Ce este un robot? Ei bine un robot, este un sistem care conține senzori, sisteme de control, elemente de manipulare, surse de alimentare și software,… [307959]

Capitolul 1. Noțiuni generale

1.1 Introducere

Ce este un robot? [anonimizat], [anonimizat], [anonimizat] a îndeplini o sarcină. Proiectarea, construirea, programarea și testarea unui robot este o [anonimizat],[anonimizat], matematică și calculator.

[anonimizat], proiectat pentru a [anonimizat], scule sau dispozitive speciale și variabile pentru o performanță de o varietate de sarcini. [Cha09]

1.2 Scurt istoric

O societate industrializată avansată presupune o automatizare flexibilă a [anonimizat], asigurând libertați de miscare similare cu acelea ale menbrelor superioare ( brat-mană) [anonimizat] o serie de avantaje econemice și sociale. Între acestea pot fi mentionate: [anonimizat], [anonimizat] a investițiilor.[Buu 90]

Crearea unor mijloace de automatizare de tipul manipulatoarelor și roboților a [anonimizat], de creșterea cerințelor pieselor produse și de reducerea cotei relative a producțiilor de masa si de serie mare datorită producției unicate și de serie mică.  [anonimizat], [anonimizat]. S-a [anonimizat] a [anonimizat]-[anonimizat]-mașină. Această transformare conduce la eliberarea muncitorilor de la prestarea unor munci periculoase sau lipsite deconfort.

[anonimizat], [anonimizat], fiind incapabil să aibă picioare. Cuvântul ,,robot” are astăzi aproape un secol de viață apărând pentru prima dată în piesa R.U.R.(Robotul Universal al lui Rossum), scrisă de către dramaturgul ceh Karel și folosit pe plan internațional din anul 1923, când lucrarea menționata a fost tradusă în limba engleză. Termenul de robotică a [anonimizat]. [Cha09]

Acest scriitor a utilizat pentru prima dată cuvântul ,,robotică” în anul 1942, [anonimizat] ,,cele trei principii ale unui robot”. [anonimizat], sunt :

Un robot nu poate leza o ființă umană sau nu poate asista inactiv la o primejdie în care este implicată o ființă umană ;

[anonimizat] ;

[anonimizat] s-ar încălca primele două principii ;

[anonimizat] ,,industrial”, noul termen ,,robot industrial” are osemnificație foarte bine definită in limbajul industrial.

1.3 Scopul si funcțiile unui robot industrial

La proiectarea, realizarea, dezvoltarea și implementarea roboților industriali se urmărește cu precădere:

mărirea eficienței acțiunilor externe, realizate de operatorul uman, asupra mediilor tehnologice prin creșterea vitezei și preciziei de execuție;

înlocuirea operatorilor umani care execută operații simple repetitive sau care lucrează in medii austere (căldură, frig, lumină, intuneric, vibrații, zgomote) precum si in medii nocive (cu radiații, poluate).

manipulare de piese, dispozitive sau scule în poziții și orientări diverse;

asamblare de produse sau subasamble ale acestora prin asezare si fixare;

de actiune directa prin apucare-eliberare si prin operatii tehnologice (de sudare, de vopsire, de control) asupra obiectelor, sculelor, dispozitivelor si instrumentelor din mediu de operare al robotului;

1.4 Structura funcțională a roboților industriali

Roboții industriali pot fi considerați ca hipersisteme mecatronice complexe (fig. 1.1), compuse din următoarele părți principale:

sistemul mecanic, care realizează mișcarea dorită a obiectului manipulat prin acționare în sau asupra mediului de operare;

sistemul de acționare cu funcția de a pune în mișcare cuplele cinematice ale sistemului mecanic prin intermediul unor subsisteme de antrenare cu motoare legate la sursa de energie;

sistemul senzorial prin care se culeg informații privind valorile parametrilor interni, care descriu starea sistemului robotului industrial, precum și valorile parametrilor externi asociați spațiului de operare și/sau sistemului perirobot;

sistemul de conducere procesează informațiile primite de la sursa de informație (operatorul uman, sisteme de conducere similare și superioare) și/sau de la sistemul senzorial.

1.5 Sistemele mecanice ale roboților industriali

Mișcarea punctului caracteristic, asociat unui obiect manipulat, pe traiectorie între două puncte succesive de pe aceasta, se poate descompune în două secvențe:

poziționarea în punctul al doilea, fără modificarea orientării;

orientarea, care presupune rotirea în jurul punctului caracteristic, considerat fix.

Mecanismul de ghidare contribuie la realizarea funcției de generare de traiectorii prin poziționarea succesivă în spațiu a punctului caracteristic, precum și a funcției de orientare continuă a dreptei caracteristice. Pornind de la aceste funcții, mecanismul de ghidare poate fi cu structură compactă sau se poate descompune în două mecanisme distincte:

de orientare – cu funcția de orientare în spațiu a efectorului;

de poziționare – pentru deplasarea în spațiu a mecanismului de orientare solidarizat cu dispozitivul de prehensiune.

Pornind de la funcția principală de manipulare (poziționare și orientare) a unui obiect într-un spațiu de operare dat, sistemul mecanic se compune din următoarele părți principale: mecanismul de ghidare, dispozitivul efector și, uneori, dispozitivul de complianță (fig. 1.2).

1.6 Sistemele senzoriale ale roboților industriali

Hipersistemul robotului pentru realizarea conducerii în buclă închisă și adaptiv la modificările din mediul de operare necesită un sistem senzorial care să preia informațiile despre starea proprie și cele din spațiul de lucru, să le prelucreze și să le transmită sistememului de comandă [Ola05].

Senzorii unui robot industrial pot avea următoarele funcții: măsurarea parametrilor robot pentru controlul în buclă închisă, detectarea și evitarea coliziunilor, detectarea și evitarea situațiilor neprevăzute, găsirea pozițiilor obiectelor în spațiul de lucru, corectarea eroroilor induse de modelele robotului, monitorizarea interacțiunilor cu mediul robot, inspectarea procesului în care este implicat.

De fapt, sistemul senzorial este compus din subansamble speciale numite traductori (fig.1.3) și echipamente specifice de prelucrare semnale și interfațare care realizează măsurarea (evaluarea) unor parametri intrinseci ai robotului, legați de deplasarea pe traiectorie, prin senzori interni (de poziție, viteză, accelerație și/sau forță etc), pe de-o parte, și a unor parametri legați de starea și poziția obiectelor din spațiul de operare prin senzori externi (tactili, de proximitate, vizuali etc), pe de altă parte. De obicei, traductorul transformă informația primară sub forma unui semnal – de tip mecanic, termic sau chimic – ce caracterizează mediul investigat, într-un semnal electric analogic sau numeric.

1.7 Caracteristicile roboților industriali

Parametrii de performanță asociați caracteristicilor de funcționare ale unui robot industrial sunt diversificați atât din considerente legate de multitudinea structurilor posibile cât și din considerente care țin de cerințele aplicațiilor în care sunt integrați [Ble03].

Aprecierea performanțelor funcționale, constructive, de exploatare și de reparare, în multitudinea aspectelor posibile și cu implicații în proiectarea funcțională și constructivă a unui robot industrial și, în mod special, a sistemului mecanic al acestuia, se poate face prin analiza caracteristicilor principale prezentate în (fig. 1.4).

Prin "performanță de funcționare" la nivel global se poate înțelege fie capacitatea robotului de a acoperi, prin poziționarea obiectului manipulat, spațiul de operare impus ca formă și dimensiuni, fie prin realizarea unei precizii de poziționare impusă într-un punct caracteristic, fie prin parcurgerea unei traiectorii date în condiții definite preliminar. Aceaste cerințe nu sunt realizabile datorită abaterilor (erorilor) parametrilor funcționali, constructivi și de exploatare care infiuențeză, direct sau indirect, comportarea robotului industrial din punct de vedere geometric, cinematic și dinamic.

