Studiul şi proiectarea unui dispozitiv de prehensiune cu acţionare pneumatică [306001]

CAPITULUL I

INTRODUCERE

Manipulatoarele și roboții industriali reprezintă o direcție aparte în concepția modernă a [anonimizat] o [anonimizat]. Manipulatoarele și roboții industriali reprezintă module ale sistemelor de manipulare flexibile adaptabile cu ușurință de la o sarcină de manipulare la alta. [anonimizat] a lor, a calității pe care o au de a efectua o mare varietate de mișcări printr-o reprogramare corespunzătore.

[anonimizat] :

-[anonimizat] a [anonimizat], reutilizabili;

-reducerea duratei de reglaj și punere în funcțiune a [anonimizat] a condițiilor ușoare de readaptare la situațiile nou create;

-siguranță în funcționarea sistemelor de manipulare datorită posibilităților de realizare modulator a roboților industriali și de realizare a [anonimizat].

-posibilități de reprogramare rapidă a ciclului de manipulare.

[anonimizat] (funcționează doar în programe fixe).

Din definiția robotului rezultă și flexibilitatea acestuia :

-programabilitate

-[anonimizat].

Roboții sau manipulatoarele pot prelua efectuarea directă a [anonimizat] a robotului. În aceste cazuri robotul trebuie să prindă succesiv diferite unelte de lucru ([anonimizat], [anonimizat].).

Condiția de flexibilitate este net în favoarea roboților sub aspectul posibilităților lui de de adaptare la o diversitate mare de tipuri de ansamble și procese de montaj.

[anonimizat] a fi montat pe robotul KUKA KR6 și folosit in vederea transportării pe o menghină a unui corp cu dimensiunile de 100 milimetri lungime, 50 milimetri lățime și 50 înălțime și greutatea de 30N.

Lucrarea prezintă in prima parte a acesteia o clasificare a [anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat] o clasificarea a sistemelor de prehensiune.

Cea mai impotantă parte a lucrării o [anonimizat] a [anonimizat]. In cele din urmă a urmat modelarea tridimensionlă a intregului dispozitiv în programul de proiectare Catia V5.

Utilizând analiza statică a [anonimizat] 37, au fost determinate deplasările maxime pe care ansamblul le va ”suferi”, tensiunile principale și echivalente, deformațiile principale și echivalente, analiza la oboseală și determinarea coeficientului de siguranță.

Pentru realizarea mișcării tijei pistonului, acționat pneumatic, s-a realizat atât schema de acționare a instalației pneumatice cât si schema electrică pentru comanda acesteia.

Ultima parte a lucrării o reprezintă o serie de imagini realizate în incinta laboratorului din interiorul facultății de inginerie, laborator care este dodat cu robotul pe care a fost montat prehensorul și efectuarea unei operații de manipulare a piesei de formă paralelipipedică.

SUMMARY

In the presented work is approached theme of study and design at a prehension device wich will be mounted on the KUKA KR6 robot and used to transport a piece on a vise, whose dimensions are 100 milimeters long, 50 milimeters width, and 50 milimeters height who is having 50N weight.

The paper presents in its first part a classification of the robots according to the mechanical system, their type, the working space, the systems that operate them and the transmissions used.

The next topic is represented by the prehension, consisting of its description and a classification of prehension systems.

The most important part of the work is the design of the prehension device, which is formed by the shaping of the prehensor in the 3D design program Catia V5, and after the modeling of the whole system and the kinematic scheme, the decomposition of the force required to carry out the process To determine the pressure with which it is necessary to supply the linear pneumatic motor.

The most important part of the writing is the design of the prehension device, which consists of the creation of the kinematic scheme to determine the dimensions of the device, followed by the determination of the required pressure with which the linear pneumatic motor must be fed. Finally, the three-dimensional modeling of the entire device in the Catia V5 designing program.

Using the structural static analysis by the finite element method, structure made from OL 37, the maximum displacements that the assembly will suffer, the main and equivalent stresses, the principal and equivalent deformations, the fatigue analysis and the determination of the safety coefficient were determined.

In order to achieve the movement of the piston rod, pneumatically actuated, both the pneumatic control circuit diagram and the electric circuit for its operation were realized.

The last part of the writing is a series of pictures taken inside the Faculty of Engineering laboratory, a laboratory that is supplied with the robot on which the prehensor was mounted adn performing a manipulation of the parallelepiped shape piece .

MOTIVAREA ALEGERII TEMEI

Tema aleasă se intitulează ” Studiul și proiectarea unui dispozitiv de prehensiune cu acționare pneumatică ” și este rezultatul unei provocări, provocare impusă de mine incă dinaintea inceperii cursurilor la această facultate, atunci când într-o zi a porților de deschise ne-a fost permis să facem o vizită cu clasa de liceu, vizită in care ne-a fost prezentată o scurtă demonstrație a manipulării roboților industriali.

Faptul care m-a determiant să aleg această temă îl constituie dorința mea de cunoaștere și informare asupra dispozitivelor actuale de prehensiune și de aplicare a cunoștințelor teoretice la un nivel practic.

În cadrul acestei lucrări, am abordat studiul atât a dispozitivelor de prehensiune, cât și a roboților industriali prin descrierea generală și funcțională a acestora precum și prin realizarea practică a unui proiect cu privire la tema aleasă.

CAPITOLUL II – CONSIDERAȚI GENERALE PRIVIND ROBOȚII INDUSTRIALI ȘI MANIPULATOARELE

1. DEFINIȚII, FUNCȚIILE ROBOȚILOR INDUSTRIALI

Robotul este un sistem automatizat de înalt nivel al cărui principal rol este manipularea pieselor și uneltelor, înlocuind acțiunea umană.

Principalele aplicații în care utilizarea roboților industriali are avantaje sunt:

încărcarea și descărcarea mașinilor unelte cu comandă numerică;

operații de ansamblare;

sudură prin puncte sau pe contur;

vopsire;

turnarea în forme a pieselor mari;

controlul calității;

manipularea substanțelor toxice, radioactive;

Robotul industrial este definit în present ca un manipulator tridimensional, multifuncțional, reprogramabil, capabil să deplaseze materiale, piese, unelte sau aparate speciale după traiectorii programate, în scopul efectuării unor operații diversificate de fabricație.

Importanța acordată roboticii, domeniile de activitate semnificative sunt prezentate în figura 1.1:

Fig.1. Repartiția roboților industriali pe domenii de activitate;

Sursa: https://www.scribd.com/search?page=1&content_type=tops&query=roboti%20industriali%202008

Roboții mobile (independent) utilizați din ce în ce mai mult în diverse aplicații pentru a îndeplini sarcini complexe în spații sau medii în care accesul omului este dificil sau imposibil: mediul marin la adâncimi foarte mari, inspecția anumitor instalații din industria chimică sau nucleară.

Nanoroboți, în medicină pentru microoperații.

Manipulatorul este un sistem mecanic automat a cărui comanda se bazează pe sisteme rigide care presupun o intervenție în structura fizică a sistemului de programare pentru modificarea ciclului de funcționare. Robotul industrial presupune un sistem flexibil de comandă la care programul se poate modifica fără intervenție asupra structurii sale fizice.

În ultimul timp se urmărește revizuirea generală a definiție robotului prin implicarea noțiunii de sarcină. Această noțiune complexă vizează includerea în definiția roboților inteligenți capabili de a recunoaște mediul și de a reacționa la schimbările intervenite în acesta datorită dotării lor cu percepțiae senzorială, inteligență artificială și efectoare terminale adecvate îndeplinirii unor sarcini complexe, capabil să reacționeze corespunzător la schimbările din mediu.

Fig.2 Sistemele robotului

Sursa: Dorin Telea, Bazele roboților industriali,Ed. Universității L. Blaga 2014

Operatorul uman – are funcția de control, supraveghere și decizie având posibilitatea de a introduce informația necesară funcționării robotului având în permanență posibilitatea modificării acesteia.

Sistemul de comandă și control – preia informația introdusă de operatorul uman. Informațiile rezultate sunt transmise sub formă de semnal de comandă către sistemul energetic.

Sistemul energetic – reprezintă sursa de energie și asigură fluxurile energetice necesare funcționării celorlalte sisteme ale robotului.Natura acestor sisteme poate fi mecanică, electrică, hidraulică, pneumatică sau combinații ale acestora. Fluxurile energetice sunt dirijate spre sistemele mecanice ce au rolul de a asigura locomoția în cazul roboților mobili respectiv manipularea obiectelor în cazul roboților staționari. În cazul roboților mobili ce au pe lângă funcția de locomoție și funcții de manipulare sistemul energetic dirijează fluxuri energetice de aceeași natură sau natură diferită spre cele două sisteme mecanice de acționare.

Sistemul mecanic- sistem complex, alcătuit din sisteme ce asigură manipularea și/sau locomotia respectiv prehensarea si/sau contactul cu suprafața de sprijin.

Sistemul mecanic de locomoție – specific roboților mobili, asigură poziționarea și orientarea corpului robotului în raport cu suprafața de susținere în vederea deplasării întregului ansamblu. Sistemele de contact pot fi: roți, șenile sau combinații.

Sistemul mecanic de manipulare – asigură poziționarea și orientarea efectorului terminal în raport cu un sistem de referință considerat fix.

Efectorul terminal poate fi: dispozitiv, unealtă specializată, prehensor, etc.

Senzori interoceptori – aparțin sistemului de măsură și control cu rolul de a stabili starea internă de funcționare a robotului descrisă de parametrii cinematici și dinamici ai mișcării; sunt traductori de deplasare, forță, presiune, temperatură, etc.

Senzori exteroceptori – sunt sisteme senzoriale complexe destinate sesizării mediului exterior. Sunt specifice roboților avansați și inteligenți capabil să interacționeze cu mediul ambiant pentru îndeplinirea optimă a sarcinii. Acești senzori sunt de tip vizual, tactil, sonor, de proximitate, de radiație, etc.

Destinat înlocuirii omului în procesul de producție robotul trebuie să fie capabil, în primul rând, de a efectua mișcările specifice locului de muncă așa cum rezultă ele din comportamentul omului în timpul lucrului. Funcțiile robotului, așa cum reies din analiza funcțiilor corespunzătoare operatorului uman, sunt redate în figura următoare:

Fig.3 Funcțiile robotului

Sursa: Dorin Telea, Bazele roboților industriali,Ed. Universității L. Blaga 2014

Funcțiile cinematice ale robotului sunt funcția de ghidare și de prehensare în cazul manipulatoarelor, respectiv ghidare și contact în cazul pedipulatoarelor. Dacă în cazul manipulatoarelor ghidarea se referă la poziționarea și orientarea obiectului ce urmează a fi manipulat, în cazul pedipulatoarelor respectiv repoziționarea și orientarea corpului robotului în raport cu suprafața de susținere.

