MANIPULATORI MANUALI - acţionaţi direct de operatorul uman;

ROBOŢI SECVENŢIALI - efectueaza repetitiv o succesiune de operaţiiFuncţie de uşurinţa modificării operaţiilor programate se disting:

- RI cu secvenţe predeterminate;- RI cu secvenţe variabile.

Criteriul 1: informaţia de intrare şi modul de învăţare(JARA-Japanese Robot Association)

3. SISTEMATIZARI ALE ROBOŢILOR INDUSTRIALI

ROBOŢI REPETITORI (PLAYBACK) - se programează prin metoda netextuală,teach-in, antrenare;

ROBOŢI CU COMANDĂ NUMERICĂ - execută operaţiile programate în conformitatecu informaţiile numerice referitoare la poziţii, orientări, succesiuni de operaţii etc.

ROBOŢI INTELIGENŢI – sau generaţia a treia de RI.

În mod particular în Japonia se consideră roboţi şi manipulatoarele, spre deosebire derestul lumii, unde în general se acceptă denumirea de robot doar dacă acesta este conduscu calculatorul, situaţie în care se numeşte sistem robot. 1

The Robotics Institute of America (RIA) recunosc patru clase de roboţi:

1. Dispozitive manuale de manipulare cu control manual – similari manipulatorilor

manuali definiţi de JARA

2. Dispozitive automate de manipulare cu cicluri predeterminate – similari roboţilor

S

secvenţiali cu cicluri predeterminate definiţi de JARA

3. Roboţi programabili, servo comandaţi cu traiectorii PTP sau continue – similari RI

cu CN definiţi de JARA

4. Roboţi care satisfac specificaţii tip C care prelucrează informaţii din mediul extern

pentru mişcări inteligente– similari RI inteligenţi definiţi de JARA

2

Criteriul 3: sistemul de coordonate asociat lanţului cinematic de poziţionare

ROBOŢI ÎN COORDONATE CARTEZIENE: generează un spaţiu de operare paralelipipedic.

ROBOŢI ÎN COORDONATE CILINDRICE: generează un spaţiu de operare delimitat de două

suprafeţe cilindrice concentrice si două plane perpendiculare pe axa comună.

ROBOŢI ÎN COORDONATE SFERICE: generează un spaţiu de operare cuprins între două

suprafeţe sferice cu acelaşi centru.

ROBOŢI ÎN COORDONATE UNGHIULARE: generează un spaţiu de operare complex cu

alură sfericăalură sferică

Fig. 3. Schemele lanţurilor de poziţionare a RI în coordonate carteziene, cil. sferice şi unghiulare

(pen

tru

deta

lier

e apăs

aţi

buto

nul

core

spun

zăto

r de

pe

figu

ra 3

)

CONTINUARE

3

Terminologie

LANŢ CINEMATIC DE POZIŢIONARE (LP) - lanţ cinematic deschis cu rolul de

poziţionare a punctului caracteristic solidar cu obiectul manipulat. LP are un gabarit

mult mai mare decât lanţul de orientare şi în consecinţă determină forma spaţiului

de operare a RI.

În viziune antropomorfică este similar ca funcţionalitate cu braţul +antebraţul uman.

LANŢ CINEMATIC DE ORIENTARE (LO) - lanţ cinematic deschis cu rolul de

orientare, deplasare unghiulară în jurul punctului caracteristic. În analogie

antropomorfică LO corespunde încheieturii mâinii.

LANŢ CINEMATIC DE GHIDARE (LG): LG = LP – LO. (LP înseriat cu LO).

4

În afară de cele patru tipuri de roboţi: cartezieni, cilindrici, sferici şi unghiulari mai există structuri hibride:

Robot cu structură hibridă între unulportal simplu şi unul în coordonateunghiulate

Robot creat din combinareaunuia în coordonate cilindriceşi unul articulat 5

Conform IFR (International Federation of Robotics) şi IPA Stuttgart, în afară de cele

patru structuri anterior definite se mai adaugă: roboţii SCARA (Selective Compliance

Assembly Robot Arm) şi roboţii paraleli (bazaţi pe platforme Stewart sau Delta).

Fig. 4. Schema unui robot SCARA Fig. 5. Schema unei platforme Stewart

6

ROBOŢI ÎN COORDONATE CARTEZIENE

RI în coordonate carteziene (RICar) au un LP format doar din cuple T reciproc ⊥. Aceştia

se utilizează ca RI cu baza la sol (fig. 6a) sau ca RI suspendaţi (fig.6b), care în cazul RICar se

numesc RI portal. În general, RICar de dimensiuni medii şi mari sunt acţionaţi electric, la cei

modulari de dimensiuni mici sau medii se utilizează acţionarea pneumarică.

