Cinematica Mecanismelor din Compunerea Roboților

INTRODUCERE

Lucrarea de licentă analizează cinematica mecanismelor din compunerea roboților, bazele teoretice ale dinamicii roboților industriali și structura unui sistem mecatronic de micropozitionare utilizat în operații de manipulare în vederea optimizării și corectării performanțelor.

Există foarte multe definiții ale robotului, el reprezentând un automat universal, destinat realizării unor funcții motoare sau intelectuale ale omului. Printre diferitele clase de roboți,una dintre cele mai importante o reprezintă roboții manipulatori, între care sunt roboții industriali.

În construcția sistemului de conducere a roboților industriali și a celulelor de fabricație flexibilã se impune aplicarea unor tehnici ale inteligenței artificiale pentru realizarea nivelelor ierarhice superioare și a unor tehnici avansate de control predictiv, în materializarea nivelului ierahic inferior.

Un robot industrial este un echipament care nu funcționeazã în mod izolat, acesta lucreazã împreunã cu alți roboți și/sau mașini unelte, benzi transportoare,astfel ajungându-se la noțiunea de celulã flexibilã de fabricație. Dacã acest termen este acceptat și folosit deseori împreunã cu acela de sistem de tip CIM (Computer Integrated Manufacturing), conducerea și optimizarea funcționãrii unei celule de fabricație încã este o problemã deschisã. Pentru obținerea flexibilitãții în utilizare, împreunã cu autonomia și siguranța în funcționare, se cere o abordare unitarã a unei celule de fabricație robotizatã, care sã îmbine elementele de automaticã și cele de inteligențã artificialã (IA).

În lucrarea de licență,am propus următoarele obiective:

– Analiza acționării și structurii a unui robot industrial în vederea implementării în procesele de fabricație;

– Prezentarea unui robot industrial ;

– Optimizarea constructiv funcțională a unui sistem mecatronic de micropozitionare utilizat în operații de manipulare;

– Programarea pentru operațiuni de manipulare a unor obiecte;

– Planificarea dinamicii robotului în coordonate carteziene și generarea traiectoriilor ce unesc două puncte ale spațiului de lucru;

– Realizarea conducerii simultane a articulațiilor sistemului mecatronic de micropozitionare utilizat în operații de manipulare cu motoare electrice pas cu pas;

CAPITOLUL 1

CERCETĂRI ACTUALE ÎN ANALIZA

ROBOȚILOR INDUSTRIALI

1.1 Aplicații și scurt istoric al roboților neindustriali

Primele cercetări în domeniul roboticii au fost inițiate începând cu anul 1960. Dupa un avânt substanțial al aplicațiilor roboticii în domeniul industrial, cu precadere în industria automobilelor, după 1990 s-au conturat multiple aplicatii in domeniile neindustriale (nemanufacturiere).

Această dezvoltare, chiar spectaculoasă, în direcția aplicațiilor neindustriale justifică trecerea în revistă a principalelor subdomenii în care roboții nemanufacturieri sau roboții de serviciu își pot gasi aplicabilitate.

1.2 Clasificarea roboților industriali.

Definiții, domenii de utilizare, evoluție

Robotul este un sistem automatizat de înalt nivel al cărui principal rol este manipularea pieselor și uneltelor, substituind acțiunea umană.

Aplicații principale în care folosirea roboților industriali are avantaje evidente:

– sudură prin puncte sau pe contur;

– operațiuni de ansamblare;

– vopsire;

– turnarea în matrițe a pieselor mari;

– controlul calității;

– manipularea substanțelor toxice, radioactive;

Robotul industrial este definit ca fiind un manipulator tridimensional, reprogramabil, multifuncțional, , capabil să deplaseze materiale, unelte,piese sau aparate speciale după traiectorii programate, în scopul realizării unor operații multiple de fabricație. Pentru diferitele componente ale roboților industriali (fig. 1.1.), s-au definit termeni specifici preluați din literatura anglo – saxonă.

a. b.

Fig. 1.1 Roboți industriali tip manipulator

1.2.1 Clasificarea manipulatoarelor și roboților pe generații

Clasificarea pe generații folosește ca și criteriu principal capacitatea mașinii de percepere și interpretare a semnalelor din mediul extern și de adaptare la mediu în timpul procesului de lucru. Se cunosc următoarele tipuri de manipulatoare:

– manipulatoarele manuale (prima generație);

– manipulatoare automate (generația a doua);

– manipulatoare inteligente (generația a treia);

– roboții industriali din prima generație sunt manipulatoare de tip automate programabile, având cel puțin 3 axe (dintre care cel puțin 2 axe sunt programabile prin învățare sau printr-un limbaj de programare);

– roboții industriali din generația a doua;

– roboții industriali din generația a treia au încorporați senzori inteligenți și folosesc elemente de inteligență artificială;

– roboții inteligenți sunt dotați cu programe de inteligență artificială complexe, au capacitate de autoinstruire.

În principiu,roboții industriali folosiți în prezent sunt din generația 1 și 2. În funcție de scara evolutivă a nivelelor de automatizare,roboții industriali se clasifică în:

1.2.2 Clasificare pe categorii

Din perspectiva relației om-robot în timpul desfășurării lucrului roboților, acestia se impart in trei categorii:

• Roboți automați,

• Roboți biotehnici,

• Roboți interactivi.