Prehensiunea trebuie să asigure realizarea contactului între robotul ce efectuează manipularea și obiectul manipulat precum și menținerea acestuia.

Funcțiile complementare de comandă și control sunt funcții importante pentru asigurarea indeplinirii automate a funcțiilor cinematice. În cazul roboților avansați acestea corespund unor complexe de funcții în care reglarea, învățarea, măsurarea și recunoașterea sunt corelate asigurând "dialogul" între robot și mediu. Pentru roboții actuali evoluați, între funcțiile complementare sunt integrate și funcții de percepție a mediului exterior, comunicare cu operatorul uman sau cu alți roboți, de decizie, etc.

Diversitatea clasificărilor întâlnite în literataratura de specialitate poate rivaliza cu diversitatea definițiilor roboților. Diversele clasificări propusă utilități specifice punând în evidență prin criteriul (sau criteriile adaptate), anumite aspecte legate de construcția și funcționarea roboților. Ele sunt cu atât mai eficiente cu cât cuprinde un număr mai mare de tipuri de roboți. Încercări de clasificare a roboților în funcție de diverse criterii se găsesc în marea majoritate a lucrărilor constatate roboților.

Concluzii:

Denumirea de roboți aplica unei familii mai largi, din care fac parte:

manipulatorul;

instalația de teleoperare;

proteze/ orteze;

manipulatoare medicale;

exoschelete amplificatoare;

mașini pășitoare;

mașini târâtoare;

Roboții industriali utilizați în momentul de față prezintă soluții constructive și conceptuale neunitare datorită, în special, diversității sarcinilor cerute, parametrilor tehnici împuși si aplicațiilor specifice pentru care au fost proiectați. Cu toate acestea, 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.

Robotul interacționează cu mediul înconjurător prin intermediul structurii mecanice, acesta asigurandu-i deplasarea, poziționarea și orientarea efectorului final. Principalele componente ale structurii mecanice sunt: elementul efector/ efector terminat, bratul/ structura de ghidare si baza

robotului structura de ghidare.

Elementul efector/ efector terminal denumit uneori: element de prehensiune/ mâna mecanică sau efector terminal asigură contactul direct, nemijlocit dintre roboț și obiectul din spațiu de operare asupra căreuia acționează. Aceste efector diferă constructiv după gama aplicațiilor și după natura funcției realizate. Astfel, elementele efectoare utilizate diferă în funcție de operații/ utilizări.

Un astfel de element cuprinde:

Corp propriu-zis, cu o structura 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 ca solutiile constructive a 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.

Brațul robotului/ structura de ghidare servește pentru poziționarea corectă a elementului efector. În acest scop, brațul reprezintă o structura mecanică cu o geometrie variabilă obținută prin legarea în cascadă 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.

2. TIPURI DE ROBOȚI

Roboții în funcțiune astăzi prezintă o mare diversitate de tipuri, reflectate și de numeroasele clasificări propuse în literatura consacrată roboticii. Se pot identifica totuși două categorii generale de roboți – staționari și respectiv mobili.

Fig. 4 Tipuri de roboți

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

Roboții staționari – sunt roboții al căror elemente de bază nu-și schimbă poziția față de suprafața de susținere.

În anumite cazuri această structură de manipulare poate fi deplasată într-un spațiu limitat prin intermediul unor sisteme de poziționare "grosieră", spre exemplu în situația când același robot servește mai multe unități de prelucrare din cadrul aceleiași celule flexibile de fabricație.

Această categorie de roboți prezintă o structură destinate manipulării similară structurii membrului superior uman.

Roboții mobili – sunt roboții a căror structură se poate deplasa față de suprafața de susținere îndeplinind în acest fel funcția de transfer. În această categorie sunt cuprinse și "robocarele" ce servesc mai multe unități de prelucrare din cadrul unui sistem flexibil de fabricație.

Din punct de vedere structural roboții staționari pot fi de tip serie, paraleli sau micști, iar cei mobili pot fi pe roți, șenile etc, respectiv pedipularoare.

Oricare ar fi tipul de robot sarcina sa poate fi descrisă în termeni de mobilitate a structurii sale mecanice. Mobilitatea structurii mecanice sau gradul de mobilitate al mecanismului pe baza căruia este construit robotul poate fi definit ca numărul parametrilor cinematici independenți necesar pentru a determina pozițiile și implicit mișcările pentru toate elementele cinematice. Acest număr exprimă, în același timp, numărul de mișcări exterioare independente și implicit numărul forțelor exterioare dependente ale mecanismului.

Pentru calculul numărului gradelor de mobilitate au fost propuse în teoria mecanismelor mai multe formule. Alegerea formulei utilizate în calculul mobilității trebuie să țină seama de tipul mecanismului: plan sau spațial, simplu sau compus. Pentru mecanismele plane și/sau spațiale simple formula de calcul are expresia:

M = x

(1)

în care:

x-reprezintă dimensiunea spațiului cinematic asociat mecanismului:

x= 3 mecanism plan; x= 6 mecanism spațial.

N-numărul elementelor cinematice ale mecanismului;

-gradul de mobilitate(numărul mișcărilor independente) ale cuplei "i" din mecanism;

– gradul de restrictiv itate(numărul mișcărilor suprimate) ale cuplei "i" din mecanism.

3. PREZENTAREA ROBOTULUI STAȚIONAR

Robotul din Fig.5 reprezintă un robot staționar de tip “brat articulat“, acest tip de robot industrial are ca mecanism generator de traiectorie un lanț cinematic deschis compus din cuple cinematice de rotație.

Brațul robotului este folosit pentru mișcarea unui efector. El este componenta esențială a unui robot industrial. Brațul robotului este constituit din piese mecanice indivituale conectate între ele cu ajutorul unor articulații. Brațul poate avea mai multe articulații liniare și/sau de rotație. La orice robot primele 3 articulații se numesc articulații principale. Un robot poate avea și alte articulații, până la 5 sau 6. Numărul de articulații este egal cu numărul de grade de libertate ale robotului.

Fig.5 Robotul industrial

Sursa:https://www.scribd.com/document/96016236/Sisteme-de-Prehensiune-Si-Complianta-l2

Pentru robotul din figura s-au exemplificat urmatoarele componente:

bază;

structură purtătoare;

articulația pumnului;

efector;

elementcuplor;

axă.

Aceștia au o mare suplețe care permite accesul în orice punct al spațiului de lucru.

Dezavantajul sãu principal îl constituie rigiditatea sa redusã.

[1]

4. ROBOTUL ȘI SPAȚIUL SĂU DE LUCRU

Spațiul de lucru al manipulatorului sau robotului este dat de volumul în care este posibil să se găsească elementele structurii mecanice. Acesta definește acele puncte din spațiu în care robotul poate ajunge cu effectorul prin poziționare cu o anumită direcție de orientare a efectorului. Spațiul de lucru util este volumul maxim, descris de totalitatea mișcărilor robotului, în care se poate găsi efectorul în timpul funcționării conform figurii:

Fig.6 Spațiul de lucru al robotului

Sursa: https://www.scribd.com/doc/190730139/Curs-Roboti-Industriali

Numărul gradelor de libertate este dat de numărul maximal deplasărilor posibile ale efectorului fără a include mișcarea de prehensiune.

Sarcina utilă reprezintă masa maxima pe care o poate manipula dispozitivul de prehensiune al robotului (valori uzuale în gama 0,5…20Kg).

Performanțele constructive și de comandă ale aceleiași clase ale roboților pot diferi destul de mult, în funcție de producător, dacă sunt comparați parametrii tehnici. De aceea de multe ori sunt preferați următorii parametri globali de analiză:

parametrul privind suplețea și eficiența intervenției în spatial de lucru:

(2)

Unde:

V- este volumul spațiului de lucru;

G– greutatea robotului în condiții de funcționare.

parametrul capacității gravitaționale specific de manipulare:

(3)

Unde:

– reprezintă greutatea obiectului manipulat.

parametrul de apreciere globală a calităților tehnice:

(4)

Unde:

– reprezintă precizia static de poziționare.

Pentru valori mari ale parametrului global se apreciază că pe ansamblu, robotul industrialanalizat îndeplinește într-un grad mai înalt standardele de performanță.

5. ROBOȚI IN SERIE

“Roboții serie sunt din punct de vedere arhitectural structuri de bare articulate prin cuple de translatie și/ sau rotație. Prin însăși natura lor au o similaritate mare cu membrele umane. Poziționarea și orientarea sistemului de referință legat de efectorul terminal serializarea prin mișcări relative ale elementelor, de rotație, translație sau combinatii ale acestora.

Pentru reprezentarea matematică a poziției efectorului terminal în raport cu sistemul de referință fix se pot utiliza diverse sisteme de coordonate. Lanțurile cinematice corespondente de poziționare sunt clasificate după tipul de coordonate utilizate constituind și un criteriu de clasificare pentru roboții respectivi:

roboți în coordonate carteziene;

roboți în coordonate cilindrice;

roboți în coordonate sferice;

roboți în coordonate unghiulare.

5.1. ROBOȚI IN COORDONATE CARTEZIENE

Fig. 7 Coordonate Carteziene

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

Matricea ce permite reprezentarea în sistemul de coordonate fix a unui vector ce aparține sistemului de referință mobil, în coordonate carteziene, corespunde conform figurii următoare unei translatii de vector și are forma:

(5)

Descrierea mișcării unui robot al cărui lanț cinematic de poziționare are în competența sa trei cuple de translație se realizează cel mai ușor în raport cu un sistem de coordonate carteziene. Schema structural cinematică a unui robot este redată În figura Fig.9. Realizarea practică a unui robot cu 3 cuple de translație perpendiculare impune existența cel puțin a unui element de legătură între două cuple consecutive. În Fig. 9 sunt reprezentate sistemele de referință asociate elementelor lanțului cinematic cu originile considerate în centrele cuplelor precum și parametrii geometrici ai acestuia.

Fig. 8 Parametrii geometrici ai robotului in coordonate carteziene

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

Fig.9 Sistemele de referință associate robotului T.T.T (cartezian)

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

Exemplu de robot in coordonate carteziene:

Fig.10 Robot in coordonate carteziene

Sursa: https://www.scribd.com/document/209834355/Curs-Sistematizarea-Robotilor-Industriali

Spațiul de lucru al unei astfel de robot este de formă paralelipipedică, anvergura acestuia depinzând dor de limitele mișcărilor din cupele de translație.

Este un spațiu de lucru lipsit de găuri sau vid, arhitectura robotului fiind situată în afara acestuia. Din aceste motive acesti roboți pot fi adaptați cu ușurință oricărui mediul tehnologic. Datorită construcției specifice aceste tipuri de roboți nu prezintă poziții critice în spațiul de lucru și nici alte configurații critice putând fi comandați și controlați prin intermediul unor sisteme relativ simple.