Fig. 6. RICar cu baza la sol (a) şi suspendat tip portal simplu (b) [SIC04]

a b

7

Fig. 6 b. Schema unui RI portal simplu (a), RI portal dublu (b).

Avantaje RICar:- au rigiditate mare, în consecinţă pot manipula obiecte relativ grele, utilizându-se ca RI- au rigiditate mare, în consecinţă pot manipula obiecte relativ grele, utilizându-se ca RI

“pick and place”, paletizare, încărcare MU;- sunt simplu de programat;- RI portal ocupă puţin spaţiu la sol, dezvoltându-se pe verticală unde în general într-o

secţie productivă este mai mult spaţiu liber. În consecinţă accesul la utilajele pe care leserveşte este mai puţin restricţionat;

- eroarea cinematică de poziţionare este constantă în orice punct al spaţiului de operare,în consecinţă sunt utilizaţi şi ca RI de măsurare (er. cin. de poz. este dependentă doar deprecizia de realizare a valorilor programate a coordonatelor generalizate ale LP).

Dezavantajele RICar:- necesită un spaţiu de lucru (de funcţionare) mare, fenomen deranjant mai ales la RICar

cu baza la sol;- având suprafeţe relativ mari de ghidare a cuplelor T (cupla T nu este o cuplă

compactă) sunt necesare protecţii antipraf, anticorozive. 8

ExempleFamilia de RI XM3000, prod. EPSON

(www.robots.epson.com/)

Lanţ de ghidare simplu deschis

Construcţie modulară 2...4 axe

Spaţiul de operare paralelipipedic:

- XY: 200 x 300mm ... 1000 x 600 mm- XY: 200 x 300mm ... 1000 x 600 mm

- Z: 100,150, 300 mm

- γ: +/- 3600

- Precizie repetabilitate XY: 0.015 mm

- Timp de ciclu standard (1“-12“- 1“): 0.5 s

- Capacit. înc. pt. 4 axe: 2 ... 4 kg

- servo motoare electrice

- tr. şurub fix- piuliţă mobilă

Fig.7. Vedere a unui RI din familia XM300

9

RI portal simplu, dublu în concepţie modulară

Fig. 8. RI portal IRB 840, produs de firma ABB (www.abb.com/robotics)

IRB 840 este destinat încărcării maşinilor, operaţiilor de paletizare, manipulării de materiale RI este construit

modular.

Caracteristici:capacitate de încărcare 150 kg, repetabilitate 0.2 mm, viteze maxime: Vx, Vy=2.7 m/s, Vz=2 m/s,

acceleraţia maximă 4g.

10

Exemplu de unitate flexibilă de prelucrare prin strunjire unde transferul semifabricatelor

este realizat de un robot portal simplu.

Clipuri în folderul RI Coord CARTEZ11

ROBOŢI ÎN COORDONATE CILINDRICE

RI în coordonate cilindrice (RICil) au o cuplă R

de pivotare şi două cuple T perpendiculare R II T ⊥⊥⊥⊥ T.

Această structură generează un spaţiu de

operare cilindric şi este raţională pentru posturi de

lucru plasate în jurul RI. Cum o astfel de configuraţie

pentru celule flexibile de prelucrare are dezavantaje,

actualmente RICil nemodulari cu funcţii de încărcare-actualmente RICil nemodulari cu funcţii de încărcare-

descărcare maşini unelte sunt rari. În plus având

două cuple T sunt necesare protecţii ale ghidajelor.

Uzual sunt acţionaţi electric, sau fluidic în cazul

celor modulari,

Structura are o rigiditate mecanică relativ mare,

în general este viabilă pentru manipulatoare modulare

de dimensiuni relativ mici.

Precizia de poziţionare scade pe direcţie radială

[SIC04]

12

Fig. 8a. Vedere a RICil RT330, firma SEIKO

RT 330, prod. SEIKO(www.seikorobots.com)

Construcţie nemodulară 4 axe

Spaţiul de operare cilindric.

- Precizie repetabilitate: ± 0.025 mm- Repet. axa de rotaţie a preh: ± 0.030

- Capacit. încărcare : 5 kg- Timp de ciclu: 0.76 s.- Servomotoare electrice CA fără perii

Fig. 8b. Vedere a unui RICil modular, cu acţionare pneumatică, format pe baza setului modular Gemotec, www.gemotec.de

13

ROBOŢI ÎN COORDONATE SFERICE

[SIC04]

RI în coordonate sferice sunt în general acţionaţi electric, au o precizie de poziţionare descrescătoare

radial. Actualmente această structură este rar aplicată datorită problemelor de gabarit pe care le ridică cupla T.14

ROBOŢI ÎN COORDONATE UNGHIULARE

Roboţii în coordonate unghiulare (RIUng sau RI antropomorfi) sunt cei mai populari RI,

având următoarea structură a lanţului de poziţionare: R ⊥⊥⊥⊥ R II R.

