Ș.L. Dr. ING. Claudia Girjob [309326]

UNIVERSITATEA „LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

SPECIALIZAREA: MECATRONICĂ

PROIECT DE DIPLOMĂ

Coordonator științific:

Ș.L. Dr. ING. Claudia Girjob

Absolvent: [anonimizat]-Cornel COLDEA

Sibiu

2019

UNIVERSITATEA „LUCIAN BLAGA” DIN SIBIU

FACULTATEA DE INGINERIE

SPECIALIZAREA: MECATRONICĂ

STUDIUL ȘI PROIECTAREA UNEI LINII DE ASAMBLARE CU MANIPULATOR

COORDONATOR ȘTIINȚIFIC

Ș.L. Dr. ING. Claudia Girjob

ABSOLVENT: [anonimizat]-Cornel COLDEA

Sibiu

2019

[anonimizat]. Lucrarea face referință strict la manipulatorul cu acționare electrică. Aceasta trebuie să respecte normele europene privind securitatea în muncă si protecția mediului inconjurător. Această linie de asamblare trebuie sa fie cât mai flexibilă pentru a putea fi folosită în realizarea cât mai vastă a produselor. Proiectul isi propune ca această linie de asamblare pneumatică cu manipulator acționat electric să aibă un consum de energie cât mai scăzut.

[anonimizat], urmate de o concluzie și de bibliografie.

[anonimizat], [anonimizat]. Acest capitol prezintă conceptul de mecatronică plecând de la faptul că acest domeniu este foarte cuprinzator și de care suntem tot mai dependenți.

Al doilea capitol prezintă domeniul temei alese și anume nivelul cunoștiințelor in acest domeniu, o [anonimizat]-motoarelor cât și a microcontrolerelor.

[anonimizat] a sistemului de manipulare. Tot în acest capitol a [anonimizat] V5-6R2013, [anonimizat], la baza scrierii programului pe microcontrolerul platformei de dezvoltare Arduino.

[anonimizat], [anonimizat], pentru a ține pasul cu evoluția și progresul tehnologic.

[anonimizat]. The paper refers strictly to the electric actuator. It must comply with the European standards on work safety and environmental protection. This assembly line must be as flexible as possible so that it can be used to produce the widest range of products. The project proposes that this pneumatic assembly with an electrically driven manipulator will have a lower energy consumption.

[anonimizat], followed by a conclusion and bibliography.

[anonimizat], Programming in one word Mechatronic. [anonimizat].

The second chapter presents the chosen theme field and the level of knowledge in this field, a [anonimizat], servo-motors and sensors.
The third chapter is dedicated to the study of the constructive design of the handling system and the functionality of the pneumatic part of the system. Also in this chapter is presented modeling of the electric manipulator in the CAD module of the CATIA V5 software, followed by the electrical scheme and choice of the manipulator trajectory, which then stood at the base writing ofthe program on the development platform microcontroller the Arduino.

The last chapter, the fourth, contains the general conclusion drawn from the study and research carried out, the exploitation of the results and the future development possibilities, in order to keep up with the evolution and the technological progress.

Capitolul 1

Motivarea alegerii temei

Am decis să proiectez și să realizez o linie de asamblare, întrucât acesta înglobează cunoștințele acumulate în domeniu (atât electronice, mecanice cât și de programare). Realizarea acesteia a constituit o provocare pentru mine, ținând cont de nivelul actual de dezvoltare impus, dar și de tendința din ce în ce mai crescută de automatizare în acest domeniu de activitate. Consider oportun să menționez și faptul că, în tot acest demers, pasiunea pentru robotică a îndeplinit principalul rol. Aceasta s-a dezvoltat și datoriă participării inca din primul an de fcultate la diverse activități și concursuri nationale si international precum: Concursul Național „RObotX”, „Eurobot” și „Line follower”.

Introducere

În majoritatea domeniilor tehnologiice se observa o integrare între sistemele mecanice și electronice, integrare care a crescut in special dupa anul 1980. Aceste sisteme electromecanice, formate din componente mecanice si electrice diferite, sa-au transformat în sisteme mecano-electrice integrate, echipate cu microelectronică digitală, PLC-uri, senzori, numidu-se astfel sisteme mecatronice.

Evoluția sistemelor mecanice și electronice este legată în special de anul 1985, când apar sistemele mecatronice, și anume integrarea echipamentelor mecanice și electronice. Noile softuri vor determina funcțiile sistemelor, vor apărea instrumente noi de proiectare (Autocad 1.0 apraut în anul 1982, Catia aprut în 1981) și se vor vedea efectele sinergiei, cum ar fi roboții industriali, fabricația integrată cu calculatorul.

În anul 1978 apare microcontrolerul, iar în anul 1980 apare computerul personal, sistemele de proces, senzorii și actuatorii.

În 1950, apar sistemele mecanice cu control electronic analog și control secvențial. Un exemplu relevant ar putea fi liftul cu comandă electronică. Odată cu anul 1950 apare computerul digital urmat de computerul de proces, din 1959, și de software specializat, capabil să prelucreze informația în timp real. Începând cu anul 1975, s-a facut trecerea de la sistemele mecanice cu control electronic la sisteme mecanice cu control digital continuu sau digital secvențial. În această perioadă apar agregate industriale complexe, mașini unelte, dar și roboți industriali.

Mecatornica

Cuvântul mecatronică a fost folosit pentru prima dată în anul 1969 de către un inginer japonez, Tetsuro Mori, de la compania japoneză Yaskawa Electric Corporation. El a făcut și prima încercare de definire a acestuia. Mecatronică provine din Mecatronics, compus din Meca – mecanism și tronică – electronică. [1] Cu alte cuvinte, tehnologiile și produsele evoluate vor incorpora în mecanismele lor cât mai multă electronică, fiind imposibil să se stabilească unde se termină una și unde începe cealaltă.

Mecatronica este definită ca fiind combinația sinergetică dintre ingineria mecanică, electronică și programare. Scopul acestui câmp ingineresc interdisciplinar este studiul din perspectiva inginerească a sistemelor automate și servește controlului sistemelor hibrid-avansate. Este evident că studiul mecatronicii furnizează un instrument important pentru înțelegerea și explicarea proceselor moderne de proiectare și fabricare, pentru definirea, clasificarea, organizarea și integrarea numeroaselor aspecte. Cu timpul, noțiunea de mecatronică și-a schimbat sensul și a devenit știința inginerească bazată pe disciplinele clasice ale construcției de mașini, electrotehnicii, electronicii și informaticii. Scopul acestei științe este îmbunatățirea funcționalității utilajelor și a sistemelor tehnice, prin unirea disciplinelor componente într-un tot unitar. Mecatronica nu este același lucru cu automatica sau cu automatizarea producției. Acești termeni apar și în afara domeniului mecatronic, dar – în același timp – sunt și incluși în el. Așadar, mecatronica poate fi definită ca o concepție inovatoare a tehnicii de automatizare pentru nevoile ingineriei și educației.

Mecatronica s-a născut ca tehnologie șia devenit filosofie care s-a răspândit în întreaga lume. În ultimii ani, mecatronica este definită simplu: știința mașinilor inteligente. Ca o concluzie, se poate spune, că mecatronica este o sferă interdisciplinară a științei și tehnicii care se ocupă în general de problemele mecanicii, electronicii și informaticii. Totuși, în ea sunt incluse mai multe domenii, care formează baza mecatronicii și care acoperă multe discipline cunoscute, cum ar fi: electrotehnica, energetica, tehnica de cifrare, tehnica microprocesării informației, tehnica reglării și altele.

Fig. 1.1 Structura mecatronicii

Clasificarea sistemelor mecatronice

Prin adăugarea și integrarea componentelor electronice și de comandă cu sistemele de calcul în structurile mecatronice se pot obține sisteme mecatronice corespunzătoare care pot fi clasificate în:

• Componente mecatronice;

• Mașini mecatronice;

• Vehicule mecatronice;

• Mecatronică de precizie;

• Micro-mecatronică.