1.7.1 Caracteristici globale

Dexteritatea este dată de capacitatea potențială a unui sistem mecatronic (robot industrial), cu anumite grade de mobilitate, caracteristici geometrice, cinematice și dinamice, de a realiza anumite mișcări, de a atinge anumite puncte din spațiu, de a prinde anumite obiecte etc, pe de-o parte, și de capacitatea reală de a pune în practică aceste posibilități prin intermediul sistemelor de acționare, de comandă și control, pe de altă parte.

Versatilitatea este dată de capacitatea robotului de a realiza diverse funcții și de a produce acțiuni multiple în cazul unei aplicații tehnologice date.

Autoadaptarea definește capacitatea unui robot industrial de a lua decizii de realizare a unor operații, ținând cont de modificările sesizate în spațiul de operare.

1.7.2 Caracteristici generale

Valoarea sarcinii utile (capacitatea de încărcare nominală) reprezintă cea mai mare masă a obiectului manipulat (incluzând și masa dispozitivului de prehensiune atașat), care poate fi manipulată, cu menținerea prehensiunii în orice configurație a structurii și în condițiile dinamice extreme de deplasare.

Tipul structurii mecanice se specifică, de obicei, în cataloagele firmelor producătoare de roboți industriali, având influență directă și asupra altor parametri caracteristici.

Mobilitatea unui robot industrial este determinată de numărul de mișcări independente care pot fi realizate de sistemul mecanic al acestuia și care asigură gradele de libertate ale obiectului manipulat.

Tipul motoarelor de acționare a subsistemelor de antrenare a cuplelor conducătoare este de importanță deosebită, influențând direct alți parametri de performanță.

Mărimile deplasărilor (curselor), corespunzătoare cuplelor motoare, se exprimată în mm pentru cuplele de translație și în grade pentru cele de rotație.

Distanța maximă se definește ca fiind dată de valoarea lungimii segmentului determinat de centrul cuplei asociat bazei și punctul cel mai îndepărtat atins de flanșa de fixare a dispozitivului de prehensiune.

Dimensiunile de gabarit și masa totală sunt de importanță deosebită pentru aplicația în care se implementează, precum și pentru celelalte caracteristici funcționale ale robotului.

Tipul controlerului și modul de programare, de obicei, menționate în cataloagele firmelor producătoare, indică caracteristicile și performanțele sistemului de comandă și tehnica de programare accesibilă.

Rezoluția este cea mai mică valoare dimensională (de translație sau de rotație) care poate fi programată astfel încât să apară modificări de poziție sau de orientare la efector.

1.7.3 Caracteristici geometrice

Spațiul de lucru (operare) al structurii mecanice a unui robot este domeniul geometric compus din toate punctele care pot fi atinse de un punct asociat flanșei de fixare a dispozitivului de prehensiune.

Capacitatea de orientare, exprimată prin unghiul sub care se ajunge în punctele spațiului de operare, este specifică structurii mecanice a mecanismului de orientare și se poate evalua cantitativ prin factorul de serviciu.

Precizia de poziționare, într-un punct din spațiul de lucru, se descrie prin abaterile poziției atinse de punctul caracteristic în raport cu poziția țintă programată. Evaluarea acestor abateri se face prin intermediul factorilor de exactitate și de repetabilitate.

Precizia de orientare se evaluează prin abaterile unghiulare determinate de dreapta caracteristică țintă (programată) și dreapta caracreristică reala.

Aptitudinea unui robot industrial de a urmări traiectoria programată (precizia de poziționare pe traiectorie) se poate aprecia prin exactitatea traiectoriei, dintre punctele de pe traiectoria țintă și punctele corespunzătoare de pe axa înfășurătoarei traiectoriilor reale, obținute în urma deplasărilor repetate ale robotului păstrând același set de comenzi, și prin repetabilitatea traiectoriei care se poate evalua prin raza maximă a cilindrului.

1.7.4 Caracteristicile cinematice

Vitezele și accelerațiile maxime din cuplele cinematice sunt caracteristici de catalog și date de proiectare semnificative, care împreună cu sarcina utilă determină, cu precădere, dimensiunile structurii mecanice, precum și ale motoarelor de acționare.

Abaterile de la legea vitezei teoretice se pot evalua prin: exactitatea vitezei pe traiectorie, măsurabilă prin diferența dintre valoarea medie a vitezelor reale și viteza medie comandată; repetabilitatea vitezei pe traiectorie, definită prin mărimea maximă a semintervalului de împrăștiere a vitezelor reale, obținut prin repetarea mișcărilor pentru aceași viteză programată; fluctuația vitezei pe traiectorie, este abaterea maximă a vitezei instantanee dintr-un set repetitiv de traiectorii reale, corespunzătoare aceleași viteze țintă.

1.7.5 Caracteristicile constructive

Precizia de execuție a elementelor structurii mecanice, cuantificată prin toleranțele de execuție, se stabilește la proiectare în funcție de eroarea cinematică admisibilă impusă.

Rigiditatea (complianța) statică, ca rapot între forța aplicată asupra efectorului și deplasarea pe direcția acesteia, este un parametru global care indică sintetic capacitatea de deformare a structurii mecanismului de ghidare.

Frecvențele naturale și modurile proprii de oscilație sunt caracteristici cu implicații directe asupra comportării dinamice.

1.7.6 Caracteristicile dinamice

Precizia dinamică este, ca și în cazul static, compusă din exactitatea (acuratețea) și repetabilitatea de poziționare, dar, în plus, acestea sunt asociate deplasărilor pe traiectorii.

Timpul de stabilizare a mișcării se definește ca fiind intervalul de timp între poziția atinsă conform programării și momentul în care mișcarea amortizată sau neamortizată se "stinge" până la anumite limite specifice.

Rigiditatea dinamică dă informații legate de nivelul de vibrații al structurii mecanice în care, sub efectul oscilațiilor induse de motoarele de acționare și sistemul de comandă, pot apărea mișcări instabile.

1.7.7 Caracteristici de eficienta

Parametrii care cuantifică eficiența economică a unui robot industrial sunt determinați de costurile efective de fabricație și de cheltuielile de întreținere și de reparație.

Eficiența energetică a unui robot industrial este cuantificabilă, în general, prin două grupe de factori: randamentele motoarelor, subsistemelor de antrenare a cuplelor și cuplelor utilizate; factorul lucrului mecanic – ca raport între lucrul mecanic util și lucrul mecanic total.

Siguranța și fiabilitatea de funcționare a unui robot industrial este diferită de a altor cazuri de sisteme mecatronice care interacționează cu omul într-un spațiu de dimensiuni mult mărite.

De obicei, roboții industriali au fiablitatea mai mare de 98%. Procentul de până la 2% dincăderi apar în perioadele de mentenanță programată, de programare sau datorită distrugerii accidentale a unor clemente componente.

Capitoul 2. Roboti de tip Gantry

2.1 Introducere

Robotul este un sistem automatizat de inalt nivel capabil sa manipuleze obiecte si scule in scopul suplinirii unor activitati umane. Realizarea și implementarea aplicațiilor necesita cunostinte din domenii diverse ( mecanică, hidraulică, electrotehnică, electronică si informatică).

Deși literatura de specialitate în robotică, în general, și în robotică industrială în particular, este vastă, totuși pentru roboții industriali seriali de tip GANTRY, resursa documentară este mult mai săracă, iar numărul cercetărilor intreprinse în lume este nesemnificativ [Ble11].

În cadrul structurilor de tip Gantry se încadrează o mare varietate de instalații industriale, de la gigantismul instalațiilor marine de foraj, a macaralelor portuare, la macaralele portal, podurile rulante în hale și depozite, instalații suspendate pentru sortare, paletizare, ambalare, etc. și până la instalații automate în domeniul fabricației: prelucrări prin așchiere, debitare cu plasmă, debitare cu jet de apă, tratamente termice și chimice, mașini de măsurat în coordonate, control nedistructiv cu raze X și multe alte sisteme în electronică și microelectronică, tehnici de laborator, etc.

