Manipulator cu acționare electro-pneumatică de tip T.T.T. Proiectarea constructivă a axelor Y, Z și a dispozitivului de prehensiune [306002]

UNIVERSITATEA “LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

DEPARTAMENTUL DE MAȘINI ȘI ECHIPAMENTE INDUSTRIALE SPECIALIZAREA: [anonimizat] T.T.T. Proiectarea constructivă a axelor Y, Z și a dispozitivului de prehensiune

Conducător științific:

Prof. dr. ing. Sever-Gabriel RACZ

Absolvent: [anonimizat] 2018

CAPITOLUL I – Introducere

Rezumat

În prezenta lucrare este abordată tema studiului și proiectării unor axe pneumatice și a [anonimizat] a [anonimizat], în locuri destinate special.

În primul capitol este prezentat un scurt istoric despre roboți și manipulatoare și modul în care aceștia au apărut.

[anonimizat] o clasificare a [anonimizat], [anonimizat]. De asemenea în lucrare este cuprinsă și structura mecanică a acestora, [anonimizat].[anonimizat].

[anonimizat] a presiunii minime necesare pentru acționarea motoarelor pneumatice astfel încât să poată transporta întreaga greutate a sistemului. De asemenea au fost realizate și calculele de dimensionare a prehensorului pentru a determina forța minimă de strangere necesară pentru ridicarea piesei.

Cea mai importantă parte a lucrării o reprezintă modelarea tridimensională a întregului ansamblu în programul de proiectare Catia V5 și alegerea motoarelor și a prehensorului în funcție de spațiul de lucru al manipulatorului și de forța de strangere.

Utilizând analiza statică a [anonimizat], [anonimizat].O analiză statică a fost realizată de asemenea în acest capitol pentru a determina momentul de încovoiere și deformațiile axei Y.

[anonimizat] a instalației și schema electrică pentru comandarea acestora.

În ultima parte a acestui capitol s-a realizat mașinarea plăcii de legătură în programul Autodesk Inventor Professional dintre cele două axe pneumatice.

[anonimizat] o [anonimizat].

Abstract

In this paper is approached the study and design of some pneumatic axis and a gripping device which is going to be mounted on the axis. [anonimizat], in special areas.

In the first chaper is presented a [anonimizat].

[anonimizat] a classification of the robots depending on their types and configurations, the actual gripper stage, the components of them and the working space. Also, mechanical structure and the joints forming the structure, kinematic chain used for system building, are summarized. The document also contain general information related to pneumatics, the advantages and disadvantages of using compressed air in industry, pneumatic motors used in this kind of applications and their commanding elements.

The third chapter consist in dimensional calculation of the minimum necessary pressure to engage pneumatic motors so they can be able to carry the whole system weight. As well, dimensional calculation of gripping system in order to establish the minimum necessary clamping force able to lift the unit was determined.

The most important part of this document is represented by 3D modeling of the entire system, using Catia V5 and motors and grippers selection depending the workspace of the last one and the clamping force.

Using gripping system static analyze and applying finite element method, were determined, with Abaqus program, the maximum displacement and main deformation of the gripping. A static analyze was also realized in this chapter in order to determine torsion moment and deformation of Y axis.

In order to realize the motor and piston movement principle, pneumatic and electric diagram were created.

In the last part of this chapter, the machining of the main board related to the both pneumatic axis, using Autodesk Inventor Professional, was realized.

The fourth chapter is represented by images that includes the gripping tool together with all the movements and the application that can be solved by using it.

Motivarea alegerii temei

Fiind student al Facultății de Inginerie la specializarea Mașini Unelte și Sisteme de Producție al departamentului Mașini și Echipamente Industriale, în urma cursurilor și a activităților extracurriculare organizate de facultate, am fost captivat de tehnologia utilizată în companiile ce activează în zonă. Cel mai mult am fost impresionat de sistemele robotice și de sistemele de manipulare pe care aceștia le utilizează în diferite medii și în diferite domenii. Drept dovadă locul de muncă în care activez este strâns legat de roboți manipulatori, iar lucrarea mea de diplomă este de asemenea legată de sistemele de manipulare. Aceasta se intitulează „Manipulator cu acționare electro-pneumatică de tip T.T.T. Proiectarea constructivă a axelor Y, Z și a dispozitivului de prehensiune”.

Factorii ce m-au determinat să aleg această temă sunt dorința mea de cunoaștere și de informare, precum și pasiunea pe care am dezvoltat-o în acest domeniu al roboților și manipulatoarelor. Lucrul captivant este acela că manipulatoarele au rolul de a ușura munca depusă de ființele umane și de ce nu, de a elimina greșelile care intervin din cauza oboselii, a stresului sau a altor factori cu care noi oamenii ne confruntăm.

În cadrul acestei lucrări, am abordat studiul roboților industriali, a dispozitivelor pneumatice de translație și al dispozitivelor de prehensiune și funcționarea acestora. De asemenea, am realizat practic întreg ansamblul și l-am utilizat în diverse aplicații.

Istoric

Se pare că fenomenul de roboți nu a apărut decât în ​​conștiința modernă recentă, având în vedere mecanismele complexe implicate în realizarea lor, dar, de fapt, astfel de dispozitive au fost realizate încă din Grecia antică și din cele mai vechi dinastii chineze. Descrierile roboților vechi datează din secolul I. Aceste dispozitive sunt cunoscute ca automate, de la automatele, cu cuvânt grecesc,care reprezintă "acționată de voința proprie". În principiu, automatele sunt mașini care nu sunt electronice și care imită acțiuni umane sau animale.

În 1495, Leonardo da Vinci a fost adăugat în istoria lungă și plină de culoare a roboților. El a proiectat un automaton umanoid complex, care, așa cum apare în schițele sale, putea să facă mișcări asemănătoare omului, cum ar fi șederea, mutarea brațelor și răsucirea capului și gâtului. Robotul pare a fi un războinic sau cavaler, îmbrăcat în armura medievală germano-italiană. [18]

Cuvantul Robot vine de la cuvântul ceh robota însemnând "vrăjitorie", "servitute" sau "muncă forțată", în special așa-numita "chirie de muncă" care a supraviețuit în Imperiul Austro-Ungar până în 1848. Isaac Asimov a inventat cuvântul robotică ca știință a studiului roboților, în poveștile lui de ficțiune despre robot în 1940. În cazul în care în Europa, robotica este definită ca fiind "știința robotologică ", iar robotologia este definită ca fiind" mijloacele prin care sunt puse mașinile robot împreună și făcute să lucreze ". [18]

George Devol a proiectat primul robot cu adevărat programabil și l-a numit UNIMATE pentru "Automatizarea universală" (Brevetul US 2 998 237). Mai târziu, în 1956, George Devol și Joseph Engelberger au format primul robot din lume. Ca rezultat, Engelberger a fost numit "tatăl roboticii". Unimația este în continuare în producție de astăzi, cu roboți de vânzare.

CAPITOLUL II – Considerații generale privind automatizarea sistemelor de producție

2.1 Diferența dintre sistemele automatizate și sistemele robotizate

Roboții sunt doar un mic sub-set de tehnologii integrate în automatizarea pe termen lung. Automatizarea se referă la un mod de funcționare în care orice mașină sau echipament este capabil să lucreze fără intervenția omului. Inițial, automatizarea a fost limitată în potențialul său, deoarece mașinile automate ar putea înlocui numai efortul fizic și nu efortul mental.

Roboții sunt doar un exemplu de automatizare flexibilă. Alte exemple în sectorul industrial sunt mașini-unelte NC, mașini automate de asamblare (inclusiv mașini automate de introducere a componentelor), vehicule automatizate ghidate (AGV-uri) sisteme automate de stocare și recuperare (ASRS), mașini de măsurare a coordonatelor (CMM), mașini de tăiat cu laser / plasmă / jet de apă etc. [18]

Termenii "robot" și "robotică" au provenit, prin urmare, din știință și ficțiune. Percepția originală a fost de a realiza mașini asemănătoare omului sau androizilor. În cultura populară și în special în filme, se consideră adesea că roboții au toate atributele umane unele capacități considerabil îmbunătățite față de cele găsite în mod obișnuit la om, dar în realitatea tehnologiei actuale nu este încă capabilă să se potrivească cu această viziune.

2.1.1 Definiții, rolul roboților și a manipulatoarelor în industrie.

“Manipulatorul este un sistem mecanic automat a cărui comandă se bazează pe sisteme rigide care presupun o intervenție în structura fizică a sistemului de programare pentru modificarea ciclului de funcționare.

Robotul industrial presupune un sistem flexibil de comandă la care programul se poate modifica fără intervenție asupra structurii sale fizice.

Robotul poate fi definit ca un sistem tehnologic capabil să înlocuiască sau să asiste omul în exercitarea unor acțiuni diverse asupra mașinilor sau a liniilor de producție”.[18]

Robotica se referă la utilizarea roboților și studierea acestora.

Legile roboticii spun că:

1. “Un ROBOT nu trebuie să producă nici un rău unei ființe umane sau, prin lipsă de acțiune, să permită aceasta, dar în condițiile respectării legilor de ordin superior.

2. Un ROBOT trebuie să execute ordinele primite de la o ființă umană, excepție făcând acele ordine care intră în conflict cu o lege de ordin superior.

3. Un ROBOT trebuie să execute ordinele primite de la o ființă umană, excepție făcând acele ordine care intră în conflict cu o lege de ordin superior”.[18]

Robotul este un sistem automatizat de un nivel în care este capabil să realizeze obiecte și scule pentru înlocuirea activității umane.

Utilizarea unui robot industrial implică : fiabilitate, flexibilitate, productivitate mare, creșterea calității producției, creșterea siguranței, reducerea de costuri, realizarea de operații în medii nocive.

Robotul industrial reprezintă un manipulator tridimensional reprogramabil și multifuncțional realizat în scopul manipulării de piese sau unelte, într-un mod specific pentru a efectua anumite operații în funcție de program. [3]

Roboții mobili se utilizează de regulă în mediile nocive, greu accesibile pentru o persoană umană (medii nocive, murdare, spații restrânse, dificil de străbătut, în mediul marin la adâncimi foarte mari).

Există de asemenea și Nanoboți care sunt utilizați în medicină, pentru operații ce necesită precizie mare sau microoperații.

2.1.2 Clasificarea manipulatoarelor și a roboților industriali.

Manipulatoarele:

manuale (este un sistem care are 4 grade de libertate și care sub acțiunea comenzii umane realizează operații în medii nocive sau improprii activității umane).

automate (este sistemul care are cel puțin 2 axe. Acestea realizează deplasarea pe întreaga lor distanță în regim automat. Se utilizează la operații de alimentare sau descărcare).

inteligente (este sistemul ce combină controlul uman cu răspunsul oferit de senzori. Acestea au rolul de a depășii capacitățile senzoriale umane).