O altă variantă de clasificare a sistemelor mecatronice poate fi următoarea:

• Sisteme mecatronice convenționale;

• Sisteme micromecatronice;

• Sisteme nanomecatronice.

Se poate observa că în această a doua clasificare apare o nouă clasă de sisteme mecatronice, și anume sisteme nanomecatronice. Dacă principiile de operare și teoriile fundamentale sunt aceleași pentru sistemele mecatronice convenționale și sistemele micromecatronice, respectiv mecanică și electromagnetism, sistemele nanomecatronice sunt studiate cu ajutorul unor concepte și teorii diferite, cum ar fi mecanica cuantică și nanoelectromecanica.

Cea de-a treia clasificare analizează sistemele mecatronice din punct de vedere al caracteristicilor comportamentale:

Sisteme mecatronice automate

Sisteme mecatronice inteligente

Rețele mecatronice inteligente

Sistemele mecatronice automate sunt capabile să manevreze materiale și energie, comunicând cu mediul înconjurător și au capacitatea de autoreglare care le permite să reacționeze la schimbările previzibile ale mediului într-un mod programat anterior. Cele mai multe sisteme mecatronice fac parte din această categorie.

Sistemele mecatronice inteligente sunt capabile să realizeze un scop impus în condiții de incertitudine. Spre deosebire de sistemele mecatronice automate, care sunt programate pentru a se comporta într-un mod dorit, sistemele inteligente pot atinge un scop specificat într-un mod imprevizibil. Ele sunt înzestrate cu un înalt sistem de flexibilitate, fiind capabile să răspundă la schimbări frecvente ale mediului, fără a fi necesară o programare a lor. [3]

Rețelele mecatronice inteligente sunt capabile să răspundă asupra comportamentului lor prin negocieri între unitățile componente autonome.

Robotica

Robotica este știința care se ocupă cu tehnologia, proiectarea și fabricarea roboților. Robotica necesită cunoștințe de electronică, mecanică și programare, iar persoana care lucrează în acest domeniu a ajuns să fie cunoscută ca robotician sau inginer în robotică. Denumirea de robot a fost introdusa pentru prima oara de către Karel Čapek în anul 1921 în lucrarea sa "Roboții universali ai lui Rossum", în 1921 plecând de la cuvântul ROBOTA, muncă, activitate de rutina, preluat de către Isaac Asimov, în povestirea științifico-fantastică "Fuga în cerc" (1941). Robotii sunt mecanisme care îndeplinesc diferite sarcini, singure.Roboții sunt realizați mai alesprin combinația disciplinelor: mecanică, electrotehnică și informatică. Între timp s-a creat din legătura acestora mecatronica. Pentru realizarea de sisteme autonome (care să găsească singure soluții) este necesară legătura a cât mai multor discipline de robotică. Aici se pune accent pe legătura conceptelor de inteligență artificială sau neuroinformatică (parte a informaticii) precum și idealul lor biologic biocibernetică (parte a biologiei). Din legătura între biologie și tehnică s-a dezvoltat bionica.

Cele mai importante componente ale roboților sunt senzorii, care permit mobilitatea acestora în mediu și o dirijare cât mai precisă. Un robot nu trebuie neapărat să poată să acționeze autonom, fapt pentru care se distinge între roboții autonomi și cei teleghidați.

Capitolul 2

Structura generală a unui robot industrial

Un robot industrial tipic este alcătuit din cinci subsisteme de bază:

Sistemul mecanic;

Sistemul de acționare;

Sisremul de transmisie;

Sistemul senzorial și al traductoarelor;

Sistemul de conducere;

Sistemul mecanic: Robotul interacționează cu mediul înconjurător prin structura sa mecanică, care asigură deplasarea, pozitionarea și orientarea organului de execuție (mână, prehensor, gripper). Structura mecanică include structura de locomoție, care asigură deplasarea robotului, și structura de manipulare care asigură poziționarea și orientarea gripperului. Majoritatea structurilor de manipulare au o bază (fixă) și unul sau mai multe brațe articulate. Prin braț se înțelege substructura mecanică cu trei grade de libertate care asigură poziționarea iar prin încheietura mâinii se înțelege substructura cu trei grade de libertate, care asigură orientarea mâinii (efectorului terminal, sculei, etc). Mâna poate fi prevăzută cu două sau mai multe degete pentru apucare.

Fig. 2.1 Componentele sistemului mecanic al unui robot de manipulare

Fig. 2.2 Robot industrial și principalele lui elemente

Sistemul mecanic conține două dispozitive:

Efectorul terminal

Dispozitivul de ghidare

Efectorul terminal are funcția de a solidariza obiectul manipulat de un element al dispozitivului de ghidare.

Dispozitivul de ghidare are funcția de a deplasa un element al său, împreună cu obiectul care a fost solidarizat cu acesta, într-o poziție (de a genera o anumită deplasare).

Avantajele structurilor articulate sunt:

Mare flexibilitate în mișcare;

Posibilitatea poziționării în interiorul sau în exteriorul corpurilor cu geometrii complicate;

Spațiu mai mare de lucru în raport cu dimensiunile componentelor și cu dimensiunile bazei.

Ca dezavantaj putem menționa faptul că structurile articulate sunt mai greu de comandat pentru asigurarea unor mișcări impuse în coordonate carteziene, cele mai utilizate coordonate operaționale în industrie.

Sistemul de acționare: Acesta este reprezentat de totalitatea mecanismelor care convertesc o formă de energie în alta. În robotică, acțiunea rezultată este mișcarea mecanică (rotație sau transalție).

Sistemul de transmisie: Articulațiile unui robot industrial sunt cuplate la motoare prin intermediul sistemului de transmisie care are trei funcții principale:

Produce mișcările robotului;

Transformă mișcările de rotație în mișcări de translație si invers;

Reduce mișcările și amplifică cuplurile.

Sistemele de transmisie se pot împărții în două categorii majore:

Reversibile, avand avantajul că permite robotului să fie interactiv cu mediul

Ireversibile

Sistemul de transmisie include: angrenaje cu roți dintate, curele de transmisie, lanțuri, benzi metalice, cabluri, etc. Aceste elemente trebuie sa maximizeze forța și să minimizeze greutatea și inerția.

Sistemul senzorial: Senzorii sunt elemente care permit unui robot să perceapă mediul inconjurător și să își determine starea internă. Pe lângă senzorii de poziție, viteză, accelerație și forță, sunt incluși în acest sistem și cei care permit vederea, coordonarea mana-ochi, folosirea simțului tactil sau a auzului.

Un robot poate fi echipat cu două tipuri de senzori: interni (interceptivi) și externi (exteroceptivi).

Senzorii interni furnizează informații asupra propriei structuri a robotului și asupra setului de axe de coordonate , în timp ce senzorii externi permit robotului să se poziționeze în mediul de lucru. Senzorii interni mai sunt numiți traductoare iar cei externi sunt numiți simplu senzori.

Senzorii interni includ dispozitive sensibile utilizate pentru măsurarea deplasării, vitezei, accelerației, etc.

Senzorii externi sunt utilizați pentru a furniza robotului informații despre mediul in care evoluează cum ar fi senzorii de presiune, tactili, vizuali, de proximitate, etc.

Sistemul de conducere: Această componentă a roboților prelucrează informația senzorială și generează comenzi în conformitate cu sarcina particulară care trebuie îndeplinită.

Sistemul de conducere are douăcomponente de bază, partea hardware care este sistemul de calcul propriu-zis și partea software, sistemul de programe operaționale. Calculatorul îndeplinește trei funcții de bază, memorarea și secvențierea datelor în sau din memorie (oprirea/pornirea robotului, comanda interacțiunii cu mediul extern).

Avantajele principale ale utilizării roboțiilor industriali (RI) sunt avantaje economice, avantaje sociale generale sau avataje sociale suplimentare. În Fig. 2.3 sunt detaliate aceste avantaje.