Fig.11 Robot tip portal

Sursa: https://www.scribd.com/document/209834355/Curs-Sistematizarea-Robotilor-Industriali

Avantaje robotului industial în coordonate carteziene:

au rigiditate mare, în consecință pot manipula obiecte relativ grele, utilizându-se ca robot industrial “pick and place”, paletizare, încarcare mașină unealtă, etc.;

sunt simplu de programat;

robotul industrial portal ocupa puțin spațiu la sol, dezvoltându-se pe vertical,unde în general într-osecție productivăeste mai mult spațiu liber. În consecințăaccesul la utilajele pe care leservește este mai puțin restricționat;

eroarea cinematica de poziționare este constantăîn orice punct al spațiului de operare,în consecințăsunt utilizați și ca roboți industriali de măsurare (eroarea cinematica de poziție este dependentădoar deprecizia de realizare a valorilor programate a coordonatelor generalizate ale lanțului cinematic de poziționare).

Dezavantajele robotului industrial in coordonate carteziene:

necesităun spațiu de lucru (de funcționare) mare, fenomen deranjant mai ales la roboții industriali in coordonate carteziene cu baza la sol;

având suprafețe relativ mari de ghidare a cuplelor de translație (cupla de translație nu este o cuplă compactă) sunt necesare protecții antipraf, anticorozive.

5.2. ROBOȚI IN COORDONATE CILINDRICE

Coordonatele cilindrice corespund unei translații z după axa O, uneI rotații de unghi în jurul axei O și a unei translații după axa OX, conform figurii:

Fig. 12 Coordonate cilindrice

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

Matricea transformării sistemului de referință in sistemul de referință se obține ca produs al celor trei operatori:

(6)

Fig 13 Robot in coordonate cilindrice

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

Fig.14 Sisteme de referință associate robotului R.T.T. (cilindric)

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

Un robot în coordonate cilindrice are în componența lanțului cinematic the orientare o cuplă de rotație și două cuple de translatie după cum reiese în figura de mai sus.

Această structură generează un spațiu deoperare cilindric si este rațională pentru posturi de

lucru plasate în jurul robotului industrial. Cum o astfel de configurație pentru celule flexibile de prelucrare are dezavantaje, actualmente roboții industriali in coordonate cilindrice nemodulari cu funcții de încarcare- descarcare a mașini unelte sunt rari. În plus având doua cuple de traslație sunt necesare protecții ale ghidajelor.

Uzual sunt acționați electric, sau fluidic în cazul celor modulari, structura are o rigiditate mecanica relativ mare, în general este viabila pentru manipulatoare modulare de dimensiuni relativ mici.

Precizia de poziționare scade pe direcție radială.

În ipoteza că în cupla de rotație există roatabilitate totală și că axele cuplelor cinematice sunt respectiv perpendiculare volumul spațiului de lucru al unui robot în coordonate cilindrice corespunde volumului unui cilindru cu o gaură, fig. 14. Gaură spațiului de lucru este ocupată de coloana robotului și are înălțimea dată de relația:

Raza exterioară a spațiului de lucru se calculează cu relația:

(7)

Volumul spațiului de lucru, în condiții ideale, se calculează cu relația:

(8)

5.3. ROBOTI IN COORDONATE SFERICE

Reprezentarea poziției și orientării unui sistem de referință fix în coordonate polare corespunde determinării matricii de transfer fig. 15.

Fig.15 Coordonate sferice

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

Trecerea de la sistemul de referință la sistemul de referință se realizează printr-o rotație în jurul axei de unghi urmată de o rotație în jurul axei de unghi și o translație aer în jurul axei :

(9)

În figura următoare este prezentat un robot în coordonate sferice. Acesta are în componența lanțului cinematic două cuple de rotație și o cuplă de translație, cu axe respectiv perpendiculare. În cazul acestui robot matricea de transformare a se rezema pe baza figurii 18 în care sunt reprezentați, pe lângă sistemele de coordonate asociat elementelor mecanismului și parametrii geometrici ai acestuia.

Fig.16 Robot in coordonate sferice

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

Fig.17 Sisteme de referință associate robotului RRT (sferic)

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

În cazul roboților în coordonate sferice cu rotabilitate totală în cupele de rotație, volumul spațiului de lucru este limitat de două suprafețe sferice concentrice, cu centrul în centrul celei de-a doua cuplă de rotație. Razele celor două suprafețe sferice sunt:

(10)

(11)

Volumul spațiului de lucru se calculează cu relația:

(12)

5.4. ROBOȚI ÎN COORDONATE UNGHIULARE

Deoarece conțin trei cuple de rotație în lanțul cinematic de poziționare acesti roboți au o pronunțată asemănare structurală cu membrul superior uman motiv pentru care sunt cunoscuți și sub denumirea de roboți antropomorfi.

Matricea de trecere de la sistemul de referință la sistemul de referință este o matrice care conține în submatricea de rotație elementele ce descriu orientarea sistemului în raport cu sistemul de referință fix iar în submatricea de translație elementele ce descriu poziția acestuia. Submatricea de rotație poate fi construită pe baza unghiurilor lui Euler sau prin intermediul cosinușilor directori.

Fig. 18 Coordonate unghiulare

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

Matricea de trecere va avea acest caz forma:

(13)

În care reprezintă cosinușii unghiurilor diferite dintre fiecare axă a sistemului fiecare axă a sistemului

i,j 1,2,3 cu următoarea semnificație:

(14)

iar , , șireprezintă coordonatele originii sistemului de referințăîn raport cu sistemul fix.

Fig.19 Robot în coordonate unghiulare

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

Descrierea comportării cinematice a robotului în coordonate unghiulare din figura de mai sus se reduce la descrierea poziției și a orientării sistemului de referință atașat punctului caracteristic al robotului în raport cu sistemul de referință fix.

In figura de mai jos sunt reprezentate sistemele de referință atașate lanțului cinematic de poziționare al robotului precum și parametrii geometrici ai acestuia. Pe baza acestor elemente se construiește matricea de trecere de la sistemul de referință fix la sistemul de referință atașat punctului caracteristic și anume:

(15)

Fig.20 Sistemele de referință associate sistemului RRR (antropomorf)

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

Spațiul de lucru generat de robotul antropomorf din fig. 20 are frontieră de forma unei sfere, cu centrul în cupla mediană, de rază.

(16)

În spațiul de lucru există vid de formă sferică cu raza

(17)

În cazul în care elementele lanțului cinematic poziționare nu aparțin aceluiași plan în spațiul de lucru există gaură. Atât vidul cât și gaura din spațiul de lucru se suprapun parțial peste structura mecanică a lanțului de poziționare.

Volumul spațiului de lucru în cazul existenței vidului și în ipoteza rotabilitatii totale a cuplelor, se calculează cu relația:

(18)

Lanțul cinematic de poziționare al unui robot antropomorf prezintă configurații critice ce corespund situațiilor în care elementele mecanismului sunt în prelungire sau suprapuse. Acestei configurații singulare apar atunci când unghiurile dintre elementele mecanismului au valoarea 0 sau pi rad. Aceste poziții pot fi evitate prin adoptarea unor soluții constructive ce limitează roatabilitatea în cuple fie prin utilizarea unor programe de comandă în care să fie incluși algoritmi de evitare a acestor situații.”

[2]

Acesti roboți sunt printre primii la care acțiunea hidraulică a fost înlocuită cu ce electrică. La acest tip de roboți a fost introdus pentru prima dată sistemul CNC (Computerized Numerical Control).

Roboții prezentați in figurile următoare sunt destinați operațiilor de vopsire, sudură, asamblare, montaj, etc. Soluțiile constructive incorporate permit programarea roboților în sistem "teaching".

Acești roboți au acțiune electrică și pot fi programabili în sistem "teaching" având destinație universală. Această soluție constructivă permite obținerea unor precizii ridicate de poziționare datorită faptului că sistemul de acționare funcționează în mod similar mușchilor ce acționează membrele umane, asigurând oricărei acțiuni o contraacțiune compensatoare.

Fig. 21 Robot KUKA

Sursa: www.google.ro

Fig.22 Robot COMAU

Sursa: www.google.ro

Fig.23 Robot ABB

Sursa: www.google.ro

Avantaje:

Datorită utilizării doar a policuplelor de rotație, care sunt compacte, roboții industriali in coordonate unghiulare care au un lanț cinematic simplu deschis sunt zvelți, deci spațiul de funcționare este mai mic decât la alte tipuri;

roboții industriali in coordonate unghiulare au un spațiu de operare aproximativ sferic, relativ mare comparativ cu dimensiunea robotului;

exista posibilitatea echilibrării brațului robot, fapt ce îmbunatățeste proprietațiledinamice ale robotului industrial;

cvasimajoritatea lor sunt acționați electric prin servomotoare cu current continu;

roboții industriali in coordonate unghiulare sunt roboți industriali universali utilizați în manipularea materialelor, paletizari-depaletizari, încarcare-descarcare mașini unelte, utilaje, sudură în puncte, cu arc, cu laser, vopsiri prin pulverizare, aplicări de adezivi, inspecție, etc.

Dezavantaje

precizia cinematica de poziționare este dependentă de poziția punctului caracteristic în

spațiul de operare.

6. ROBOȚI PARALELI

Denumirea de robot paralel provine de la structura mecanismului de ghidare format dintr-o platformă fixa (baza), una mobilă pe care se monteazăefectorul terminal si un numar oarecare (minimum două) de lanțuri cinematiceindependente, identice, care lucreaza în paralel, ale caror extremități se afla pe cele două platforme (fig.24).

Fig.24 Schema robotului industrial parallel de tip DELTA

Sursa: https://www.scribd.com/document/209834355/Curs-Sistematizarea-Robotilor-Industriali

Roboții paraleli aplicați industrial au în general mobilitatea 4 (realizează doar poziționare completă (3 grade de mobilitate) si un grad de mobilitate pentru orientare), sau 6 (poziționare si orientare complete).

Spațiul de operare a roboților paraleli are o forma care depinde de gradul de mobilitate al mecanismului complex închis, având în general alura unei calote sferice si practice cilindric cu înalțime mică.

O structură de succes din prima categorie (4 grade demobilitate), care sta la baza mai multor roboților industiali comerciali este robotul industrial paralel DELTA.

Acest robot industrial utilizează ca lanț cinematic de legatură între platforme un lanț articulat monomobil. Pentru acționare se folosesc motoreductoarele 3.Cele trei mecanisme de legatura pot realiza doar pozițonarea platformei 8. Pentru rotirea axialț a efectorului 9, s-a mai atașat lanțul cinematic telescopic 14, acționat de motoreductorul 11.

Platformele Stewart au o construcție principial asemanatoare având în componență 6 motomecanisme de legatură care pot conține si motocuple T.

Avantaje:

Având la baza mecanisme spațiale închise au o rigiditate apreciabilă, mult mai mare decât roboții industriali seriali (care au ca lanț cinematic de ghidare un lanț cinematic simplu deschis).