Roboți industriali:

generația 1 (este un sistem care are cel puțin 3 axe. Aceștia prezintă senzori de poziție și pot fi comandați de pe un calculator sau de pe un automat programabil).

generația 2 (este un sistem ce are cel puțin 3 axe. Aceștia sunt dotați cu senzori tactili, de forță, camere video).

generația 3 (preiau informația de la senzori și o procesează, folosesc inteligența artificială).

inteligenți (au programe de inteligență artificială avansate).

Roboții oferă beneficii foarte mari muncitorilor, industriilor și implicit țărilor. În situația în care aceștia sunt folosiți în scopuri pașnice, roboții industriali pot influența pozitiv calitatea vieții oamenilor și modul în care trăiesc prin înlocuirea acestora în spații: periculoase, cu condiții de mediu dăunătoare, chiar nocive omului, cu condiții necunoscute de exploatare.

Este adevarăt faptul că roboții industriali prin calitățile lor pot cauza reduceri masive de personal acolo unde sunt implementați, dar creează și meserii alternative:

tehnicieni în industria robotizării;

ingineri;

vânzători;

programatori;

supervizori .

Un alt beneficiu al introducerii roboților în industrie include managementul productivității și al controlului, precum și creșterea evidentă a calității produselor. Roboții pot presta zi și noapte fără a obosi sau a-și reduce performanța. Aceste lucruri aduc reduceri mari ale prețului de cost, în primul rând prin reducerea consumurilor de materii prime și prelucrării automate a acestora. Pe piața concurențială roboții aduc avantaje foarte mari. [3]

Structura generală a roboților industriali depinde mult de scopul pentru care sunt produși și de utilizarea acestora. De regulă funcțiile de bază sunt reprezentate de:

subsistemul cinematic;

subsistemul de acționare;

subsistemul de comandă și programare;

subsistemul senzorial.

Subsistemul cinematic cuprinde structura capabilă să realizeze mișcarea pentru a realiza acționarea asupra mediului ce ne înconjoară. În funcție de mediul în care se utilizează, robotul poate fi dotat cu:

roți;

șenile;

picioare mecanice;

diverși suporți;

benzi transportoare.

Efectorul terminal al robotului este format dintr-un lanț cinematic închis sau deschis ce oferă diferite grade de libertate prin intermediul cărora mecanismul de lucru poate acționa:

mână mecanică;

dispozitiv de manipulare;

dispozitiv de prindere.

2.2 Componentele fundamentale ale unui sistem robotizat

Spațiul de operare al unui robot este în strânsă legătură cu domeniul de lucru al acestuia și cu aplicațiile la care participă. Acest spațiu reprezintă spațiul de lucru al robotului și restricțiile de deplasare de care acesta trebuie să țină cont. Pe de altă parte acesta trebuie să aibă în vedere și caracteristicile obiectelor implicate în procesul tehnologic. [3]

Sursa de energie se definește ca suportul energetic necesar pentru punerea în mișcare atât a elementelor mobile ale robotului cât și pentru asigurarea alimentării electrice a sistemului de acționare și a celui de conducere.

Sursa de informație definește modul de operare al robotului. Această relație poate determina funcționarea automată, independentă, a robotului sau în asociere cu operatorul (de exemplu sistemele de teleoperare).

Robotul acționează asupra spațiului său de operare sub diverse forme: deplasarea unor piese în anumite poziții (manipulare), prelucrarea și transformarea unor produse, asamblarea unor componente, dezasamblarea unor piese în componentele lor, sudarea pieselor, măsurarea unor parametrii specifici ai produselor sau chiar a spațiului de operare etc. [3]

Aplicațiile realizate și modul de operare al roboților scot în evidență cele două mari calități de care dispun majoritatea roboților: versatilitatea și autoadaptarea la mediu.

Versatilitatea definește capacitatea fizică a robotului de a realiza diverse funcții și de a produce diverse acțiuni în cadrul unei aplicații tehnologice date. Această proprietate este strâns legată de structura și capacitatea mecanică a robotului, ea implicând configurații mecanice cu geometrie variabilă a căror flexibilitate sa acopere cerințele de operare. [3]

Autoadaptarea constituie, de asemenea, o proprietate deosebit de importantă a roboților ce confirmă gradul de "inteligență" al acestor sisteme. Ea definește capacitatea acestora de a lua inițiativa în realizarea unor operații incomplet specificate prin programul de conducere, proprietatea de a sesiza anumite modificări ale mediului de operare, posibilitatea de a stabili un plan complet de operații având jalonate numai anumite faze semnificative etc. [3]

2.3 Roboți industriali

Un robot industrial reprezintă un sistem integrat mecano-electro-informațional care se utilizează în scopul realizării unor funcții, în procesul de producție, de manipulare asemănătoare cu cele realizate de mâna operatorului uman, conferind obiectului manipulat o mișcare programată liber, în cadrul unui proces tehnologic care se desfășoară într-un anumit mediu. [9]

Tabelul 1. Caracteristicile biomorfice ale roboților comparate cu comportamentul uman.

Robotul industrial execută mișcări după un program flexibil, ce poate fi modificat, în funcție de sarcinile de producție și de condițiile de mediu în care acesta operează.

Manipulatorul este mașina automată care realizează operațiuni repetitive, mișcările se realizează în funcție de un program fix, rigid. Acesta trebuie să conțină limite de reglaj, care să permită ajustarea și reglarea în limite restrânse sau mai largi, a unor parametri cinematico-funcționali sau de precizie. [9]

Flexibilitatea (în programarea roboților):

Programele de funcționare pot fi schimbate cu mare ușurință;

Limitele între care valorile parametrilor cinematici se pot comanda;

Numărul și modulul de desfășurare a secvențelor de mișcare;

Posibilitatea combinării mișcărilor în vederea realizării unor traiectorii complexe;

Modul în care se programează și ușurința de încărcare a programelor.

Sisteme Rigide:

Programele de funcționare nu se schimbă des deoarece odată cu schimbarea programului de funcționare este necesară intervenția asupra structurii mecanice a sistemului;

Posibilitatea combinării mișcărilor;

Utilizarea capetelor de cursă;

Utilizarea pentru producția de serie mare și de masă, stabilă ce nu necesită intervenții.

Fig. 2.1 Comparație între sistemul robot și sistemul uman

2.3.1 Elemente componente ale roboților industriali

Mecanismul generator al traiectoriei (MGT): reprezintă mecanismul format din acele cuple cinematice care fac posibilă deplasarea unui punct pe o traiectorie impusă.

Mecanismul de orientare (MO): acest mecanism este realizat din acele cuple cinematice care asigură orientarea spațială a obiectului.

Mecanismul de prindere (MP): acest mecanism asigură prinderea și fixarea obiectului ce se dorește a fi manipulat. Nu au grade de libertate proprii. Fig. 2.2 MGT, MO, MP [15]

Roboți cu poziționare continuă

Traiectoria este în mod contrinuu generată, ceea ce presupune blocuri speciale de corelare a mișcărilor pe 2 sau 3 grade de libertate, aceasta se mai numește și interpolare de mișcare.

Sistemul de comandă și sistemul de acționare trebuie să fie apte pentru acest mod de funcționare.

Sistemul de comandă trebuie sa fie apt să realizeze mișcările pe fiecare grad de libertate în parte și să coreleze mișcările în sensul generării traiectoriei descrisă matematic.

Roboți cu poziționare secvențială

Parametrii mecanico-geometrici sunt:

Dispozitivul de ghidare: acesta reprezintă ansamblul tuturor cuplelor cinematice care participă la realizarea traiectoriilor și a orientării spațiale ale obiectelor manipulate în limitele impuse de Mecanismul generator al traiectoriei și de Mecanismul de orientare.

Efectorul final: este mecanismul de prindere (în cazul roboților de
manipulare) sau dispozitivul (în cazul unor operații specifice).

Capacitatea portantă: o reprezintă mărimea maximă a masei ce poate fi manipulată în condiții de totală siguranță, pentru poziția cea mai defavorabilă a mâinii robotului (poziția în care mecanismul manipulat este menținut și deplasat numai sub efectul forțelor de frecare dintre obiect și mecanismul de strângere) și pentru valoarea cea mai mare a accelerației ce poate să o dezvolte, în deplasarea ascendentă verticală.

2.3.2 Clasificarea roboților după valoarea capacității portante :

Microroboți (zeci de grame)

Miniroboți (sute de grame)

Roboți mijlocii (de ordinul kilogramelor)

Roboți grei (de ordinul sutelor de kilograme)

Pentru definirea capacității portante cunoaștem :

1 → Obiect manipulat

2 → Degetele ”mâinii” robotului

Zona de lucru este reprezentată de proiecția în plan orizontal a zonei unde activează mecanismele funcționale mobile ale robotului. În această zonă este cuprins și sistemul mecanico-cinematic al robotului.

Raza maximă de acțiune este reprezentată de raza maximă la care poate ajunge punctul caracteristic al mecanismului de prindere, măsurată de la centrul de pivotare al robotului.

Raza minimă de acțiune este reprezentată de valoarea ce mai mică a razei în care poate punctul caracteristic al mecanismului de prindere să se poziționeze, în scopul executării unei acțiuni tehnologice.

2.3.3 Spațiul de lucru al robotului

Se determină din forma și dimensiunile robotului.

Dimensiunile volumului de lucru sunt determinate de mărimea valorilor curselor elementelor mobile, dar și de locul dispunerii cuplelor cinematice pe structura robotului.

Determină dimensionarea pe verticalaă și pe orizontală a celulelor flexibile robotizate.

A. B.

Fig. 2.4 Spațiul de lucru al robotului vedere laterală și de sus [15]

Spațiul de lucru al manipulatorului sau robotului este dat de volumul în care este posibil să se găsească elementele structurii mecanice. Acesta definește acele puncte din spațiu în care robotul poate ajunge cu efectorul prin poziționare cu o anumită direcție de orientare a efectorului. Spațiul de lucru util este volumul maxim, descris de totalitatea mișcărilor robotului, în care se poate găsi efectorul în timpul funcționării.

2.4 Structura mecanică a manipulatoarelor și a roboților utilizați în industrie.

Un robot industrial trebuie să realizeze acțiuni asupra mediului înconjurător, prin efectori terminali. Robotul trebuie să realizeze comunicarea, pentru schimb de informații și pentru a putea lua o decizie, în scopul realizării unor sarcini. [10]

Pentru ca aceste funcții să fie îndeplinite, structura unui robot este formată din:

sistemul mecanic;

sistemul de acționare;

sistemul de programare și comandă;

sistemul senzorial;

sistem de conducere;

aparate de măsurare;

senzori;

traductoare.

Fig. 2.5 Structura mecanică a roboților [18]

Sistemul  mecanic este format din mai multe elemente legate între ele prin cuple cinematice.

Sistemul de acționare ajută la transformarea unei anumite energii în energie mecanică și transmiterea ei la cuplele cinematice conducătoare.

