = 0.48 m;

G1 = G2 = Gmax;

Gmax = (mmaxsculă + mprehensor + mplacă) * g;

Gmax = (3,5 + 2 + 1,5) * 9,81 = 68,67 N;

M = Gmax * l/2 = 68,67 * 0,24 = 16,48 Nm;

tdepl = 11 sec;

ω = 180° = π;

ω’ = π / 11 = 0,28 rad/sec;

P = M * ω’ = 4,7 W.

Cuplul care trebuie depășit este 16,48 Nm. Luând în calcul acest cuplu, se va alege un Servomotor EMMS-AS-140-LK-HV-RMB-S1 (cod 1574710) din catalogul Festo, având următoarele caracteristici de bază:

Fig. 25. Vedere de ansamblu asupra motorului ales.

Preproiectarea și alegerea sistemului de prehensiune

În programul de selecție a prehensoarelor au fost introduse următoarele date:

A fost ales deci în urma rezultatelor obținute prehensorul HGPD-50-A (cod produs 1132951) din catalogul Festo.

Fig. 26. Vedere de ansamblu a prehensorului fără bacuri.

Fig. 27. Vedere în secțiune a părților componente, în care:

1 – capac;

2 – falcă de prindere;

3 – piston;

4 – carcasă.

Fig. 28. Exemplu de bacuri care pot fi montate pe prehensorul ales.

Fig. 29. Ansamblul alcătuit din toate cuplele de translație alese.

Schema logică a sistemului de comandă și control

Automatizarea manipulării pieselor

Studiul privind sistemele de alimentare/evacuare automată a pieselor

Manipularea materialelor este foarte importantă, uneori determinată pentru automatizare. Costurile manipulării materialelor reprezintă o cotă mare din costul total de producție, fiind de până la trei ori mai mare decât costul de fabricație. Aceasta depinde foarte mult de tipul și volumul producției, dar și de gradul de automatizare a manipulării. Dintre funcțiile de stocare/depozitare și distribuție, manipularea consumă cea mai mare parte din costul total.

Câteva tipuri de sisteme de manipulare sunt: transfer liniar pentru linii automate în flux, conveioare, transfer paletizat, roboți industriali pentru manipularea materialelor, toate acesta fiind subsisteme integrate în sistemele de producție.

Funcțiunile manipulării materialelor

Scopul manipulării materialelor într-o fabrică este acela de a deplasa materia primă, a semifabricatului, sau a produsului finit, dintr-o parte în alta pentru a facilita procesul de fabricație. Manipularea materialelor trebuie să fie cât mai simplă, la un cost cât mai redus, punctuală, precisă și fără a avaria materialele. Funcția de manipulare a materialelor se folosește în depozitarea/stocarea materialelor și recepția materiei prime în procesele de fabricație.

Tipuri de echipamente pentru manipularea materialelor

Există o mare diversitate de echipamente care au rolul de manipulare a materialelor, principalele fiind:

Căruciorul manual, care este o platformă pe roți acționată manual;

Căruciorul auto (autocar, autotransportor), care este un vehicul pe roți cu autotracțiune, prevăzut cu o platformă pentru mecanizarea deplasării oricărei forme de materie primă și eventual cu o unitate de încărcare/descărcare, ordonată sau în vrac. Acționarea este cu motor propriu și este condus de către om., cu un grad relativ de autonomie prin acumulatori, sau motoare cu ardere internă.

Macarale, poduri rulante, ascensoare și transportoare monoșină. Acestea operează mecanizat la comandă manuală și sunt destinate atât manipulării pe verticală, cât și pe orizontală a obiectelor mari și grele.

Conveioarele sunt destinate mecanizării/automatizării transportului pe orizontală sau pe direcție înclinată față de orizontală cu un unghi de 5-25°, atât a surselor vărsate, cât și a sarcinilor în bucăți. Pot fi gravitaționale, de tip bandă, lanț, sau cu role de antrenare.

Sistemele de vehicule ghidate automat (AVG, AVGS – Automated Guided Vehicle Systems) sunt sisteme formate din vehicule care au o construcție specială, autonomie prin acumulatori sau alimentate prin condor electric, conduse automat pe traiectorii materializate prin șine metalice sau prin conductoare electromagnetice, cu încărcare/descărcare manuală sau automată, care permite integrarea subsistemului de manipulare a materialului într-un sistem complet automat de producție.

