Mecatronică și Pneumomecatronică 6 [309801]

Cuprins

Capitolul 1 6

Mecatronică și Pneumomecatronică 6

1.1 Noțiuni generale de mecatronică 6

1.2 Scurt istoric 7

1.3 [anonimizat]-informație 8

1.4 Elementele principale ale sistemelor mecatronice 10

1.5 Structura bloc a sistemelor mecatronice 11

1.6 Robotul industrial 12

1.7 Educația mecatronică în România 14

1.8 Conceptul de Mecatronică în Fluidică: Pneutronică și Hidronică 15

Capitolul 2 19

Acționări Fluidice 19

2.1 Noțiuni generale 19

2.2 Tipuri de echipamente pneumatice 20

Capitolul 3 27

Programe de modelare și simulare a [anonimizat]. 27

3.1 FluidSIM 27

3.2 Automation Studio 33

Capitolul 4 43

[anonimizat] a unui robot industrial 43

Concluzii 59

Bibliografie 60

Capitolul 1

Mecatronică și Pneumomecatronică

Noțiuni generale de mecatronică

Domeniul mecatronic poate fi considerat ca o [anonimizat], este pluridisciplinar și include următoarele arii de studiu (fig.1.1): [anonimizat], [anonimizat], achiziție și procesare de date.

Fig.1.1 Cuvinte cheie pentru domeniul mecatronic (Robert H. Bishop- The University of Texas at Austin)

Revoluția informatică (a doua revoluție industrială) a [anonimizat].

[anonimizat], la inceputul deceniului al 8-lea al secolului trecut anul 1969-1970.

În 1972 – termenul de mecatronică a fost brevetat de Yaskawa Electric Co. [anonimizat] – [anonimizat].

În lumea specialiștilor nu există un acord unanim susținut în ceea ce privește definirea acestei îmbinări sinergetice: mecanica-electronica-informatica. Se folosesc și alte denumiri pentru noțiunea de mecatronică ca: mecano-informatica, [anonimizat], [anonimizat] a sitemelor.

[anonimizat] – [anonimizat] 1. 2

Fig.1.2 [anonimizat], [anonimizat]: [anonimizat]-[anonimizat]-[anonimizat]. [anonimizat]. [anonimizat]-fabricare. [anonimizat].

Deci, „Produse de înaltă tehnicitate” = Produs mecatronic Exemple: [anonimizat]-[anonimizat], aparatura de cercetare, roboții, aparatura biomedicală, aparatura electrocasnică, aparatura militară, aeronautică, etc..

1.2 Scurt istoric

Mecatronica este rezultatul evoluției firești în dezvoltarea științifică și tehnologică a societății umane. Aceasta evoluție este sugestiv evidențiată în fig.1.3.

Fig. 1.3 Fluxul evoluției științifice și tehnologice ătre integrarea mecatronică

După cum se observă, elementul central îl constituie tehnologia mecanică, care s-a dezvoltat către mecanizare.

Progresele în domeniul tehnologiei electronice, apariția circuitelor integrate, mici ca dimensiuni, ieftine și fiabile, au permis includerea electronicii în structurile mecanice.

Se realizează astfel primul pas către integrare: integrarea electromecanică. Structurile electromecanice astfel obținute nu dispun de inteligență proprie.

Următorul pas în integrare a fost determinat de apariția microprocesoarelor. Cu aceleași caracteristici constructive ca și crcuitele integrate, adică mici ca dimensiuni, ieftine și fiabile, microprocesoarele au putut fi integrate în structurile electromecanice realizate anterior.

Astfel, acestea devin inteligente. Aceasta înseamnă că pot preleva informații privind starea internă, starea mediului, pot prelucra aceste informații și pot lua decizii privind comportarea sistemului.

1.3 Relația material-energie-informație

Tehnologia mecatronică aduce în centrul atenției problema informației care, este componenta dătătoare de ton în raport cu materialul și energia. Această poziție a informației este motivată prin următoarele argumente:

informația asigură satisfacerea nevoilor spirituale ale omului;

numai informația crește valoarea nou adăugată a tuturor lucrurilor;

informația înseamnă cultură.

Promovarea legăturilor informaționale în structura sistemelor tehnice le asigură flexibilitate și reconfigurabilitate.

Evaluarea cantitativă și calitativă a informației constituie o problemă esențială în educație, cercetare și în activitățile de producție. Informația este deopotrivă importantă în medicină, literatură, artă, muzică, sport etc.

Comparația material-energie-informație se prezintă în figura 1.4. Nevoile de material și energie pentru o persoană sunt limitate. Când aceste nevoi sunt satisfăcute, ființa umană caută satisfacerea nevoilor spirituale. Informația asigură satisfacerea acestor nevoi. Valoarea informației depinde nu atât de cantitate, cât de prospețimea acesteia, pentru că spiritul uman cere frecvent noi stimuli. În această ordine de idei, valoarea materialului și a energiei depinde de integrarea acestora. Valoarea informației depinde de diferențierea acesteia. Se vede deci că materialul, energia și informația au caracteristici diferite. În societatea avansat informatizată, producția bazată pe consumul de material și energie ajunge la saturație. Pe de altă parte, cerințele pentru informație sunt în continuă creștere. Acesta este motivul pentru care industriile bazate pe consumul de material și energie își vor încetini ritmul de dezvoltare, iar industria bazată pe consumul de informație va continua să se dezvolte în ritm alert.

Discutând despre valoarea nou adaugată, se subliniază faptul că societatea avansat informatizată este societatea în care valoarea nou adaugată crește datorită informației.

Fig. 1.4 Relația material-energie-informație

1.4 Elementele principale ale sistemelor mecatronice

Structura de bază a unui sistem mecatronic cuprinde următoarele componente principale, prezentate în fig. 1.5.