De fapt atributul “GANTRY” este conferit structurilor suspendate (cele care lucrează deasupra, de sus în jos), caracteristică de bază a acestora fiind faptul că posedă 2 sau 3 axe cinematice ce realizează mișcarea elementelor mobile după un sistem ortogonal (sistem cartezian) de axe.

În continuare sunt exemplificate câteva instalații care se încadrează în categoria structurilor de tip Gantry.

Dacă datorită complexității operațiilor și cerințelor de siguranță, în varianta clasică, macaralele (fig. 2.1) și podurile rulante sunt deservite încă de operatori umani, nu mai este decât un pas până la automatizarea completă a unor asemenea instalații, deși la această oră sunt semnalate în lume foarte multe implementări de instalații automate de încărcare-descărcare.

2.2 Roboti de tip Gantry in aplicatii industriale

Structurile robotizate de tip Gantry își găsesc aplicabilitatea ori de câte ori se pune problema realizării acțiunilor tehnologice pe mari suprafețe de lucru, de multe ori pe lungimi și lățimi de până la câteva zeci sau chiar sute de metrii. Este și cazul exemplului din figura 2.2 (firma ESAB), în care mai mulți roboți suspendați realizează operațiuni de tăiere, sudura, polizare, pe componente tubulare de mare lungime, din domeniul extractiv. [Ble12a]

Edificator în sensul avantajelor aduse de robotizarea tehnologiei de sortare-depozitare-livrare a mărfurilor de diferite categorii, în marile depozite, este exemplul prezentat în figură 2.3 (realizare a firmei Cimcorp – SUA), pentru automatizarea unui mare depozit din domeniul produselor de patiserie. De fapt automatizarea prin robotizare a marilor depozite, prin care se tranzitează mărfuri paletizate sau containerizate, este pe cât de simplă pe atât de eficientă, avantajele majore fiind: reducerea aproape totală a personalului operativ necesar, calitatea și precizia operațiilor, productivitatea ridicată.

În orice sector de activitate, utilizarea structurilor suspendate și a roboților suspendați de tip GANTRY aduce o serie de avantaje certe, și anume:

o mare suprafață utilă și volum de lucru, în care robotul poate executa acțiuni de manipulare;

forma paralelipipedică a volumului de lucru și dreptunghiulară a ariei de lucru;

factor constant (densitate uniformă) de acces în fiecare zonă a volumului de lucru;

aceeași precizie de poziționare și repetabilitate pentru fiecare punct din cadrul volumului de lucru și ariei utile acoperite;

degajarea spațiilor din vecinătatea instalațiilor tehnologice, în favoarea utilizării mai raționale a acestora în scop productiv;

simplitate constructivă, viteze și accelerații mari de deplasare;

posibilitatea stabilirii unei configurații modulare minimale după particularitățile procesului tehnologic deservit de robot;

simplitatea programării mișcărilor ce atrage minimizarea configurației echipamentelor de calcul.

Robotul de tip gantry din figura 2.4 este un stil modificat de robot cartezian, folosind două axe X fata de robotul cartezian care are numa o axa de bază. Axa X suplimentară permite robotului să dezvolte sarcini și forțele mari, ceea ce le fac ideale pentru a alege lucrul cu incarcaturi grele sau sarcini tehnologice de încărcare și descărcare.

Atunci când există două axe în paralel, este comun ca doar una dintre ele să fie conduse de motor, în scopul de a preveni mișcarea neuniformă între cele două axe. Pentru a conduce ambele axe de baza X se leaga un arbore intermediar care transferă in mod sincron mișcarea de la unicul servomotor al axei la ambele sisteme de deplasare a celor două module.

La fel de avantajoasă este utilizarea structurilor robotice suspendate în tratamente termice și termochimice, acoperiri metalice, degresare, etc., un exemplu fiind prezentat în figură 2.6, în cazul unei stații de zincare.

O clasă aparte a structurilor suspendate Gantry este cea a structurilor modulare la care axele cinematice sunt constituite din module interconectabile și elemente structurale de susținere, care se pot alege și monta la dorință, în funcție de valoarea curselor, mărimea volumului de lucru pe care trebuie să o acoperă, înălțimea disponibilă, mărimea sarcinii și a vitezelor, precizia cerută, etc.

Configurația suspendată de tip Gantry este cea mai adecvată automatizării unor procese primare de prelucrare, cum este debitarea automată cu plasmă (fig. 2.7), debitarea cu jet de apă (fig. 2.8) și respectiv debitarea Laser (fig. 2.9).

Pornind de la această idee s-au născut familii întregi de noi instalații și mașini speciale care au spart granița prelucrării aliajelor dure, a prelucrării suprafețelor complexe și volumelor mari precum și a realizării modelelor experimentale pentru ambarcațiuni, automobile și multe alte produse în curs de dezvoltare.

Asemenea structuri au de obicei 3 axe cinematice, urmând ca la capul brațului vertical (axa Z) să fie atașat unul sau mai multe module, care să completeze numărul de axe cinematice până la 5, eventual 6. Dacă structura modulară de bază este în general universală, modulul de orientare ce vine în completarea numărului de grade de libertate poate fi o structură nemodulară de tipul celor utilizate în cazul roboților seriali articulați, cu două sau trei grade de libertate și eventual un end-efector specializat: manipulare, stivuire, cap de măsurare, broșe de frezat, alte scule sau instrumente specializate.

În fig. 2.10 este prezentată o structură modulară Parker cu 3 grade de libertate, la care modulele liniare pentru axele X și Y sunt pe bază de transmisie sincronă (curea dințata), iar modulul pentru deplasarea verticală – axa Z este un cilindru electric (pe bază de șurub cu bile). Firma Parker–Hannifin GMBH este unul din promotorii structurilor robotice Gantry, fiind în același timp și unul din liderii de piață a elementelor structurale modulare (axe cinematice liniare și de rotație) în multe variante de acționare și tipodimensiuni.

Pornind de la conceptul că pentru o eficiență maximă cea mai adecvată structura modulară unei aplicații industriale concrete este structura minimală, prin alegerea elementelor adecvate, din structura generală de bază se obțin variante adaptate cerințelor concrete de spațiu, cost și productivitate.

2.3 Roboti de tip Gantry cu actionare pe baza de suruburi cu bile

Utilizarea șuruburilor cu bile ca mecanisme de transformare a miscări de totație in miscare liniară a unor sănii, pentru realizarea de module pentru deplasari liniare, este deosebit de facilă în cazul roboților modulari și mai ales în cazul celor de tip Gantry destinati a acoperi suprafete de lucru de până la 4 m2. Robotul L70 Series 3-Axis X-Y-Zprezentat în figura 2.11 exemplifică acest lucru.

Configurația din figura 2.12 include două actuatoare HLD – una cu o singură șină externă și una de acționare HLD cu duuă șine externe gemene.

Sisteme rapide, precise și repetabile de poziționare care îmbunătățesc productivitatea, sistemele de poziționare Bahr sunt sisteme modulare, flexibile realizate cu profile de aluminiu, rezistent la uzura (fig. 2.14)

Capitolul 3. Dezvoltarea competitiva a conceptului

În scopul adoptării unei soliții structural-constructive pentru un nou tip de robot Gantry, am considerat necesar a fi analizate câteva variante reprezentative, existente pe piața de profil.

3.1 Prezentarea variantelor constructive

3.2 Prima etapa – Identificarea cerintelor

In figura 3.4 sunt stabilite cerintele clientului. VOC (vocea clientului) reprezintă procesul prin care sunt exprimate nevoile, cerintele, si preferintele clientului legate de robot.

