Structura Generala Si Componentele Fundamentale ale Sistemului Robot

CAPITOLUL 1

STRUCTURA GENERALĂ ȘI COMPONENTELE FUNDAMENTALE ALE SISTEMULUI ROBOT

1.1 Componentele fundamentale ale sistemului robot

Privit în toată complexitatea sa, un sistem robotic cuprinde următoarele componente (figura 1):

spațiul de operare;

sursa de energie

sursa de informație

robotul.

Fig. 1.1. Strucutura unui sistem robot

Spațiul de operare al unui robot este strâns legat de domeniul de lucru al acestuia, de gama aplicațiilor la care participă. Acest spațiu este definit direct de parametrii arhitecturii mecanice a robotului și este restricționat pe de o parte de anumite caracteristici ale elementelor interne, mecanice, și pe de altă parte de caracteristicile obiectelor implicate în procesul tehnologic.

Sursa de energie constituie suportul energetic necesar pentru punerea în mișcare atât a elementelor mobile ale robotului cât și pentru asigurarea alimentării electrice a sistemului de acționare și a celui de conducere.

Sursa de informație definește modul de operare al robotului, caracteristicile de bază ale funcționării acestuia, structura algoritmilor de conducere în funcție de specificul operației, de modul de prelucrare a informației de bază (în timp real sau nu) și de relația robot – operator existentă în procesul de operare. Această relație poate determina funcționarea automată, independentă, a robotului sau în asociere cu operatorul (de exemplu sistemele de teleoperare).

Robotul, componenta de bază a acestui sistem, este format din două părți: unitatea de prelucrare a informației și unitatea operațională.

Unitatea de prelucrare a informației este un complex hardware-software ce primește date privind instrucțiunile ce definesc operațiile executate, măsurători privind starea unității operaționale, observații asupra spațiului de operare al robotului, date pe baza cărora determină în conformitate cu algoritmii de conducere stabiliți, deciziile privind modalitatea de acționare a unității operaționale etc.

Unitatea operațională corespunde robotului propriu-zis cuprinzând structura mecanică a acestuia și sistemul de acționare asociat. Această unitate acționează asupra spațiului de operare utilizând și transformând energia furnizată de sursă și reacționând adecvat la semnalele primite din exterior. În componența robotului distingem: elementele care interacționează direct cu spațiul de operare (elementele efectoare, gripere sau mâini), componente de structură (articulații, segmente), modulatoare de energie (amplificatoare), convertoare de energie (actuatori), sisteme de transmisie a energiei mecanice și senzori interni.

Robotul acționează asupra spațiului său de operare sub diverse forme: deplasarea unor obiecte în anumite poziții (manipulare), prelucrarea și transformarea unor produse, asamblarea unor componente, dezasamblarea unor piese în componentele lor, sudarea pieselor, măsurarea unor parametrii specifici ai produselor sau chiar a spațiului de operare etc. În figura 1.2 sunt prezentate câteva din aceste operații, operația de manipulare a unor piese pentru o prelucrare ulterioară la o mașină unealtă (figura 1.2, a), operația de vopsire (figura 1.2, b) și operații de asamblare (figura 1.2, c).

Numeroasele aplicații și funcțiuni exercitate de un robot pun în evidență două caracteristici esențiale ale acestor sisteme: versatilitatea și autoadaptarea la mediu.

Versatilitatea definește capacitatea fizică a robotului de a realiza diverse funcții și de a produce diverse acțiuni în cadrul unei aplicații tehnologice date. Această proprietate este strâns legată de structura și capacitatea mecanică a robotului, ea implicând configurații mecanice cu geometrie variabilă a căror flexibilitate să acopere cerințele de operare.

Autoadaptarea constituie, de asemenea, o proprietate deosebit de importantă a roboților ce confirmă gradul de „inteligență” al acestor sisteme. Ea definește capacitatea acestora de a lua inițiativa în realizarea unor operații incomplet specificate prin programul de conducere, proprietatea de a sesiza anumite modificări ale mediului de operare, posibilitatea de a stabili un plan complet de operații având jalonate numai anumite faze semnificative etc.

a b

c

Fig.1.2 Exemple de operații efectuate de către robot

1.2 Componentele fundamentale ale structurii mecanice

Roboții industriali utilizați în momentul de față prezintă soluții constructive și conceptuale neunitare datorită, în special, diversității sarcinilor cerute, parametrilor tehnici impuși și aplicațiilor specifice pentru care au fost proiectați. Cu toată această aparentă neunitate, robotul prin structura sa mecanică poate fi considerat ca un sistem omogen format din elemente cu funcții bine precizate care asigură interacțiunea nemijlocită între robot și obiectul acțiunii sale din spațiul de operare.

Principalele componente ale structurii mecanice sunt prezentate în figura 1.3și ele sunt: dispozitivul de ghidare care se mai numește și brat (DG), baza robotului și efectorul final (EF)

Fig. 1.3. Schema bloc a sistemului mecanic

Efectorul final denumit uneori și griper, dispozitiv de prehensiune, mână sau pur și simplu element terminal asigură contactul direct, nemijlocit dintre robot și obiectul din spațiul de operare asupra căruia acționează. Acest element diferă constructiv după gama aplicațiilor și după natura funcției realizate. Astfel, elementele efectoare utilizate în sudură diferă de cele folosite în operațiile de manipulare sau de vopsire.

Un astfel de element cuprinde:

corpul propriu-zis, cu o structură mecanică adecvată funcției realizate;

unul sau mai multe dispozitive de acționare;

unul sau mai mulți senzori pentru determinarea regimurilor critice ale operației realizate.

Trebuie remarcat faptul că soluțiile constructive adoptate tind spre realizarea fie a unui element multifuncțional cu o gamă largă de aplicații, fie spre un element efector monofuncțional cu o destinație precisă.

Dispozitivul de ghidare (brațul robotului) servește pentru poziționarea corectă a efectorului final. În acest scop, brațul reprezintă o structură mecanică cu o geometrie variabilă obținută prin legarea în cascadă a unor segmente conectate prin articulații de rotație sau translație. Sistemele de acționare corespunzătoare asigură mișcările independente ale fiecărui segment în raport cu segmentul precedent. Aceste mișcări sunt în general restricționate de anumite caracteristici ale arhitecturii mecanice.

Toate aceste elemente și subansamble se montează pe un cadru special ce formează baza robotului. Această bază se așează fie pe un postament fix sau mobil (în funcție de tipul robotului), fie se suspendă pe o cale de ghidare cu șină.

Elementele enumerate formează structura de bază a oricărui robot industrial. În afară de această structură ”clasică”, în construcția roboților pot apare sisteme de locomoție, sisteme cu 2-3 brațe, sisteme cu 2-3 elemente efectoare etc.

1.3. Conducerea Robotului

Roboții, prin structura și funcțiile lor reprezintă o clasă de sisteme ce sintetizează elemente de vârf dintr-o serie de domenii tehnico – științifice. De fapt, prin atribuțiile sale robotul imită sau substituie funcțiile de locomoție, manipulare și de intelect ale omului. Este evident, deci, că robotul reprezintă un sistem extrem de complex, descris prin modele matematice sofisticate definite prin sisteme de ecuații diferențiale neliniare, cu parametrii variabili, deterministe sau stohastice, cuprinzând un număr mare de variabile de intrare și ieșire.

Funcția de bază a robotului este reprezentată de mișcarea acestuia în spațiu, deci regimurile statice și dinamice ale structurii mecanice vor reprezenta punctul de plecare în definirea robotului ca obiect de conducere.

Pentru exemplificare, să considerăm un robot cu trei articulații de rotație (figura 1.4). Mișcarea, evoluția robotului, este determinată de cele trei momente M1, M2, M3 aplicate în articulații, acestea determinând rotirea segmentelor corespunzătoare și deci obținerea unei noi poziții a brațului, poziție definită prin noile valori ale unghiurilor q1, q2, q3.

Fig. 1.4 Schema mărimilor de intrare și ieșire intr-un dispozitiv de ghidare

Considerat, deci, ca obiect orientat de conducere, robotul primește un vector de intrare definit de forțele generalizate aplicate în articulații și generează un vector de ieșire format din unghiurile (sau deplasările) articulațiilor.

Analiza ca obiect condus impune, totodată, definirea vectorului de stare al robotului. În general, acest vector este determinat de coordonatele generalizate stabilite în articulații (unghiuri sau deplasări) și de derivatele acestora (vitezele generalizate ale mișcării). Relațiile intrare – stare – ieșire specifice robotului sunt date prin ecuații diferențiale, neliniare, obținute pe baza regimurilor dinamice ale acestuia.

Reprezentarea din figura 1.4 corespunde unei descrieri formale a robotului (sistem robot) ca obiect condus fără a preciza implicațiile tehnologice ale structurii de conducere.

Fig. 1.5 Schema de conducere a unui robot

În figura 1.4 sunt prezentate soluții constructive privind principalele blocuri ale unui astfel de sistem. Se observă că variabilele principale ce intervin în conducerea robotului sunt generate sau prelucrate în blocuri și componente specializate. Astfel, activarea articulațiilor mecanice este realizată prin intermediul blocului de acționare care, pe de o parte determină algoritmul de control pentru fiecare articulație, iar pe de altă parte asigură sursa energetică necesară mișcării.

Măsurarea informațiilor de deplasare precum și toate celelalte date care restricționează mișcarea în spațiul de operare este realizată într-un bloc senzorial. El este format practic din sisteme de traductoare specializate pentru măsurători unghiulare sau liniare precum și din senzori specializați de tip tactil, de forță – moment sau vizuali care oferă robotului o mai completă adaptabilitatea la modificările mediului de operare.

Informațiile furnizate sunt captate de un calculator specializat care, pe baza unor algoritmi implementați hardware (microprogramați) sau software, generează controlul adecvat al sistemului de acționare.

1.4. Sistem de conducere – sistem ierarhic

Structura de conducere al unui robot este o structură ierarhică. Acest principiu de conducere este datorat complexității deosebite a sistemelor ce intră în componența robotului și a dificultăților create de sarcinile de operare impuse.

Organizarea ierarhică a sistemelor de control pentru roboți este de tip vertical, fiecare nivel ierarhic acoperind nivelul inferior sub raportul problemelor de conducere abordate. Un nivel de control comunică cu nivelul imediat inferior prin instrucțiuni de control și primește de la acesta informații caracteristice care, împreună cu deciziile furnizate de nivelul imediat superior, îi permit să stabilească strategia viitoare de acțiune.

În general sistemele robot cuprind un număr variabil de nivele ierarhice în funcție de complexitatea și gradul de "inteligență" al sistemului de conducere utilizat.

Nivelul ierarhic superior îl reprezintă la roboți, ca și la alte sisteme complexe de conducere, operatorul uman. Acesta comunică cu sistemul de conducere sub diverse moduri, intervenind periodic numai în cazul schimbării unor direcții strategice de conducere, situații de avarie sau în cazul apariției unor perturbații externe neprevăzute.

Sistemul de conducere propriu-zis cuprinde patru nivele ierarhice. Nivelul cel mai înalt corespunde sistemelor ce au posibilitatea recunoașterii obstacolelor în spațiul de operare și permite luarea unor decizii adecvate la schimbarea condițiilor de lucru. Nivelul imediat inferior este denumit nivel strategic în care se produce defalcarea operației preconizate în operații elementare. Nivelul următor este denumit nivel tactic, în el producându-se distribuirea mișcărilor elementare în mișcarea pe fiecare grad de libertate, deci, în cadrul său generându-se efectiv traiectoriile de mișcare. Ultimul nivel, nivelul inferior, este nivelul executiv, acesta coordonând funcționarea diverselor sisteme de acționare asociate gradelor de libertate ale robotului.

Aceste patru nivele ierarhice sunt întâlnite evident la roboții cu o organizare superioară care aparțin generațiilor 2 sau 3. Roboții sau manipulatoarele industriale uzuale (generația 1) au sisteme de conducere cu numai două nivele ierarhice, nivelele inferioare.

a) Generarea traiectoriilor pentru realizarea unei mișcări impuse.

Un robot, indiferent de destinația sa, trebuie să execute o mișcare bine determinată în cadrul căreia elementul terminal (EF) evoluează pe o curbă impusă într-un sistem de referință dat. Evident, că această mișcare trebuie corelată cu o unitate de timp, orice aplicație tehnologică la care este solicitat un robot fiind strâns condiționată de o variabilă temporală.

O curbă, definită în spațiul de operare al robotului, căreia i se asociază o variabilă de timp este numită în mod curent traiectorie.

Figura 1.6 Sistem ierarhic de conducere

Figura 1.7 Traiectorii ale efectorului final

Precizarea traiectoriei de mișcare reprezintă un element esențial pentru asigurarea unor performanțe corespunzătoare. Aceasta înseamnă, de fapt, stabilirea unei legături biunivoce între fiecare punct de pe curba mișcării și momente de timp bine-precizate, deci practic cunoașterea în fiecare punct a vitezei și accelerației mișcării. Alegerea traiectoriei de mișcare depinde de o serie de factori dintre care se pot cita: tipul aplicației robotizate, restricțiile existente în spațiul de operare, caracteristicile mecanice ale robotului etc. În figura 1.7 sunt prezentate două traiectorii între punctele inițiale Pi și finale Pf impuse. În primul caz, evoluția poate fi realizată pe orice traiectorie între cele două puncte, în al doilea caz, o zonă de restricții delimitează spațiul de operare admis. Determinarea traiectoriei mișcării, deci determinarea succesiunii în timp a pozițiilor, vitezelor și accelerațiilor pentru fiecare element al structurii mecanice constituie așa-numita „problemă directă de conducere”.