Erorile cinematice de ghidare nu se cumuleaza ca la roboții industriali seriali ci eroarea totala esteo medie a acestora. În consecințăroboții industriali pareleli au o precizie de repetabilitate relativ mare.

Au o frecvență naturala înaltă.

Dacă motoarele se plaseaza pe platforma fixă, masele în miscare sunt mici si calitațile dinamice vor fi foarte bune, în consecință se pot lucra cu accelerații mari.

Dezavantaje:

Baza (platforma fixă) ocupă în general o suprafațărelativ mare. Daca robotul industrial paralel lucreaza ca roboții industriali suspendați, acest dezavantaj este parțial eliminat.

Spațiul de operare este relativ mic, de forma complexă, care ascunde singularități.

Modelul geometric direct si cel dinamic au complexitate mare.

Algoritmii de comandă sunt complicați datorită complexității structurii și aputernicei neliniarități a mecanismului spațial, închis de ghidare.

Având în vedere caracteristicile enumerate mai sus, roboții industriali paraleli implementați în mediul industrial s-au dezvoltat pe două direcții:

Roboții industriali paraleli “pick&place” pentru obiecte relativ usoare (10g … 10 kg). Acest tip are cicluri de lucru standard mici și precizii de repetabilitate mari. Astfel, sunt frecvente productivități de 120 cicluri/min la accelerații 12 g și precizii de repetabilitate de 0.2 mm. Pentru atingerea unor astfel de performanțe motoarele sunt plasate pe platformă fixă, partea mobila trebuie sa fie usoara si rigidă.

Roboții industriali paraleli pentru sarcini relativ mari, unde interesează mai mult precizia decât viteza. Aceștia utilizează uzual ca mecanisme de legatura cilindri hidrostatici cu cuple sferice la capete, care asigurăun raport forță-masă foarte bun, sunt simpli si robuști. Se mai aplicăși mecanismele surub-piuliță.

Aplicațiile curente ale celei de a doua categorii de roboți industriali paraleli sunt:

roboți industriali tehnologici, care execută operații de debavurare, polizare, frezare etc.

simulatoare de zbor: aplicație implementata de Stewart în 1965;

testare anvelope auto;

platforme pășitoare ;

dispozitive de fixare reconfigurabile.

Fig. 25 Roboți industriali de tip DELTA

Sursa: https://www.scribd.com/document/209834355/Curs-Sistematizarea-Robotilor-Industriali

Fig. 26 Linii de impachetare in cofraje cu roboți de tip DELTA

Sursa: https://www.scribd.com/document/209834355/Curs-Sistematizarea-Robotilor-Industriali

7. SISTEME DE ACȚIONARE

Sistemul de acționare al axei robotizate este format din:

element de execuție;

distribuitor de energie;

sursa de energie.

CONSIDERAȚII GENERALE PRIVITOARE LA ACȚIONAREA AXEI ROBOTIZATE

Se consideră două axe successive ale unui robot prevăzut cu adaptoare de mișcare între elementele de execuție și structura mecanică a axelor conform figurii 28.

Fig.27 Mărimi caracteristice ale unui sistem robotizat

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

Motoarele de acționare M1 , M2 trebuie să învingă cuplurile rezistente statice, dinamice și aleatoare ce pot apărea la deplasarea pe traiectorie:

cuplurile statice sunt determinate de forța gravitațională și forțele de frecare;

cuplurile dinamice sunt generate de forțele ce apar la deplasare a axelor și pot fi următoarele:

cuplul de inerție, determinat de momentul de inerție este proportional cu accelerația axei;

cuplul centrifug, determinat de forța centrifugă, apare la nivelul axei următoare (axa2) celeiluate în considerare în procesul de evaluare și este proportional cu pătratul vitezei de rotație a acesteia.

cuplul sarcinii manipulate este un cuplu variabil, suplimentar care apare în situația în care robotul deplasează obiecte ce pot fi de dimensiuni și forme diferite ca urmare și cu momente statice și de inerție diferite;

cuplurile aleatoare sunt cupluri exterioare robotului care pot apărea în procesul de ansamblare sau prelucrare în special la nivelul dispozitivului de prehensiune și care determină eforturi suplimentare la nivelul axelor de poziționare.

Pentru acționarea axei robotizate pot fi alese trei soluții în funcție de puterea (cuplul) solicitată morului de acționare și timpul de răspuns impus:

acționare hidraulică;

acționare pneumatică;

acționare electrică.

7.1. SISTEME DE ACȚIONARE HIDRAULICE

Sistemele de actionerehidraulice sunt utilizate pentru acționarea a 40% din parcul mondial de roboți industriali fiind preferate în cazul roboților de forță datorită următoarelor avantaje:

raport foarte bun între puterea dezvoltată și greutatea elementelor de execuție care sunt robuste și fiabile;

elementele de execuție hidraulice lucrează la viteze moderate (pot lipsi adaptoarele de mișcare);

datorită incompresibilității uleiului, sistemului I se conferă sufficientă rigiditate pentru a menține pozițiile programate;

au timp de răspuns mic și cu sisteme performante de comandă se pot atinge precizii de poziționare foarte bune;

fluidul hidraulic (ulei) are rol de lubrifiant și agent de răcire;

este preferat datorită siguranței în funcționare pentru utilizări în medii explosive (vopsitorii), cu praf (turnătorii) sau corozive (acoperirigalvanice).

Principalele dezavantaje ale sistemelor de acționare hidraulice sunt următoarele:

costul sistemului de acționare este ridicat și necesită operații de întreținere pretențioase;

elementele hidraulice sunt dificil de miniaturizat deoarece necesită secțiuni de trecerea fluidului (volume ement) determinate de debitul și presiunea de lucru;

se pretează în cazul roboților cu ciclu de lucru lent.

CILINDRUL HIDRAULIC

Elemente de execuție hidraulice.Cele mai utilizate sunt cilindrul hidraulic care realizează diect mișcarea de translație și motorul hidraulic care realizează mișcarea de rotație.

Utensiune presiune p determina forța (cuplul);

I curent debit volumic Q determina viteza de translație sau rotație;

P putere electricăputere hidraulicăP Q

Fig. 28 Cilindrulhidraulic

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

MOTORUL HIDRAULIC

Fig.29 Schema funcțională a motorului hidraulic

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

DISTRIBUITOARE DE ENERGIE HIDRAULICĂ

Distribuitoarele hidraulice au rolul de a controla energia hidraulică transmisă elementelor de execuție. Acestea pot fi:

distribuitoare de comandă;

distribuitoare proporționale;

servodistribuitoare.

7.2.SISTEME DE ACȚIONARE PNEUMATICE

Sistemele de actionere pneumatice reprezintă 21% din totalitatea sistemelor de acționare ale roboților industriali. Sistemele de acționare pneumaticea următoarele avantaje:

fiabilitatea ridicată în medii industrial dificile,

rezistență la șocuri și vibrații;

capacitate de suprasarcină;

prețul aparatelor, conecticii și al elementelor de comandă mai mic decât al sistemelor hidraulice sau electrice similare;

existența unor sursei ieftine și relative răspândite de energie pneumatic în mediul de producție industrial.

Principalele dezavantaje care limitează utilizarea sistemelor pneumatic în robotică sunt legate de următoarele aspecte:

poziționare grosieră (cu elemente de comandă clasice), performanțe dinamice reduse datorită compresibilității aerului;

capacitatere dusă a elementelor de execuție de a dezvolta cupluri (forțe) importante datorită presiunii de lucru redusela 6…10bari;

pierderi importante de presiune pe conductele de aducțiune la punctele de lucru situate de obicei la distanță față de stația de prepararea aerului comprimat;

necesită instalații suplimentare de tratarea aerului comprimat care îndepărtează umiditatea și realizează emulsionarea cu vapori de ulei pentru a preveni coroziunea elementelor pneumatice.

Fig.30 Cilindri pneumatici: a.cu simplu efect;b. cu dublu efect și simplă acțiune;

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

MOTORUL PREUMATIC ROTATIV CU CREMALIERĂ

Fig.31 Motorul pneumatic rotativ cu cremalieră

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

Fig.32 Motoare pneumatice cu palete: a.unisens; b.reversibil

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

Fig.33 Motor rotativ cu pistoane radiale

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

7.3. SISTEME DE ACȚIONARE ELECTRICE

Sistemele de actionere electrice s-au răspândit în ultimul timp foarte mult fiind preferate în echipare a roboților de precizie ce manipulează sarcini mici sau mijlocii datorită compatibilității între sistemele de comandă, distribuitoarele de energie, elementele de execuție și senzori care lucrează în exclusivitate cu mărimi eletrice analogice sau digitale.

Principalele avantaje ale sistemelor de acționare electrice sunt:

permit realizarea unor programe complexe de control a mișcării (viteză sau cuplu);

elementele de execuție se pretează controlului digital, au timp de răspuns mic, sunt precise și nepoluante;

sursa de energie este disponibilă în orice mediu industrial și exceptând roboții mobili, alimentarea sistemului nu necesită echipamente auxiliare cu volumim portant ca în cazul sistemelor hidraulice sau pneumatice;

prețul de cost al distribuitoarelor de energie este avantajos mai ales în cazul acționărilor de mica și medie putere datorită folosirii circuitelor integrate inteligente ce cumulează o singură structură integrată, funcțiile blocurilor de comandă și forță a acționării;

Principalele dezavantaje sunt determinate de următoarele aspecte:

elementele de execuție funcționează la viteze ridicate și cuplu redus (la aceeași putere) ca urmare pentru acționare a axei robotizate sunt necesare adaptoare de mișcarecare datorită jocurilor mecanice limitează preizia sistemului;

raportul putere- greutate ale lementelor de execuție electrice este defavorabil în raport cu elementele de execuție hidraulice;

în lipsa alimentării robotului elementele de execuție nu pot păstra poziția axei mecanice ca urmare sistemul de acționare trebuie prevăzut cu elemente de frânare care cresc greutatea și complexitatea sistemului și astfel nu se permite manevrarea manual a structurii mecanice atunci când se impune deplasarea ei din zona de lucru în poziția de casă;

posibilitatea formării arcului electric (fenomene de comutație dinamică) între componentele în mișcare, limitează domeniile de folosire exclusive la cele fără praf, vapori sau gaze inflamabile.

SERVOMOTOARE DE CURENT CONTINUU

În robotică datorită unor cerințe specific impuse elementelor de acționare: putere specifică cât mai mare, fiabilitate, moment de inerție mic, domeniu larg de variație a turației fără încălzire excesivă, capacitate de suprasarcină, întreținere minimă, caracteristici de reglare liniare, s-au impus servomotoarele de current continuu realizate în diverse variante, respective motoarele pas cu pas în special datorită preciziei de poziționare.