Dupa completarea matricei de comparatie AHP, in figura 3.5 sunt evidențiate importanța finala a fiecarei cerințe, redate în figura 3.6.

Diagrama din figura 3.8 reprezintă importanțele fiecarei cerinte a clientului si poartă denumirea de prioritizarea vocii clientului. Din analiza acesteia reiese faptul ca cele mai importante caracteristici sunt: precizie ridicata, flexibilitatea în utilizare, usor de utilizat si usor de intretinut.

Fig. 3.10 reprezinta definirea caracteristicilor de calitate a produsului. In figura se specifică unitatea de masura, standardul si tipul de date. Acestea se optimizeaza pentru a arata importanta lor: minima, exacta sau maxima. Valorile ideale si marginale sunt specificate in dreptul fiecarei cerinte.

Figura 3.11 reprezinta metoda QFD1 care ne arata corelațiile dintre cerintele clientului si caracteristicile tehnice de calitate contribuid la imbunatațirea cerintelor. Corelatia puternica este cota cu 9, corelatia medie este cotata cu 3, cea ma mica corelatie e cotata cu 1 iar cu nici o corelatie este cotata cu 0.

Figura 3.12 Benchmarking comparativ cu caracteristicile tehnie ne arata in ce masură caracteristicile tenice de calitate precum si importanța acestora sunt atinse de fiecare dintre cele 3 variante.

In figura 3.13 este reprezentat modul de imbunatatire unei caracteristici ce influenteaza celalalte caracteristici. Deasupra diagonalei se gasesc efectele fiecarei caracteristici in funcție de celalalte. Acestea sunt: efect negativ, posibil efect negativ, nici un efect, posibil efect pozitiv si efect pozitiv.

3.3 Etapa 2 – Proiectare

Metoda QFD2 din figura 3.18 arata masura in care o capacitate tehnica de calitate reprezintă o masură pentru o anumita funcție.

Matricea de interacțiune a funcțiilor reprezintă modul in care o funcție le influențeaza pe celalalte figura 3.20.

Etapa 3.4 Obtimizarea

In urma acestei analize, se observa faptul ca cele mai importante functii sunt: reglarea puterii de transmitere, sa se deplaseze pe 2 axe simultan, mentinerea unui consum redus de energie.

In fig. 3.23 sunt evidențiate consturile ținta de proiectare si cu ajutorul acestui table, vom sti ce component este mai importanta in termini de proiectare si pret.

Costul ținta ale funcțiile robotului se calculeaza pe baza importantei functiilor costurilor tintei. Se determina limita inferioară si limita superioară a costurilor ținta (fig 3.24). Diagrama din partea dreapta arata in ce masura costurile funcțiilor se afla in limita calculată.

In fig. 3.25 sunt prezentate legaturile dintre funcțiile cele mai importante si cele mai importante componente ale robotului de tip gantry.

Capitolul 4. Alegerea, elaborarea conceptului si proiectarea robotului

4.1. Prezentarea soluției structural-constructive

În alegerea destinatiei utilizării a unui robot de tip Gantry, în sistem de coordonate ortogonale, am considerat ca una din cele mai moderne și mai ușor de implementat aplicație tehnologică este prelucrarea cu rază Laser, pentru debitări, sudură și prelucrări de suprafață si de adâncime in diferite materiale metalice sau de alta natură, sub formă de plăci subțiri sau plăci amsive.

Deoarece pozitionarea razei Laser deasupra semifabricatului se face în general dupa normala la suprafața de tăiere, rezultă ca cea mai simplă structură cinematică a unui robot care să manipuleze unitatea Laser în cele 3 coordonate, din care două axe ortogonale orizontale, iar a treia verticală, este o structură modulară cu 3 grade de libertate, care să rezolve deplasări comandate numeric după cele 3 axe ale unui sistem de coordonate cartezian.

In urma analizei mai multor concepte, prezentate in cap. 3, referitoare la structura posibila pentru realizarea funcției tehnologice propuse, am optat pentru o structura conform celei din fig 4.1.

Robotul de tip GANTRY dezvoltat de mine se compune din 4 subunităti funcționale, dupa cum urmează:

Modulul de bază Mlx, compus din două unități liniare identice, ce asigură deplasarea structurii superioare pe direcția axei orizontale OX; Antrenarea in miascare sincronă a celor două sănii a unitătilor liniare este asigurată de o transmisie intermediară simetrică între servomotorul unic al gradului de libertate si suruburile cu bile a celor duoa unități liniare.

Modulul deplasării transversale Mly asigura deplasarea bratului robotului după direcția axei orizontale OY; Pentru realizarea precisă plan-paralelă a acestui modul în planul XOY al sistemului de axe de coordonate, bratul transversal este ancorat la fiecare din capete pe suportii solidari cu saniile celor două module orizontale ce sunt sincronizate în miscarea liniară prin intermediul unei transmisii intermediare simetrice cu raportul 1/1 între șuruburile conducătoare a celor două module.

Bratul robotului Mlz asigura deplasarea verticală, dupa axa OZ, a saniei sale mobile pe care se poate monta un suport in funcție de end-efectorul (dispozitivul de lucru cu care va fi echipat robotul pentru realizarea unor sarcini tehnologice. După caz, configurația acestui braț poate fi adaptată tipului de dispozitiv manipulat de brațul robotului precum și în funcție de specificul operației tehnologice executată de robot.

Structura suport modulară (enreprezentată în figură) realizată din profile de aluminiu, asigură susținerea, fixarea și funcționarea precisă a celor două module orizontale ce formează primul grad de libertate, în cadrul unui volum de lucru de formă paralelipipedică, de dimensiunile si pozitia spatială în corelație cu gama aplicațiilor dorite.

Structura robotică tip GANTRY

Date tehnice Tab. 4.1

4.2. Descrierea componetelor principale [Car84]

Din punct de vedere constructiv, sistemele mecanice ale produselor tehnice se compun din ansamble, subansamble și elemente constructive (inclusiv organe de mașini), identificabile cu ușurință în schema structural-constructivă.

Ansamblele sunt entități constructive independente, care respectă structura funcțională a produsului și au în componență subansamble și elementele constructive cu forme și poziții determinate și de tehnologiile de montaj, de întreținere și de exploatare. Practic, legăturile ansamblelor se materializează, de obicei, prin asamblări demontabile.

Subansamblele sunt structuri independente, care nu întodeauna sunt constituite respectând funcționalitatea, și care se evidențiază printr-un grup compact compus, în configurație minimală, din cel puțin două elemente constructive sau din alte subansamble și elemente constructive, în interacțiune permanentă, format ținându-se cont cu precădere de tehnologiile de montaj, de întreținere și de exploatare.

Elementele constructive, componente ale unui sistem mecanic tehnic, ansamblu și/sau subansamblu, sunt entități distincte în interacțiune directă fixă, permanentă (nedemontabilă sau demontabilă), sau în interacțiune mobilă directă (fără ungere) sau indirectă (cu ungere).

Pentru proiectarea unui produs care să aibă caracteristei funcționale, constructive și de eficiență ridicate, este nevoie ca în acesta să se includă elemente constructive și subansamble din ultima generație.

Elementele constructive din componența produselor tehnice mecanice, ansamblelor sau a subansamblelor, pot fi:

active, când sunt poziționate pe fluxurile energetice principale;

de rezemare, pentru sprijinirea unidirecțională, bidirecțională sau unidirecțională a altor elemente constructive;

de legătură, pentru realizarea asamblărilor de fixare, de obicei, demontabile.

De asemenea, în componența unor ansamble sau subansamble se pot găsi subansamble specializate (reductoare de turație, transmisii șurub-piuliță, variatoare de turație, rulmenți, ghidaje), proiectate și realizate pentru funcții generale distincte.