Alte echipamente de manipulare: manipulatoare și roboți industriali, mese rotative indexabile, transportoare pas cu pas pentru liniile automate de transfer, elevatoare, jgheaburi de transport, containere, țevi/cutii, cupe, palete, cărucioare suspendate, trenuri pe șine, autocamioane, tractoare, șa.

Echipamentele de manipulare a materialelor intră ca și componente de compozare într-un sistem de fabricație. Aceste subsisteme trebuie să aibă o configurare particulară fiecărei aplicații practice. De aceea proiectarea unui sistem de manipulare depinde de diversitatea tipologică a sarcinii de producție, tipul obiectelor manipulate, cantitatea pieselor manipulate, distanțele de deplasare și de tipul sistemului de fabricație deservit.

Proiectarea sistemului de manipulare a semifabricatului

Pentru a elimina timpii auxiliari de manipulare a pieselor de tip inele de rulmenți, se va folosi un echipament de tip conveior, pe care se vor afla sisteme de alimentare/evacuare a pieselor din mașina de strunjit, care au o construcție specială. Masa rotativă cu prindere magnetică a mașinii de strunjit va fi diferită față de una existentă (figura 31.a) numai prin frezările canalelor în care se introducere mecanismul de tip conveior, care permite alimentarea, respectiv evacuarea strungului cu piese. În aceste canale se vor afla și patru alezaje care să permită aducerea a patru motoare hidraulice liniare, acestea având funcția de a ridica, respectiv coborî inelele atunci când acestea se află în zona de lucru. Motoarele hidraulice liniare se vor ridica mereu după ce se va demagnetiza platoul magnetic, primind o comandă de la calculatorul strungului.

Fig. 30.a. Platoul magnetic existent Fig. 30.b. Platoul magnetic modificat

Pe capetele motoarelor liniare hidraulice se va monta câte o roată de curea dințată, care este la rândul ei montată pe un suport. Suportul are o construcție specială care permite trecerea benzii și are un locaș special în care se montează un distanțator. Distanțatorul are rolul de a mări rigiditatea mecanismului, fiind legat între doi suporți ai roților conducătoare, care sunt paraleli unul față de celălalt. Ansamblul elementelor care sunt montate în platoul magnetic este prezentat în figura 32.

Fig. 31. Ansamblul elementelor montate în platoul magnetic.

După ce semifabricatul de tip inel a fost ridicat de pe platoul magnetic, intervin sistemele de alimentare/evacuare. Acestea au rolul de a scoate din zona de lucru inelul deja prelucrat și de a aduce un alt semifabricat în centrul platoului magnetic. Cele două sisteme de alimentare/evacuare sunt identice. Ele se vor cupla cu roțile conducătoare de pe capetele motoarelor hidraulice liniare folosind un electromagnet. Mecanismul sistemului de alimentare/evacuare este prezentat în figura următoare.

Fig. 32. Structura sistemului de alimentare/evacuare

Mișcarea este transmisă de la motorul electric printr-un angrenaj cu raport de transmitere ic = 1 către arborele din mijlocul sistemului, care transmite mai departe mișcarea către doi arbori identici din stânga și dreapta lui cu ajutorul a două curele dințate identice. De la cei doi arbori se transmite mișcarea de rotație cu aceeași viteză unghiulară tot prin două curele dințate mai scurte, către alți doi arbori mai scurți pe care sunt montate cuplele electromagnetice. Mișcarea este transmisă mai departe prin cuplajele electromagnetice către roțile de curea care fac parte din ansamblul elementelor montate în platoul magnetic.

Schimbarea sensului de rotație, respectiv a sensului de deplasare a pieselor de pe sistemul de alimentare/evacuare, se face direct din motorul electric. Viteza unghiulară se reglează direct din motorul electric, acesta având un variator continuu de turație integrat.