SERVOMOTOR DE C.C. CU EXCITAȚIE ELECTROMAGNETICĂ

Fig. 34 Servomotor de c.c.cu excitație electromagneticǎ

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

Circuit magnetic

Pol principal

Rotor cu crestături

Pol auxiliar

SERVOMOTOR DE C.C. CU EXCITAȚIE REALIZATĂ CU MAGNEȚI METALICI REMANENȚI

Fig.35 Servomotordec.c.cu excitație realizatǎ cu magneți metalici remanenți (Alnico)

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

Circuit magnetic;

Pol principal (magnet);

Talpǎ pol principal;

Bobinǎ magnetizare;

Rotor cu crestǎturi;

MOTOARE PAS CU PAS

Motorul pas cu pas (MPP) este o mașinǎ sincronǎ ce realizeazǎ prin conversie electro–mecanicǎ discrete o funcție univocal între impulsurile de comandǎ aplicate statorului și unghiul de rotație al rotorului (la fiecare impuls de comandǎ rotorul executa un pas). Cei mai importanți parametric ai motoarelor pas cu pas sunt:

Unghiul de pas este unghiul existent între două poziții consecutive ale rotorului la aplicarea unui impuls de comandă;

Frecvența maxima de mers în gol este frecvența maximă a impulsurilor de comandă pe care o poate urmări motorul fără pierderea sincronismului;

Frecvența maxima destart-stopîngolestefrecvența maxima a impulsurilor de comandă la care motorul poate porni, opri sau reversa fără omisiuni de pași, în lipsa sarcinii la arbore;

Cuplul maxim de start-stop este cuplul rezistent aplicat pe arbore, la care motorul poate porni, opri sau reversa fără omisiuni de pași, la o frecvență de comandă un moment de inerție date.

Viteza unghiularǎ de finite ca produsul între unghiul de pas și frecvența de comandă.

Principalele avantaje ale motoarelor pas cu pas pentru utilizarea în roboticǎ sunt:

Univocitatea conversiei

Numǎr de impulsuri– deplasare;

Este compatibil cu comanda digitalǎ;

Precizie de poziționare și rezoluție unghiularǎ de pânǎ la 0,5/pas;

Poate fi utilizet în circuit deschis la porniri, opriri și reversări fără pierderi de pași;

Memorează poziția;

Dezavantajele motorului pas cu pas:

Viteza maxima în sarcinǎ pentru motoarele de putere (maxim5kW) este limitatǎ la valoarea de 500…300rpm (frecvența de comandǎ nu depǎșește 1…2kHz) în funcție și de sistemul de comandǎ;

Rotația este discontinuǎ și reduce vibrații în special la frecvențe joase;

Caracteristic amecanicǎ M(f) este puternic cǎzǎtoare și pentru aceleași caracteristici constructive și electrice cuplul mediu scade odatǎ cu micșorarea pasului unghiular.

MOTOR PAS CU PAS CU RELUCTANȚĂ VARIABILĂ

Fig. 36 Motorul pas cu pas cu reluctanțǎ variabilǎ (4 faze, 24 pași, 15/pas) a.alimentare unidirecționalǎ o fazǎ, b. alimentare unidirecționalǎ o fazǎ,

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

În schema de mai jos este reprezentată schema de comandă în buclă deschisă a unui motor pas cu pas(MPP).

Fig.37 Schema de comandă în buclă deschis

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

8. TRANSMISII UTILIZATE ÎN ROBOTICA INDUSTRIALĂ

În acționarea cuplelor lanțului cinematic de gidare a robotului industrial existădouătendințe majore:

Este preferabilă transformarea directăa unei cuple în motocupla deoarece se elimina transmisiile, peaceastăcale simplificându-se construcția robotului industrial, jocurile si frecarile. Soluția nu se aplicăfrecvent deoarecemasa si gabaritul actualelor motoare sunt relativ mari.

Pentru a îmbunatațirea calităților dinamice ale robotului exista tendința de a plasa motoarele spre bază si de a folosi transmisii mecanice între motor si cupla acționată. Astfel partea terminalăa robotului industrial devine maiusoară dar datoritătransmisiilor construcția robotului devine mai complicată, apar jocuri, deformații elastic care pot duce la vibrații si frecări care scad randamentul mecanic.

În cazul utilizării motoarelor electrice de curent continuu mai este necesar un reductor cu raport detransmitere mare, care se adaugăla transmisia de putere la distanțăcu dezavantajele amintite.

În scopul reducerii costurilor si a timpilor de dezvoltare a noilor roboți industriali producătorii utilizeazăunități integratemotor- reductor- sistem de masurare a poziției.

REDUCTOARE

În scopul utilizării motoarelor electrice pentru acționarea cuplelor lanțului cinematic de ghidare turația motoarelor electrice trebuie redusăde 80 …150 ori.

Condițiile impuse reductoarelor sunt: fiabilitate mare, rapoarte mari de reducere, controlul jocurilor între flancurile dinților angrenajelor, masa mică și gabarit redus.

PRINCIPIUL CONSTRUCTIV AL REDUCTORULUI ARMONICCU O TREAPTĂ

Fig.38 Schema de principiu a transformării unei transmisii planetare cu

roată centralăîntr-o transmisie armonica cu generator simplu (i = 80 … 320)

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

Transmisia planetară:

Braț port- satelit;

Roata centrală.

Satelit.

Arbore condus.

Cuplaj (tub flexibil).

Cinematic nu se modifica nimic dacă satelitul 3 se plasează pe brațul 1 prin intermediul rolei 6.

Daca se mărește diametrul rolei 6 pâna când satelitul 3 devine flexibil, elpoate realiza corp comun cu tubul-cuplaj 5.

Rola 6 are rolul de a oblige elementul flexibil 3-5 de a rula pe roata centrală.

Avantajele reductoarelor armonice în comparație cu cele clasice:

reductorul armonic lucreazăcu jocuri zero datorat preîncarcării roții flexibile;

reducere mare de turații într-o singurătreaptă: 1/50 … 1/320;

randament ridicat de pâna la 85%;

reversibilitate;

datorităabsenței alunecării între dinții aflați în angrenaj frecarea si uzurț sunt reduse;

s-au pus la punct reductoare cu rigiditate torsionalămare, care au o zonăde angrenare mai largă(de la unprocent de 15 % dinți în angrenare la 30 % ).

Fig. 39. Unitate integrata cu ax tubular motor de current continuu –reductor arminic – senzor de poziție

Sursa: https://www.scribd.com/document/209834355/Curs-Sistematizarea-Robotilor-Industriali

ANGRENAJE MELCATE

Angrenajele melcate deși au rapoarte de reducere relativ mari, se utilizeaza foarte rar în construcția roboților industriali deoarece au masa si gabarite mari, randament mecanic scăzut.

Fig.40 Angrenaj melcat

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

ANGRENAJE CREMALIERĂ- PINION

Transmisia cremalieră-pinion se utilizeaza în dublu sens pentru transformarea rotației în translație. Este precisa si ieftinăaplicându-se frecvent în robotica industrială.

Fig.41 Mecanism pinion- cremalieră

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

ȘURUBUL CU BILE

Șurubul cu bile este o transmisie foarte eficienta de trasformare a rotației in translație, are o precizie mare de poziționare, are jocuri nule, rigiditate mare si fiabilitate ridicatăînsăeste scumpă.

Fig.42 Șurub cu bile

Sursa:www.google.ro

MECANISMELE CU BARE

Mecanismele cu bare sunt utilizate ca si contururi monomobile sau bimobile pentru transmiterea puterii la cuplele lanțului de poziționare. Se mai utilizeazăca mecanisme paralelogram sau dublu paralelogram (mecanism pantograf ) pentru conservarea orientarii prehensorului.

În figura următoare este prezentată schema unei unitățiflexibile de strunjire: semifabricatele sunt plasate pe paleta fixă, robotul industrial este de tip portal simplu.

Deoarece semifabricatul are mereu axa orizontalăs-a adoptat un mecanism dublu paralelogram în componența mecanismului de ghidare. În consecințărobotul industrial are 4 grade de mobilitate, comparativ cu 5 grade de mobilitate în cazul absenței acestui mecanism.

Fig. 43 Mecanism cu bare

Sursa: www.google.ro

CURELE DINȚATE

Curelele dințate sunt utilizate distanțe relativ mari.Principalele lor atuuri sunt: prețul redus, masa foarte mică. Dezavantaje: elasticitatea si controlul jocurilor în timp care pot duce la o funcționare a robotului industrial cu vibrații.

Fig.44 Transmisie prin curele dințate

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

LANȚURILE

Lanțurile pot înlocui curele dințate. Nu au jocuri, au o rigiditate mult mai mare dar sunt grele.

Fig.45 Transmisie prin lanțuri

Sursa: Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

9.PREHENSIUNEA

Prehensiunea ca acțiune specifică roboticii înseamnă interacțiunea dintre un robot și un corp (obiect-piesă) în vederea manipulării-transferului corpului de către robot dintr-o poziție în alta.

Fig. 46 Elementele prehensiunii

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

Prehensorul are o funcționare complexă și o structură bine determinată și ca urmare trebuie tratat ca un sistem, respectiv sistem de prehensiune.

Sistemul de prehensiune se compune din subsistemul energetic, subsistemul de execuție, subsistemul senzorial și subsistemul de prelucrare a informației și comandă.

Fig. 47 Structura sistemului de prehensiune

Sursa: https://www.scribd.com/document/79664109/Roboti-industriali-2008

CLASIFICAREA SISTEMELOR DE PREHENSIUNE

Sistemele de prehensiune pot fi naturale și artificiale.

Sisteme naturale de prehensiune sunt cele care se întâlnesc la diverse viețuitoare. Putem exemplifica dintre acestea: ghearele și ciocul păsărilor, trompa elefantului, mâinile mamiferelor sau cleștii racilor.

Sistemele artificiale de prehensiune sunt cele concepute și realizate de om și acestea sunt destinate pentru protezarea mâinii umane și pentru utilizare la roboți, respectiv roboți industriali.

9.1. SISTENE NATURALE DE PREHENSIUNE

“În natură există o varietate foarte mare de sisteme de prehensiune, denumite și biosisteme de prehensiune. Studiul acestora a contribuit substanțial la imbogătirea cunoștințelor despre sistemele de prehensiune în general si a fost și este deosebit de util pentru conceperea și perfecționarea sistemelor de prehensiune utilizată la roboți.

Structura generală a unui sistem de prehensiune este formată din: sursa energetică, efector, senzori și creier. Sursa energetică este reprezentată de structurile ființelor vii ce furnizează bioenergianecesară funcționării sistemului. Efectorul este partea cu care se realizează prehensiunea propriu-zisă șicare poate fi denumit bioprebensor. Bioprehebsoarele pot avea structuri osoase sau cartilaginoase.