Sistemul de comandă și programare reprezintă un ansamblu de echipamente și de programe care fac posibilă mișcarea robotului.

Sistemul senzorial este format dintr-un ansamblu de elemente specializate în transpunerea proprietăților ale diferitelor obiecte în informații.

Sistemul de comandă și programare este un ansamblu format din mai multe echipamente si de programe care realizează mișcarea robotului.

Sistemul senzorial este format dintr-un ansamblu de elemente specializate in transpunerea proprietăților diferitelor obiecte in informații.

În cazul general un robot industrial trebuie să realizeze:

acțiuni asupra mediului înconjurător, cu efectori finali;

percepție, pentru a culege informații din mediul de lucru, cu senzori și traductori;

comunicare, pentru schimb de informații;

decizie, în scopul realizării unor sarcini.

Sistemul mecanic al manipulatorului sau al robotului are rolul să asigure transmiterea energiei mecanice necesare interacțiunii cu mediul și realizarea mișcărilor acestuia. Adică are sarcina de a muta sau deplasa un obiect. Partea din sistemul mecanic care realizează această deplasare se numește dispozitiv de ghidare sau manipulator. [10]

Fig. 2.6 Sistemul mecanic al roboților [18]

Manipularea se referă la schimbarea în spațiu a poziției unui obiect. Utilizarea mâinii de către om a dus la formarea cuvântului de manipulare. Manipularea obiectului se realizează prin modificarea poziției bazei efectorului final, cu care obiectul este solidarizat. În acest scop, baza efectorului final este solidarizată cu un element al dispozitivului de ghidare.

Dispozitivul de ghidare are rolul de a transmite efectorului final energia mecanică și mișcările necesare în conformitate cu acțiunea dorită. Subsistemul din cadrul sistemului mecanic dedicat acestei interacțiuni este efectorul final.

Efectorul terminal al robotului care realizează manipularea obiectelor se numește dispozitiv de prehensiune. Din punct de vedere al teoriei mecanismelor, obiectul și partea de baza a dispozitivului de prehensiune formează o cuplă cinematică de clasa a VI-a, închisă de obicei prin fortă.

Structura manipulatoarelor și a roboților industriali este dată în funcție de mediul în care operează robotul manipulator astfel încât configurațiile geometrice și proprietățiile fizico-chimice fiind definite de obiectele din acel spațiu.

Structura mecanică este reprezentată dintr-un ansamblu de corpuri rigide, fără jocuri și elasticitate, legate între ele prin articulații, formând lanțuri cinematice. Sistemul de acționare este format din adaptoarele de mișcare, distribuitoare de energie și elemente de execuție prin care se transmite energia de la sursă la structura mecanică. [10]

Acționarea se poate face hidraulic, pneumatic sau electric.

Grade de libertate : Structura mecanică a manipulatoarelor și a roboților este dată în spațiu prin maxim 6 grade de libertate.

Acestea reprezintă:

3 unghiuri de rotație α, β și γ în raport cu coordonatele x, y, z;

Coordonatele carteziene x, y și z ale unui punct al solidului.

Numărul de grade de libertate reprezintă numărul de mișcări independente din legătură.

Fig. 2.7 Sistemul mecanic al roboților [18]

2.4.1 Cuplele manipulatoarelor și a roboților din industrie

Cuplă cinematică

Cupla cinematică reprezintă legătura mobilă, directă dintre două elemente cinematice, realizată în scopul limitării libertăților de mișcare relative dintre acestea și transmiterii mișcării de la un element la altul. Legătura se poate realiza continuu sau periodic și are loc pe o suprafață, linie sau punct. [10]

Clasificarea cuplelor cinematice regăsite în componența manipulatoarelor și a roboților:

a) Din punct de vedere structural cuplele cinematice se împart în cinci clase după numărul gradelor de libertate interzise de cuplă. Gradul de libertate reprezintă numărul parametrilor scalari independenți necesari pentru a determina, la un moment dat, poziția unui corp în raport cu un sistem de referință . .

Un corp liber în spațiu are 6 grade de libertate ce corespund. Structura mecanismelor componentelor pe cele trei axe Ox, Oy, Oz ale vectorului translație v și a vectorului de rotație instantanee ω ale mișcării sale.

Cele 6 libertăți de mișcare pot fi limitate introducând anumite condiții de legătură care pot suprima mișcarea într-o direcție sau pot impune o relație între mărimile unor componente ale translației și rotației instantanee.

Fig. 2.8 Cuplă cinematică [18]

Dacă se notează cu L numărul gradelor de libertate pe care cupla cinematică le permite elementelor ei și cu m numărul mișcărilor anulate de cuplă (10 ≤ L ≤ 6 ≤ m ≤ 5 ), rezultă relația: L = 6 – m

(1)

b) Din punct de vedere geometric (după natura contactului dintre elemente) se disting: – cuple cinematice inferioare, la care contactul se realizează pe o suprafață.

c) Din punct de vedere cinematic cuplele cinematice se împart în:

cuple cinematice plane care permit elementelor mișcări într-un singur plan sau în plane paralele;

cuple cinematice spațiale, care permit mișcarea în spațiu a elementelor.

d) Din punct de vedere constructiv se disting: – cuple cinematice închise, la care contactul dintre elemente se asigură printr-o ghidare permanentă .

cuple cinematice deschise, la care contactul dintre elemente se asigură prin forță . Pentru stabilirea clasei unei cuple cinematice se procedează în felul următor:

– se fixează unul din elementele cuplei;

– se atașează celuilalt element un sistem triortogonal de axe Oxyz și i se studiază posibilitățile de mișcare.

2.4.2 Lanțuri cinematice regăsite în construcția sistemelor de manipulare.

Lanțul cinematic reprezintă un ansamblu de elemente mobile legate între ele prin cuple cinematice de diferite clase. Toate elementele lanțului fiind mobile, folosirea lui în tehnică este posibilă numai după ce i s-a fixat unul din elemente.

Clasificarea lanțurilor cinematice

1) După rangul elementelor componente:

lanțuri simple, constituite din elemente de rang j ≤ 2;

lanțuri cinematice complexe, care au în componența lor cel puțin un element de rang j≥ 3.

2) După formă:

lanțuri cinematice deschise ;

lanțuri cinematice arborescente;

lanțuri cinematice închise .

Fig. 2.9 Lanț cinematic a. deschis, b. arborescent, c. închis [18]

3.) După felul mișcării elementelor:

lanțuri cinematice plane, ale căror elemente au mișcări într-un singur plan sau în plane paralele.

lanțuri cinematice spațiale, la care cel puțin un singur element are o mișcare într-un plan diferit de al celorlalte elemente.

2.5 Tipuri de roboți utilizați în industrie

Roboții serie sunt din punct de vedere arhitectural structuri formate din bare, articulate prin cuple de translație și/sau rotație. Prin însăși natura lor au o asemănare foarte mare cu membrele umane. Orientarea si poziționarea sistemului de referință legat de efectorul terminal se realizează prin mișcări relative ale elementelor, de translație, rotație sau combinații ale acestora.

Pentru reprezentarea matematică a poziției efectorului terminal în raport cu sistemul de referință fix se pot utiliza diverse sisteme de coordonate. Lanțurile cinematice corespondente de poziționare sunt clasificate după tipul de coordonate utilizate constituind și un criteriu de clasificare pentru roboții respectivi:

roboți în coordonate carteziene;

roboți în coordonate cilindrice;

roboți în coordonate sferice;

roboți în coordonate unghiulare.

2.5.1 Roboți în coordonate carteziene.

Volumul de lucru este unul paralelipipedic și rezultă din modul în care se deplasează cuplele cinematice ale mecanismului generator al traiectoriei în lungul celor 3 axe x, y, z și ale unui sistem de coordonate cartezian. Toate cuplele cinematice ale mecanismului generator al traiectoriei sunt cuple prismatice de tipul celor de translație. [9]

Fig. 2.10 Deplasările roboților în coordonate carteziene [15]

Roboții în coordonate carteziene au spațiul de lucru paralelipipedic. Aceștia pot realiza mișcări de înainte, înapoi, stânga, dreapta sus și jos. Cel mai frecvent acești roboți se utilizează pentru operațiile de asamblare.

Fig. 2.11 Coordonate carteziene [10]

Matricea ce permite reprezentarea în sistemul de coordonate fix a unui vector ce aparține sistemului de referință mobil, în coordonate carteziene, corespunde conform figurii următoare unei translatii de vector și are forma:

(2)

Descrierea mișcării unui robot al cărui lanț cinematic de poziționare are în competența sa trei cuple de translație se realizează cel mai ușor în raport cu un sistem de coordonate carteziene. Schema structural cinematică a unui robot este redată în figura Fig.14. Realizarea practică a unui robot cu 3 cuple de translație perpendiculare impune existența cel puțin a unui element de legătură între două cuple consecutive. În Fig. 14 sunt reprezentate sistemele de referință asociate elementelor lanțului cinematic cu originile considerate în centrele cuplelor precum și parametrii geometrici ai acestuia. [9]

Fig. 2.12 Parametrii geometrici ai robotului în coordonate carteziene [10]

Spațiul de lucru al unui astfel de robot este de formă paralelipipedică, anvergura acestuia depinzând doar de limitele mișcărilor din cupele de translație.

Este un spațiu de lucru lipsit de găuri sau vid, arhitectura robotului fiind situată în afara acestuia. Din aceste motive acești roboți pot fi adaptați cu ușurință oricărui mediu tehnologic. Datorită construcției specifice aceste tipuri de roboți nu prezintă poziții critice în spațiul de lucru și nici alte configurații critice putând fi comandați și controlați prin intermediul unor sisteme relativ simple. [9]

Acești roboți în coordonate carteziene au apărut pentru prima dată în anii 50 fiind utilizați pentru satisfacerea unor funcții în care este implicat transportul unor sarcini utile pe distanțe relativ mari, asemănător podurilor rulante.

Roboții în coordonate carteziene sunt utilizați în operații de debitare, sudură , transfer, etc. Aceștia sunt reprezentanți tipici pentru clasele tip portal respectiv tip coloană.

Fig. 2.13 Roboți in coordonate carteziene [10]

Tabelul 2. Avantajele și dezavantajele roboților în coordonate carteziene

2.5.2 Roboți în coordonate cilindrice.

Volumul de lucru generat este reprezentat de un sector de tor cilindric sau de un tor cilindric.

Fig. 2.14 Vedere laterală și vedere de sus a roboților în coordonate cilindrice [15]

Coordonatele cilindrice corespund unei translații z după axa O, unei rotații de unghi în jurul axei O și a unei translații r după axa OX, conform Fig. 2.15.

Fig. 2.15 Coordonate cilindrice [10]

Matricea transformării sistemului de referință în sistemul de referință se obține ca produs al celor trei operatori:

(3)

Fig. 2.16 Robot în coordonate cilindrice [10]

Definiția unui robot în coordonate cilindrice ne spune că robotul are în componența lanțului său cinematic de orientare o cuplă de rotație și alte 2 cuple de translație.