4.2.1 Șuruburile cu bile

Surubul cu bile este un mecanism care transforma miscarea de rotație in miscare liniară, la care frecarea intre flancurile piuliței și a surubului este de rulare, intre spirele șurubului si ale piuliței ruland in circuit inchis un numar mare de bile. [Arg03]

Un arbore filetat oferă o calea de rulare elicoidală pentru rulmenții cu bile, care acționeaza ca șurub de precizie precum si posibilitatea de a aplica sau rezista la sarcini mari axiale, putand face acest lucru cu frecare internă minimă. Ele sunt concepute pentru a închide toleranțe și, prin urmare, potrivite pentru utilizarea în situații în care este necesară înaltă precizie. Pentru a menține acuratețea lor inerente și pentru a asigura viata lunga, este nevoie de mare atenție pentru a evita contaminarea cu praf și particule abrasive.

In faza proiectarii unei axe cinematice, este necesar ca selectia mecanismului șurub- piulita cu bile sa fie facută avand in vedere parametrii care intervin. Pentru selectia corectă a mecanismului șurub-piulița cu bile, sunt cerute a fi precizate initial urmatoarele conditii:

Orientareaa axei cinematice: orizontală, verticală, inclinată;

Valoarea masei supusă transferului: m (kg);

Jocul la reversarea sensului de mișcare (mm);

Incrementul minim de deplasare: s (mm/impuls);

Tipul motorulului de acționare: (AC, DC, motor pas cu pas, etc.);

Turația de regim a motorului: NMO (min-1)

Momentul de girație propriu al rotorului motorului: JM (kg*m2);

Rezoluția unghiulară a motorului/encoderului;

Raportul de reducere între motor și șurubul cu bile A;

Transmisiile șurub-piuliță cu elemente de rulare bile devin din ce în ce mai utilizate în construcția sistemelor mecanice de produse mecatronice, deci inclusiv ale roboților industriali, datorită următoarelor avantaje:

constanță ridicată de transformare a mișcării, conducând la eliminarea transmisiilor reductoare preliminare între motor și cupla antrenată;

eliminarea totală a jocurilor prin pretensionare, care, în plus, conduce la rigidități și precizii ridicate;

pierderi prin frecare scăzute, randamentul poate avea valorile 0,8…0,95 spre deosebire de 0,2…0,4 în cazul tansmisiilor șurub-piuliță cu alunecare;

momente de frecare mici la pornire și în regim staționar;

mișcări cu uniformitate mărită deoarece forțele de frecare nu depind de viteză;

forțele de frecare pot fi ușor reglate prin modificarea valorii forței de preîncărcare;

structuri cu dimensiuni și mase relativ scăzute;

necesități mai scăzute de lubrifiere;

fiabilitate ridicată.

In general, pentru ungerea cuplelor elicoidale cu rostogolire se recomandă uleiuri cu vâscozitate ridicată la viteze mici, sarcini mărite sau temperaturi ridicate. Pe de altă parte, se pot utiliza uleiuri cu vîseozitate scăzută cînd exploatarea se face ia temperaturi scăzute și nu apar variații mari de temperatură. Pentru protecția căilor de rulare și a corpurilor de rostogolire împotriva pătrunderii impurităților, se folosesc sisteme de etanșare cu garnitură sau de etanșare și protecție, telescopice sau cu burduf.

4.2.2 Ghidajele liniare de rulare[www22]

Ghidajele liniare de rulare cu bile sunt elemente structurale moderne de realizare a mișcărilor precise a elementelor mobile din structura mașinilor-unelte, roboților industriali și în general a instalațiilor industriale.

Dezvoltarea acestor tipuri de ghidaje a fost posibilă ca urmare a dezvoltării tehnologiilor de fabricație după anii 70, fiind intrinsec legată de apariția mașinilor-unelte și instalațiilor NC și mai târziu de dezvoltarea impetuoasă a construcției de roboți industriali.

La această oră, pe plan mondial există o ofertă tipologica foarte largă de elemente componente și subansamble pentru realizarea sistemelor de ghidare a mișcării prin rulare, la fel precum numărul foarte mare al producătorilor de asemenea elemente și sisteme, unul dintre producătorii reprezentativi fiind firma THK.

Larga aplicabilitate a ghidajelor de rulare se datorează unor avantaje majore care le diferențiază de ghidajele clasice utilizate până în anii 70-80, la care frecarea între suprafețele active a elementului fix (carcasei, batiului, etc.) și cea a elementului mobil (sanie, suport, braț, etc) era frecare de alunecare.

Dintre aceste avantaje, se menționează:

randament foarte bun,

capacitate largă de încărcare,

rigiditate ridicată în toate direcțiile,

precizie de poziționare ușor de obținut, ce se menține perioade îndelungate,

posibilitatea reglării și eliminării jocului,

întreținere ușoară, cost total relativ scăzut,

compatibilitatea cu mediul.

4.2.3 Suporți de fixare axială a șurubului cu bile [www12]

4.2.4 Dispozitivul de lucru[www13]

Specificatii tehnice:

Deschiderea este de 20 mm;

+/- 5 mm (0.200) pe cursa, atat pe axa X cat si pe axa Y;

Standard 0.017 m, precizie mecanica (0.0007);

Viteza 100 mm/sec (4o/sec);

Incarcare 9 kg, la viteza nominală

Inalțimea 121.8 mm

Lațimea 152.4 mm

Lungimea 152.4 mm

Greutatea 3.7 kg

4.2.5 Rulmenți radial-axial [www 15]

Rulmentu este un organ de masina, componentul principal al unui lagar cu rostogolire. Acesta este compus din două inele, unul interior, iar celălalt exterior, care împreună formează calea de rulare, din corpurile de rostogolire, colivie, care are rolul de susținere a corpurilor de rostogolire, eventual și din alte elemente cu rol de asamblare sau etanșare.

In realizarea proiectului am ales rulmenții radiali axiali cu un rand de bile pentru suportii din capatul surubului si a rotilor dintate pentru o cale de rulare mult mai buna.

Tab. 4.3

4.2.6 Roti dințate conice cu dinți curbi [www 16]

Angrenajul cu roți dințate conice permite transmiterea mișcării de rotație între doi arbori care au axele concurente sau încrucișate . Cel mai frecvent este cazul particular al angrenajelor cu axe concurente sub un unghi γ = 90 . Roțile dințate conice pot avea dinții drepți , înclinați sau curbi . Roțile dințate conice cu dinți drepți dau rezulatate bune până la viteza v = 2 ÷ 3 m/s . La viteze mai mari sunt recomandate roțile dințate cu dinți înclinați sau curbi , care asigură o angrenare uniformă , zgomot redus și o capacitate de transmitere mai mare , în condiții foarte grele de funcționare .

La angrenajele conice cu dantura inclinata sau curba, unghiul de inclinare al dintelui este variabil pe lungimea acestuia, in calculul geometric si de rezistenta utilizandu-se urmatoarele unghiuri de incinare de divizare ale danturii.

4.2.7 Datele tehnice rezultate in urma modelarii 3D prin softul CATIA

În urma dezvoltării structurii robotului la nivel 3D cu ajutorul softului de proiectare avansata CATIA, a rezultat o serie de date numerice importante pentru fiecare axă cinematică, date ce pot fi utilizate atât în modelarea dinamică a structurii robotice și diemnsionarea energetică a fiecărei axe, cât și în calculele de dimensionare/verificare a diferitelor componente mecanice. În figurile 4.7, 4.8 si 4.9 sunt prezentate tabelat datele mentionate.

Capitolul 5. Breviarul de calcul

5.1 Calculul de selecție si verificare a șurubului cu bile de pe axa OX [Ble95]

Se propune parcurgerea etapelor de alegere a șurubului cu bile pentru axa cinematică liniară, cu schema conform figurii 5.1, care să satisfacă datele si condițile initiale prezentate in tabelul 4.1 precum si datele rezultate din modelarea 3D in CATIA, prezentate anterior.

