Sistemele Mecatronice

I. NOȚIUNI GENERALE DESPRE SISTEMELE MECATRONICE

Termenul de mecatronicǎ a fost introdus de un inginer de la compania japonezǎ « Yaskawa Electric Corporation » în 1969, fiind o prescurtare a imbinării mecanicii cu electronică și informatică. [1]

În timp sensul cuvântului ,, mecatronică ” a devenit știința inginerească bazată pe disciplinele clasice ale constructiei de mașini, electrotehnicii, electronicii și informaticii. Scopul acestei științe este îmbunătățirea funcționalității utilajelor și a sistemelor tehnice prin unirea disciplinelor componente intr-un tot unitar.

Mecatronica este combinația dintre ingineria mecanică, ingineria electrică, ingineria calculatoarelor, ingineria software, ingineria controlului și ingineria sistemelor de design pentru a proiecta și produce produse utile. Mecatronica este un câmp ingineresc multidisciplinar, astfel că este greu de separat disciplinele pe care se bazeaza. La origini, mecatronica a fost doar o combinatie intre mecanica si electronica, si prin urmare cuvantul este format din alipirea cuvintelor "mecanica" si "electronica". Cu toate acestea, cum sistemele tehnologice au devenit din ce in ce mai complexe, cuvantul a fost "actualizat" in ultimii ani incluzand mai multe arii tehnologice.[2]

Mecatronica tehnologie compatibilă cu societatea informațională. Revoluția informatică (a doua revoluṭie industrială) a marcat saltul de la societatea industrializatǎ la societatea informaționalǎ, generând un val de înnoiri în tehnologie și educație. Japonezii au definit sensul acestor mișcǎri de înnoire, brevetând termenul de mecatronicǎ, la începutul deceniului al 8-lea al secolului trecut. Termenul a fost utilizat pentru a descrie fuziunea tehnologicǎ:

mecanica-electronica-informatica

Mecatronica este rezultatul evoluției firești în dezvoltarea tehnologicǎ. Tehnologia electronicǎ a stimulat această evoluție. Dezvoltarea microelectronicii a permis integrarea electromecanică. În urmatoarea etapǎ, prin integrarea microprocesoarelor în structurile electromecanice, acestea devin inteligente ṣi, astfel s-a ajuns la mecatronicǎ.

Tehnologia mecatronică aduce în centrul atenției problema informației care, este componenta dătătoare de ton în raport cu materialul și energia.

MECATRONICA considerată de unii ca o știință aparte dar care de fapt reprezintă un domeniu al cercetării obținut prin interferența a unor domenii tradiționale: Mecanică, Electronică, Calculatoare și Automatică. Ea este o MECA a celor mai noi realizări științifice și tehnologice în domenii de mare performanță și care au avut un impact deosebit în societatea tehnologică a ultimelor decenii.

Astfel, mectronica a avut și are un impact major într-o largă varietate de ramuri industriale: industria automobilismului, cea a produselor de larg consum, în industria aparaturii casnice, în biomedicină, robotică și sisteme de control și de telecomunicații, etc. De asemenea ea a deservit o știință extrem de populară în universități atât sub aspectul ponderii de cercetare științifică cât și în ceea ce privește aspectul educațional. Marile universități și-au dezvoltat puternice centre de cercetare în acest domeniu iar specializările în acest profil au cunoscut o largă audiență la noile generații de studenți.

Fig. 1.1 Caracterul interdisciplinar al Mecatronicii

Topica noului domeniu include unii din cele mai diverse: micro și na- notehnologii, senzori, sisteme de acționare, materiale compozite și inteligențe, sisteme de conducere, interfețe om-mașină, structuri evoluate de procesare, sisteme de proiectare integrată, etc.

Aflată la intersecția unor domenii ale științei cu performanțe de vârf în implementarea noilor tehnologii, mecatronica abordează concepte și sisteme noi în ingineria micro și nano senzorilor și sistemelor de acționare, materiale și compozite prestabile pentru implementări la scară celulară sau atomică, structuri celulare și rețele neuronale, sisteme ce prefigurează conceptele de nanoelectronică capabile să producă viitoarele nano-procesoare, noi concepte ale inteligenței artificiale privind adaptibilitatea, capacitatea de a raționa, capacitatea de instruire, noi sisteme de conducere axându-se în special pe controlul robust, tolerant la defecte, adaptiv, inteligent, sisteme expert și neuro-fuzzy etc. Un rol aparte îl joacă aplicațiile în medicină și biologie prin studiul interacțiunii diferitelor siteme moleculare, dezvoltarea microstructurilor robotice pentru investigare și analiză, precum și proiectarea și implementarea unor sisteme cu structuri complexe conținând componente ale lumii vi și lumii artificiale.

