Mecanisme de Orientare ale Robotului Industrial

Politehnica

Mecanisme de Orientare ale Robotului Industrial

Byadmin ianuarie 1, 2024

CUPRINS

CAPITOLUL 1

NOȚIUNI GENERALE DE ROBOTICĂ

Capitolul 2

Mecanisme de orientare al roboTULUI industrial

2.1. Structura mecanismului de orientare (MO)

2.2. Acționarea modulelor de orientare

Capitolul 3

Calcule de dimensionare și verificare a modulului de orientare

3.1. Generalități

3.2. Caracteristici tehnico-funcționale

3.3. Calculul de dimensionare al transmisiilor mecanice

3.4. Calculul angrenajului melcat

3.5. Transmisia prin curea dințată

3.6. Verificarea la torsiune a reperului arbore melcat „β”

3.7. Verificarea la forfecare a penei paralele A 10 8 18

3.8. Calculul dinamic

Capitolul 4

MODELAREA GEOMETRICĂ A MODULULUI DE ORIENTARE

Concluzii

Bibliografie

CAPITOLUL 1

NOȚIUNI GENERALE DE ROBOTICĂ

Definiții

Robotul este un sistem automatizat de înalt nivel capabil să manipuleze obiecte și scule în scopul suplinirii unor activități umane. Realizarea și implementarea aplicațiilor necesită cunoștințe din domenii diverse (mecanică, hidraulică, electrotehnică, electronică, informatică).

Roboții industriali trebuie să răspundă necesităților mediului industrial: flexibilitate (pentru a putea fi adaptați diferitelor serii de fabricație), productivitate mare, fiabilitate, cost cât mai redus. Roboții industriali se utilizează în aplicații industriale caracterizate prin repetabilitate, cadență foarte mare, aplicații în medii nocive.

Principalele aplicații în care utilizarea roboților industriali are avantaje evidente sunt: încărcarea și descărcarea mașinilor unelte cu comandă numerică; sudură prin puncte sau pe contur (39%); operații de ansamblare (19%); vopsire (8%); turnarea în forme a pieselor mari (14%); controlul calității; manipularea substanțelor toxice, radioactive.

Robotul industrial este definit în prezent ca un manipulator tridimensional, multifuncțional, reprogramabil, capabil să deplaseze materiale, piese, unelte sau aparate speciale după traiectorii programate, în scopul efectuării unor operații diversificate de fabricație.

Roboții mobili (independenți) utilizați din ce în ce mai mult în diverse aplicații pentru a îndeplini sarcini complexe în spații sau medii în care accesul omului este dificil sau imposibil: mediu marin la adâncimi foarte mari, inspecția anumitor instalații din industria chimică sau nucleară.

Nanoroboți, medicină pentru microoperații.

Terminologie

Pentru diferitele componente ale roboților industriali, figura 1.1, s-au definit termeni specifici care vor fi utilizați prin preluarea termenilor din bibliografia studiată.

Baza este suportul pe care se fixează prima axă a structurii mecanice. Folosește pentru fixare și reprezintă punctul de referință în raport cu care se calculează toate deplasările axelor.

Structura mecanismului generator de traiectorie (MGT) este formată din axa 1, axa 2 și axa 3 și asigură poziționarea grosieră a unui punct caracteristic atașat ultimului element.

Structura mecanismului de orientare (MO) este alcătuită din axele 4, 5 și 6, trebuie să aibă una, două sau trei și este utilizată la realizarea poziționării unghiulare, respectiv orientarea față de axele de coordonate. Cele două structuri formează împreună dispozitivul de ghidare al robotului, iar cele două funcții, poziționarea și orientarea formează funcția de situare a ultimului element al dispozitivului de ghidare (DG).

Fig. 1.1 Robot industrial – structură generală

Efectorul final este un dispozitiv prin care se realizează operații specifice, de prehensiune sau de prelucrare.

Elementul de cuplare este un dispozitiv specializat care permite cuplarea rapidă a dispozitivelor efectoare care intră în dotarea robotului.

Axa energetică este elementul mecanic independent dotat cu elemente de acționare și traductoare de axe. Acționarea axelor robotului se poate face de la surse de energie hidraulică, pneumatică sau electrică.

Elementele componente ale unei axe energetice se prezintă în figra 1.2.

Fig. 1.2 Structura unei axe energetice

Arhitectura de bază a roboților industriali actuali este prezentată în figura 1.3.

Mediul de lucru este spațiul în care robotul poate desfășura operația și în care sunt incluse toate obiectele din acel volum.

Sarcina robotului este reprezentată de aplicația pe care trebuie îndeplinită de structura mecanică a robotului.

Fig. 1.3 Structura generală roboților industriali – schema bloc

Structura mecanica este un ansamblu de corpuri rigide conectate prin articulații astfel încât să formeze un lanț cinematic.

Sistemul de acționare este format din distribuitoarele de energie, adaptoarele de mișcare și elementele de execuție prin care se transmite energia de la sursă la structura mecanică.

Sursa de energie poate fi hidraulică, pneumatică sau electrică.

Sistemul de comanda este un microcontroler pe 8 sau 16 biți. Asigură interpretarea instrucțiunilor de nivel înalt și transformarea lor în comenzi specifice către sistemul de acționarea al axelor. Prelucrează informații de la traductoarele de axă sau de la traductoarele externe.

Sistemul de prelucrare senzorial este un sistem cu microprocesor care realizează prelucrarea locală a informațiilor de la traductoare și oferă informații finale către sistemul de comandă sau sistemul de programare.

Sistemul de programare este un procesor de cel puțin 32 de biți unde sunt stocate sistemul de operare, limbajul de programare specific robotului, precum și alte programe utilitare și aplicații.

Modulul l/O se folosește pentru cuplarea robotului la procesul industrial sau pentru sincronizarea cu alte unități de producție.

Magistrala industriala este o magistrală de mare viteză prin care se asigură comunicația cu nivelul ierarhic superior (baza de date a aplicației).