Fig. 1.5 Componentele principale ale unui sistem mecatronic

Semnificația notațiilor folosite este următoarea:

SPS – sistem de programare a sarcinilor;

CS – controler secvențial;

CM – controler de mișcare;

AP – amplificator de putere;

A – actuator;

T – transmisie;

SM – sistem mecanic;

ST – senzori și traductoare;

DCS – dispozitiv de control al semnalului;

M – mediu;

Scurtă prezentare a fiecărui element de bază a sistemelor mecatronice.

Sistemul de programare a sarcinilor – generează mișcările dorite și secvențele acestora în concordanță cu cerințele sau comenzile transmise:

Controlerele – compară parametrii curenți ai mișcării cu cei înscriși și face corecturile necesare;

Amplificatorul de putere – amplifică semnalele necesare actuatorilor;

Actuatorii – transformă semnalul controlat în semnal de intrare (moment, forță, viteză, etc.) necesar sistemului mecanic;

Transmisia – realizează obținerea unor parametrii necesari funcționării sistemelor mecanice (curele, cremaliere, mecanisme cu reductoare etc.)

Sistemul mecanic – realizează poziția dorită la ieșirea din sistemul mecatronic.

Dispozitivele de condiționare – prelucrează semnalele în concordanță cu cerințele impuse semnalelor de intrare în controler;

Senzorii și traductoarele – sunt componente ale sistemului informațional, și ne dau informații despre starea sistemului mecanic respectiv a mediului.

1.5 Structura bloc a sistemelor mecatronice

În general un sistem mecatronic poate fi considerat un hipersistem, format dintr-o serie de sisteme, conform schemei din fig. 1.6.

Într-un sistem de fabricație mecatronic, fiecare componentă este autonomă, funcționarea lor fiind corelată în funcție de succesiunea operațiilor de executat, a mișcărilor organelor active, ele fiind acționate de sursa de energie mecanică (actuatoare). Funcționarea autonomă a componentelor privește realizarea autonomă a comenzi actuatorilor fiecărui utilaj component al sistemului, având un comportament de automatizare prin autoconfigurare, autoreglare, programabilitate și comunicare.

Fig. 1.6 Structura bloc a unui sistem mecatronic

Autoconfigurarea – se referă la efectuarea automată a reechipărilor, trecerea în sistem pornit-oprit, aducerea semifabricatelor în ordinea dorită, alegerea valorilor nominale ale regimurilor de lucru sau de manipulare.

Autoreglarea – se referă la menținerea automată a valorilor parametrilor de funcționare.

Programabilitatea – este dată de facilitatea de a accepta o memorie și de a utiliza programe de calcul în vederea ordonării execuției fazelor cuprinse în programul de lucru, pentru succesiunea prestabilită prin instrucțiuni.

Comunicarea – se referă la proprietatea componentelor de a schimba mesaje cu componentele de același rang sau de ranguri diferite.

Realizarea acestor deziderate necesită echipamente și componente ale sistemului de comandă bazate pe automatizare subordonată tehnicii de calcul.

Tendințele mecatronicii

În ultimii ani mecatronica este definită simplu: știința mașinilor inteligente. Mai recent demersurile pentru înnoire în educație și cercetare aduc în atenție problema mecatronicii ca: mediu educațional în societatea informațională, respectiv mediu de proiectare și fabricare integrată pe fundalul căruia s-a dezvoltat conceptul de proiectare pentru control.

În literatura de specilalitate au devenit consacrate extinderi în alte domenii ca: hidronica, pneutronica, termotronica, autotronica, agromecatronica (agricultura de precizie). Evoluția în dezvoltarea tehnologică înseamnă: micromecatronica, nanomecatronica și biomecatronica. Tendința generală este de “intelectualizare a mașinilor și sistemelor”

1.6 Robotul industrial

Este un exemplu reprezentativ de produs mecatronic.

Utilizat în procesul de producție sau prestări servicii:

pentru a realiza funcții de manipulare analoge cu cele realizate de mâna omului

pentru automatizarea anumitor secvențe ale procesului de producție sau servicii;

Structural este un sistem ce se compune din 4 subsisteme (fig. 1.7) :

Sistemul de conducere sau comanda – are rolul sistemului nervos uman, de adaptare a stării interne a robotului la starea externă a mediului prin darea de comenzi sistemului de acționare, astfel stabilind succesiunea și durata mișcărilor elementelor ce compun sistemul mecanic

Sistemul de acționare – analog sistemului muscular uman, pune în mișcare elementele sistemului mecanic pe baza comenzilor primite de la sistemul de comandă.

Sistemul mecanic – analog sistemului osos uman, asigură mișcările dorite obiectelor manipulate

Fig. 1.7 Schema bloc a unui robot industrial

În continuare se prezintă câteva exemple de roboți

Fig 1.11 Structuri de roboți mobili bipezi

1.7 Educația mecatronică în România

În țara noastră filosofia mecatronică a pătruns prin înființarea în 1991 a specializărilor de mecatronică în inginerie la Brasov, Cluj-Napoca, Universitatea Tehnica “Gheorghe Asachi” Iasi, Universitatea “Ștefan cel Mare” din Suceava., Universitatea Politehnica București, iar în anul 2011 și la Universitatea din Oradea

În acest sens s-au dezvoltat și laboratoarele specifice domeniului mecatronică.

Se prezintă în fig. 1.12 câteva aspecte din laboratorul de mecatronică și laboratorul de acționări hidro-pneumatice, de la Facultatea de Inginerie Managerială și Tehnologică.

Fig. 1.12 Laborator Mecatronică și Acționări hidro-pneumatice

1.8 Conceptul de Mecatronică în Fluidică: Pneutronică și Hidronică

Pneumatica și hidraulica ca și subdomenii ale mecanicii în general, au integrat în structura echipamentelor lor chiar de la începutul debutului lor componente electrice, atât în zone de acționare a acestora cum ar fi electromagneți cu comportare funcțională de tipul ‘tot’ sau ‘nimic’; cât și în zona de comandă a sistemelor de acționare unde partea electrică este materializată de contacte și relee. Cum sistemele de acționare aveau menirea numai de a realiza forțe și momente de valori mari și foarte mari, sau viteze mari, cerințe care și în prezent sunt actuale, se poate considera debutul lor ca fiind pneumatică și hidraulică de putere.

