Robotul Paralel cu Doua Grade de Libertate

Robotul paralel cu doua grade de libertate

– Proiect licentă –

Introducere

Mecatronica (fig 1.1) este combinația sinergeticǎ ṣi sistematicǎ a mecanicii, electronicii ṣi a informaticii în timp real. Revolutia informatica (a doua revolutie industriala) a marcat saltul de la societatea industrializata la societatea informationala, generand un val de innoiri in tehnologie si educatie. Japonezii au definit sensul acestor miscari de innoire, brevetand termenul de mecatronica, la inceputul deceniului al 8-lea al secolului trecut. Termenul de mecatronicǎ a fost introdus de un inginer de la compania japonezǎ Yaskawa în 1969. Termenul a fost utilizat pentru a descrie fuziunea tehnologica: mecanica-electronica-informatica. Mecatronica este rezultatul evolutiei firesti in dezvoltarea tehnologica. Tehnologia electronica a stimulat aceasta evolutie. Dezvoltarea microelectronicii a permis integrarea electromecanica. In urmatoarea etapa, prin integrarea microprocesoarelor in structurile electromecanice, acestea devin inteligente si, astfel s-a ajuns la mecatronica.

Fig 1.1 Combinatia sinergetica intre mecanica, electronica si informatica

Utilajele mecatronice sunt ansambluri care integreaza elemente componente simple sau complexe ce indeplinesc diferite functii, actionana in baza unor reguli impuse. Principala lor sarcina este functionarea mecanica, deci producerea de lucru mecanic util, iar esenta lor este posibilitatea de a reactiona inteligent, printr-un sistem de senzori, la stimulii exteriori care actioneaza asupra utilajului luind deciziile corespunzatoare pentru fiecare situatie.

Trasaturile caracteristice ale utilajelor mecatronice sunt urmatoarele:

Multifunctionalitatea, adica posibilitatea de a realiza diferite procese tehnologice, de exemplu prin schimbarea programului;

Inteligenta, reprezentand capabilitatea masinii de a comunica cu mediul si de a lua decizii;

Flexibilitatea, adica posibilitatea de a modifica fara dificultati majore constructia utilajului pe etape de proiectare, productie sau exploatare, de exemplu prin folosirea constructiei modulare;

Posibilitatea de a fi conduse de la distanta, ceea ce impune cunoasterea si utilizarea unor interfete complexe de comunicare;

Evolutie permanentă, datorita dinamicii cerintelor pietei si a posibilitatilor tehnologice de executie.

Printre produsele mecatronice intalnite in mod curent se numara si imprimantele, copiatoarele din noua generatie, masinile de cusut si de tricotat cu comanda numerica, motorul cu ardere interna controlat electronic, sistemele antifurt, sistemele antiderapante (ABS) si pernele de aer din tehnica automobilistica, robotii si manipulatoarele, echipamentele medicale, inclusiv protezele de înalta tehnologie.

Tot produse mecatronice sunt si camerele video miniaturale, CD-playere si alte micromasini, dar si masinile agricole mari si cele stradale din noua generatie, sistemele cu gabarit mare si liniile de productie automate.Producatorii de automobile creeaza tot mai des autovehicule mecatronice dotate cu sisteme de executie complicate, programate si comandate prin calculator. In prezent, cel mai complex sistem mecatronic din lume este cel care asigura închiderea si deschiderea canalului de acces catre portul din Rotterdam, elementele sistemului avand o intindere de peste 300 m.

Stadiul actual

Robotica

Robotica este ramura de tehnologie care se ocupă cu proiectarea, construirea, exploatarea, precum și folosirea in aplicatii a roboților, precum și sisteme informatice pentru controlul lor, feedback-ul senzorial, și prelucrarea informațiilor. Aceste tehnologii se ocupa de mașini automate care pot lua locul oamenilor în medii periculoase sau procese de producție, sau seamănă cu oameni în aparență, comportament, și / sau cunoaștere.

Conceptul de a crea mașini care pot funcționa autonom datează din timpuri clasice, dar cercetarea în funcționalitatea și utilizările potențiale de roboți nu a crescut substanțial până în secolul 20. De-a lungul istoriei, robotica a fost adesea folosita pentru a imita comportamentul uman, și de a gestiona sarcinile de multe ori într-un mod similar. Astăzi, robotică este un domeniu în creștere rapidă, iar progresele tehnologice continua, cercetarea, proiectarea, și construirea de noi roboți servind la diverse scopuri practice, fie pe plan intern, comercial, sau militar. Mulți roboți inlocuiesc oamenii in scenarii care sunt periculoase pentru ei, cum ar fi dezamorsarea bombelor, mine, și altele.

Un robot (fig 2.1) este un operator mecanic, un sistem compus din mai multe elemente: mecanică, senzori și actuatori precum și un mecanism de direcționare. Mecanica stabilește înfățișarea robotului și mișcările posibile pe timp de funcționare. Senzorii și actorii sunt întrebuințați la interacțiunea cu mediul inconjurator. Mecanismul de direcționare are grijă ca robotul să-și îndeplinească obiectivul cu succes, evaluând de exemplu informațiile senzorilor. Acest mecanism reglează motoarele și planifică mișcările care trebuiesc efectuate.

Roboți au inceput sa înlocuiasca oamenii, în efectuarea unor sarcini repetitive și periculoase pe care oamenii preferă să nu le facă, sau nu sunt în măsură de a le face. Sunt folositi tot mai mult si in medii extreme, in care oamenii nu ar putea supravietui, cum ar fi în spațiu sau în partea de jos a mării.

Fig 2.1 Robot industrial KUKA

Robotul industrial

Robotii industriali sunt sisteme integrate mecano-electrono-informaționale, utilizate în procesul de producție în scopul realizării unor funcții de manipulare asemănătoare cu cele realizate de mâna omului, imprimand obiectului manipulat orice mișcare programată liber, în cadrul unui proces tehnologic ce se desfașoară într-un mediu specific. Execută actiuni după un program flexibil, care poate fi modificat în funcție de sarcinile de producție și de condițiile de mediu.

George Devol a înregistrat în anul 1954 primul patent pentru un robot industrial. Acest robot a fost construit in 1959 de catre George Devol si Joseph Engelberger si se numea Unimate (fig 2.2). In 1961 s-a folosit pentru prima data robotul industrial Unimate pe linia de asamblare a companiei General Motors, in fabrica din Trenton, NJ.

Pe linia de asamblare de la fabrica General Motors, Unimate functiona alaturi de masini de turnare sub presiune. Robotul efectua operatii de sudura a pieselor turnate pe componentele masinilor. Comenzile erau stocate de catre o memorie magnetica.

Fig 2.2 Robotul Unimate

Introducerea primului robot industrial pe o linie de productie a influentat industria la nivel mondial. In 1969 incepe sa produca roboti compania japoneza Nachi incepe sa produca roboti industriali hidraulici. In 1973 compania germana KUKA creeaza primul robot industrial cu 6 axe actionate electro-mecanic, numit Famulus (fig 2.3).

Fig 2.3 Robotul Famulus

Din 1980 incepe cresterea rapida a industriei robotilor industriali, cu o companie noua intrand pe piata in fiecare luna. In 1981 Takeo Kanade construieste bratul de actionare directa (fig 2.4). Este primul brat robotic cu motoare instalate direct in articulatii. Aceasta inovatie il face mai rapid si mai précis decat bratele robotice existente pana atunci.

Fig 2.4 Bratul de actionare directa construit de Kanade

In 1988 este introdus sistemul de control Motoman ERC (Fig 2.5), capabil de a controla pana la 12 axe, iar in 1994 Motoman MRC era capabil de a controla pana la 21 de axe si de a sincroniza miscarile a doi roboti. In 1998 sistemul XRC permite controlarea a 27 de axer si sincronizarea miscarilor a trei sau patru roboti.