În cazul robotior comandați pas cu pas, prin acționarea de către operator a unui buton sau manetă, este pus în funcțiune unul din gradele de mișcare ale robotului. Roboții master-slave sunt formați din două lanțuri cinematice deschise, primul lanț (master) are mișcarea comandată de operatorul uman, iar al doilea (slave) copiază la scară această mișcare și efectuează operațiile de manipulare pentru care este întrebuințat robotul. În alte cazuri, legătura dintre master și slave este indirectă, prin teletransmisie. În ambele cazuri, operatorul uman trebuie să supravegheze tot timpul mișcarea elementului manipulat de slave,printr-o fereastră sau pe un ecran display.

În cazul roboțiior biotehnici semiautomați, operatorul uman este impilcat nemijlocit în procesul de comandă, iar în acelasi timp cu el acționează și un calculator universal sau specializat. Semnalul de comandă la aceste sisteme este realizat de operatorul uman, de obicei printr-o manetă de comandă ce are 3-6 grade de mișcare. Semnalul obținut prin acționarea manetei după un grad de mișcare este recepționat de calculator, care calculează și formează semnalele de comandă pentru fiecare grad de libertate al organului de execuție al robotului.

Roboții ce acționează în medii industriale,au primit denumirea de roboți industriali. În principiu, aceștia sunt roboți automatizați și în cazuri excepționale se utilizează în industrie și roboți biotehnici sau interactivi. Sunt răspândiți,de obicei, roboții programați și, mai puțin cei adaptivi. Roboții inteligenți se află în faza experimentală în laboratoare sau aplicații la unele operații de montaj automat.

1.3 Domeniul inteligenței artificiale (IA)

Se consideră că obiectul IA se referă la mijloacele prin care poate fi copiată inteligența umană cu ajutorul calculatoarelor electronice și a programelor performante.

Cu privire la inteligența artificială,considerăm că:

Inteligența Artificială este domeniul de studiu care are ca și scop să explice și să formeze comportamentul inteligent în termenii proceselor de calcul;

IA este de natură interdisciplinară care include știința calculatoarelor, matematica, psihologia proceselor cognitive etc.

Din punct de vedere ingineresc,Inteligența Artificială studiază generarea reprezentărilor procedurilor care,în mod automat și autonom,pot fo rezolvate numai de om;

Obiectul IA reprezintă abordarea inteligenței ca pe un calcul fezabil.

O definiție operațională a inteligenței artificiale este Testul Turing.Acesta constă într-o discuție (conversație prietenească – chat), la distanță, între un om (operator) și un calculator. Calculatorul se consideră inteligent dacă, la sfârșitul testului,operatorul nu poate spune dacă a comunicat cu un alt operator uman sau cu o mașină.

Deducem următoarele concluzii:

IA poate fi descrisă ca un domeniu al informaticii care se ocupă cu proiectarea și realizarea sistemelor ce sunt în măsură să construiască funcții ale creierului uman, precum învățatarea din experiență, înțelegerea limbajului natural sau folosirea unui raționament pentru soluționarea problemelor;

este mai simplu de exprimat ce trebuie să îndeplinească mașinile inteligente decât descrierea a ceea ce trebuie să fie ele;

structura sistemelor biologice este încă foarte diferită de structura arhitecturală a calculatoarelor

comportamentul inteligent se definește prin:

– flexibilitate – capacitatea de adaptare la condiții noi;

– feed – back (reacție) – posibilitatea de a confrunta rezultatele acțiunilor cu așteptările și apoi editarea corespunzătoare a acțiunilor;

– memoria – pentru stocarea informațiilor în scopul utilizării ulterioare.

1.4 Roboți mobili

Elaborarea roboților autonomi este unul din obiectivele esențiale ale roboticii. Acest tip de roboți ar putea accepta o descriere firească – formală – (de nivel înalt) a task-urilor de îndeplinit și executarea comenzilor fără intervenția umană. Sarcinile de lucru vor preciza ce dorește utilizatorul și nu cum să ruleze comenzile. Roboții care pot indeplini aceste operații vor fi dispozitive mecanice avansate, dotate cu senzori de percepere a mediului și aflate sub controlul unui calculator.

Două aspecte importante care trebuie luate în vedere atunci când lucrăm cu un robot mobil sunt orientarea într-un mediu total necunoscut, folosind senzori pentru detectarea obstacolelor și comunicația cu un calculator aflat la distanță

Fără senzori, roboții nu ar putea executa decât sarcini fixate dinainte, repetând in buclă operațiile ce le are de realizat.Dotați cu senzori, roboții au capacitatea de a efectua lururi mult mai complexe.

Problemele specifice ce apar la roboții mobili sunt următoarele:

evitarea impactului cu obiectele staționate sau în mișcare;

determinarea poziției și orientării robotului pe teren;

inițializarea unei traiectorii optime de mișcare.

În cazul unui sistem automat distribuit,pozițiile spațiale sunt fundamentale și de ele depinde îndeplinirea sarcinilor dorite și funcționarea sistemului. Altfel spus, robotul trebuie să fie în măsură să-și organizeze mișcările, să poată decide automat ce mișcări să opereze pentru îndeplinirea sarcinilor, în funcție de aranjamentul momentan al obiectelor din spațiul de lucru.