Aceste echipamente se încadrează în etapa electro-mecanică a evoluției sistemelor.

Pe la începutul anilor 1980 o serie de firme renumite în producerea echipamentelor hidraulice printre care Rexroth, Bosch, Parker, Festo etc, au promovat ideea ca acționările fluidice (hidraulice) să preia pe lângă funcția de putere și funcția de „precizie de poziționare”. Astfel în zona de acționare a echipamentelor fluidice au fost dezvoltate noi componente electrice: electromagnetul proporțional și motorul electric de cuplu.

Sistemele de acționare au devenind astfel și sisteme de reglare, în sensul consacrat de teoria sistemelor de reglare automată. Ele au fost comandate de sisteme electronice. Componenta electrică face saltul calitativ la componenta electronică de bază – tranzistorul.

Mărimile reglate-mărimi de ieșire dintr-un sistem automat fluidic sunt: debitul și/sau presiunea fluidului la nivelul echipamentelor pneumatice și hidraulice: poziția, viteza, accelerația. forța sau momentul la nivelul sistemelor de acționare (motoarele) pneumatice sau hidraulice.

Astfel în această etapă se poate preciza că anumite echipamente și sisteme pneumatice și hidraulice au încorporat în structura lor mecanică, electronică și informatică, realizând precizii ridicate în funcționare, caracteristici ale domeniului Mecatronică. Din acest moment se poate vorbi de pneumomecatronică (pneutronică) și hidromecatronică (hidronică).

Mecatronică în pneumatică și hidraulică reprezintă o a treia etapă de revoluție tehnică a lor prin similitudine cu definiția acceptată a mecatronicii, la nivelul pneumaticii și hidraulicii. Se poate defini pneutronica și hidronica ca fiind integrarea sinergetică a electronicii și informaticii în echipamentele și sistemele pneumatice și hidraulice în vederea proiectării și fabricării, precum și controlul automat al funcționării. Într-un asemenea concept produsele/echipamentele și sistemele pneumatice și hidraulice deși mult mai rapide au devenit mult mai stabile și mai precise, fiind caracterizate și de un anumit nivel de inteligență.

Pe baza celor precizate anterior se prezintă în figura 1.13 structura unui echipament pneutronic sau hidronic, iar în figura 1.14 structura unui sistem pneutronic sau hidronic.

Fig. 1.13 Structura unui echipament pneutronic sau hidronic

Fig. 1.14 Structura unui sistem pneutronic sau hidronic

La nivelul echipamentelor, pneutronica sau hidronica se identifică cu sistemele de reglare automată a debitelor și/sau presiunilor – figura 1.13, iar la nivelul sistemelor de acționare se identifică cu sistemele de reglare automată a pozițiilor, vitezelor, forțelor sau momentelor, figura 1.14. Acestea fiind sisteme de reglare, ele sunt structurate și dezvoltate pe baza științei și teoriei sistemelor automate: mărimile de stare urmărite în circuitele de reacție devin fluxuri și baze de date prelucrate în timp real de un sistem informațional,ele sunt decise în timp real de un sistem de conducere și executate în timp real de sistemul electric sau electrohidraulic, respectiv electropneumatic. Funcțiile sistemului informațional de control automat și de optimizare ca și cele ale sistemului de conducere sunt asigurate prin intermediul unor softuri, de către un hard dedicat de tip controller care poate fi configurat cu circuite logice (CL), circuite integrate (CI), microprocesoare (μP) sau calculatoare personale (PC). În consens cu mutațiile provocate de mecatronică în filozofia produselor și sistemelor, este de așteptat ca și în pneutronică și hidronică să se producă o mai puternică dezvoltare a softului în defavoarea hardului. Softuri și harduri dedicate pneumaticii și hidraulicii se vor impune atât pentru a da flexibilitate, precizie și fiabilitate produselor din aceste domenii cât mai ales din rațiuni economice, având în vedere numărul foarte de mare de acționări de această natură pe plan mondial.

Urmărirea simultană a mărimilor ieșire- reacție de poziție, sau altele se fac prin senzori și traductori adecvați ce alcătuiesc un sistem senzorial (S).

Fluxul de informații de la ieșirea din sistemul senzorial (S) totdeauna de natură electrică trebuie compatibilizat cu tipul și nivel semnalelor cu care operează controllerul printr-un sistem de convertoare analog/digitale (A/D).

Funcția acestui sistem, pentru o mai rapidă accesare a datelor de către controller de tip microprocesor sau calculator personal, este preluată de către plăcile de achiziții de date (PAD). Plăcile de achiziții pot avea la porțile de ieșire una sau mai multe mărimi analogice rezultate dintr-o conversie digital/analog (D/A).

În cazul sistemelor de acționare pneumatică sau hidraulică, datorită unor factori interni care acționează asupra sistemului se apelează în cazul modelării lor la multe simplificări și aproximări, o serie de mărimi fizice deși variabile se consideră constante, unele au funcții de existență neliniare sunt aproximate.

În acest context în scopul creșterii preciziei de poziționare o aplicare abuzivă a conceptului de mecatronică ar însemna promovarea unui sistem senzorial care să urmărească și să creeze date pentru toate mărimile de stare.

Stabilirea unor softuri operabile, dedicate pneutronicii și hidronicii este o problemă deschisă și de viitor, pentru specialiștii și cercetătorii din domeniu.

Capitolul 2

Acționări Fluidice

Noțiuni generale

Prin acționare se înțelege un ansamblu de funcții tehnice prin care se realizează transformarea energiei nemecanice într-una mecanică, în vederea punerii în mișcare relativă a unor elemente. Sursele de energie nemecanică necesare unuii sistem de acționare pot fi: electrică; termică, hidraulică, diverse.