Etapele selecției șurubului cu bile:

1.Selecția clasei de precizie a șurubului:

Pentru atingerea preciziei propuse de 0.3 mm/1000 mm se face aproximația: , în baza căreia se alege din catalogul producătorului clasa de precizie care satisface valoarea de calcul pentru lungimea de referință de , rezultând că șuruburile din clasa C7 satisfac cerința, precizia acestei clase fiind de 0,05/300 mm. (Catalog THK, Tab. 1, pg. A-678).

Rezultă de aici și avantajul prețului mai redus al șurubului, deoarece aparține unei clase inferioare de precizie.

2.Selecția preciziei axiale:

Pentru satisfacerea criteriului de mărime a jocului axial dorit la reversarea sensului de mișcare: , se propune un șurub model DIK 2505-6, cu diametru de 25 mm, care se încadrează în acest criteriu. (Catalog THK, pg. B-657: șuruburi cu diametrul exterior de 25 mm – jocul admisibil ).

Fig. 5.2 Datele tehnice ale șurubului cu bile selecționat

3.Alegerea modelului arborelui șurubului:

Considerând că lungimea piuliței șurubului este de și că lungimea capătului șurubului este deasemenea de , se va alege din catalogul producătorului un șurub cu lungimea filetată de 900 mm.

4. Selecția pasului șurubului:

La turația nominală de regim nm=3000 rot/min, pentru atingerea vitezei liniare maxime a saniei: Vmax=0,25 m/s, pe baza relației:

(mm), rezultă că pasul șurubului trebuie să fie de cel putin 5 mm sau mai mare. Se adoptă pasul de 5 mm.

5. Precizarea metodei de fixare a capetelor șurubului

Având în vedere condițiile de precizie impuse și ținând cont de costul sistemului, se consideră că metoda de fixare a capetelor șurubului: “încastrat – rezemat” (fig. 5.1) este suficientă.

In urma modelarii 3D in softul de proiectare CATIA, a rezultat o serie de date importante ce vor fi folosite in calculele de dimendionare a axelor cinematice, astfel:

Masa cumulată a celor doua subansamble 2 si 3, respective bratul transversal si bratul vertical, echipat cu suportul si dispozitivul de lucru este: M23=60.75 kg.

Masa supotului si a dispozitivului de lucru (unitatea LASER), ce eset antrenata in miscare vertical de catre sania bratului vertical este: M3=30.9 kg

6.Analiza sarcinii axiale admisibile.

Având în vedere datele impuse în tema de proiectare, respectiv valoarea accelerației:

pe fază de accelerare: (m/s2)

pe faza de frânare: (m/s2)

coeficientul de frecare în ghidaje: µ=0.003

forța de frecare în ghidaje cu sania goală: f=15 N

se vor calcula valorile forțelor axiale pe diferitele faze ale ciclului.

– pe faza mișcării accelerate, înainte:

= 138.52 N

– pe faza mișcării uniforme, înainte:

= 17,025 N

– pe faza de frânare, înainte:

= -104,48 N

– pe faza mișcării accelerate, înapoi:

= -134.48 N

– pe faza mișcării uniforme, înapoi:

= -12.98 N

– pe faza de frânare, înapoi:

=108,52 N

Astfel, sarcina maximă axială aplicată șurubului este: Famax=Fa1=138.52 N;

Deoarece această valoare se situează mult sub valoarea admisibilă pentru un șurub cu diametrul arborelui de 25 mm (diametrul minor de 22,2 mm), rezultă că un șurub ales satisface condițiile propuse.

7. Verificarea șurubului la flambaj.

Ca urmare a faptului că piulița șurubului se afla întotdeauna înre cele două lagare ale șurubului, contribuind prin aceasta la creșterea rigidității la încovoiere a șurubului, pentru verificarea la flambaj se consideră modul de fixare a capetelor șurubului de tipul “încastrat – încastrat”. Astfel, se poate considera coeficientul k2=20 [xx]

Pentru diametrul minor al arborelui șurubului: d1=22,2 mm, și lungimea la între reazime șurubului de 900 mm, forța admisibilă la solicitarea de flambaj este:

= 59970 N. Verificarea este confirmată.

8. Sarcina admisibilă la solicitarea de compresiune – întindere:

Pentru k = 116 – coeficient ce tine de modul de rezimare a arborelui surubului.

P2= 116 x d12=57179 N. Verificarea este confirmată.

Pentru k = 116 – coeficient ce tine de modul de rezimare a arborelui surubului.

9. Calculul turație necesare pentru atingerea vitezei impuse:

Pentru datele deja cunoscute: d=25 mm, pasul p=5 mm, Vmax=0.25 m/s, rezultă: turația motorului Nmax=3000 rot/min.

10. Verificarea arborelui la turația critică:

Pentru metoda de montare a șurubului “încastrat – încastrat”, se adoptă λ2=15.1 (vezi A-696, catalog THK), diametrul minor d1-22,2 mm, și lungimea între suprafețele de montaj lb=900 mm, turația critică a arborelui șurubului este:

= min-1

Față de valoarea de regim a servomotorului de 3000 rot-1 , se consecintă corectă alegerea șurubului cu diametru d=25 mm, diametru minor d1=22.2 și pasul de p=5 mm. Pâna la turația de regim a servomotorului, șurubul se află mult sub pragul turației de rezonanță.

Selecția tipului și modelului piuliței.

Din catalogul producatorului THK se alege piulița WTF3040-2, care are capacitatea dinamică nominală Ca= 9.7 kN și capacitatea statică nominală: Coa= 22.6 kN.

Analiza sarcinii axiale admisibile.

În ipoteza că axa cinematică analizată este supusă în timpul funcționării unui regim la care apar de regulă șocuri dinamice pe faza de frânare, se adoptă coeficientul static de siguranță fs=2,5, obținandu-se sarcina axială permisibilă:

Din valorile de mai sus rezultă că, din punct de vedere a rigidității axiale, piulița aleasă satisface cu prisosință condiția de încarcare statică și dinamică a sistemului.

Calculul lungimilor de cursă

pe durata accelerării mișcării: mm

pe durata mișcarii uniforme: mm

– pe durata frânarii mișcării: mm

Tab. 5.1

În baza datelor obținute mai sus, legătura dintre mărimea deplasărilor pe fiecare fază de mișcare și forța aferentă este prezentată în tabelul de mai sus.

Deoarece din cele 6 valori de forță 3 sunt pozitive, iar 3 sunt negative, se vor calcula două valori medii a forței axiale:

N

N

Deoarece forțele medii rezultate din calcul, pentru cele două sensuri de mișcare, sunt aproximativ egale, rezultă că forța medie axială echivalentă este: Fm=Fm1=Fm2 = 42.47 N

Durabilitatea nominală:

Pentru capacitatea dinamică a piuliței șurubului Ca= 9.7 kN, factorul de încarcare dinamică fw=3 și sarcina medie echivalentă Fm=42,47 N, durabilitatea nominală a șurubului este: =44.1270 x 106 rotații.

Dacă se consideră ca un asemenea robot va funcționa la un regim mediu, în care sania mobilă nu execută mai mult de 10 curse duble pe minut, aplicându-se relația:

(h), (5.1)

în care:

L= 44.127 x 106 rotații (durabilitatea nominală )

N = 1500 rot-1 – turația medie a șurubului

n =10 cd/min

ls=0.800 m,

rezultă valoarea duratei de serviciu in ore, adică:

Lh=229.828 ore de funcționare, adică mult mai mare decât durata de serviciu propusă, care a fost de numai 30.000 ore.

15.Analiza deformației termice datorată variației temperaturii.

Considerand o variație a temperaturii cu 5oC pe durata de functionare zilnică a axei cinematice, în baza relației dilatației liniare a arborelui șurubului:

, pentru valorile numerice determinate anterior, rezultă o deformație liniară a arborelui șurubului de , valoare care se încadreaza în limita impusă de: 0,3/1000 mm.