Organizarea mișcărilor nu constă dintr-o problemă unică și eficient determinată, ci dintr-un sistem de probleme dintre care unele sunt, într-un fel sau altul,variante ale celorlalte.

Evitarea intersectării cu obstacole fixe sau mobile (de exemplu alți roboți) aflate în raza de actionare a robotului,se poate realiza prin următoarele metode:

– construirea unei apărători mecanice care,prin deformare,oprește robotul, folosirea senzorilor care măsoară distanța până la obstacolele de pe direcția de deplasare,

– folosirea senzorilor de proximitate,

– folosirea informațiilor corelate de la mai multe tipuri de senzori.

Depistarea obiectelor se poate efectua și prin contact fizic, dar aceasta presupune restricții asupra vitezei de deplasare a structurii manipulate. Contactul fizic dintre robot și obiectele din mediu creează forțe de reacțiune care modifică starea robotului. Dacă vitezele de mișcare sunt ridicate, în urma unui contact fizic cu obiectele manipulate sunt riscante (pot duce la deteriorarea obiectelor sau a robotului).

Sistemul senzorial mai poartă și denumirea de sistem de măsurare. Acesta asigură măsurarea unor mărimi fizice și chiar perceperea unor modificări semnificative a mărimilor.

1.5.3 Laborator de fabricație asistată de calculator

Extinderea unor cercetări legate de conducerea inteligentă și optimală a unui sistem flexibil de fabricație și evidențierea metodelor și algoritmilor într-un sistem informatic integrat pentru conducerea fabricației a dus la fabricarea unui sistem integrat de laboratoare pentru studiul domeniului fabricației asistate de calculator.

În realizarea studiilor teoretice despre analiza si optimizarea sistemelor de fabricatie se cere:

– formarea sistemului de fabricatie din laboratorul de fabricatie asistata de calculator ca un SED;

– cercetari privind programarea robotilor industriali;

– cercetari privind conducerea asistata de calculator a masinilor unelte;

– dezvoltarea unui sistem de supraveghere artificiala pentru conducerea a unui sistem flexibil de fabricatie;

– cercetări privind utilizarea sistemelor expert in planificarea si monitorizarea unui sistem flexibil de fabricatie.

Un laborator de fabricație asistată de calculator are următoarea organizare:

Fig. 1.8. Arhitectura sistemului de fabricație flexibilă

1. Robot industrial (IRB 1400), 2. Robot industrial (IRB 2400), 3. Mașină unealtă cu comandă numeric (EMCO PC Mill 55 CNC), 4. Sistem de vedere artificială (OptiMaster), 5. Conveior, 6. Magazie piese finite, 7. Magazie piese brute, 8.Buffer piese, 9.Controler Robot (IRB 1400), 10. Controler Robot (IRB 2400)

1.5.4 Analiza și modelarea sistemelor cu evenimente discrete

1.5.4.1 Rețele Petri

Retelele Petri reprezintă o categorie separată de grafuri. Un graf este complet explicat dacă se știu mulțimile nodurilor si arcelor acestuia. Diferența dintre un graf și o rețea Petri este reprezentată de faptul că, în cazul celei din urmă, mulțimea nodurilor este substituită cu două mulțimi disjuncte :

– mulțimea locurilor , i = 1, …, n -reprezentate prin cercuri;

– mulțimea tranzițiilor , j = 1, …, m -reprezentate prin bare verticale sau prin pătrate.

Arcele unei retele Petri au un singur sens. Un arc nu poate lega decât fie o tranzitie de un loc, fie un loc de o tranzitie. La o tranziție sau la un loc pot sosi mai multe arce, iar de la o tranzitie sau de la un loc pot pleca de asemenea mai multe arce. Un loc și o tranziție pot fi unite prin maxim un arc. Structura unei rețele Petri este complet definită de cele trei mulțimi precedente: a locurilor, a tranzițiilor și a arcelor.

Fig. 1.9. Retea Petri cu trei locuri și trei tranziții

În fig. 1.9 toate arcele au evaluare unitara, cu excepția arcelor de la T2 la P3 și de la T3 la P1, care au evaluarea 2:

a() = a() = a() = a() = a() = 1;

a() = a() = 2. (1.3)

Matricea de incidență a rețelei din fig. 1.9 este

, (1.4)

unde elementele și au valori nule deoarece intre locul și tranziția , ori intre locul și tranziția nu există nici un arc; și au valori negative fiindcă tranzițiile respective sunt tranziții de ieșire ( și sunt tranziții de iesire din iar este tranziție de iesire din și ).

Marcajul rețelei din fig. 1.9. este M = (2, 1, 0), deoarece locul contine 2 jetoane, locul conține un jeton iar locul nu conține nici un jeton.

1.7 Planificarea mișcărilor robotului industrial

Robotul fiind o mașină cu abilități în mișcare și/sau de manipulare,una din cele mai importante probleme de rezolvat este de a îi planifica mișcările, ceea ce implică modelarea spațiului de lucru, cu obstacolele pe care le conține, și a robotului, ca entitate de formă complexă și variabilă.

Planificarea mișcărilor poate fi considerată ca problema realizării algoritmilor pentru a calcula automat o traiectorie continuă pentru o mulțime de lucruri (posibil legate) astfel încât să se deplaseze de la o poziție la alta evitând coliziunile cu alte obiecte fixe sau având mișcare proprie.