[SIC04]

RI în coordonate unghiulare: în componenţa LP untră axele 1,2 şi 3, restul aparţin LO.

15

Avantaje:

- Datorită utilizării doar a policuplelor R, care sunt compacte, RIUng care au un LC simplu

deschis sunt zvelţi, deci spaţiul de funcţionare este mai mic decât la alte tipuri.

- RIUng au un spaţiu de operare aproximativ sferic, relativ mare comparativ cu

dimensiunea RI.

- Există posibilitatea echilibrării braţului robot, fapt ce îmbunătăţeşte proprietăţile

dinamice ale RI.

- Cvasimajoritatea lor sunt acţionaţi electric prin servomotoare cu CC.

- RIUng sunt RI universali utilizaţi în manipularea materialelor, paletizări-depaletizări,

încărcare-descărcare MU, utilaje, sudură în puncte, cu arc, cu laser, vopsiri prin pulverizare,

aplicări de adezivi, inspecţie etc.

Dezavantaje

- Nu au rigiditate mare, însă aceasta poate fi îmbunătăţită prin includerea unui contur

motor pentru ultimele două cuple R II R ale LP (vezi clip M-2000iA Automotive Body Transfer

Robots - FANUC.flv).

- precizia cinematică de poziţionare este dependentă de poziţia punctului caracteristic în

spaţiul de operare. 16

Fig. 10a. RIUng familia KR350Producător KUKA Roboter Producător KUKA Roboter

(www.kuka-roboter.de)

17

Fig. 10.b Construcţia modularăa familiei de roboţi KR350a familiei de roboţi KR350

Caracteristici KR350/2:

- cap. înc. : 350 kg- sarcină supl: 150 kg- 6 axe servomot. CA- prec. repet ±±±±. 0.25 mm- montare la sol, tavan

18

Fig. 10c. Spaţiul de operare a familiei de RIUng KR35019

Alte arhitecturi de RI în

coordonate unghiulare

SV3X

- cap. înc. : 3 kg

- prec. repet. : ± 0.03 mm

- fiab. mare: 52000 MTBF (Mean time

between failures )

Se observă simetria faţă de planul median

vertical care asigură sarcini excentrice

minime şi distribuţia motoarelor electrice

coaxial sau foarte aproape de axele LG.

Atenţie la soluţia de dublă lăgăruire.

UP20

cap. înc.: 20 kg

- prec. repet. : ± 0.06 mm

RI UP 20 asigură viteze mari de

manipulare. Este optimizat dinamic, se pot

programa şi acceleraţiile, decceleraţiile.Fig. 11. Roboti universali produşi de MOTOMAN (www.motoman.com)

a. SV3X, b. UP20 20

Lightweight Arm - LWA 3

SCHUNCKM

odul

de

rotaţie

cu

cont

role

r in

tegr

at

7 GRADE DE MOBILITATE

Technical data Repeatability: 1 mm Power supply 24 VDC / 20 A – battery operation possible Payload 5 kg Brushless servomotors with Harmonic Drive® power trains

Arbori ţeavă prin care trec cablurile

21

ROBOŢI SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm)

RI SCARA (RISca) sunt RI cu lanţ de ghidare simplu deschis R II R II C (R-cuplă de rotaţie, C- cuplă

cilindrică), deci au în general grad de mobilitate 4. Această structură este de inspiraţie antropomorfică şi imită

braţul uman în poziţie de lucru paralelă cu o masă de lucru.

[SIC04]22

Datorită configuraţiei specifice a LG, RISca au o rigiditate mai mare pe direcţia axelor

de mişcare şi una mai redusă în planul braţului (complianţă selectivă). Această

particularitate îi recomandă pentru lucrări de asamblare de sus în jos.

Având trei cuple R cu axe paralele şi o singură cuplă T, pe ultima poziţie a LG,

problemele ridicate de protejarea şi etanşarea cuplelor nu sunt dificile, în consecinţă RISca

pot lucra în medii agresive (dustproof robot) sau în medii care necesită condiţii de curăţenie

deosebite (cleanroom robot).

RISca au precizii de poziţionare care scad pe direcţie radială, acţionarea este

electrică.

Din analiza ofertei de RISca a principalelor firme producătoare rezultă:

- RISca au capacităţi de încărcare 2 ... 20 kg.