I.1 Particularitățile sistemelor mecatronice

Printre produsele mecatronice întâlnite în mod curent se numără și imprimantele, copiatoarele din noua generație, motorul cu ardere internă controlat electronic, sistemul antifurt, sistemele antiderapante (ABS), pernele de aer din tehnica automobolistică, roboți și manipulatoare, echipamente medicale, inclusiv protezele de înaltă tehnologie ,mașinile de cusut și tricotat cu comandă numerică. Tot produse mecatronice sunt și camerele video miniaturale, CD-playere și alte micromașini, dar și mașinile agricole mari și cele stradale din noua generație, sistemele cu gabarit mare și liniile de producție automate.

Fig. 1.2 Componentele ingineriei mecatrronice

Sistemele mecatronice sunt ansambluri care integrează elemente simple sau complexe ce îndeplinesc diferite funcții, acționând în baza unor reguli impuse. Principala lor sarcină este funcționarea mecanică, deci producerea de lucru mecanic util, iar esența lor este posibilitatea de a reacționa inteligent, printr-un sistem de senzori, la stimuli exteriori care acționează asupra mașinii luând deciziile corespunzătoare pentru fiecare situație.

Trăsăturile caracteristice ale sistemelor mecatronice sunt următoarele :

Inteligența, reprezentând capabilitatea mașinii de a comunica cu mediul și de a lua decizii;

Multifuncționalitatea, adică posibilitatea de a realiza diferite procese tehnologice

( funcționări), de exemplu prin schimbarea programului.

Flexibilitatea, adică posiblitatea de a modifica fără dificultăți majore construcția sistemului, utilajului pe etape de proiectare, producție sau exploatare, de exemplu prin folosirea construcției modulare;

Posibilitatea de a fi conduse de la distanță, ceea ce impune cunoașterea și utilizarea unor interfețe complexe de comunicare;

Evoluție permanentă, datorită dinamicii cerințelor pieței și a posibilităților tehnologice de execuție.

Un important aspect al mecatronicii este acela că mașinile și utilajele mecatronice sunt un exemplu al imitării naturii.

Cu toate că existența “sistemelor mecatronice” în natură este un lucru evident și normal, în tehnica mecatronicii apar probleme. Proiectarea sistemelor mecatronice , analiza activității lor și diagnosticarea în exploatare necesită o abordare specială, care nu poate fi încadrată în domeniile tehnicii, de exemplu în mecanică sau în electronică. Acest lucru reprezintă o problemă pentru toți cei care au de-a face cu sistemele mecatronice ca și pentru cei care studiază mecatronica.

Pentru mecatronică este caracteristică o totală interdisciplinaritate, unde nici una dintre disciplinele componente nu este dominantă. Astfel o problemă importantă în funcționarea unei mașini inteligente (sistem mecatronic) o constituie coordonarea mișcărilor elementelor componente.

În viziunea mecanică tradițională despre mașină, sistemul de generare a mișcării cuprinde: motorul- liniar sau rotativ, sursa de putere- electrică, mecanică, hidraulică, pneumatică, termică etc. și transmisia, care poate fi cu roți dințate, mecanism cu bare, transmisie prin curele etc.

Evoluția către echipamentele de înaltă precizie cerute de tehnologiile moderne au relevat limitele sistemelor tradiționale de generare a mișcării. În primul rând se remarcă flexibilitatea scăzută a acestora. O cutie de viteze clasică cu roți dințate are un număr limitat de rapoarte de transmitere, neputându-se realiza orice raport de transmitere (numerele de dinți nu pot fi decât întregi). Posibilitățile de a realiza o relație funcțională, flexibilă între motor și elementul acționat sunt restrânse.

În cazul mecanismelor cu elemente articulate, posibilitățile de realizare a diferitelor mișcări sunt foarte largi . Pentru un mecanism dat, însă, reglarea parametrilor mișcării este limitată. O altă limită a sistemelor de acționare pur mecanice este precizia relativ redusă. Aceasta se datorează mai multor factori ca: frecarea, deformațiile elementelor, erorile de prelucrare etc.

Limitele transmisiilor pur mecanice pot fi în bună măsură eliminate, renunțând la transmiterea forțată a mișcării și utilizând sisteme care permit o corelare în limite largi între mișcarea arborelui motor și elementul acționat. Aceasta presupune că fiecare element să fie acționat de motorul propriu fiind prevăzut cu traductori adecvați. Dispozitivul de control al mișcării generează relația cerută între mișcările diferitelor elemente acționate în concordanță cu semnalele primite de la traductoare.