Pentru un robot cu bază fixă problema se poate formula mult mai simplu daca optăm pentru o traiectorie ferită de coliziuni pentru brațul robotului, între două poziții, în cazul unui spațiu închis.

Reprezentarea parametrică

Reprezentarea parametrică tratează reprezentarea parametrică a curbelor și suprafețelor, evidentiând modul de abordare a reprezentării curbelor Bézier și B-spline, precum și realizarea porțiunilor de suprafață pe baza acestor tipuri de curbe.

O curbă parametrică este definită printr-o mulțime discretă de puncte cunoscute ca puncte de control împreună cu un set de funcții de bază.

Această metodă de specificare a curbei este diferită față de cea matematică normală, care are forma unei funcții implicite.

Cercetări recente sunt orientate spre:

Reprezentarea parametrică a curbelor tridimensionale:

– curbele cubice Bézier

– unirea segmentelor de curbe cubice Bézier

– curbele B-spline, uniforme și neuniforme;

Reprezentarea suprafețelor cubice biparametrice:

– combinarea porțiunilor de suprafață Bézier

– porțiuni de suprafață B-spline

– editarea suprafețelor parametrice

Reprezentarea parametrică a suprafețelor de lucru proprii ale roboților prin utilizarea Matlab:

– funcții folosite în programele Matlab scrise pentru generarea reprezentărilor grafice;

– modelarea suprafețelor descrise de efectorul final

Program de calcul pentru trasarea curbelor Bezier

Parametrii curbei

unde x și y sunt coordonatele punctelor de control.

Pentru variația se obține următoarea reprezentare grafică a curbei Bezier:

Fig. 1.14 Curbă Bezier

DESCRIEREA GENERALĂ A SISTEMULUI MECATRONIC DE MICROPOZIȚIONARE

Modelul experimental de sistem mecatronic pentru micropoziționări a fost conceput, proiectat și realizat în manieră modulară și se află în laboratorul INCDMTM București.

În vederea realizării modelului virtual al sistemului mecatronic flexibil de micropoziționare, a fost stabilită tema tehnică a lucrării, cu caracteristicile tehnice, schema modelului experimental al sistemului mecatronic (figura 1), ciclograma de funcționare (tabelul 1).

În figura 1 este redat schematic modelul experimental al sistemului micromecatronic, cu evidențierea elementelor componente ale acestuia.

Figura nr.1 Schema modelului experimental al sistemului mecatronic

Componența sistemului mecatronic:

1 și 10 – motoare de curent continuu
2 și 8 – axe liniare
3 și 9 – sănii axe liniare
4 – griper electric
5 – degete profilate
6 – piesa
7 – senzor de temperatură
11 și 11’ – alimentare
12 și 12’ – controlere

13 – senzor prezență piesă.

Caracteristici tehnice ale sistemului mecatronic de micropoziționare:

masa de lucru: 1250x780x750 (mm)

cursa săniilor: 0 ÷ 200 mm pe x și pe z

sarcina de transport: pe x 100 ÷ 200 N , pe z este 25 ÷ 50 N

precizia de poziționare : ± 0,00025 mm;

griper (electric, cu două degete) cu posibilitatea prinderii și poziționării reperelor de până la 0,5 kg.

alimentare electrică 220 V.c.a./50 Hz; (15V- CC motoare, 24V- griper și controller.

În tabelul 1 este redată ciclograma de funcționare a sistemului de micropoziționare.

Tabelul 1. Ciclograma de funcționare a sistemului de micropoziționare

Schema cinematică a sistemului mecatronic de micropoziționare

În figura 2 se prezintă schema cinematică a sistemului mecatronic de micropoziționare.

Figura nr. 2 Schema cinematică a sistemului mecatronic de micropoziționare

Partea principală a sistemului mecatronic o constituie sistemul de micropoziționare, format din două axe liniare, acționate electric.

Axe liniare electrice model M403- 8PD

Cele două axe liniare ale sistemului de micropoziționare sunt conectate la două controlere model C-863.10; cursa liniară pentru fiecare axă de poziționare este de 200 mm.

Acționarea axelor liniare este asigurată de motoare de curent continuu, iar transmisia de tip șurub – piuliță asigură siguranța și precizia de poziționare.

În figura 3 este prezentată o axă liniară, cu evidențierea elementelor sale componente.

Figura nr. 3 Axă electrică liniară

Elementele componente ale axei liniare:

Motor de curent continuu

Șurub antrenare –

Platforma axei mecatronice – z/x

Senzor poziționare

Cablu conectare la controler

Axele liniare de precizie submicronică au curse liniare limitate pentru evitarea cumulării erorilor.

Flexibilitatea sistemului rezidă din posibilitatea de montare a celor doua axe electrice atât în planul orizontal cât și în planul vertical; erorile de deplasare sunt corectate prin software-ul specific.

Montajul axelor liniare electrice

Prin proiectare, axele M-403 sunt destinate pentru o singură axă de poziționare, montate orizontal sau vertical.

Pentru a atinge precizia specificată de ghidare și pentru a evita torsiunea ghidajelor, axele trebuie să fie montate pe o suprafață plană.