Fig. 2.3. Avantajele utilizării roboților industriali

Avantaje și dezavantaje in funcție de sistemul de acționare al roboților industriali

Roboții industriali se clasifică in funcție de sistemul de acționare utilizat dupa cum urmează:

Acționare Hidraulică

Acționare Pneumatică

Acționare Electrică

Alegerea unui sistem de acționare depinde de tipul aplicației și de măsura în care el răspunde scopului propus.

[4]

Clasificări ale roboților industriali

Roboții industriali de tip „braț articulat” (BA) au ca mecanism generator de traiectorie un lanț cinematic deschis compus din cuple cinematice de rotație.

Figura 2.4 Schema cinematică a unui braț articulat

Aceștia au o mare suplețe care permite accesul în orice punct al spațiului de lucru. Dezavantajul său principal îl constituie rigiditatea sa redusă.

Roboții industriali de tip „lanț închis” (LI) au ca și mecanismul generator de traiectorie un lanț cinematic închis, de tip patrulater articulat. Cuplele cinematice care intră în componență lui sunt cuple de rotație. Datorită construcției, ei au un spațiu de lucru considerabil mărit față de roboții de tip BA. Având în vedere rigiditatea lor ridicată ei manipulează sarcini mari.

Roboții industriali de tip „pistol” (P) sunt constituiți dintr-un corp central ce poartă numele de braț , asemănător unei țevi de pistol , care-și poate modifica direcția și lungimea.

Figura 2.5 Schema cinematică a unui robot de tip “pistol” (P)

Construcția lor este simplă și ei se remarcă printr-o suplețe și o dexteritate scăzută. Spațiul lor de lucru este relativ mic.

Roboții industriali de tip „turelă” (T) au o arhitectură asemănătoare celor de tip pistol. Caracteristic pentru acest tip de robot este faptul că între corpul central și braț, având construcția și mișcările similare cu cele ale subansamblului similar de la tipul pistol, se interpune un subansamblu de tip turelă, care permite o rotație suplimentară.

Figura 2.6 Schema cinematică a unui robot de tip “turelă”

Robustețea și suplețea acestui tip de roboți este superioară celor de tip pistol. Roboții de tip turelă sunt utilizați în aproape orice tip de aplicație având din acest punct de vedere un caracter universal.

Roboții industriali de tip „coloană” (C), ca și cei de tip T și P au un braț care poate efectua o translație , numai că aceasta este purtat de o coloană verticală care se poate roti și permite în același timp- și o translație pe verticală.

Figura 2.7 Schema cinematică a unui robot de tip “coloană”

Sunt mai puțin suplii decât cei de tip pistol și turelă. Din punct de vedere structural schema cinematică a unui robot coloană este redată în figura de mai sus. Roboții de tip coloană au o construcție simplă, sunt robuști și au o bună dexteritate.

Roboții industriali de tip „cadru” (CD) au o rigiditate deosebită, coloana de la tipul precedent fiind înlocuită cu un cadru. In rest ei au structura roboților de tip coloană.

Roboții industriali de tip „portal” (PO) se întâlnesc frecvent în industria de automobile. Din punct de vedere structural ei aparțin tipului TTT. În cazul în care este necesară manipularea unor piese grele într-un spațiu de dimensiuni mari se utilizează tipul portal.

Roboți industriali de tip „cărucior” (CA) se montează pe cărucioare care se pot deplasa liber pe șine. Acestea sunt cele mai des utilizate arhitecturi de roboți industriali de topologie serială. Pe lângă aspectul general arhitectura roboților influențează în mod direct performanțele acestora, în principal rigiditatea, forma și dimensiunile spațiului de lucru.

Astfel roboții de tip coloană, pistol au un spațiu de lucru cilindric, în timp ce, cei portal au spațiul de lucru de formă paralelipipedică. Roboții de tip turelă și braț articulat au spațiul de lucru sferic.

Tipuri de coordonate utilizate in studiul roboților industriali

Poziția unui punct în spațiu este determinată prin trei parametri geometrici independenți între ei, care pot fi coordonatele punctului considerat. Dacă se stabilește o lege de determinare a acestor parametri pentru orice punct din spațiu, spunem că am stabilit un sistem de coordonate.

Punctul caracteristic poate fi poziționat în interiorul spațiului de lucru al robotului industrial într-unul din următoarele sisteme de coordonate :

cartezian;

cilindric;

sferic;

curbiliniu.

Alegerea unuia sau a altuia dintre sisteme se face și în concordanță cu arhitectura robotului. De exemplu un mecanism de generare a traiectoriei de structură TTT impune coordonatele carteziene iar un mecanism de generare a traiectoriei de structură TRT impune coordonatele cilindrice.

Ecuațiile parametrice ale mișcării în sistemul cartezian sunt :

(2.1)

Ecuațiile parametrice ale mișcării în sistemul cilindric sunt :

(2.2)

Ecuațiile parametrice ale mișcării în sistemul sferic sunt:

(2.3)

Sisteme de coordonate curbilinii:

În sistemul de coordonate curbilinii vectorul de poziție “r” este definit ca o funcție vectorială de trei coordonate scalare q1 , q2 , q3 , independente între ele.

(2.4)

Componentele scalare carteziene ale acestuia au expresiile :

(2.5)

Întrucât fiecărui vector “r” îi corespunde un anumit punct M și trei coordonate q1 , q2, q3 , rezultă că fiecare din aceste coordonate este funcție de poziția punctului caracteristic.

(2.6)

Mărimile q1 , q2 , q3 se numesc coordonatele curbilinii ale punctului M. Cunoașterea mișcării punctului caracteristic se reduce la cunoașterea funcțiilor :

(2.7)

Dacă toate cele trei coordonate curbilinii sunt funcții de timp, vârful vectorului “r”, care reprezintă punctul caracteristic mobil, se poate afla în orice punct din spațiu. Dacă una dintre coordonatele curbilinii este constantă, iar celelalte două variabile, punctul caracteristic se poate deplasa pe o suprafață.

Dacă două din cele trei coordonate curbilinii sunt constante iar cea de a treia este variabilă, punctul caracteristic descrie o curbă. Obținem astfel trei curbe numite curbe de coordonate curbilinii.

Prehensoare. Tipuri de prehensoare

Prehensiunea reprezintă interacțiunea dintre două corpuri, corpul care manipulează (robotul) și corpul manipulat (obiect'piesă), în vederea schimbării poziției acestuia față de un sistem de referință considerat fix. Realizarea prehensiunii presupune realizarea a cel puțin trei functiuni: realizarea cuplării (contactul) cu obiectul manipulat, menținerea cuplării (contactului) și decuplarea (despicarea) obiectului adus în poziție finală, în condițiile menținerii integrității obietului manipulat. Prehensorul este dipozitivul destinat îndeplinirii funcției de prehesiune. Pe lângă funcțiile de bază amintite, prehensonul poate îndeplinii și alte funcții cum ar fi: acționarea prin împingere, apăsare, agățare, ridicare, etc.

După tipul fortei de prehensare prehensoarele se pot califica în:

prehensoare mecanice

prehensoare cu vaccum

prehensoare electromagnetice

prehensoare speciale

Functie de particularitatile constructive prehensoarele mecanice se pot clasifica in:

prehensoare cu bare articulate: cu bacuri; antropomorfe

prehensoare tentaculare

Sistemele de bare articulate ofera numeroase posibilități de prindere a obiectului piesa. Prehensoarele antropomorfe pot avea doua , trei sau mai multe degete alcatuite din segmente interconectate prin cuple de rotatie, denumirea acestora provenind de la gradul ridicat de similitudine cu mana umana.

Prehensoare tentaculare. Degetele acestor prehensoare sunt construite pe baza unor mecanisme asemanatoare celor ale robotilor trompoidali. Astfel de prehensoare sunt utilizate in manipularea obiectelor piesa cu forme complexe, fragile, cu greutati mici si medii fara conditii severe de precizie.