În prezent, creșterea vânzării robotlor industriali încă se datorează, în principal, industriei de automobile și industriei electronice, precum și unui număr relativ mic de clienți din alte ramuri industriale. Principalul motiv al raspandirii accelerata a instalărilor de roboți industriali din SUA și Canada este nevoia de automatizare in tot mai multe domenii.

Japonia dispune de departe de cea mai mare densitate de roboți din industria automobilelor, fiind folositi aproape 1600 de roboți industriali la 10000 de angajați. Dupa Japonia urmeaza Italia, Germania și Statele Unite cu densități ale roboților cuprinse între 1100 și 1200 la 10000 de angajați.

Fig 2.5 Doi roboti controlati de Motoman MRC

Republica Coreea de Nord și Japonia dispun de cel mai ridicat număr de roboți în alte sectoare decât în cel al automobilelor, datorita instalării de roboți în industria electronica. În Germania, rata destul de ridicată de roboți in alte sectoare se datorează unei distribuții mai diversificate a roboților industriali. Sunt prezenti in toate industriile, în special în industria de prelucrare a metalelor, industria chimică, industria alimentară și în industria electrotehnică/electronică.

Fig 2.6 Roboti industriali in operatii de sudare

Clasificarea robotilor industriali

Există mai multe moduri în care pot fi clasificati roboții industriali. Aceste clasificări sunt afirmații generale care descriu caracteristicile importante deținute de către roboți. O clasificare este un mijloc de a plasa un anumit robot într-o categorie sau grup general. Exista mai multe mijloace comune de clasificare robotilor, după cum urmează.

Roboții industriali pot fi grupati în funcție de structura sau de design-ul lor, folosindu-se si termenul de configurație a lor. De exemplu, unii roboți au brate care se rotesc în timp ce altele pot efectua doar miscari de translatie. Termeul de grad de libertate devine important atunci când se analizează configurații de robot, deoarece acesta poate influența în mod semnificativ spațiul de lucru al robotului. Pot exista roboti cu:

un număr mic (2-3) de grade de libertate;

un număr mediu (4-5) de grade de libertate;

un număr mare (6-7) de grade de libertate (fig 2.7).

Fig 2.7 Robot industrial cu 6 grade de libertate

Considerente importante la selectarea unui robot sunt precizia de poziționare, repetabilitatea și capacitatea sa de a traversa contururi netede și adesea complexe. Aceste considerații depind de tipul sistemului de control al robotului. Aspecte cum ar fi controlul cu sau fara servocomanda, in bucla deschisa sau închisa și traseul de la un punct la altul (discontinuu) sau continuu descriu clasificări comune ale sistemelor de control.

Roboții industriali pot fi actionati hidraulic, pneumatic, electric și mecanic, fiecare tip de actionare avand anumite avantaje si dezavantaje.

Dupa tipurile de senzori folosiți, robotii industriali pot avea:

detectori de poziție;

logică liniară simplă;

senzori de semnale proporționale cu abaterea.

Roboți industriali mai pot fi clasificati si în funcție de sarcina pentru care sunt proiectati. De exemplu furnizorii se pot concentra pe roboți de sudură, roboți de asamblare sau de manipulare, etc. Această metodă de clasificare alertează utilizatorul la daca robotul este adecvat aplicației dorite.

Dupa modelul de programare:

prin învățare direct;

prin generare de traiectorie;

off-line.

După caracteristicile de commandă s-au stabilit patru tipuri de bază pentru roboți industriali, și anume:

Tip A, cu servocomandă și conturare;

Tip B, cu servocomandă punct cu punct;

Tip C, fără servocomandă, programabil;

Tip D, neprogramabil, cu dispozitive de transfer „pick and place”.

După tipul de comandă și performanța inteligenței artificiale, roboții industriali se pot clasifica în 3 generații (sau nivele), după cum urmează:

1) Roboții industriali de generația 1 – acționează pe baza unui program flexibil, dar prestabilit de programator și care nu se poate schimba în timpul execuției operațiilor;

2) Roboții industriali din generația 2 – se caracterizează prin faptul că programul flexibil prestabilit de programator poate fi modificat în măsură restrânsă, în urma unor reacții specifice ale mediului;

3) Roboții industriali din generația 3 – posedă însușirea de a-și adapta singuri, cu ajutorul unor dispozitive logice, în măsură restrânsă propriul program la condițiile concrete ale mediului ambiant, în vederea optimizării operațiilor pe care le execută.

Roboții paraleli

Acestia au apărut la inceputul anilor 90, putând asigura o extensie a roboților clasici seriali printr-o mai bună precizie pozițională, o foarte bună comportare dinamică și o mare manevrabilitate. Din păcate volumul de lucru este mai mic, iar comanda lor este mult mai complexă, dar se disting printr-un excelent raport masă manipulată / masă robot.

Ca avantaje a robotilor paraleli (fig 2.8) se numara:

un raport foarte bun masă manipulată / masă robot, grație structurii sale fiecare motor suportând 1/n din masa manipulată, unde n reprezintă numărul lanțurilor cinematice independente;

masele mici în mișcare asigură o bună comportare dinamică ceea ce asigură viteze și accelerații mari (max. 6m/s respectiv 22g);

modelul geometric simplu asigură o conducere ușoară;

precizie pozițională deosebită (0.010-0.005).

Ca dezantaje putem aminti:

volumul de lucru redus comparativ cu cel al roboților seriali;

utilizarea unor articulații superioare cu mai multe probleme tehnologice.

Un sistem modular al unui robot paralel trebuie sa conțină un set de module independente conținând cuple pasive, conectori rigizi, platforme mobile și efectori finali, toate acestea pot fi rapid ansamblate într-un robot cu configurații varialbile (grade de libertate si geometrii), fiecare cu caracteristici dinamice si cinematice diferite.

Fig (2.8) Robot paralel

Robotii paraleli pot avea mai multe tipuri de actionari, preferate in aceasta lucrare fiind actionarea electrica si actionarea pneumatica. Atat actionarea electrica cat si cea pneumatica prezinta anumite avantaje generale. Avantajele unei actionari pneumatice sunt:

economicitatea soluției de acționare ;

motoare fără pericol de avarii;

pericol redus de accidente;

întreținere ușoară și nepoluarea mediului.

Actionarile electrice au anumite avantaje:

mașinile electrice oferă posibilitatea modificării turației, porniri, frânări,reversări, în cele mai bune condiții, corelarea mișcării mașinilor de lucru aleaceleiași instalații productive;

dispunem de o gamă de mașini electrice cu puteri și turații mult diferite;

funcționare economică și recuperarea energiei;

oferă posibilitățile cele mai bune de automatizare;oferă posibilitățile dispunerii utilajelor în fluxul tehnologic.

Motorul pas cu pas (fig 2.9) este un convertor electromecanic care realizează transformarea unui tren de impulsuri digitale într-o mișcare proporțională a axului său.

Fig 2.9 Motor pas cu pas

Aceste motoare se rotesc continuu atunci când este aplicată tensiune la terminalele lor. Motorul pas cu pas este cunoscut datorita proprietatii sale importante de a converti un tren de impulsuri de intrare, într-o creștere definita cu precizie în poziția arborelui. Fiecare puls mișcă arborele printr-un unghi fix. Motoarele pas cu pas au efectiv mai multi electromagneți aranjati în jurul unei piese centrale în formă de roata dintata. Electromagneții sunt alimentati printr-un circuit de control extern, cum ar fi un microcontroler. Pentru a se roti arborele motor, în primul rând, un electromagnet este alimentat cu curent electric si atrage magnetic dinții piesei centrale.