Domeniile de aplicare ale Mecatronicii sunt numeroase, și le cuprinde pe acelea pe care implică sistemele mixte și în particular sistemele electromecanice. Aplicațiile vor implica senzori, acționări, control, prelucrări de semnale, interconectări și interfatări de componente, comunicații, în general utilizând “unelte” ale mecanicii, electronicii, calculatoarelor și automaticii.

Aceste aplicații pot implica:

– modificări și imbunătățiri la proiectările conventionale, prin utilizarea unei abordari mecatroniste.

– dezvoltări și implementări de sisteme mecatronice inovative și originale.

– transporturile reprezintă un domeniu larg în care mecatronica are numeroase aplicații.

– in transporturile terestre în particular, automobilele, trenurile, și sistemele automate de transport utilizează dispozitive mecatronice.

– ele includ sistemele “airbag”, sistemul antiblocare la franare (ABS), sistemele de control a directiei, sistemele de suspensii active, si diferite dispozitive pentru monitorizare, atentionari, si controlul sistemelor inteligente de autostrada.

– in transporturile aeriene, proiectarea avioanelor moderne cu materiale, structuri, electronica și control avansate, beneficiază de abordarea integrată și concurenta a Mecatronicii pentru a dezvolta simulatoare de zbor, sisteme de control a zborurilor, sisteme de navigație, mecanisme de aterizare, sisteme de realizare a confortului călatorilor, etc.

– domeniul producției de bunuri de consum este un alt domeniu larg care utilizează sisteme și tehnologii mecatroniste.

– roboții industriali (pentru sudura, vopsire, asamblare, inspectii, etc.), vehiculele ghidate automat (AGV-uri),mașinile-unelte cu comanda numerică, centrele de producție, sistemele de realizare rapidă a prototipurilor, și micromașinile sunt exemple de aplicații mecatronice.

– în aplicațiile medicale, au fost dezvoltate și utilizate tehnologiile robotice pentru examinări, operații, reabilitări, distribuția de medicamente.

– tehnologiile mecatronicii au fost aplicate pentru dispozitive de transport a pacienților, diverse dispozitive de diagnostic și scanere, paturi și echipamente de recuperare.

– în domeniul birourilor moderne, sistemele de completare automată a formularelor, mașinile de copiere multifunctionale (copiere, scanare, imprimare, fax etc.), distribuitoarele de mâncare și băuturi, sălile de întâlniri și prezentări multimedia, sistemele de control al climatului încorporează tehnologiile mecatronicii.

– în aplicațiile casnice, sistemele de securitate și roboții, aspiratoarele, mașinile de spălat rufe sau vase, ușile automate ale garajelor, centrele de distracții utilizează dispozitive mecatronice și tehnologiile mecatronicii.

– în industria calculatoarelor, hard-discurile (HDD), dispozitivele de ejectare, acces si citire/scriere a flopydiscului, si alte componente electromecanice pot fi considerate produse ale Mecatronicii.

– acestea au și un impact suplimentar deoarece calculatoarele digitale sunt integrate într-o varietate de dispozitive și aplicații.

– în aplicațiile construcțiilor civile, macaralele, excavatoarele, și celelalte mașini pentru construcții, înlăturarea pământului, realizarea de amestecuri, ș.a., își vor îmbunătăți performanțele lor prin adoptarea unei abordări de proiectare mecatroniste.

– în medicină: sisteme robotizate pentru diagnoza prin ecografie, sisteme robotizate pentru intervenții neurochirurgicale; telemanipulatoare pentru chirurgie laporoscopică; vehicule ghidate automat pentru transportul bolnavilor imobilizați la pat; vehicule ghidate automat pentru transportul medicamentelor, alimentelor, băuturilor și lenjeriei de schimb; vehicule ghidate automat pentru activități de curațenie și dezinsecție în spitale; sisteme robotizate pentru pregatirea prin simulare, înainte de operație, a unor intervenții chirurgicale etc.

– pentru reabilitare se pot identifica urmatoarele aplicații: scaun cu rotile pliant îmbarcabil în autoturisme; manipulator pentru deservirea persoanelor paralizate, vehicul pentru conducerea nevăzătorilor etc.

– în construcții: vehicul ghidat automat pentru asfaltarea șoselelor, sistem robotizat pentru stropirea betonului în construcția tunelurilor; robot mobil pentru cofraje glisante; excavatoare autonome, sistem robotizat pentru compactarea și nivelarea suprafețelor turnate din beton; sistem robotizat pentru inspectarea fațadelor clădirilor; sistem robotizat pentru montarea/demontarea schelelor metalice etc.