Clasificarea manipulatoarelor si roboților pe generații

Clasificarea pe generații folosește drept criteriu de bază capacitatea mașinii de percepere și interpretare a semnalelor din mediul exterior, precum și de adaptare la mediu în timpul procesului de lucru.

Manipulatoare:

– manuale (prima generație): este un sistem de manipulatoare amplificatoare de efort care are cel puțin 4 grade de libertate și care permite, sub acțiunea comenzii umane, efectuarea unor operații în medii nocive sau improprii activității umane;

– automate (generația a doua) sunt mecanisme de manipulare care au cel puțin două axe. Ele realizează deplasarea în conformitate cu un ciclu prestabilit, în regim automat. Nu au senzor și lucrează în buclă deschisă. Se utilizează la operații simple de încărcare/descărcare;

– inteligente (generația a treia) sunt mecanisme de manipulare care îmbină controlul uman (grosier) cu controlul de finețe asistat de senzori inteligenți. Scopul constă în depășirea limitelor senzoriale ale organismului uman.

Roboți industriali:

– prima generație sunt manipulatoare automate programabile, având cel puțin 3 axe (dintre care cel puțin 2 axe sunt programabile prin învățare sau printr-un limbaj simbolic). Sunt dotați cu senzori de control a poziției fiecărei axe, lucrând în buclă închisă. Pot fi comandate de un automat programabil sau un calculator compatibil IBM;

– generația a doua sunt manipulatoare automate cu cel puțin 3 axe programabile sunt dotați cu senzori specializați de tip tactil, de forță, camere video etc. Sunt comandați de cel puțin un calculator. Au o coordonare de tip ochi-mână în sensul că pot identifica obiecte de formă simplă așezate aleator. Pot face deplasări pe traiectorie în mod interactiv funcție de modificările mediului de lucru. Pot executa operații de ansamblare indiferent de poziția inițială a subcomponentelor;

– generația a treia sunt dotați cu senzori inteligenți (prelucrare locală a informației) și utilizează elemente de inteligență artificială. Sunt dotați cu senzori performanți ce reușesc să facă o analiză a datelor și să furnizeze informații către sistemul de comandă;

– inteligenți sunt dotați cu programe de inteligență artificială avansate, cu senzori de înalt nivel, au capacitate de autoinstruire, utilizând și interpretând experiența dobândită din situațiile anterioare.

Majoritatea roboților industriali folosiți în prezent sunt din generația 1 și 2.

Tabel 1 Clasificarea roboților industriali în funcție de scara evolutiva a treptelor de automatizare

Parametrii tehnici ai roboților

Performanțele roboților industriali sunt determinate de modul de realizare a parametrilor tehnici constructivi și funcționali.

Rezoluția unui sistem este dată de mărimea unității elementare pe care acesta o poate procesa. În cazul roboților rezoluția depinde de: rezoluția sistemului de programare și rezoluția traductorilor ce asigură controlul în buclă închisă.

Precizia statică de poziționare exprimă diferența între poziția comandată Pc și media pozițiilor realizate Pm de dispozitivul efector.

Tabel 2 Clasificarea roboților industriali în funcție de complexitate

Fig.1.4. Precizia statică

Repetabilitatea statica de poziționare reprezintă o mărime statistică asociată noțiunii de precizie, pe care o completează. Astfel pentru aceeași mișcare, în condiții identice de mediu și sarcină, se măsoară pozițiile finale ale efectorului care, vor prezenta o anumită dispersie
Pi, i = 1,…, n (figura 1.5), față de poziția comandată Pc:

Fig. 1.5. Definirea rezoluției, preciziei și a repetabilității statice

Valoarea maximă absolută a dispersiei de poziționare în raport cu valoarea medie de poziționare Pm reprezintă repetabilitatea statică a robotului.

Spațiul de lucru al manipulatorului sau robotului este dat de volumul în care este posibil să se găsească elementele structurii mecanice. Spațiul de lucru util este volumul maxim, descris de totalitatea mișcărilor robotului, în care se poate găsi efectorul în timpul funcționării conform figurii 1.6.

Numărul gradelor de libertate este dat de numărul maxim al deplasărilor posibile ale efectorului fără a include mișcarea de prehensiune.

Sarcina utila reprezintă masa maximă pe care o poate manipula dispozitivul de prehensiune al robotului (valori uzuale în gama 0,5…20 Kg).

Performanțele constructive și de comandă ale aceleiași clase de roboților pot diferi destul de mult, în funcție de producător, dacă sunt comparați parametrii tehnici. De aceea de multe ori sunt preferați următorii parametri globali de analiză:

Fig. 1.6 Spațiul de lucru util

– parametrul privind suplețea și eficiența intervenției în spațiul de lucru: unde V este volumul spațiului de lucru; G- greutatea robotului în condiții de funcționare.

– parametrul capacității gravitaționale specifice de manipulare: unde G1 reprezintă greutatea obiectului manipulat.

– parametrul de apreciere globala a calităților tehnice Unde Prec reprezintă precizia statică de poziționare. Pentru valori mari ale parametrului global K3 se apreciază că pe ansamblu, robotul industrial analizat îndeplinește într-un grad mai înalt standardele de performanță.

Structura mecanica a roboților

Grade de libertate

Poziția și orientarea unui solid nedeformabil în spațiu, într-un sistem de coordonate, este definită prin maxim 6 parametri scalari reali independenți:

• 3 unghiuri de rotație α, β, γ, în raport cu axele de coordonate x, y, z;

• coordonatele carteziene x, y, z ale unui punct caracteristic al solidului.

Legături mecanice (zonă de contact)

Numărul de grade de libertate al unei legături mecanice este determinat de numărul de mișcări independente permis de cupla cinematică. În tabelul 3 sunt prezentate cele mai uzuale legături mecanice în reprezentare plană și spațială:

Mobilitatea mecanismelor

Este un parametru caracteristic determinat de numărul mișcărilor independente posibile. Mobilitatea unui robot este identică cu numărul de axe (mai puțin efectorul final).

Pentru roboții industriali mobilitatea are valorile 3 ≤ m ≤7.

Numărul gradelor de libertate necesar executării unei anumite operații se numește grad de libertate a sardnii Ks ≤ 6.