16.Valoarea cuplului de frecare datorat frecarii în ghidaje este dat de relația: , (5.2)

Ph =5 mm fiind pasul, iar =0,85 radamentul șurubului cu bile.

Pentru mărimile determinate anterior, conduce la valoarea: T1=0,0146 N.m

17.Valoarea cuplului necesar accelarării mișcarii:

Cunoscand valoarea unitară a momentului de inerție al arborelui șurubului: 3,01 x 10-.cm2/mm, valoarea momentului de inerție a arborelui șurubului, cu lungimea de 900 mm, este:

Js=3,01 x 10-3 x 900=2,709 kg.cm2 , sau 2,709 x 10-.m2

Valoarea momentului de inerție redus la arborele motorului, datorat accelerării sarcinii și a arborelui șurubului, este:

= 41,218 x 10-4 kg.m2

Accelerația unghiulară a arborelui șurubului este:

= 2.512 rad/sec2

iar timpul de accelerare este: t1=Vmax/a=0.25/2=0,125 sec

În baza rezultatelor de mai sus, rezultă valoarea cuplului motor necesar accelerării:

= 41,218 x 10-4 x 2.512 = 10.35 Nm

În consecință, valoarea cuplui motor maxim trebuie să fie cel puțin egal cu valoarea cuplului motor necesar accelerării mișcării, adică Nm max 10.35 Nm.

19.Calculul valorii cuplului efectiv necesar acționării.

Având în vedere valorile de de cuplu cerute pe fiecare fază de mișcare, respectiv:

pentru mișcarea accelerată cu durata de 0.125 s: Ta=10,35 Nm;

pentru mișcarea uniformă pe durata de 0.75 s: T1=0.0146 Nm;

pentru mișcarea decelerată cu durata de 0.125 s: Td=10,35 Nm;

Rezulta valoarea cuplului efectiv:

, care dupa introducerea datelor conduce la valoarea: Tmn=5.175 Nm

În consecință, motorul ce va fi ales va trebui sa dezvolte un cuplu nominal în valoare de cel putin 5,17 Nm și un cuplu maxim de cel puțin 10,35 Nm pentru a putea accelera sarcina în intervalul de timp propus.

5.2 Selecția servomotorului de acționare a axei cinematice [www14]

Analizând oferta de servo-motoare DC a firmei Parker – Hannifin (SUA), conform prospectului de mai jos (fig. 5.3), a fost ales servomotorul de tip SMB 115 40 10 a caror date tehnice satisfac cerințele dianmice reultate din calcul (fig. 5.4), respectiv:

Cuplul motor de pornire: 10 (12,5) Nm;

Cuplul motor nominal: 7,6 Nm;

Cuplul motor de vârf: 32Nm;

Turația nominală: 400 rot-1;

Momenrul de girație propriu (varianta cu frâna): 10 Kg.cm2.

5.3 Calculul ghiadajelor liniare de rulare a modulului transversal Mly [Ble12a]

Pentru selecția si verificarea statică și dinamică a ghidajelor ce echipează modului de deplasare transversală, după axa OY, se va lua în considerare schema din figura 5.7 în care sunt reprezentate în vedere laterală cele trei unități funcționale ale robotului, precum și centrele masice M23și M3. Ghidajele modulului transversal Mly susține și asigură deplasarea liniară precisă a modulului vertical Mlz (brațul robotului), impreună cu suportul dispozitivului de lucru si unitatea Laser cu care acesta este cuplat.

În acest sens, se va lua în considerare numai masa supotului si a dispozitivului de lucru (unitatea LASER), ce este antrenata in mișcare vertical de catre sania brațului vertical: M3=30.9 kg.

În urma modelării 3D în softul CATIA, a rezultat și cotele ce definesc poziția centrului masic M3 față de planul ți axa ghidajelor, considerînd sania brațului vertical într-o poziție mediană, la mijlocul cursei sale.

Aceste cote sunt:

lx3= 320 mm; lz3=180 mm;

Luând în considerare schema de functionare si poziția saniei modulului față de cele două ghidaje, prezentate în figura xx4, considerănd că pentru aplicația propusă, brațul suport și unitatea Laser se află intotdeauna in planul median al saniei, din setul de relații aferente cazului general din fig. Xx3, introducân valoarea: l2=0 rezultă:

Pentru valorile: M3=30.9 kg, l1=0,2 m, lx3= 0,32 m, rezultă valoarea celor două tipuri de componente:

normală pe ghidaje: 247 N

laterală pe ghidaje: 77,25 N

Când două sau mai multe sarcini acționează simultan asupra ghidajului (de ex, o sarcină radială și o sarcină laterală – fig. 5.9) durata de serviciu și factorul static de siguranță sunt calculate utilizând valoarea sarcinii echivalente obținută prin convertirea tuturor sarcinilor într-o sarcină radială, laterală sau altă sarcină.

Modul de calcul a sarcinii echivalente PE este în funcție de tipul și modelul ghidajului, motiv pentru care trebuie consultat catalogul producătorului.

În cazul ghidajului analizat, sarcina echivalentă pe fiecare bloc mobil a saniei va avea valoarea: PE=247+77,5=324,5 N.

Deoarece pe durata deplasării verticale a saniei bratului vertical, ce antrenează suportul si dispozitivul de lucru (unitatea Laser), in functie de acceleratia de miscare in sus care este a=5 m/s2, forta echivalentă ce actionează asupra fiecărui bloc mobil este suma celor două componente: gravitațională și de inertie, rezultă expresia sarcinii medii pe fiecare bloc mobil:

Pentru valoarea a=5 m/s2,

Rezultă valoarea sarcinii medii de calcul: PC=1.190 N

In continuare se procedează la alegerea din catalogul THK a tipului si marimii ghidajuli (perechea coloană – bloc mobil a carui capacitate dinamica este mai mare decat sarcina medie calculată. Din catalogul THK, pag 119 se aleg ghidajele de tip NR 30R, prezentat în figura 5.10, care are următoarele performantestatice și dinamice:

Capacitatea dinamica nominală C=48,7 kN;

Capacitatea staică nominală Co=122 kN;

Momentele statice permisibile după cele 3 axe:

MA=1,26 kN.m

MB=0,778 kN.m

MC=1,47 kN.m

Din analiza datelor extrase din catalog, rezultă ca ghidajul ales satisface pe deplin conditiile rezultate din calculele efectuate.

Calculul durabilității nominale

Durata de serviciu a unui sistem de ghidaje este determinată de de condițiile de operare, motiv pentru care este necesară în primul rând definirea durabilității nominale. Prin durabilitatea nominală se înțelege distanța totală parcursă de blocurile mobile, până când la cel puțin 90 % din grupurile de unități similare supuse testului de uzură, în condiții identice de funcționare și de încarcare, nu ating situația de uzură vizibilă: exfolieri, ciupituri, pe cel mult 2% din suprafața căilor de rulare active, interne blocurilor mobile.

Relația de calcul a durabilității nominale, în cazul ghidajelor cu bile este:

L=, (km) în care: (5.2)

L = durabilitatea nominală, masurată prin distanța totală parcursă de blocul mobil

C – capacitatea dinamică nominală (N)

PC – sarcina medie de calcul (N)

fH – factorul de duritate

fT – factorul de temperatură

fC – factorul de contact

fW – factorul de sarcină

Pentru conditiile de lucru ale robotului și caracteristicile mecanice a ghidajului ales, cei 3 coeficienți vor avea valorile:

fH=1; fT=1; fT =1, fC=1 ; fW=2,5

Cu valoarea sarcinii medii de calcul: PC=1.190 N;

Rezulta valoarea durabilității nominale (km):

L=184.310 km

Pe baza durabilității nominale, se poate determina durata de serviciu (in ore), pe baza relației:

LH=, (5.3)

relație valabilă pentru ambele tipuri de ghidaje, în care:

LH – durata de serviciu (h)

Ls – lungimea cursei (mm)

n1 – numarul de curse duble pe minut (min-1)

Pentru aceleași date ca în cazul șurubului cu bile, a cărui durată de serviciu a fost determinată în etapa anterioară,

n =10 cd/min

ls=0.600 m,

rezultă valoarea duratei de serviciu in ore, adică:

Lh=255.106 ore de funcționare, adică mult mai mare decât durata de serviciu propusă, care a fost de numai 30.000 ore.