Această structură este foarte utilă pentru posturi de lucru plasate în jurul robotului industrial deoarece acesta poate să ajungă în orice punct din jurul său la o anumită distanță.

Datorită faptului că o astfel de configurație pentru celule flexibile de prelucrare are dezavantaje, în momentul de față roboții industriali în coordonate cilindrice, nemodulari, cu funcții de încărcare – descărcare a mașinii unelte sunt foarte rari. Datorită faptului că este format și din 2 cuple de translație, este necesară utilizarea de protecții ale ghidajelor. [9]

De regula acești roboți sunt acționați electric sau fluidic în cazul roboților modulari, rigiditatea mecanică a structurii este relativ mare, și de obicei se utilizează pentru manipulatoare de dimensiuni relativ mici.

Volumul spațiului de lucru al robotului în coordonate cilindrice corespunde cu volumul unui cilindru cu gaură. Această gaură este ocupată de coloana robotului și are înălțimea dată de relația :

(4)

Raza exterioară a spațiului de lucru se calculează cu relația:

(5)

Volumul spațiului de lucru, în condiții ideale, se calculează cu relația:

(6)

Tabelul 3. Avantajele și dezavantajele roboților în coordonate cilindrice.

2.5.3 Roboți în coordonate sferice.

Punctul caracteristic poate fi poziționat în orice punct al spațiului cuprins între două calote sferice.

Cuplele cinematice din care este format mecanismul generator al traiectoriei sunt două cuple de rotație si una de translație sau trei de rotație.

Acești roboți pot genera o sferă în mișcarea lor. Mișcările pe care le execută sunt : înainte, înapoi, rotire stânga, rotire dreapta și pivotare sus, jos.

Reprezentarea direcției și orientării unui sistem de referință fix în coordonate polare corespunde determinării matricii de transfer din Fig. 2.17.

Fig. 2.17 Coordonate sferice [10]

Trecerea de la sistemul de referință la sistemul de referință se realizează printr-o rotație în jurul axei de unghi urmată de o rotație în jurul axei de unghi și o translație aer în jurul axei :

(7)

În cazul roboților în coordonate sferice cu rotabilitate totală în cuplele de rotație este limitat volumul spațiului de lucru de două suprafețe concentrice, cu centrul în centrul celei de-a doua cuplă de rotație. Razele celor două suprafețe sferice sunt :

(8)

(9)

Volumul spațiului de lucru se calculează cu relația:

(10)

2.6 Acționarea pneumatică a manipulatoarelor și a roboților industriali

2.6.1 Noțiuni generale în pneumatică

Cuvantul PNEUMATICĂ este derivat din limba greacă (de la cuvantul grecesc pneumatikos). În practică, pneumatica reprezintă o ramură a fizicii care utilizeaza aerul sau gazul sub presiune. Studiul pneumaticii se ocupă cu ramura fizicii care se numește mecanica fluidelor. [11]

Fluidul cel mai des întâlnit în aplicații este aerul comprimat. Aerul comprimat se obține prin introducerea, din atmosferă, a aerului într-un volum mai redus.

Pneumatica utilizează cel mai mult aerul comprimat în defavoarea altor gaze datorită faptului că acesta are câteva caracteristici mai importante:

Fluiditatea = este fenomenul în care moleculele aerului comprimat nu opun rezistență la deplasarea unora în raport cu celelalte molecule.

Compresibilitatea = este fenomenul de micșorare a volumului sub acțiunea presiunii

Elasticitatea = este acel fenomen prin care își modifică volumul sub acțiunea presiunii și apoi revine la forma inițială după încetarea acesteia.

Datorită avantajelor pe care le au sistemele de acționare pneumatice sunt preferate într-un numar foarte mare în aplicații industriale, cum ar fi: simplitatea constructivă, robustețea, fiabilitatea și productivitatea ridicată.

Aceste sisteme sunt utilizate atunci când :

Forțele și momentele ce trebuiesc controlate sunt de valori medii.

Poziționarea sarcinii nu trebuie făcută cu precizie ridicată.

Trebuie respectate cu strictețe o serie de norme igienico-sanitare.

Vitezele de deplasare a sarcinii nu trebuie să respecte cu strictețe o anumită valoare.

Condițiile de funcționare sunt severe.

2.6.2 Avantajele folosirii aerului comprimat în industrie.

Aceste avantaje ale aerului comprimat au dus la o utilizare foarte răspândită în majoritatea ramurilor din industrie. Avantajele cu cea mai mare importanță ale aerului comprimat sunt următoarele :

Disponibilitatea – aerul este prezent și disponibil aproape peste tot.

Transportul – transportul aerului se poate face ușor, la distanțe mari prin conducte.

Temperatura– este relativ insensibil la variațiile de temperatură, acționările pneumatice funcționează la fel și la temperaturi ridicate.

Depozitarea – este depozitat în rezervoare rapid și simplu.

Mediul exploziv – această acționare nu produce scântei și poate fi utilizat în mediile explozive fără prea multe măsuri de siguranță.

Curățenia – este un mediu în care nu există pericol de poluare, este un mediu foarte curat. Filtrele ce sunt utilizate elimină evacuarea impurităților în mediul înconjurător.

Suprasarcina – la apariția suprasarcinilor componentele pneumatice nu se deteriorează.

Reglarea – vitezele și forțele dezvoltate de echipamentele pneumatice se pot regla foarte ușor. [11]

2.6.3 Dezavantajele folosirii aerului comprimat în industrie.

Datorită faptului ca nu este un mediu ideal, aerul comprimat prezintă și unele dezavantaje. Cele mai importante dezavantaje ale aerului comprimat sunt următoarele :

Prepararea – aerul comprimat necesită o preparare foarte bună. Din el trebuie eliminate impuritățile și condensul.

Compresibilitatea – datorită acestui dezavantaj nu se pot obține poziționări precise și viteze uniforme ale actuatorilor.

Forța – pentru a se atinge forțe mari, echipamentele pneumatice trebuie să aibe gabarite pe măsură.

Prețul – este cel mai scump mediu și are cel mai scăzut randament.

Datorită proceselor de răcire și a transformărilor adiabatice din instalațiile pneumatice, randamentul poate ajunge până la aproximativ 30%. [11]

2.6.4 Parametrii pneumatici utilizați în industrie.

Presiunea este cunoscută ca fiind prima mărime fundamentală a pneumaticii. Aceasta este definită ca fiind forța aplicată pe o suprafață. Presiunea are mai multe unități de măsură, cele mai utilizate în mediul industrial fiind următoarele: barul, PSI, Pascal, atm și mmHg. [11]

(11)

De asemenea, presiunea poate fi de mai multe feluri: presiune statică, presiune dinamică, presiune de strângere, presiune hidrostatică, presiune parțială, presiune de explozie sau deflagrație și presiune negativă.

Debitul este cunoscută ca fiind cea de-a doua mărime fundamentală a pneumaticii. Aceasta este definită ca fiind cantitatea de aer comprimat care trece printr-o secțiune într-o unitate de timp. La fel ca și presiunea, debitul are mai multe unități de măsură. În mediul industrial, cele mai utilizate unități de măsură sunt următoarele: litru/secundă, litru/minut, /minut și /oră. [11]

(12)

Diferența de presiune măsurată între orificiul de intrare al unei componente pneumatice și orificiul de ieșire se numește cădere de presiune. Pentru a defini valoarea căderii de presiune, în funcție de presiune și de debit, este necesar să știm faptul că aerul este un fluid compresibil și, datorită acestui fapt, numărul parametriilor care intervin este extrem de complex.

2.6.5 Motoarele pneumatice utilizate în industrie.

Actuatorii pneumatici sunt componente pneumatice sau cilindrii pneumatici de acționare ce sunt utilizate pentru a transforma energia aerului comprimat în lucru mecanic util. De asemenea, acești actuatori pneumatici se mai pot regăsi în literatura de specialitate și sub denumirea de motoare pneumatice.

Aceste motoare pneumatice pot executa mișcări de translație si de rotație, chiar și mișcări combinate cele cu o construcție mai complexă.

Actuatori liniari

Acestea sunt motoarele pneumatice liniare care realizează mișcarea de translație. Au o construcție foarte simplă și sunt cele mai utilizate componente de acționare în circuitele pneumatice.

Există doua tipuri de cilindrii pneumatici :

Cilindrii cu simplă acțiune– au un singur orificiu și au o singură cursă activă sub acțiunea aerului comprimat.

Cilindrii cu dublă acțiune– au două orificii și au două curse active sub acțiunea aerului comprimat.

Cilindru cu simplă acțiune (are o singură cursă activă sub acțiunea aerului comprimat).

Acest lucru este posibil deoarece aerul pneumatic ce intră prin orificiu și alimentează cilindrul acționează doar pe o suprafață a pistonului din cilindru. [1]

Fig. 2.18 Cilindru cu simplă acțiune [11]

Forța care va acționa asupra pistonului va fi dată de presiunea aerului comprimat înmulțită cu suprafața pistonului pe care acționează aerul.

(13)

Acest lucru va determina comprimarea arcului din cilindru și deplasarea tijei spre dreapta. Deplasarea este posibilă deoarece camera din dreapta este conectată la astmosferă printr-un orificiu foarte mic. Revenirea cilindrului în poziția inițială se face prin intermediul arcului mecanic.

Cilindru cu dublă acțiune (are două curse active sub acțiunea aerului comprimat).

În acest caz cele două camere ale cilindrului sunt conectate alternativ la sursa de aer comprimat și la atmosferă. Aerul acționeaza alternativ pe ambele suprafețe ale pistonului din cilindru. [1]

Se pot distinge, din punct de vedere constructiv, 2 tipuri de cilindrii :

Cilindru cu dublă acțiune cu tijă unilaterală

Cilindru cu dublă acțiune cu tijă bilaterală

Fig. 2.19 Cilindru cu dublă acțiune cu tijă unilaterală [11]

Pentru a deplasa tija spre dreapta se va alimenta orificiul din partea stângă, iar orificiul din partea dreaptă va fi conectat la atmosferă.

Dacă se dorește revenirea la poziția inițială se va introduce aer comprimat pe orificiul din dreapta și orificiul din stanga al motorului pneumatic va fi conectat la atmosferă.

La cilindrul cu dublă acțiune cu tijă unilaterală suprafețele pe care acționează aerul nu sunt egale, datorită acestui fapt forțele dezvoltate pe cele două curse active nu sunt egale.

Fig. 2.20 Cilindru cu dublă acțiune cu tijă bilaterală [11]

Cilindrul cu tijă bilaterală cu acțiune dublă are prin construcția sa cele două forțe dezvoltate pe cursele active egale.

Se poate observa că atunci când tija din partea dreaptă se extinde, tija din partea stângă se retrage, de asemenea același lucru se întâmplă și invers.