În figura de mai jos sunt prezentate toate elementele aflate în poziția în care are loc transferul piesei de pe sistemul de alimentare către centrul platoului magnetic, respectiv transferul piesei prelucrate către sistemul de evacuare. Sistemele de alimentare/evacuare sunt apropiate de platoul magnetic pe câte o bandă transportoare, care se oprește în momentul în care electromagneții au intrat în contact cu roțile conducătoare de pe capătul motoarelor hidraulice liniare și își schimbă sensul de deplasare după ce electromagneții au fost dezactivați, asigurând astfel îndepărtarea sistemelor de alimentare/evacuare din zona de lucru.

Fig. 33. Toate elementele aflate în poziția în care are loc transferul pieselor

Calculul motoarelor hidraulice liniare

Schema hidraulică a instalației este prezentată în figura 35. Instalația va fi alimentată de către o pompă unisens cu debitul reglabil. Avansul și retragerea pistonului se va regla cu ajutorul unui distribuitor 3/3 acționat cu solenoid în ambele părți, a cărei poziție inițială este cea centrală de recirculare P-T, menținută de două arcuri. Sertarul din dreapta comandă avansul pistonului, iar cel din stânga retragerea lui. A fost introdus în instalație și un regulator de debit cu două căi, care permite trecerea liberă a lichidului când pistonul execută mișcarea de avans, dar și reglarea vitezei la retragerea pistonului.

Fig. 34. Schema hidraulică a unui motor hidraulic liniar

Mai departe se va calcula doar un motor hidraulic liniar ținând cont de masa pe care acesta trebuie să o ridice:

Calculul presiunii minime necesare

Forța minimă necesară pentru deplasarea pistonului

Forța care acționează asupra motorului hidraulic liniar

Diametrul minim al tijei

Tija va avea diametrul de 20 mm.

Debitul de alimentare

Calculul arborilor sistemelor de alimentare/evacuare

Alegerea materialului

Arborii sunt organe de mașini destinate transmiterii momentelor de torsiune și preluării momentelor de încovoiere. Alegerea materialului trebuie să corespundă cerințelor de solicitare și funcționale, dar și celor tehnologice.

Pentru arborii sistemelor de alimentare/evacuare a fost ales oțelul aliat pentru construcții de mașini 13CN35, STAS 791.

Principalele caracteristici ale materialului ales sunt indicate în anexa 1 de la sfârșitul lucrării.

Diametrul minim al arborelui

Se va alege tot un servomotor EMMS-AS-140-LK-HV-RMB-S1 (cod 1574710), același motor folosit și la cupla de rotație a manipulatorului de scule.

Momentul de torsiune transmis prin angrenajul cu raport 1/1 este:

Cel mai mic diametru al arborelui este adaptat la d = 10 mm.

Calculul forțelor din arbore

Forțele care acționează asupra capetelor arborelui (F1, F2)

Forțe în angrenajul cilindric (3)

Forța periferică transmisă prin curea (4, 5)

Calculul momentelor încovoietoare din arbore

Planul H

Planul V

Momentul încovoietor rezultant în dreptul secțiunii 3

Momentul de torsiune al arborelui

Determinarea reacțiunilor din reazăme (A, B) în planul H:

Determinarea reacțiunilor din reazăme (A, B) în planul V:

Schema de calcul a arborelui

Calculul transmisiei prin curea dințată

Curelele dințate asigură transmiterea fără alunecare, dinții curelei angrenând cu roata de curea. Datorită acestui avantaj, aceste transmisii se folosesc în mai multe domenii, cum ar fi: construcția de autovehicule, construcția mașinilor-unelte, construcția mașinilor textile, mașini de scris, birotică, proiectoare, computere etc.

Modul montării curelei este prezentat în figura 37. Arborele principal care preia mișcarea de la servomotor este cel din mijloc. Pe arbore este montată o roată de curea, a cărei diametru este 38 mm. Pasul acesteia este de 1 mm, deci aceasta are 38 de dinți. Roțile paralele cu cea din mijloc sunt identice, acestea preluând mișcarea de rotație atât de la roata din mijloc, cât și prin alte curele montate în interiorul sistemului de alimentare/evacuare. Raportul de transmitere fiind ir = 1, turația, momentul de torsiune și puterea nominală se păstrează

Fig. 35. Transmisia prin curea dințată

Turația roții conducătoare

Momentul de torsiune

Lungimea preliminară a curelei

Distanța reală dintre axe

Viteza curelei

Lățimea curelei

Numărul de dinți: z = 24 (Anexa 4)

Verificarea rulmenților

Toți rulmenții din sistemul de alimentare evacuare vor fi identici (6201). Aceștia vor fi rulmenți radiali cu bile pe un rând, deoarece încărcarea nu este una mare. Reacțiunile în reazăme au fost calculate anterior, având următoarele valori:

RH = 6291,55 Nmm;

RV = 44818,6 Nmm.