Din calculele efectuate mai sus rezultă ca alegerea tipuluim si a marimii ghidajelor este conforma.

5.4 Simularea robotului de tip gantry in Catia V5R21

Fig. 5.11 Simularea robotului

Dupa asamblarea tuturor parților componente a robotului s-a realizat simularea acestuia in DMU Kinematics din softul catia.

Capitolul 6. Concluzii

Proiectarea in inginerie este activitatea intelectuala de creație prin care se urmareste obținerea de produse noi, cu performanțe ridicate. Pentru acesta in proiectare se urmaresc optimizarea din punct de vedere principial, funcțional, tehnologic si constructiv.

Proiectarea constructivă ca etapa dinstinctă pornind de la schema structural-functională si de la analiza cerințelor, urmarește stabilirea formelor si dimensiunilor tuturor componentelor sau subsistemelor constructive componente care asigura indeplinirea funcțiilor in cadrul produsului.

Lucrarea de fata structurata in 6 capitole, este o incercare de tratare structurală a activitaților de proiectare constructivă a sistemelor mecanice, pe baza de aplicații practice din domeniu roboților industriali de tip gantry.

Prin proiectarea robotului 3D am invatat multe lucruri despre acest soft pana am ajuns la faza de asamblare. Catia este un program foarte bine structurat. Alegerea parților din tabele standardizate au si ele etape de calcul pentru alegerea corectă a lor.

Robotul de tip gantry a fost conceput pentru a debita, prelucra si a suda cu ajutorul end-efectorului cu laser.

Bibliografie

[Arg03] Arghir, M., Ispas, Virgil, Ispas, Viorel, Metodă energetică de optimizare constructivă a roboților seriali de tip modular. Conferința Internationals TMCR 2003

[Ble03] Blebea, Ioan, Viorel, Ispas, Adrian, Vasile, Blebea, Ingineria roboților modulari suspendați : elemente structurale, modelare mecanică, soluții constructive, Cluj-Napoca : U.T.Press, 2013.

[Ble10] Blebea, I., Blebea, A.V. A practical algorithm for appropriate choosing the size harmonic gearhead for robotic applications, Acta technica napocensis, series: Applied Mathematics and Mechanics, nr.53, Vol III, pg.387-392, Cluj-Napoca 2010.

[Ble11] Blebea, I., Blebea, A.V., Soluții moderne în construcția roboților industriali. Editura U.T.PRESS, ISBN 978-973-662-609-8, Cluj-Napoca, 2011.

[Ble12a] Blebea, A.V. Contribuții la calcului și construcția roboților industiali seriali tip Gantry, cu acționare electrică. Teză de doctorat. Univ. Tehnică din Cluj-Napoca, 2012.

[Ble95] Blebea, I., Ispas, V. Calculul și construcția roboților industriali, Editura Dacia, Cluj-Napoca, 1995.

[Ble97] Blebea, I., Ispas, V. Proiectarea roboților industriali, Centrul de multiplicare al Universității Tehnice, Cluj-Napoca, 1997.

[Cha09] Chang C.C., Wang C.C., & oth. A Theory of Ball-screw Thermal Compensation. Proceedings of the Internațional MultiConference of Engineers and Computer Scientists, Vol II IMECS, March 18 – 20, 2009, Hong Kong.

[Gaf85] Gafitanu, M., s.a. Rulmenți. Proiectare și tehnologie, vol.1 și II. București, Ed. Tehnică, 1985.

[Ola05] Olaru, D., Puiu, G. C., Balan, L. C. and Puiu, V. A New Model to Estimate Friction Torque în a Ball Screw System. Technical University "Gh. Asachi" of Iași, 2005

[Buu90] Buur, J., A Theoretical Approach to Mechatronics Design. Institute for Engineering Design, Technical University Denmark, Lyngby, 1990.

[Car84] Cariapa, V., Modular Robots-Robots of the Future, Robotics and Factories of the Future. Proc. of Internațional Conference, Charlotte USA, Springer-Verlag, Dec. 1984.

[Cha09] Chang C.C., Wang C.C., & oth. A Theory of Ball-screw Thermal Compensation. Proceedings of the Internațional MultiConference of Engineers and Computer Scientists, Vol II MECS, March 18 – 20, 2009, Hong Kong.

[Col10] Collins, J., A. Busby, H., R. Staab, G.H. Mechanical Design of Machine Elements and Machines. John Wiley & Sons Inc. 2010.

[Cur08] Curteanu, S. Inițiere in Matlab. Polirom, Iași, 2008.

[Det07] Deteșan, O., Cercetǎri privind modelarea, simularea și construcția miniroboților. Tezǎ de doctorat, Universitatea Tehnica din Cluj- Napoca, 2007.

[Dor94] Dorf, R.C., Husiak, A. Handbook of Design, Manufacturing and Automation. John Wiley & Sons, inc. 1994.

[THK11] THK Catalogue, 2011

[www 01] http://www.linearmotiontips.com/when-do-you-need-a-gantry-robot/

[www 02] http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-73862002000200001

[www 03] http://www.directindustry.com/cat/robotics/cartesian-robots-gantry-robots-AM-619-_5.html

[www 05] http://www.techno-isel.com/Tic/TicDesign3.htm

[www 06] http://de.animatics.com/supports/knowledge-base/actuators-kb/multi-axis-systems.html

[www 07] http://www.aerotech.com/product-catalog/gantries/ags1000.aspx

[www 08] http://www.quin.co.uk/brands/bahr-positioning-systems/

[www 09] http://xyzgantry.com/xyzgantry/xyzgantry.htm

[www 10] http://www.alibaba.com/product-detail/servo-motor-Grantry-robot-Gantry-customize_60104871851.html

[www 11] http://www.cnc-step.it/it/

[www 12] https://www.acorn-ind.co.uk/_assets/documents/Linear-resources/thk-general-catalogue.pdf

[www 13] http://www.haaslti.com/laser-components/laser-cutting-trepan.html

[www 14] http://www.parker.com/literature/Electromechanical%20Europe/Literature/192_063003_NV_Series_Catalog.pdf

[www 15] http://www.industrial-gp.ro/ro/rulmenti-radial-axiali-cu-bile-pe-un-rand-skf/rulment-skf-7304-becbm.aspx?page=1

[www 16] http://www.skf.com/group/products/bearings-units-housings/ball-bearings/angular-contact-ball-bearings/single-row/index.html?prodid=1210020201&imperial=false

[www 17 ] http://www.macrondynamics.com/job-stories/gantry-systems-overview

[www 18 ] http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-73862002000200001

[www 19 ] http://www.myostat.ca/ballscrew-actuator

[www 20] http://www.alibaba.com/product-detail/xy-gantry-robot-with-servomotor-ball_1653873152.html

[www 21 ] http://www.directindustry.com/cat/robotics/cartesian-robots-gantry-robots-AM-619-_5.html

[www 22 ] http://www.thk.com/?q=eng/node/230

[www 23 ] http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/Geometria-angrenajelor-conice44931.php

[www 24 ] https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_screw#Accuracy

[www 25] http://machinedesign.com/linear-motion/importance-ballscrew-end-fixity

[www26 ] https://www.khkgears.co.jp/khkweb/search/sunpou.do?indexCode=45&lang=en

29 www.gantry-crane.org

30 www. parker.org/

OPIS