Montajul axelor liniare electrice a fost realizat prin așezarea reciprocă, astfel încât să se materializeze cele două axe de deplasare, în plan vertical, x-z (figura 4).

Figura nr. 4.– Montarea și asamblarea celor două axe mecatronice liniare în plan orizontal

z

x

Figura nr.5 – Montajul și asamblarea axelor liniare mecatronice în plan vertical

Axa liniară x este fixată cu șuruburi și piulițe în canalele “T“ ale mesei de lucru, așa cum poate fi observat în figura 6.

Figura nr. 6 Fixarea axei orizontale, cu șuruburi si piulițe în canalele “T” ale mesei de lucru

Axa liniară Z a fost montată pe masa axei X, în poziție verticală, prin intermediul unor șuruburi (șuruburi 6 M4 x 30 și 4 M6 x 2) (figura 7).

Figura nr.7 – Asamblare axe liniare în plan vertical

Pentru realizarea sistemului de poziționare, cele două axe liniare sunt montate în plan vertical formând un sistem cartezian XZ (figura 7, figura 8).

Axele electrice liniare transformă mișcarea de rotație a motorului de curent continuu, alimentat la 24 V, în mișcare de translație prin mecanismul de tip șurub – piuliță, incrementul de deplasare fiind 0,2 µm.

Figura nr.8

Axele electrice liniare sunt precis prelucrate, cu ghidaje de înaltă precizie, încastrate în suport de aliaj de aluminiu pasivat, având stabilitate ridicată cu o greutate minimă, permițând deplasări de 25 ÷ 200 mm.

Ghidajele cu rulmenți liniari cu bile recirculabile, asigură o mare rigiditate sistemului; platformele axelor liniare pot transporta până la 20 kg și împinge/trage de până la 50 N.

Pentru protecția echipamentelor, pe sanie sunt montați senzori non contact cu efect Hall, senzori ce oferă oportunități de automatizare de înaltă precizie.

Funcționarea corectă a axei liniare este posibilă numai în combinație cu un controler și software-ul adecvat.

Cele două axe liniare ale sistemului de micropoziționare sunt conectate la două controlere (figura 9) model C-863.10; cursa liniară pentru fiecare axă de poziționare este de 200 mm.

Figura nr. 9 Controlerele celor două axe electrice liniare

Dispozitivul de control a fost selectat astfel încât să fie capabil să citească și să proceseze semnalele de referință și senzorii de limită și să codifice poziția incrementală pentru a asigura performanța corespunzătoare a sistemului de servo-control.

Senzor inductiv prezență piesă

Pentru siguranța mișcării săniilor electrice liniare, sunt utilizate grupuri de senzori cu efect Hall, ce informează despre poziția unui obiect în raport cu un punct de referință.  

Senzor de temperatură

Deoarece precizia de poziționare este de mărime submicronică, se utilizează un senzor de temperatură, montat în apropierea sistemului (figura 10).

Senzorul de temperatură este inclus în circuitul de comandă, pentru a se putea avertiza sau opri sistemul în cazul depășirii temperaturii mediului ce ar putea compromite precizia.

Senzorul, neavand piese in mișcare fiabilitatea creste foarte mult in comparatie cu alte tipuri de senzori electromecanici și in plus poate fi protejat adecvat

Figura nr. 10

Griper electric

Griperul electric LEHZ 32K2-22 s-a asamblat pe masa axei verticale prin intermediul unei piese de legatura (figura 11)

.

Figura 11- Gripperul LEHZ 32K2-22, conectat cu controller, asigura incarcarea-descarcarea automata a pieselor

Griperul electric și conexiunile cu PLC și controler sunt prezentate în figura 12.

Figura nr. 12 Griperul electric și conexiunile electrice

Griperul electric este montat pe sania verticală a sistemului mecatronic de micropoziționare. Acesta asigură prinderea piesei în vederea micropoziționării, permițând susținerea unei piese având masa de până la 0,5 kg. Degetele griperului vor fi individualizate dupa forma reperelor ce urmează a fi poziționate.

Griperul electric cu două degete poate fi montat în diverse poziții, așa cum este evidențiat în figura 13.

Figura nr. 13 – Griper – montaj

Griperul electric ce echipează sistemul flexibil de micropoziționare cu axe liniare electrice și comandat prin controler, oferă la ieșire o forță constantă de circa 50N, aplicată la o anumită distanță de punctul de aplicare, față de baza degetelor.

Variația acestui punct atrage, în consecință, o variație a forței, care în funcție de încărcarea motorului se prezintă ca în figura 14.

Figura nr. 14. Variația forței de prindere în funcție de punctul de aplicare al griperului

Pentru a asigura poziționarea și strangerea piesei transportate, bacurile griperului au fost adaptate prin montarea unor degete profilate.

Figura nr. 15 – Griper electric LEHZ 32K2-22

Figura nr. 16 Microgriperul electric cu două degete

Masa de lucru a sistemului mecatronic de micropoziționare

Pentru realizarea structurii de amplasare a sistemului mecatronic de micropoziționare, s-a optat pentru alegerea profilelor de aluminiu 45×45 mm, datorită avantajelor pe care le conferă acest material, astfel: aluminiul este un metal ușor, cu o densitate de 2,7 g/cm3, este impermeabil, non-toxic și lipsit de miros, are capacitate mare de reflexie, este un bun conducător electric și termic, este un metal ductil și maleabil. O altă proprietate importantă a acestui metal este rezistența la coroziune și nu în ultimul rând, este un material 100% reciclabil (poate fi reciclat fără a-și degrada proprietățile, cu un consum redus de energie; consumul de energie pentru obținerea aluminiului recuperat este mai redus decât pentru producerea aluminiului primar, motiv pentru care procedeul este considerat mai favorabil mediului).