Durabilitatea asigurată de rulment

Durabilitatea rulmentului

Durata de funcționare asigurată

Senzori utilizați. Introducerea unui sistem de diagnoză online.

Senzori

Automatizarea este un concept complex și implică, în mod necesar, utilizarea calculatorului ca o componentă importantă pentru procesarea informației. În cazul sistemelor automate conducerea, comanda și controlul proceselor se efectuează fără intervenția directă a factorului uman, operațiile de măsurare și informare fiind efectuate de către senzori.

Cum omul a încercat să-și lărgească controlul mediului, în cercetările sale s-a lovit de limitările celor cinci senzori umani. A apărut deci necesitatea creării unor dispozitive care ar putea fi o extensie a simțurilor umane, deci crearea senzorilor.

Senzorii realizează în majoritatea cazurilor transformarea energiei fizice de intrare în semnale electrice de ieșire, care pot fi măsurate, afișate sau înregistrate. Acești senzori sunt cunoscuți ca transformatori de energie. Deoarece are loc un proces de transformare a energiei, senzorii au căpătat și denumirea de traductoare.

În figura de mai jos este prezentată structura unui sistem senzorial. Senzorul conține în aceeași carcasă traductorul, elementul sensibil al senzorului, adaptorul de condiționare a informației și componentele microelectronice de procesare a informației.

Fig. 35. Structura unui sistem senzorial [EEMU 1]

Senzori folosiți în structura robotică de tip portal

Dat fiind faptul că structura este alcătuită din ghidaje liniare, se vor folosi pentru monitorizarea deplasărilor liniare senzori de poziție potențiometrici. Un potențiometru convertește o mărime mecanică de intrare (deplasarea) într-o mărime electrică de ieșire (rezistența variabilă), care funcționează pe baza principiului divizorului rezistiv.

În mod frecvent se utilizează elemente rezistive cu variație cvasicontinuă, realizate prin bobinarea cu pas constant a unui fir conductor cu rezistivitate mare, pe un suport din material izolator și rezistent la temperaturi ridicate.

Fig. 36. Schema senzorului de poziție potențiometric liniar [13.EEMU]

Pentru realizarea acestor rezistoare variabile este necesar utilizarea unui conductor dintr-un material cu un coeficient de variație a rezistivității cu temperatura foarte mic: manganină, constantan, pentru cursor: lamele sau perii din aliaj argint – grafit, iar pentru carcasă materiale ceramice cu coeficient de izolație termică foarte ridicat.

Fig. 37. Schema senzorului de poziție/deplasare unghiulară [13.EEMU]

Servomotorul ales pentru cupla de rotație a structurii robotice este dotat cu un senzor de poziție/deplasare unghiulară a cărui schemă este prezentată în figura 37.

Discul din schemă este transparent din material plastic sau sticlă, cu linii opace aplicate, sau din metal cu fante decupate. Pentru acest tip de senzori este necesară cunoașterea numărului total de linii/fante de pe disc, pentru a putea fi determinat numărul de rotații complete ale axului. O alternativă la această metodă este utilizarea unei perechi LED – fotodiodă și a unui canal separat unic pe disc cu ajutorul căruia poate fi detectată fiecare rotație completă.

Prehensorul ar putea fi dotat și el cu mai multe variante de senzori, dar am ales ca acesta să fie acționat în cazul în care acesta a ajuns la coordonatele necesare. Senzorii care pot fi utilizați sunt prezentați în figura următoare.

Atât senzorul incremental cât și potențiometrul pentru măsurarea poziției intră în categoria senzorilor interni și servesc la determinarea poziției bacurilor de prindere și a distanței dintre bacuri precum și la măsurarea și controlul vitezei de închidere și deschidere a bacurilor. Pentru realizarea unei prinderi programate este utilizat senzorul pentru măsurarea forței de prindere. Senzorul forță / moment determină componentele torsorului de interacțiune robot – mediu.