Transformarea energiei nemecanice în energie mecanică se realizează prin intermediul unor echipamente specifice (motoare electrice, electromagneți, turbine, pompe, compresoare de aer, motoare hidraulice, motoare pneumatice) și se transmite direct la elementele de execuție, sau indirect, prin intermediul unor transmisii mecanice.

În figura 2.1 s-a conceput o schemă bloc generală a unui sistem de acționare, iar în figura 2.2 se prezintă fluxul transformărilor energetice ce au loc în sistem, de la energia primară la energia mecanică necesară punerii în mișcare a diverselor mecanisme.

Fig. 2.1 Schema bloc a unui sistem de acționare

Fig. 2.2 Fluxul transformărilor energetice

2.2 Tipuri de echipamente pneumatice

Transformarea energiei nemecanice în energie mecanică se realizează prin intermediul unor echipamente specifice, pneumatice sau hidrauliuce: pompe, compresoare de aer, motoare hidraulice, motoare pneumatice, ce se transmite direct la elementele de execuție, sau indirect, prin intermediul unor transmisii mecanice.

Echipamente pneumatice.

În acționările pneumatice sursa deenergie este formata dintr-un compresor acționat de un motor electric sau termic.

Între sursa de energie (care este de regulă centralizată) si elementul de execuție (motor-actuator) se găsesc o serie de echipamente care formează interfața pneumatică. Ansamblul sistemului de interfață se prezintă în fig. 2.3.

Se prezintă câteva exemple de echipamente pneumatice.

Fig.. 2.3. Ansamblul sistemului de interfațare pneumatică

Unitate de preparare a fluidului.

Aceasta unitate are rol de filtrare, reglare a presiunii și de lubrifiere a aerului comprimat. Cuprinde un filtru de aer, regulator de presiune cu manometru și ungător și se numește grup de preparare a aerului.

Fig. 2.4. Grup preparare aer

Elemente de siguranță

Fig.2.5 Supapă de sens

Fig.2.6 Supapă de sens deblocabilă

Elemente de distribuție și comandă

Aceste echipamente au rolul de a dirija fluxul de aer comprimat spre sau dinspre motor (actuator), pe anumite trasee, dând sensul de mișcare a elementelor mobile ale motoarelor. Comanda acestor echipamente poate fi electrică, pneumatică sau mixtă. Ele sunt caracterizate de numărul de căi și numărul de poziții

Fig.2.7 Distribuitoar pneumatic comandat 3/2

Fig.2.8 Distribuitoar pneumatic comandat 5/2

Fig.2.9 Distribuitor pneumatic 5/3 comandat electric

Fig.2.10 Distribuitor pneumatic proporțional cu 5 căi

Elementele de reglaj, limitează presiunea debitelor (regulatoarelor de viteză). Aceste echipamente asigură reglarea. Prin reglarea presiunii se asigură în final forțele dezvoltate de către motoare pe baza relației:

F=p·S

unde – p – este presiunea aerului

S –suprafața pe care acționează

Prin reglarea debitelor se asigură în final reglarea vitezelor, pe baza relației:

unde Q – debitul de aer

Fig.2.11 Regulator de presiune

Fig.2.12 Supapa diferențială de presiune

Fig.2.13 Drosel (rezistență reglabilă)

Fig. 2.14 Drosel cu supapă de ocolire

Elemente de execuție. Acestea sunt motoare pneumatice care transforma energia pneumatică in energie mecanică. Din punct de vedere funcțional pot fi: liniare, rotative, semi rotative, oscilante etc.

Fig. 2.15 Motor liniar cu simplă acțiune

Fig. 2.16 Motor liniar cu dublă acțiune

Fig. 2.17 Motor liniar cu dublă acțiune cu gidaj și frânare reglabilă la ambele capete

Fig. 2.17 Motor semi rotativ

Fig. 2.18 Motor rotativ

Capitolul 3

Programe de modelare și simulare a circuitelor hidro-pneumatice cu ajutorul calculatorului.

3.1 FluidSIM

FluidSIM este un software pentru crearea, simularea și studiul electropneumaticii, electrohidraulicii, circuitelor digitale și electronice.

Toate functiile programului se integrează nativ, combină diferite forme mass-media și surse de informații într-un mod ușor accesibil. FluidSIM unește un editor intuitiv de diagrame de circuit cu descrierea detaliată a tuturor componentelor, pozele componentelor, animații cu vederi secționate și secvente video. Drept urmare, FluidSIM este perfect pentru utilizare nu doar în cadrul lecțiilor ci și pentru pregătirea acestora și pentru programe de studiu individual.

Noul program își gășeste utilitate și într-un cadru mai profesionist, putându-se compara cu succes cu alte programe speciale mult mai scumpe. În ciuda modelelor fizice complexe și a procedurilor matematice precise, simularea este surprinzător de rapidă.

În plus, FluidSIM furnizeaza o întreaga gamă de posibilități de comunicare cu alte aplicatii software prin OPC si cu sprijinul Festo EasyPorts se poate realiza si un link la un hardware real.

În continuare prezint etape de urmat pentru realizarea unei scheme pneumatice în FluidSIM.

Pornirea aplicației de pe calea Start>All Programs > Festo Didactic > FluidSIM Pneumatics V 4.2 Demo Version English.

Aplicația (fig. 3.1) presupune acționarea unui cilindru.

Fig. 3.1 Schema electropneumatica a aplicatie

Este necesar ca mai întâi să localizăm această componentă în biblioteca aplicației. In fereastra din stânga componenta este localizată pe calea Pneumatic > Actuators > Single Acting Cylinder. In figura 3.2 se poate observa atât locația componentei în biblioteca, cât și plasarea acesteia în fereastra de lucru.