Când dinții sunt aliniati la primul electromagnet, ei sunt ușor decalati față de electromagnetul următoar. Deci, atunci când electromagnetul următor este pornit și primul este oprit, angrenajul se rotește ușor pentru a alinia cu următorul, și apoi se repetă procesul. Fiecare dintre aceste rotații este numit un pas, iar o rotație completă are un numar predefinit de pasi. În acest fel, motorul poate fi rotit cu un unghi precis.

Tensiunea nominală a motorului pas cu pas va produce curentul maxim evaluat la curent contunuu, dar acest lucru este o evaluare lipsită de sens, pentru ca toate driverele moderne au implementata o limitare a curentului și tensiunile de acționare depășesc cu mult tensiunea nominală a motorului.

Cuplul unui motor pas cu pas variaza direct cu curentul la viteze mici. Cât de repede scade cuplul la viteze mai mari depinde de inductanța înfășurării și de circuitele driver-ului la care este atașat motorul, în special tensiunea de comandă. Motoarele trebuie să fie dimensionate în funcție de curba de cuplu, care este specificată de producător la anumite tensiuni.

Utilizarea motoarelor pas cu pas conferă următoarele avantaje:

gamă largă a frecvențelor de comandă;

precizie de poziționare și rezoluție mari;

permit porniri, opriri, reversări fără pierderi de pași;

memorează poziția;

sunt compatibile cu comanda numerică.

Principalele dezavantaje ale utilizării motoarelor pas cu pas sunt:

unghi de pas, deci increment de rotație, de valoare fixă pentru un motor dat;

viteză de rotație relativ scăzută;

putere dezvoltată la arbore de valoare redusă;

randament energetic scăzut.

Servomotoarele sunt motoare electrice speciale, de curent continuu sau curent alternativ cu viteză de rotație reglabilă într-o gamă largă în ambele sensuri având ca scop deplasarea într-un timp prescris a unui sistem mecanic (sarcina) de-a lungul unei traiectorii date, realizând totodată și poziționarea acestuia la sfârșitul cursei cu o anumită precizie.

Servomotoarele de curent continuu (fig 2.10) sunt utilizate în foarte multe aplicații din domeniul mecanicii fine și mecatronicii (roboți industriali și de servicii, vehicule cu ghidare automată, periferice de calculator, automate de control și servire, automate bancare etc.), datorită unor caracteristici remarcabile:

domeniu amplu al puterilor/momentelor dezvoltate;

moment de inerție redus al părților mobile și, în consecință, un raport mare putere/moment de inerție;

posibilitatea reglării în limite foarte largi a turației;

greutate și volum mici;

moment impulsional foarte mare, care oferă o protecție la suprasarcini de scurta durată;

facilități favorabile de montare etc.

Fig 2.10 Servomotor de current continuu

Servomotoarele de curent continuu se caracterizează prin posibilitatea de reglare a vitezei în limite largi, 1:10.000 și chiar mai mult, prin intermediul unei părți de comandă electronică relativ simplă. Servomotoarele de curent continuu au caracteristici mecanice și de reglaj practic liniare, cuplu de supraîncărcare mare, greutate specifică mică, moment de inerție redus etc. Dezavantajele sunt legate de colector, fenomene de comutație, uzură și scânteiere.

Comparatie intre robotul serial si robotul parallel

Zi de zi, cererile de roboti paraleli în diverse câmpuri devin evidente și ia amploare cu un ritm rapid utilizarea în procesul de fabricație precis, știință medicală și în echipamente de explorare spațială. Un manipulator paralel poate fi definit ca un mecanism cu buclă închisă, cu lanț cinematic al cărui capăt de prindere este legat la bază de mai multe lanțuri cinematice independente. Clasificarea diferitilor roboti paraleli este prezentată in continuare.

Robotii paraleli sunt foarte populari recent, chiar dacă cei seriali convenționali (fig 2.11) dispun de spațiu de lucru și manevrabilitate mare. Problemele de bază cu un serial sunt structura lor consola, care le face susceptibile la încovoiere la încărcare mare și lipsa de precizie la viteză mare. Prin urmare, în aplicațiile solicitante cu încărcare mare, și poziționare precisă, robotii paraleli sunt alternativele. Willard LV Polard a proiectat si patentat primul robot paralel industrial.

Fig 2.11 Robot serial KUKA

Dezvoltarea robotilor paraleli poate fi datata la începutul anilor 1960, când Gough și Whitehall au conceput mai întâi o mașină de testare universală a anvelopelor. Mai târziu, Stewart a dezvoltat un robot platformă pentru a fi utilizat ca un simulator de zbor. Din 1980, a existat o creștere în-interes majora în dezvoltarea roboti paraleli. Potentialele aplicatii ale robotilor paraleli includ mașini de minerit, manipulare de mare viteză, manipularea materialelor, platforme de mișcare, mașini-unelte, aplicatii in domeniul medical, antene de satelit , dispozitive haptice, suspensii IJC, sisteme de poziționare a telescoapelor și dispozitivelor de indicare. Mai recent, au fost utilizate în dezvoltarea de mașini-unelte de înaltă precizie de mai multe companii, cum ar fi Giddings & Lewis, Ingersoll, Hexel, și altele.

Robotii paraleli oferă mai multe avantaje față de omologii lor seriali pentru anumite aplicații. Printre avantaje putem aminti ca: au capacitate mai mare de încărcare deoarece sarcina totală poate fi partajata prin lanturile cinematice paralele conectate la baza fixă, au inerție scăzută, rigiditate structurală mai mare, sensibilitate redusă la anumite erori, control, dar și spațiul de lucru este mai mic, sunt mai putin indemanatici din cauza constrângerilor fizice date de articulațiile. Utilizarea abundentă de articulatii cu mai multe grade de libertate (fig 2.12), sferice și universale, în robotul paralel simplifica cinematica, si fac, de asemenea, ca picioarele în platforme Stewart-Gough sa susțină numai forte de compresiune sau întindere, dar nu de forfecare sau de îndoire și momente de torsiune. Aceasta reduce deformarea platformei, chiar sub sarcini mari.

Fig 2.12 Articulatie sferica

Modelele complete roboti paraleli (Fig 2.13) au toate motoarele de acționare în sau în apropierea bazei, ceea ce duce la o inerție foarte scăzută de partea robotului. Prin urmare, o lățime de bandă mai mare poate fi realizată cu aceeași putere de acționare. Acesta este motivul pentru care structurile paralele sunt utilizate, de exemplu, in simularea de. Arhitectura paralelă este întotdeauna profitabila pentru multe aplicații practice pentru a îmbunătăți performanța dincolo de cea realizata de robotii seriali.

Pentru un mecanism cinematic paralel, ecuațiile cinematice va fi mult mai complexe datorită buclelor cinematice închise, decât pentru o structură cinematică deschisă. Pentru dezvoltarea de roboți de înaltă performanță, modelele matematice vor fi necesare pentru simulare și predicție a performanței. Spre deosebire de robotii seriali, prezenta articulațiilor pasive și articulațiilor cu mai multe grade de libertate face analiza cinematica mai dificila. Cinematica directa este mult mai complicata și implică eliminarea variabilelor comune pasive în cinematica paralela. In schimb, cinematica inversă este mult mai simpla. Roboții paraleli sunt intrinsec mai precisi decât roboți de serie, deoarece erorile lor sunt media erorilor din lanturile cinematice individuale, în loc de a se calcula cumulativ. Acești roboți posedă multe caracteristici intrinseci peste roboții de serie, deci vor avea o mulțime de de aplicații, în viitorul apropiat, în diferite domenii.

Fig 2.13 Robot parallel

Tipuri de roboti paraleli

Hexapodul (fig 2.14) este o formă de robot paralel care este folosit tot mai mult în procese de fabricație, de inspecție și cercetare. Hexapodul ideal ar oferi posibilitatea de manipulare a unor sarcini masive cu până la șase grade de libertate, cu mare precizie, rezoluție și repetabilitate. Recent, simulările cinematicii inverse a indicat că terminalul masina-unealtă a hexapodului poate fi poziționat cu o eroare mai mică de 0,03 mm și poate fi orientat cu o eroare mai mică de 0,000003 rad.