Acest cilindru poate prelua forțe mai mari deoarece lungimea de ghidare a tijei este mult mai mare decât la cilindrul cu dublă acțiune cu tijă unilaterală.

Actuatori rotativi

Actuatorii rotativi sunt acei actuatori care realizează mișcarea de rotație la arbore. Acești actuatori sunt de 2 tipuri :

Actuatori rotativi cu pinion

Actuatori rotativi cu palete

Actuatorul rotativ cu pinion este format dintr-un mecanism de tip pinion –cremalieră si un cilindru liniar.

Fig. 2.21 Actuator rotativ cu pinion [11]

Actuatorul rotativ cu palete este format dintr-o paletă sau două asupra cărora acționează aerul comprimat. Paletele împart volumul ciliindrului în două camere separate prevăzute cu orificii de conectare la aerul comprimat. Cea mai mare problemă a acestor motoare este etanșarea celor două camere. [11]

Fig. 2.22 Actuator rotativ cu palete [11]

2.6.6 Distribuitoarele utilizate în industrie.

Au rolul dirijării circulației aerului pe diferite circuite ale instalației, în scopul realizării unor operații precum :

Închiderea sau deschiderea liniei de alimentare cu aer.

Acționarea cilindrilor.

Pornirea, oprirea mișcării.

Inversarea sensului de deplasare.

Clasificarea distribuitoarelor se face după :

Principiul constructiv și funcțional :

Cu sertar (rotativ, cilindric, plan)

Cu supape

După numărul de poziții :

Două

Trei

Mai multe poziții

După modul de comandă :

Manuală

Mecanică

Electrică

Pneumatică [5]

Tabelul 3. Utilizarea distribuitoarelor în funcție de tipul acestora.

2.7 Dispozitive de prehensiune

Prehensoarele sunt sisteme complexe utilizate de roboți în vederea realizării unor operații de prehensiune. Prehensiunea este o acțiune specifică roboticii ce presupune o interacțiune obiect-piesă, și anume interacțiunea dintre un robot și un corp, în vederea manipulării pieselor dintr-o poziție în alta. Aceasta se realizează de către robot prin intermediul unui prehensor.

Fig. 2.23 Prehensor [17]

2.7.1 Structura sistemului de prehensiune.

În ceea ce privește structura sistemului de prehensiune, acesta este compus din:

Subsistem energetic –furnizează energia necesară funcționării sistemului.

Subsistem de execuție –realizează prinderea piesei de prehensat.

Subsistem senzorial –culege informații asupra stării interne a sistemului de prehensiune și mediului în care funcționează sistemul.

Subsistem de prelucrare a informației și de comandă –primește informațiile de la traductoare și senzori, le prelucrează, apoi dă comenzile necesare funcționării optime a sistemului.

2.7.2 Clasificarea sistemelor de prehensiune.

Sisteme naturale de prehensiune –se întâlnesc la diferite viețuitoare precum crabi, gândaci (cleștii), păsări (ghearele și ciocul), precum și la om (mâinile).

Sisteme artificiale de prehensiune –sunt concepute de om și au diferite utilizări. Dintre acestea distingem protezele pentru mâini și utilizarea acestora pentru roboții industrial .

Sisteme naturale de prehensiune

În acest subcapitol vom discuta despre sistemele naturale de prehensiune, cu precădere despre cel al mâinii omului. Prehensiunea este mișcarea congenitală ce presupune acțiunea mâinii de a prinde obiectele cu ajutorul degetelor.

Elementele de prehensiune ale mâinii sunt structurate astfel:

Raza I: policele, metacarpianul I, articulațiile dintre ele și mușchii policelui.

Raza II: indexul

Raza III: degetele 3 si 4 și metacarpienele corespunzătoare

Fig. 2.24 Mișcările mâinii omului [13]

Prehensiunea poate fii atât de finețe, în care se folosește raza I și II, cât și de forță, combinând toate elementele de prehensiune ale mâinii.

Tipuri de prehensiune ale mâinii

Prehensiune prin opoziție terminală: extremitatea policelui și extremitatea pulpei fiecărui deget.

Prehensiune prin opoziție subterminală: pulpa policelui și pulpa altui deget (sau a două degete).

Prehensiune prin opoziție subtermino- laterală: pulpa policelui și fața laterală a unui deget.

Prehensiune polici- digitopalmară: palma și cele cinci degete.

Prehensiune prin opoziție digitopalmară: palma și cele patru degete (cu excepția policelui).

Prehensiune interdigitală latero-laterală: în deosebi între index și medius.

Prehensiune palmară cu toata mâna.

Toate aceste studii asupra prehensiunii mâinii omului, precum și alte studii referitoare la acest subiect, au contribuit substanțial la îmbogățirea cunoștințelor legate de prehensiune, fiind utile la conceperea și perfecționarea sistemelor de prehensiune utilizate la roboți.

Sistemele artificiale de prehensiune

Tabelul 4. Avantajele și dezavantajele prehensoarelor în funcție de tipul acestuia

În continuare vom studia sistemele artificiale de prehensiune. Acestea sunt sisteme derivate din cele naturale, destinate diferitelor aplicații industriale și medicale. Clasificarea acestora se face în funcție de diferite criterii, după cum urmează:

În funcție de metoda de prehensiune, distingem următoarele tipuri de sisteme:

Sisteme cu contact- la care două sau mai multe forțe sunt aplicate direct obiectului;

Sisteme intruzive- prehensiunea este realizată prin străpungerea suprafeței corpului;

Sisteme astringente- o forță de legătură este aplicată într-o singură direcție. În cadrul acestei metode distingem prehensoare vacuumatice, magnetoadezive și electroadezive;

Sisteme contigue- o metodă de prehensare fără contact, la care este necesară generarea unei forțe de atragere pe o singură direcție.

În funcție de tipul mișcării executate de bacurile de prindere, avem:

Prehensoare unghiulare- cu mișcare de rotație;

Prehensoare paralele- cu mișcare liniară;

Fig. 2.25 Prehensor paralel, respectiv prehensor unghiular [12]

În funcție de numărul zonelor de prindere a obiectului, distingem prehensoare cu două bacuri, prehensoare cu trei bacuri sau mai multe.

Dfghj

Fig. 2.26 Prehensor cu două, respectiv cu trei bacuri [12]

După tipul elementului de prehensiune, distingem trei tipuri de prehensoare:

Prehensoare cu bacuri rigide

Prehensoare cu bacuri adaptive la forma obiectului (imaginea A)

Prehensoare cu tentacule (imaginea B)

Imaginea A Imaginea B

Fig. 2.27 Prehensor cu două, respectiv cu trei bacuri [12]

În funcție de tipul energiei folosite pentru acționare distingem:

Sisteme de prehensiune pneumatice

Sisteme de prehensiune hidraulice

Sisteme de prehensiune cu vacuum

Sisteme de prehensiune servo-electrice

Sisteme de prehensiune magnetice etc.

2.7.3 Sisteme de prehensiune pneumatice

Motoarele electrice sunt foarte des utilizate la construcția sistemelor de prehensiune datorită simplității prin care acestea pot fi comandate. Motoarele hidraulice, liniare sau cele rotative, se regăsesc în aplicațiile care necesită forțe mari de strângere. Acționarea pneumatică se utilizează pentru aplicațiile la care forțele necesare au valori relativ reduse.

Fig. 2.28 Prehensor cu acționare pneumatică cu două, respectiv cu trei bacuri [16]

2.7.4 Sisteme de prehensiune cu vacuum.

Prehensoarele cu vacuum aparțin categoriei prehensoarelor unilaterale, deoarece acestea necesită o singură suprafață activă de contact cu obiectul prehensat.

La baza funcționării sistemelor de prehensiune cu vacuum stă eliminarea aerului dintre suprafața de lucru a acestora și suprafața obiectului prehensat. Astfel, se obține o priză între cele două suprafețe prin acțiunea presiunii aerostatice. Aceste prehensoare funcționează în medii gazoase, fiind formate dintr-o suprafață acoperită de ventuze elastice, din cauciuc sau alte materiale asemănătoare din punct de vedere al proprietăților. [8]

Eliminarea aerului dintre suprafața ventuzei și cea a obiectului prehensat se poate realiza atât prin apăsarea mecanică a ventuzei pe suprafața piesei, cât și prin curenți de aer sub presiune sau prin pompe cu vid.

Apăsarea mecanică a ventuzei pentru eliminarea aerului presupune existența unei suprafețe de sprijin, prehensiunea fiind produsă de presiunea atmosferică.

Fig. 2.29 Prehensiune cu ventuza apăsată mecanic [8]

Calculul forței de prehensiune și forței de aderență între piesă și ventuză se realizează cu ajutorul următoarei relații:

(14)

Unde d reprezintă diametrul cercului de contact dintre piesă și ventuză, reprezintă volumul de aer închis sub ventuză înainte de deformare, iar volumul de aer după deformare. Pentru eliminarea aerului prin curenți de aer sub presiune (efectul Venturi) este necesară pomparea unui jet de aer sub presiune în corpul prehensorului, determinând astfel o scădere a presiunii statice, realizând în final priza cu piesa. [8]

În ceea ce priveste eliminarea aerului cu ajutorul unor pompe cu vid, desprinderea este determinată de pătrunderea aerului cu presiune redusă (4 bari) prin intermediul unui distribuitor. Acesta este acționat electromagnetic pentru poziția de lucru și de un arc pentru poziția închis.

Acest procedeu este exemplificat în figura următoare:

Fig. 2.30 Principiul obținerii vidului [8]

În cazul folosirii unei singure ventuze, forța de prehensiune se calculează cu formula:

(15)

În cazul în care se folosesc mai multe ventuze, forța de prehensiune se aproximează:

(16)

2.7.5 Sisteme de prehensiune magnetice.

Prehensoarele magnetice fac parte din categoria prehensoarelor unilaterale ca și prehensoarele cu vacuum cu care se aseamănă. Acestea au o singură suprafață de lucru și necesită cale de acces spre piesa prehensată dintr-o singură direcție. Evident că prehensoarele magnetice se pot folosi numai pentru piesele feromagnetice.

Principiu de funcționare și elemente de calcul:

Prehensoarele magnetice realizează prehensiunea prin intermediul forței de atracție magnetică. Această forță poate fi generată de magneți permanenți sau de electromagneți. [8]

Dacă utilizăm un magnet permanent (a) forța magnetică de prehensiune este proporțională cu mărimea magneților și deoarece aceasta este permanentă, desprinderea piesei se realizează cu un mecanism suplimentar (b, c).

