Mecatronica. Megan Vision

CUPRINS

REZUMAT

In ultimele trei decenii, interesul pentru sistemele capabile sa recunoasca si sa identifice diferite forme si colori a crescut considerabil.

Acest lucru s-a datorat dezvoltarii unor tipuri de aplicatii , vizualizare robotica-“Machine Vision” si procesarea imaginilor –“Image processing”, care si-au dovedit eficienta in forte multe domenii. Domeniul de aplicabilitate al acestor sisteme este foarte vast, de la inlaturarea de pe banda transportoare a unor produse neconforme ,(fructe mici,patate, piese deteriorate) , sortarea pastilelor in functie de culoarea acestora, pana la sortarea in functie de codul de bare al produselor.

Sistemele de sortare obtin rezultate bune datorita inspectiei video oferita de camere performante , senzorilor specifici si nu in ultimul rand al tehnicilor de procesare a imaginilor.

Cu toate ca sortarea manuala ofera o precizie ridicata si o siguranta sporita pentru produsele supuse procesului , prezinta o productivitate mica iar calitate poate fi usor influentata de oboseala, fapt pentru care sistemele automate de sortat sunt o necesitate in fabricile de productie.

Dezvoltarea sistemelor de inspectie vizuala a fost posibila datorita reducerii considerabile a preturilor de sortare , precum si performantele tot mai bune ale sistemelor si ale tehnicii de calcul.

Sistemul proiectat incearca sa tina cont de cerintele echipamentelor proiectate in acest domeniu , calitatea si viteza sortarii si nu in ultimul rand sa ofere siguranta persoanei aflate in perimetrul acestuia.

CAPITOLUL I

INTRODUCERE

Mecatronica este o combinatie sinergetica intre mecanica de precizie, sistemele electronice de control si comanda, si informatica, ce serveste proiectarii, realizarii, punerii in functiune si exploatarii de sisteme automate inteligente. La inceput, mecatronica a fost inteleasa ca o completare a componentelor mecanicii de precizie, aparatul de fotografiat cu blitz fiind un exemplu clasic de aplicatie mecatronica.

Cu timpul, notiunea de mecatronica si-a schimbat sensul si si-a extins aria de definitie: mecatronica a devenit stiinta inginereasca bazata pe disciplinele clasice ale constructiei de masini, electrotehnicii, electronicii si informaticii. Scopul acestei stiinte este imbunatatirea functionalitatii utilajelor si sistemelor tehnice prin unirea disciplinelor componente intr-un tot unitar.

Mecatronica s-a nascut ca tehnologie si a devenit filosofie care s-a raspandit in intreaga lume. In ultimm ani, mecatronica este definita simplu: stiinta masinilor inteligente.

Ca o concluzie, se poate spune ca mecatronica este o sfera interdisciplinara a stiintei si tehnicii care se ocupa in general de problemele mecanicii, electronicii si informaticii. Totusi, in ea sunt incluse mai multe domenii, care formeaza baza mecatronicii, si care acopera multe discipline cunoscute, cum ar fi: electrotehnica, energetica, tehnica de cifrare, tehnica microprocesarii informatiei, tehnica reglarii si altele.[1]

Fig.1.1 Mecatronica[2]

Conceptul de sistem mecatronic

Un sistem mecatronic este un sistem tehnic care integrează, într-o configurație flexibilă, componente mecanice, electronice și de comandă cu sisteme numerice de calcul, pentru generarea unui control inteligent al mișcărilor, în vederea obținerii unei multitudini de funcții. Diagrama bloc a unui sistem mecatronic este prezentata in figura de mai jos.[3]

Fig.1.2 Diagrama bloc a unui sistem mecatronic[3]

In domeniul mecatronicii sunt folosite des cuvinte cheie cum ar fi: integrare, inteligenta, flexibilitate, cuvinte care isi gasesc explicatia in paragrafele de mai jos.

Integrare:Integrare spatial-prin întrepătrunderea constructivă a subsistemelor mecanice, electronice și de comandă;

Integrare functionala-asigurata prin sofrware.

Inteligență, raportată la funcțiile de control ale sistemului mecatronic și caracterizată printr-o comportare adaptivă, bazată pe percepție, raționament, autoînvățare, diagnosticarea erorilor și reconfigurarea sistemului (comutarea pe module intacte în cazul unor defecțiuni) etc.

Flexibilitate, caracterizată de ușurința cu care sistemul poate fi adaptat, sau se poate adapta singur, la un nou mediu, pe parcursul ciclului său de funcționare; implică schimbarea adecvată a programelor de control (software) și nu a structurii sale mecanice sau electrice (hardware).