Fig 2.14 Hexapod

Robotii delta (fig 2.15) sunt montati de cele mai multe ori într-o poziție de agățare. Acest lucru va permite brațul efector de a se extinde până la o zonă de lucru, cum ar fi o bandă transportoare. Robotul este format din două baze, una mai mare și una mai mică. Capătul mai mic este spatiul în care efectueza operatiunile. Aceste două platforme sunt conectate prin mai multe brate. Fiecare legatura este actionata de un singur motor. Legăturile sunt atașate la baza principală printr-o articulatie universală. Aceasta le oferă o mare flexibilitate în intervalul de mișcare. Cele mai recente versiuni ale robotilor delta au fost proiectate cu intentia a reduce nivelul de mentenanta. Li s-a dat un volum mai mic, astfel că spațiul ocupat poate fi păstrat la un nivel minim.

Fig 2.15 Robot delta

Robotul plan paralel (fig 2.16) poate fi definit tot ca un sistem cu buclă închisă, compus dintr-un end-effector și o bază fixă​​, legate între ele prin cel puțin două lanturi cinematice independente. Modul de functionare este similar cu cel al robotilor paraleli spatiali prezentati anterior, doar ca nu mai este prezenta si miscarea de translatie pe inaltimea robotului (axa z), doar miscarile pe axele x si y si rotatia pe axa z.

Există mai multe tipuri de astfel de roboti paraleli in functie de tipurile de miscari ale lanturilor cinematice care leaga end-effector-ul de baza fixa (rotatie R sau translatie P): PPP, RRR, RPR, samd.

Fig 2.16 Robot plan parallel

Solutia constructiva aleasa

Tema a inclus modelarea, simularea, respectiv realizarea unui prototip a unui robot paralel cu doua grade de libertate (pentalater). Modelarea structurii robotului s-a realizat in aplicatia CAD SolidWorks. Pentru simularea functionarii acestuia s-a realizat o animatie in mediul de programare Matlab.

Structura robotului a fost realizata fizic si s-au realizat diverse teste si ajustari.

Structura mecanica

Scopul temei de licenta a constat in realizarea unui robot cu un cost minimal, motiv pentru care s-au ales materiale cu proprietati mecanice modeste dar care puteau fi prelucrate la un pret redus, cu o precizie de prelucrare satisfacatoare si cu un timp de prelucrare decent.

Pentru indeplinirea tuturor dezideratelor propuse s-au ales ca materiale de constructie preponderente a structurii mecanice MDF, respectiv Plexiglas.

Plexiglasul este: „Masă plastică transparentă și incasabilă, din care se fac diferite obiecte rezistente la șocuri și la trepidații”. Acesta are urmatoarele caracteristici: temperatura de topire 160gc, temperatura de fierbere 200gc, densitatea: 1.18g/cm3.

Plexiglasul ales este unul transparent (fig 3.1), deoarece am dorit sa obtinem un produs didactic, iar prin aces plexiglas se pot observa toate conexiunile electrice si ansamblurile mecanice ale robotuli.

Fig 3.1 Plexiglas transparent

MDF-ul (fig 3.2) este un material cu un grad de elasticitate mai mare decat plexiglasul, motiv pentru care s-a ales la confectionarea bratelor robotului, deoarece la testele efectuate plexiglasul nu suporta sarcina necesara.

Fig 3.2 MDF

Debitarea componentelor din Plexiglas respectiv MDF, a fost realizata pe un CNC laser ce avea un spatiu de lucru util de 900x600mm. 

Oțelurile sunt aliaje fier-carbon, cu mai puțin de 2, 11% C care conțin în afară de fier și carbonși alte elemente (Si, Mn. P, S, Cr, Ni, V, Ti, Mo etc). caracteristica principală a oțelurilor estedeformabilitatea plastică la rece și la cald, prin presare sau tragere. Varietatea mare de proprietăți a oțelurilor este determinată de compoziția chimică și de modulde prelucrare (plastică, termică sau termochimică). Comportarea oțelurilor la deformarea plastică, la tratamentul termic (sau termochimic) sau la prelucrarea mecanică este determinată pe de o parte de compoziția chimică și pe de altă parte demodul de elaborare și turnare – solidificare.

Arborii ce asigura conexiunea bratelor robotului de baza acestuia au fost realizati prin strunjire respectiv frezare, incercandu-se reducerea la minim a operatiunilor tehnologice necesare. Materialul utilizat a fost un otel de arc. Otelul s-a folosit pentru a minimiza masa structurii si a asigura o rigiditate suficienta in profida dimensiunilor reduse.

Arborii bratelor (fig 3.3) sunt lagaruiti cu 2 rulmenti radiali ce sunt montati intr-o carcasa solidara cu baza robotului. De asemenea pentru constructia acestei carcase s-a folosit un otel identic cu cel al arborelui.

Fig 3.3 Arbore brat

Acest lagar a fost realizat cu ajutorul a 2 rulmenti ISO 026 6x19x6 (fig 3.4) iar pentru a evita frecarea intre camesile rulmentilor s-a folosit o saiba cu grosimea de 1 mm. Rulmentii au fost incastrati intr-o carcasa pentru rulmenti realizata din otel de arc. Aceasta carcasa este dotata cu doua canale pentru doua inele de siguranta interioare ce asigura fixarea rulmentilor in carcasa respectiva.

Fig 3.4 Rulmenti

Pentru limitarea momentelor incovoitoare care apar in bratele robotului s-a realizat lagaruirea (fig 3.5) fiecarui barat cu rulmenti reducand semnificativ forta de frecare dintre brate.

Fig 3.5 Lagare

Deoarece firma responsabila cu prelucrarea materialelor din Plexiglas respectiv MDF nu avea posibilitatea de taiere a materialelor mai groase de 6 mm s-a luat decizia de a suprapune cate 2 piese de 6mm pentru a mari rezistenta pieselor. Ansamblarea pieselor este una demontabila fiind realizata cu ajutorul unor suruburi si piulite.

Transmitea cuplului de la motor la arbore este realizata printr-un sistem format din doua roti dintate si o curea dintata (fig 3.6). Raportul de transmitere este 1:2. Pentru aceasta au fost necesare 2 tipuri de roti dintate respectiv una cu 36 de dinti si una cu 16 dinti.

Fig 3.6 Roti dintate si curea

S-au ales curelele si rotile dintate de tip GT2 deoarece reduc jocul de flanc, reduc frecarea, iar puterea transmisa este mai mare comparativ cu solutiile tehnologice mai vechi. Rotile dintate selectate sunt din aliaj de aluminiu pentru a asigura transmiterea optima a puterii si a reducerii jocului de flanc fata de variantele din masa plastica ce aveau un pret mai redus de achizitie insa caracteristicile tehnico functionale erau mai modeste.

Structura electrica

Este formata din urmatoarele substructuri. Aceasta impartire a fost realizata pentru o mai buna explicare solutiei alese.

Substructura de comanda si control

Substructura de comanda si control este guvernata de o placa de dezvoltare Arduino Uno (fig 3.7). S-a ales aceasta solutie in detrimentul folosirii unui PC, pentru ca solutia era una mai scumpa si s-a dorit o solutie de sine statatoare.

Pentru realizarea acestui deziderat au fost studiate cateva platforme bazate pe microcontroler capabile sa realizeze diverse sarcine. Platforma aleasa a fost Arduino, deoarece au fost realizate multiple biblioteci care usureaza munca, este mai versatila si curba de invatare e mai abrupta.