– în administratia locală: vehicul autonom pentru curațirea zăpezii de pe autostrăzi; vehicul autonom pentru menținerea curățeniei pe străzi; sistem robotizat pentru inspecția și întreținerea automată a canalelor etc.

– pentru protejarea mediului înconjurător: sistem robotizat de sortare a gunoiului în vederea reciclării, sistem automat de inspectare, curățare și recondiționare a coșurilor de fum înalte; platforme autonome mobile pentru decontaminarea persoanelor,clădirilor străzilor; vehicul ghidat automat pentru decontaminarea solului etc.

– în agricultură, dintre aplicațiile posibile amintim: sistem robotizat de plantare a răsadurilor; sistem robotizat de culegere a fructelor; sistem robotizat de culegere a florilor; sistem robotizat de tundere a oilor etc.

– în comerț, transporturi, circulație: vehicule ghidate automat pentru întreținerea curățeniei pe suprafete mari (peroane de gări, autogări și aerogări); sistem robotizat de curățire automată a fuselajului și aripilor avioanelor; sistem automatizat de alimentare cu combustibil a autovehiculelor etc.

– hotelurile și restaurantele pot fi prevăzute cu: sisteme robotizate pentru pregatirea automată a sălilor de restaurant, de conferințe; sistem de manipulare automată a veselei; minibar mobil pentru transportul băuturilor, ziarelor etc.

– pentru siguranta și paza: robot mobil de pază pe timpul nopții în muzee; robot mobil pentru pază clădirilor și șantierelor; vehicul autonom pentru stingerea incendiilor; robot mobil pentru detectarea și dezamorsarea minelor; sistem robotizat pentru intervenții în spații periculoase etc.

– în gospodărie, pentru hobby și petrecerea timpului liber se pot identifica urmatoarele aplicații: robot de supraveghere copii pentru diverse intervale de vârstă; robot de gestionare și supraveghere generală a locuinței, robot mobil pentru tunderea automata a gazonului; instalație robotizată pentru curățirea bărcilor de agrement și sport etc.

– în aplicațiile spațiale, roboții mobili precum Rover-ul NASA de explorare a planetei Marte, roboții stației spațiale, și vehiculele spațiale sunt în mod fundamental sisteme mecatronice.

În ceea ce privește domeniul mecatronicii nu există sfârșit pentru tipurile de dispozitive și aplicațiile care pot încorpora Mecatronica. Granițele tradiționale dintre disciplinele inginerești vor deveni în mare măsură vagi, și domeniul mecatronicii va crește și va evolua către emergența disciplinelor.

II.2 Funcțiile și structura dispozitivelor de manipulare automată

Subsistemul de manipulare are funcția de a genera anumite mișcări ale obiectelor manipulate în conformitate cu o anumită logică secvențială și cu cerințele de manipulare care urmează a fi realizate confom programului.

Dispozitivele de manupulare automată îndeplinesc funcții specifice denumite și funcții aducătoare/evacuare , motiv pentru care ele se mai numesc și subsisteme de aducere/evacuare.

Aceste instalații conțin o serie de dispozitive sau elemente, având diferite funcții.

Dispozitivul este un sistem mecanic destinat efectuării unei operații de manipulare a semifabricatului de pe un conveior pe altul pe poziție verticală.

Funcția pe care îl are dispozitivul este funcția aducătoare care realizează deplasarea în spațiu a obiectului manipulat.Caracterizarea mișcării în timpul transefului din punct de vedere geometric se face print-un punc caracteristic aparținând obiectului manipulat.

II. MOTOARELE DE CURENT CONTINUU

Cele mai utilizate mașini în mecatronică sunt motoarele de curent continuu, motoarele de curent alternativ și motoarele pas cu pas.

Un motor este o mașină destinată transformării energiei în lucru mecanic. Motoarele electrice transformă energia electrică în lucru mecanic.[1]

Principiul de funcționare reiese din figura 2.1

Fig.2.1 Principiu de funcționare a mașinii de curent continuu

Spira parcursă de curent continuu se află într-un câmp magnetic fix, de inducție constantă. Forța electromagnetică, care se dezvoltă asupra laturii spirei generează un cuplu electromagnetic M. Acest cuplu electromagnetic pune spira în mișcare de rotație, dacă M este mai mare decât cuplul rezistent (spira reprezintă de fapt partea mobilă a motorului).