Redundanța, poziție particulară

Dacă Ks < m pentru toate configurațiile unui robot, atunci acesta este redondant: are un număr de axe mai mare decât nude numărul de mișcări independente permis de cupla cinematică. În tabelul 3 sunt prezentate cele mai uzuale legături mecanice în reprezentare plană și spațială:

Mobilitatea mecanismelor

Este un parametru caracteristic determinat de numărul mișcărilor independente posibile. Mobilitatea unui robot este identică cu numărul de axe (mai puțin efectorul final).

Pentru roboții industriali mobilitatea are valorile 3 ≤ m ≤7.

Numărul gradelor de libertate necesar executării unei anumite operații se numește grad de libertate a sardnii Ks ≤ 6.

Redundanța, poziție particulară

Dacă Ks < m pentru toate configurațiile unui robot, atunci acesta este redondant: are un număr de axe mai mare decât numărul de axe necesar efectuării operațiilor de complexitatea cerută de procesul tehnologic.

Tabelul 3 Simbolizarea cuplelor cinematice

a b

Fig. 1.7. Roboți industriali cu redundanță

Dacă Ks < m numai pentru anumite configurații ale structurii mecanice, acestea se numesc poziții particulare caracterizate de redondanță locală, figura 1.8:

Fig. 1.8: Poziții particulare caracterizate de redundanță locală

Lanț cinematic. Structura mecanică a roboților este realizată din corpuri rigide Cj legate prin legături mecanice Lj astfel încât să formeze lanțuri cinematice funcționale. Cele mai uzuale legături sunt cele de translație, rotație nelimitată și rotație limitată. în funcție de aplicație la construcția structurii MGT (primele 3 axe) se utilizează următoarele variante de lanțuri cinematice: lanț cinematic deschis; lanț cinematic arborescent; lanț cinematic închis.

a b c

Fig. 1.9. Lanțuri cinematice: a. deschis; b. arborescent; c. închis

Fig. 1.10.Coordonate articulare, operaționale

Coordonate articulare (de axă) sunt mărimi, variabile în timp (unghiuri, lungimi), ce definesc configurația structurii mecanice a robotului la un moment dat. Acestea (rotații sau deplasări) pot fi unghiuri său lungimi. Cu coordonatele articulare se poate determina configurația structurii mecanice a robotului la un moment dat și poziția efectorului.

Fig. 1.11. Coordonate articulare

Coordonatele operaționale Xi (i = 1…m) sunt variabilele care definesc poziția și orientarea obiectului manipulat în raport cu un sistem de coordonate fix [O0, x0, y0, z0 ] atașat bazei robotului (batiului).

Structuri mecanice ale MGT cu lant cinematic deschis

Structurile purtătoare ale roboților industriali au în general 3 axe care asigură poziționarea generală. Structurile mecanice pot fi identificate prin lista simbolurilor legăturilor mecanice pornind de la baza robotului (T – legătură mecanică de translație, R – legătură mecanică de rotație).

Fig. 1.12. Structura carteziană (TTT) Fig. 1.13. Structură cilindrică (RTT)

Rezoluția roboților cu structură TTT cilindrică nu este constantă, ea depinde de mărimea razei de rotație r dintre axa coloanei centrale și poziția efectorului.

Fig. 1.14. Rezoluția pentru elongația maximă

De exemplu pentru schema din figura 1.14 rezultă:

Rezoluția roboților cu structură cilindrică este net inferioară celor cu structură carteziană pentru aceeași echipare a traductorilor de poziție.

Fig. 1.15. Structură MGT sferică (RRT)

Fig. 1.16. Structura MGT bi-cilindrică (RRT) – SCARA

Fig. 1.17. Structură MGT bi-sferică (RRR)

Structuri mecanice ale MGT cu lanț cinematic închis

Elementele suplimentare atașate structurilor MGT cu lanț cinematic deschis, pot fi utilizate în același timp pentru consolidarea și echilibrarea statică a structurii prin preluarea unei părți din încărcarea generată de propria greutate a axelor, figura 1.18.:

Se observă că plecând de la o structură purtătoare bi-sferică, rezultă o nouă structură purtătoare, în lanț cinematic închis, mai complexă, dar care asigură o precizie mai bună concomitent cu creșterea sarcinii utile manipulate (axa 3 nu mai deplasează elementele de acționare și control aferente). Dezavantajul principal al structurilor cu lanț cinematic închis este determinat de reducerea flexibilității și a spațiului de lucru util datorită limitărilor impuse de legăturile mecanice suplimentare.

a b

Fig. 1.18. Structuri purtătoare: a. lanț cinematic deschis; b. lanț cinematic închis

Structuri mecanice paralele

Aceste structuri sunt formate în principal dintr-o platformă fixă ca element de intrare și o platformă mobilă ca element de ieșire sau efector final. Între cele două platforme există o serie de conexiuni care imprimă mișcarea platformei mobile. Câteva exemple sunt prezentate în figura 1.19.

Fig. 1.11 lanțuri cinematice cu structuri paralele

Capitolul 2

Mecanisme de orientare al roboTULUI industrial

2.1. Structura mecanismului de orientare (MO)

Mecanismul de orientare (MO), este parte componentă a dispozitivului de ghidare (DG) și are funcția de a realiza orientarea obiectului manipulat, respectiv al ultimului element al sistemului mecanic – efectorul final. În construcție completă, adică cu trei grade de libertate (rotații R), el realizează rotirea obiectului în jurul a trei axe perpendiculare și concurente într-un punct. Aceste mișcări de rotație poartă numele de mișcări de orientare, având fiecare o denumire în funcție de axa în jurul căreia se realizează. MO joacă rolul articulației carpiene (a pumnului) a omului. Denumirea mișcărilor de rotație utilizate sunt provenite din anatomie.

În unele cazuri se utilizează și denumirile provenite din limba engleză privind mișcările unei nave pe mare. În figura 2.1 se prezintă mișcările de orientare față de un sistem de axe.