- precizia de repetabilitate este mare: ± 0.01 ... ± 0.025 mm.

- RISca sunt rapizi, ciclul de lucru standard (25-300-25mm): 0.3 ... 0.5 s.

23

În consecinţă pe lângă lucrările de asamblare mai sunt folosiţi la încărcarea-descărcarea

maşinilor, manipulare materiale, inspecţii, lucrări de laborator medical (cleanroom robot).

Sunt potriviţi în aplicaţiile unde sunt necesare acceleraţii constante pe traiectorii circulare:

vopsiri prin pulverizare, aplicări de adezivi.

Datorită rigidităţii relativ mari pe direcţia axelor de mişcare pot fi utilizaţi la efectuarea de

găuriri care nu necesită forţe axiale mari..

Un dezavantaj al RISca este înălţimea relativ mare care impune existenţa unui spaţiu liber

deasupra.

În afară schemei clasice de montaj

anumiţi roboţi SCARA pot fi instalaţi pe

pereţi verticali, pe tavan şi pe console.

24

Complianţă (sau compleanţă [STA96]): gradul de elasticitate a unui sistem mecanic,

definit ca raport între deplasare şi forţa aplicată (este inversul rigidităţii).

25

Noua generaţie de roboţi SCARAEPSON G

(www.robots.epson.com)

Caracteristici:- cap. înc. max.1 ... 30 kg; forță de inserție: 50…250N; precizie de repetabilitate: ± 0.005 ... ± 0.025 mm; ciclul de lucru standard (25 x 300mm): 0.29 ... 0.42 s; spaţiu de operare: Rmax=175 ... 1000mm.

26

Roboți scara cu baza pe tavan au spațiu de operare maximizat (nu există spațiu central inaccesibil)

27

Celule flexibile cu dispunere circulară robotizate Celule flexibile de asamblare cu dispunere liniară robotizateCelule flexibile cu dispunere circulară robotizate Celule flexibile de asamblare cu dispunere liniară robotizate

Operare cu piese paletizate: comparație între spațiul necesat operării cu trei palete pt. un RI scara suspendat și unul cu baza la sol28

Hirata SCARA Robot AR-Z 1000Ewww.hirata.de

Roboţii AR-Z 1000E sunt destinaţipaletizărilor /depaletizărilor de pe paleteleeuropene 1200 x 800mm.

29

Roboţi Kawasaki, tip SCARA, pentru medii curate, manipulare plăci cu circuite integrate

30

Identificarea ţintei şigenerare automată de codpentru atingerea acesteia

31

MELFA Robots – RP Series

MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION

Datorită introducerii unui mecanism

paralelogram, ca parte terminală a

mecanismului de poziţionare, creşte

rigiditatea sistemului şi precizia.

Fig. 14. RI tip SCARA RP-1AH

32

33

Fig. 14b. Spaţiul de lucru al RP-3AH

34

Vezi clipul RP-1AH SMD parts mounting.flv

ROBOŢI PARALELI

Denumirea de robot paralel (RIPar) provine de la structura mecanismului de ghidare format dintr-o platformăfixă (baza), una mobilă pe care se montează end-efectorul şi un număr oarecare (minimum două) de lanţuri cinematiceindependente, identice, care lucrează în paralel, ale căror extremităţi se află pe cele două platforme (fig. 15).

RIPar aplicaţi industrial au în general mobilitatea 4(realizează doar poziţionare completă (3 gr. mob) şi un gradde mobilitate pentru orientare), sau 6 (poziţionare şiorientare complete).

Spaţiul de operare a roboţilor paraleli are o formă caredepinde de gradul de mobilitate al mecanismului complexînchis, având în general alura unei calote sferice şi practicînchis, având în general alura unei calote sferice şi practiccilindric cu înălţime mică.

O structură de succes din prima categorie (4 gr.mobilitate), care stă la baza mai multor RI comerciali esteRIPar DELTA.

Acest RI utilizează ca LC de legătură între platforme unlanţ articulat monomobil. Pentru acţionare se folosescmotoreductoarele 3. Cele trei mecanisme de legătură potrealiza doar poziţionarea platformei 8. Pentru rotirea axială aend-efectorului 9 s-a mai ataşat LC telescopic 14, acţionat demotoreductorul 11.

Platformele Stewart au o construcţie principialasemănătoare având în componenţă 6 motomecanisme delegătură care pot conţine şi motocuple T.Fig. 15. Schema RIPar tip DELTA 36

RIPar au următoarele caracteristici:Avantajoase:

- Având la bază mecanisme spaţiale închise au o rigiditate apreciabilă, mult mai maredecât RI seriali (care au ca LG un LC simplu deschis).