Figura 1.8 Conducerea directă a roboților

În figura 1.8 este prezentată această problemă pentru un manipulator ipotetic cu două grade de libertate ce evoluează în planul YOZ. Sunt precizate pozițiile unghiulare q1 , q2 în câteva puncte din traiectorie precum și distribuțiile vitezelor și accelerațiilor pe intervalul mișcări.

O a doua problemă ce derivă direct din problema directă se referă la determinarea valorilor forțelor și momentelor, pe fiecare articulație, astfel încât structura mecanică să realizeze traiectoria dorită. Acest calcul al forțelor și momentelor din coordonatele pozițiilor și vitezelor constituie ”problema inversă de conducere” și reprezintă o sarcină de bază a nivelului tactic în sistemul de conducere al roboților.

În contextul existenței unei structuri ierarhizate de conducere, implementarea unei traiectorii se poate realiza în două moduri: la nivelul inferior în care sistemul de comandă primește amănunțit datele privitoare la poziția, viteza și accelerația în orice moment și la nivel superior în care se utilizează un limbaj de nivel înalt, de programare, datele introduse reprezentând o descriere sumară a caracteristicilor traiectoriilor. Prima variantă numită și programare explicită presupune cunoașterea amănunțită de către operator (programator) a întregului sistem robot – spațiu de operare, ceea ce nu este întotdeauna posibil. A doua variantă introduce facilități evidente în munca de programare dar presupune existența unor structuri de comandă de nivel înalt.

În unele cazuri, complexitatea operațiilor realizate face extrem de dificilă programarea explicită și cu totul nepractică programarea la nivel înalt. În aceste situații se preferă așa-numita „programare prin instruire”. Robotul execută mișcarea dorită sub controlul direct al operatorului (comanda manuală), își însușește, „învață”, parametrii mișcării și repetă, ulterior, această mișcare în cadrul execuției normale. Această tehnică este extrem de mult utilizată datorită, în primul rând, simplității procedurii și, în al doilea rând, datorită cerințelor reduse impuse echipamentului de conducere.

b) Conducerea în circuit închis

Discuția de mai sus a pus în evidență problema programării unei traiectorii compatibile cu obiectivul propus ca o condiție necesară pentru executarea funcției impuse robotului. Sistemul generator de traiectorie va furniza deci robotului succesiunea de variabile de poziție, viteză și accelerație care asigură regimurile de mișcare corespunzătoare. Din nefericire, condițiile reale în care operează un robot fac ca generarea unei traiectorii corecte să nu reprezinte o condiție suficientă pentru asigurarea performanțelor dorite. Cauzele sunt multiple și ele rezidă în principal în: perturbațiile imprevizibile în mediul de operare, în imprecizia modelelor utilizate, limitări ale preciziei de calcul, efecte mecanice de vibrații și frecare etc. Toate aceste elemente pot perturba considerabil și pot determina o alterare substanțială a regimurilor de lucru. Formal, aceste dificultăți pot fi depășite prin utilizarea unei structuri de reglare a mișcării în buclă închisă (figura 1.9)

Figura 1.9 Schema de conducere în circuit închis

Informația de deplasare, primită de la un sistem de traductoare corespunzător, este comparată cu valorile prescrise impuse de generatorul de traiectorii, eroarea rezultată servind ca mărime de intrare într-un sistem de reglare ce asigură corectarea abaterilor de traiectorie și totodată regimuri tranzitorii și staționare corespunzătoare. Sistemul de reglare este unic pentru întregul sistem de conducere, ieșirile acestuia activând blocurile de acționare ale fiecărei articulații mecanice. O astfel de structură de comandă este denumită structură centralizată și ea impune existența unui calculator suficient de puternic pentru implementarea legilor de reglare la nivelul întregii structuri mecanice.

O soluție frecvent utilizată în majoritatea roboților industriali este conducerea descentralizată a mișcării (figura 1.10) în care legea de reglare este caracteristică fiecărei articulații, separată pe fiecare grad de libertate, influența celorlalte elemente din structura mecanică reprezentând efecte perturbatoare.

Un astfel de sistem de conducere este, de cele mai multe ori, preferabil datorită simplității algoritmilor de reglare și, deci, implicit datorită necesităților relativ modeste de resurse hardware.

Fig. 1.10 Schema de conducere descentralizată

c) Conducerea mișcării în contact direct cu obiectele (conducerea compliantă )

O caracteristică deosebită a operării unui robot este mișcarea acestuia în contact nemijlocit cu suprafața obiectelor. O astfel de mișcare apare în operațiile de asamblare, într-o serie de operații de prelucrare tehnologică, sudură etc.

Într-o astfel de mișcare, controlul traiectoriei prin măsurarea pozițiilor este nepractic și, de cele mai multe ori, eronat datorită impreciziei în determinarea exactă a ecuațiilor suprafeței de contact. Din acest motiv, controlul traiectoriei este realizat prin măsurarea forței de apăsare pe suprafața obiectului.

Pentru exemplificare, să considerăm manipulatorul din figura 1.11a ce execută deplasarea unui obiect din punctul A în punctul B de-a lungul suprafeței S. Controlul se poate realiza prin definirea unei traiectorii paralele cu suprafața și utilizarea unor legi de mișcare corespunzătoare dar este evident că în cazul unor denivelări accidentale ale unei suprafețe mișcarea dorită nu mai poate fi realizată.

Figura 1.11 Conducerea prin contact

În acest caz, se preferă introducerea, pe lângă bucla de control a mișcării, a unei bucle de reglare a forței de apăsare dintre robot și suprafața (figura 1.11b). Această buclă preia sarcinile de control pe baza informațiilor furnizate de un traductor de forță montat pe efectorul final al robotului. Trebuie subliniat faptul că o astfel de structură de comandă presupune existența unui sistem de conducere de nivel superior capabil să impună trecerea de la o buclă de control la alta în conformitate cu specificațiile problemei de conducere.

1.5 Structura informațională a sistemelor robot

Sarcinile care stau în fața unui sistem de conducere determină o împărțire a informațiilor de lucru în două clase, pe de o parte informații ce asigură regimul de mișcare dorit și pe de altă parte informații ce acoperă funcția tehnologică impusă robotului. În figura 1.12, ramura din stânga corespunde informațiilor de mișcare. Programele de mișcare cuprind elemente de bază ale algoritmilor de mișcare ce calculează între anumite puncte, prin tehnici de interpolare, traiectoria robotului.

Informația rezultată este defalcată pe axele de mișcare și servește ca referință în acționarea efectivă a brațului mecanic. Acest traseu informațional este prevăzut cu 4 căi de reacție. Reacția de tip α este o reacție obținută prin construcție mecanică și nu afectează procesul de control al mișcării

Fig, 1.12 Schema bloc a sistemului informațional cu funcție tehnologică

Reacția β asigură corecțiile necesare pentru menținerea robotului pe traiectorie. Informația respectivă este obținută de la traductoarele de deplasare montate pe fiecare articulație. Calea de reacție y asigură modificări cantitative și calitative în programele de mișcare. Aceste modificări sunt determinate de informațiile furnizate de un sistem senzorial adecvat care identifică modificări în structura spațiului de operare (schimbarea poziției obiectelor, apariția unor obstacole etc.) Reacția δ determină o gestionare internă (proprie) a programelor de conducere în funcție de modificările survenite în procesul tehnologic și eventual în comportarea robotului.

Ramura din dreapta a fluxului informațional (figura 1.12) corespunde informațiilor ce activează elementele terminale, sistemul efector și dispozitivele de prelucrare tehnologică.

În figura 1.13 sunt prezentate detaliat blocurile componente ce intervin în prelucrarea informațională ce însoțește procesul de conducere al unui robot.

Legăturile externe ale sistemului sunt realizate sub forma unui dialog către un operator local sau către un calculator ce supervizează sistemul. Prin aceste două interfețe se obține practic o gestiune adecvată a sistemului de programe. Programul de conducere selectat determină cele două funcții: de mișcare și de operare tehnologică, fiecare din acestea fiind realizate prin bucle de control proprii.

Fig. 1.13 Structura blocurilor componente ale sistemului informațional

CAPITOLUL 2

SISTEME DE ACȚIONARE A ROBOȚILOR

Sistemul de acționare al unui robot cuprinde totalitatea surselor energetice ale robotului precum și elementele de control direct ale acestora. În acest sens, prin sistem de acționare se va înțelege ansamblul motoarelor și convertoarelor prin care se obține energia mecanică necesară deplasării robotului precum și dispozitivele suplimentare ce controlează acest transfer energetic.

Un astfel de sistem va cuprinde :

o sursă primară de energie ;

un sistem de conversie al energiei primare în energie mecanică ;

un sistem pentru transmisia energiei mecanice la articulația corespunzătoare ;

un control al parametrilor caracteristici ale acestor sisteme.

Structura generală a unui sistem de acționare este prezentată în figura 2.1.

Sistemele uzuale de acționare folosesc trei surse primare de energie: electrică, pneumatică sau hidraulică. Procentual, cel mai mare număr de sisteme de roboți industriali moderni utilizează acționarea hidraulică datorită unor caracteristici deosebite pe care aceste echipamente le oferă în ceea ce privește raportul dintre forța exercitată la dispozitivul motor și greutatea acestuia. O arie largă o au deasemenea acționarile electrice, utilizate îndeosebi datorită facilităților de control pe care le pot asigura. Acționarea pneumatică ocupă o pondere redusă în această direcție, ea fiind de obicei utilizată în sistemele de comandă ale dispozitivelor auxililiare.

Fig. 2.1 Structura generală a unui sistem de acționare

2.1.Sisteme de acționare electrică

Acționarea electrică ocupă o arie suficient de întinsă la roboții industriali datorită următoarelor avantaje principale:

a) sursa de energie electrică primară este ușor de găsit;

b) sistemele de control sunt precise, sigure și relativ ușor de cuplat la o conducere numerică la nivel înalt;

c) se poate asigura o funcționare autonomă prin alimentarea cu baterii;

d) nu se impun probleme specifice de poluare.

Acționarea cu motoare de curent continuu

Acționarea cu motoare de curent continuu are avantajul important că momentul creat este practic independent de poziția și viteza motorului, depinzând numai de câmpul înfășurărilor și curentul din armături. Dacă înfășurările de câmp sunt înlocuite cu un magnet permanent atunci momentul dezvoltat este proporțional cu valoarea curentului din armături și deci cu tensiunea aplicată.

Anumite proceduri tehnologice au permis micșorarea greutății motoarelor. Ele se referă, de exemplu, la eliminarea înfășurărilor de excitație prin utilizarea motoarelor cu magnet sau micșorarea greutății rotorului prin motoarele disc. Deși teoretic, orice motor electric este susceptibil de utilizare, pentru acționarea roboților se utilizează numai motoare de curent continuu și pas cu pas, primul datorită sistemelor performante de control, iar al doilea datorită facilităților pe care le oferă în controlul în buclă deschisă la operațiile de poziționare .

Dezavantajul principal al acestor acționări este greutatea componentelor. Raportul putere – greutate sau moment – greutate este mai mic decât la acționările hidraulice. Această greutate nu poate fi redusă în mod semnificativ datorită circuitului magnetic care, pentru asigurarea unor performanțe ridicate necesită o geometrie corespunzătoare.

Utilizarea motorului de c.c în acționarea roboților impune :

a) un sistem de control utilizând tahogeneratoare și transformatoare de poziție;

b) un sistem mecanic care să realizeze conversia miscării de rotație in mișcare de translație;

c) un sistem mecanic pentru blocarea motorului .

Motoarele de curent continuu sunt formate din două părți : un sistem de excitatie și o înfășurare dispusă într-o armătură rotorică. Un sistem de comutație, asigură în permanență un sens unic al curentului în raport cu câmpul magnetic, deci asigura o forță în direcție constantă.

Schema echivalentă simplificată a motorului de curent c.c cu excitație separată este prezentată în figura 2.2.

Fluxul magnetic este proporțional cu valoarea curentului de excițatie ,

(2.1)

iar ecuațiile ce guvernează regimul staționar (neglijând anumite efecte secundare) sunt :

(2.2)

(2.3)

(2.4)

iar cuplul electromagnetic creat M :

(2.5)

Dacă motorul lucrează sub curent de excitație constant, atunci fluxul este constant deci:

(2.6)

(2.7)

iar (2.8)

Caracteristicile statice de funcționare se obțin din această ultimă relație, (Figura 2.2).

Dacă operează în curent de excitație variabil și tensiune de alimentare constantă, atunci ecuațiile de funcționare devin :

(2.9)

(2.10)

(2.11)

Fig. 2.2 Schema simplificată a motorului de curent continuu

Ultima relație indică o dependență neliniară pronunțată a vitezei în raport cu fluxul, deci curentul de excitație. Această neliniaritate complică legea de control și face ca reglajul turației prin controlul curentului de excitație să fie rar utilizat în sistemele de acționare, în general, și a roboților, în particular.

Regimul tranzitoriu al motorului ce operează sub flux constant se obține imediat din figura 2.2.

(2.12)

iar cuplul motor va fi:

(2.13)

unde este momentul de inerție al elementelor de rotație, definește coeficientul de frecare vâscoasă, este cuplul corespunzător frecării uscate iar este cuplul de sarcină.

Fig. 2.3 Caracteristicile statice ale motorului c.c.

Schema bloc echivalentă a motorului electric se preizntă în figura 2.4.

Fig. 2.4 schema bloc echivaalentă a motorului de cc

Controlul în tensiune al turației în acționarea roboților se rezolvă prin două metode:

redresoare comandate cu tiristoare;

variatoare de tensiune continuă

Redresoarele comandate cu tiristoare reprezintă o soluție extrem de larg utilizată și o literatură extrem de bogată abordează această problematică. Din mulțimea structurilor și schemelor bazate pe această metoda, se vor prezenta câteva tipuri utilizate frecvent în controlul roboților.