Cilindrul este deservit de un distribuitor cu două poziții și trei orificii (2/3) cu ajutorul căruia se poate inversa sensul de mișcare al pistonului. Simbolul acestui echipament se regăsește în bibliotecă pe calea Pneumatic > Valves > Configurable way valves. După plasarea componentei in fereastra de lucru (fig.3.3) este necesară configurarea acesteia. Configurarea se realizează din fereastra „Configure Way Valve” (dublu click pe simbol). Se optează pentru o acționare electrică și revenire cu arc. Opțiunile făcute sunt vizibile în figura 3.3 – fereastra de jos).

In figura 3.4 poate fi observată si conexiunea realizată între portul de consumator 2 al distribuitorului si portul de consumator al cilindrului. Aceasta se realizează prin trasarea unei linii cu mouse-ul între cele doua terminale, nefiind necesara utilizarea unei alte comenzi.

Fig 3.2 Locația componentei

Fig.3.3

Fig. 3.4

Ultima etapă a realizării schemei pneumatice costă în adăugarea unei surse de presiune. Aceasta poate fi localizata în biblioteca de componente pe calea Pneumatic > Supply elements> Compressed Air Supply. Schema pneumatică obținută este prezentata in figura 5.

Fig. 3.5

B. Schema electrica

In figura 3.6 este prezentată plasarea primelor doua componente electrice: bornele de +24V si 0V. Aceasta pot fi localizate de asemenea in biblioteca de componente, pe calea Electrical Controls > Power Supply.

Fig.3.6

Conform cu tema enunțată, este necesară implementarea a doua funcții logice: SAU si SI. Acest lucru va fi realizat prin utilizarea a trei contacte (butoane):

– unul cu reținere (cu memorie) – acesta va simula prezența grilajului, deci activarea senzorului A1;

– două fără reținere (fără memorie), ce vor corespunde comenzilor B1 și B2.

Aceste contacte pot fi localizate de asemenea în biblioteca de componente (fig.3.7), pe cale:

Electrical Controls > Switches > Manually Operated > Detent switch (buton cu reținere, senzorul A1);

Electrical Controls > Switches > Manually Operated > Pushbutton (buton fără reținere, butoanele B1 si B2);

Fig.3.7

În schema electrică (fereastra de lucru) se adaugă și electromagnetul ce corespunde distribuitorului. Acesta poate fi localizat în biblioteca de componente, pe calea: Electrical Controls > Relays > Valve Solenoid (fig.3.8).

Cu ajutorul mous-ului se fac conexiunile electrice între componente. În mod automat programul numerotează liniile schemei electrice (fig.3.8).

Fig.3.8

Ultima etapa o reprezintă etichetarea componentelor. Acest lucru este necesar pentru a realiza o corespondență schema pneumatică și cea electrica. În figura 3.9 pot fi observate etichetele B1 si B2, aferente celor doua butoane, eticheta A1 a senzorului pentru grilaj. Eticheta EM1, corespunde electromagnetului din construcția distribuitorului pneumatic.

Fig.3.9

Verificarea corectitudinii schemelor realizate se face folosind bara de instrumente de simulare (fig.3.10). Aceasta cuprinde următoarele comenzi, în ordine de la stânga la dreapta:

Stop – oprește complet simularea;

Start – pornește simularea;

Pause – oprește temporar simularea, până la apăsarea tastei Start;

Reset – repornește simularea de la punctul inițial, este echivalent apăsării succesive a butoanelor Stop si Start;

Single Step – avansează simularea cu un sigur pas;

Simulate until State Change – continuă simularea până ce una dintre componentele sistemului își modifica starea curentă după care funcția Pause se activează automat.

Fig 3.10

Schema funcțională poate fi observată în figurile 3.11, 3.12 si 3.13

Fig. 3.11

Fig. 3.12

Fig. 3.13

3.2 Automation Studio

3.2.1 Introducere.

Automation Studio este soft de proiectare, animație și unealtă de simulare. El a fost creat pentru industria de automatizare, în mod special pentru a realiza proiecte, antrenând, și testând cerințe. Utilitatea de simulare face Automation Studio o unealtă eficientă pentru automatizat procese și programe.

Automation Studio are o structură modulară pe ateliere, de asemenea un atelier chemat, include o bibliotecă de componentă cu care dvs puteți să creați tipuri diferite de circuite ca de exemplu hidraulice, pneumatice, electrice, etc. Acestea pot să fie create singure sau combinat cu alte tipuri de circuit.

În ambianța Automation Studio, toate uneltele de proiect sunt prompt accesibile. Sistemul de miez conține trei utilități: Diagram Editor, Project Explorer, și Library Explorer. Diagram Editor ne permite să generăm, să simulăm diagramele și să creăm rapoarte.

Automation Studio poate: să editeze fișiere, să simuleze, și să efectueze conducerea de diagramă, tipărind și afișând funcții.

3.3.2 Generalități.

Documentația Automation Studio are o structură modulară curentă, Automation Studio – User's Guide conține informații despre funcțiile principale, Project Library Diagram Editor pentru modulele standard (Hydraulic, Pneumatic, Electrical Controls, Numerical, Scale Diagrams) și modul Simulation. Pentru fiecare non-standard User's Guide furnizează o informație specifică incluzând Quick Start Guide pentru a vă ajuta să vă familiarizați repede cu funcțiile diferite ale atelierului

Toate instrucțiuni necesită folosirea funcțiilor care sunt comune cu toate modulele. În mod special, acesta include Project Explorer, Library Explorer, și ambianțele Diagram Editor, împreună cu comenzile lor și cutiuțele de dialog – instrucțiuni care ajută utilizatorul.

Există tehnici diferite de a porni Automation Studio.

După ce Automation Studio va fi instalat, o icoană este afișată pe ecranul Windows.

Pentru a porni Automation Studio se va urma pasii:

Dublu-clic pe icoana Automation Studio pe ecranul dvs.

Fereastra principală de Automation Studio se va deschide ca în figura3.14.