În figura 2.2 se prezintă componentele principale ale unei mașini de curent continuu:

Figura 2.2 Părțile componente ale motorului de curent continuu

1- rulmenți cu bile, 2, 9 – scuturi laterale, 3 – suport perii și portperii, 4 – înfășurare rotorică, 5 – perii, 6 – colector, 7 – carcasă cu magneți permanenți, 8 – miez magnetic rotoric

Mașinile de curent continuu au daou parți principale parte fixă (statoru) și parte mobilă (rotorul):

1) Statorul sau inductorul este partea fixă și cuprinde următoarele: carcasa (jugul statoric), polii de excitație și înfășurarea electrică de curent continuu sau magneții permanenți, polii auxiliari (de comutație și eventual de compensație) și înfășurările corespunzătoare, scuturile frontale, sistemul de perii și portperii. Inductorul asigură existența câmpului magnetic de excitație în circuitul magnetic al mașinii.

În funcție de modul de conectare a înfășurării inductoare, numită și înfășurare de excitație, există mașini de curent continuu cu excitație separată, paralelă sau derivație, serie și mixtă. Primele două tipuri sunt cele mai răspândite în aplicațiile industriale. În ultima perioadă de timp, înlocuirea înfășurării de excitație cu magneți permanenți, a dus la obținerea unor performanțe deosebite ale motoarelor de curent continuu.

2) Rotorul sau indusul este partea mobilă a mașinii și se poate realiza în construcție clasică (având înfășurările bobinate pe periferia rotorului) sau “fără fier”. Armătura rotorică clasică, pentru motoare uzuale, se bazează în general pe tablă silicioasă laminată la cald. Crestăturile sunt deschise pentru a reduce efectele negative ale comutației. Armătura rotorică fără crestături este realizată din tole de aliaj cobalt – fier.

Armătura fără fier este realizată prin turnare în matrițe închise sau deschise, din țesătură de fibră de sticlă impregnată cu rășini epoxidice. Înfășurarea indusului, parcursă de curentul continuu, este realizată în general din sârmă de cupru. În ultimul timp înfășurarea de cupru a fost înlocuită cu înfășurare de aluminiu, ceea ce a determinat reducerea momentului de inerție rotoric de aproape 3 ori.

În sistemele de acționare automate, cum sunt și sistemele de acționare ale sistemelor mecatronice, în cea mai mare parte, motoarele clasice sunt înlocuite cu servomotoare, care au o construcție mai specială. În cazul servomotoarelor excitația se realizează cu magneți permanenți.

Mod de funcționare :

Când înfășurarea rotorului este alimentată, în jurul lui se generează un câmp magnetic (poziție relativă a polilor magnetici, de la stânga spre dreapta: N-NS-S). Polul nord al rotorului e respins de polul nord al statorului spre dreapta și e atras de polul sud al statorului (din dreapta), producând un cuplu mecanic motor care întreține mișcarea de rotație.

Când rotorul este (ajunge) în poziție orizontală (poziție relativă a polilor N-SN-S), colectorul electric de comutare al sensului curentului continuu inversează sensul curentului prin înfășurarea rotorului, inversând polii cîmpului magnetic produs de rotor, se ajunge astfel la poziția relativă a polilor magnetici "N-NS-S" și procesul continuă conform figurii (și explicației de sub figură) din stânga paginii.

În sistemele de acționare automate, cum sunt și sistemele mecatronice, în cea mai mare parte, motoarele clasice sunt înlocuite cu servomotoare, care au o construcție mai specială. În cazul servomotoarelor excitația se realizează cu magneți permanenți.

Figura următoarte prezintă schemele principiale ale servomotoarelor de curent continuu cu rotor cilindric (a), cu rotor pahar (b) și cu rotor disc sau întrefier axial (c).(figura 2.3)

Figura.2.3. Tipuri de servomotoare de curent continuu – secțiuni longitudinale

Dar pe lângă motoarele de curent continuu și servomotoare mai sunt și alte tipuri de mașini motoare, sistem mecanic care transformă diferite forme de energie în energie mecanică.

În funcție de tipul energiei utilizate mașinile motoare pot fi de două feluri:

a. motoare primare care utilizează forme de energie naturală (energia chimică a unui combustibil, energia apei ș.a.), ca de exemplu motoarele cu ardere internă sau turbinele hidraulice;

b. motoare secundare care utilizează forme de energie produse de generatoare de energie (energia electrică, pneumatică ș.a.), ca de exemplu motoarele electrice, motoarele pneumatice, etc.

II.1. Metode de calcul a motoarelor de curen continuu impuse cu sarcină

Pentru obținerea necesarului de cuplu pentru o aplicație practică se folosesc următoarele calcule de momente, forțe de inerțe, cuplu motor, puterea motor :

O sarcină cu mișcare de translație acționată de un MDC cu reductor prin intermediul unui mecanism șurub cu bile-piuliță cu pasul p, conform figurii 2.4.