Fig. 2.1 – Mișcări de rotație ale mecanismului de orientare

În structura MO, fiecărei mișcări îi este aferent câte o c.c.c. de rotație, ele având atâtea grade de libertate câte c.c.c. conțin:

; (2.1)

Axele cuplelor de rotație ale MO cu L = 2; 3, pot fi concurente sau neconcurente. În cazul în care axele cuplelor cinematice (c.c.) sunt concurente, mișcarea de orientare a OM, rezultă ca sumă a două sau trei mișcări de rotație în jurul a două sau trei axe concurente, deci o mișcare de rotație în jurul unei axe care trece prin punctul de intersecție al tuturor axelor c.c. de rotație. Dacă axele c.c. de rotație nu sunt concurente, mișcarea de orientare a obiectului manipulat este o mișcare elicoidală compusă dintr-o mișcare de rotație în jurul unei axe centrale și o mișcare de translație în lungul aceleiași axe. Acest lucru determină o deplasare a punctului caracteristic din poziția impusă de MGT, ceea ce necesită introducerea unei comenzi de corecție a mișcării de poziționare emisă MGT. În timpul mișcărilor de orientare, dreapta caracteristică și dreapta auxiliară atașate obiectului manipulat ocupă situări cuprinse în interiorul unor volume numite „unghi de servici ()”, respectiv „unghi auxiliar (’)” (figura 2.2).

Fig. 2.2 – Unghi de servici – unghi auxiliar pentru MO

În tabelul 2.1 se prezintă principalele scheme cinematice ale MO cu grade de libertate.

Tabelul 2.1 – Scheme cinematice ale MO

Pentru micșorarea gabaritului în cadrul MO cu trei grade de libertate se utilizează de regulă axe tubulare pentru transmiterea mișcărilor de la motoarele de acționare la c.c. de rotație.

2.2. Acționarea modulelor de orientare

Acționarea modulelor de orientare este corelată cu sistemul de acționare al mecanismului generator de traiectorie și poate fi: acționare electrică, pneumatică, hidraulică sau mixtă. Motoarele de acționare pot fi de tip rotativ sau oscilante. În cazul utilizării motoarelor rotative se necesită introducerea unor transmisii mecanice de regulă cu roți dințate cilindrice, conice sau angrenaje melc-roată melcată. Există situații la care sistemul de transmisie este de tip paralelogram articulat prin bare sau sisteme de transmisie flexibile cu curele dințate cabluri sau lanț. Plasarea motoarelor de acționare se poate face local sau umeral (fie la baza robotului fie la baza modulului din amontele MO).

În tabelul 2.2 se prezintă câteva scheme cinematice ale unor transmisii mecanice și modul de amplasare a motoarelor de acționare la MO.

Tabelul 2.2 – Sisteme de acționare a MO

Capitolul 3

Calcule de dimensionare și verificare a modulului de orientare

3.1. Generalități

Mecanismele de orientare îndeplinesc funcțiile articulației carpiene a membrului superior uman, deci ele realizează trei tipuri de mișcări (fig. 3.1):

mișcări de supinație-pronație ();

flexie-extensie ();

aducție-abducție ().

Figura 3.1 – Sistemul mișcărilor de orientare

Mecanismul de orientare este un subansamblu al dispozitivului de ghidare, care la rândul său face parte din sistemul mecanic al instalațiilor pentru operații umanoide, ce includ roboții. Dispozitivul de ghidare realizează deplasarea punctului caracteristic al obiectului de manipulat dintr-o poziție inițială într-alta finală, prin intermediul mecanismului generator de traiectorie. Mecanismul de orientare, orientează dreapta caracteristică și cea auxiliară, după ce în prealabil punctul caracteristic a ajuns în poziția finală. Mișcarea menționată a mecanismului de orientare înseamnă modificarea celor trei unghiuri ale lui Euler care definesc poziția dreptei caracteristice. De aceea este necesar ca mecanismul de orientare să aibă trei grade de mobilitate.

Mecanismul de orientare proiectat are următoarea schemă bloc:

Fig. 3.2 Schema bloc a mecanismului de orientare

Unde: M – motoare de acționare

RM – reductor melcat

TC – transmisie prin curea

RC – reductor conic

Mișcările pe care le realizează mecanismul, sunt:

supinație – pronație

flexie – extensie

aducție – abducție

Conform schemei bloc rezultă că mișcarea de rotație (fig 3.3) este asigurată printr-o cuplă cinematică de rotație materializată de transmisia melcată RM, mișcarea este de asemenea generată de o transmisia melcată RM, iar mișcarea se obține printr-o transmisie în două trepte, prima treaptă este o transmisie cu curea dințată TC, iar a doua treaptă o constituie un reductor melcat RC. Aceste cuple cinematice sunt acționate de motoarele electrice M, M, respectiv M, datorită cărui fapt ele sunt cuple cinematice conducătoare, iar mecanismul se constituie ca un mecanism de orientare cu mișcări independente.

Dezavantajul acestui mecanism îl reprezintă faptul că cele trei axe , , (fig 3.3) nu sunt concurente.

Mecanismul de orientare este proiectat pentru a echipa dispozitivele de ghidare a roboților de sudare. Pistolul de sudare este fixat în arborele de ieșire din reducția melcată. Ca punct caracteristic s-a ales vârful pistolului de sudare care în poziția inițială se află la intersecția axelor și , iar ca dreaptă caracteristică s-a ales axa pistolului care coincide cu axa de rotație .

În proiectarea mecanismului s-a urmărit obținerea unei soluții constructive cât mai compacte, de aceea arborul melcat al RM este trecut prin arborul tubular pe care este montată roata melcată a RM. De asemenea arborul roții de curea, conducătoare din TC trece prin arborele roții melcate a RM (fig. 3.3).

Pentru o poziționare și orientare cât mai precisă a punctului respectiv dreptei caracteristice, mecanismul este prevăzut cu câte o frână pentru fiecare din cele trei mișcări. De asemenea tot datorită cerințelor de poziționare precisă s-a urmărit scoaterea jocului din angrenaje. Acest lucru a fost realizat în trei moduri distincte pentru fiecare din cele trei cuple cinematice conducătoare. Astfel în cadrul reducției melcate RM s-a optat pentru montarea excentrică a melcului, prin reglarea acestuia eliminându-se jocul din angrenajul melcat RM.