Redresoare monofazate în punte. Aceste sisteme sunt utilizate în special la puteri și tensiuni mici. Schema generală a unui redresor de acest tip este prezentată în figura 2.5.

Figura 2.5 Schema redresorului monofazat în punte

Controlul redresării este obținut printr-o punte, în circuitul exterior al redresorului fiind montat motorul de c.c. Se remarcă conducția, pe fiecare alternanță a tensiunii din secundar, a două tiristoare opuse. De exemplu într-o semialternanță conduc tiristoarele Th 2 și Th 3 (linie neântreruptă), iar în cealaltă semialternanță grupul Th 1, Th 4 (linie punctată). Controlul valorii curentului redresat se obține prin controlul unghiului de aprindere al tiristoarelor. Pentru atenuarea componentelor alternative ce apar în această redresare, în circuitul motorului se introduce o bobină de netezire L.

Redresoare trifazate în puncte. Circuitele de acest tip reprezintă stuctura cea mai eficientă pentru alimentarea motoarelor de c.c. sub raportul puterii și randamentului. Configurația de bază a unui astfel de circuit este prezentată în figura 2.6.

Variatoare de tensiune continuă. Aceste dispozitive trasformă o tensiune continuă aplicată la intrare, în impulsuri dreptunghiulare de tensiune, la ieșire, astfel încât valoarea medie a tensiunii de ieșire se poate modifica în funcție de factorul de umplere al impulsurilor. Schema de principiu a unei astfel de valori este prezentată în figura 2.6.

Figura 2.6 Schema redresorului trifazat în punte

Elementul principal al dispozitivului este un comutator static CS realizat, de obicei, dintr-un tiristor comandat. Închiderea comutatorului înseamnă aplicarea semnalului de tensiune de amplitudine U pe bornele motorului, regim menționat pe o durata de timp Ti. Prezența inductiei L determină o creștere a curentului, presupusă idealizat ca o creștere liniara (figura 2.7b),

(2.14)

Deschiderea întrerupatorului înseamnă decuplarea alimentării E și închiderea curentului de autoinducție prin dioda D. Valoarea medie a tensiunii la bornele motorului va fi:

(2.15)

Această relație indică doua modalități de control a componentei continue: a) prin ajustarea duratei impulsului T în cadrul unei perioade T de comutare constantă; b) prin menținerea duratei T constanta și varierea perioadei T. Ambele metode determină funcționarea motorului într-un singur regim, regimul de motor. O soluție înbunatațită este oferită de funcționarea motorului în două regimuri în cadrul unei perioade de lucru, regim de motor popriu-zis și regimul de frână.

În figura 2.7 este reprezentată schema de principiu a unui astfel de variator.

În primul regim este deschis comutatorul CS1, dioda D1 având rol de descărcare.

Figura 2.7 Schema de principiu a variatorului de tensiune continuă

În al doilea regim se blochează CS1 și se deschide CS2 motorul trecând în regim de frână prin scurtcircuitarea indusului, energia cinetică transformându-se în energie mecanică. Când se deschide CS2 tensiunea electromotoare a mașinii împreună cu cea de autoinducție determină deschiderea diodei D2 și trecerea curentului spre sursa E, deci energia magnetică acumulată se transformă în energie electrică. Cele două zone funcționale corespund cadranelor I și II a curenților și tensiunilor de alimentare. O structură funcțională mai complexă corespunde operării în patru cadrane(figura 2.9). Sistemul cuprinde patru comutatoare statice CS1-CS4 a căror comutare după o anumită ordine determină funcționarea în regim de motor și frână pentru ambele polarități de alimentare a le motorului.

Motor pas cu pas

Motoarele pas cu pas sunt sisteme sincrone care realizează o corelație directă între mărimea comandată și poziția obținută. Aceste motoare asigură conversia directă a semnalului de intrare, dat sub formă numerică, într-o mișcare de poziționare unghiulară prin cumulări incrementale. Această proprietate determină o utilizare largă a motoarelor pas cu pas în toate sistemele de poziționare în bucla deschisă. Conversia intrinsecă a comenzii în poziție asigură scheme de control simle, eficiente atât sub aspect tehnic, cât și economic.

Figura 2.8 Schema motorului cu regim de frână

Pe lângă aceste avantaje, trebuiesc subliniate și câteva dezavantaje printre care se menționează: accelerații și decelerații discontinue, variația cuplului cu poziția rotorului, puteri mici etc.

Principiul de funcționare al unui motor pas cu pas este prezentat în figura 2.10.

Statorul cuprinde patru poli iar rotorul este realizat dintr-un magnet bipolar. Dacă se alimentează înfășurările 1-3, atunci rotorul se va deplasa într-o poziție în care fluxul magnetic prin aceste înfășurări este maxim, deci el se va alinia pa axa înfășurărilor 1 – 3. Dacă se alimentează înfășurările 2 – 4 atunci rotorul se va roti cu , sensul de rotație depinzînd de polaritatea aplicată, până se va alinia cu noua înfășurare. O combinație de semnale aplicate va determina poziții intermediare corespunzătoare. In absența oricârui semnal de alimentare a înfășurărilor, rotorul va ocupa o poziție bine determinată aliniindu-se cu unii din polii statorului, fără a conta polaritatea .

În acest tip de motor, cuplul dezvoltat va depinde evident de poziția rotorului și în orice caz valorile de cuplu obținute sunt relativ mici.

O soluție tehnologică superioară este oferită de motoarele pas cu pas cu reluctanță variabilă. Constructiv, aceste motoare sunt cu rotor pasiv, având și crestături uniform repartizate pe suprafața rotorului. Prin alimentarea unei faze statorice, rotorul se va roti astfel încât circuitul magnetic să prezinte reluctanța magnetică minimă producând alinierea dinților statorici și rotorici. Comutând alimentarea pe faza urmatoare se obține o deplasare a rotorului pentru o nouă realiniere a dinților acestora, determinând apariția unui cuplu.

Figura 2.10 Structura funcțională în patru cadrane a motorului

După soluțiile constructive utilizate aceste motoare se împart în: motoare cu structură monostatorică (o singura unitate stator-rotor) și motoare cu structura polistatorică.

Prima configurație, monostatorică, reprezintă o soluție mai avantajoasă, datorită simplității construcției. Aceste motoare pot fi realizate în două variante, cu număr de dinți egal pe stator și rotor și cu număr de dinți în rotor mai mare decat în stator (fig.2.11).

În figura 2.11.a este prezentat un motor pas cu pas cu 8 dinți pe stator și 6 dinți pe rotor, funcționând în 4 faze cu pas de . Înfășurarile unei faze sunt dispuse pe 2 poli statorici diametral puși. La alimentarea unei faze, dinții rotorici se așează în fața dinților statorici pe care este conectată faza comandată . La alimentarea fazei următoare, rotorul se va roti cu .

Pentru obținerea unui pas de rotație mai mic se mărește numărul de dinți statorici și rotorici. În figura 2.11.b este reprezentat un astfel de motor cu 6 poli aparenți statorici.

Motoarele pas cu pas polistatorice sunt realizate sub forma unor multistructuri statoric-rotorice, fixate mecanic în aceeași carcasă dar independente din punct de vedere electric și magnetic. Statorul și rotorul au același număr de dinți. Subsistemele rotorice sunt montate pe același ax, dar sunt separate din punct de vedere magnetic.

Figura 2.11 Schema de funcționare a motorului pas cu pas

Figura 2.12 scema de motor pas cu pas

Pentru a realiza rotația este necesar decalarea subsistemelor rotorice sau statorice, radial unele fața de altele. În figura 2.12 este prezentat un motor cu trei faze, cu statorul aliniat și un decalaj de o treime din pasul dentar realizat prin cele trei subsisteme rotorice.

Indiferent de principiul de funcționare al motorului, comanda acestuia se realizează prin comutarea succesivă a fazelor înfășurarilor. În figura 2.13 se pot urmării diagramele tensiunilor de alimentare în câteva variante funcționale aplicate unui motor cu patru faze.

În figura 2.13, a este reprezentată așa numita comandă simetrică simpla în care alimentarea fazelor este comutată succesiv pe fiecare înfașurare, semnalele de comanda fiind disjuncte. În figura 2.13,b sunt alimentate în permanență două înfășurări, sensul de rotație al motorului fiind determinat de ordinea de conectare și deconectare a acestora (comanda simetrică dublă). Această metoda este îmbunatățită în figura 2.13,c în sensul că intervalul de timp asociat unei înfășurări este defalcat în trei zone. Prima și ultima corespund alimentării simultane cu faza precedentă și respectiv succesoare iar în a doua este asigurată numai alimentarea fazei proprii.

Figura 2.13 Motor pas cu pas cu trei faze

Comutarea semnalelor pe înfăsurări este realizată cu scheme de comanda specifică. Aceste scheme trebuie să conțină, pe de o parte, logică de comutare a fazelor, iar pe de alta parte dispozitive electronice de putere cuplate direct pe înfăsurările motorului.

În figura 2.14 se pot urmării principalele elemente ce intră în componența acestor scheme.

Circuitul distribuitor este format dintr-un numărător în inel, cu numărul stărilor egal cu numărul fazelor motorului, urmat de o logică de decodificare ce permite activarea unei singure ieșiri într-o stare a numaratorului. Pentru axemplificare, în figura 2.15 s-au prezentat două circuite distribuitoare pentru un motor cu patru faze.

Figura 2.14 Diagrama comandă simetrică simplă

Primul distribuitor, figura 2.15, a realizat dintr-un numărător modulo 4 activat cu un generator de impulsuri cu perioada T=unde t este timpul de explorare al tuturor fazelor motorului.

Figura 2.15 Elementele principale ale comenzii simetrice simple

Prin decodificare se obține în fiecare stare a numărătorului un singur impuls, la fiecare perioadă a generatorului, deci controlul realizat corespunde unei comenzi simetrice simple. In figura 2.16 b, este utilizat același numărător dar logica de decodificare asigură semnalele următoare:

Prin această selecție se obține o distribuție în timp de forma 2.13 b, realizând, deci, comenzi simetrice duble.

Circuitele prezentate sintetizează funcția de bază a distribuitoarelor, repartiția semnalelor pe fiecare fază după o secvență impusă, având ca referință semnalul unui generator de tact. In afară de acest semnal, distribuitorul poate fi controlat printr-o serie de semnale externe ce îi definesc sensul de baleiaj al fazelor, blocarea sau deblocarea sa și permit chiar modalități funcționale specifice corespunzătoare unor regimuri de accelerare sau decelerare a motorului.

a b

Figura 2.16 Circuite pentru un motor cu patru faze

Frecvența de tact este, la rotația nominală a motorului, constanta și obținută prin circuite oscilatoare de uz general. Pentru regimurile de accelerare se impune, in scopul eliminării fenomenului de pierdere al pașilor, pornirea generatorului de la frecvențe joase si creșterea gradată a frecvenței până se atinge frecvența de regim dorită. O procedură similară este necesară și la regimurile de decelerare. Această modificare a frecvenței poate fi realizată in diferite moduri: prin circuite specializate analogice sau numerice sau prin sistemul software al unui procesor ce controlează mișcarea. Pentru exemplificare, in figura 2.17 este prezentat un circuit numeric ce realizează controlul frecvenței prin informația numerică transmisa de la procesor. Această mărime numerică , reprezentată prin vectorul Nv, este înscrisă intr-un registru tampon ce este decrementat de un semnal de tact de frecventă ridicată și riguros constantă (Ts) emis de un generator GT1. La atingerea stării de zero a registrului , o poartă logică P1 blochează accesul acestor impulsuri și permite reînscrierea unei noi valori numerice cu o întârziere τ. Ieșirea porții reprezintă totodată semnalul de tact al distribuitorului.

Figura 2.17 Circuit numeric pentru controlul frecvenței

Frecvența de control a distribuitorului fd se obține, din valoarea numerică aplicată, după o relație de forma:

Această relație este pusă în evidență prin diagrama de semnale din figura 2.17,b. Pentru o valoare Nv = 3 înscrisă periodic în registru se obțin impulsurile ud cu perioada Td1. Mărirea valorii numerice, Nv2 determină o creștere proporțională a perioadei la valoarea Td2.

Distribuitoarele de impulsuri discutate generează deci logica de comutare a tensiuni de alimentare pe fiecare fază fără a asigura puterea necesară pentru comutare. Aceasta este obținută de un bloc de comutatoare statice care realizează amplificarea necesară a sistemului.

Problemele impuse acestor circuite sunt numeroase, ele derivând din regimurile speciale la care operează un motor pas cu pas. Aceste probleme pot fi formulate prin condițiile următoare:

generarea unui curent cu o amplitudine corespunzătoare puterii cerute de motor și cu polaritate adecvată. Această implică trazistoare de putere în etajele finale sau chiar tiristoare;

comutarea curentului de la valoarea zero la valoarea de regim în timp minim;

comutarea inversă a curentului de la valoarea nominală la zero în timp minim cu evitarea apariției unor semnale de supraurmărire.

Prima condiție se realizează prin utilizarea unor configurații speciale de amplificare în curent de tipul circuitelor Darlington. Aceste circuite au avantajul unui factor de amplificare bun, o impedanță de intrare mare, o impedanță de ieșire foarte mică , deci o adaptare foarte bună față de sarcina oferită de motor. Ele reprezintă totodată și un excelent comutator static, constantele de timp proprii fiind foarte mici.