Posibilitatea de montare și demontare rapidă a profilelor de aluminiu a permis realizarea mesei de lucru a sistemului mecatronic de micropoziționare prin operații tehnologice constând din: debitări, ajustări și asamblări, astfel:

blatul mesei (figura 17) este compus prin asamblarea unor profile cu canale “T“, pentru fixarea unor subansamble componente ale sistemului:

Figura nr. 17 – Blat masă

structura (scheletul mesei) este obținută prin operații de montaj ale profilelor din aluminiu 45×45 mm, debitate la dimensiunile precizate în proiect. Montajul se realizează prin elemente de legătură și fixare, șuruburi – piulițe.

Figura nr. 18 – Profil aluminiu 45×45 mm, cu șurub asamblare

Pentru a asigura mesei o stabilitate pe pardoseală, s-au montat în extremitățile inferioare ale celor patru montanți suporți cu tălpi flotante, reglabile pe verticală, realizate din oțel cromat.

De asemenea, pentru ca masa de lucru să poată fi deplasată ușor, au fost prevăzute roți. Prin reglarea suporților cu tălpi prin care se anulează contactul acestora cu suprafața orizontală de sprijin, roțile preiau acest contact, permițând deplasarea mai ușoară a mesei.

Figura nr. 19 – Montaj combinat: suporți reglabili, cu tălpi flotante și roți

Figura nr.20 Masa de lucru a sistemului mecatronic de micropoziționare

Cutia electrică de comandă

Figura 21 prezintă cutia electrică de comandă. La partea superioară sunt montate cele două controllere ale axelor liniare ce formează sistemul xz și cele patru alimentatoare (doua pentru controllerele axelor și doua pentru cele doua motoare ale axelor liniare). Din considerente ergonomice, controllerul griperului electric nu a fost montat în cutie ci este amplasat pe masa de lucru, realizată din profile de aluminiu.

Figura nr.21 Instalația electrică de comandă

Fiura nr.22 Instalația electrică de comandă este poziționată într-un panou, montat accesibil.

Bariere optice de siguranță

Pentru a asigura prevenirea ajungerii accidentale în spațiul de lucru a mâinilor operatorului sau a unor obiecte, sistemul mecatronic a fost dotat cu bariere optice de siguranță, tip OMRON F3S-B182P-L/ F3S-B182P-D ( conf. Tabelele de mai jos ). Acestea au rolul de a opri funcționarea sistemului mecatronic atunci când în spațiul de lucru operatorul introduce mâna sau diferite obiecte ce pot perturba desfășurarea ciclului de lucru.

În figura 23 sunt reprezentate schematic barierele opotice, cu indicarea principalelor elemente componente: receptorul, emitătorul, indicatorul ariei.

Figura nr.23 Reprezentare schematică a barierelor optice

Caracteristicile barierelor optice sunt următoarele:

Număr raze optice: 12 ÷ 66

Înălțimea zonei protejate: 450 mm

Distanța de detectare: 0,3 ÷ 5 m

Software specializat. Testarea software-ului

Poziționarea micromecatronică este realizată prin soft specializat.

Testarea software-ului constă în parcurgerea următoarelor etape:

– aplicarea curentă la software-ul/controler-ul programabil;

– genererea semnalelor de I/O pentru a pregăti configurarea sistemului;

– introducerea în memorie a programului specific prin programare de la consolă sau prin uneltele software adaugate sistemului;

– dupa terminarea programării, se verifică orice eroare de cod prin intermediul funcțiilor de diagnostic; dacă este posibil, se face simularea unei întregi operații pentru a verifica dacă totul este în regulă.

– rularea sistemului: înainte de a fi apăsat butonul de start, trebuie verificat în detaliu dacă cablarea input-lor și output-lor este corect executată, în acord cu atribuirea de I/O. O dată confirmată cablarea corectă, aplicația poate fi pornită.

Trebuie executată o operație de verificare a sistemului de operare și o reglare a sistemului de controlul dacă e necesar. Se rulează testarea completă până când sistemul mecatronic este sigur de operat.

Limitatorul LS3 sesizează poziția închisă a griper-ului. Pentru pornirea/oprirea ciclului există 1 buton de start – PB1 și 1 buton de stop – PB2.

Aceste componente prezentate mai sus, au fost asamblate, reglate și supuse unor teste de funcționare, parțiale și integrale, realizând în final ciclul de funcționare proiectat.

În figura 2.2. este prezentat sistemul mecatronic de micropoziționare realizat fizic împreună cu sistemul de protecție implementat.