Fig 3.7 Arduino Uno

Un microcontroler (µC) este un mic calculator pe un singur circuit integrat care conține un procesor, memorie si diverse periferice de intrare / ieșire. Memoria program este de tip flash si/sau ROM si este inclusa pe cip. De asemenea este inclusa și memoria volatila.

Platforma Arduino Uno este creata in jurul microcontrolerului ATmega328 (un microcontroler cu un singur cip creat de Atmel, ce face parte din seria megaAVR.). Are 14 pini digitali de intrare / ieșire (din care 6 pot fi utilizati ca ieșiri PWM), 6 intrări analogice si frecventa de functionare de 16 MHz, o conexiune USB, posibilitatea programarii ICSP și un buton de resetare.

Inaintea alegerii placii de dezvoltare Arduino a fost studiat si microcontrolerul PIC32 (fig 3.8). Acesta face parte din familia de microcontrolere pe 32 de biți realizată de către Microchip. Baza acestei familii o constituie nucleul MIPS32 M4K, ce posedă 32 regiștri de bază a câte 32 biți. De asemenea acesta a fost înzestrat cu o stivă de 8 cuvinte ce poate fi folosită ca un mini-cache pentru a stoca 4 instrucțiuni de 32 biți sau 8 instrucțiuni de 16 biți, ce acceptă mici bucle ale nucleului, facilitând astfel obținerea unor viteze de execuție mărite.

Fig 3.8 Microcontrolerul PIC32

Arduino Uno poate fi alimentat prin conexiunea USB sau cu o sursă de alimentare externă. Sursa de alimentare este selectata automat. Placa poate funcționa cu o sursă externă la o tensiune intre 6 si 20 de volți. În cazul în care este alimentata cu mai puțin de 7V, paltforma Arduino devine instabila. Dacă se alimenteaza cu o tensiune mai mare de 12V, regulatorul de tensiune se poate supraîncălzi și poate deteriora placa. Intervalul recomandat este de 7-12 volți.

Pinii cu functii de alimentare sunt:

VIN – pin-ul de intrare la placa Arduino pentru o sursă de curent externă;

5V – acesta furnizează o tensiune de 5V;

3V3 – genereaza o tensiune de 3,3V;

GND – masa.

Fiecare dintre cei 14 pini digitali pe Arduino Uno poate fi utilizat ca intrare sau ieșire, folosind functiile „pinMode”, „digitalWrite” și „digitalRead” si funcționează la o tensiune de 5 volți. Fiecare pin poate genera sau a primi un curent cu o intensitate maxima de 40 mA. În plus, unii pini au si funcții specializate:

Pinii 0 (RX) și 1 (TX) pot fi folositi pentru a primi (RX) și transmite (TX) date seriale TTL. Sunt conectati la pinii corespunzători ai cipului USB-serial TTL al placii ATmega8U2;

Pinii 2 și 3 pot fi configurati pentru a declanșa o intrerupere;

Pinii 3, 5, 6, 9, 10, și 11 furnizeaza un semnal PWM de ieșire cu funcția „analogWrite”;

Pinii 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK) pot realiza comunicare SPI folosind biblioteca SPI;

Pinul 13 este conectat la un LED.

Arduino Uno mai are si 6 intrări analogice, de la A0 la A5. Ultimii doi pini de pe placa de dezvoltare sunt:

AREF, ce furnizeaza tensiunea de referință pentru intrări analogice, folosit cu „analogReference”;

Reset – reseteaza microcontrolerul.

Actionarea electrica

Cele mai uzuale sisteme robotice folosesc drept actuatori motoare electrice rotative. Deseori se vor regasi motoare pas cu pas, respectiv servomotoare.

Diferența de bază dintre un motor pas cu pas tradițional și un sistem bazat pe servomotor il reprezinta designul și modul în care este controlat. Motoarele pas cu pas au de obicei 50-100 de poli fără perii în timp ce servomotoarele tipice au doar 4-12 poli.

Motoarele pas cu pas nu necesită traductoare unghiulare, deoarece acestea se pot deplasa cu precizie între mai multi poli în timp ce servomotoarele, cu câțiva poli, necesită un traductor unghiular pentru a se urmări poziția lor. Motoarele pas cu pas, pur și simplu se muta treptat folosind impulsuri (buclă deschisă) în timp ce la servomotoare se citeste diferența dintre pozitia indicata de traductorul unghiular si pozitia comandata, ajustandu-se curentul necesar deplasarii (bucla inchisa).

Diferentele de performanță între motoarele pas cu pas și servomotoare sunt datorate designului lor (fig 3.8). Motoarele pas cu pas au mult mai multi poli decât servomotoarele. O rotație a unui motor pas cu pas necesită mai multe schimbari ale sensului curentului prin înfășurări decât la un motor servo. Designul motorului pas cu pas cauzeaza o degradare a cuplului la viteze mai mari, spre deosebire de un servomotor. Un număr mare poli are un efect benefic la viteze mai mici care dau motorului pas cu pas un avantaj din punct de vedere al cuplului față de un servomotor.

Fig 3.8 Motor pas cu pas / Servomotor

O altă diferență este modul în care fiecare tip de motor este controlat. Motoarele pas cu pas tradiționale funcționează în buclă deschisă. Aceasta implica o reducere a costurilor, deoarece niciun traductor unghiular nu este necesar pentru majoritatea aplicațiilor de poziționare. Cu toate acestea, motoarele pas cu pas într-un mod de functionare constanta creează o cantitate semnificativă de căldură, care este de luat in considerare pentru anumite aplicații. Servomotorul rezolva acest lucru prin folosirea numai de curentul necesar deplasarii sarcinii. Acesta poate oferi, de asemenea, un cuplu care este de câteva ori mai mare decât cuplul maxim al motorului pas cu pas. Cu toate acestea, un motor pas cu pas poate fi si el controlat in buclă inchisa, prin adăugarea unui traductor unghiular.

Motoarele pas cu pas sunt mai simplu de controlat decât servomotoarele. Ele sunt mai si mai puțin costisitoare, nu pierd pași si nu necesită traductoare unghiulare dacă funcționează în limitele lor nominale. Motoarele pas cu pas sunt stabile la repaus și isi retin propria poziție, fără nicio fluctuație si in cazul sarcinilor dinamice.

Servomotoarele sunt excelente în aplicații care necesită viteze mari, un cuplu mare si care necesită un răspuns dinamic ridicat. Motoarele pas cu pas sunt excelente la viteze mici si pentru acceleratii mici si medii.

In concluzie, servomotoarele sunt cele mai potrivite pentru viteză mare, aplicații ce necesita un cuplu ridicat, care implică modificări de încărcare dinamice. Motoarele pas cu pas sunt mai puțin costisitoare și sunt optime pentru aplicații care necesită accelerare mica sau medie și flexibilitatea de funcționare in buclă deschisă sau închisă.

Totusi, principalul factorii care au influentat alegerea unui servomotor in aplicatia prezentata au fost necesitatea deplasarii unei sarcini mari, pozitionarea precisa, verificarea si realizarea unui sistem de actionare cu reactie („feedback”). In plus, incrementii motorului pas cu pas pot fi prea mari pentru precizia de pozitionare necesara.

Fig 3.9 Motor JGA25-371

Servomotorul de curent continuu ales pentru aceasta aplicatie este un JGA25-371 cu traductor unghiular si reductor 1:34, cu urmatoarele specificatii, iar conexiunea intre motor si placa de dezvoltare Arduino Uno se face cu ajutorul unui driver Toshiba TB6612FNG, bazat pe doua punti de tip H.

Structura informatica

Placa Arduino poate fi programata cu mediul de dezvoltare Arduino, bazat pe limbajul C, prin Matlab sau alte limbaje de programare.