Pentru a investiga zonele din apropierea prehensorului, precum și a zonelor mai importante sunt utilizați senzori externi (exteroceptori de proximitate). În această categorie intră și senzorii ultrasonici care în acest caz sunt constituiți dintr-o sursă cu ultrasunete și opt receptori dispuși în formă de cerc în jurul sursei, care captează semnalele reflectate de un obiect aflat în bacuri și a distanței până la acesta. Senzorul infraroșu este un senzor de proximitate optic constituit dintr-o sursă și doi receptori, care permite detectarea poziției obiectului aflat între bacuri.

Senzori folosiți în sistemul de manipulare a materialelor

Sistemul de diagnoză online

11,BGSA Diagnoza

Integrarea strungului într-un sistem inteligent de fabricație

Sisteme flexibile de fabricație

Industria 4.0

Industria 4.0 (numită și producție inteligentă, sau a patra revoluție industrială) este un termen care duce înapoi la un proiect care poartă același nume. Termenul se referă totodată la interconectarea digitală a tuturor entităților implicate într-un sistem, creând un sistem autonom, inteligent, al cărui participanți funcționează individual și care sunt legate la o rețea. Componentele sistemului pot fi programate, sau pot primi comenzi, chiar și wireless, dintr-un centru de comandă. Industria 4.0 prevede, printre altele, informatizarea echipamentelor de producție și logistică pentru comunicarea în timp real între mașini, dar si cu oamenii, cu ajutorul mai multor dispozitive care sunt conectate la internet. Au fost introduse în industria 4.0 tehnologii ca de exemplu „Internetul Tuturor Lucrurilor” (în engleză „Internet of Things”) sau „Cloud Computing”, care să ușureze comunicarea om-mașină. Industria 4.0 este deci o strategie de modernizare high-tech a industriei.

Câteva exemple pentru industria 4.0 sunt mașini care pot prezice disfuncționalități, procese de automentenanță care sunt declanșate automat când apare o defecțiune, sau poate avea aplicații în sistemele logistice avansate, care se poate reorganiza automat în cazul în care apar modificări neașteptate în producție.

Impactul industriei 4.0

A patra revoluție va avea un impact puternic in mai multe arii, ca de exemplu:

serviciile și modelele de afaceri;

fiabilitatea și productivitatea;

securitatea IT;

siguranța mașinii;

ciclul de viață a produselor;

lanțul valoric al industriei;

asupra muncitorilor ;

socio-economic.

Strungul vertical pe care se bazează lucrarea trebuie să fie deci unul extrem de performant, pentru a face față cerințelor industriei 4.0. Acesta va trebuie să funcționeze autonom, iar operatorul uman să intervină doar dacă este cazul, ca de exemplu atunci când apare o defecțiune, sau când trebuie să schimbe pastilele sculelor. Pentru ca strungul să facă față cerințelor viitorului, sunt necesari o mulțime de senzori și de o conexiune a acestuia la internet. Se vor folosi deci echipamente, respectiv tehnologii, care sunt deja existente.

În figura 1 sunt prezentate cele patru etape ale revoluției industriale:

Prima revoluție industrială a avut loc la sfârșitul secolului al XVIII-lea prin introducerea echipamentelor mecanice care foloseau energia apei și a aburilor.

La începutul secolului al XX-lea a avut loc a doua revoluție industrială prin cererea tot mai mare a produselor și folosirea energiei electrice.

A treia revoluție industrială a avut loc la începutul anilor 70, când au fost introduse calculatoarele și electronica în automatizarea producției.

În momentul de față are loc a patra revoluție industrială, și anume Industria 4.0, care are la bază sistemele cyber-fizice.

Fig. 36. Cele patru etape ale revoluției industriale.