Fig.3.14 Automation Studio 5 – Fereastra principală

La început, fereastra Automation Studio expune o fereastră goală. De asemenea se recomandă deschiderea Diagram Editor, Project Explorer, și Library Explorer și barele cu butoane asociate lor.

Diagram Editor.

Articolele în general tip fereastră sunt împărțite în două categorii: Statice și dinamice.

Fig.3.15 Fereastra Diagram Editor

A Bară titlu (static);

B Bară meniu (static);

C Bare cu butoane diverse (static);

D Bibliotecă Explorer (dinamic);

E Proiectare Explorer (dinamic);

F Click-sus exemplul de meniu – (dinamic).

Elementele statice: bara titlul, bara de meniu, și barele cu butoane diverse.

Title Bar Software.

Pornind Automation Studio, bara de titlu Diagram Editor afișează implicit „Automation Studio Asprojet1: Diagram1”, bara de titlu afișează numele softului urmat de numele proiectului și diagrama curentă.

Fig.3.16 Title Bar Automation Studio

Menu Bar

Bara de meniu Diagram Editor conține nouă meniuri.

Fig.3.17 Bară Meniu

Fișier Meniu, Editați Meniu, Vizualizați Meniu., Inserați Meniu, Aranjament Meniu, Simulare Meniu, Unelte Meniu, Fereastră Meniu, Ajutor Meniu

Toolbars

Pentru a afișa sau pentru a ascunde o bară cu butoane, alegeți Window – Display – Toolbars, atunci verificați bara cu butoane. Comanda este disponibilă prin tasta F6 sau prin click-sus în meniu când indicatorul este plasat în partea de sus a barii cu butoane. Pentru a mișca o bară cu butoane, faceți un click pe bara cu butoane se mentine butonul mouselui apăsat, după aceea mișcați mouse-ul la locul unde dvs vreți bara cu butoane pentru a fi poziționată.

Project Toolbar.

Bara cu butoane Project conține butoane care corespund comenzilor cele mai utilizate de Project Explorer și Diagram Editor. Bara cu butoane în mod automat se adaptează la funcția utilității. Când comanda este indisponibilă în utilitate, butonul este de culoare cenușie și în consecință inaccesibilă.

Fig.3.17 Bara cu butoane de proiect

Simulation Toolbar.

Bara cu butoane Simulation Diagram Editor conține butoanele.

Fig.3.18 Bara cu butoane de simulare

Status Bar

Bara de stare afișează descrierea de meniuri și comenzi pentru fiecare utilitate când sunt selectate de utilizator. Ea de asemenea conține soclurile de informație a modului curent (Simulation sau Editing), stările de tastele specifice (maj, num, def). În Diagram Editor, el informează utilizatorul de poziția indicatorului în diagramă. Informațiile sunt afișate pe partea dreaptă a barei Status.

Fig.3.19 Bara de stare (Status Bar)

Elementele dinamice: Bibliotecă Explorer, Proiectare Explorer, Variabil Manager

Library Explorer.

Library Explorer oferă o varietate largăde librării: hidraulică, pneumatică, componentele de comandă, etc. Ea permite selectarea unui circuit funcțional. De asemenea permite utilizatorului de a crea și utiliza biblioteci noi și înproaspătarea lor cu componente.

Fig.3.20 Fereastra de biblioteci

Bara Library Explorer

Comenzile din bara Library Explorer's Diagram Editor conține butoanele.

Fig. 3.21 Bara cu butoane de bibliotecă (Library Explorer)

Fereastra Project Explorer

Project Explorer controlează toate funcțiile în legătură deschiderea de proiecte cu ajutorul meniurilor, în legătură cu documentul selectat, va permite să creăm, afișăm, salvăm, export/import, expediați la, și simulați o tipărire de document, tipărire parțială sau totală.

A – Tree window – Permite utilizatorului a selecta elemente din ramura proiectului, pentru a adresa o

acțiune la elementul selectat

Fig. 3.22 Fereastra Project Explorer

3.3.3 Domenii de aplicație.

Automation Studio are aplicații în toate domeniile automatizărilor.

În domeniul hidraulic poate simula acționarea motoarelor hidraulice rotative sau liniare fig. 3.23

Fig. 3.23 Simularea acționării motoarelor hidraulice

În toate simulările programul va reda în mod real parametrii aplicațiilor. Poate simula mai multe aplicații in acelaș timp fig. 3.24, fig. 3.25

Fig. 3.24

Fig.3.25

În domeniul pneumatic poate simula acționarea motoarelor liniare sau rotative fig. 3.26

Fig. 3.26 Captură simulare motoare pneumatice

Fig. 3.27 Captură simulare senzori

În domeniul electronic si electric poate simula comenzi pentru acționării hidraulice sau pneumatice

Fig. 3.28 Captură simulare comenzi acționării

Simularea automatelor programabile

Fig. 3.29 Captură simulare PLC

Simularea circuitelor electronice digitale.

Fig. 3.30 Captură circuit electronic digital

În acest capitol se poate observa aplicabilitatea în toate domeniile de acționare în mecatronică a programului Automation Studio.

Capitolul 4

Studiu de caz – Proiectarea acționării pneumatice a unui robot industrial

În cadrul proiectului am realizat proiectarea sistemului de acționare pneumatică a unui robot industrial cu arhitectură TRTRR+EF (cu mecanismul generator de traiectorie): Translație (T), Rotație (R), Translație (T) și mecanismul de orientare de tip RR având un efector final (EF)).

Efectorul final este un dispozitiv de prehensiune (DP) unilateral, cu ventuze.

Robotul conceput pentru manipularea unor produse de dimensiuni mari și rigiditate redusă. Am presupus că robotul deservește un sistem flexibil de injectare mase plastice, pentru extragerea produsului din matriță și manipularea lui în vederea depozitării pe un sistem de transfer (transportator).

Schema cinematică a robotului este prezentată în fig. 4.1.

În cadrul proiectării am determinat puterea motoarelor pneumatice de acționare și alagerea lor din catalog.