Pentru versiunile recente de Matlab exista si suport pentru placile Arduino. Folosind Matlab, viteza de reactie a platformei Arduino la citirea traductorului unghiularui era insuficienta si din cauza acestui lucru, s-a preferat folosirea mediului de dezvoltare Arduino IDE.

Memoriu de calcul

Tehnlogii de realizare

Modelarea robotului s-a realizat in SolidWorks. Pentru verificarea empirica a gradului de rezistenta a materialului utilizat respectiv a tolerantelor de prelucrare ce trebuiesc prevazute s-au facut cateva teste.

Mai jos este prezentata o mostra de Plexiglas (fig 5.1) asupra careia au fost efectuate diverse prelucrari pentru a afla toleranta prelucrarii prin debitare cu laser. De asemenea s-au realizat verificari referitoare la rezistenta unei ansamblari demontabile prin suruburi autofiletante respectiv cu suruburi de tip metric.

Fig 5.1. Mostra plexiglas

Aceleasi teste au fost efectuate si asupra unei mostre din MDF (fig 5.2).

Fig 5.2. Mostra MDF

Dupa efectuarea testelor cu raza laser s-a constatat ca suprafata debitata nu este perpendiculara pe partile inferioare respectiv superioare ale placii debitate, avand o eraoare de cateva grade datorate sistemului de focalizare a razei laser.

Efectul termic datorat debitarii cu laser produce si acesta o modificare a dimensiunilor astfel incat s-au facut diverse experimentari pentru a sti ce toleranta sa fie precizata pentru a obtine dimensiunile dorite.

Acesta este inca un motiv pentru care s-a luat decizia de a utiliza cate 2 piese suprapuse, deoarece suprapunandu-le puteam anula aceasta eroare laser.

Urmatorul test a fost unul de rezistenta la cadere, piesele au fost lasate in cadere libera de la aproximativ 2m inaltime pe o suprafata din beton.

Piesele au mai fost supuse unor teste cum ar fi:

s-a infiletat un surb M3 autofiletant in gaura cu diametrul interior de 2,5 mm;

s-a efectuat operatia de filetare a gaurii cu diametrul interior de 3 mm;

s-a infiletat un surub M3 in gaura supusa procesul de filetare dupa care s-au facut cateva incercari pentru a vedea daca filetul rezista.

Toate testele enumerate mai sus au dus la rezultatul dorit, motiv pentru care s-a renuntat la suruburile autofiletante deoarece necesita un efor mai mare la ansamblare si s-au folosit suruburile M3 cu filet metric.

Fig 5.3 Folosirea procesului de infiletare in plexiglas

S-au realizat diverse simulari in element finit in SolidWorks pentru a dimensiona cat mai precis piesele necesare.

Mai jos este prezentata o imagine din SolidWorks (fig 5.4) in care un brat din plexiglas cu grosimea de 6 mm a fost supus unei forte de 3N. Dupa cum se poate observa piesa nu corespunde gradului de elasticitate dorit, motiv pentru care s-a renuntat la bratele din plexiglas si s-au folosit cele din MDF.

Fig 5.4 Test efectuat in SolidWorks

Dupa toate aceste teste s-a constatat ca piesele corespund cu datele aflate din Solidworks prin urmare testele asupra pieselor de marimea celor din robot au fost realizate doar in SolidWorks.

Viteza motoarelor fiind mai mare decat cea dorita cu toate ca motorul beneficiaza de un reductor 1:34 a fost necesara folosirea unui reductor format din 2 roti dintate, una cu 16 dinti iar cealalata cu 36 dinti si o curea dintata. Pentru efectuarea unui angrenaj perfect cureaua trebuie sa fie intinsa, motiv pentru care asupra bazei circulare s-au creat doua canale pentru suportul motorului. Cu ajutorul acestor doua canale suportul motorului se poate monta in pozitia dorita (fig 5.5) iar roata dintata cu 16 dinti va fi pozitionata la distanta dorita de roata dintata cu 36 dinti.

Fig 5.5 Pozitionarea motorului in pozitia dorita

Fiecare cupla a bratelor robotului beneficiaza de o lagaruire realizata cu ajutorul a doi rulmenti ISO 024 4x13x5 pe un brat, cealalalt brat fiind solidar cu fusul cuplei. Pentru a evita contactul intre rulmenti s-a realizat o saiba cu grosimea de 1 mm, iar pentru a evita iesirea rulmentilor din brat au fost folosite 2 saibe late cu grosimea de 1 mm (fig 5.6).

Eleentele componente ale cuplei sunt:

teava din alama cu diametrul exterior de 4mm;

tija filetata M3;

piulite M3;

saiba cu diametru exterior de 16 mm si diametrul interior de 4 mm;

saiba cu diametrul interio de 4 mm si diametrul exterior de 8,5 mm;

rulmenti ISO 024 4x13x5.

Fig 5.6 Metoda constructiva aleasa pentru articulatia bratelor

Conexiunea bratelor la baza robotului se realizeaza prin intermediul arborilor. Initial arborii au avut o forma care nu se potrivea structurii robotice (fig 5.7).

Fig 5.7 Forma initiala a arborelui

In urma testelor s-a observat ca aceasta solutie nu este una satisfacatoare, deoarece nu avea rigiditate mecanica corespunzatoare, astfel s-a cauta o alta solutie. Astfel arborii realizati permiteau prinderea bratelor intr-un mod mult mai bun (fig 5.8).

Fig 5.8 Conexiunea bratelor la baza robotului prin intermediul arborilor

Acestea au fost fixate prin infiletare si asigurate cu o piulita (fig 5.9). Pentru a evita anumite jocuri s-a utilizat o saiba lata in partea de jos. Arborii bratelor au fost realizati prin strunjire si frezare.

Strunjirea reprezinta procedeul de prelucrare prin aschiere, cu cea mai frecventa utilizare, fiind metoda de baza pentru obtinerea corpurilor de revolutie. In constructia de masini piesele care contin suprafete de rezolutie au o pondere insemnata, cele mai caracteristice fiind arborii si bucsele, fapt care justifica raspandirea pe care o au in present prelucrarile prin strunjire.

Strunjirea se realizeaza prin combinarea miscarii principale de rotatie executata de obicei de piesa, cu miscarea de avans a cutitului. Avansul este in general rectiliniu in directive longitudinala, transversal sau dupa o directive inclinata fata de axa miscarii principale.

Prin operatii de strunjire se pot prelucra suprafete cilindirce si conice (exterioare si interioare), frontale, filete, etc, ca urmare a combinarii miscarii principale a semifabricatului cu miscarile de avans longitudinal sau transversal al cutitului. Utilizarea de dispositive special permite si strunjirea altor forme de suprafete de revolutie. Astfel, este posibila prelucrarea suprafetelor sferice, daca miscarea de avans a sculei se realizeaza pe o traiectorie circular, sau a suprafetelor profilate prin deplasarea simultana a cutitului pe directive longitudinala si transversal, rezultand o traiectorie corespunzatoare profilului piesei.

De asemenea, pe strung se pot prelucra si corpuri care nu sunt de rotatie daca, se imprima sculei cu ajutorul unor dispositive special, pe langa miscarea de avans longitudinal si o miscare radial efectualta dupa o anumita lege, obtinandu-se astfel piese cu sectiune ovala, patrata sau de alta forma. Prin strunjire se poate executa de asemenea detalonarea unor scule aschietoare.

Fig 5.9 Strunjire longitudinala/Strunjire frontala

Fig 5.10 Canelare/Canelare frontala

Frezarea este prelucrarea prin aschiere a suprafetelor plane, cilindrice sau profilate cu ajutorul unei scule prevazuta cu mai multi dinti, denumita freza.

Procesul de aschiere prin frezare se caracterizeaza prin faptul ca miscarea principala de aschiere este executata de scula, iar miscarile de avans sunt executate de semifabricat. In functie de sensul miscarii de avans fata de miscarea principala, in punctual de contact, se disting doua metode de frezare: contraavansului si in sensul avansului.  