Figura 2.4 Acționare cu MDC cu reductor și mecanism șurub-piuliță.

Există o gamă largă de motoare de current continuu cu un reductor încorporat în carcasa acestora ce au rapoartele de transmitere în domeniul 2:1, 3:1, 5:1, 10:1. Momentele de inerție al elementelor reductorului (J1 și J2) reduse la axul MDC sunt integrate în momentul de inerție Jm al MDC prezentat în cataloagele firmei.

În cazul de față, momentul de inerție echivalent tuturor elementelor (piuliță-masa, sarcina, șurub) de pe axul șurubului, redus la axul MDC va avea expresia:

[kg*m2] (2.1)

în care: – Jr momentul de inerție resimțit la axul motorului

– Jrm este momentul de inerție aferent maselor în mișcare de translație, redus la axul motorului

– Jsurub este momentul de inerție al șurubului

– raportu de transmitere

unde i reprezintă raportul de transmitere al reductorului, respectiv raportul dintre viteza unghiulară ωm a MDC și viteza unghiulară ωL a șurubului.

II.2 Reducerea Forțelor și Momentelor Rezistente din Sistem

Mecanismul de acționare de tip acționare-sarcină este supus la o serie de forte/ momente rezistente (forțe/momente utile pentru efectuarea operațiilor de lucru, cele de frecare etc.), a căror efect ce acționează de-a lungul lanțului cinematic trebuie cuantificat sub forma unor componente de forță, raportate la tija unui motor liniar, sau sub forma unor componente de moment, raportate la axul unui motor rotativ, în scopul determinării forțelor/momentelor pe care acel motor trebuie să le dezvolte în vederea asigurării deplasărilor impuse prin programul de comandă, în condițiile întâmpinării acelor rezistențe.

Calculul reducerii forțelor/momentelor rezistente se bazează pe scrierea unor ecuații de conservare a lucrurilor mecanice elementare, respectiv a puterilor:

(2.2)

(2.3)

Prima sumă din (22) și (23) cuantifică efectul unor forțe rezistente, iar cea de-a doua pe cel al unor momente rezistente ce acționează asupra diferitelor elemente ale subansamblului mecanism de acționare-sarcină. Pentru simplificare, forțele și deplasările corespunzătoare s-au considerat coliniare [cos(Fi), si=0], iar puterile corespunzătoare cu mișcarea plan-paralelă au fost incluse în cele două sume din dreapta relațiilor. Cu aceste relații se obțin formulele pentru calculul forțelor/momentelor reduse la axul motorului:

(2.4)

(2.5)

Prin analiza ecuației (2.4) și (2.5) se observă că reducerea forțelor/momentelor de rezistență presupune împărțirea cu raportul de transmitere de forma (vj vm), respectiv (ωi̸ωm). Astfel, pentru un exemplu în care luăm în considerare o masă de rotație acționată de un motor rotativ prin intermediul unui reductor armonic cu raportul de transmitere i=50, atunci momentul de inerție corespunzător mesei resimțit la axul motorului va fi de 50 ori mai mică.

În cazul modulelor cu mecanism cu transmisie tangențială a mișcării ec. (2.5) care ia în considerare efectele unor forțe rezistente conduce la:

(2.6)

Pentru un mecanism șurub-piuliță intercalat între motor și sarcină ec. (2.5) permite determinarea momentului necesar pentru compensarea efectelor unor forțe rezistente Fi:

(2.7)

Cu ajutorul relației (2.7) se pot determina următoarele componente ale momentului redus la axul MDC (figura 2.4):

(2.8)

este componenta pentru asigurarea forței FL și ține cont de randamentul η(≈0.9) al mecanismului șurub cu bile-piuliță.

(2.9)

este momentul de frecare determinat de forța de pretensionare Fao a piuliței; k (0.1÷0.3) este coeficientul intern de frecare al piuliței pretensionate.

(2.10)

este momentul datorat frecărilor din ghidaje. FN este forța de reacțiune normală dintre bucși și colane de ghidare (egală în principiu cu suma greutăților care se sprijină pe ghidaje), iar μ(≈0.01) este coeficientul de frecare din ghidajele cu bile.

Dacă între motor și mecanismul de acționare se interpune un reductor cu raportul de transmitere i, atunci toate momentelor reduse la axul motorului trebuie împărțite la i.