În fig 2.18 este reprezentat un astfel de comutator Darlington cuplat pe una din înfășurările unui motor pas cu pas. Dacă semnalul furnizat de distribuitor este la nivel logic O, tranzistorul T1 se blochează determinând blocarea tranzistorului T2 și anulând deci curentul în fază motorului. Pentru o valoare logică 1, tranzistorul T1 intră în saturație determinând conducția lui T2 si, deci, un curent corespunzător prin înfășurarea motorului.

Figura 2.18 Schema comutatorului Darlington

Condițile 2 si 3 formulate sunt strâns legate de regimul tranzitoriu al circuitului de sarcină. Propriu-zis, sarcina acestui comutator este caracterizată prin inductanța L a înfășurării motorului, deci evoluția în timp a curentului corespunde regimului oricărui comutator cu sarcina inductivă.

Considerând comutatorul o structură ideală cu rezistența de ieșire R0 se obține,

(2.14)

unde m este constanta de timp a circuitului.

(2.15)

Figura 2.18 graficul timpului de front al motorului

Timpul de front anterior la comutarea curentului Tfl (figura 2.18b) se poate aprecia la

(2.16)

valoare ce nu satisface întotdeauna cerințele de comutare ale fazelor motorului, datorită valorii mari ai inductanței L și mici ale rezistențelor Rm si R0.

Îmbunătățirea timpului de front este posibilă prin tehnici bine-dezvoltate în literatura de specialitate, cea mai simplă procedură de micșorare a constantei de timp Tm constând în introducerea în serie cu înfășurarea motorului a unei rezistențe R. Noua constantă de timp va fi.

(2.17)

Dezavantajul principal al metodei constă în creșterea puterii consumate prin disiparea acesteia în rezistența internă R. Acest neajuns poate fi remediat prin menținerea rezistenței R numai pe durata regimului tranzitoriu și anularea ei în restul intervalului de timp. În figura 2.19 este prezentată această soluție în care rezistorul R, comună tuturor fazelor motorului, este scurtcircuitată prin tranzistorul T. Un bloc de control asigură comutarea tranzistorului T în intervalele de timp necesare.

Un aspect caracteristic comutației în circuitele inductive este apariția supratensiunilor în colectorii tranzistorilor finali la comutarea internă a curentului. În acest caz, curentul nu devine imediat zero, ci se menține în înfășurare datorită inductivității acesteia. Efectul imediat este apariția supratensiunii ce poate provoca străpungerea tranzistorilor și în același timp se creează riscul alimentării simultane a două faze, cea blocată și faza succesoare acesteia (prin comutarea distribuitorului). Rezultatul este un efect de frânare al motorului.

Figura 2.19 Schema îmbunătățită de comanda prin scurtcircuitarea rezistorului R

Eliminarea acestui neajuns se obține prin montarea în paralel cu înfășurările motorului a unor diode (figura 2.17) sau unor circuite formate din diode și rezistorului (figura 2.19), ultimele elemente având ca scop micșorarea costantei de timp de descărcare.

2.2 Sisteme de acționare hidraulică

Aceste dispozitive se bazează pe principiul conversiei energiei unui fluid incompresibil în energie mecanică. Lichidul utilizat este un ulei mineral ce acționează la presiuni de până la 200 bar., sursa de presiune hidraulică fiind încorporată în sistemul de acționare propriu al robotului sau aparținând unui sistem centralizat.

Dispozitivul cu cea mai largă utilizare în aceste sisteme este reprezentat de motorul hidraulic liniar (fig. 2.20).

Diferențele de presiune create în cele două camere determină valoarea forței exercitate,

(2.18)

Aceste presiuni sunt create prin asigurarea circulației fluidului pe anumite căi de fluid prin intermediul unui servoventil SV (distribuitor) de la o sursă de putere hidraulica SPH. Controlul servoventilului este realizat electric.

Figura 2.20 Schema de acționare a unui motor hidraulic

Considerând o geometrie simetrică adoptată în construcția motorului și notând prin x deplasarea față de punctul median al cilindrului, dinamica mișcării este definită prin ecuațiile,

(2.18)

(2.19)

(2.20)

(2.21)

unde v este viteza elementului, B reprezintă modul de compresibilitate, kf, Fr, determină frecările vâscoase și uscate, iar q1 și q2 sunt debitele realizate pe cele două trasee.

O structură similară este utilizată și pentru acționarea într-o mișcare de rotație. În figura 2.21 sunt prezentate două variante constructive, prima realizând o rotație sub un unghi maxim de cca 330, iar a doua de cca 130.

Aceste dispozitive se utilizează pe scară largă în acționarea roboților datorită unor avantaje specifice printre care menționăm: realizarea unui raport putere/greutate mare, posibilitatea acționării directe, interconectarea lor directă în articulațiile de rotație ale robotului etc.

Comportarea statică este determinată de ecuația cuplului activ creat,

(2.22)

unde V este capacitatea volumică a sistemului. Regimul dinamic are o formă analogică cu cel de la motoarele liniare liniare.

Figura 2.21 Motoare oscilante cu palete

(2.23)

(2.24)

(2.25)

(2.26)

unde coeficienții au semnificații similare.

Figura 2.22 Distribuitoare cu sertar

Un rol esențial în comanda acestor acționări îl joacă sistemele de control al căilor de fluid, servovalvele. Aceste dispozitive permit blocarea unor căi de fluid, schimbarea sensului pe o anumită cale sau comutarea traseelor de cale după o logică impusă (figura 2.20). Un astfel de servosistem hidraulic este prezentat în figura 2.22.

Pentru poziția de zero a pistonului ambele căi de fluid sunt blocate, elementele pistonului obturând căile de transmitere a fluidului către sarcină sau de la aceasta (căile A și B). O deplasare foarte mică x spre dreapta a pistonului determină deschiderea traseului fluidic S-A și B-R1, deci un anumit sens în sarcina dispozitivului. Deplasarea inversă a pistonului produce blocarea căii de recirculare R1 și deschiderea căilor pe traseele S-B și A-R2, inversând astfel sensul fluidului în sarcină.

O analiză detaliată a debitului de fluid ce traversează o cale de ieșire (A sau B) în funcție de poziția pistonului permite determinarea caracteristicii de transfer a distribuitorului.

Caracteristica globală de transfer este prezentată în figura 2.23.b. Se observă că forma ei este specifică elementelor neliniare cu prag de saturație. Această alură corespunde unei configurații idealizate a elementelor pistonului. Structurile reale înrăutățesc caracteristica în sensul introducerii unor neliniarități suplimentare, caracteristici cu zona de insensibilitate, cu zone liniare cu pantă variabilă etc. Se poate remarca, de asemenea, sensibilitatea deosebită a sistemului în sensul că variații foarte mici de deplasare mecanică x determină regimuri fluidice total diferite.

Comanda pistonului, deplasările acestuia, sunt realizate de obicei electric cu elemente speciale, motoare pas cu pas, motoare de c.c. cu sisteme mecanice de conversie a mișcării sau electromagneți tripoziționați.

Analiza comparativă a sistemelor de acționare utilizate în controlul poziției roboților indică o pondere de peste 50% în favoarea acționării hidraulice.

Această largă utilizare este datorată câtorva factori dinte care putem menționa:

puterea realizată în aceste sisteme este mult mai mare decât a oricărui sistem, luând ca referință greutatea echipamentului utilizat;

acționările hidraulice sunt mult mai robuste decât cele electrice amplificarea rezultată este mai mare, precizia și răspunsul la frecvență sunt mai bune;

acționarea hidraulică are performanțe foarte bune la viteze mici;

sistemele hidraulice se pot cupla direct la sarcină fără dispozitive suplimentare;

Figura 2.23 Caracteristica distribuitorului cu sertar

În celălalt sens, anumite deficiențe ale acestor sisteme determină o limitare a utilizării lor. Se poate mentiona neliniaritatea extrem de pronunțată a majorității elementelor, ceea ce îngreunează mult realizarea unui control eficient. De asemenea, incompresibiblitatea fluidului, factor esențial într-o acționare hidraulică, devine un element deficitar în condițiile în care se impune implementarea unei legi de reglare. Realizarea unor elemente de reglare fluidice de tip P, PI, PID se obține extrem de dificil, cu dispozitive electro-mecanice complexe. Mai mult, dacă o servovalvă blochează o cale de fluid aceasta devine practic neoperantă, controlul fluidic încetând cu totul.

2.3 Sisteme de acționare pneumatică

Caracteristica principală a acestor dispozitive este dată de utilizarea aerului ca fluid compresibil al sistemului de acționare.

Funcțiile de operare ale sistemelor pneumatice sunt similare cu cele hidraulice, particularitățile tehnologice și constructive specifice lor fiind datorate schimbării fluidului, cu specificul și proprietățiile sale.

Din factorii care argumentează în favoarea utilizării sistemelor pneumatice, se pot reține:

simplitatea echipamentului de acționare;

robustețea dispozitivelor utilizate;

nepoluarea mediului de lucru;

sisteme de control simple;

raportul putere/greutate relativ ridicat;

rezistența la suprasarcini de valori mari.

Compresibilitatea fluidului (aerului) face ca sistemele de control să fie utilizate în special la elementele mecanice care lucrează pe principiul ”tot sau nimic” fără a fi necesar un reglaj intermediar. Ca urmare, ele pot fi introduse cu succes la dispozitivele de acționare ale griperelor unde sunt conturate întotdeauna numai două stări distincte: deschis și închis.

Controlul poziției unui element mecanic prin sisteme pneumatice este rar utilizat datorită performanțelor slabe rezultate în comparație cu cele electrice sau hidraulice. Aceste rezultate slabe se atribuie compresibilității fluidului care introduce un timp de propagare, de întârziere, în dinamică dispozitivului. De asemenea, o deficiență de bază o constituie faptul că aceste sisteme utilizează controlul după debit, parametru ce nu este întotdeauna indicat pentru controlul pneumatic al unei mișcări. Din acest motiv, se recomanda utilizarea unui control al presiunii ce duce la o îmbunătățire considerabilă a performanțelor dar este mult mai complex și costisitor.

CAPITOLUL 3

NOȚIUNI DE MATERIALE INTELIGENTE

3.1 Introducere

Încercările de obținere a unor noi materiale superperformante au condus la dezvoltarea unei clase de produși cunoscuți sub denumirea de materiale compozite. Materialele compozite, împreună cu ceramicile tehnice, polimerii tehnici ca și noile materiale metalice fac parte din categoria “noilor materiale” constituind un domeniu prioritar, susținut în toate țările dezvoltate industrial. Este un domeniu considerat proces continuu de inovare tehnologică, interdisciplinar, între metalurgie, chimia polimerilor, metalurgia pulberilor, ceramică.

Materialele compozite sunt considerate a fi “materiale din generația a 2-a“. Ele s-au dezvoltat pentru obținerea unor materiale cu proprietăți mecanice, tehnice, electrice, chimice, fizice, optice și de prelucrabilitate superioare materialelor tradiționale, ca înlocuitor pentru metale sau unele mase plastice. Materialele compozite sunt neomogene și anizotrope, neavând aceleași proprietăți mecanice în toate punctele și în toate direcțiile, răspunzând cerințelor actuale impuse industriei de a realiza produse cu un consum minim de metal, prin premisa “sindromului ușurării”, motiv pentru care ele au aplicatii mai ales în tehnicile de vârf. În industria electrotehnică se folosesc compozite coținând materiale plastice speciale, rășini poliamidice, siliconi, policarbonati, polibutilenite pentru izolatii și piese de legătură. În domeniul telecomunicațiilor se folosesc materiale compozite la izolați de cabluri telefonice din polietilena, respectiv poliamide.

Studiul sistematic al noilor materiale electroizolante utilizate in retelele electrice, a dus la elaborarea unor materiale cu caracteristici mult imbunatatite dupa cum urmeaza :

a) Rezistenta sporită la îmbătrânirea tehnică a materialelor izolante prin reticularea structurii moleculare. Cu ajutorul legăturilor chimice suplimentare ale polimerilor, proprietatile fizice ale materialelor izolante se pot imbunătăți astfel încât se obtine o durata de viata de 30-40 de ani.

b) Rezistenta sporita la radiatii UV, datorita cerintelor de stabilitate a curentului de inalta tensiune.In cazul polimerilor nu este permisa utilizarea pulberilor de absorbant de radiatii UV.

c) Capacitatea de “memorie elastica” a formei. În cazul materialelor termocontractabile, “memoria” formei înseamnă că acestea se pot prefabrica în așa fel încât în timpul montajului să ia o anumită grosime de perete prestabilită.

d) Invulnerabilitate la agresiuni mecanice si rezistenta la propagarea focului (cu autostingere) obtinute la materialele izolatoare polimerice.

e) Rezistenta dielectrica ridicata si foarte mica absorbtie de apa in cazul rasinilor epoxidice.

3.2 Materiale inteligente – Definiții, Concepte

Conceptul de material inteligent derivă de la formele inteligente ale sistemelor (materialelor) naturale, adica organismele vii. Ca urmare, materialele inteligente sunt concepute ca materiale care îndeplinesc funcțiile naturale de detectie (“sensing”), comanda (“actuation”), control si inteligenta (figura 3.1).

A – structuri adaptive

B – structuri senzitive

C – structuri controlate

D – structuri active

E – structuri inteligente

Figura 3.1. Set de structuri

Materialele inteligente (“smart/intelligent materials”) au proprietatea de a se auto-adapta la stimuli externi. Functiile acestor materiale se manifesta inteligent in functie de schimbarile mediului exterior (figura 3.2).

Figura 3. 2. Funcțiile materialelor

Sub actiunea stimulilor externi, materialul inteligent (activ) se modifică intrinsec

Răspunsul materialelor active la schimbările de mediu (stimuli) poate constă în modificarea lungimii materialului, modificarea viscozității, a conductivității electrice s.a.