Funcție de modalitatea de realizare a prehensiunii, bioprehensoarele se pot sistematiza în: bioprehensoare ce realizează prehensiunea cu prindere, întâlnite la caracatiță, reptile, elefant bioprehensoare cu cioc ca cele de la crab și bioprehensoare cu degete cum intâlnim la păsări, primate (mâna).

Fig.48 Structura sistemului natural de prehensiune

Biosistemul de prehensiune cel mai evoluat este este cel al mainii primatelor, dintre care, in

special, cel al mâinii omului.”

Fig.49 Structura bioprehensorului mâinii umane

Sursa: Ionel Starețu , Sisteme de prehensiune, Editura Lux Libris, Brasov 1996

9.2. SISTEME ARTIFICIALE DE PREHENSIUNE

“Aceste sisteme artificiale de prehensiune sunt destinate diferitelor aplicații medicale, industriale sau în alte domenii de activitate, care realizează identificarea obiectului, manipularea controlată și desprinderea în poziție stabilă a corpului prehensat, foarte asemanător mâinii umane.

Clasificarea acestora se poate realiza în funcție de mai multe criiterii:

După metoda de prehensiune, pot fi siteme cu contact (cel puțin două forțe sunt aplicate direct obiectului), intrusive (prehensiunea se realizează prin stapungerea corpului obiectului), astringent (forta de legatură este aplicată intr-o singură direcție), contigue (metodă de prehensare fără contact, fiind necesară o forță de atragere pe o singură direcție).După tipul mișcării executate de bacurile de prindere: mișcare de rotație (se relaizează cu prehensoare unghiulare) și mișcare liniară (cu prehensoare paralele).

În funcție de numărul zonelor de prindere a obiectului, aceste sisteme poti fi cu două (cel mai des utilizate), cu trei bacuri sau cu mai multe bacuri.

În funcție de tipul elementului de prehensiune: cu barurile adaptive la obiectul ce trebuie prehensat, cu bacuri rigide, cu tentacule obținute din elasomeri.

În funcție de tipul energiei utilizate pentru acționare, acestea pot fi penumatice, hidraulice, servo-electrice, magnetice, cu vacuum, etc.

Acest sistem este structurat din: sursa de energie, subsistem de execuție, tarductori și senzori, echipament de prelucrare a informației și de comanda

Fig. 50 Sistemul artificial de prehensiune

Sursa: Ionel Starețu , Sisteme de prehensiune, Editura Lux Libris, Brasov 1996

Sursa de energie, furnizează energia suficientă funționării sistemului.

Traductoarele măsoară diverși parametri de funcționare, iar senzorii se utilizează în identificarea caracteristicilor exitente în mediul exterior.

Subsistemul de execuție realizează prehensiunea obiectului ce este supus operației.

Echipamentul de prelucrare a informației si de comandă, colectează informațiile de la traductor și senzori iar după ce acestea se prelucrează, trimite comenzi necesare funcționării corecte a sistemului.

SISTEME ARTIFICIALE DE PREHEENSIUNE MECANICE

Aceste sisteme artificiale de prehensiune se realizează prin intermediul forțelor mecanice de contact realizate între elementele lor si obiectul ce necesită prehensat.

Structura acestor sisteme de prehensiune este caracterizată prin aceea că subsistemul de executie este un subsistem mecanic.

Acest subsistem mecanic este, de obicei, un mechanism format din elemente rigide.

Sistemele artificiale de prehensiune mecanice se diferențiază, în primul rând, prin construcția subsistemului mecanic, a mecanismului, principalul criteriu de clasificare este în funcție de particularitățile acestei construcții.

Aceste sisteme artificial de prehensiune se împart în:

sisteme artificiale de prehensiune mecanice cu bacuri, prehensoare cu bacuri

sisteme mecanice de prehensiune antropomorfe (prehensoare antropomorfe)

sisteme artificiale de prehensiune mecanice tentaculare (prehensoare tentaculare)

Fig.51 Tipurile principale de sisteme artificiale de prehensiune mecanice.

Sursa: Ionel Starețu , Sisteme de prehensiune, Editura Lux Libris, Brasov 1996

Modelarea sistemului mecanic de prehensiune, sistemul în ansamblu este compus din corpuri rigide de prindere și include structura mecanică a subansamblului, generează acționare mecanică de transmisie a puterii de la motor la elementele care realizează contactul cu obiectul de prehensat.

SISTEME ARTIFICIALE DE PREHENSIUNE CU VACUUM

Aceste prehensoare cu vacuum aparțin categoriei prehensoarelor unilaterale, deoarece necesită o singură suprafața activă de contact cu piesa prehesată.

Fucționarea se bazează pe eliminarea aerului dintre suprafața de lucru a acestora și suprafața de piesei prehensate iar priza între cele două suprafețe se obține prin acțiunea presiunii aerostatice (gazostatice).Aceste prehensoare funcționează în medii gazoase, având o presiune relative ridicată, în atmosferă sau în încăpari unde exista condiții similare.

Prehensoarele cu vacuum au o suprafață care este realizată din suprafața uneia sau mai multor ventuze elastice, din cauciuc sau din materiale asemanatoare ca și proprietăți, cum sunt și unele materiale plastic.

Eliminarea aerului dintre suprafața piesei și suprafața activă a ventuzei se poate realiza astfel:

Pin apasare mecanică a ventuzei pe suprafața piesei ;

Prin efect Venturi, cu curenți de aer sub presiune;

Cu pompe cu vid.

Apăsarea mecanică a ventuzei, pentru eliminarea aerului dintre aceasta și piesă, presupune existența unei suprafețe de sprijin (fig. a), iar prehensiunea este produsă de presiunea atmosferică (fig. b).

Fig. 52. Prehensiune cu ventuză apăsată mecanic

Sursa: Ionel Starețu , Sisteme de prehensiune, Editura Lux Libris, Brasov 1996

Prehesiunea cu ventuză apasată mechanic:

Calculul forței de prehensiune si forței de aderență între piesă și ventuză se poate realize cu relația urmatoare:

(19)

d diametrul cercului de contact dintre piesă și ventuză,

V1reprezintă volumul de aer închis sub ventuză înainte,

V2reprezintă volumul de aer după deformare.

Pentru utilzarea efectului Venturi este necesar pomparea unui jet de aer sub presiune în corpul prehensorului (fig.a) , antrenand aerul existent în aceasta, determinand o scădere a presiunii statice astfel se realizează priza cu piesa, presiunea atmosferica exterioara fiind mai mare (psat>ps).

Fig. 53 Principiul efectului Venturi(a) și o diuză Venturi(b)

Sursa: Ionel Starețu , Sisteme de prehensiune, Editura Lux Libris, Brasov 1996

Fig.54 Comanda prehensiunii (prindere a, desprindere b) în cazul folosirii efectului Venturii

Sursa: Ionel Starețu , Sisteme de prehensiune, Editura Lux Libris, Brasov 1996

În figura de mai jos este reprezentată prinderea (a) și desprinderea (b) piesei prin utilizarea efectului Venturii.

În figura de mai jos esete reprezentată schema unei instalații în care vacuumul este obținut prin intermadiul pompei de vid 1, și ca urmare prehensiunea piesei 2, iar desprinderea fiind ușurată prin patrunderea aerului cu presiune redusa (4 bari) prin intermediul distibuitorului 3, iar distribuitorul 4 fiind pe poziția închis. Distribuitorul este acționat electromagnetic pentru poziția de lucru, și de un arc pentru poziția închis. Supapa 5 asigură circulația aerului numai spre ventuze.

Fig. 55 Principiul obținerii vidului

Sursa: Ionel Starețu , Sisteme de prehensiune, Editura Lux Libris, Brasov 1996

În cazul in care se folosesc mai multe ventuze forța de prehensiune este aproximativ:

(20)

Daca este cazul folosiri unei ventuze, forța de prehensiune se calculează cu formula:

(21)

Dezavantajele principale ale prehe soarelor vaccumatice sunt: timpul relativ mare pentru realizarea depresiunii, pericolul deformării pieselor (cum ar fi foile de tablă, carton, etc.),dispariția forței de prindere în cazul unei pene de aer comprimat, consumul mare de aer comprimat care impune în multe cazuri și sisteme mecanice de susținere a pieselor, fiabilitatea redusă a ventuzelor, forța portantă limitată pentru o ventuză dată, etc.

SISTEME ARTIFICIALE MAGNETICE DE PREHENSIUNE

Prehensoarele magnetice fac parte din categoria prehensoarelor unilaterale ca și prehensoarele cu vacuum cu care sunt asemănătoare.Acestea au o singură suprafață de lucru și necesită cale de acces spre piesa prehensată dintr-o singură direcție.Evident prehensoarele magnetice se pot folosi numai pentru piesele feromagnetice.

Principiu de funcționare si elemente de calcul:

Prehensoarele magnetice realizează prehensiunea prin intermediul forței de atracție magnetică.Această forță poate fi generată de magneți permanenți sau de electromagneți.

Daca utilizăm un magnet permanent (a) forța magnetică de prehensiune este proporțională cu marimea magneților și deoarece acesta este permanentă, desprinerea piesei se realizează cu un

mecanism suplimentar (b, c).

Fig.56 Prehensor cu magnet permanent (a) și exemple de mecanisme de desprindere (b, c)

Sursa: Ionel Starețu , Sisteme de prehensiune, Editura Lux Libris, Brasov 1996

Forța electromagnetică este generată de un electromagnet care în cele mai multe cazuri este o bobină cilindrică cu un miez cu proprietăți magnetice bune sau foarte bune. Foarța magnetica se poate calcula cu relatia:

(22)

Aaria de contact dintre electromagnet și forța prehensată B inducția magnetică

µ permeabilitatea magnetică a vidului

Desprinderea piesei în cazul electromagneților se face prin întreruperea alimentarii, iar daca este cazul forțarea piesei pentru a se desprinde, pentru învingerea forței generate de magnetismul remanent, anularea câmpului electromagnetic initial prin alimentarea bobibei cu un curent alternativ de tensiune scazută.

Ca și avantaje ale prehensoarelor magnetice sunt: lipsa uzuri, construcție simpla, absența elementelor de acționare, necesitatea unei singure suprafețe de acces sprepiesa. Aceste prehensoare cu magneți se pot utiliza pana la temperaturi de 500șC, folosite în medii explozive, iar acestea mai au ca și avantaje: posibilitatea de adaptare la forma piesei, toleranța la impuritați si alimentare simpla cu energie.

Prehensoarele electromagnetice fața de cele vacuumatice, prezintă o rapiditate mai mare în funcționare și dezvoltă o forța specifică mai mare pe unitatea de suprafață.

Aceste prehensoare cu electromagneți nu poti fi utilizate la temperaturi mai mari de 60șC doar daca se impun masuri speciale înfașurarilor bobinelor folosite și au magnetism care necesită dispozitive de prindere a piesei prehensate.