Proiectarea sistemului de acționare a robotului pneumatic TRTRR+EF

Am presupus cunoscute – în general – următoarele date de intrare:

– schema cinematică și dimensiunile elementelor dispozitivului de ghidare;

Fig.4.1 Schema cinematică TRTRR+EF

Dimensiunile elementelor

Spațiul de lucru al robotului se prezintă în fig. 4.2

Fig.4.2 Spațiu de lucru al robotului TRTRR+EF

– programul de lucru tipic – pornind de la cunoașterea traiectoriei impuse punctului caracteristic al robotului (cu vitezele și accelerațiile necesare) permite prin utilizarea lui realizarea sarcinii de manipulare ce-i revine robotului în cadrul sistemului de fabricație flexibilă din care face parte;

Calcule pentru viteze, accelerații și timp

t1 = 1 [s]

a1 = 0,25

t2 = 1 [s]

a2 = 0,250

Viteza pentru cupla de rotație se obține din condiția ca forța centrifugă Fc sa fie mai mică decât forța centripetă Fc ≤ Fcp

Fcp =147,

luăm 1,7 [m/s]

Din relația rezultă viteza unghiulară:

accelerația normală:

unde

r – raza maximă a EF

r=1,6 m

Accelerația tangențială

Accelerația unghiulară:

[rad/s]

Fig.4.3 Legile de mișcare de tip trapez

Fig.4.4 Secvențe de lucru MH

Secvențe de lucru

Date inițiale:

masa obiectului de manipulat în cazul robotului pneumatic;

se va calcula cu soft-ul Festo – selectare vacum fig . 4.4

Fig. 4.4 Captură masă obiect (piesă de lucru)

din imagine se observă: se introduce de la tastatură dimensiunile piesei de lucru (în câmpul dimensiuni, în partea de jos în câmpul gri programul afișează volumul rezultat) în câmpul Material se introduce densitatea materialului, masa este afișată în câmpul de mai jos mo=12 kg.

în pagina urmatoare se definește poziționarea ventuzelor și numarul lor fig. 4.5: – s-a ales 3 rânduri de ventuze și 4 coloane

Fig. 4.5 Captură poziționarea ventuzelor

Fig. 4.6 Solicitările în cupla E

– modulul polar de rezistență necesar :

= 100 [N/mm]

– diametru ax motor pneumatic rotativ

d = 35 [mm]

– momentul motor Mm va fi:

Dimensionare motor cupla E fig.4.7

Fig.4.7 Captură – alegere motor

s-a ales din catalog motorul oscilant DSR -10-180-P, masa motorului este m = 5,9[kg]

calculul forțelor și reacțiunilor în cupla D fig.4.8

Fig.4.8

FgMM – forța de greutate al modulului de micro mișcare,

Fgp – forța de greutate a dispozitivului de prehensiune cu piesa de lucru prinsă de ventuze,

FgME – forța de greutate al motorului din cupla E

– centrul de masă

– momentul încovoietor

– modulul polar de rezistență necesar :

= 100 [N/mm]

diametru ax motor pneumatic oscilant

– momentul motor Mm va fi:

Calcul motor cupla E fig.4.9

Fig.4.9 Captură – calcul motor

s-a ales din catalog Festo motorul oscilant DRQ-40-180, masa motorului este m=10,5 [kg]

Calcul masă braț fig.4.10

Fig. 4.10 Dimensiunile brațului b2

pentru OLC 45

– efortul unitar la îcovoiere admis,

din formula lui Navier vom avea modulul de rezistență la încovoiere necesar:

rezultă:

Dimensionarea suportului – se consideră a=30 mm (fig. 4.10), egalând formula modulului de rezistență la încovoiere cu modulul de rezistență la încovoiere necesar vom avea:

rezultă:

se va alege:

h = 30 [mm],

unde – reprezintă greutatea specifică a oțelului

Se va alege

Calcule pentru cupla C fig.4.11

Fig. 4.11

– FgMD – forța de greutate a motorului din cupla D,

– Fgs – forța de greutate a brațului între cupla D și E,

– FgE – forța de greutate a cuplei E,

– mE =30,3 [kg]– masa cuplei E,

– mb = 2 [kg] – masa brațului,

Centrul de masă rezultant

masa concentrată la nivelul cuplei D este

– momentul încovoietor

– predimensionare ghidaje:

– s-au ales 2 ghidaje cu secțiunea rotunda, diametrul d se obține din formula modulului de rezistență la încovoiere necesar.

s-au ales 2 ghidaje => M = Mi/2,

M = 280,584[Nm] – momentul de încovoiere pe ghidaj

Se alege dg=30 mm

– forța de greutate a ghidajelor va fi:

Gg = Gg1 + Gg2,

Gg1 = Gg2 – forța de greutate a unui ghidaj,

– volumul unei coloane va fi:

Ac – aria cercului (aria bazei cilindrului ),

Din motive constructive s-a ales l = 700 [mm] – lungimea ghidajului

Masa unui ghidaj

masa ghidajelor mg = 7,8 [kg]

centrul de masă rezultat va fi:

Forța rezistente este:

mr=0,6 [kg]

– calculul forțelor și reacțiunilor în cupla de translație orizontală C

Fig. 4.12 Forțele în cupla C

– ecuația de echilibru a forțelor si a momentelor:

– din ecuația de echlibru a momentelor se scoate N (forțele normale)

– forța de frecare Ff va fi:

– forța de inerție este:

forța utilă va fi:

, se introduce coeficientul k = 1,3 pentru siguranță în funcționare

alegere motor cupla C fig 4.13

Fig 4.13 Captură – dimensionare motor

Masa motorului din cupla C.

mc = 22,45 [kg], (din catalog Festo, tip motor DSW-32-P-B)

Calcule pentru cupla B

calculul forțelor și momentelor în cupla de rotație B fig. 4.14

Fig. 4.14 Forțe și momente în cupla de rotație B

– ecuația de echilibru a forțelor și a momentelor:

unde: Rg=495,88 [N] – forța datorată cuplelor din aval.