La reducția melcată RM, soluția constructivă (fig. 3.3) a impus montarea excentrică a roții melcate. Pentru mișcarea , datorită faptului că alunecarea la transmisia cu curea dințată este practic nulă, ca soluție pentru eliminarea jocului din angrenajul conic, s-a ales deplasarea axială prin reglare a arborelui pinion.

Soluția constructivă compactă obținută în final, permite echiparea dispozitivului de ghidare cu 2 astfel de capete de sudare, care prin programare adecvată pot lucra simetric, în oglindă sau independent, acest fapt permițând reducerea cu 50% a timpului de prelucrare a unei piese.

3.2. Caracteristici tehnico-funcționale

Mecanismul de orientare proiectat prezintă următoarele caracteristici:

Numărul gradelor de mobilitate: 3.

Unghiuri active:

supinație-pronație: = 3600;

flexie-extensie: = 2100;

aducție-abducție: = 360;

Codul structural al mecanismului: RRR.

Sarcina de manipulat: max. 6 kg.

Acționare electrică cu motoare electrice de curent continuu:

puterea nominală: Pn = 90 W;

moment nominal: Mn = 28,6 Ncm;

turație nominală: nn = 3.000 rpm;

tensiune nominală: Un = 16 V 10%;

curent nominal: In = 11 A 10%;

tensiune electromotoare la 1.000 rpm 10%: kE = 3,2 V;

moment maxim de impuls: Mimp = 210 Ncm;

moment disipat pentru mers în gol la turație de 1.000 rpm (valoare maximă): KD = 0,9 Ncm;

pierderea de viteză la mers în sarcină la tensiune constantă: KN = 2,5 rpm/Ncm.

S-a ales acest tip de motoare datorită faptului că ele pot funcționa la orice turație intermediară între 0 și 3.000 rotații pe minut. Aceste motoare au încorporate tahogeneratoare de tip TD1.

Vitezele unghiulare sunt determinate de condițiile specifice de executare a procesului de manipulare, căruia îi este destinat mecanismul de orientare și de aceea ele au fost stabilite identice pentru toate cele trei mișcări:

Datorită acestor viteze unghiulare impuse și modului de transmitere a fiecărei mișcări, motoarele vor avea regimuri de funcționare diferite.

Astfel datorită faptului că pentru mișcarea se utilizează un angrenaj melcat cu raport de transmitere i = 56, turația la care va trebui să lucreze motorul M se determină din următoarele relații:

; ;

Mișcarea este generată de un angrenaj melcat similar, deci și:

Pentru cea de-a treia mișcare , raportul de transmisie total al transmisiei cu curea TC și al angrenajului conice este:

; ;

;

Sistemul de frânare este asigurat de frânele de TIP 82002, și au următoarele caracteristici:

mărime 09;

moment de frânare:

Dimensiuni de gabarit rezultă din desenul de ansamblu:

3.3. Calculul de dimensionare al transmisiilor mecanice

3.3.1. Calculul angrenajului conic

Angrenajele conice au axele drepte coplanare care se intersectează, iar suprafețele lor de rostogolire formează o pereche de conuri tangente care se rostogolesc fără alunecare. Datorită relației dintre aceste suptafețe conice, prezentul angrenaj este unul concurent exterior. Angrenajul conic este prezentate în figura 3.4. acest angenaj materializează axa de rotație γ a mecanismului de orientare și are următoarele caracteristici.

Numărul de dinți:

; ; ;

Numărul de dinți ai roții echivalente de dantură dreaptă:

Se menționează că angrenajul conic ortogonal cu dinți drepți introduce următoarele particularități:

; ;

Fig. 3.4 – Angrenaj conic

;

Unghiul conului de divizare:

;

Lungimea generatoarei de divizare:

Modulul a fost ales conform STAS 822-82, m = 1.5.

Coeficientul frontal al deplasărilor radiale de profil:

;

Coeficientul frontal al deplasărilor tangențiale de profil:

;

Diametrul de divizare:

;

Lățimea pinionului:

;

Coeficientul de lățime:

Lungimea generatoarei de divizare mediană:

Unghiul de înclinare de divizare (exterior):

;

Modulul normal (exterior):

;

Coeficient de înâlțime a capului frontal (exterior) al dintelui:

;

Coeficientul de înălțime a capului frontal al dintelui:

;

Înălțimea capului de divizare al dintelui:

Înălțimea piciorului de divizare al dintelui:

;

Înălțimea dintelui:

Diametrul de cap:

Diametrul de picior:

;

Unghul capului dintelui:

;

Unghiul piciorului dintelui:

;

Semiunghiul conului de cap:

Semiunghiul conului de picior:

;

Înălțimea exterioară a conului de cap:

;

Unghiul de presiune frontal median de divizare:

;

Unghiul de presiune frontal de divizare (exterior):

Arcul de divizare frontal al dintelui:

Coarda de divizare frontală a dintelui:

Coarda de divizare normală a dintelui:

Înălțimea la coarda de divizare frontală:

Înălțimea la coarda de divizare normală:

Diametrul de divizare al roții cilindrice echivalente:

;

Diametrul de cap al roții cilindrice echivalente:

Diametrul de bază al roții cilindrice echivalente:

Distanța dintre axe echivalente:

Gradul de acoperire frontal:

Gradul de acoperire suplimentar:

Gradul de acoperire total:

;

Numărul de dinți ai roții plane de referință:

;

3.3.2. Verificarea dintelui la solicitarea de încovoiere

Pentru verificare se utilizează relația:

Tensiunea admisibilă FP pentru calculul la solicitarea de încovoiere se determină cu relația:

;

SF – este factorul de siguranță pentru această solicitare.