Forța exterioară aplicată poate fi clasificată în trei categorii:

câmp electric – ceramici electrostrictive și piezoelectrice și polimeri piezoelectrici

câmp termic – aliaje cu memoria formei

câmp magnetic – materiale magnetostrictive și materiale magnetice cu memoria formei (aliaje feromagnetice cu memoria formei)

În funcție de tipul de răspuns pe care îl generează, materialele active pot fi împărțite în două categorii:

1). Semnalul de intrare este transformat totdeauna în efort, care poate fi folosit pentru a introduce mișcare (dinamică) într-un sistem. Aceste materiale constituie grupul cel mai des folosit pentru a construi o structură inteligentă (materiale active integrate într-o structură mecanică, de exemplu o construcție sau elicea unui elicopter), cu scopul de a modifica dimensiunile geometrice ale structurilor.

Dispozitivele pe bază de materiale care răspund prin modificarea lungimii sunt denumite adesea actuatori (sau actuatori în stare solidă).

Materialele active pot fi folosite și ca senzori, atunci când efortul aplicat asupra materialului este transformată într-un semnal care permite estimarea nivelurilor de tensiune în sistem. Figura 3.3 ilustreaza principiile unui material actuator/senzor. În funcție de direcția stimul – răspuns, un dispozitiv cu material activ poate fi folosit atât ca actuator, cât și ca senzor.

Figura 3.3. Dispozitive cu materiale active utilizate ca actuator (a) si senzor (b)

2). A doua categorie de materiale active contine acele materiale care raspund la stimuli prin modificarea unei proprietati cheie, de exemplu conductivitatea electrica sau viscozitatea.

Aceste materiale sunt mai putin integrate in structuri mecanice, fiind folosite mai degrabă pentru reprezentarea modulelor complexe, de exemplu cuple, dispozitive de fixare, valve, intrerupatoare. Aceste materiale sunt folosite în mod frecvent ca senzori.

Deși materialele din aceasta categorie nu generează o tensiune la aplicarea unui stimul extern, ele sunt uneori denumite sisteme actuatoare. Exemple în acest sens sunt fluidele electro si magnetoreologice, care răspund prin cresterea viscozitatii la aplicarea unui cimp electric sau magnetic extern.

Desi au fost stabilite metode de a cuantifica si clasifica diferite niveluri de inteligenta a sistemelor, dintr-un punct de vedere practic este mult mai important de a intelege ca nici una dintre clasificari nu este stabilita si utilizata ca standard din punct de vedere stiintific sau industrial. Mai mult, termenii:

– material inteligent

– material activ

– material adaptiv

– senzori, actuatori (într-o oarecare măsură)

sunt utilizati aproape totdeauna intersanjabil. Acest lucru poate crea confuzii deoarece termeni diferiti pot descrie acelasi efect sau proprietate a materialului.

Confuzia poate creste și mai mult in conditiile in care termeni ca “dispozitiv inteligent”, “sistem inteligent” sau “structura inteligenta” sunt deseori folositi impropriu. Este stiut faptul ca, in general, complexitatea unui sistem creste in seria “material” “dispozitiv” “sistem” “structura”.

Anumite caracteristici specifice ale materialelor fac ca acestea sa poata fi folosite in aplicatii ca materiale inteligente. Aceste proprietati sunt:

efectul piezoelectric

efectul magnetostrictiv

efectul electroplastic

efectul de memorie a formei

proprietati electroreologice

proprietati neliniare electrooptice

proprietati neliniare electroacustice

proprietati neliniare electromagnetice

proprietati pirosenzitive

3.3 Tipuri de materiale inteligente

Materiale inteligente piezoelectrice

Printre primele aplicatii ale materialelor inteligente piezoelectrice au fost in structuri inteligente caracterizate prin sinergie electroelastica. Pentru asemenea aplicatii, au fost utilizate in principal materialele ceramice. Astfel, sunt utilizate ceramici feroelectrice policristaline (BaTiO3, CdTiO3, PbZrO3, PbTiO3), cu diferite proportii stoichiometrice. O alta clasa de compozite flexibile piezoelectrice care pot fi folosite in aplicatii inteligente este constituita de sistemul PbTiO3 – cauciuc cloroprenic. Un alt exemplu de materiale folosite in ingineria materialelor inteligente il constituie compozitele vitroceramice continind faze cristaline de Li2SiO3, Li2Si2O5, Ba2TiSi2O8, Ba2TiGe2O8, Li2B4O7, etc.

Materiale inteligente piezolecetrice pot fi, de asemenea, realizate din polimeri, si anume poliviniliden fluorida (PVDF). Principalele avantaje ale acestui material rezida in faptul ca poate fi fasonat sub forma unor foi (straturi) foarte subtiri si poseda o rezistenta mecanica excelenta, combinata cu o foarte mare sensibilitate la modificarile de presiune.

Un alt material piezoelectric recent descoperit (NTK Research, Japonia) este un material pe baza de cauciuc, numit cauciuc piezoelectric. Acest material este format din cauciuc sintetic (cloropren) in care sunt dispersate particule fine din piezoceramica PZT (titanat de plumb si zinc). Cauciucul piezoelectric combina proprietatile PZT (senzitivitate ridicata, inertie chimica, linearitate, simplitate) cu flexibilitatea cauciucului. Un asemenea tip de material a contribuit la dezvoltarea conexiunilor cu cablu coaxial.

Materiale inteligente magnetostrictive

Structurile inteligente moderne contin materiale cu un grad ridicat de magnetostrictiune. În general, aceste materiale pot induce un efort de aprox. 2000 ppm (părți/milion). Aceste materiale sunt aliaje de fier si metale – pamânturi rare, cum ar fi terbiu (Te), dysprosiu (Dy) si niobiu (Nb). Transduceri magnetostrictivi pentru aplicații inteligente pot fi realizati si din anumite sticle metalice.

Materiale inteligente electroplastice

Aceste materiale sunt utile ca medii elastice inteligente mai ales dacă stimulul care modifica doformarea elastica este curentul electric, care poate fi controlat extern. Utilitatea acestor materiale in sisteme inteligente care functioneaza la temperatura camerei este inca in studiu.

Materiale inteligente cu memoria formei

În aceasta clasa intra 3 categorii de materiale, si nume:

aliaje cu memoria formei

compozite hibride cu memoria formei

polimeri cu memoria formei

(a) Aliajele nichel – titan de compozitie adecvata prezinta caracteristici unice de memorie, respectiv de refacere a formei, fiind cele mai populare aliaje cu memoria formei. Atunci cind asemenea materiale sunt deformate plastic in starea de temperatura joasa si apoi incalzite deasupra temperaturii de tranzitie, are loc refacerea configuratiei (formei) originale (deformatii de pâna la 6 – 8 % pot fi complet refacute prin incalzirea materialului). Principalele aplicatii ale acestor materiale inteligente sunt actuatorii electromecanici.

(b) Compozitele hibride cu memoria formei sunt materiale compozite care contin fibre au straturi de aliaje cu memoria formei (Ni – Ti), astfel încât ele sa poata fi controlate mecanic prin incalzire. Aceste materiale pot fi incalzite prin trecerea unui curent electric prin fibre.

Materialele din aceasta categorie pot fi folosite in interactiuni material – structura.

(c) Polimerii cu memoria formei sunt caracterizati prin memorie elastica, adica la temperatura de tranzitie vitroasa exista o larga modificare reversibila a modulului elastic. Cu alte cuvinte, la temperatura de tranzitie vitroasa materialul poate trece din stare sticloasa in stare plastica. In general, polimerii cu memoria formei sunt rezistenti, foarte usori si transparenti.

Printre polimerii utilizati in acest scop se numara cei pe baza de polinorborena si cei pe baza de poliuretan. Aceste materiale inteligente pot fi utilizate fie ca materiale elastice cu memorie fie ca materiale cu memoria formei.

Fluide electroreologice inteligente

Cercetarile curente asupra fluidelor electroreologice au ca obiectiv dezvoltarea unor sisteme purtatoare de particule, cu proprietati care sa permita obtinerea unui comportament elastic inteligent. Versiuni anterioare de fluide electroreologice contineau apa adsorbita, ceea ce limita temperatura de operare la 80C. Noile fluide electroreologice contin particule de polimeri, minerale sau ceramici disperaste in ulei silconic, ulei mineral sau parafina clorurata, prezentind urmatoarele avantaje: cresterea domeniului de operare la 200C, proprietati izolatoare bune, compatibilitate la dispersia particulelor.

Materiale inteligente electrooptice

Fosfatul dihidrogenat de potasiu este un exemplu de material care prezinta proprietati electrooptice. Asemenea materiale de sinteza isi pot modifica indicele de refractie si, deci, caracteristicile de transmisie si reflexie optica, in prezenta unui stimul electric. Materialele din aceasta categorie pot fi utilizate ca senzori inteligenti.

Materiale inteligente electroacustice

Asemenea materiale prezinta vibratii puternice in functie de caracteristicile piezoelectrice. Cauciucul piezoelectric, ceramicile PZT, LiNBO3, PZT cu dopanti donori sunt candidati viabili pentru aplicatii inteligente.

Materiale inteligente electromagnetice

Sunt cunoscute numeroase materiale care poseda proprietati feroelectrice, cel mai cunoscut fiind titanatul de bariu (BaTiO3). Titanatul de bariu poate fi un foarte bun material inteligent datorita avantajelor pe care le prezinta: rezistenta mecanica ridicata, rezistenta la incalzire si umiditate, usurinta in procesare. Electretii, cum ar fi polimetilmetacrilatul, pot fi utilizati si ei in aplicatii inteligente.

Dintre materialele magnetice neliniare, materialele feromagnetice platina – cobalt sau feritele ar putea fi utilizate in aplicatii inteligente.

Materiale inteligente pirosenzitive

Aceste materiale sunt utile in realizarea suprafetelor electromagnetice active inteligente, a materialelor radar-absorbante, a scuturilor electromagnetice s.a. De exemplu, datele de literatura au demonstrat ca o suprafata compozita alcatuita din electrolit solid (ex. AgI) controlabil termic este caracterizata prin proprietati de absorbtie/reflexie a microundelor la temperaturi ridicate. Aceste caracteristici pot fi combinate cu un senzor electromagnetic pentru a realiza un feedback controlabil si pentru a obtine o suprafata activa inteligenta.

3.4 Aplicațiile materialelor inteligente

În schema următoare se prezintă principalele aplicații ale materialelor inteligente

Structurile si materialele inteligente pot monitoriza, controla si se pot adapta la modificarile mediului exterior.

Ingineria materialelor inteligente este abia la inceput. Cu toate acestea, rezultatele deja existente, ca si cercetarile in curs de desfasurare au confirmat posibilitatea utilizarii materialelor inteligente in citeva directii high-tech. S-a demonstrat faptul ca materialele inteligente pot fi utilizate in ingineria structurala, tehnici electromagnetice, biomedicale, optice si biologice. Cercetari deosebite au drept scop aplicarea acestor materiale in industria aerospatiala, aeronautica, nave, roboti. Domeniul de aplicatii ale materialelor inteligente poate fi extins la absorbtii acustice si control adaptiv de culoare in sticle, oglinzi, roboți și microroboți, microsoisteme etc.

Sistemele inteligente viabile reprezinta combinarea de materiale noi/avansate, senzori inovativi, microcomputere, inteligenta artificiala, retele neurale si diverse tehnologii emergente.

CAPITOLUL 4

SISTEME DE ROBOȚI REDUNDANȚI

Configurațiile convenționale de roboți sunt mecanisme discrete obținute prin legarea în cascadă a unor corpuri rigide articulate obținute printr-o conexiune cu un singur grad de libertate. Mecanismul acestor structuri presupune existența unor relații cunoscute între centrele de greutate ale corpurilor articulate iar articulațiile sunt controlate prin legi de conducere proprii. Elementele lanțului cinematic sunt formate din componente pasive, activarea fiind realizată numai la nivelul articulației.

În contrast cu structuri clasice, modelele de tip „redundant” „tentacul”, „trompă”, „serpentină” sunt realizate prin conexiunea în serie a unor elemente a căror mișcare de încovoiere (rotație) este realizată după curbe continue. Această ultimă caracteristică desemnează această clasă de roboți ca „roboți continui”, în timp ce structurile convenționale sunt considerate ca „roboți discreți”.

Modelele de tip redundant sunt formate, teoretic, dintr-un număr infinit de articulații, ceea ce permite obținerea unui lanț cinematic descris printr-o curbă continuă și îi conferă o mobilitate, ipotetic, infinită. Din acest motiv în multe lucrări aceste modele sunt desemnate și ca modele „hiperredundante”. Marea lor mobilitate face ca acești roboți să fie utilizați cu precădere în spații de operare cu restricții deosebit de severe.

Figura 4.1 Model discret – model continuu – model fizic

În acest fel se pot manipula piese, se pot realiza operații de vopsire, sudură, eliminarea unor imperfecțiuni tehnologice în zone greu accesibile, containere închise, construcții tabulare, etc. (figura 4.2).

Proiectarea și realizarea unui sistem de tip tentacul ridică probleme complexe printre care am putea menționa:

Dificultatea acționării distribuite pe lungimea sistemului. Este evident ca o acționare electrică de tip clasic este inacceptabilă datorită greutății suportului magnetic. Mult mai pretabile pot fi acționările de tip pneumatic, hidraulic sau cele care utilizează componente tehnologice noi, materiale inteligente de tip SMA, lichide ER, mușchi artificiali din polimeri, etc.