- Erorile cinematice de ghidare nu se cumulează ca la RI seriali ci eroarea totală esteo medie a acestora. În consecinţă RIPar au o precizie de repetabilitate relativ mare.

- Au o frecvenţă naturală înaltă.

Termeni similari: robot paralel, manipulator paralel, platformă Stewart, platformă Gough-Stewart, platformă Gough, platformă mobilă, mechanism paralel, Parallel KinematicMachine (PKM), hexapod.

- Au o .- Dacă motoarele se plasează pe platforma fixă, masele în mişcare sunt mici şi calităţile

dinamice vor fi foarte bune, în consecinţă se pot lucra cu acceleraţii mari.

Dezavantajoase:- Baza (platforma fixă) ocupă în general o suprafaţă relativ mare. Dacă RIPar lucrează

ca RI suspendaţi, acest dezavantaj este parţial eliminat.- Spaţiul de operare este relativ mic, de formă complexă, care ascunde singularităţi.- Modelul geometric direct şi cel dinamic au complexitate mare.- Algoritmii de comandă sunt complicaţi datorită complexităţii structurii RIPar şi a

puternicei neliniarităţi a mecanismului spaţial, închis de ghidare. 37

- Vibraţie forţatã: e o vibraţie cauzatã de o forţã vibratorie, spre exemplu undezechilibru, ce obligã maşina sau structura ei sã vibreze la o frecvenţã egalã cucea a forţei vibratorii.- Vibraţii libere: sunt vibraţiile care apar când, o maşinã sau structura ei, vibreazã înabsenţa unei forţe externe, spre exemplu, situaţia când au fost îndepãrtate vibraţiileforţate.- Frecvenţa conducãtoare: este frecvenţa unei vibraţii forţate.- Frecvenţa naturalã: este frecvenţa la care o maşinã sau structura ei vibreazã,atunci când este sub influenţa "vibraţiilor libere”. Este o frecvenţã la care maşinaatunci când este sub influenţa "vibraţiilor libere”. Este o frecvenţã la care maşina“preferã” sã vibreze. De exemplu, când un clopot este lovit, el va vibra la frecvenţapentru care a fost proiectat.Majoritatea utilajelor dinamice sau structurilor au mai multe frecvenţenaturale la care ele vibreazã, în special datoritã faptului cã ele sunt compusedin mai multe subansamble care, la rândul lor au fiecare în parte frecvenţa lornaturalã. Orice forţã instantanee aplicatã, (spre exemplu, dacã lovim structura cuun ciocan), poate cauza excitaţia la una sau mai multe frecvenţe naturale.

38

Având în vedere caracteristicile enumerate mai sus, RIPar implementaţi în mediulindustrial s-au dezvoltat pe două direcţii:

1. RIPar “pick&place” pentru obiecte relativ uşoare (10g ... 10 kg). Acest tip deRIPar au cicluri de lucru standard mici şi precizii de repetabilitate mari. Astfel, suntfrecvente productivităţi de 120 cicluri/min la acceleraţii 12 g şi precizii de repetabilitate de0.2 mm. Pentru atingerea unor astfel de performanţe motoarele sunt plasate pe platformafixă (fig. 14), partea mobilă trebuie să fie uşoară şi rigidă (vezi IRB 340 FlexPicker System

care utilizează elemente cinematice din fibre de C, fig. 15).

2. RIPar pentru sarcini relativ mari, unde interesează mai mult precizia decât viteza.Aceştia utilizează uzual ca mecanisme de legătură cilindri hidrostatici cu cuple sferice laAceştia utilizează uzual ca mecanisme de legătură cilindri hidrostatici cu cuple sferice lacapete, care asigură un raport forţă-masă foarte bun, sunt simpli şi robuşti. Se mai aplică şimecanismele şurub-piuliţă (vezi F200i fig. 19 ).

Aplicaţiile curente ale celei de a doua categorii de RIPar sunt:

- RI tehnologici, care execută operaţii de debavurare, polizare, frezare etc.

- Simulatoare de zbor: aplicaţie implementată de Stewart în 1965.

- Testare anvelope auto (prima aplicaţie ralizată de Gough şi Whitehall 1962).

- Platforme păşitoare (Univ. din Waseda, Japonia, laboratoarele Takanishi).