SF = 1.25

– factorul de corectare a tensiunilor

– pentru oțel aliat de înbunătățire

– factorul numărului de cicluri de funcționare

– factorul de concentrare relativă a sarcinii

– factorul de rugozitate

– factor de utilizare (de regim)

– factor dinamic ce depinde de viteza periferică a roților

– factor de repartiție pe lățimea de contact

u – raport de angrenare

– factor de formă a dintelui

– factorul concentratorului de tensiune

3.3.3. Verificarea flancului dintelui la solicitarea de contact

Diversele fenomene de deteriorare a flancului activ al dinților roților dințate sunt determinate de solicitarea de contact, care apare datorită transmiterii sarcinii prin contactul teoretic liniar al acestora. Utilizând relația lui Hertz, se acceptă implicit un contact direct între suprafețele flancurilor actice ale dinților conjugați. Corelarea modelului de calcul hertzian cu situația reală se face prin corecții aplicate tensiunii admisibile.

Tensiunea admisibilă HP la solicitarea de contact se determină cu relația:

;

– factor de siguranță

– tensiunea limită de contact

– factorul numărului de cicluri de funcționare

– factorul de lubrificație

– factorul de rugozitate

– factorul de viteză

– factorul de duritate

În calculul danturii la solicitarea de contact, intervin mărimile:

– momentul la arborele pinion; la calcule s-a utilizat momentul maxim posibil realizat de motor.

– raportul de angrenare;

– factor de utilizare

– factor dinamic

– factor de repartiție pe lățimea de contact

– factorul de elasticitate al materilalului

– factorul de formă a dintelui

– coeficient de lățime

– diametrul de divizare al pinionului

3.4. Calculul angrenajului melcat

Angrenajul melcat reprezintă un caz particular al angrenajelor cilindrice încrucișate, când unghiul dintre axe devine:

Datorită faptului că dinții roții melcate înfășoară parțial melcul, contactul teoretic punctiform se transformă întrunul liniar ceea ce conduce la creșterea capacității portante. Angrenajele melcate realizează rapoarte de transmitere foarte mari i=8…80 (max. 100), dar cu un randament scăzut =0.7…0.85.

Angrenajul melcat proiectat este destinat să realizeze un raport de transmitere i=56.

Materialele utilizate pentru confecționarea angrenajului sunt: pentru melc – oțel de înbunătățire OLC 45, călit la HRC=45…55; roata melcată – CuSn 15, cu rezistență de rupere la tracțiune Rm=220 Mpa.

3.4.1. Calculul geometric al angrenajului melcat cilindric tip ZA

Angrenajul melcat cilindric se caracterizează prin faptul că melcul are un număr mic de dinți și un unghi mare de înclinare 1 2-, iar roata conjugată este o roată dințată cu dantura inclinată cu unghiul 2 .

Melcul cilindric de tip ZA are flancul format dintr-o suprafață riglată, suprafața elicoidală arhimedică, care intr-o secțiune axială este dreaptă.

În figura 3.5 sunt redate principalele mărimi geometrice, după cum urmează:

Date inițiale:

raportul de transmitere: (STAS 6012-80)

unghiul profilului în secțiunea axială:

coeficientul înălțimii capului dintelui:

coeficientul înălțimii piciorului dintelui:

coeficientul jocului radial (pentru melci prelucrați pe strung, roata melcată prelucrată cu freză melc):

Numărul de dinți:

;

Coeficientul diametrial:

pentru mx =1.25 g=1.4

Distanța dintre axe de referință:

;

Figura 3.5 – Schema de calcul a angrenajului melcat

Distanța dintre axe:

; (STAS 6055-82)

; x=+1

Unghiul de înclinare al elicei melcului (al roții melcate):

;

Modulul normal:

;

Pasul elicei melcului:

;

Diametrul de referință:

;

Diametrul de divizare:

;

Diametrul de rostogolire:

;

Diametrul de cap:

;

Diametrul exterior maxim:

;

Diametrul de picior:

;

Calculul de (f) verificare al jocului la capul dintelui:

;

Înălțimea dintelui:

Lungimea melcului și lățimea roții melcate:

;

pentru Cu+Sn:

Semiunghiul coroanei roții melcate:

;

Gradul de acoperire frontal:

Lungimea de lucru a dintelui roții melcate:

;

Unghiul de presiune de referință:

;

Unghiul de înclinare pe cilindrul de bază:

Lungimea minimă a liniilor de contact:

;

Suma curburilor principale pentru razele de curbură echivalente ale suprafețelor de contact:

;

3.4.2. Verificarea la încovoiere a bazei dintelui roții melcate

Relația de verificare este:

Tensiunea admisibilă la solicitarea de încovoiere de determină cu relația:

YN = 1 – coeficientul numărului de cicluri de funcționare

F lim= 72 Mpa – tensiunea limită la încovoiere:

k = 1 – factor de încărcare (constantă)

kv = 1.167 – factor dinamic

kA = 1.2 – factor de utilizare (de regim)

ysa = 1 – factorul concentratorilor de tensiune

yfa = 2.32 – factorul de formă al dintelui

yZ = 0.67 – factorul gradului de acoperire, calculat cu relația:

;

3.4.3. Verificarea la solicitarea de contact a flancurilor active ale roților melcate

Relația de verificare este:

Tensiunea admisibilă de contact se determină cu relația:

ZN – coeficientul numărului de cicluri de funcționare

H lim = 225 Mpa – tensiunea limită de contact

– factorul elasticitate de material.

; ;

– factorul gradului de acoperire

– factorul de formă a dintelui

;

3.5. Transmisia prin curea dințată

3.5.1. Alegerea tipului de curea

Schema de principiu a transmisiei prin curea dințată se prezintă în figura 3.6. Alegerea tipului de curea lată dințată se face în funcție de turația roții mici și de puterea de calcul, care se determină cu relația.

unde este un coeficient de corecție global:

– coeficient de regim care ține seama de tipul mașinii motoare și a mașinii de lucru și de durata de funcționare în 24 de ore.

Km – coeficient de corecție numai pentru transmisii multiplicatoare

Fig. 3.6 Transmisie prin curea dințată

Cureaua lată dințată este de tip L 38”.