Fig. 2.31 Prehensor cu magnet permanent (a) și exemple de mecanisme de desprindere (b, c) [8]

Forța electromagnetică este generată de un electromagnet care în cele mai multe cazuri este o bobină cilindrică cu un miez cu proprietăți magnetice bune sau foarte bune. Forța magnetică se poate calcula cu relația:

(17)

Aaria de contact dintre electromagnet și forța prehensată B inducția magnetică

µ permeabilitatea magnetică a vidului

Desprinderea piesei în cazul electromagneților se face prin tăierea alimentarii, iar dacă este cazul forțarea piesei pentru a se desprinde, pentru învingerea forței generate de magnetismul remanent, anularea câmpului electromagnetic inițial prin alimentarea bobinei cu un curent alternativ de tensiune scazută.

Ca și avantaje ale prehensoarelor magnetice sunt: lipsa uzurii, construcție simplă, absența elementelor de acționare, necesitatea unei singure suprafețe de acces spre piesă. Aceste prehensoare cu magneți se pot utiliza până la temperaturi de 500șC, folosite în medii explozive, iar acestea mai au ca și avantaje: posibilitatea de adaptare la forma piesei, toleranța la impurități și alimentare simplă cu energie.

Prehensoarele electromagnetice față de cele vacuumatice, prezintă o rapiditate mai mare în funcționare și dezvoltă o forță specifică mai mare pe unitatea de suprafață.

Aceste prehensoare cu electromagneți nu poti fi utilizate la temperaturi mai mari de 60șC doar dacă se impun măsuri speciale înfășurărilor bobinelor folosite și au magnetism care necesită dispozitive de prindere a piesei prehensate.

Prehensoarele cu magneți permanenți au următoarele dezavantaje: încărcare cu diverse impurități feromagnetice ce pot duce la mărirea întrefierului și scăderea forței magnetice utile, fiind necesar un dispozitiv suplimentar pentru extragerea piesei. [8]

Aceste tipuri de prehensoare magnetice au ca și dezavantaj prehensarea simultană a pieselor când acestea au suprafața de contact plană, subțire sau dispusă în pachete. Pentru a menține forța magnetică constantă necesită curățirea suprafețelor de așchii și impurități care pot conduce la mărirea distanțelor ce vin în contact.

CAPITOLUL III – Proiectarea constructivă a axelor Y, Z și a dispozitivului de prehensiune

3.1 Calculul pentru dimensionarea axei Z.

Vom utiliza următoarele date de intrare:

(18)

m piesă = 0.275 [Kg] =>

m prehensor = 0.06 [Kg] =>

m motor vert = 1.715 [Kg] =>

m motor oriz = 2.15 [Kg] =>

m placa1 = 0.25 [Kg] =>

m placa2 = 0.45 [Kg] =>

m suport = 2·0.55 [Kg] =>

m ghidaj = 0.55 [Kg] =>

m piuliță = 0.45 [Kg] =>

Presiunea necesară pentru axa pneumatică verticală se va calcula în felul următor:

Motorul pneumatic trebuie să dezvolte forța necesară ridicării următoarelor componente :

Piesa

Prehensor

Axa pneumatică verticală

Fig. 3.1 Acțiunea forțelor de presiune și a forței rezistente

(19)

Motorul pneumatic vertical trebuie să dezvolte o forță necesară de 20,5 [N].

Diametrul interior al pistonului din motorul pneumatic vertical este de 18 mm.

Se va calcula aria cilindrului interior.

(20)

Presiunea minimă necesară ridicării pieselor se va calcula astfel :

(21)

unde: P – presiunea necesară

A – aria pistonului

F – forța rezistentă

Datorită rezultatelor obținute anterior se va utiliza motorul pneumatic ce funcționează la 4 [bar] de la FESTO DGC-18-200-KF-YSRW-A.

Calculul pentru dimensionarea axei Y

Presiunea necesară pentru axa pneumatică orizontală se va calcula în felul următor:

Motorul pneumatic trebuie să dezvolte forța necesară ridicării următoarelor componente :

Axa pneumatică verticală.

Piesa de legătură dintre motoarele pneumatice.

(22)

Motorul pneumatic vertical trebuie să dezvolte o forță necesară de 23 [N].

Diametrul interior al pistonului din motorul pneumatic vertical este de 18 [mm].

Se va calcula aria cilindrului interior.

(20)

Presiunea minimă necesară ridicării pieselor se va calcula astfel :

(21)

Datorită rezultatelor obținute anterior se va utiliza motorul pneumatic ce funcționează la 4 [bar] de la FESTO DGC-18-350-KF-YSRW-A.

3.3 Calculul de dimensionare a motorului necesar prehensorului

În cazul prezentei lucrări de diplomă a fost necesar a fi prehensată o piesă de formă cubică din lemn uscat, cu latura de 70 [mm], pentru preluarea acestei piese de pe un conveior și manipularea ei până într-o zonă de depozitare.

Pentru a determina forța necesară prehensiunii, în vederea preluării și manipulării piesei, s-a pornit de la determinarea greutății piesei.

Fig. 3.2 Acțiunea forțelor de frecare dintre bacurile prehensorului și piesă

Se știe faptul că densitatea specifică a lemnului uscat este :

Se poate calcula volumul piesei știind că laturile piesei sunt de 70 [mm].

(23)

Având valorile densității și a volumului piesei putem calcula masa acesteia:

(24)

Pentru a fi posibilă realizarea prehensiunii, astfel încât corpul să fie prins între bacuri, pentru ca acesta să poată fi deplasat spre postul de lucru, este necesară îndeplinirea următoarei condiții:

Datorită faptului că prinderea piesei se face pe ambele părți rezultă faptul că :

(25)

Din formula generală a forței de frecare, se poate determina forța necesară de deplasare a bacurilor știind faptul că coeficientul de frecare dintre lemn și cauciuc este:

(26)

Prehensorul este o pârghie de gradul I cu punctul de sprijin aflat între punctele de aplicație ale celor 2 puncte.

Fig. 3.3Distribuția forțelor pe bacurile prehensorului

Forța dezvoltată de motor pentru prinderea piesei se calculează astfel :

(27)

(28)

Este necesară o forță de 21,15 [N] pe ambele bacuri, deci se alege motorul pneumatic MPG-25 cu bacuri paralele cu forță de strângere maximă de 31 [N].

Presiunea minimă necesară a prehensorului se va calcula în felul următor:

Prehensor = Piesă

Prehensorul trebuie sa dezvolte o forță necesară de 2,75 [N].

Diametrul interior al pistonului din motorul pneumatic vertical este de 18 mm.

Se va calcula aria cilindrului interior.

(20)

Presiunea minimă necesară ridicării pieselor se va calcula astfel :

(21)

Datorită rezultatelor obținute anterior se va utiliza prehensorul pneumatic ce funcționează la 4 [bar] de la SCHUNK MPG-25.

Modelarea tridimensională a manipulatorului de tip T.T.T.

Modelarea tridimensională a ansamblului a fost realizată cu ajutorul programului Catia V5, unde a fost creată mai întâi fiecare piesă componentă în parte în modulul „Mechanical Design”, secțiunea „Part Design”. După ce am realizat toate piesele componente, urmează asamblarea lor în modulul „Mechanical Design”, secțiunea „Assembly Design”.

Fig. 3.4 Manipulator in 3 axe cu acționare electrică și pneumatică

Elementele componente ale acestui ansamblu sunt :

Prima componentă a standului este un motor pneumatic liniar, materialul din care acest motor este confecționat este aluminiu, deoarece este un metal relativ ușor, cu o densitate de 2.7 [g/]. Aliajele de aluminiu au o rezistență la tracțiune cuprinsă intre 70 și 700 [Mpa].

Fig. 3.5 Axa orizontală

Datorită calculelor de dimensionare executate anterior și datorită cursei necesare de 400 de mm am ales motorul pneumatic Festo DGC-18-350-KF-YSRW-A care are urmatoarele caracteristici tehnice:

Fig. 3.6 Caracteristicile axei orizontale (Y) și verticale (Z) [14]

Cel de-al doilea motor pneumatic liniar necesită aproximativ aceleași specificații, singurul lucru care diferă este lungimea, astfel ca motorul ales pentru această aplicație este motorul pneumatic liniar: DGC-18-200-KF-YSRW-A care are caracteristicile tehnice prezentate în figura anterioară.

Fig. 3.7 Axa verticală

Legătura între cele 2 axe se va face prin intermediul unei plăci de aluminiu cu grosimea de 10 mm, lungimea de 110 [mm] și lățimea de 62 [mm], prevăzută cu bolțuri de fixare și prinsă cu șuruburi M4 de axele cinematice.

Fig. 3.8 Piesa de legătură dintre cele 2 axe pneumatice.

Prehensorul pneumatic sau efectorul terminal al standului a fost dimensionat de asemenea, iar varianta cea mai optimă pentru acest manipulator este prehensorul paralel MPG 25-2 de la Schunk.

Fig. 3.9 Prehensor pneumatic Schunk

Pentru prehensarea pieselor a fost necesară proiectarea unor bacuri care să poată prelua o piesă de formă cubică cu latura de 70 [mm] cu o greutate de 2,75 [N].

Bacurile sunt construite dintr-un material plastic numit ABS. Acestea au fost realizate pe imprimantă 3D, deoarece s-a stabilit că bacurile sunt suficient de rezistente pentru manipularea pieselor.

Fig. 3.10 Ansamblu prehensor

După ce toate piesele au fost modelate se va realiza asamblarea tuturor pieselor astfel încât să se poată face o verificare a coliziunilor dintre suprafețele pieselor proiectate.

Fig. 3.11 Ansamblu axe pneumatice și prehensor

Elementele componente ale acestui ansamblu sunt :

1. Bacuri prehensor

2. Motor pneumatic prehensor

3. Motor pneumatic axa Z

4. Placă de legătură între cele 2 Axe pneumatice

5. Motor pneumatic axa Y

12. Picior de susținere a axei pneumatice Y

13. Placa de bază

3.5 Analiza statică a mecanismului de prehensiune utilizând metoda elementului finit

Această metodă este una aproximativă care folosește aproximarea circumferinței unui cerc prin însumarea laturilor unui poligon înscris, calcularea centrelor de greutate ale diverselor piese sau suprafețe.

Avantajele metodei elementelor finite sunt: generalitatea, suplețea, simplitatea conceptelor de bază, utilizarea calculatoarelor, existența programelor de calcul cu metoda elementelor finite, stabilitatea algoritmilor de calcul.

Dezavantajele metodei elementelor finite sunt: metoda este una aproximativă, modelul de calcul este subiectiv și arbitrar, elaborarea modelului de calcul este laborioasă, programele ce utilizează metoda elementelor finite sunt de regulă complexe și scumpe.

Bacurile prehensorului utilizat în prezenta lucrare de diplomă au fost printate pe o imprimantă 3D care utilizează un filament din ABS care are următoarele proprietăți:

Coeficientul lui Poisson, µ = 0,35

Modulul de elasticitate longitudinal, E = 2800 [Mpa]

Forță compresivă 42 [Mpa]

Temperatură maximă de operare 60˚[C]

Rezistența la tracțiune 45 [Mpa]

Elongația la rupere 45 %

Densitatea

În figura de mai jos este prezentat prehensorul proiectat și printat cu încărcările existente pe acesta. Încastrările în partea de contact dintre prehensor și bacurile acestuia și presiunea necesară calculată în capitolul anterior, presiune care trebuie să genereze o forță de frecare mai mare decât greutatea piesei, pentru ca aceasta să poată fi susținută de prehensor.