- Dispozitive de fixare reconfigurabile (Univ. din Wisconsin-Madison). 39

Roboţi paraleli tip DELTA disponibili pe piaţă

Fig. 16a. IRB 340 firma ABB Fig. 16b. C33 firma SIG Pack Systems(www.abb.robotics.com) (www.sig-robotics.com/ )

IRB 340: 4 axe; cap.înc. 1 kg; product. 150 cicluri/min; prec. repet. 0.1 mm; vit. max. 10 m/s, acceleraţie max. 10g,timpi de ciclu standard: obiect 0.1 kg, 25-300-25 mm – 0.40 s, pt. 1 kg – 0.45 s, pt.ciclul nestandard 100-700-100 mm la0.1 kg o.6 s iar la 1 kg 0.7 s, echip. standard cu preh. vacuumatic. 40

Fig. 17. RIPar TR600 produs de Neos Robotics

41

de îm

pach

etar

e în

cof

raje

, RIP

ar D

ela

cu g

hida

rea

vizu

ală

tip

IRB

340

AB

B F

lexP

icker2

-IM

A-2

m10s.w

mv

Fig

. 18.

Lin

iide

împa

chet

are

în c

ofra

je, R

IPar

Del

a cu

ghi

dare

a vi

zual

Vezi fisie

re v

ideo: A

BB

Fle

xP

icker2

42

Fig. 19 a. Maşini de frezat cu mecanisme DELTA, Stewart (www.parallemic.org) 43

Caracteristicile RIPar F200 i, Fanuc:

- 6 grade de mobilitate;

- capacitate încărcare 100 kg;

- viteza max. pe axa Z 0.3 m/s;

- viteza max. în plan XY: 1.5 m/s;

- precizie repetabilitate ± 0.1 mm

Aplicaţii unde se cere rigiditate mare şi

Fig.19.b. F200 i produs de FANUC Robotics (www.fanucrobotics.com/)

precizie înaltă de repetabilitate

- îndepărtare de material;

- sudură;

- manipulare scule;

- manipulare precisă obiecte relativ grele

- fixare flexibilă a semifabricatelor (înlocuiesc

reazemele sau bridele dedicate, vezi slide-ul

“Dispozitive de prindere reconfigurabile”)

44Vezi clipul IBAG High Speed Spindle-49s.mp4

DISPOZITIVE DE ASAMBLARE RECONFIGURABILE

La Univ. Wisconsin-Madison s-au proiectat şi

implementat dispozitive reconfigurabile (flexibile) pentru

prinderea pieselor în procese de asamblare.

S-au utilizat platforme Stewart produse de firma Fanuc.

Reconfigurarea se face foarte rapid, forţele şi preciziile

realizate sunt suficiente pentru operaţii de asamblare sau

sudură.45

Top Swing

robotul antrenor al jucătorilor de golf

Conceptul robotului Top Swing s-a bazat pe constatarea

că este mai eficientă antrenarea prin executarea complexului

de mişcări (memoria corpului) decât de exemplu prin

vizualizarea acestora.

Robotomecanismul este o platformă Stewart modificată în

sensul că pentru mărirea spaţiului de operare şi pentru

îmbunătăţirea dinamicii, pe platforma de bază sunt plasate 6

motocuple de translaţie(vezi şi soluţia bazată pe mec. Delta

de la MUCN INDEX-Werke Vertical Line V100).

Crosa este solidarizată de platforma mobilă şi ţinută de

jucătorul de golf.,

Funcţie de înălţimea, greutatea şi particularităţile motrice

ale jucătorului robotul iși adaptează mişcările pentru

optimizarea performaței loviturii. Sunt implementate şi

mişcările unor campioni, care pot fi reproduse. 46

Sistemul este prevăzut cu senzori de poziţie astfel că se pot

ridica grafice ale mişcării şi vitezei.47

4. PRINCIPALII PARAMETRI TEHNICI AI ROBOŢILOR INDUSTRILI

1. Capacitatea de încarcare nominală: masaobiectului manipulat + masa prehensorului, saudoar masa endefectorului dacă se efectueazăoperaţii tehnologice, pentru care se garanteazărealizarea caracteristicilor de exploatare.

Raportarea se face faţă de un un punct situat peflanşa ultimului element cinematic al LG.flanşa ultimului element cinematic al LG.

Numeroase firme indică distanţa maximă acentrului de masă a prehensorului+obiect faţă deflanșă şi excentricitatea maximă faţă de axa normalăpe flanşă.

În anumite prospecte se specifică doarmomentele de inerţie şi de încovoiere maximeasociate ultimelor cuple ale LG Fig. 20. Exemplu de

diagramă de încărcare

2. Mobilitatea RI: numărul de grade de mobilitate a lanţului de ghidare a RI (nu se ia în

considerare gradul de mobilitate a prehensorului). 48

3. Parametrii cinematici - plajele deplasărilor în cuplele LG, viteze, acceleraţii maxime,Timpul necesar atingerii vitezei de 1 m/s, plecând de la 0 m/s. Acestea se referă la TCP.