Prehensoarele vaccumatice se utilizeaza in situatiile in care obiectul piesa prezintă suprafețe plane. Astfel de prehensoare permit manevrarea unor obiecte confecționate din diverse materiale. Principiul de functionare al acestor prehensoare se bazeaza pe eliminarea aerului dintre suprafata obiectului prehensat.

Prehensoarele electromagnetice prezinta o constructie simpla nu sunt supuse uzurii pot genera forte relativ mari raportate la unitatea de suprafata, alimentarea lor cu energie fiind mai avantajoasă comparativ cu alte tipuri. Nu pot functiona însă la temperaturi ridicate, necesita intretinere permanentă si au grad de selectivitate redus in cazul unor piese usoare dispuse in pachete.

Prehensoarele speciale sunt mai rar intalnite în practica curentă, ele având ca principii de funcționare fenomene si sau efecte ce pot rezolva problema prehensiunii unor obiecte pentru care solutiile clasice de prehensoare nu dau rezultate. Printre aceste tipuri de prehensoare sunt:: prehensoare cu elemente elastice multiple metalice, nemetalice, cu adaptare la forma piesei prehensate, prehensoare cu efecte electrostatice , cu straturi adezive, cu material cu memorie. Robotul poate înlocui un operator uman și în locuri de muncă ce presupun manevrarea unor unelte, scule, dispozitive, repetând identic, timp indelungat mișcări specifice. În aceste situații utilizarea unui prehersor pentru prinderea, fixarea și manevrarea acestora reprezintă o complicare inutilă a sarcinii robotului, optând în marea majoritate a cazurilor la etanșarea directă a unui efector terminal specializat (sculă, unealtă, dispozitiv) la sistemul de ghidare al robotului. Această soluție este utilizată în cazul roboților specializați, alocați unui anumit loc de muncă, de tip manipulator. Roboții evaluați pot fi dotați cu efectoare terminale interschimbabile. Astfel de roboți pot fi utilizați în diverse locuri de muncă, realocarea acestora presupunând doar schimbarea efectorului terminal și a programului de conducere prin calculator.Aceste adaptări tehnologice conduc la costuri mult mai mici decât cele presupuse de schimbarea sistemului de mașini sau de cele legate de procurarea unui robot specializat nou. [6]

Forța necesară menținerii contactului între prehensor și obiect-piesă se calculează, pentru cazul cel mai defavorabil în care forța de greutate și inerție au aceași direcție și același sens, cu relația:

F’=k1*k2*(G+Fi)=k1*k2*m*(a+g) (2.8)

Unde m reprezintă masa corpului manipulat, a accelerația imprimată acestuia, g accelerația gravitațională, k1 coeficient dependent de poziția relativă a obiectului piesă față de bacuri, de direcția și sensul forțelor față de prehensor, k2 este un coeficient de siguranță cu valori cuprinse între 1,5 si 2.

În cazul în care se ține cont de randamentul motorului de actionare precum și a randamentului sistemelor de transmitere utilizat, calculul forței necesare menținerii contactului se face cu formula:

Fc=β*Fd (2.9)

Unde Fd este forța ce acționează dinspre piesă spre bancuri determinând desfacerea simetrică a prehensorului, β coeficientul cu valori cuprinse intre 2,5 si 3. [11]

Spațiul de lucru al roboțiilor de manipulare

Spațiul de lucru al roboțiilor de manipulare reprezintă volumul în care efectorul final poate fi poziționat și orientat. Pentru roboți plani suprafța de lucru reprezintă aria accesibilă în care efectorul final se poate poziționa. La proiectarea roboților de manipulare, spațiul de lucru indică limitele posibilelor mișcări ale robotului. Din cauza semnificației pe care o are spațiul de lucru pentru potențiale aplicații și sarcini pe care le poate indeplini un robot de manipulare, acest spațiu este de obicei specificat de fabricantul robotului

Fig. 2.8 Diverse spații de lucru ale roboțiilor industriali

Sisteme pneumatice

În sistemele pneumatice sunt înglobate mașini și aparate în care aerul comprimat este utilizat ca agent purtător de energie. Fiind obținut ușor, el este disponibil peste tot și în cantități nelimitate, provenind din aerul atmosferic, căruia i se ridică artificial presiunea la o valoare numită presiune de utilizare.

Avantaje și dezavantaje

Sistemele pneumatice prezină următoarele avantaje:

simplitate constructivă;

viteze și cadențe mari de acționare;

elasticitate crescută în funcționare;

posibilitatea facilă de conectare a sistemelor la rețeaua de aer comprimat a unității;

întreținere ușoară;

fiabilitate ridicată;

preț scăzut;

sunt insensibile la variații de temperatură;

aerul comprimat eliminat din sistemele pneumatice este puțin poluant.

Aceste sisteme prezină însă și unele dezavantaje:

necesită o foarte bună filtrare a aerului atmosferic;

nu pot dezvolta decat forțe/momente reduse datorită presiunilor joase la care lucrează;

nu permit obținerea unor viteze regulate datorită compresibilității aerului;

necesită dispozitive suplimentare (frâne electromagnetice) care să asigure oprirea cuplelor cinematice motoare în anumite poziții;

aerul eliminat din aceste sisteme produce zgomote.

Convertoare electromecanice

Principiul conversiei energiei electrice în energie mecanică are la bază o multitudine de fundamente principiale, care au rezultat în urma muncii experimentale.

Un dispozitiv de conversie electromecanică este în definitiv un mediu de transfer dintre o „mărime de intrare” și o „mărime de ieșire”.

În cazul unui motor electric, mărimea de intrare este reprezentată de energia electrică consumată de la sursă și mărimea de ieșire este reprezentată de energia mecanică care poate antrena spre exemplu: o pompă, un ventilator sau orice altă „sarcină” mecanică.

Fig. 2.9 Diagrama bloc de conversie a energiei (a) – motor, (b) – generator

În continuare se va începe o scurtă recapitulare a „forței Lorentz” și a „legii Biot-Savart”.

Forța Lorentz

O particulă încărcată „q” în mișcare cu o viteză „V” într-un câmp magnetic cu o densitate de flux „B”, experimentează o forță a cărei mărime este proporțională cu produsul dintre mărimea particulei încărcate „q”, viteza ei și densitatea de flux „B”.

(2.10)

O interpretare a ecuației de mai sus se regăsește în următoarea figură:

Figura 2.10 Produsul vectorial “W” a doi vectori “U” și “V”, folosind (A) regula mâinii drepte; (B) regula burghiului

Legea Biot-Savart-Laplace

În electromagnetism, Legea Biot-Savart (numită și Legea Biot-Savart-Laplace) este o ecuație care descrie valoarea câmpului magnetic în jurul unui conductor parcurs de curent electric în funcție de intensitatea curentului. A fost descoperită de Jean-Baptiste Biot și Félix Savart în 1820.

Una dintre formulări este următoarea:

Într-un punct M, la o distanță de un element de conductor de lungime dl străbătut de un curent de intensitate I apare un câmp de inducție magnetică:

(2.11)

unde elementului de lungime dl i s-a asociat sensul curentului.

Ea demonstrează că se poate atribui oricărui curent continu I, așezat în vecinătatea unui punct P, un câmp de inducție magnetică , care în punctul M este definit după cum urmează:

este perpendicular pe planul definit de dl în M;

are mărimea:

(2.12)

unde este unghiul ().

Laplace a generalizat penultima relație și a arătat că un câmp de inducție magnetică creat de un curent ce străbate un conductor de formă oarecare poate fi exprimat ca suma vectorială a câmpurilor create de porțiuni elementare de conductor:

(2.13)

Motorul de curent continuu

O caracteristică importantă a motoarelor de curent continuu este aceea că la pornire acesta generează un cuplu mare permițând pornirea motorului în sarcina, dezvolta un raport de cuplu-viteza corespunzător pentru sarcini de lucru ridicate. O altă caracteristică importantă a motorului de curent continuu este că puterea și cuplurile sunt concentrate într-o dimensiune compactă în comparație cu alte tipuri de motoare electrice.