Prehensoarele cu magneți permanenți au urmatoarele dezavantaje: încarcare cu diverse impuritați feromagnetice ce pot duce la marirea intrefierului și scaderea forței magnetice utile, necasar un dispozitiv suplimentar pentru extragerea piesei .

Aceste tipuri de prehesoare magnetice au ca și dezavantaj prehensarea simultană a pieselor cand acestea au suprafața de contact plană, subtire sau dispusă în pachete. Pentru a menține forța magnetică constantă necesită curațirea suprafețelor de aschii și impuritați care pot conduce la marirea distancelor ce vin în contact. [3]

SISTEME DE SCHIMBARE A DISPOZITIVELOR DE PREHENSIUNE ȘI SCULELOR

Sistemele de schimbare a prehensoarelor și sculelor funt folosite pentru a crește flexibilitatea în utilizarea roboților. Diferite scule și dispozitive de prehensiune sunt montate pe brațul robotului cu ajutorul unei flanșe universale.

Caracteristicile unei flanșe universale:

desprinderea ușoară și sigură a gripper-ului de înlocuit;

atașarea ușoară și sigură a noului gripper;

blocarea (fixarea rigidă) noului gripper;

asigurarea alimentării cu energie (pneumatică și/ sau electrică) a gripper-ului sau uneltei.

Astăzi, roboții sunt capabili să își schimbe dispozitivele de prehensiune sau sculele în mod autonom. Fixarea noului gripper pe brațul robotului se poate face automat, cu vacuum, electric sau cu mecanisme deblocabile de zăvorâre. In ultimul caz, deblocarea zăvorului se poate face pneumatic sau electric. Se poate spune că flanșa universală este de fapt un prehensor universal, care nu lucrează direct cu piese, ci cu diverse alte dispozitive de prehensiune. Flanșele universale sunt folosite și pentru atașarea a diferite scule: pistoale de vopsit, șurubelnițe, burghie etc. În figura de mai jos este prezentat un robot cu sistem de schimbare prehensoare.

Domeniul tipic de apicație al sistemelor de schimbare a gripper-elor și sculelor este în asamblare. În aceste aplicații sunt necesare atât mânuirea unor scule pentru plelucrarea pieselor, cât și mânuirea pieselor pentru poziționare.”

Fig.57 Robot cu sistem de schimbare a dispozitivelor de prehensiune

Sursa: www.google.ro

CAPITOLUL III- PROIECTAREA DISPOZITIVULUI DE PREHENSIUNE CU ACȚIONARE PNEUMATICĂ

Analalizând restul soluțiilor constructive ale dispozitivelor de prehensiune si modul de acționare al acestora, am considerat că varianta aleasă este cea mai avantajoasă aceasta fiind realizarea teoretică și practică a unui dispozitiv de prehensiune cu bare articluate cu acționare pneumatică.

Așadar, pentru modelarea prehensorului s-a ținut cont de lungimea minimă și maximă a pieselor ce necesită a fi prehensate, aceastea avand forma unui paralelipiped sau cilindru cu lungimea sau diametrul intre 50 și 100 milimetri.

1. SCHEMA CINEMATICĂ A DISPOZITIVULUI DE PREHENSIUNE CU ACȚIONARE PNEUMATICĂ

În primă fază s-a realizat schema cinematică a dispozitivului determinându-se dimensiunile elementelor componente și unghirile de înclinare ale tijelor, astfel încât, ulterior sa poată fi determinate forțele care se transmit prin intermediul acestora.

Fig. 58 Schema cinematică a prehensorului

Schema cinematică de mai sus a prehensorului preumatic, prezintă dimensiunile și unghiurile principale ale acestuia in momentul in care este prehensată o piesă de dimensiuni maxime.

În cazul in care piesa ce necesita a fi prehensată are dimensiuni mai mici, altele decât 100 milimetri, automat unghiurile vor avea valori diferite.

2. CALCULUL PENTRU DETERMINAREA PRESIUNII MINIME DIN MOTORUL PNEUMATIC

În cazul studiat a fost necesar a fi prehensată o piesă de formă paralelipipedică din oțel, cu dimensiumile de 100 milimetri lungime, 50 milimetri lățime, respectiv 50 înălțime, având greutatea de 30N, pentru transportarea acesteia pe o menghină pe care urmează a se efectua ulterior o prelucrare.

Pentru determinarea presiunii necesare in vederea alegerii motorului pneumatic s-a pornit de la faptul că au fost cunoscute atât greutatea piesei cât si diametrul pistonului și al tijei motorului pneumatic liniar.

Etape de calcul:

Fig. 59 Forțele ce acționează asupra piesei

Greutatea este cunoscută:

(23)

Atât diametrul pistonului () , cât și cel al tijei () sunt cunoscute:

(24)

Pentu a fi posibilă realizarea prehensiunii, astfel încât corpul să fie prins intre bacuri, pentru ca acesta să poată fi deplasat spre postul de lucru, este necesară indeplinirea următoarei condiții:

(25)

Deoarece prinderea se face la ambele capete ale corplui rezultă faptul că:

=

Din formula generală a forței de frecare, se poate determina forța necesară de apăsare a bacurilor:

(26)

Cunoscând forța de apăsare necesară. Se potate determina in continuare, prin descompunerea forțelor, forța necesară din tija pistonului, notată in desenul de mai jos cu .

Fig.60 Unghiuri necesare pentru determinarea forței din tijă

= 82,96 N

(27)

= 73,73 N

(28)

= 25,77 N

(29)

Cunoscându-se atât cât si ,se poate determina aria pistonului:

A= 83,32

(30)

Așadar, fiind cunoscute și forța din piston (), cât si aria () acestuia, se poate determina presiunea necesară, astfel incât procedeul de prehensiune să poată fi realizat.

0,3 3 bar

(31)

În urma calculelor, din care a rezultat presiunea necesară minimă, am ales un motor pneumatic liniar cu valori ale presiunii cuprinse intre 0,15, respective 0,7 MPa, astfel incât aceasta să poată fi incadrată între cele două.

Ținând cont de faptul că caloarea de 0,3 MPa este situată la o valoare de mijloc din presiunea pe care motorul preumatic liniar o suportă, am realizat in continuare un calcul de verificare, etapele fiind aceleași, pentru o piesă cu dimensuni identice celei precizate mai sus, dar de data aceasta având o greutate de 60N.

G=60 N

(32)

(33)

=

(34)

(35)

(36)

= 165,93 N

(37)

= 139,48 N

(38)

= 58,75 N

(39)

(40)

0,7 7 bar

(41)

În urma efectuării celei de-a doua serii de calcule se poate trage concluzia că la o valoare a greutății de 60N, presiunea necesară are valoarea maximă, așadar cu ajutorul acestui dispozitiv pot fi manipulate piese având o greutate dublă decât cea a corpului manipulat inițial.

3. MODELAREA TRIDIMENSIONALĂ PREHENSORULUI CU ACȚIONARE PNEUMATICĂ

Fiind cunoscută schema cinematică prehensorului și aspectul motorului pneumatic liniar, următorul pas a fost modelarea tridimensională a ansamblului, realizată cu ajutorul programului Catia V5, forma rezultatăv fiind următoarea:

Fig.61 Modelarea prehensorului în Catia V5

Avantajul folosirii acestui tip de motor pneumatic il reprezintă existența știftului filetat, reprezentat in partea stângă a desenului, acesta având rulul de reglare a cursei pistonului pistonului, pentru cazul in care se doresc a fi manipulate piese cu o lungime mai mică de 100 milimetri.

Structura acestuia este confecționată din OL 37, mai exact barele articulate, bacurile si piesele folosite pentru susținera acestora.

Asamblarea s-a relizat utilizant șuruburi M3 cu cap cilindric si locaș hexagonal, pentru partea superioară, iar in partea inferioara s-a folosit șaibă și piuliță cu autoblocare. Prinderea pe flanșa robotului se va face utilizând șuruburi M6 tot cu cap cilindric si locaș hexagonal.

4. ANALIZA STATICĂ A STRUCTURII MECANISMULUI DE PREHENSIUNE  UTILIZÂND METODA  ELEMENTULUI  FINIT

Scopul este găsirea unei soluții aproximative la o problemă cu condiții la limită bilocale sau cu parametri ințiali prin împărțirea domeniului sistemului în mai multe subdomenii de dimensiuni finite, interconectate între ele, având dimensiuni și forme diferite, și prin definirea variabilelor de stare necunoscute, printr-o combinație liniară de funcții de aproximare. Subdomeniile se numesc elemente finite, totalitatea elelementelor finite formează o rețea (mesh) iar funcțiile de aproximare se numesc funcții de interpolare. Impunând compatibilitatea funcțiilor definite individual pe fiecare subdomeniu în anumite puncte numite noduri, funcția necunoscută este aproximată pe întregul domeniu.

”Astfel, metoda elementelor finite este o cale foarte convenabilă de a obține soluții aproximative pentru aproape orice problemă inginerească, devenind astfel un instrument comod și necesar în calculele de proiectare și cercetare, eliberând utilizatorul de dificultățile legate de geometrii neregulate, neomogenități de material, condiții de contur și inițiale complexe. Totodată, această metodă permite integrarea prin calcul numeric a ecuațiilor și sistemelor de ecuații diferențiale pe un domeniu, ținând cont de condițiile la limită sau de contur ale unei configurații date care descrie diferite probleme și fenomene fizice.” [4]

Caracteristicile materialului sunt următoarele:

Modulul de elasticitate longitudinal,

Coeficientul lui Poisson,

În figura de mai jos este reprezentat sistemul de acționare al prehensorului cu incărcările existente pe bacuri si încastrările aplicate pe placa de susținere si cea de antrenare a intregului ansamblu. Acesta este considerat ca fiind fix, analiza efectuându-se in momentul in care piesa prehensată se află intre bacurile acestuia, iar pe suprafața de bacurilor se exercită presiunea cauzată de forța normală.

Fig. 62 Încastrarea și încărcarea bacurilor

Modelul realizat a fost discretizat în elemente finite de tip tetraedru si de tip paralelipipedic, rezultând un număr de 15722 de elemente finite cu 70454 noduri. (Fig. 63)

Fig. 63 Discretizarea în elemente finite

În urma rulării analizei statice pentru modelul astfel creat s-au obținut următoarele rezultate prezentate in figurile următoare:

Fig. 64 Deformația pe axa X = 0.012 mm

Fig. 65 Deformația pe axa Y = 0.02 mm

Fig. 66 Deformația pe axa Z = 0.002 mm

Fig.67 Deformația totală Dt= 0,02 mm

În urma acestei simulări numerice se constată in figurile de mai jos că tensiunile echivalente maxime apar in zona barelor articulate, in partea cea mai apropiată de placa principală de susținere, iar valorile acestora nu depășesc limita de curgere a materialului ales pentru realizarea ansamblului. Prin urmare se consider indeplinită condiția de rezistență.