3.5.2. Dimensiunile profilului curelei

Cureaua lată dințată se compune dintr-un elemet de rezistență 1, confecționat sub forma de cablu continuu din fibre de poliester, sticlă sau oțel, dispus în stratul neutru și încorporat într-o masă compactă 2 de elastomer (de tip neopren sau poliuteran), rezistenă la uzură, care formează și dantura curelei.În cazul utilizării neporenului, dantura curelei este protejată cu un înveliș țesut din nylon.

Dantura de formă prismatică este dispusă pe intradosul curelei. Cureaua dințată are o flexibilitate și precizie geometrică ridicată, alungirea fiind practic neglijabilă datorită modului de elasticitate ridicat al elementului de rezistență.

Elementele geometrice definitorii ale unei curele dințate sunt: pasul p = 9.525, lățimea b = 19mm; grosimea totală și lungimea primitivă a curelei, căreia îi corespund un număr întreg de dinți. Dantura prismatică este racordată la suprafața de vârf (de lățime Sv = 3.25mm) cu raza r1=0.51mm, flancurile plane fiind înclinate cu unghiul =40 și având înălțimea Ld=1.90mm.

3.5.3. Dimensiunile roții late de curea

Roțile de curea lată dințată au profilul golului generat prin copiere sau rostogolire. Dimensiunile profilului golului sunt precizate:

Tipul curelei L; p=9.525mm; h=2.13mm; S=3.10mm; r1=1.20mm; r2=1.17mm; c=40.

Dimensiunile roții de curea pentru curea lată dințată tip L sunt (figura 3.6):

numărul de dinți z=16

diametrul primitiv dp=48.51mm

stratul neutru 2u=0.76mm

diametrul de vârf

diametrul rebordurilor d1=56mm

diametrul de montare

diametrul butucului d2=38mm

lățimea coroanei

Lățimea coroanei bc depășește întodeauna lățimea curelei întrucât chiar în condițiile unei execuții precise există tendința deplasării laterale a curelei. În vederea ghidării curelei, roțile prevăd cu reborduri bilaterale.

3.5.4. Elementele de calcul geometric

În cazul transmisiei cu curea lată dințată, geometria transmisiei are la bază alegerea diametrului roții mici , implicit a numărului de dinți și a distanței dintre axe – parametrii geometrici care determină gabaritului axial al transmisiei.

Numărul de dinți ai roții motoare:

; ;

Numărul de dinți ai roții conduse:

; ;

Diametre primitive ale roților de curea:

;

Distanța dintre axe:

– pentru , când se evită intersecția cercurilor primitive, numărul convențional de pași corespunzător distanței dintre axe are valoarea:

;

– se acceptă

Lungimea curelei sededuce din considerente geometrice:

;

Se alege

După stabilirea lungimii primitive a curelei late dințate, se impune recalculată distanța dintre axe:

Numărul de dinți activi ai pinionului, care se află în angrenare cu cureaua pe arcul minim de înfășurare 1, se determină cu relația:

;

3.6. Verificarea la torsiune a reperului arbore melcat „β”

Fig. 3.7 Arbore melcat „β”

Verificarea acestui reper la torsiune se impune pentru secțiunea de diametru minim dmin=10. Reperul este confecționat din OLC 45 cu tensiunea admisibilă la torsiune

Ca moment de torsiune s-a considerat momentul maxim al motorului, care antrenează arborele prin cuplaj.

3.7. Verificarea la forfecare a penei paralele A 10 8 18

Materialul din care este confecționată pana paralelă, OL70 are limita de curgere . Relația de verificare utilizată este:

în care , ;

lățimea penei:

lungimea de contact:

diametrul de foarfecare:

3.8. Calculul dinamic

3.8.1. Calculul dinamic pentru mișcarea alfa ()

Calculul se efectuează pentru cupla cinematică alcătuită din elementele 0 și 1 (fig. 3.3), care asigură generarea mișcării de supinație-pronație, . Reducerile se fac la arborele motorului electric de acționare.

1. Momentul de inerție redus

S-au apreciat masele ce efectuează mișcări în decursul rotației , ca fiind concentrate în două puncte m1 și masa m2 (fig. 3.8 a și b). Masele m1 și m2 se află la distanțele x1 și x2, respectiv y1 și y2, față de axa de rotație a motorului de antrenare M.

Pentru a aprecia momentul de inerție redus la arborele motorului M s-au concentrat masele m1 și m2 într-una singură, masa m, care față de axa motorului M se află la distanța (fig. 3.8.c):

;

Momentul de inerție redus se determină cu relația:

;

a b

c

Figura 3.8 – Scheme privind concentrarea maselor

2. Calculul timpului de rotație

Se calculează timpul T de efectuare a cursei mișcării relative a elementelor cuplei cinematice conducătoare:

unde:

, cursa unghiulară a mișcării;

, viteza unghiulară a mișcării relative a elementelor;

, coeficient subunitar care exprimă ponderea timpului de accelerare în timpul de efectuare a cursei;

3. Se calculează accelerația unghiulară a arborelui motor:

4. Se calculează momentul redus al forțelor de inerție:

5. Se calculează momentul rezistent redus dinamic în faza de accelerare:

randamentul angrenajului melcat ;

randamentul lagărelor cu rulmenți radiali-axial cu role: , .

6. Se compară momentul rezistent redus dinamic cu momentul motor disponibil:

În acest caz legea de mișcare propusă poate fi realizată.

7. Se calculează energia cinetică a sistemului la începutul fazei de frânare:

8. Se calculează momentul redus de frânare care este necesar să fie aplicat în vederea opririi sistemului:

9. Se calculează momentul de frânare care trebuie dezvoltat de frână:

Deoarece frâna este amplasată chiar pe arborele pinion antrenat direct de motor, viteza unghiulară a elementului de frânat este egală cu viteza unghiulară a arborelui motor m, care reprezintă în același timp și viteza unghiulară de frânare:

Cu acest moment de frânare care trebuie dezvoltat, s-a ales din catalog o frână Tip 82002, mărimea 09, care dezvoltă un moment de frânare:

10. Se calculează:

accelerația efectivă la arborele motor:

timpul de accelerare:

accelerația unghiulară a axei :

unghiul de accelerare:

3.8.2. Calculul dinamic pentru mișcare beta ()

Deoarece cupla cinematică conducătoare a mișcării este identică cu cea a mișcării (melc-roata melcată, fig. 3.8), și de asemenea motoarele sunt identice și vitezele unghiulare alese pentru elementele conduse sunt egale se face doar verificarea ca momentul de inerție redus la arborele motorului M să fie mai mic decât cel al arborelui M. Acest lucru asigură efectuarea legii de mișcare impusă.