Figura 4.2 Model tentacular – aplicații în spații cu restricții

Măsurarea pozițiilor relative sau absolute a articulațiilor ridică probleme extrem de complexe. În noul curent se acceptă măsurarea unor puncte discrete, restul punctelor fiind obținute prin proceduri speciale de estimare.

Dificultatea determinării unei legi de mișcare pentru întreaga configurație avându-se în vedere complexitatea modelului matematic al tentaculului și al complicațiilor ce apar la implementarea unui controler distribuit.

Modele redundante

În momentul de față, literatura de specialitate semnalează prezența a numeroase configurații care, prin gradul lor ridicat de mobilitate, pot fi incluse în clasa modelelor redundante (tentaculare). Aceste modele se individualizează prin tehnologia de acționare a fiecărui element, prin modalitățile adoptate pentru rotația sau încovoierea fiecărei componente a sistemului. În mod curent, în literatură sunt descrise trei tipuri de modele tentaculare:

Modele cu acționare intrinsecă, la care sistemele de acționare se găsesc chiar în structura corpului elementelor și constituie o componentă a mecanismului de animație.

Modele cu acționare extrinsecă în care elementul activ este poziționat în afara structurii brațului iar mișcarea este realizată printr-un mecanism de transfer (cabluri, fire, etc).

Modele hibride care utilizează ambele sisteme.

Fiecare dintre aceste grupe poate fi subdivizat în modele planare sau spațiale după cum mișcarea se produce într-un plan specificat, sau în aria direcției din spațiu, respectiv.

Sisteme cu acționare intrinsecă

Cea mai simplă forma de acționare intrinsecă este obținută din dispozitive planare fluidice de tipul celor prezentate în figura 4.3.

Figura 4.3 Dispozitiv intrinsec planar

Rotația elementului se obține prin simpla modificare a presiunii în camera semicilindrului, ceea ce va va determina o rotație, o încovoiere a elementului în plan. Un rol esențial în producerea mișcării îl au pereții elementului realizați din elemente cu componente elastice, ceea ce asigură alungirea sau contractarea pereților în funcție de presiunea aplicată.

O structură spațială cu acționare intrisecă se obține prin exinderea soluției anterioare. În figura 4.4 este prezentat un astfel de model realizat din trei cilindri de acționare montați pe un suport comun. Deformarea elastică a camerelor cilindrilor determină încovoierea elementului în spațiu.

Figura 4.4 Model intrinsec spațial

O schemă simplificată a mișcării este prezentată în figura 4.5. Pentru a obține o anumită direcție de rotație se impune controlul strict al presiunii în cele trei camere ale cilindrilor. O structură tentaculară completă este obținută prin legarea în serie a câtorva module. Este evident că, prin controlul distribuit al lanțului de module, se obține orientarea în spatiul 3D și flexibilitatea formei întregii structuri.

Figura 4.5 Mișcarea modelului cu acționare spațială

Figura 4.6 Robotul NOBEL MEC

O structură industrială cu acționare intrinsecă, hidraulică, este oferită de terminalul robotului NOBEL MEC (figura 4.6). Fiecare element este acționat de un servosistem, comanda centralizată a acestora permițând mișcarea brațului într-un singur plan.

O soluție bazată pe utilizarea noilor materiale inteligente este prezentată în figura 4.7. Structura modelului este similară cu cea discutată anterior, dar acționa-rea este obținută cu lichide electrorheologice (ER). Un lichid ER este o suspensie de particule într-un mediu neconductor, ceea ce permite modificarea vâscozității fluidului printr-un câmp electric continuu de intensitate ridicată aplicat fluidului. Un set de electrozi dispuși longitudinal, pe generatoarea cilindrilor, permite controlul câmpului electric și asigură un control al vâscozității în lungul acestora.

Evident, mișcarea și orientarea este realizată prin controlul presiunii fluidului, dar ulterior, controlul vâscozității asigură o bună stabilitate a mișcării.

Figura 4.7 Model cu acționare prin lichide ER.

Sisteme cu acționare extrinsecă

Pentru aceste sisteme sursa motoare se găsește poziționată în afara structurii flexibile a brațului, acționarea fiecărui element și modul realizându-se prin diverse modalități de transmisie. Cel mai cunoscut sistem de transmisie este cel realizat pe bază de cabluri tractate electric sau hidraulic. În figura 4.8 este prezentat robotul ACMA la firmei Renault al cărui terminal cu funcție tentacul-trompă este utilizat în instalațiile de vopsire automată. Elementele flexibile sunt grupate în module, fiecare modul fiind activat printr-un sistem de cabluri astfel dispuse încât să asigure o distribuție uniformă a forței de-a lungul brațului. (figura 4.9). În cadrul fiecărui modul, elementele flexibile sunt pasive.

Figura 4.8 Robotul ACMA-Renault.

Un robot reprezentativ al acestei familii este robotul HB-Hitachi (figura 4.10) utilizat în operații de vopsire și grunduire. Robotul este utilizat din două tronsoane cu acționare electrică independentă. Fiecare tronson este format dintr-un număr de elemente – vertebre a căror mișcare este ghidată de-a lungul unor suporturi elastice printr-o tractare cu cabluri. Vertebrele au o formă specifică astfel încât să permită o mobilitate la cca 150 una față de cealaltă, în orice direcție.

Figura 4.9 Modelul cu tractare pe cabluri

Figura 4.10 Robotul HB-Hitachi.

Se prezintă în figurile următare câteva tipuri de roboți mobili redundanți (tentaculari) similari cu ființe vii de tipul reptilelor utilizați în diverse aplicații cum ar fi: inspecția conductelor, terenuri accidentate, etc.

CAPITOLUL 5

ELEMENTE DE BAZĂ PRIVIND CALCULUL ACTUATORILOR ELECTROMAGNETICI LINIARI

5.1. Noțiuni generale

Calculul AEML se poate face, prin analogie cu motoarele rotative de curent continuu excitate cu magneți permanenți, aplicând principiile de bază din electrotehnică. Aplicațiile prezentate în continuare se referă la AEML cu întrefier pătrat. Datele necesare pentru proiectare depind în general de aplicația în care este cuprins actuatorul. Astfel, pentru o aplicație ce vizează poziționarea elementului acționat, trebuie precizate următoarele:

forța nominală: FN [N];

cursa maximă: xm [mm];

cursa activă: xa [mm];

timpul mediu de poziționare: tpm [ms];

serviciul de lucru (permanent, scurtă durată, intermitent etc.);

tensiunea nominală: UN [V];

condițiile mediului ambiant;

tipul magenților permanenți (metalici, ceramici, din pământuri rare) și parametrii acestora;

modul de cuplare cu receptorul mecanic (unilaterală sau bilaterală);

lungimea bobinei: lb și modul de consolidare a spirelor.

În continuare se prezintă detalii privind calculul AEML cu întrefier pătrat.

5.2. Calculul punctului de funcționare al magnetului permanent

Proprietățile de bază ale materialelor magnetice se pot deduce din curbele de histerezis, care exprimă relația dintre inducția magnetică B sau magnetizarea intrinsecă M și intensitatea câmpului magnetic H. Inducția magnetică remanentă B, reprezintă inducția magnetică maximă care poate fi generată în magnet (figura 5.1).

Intensitatea câmpului magnetic coercitiv normal HC, reprezintă capacitatea materialului magnetic de a rezista la acțiunea câmpurilor magnetice demagnetizate.

În figura 5.2 se prezintă variația inducției în funcție de energia înmagazinată de magnet (curba din cadranul I), respectiv partea din cadranul II a ciclului de histerezis, așa-numita curbă de demagnetizare pentru un magnet permanent metalic.

Figura 5.1 Inducția magnetică remanentă

Circuitul magnetic al actuatorului este format din patru magneți permanent metalici NS, de formă paralelipipedică magnetizați transversal, fixați pe plăcile polare 3, (figura 5.2). Liniile de câmp se închid prin întrefierul , placa de bază 1, miezul 2, și plăcile polare laterale 3.

Figura 5.2 Circuitul magnetic al actuatorului

Plăcile polare laterale, miezul și placa de bază sunt executate din fier moale. Întrefierul de secțiune pătrată, este delimitat de fețele miezului 2 și suprafețe corespunzătoare ale magneților permanenți NS.

Aplicând legea circuitului magnetic pe o curbă închisă și neglijând tensiunea magnetică a jugurilor de fier (se consideră permeabilitatea magnetică a fierului moale infinită), se poate scrie:

(5.1)

unde:

Hm este intensitatea câmpului magnetic în materialul magnetic;

hm este înălțimea magnetului permanent;

H este intensitatea câmpului magnetic în întrefier.

Pe de altă parte, din legea conservării componentelor normale ale inducției pe suprafețele de discontinuitate rezultă:

(5.2)

unde:

Bm este inducția magnetică în materialul magnetic;

Sm este aria secțiunii longitudinale prin magnetul permanent;

B este inducția magnetică în întrefier;

S este aria secțiunii întrefierului.

În întrefier:

(5.3)

unde:

0 este permeabilitatea magnetică a aerului.

Din relațiile (5.1), (5.2) și (5.3) se obține

(5.4)

Relația (5.4) reprezintă ecuația dreptei de funcționare a circuitului magnetic din figura 5.3. Semnul minus apare, întrucât în cadranul II inducția și intensitatea câmpului magnetic au semne contrare.

Intersecția dreptei de funcționare a circuitului, cu curba de demagnetizare a magnetului (demagnetizarea datorată întrefierului și câmpului magnetic exterior), exprimată analitic prin relația:

(5.5)

unde:

m este permeabilitatea magnetică a magnetului, reprezintă punctul de funcționare al magnetului, punctul M(Hm, Bm) (fig. 5.2).

Panta caracteristicii de magnetizare a circuitului, denumită și coeficientul de permanență al circuitului magnetic rezultă din relația:

(5.6)

Întrucât se obține:

(5.7)

De remarcat că factorii care determină coeficientul de permanență sunt geometrici și independenți de proprietățile magnetice ale materialului magnetic considerat.

Căderea de tensiune magnetică în jugurile de fier ale circuitului magnetic sunt luate în considerare prin doi coeficienți: r > 1, coeficientul de reductanță magnetică și s > 1, coeficientul fluxului magnetic de dispersie, denumit și coeficient de scăpări.

Prin acești coeficienți se evidențiază și alte fenomene care în general sunt neglijate și anume:

magnetul permanent nu funcționează într-un singur punct pe curba de magnetizare;

B și H nu au aceleași valori în tot volumul magnetului;

curba de demagnetizare presupune că direcții vectorilor B și H sunt opuse în magnet, ceea ce nu este adevărat în apropierea polilor magneților;

influența saturației circuitului magnetic.

Ținând seama de acești coeficienți, se scrie sistemul de ecuații care determină starea magnetică a circuitului sub forma:

(5.8)

(5.9)

(5.10)

Din relațiile de mai sus se obține:

(5.11)

(5.12)

unde:

coeficientul de permanență al circuitului , în aceste condiții, rezultă din relația:

(5.13)

Energia magnetică a sistemului se calculează cu ajutorul integralei de volum:

(5.14)

Energia totală are trei componente:

W – energia magnetică localizată în întrefier;

Wm – energia magnetică localizată în magnet;

Wt – energia magnetică totală localizată în circuit.

Aceste energii se calculează cu relațiile:

(5.15)

(5.16)

(5.17)

Relația dintre Wt și W are forma:

unde:

(5.18)

este constanta de magnetizare a magnetului permanent.

Pentru o caracteristică cantitativă suplimentară a calităților unui magnet permanent, se definește densitatea de energie maximă localizată în materialul magnetic și se determină cu relația:

(5.17)

Înlocuind în relația de mai sus pe Wm din (5.16) rezultă:

(5.18)

Pe baza acestor relații se poate afirma că materialele magnetice cu valori mai mari ale inducției au și energii magnetice relativ ridicate.

Densitatea maximă a energiei magnetice localizată în magnet este un parametru, care în general constituie un criteriu de alegere a diverselor tipuri de materiale magnetice.

Prin alegerea punctului de funcționare al magnetului, corespunzător valorii maxime a densității de energie (figura 5.1) se obține volumul minim al magnetului necesar excitării circuitului.

Un magnet permanent odată demagnetizat, la orice schimbare ulterioară a stării sale de demagnetizare nu mai funcționează pe curba de demagnetizare (a) din figura 5.1 ci pe așa-numita curbă de revenire notată cu (c). Permeabilitatea magnetică de revenire rev se ia egală cu panta curbei în Br și prin urmare ea se consideră constantă și independentă de orientarea dreptei de revenire.

Într-un actuator electromagnetic liniar excitat cu magneți permanenți, fluxul magnetic dat de magneți, m se divide în fluxul magnetic de scăpări și fluxul magnetic util . Asupra magnetului acționează o tensiune magnetomotoare exterioară, de reacție ummr determinată de curentul care străbate bobina. În aceste condiții magnetul poate fi reprezentat prin următorul circuit echivalent (figura 5.3), unde notațiile au următoarele semnificații:

A – este permeanța magnetică de scăpări;

A – permeanța magnetică utilă.

Figura 5.2 Circuit echivalent al magnetului

Punctul de funcționare al magnetului se va afla de-a lungul liniei de revenire, care poate fi reprezentată prin tensiunea magnetomotoare ummo și permeanța magnetică:

(5.19)

parametri corespunzători circuitului magnetic fără bobină.

Tensiunea magnetomotoare ummo se determină la intersecția liniei de revenire cu axa H a planului B/H:

(5.20)

Efectul tensiunii contramagnetomotoare (reacția armăturii mobile), se poate neglija la aceste tipuri de actuatori.

5.3. Stabilirea dimensiunilor magneților permanenți și a întrefierului

Dimensiunile magneților permanenți se stabilesc în funcție de tipul acestora (metalici, ceramici din pământuri rare), în strânsă corelație cu cerințele constructive și funcționale.