Fig.68 Tensiuni echivalentă von- Misses

Fig.69 Tensiunea principală

În ceea ce privește deformațiile specifice și deplasările structurii analizate se constată faptul că valorile maxime apar tot in zona barelor articulate, in partea cea mai apropiată de placa principală de susținere, iar aceste valori se incadrează și ele in valorile admisibile, motiv pentru care se poate spune că este îndeplinită condiția de rigiditate.

Fig.70 Deformația specifică echivalentă

Fig.71 Deformația specifică principal

Îndeplinirea celor două condiții de rezistență și de rigiditate este confirmată și de valorile obținute prin coeficientul de siguranță al acestei structure. Astfel valoarea maximă a coeficientului de siguranță pentru structura analizată este de 15. (Fig. 72)

Fig.72 Coeficientul de siguranță

Utilizând același pachet de programe Ansys Workbench s-a realizat și o analiză la oboseală a structurii, intr-un ciclu alternant simetric (, obținându-se ca rezultate durata de viață a structurii (Fig. 73), care este mai mare de 1 milion de cicluri de solicitare.

Fig. 73 Analiza la oboseală

Și pentru acest tip de analiză s-a calculat coeficientul de siguranță, valoarea maximă a acestuia fiind de data aceasta 8,2445.

Fig.74 Coeficient de siguranță la oboseală

5. REALIZAREA INSTALAȚIEI PNEUMATICE DE ACȚIOARE PENTRU COMANDA DE AVANS ȘI RETRAGERE

Schema pneumatică de acționare prin intermediul programului FluidSim.

Fig.75 Schema pneumatică de acționare

Realizarea mișcării tijei motorului hidraulic liniar este posibilă cu ajutorul unui compresor de aer comprimat îl alimentează. Inversarea sensului de deplasare al tijei pistonului si oprirea alimentării instalației se realizează cu ajutorul unu distrisbuitor 5/3 cu sertar cu care este dotată instalația pneumatică, acesta fiind comandat cu ajutorul unui electromagnet.

Orificiile distribuitorului “2” și ”4” au rol de alimentare a instalației, fiind conectate la alimentarea cu aer a acesteia, pe când “3” și ”5” , au rol de evacuare a aerului și de amortizare a zgomotului.

Instalația mai este dotată cu drosele care fac posibilă modificarea vitezei cu care tija pistonului se deplasează prin deschiderea și inchiderea acestora, supape de sens care permit trecerea aerului doar intr-o singură direcție, si un manometru care face posibilă verificarea presiunii existentă în instalație.

Atunci când electromagnetul Y1 este alimentat, distribuitorul se deplasează în partea dreaptă, permițând pătrunderea aerului in prima cameră a pistonului doar prin interiorul droselului, datorită supapei de sens, rezultatul fiind avansul tijei, respectiv deschiderea bacurilor prehensorului. Evacuarea aerului din partea opusă se realizează de data aceasta prin intermediul supapei de sens, care este de data aceasta deschisă și prin intermediul evacuării notată cu cifra “3” în desen, care are și rolul de amortizare a aerului.

Pentru retragere se alimentează electromagnetul Y2, distribuitorul fiind deplasat spre stânga, iar rezultatul fiind pătrunderea in cea de-a doua cameră a pistonului, tot prin interiorul droseluui, datorită supapei de sens, rezultatul fiind retragerea tijei, respectiv închiderea bacurilor prehensorului și străngerea corpului ce necesită a fi prehensat. Evacuarea aerului din prima cameră a pistonului se realizează prin intermediul supapei de sens, care se deschide si permite trecerea și prin intermediu evacuării care are și acesta rolul de evacuare a aerului, notat cu “5”.

6. PROIECTAREA SCHEMEI ELECTRICE DE COMANDĂ

Schema de comandă electrică este realizată la fel ca și cea de mai sus în spațiul de lucru FluidSim.

Fig.76 Schema electrică de acționare

Schema electrică reprezentată mai sus are rolul de a face posibilă acționarea electromagnețior distribuitorului, acesta fiind alimentat la o tensiune de 24 V, rezultatul fiind acționarea motorului pneumatic liniar.

Pentru realizarea avansului tijei, respectiv deschiderea bacurilor, este acționat butonul normal deschis BD, care închide circuitul, realizează automenținerea prin intermediul contactului normal deschis al bobinei K1, bobină care va menține circuitul închis si va alimenta mai departe electromagnetul Y1, rezultatul fiind deplasarea electromagnetului pe poziția din stânga. Pentru a se realiza deschiderea circuitului electric am utilizat un buton normal închis ”SP” care este comandat de releul de presiune montat in instalația pneumatică, cand pesiunea din instalație creste, devenind mai mare decat cea stabilită, acesta se deschide.

Fig.87 Schema electrică pentru avans

În figura de mai jos este reprezentată faza de retragere a pistonului, adică inchiderea bacurilor.

Pentru a realizarea retragerii se acționează butonul normal deschis BÎ, ce realizează automenținerea și alimentarea bobinei K2, fiind alimentat si electromagnetul Y2, iar distribuitorul se deplasează de poziția din dreapta. În momentul apăsării butonului, contactul normal K1 se va deschide și va opri alimentarea.

Fig.77 Schema electrică pentru retragere

CAPITOLUL IV- REALIZAREA PRACTICĂ A LUCRĂRII STUDIATE

În urma determinării dimensiunilor prehensorului, a forțelor care se transmit prin intermediul bacurilor si a elementelor de tip bară articulată, a analizei statie utilizând metoda elementului finit, a realizării instalației pneumatice și a schemei electrice de comandă, a putut fi posibilă realizarea fizică a prehensorului, a montării lui pe robotul KUKA KR6 și crearea unui program in care piesa este manipulată si transportată la un post de lucru.

Fig. 78 Prehensor in pozițiile extreme de inchis/deschis

În imaginile de mai sus este fotografiat prehensorul în momentul in care acesta a fost montat pe brațul robotic, in prima fotografie fiind evidențiată poziția de ”închis” a acestui, iar în partea dreaptă este fotografiat prehensorul in poziția de repaus, poziție in care nici o forță nu solicită elementele componente ale acestuia.

Aplicația realizată cu ajtorul prehensorului și a brațului robotic este formată din următoarea succesiune a fazelor:

Din poziția inițială a brațului robotic, aceasta efectueaza o mișcare de rotație in jurul celei de-a șasea culpe, ducând efectorul terminal in poziția in care poate fi alimentat motorul hidraulic liniar, iar bacurile acestuia să acționeze asupra corpului.

Fig.79 Prindere piseă

Presiunea exercitată de bacurile prehensorului pe fețele laterale ale corpului sunt mai mari decât forța de greutate a acestuia, ceea ce face posibilă manipularea și transportarea acestuia în poziția următoare.

Fig. 80 Transportare piesă

În urma manipulării, corpul a fost transportat în interiorul menghinei unde urmează a fi strâns de aceasta. Se consideră ca urmează a-i fi realizat in procedeu de prelucrare, moment in care brațul robotului se retrage pentru a face această operațiune posibilă.

Fig. 81 Retragere in poziția inițială

După realizarea procedeului de prelucrare, piesa este extrasă din menghină și trasnsportată in dreapta acestiea, unde va fi poziționată.

Fig. 82 Evacuare piesă

În urma tuturor pașilor pe care roboul îi execută, acesta va reveni in poziția inițială de unde va relua procesul.

Fig. 83 Retragere in poziția de”0”

CONCLUZII

In cadrul prezentei lucrări de diplomă, pe baza particularităților unui robot industrial, am incercat să prezint avantajele utilizării roboților industriali în diverse operații pe care aceștia le pot efectua, pornind de la efectuarea operației de sudură până la manipularea unor piese de forme si dimensiuni diferite.

Robotul KUKA KR6 folosit pentru această lucrare demonstrează faptul că prin complexitatea sa constructivă poate fi utilizat pentru diverse experimente de laborator care vor sta la baza cercetării și aprofundării cunoștiințelor in fascinantul domeniu al roboticii.

In incheiere trebuie menționat și faptul că an de an roboții sunt tot mai mult utilizați atat in domeniul industrial (fiind o componentă esențială a sistemelor de fabricație automate flexibile) cat si in domenii neindustriale (in medii inaccesibile pentru operatorii umani), creșterea utilizării roboților fiind una exponențială.

BIBLIOGRAFIE

Dr. ing. DRIMER, Dolphi , Dr. ing OPREAN, Aurel, Dr. ing DORIN, Alexandru, Dr. ing Nicolae Alexandrescu, Ing. Adrian Paris, Ing. Horia Panaitopol, Ing. Constantin Udrea, Ing. Ioan Crisan, Roboti industriali si manipulatoare, Editura Tehnica Bucuresti-1985

Dorin TELEA, Bazele roboților industriali, Editura Universității Lucian Blaga din Sibiu

Ionel STAREȚU , Sisteme de prehensiune, Editura Lux Libris – Brasov 1996

Prof. dr. Eur. Ing. Ionel STAREȚU, Universitatea „Transilvania” din Brașov, Prehensoare antropomorfe cu bare articulate sau fire cu fire și role pentru roboți industriali- Sinteză, analiză și proiectare constructivă

Ionel STAREȚU, Mircea NEAGOE, Niculai ALBU, Mâini mecanice antromorfe de prehensiune pentru protezare și roboți, Editura Lux Libris – Brasov

Dr. Ing. Marian BOLBOE, Prof. Univ. Dr. Ing. Eur Ing. Ionel STAREȚU, Analiza compoarativă a unor prehensoare antropomorfe pentru identificarea unei variante optime.

Prof. Dr Eur. Ing Ionel STAREȚU, Prehensoare antropomorfe cu bare articulate sau cu fire și role pentru roboți industriali- Sinteză, analiză și proiectare constructivă.

http://documents.tips

http://www.scritub.com

http://yamaho.eu

http://www.parkermotion.com

[1] Ionel STAREȚU, Mircea NEAGOE, Niculai ALBU, Mâini mecanice antromorfe de prehensiune pentru protezare și roboți, Editura Lux Libris – Brasov

[2] Dorin Telea, Stefan Barbu, Roboți Structura- Cinematică- Organologie,Ed. Universității L. Blaga 2011

[3] Ionel Starețu , Sisteme de prehensiune, Editura Lux Libris, Brasov 1996

[4] Adrian Pascu, Valentin Oleksik, Calculul structurilor utilizând metoda elementului finit, Ed. Universității L. Blaga 2014

OPIS

Prezentul proiect conține:

Partea scrisă:

– 78 pagini de text;

– 83 figuri in text;

– 41 ecuații;

Partea desenată:

– Desenul ansamblului în format A1;

– 1 desene execuție în format A3;

Sibiu, 02.07.2017