4. Timpul de ciclu standard - este o măsurăa productivităţii fiind semnificativ mai alespentru RI pick&place.

5 Precizia de poziţionare. Se referă la TCP şi urmăreşte sub două aspecte:5.1. Eroarea de poziţionare - abaterea organului de lucru faţă de poziţia programată

(diferenţa dintre poziţia comandată şi centrul de masă a poziţiilor atinse). Se mai utilizeazatermenul de precizie absoluta (accuracy).

5.2. În prospecte se indică în general doar eroarea de repetabilitate (raza sferei cu5.2. În prospecte se indică în general doar eroarea de repetabilitate (raza sferei cucentrul de masă al poziţiilor efectiv realizate) sub forma ± ε, în conformitate cu testele ISO.Mai rar se indică şi eroarea traiectoriei de lucru: abaterea traiectoriei reale faţă de ceaprogramată, semnificativă la RI de sudură, tehnologici. Pentru manipulatoare programateteach-in se utilizează doar eroarea de repetabilitate.

49

Poziţii obţinute sub încărcarea 1

Poziţii obţinute sub încărcarea 2

Poziţia dorită

Pentru un punct ţintă din SO se obţin erori diferite de repetabilitate la încărcări diferite şiconfiguraţii diferite ale RI.

5.3. Rezoluţia de poziţionare (resolution) – distanţa dintre două poziţii adiacente pe care lepoate atinge endefectorul, pe o traiectorie oarecare. În practică este foarte dificil dedeterminat datorită numeroaselor surse de eroare.

Uzual între cele trei tipuri de precizie există proporţiile:

ER. ABSOLUTĂ > ER. REPETABILITATE > REZOLUŢIE50

8. Masa totală a RI, gabaritul, suprafaţa ocupată, locul de montaj (la sol, pe pereţiiverticali sau pe tavan).

6. Spaţiul de lucru (funcţionare) - spaţiul necesar funcţionării RI (generat de toateelementele RI, nu numai de TCP, locul geometric generat).

7. Spaţiul în care se poate găsi endefectorul se numeşte spaţiu potenţial de operare (SPO).Subspaţiul SPO în care endefectorul işi îndeplineşte funcţiile impuse spaţiu efectiv deoperare (SEO). Dacă nu se face deosebirea între SPO şi SEO se poate utiliza termenulgeneric de spaţiu de operare (SO). În prospecte se indică forma exactă a SO, volumul SO şiraza maximă atinsă de către braţul RI.

9. Fiabilitatea măsurată ca MTBF (Mean time between failures – timpul mediu întredefectări), valori de 50000-100000 ore sunt curente pentru RI. De exemplu RI MOTOMANau MTBF>100000 h (100000/24.365=11,4 ani !!!!) cu timpi medii de reparații (Mean TimeTo Repair (MTTR)) de 10 minute.

10. Condiţii de mediu (domeniul temperaturilor admisibile, nivelul maxim al vibraţiilor, alzgomotului existent în mediu), gradul de protecţie.

11. Controlerul şi acţionarea: parametrii surselor de energie; capacitatea memoriei;metoda de programare (textuală-limbajul utilizat, netextuală); interfeţe.