CAPITOLUL II

OBIECTIVE PROPUSE

Obiectivul lucrarii consta in proiectarea si realizarea unui sistem de sortare a pieselor in functie de culoarea acestora. Sistemul va fi comandat cu ajutorul unei placi de dezvoltare Arduino. Cu ajutorul a trei servomotoare si a unui senzor de culoare se va putea realiza o sortare precisa tinandu-se cont de numerosi parametrii.

Odata realizat, sistemul va putea fi implementat in orice departament de productie atata timp cat , in urma injectarii pieselor, culoarea acestora joaca un rol important din punct de vedere calitativ. In urma sortarii, piesele a caror culoare nu va corespunde cu o culoare aleasa initial ca si etalon, vor fi considerate rebuturi , restul pieselor trecand testul , putand fi transportate catre o noua etapa a productiei.

Diversitatea programelor de sortare:

Sistemul va fi capabil sa sorteze piese ( cu geometrie sferica) de diferite culori, astfel incat , in urma procesului de sortare , fiecare bila va fi condusa pe jgheabul culorii respective.

Sistemul va sorta piese (cu geometrie sferica) de aceeasi culoare , dar de nuante diferite, fiind capabil sa faca diferenta intre piesele de aceeasi culoare, dar de intensitati diferite.

Datorita geometriei sistemului de sortare, nu se va putea observa piesa ce urmeaza sa fie verificata de senzor, fapt pentru care dupa citirea culorii se va aprinde un led care ne va arata ce culoare a fost citita.

CAPITOLUL III

STUDIUL COMPARATIV AL SISTEMELOR

EXISTENTE PE PLAN NATIONAL SI INTERNATIONAL

Spine-Inspectie vizuala automata a capsulelor si tabletelor

Fig.3.1 Spine[4]

Sistem automat care inspecteaza suprafata tabletelor si a pastilelor, analizand atat culoarea acestora cat si defectele de productie (ciupituri,crapaturi,gauri etc.). Cu ajutorul celor sase camere, sistemul poate analiza fiecare tableta in parte, viteza de sortare atingand 360.000 piese /ora.

Sistem de sortare SORTURK C4

Masina pentru sortare SORTRUCK C4 inlatura si curata seminte, cereale, leguminoase, cu diferite culori de la masa principal.

Masina de sortare dupa culoare are o tehnologie moderna , care realizeaza un procent calitativ de 99,8% de sortare si de curatare. Aceasta functioneaza pe baza de fotocamere, avand un panou tactil de comanda, de unde utilizatorul poate regla sensibilitatea camerelor.[5]

Fig.3.3 Date tehnice SORTURK C4 [5]

Fig.3.2 Sistem de sortare SORTURK C4[5]

Sistem de sortare a frunzelor de ceai (TD3)

Fig.3.4 Sistem de sortare TD3 Fig.3.5 Date tehnice sistem de sortare TD3[6]

Sistemul de sortare al frunzelor ce ceai utlilizeaza functii atat pentru detectarea culorii cat si pentru detectarea formei astfel incat va executa o sortare multipla simultan.

Sistemul este dotat cu o camera de 2048 pixeli care poate identifica précis toate defectele frunzelor de ceai. Un alt sistem similar este prezentat in imaginea de mai jos.[6]

Fig.3.5 Sistem de sortare T+

CAPITOLUL IV ALEGEREA SOLUȚIEI ÎN VEDEREA PROIECTĂRII SISTEMULUI

4.1 PROIECTARE ASISTATĂ. GENERALITĂȚI

Apariția și dezvoltarea controlului numeric în anii 50, marchează începutul procesului de automatizare a mașinilor-unelte. Este un fapt recunoscut că introducerea comenzii numerice a însemnat debutul unui proces de inovare în activitățile de proiectare și producție a bunurilor. Astăzi există fabrici aproape complet automatizate care sunt capabile să manufactureze o diversitate de produse. In proiectarea și fabricarea asistate de calculator sunt două domenii care s-au dezvoltat simultan, fiind tratate într-o viziune comună pe baza legăturilor naturale care există între activitățile de proiectare și manufacturare: CAD si CAM.

Proiectarea asistată de calculator – “Computer-aided design” – CAD – este definită ca o activitate de utilizare a unui sistem de calcul în proiectarea, modificarea, analiza și optimizarea proiectării. Sistemul de calcul este format din echipamente și programe care asigură funcțiile necesare în proiectare. Fabricarea asistată de calculator (în limba engleză, “Computeraided manufacturing” – CAM), se definește ca utilizare unui sistem de calcul în activitatea de planificare, conducere și control al operațiilor unei fabrici, prin orice interfață directă sau indirectă dintre calculator și resursele de producție.