Figura nr.24 Sistemul mecatronic de micropoziționare, amplasat în spațiul protejat, pe masa de lucru

Figura nr. 25 Amplasarea sistemului mecatronic de poziționare pe masa de lucru

DESCRIEREA CINEMATICĂ A SISTEMULUI MECATRONIC DE MICROPOZIȚIONARE

1.1. Descrierea și analiza mobilității mecansimului

Sistemul mecatronic, așa cum a fost proiectat, trebuie să asigure deplasarea și poziționarea gripper-ului într-un plan vertical (fig..). Deplasarea în planul vertical, pe cele două direcții, este făcută de două cuple cinematice de mișcare șurub-piuliță, prima pentru deplasarea orizontală OX iar cea de a doua pentru deplasarea verticală OZ. Gripper-ul execută mișcare pentru care a fost proiectat într-un plan orizontal perpendicular pe planul vertical în care are loc poziționarea acestuia.

Figura nr. Schema cinematică modelului experimental al sistemului mecatronic

În figura de mai sus este o reprezentare schematică a întregului sistem de poziționare. Schema a fost creată în SolidWorks pentru determinarea și stabilirea mobilității mecansimelor ce compun acest sistem mecatronic.

Sistemul este compus din trei mecanisme, acționate independent, în care primul mecanism, cel pentru deplasarea pe axa OX poate fi considerat bază pentru cel de al doilea mecansim, cel pentru deplasarea pe axa OZ, care la rându-l său poate fi considerat bază pentru cel de al treilea mecanism (gripper-ul).

Primul mecanism este compus dintr-o cuplă de mișcare șurub-piuliță, mecanismul este acționat de un motor de rotație, mișcarea rezultată datorată cuplei fiind translația (fig..).

Figura nr. Schema primului mecanism (deplasare pe axa OX).

Cel de al doilea mecanism este identic cu primul, cupla șurub piuliță de mișcare a primului mecnaism devenind bază pentru cupla șurub-piuliță a mecanismului pentru deplasarea pe axa OZ (fig..).

Figura nr. Schema celui de al doilea mecanism (deplasare pe axa OZ).

Gripper-ul este el însăși un mecanism a cărui bază este cupla șurub-piuliță a celui de al doilea mecanism. Acționarea este tot un motor de rotație, rezultând transalția, în oglindă, a celor două degete (fig..).

Figura nr. Schema celui de al doilea mecanism (deplasare pe axa OZ).

Analiza mobilității mecanismelor pentru primele două mișcări este simplă deoarece pentru fiecare mecanism în parte nu avem decât câte o cuplă șurub-piuliță, cuplă care este considerată cuplă de clasa V și are rolul de a trasforma mișcare de rotație în mișcare de translație sau invers.

Mobilitatea acestui mecanism (plan) se determină cu formila lui Dobrovolski pentru mecanismele dein familia 3, mecanimele plane […Cartea de mecanisme Viviana Filip, net, valaha.ro]:

M1,2 = 3n – 2C5 – C4 (1.1)

unde:

n = 1 – numărul elementelor mobile (cupla);

C5 = 1 – numărul cuplelor de clasa V (cupla șurub-piuliță);

C4 = 0 – numărul cuplelor de clasa IV.

M1,2 = 1 (1.2)

Cel de al treilea mecanism (gripperul), este mai complicat, construcția acestui mecanism fiind influențată de condițiile impuse de destinația sa (fig..).

Figura nr. Schema cinematică a mecansimului gripper.

Modelul ales trebuie să asigure o cursă de deschidere a degetelor:

C = 22 mm (1.3)

Aceasta înseamnă că un singur deget trebuie să se deplaseze C/2 =11 mm. Deplasarea (translația) degetului trebuie obținută cu ajutorul uni motor electric pas cu pas, pentru asigurarea exactității deplasării. Aceasta înseamnă că gripper-ul trebuie să conțină un mecanism care să transforme mișcarea de rotație a motorului pas cu pas în mișcare de translație a degetului. mecansimul trebuie să poată deplasa două degete, simetric, în oglindă, în raport cu un plan vertical, plan care este chiar planul în care au loc primele două mișcări ale sistemului mecatronic (fig..prima de la inceput, cu planul vertical).

Deplasarea degetului pe cursa de 11mm se poate face prin construcția unei pârghii, pârghie care este un element al mecansimului care transmite mișcarea de la mecanismul șurub-piuliță la deget, adică transformă o mișcare de translație bine determinată,de pe o direcție, într-o altă mișcare de translație, determinată, pe o direcție perpendiculară, printr-o mișcare de rotație (fig..).

Figura nr. Geometria obținerii cursei de 11 mm pentru un deget.

Așa cum se poate vedea în figura de mai sus pentru obținerea cursei de 11 mm a degetului a fost creată forma primară a pârghiei astefl încât să asigure acționarea sa prin axa de simetrie a gripper-ului și obținerea deplasării dorite pe direcția perpendiculară pe axa de simetrie.

Figura nr. Forma primară a pârghiei.

Prin simularea geometriei pentru cele două poziții ale degetelor, adică pentru distanța minimă dintre acestea (2600,5 mm) și cea maximă (4800,5 mm) a fost determinată forma finală a pârghiei și a fost stabilite tipurile de formele cuplelor de legătură dintre mecanisme.

Cupla de legătură dintre pârghie și deget este o cuplă de clasă IV deoarece degetul trebuie să facă mișcarea de translație pe ghidajul pe care este montat, pe când brațul pârghiei descrie o mișcare de rotație. De aceea capătul brațului pârghiei este sferic iar suprafața de contact cu degetul este plană (fig..).