La frezarea contra avansului, are loc o crestere treptata a fortei pe dinte, deoarece grosimea aschiei creste de la zero la maxim. Aceasta crestere treptata este favorabila din punct de vedere al solicitarii sculei si a organelor masinii-unelte. 

Frezarea contra avansului se recomanda la prelucrarea pieselor turnate sau forjate, care au o crusta dura, deoarece dintele frezei patrunde in material sub crusta, reducandu-se astfel deteriorarea taisului. In cazul frezarii in sensul avansului, forta pe dinte are o valoare maxima in momentul intrarii in aschie si apoi aceasta scade la valoarea zero, cand aschia se desprinde. Aceasta solicitare este defavorabila pentru dinte, iar prin aceasta se micsoreaza rugozitatea suprafetei prelucrate si creste productivitatea prelucrarii. Folosind aceasta metoda de frezare, se pot obtine rezultate favorabile numai daca masinile sunt prevazute cu dispozitive pentru eliminarea jocului din mecanismul surub-piulita de antrenare a mesei, deoarece existenta jocului determina o frezare cu vibratii.

Sculele folosite pentru prelucrari pe masini de frezat:

La o freza se deosebesc dintii aschietori si corpul. Din punct de vedere constructiv, frezele pot fi executate dintr-o bucata (in acest cazse numesc freze monobloc) sau asamblate (in acest caz se numesc freze cu dinti montati).

Dupa modul de executare a dintilor pe suprafata de asezare, frezele pot fi: cu dinti frezati si cu dinti detalonati. Constructia frezelor cu dinti frezati este mai simpla si mai usor de realizat. Detalonarea se foloseste in cazul frezelor profilate, pentru care este necesar sa se mentina profilul si dupa reascutire care se executa pe suprafata de degajare. Suprafata se numeste spatele dintelui.

Frezele se clasifica dupa urmatoarele criterii:

Dupa felul suprafetei pe care sunt executati dintii, frezele pot fi: cilindrice, frontale, cilindro-frontale, disc cu dinti dispusi pe doua sau pe trei fete, unghiulare si profilate. Aceste freze pot avea dimensiunile, forma si numarul dintilor diferite, dupa caracterul prelucrarii, materialul de prelucrat, etc;

Dupa constructia dintilor, frezele pot fi: cu dinti frezati, detalonati si demontabili;

Dupa forma dintilor, frezele pot fi: cu dinti drepti, elicoidali si in zig-zag. Frezele cu dinti elicoidali prezinta avantaje fata de cele cu dinti drepti, deoarece asigura un mers mai linistit;

Dupa sensul canalelor elicoidale, frezele pot fi: cu canale elicoidale pe dreapta si pe stanga;

Dupa modul de fixare al frezei in arboreal principal al masinii-unelte, frezele pot fi: cu coada si cu alezaj;

Dupa sistemul constructive, frezele pot fi: dintr-o bucata si obtinute prin cuplarea mai multor freze (joc de freze);

Dupa felul suprafetei prelucrate, frezele pot fi pentru: prelucrarea suprafetelor plane si profilate, canale, retezat, filete, danturi si caneluri.

Fig 5.28 Procesul de frezare

Fig 5.9 Fixarea bratelor pe arbore

Pentru a evita eventualele solicitari la incovoiere a arborelui motorului si pentru a avea o mai mare precizie s-au folosit 2 roti dintate care reaza un redactor 1:2, si o curea dintata. Modelul ales pentru curea si rotile dintate este GT2.

S-a ales acest tip de curea GT2 deoarece aceasta curea elimina jocul de flanc. Ele au un profil special cu dinții rotunjiti, ceea ce reduce alunecarea. Adesea folosite pentru imprimante 3D de precizie și mașini CNC.

Curele GT2 PowerGrip au un design avansat și urmatoarele caracteristici:

Au o capacitate portantă mai mare și de viață mai lungă decât celelalte curele fie HTD PowerGrip sau PowerGrip sincronizare;

Cea mai mare înregistrare și precizia de indexare;

Un profil modificat dinte curbilinie cu împerechere caneluri pinionului;

A crescut de zona de contact și rezistență îmbunătățită la înclichetare;

Intra si iese usor din canelura pinionului ceea ce rezultă vibrații reduse;

Caracteristici îmbunătățite de înregistrare și menținerea unui cuplu ridicat, transportă capacitatea de până la 2X fata de curelele PowerGrip HTD și 3X deta de curelele PowerGrip Timing;

Ca o comparație, curelele PowerGrip GT2 au adancimea dintelui mai mare ceea ce duce la cresterea zonei de contact în flancul complet (fig 5.10).

Fig 5.10 Curele PowerGrip

Roata dintata GT2 (fig 5.11) este fabricate din aluminiu si are un pret redus fata de alte roti dintate. Aceasta roata dintata are un cuplu mai mare decat alte roti.

Fig 5.11 Roata dintata GT2

Consola de comanda a robotului a fost realizata din plexiglas cu grosimea de 6 mm. Aceasta a fost fixata pe un suport care la randul lui este fixat de baza circulara a robotului.

Prinderea suportului de baza circulara a fost realizata cu ajutorul unor suruburi si piulite M3. Consola de comanda (fig 5.12) a fost fixata pe suport cu ajutorul unor suruburi M3 dupa ce asupra acestora a avut loc procesul de filetare.

Fig 5.12 Consola de comanda

Pe consola de comanda au fost montate:

cinci butoane (fig 5.13) cu ajutorul carora vom transmite anumite comenzi asupra robotului;

un ecran LCD 16/2;

o placa de dezvoltare Arduino Uno.

Fig 5.13 Butoanele consolei de comanda

Butoanele au fost fixate prin infiletare iar placa de dezvoltarea Arduino Uno si ecranul LCD au fost fixate cu ajutorul unor suruburi si piulite M3.

Suportul pentru motor (fig 5.14) a fost realizat din cinci piese. Piesele 1 si 2 au grosimea de 6 mm, iar piesa 3 are grosimea de 3 mm deaoarece gulerul de ghidare al motorului este de 3 mm. Daca am fi folosit o piesa de 6 mm in loc 3 mm roata dintata cu 16 dinti nu ar mai fi putut fi fixata pe arborele motorului. Desi se putea construi un suport dintr-o singura piesa acesta ar fi costat mai mult iar timpul de achizitionare ar fi fost mai mare motiv pentru care am ales sa construim suportul din mai multe piese. Pentru ansamblarea acestuia s-a folosit procesul de filetare asupra pieselor 1 si 2 dupa care au fost ansamblate cu ajutorul suruburilor M3.

Fig 5.14 Suportul motorului

Baza circulara a fost realizata din 4 piese deoarece firma responsabila cu debitarea pieselor avea posibilitatea de lucru doar pe coli de 900x600mm. Piesele au fost ansamblate cu ajutorul suruburilor si piulitelor M3. Asupra mesei au fost efectuate diverse prelucrari mecanice necesare prinderii celorlate piese.

Picioarele robotului (fig 5.15) au fost realizate din plexiglas cu grosimea de 6 mm. Acestea au fost realizate din 5 piese pentru marirea stabilitatii structurii. Piesele au fost ansamblate cu ajutorul unor adezivi speciali.

Fig 5.15 Picior robot

Pentru controlul motoarelor s-a folosit un driver Toshiba TB6612FNG (fig 5.16). Acesta are ca avantaje faptul ca are un cost de achizitie redus si permite o implementare facila. Driverul are urmatoarele caracteristici:

două canale independente de control bidirectional al motorului

tensiunea de comanda: 2.7-5.5V

tensiunea de la bornele motorului: 2.5-13.5V

intensitatea curentului la iesire: 1A curentul nominal, 3A curentul maxim pe un canal.