Gmc – greutatea cuplei C

Nv – reacțiunea verticală

– din ecuația de echlibru a foțelor pe verticală avem

unde

Gmc=22,45 – masa motorului din cupla C

– momentul de frecare Mfg va fi:

dr – diametru rulment

momentul de frecare Mf

forța de inerție este:

– momentul de inerție:

– momentul de torsiune:

– momentul motor Mm va fi:

– diametrul ax motor se obține din formula modulului de rezistență la încovoiere necesar (momentul încovoietor Mi este mult mai mare decât momentul de torsiune Mt)

Mi = 585.14 [Nm]

Mt = 28.9[Nm]

Pentru o siguranța mai mare alegem dimetru ax d = 50mm

Alegere motor cupla B fig. 4.15

Fig. 4.15 Captură – alegere motor cupla B

Din catalogul Festo alegem motorul oscilant DRQ-50-180, m = 19 [kg]

Calcule pentru cupla de translațe verticală A

calculul forțelor și Momentelor în cupla A fig. 4.16

Fig. 4.16 Forțe și momente în cupla A

Rg = 495,88 [N] – forța de greutate care produce moment încovoietor,

Ycm = 1,18 [m] – centru de greutate al forței încovoietoare,

N =715,89 [N]- forța de reacțiune a cuplei C,

Gmb = 186,2 [N] – forța de greutate a motorului din cupla B,

Mî = 585,14 [Nm]- moment încovoietor

– ecuația de echilibru a forțelor si a momentelor:

– din ecuația de echlibru a momentelor rezultă:

forța de frecare Ff va fi:

– predimensionare pentru ghidarea verticală în cupla A:

– s-au ales 2 ghidaje cu secțiunea rotundă. Diametrul d se obține din formula modulului de rezistență la încovoiere necesar.

s-a ales d =40 [mm]

– forța de greutate a ghidajelor va fi:

Gg = Gg1 + Gg2

Gg1 = Gg2 – forța de greutate a unei coloane de ghidare,

– volumul unei coloane va fi:

Ac – aria cercului (aria bazei cilindrului ),

Din motive constructive s-a ales l = 700 [mm] – lungimea ghidajului

Masa unei coloane

masa coloanelor mc = 13,72 [kg]

forța de inerție este:

forța utilă la motor va fi:

– se introduce coeficientul k = 1,3 pentru siguranță în funcționare

Alegere motor cuplă A fig 4.17

Fig 4.17 Captură – dimensionare motor

Din catalogul Festo alegem motorul liniar DNG – 80 – PPV- A, m = 27,5 [kg]

Toate motoarele au fost alese cu o încărcare de 60% din capacitatea nominală

Schema sistemului de acționare a robotului pneumatic

Robot pneumatic RP, schema pneumatică fig. 4.18

Fig. 4.18 Schema pneumatică

Conținutul schemei: MM – motor micromișcare, V – ventuză, Dr – drosel, Dr1..Dr10 – drosel de cale, Dv – distribuitor vacum, D1..D6 – distribuitoare 5/3, MOP1..MOP3 – motor oscilant, MH1 – motor pneumatic de precizie, MH2 – motor pneumatic de precizie, Spr – supapa de presiune reglabilă, A – acumulator, M – manometru, Sp – supapă de presiune cu contacte elrctrice, U – ungător, PP – compresor, ME – motor electric, F – filtru , Az amortizor de zgomot.

Concluzii

În cadrul prezentei lucrări, în conformitate cu programul de lucru stabilit de către coordonatorul lucrării și în conformitate cu competențele dobândite în timpul facultății, am prezentat următoarele:

Am prezentat un scurt istoric al noțiunii de mecatronică, domeniile de interferență, evoluția evoluția mecatronicii în scurtul timp de la apariție. Am prezentat pe scurt pătrunderea mecatronicii în domeniile fluidelor formând noțiunile de „pneutronică” și „hidronică”.

Am prezentat principalele echipamente pneumatice utilizate într-un sistem de acționare pneumatică.

Am prezentat conceptul de proiectare al sistemelor acționare pneumatică pe conceptul mecatronicii, adică implementarea sistemelor informatice în proiectarea sistemelor. În acest sens am prezentat câteva softuri utilizate.

În final am prezentat modul de utilizare a softului în proiectarea unui sistem de acționare a unui robot industrial.

Consider că cerințele impuse prin tema de proiect au fost realizate.

Bibliografie

1 Adrian Dumitru – Mecatronică – Universitatea "Petru Maior" Târgu-Mureș, 2003

2 Țarcă R. – Introducere în robotică, Editura Universității din Oradea ,2003

3 Țarcă R. – Sisteme de fabricație flexibilă, Editura Universității din Oradea,2004

4 Tripe V.A. și a. – Proiectarea și construcția sistemului mecanic al roboților,Editura Universității din Oradea,2005

5 Tripe V. A., P.D.Tocuț, Tripe V. C., – Acționări în mecanică fină. Aplicații – Editura Universități Oradea 2000.

6 Tripe V. A., Tripe V. C., P.D.Tocuț., – Acționări Hidraulice și Pneumatice- Editura Universități Oradea 2005

7 Țarcă R. Cătălin – Bazele roboticii – Ed. Univ. din Oradea – 2010

8 Florin Teodor Tanasescu s.a – Agenda Tehnica,- Editura Tehnică București 1999

9 Gheorghe Buzdugan – Rezistența materialelor – Ed. Tehnică 1980

10 http://www.automationstudio.com/

11 https://www.art-systems.de/www/site/en/fluidsim/

12 https://www.festo.com/cat/ro_ro/search?query=2017

13 https://www.smc.eu/portal_ssl/WebContent/digital_catalog_2/jsp/view_lines.jsp

14 https://www.boschrexroth.com/en/us/products/product-groups/gear-technology/documentation-and-resources/product-catalogs/index