Încastrarea se face în partea superioară a prehensorului, la contactul dintre bacuri și prehensor.

Fig. 3.12 Încastrarea prehensorului și dispunerea forțelor.

Încărcarea cu forțe s-a făcut astfel încât să se poată urmării deformația apărută în urma acționării. Forța necesară prehensiunii este de 10 [N] pe bac, după cum am stabilit la capitolul de calcul de dimensionare a motorului necesar prehensiunii. Această forță a fost uniform distribuită pe întreaga suprafață de prehensare.

Modelul realizat și utilizat a fost discretizat utilizând elemente finite de tip tetraedru, rezultând un număr de 36676 elemente finite, cu o mărime a elementului de aproximativ 2 [mm].

Fig. 3.13 Discretizarea prehensorului în elemente finite

Aceste elemente finite se utilizează în procesul împărțirii unei piese, structuri, indiferent de ce tip de analiză se dorește a se utiliza.

În sens larg, un element finit reprezintă modelul de aproximare a următoarelor proprietăți:

Geometrice (forma elementului) caracterizat ca parte dintr-un corp cu anumite dimensiuni;

Fizice, elementul finit are atașat proprietăți fizice, cum ar fi: elasticitatea, vâscozitatea, densitatea, conductibilitatea termică, etc.;

Funcționale, aproximează una sau mai multe variabile ale problemei în funcție de valorile nodale si funcțile de aproximare ale problemei. [4]

În urma rulării analizei statice pentru modelul creat s-au obținut rezultatele ce vor fi prezentate în următoarele figuri:

Fig. 3.14 Deformațiile pe axa X

Deformația maximă de pe axa X = 0,01549 [mm].

Fig. 3.15 Deformațiile de pe axa Y

Deformația maximă de pe axa Y=0.01609 [mm].

Fig. 3.16 Deformațiile pe axa Z

Deformația maximă de pe axa Z = 1,204 [mm].

Fig. 3.17 Deformația totală.

Deformația totală Dt = 1.223 [mm], această deformație este una relativ mare, însă materialul îndeplinește cerințele pentru care a fost proiectat.

Această piesă este ușor de realizat, fără a implica costuri foarte mari, este o piesă cu o calitate bună a suprafeței exterioare, cu o greutate foarte mică și cu un preț de cost foarte accesibil.

În cazul în care se dorește realizarea piesei dintr-un alt material cu o rigiditate mai mare, dar care implică costuri de producție mult mai mari, greutate, care poate influența într-un mod nefavorabil deplasarea pe cele două axe pneumatice, am realizat, datorită acestui soft care permite alegerea mai multor materiale foarte rapid și foarte ușor, o piesă din aluminiu cu modulul de elasticitate longitudinal E= 75 000 [Mpa] și cu coeficientul lui Poisson µ=0.35 .

Fig. 3.18 Deformația totală la o piesă din aluminiu

Se poate observa faptul că deformația totală Dt = 0,04564 [mm] este mult mai mică de această dată, în comparație cu deformația totală a piesei din ABS, însă și ea are la rândul ei o serie de dezavantaje.

Fig. 3.19 Tensiunea echivalentă Von Misses

Fig. 3.20 Tensiunea maximă principală

3.6 Calculul momentului de încovoiere și analiza statică a axei Y

Verificarea la încovoiere a axei pneumatice.

Fig. 3.21 Secțiunea axei pneumatice

Date de intrare : Forța concentrat aplicată de F= 23 [N]

Lungimea axei L= 470 [mm]

Aria secțiunii axei pneumatice precum și centrul de greutate al acestei piese vor fi preluate din programul Catia V5 care oferă aceste date despre piesele realizate în programul respectiv.

Fig. 3.22 Aria și centrul de greutate al secțiunii

De asemenea, aria suprafeței fără material va fi calculată ca diferență dintre o arie totală, arie a unui paralelogram cu laturile de 42.1 și 38, și aria secțiunii axei pneumatice.

G= Centru de greutate al secțiunii

Distanța dintre axe

(29)

(30)

Aproximăm secțiunea cu una de formă dreptunghiulară cu un orificiu circular în mijloc pentru a putea calcula momentul de inerție și modulele de rezistență.

Fig. 3.23 Secțiunea aproximată

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

reprezintă deplasarea maximă.

Coeficientul de elasticitate E= 70 [Gpa].

(37)

Prin urmare, atât condiția de rezistență cât și condiția de rigiditate sunt îndeplinite.

Analiza statică a axei orizontale

Pentru realizarea analizei statice cu element finit a structurii ne sunt necesare anumite date de intrare. Materialul utilizat la confecționarea acestei axe pneumatice este aluminiu care are următoarele proprietăți:

Coeficientul lui Poisson, µ = 0,35

Modulul de elasticitate longitudinal, E = 75 000 [Mpa]

În figura de mai jos este prezentată axa pneumatică proiectată cu încărcările existente pe acesta. Încastrările în partea de contact dintre profilele ce susțin axa pneumatică orizontală pe placa de bază și forța concentrat aplicată în punctul maxim în care poate ajunge axa orizontală, forță ce reprezintă greutatea totală a elementelor ce va trebui susținută.

Fig. 3.24 Locul de aplicare a constrângerilor și a sarcinilor concentrat aplicate pe axa orizontală

La discretizarea axei orizontale s-au folosit elemente finite de tip tetraedic cu 10 noduri (C3D10) cu dimensiunea laturii de aproximativ 10 mm rezultând astfel un număr de 35226 elemente finite. Modelul axei orizontale discretizat în elemente finite este prezentat în figura următoare:

Fig. 3.25 Axa orizontală discretizată în elemente finite

În urma rulării analizei statice pentru reperul studiat s-au obținut următoarele rezultate prezentate în continuare:

Fig. 3.26 Deformația totală a axei pneumatice orizontale.

Deformația totală maximă este Dt = 0,363 [mm] la o acțiunea unei forțe de 23 [N].

Fig. 3.27 Tensiunea echivalentă Von Mises

Fig. 3.28 Tensiunea maximă principală

3.7 Realizarea instalației pneumatice de acționare

Schema pneumatică de acționare a fost realizată în programul FluidSim, pentru cazul în care toate motoarele pneumatice trebuie să realizeze o mișcare.

Fig. 3.29 Schema pneumatică de acționare

Componentele utilizate în această schemă sunt:

A= Compresor

B= Axa pneumatică verticală

C= Axa pneumatică orizontală

D= Prehensor

E= Distribuitor cu sertar 5/2

F= Filtru, Amortizor.

Mișcarea tiijelor din motoarele pneumatice se realizează prin intermediul unui compresor de aer comprimat ce asigură alimentarea întregii instalații cu aer la o presiune de 4 bari.

Pentru acționarea motoarelor pneumatice și pentru deplasarea acestora am folosit 3 distribuitoare 5/2 cu sertar (5 căi, 2 poziții), câte unul pentru fiecare motor. Distribuitorul este comandat prin intermediul unui electromagnet, însă poate primi și comandă mecanică.

Orificiile distribuitorului ”2” și ”4” au rol de alimentare a instalației, fiind conectate la alimentarea cu aer a acesteia, pe când ”3” și ”5”, au rol de evacuare a aerului și de amortizare a zgomotului.

Instalația este dotată de asemenea cu drosele care fac posibilă modificarea vitezei cu care tija se deplasează prin deschiderea și închiderea acestora.

Atunci când se alimentează un electromagnet de exemplu E1 distribuitorul se deplasează în partea dreaptă, permițând pătrunderea aerului în prima cameră a motorului, rezultând avansul tijei, respectiv deplasarea axei pneumatice orizontale.

Schema electrică are rolul de a face posibilă acționarea electromagneților distribuitoarelor, acestea fiind alimentate la o tensiune de 24 [V], rezultatul fiind acționarea motoarelor pneumatice, precum am specificat în pagina anterioară.

Fig. 3.30 Acționarea motoarelor pneumatice

Pentru retragere se alimentează electromagnetul E2, distribuitorul deplasându-se spre stânga, iar rezultatul fiind pătrunderea aerului, în cea de-a doua cameră a motorului, permițând retragerea tijei în poziție inițială.

În continuare voi explica procesul și ordinea deplasării motoarelor în cazul în care piesa preluată necesită manipularea prin intermediul tuturor celor 3 motoare:

În primă fază se pornește compresorul care va realiza presiunea necesară în instalație, se va acționa electromagnetul ”E6” care va acționa prehensorul, acesta preluând piesa. După ce piesa este preluată se va activa electromagnetul ”E4” care va deplasa axa orizontală în capătul din dreapta. Odata ajunsă în capătul din dreapta, când senzorul ”SP1” va fi activ, se va activa electromagnetul ”E1” care va deplasa axa verticală în poziția de jos. Dacă senzorii ”SP1” și ”SP4” sunt activi atunci se va activa electromagnetul ”E5” care va elibera piesa din prehensor, iar instalația va reveni la poziția inițială.

Fig. 3.31 Schema electrică de acționare a electromagneților de pe distribuitoare

La apăsarea butonului de start, linia 3 se închide deoarece motorul pneumatic de pe axa Y, respectiv axa Z se află la capetele de cursă iar senzorii SP2 și SP3 sunt activați. Închiderea liniei 3 alimentează contactorul K1 ce are patru contacte normal deschise pe liniile 4, 5, 12 și 13.

Contactul normal deschis K1 de pe linia 4 are rol de automenținere, adică asigură alimentarea motorului pneumatic de pe axa Y până când acesta ajunge la celălalt capăt de cursă.

Contactul normal deschis K1 de pe linia 12 închide linia, curentul trece prin electromagnetul E4 care acționează distribuitorul ce face deplasarea motorului de pe axa Y.

Contactul normal deschis de pe linia 13 se închide, astfel electromagnetul E6 al distribuitorului legat la gripper își schimbă poziția, astfel realizându-se prinderea piesei de către gripper.

Odată ajuns la capătul celălalt de cursă motorul de pe axa Y, senzorul SP1 închide linia 5 iar contactorul K2 este alimentat. Acesta are două contacte normal deschise pe linia 6 și 7 iar un contact normal închis pe linia 3 pentru interblocare.

Atunci când contactorul K2 este alimentat, acesta pornește automenținerea de pe linia 6, închide contactul normal deschis de pe linia 14 astfel electromagnetul E1 este alimentat.

Atunci când electromagnetul E1 este alimentat, distribuitorul alimentează motorul de pe axa Z iar aceasta coboară până la capătul de cursă.