Se calculează:

momentul de inerție redus:

unde:

;

accelerația unghiulară efectivă la arborele motor:

timpul de accelerare:

accelerația unghiulară a axei :

unghiul de accelerare:

3.8.3. Calculul dinamic pentru mișcarea gamma ()

Din considerente similare paragrafului 3.9.2 se calculează:

momentul de inerție redus:

unde:

accelerația unghiulară efectivă la arborele motor:

timpul de accelerare:

accelerația unghiulară a axei :

unghiul de accelerare:

Capitolul 4

MODELAREA GEOMETRICĂ A MODULULUI DE ORIENTARE

Pe baza schemei de principiu a modulului de translație am realizat modelul geometric utilizând CATIA 5 V21.

Fig 4.1 Angrenajul motorului M2cu arborele α

Fig 4.2 Angrenajul motorului M1cu arborele β

Fig 4.3 Transmisia cu curea și angrenaj dințat conic axa γ

Fig 4.4 Transmisie pentru axa α (deschis)

Fig 4.5 Transmisie pentru axa α

Fig 4.6 Transmisie pentru axa β (deschis)

Fig 4.7 Transmisie pentru axa β

Fig 4.8 Transmisie pentru axa γ vedere din față

Fig 4.9 Transmisie pentru axa γ vedere laterală

Fig 4.10 Transmisia pentru axa γ cu lagăre

Fig 4.11 Transmisia pentru axa γ cu carcasa

Fig 4.12 Transmisia pentru axa γ cu carcasă finală

Fig 4.13 Modelul geometric al modulului de orientare cu axele α β γ

Fig 4.14 Modelul geometric al modulului de orientare cu axele α β γ

Fig 4.15 Modelul geometric al modulului de orientare cu axele α β γ

Descrierea funcțională a modulului de orientare

Dispozitivul de orientare proiectat se prezintă în figura 4.16. și în planșa anexată proiectului.

Pentru obținerea mișcării de rotație α se parcurge traseul: motorul electric M1, axul melcat 1 lăgăruit în carcasă, roata melcată 2, care este fixată pe axul tubular 4, imprimândui acestuia o mișcare de rotație. De axul tubular 4 se fixează subansamblele din aval, care execută împreună aceeași mișcare de rotație α.

Pentru obținerea mișcării de rotație β se utilizează motorul electric M2 care antrenează axul melcat 5, roata melcată 6 fixată pe un ax tubular prevăzut cu o flanșă de cuplare pe care se fixează ultimul subansamblu prin corpul 23, imprimândui acestuia o mișcare de rotație β.

Pentru obținerea mișcării de rotație γ se utilizează motorul electric M3, axul concentric 11, șaiba dințată 12, cureaua dințată 14, șaiba dințată 13 fixată pe axul danturat conic 15, care angrenează cu coroana dințată 17 pe axul căreia se fixează flanșa de cuplare cu efectorul final 18, imprimând mișcarea de rotație γ.

Transmisiile prezentate sunt asamblate în carcase prin intermediul rulmenților. Am utilizat axe tubulare în cnstrucția modulului contribuind la reducerea gabaritului acestuia.

Concluzii

În cadrul proiectului, pe baza bibliografiei studiate am realizat o sistematizare a materialului privind noțiuni generale de robotică, structura generală a roboților, structura generală a sistemului mecanic. Pe baza schemelor cinematice ale mecanismelor de orientare studiate și ținând cont de tema dată am conceput schema cinematică a modulului proiectat precum și schema bloc a acestuia. Pe baza relațiilor matematice din literatura de specialitate am efectuat pentru un caz concret elementele de calcul geometric al transmisiilor mecanice și al unor repere din structura mecanismului de orientare. Utilizând programul de proiectare Dassault Systemes CATIA, am realizat succesiv modelele geometrice ale unor elemente principale și ale subansamblelor în ordinea evoluției celor trei mișcări de rotație realizând în final ansamblul modulului de orientare.

Printr-o interpolare a dimensiunilor prezentate se pot obține tipodimensiuni diferite ale acestui modul cu respectarea elementului de intrare; flanșă de cuplare cu MGT și a elementului de ieșire; flanșă de cuplare cu EF.

Bibliografie

1 – Barabaș T., Vesseleny T. – Robotică – Aplicații – Ed. Universității din Oradea 2004

2 – Blaga Florin, – MODELAREA ȘI SIMULAREA SISTEMELOR PRODUCȚIE. TEORIE ȘI APLICAȚII, Editura Universitatea din Oradea, 2008

3 – Ghinea M., Firețeanu V.: "Matlab – calcul numeric – grafică – aplicații" –Ed.Teora, București, 1995;

4 – Ispas V. ș.a. : "Roboți industriali", – Ed. Dacia, Cluj Napoca, 1985;

5 – Kovacs F., Varga Ș., Pau V. : "Introducere în robotică" – Ed. Printech 2000, București, 2000.

6 – Manea Gh. – Organe de Mașini – Ed. Tehnică București 1970

7 – Tripe Vidican A., ș.a. – Proiectarea și Construcția Sistemului Mecanic al RI – Ed. Universității din Oradea 2006

8 – Țarcă R.C. – Introducere în Robotică Ed. Universității din Oradea 2003

9 – *** " World Robotics – Industrial Robots 2013": The International Federation of Robotics, United Nations New York and Geneva.

10 – *** "Catalog Industrieroboter Kuka";

11 – *** "Catalog FIBRO GmbH – Fibromanta. Handhabungstechnik";

12 – *** "Catalog SCIAKI" – Franța;

CATIA V5 R21