Într-un mediu de proiectare, instrumentele CAD pot fi definite ca instrumente de proiectare (programe de analiză, proceduri euristice, algoritmi de proiectare etc.) care sunt susținute de echipamente de calcul și software.

Instrumentele CAD pot varia de la cele geometrice, precum manipularea entităților grafice și verificarea interferențelor, până la aplicații specializate de analiză și optimizare. Între aceste limite sunt incluse analiza toleranțelor, calculul proprietăților masice și modelarea și analiza cu elemente finite. Aceste definiții nu trebuie să reprezinte o restricție în utilizarea CAD în proiectarea inginerească.[7]

4.2 INFORMAȚII DESPRE SOFTWARE-UL FOLOSIT

Software-ul folosit pentru proiectarea si asamblarea sistemului este LMS Virtual Lab.

LMS Virtual Lab este un soft cu ajutorul caruia se poate proiecta, simula un sistem tinandu-se cont de o mare varietate de factori cum ar fi: zgomotul, vibratiile, dinamica si materialul folosit.

Acest soft pune ofera utilizatorului urmatoarele avantaje:

Realizarea unei simulari precise.

Simularea comportamentului unui design mecanic.

Optimizarea design-ului inaintea constructiei prototipului.

Detectia precisa a punctelor slabe.

Eficienta explorarii multiplelor alternative de proiectare.

Pentru partea de schitare a pieselor necesare sistemului , programul are la baza software-ul CATIA (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application). Odata piesele realizate, acestea vor putea fi importate in LMS Vitrual Lab, unde vor putea fi asamblate, totodata facandu-se si simularea sistemului.

PASII DE REALIZA AL ANSAMBLULUI

Dupa importarea pieselor, acestea vor trebui transformate in body pentru a putea fi realizata asamblarea. In meniul vom putea fixa piesa de ground, astfel incat aceasta sa nu se miste in momentul in care se va face simularea.

Fig. 4.1 Realizarea Body-ului

Pentru a imbina piesele se va putea folosi o gama larga de comenzi, in functie de geometria acestora:

Fig.4.2 Imbinarea pieselor cu functia Revolute Joint

Daca dorim sa simulam o miscare a unei piese vor trebui adaugate drivere de miscare. Odata implementat driverul de miscare corespunzator , acesta va putea fi programat in functie de gradele si timpul pe care le va parcurge.

Fig.4.3 Implementarea driver-ului de miscare

PROIECTAREA COMPONENTELOR SISTEMULUI

Pentru ca sistemul sa poata fi realizat practice va fi nevoie de urmatoarele componente:

Trei tubulaturi PVC drepte cu diametrul de 50 mm.(fig.4.4)

Un cot pvc de 120 de grade cu diametrul de 50 mm.(fig. 4.5)

Doua coturi pvc. (fig.4.6)

Trei suporturi pentru servomotoare.

Un suport pentru senzor.

Fig.4.4 Tubulatura pvc dreapta Fig.4.5 Cot pvc 120 grade

Fig.4.5 Cot pvc[8]

Pentru prinderea servomotoarelor va fi nevoie de doua tipuri de suporti, si anume : suport pentru servomotorul asezat in pozitie verticala si suporti pentru servomotoare asezate in pozitie orizontala. Proiectarea acestora a fost executata in LMS Virtual Lab, iar realizarea lor a fost posibila cu ajutorul unei imprimante 3D.

Fig. 4.6 Proiectare suport servo orizontal Fig.4.7 Suport servo orizontal

Fig.4.8 Proiectare suport servo vertical Fig.4.9 Suport servo vertical

Pentru pozitionarea corect a senzorului care va detecta culoarea pieselor a fost necesara proiectarea unei piese speciale, astfel incat piesa va pozitiona senzorul in interiorul tubulaturii.

Pozitionarea senzorului in interiorul tubulaturii este necesara deoarece acesta nu trebuie sa aiba contact cu sursele de lumina externa , in caz contrar, masurarea nu va fi una precisa.

Fig.4.9 Proiectare suport senzor Fig.4.10 Suport senzor

ALEGEREA COMPONENTELOR ELECTRICE SI ELECTRONICE

Alegerea servomotoarelor

Un servomotor este un ansamblu format din patru component si anume: un motor de curent continuu, un reductor, un dispozitiv de detectare a pozitiei si un circuit de control.

Principala functie a servomotorului este de a primi un semnal de control, care reprezinta pozitia in care acesta trebuie sa ajunga, urmat de un semnal electric cu ajutorul caruia acesta se va roti.

Acesta utilizează dispozitivul de detectare a poziției pentru determinarea poziției de rotație a arborelui, astfel incat acesta sa stie in ce sens se va roti motorul pentru a deplasa arborele in pozitia comandata. Arborele nu va efectua o miscare de rotatie precum motorul, acesta putandu-se roti 200 de grade inainte si inapoi.