III. ALEGERA STRUCTURII SISTEMULUI MECATRONIC

Sistemul mecanic reprezinta un ansamblu de corpuri materiale conceput, proiectat și realizat pentru:

a. efectuarea unui lucru mecanic util sau transformarea energiei mecanice intr-o formă de energie nemecanică, prin utilizarea unei instalații mecanice.În cazul nostru se transfomă energia electrică în lucru mecanică transmis prin șurub cu bile.

b. transformarea unei forme de energie nemecanice în altă formă de energie nemecanică, prin utilizarea unui transformator de energie;

c. dirijarea unor procese nemecanice sau a fluxului de energie, prin utilizarea unui utilaj.

Instalație mecanică

A. Instalația mecanică este un sistem mecanic conceput pentru a furniza energia mecanică necesară efectuării unui lucru mecanic util sau generării unei forme de energie nemecanice.

În cazul instalației mecanice se regasesc următoarele componente din (figura3.1):

mașina motoare – M.M.;

reductor – R.;

dispozitiv de transfer – D.T.;

dispozitiv de prehensiune – D.P.;

semifabricat – S.F.;

suport sistem – S.S.;

bandă transportoare – B.T..

Figura 3.1 Elementele componente ale instalației mecanice

Sarcina utilă propusă spre manipulare este de aproximativ 50g, echivalentu cu greutate semifabricatului obținut din aluminiu.

III.1 Calculului maselor pentru elementele mobile

Pentru a putea obține analiza dinamică a motorului de curent continuu avem nevoie de a calcula elementele care sunt puse în mișcare. Pentru aceastea în primul rând trebuie să ținem cont de sarcina manipulantă care este reprezentată de un ansamblu de piese intercalate între ele pentru a putea acționa asupra semifabricatul.

Semifabricatul se consideră o piesă concretă obținută din prelucrare CNC din aluminiu avănd următoarele caracteristici:

Lungime : 35mm ( A )

Lățime : 35mm ( B )

Grosime : 25mm ( C )

Cunoscând materialul “aluminiu” având o densitate de 2,72kg/dm3 putem calcula masa semifabricatului cu relația (3.11):

m=ρ*A*B*C-găuri și ștrunjiri (3.11)

msemifabricat= 2,72*0,35*0,35*0,20=0,066-0,001369-0,0090=0,056271kg

Din care se scad prelucrările fiind patru găuri și o strunjire cu formula care ne arată masa găurii și masa materialului strunjit :

pi*d2/4*h*ρ – pentru gaură (3.12)

A*l*ρ

În care:

d- diametru cercului

h- înălțimea cilindrului

ρ- densitatea

A-aria suprafeței eliminate

l – lungimea prelucrată

3,14*52/4*25 = 490*10-6 *2,79 = 0,001369 kg

25*130*2,79 = 0,0090kg

Momentrul de inerție este egal cu :

Jx=m(A2+B2)/12 ; Jx=m(B2+C2)/12 [kg*m2] (3.13)

Jx=0,056*(0,0352 + 0,0352)/12=0.0000114 kg*m2

Jx=0,056*(0,0352+0,0202)/12 =0.000007583 kg*m2

Figura 3.2 Desen 3D semifabricat

Calculul sarcinii șurubului cu bile este alcătuită din suma sarcinilor de : semifabricat + dispozitiv de prehensiune + suport dispozitiv de prehensiune + piulița șurubului cu bile + șurubu + 2rulmenți + cuplaj elastic.

0,056kg+0,135kg+0,125kg + 0,200kg + 0,150kg + 0,040kg + 0,042kg =0,748kg

Cunoscând sarcina care trebuie condusă putem calcula puterea necesară pentru a putea fi pusă în funcțiune sistemul:

Calculul motorului electric:

P = M*ω

În care :

P = puterea motorului electric

M= cuplu rezistiv

ω = viteză unghiulară

Unde:

M=F*d

ω = 2*pi*v

În care :

F = forță

d= distanță

V = viteza de deplasare a piuliței șurubului cu bile

Unde :

F=m*g

În care

m = masa obiectelor puse în mișcare

g = forța gravitațională

F =0,748*9,81=7,33Newton

M=7,33*0,120 = 0,88Nm

ω = 2*3,14*10=63 rad/sec

P = 0,88*63 = 55,44 Watt

Pe baza calculului de putere se alege un motor de curent continuu tip Mini DC Gear Motor .

Caracteristicile motorului :

Model : DC4GN60-12

Alimentare : 12V

Putere max.: 60W

Turație nominală : 3000rot/min

Cuplu nominal: 2,3 kg*cm

Durata de viață : 3000 ore

Greutate : 2,2 kg

Figura3.3 Motor electric cu redactor [14]

Motorul electric este dotat cu un reductor de turație cu un raport de 5 astfel turația de ieșire pe arborele reductorului este de 600 rot/min.