Senzorul SP4 sesizează că motorul a ajuns la capatul de cursă, închide linia 7, astfel contactorul K3 este alimentat. Acesta are patru contacte normal deschise pe liniile 8, 9, 15 și16 și un contact normal închis pe linia 5 pentru interblocare.

Atunci când contactele normal deschise K3 de pe liniile 15 și 16 sunt activate, acestea închid liniile respective alimentând electromagneții E2 și E5. Când electromagnetul E5 este alimentat, motorul pneumatic ce acționează griperul se deschide, piesa fiind eliberată, iar electromagnetul E2 acționează distribuitorul ce pune în mișcare axa Y, ce ajunge înapoi în poziția inițială.

Odată ajuns în poziția inițială motorul de pe axă Y, senzorul SP3 sesizează, închide linia 9 iar contactorul K4 este alimentat. Contactele normal deshise de pe liniile 10 și 17 se închid iar contactul normal închis de pe linia 7 se deschide realizând interblocarea.

La închiderea contactului normal deschis de pe linia 17, electromagnetul E3 este alimentat. Acesta mută sertarul distribuitorului în poziția opusă, motorul pneumatic de pe axa Y este alimentat, acesta ajungând în poziția inițială.

Odată ciclul realizat, linia 11 se închide datorită senzorilor Sp2 și SP3, contactorul K5 este alimentat, deschide contactul normal închis de pe linia 9, oprind alimentarea contactorului K4. Astfel toate liniile sunt nealimentate iar ciclul poate relua la apăsarea butonului de start.

3.8 Simularea procesului de fabricație al plăcii de legătură dintre cele două axe pneumatice pe mașini unelte cu comandă numerică

Această placă are nevoie de prelucrare mecanică deoarece se utilizează ca piesă de legătură între cele doua motoare pneumatice.

Pentru realizarea piesei sunt necesare: două găuri de trecere simple, două găuri de trecere cu lamaj pentru a înfunda capetele șuruburilor și patru găuri alezate în care se asamblează știfturi de fixare pentru rigidizarea și fixarea componentelor.

Prelucrarea reperului s-a realizat pe mașina cu comandă numerică NCT MM-760.

Pentru generarea codului G necesar prelucrării reperului, am utilizat programul Autodesk Inventor Professional în modulul CAM. În acest program, piesa deja modelată în programul Catia V5, a fost importată și supusă prelucrării.

Fig. 3.32 Interfața programului Autodesk Inventor Professional în modulul CAM

Ordinea operațiilor în procesul de prelucrare a fost urmatoarea:

Prima operație a fost cea de centruire a tuturor găurilor ce se vor realiza. Operația a fost realizată cu un burghiu de centruit 3.

Fig. 3.33 Centruire

În ce-a de-a doua și a treia operație s-au realizat cele patru găuri 4.8 urmate de alezarea acestora.

Fig. 3.34 Găurire 4.8

Fig. 3.35 Alezare 5 H7

Următoarea operație este cea de găurire cu un burghiu 5.5 pentru realizarea găurilor de trecere a șuruburilor

Fig. 3.36 Găurire 5.5

Ultima operație este cea prin care se execută lamaje pe două din cele patru găuri 5.5. Aceste lamaje au rolul de a înfunda capetele a două șuruburi.

Fig. 3.37 Lamare 10/6mm

CAPITOLUL IV – Elemente privind funcționalitatea manipulatorului de tip T.T.T

În urma realizării tuturor calculelor de dimensionare, a modelului tridimensional, a schemelor electrice și pneumatice și a tuturor calculelor de verificare realizate în cadrul capitolului anterior, a fost posibilă realizarea fizică a întregului ansamblu și crearea unui program în care sunt manipulate două tipuri de piese de dimensiuni diferite la două posturi de lucru.

Fig. 4.1 Realizarea fizică a manipulatorului

Fig. 4.2 Realizarea fizică manipulatorului

Fig. 4.3 Realizarea fizică a manipulatorului

În figura 4.4 este prezentat panoul de control, prin care întreg manipulatorul este comandat.

Butonul 1 (Roșu) are rolul de buton de urgență. Când butonul roșu va fi apăsat, indiferent de poziția manipulatorului sau de comanda pe care o execută, acesta se va opri.

Butonul 2 (Verde deschis) are rolul de a aduce întregul ansamblu în poziția „Home position”, astfel încât toți senzorii ce determină poziția de start a manipulatorului vor fi activi.

Butonul 3 (Verde închis) are rolul de a porni banda transportoare .

Butonul 4 (Alb) în aplicația de față nu se utilizează, însă în cazul realizării altor aplicații de natură mai complexă poate fi utilizat.

Fig. 4.4 Panoul de comandă

Fig. 4.5 Senzorii de detecție a pieselor

În figura de mai sus sunt ilustrați trei senzori: doi senzori optici și un senzor inductiv. Prin intermediul acestor senzori este realizată sortarea pieselor ce sunt aduse de banda transportoare. Senzorul optic montat sub profil are scopul de a detecta piesele cu o înălțime mai mică, piese ce vor fi preluate de manipulator și transportate într-o zonă specificată în program.

Senzorul optic montat în partea superioară are scopul de a sesiza piesele cu o înălțime mai mare, aceste piese vor fi manipulate într-o altă zonă.

Senzorul inductiv (cel galben) montat sub banda transportoare, are scopul de a detecta piesele din material metalic, care nu se adresează proiectului nostru. La detectarea unei piese metalice, banda transportoare se va opri pentru un timp de cinci secunde, după care va fi repornită, iar piesa metalică va fi transportată în continuare.

Fig. 4.6 Elementele de comandă

1 – Sursă de curent continuu;

2, 5, 6 – Contactor ;

3 – Automat programabil Siemens Logo 24;

4 – Modul extensibil ;

7 – Bloc de distribuitoare pneumatice.

Penru comandarea manipulatorului este necesară alimentarea automatului programabil 3, „SIEMENS Logo 24 !”, de la sursa de curent continuu care apoi controlează banda electrică prin intermediul contactorului 2, axa X acționată electric prin intermediul contactoarelor 5 și 6 și axele Y și Z prin intermediul distribuitorului 7.

Contactorul 2, are rolul de pornire a motorului electric trifazat ce pune în mișcare banda transportoare.

Prin intermediul celor două contactoare 5 și 6, este posibilă pornirea motorului în ambele sensuri de rotație, adică deplasarea întregului ansamblu pe axa X.

Blocul de distribuitoare pneumatice 7, comandate electric, au rolul de a distribui aerul comprimat astfel încât axele Y, Z și prehensorul să realizeze mișcările dorite.

În continuare va fi prezentată aplicația realizată pentru manipularea pieselor:

Fig. 4.7 Transportarea piesei pe banda transportoare

Piesa este transportată până când unul dintre senzori va detecta prezența acesteia și va da comandă manipulatorului să preia piesa și să o transporte în zona de lucru.

Fig. 4.8 Preluarea piesei de pe banda transportoare

Fig. 4.9 Așezarea piesei în locul predestinat

După ce piesa a fost transportată, manipulatorul va reveni în poziția inițială asteptând să primească o altă comandă de la senzorii plasați în zona bandei transportoare.

Fig. 4.10 Sesizarea piesei de dimensiuni mai mari

Fig. 4.11 Preluarea piesei

Piesa va fi preluată de pe banda transportoare urmând a fi manipulată și plasată în zona specială pentru piese cu înălțimi mai mari.

4.12 Plasarea piesei de dimensiuni mari

Fig. 4.13 Revenirea în poziția inițială

Concluzii

În cadrul acestei lucrări de diplomă, am prezentat avantajele și dezavantajele utilizării manipulatoarelor și a roboților industriali în diverse aplicații pe care aceștia le pot realiza. De asemenea, au fost prezentate avantajele și dezavantajele utilizării unei instalații pneumatice în realizarea unui manipulator.

Manipulatorul realizat în cadrul acestei lucrări, datorită complexității sale constructive prin cele trei translații pe care le poate executa, demonstrează că poate fi utilizat pentru diverse aplicații precum: sortarea pieselor de forme și dimensiuni diferite, depozitarea acestora sau transferul spre o altă stație de prelucrare.

În încheiere trebuie menționat faptul că an de an manipulatoarele și roboții sunt din ce în ce mai performanți, iar noi trebuie să ținem pasul cu aceștia deoarece oferă o mulțime de avantaje. Creșterea utilizării acestor sisteme este una exponențială, iar noi suntem obligați să le cunoaștem și să le înțelegem.

BIBLIOGRAFIE

[1] Ioan BÂRSAN, Sever-Gabriel RACZ, Acționări hidraulice și pneumatice: Aplicații, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2003.

[2] Radu-Eugen BREAZ, Laurean BOGDAN, Automatizări în sisteme de producție: Pentru uzul studenților, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2003.

[3] Dolphi DRIMER, Aurel OPREAN, Alexandru DORIN, Nicolae Alexandrescu, Adrian Paris, Horia Panaitopol, Constantin Udrea,Ioan Crisan, roboți industriali și manipulatoare, Editura Tehnica Bucuresti-1985.

[4] Adrian PASCU, Valentin OLEKSIK, Calculul structurilor utilizând metoda elementului finit, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2003.

[5] Sever-Gabriel RACZ, Claudia Emilia GIRJOB, Sisteme hidraulice de acționare: Pentru uzul studenților, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2016.

[6] Vsevold RADCENCO, Nicolae ALEXANDRESCU, Emil IONESCU, Mihai IONESCU, Calculul și proiectarea elementelor și schemelor pneumatice de automatizare, Editura Tehnică din București, 1985.

[7] Galaftion SOFONEA, Adrian Marius PASCU, Rezistența materialelor, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2007.

[8] Ionel STAREȚU , Sisteme de prehensiune, Editura Lux Libris – Brasov 1996.

[9] Dorin TELEA, Bazele roboților industriali, Editura Universității Lucian Blaga din Sibiu.

[10] Dorin TELEA, Ștefan BARBU, Roboți Structura- Cinematică- Organologie, Ed. Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2011.

[11] CHIF TECHNOLOGY SRL-PNEUMATICĂ ÎN INDUSTRIE- Romania,2017

[12] https://blog.robotiq.com/bid/73065/New-Electric-Gripper-Plus-Kit-for-Universal-Robots

[13] http://www.esanatos.com/anatomie/membrul-superior/Articulatiile-mainii52427.php

[14] https://www.festo.com

[15] http://www.memm.utcluj.ro/materiale_didactice/sist_em1/pps/cursSEM7.pdf

[16] http://old.unitbv.ro/Portals/31/Sustineri%20de%20doctorat/Rezumate2014

[17] https://robotiq.com/products

[18] https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

OPIS

Prezentul proiect conține:

Partea scrisă:

– 83 pagini de text;

– 81 figuri în text;

– 37 ecuații;

Partea desenată:

– Un desen de ansamblu în format A0;

– Un desen de subansamblu în format A0;

– Un desen execuție în format A3.

Sibiu, 29.06.2018