Figura nr. Forma finală a pârghiei.

Pentru acționarea simetrică, în oglindă a celor două degete, cele două pârghii trebuie să aibă același punct de acționare și ca și în cazul degetului trebuie creată o cuplă (tot de clasă IV) care să transforme mișcarea de translație a șurubului de mișcare în mișcare de rotația a pârghiei. (fig..).

Figura nr. Construcția cuplei de legătură dintre pârghie și șurubul de mișcare.

Piesa de legătură este un bolț central care asigură transmiterea mișcării de la șurubul de mișcare la brațele pârghiei. Bolțul este montat într-un inel de ghidare care este solidar cu piulița șurubului de mișcare (fig.).

Figura nr. Construcția cuplei de legătură dintre pârghie și șurubul de mișcare.Forma finală a pârgiei.

După conceperea și poziționarea șurubului de mișcare mecanismul interior al gripper-ului arată ca îm figura:

Figura nr. Forma finală a mecanismului gripper.

1.2. Calculul mobilității mecansimului gripper

Dacă considerăm mobilitatea mecanismului pentru un singur deget sau cu ambele degete, gradul de mobilitate se determină cu formula (1.1).

Pentru un singur deget avem:

unde:

n = 3 – numărul elementelor mobile;

C5 = 3 – numărul cuplelor de clasa V;

C4 = 2 – numărul cuplelor de clasa IV.

Figura nr. Identificarea elementelor și cuplelor mecanismului gripper

1,2,3 – elementele mobile ale mecanismului;

A,B,C – cuple de clasă V: A – translație; B – rotație; C – translație.

D,E – cuple de clasă IV

Mobilitatea acestui mecanism (plan), pentru un deget se determină cu formila lui Dobrovolski pentru mecanismele dein familia 3, mecanimele plane […]:

Mgripper = 3n – 2C5 – C4 (1.1)

M gripper = 1 (1.4)

Dacă am calcula mobilitatea pentru întregul mecanism, atunci vom avea două pârghii și două degete. De asemenea numărul cuplelor de clasă IV și V se vor modifica:

1,2,3,2’,3’ – elementele mobile ale mecanismului;

A,B,C,B’,C’ – cuple de clasă V: A – translație; B, B’ – rotație; C, C’ – translație.

D,E, D’,E’ – cuple de clasă IV.

Deci:

n = 5 – numărul elementelor mobile;

C5 = 5 – numărul cuplelor de clasa V;

C4 = 4 – numărul cuplelor de clasa IV.

Mgripper = 3n – 2C5 – C4 (1.1)

M gripper = 1 (1.5)

1.3. Mobilitatea sistemului mecatronic

Mobilitatea sistemului este dată de mobilitățile celor trei mecanisme independente ce compun acest sistem:

Msistem = M1 + M2 + M gripper = 3 (1.5)

Caracteristica de functionare a motorului pentru axa OX

Caracteristica de functionare a motorului pentru axa OY

Deplasarea liniara a axei OX pentru un interval de timp Δt =10 s

Deplasarea liniara a axei OY pentru un interval de timp Δt =10 s (motoarele celor doua axe nu pornesc concomitant, Motorul axei OY pleaca la t = 5s)

Deplasarea liniara a axei OY pentru un interval de timp Δt =10 s (motoarele celor doua axe pornesc concomitent)

Viteza liniara a axei OY pentru un interval de timp Δt =10 s (motoarele celor doua axe nu pornesc concomitent, Motorul axei OY pleaca la t = 5s)

Viteza liniara a axei OY pentru un interval de timp Δt =10 s (motoarele celor doua axe pornesc concomitent)

SUBSISTEM MICROGRIPER CU DOUĂ DEGETE

Figura nr.5.1. Proiectare microgriper folosind software-ul AutoCAD

Figura nr.5.2. Sectiune prin mecanismul de prehensiune Griper

[http://content2.smcetech.com/pdf/LEH.pdf]

În tabelul numărul 5.1. sunt centralizate informațiile referitoare la materialele din care sunt realizate părțile componente ale mecanismului de prehensiune.

Tabel nr5.2 Părți componente

Cotele de gabarit și funcționale ale subansamblului griper model LEHZ32- K2-22 sunt date în figura 5.3.

Figura nr.5.3. Cote de gabarit și funcționale ale subansamblului griper model LEHZ32- K2-22

[http://content2.smcetech.com/pdf/LEH.pdf]

În figura 5. 4 sunt reprezentate forțele de frecare piesă – deget griper și forțele de prindere piesă.

Figura nr.5.4. Forțe de frecare piesă – deget griper și forțe de prindere piesă

Condițiile pentru susținerea piesei în griper ( mecanism de comprehensiune) sunt prezentate în tabelul numărul..

Tabel nr. 5.2

Valorile coeficientului de frecare în funcție de cuplele de materiale sunt date succint în tabelul numărul 5.3.

Tabel nr. 5.3

Schema cinematică a subansamblului griper

Schema cinematică a subansamblului griper este reprezentată în figura numărul 5.5.

Figura nr.5.5. Schema cinematică a subansamblului griper

Unde :

C = cupla surub piulita;

C1 ,  C1' = cupla de rototranslatie;

C2 ,  C2' = cupla de rototranslatie;

C3 ,  C3' = cupla translatie,