Motoare electrice de curent continuu cu perii

Rotorul motorului are în componență o bobină alimentată la o sursă de tensiune continuă prin perii de carbon. Statorul este alcătuit dintr-un magnet permanent sau o bobină, în cazul în care statorul conține o bobină aceasta poate fi conectată cu bobina rotorului în serie sau în paralel sau poate fi excitat separate.

Figura 2.11 Motor electric de curent continuu cu perii

Comanda motoarelor de curent continuu cu perii poate fi dată de tensiunea de alimentare a acestora la o sarcină constantă. Pentru a comanda momentul motorului se utilizează reglajul curentului în buclă.

Clasificare motoarelor de curent continuu cu perii:

cu excitație paralel;

cu excitație derivație;

cu excitație serie;

cu excitație mixtă.

Motoarele cu excitație derivație sunt folosite la acționarea mașinilor unelte grele, alimentarea acestora făcându-se de la o sursă de tensiune constantă sau având numai înfășurarea de excitație la tensiune constantă, iar indusul alimentat de la o sursă de tensiune variabilă (motoare cu excitația alimentată separat).

Motoarele cu excitație serie sunt folosite în tracțiunea electrică, la acționarea tramvaielor, troleibuzelor, electrocarelor, la demararea motoarelor autovehiculelor și la unele macarale. Ele au caracteristică mecanică moale (viteza scade mult la creșterea cuplului de sarcină), au cuplu mare la pornire, suportă mai bine suprasarcinile și nu sunt sensibile la căderile de tensiune.

Motoarele cu excitație mixtă se utilizează la acționările mecanismelor cu regim variabil, cu număr mare de conectări și frânare dinamică la oprire. Caracteristicile lor sunt intermediare în raport cu cele ale motoarelor derivație și serie.

Avantajele acestor tipuri de motoare sunt cele privind costul, având un preț relativ mai mic, comanda lor fiind simplă.

Dezavantajul este acela că nu lucrează cu aceeași precizie ca motoarele brushless și au nevoie de traductoare de poziție cum ar fi encoderele rotative (în aplicațiile uzuale unde este nevoie de cunoașterea exactă a numărului de rotații efectuate).

Motoare electrice de curent continuu fără perii

Motoarele electrice de curent continuu fără perii, în limba engleză Brushless DC electric motor, se deosebesc de celelalte tipuri de motoare electrice prin faptul că învârtirea rotorului se realizează în comutația cailor de curent electrică. Este un motor fără colector deoarece nu are perii colectoare spre deosebire de cele care au perii colectoare la care comutarea este electromecanică.

Figura 2.12 Motor electric de curent continuu fără perii “Brushless Velineon 3500”

Acest tip de motor fără perii colectoare este un motor de curent continuu sincron, a cărui funcționalitate se bazează pe un sistem electric de comutație, comutarea câmpurilor electromagnetice pentru învârtirea rotorului este comandata și controlată cu ajutorul unui circuit electronic cu microprocesor.

Avantajele motoarelor electrice fără perii față de cele cu perii:

cel mai important avantaj este acela de comutare fără scânteie intre perii care prezintă un dezavantaj a motoarelor cu perii introducând semnale parazite care deranjează alți consumatori conectați la aceeași rețea de alimentare;

durata de utilizare a acestora este considerabil mai mare în raport cu motoarele electrice având colector deoarece apare uzura periilor colectoare generând periodic problem de service;

datorită faptului că la aceste motoare lipsesc periile, colectorul și dispozitivele electromecanice, se poate atinge viteza maximă spre deosebire de motoarele cu perii la care viteza este limitată de încălzirea perilor colectoare;

au o precizie ridicată.

Determinarea poziției reale a rotorului aflat în mișcare de rotație se determina cu ajutorul unui sensor Hall, senzori optici dispuși pe stator și o comutare nesenzorială. Unul dintre marile dezavantaje este acela că motoarele de curent continuu fără perii au un preț ridicat.

Motoare pas cu pas

Acest tip de motoare sunt dispozitive electromecanice care convertesc impulsurile electrice în mișcări discrete

Figura 2.13 Părți componente motor electric pas cu pas

Acestea executa mișcări în pași incrementali, iar rotația motorului este strâns legată de caracteristica impulsurilor electrice, astfel se determina direcția de rotație a motorului în funcție de cum sunt aplicate impulsurile electrice. Și viteza de rotație este dependent de frecvență impulsurilor electrice, iar deplasarea unghiulară depinde de numărul de impulsuri electrice aplicate.

Avantajele motoarelor pas cu pas sunt:

Precizie ridicată având o eroare de 3-5%;

Rotația unghiulară a motorului este direct proporțională cu impulsurile electrice;

Se comporta bine la pornire, oprirea și schimbarea de directive a rotației;

Se poate utiliza pentru obținerea unei viteze foarte mici cu sericina directă pe axul motor.

Dezavantajele motoarelor pas cu pas sunt:

Sunt greu de controlat la viteze foarte mari;

Poate apărea efectul de rezonanță în cazul unui control deficitar (rezonanta reprezintă tendința unui sistem de a oscila cu o amplitudine mai mare la unele frecvente decât la altele).

Acest tip de motoare reprezintă o alternativă economică pentru aplicațiile unde nu este nevoie de viteze sau performante dinamice foarte mari.

Tipuri de motoare pas cu pas:

Motoare pas cu pas cu reluctanță variabilă;

Motoare pas cu pas cu magneți permanenți;

Motoare pas cu pas hibrid.

Motoare pas cu pas cu reluctanța variabilă:

Rotorul este realizat din fier moale;

Înfășurările sunt pe stator;

Axul motor se rotește cu un unghi cuprins între 5o și 15o;

Nu menține axul motor fix în lipsa tensiunii.

Figura 2.14 Principiul de funcționare cu pași de 30o al unui motor pas cu pas cu reductanță variabilă

Motoare pas cu pas cu magneți permanenți:

Rotorul este realizat din magneți permanenți;

Înfășurările sunt pe stator;

Axul se rotește cu un unghi de 45o sau 900 având un cuplu ridicat dar viteza redusă.

Figura 2.15 Principiul de funcționare cu pași de 45o al unui motor pas cu pas cu magneți permanenți

Motoare pas cu pas hibride:

Reprezintă o combinație constructivă între cele două tipuri prezentate mai sus;

Au un regim de funcționare cu viteze mari și cuplu dinamic mare;

Cuplul acestui tip de motor asigura menținerea fixă a axului motor și în lipsa tensiunii.

Figura 2.16 Principiul de funcționare al unui motor pas cu pas hibrid

Clasificarea motoarelor pas cu pas în funcție de modul de realizare a bobinelor

Motoare pas cu pas unipolare;

Motoare pas cu pas bipolare.

Motoare pas cu pas unipolare

Are două bobine pe pol având un început legat împreună;

Circuitul de comandă este simplu la acest tip constructive deoarece pentru obținerea mișcării de rotație, sensul curentului prin bobine nu trebuie schimbat;

Dacă nu se conectează cele două începuturi comune ale bobinelor motoul pas cu pas având aceasta constructive poate fi privit ca un motor bipolar.

Motoare pas cu pas bipolare

Are o înfășurare pe pol;

Poate necesita un circuit de comandă mai complex pentru obținerea mișcării de rotație din

cauza faptului că sensul de curentului prin bobina trebuie schimbat;

Avantajul față de cel unipolar este acela că la același gabarit cel bipolar dezvolta un cuplu mai mare.

Servomotorul de curent continuu

Servomotoarele sunt dispozitive alcătuite dintr-un motor de curent continuu care cu ajutorul unor angrenaje antrenează axul de ieșire, pe care este montat un potențiometru care joacă rolul de senzor de poziție. Astfel axul de rotație al servomotorului nu realizează o rotație continua și doar un unghi de 180 de grade (în mod uzual).