Știut fiind că forța de propulsie dezvoltată de acești actuatori, exprimată prin relația (5.1), depinde de lungimea conductorului bobinei aflat în întrefier, dacă se impune ca forța de propulsie să fie constantă, inducția și curentul fiind constante, pentru o cursă maximă xm și bobină cu lungimea lb, rezultă lungimea magnetului:

(5.21)

Celelalte dimensiuni se stabilesc de considerente constructive ținând seama și de faptul că panta curbei de demagnetizare este cu atât mai mare cu cât înălțimea hm a magnetului permanent este mai mare față de înălțimea întrefierului.

Pentru stabilirea dimensiunilor întrefierului se ține seama de faptul că punctul de funcționare al magnetului depinde de înălțimea acestuia. Ideal este ca întrefierul să fie cât mai mic. Valoarea minimă este limitată din considerente tehnologice și depinde de numărul straturilor de sârmă ale bobinei. Se ține seama și de necesitatea existenței unui spațiu pentru centrarea bobinei. Astfel, pentru o bobină executată din două straturi de sârmă cu diametrul de 1 mm, se apreciază că un întrefier , este acceptabil.

Stabilirea dimensiunilor jugurilor de fier

Jugurile reprezintă partea circuitului magnetic executată din fier moale. Fierul moale se utilizează întrucât are permeabilitatea magnetică ridicată și reluctanța magnetică neglijabilă, astfel că, căderile de tensiune magnetomotoare sunt neglijabile.

Aria secțiunii plăcilor laterale se determină din relația ce se scrie pe baza legii conservării fluxului la trecerea dintr-un mediu în altul:

(5.22)

unde:

SFe – reprezintă aria secțiunii longitudinale a plăcii;

BFe – inducția magnetică din fier.

Rezultă astfel:

(5.23)

Lungimea plăcilor laterale se alege egală cu lm. Aria secțiunii plăcii de bază, rezultă din aceleași considerente, dimensiunile de gabarit stabilindu-se constructiv.

Miezul are secțiunea pătrată, lungimea fiind egală cu lm (figura 5.4). Latura a, se determină în funcție de lungimea l1 a conductorului ce formează primul strat al înfășurării bobinei, ținând seama și de întrefierul . Lungimea l1 rezultă din relația:

(5.24)

în care:

N1 – numărul de spire din primul strat al bobinei.

Se obține astfel lungimea laturii pătratului:

(5.25)

unde:

a se adoptă astfel încât în timpul funcționării, bobina să nu atingă miezul. Forma geometrică a miezului se definitivează în funcție de soluția adoptată pentru rigidizarea spirelor bobinei.

Calculul și construcția bobinei

Bobina se poate executa din conductor de aluminiu sau cupru. Execuția din conductor de aluminiu prezintă avantajul; unei greutăți și rezistențe mici la aceeași secțiune și lungime a conductorului.

Lungimea conductorului se determină în funcție de constanta actuatorului exprimată prin relația (5.2) și este:

(5.26)

Cunoscând lungimea conductorului, diametrul acestuia și materialul din care se execută, se calculează rezistența electrică:

(5.27)

– rezistivitatea materialului;

S – secțiunea conductorului.

Din punct de vedere constructiv bobina poate fi executată în diferite moduri, soluțiile adoptate vizând în general realizarea unei construcții cu rigiditate ridicată și greutate respectiv costuri cât mai mici.

Spirele pot fi rigidizate prin impregnare cu o rășină epoxi, după aceea bobina 1 se lipește de un suport 2 din stratifex (figura 5.4), prin intermediul căruia se cuplează cu carul de rulare.

În figura 5.5 se prezintă o altă soluție constructivă: bobina 1 se fixează pe un cadru, constituit din patru bare 2, fixate în flanșa 3 prin intermediul căreia se cuplează cu carul de rulare. La celălalt capăt barele 2 sunt rigidizate prin intermediul unei benzi 4.

Figura 5.4 Suport bobină

Barele 2 culisează în locașurile executate în miezul 5, astfel că întrefierul nu se mărește.

Figura 5.5 Bobină soluție constructivă

Cadrul celor patru bare este astfel realizat încât între bobină și miez există o distanță a. În acest fel se evită contactul mecanic bobină-miez în timpul funcționării motorului.

Soluțiile prezentate sunt specifice AEML unilaterali, evidențiind și alte limitări ale acestor actuatori, în privința lungimii bobinei și a numărului de straturi ale înfășurării, comparativ cu AEML bilaterali.

Calculul intensității câmpului magnetic dezvoltat de bobină

Forma circuitului magnetic și variația intensității câmpului se pot urmări în figura 5.6.

Bobina se dispusă în întrefierul delimitat de magneții permanenți și fețele corespunzătoare ale miezului.

Figura 5.6 Forma circuitului magnetic și variația intensității câmpului

Se observă că, câmpul este funcție de x, distanța de la axa de simetrie și de y, înălțimea punctului considerat deasupra plăcii de bază.

Aplicând legea circuitului magnetic unui contur care să urmeze între cele două suprafețe de secțiune pătrată, o linie de câmp ce se închide prin materialul feromagnetic, se poate scrie:

, pentru (5.28)

și

, pentru (5.29)

unde:

N – reprezintă numărul de spire ale bobinei;

Ia – curentul ce parcurge bobina.

Aplicând legea fluxului magnetic pentru un element de suprafață cu înălțimea x și grosimea dx, situat la distanța y deasupra înfășurării rezultă:

sau neglijând infiniții mici de ordinul doi:

respectiv,

(5.30)

Constanta A se determină din condițiile la limită scrise astfel:

sau:

(5.31)

Din relațiile (5.30) și (5.31) rezultă:

, pentru (5.32)

Aplicând legea fluxului magnetic, pentru un element de suprafață situat la distanța x, înălțimea dy și cu grosimea dx, din interiorul înfășurării, se poate scrie:

Pe baza considerentelor anterioare se obține:

(5.33)

respectiv,

, pentru (5.34)

Calculul inductivității bobinei

Inductivitatea se calculează pe baza relației:

(5.35)

unde:

– fluxul total;

i – curentul prin bobină.

Fluxul total are două componente:

(5.36)

în care:

c – componenta datorată curentului ce străbate bobina;

m – componenta datorată magnetului permanent.

În calculele ulterioare admitem câteva simplificări după cum urmează:

se consideră cunoscut punctul de funcționare al magnetului permanent;

permeabilitatea magnetică a fierului moale se consideră infinită;

coeficientul de reluctanță magnetică ;

coeficientul fluxului magnetic de dispersie ;

se neglijează efectul de capăt;

se admite că cei patru magneți au aceeași pondere în calculul fluxului;

se consideră că liniile de flux se închid astfel încât drumul parcurs de ele prin aer să fie minim.

Având în vedere legea conservării componentelor normale ale inducției pe o suprafață de discontinuitate, rezultă o distribuție ca în figura 5.7.

În această figură iar

(5.37)

unde:

N – numărul total de spire ale bobinei

Figura 5.7

Se notează cu:

numărul de spire pe unitatea de lungime și se admite că distribuția spirelor este uniformă pe lungimea bobinei.

Aplicând legea circuitului magnetic pe un contur închis se poate scrie:

(5.38)

respectiv,

(5.39)

S-a notat cu H intensitatea câmpului magnetic în întrefier, iar cu Hm intensitatea câmpului magnetic în materialul magnetic.

Pentru 0 = m se obține:

(5.40)

Aria unei suprafețe a bobinei este:

(5.41)

Rezultă astfel:

și

Prin urmare se obține:

Înlocuind pe N0 în relația de mai sus avem:

(5.41)

Dacă prin fiecare față a bobinei trece același flux, atunci:

(5.42)

Componenta fluxului datorată magnetului permanent este dată de relația:

(5.44)

Însumând cele două componente ale fluxului magnetic și înlocuind în relația (5.35) rezultă:

(5.45)

Inductivitatea este importantă pentru calculul constantei de timp electrice a motorului.

Sistemul de ghidare a ansamblului mobil al actuatorului

Sistemul de ghidare asigură centrarea bobinei în raport cu miezul, și deplasarea ansamblului mobil sub acțiunea forței de propulsie dezvoltată de actuator permițându-i un singur grad de libertate.

Soluțiile adoptate sunt în strânsă corelație cu cerințele funcționale. Astfel, pentru aplicațiile privind poziționarea receptorilor mecanici în mișcare de translație se impune realizarea ansamblului mobil cu greutate cât mai redusă, rigiditatea ridicată și frecvență proprie înaltă. În acest sens, soluția constructivă din figura 5.8 răspunde cerințelor menționate.

După cum se observă, ansamblul mobil 1 este fixat pe rulmenții 2 prin intermediul cărora se deplasează pe riglele 3. riglele sunt fixate în batiul 4. Prin pretensionarea rulmenților se poate asigura compensarea eventualelor jocuri care apar datorită uzurii.

Datorită dispunerii simetrice a elementelor ansamblului mobil față de inductor, stabilitatea este foarte bună, sistemul de ghidare poate fi simplificat, în sensul realizării cu câte un singur rulment, sub formă de ghidaje cu bile (role) sau chiar ghidaje cu alunecare.

Figura 5.8 Soluție constructivă

Constanta de timp mecanică a actuatorului

Constanta de timp mecanică reprezintă timpul după care viteza ansamblului mobil ajunge la 63,2% din valoarea în regim permanent. Semnificația acestei constante este evidențiată grafic în figura 5.9.

Figura 5.9 Constanta de timp mecanică

Se observă că aceasta reprezintă subtangenta în origine la curba vitezei ansamblului mobil al actuatorului. Pentru determinarea acestei constante, se scrie echilibrul tensiunilor pentru actuator sub forma:

(5.46)

(5.47)

unde:

U – tensiunea de alimentare a bobinei;

Ia – curentul prin bobină;

E – tensiunea electromotoare indusă;

l – lungimea conductorului bobinei;

v – viteza ansamblului mobil al actuatorului.

Din relațiile (5.46) și (5.47) rezultă:

(5.48)

Pentru t = 0, v = 0, curentul prin bobină este maxim:

(5.49)

Acestei valori a curentului îi corespunde forța maximă dezvoltată de actuator:

(5.50)

Viteza limită se obține din ecuația (5.48) pentru Ia = 0:

(5.51)

Accelerația maximă este:

(5.52)

unde:

m – masa ansamblului mobil al actuatorului

Se obține astfel constanta de timp mecanică:

(5.53)

Ținând seama de (5.51) și (5.52) relația (5.53) devine:

(5.54)

Din relația (5.54) rezultă că se poate micșora constanta de timp mecanică, prin micșorarea masei ansamblului mobil al actuatorului, respectiv prin creșterea produsului Bl. Creșterea constantei KF este bine să se facă mai ales pe seama inducției B, întrucât, cu creșterea lungimii conductorului se mărește autoinducția și masa ansamblului mobil.

Ecuațiile de funcționare ale actuatorului electromagnetic liniar

Explicitând viteza din relația (5.48) se obține prima formă a ecuației de funcționare a actuatorului:

(5.55)

care reprezintă o dreaptă în planul .

Ținând seama de expresia curentului din relația (5.1), se obține a doua forma a ecuației funcționare:

(5.56)

Relația (5.55) arată că viteza actuatorului se poate modifica prin reglaj de curent respectiv prin reglaj de tensiune. Scriind echilibrul forțelor, se obține ecuația de mișcare a actuatorului sub forma:

(5.57)

unde:

x – deplasarea ansamblului mobil;

Fr – forța rezistențelor utile;

Ff – forța de frecare uscată din ghidaje;

Cv – coeficientul de frecare vâscoasă.

Funcționarea actuatorului este complet descrisă de următorul sistem de ecuații:

(5.58)

Caracteristici mecanice și de cursă ale actuatorului electromagnetic liniar

La motoarele rotative clasice, caracteristica mecanică este dată de relația , sau , reprezentând variația turației sau vitezei unghiulare funcție de cuplul dezvoltat de motor, respectiv variația vitezei unghiulare in funcție de curent. În mod analog, la aceste tipuri de actuatori liniari se poate defini caracteristica mecanică ca o relație de forma ecuația (5.56), v fiind viteza ansamblului mobil al actuatorului, iar F forța activă care acționează asupra ansamblului mobil.

Caracteristica mecanică se poate defini și ca o relație de formă (ecuația (5.55)), Ia fiind curentul prin bobina actuatorului.

Dacă actuatorul funcționează în condițiile pentru care a fost proiectat reprezintă caracteristica mecanică naturală. Dacă cel puțin unul dintre parametrii electrici, magnetici sau mecanici (de exemplu masa ansamblului mobil) au valori diferite de valorile lor nominale, caracteristica mecanică se numește artificială.

Din relația (5.56) rezultă că, caracteristica actuatorului este liniară ca și la motoarele rotative de curent continuu cu excitație în derivație sau separată. Panta caracteristicii se poate modifica prin înscrierea unei rezistențe cu bobina actuatorului.

Din ecuația de mișcare (5.57) se poate obține caracteristica de cursă a actuatorului.

Funcțiile de transfer pentru comanda în tensiune și pentru comanda în curent

Funcția de transfer este un indiciu privind comportarea actuatorului într-un sistem de reglare automată.

Întrucât comanda actuatorului se poate face în tensiune, respectiv în curent, se vor determina funcțiile de transfer în ambele situații.