Bibliografie

Emil Botez. Mașini-Unelte. Bazele teoretice ale proiectării. Vol. 1 – Teoria. Editura tehnică București – 1977

Alexandru Vaida, Emil Botez ș.a. MAȘINI-UNELTE, editura didactică și pedagogică București – 1970

Mares F. și colectivul. Elemente de comanda si control , Editura Negro Galati – 2001

Boncoi Gheorghe, Calefariu G., Fota Ad., Măniuț P., Enache V., SISTEME DE PRODUCȚIE, Vol 1, CONCEPTE, AUTOMATIZĂRI, Editura Universității Transilvania Brașov, Brașov 2000

Prof. dr. ing. Romeo Cioară. Curs Bazele Cinematice și constructive ale Mașinilor-Unelte

Prof. dr. ing. Adriana FOTA. Curs CONDUCEREA CU CALCULATORUL A SISTEMELOR DE PRODUCȚIE

Reimund Neugebauer. Werkzeugmaschinen. Aufbau, Funktion und Anwendungvon spanenden und abtragenden Werkzeugmaschinen. Editura Springler Berlin, Heidelberg 2012, ISBN: 978-3-642-30078-3

UJFALVI ISTVAN, VAJNA LADISLAU. AUXILIAR CURRICULAR. Montarea și reglarea sculelor pe mașini cu comandă numerică. Sfântu Gheorghe – 2008

SANDVIK Coromant. HANDBUCH FUR ANWENDER UND EINKAUFER. Schnellwechselwerkzeuge für CNC-Drehmaschinen. 11.2012

Boncoi Gheorghe, ș.a., SISTEME DE PRODUCȚIE VOL. I, Editura Universității Transilvania Brașov, 2000

Dan Săvescu. ORGANE DE MAȘINI. TRANSMISII MECANICE. Editura Lux Libris, Brașov 2014, ISBN 978-973-131-285-9

Vasile Palade ș.a. REDUCTOARE CU ROȚI DINȚATE. ÎNDRUMAR. Universitatea Dunărea de Jos Galați.

Conf.univ.dr.ing.ec. Flavius Aurelian SÂRBU, Curs EVALUAREA EXPERIMENTALĂ A MAȘINILOR UNELTE.

Webografie:

Klaus Schwab – The Fourth Industrial revolution

Future Market: INDUSTRIE 4.0, SMART MANUFACTURING FOR THE FUTURE

https://de.wikipedia.org/wiki/Plattform_Industrie_4.0

https://de.wikipedia.org/wiki/Industrie_4.0

http://www.hightech-strategie.de/_dpsearch/highlight/searchresult.php?URL=http://www.hightech-strategie.de/de/Industrie-4-0-59.php&QUERY=industrie+4.0

http://www.automation.com/automation-news/article/industry-40-only-one-tenth-of-germanys-high-tech-strategy

http://www.rasfoiesc.com/inginerie/tehnica-mecanica/STUDIU-DOCUMENTAR-PRIVIND-CONS86.php, 07.05.2016

DECLARAȚIE PRIVIND ORIGINALITATEA PROIECTULUI DE DIPLOMĂ

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAȘOV

FACULTATEA DE INGINERIE TEHNOLOGICĂ ȘI MANAGEMENT INDUSTRIAL

PROGRAMUL DE STUDII: ……………………………………………………………………………………

NUMELE ȘI PRENUMELE: …………………………………………………………………………………….

PROMOȚIA: ………………………………………………………….

SESIUNEA DE DIPLOMĂ: ……………………………………

DENUMIREA PROIECTULUI DE DIPLOMĂ: ……………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………….. ……………………………………………………………………………………………………………………………….

CADRUL DIDACTIC ÎNDRUMĂTOR:…………………………………………………………………….

Declar pe propria răspundere că lucrarea de față este rezultatul muncii proprii, pe baza cercetărilor proprii și pe baza informațiilor obținute din surse care au fost citate și indicate conform normelor etice, în textul lucrării/proiectului, în note și în bibliografie. Declar că nu s-a folosit în mod tacit sau ilegal munca altora și că nici o parte din proiect nu încalcă drepturile de proprietate intelectuală ale altcuiva, persoană fizică sau juridică.

Declar că proiectul nu a mai fost prezentat sub această formă vreunei instituții de învățământ superior în vederea obținerii unui grad sau titlu științific ori didactic.

În cazul constatării ulterioare a unor declarații false, voi suporta rigorile legii.

Data: …………………………………..

Absolvent,

Nume,prenume……………………………………………………… Semnatura…………………………………………………………….