Figura 2.17 Servomotoare părți componente

În figura de mai sus se pot evidenția următoarele părți distincte:

1 – motor electric de curent continuu, 2 – roți dințate, 3 – potențiometru, 4 – circuit comandă

Servomotoarele se utilizează pentru a realiza o anumită rotație unghiulară având potențiometrul care juca rolul de senzor de poziție mișcarea acestuia fiind monitorizată în orice moment de timp.

Aceste servomotoare se utilizează pentru precizia unghiulară ridicată pe care acestea o au. Spre deosebire de motoarele de curent continuu care încep să se rotească în momentul în care sunt alimentate, servomotoarele încep să lucreze doar în momentul în care primesc comandă chiar dacă sunt alimentate. Poziția acestuia este controlată cu ajutorul unei bucle de reactive (feedback).

Servomotoarele lucrează în comandă PWM adică în funcție de factorul de umplere al semnalului axul motor va avea o anumită poziție așa cum este prezentat mai sus. Cele mai uzuale valori ale factorului de umplere a semnalului sunt 1 ms pentru 180 de grade și 2 ms pentru 0 grade.

Microcontrolere

Un microcontroler este un mini sistem de calcul, capabil să execute cu o viteză foarte mare instrucțiunile unui program stocat în memorie; acest program este o secvență logică de operații ce poate implementa algoritmii necesari pentru controlul proceselor.

Microcontrolerul are integrate pe același cip: oscilatorul, memoria (RAM, ROM, EEPROM), numărătoare, blocuri analogice, interfețe de comunicație și porturi de intrare ieșire.

Microcontrolerele sunt caracterizate in general prin:

dimensiune redusă a memoriei program și a memoriei de date;

conțin module pentru interfațarea atât digitală cât și analogică cu senzori și actuatori;

răspund rapid la evenimente/întreruperi externe;

sunt de o mare varietate pentru a putea fi satisfăcute cerințele diverselor aplicații la un raport bun preț/performanță.

Ceea ce deosebește fundamental un microcontroler de un circuit integrat analogic sau digital, este faptul că el nu poate face nimic dacă nu este programat. Programul software conferă microcontrolerului, abilitatea de a realiza funcții diferite cu aceeași configurație hardware.

Scrierea programului se realizează de obicei într-un editor ce permite salvarea liniilor comandă introduse. Există mai multe opțiuni pentru scrierea programului de control al aplicației și anume:

cod mașină (cod hexazecimal);

limbaj de asamblare;

limbaj de nivel înalt (C, Pascal, Basic, etc.).

Comenzile recunoscute de microcontroler sunt cele scrise în cod mașină. Limbajul de asamblare și limbajele de nivel înalt sunt mai evoluate, conțin instrucțiuni ce sunt ușor de reținut, dar pentru transformarea acestora în cod mașină este nevoie de un „compilator”.

Compilatorul este un program software, de obicei oferit gratuit de producătorii microcontrolerelor. Pentru a transfera codul hexazecimal rezultat în urma compilării, în memoria ROM (memoria program) a microcontrolerului este nevoie de un programator.

Figura 2.23 Schema bloc a unui microcontroler

Apariția și utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducere consistentă a costurilor, dimensiunilor, consumului și o îmbunătățire a fiabilității.

Pe măsură ce procesul de miniaturizare a continuat, a fost posibil ca majoritatea componentelor necesare realizării unei astfel de structuri să fie încorporate la nivelul unui singur microcircuit (cip). Astfel ca un microcontroler ar putea fi descris ca fiind și o soluție a problemei controlului cu ajutorul a (aproape în totalitate) unui singur circuit.

Legat de denumiri si acronime utilizate, așa cum un microprocesor de uz general este desemnat prin MPU (MicroProcessor Unit), un microcontroler este, de regulă, desenat ca MCU, deși semnificația inițială a acestui acronim este MicroComputer Unit.

O definiție, cu un sens foarte larg de cuprindere, ar fi aceea că un microcontroler este un microcircuit care încorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie împreună cu resurse care-i permit interacțiunea cu mediul exterior.

Resursele integrate la nivelul microcircuitului ar trebui să includă cel puțin următoarele componente:

o unitate centrală (CPU), cu un oscilator intern pentru ceasul de sistem;

o memorie locală tip RON/PROM/EPROM/FLASH și eventual una de tip RAM;

un sistem de întreruperi;

I/O – intrări/ieșiri numerice (de tip paralel);

un port serial de tip asincron și/sau sincron, programabil;

un sistem de timere – temporizatoare/numărătoare programabile;

Este posibil ca la acestea să fie adăugate, la un preț de cost avantajos, caracteristici specifice sarcinii de control care trebuie îndeplinite:

un sistem de conversie analogic și/sau ieșiri PWM (cu modulare in durată);

un comparator analogic;

o memorie de date nevolatilă de tip eeprom;

facilități suplimentare pentru sistemul de temporizare/numărare (captare și comparare);

un ceas de gardă (timer de tip watchdog);

facilități pentru optimizarea consumului propriu.

Un microcontroler tipic mai are, la nivelul unității centrale, facilități de prelucrare a informației la nivel de bit, de acces direct și ușor la intrări ieșiri și un mecanism de prelucrare a întreruperilor rapid și eficient.

Utilizarea unui microcontroler constituie o soluție prin care se poate reduce foarte mult numărul componentelor electronice precum si costul proiectării și al dezvoltării unui produs.

Capitolul III

Proiectarea constructiv funcțională a manipulatorului acționat electric

Sistemul electronic de comandă al bratului robotic

Comanda și controlul sistemului de locomoție depind de mai multe componente electronice – fiecare cu un rol bine definit – care sunt conectate între ele.

Eficienta brațului robotic depinde foarte mult de platforma folosită pentru control. Așadar pentru aceasta s-a folosit placa de dezvoltare Arduino Mega 2560. Fiind o platformă open-source, a devenit în timp, foarte accesibilă, întrucât este un mediu de dezvoltare integrat care poate fi programat cu ușurință de pe computerele personale folosind limbajul C și C++

Fig. 3.1 Arduino Mega 2560

Am ales această placă de dezvoltare datorită limbajului de programare și pentru că pe viitor doresc să fac un upgrade acestei lucrări iar acestă platformă de dezvoltare îmi permite acest lucru. Este o componentă electronică echipată cu un microprocesor AVR, ATmega2560, și conține 54 de intrări sau ieșiri digitale, dintre care 15 pot fi utilizate ca ieșiri PWM, 16 intrări analogice, 4 porturi seriale hardware (UART), un buton de reset, un port USB tip B și un oscilator (cristal de quartz) de 16 [Mhz]. Alimentarea se poate face în intervalul 6-20 [V], recomandat fiind intervalul 7-12 [V]. Cele 54 de intrări digitale pot fi utilizate ca ieșiri sau intrări, folosind funcțiile: digitalWrite(), pinMode(), digitalRead(). Funcția analogWrite() furnizează ieșiri pe pinii 2-13 și 44-46.

Fig. 3.2 Layout Arduino Mega 2560

Tabel 1 Caracteristici principale Arduino Mega 2560

Placa de dezvoltare Arduino nu este capabilă să genereze pe ieșire un curent care să poată antrena în mișcare de rotație servo-motorul. Este chiar contraindicată alimentarea directă a servo-motorului sau a oricarui tip de motor la aceasta, deoarece se poate produce arderea procesorului. Prin urmare, este nevoie de o altă componentă sau de alimentare externă care să fie capabilă să ia puterea din rețeaua electrică și să o transmită motoarelor în funcție de comanda dată de Arduino.

Sistemul electronic de comandă al servo-motoarelor

Shield-servo-drive-16ch (Fig.3.3) este driverul pentru servo-motoare care îndeplinește dezideratul pus în discuție. Acesta poate alimenta 16 servo-motoare de curent continuu și poate opera cu tensiuni cuprinse între 3.3 [V] și 6 [V] si la o frecvență PWM de 1.6 KHz. Poate opera servomotoare de pana la 5Kg N*M.