Din relațiile (5.58) și (5.59) neglijând forța de frecare și considerând că forța de rezistență este preponderent inerțială se obține:

(5.59)

Împărțim cu m și ținând seama de relația (5.53) rezultă:

(5.60)

Trecând de la variabila x la v, se obține:

(5.61)

Aplicând acestei relații operatorul Laplace pentru condițiile inițiale nule, se poate scrie:

Din relația de mai sus se obține:

(5.62)

Relația (5.62) reprezintă funcția de transfer a actuatorului pentru comanda în tensiune.

Funcția de transfer evidențiază faptul că actuatorul se comportă ca un element proporționale de ordinul 1 (P1).

Practic este mai comod să se facă comanda în curent decât în tensiune.

Funcția de transfer pentru comanda în curent se obține aplicând operatorul Laplace ecuației de mișcare (5.57). Considerând că sarcina este preponderent inerțială rezultă:

și se obține:

respectiv funcția de transfer pentru comanda în curent

(5.63)

Funcția de transfer a actuatorului în acest caz pune în evidență faptul că, în afara întârzierilor interne inerente ale amplificatorului de curent, nu există nici o întârziere în stabilirea vitezei actuatorului la valoarea impusă. Actuatorul se comportă ca un element integrator de ordinul 1(I1).

Breviar de calcul numeric al actuatorului

Pe baza rezultatelor anterioare s-a evidențiat modul de lucru și particularitățile care intervin în calcule pentru determinarea elementelor specifice ale unui actuator electromagnetic liniar cu întrefier pătrat, utilizat într-o aplicație privind poziționarea în mișcare de translație.

Pentru încadrarea actuatorului într-o astfel de aplicație se impune stabilirea următorilor parametri:

sarcina exterioară preponderent inerțială, masa ansamblului mobil ;

cursa maximă: xm = 90 mm;

cursa activă: xa = 54 mm;

timpul medi de poziționare: tpm = 44 10-3 s;

tensiunea nominală: UN = 36 V;

timpul mediu de poziționare se consideră timpul necesar pentru parcurgerea unei distanțe egal cu xa/3 și oprirea la capătul cursei.

Din această condiție inițială, rezultă accelerația maximă:

(5.64)

Forța maximă pe care trebuie să o dezvolte motorul este:

(5.65)

Diametrul conductorului este 0,5 mm, iar lungimea l este 20 m. Conductorul se dispune într-un singur strat, rezultând N = 100 spire. Bobina se realizează în varianta prezentată în figura 5.7 pentru AEML bilateral. Se utilizează magneți metalici având următoarele caracteristici:

inducția magnetică remanentă: Br = 0,75 T;

intensitatea câmpului magnetic coercitiv: (BH)m = 50 kj/m3;

permeabilitatea magnetică de revenire: rev = 3;

magneții au secțiune pătrată cu latura hn = 50 mm;

lungimea unui magnet rezultă din relația (5.25);

întrefierul are valoarea = 1,5 mm.

Elementele constructive și funcționale determinate sunt prezentate în tabelul 5.2.

Tabelul 5.2

CAPITOLUL 6

MODELAREA GEOMETRICĂ A UNUI MICROROBOTROBOT

Ca și contribuție personală , am prezentat în acest capitol un microrobot autoconfigurabil cu acționare electromagnetică. Am conceput schema de principiu pe baza căreia am realizat desenul prezentat în fig. 6.1. Din această imagine rezultă și elementele componente. Acționarea microrobotului se realizează prin intermediul unor motoare electrice liniare (electromagneți) care prin intermediul unor cabluri trecute peste un sistem de role realizează modalitatea de locomoție a microrobotului care poate fi pas cu pas sau săltată.

Microrobotul este format dintr-o serie de celule racordate între ele prin cuple cinematice de clasa a III-a (sferice) astfel încât prin modificarea unghiurilor dintre două celule se pot obține diferite configurații.

În continuare am realizat modelarea geometrică 3D utilizând programul CATIA V5. Aceste modelări sunt prezentate în figurile următoare, precum și în planșa alăturată proiectului.

Fig. 6.1 Elemente de cuplare

Fig. 6.2 Burduf de protecție

Fig. 6.3 Bloc actuator

Fig. 6.4 Bloc actuator

Fig. 6.5 Platformă intermediară

Fig. 6.6. Model 2D al microrobotului

Fig. 6.7. Model 3D al microrobotului

6.1. Structura robotului

Schema de principiu a robotului redundant cu actuatori piezoelectrici liniari conceput este prezentată în figura 6.8.

Figura 6.8. Schema de principiu a robotului

Schema cuprinde trei module cu topologie paralelă, dintre care un modul este racordat la elementul fix, un suport tip cadru, iar celelalte două module sunt racordate în serie cu primul prin intermediul unor elemente de asamblare. De ultimul element al dispozitivului de ghidare (platformă mobilă finală) se cuplează efectorul final. Un modul are la bază structura platformei Stuart prezentată în figura 6.9.

Figura 6.9. Structuri paralele cu actuatori piezoelectrici și bețișoare

Un modul cuprinde o platformă – element de intrare și o platformă – element de ieșire. Între cele două platforme se găsesc 6 actuatori piezoelectrici. Legătura actuatorilor cu platformele se realizează prin cuple cinematice sferice (C = 3). Fiecare actuator va forma câte o cuplă cinematică de translație. Între cele două platforme am introdus și un element rigid racordat prin cuplă sferică de o platformă precum și trei arcuri elicoidale de întindere menite a menține stabilitatea sistemului.

Modulele paralele sunt legate în serie prin intermediul unor elemente de asamblare.

Actuatoarele piezoelectrice folosite au fost prezentate în capitolul 3, unde s-au prezentat și elemente de calcul al acestora.

Specific acestei aplicații s-au utilizat actuatori piezoelectrici liniari formați din discuri piezoelectrice asamblate în pachet, care asigură forțe mari la deplasări relativ reduse. Electrozii actuatorului (+) și (–) sunt legați în serie și alimentați de la sursa de curent de regulă U = (100-300 V).

Modelarea matematică a actuatorului a fost prezentată în capitolul 3. Pentru a compensa efectul de histerezis al elementelor piezoelectrice se adaugă fiecărui element un controler analogic PI. Pentru protecția echipamentelor dispozitivul de ghidare este îmbrăcat într-un tub gofrat (ondulat) fixat prin coliere la fiecare platformă.

Gradul de mobilitate al sistemului robot cu trei module înseriate este dat de relația:

(6.1)

unde:

n – numărul etajelor de bază;

m – numărul etajelor următoare.

În cazul nostru avem:

M1 = 3; L2 = 3; L3 = 3 (6.2)

sau

M = M1 + L2 + L3 = 9 (6.3)

Gradul de manevrabilitate este:

Ma = M – 6 = 9 – 6 = 3 (6.4)

Deci pentru trei situări diferite ale dispozitivului de ghidare avem aceeași situare a efectorului final asigurând posibilitatea de ocolire a unor obstacole.

CONCLUZII

În cadrul lucrării mi-am adus o contribuție privind sistematizarea materialului bibliografic recomandat și studiat din domeniul materialelor inteligente utilizate în sistemele de acționare a roboțior redundanți precum și a acționărilor electrice cu motoare de curent continuu și alternativ. Am prezentat câteva tipuri reprezentative de roboți redundanți de tip static sau mobil. Ca o contribuție personală am realizat proiectarea unui actuator electromagnetic utilizat în acționarea unui robot redundant, conceput și proiectat în cadrul lucrării. Am conceput și un robot redundant cu actuatori piezoelectrici.

Aceste realizări pot fi utilizate în acționarea unor roboți de tip redundant (poliarticulați-tentaculari) pentru accesul în spații greu accesibile pentru roboții clasici care pot fi operații de asamblare, sudare, vopsire și inspecția conductelor.

BIBLIOGRAFIE

[A1] – Alba Claudio Aurelian – Stadiul actual și tendințe în cercetările privind sistemele de monitorizare și de teleoperare – Referat 1 – Doctorar – Timișoara 2004

[B1] – Biekert R.: “CIM technology: Fundamentals and applications”, The Goodheart-Willcox Company Inc., 1993;

[B2] – Babuția I., Mureșan I., Dragomir T.L., Prostean O.: "Conducerea automată a proceselor" – Ed. Facla, Timișoara, 1985.

[B3] – Bâzdoacă N., ș.a: “Shape memory alloy based robotic structure”, Conferința Națională de Robotică, Craiova, 2000;

[C1] – Ciobanu L – Sisteme de Roboți Celulari – Editura Tehnică București – 2002

[D3] – Diaconu A. :”Contribuții la analiza și sinteza sistemelor de teleoperare controlate bilateral și în poziție” – Teză de Doctorat – Universitatea Politehnica Timișoara 2000

[F1] – Fatikow S., Rembold U.: „Tehnologia microsistemelor și microrobotică”, Ed. Tehnică, București, 1998;

[G1] – Ghinea M., Firețeanu V.: "Matlab – calcul numeric – grafică – aplicații" – Ed.Teora, București, 1995.

[I1] – Ispas V.: "Roboți cu aplicații speciale", Ed. Dacia, Cluj Napoca, 2000.

[K1] – Kovacs F., ș.a.: "Fabrica viitorului" – Ed. Multimedia Internațional, Arad, 1999.

[K2] – Kovacs F., ș.a.: "Introducere în robotică" – Ed. Printech 2000, București, 2000.

[K3] – Kovacs F., Rădulescu C.: „Roboți industriali” vol. I-II, Lito Univ. „Politehnica” Timișoara, Timișoara, 1992;

[M2] – Mătieș V., ș.a.: „Actuatori în mecatronică” – Ed. Mediamira, Cluj-Napoca, 2000.

[M3] – Mătieș V., ș.a.: „Inginerie și educație mecatronică” – Ed. Mediamira, Cluj-Napoca, 2000.

[P1] – Nicolae Polojințef Corbu, Tehnologia materialelor, Vol. I-II Ed. Universității din Oradea , 2000

[P2] – Proiect ROMAR – Sistem Robotic Miniatural cu Abilitati de Reconfigurare si Automultiplicare CEEX 91 / 2006 – Universitatea “POLITEHNICA”din București, Centrul de Cercetare – Dezvoltare pentru Mecatronică

[T1] – Tripe V.A., ș.a.: „Robotică”, Editura Universității din Oradea, 2002;

[T2] – Tripe Vidican A. – “Sisteme mecatronice – Editura Universității din Oradea 2004

[T3] – Tripe Vidican C., – Microroboți – Oradea, 2010

[T4] – Taniguchi Norio – Nanotehnologie – Editura Tehnică București 2000

[Ț1] – Țarcă R. C. – Roboți de servicii – Editura Universității din Oradea 2001

[Ț2] – Țarcă R. C. – Introducere în Robotică Editura Universității din Oradea 2003

Programe CATIA V5R20

BIBLIOGRAFIE

[A1] – Alba Claudio Aurelian – Stadiul actual și tendințe în cercetările privind sistemele de monitorizare și de teleoperare – Referat 1 – Doctorar – Timișoara 2004

[B1] – Biekert R.: “CIM technology: Fundamentals and applications”, The Goodheart-Willcox Company Inc., 1993;

[B2] – Babuția I., Mureșan I., Dragomir T.L., Prostean O.: "Conducerea automată a proceselor" – Ed. Facla, Timișoara, 1985.

[B3] – Bâzdoacă N., ș.a: “Shape memory alloy based robotic structure”, Conferința Națională de Robotică, Craiova, 2000;

[C1] – Ciobanu L – Sisteme de Roboți Celulari – Editura Tehnică București – 2002

[D3] – Diaconu A. :”Contribuții la analiza și sinteza sistemelor de teleoperare controlate bilateral și în poziție” – Teză de Doctorat – Universitatea Politehnica Timișoara 2000

[F1] – Fatikow S., Rembold U.: „Tehnologia microsistemelor și microrobotică”, Ed. Tehnică, București, 1998;

[G1] – Ghinea M., Firețeanu V.: "Matlab – calcul numeric – grafică – aplicații" – Ed.Teora, București, 1995.

[I1] – Ispas V.: "Roboți cu aplicații speciale", Ed. Dacia, Cluj Napoca, 2000.

[K1] – Kovacs F., ș.a.: "Fabrica viitorului" – Ed. Multimedia Internațional, Arad, 1999.

[K2] – Kovacs F., ș.a.: "Introducere în robotică" – Ed. Printech 2000, București, 2000.

[K3] – Kovacs F., Rădulescu C.: „Roboți industriali” vol. I-II, Lito Univ. „Politehnica” Timișoara, Timișoara, 1992;

[M2] – Mătieș V., ș.a.: „Actuatori în mecatronică” – Ed. Mediamira, Cluj-Napoca, 2000.

[M3] – Mătieș V., ș.a.: „Inginerie și educație mecatronică” – Ed. Mediamira, Cluj-Napoca, 2000.

[P1] – Nicolae Polojințef Corbu, Tehnologia materialelor, Vol. I-II Ed. Universității din Oradea , 2000

[P2] – Proiect ROMAR – Sistem Robotic Miniatural cu Abilitati de Reconfigurare si Automultiplicare CEEX 91 / 2006 – Universitatea “POLITEHNICA”din București, Centrul de Cercetare – Dezvoltare pentru Mecatronică

[T1] – Tripe V.A., ș.a.: „Robotică”, Editura Universității din Oradea, 2002;

[T2] – Tripe Vidican A. – “Sisteme mecatronice – Editura Universității din Oradea 2004

[T3] – Tripe Vidican C., – Microroboți – Oradea, 2010

[T4] – Taniguchi Norio – Nanotehnologie – Editura Tehnică București 2000

[Ț1] – Țarcă R. C. – Roboți de servicii – Editura Universității din Oradea 2001

[Ț2] – Țarcă R. C. – Introducere în Robotică Editura Universității din Oradea 2003

Programe CATIA V5R20