Fig 5.16 Driver Toshiba TB6612FNG

Conexiunile driverului sunt:

in partea stanga:

GND – pinul de masa digital

VCC – tensiunea la alimentare parte digitala

AO1 – iesire pol motor A

AO2 – iesire pol motor A

BO1 – iesire pol motor B

BO2 – iesire pol motor B

VMOT – polul pozitiv al sursei de alimentare a motorului

GND – polul negativ al sursei de alimentare a motorului

in partea dreapta:

PWMA – pin intrare PWM

AIN2 – pin digital control sens

AIN1 – pin digital control sens

STBY – pin activare driver

BIN1 – pin digital control sens

BIN2 – pin digital control sens

PWMB – pin intrare PWM

GND – pinul de masa digital

In primul rand, driverul nu este activat atat timp cat intrarea STBY nu este „1” logic. Acest lucru se poate controla via programare, sau in cazul in care nu se doreste aceasta facilitate, aceasta intrare se poate lega direct la tensiunea de alimentare digitala.

In cazul actionarii motorului A in sensul orar, se transmite un semnal digital „1” logic pinului AIN1, „0” logic pinului AIN2, iar pinului PWMA o valoare intre 1 si 255 prin comanda „analogWrite()” in mediul de dezvoltare Arduino. Viteza de rotatie a motorului este direct proportionala cu valoarea introdusa prin intermediul fucntiei „analogWrite”. Pentru sensul antiorar se transmite semnalul „1” logic pinului AIN2 si „0” logic pinului AIN1, pinului PWMA fiind de asemenea transmisa o valoare intre 1 si 255.

Motorul B se actioneaza in acelasi mod ca si motorul A, doar ca sensul se controleaza prin intermediul valorilor la pinii BIN1 si BIN2, iar viteza este reglata la nivelul intrarii PWMB.

Comanda „analogWrite()” ce se regaseste in mediul de dezvoltare Arduino IDE transmite o tensiune analogica unui pin, dar poate fi folosita si pentru generarea unui semnal modulat in durata (PWM).

Modularea mărimii pulsului (PWM) este o tehnică de modulare care controlează lățimea impulsului, durata impulsului, pe baza informațiilor de la un modulator. Deși această tehnică de modulare poate fi utilizata pentru a codifica informații, utilizarea sa principală este de a permite controlul tensiunii furnizate dispozitivelor electrice, în special pentru controlarea sarcinilor inerțiale.

Valoarea medie a tensiunii de alimentare a sarcinii este controlată prin comutarea foarte rapida intre valoarea minima si maxima. Cu cât semnalul are o perioada mai mare la valoarea maxima, fata de perioada la valoarea minima, cu atat tensiunea furnizata este mai mare.

Controlul digital este folosit pentru a crea un semnal dreptunghiular, care variaza intre valoarea maxima de 5V si valoarea minima 0V. Factorul de umplere al semnalului PWM reprezinta timpul in care semnalul are valoarea maxima, raportat la perioada semnalului (inversul frecventei), exprimat in procente.

In graficele de mai jos (fig 5.x) liniile verzi delimiteaza perioada semnalului, inversul frecventei semnalului PWM. Frecventa semnalului PWM generat de Arduino este de aproximativ 500Hz, deci perioada este de 2 milisecunde. Apelarea functiei „analogWrite()” se relizeaza cu o valoare intre 0 si 255, iar factorul de umplere al semnalului PWM va fi proportional cu aceasta valoare. De exemplu, „analogWrite(255)” reprezinta un factor de umplere 100%, iar „analogWrite(127)” reprezinta un factor de umplere 50%.

Fig 5.x Semnalul PWM

Traductoarele unghiulare motoarelor nu sunt conectate prin driver, ci direct pe microcontroler. Exista si cazuri mai rare in care se realizeaza o bucla inchisa de pozitionare si la nivelul driverului. Encoderul are doua iesiri digitale conectate la microcontroler la doi pini digitali, masa conectata la pinul de masa al microcontrolerului, iar alimentarea de 5V la pinul VCC al placii Arduino Uno.

Traductoarele unghiulare sunt dispozitive electromecanice care pot măsura mișcarea sau poziția. Cele mai multe traductoare unghiulare folosesc senzori optici pentru a oferi semnale electrice, sub formă de impulsuri, care pot, la rândul lor, să fie tradus în mișcare, directie, sau poziție.

Traductoarele unghiulare sunt utilizate pentru a măsura mișcarea de rotație a unui arbore. Mai jos (fig 5.x) sunt prezentate componentele fundamentale ale unui traductor unghiular. Acesta constă dintr-o diodă emițătoare de lumină (LED), un disc și un detector de lumină de pe partea opusă a discului. Discul, care este montat pe arborele rotativ, are sectoare opace și sectoare transparente, astfel incat la rotație, segmentele opace blochează lumina și în cazul în care discul este clar, lumina este lăsată să treacă. Acest lucru generează impulsuri dreptunghiulare, care pot fi apoi interpretate în poziție sau mișcare.

Fig 5.x Traductor unghiular

Pentru a face măsurători, este nevoie de o componentă electronică de baza numita numarator hardware. Pe baza mai multor intrari, acesta emite o valoare care reprezintă numărul de fronturi crescatoare ale undei generate de LED. Cele mai multe au trei intrări relevante: poarta, sursa, si sus / jos. Numaratorul numără evenimentele înregistrate în intrarea sursei și, în funcție de starea liniei sus / jos, el incrementează sau decrementeaza. De exemplu, în cazul în care linia de sus / jos este pe pozitia “high” el incrementează, și în cazul în care acesta este “low”, decrementeaza.

Unul din pinii encoderului trebuie sa fie conectat la pinul 2 sau 3 al placii Arduino Uno, deoarece este necesara folosirea intreruperilor, iar in cazul acestei placi de dezvoltare doar acesti doi pini sunt specializati pentru a realiza aceasta functie. Daca encoderul este conectat la un pin digital oarecare, iar programul nu are o intrerupere implementata, impulsurile trimise de encoder au o frecventa prea mare pentru a putea fi citite corect de catre microcontroler. Astfel valoarea generata va fi una eronata in cazul vitezelor medii si mari. Folosirea intreruperilor rezolva aceasta problema.

Realizarea unui program care sa citeasca toate impulsurile encoderului rotativ, fara intreruperi si fara sa se rateze niciun impuls, ar fi aproape imposibila, datorita latentelor existente in sistem. Acest program ar trebui să interogheze în mod constant encoderul pentru a citi toate impulsurile la o asemenea frecventa, iar intreruperea poate elibera microcontrolerul pentru a putea efectua si alte operatii in acest timp.

Intreruperile in mediul de programare Arduino se realizeaza prin intermediul funtiei „attachInterrupt()”. Apelarea acestei functii se face printr-o functie ISR (Interrupt Service Routines). ISR-urile au anumite limitari unice, cum ar fi faptul ca nu accepta parametri de intrare, si nu returneaza nicio valoare. In mod normal, o functie ISR trebuie sa aiba cat mai putine instructiuni, astfel incat timpul necesar executiei acesteia sa fie cat mai mic. Daca programul contine mai multe astfel de functii, le poate rula doar in serie, deci alte intreruperi sunt oprite pana se termina cea curenta., in anumite cazuri putand fi realizata o prioritizare a acestora.

Arduino Uno permite patru tipuri de intreruperi:

LOW – declanseaza intreruperea cand pinul are valoarea „0” logic;

CHANGE – declanseaza intreruperea cand pinul isi schimba valoarea;

RISING – declanseaza intreruperea cand pinul trece de la valoarea „0” logic la valoarea „1” logic (front crescator);

FALL – declanseaza intreruperea cand pinul trece de la valoarea „1” logic la valoarea „0” logic (front descrescator).