Fig. 3.3 Shield-servo-drive-16ch

Servo-motorul utilizat

Motorul utilizat în realizarea acestei lucrări este un servo-motor MG996R. Acest servo-motor este o versiune îmbunătățită a servo-motorului MG995 cu un sistem de control foarte precis. Are un sistem de transmisie cu roti dințate din metal ceea ce il face mult mai fiabil în timp si cu un cuplu ridicat acesta fiind și principalul motiv pentru care am ales acest tip de motor. Se poate roti 120 de grade.

Acest servomotor a fost ales deoarece prezintă un cuplu suficient de mare pentru aplicația aleasă, o greutate relativ scăzută pentru cuplul generat și datorită plajei de tensiuni de alimentare.

O greutate prea mare a servomotoarelor, a cuplajelor, a elementelor de susținere o să facă servomotoarele să necesite mai mult curent, să se încălzească și/sau să funcționeze necorespunzător. De aceea se încearcă pe cât posibil reducerea greutății ansamblului.

Fig. 3.4 Servo-motor MG996R

Servo-motorul are următoarele specificații tehnice:

– Greutate: 55g

– Dimensiune: 40,7 x 19,7 x 42,9 mm

– Timp de cuplare: 9,4 kg / cm (4,8 V); 11 kg / cm (6,0 V)

– Viteza de operare: 0,19 sec / 60 de grade (4,8 V); 0,15 sec / 60 de grade (6,0 V)

– Tensiune de lucru: 4,8 ~ 7,2V

– Interval de temperatură: 0- 55 șC

– Puterea de funcționare fără sarcină este de 170 mA

– Curentul de rulare 500 – 900 mA [8]

Asamblarea și proiectarea brațului robotic

Se va continua cu asamblarea/ proiectarea și prezentarea componentelor brațului în mediul oferit de „CATIA P3 V5-6R2013”.

Motoarele sunt fixate pe poziție cu ajutorul unor suporturi universale fabricate din aluminiu. Acestea, împreună cu motorul sunt prezentate în imaginile de mai jos.

Fig. 3.5 Suport Bază

Fig. 3.6 Suport Servo-motor

Fig. 3.7 Servo-motor

Fig. 3.8 Cuplaj în formă de U

Fig. 3.9 Cuplaj în formă de L

Fig. 3.10 Gripper

Figura 3.11 Servomotor „MG996R” fixat în prindere

În figura 3.5 se pot evidenția următoarele componente distincte:

1 și 2 șuruburi de fixare M3X6 mm;

3 cuplaj pentru axul motorului;

4 servomotor “MG996R”;

5 suport servomotor “MG996R”.

Toate cele patru servomotoare componente “MG996R” o să fie fixate într-un suport ca și cel prezentat în figura 3.5.

Figura 3.12 Servomotor „MG996R” rotație în jurul axei Z

Baza brațului robotizat este construită din trei profile universale din aluminiu, conectate între ele prin șuruburi. Pe acestea se fixează primul servomotor responsabil cu rotația brațului în jurul axei Z, după cum este prezentat în imaginea de mai sus.

Tot ca și în cazul de mai sus se folosesc profile de aluminiu deoarece sunt ușoare și prezintă o bună rezistență mecanică pentru aplicația propusă.

Se continuă cu adăugarea următorului servomotor “MG996R”, al cărui suport este prins de cuplajul servomotorului anterior.

Figura 3.13 Fixarea celui de-al doilea servomotor „MG996R” pe cuplajul primului servomotor

Deoarece următoarele servomotoare trebuie sa aibă axele de rotație paralele una cu cealaltă o să se folosească profile în formă de „U” împreună cu niște rulmenți pentru a reduce forța de frecare întocmai ca în imaginea de mai jos.

În figura de mai jos se disting următoarele părți componente numerotate:

1 și 2 rulmenți;

3 și 4 profil din aluminiu în formă de „U”;

5 bază braț robotic formată din 3 profile universale din aluminiu.

Figura 3.14 Fixarea celui de-al treilea servomotor „MG996R” pe profilul în formă de „U”

Cel de-al patrulea servomotor „MG996R” este fixat de cel de-al treilea prin intermediul unui profil de aluminiu în formă de „U”, unul în formă de „L” dar și a unei piese printate 3D.

Figura 3.15 Fixarea celui de-al patrulea servomotor „MG996R” prin itermediul profilului în formă de „L”

Fig. 3.16 Fixarea gripperului pe brațul robotic

1 – Gripper

Se calculează cuplul maxim necesar fiecărui motor pentru efectuarea lucrului mecanic.

Determinarea forței de greutate care acționează asupra primului motor:

(3.1)

G – forța de greutate

g – accelerația gravitațională = 9,81 m/s2

(3.2)

mg – masa gripper-ului

msv – masa servomotor = 0,009 Kg

ms – masa suporți 0,015 Kg

mpf – masa unei piese finite = 0,005 Kg

(3.3)

mservomotoare –masa servomotoarelor

mrp – masa restului pieselor

Determinarea cuplului necesar primului servomotor.

(3.4)

Mnecear – momentul neceasar

Determinarea forței de greutate care acționează asupra celui de-al doilea servomotor:

(3.5)

G – forța de greutate

g – accelerația gravitațională = 9,81 m/s2

(3.6)

mg – masa gripper-ului

msv – masa servomotor = 0,009 Kg

ms – masa suporți 0,015 Kg

mpf – masa unei piese finite = 0,005 Kg

(3.7)

mservomotoare –masa servomotoarelor

mrp – masa restului pieselor

Determinarea cuplului necesar celui de-al doilea servomotor.

Determinarea forței de greutate care acționează asupra celui de-al treilea servomotor:

(3.8)

G – forța de greutate

g – accelerația gravitațională = 9,81 m/s2

(3.9)

mg – masa gripper-ului

msv – masa servomotor = 0,009 Kg

ms – masa suporți 0,015 Kg

mpf – masa unei piese finite = 0,005 Kg

(3.10)

mservomotoare –masa servomotoarelor

mrp – masa restului pieselor

Determinarea cuplului necesar celui de-al treilea servomotor.

(3.11)

Determinarea forței de greutate care acționează asupra celui de-al patrulea servomotor

(3.12)

G – forța de greutate

g – accelerația gravitațională = 9,81 m/s2

(3.13)

mg – masa gripper-ului

msv – masa servomotor = 0,009 Kg

ms – masa suporți 0,015 Kg

mpf – masa unei piese finite = 0,005 Kg

(3.14)

mrp – masa restului pieselor

Determinarea cuplului necesar celui de-al patrulea servomotor.

(3.15)

Din calculele de mai sus au rezultat următoarele cupluri necesare: 1,00037 [N · m]; 0,865242 [N · m]; 0,4029948 [N · m] respectiv 0,0635688 [N · m].

Se observă că odată cu scăderea greutății și a lungimii brațului scade și cuplul necesar. Servomotoarele alese („MG996R”) au un cuplu de 1.0787315 [N*m] la o tensiune de 6 [V], deci se pretează pentru cerințele impuse, însă vor trebui alimentate la o tensiune de 6 [V] pentru a asigura acest cuplu.

Mecanismul prehensor

Se va folosi un servomotor „MG996R” pentru acționarea mecanismului. S-a ales proiectarea unui mecanism prehensor mecanic cu două degete pentru a asigura o prindere bună a pieselor finite.

În continuare se prezintă calculele necesare pentru proiectarea corectă a acestuia.

Determinarea forței de greutate care acționează asupra gripper-ului.