Servomotorul are o conexiune cu trei fire: alimentare, impamantare si control. Sursa de alimentare trebuie sa fie aplicata in mod constatan, servo avand componente electronice care absorb curentul de la cablul de alimentare pentru actionarea motorului.

Controlul se face cu ajutorul semnalelor PWM (pulse with modulation), pozitia arborelui fiind determinate de durata impulsului pozitiv.[9]

Atat pentru realizarea procesului de eliberare a pieselor citite cat si pentru directionarea acestora pe jgheaburile corespunzatoare s-au folosit servomotoare HS422.

Fig.4.11 Servo HITECH HS-422[10]

Alegerea senzorului de culoare

Fig.4.12 TCS34725[11]

Senzorul TCS34725 este un convertor lumina-digital (light to digital) care contine o matrice 3×4 fotodiode, patru convertoare analog-digital, care integreaza curentul fotodiodei,registrii de date, precum si o interfata I2C.

Matricea de fotodiode 3×4 este compusa din urmatoarele filtre: filtrare-rosu, filrare-albastru, filtrare-verde, si fotodioda alba. In plus, fotodiodele sunt acoperite cu un filtru de blocare IR.

Cele patru integratoare ADC fac simultan conversia curentilor fotodiodelor cu o valoare digitala de 16 biti. La terminarea unui ciclu de conversie, rezultate sunt transferate in registrii de data unde which are double-buffered to ensure the integrity of the data. [12]

Fig.4.13 Diagrama block de functionare[12]

Date tehnice:

PROGRAMUL CONTROLERULUI

Programul folosit va trebui sa indeplineasca cerintele impuse de utilizator, cum ar fi : citirea corecta a culorilor, timpul de reactie al servomotoarelor si nu in ultimul timp viteza de sortare a pieselor. Placa de dezvoltare aleasa pentru acest proiect este Arduino UNO.

Arduino este o companie open-source care produce, atât plăcuțe de dezvoltare bazate pe microcontrolere, cât și partea desoftware destinată funcționării și programării acestora. Pe lângă acestea include și o comunitate uriașă care se ocupă cu creația și distribuirea de proiecte care au ca scop crearea de dispozitive care pot sesiza și controla diverse activități sau procese în lumea reală.[13]

De-a lungunl timpului, Arduino a fost “creierul” a numeroase proiecte, de la cele mai simple pana la proiecte stiintifice complexe. Usoara accesibilitate la numeroasele programe si tutoriale a fost posibila datorita numerosilor studenti si pasionati care au dorit sa isi imparta cunostintele cu cei mai putini experimentati.

Lansarea primului Arduino a fost in 2005 avand ca scop asigurarea unei solutii simple si ieftine pentru cei pasionati de programare, in vederea crearii unor dispozitive capabile sa interactioneze cu mediul folosind sisteme de actionare si diversi senzori. Exemplele cele mai comune utilizate de cei incepatori sunt : detectoarele de miscare, roboti mobili, detectoare de culoare, amprenta.

Placa de dezvoltare Arduino are in component sa un

BIBLIOGRAFIE

[1] http://www.mecatronica.ro/ce_este_mecatronica.html

[2]https://www.google.ro/search?q=mechatronics&num=50&newwindow=1&biw=1366&bih=623&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ved=0ahUKEwjnhZvbuobNAhVDaRQKHWo1ALIQ_AUIBygB

[3] http://webbut.unitbv.ro/Carti%20on-line/BSM/BSM/capitol1.pdf

[4] http://www.sensum.eu/spine.php?lang=eng

[5] http://www.tmi-bg.com/index.php?option=com_content&view=category&id=24&Itemid=48&lang=ro

[6] http://www.meyer-corp.com/products/td-series-tea-color-sorter.html

[7] http://www.sim.tuiasi.ro/wp-content/uploads/Toma-BPTAC-Notite-de-curs.pdf

[8]https://www.google.ro/search?newwindow=1&biw=1366&bih=623&tbm=isch&sa=1&q=cot+pvc&oq=cot+pvc&gs_l=img.3…0.0.0.1817022.0.0.0.0.0.0.0.0..0.0….0…1c..64.img..0.0.0.hkpl1Js_aHk

[9] http://handyboard.com/hb/faq/hardware-faqs/dc-vs-servo/

[10] https://www.sparkfun.com/products/11884

[11] https://www.robofun.ro/senzori/lumina/senzor-de-culoare-rgb-cu-filtru-ir-tcs34725

[12] https://cdn-shop.adafruit.com/datasheets/TCS34725.pdf

[13] https://ro.wikipedia.org/wiki/Arduino