Diametru arborelui : ϕ 10

Lungimea Arborelui : 30mm

Capac carcasă: 90x90mm

Dispozitivul de transfer este partea mecanică care se deplasează pe vertical datorită acționării motorului electric prin reductor asupra lui.

Sistemul este alcătuit dintr-un ansamblu de surub cu bile și șine de transfer.

Cunoscând sarcina care trebuie suportată de către șurub se alege un șurub cu bile având următoarele caracteristici:

diametru φ16

lungimea utilă 300mm

sarcină maximă de 1,4kg

masa de 0,2kg

Pasul este de 2,5 mm

Figura 3.3 Șurub cu bile [11]

Piulița șurubului cu bile caracteristici :

material 16MnCr5 sau 20MnCr5,presat, călit, șlefuit

pasul piuliței: 2,5 mm

bilele sunt recirculate intern

cu carcasă tip flanșă

piese de fixare pentru fixare cu talpă și flanșă

Figura 3.4 Piuliță Șurub [12]

Flanșa suport disozitiv de prehensiune :

Este alcătuită dintr-o flanșă pe bază de material plastic ce este asamblată pe piulița transportoare a șurubului cu bile. Are rolul de a susține dispozitivul de prehensiune.

Lungime de 100mm

Lățimea de 66 mm

Grosime de 10 mm

Figura 3.5 Suport dispozitiv de prehensiune

Dispozitivul de prehensiune

Dispozitivul de prehensiune este un dispozitiv dotat cu un motor electric ce angrenează roți dințate care la rândul lor angrenează un șurub cu bile. La răndul ei piulița șurubului cu bile angrenează o cremalieră astfel transmite mișcare de translație la bacuri. Având ca rezultat strângerea semifabricatului.

Figura 3.6 Dispozitiv de prehensiune

Suportu sistemului este alcătuită dintr-un suport metalic conținând o carcasă pentru rulmenții șurubului cu bile , suport motor și suport ghidaje șurubului cu bile.

Bandă transportoare – care preia semifabricatul și îl transportă.

BIBLIOGRAFIE

[1]http://ro.wikipedia.org/wiki/Mecatronic%C4%83

[2]http://ro.wikipedia.org/wiki/Discu%C8%9Bie:Mecatronic%C4%83

http://mdm.utcluj.ro/Revista/capa.htm

[3] http://isel.ro/new/images/catalog/isel_suruburi.pdf

[4] http://www.koyoencoder.com/products/pdf/Flex_Coupling.pdf

[5] http://www.pro-cnc.ro/CATALOG/suport-surub-TBI-MOTION.pdf

http://electrozep.ro/documentatie/PANASONIC,SUNX,NAIS,MATSUSHITA/SENZORI/OPTICI/cx20_en.pdf

http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/SISTEME-MECANICE93912.php

Curs – ȚARCĂ RADU – Sisteme flexibile de fabricație

Curs – POP ADRIAN – Dinamica Sistemelor Mecatronice

http://www.engineeringtoolbox.com/radian-d_942.html

http://www.4industry.ro/ro/prod/suruburi-cu-bile-13/page-1/

http://www.alibaba.com/product-detail/60W-electric-variable-speed-dc-motor_60174681663.html

BIBLIOGRAFIE

[1]http://ro.wikipedia.org/wiki/Mecatronic%C4%83

[2]http://ro.wikipedia.org/wiki/Discu%C8%9Bie:Mecatronic%C4%83

http://mdm.utcluj.ro/Revista/capa.htm

[3] http://isel.ro/new/images/catalog/isel_suruburi.pdf

[4] http://www.koyoencoder.com/products/pdf/Flex_Coupling.pdf

[5] http://www.pro-cnc.ro/CATALOG/suport-surub-TBI-MOTION.pdf

http://electrozep.ro/documentatie/PANASONIC,SUNX,NAIS,MATSUSHITA/SENZORI/OPTICI/cx20_en.pdf

http://www.scritub.com/tehnica-mecanica/SISTEME-MECANICE93912.php

Curs – ȚARCĂ RADU – Sisteme flexibile de fabricație

Curs – POP ADRIAN – Dinamica Sistemelor Mecatronice

http://www.engineeringtoolbox.com/radian-d_942.html

http://www.4industry.ro/ro/prod/suruburi-cu-bile-13/page-1/

http://www.alibaba.com/product-detail/60W-electric-variable-speed-dc-motor_60174681663.html