(3.16)

G – forța de greutate

m – masa aproximativă a unei piese finite = 0,05 Kg

g – accelerația gravitațională = 9,81 m/s2

Forța de frecare trebuie să fie egală cu forța de greutate pentru a putea ține greutatea piesei finite, astfel vom avea :

(3.17)

(3.18)

N – reprezintă forța normală la suprafață

µ – reprezintă coeficientul de frecare

Schema electrica a brațului robotic

Alimentarea servo-motoarelor se face printr-un dirver specializat de tip shield unde am conectat cele 6 servo-motoare. Alimentarea sistemului se face prin conenctarea driverului la o sursă de current continuu de 9V. Driverul se așează pe platforma Arduino potrivindu-se perfect pe pini specificați. Platforma de dezvoltare Arduino se alimentează de la shield-ul servo-motoarelor.

Fig 3.17 Schema electrică generală

Controlul brațului robotic

Brațul este simulat în programul „CATIA P3 V5-6R2013”, deci valorile unghiurilor pentru fiecare serv-omotor care, mai apoi să genereze o anumită deplasare sunt ușor de aflat. Din moment ce cunoaștem dimensiunile exact ale brațului și locul în care dispozitivul de prehensiune trebuie să ajungă introducem acești parametrii în interiorul mediului de simulare. În acest mediu se pot măsura valorile unghiurilor pentru fiecare servo-motor.

Din moment ce coordonatele noastre sunt de forma „unghiulare” mai rămâne doar să le transmitem spre fiecare servomotor în parte.

În etapa de testare s-a folosit un exemplu de cod pe care îl conține librăria „Adafruit_PWMServoDriver.h” integrată în mediul de programare cu adaptările de rigoare pentru cazul specific. Acest exemplu o să fie ulterior convertit într-o funcție care o să se apeleze de fiecare dată când o piesă este asamblată.

Codul pentru acționarea celor cinci servomotoare este prezentat mai jos:

#include <Wire.h>

// Include Adafruit PWM Library

#include <Adafruit_PWMServoDriver.h>

#define MIN_PULSE_WIDTH       650

#define MAX_PULSE_WIDTH       2350

#define FREQUENCY             50

// Define Motor position variables

int mtrDegreeSupport;

int mtrDegreeBase;

int mtrDegreeElbow;

int mtrDegreeWrist;

int mtrDegreePivot;

int mtrDegreeGripper;

În prima parte sunt apelate librăriile necesare funcționării codului precrum și definirea variabilelor de intrare care vor fi folosite ulterior.

void setup()

{

mtrDegreeSupport.attach(9);

mtrDegreeBase.attach(8);

mtrDegreeElbow.attach(7);

mtrDegreeWrist.attach(6);

mtrDegreePivot.attach(5);

mtrDegreeGripper.attach(4);

}

În partea de void setup sunt definiți pinii de pe Arduino pentru fiecare servo-motor în parte. Se definesc pini care se pot controla în PWM.

void loop() {

//Control Support Motor

moveMotorDeg(mtrDegreeSupport,motorSupport);

//Control Base Motor

moveMotorDeg(mtrDegreeBase,motorBase);

//Control Elbow Motor

moveMotorDeg(mtrDegreeElbow,motorElbow);

//Control Wrist Motor

moveMotorDeg(mtrDegreeWrist,motorWrist);

//Control Pivot Motor

moveMotorDeg(mtrDegreePivot,motorPivot);

//Control Gripper Motor

moveMotorDeg(mtrDegreeGripper,motorGripper);

// Add short delay

delay(20);

}

// Function to move motor to specific position

void moveMotorDeg(int moveDegree, int motorOut)

{

int pulse_wide, pulse_width;

// Convert to pulse width

pulse_wide = map(moveDegree, 0, 180, MIN_PULSE_WIDTH, MAX_PULSE_WIDTH);

pulse_width = int(float(pulse_wide) / 1000000 * FREQUENCY * 4096);

//Control Motor

pwm.setPWM(motorOut, 0, pulse_width);

}

În void loop se executa funcția cu pozițiile specifice pentru fiecare servo-motor.

Diferența intre void loop si void setup este că void loop-ul se execută de o infinitate de ori pec and void setup-ul se execută o singură data.

Partea practică a lucrării

Asamblarea brațului robotic am făcut-o conform asamblarii din programul CATIA.

Am încercat pe cât posibil să evit coliziunile între componente care pot apărea in timpul funcționării standului.

O prezentare a lucrării practice se poate vedea în imaginile de mai jos:

Fig 3.18 Componente ale brațului robotic

Fig. 3.19 Gripperul brațului robotic

Fig. 3.20 Servomotorul si accesoriile de prindere

Fig. 3.21 Asamblarea brațului robotic

Fig. 3.22 Asamblarea brațului robotic

Fig. 3.23 Ansamblul final al lucrării

Capitolul IV

Concluzii

În lucrarea de față am tratat problema proiectării constructiv-funcționale a unei linii de asamblare cu manipulator axandu-mă pe partea de manipulare. Am realizat un studiu în domeniul automatizării industriale si a roboțiilor industriali pentru a întocmii partea teoretică a lucrării. Am concluzionat că în urma studierii tipurilor de motoare să utilizez servo-motorul deoarece are o precizie unghiulară rididicată și acesta începe să se rotească doar dupa ce primește comandă chiar dacă este alimentat, pe când celelate tipuri de motoare de curent continuu încep să se rotească în momentul în care sunt alimentate.

Utilizând CATI V5-6R2013 am realizat modelarea constructivă a brațului robotic pentntru a stabili varianta constructivă optimă.

În urma calculelor de dimensionare al motoarelor am ales sa folosesc servo-motorul „MG996R” acesta fiind ideal pentru această lucrare.

Pentru partea de comandă a brațului robotic am mers pe utilizarea platformei Arduino si anume „Arduino Mega 2560” aceasta oferind posibilitatea unui viitor upgrade al lucrării.

Pentru partea de program am prezentat o librărie de acționare a servo-motoarelor, deoarece programul nu a fost încă definit pentru a putea fi implementat.

Pe viitor se urmarește finalizarea programului, punerea în funcțiune a lucrării dar și un upgrade care se poate realiza prin utilizarea unor senzori de culoare pentru o sortare mai bună a pieselor.

Bibliografie:

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

[2] https://mctr.mec.upt.ro/wp-content/uploads/2018/01/Lucrare_Bissinger.pdf

[3] Chicea, Anca Lucia, Mihai Crenganiș: Bazele sistemelor mecatronice, Sibiu, Editura Universității „Lucian Blaga” din Sibiu, 2017.

[4] Adrian Moise: Sisteme de conducere a roboților. Elemente componente, Editura Matrix Rom din București 2014

[5] https://www.ttonline.ro/revista/roboti/roboti-industriali-aspecte-practice

[6] https://www.scribd.com/document/231159077/Roboti-Industriali

[7] Dorin Telea: Bazele roboticii, Editura ULB Sibiu 2010

[8] http://www.towerpro.com.tw/product/mg996r/

[9] JONES J. – „Robot Programming: A practical guide to Behavior-Based Robotics”, McGraw-Hill. 2004;

[10] CRENGANIȘ M. – Contribuții privind conducerea si controlul roboților antropomorfi redundanți cu topologie seriala, Ed. ULBS, Sibiu, 2015;

[11] MOHAMED E. H. – Principles of electric machines with power electric aplication, John Wiley & Sons INC., 2002;

[12] BOGDAN L., BÂRSAN I., TELEA D. – Acționări și comenzi electrice, Îndrumar de laborator, Editura Universității Lucian Blaga, Sibiu, 1997;

[13] https://www.scribd.com/document/91974484/Basic-Electronics-Basic-Robotics;

[14] http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/cursuri.html;

[15] BǍLAN R. – Microcontrolere. Structură și aplicații, Editura Todesco, Cluj-Napoca, 2002;

OPIS

Prezenta lucrare de licineță conține:

Partea scrisă:

67 pagini format A4;

43 de figuri în text;

30 relații matematice;

2 tabele.

Partea grafică:

echivalentul a 1 format A1 – desen de ansamblu;

echivalentul a 1 format A3 – desen de execuție.