A se analiza prospectul RI: LR Mate 200iC Series_10.pdf51

Bibliografie generală în limba română

[DIA01] Diatcu E, Armaş I Bazele Roboticii şi mecatronicii. Ed. Victor, Bucureşti, 2001.[DRI85] Drimer D. sa. Roboti industriali şu manipulatoare. Ed. Tehnica. Bucuresti 1985.[DUD87]Dudiţă Fl. şa Curs de mecanisme. Fascicula 4. Cinematica Mecanismelor articulate. Mecanisme clasice.Robotomecanisme, Universitatea Transilvania din Brasov, 1987.[DUD89] Dudiţă Fl. Sa Mecanismelor articulate. Ed Tehnica, Bucuresti, 1989.[EPA97] Eparu I. Bădoiu D. Elemente de mecanică teoretică şi de modelare a structurilor Roboţilor industriali, Ed.Tehnică, Bucureşti, 1997.[HAN96] Handra-Luca V. .şa. Roboţi. Structură, cinematică şi caracteristici. Ed. Facla. Cluj, 1996.[ISP90] Ispas V. Aplicaţiile cinematicii în construcţia manipulatoarelor şi roboţilor industriali. Ed. Academiei române.Bucureşti, 1990.[KOV82] Kovacs F. Cojocaru G. Manipulatoare, Roboţi şi aplicaţiile lor industriale. Ed. Facla, Timişoara., 1982.[KOV94] Kovacs F. Şa. Sisteme de fabricaţie flexibilă robotizate. Reprobrafia Unv Tehnice Timişoara, 1994.[KOV94] Kovacs F. Şa. Sisteme de fabricaţie flexibilă robotizate. Reprobrafia Unv Tehnice Timişoara, 1994.[MUN95] Munteanu O. sa. Bazele roboticii. Roboti industriali. Ed. Lux Libris 1995.[NEA02] Neagoe M. Cinematica roboţilor industriali. Precizia roboţilor. Ed. Univ.Transilvania din Brasov, 2002.[PAU92] Păunescu T. Robotizarea proceselor tehnologice in constructia de masini. Univ.Transilvania din Brasov, 1992.[PAU 98] Păunescu T. Celule flexibile de prelucrare. Modelare, simulare şi optimizare. EdituraUniversitatii Transilvaniadin Brasov, 1998.[POP94] Popescu P, Negrean I şa. Mecanica manipulatoarelor şi roboţilor. Vol I, ..., IV. Ed. Didactică şi Pedagogică.Bucureşti, 1994.[POZ00] Pozna C, Comanda şi controlul roboţilor industriali. Ed. CIT. Braşov, 2000.[STA96] Staretu I. Sisteme de prehensiune. Ed. Lux Libris, 1996.[STA01] Stareţu I şa Mâini mecanice. Mecanisme antropomorfe de prehensiune pentru protezare şi roboţi. Editura LuxLibris, Braşov 2001.[STA04] Stareţu I Elemente de roboticămedicală şi protezare. Editura Lux Libris, Braşov 2004.[VÂN99]Vântu M Programarea roboţilor industriali. Ed. Aldus, Braşov 1999.

52

[SIC04] Siciliano B. Robotica industriale. Slide-uri curs. www.prisma.unina.it[BOR03] Borangiu Th. Advanced Robot Motion Control. Ed. AGIR. 2003[BOR02] Borangiu Th. Robot Modelling and Simulation. Ed. AGIR. 2002[BOR01] Borangiu Th. Robot-Vision. Mise en oeuvre en V+. Ed. AGIR. 2001[WES00] Westerlund L. The Extended Arm of Man. A History of the Industrial Robot. . Informationsfolaget.2000.

Bibliografie generală, volume publicate în engleză, italiană

Prospecte ale firmelor:ABB, Adept Technology, Reiss, Bosch, Epson, Kuka, Fanuc, Gemotec, Straubli, Denso Robotics, Montech, Mitsubishi

Electric Corp., Cloos, Matshushita, Eshed, Parker, PHD Inc., Kawasaki Heavy Industries, SIG Schweizerische

Industrie, Buximat, Fibro, Robohand,Comau, Motoman, Hirata, Neuronics, Piab, GeigerHandling, Nachi Robotics,

Leuze, Robots 4 Welding, Grip Gmbh, Sapelem, Schunk, Techno – Sommer, Care-o-bot, FlexPaint, Pyxis, .

53

LANŢURI CINEMATICE DE GHIDARE, POZIŢIONARE, ORIENTARE ŞI VERTEBROIDE

Tudor PăunescuRPTCM 9.1

1

GHIDAREA, LANŢURILE DE GHIDARE

LANŢURI CINEMATICE DE GHIDARE, POZIŢIONARE,

ORIENTARE ŞI VERTEBROIDE

POZIŢIONAREA, LANŢURILE DE POZITIONARE

ORIENTAREA, LANŢURILE DE ORIENTARE

MICROORIENTAREA, LANŢURILE VERTEBROIDE

2

GHIDAREA, LANŢURILE DE GHIDARE

Se consideră un corp rigid, căruia i se asociază un sistem de coordonate triortogonal drept(OXYZ) cu originea în O, numit PUNCT CARACTERISTIC (PC), raportat la un sistem decoordonate fix (O0X0Y0Z0).

GHIDAREA corpului constă în POZIŢIONAREA punctului caracteristic (coordonateleliniare x, y, z) şi ORIENTAREA acestuia (coordonate unghiulare ).

Ghidarea efectuată de RI se poate face prin:

γβα ,,

1. Lanţuri cinematice deschise (LCD), RI serie

1.1. LCD structurate în LP şi LO: LG= LP-LO, analogia antropomorfica (fig. 1);1.2. LCD nestructurate în LP şi LO;1.3. LCD structurate în LP şi LV (lanţ vertebroid) (fig. 2);1.4. LCD format doar din LV;

2 Lanţuri cinematice inchise (LCI), platforme DELTA, STEWART, vezi RI paraleli

3. Lanţuri complexe deschise, LCI înseriate (fig. 3), soluţie rar aplicată din cauzacomplexităţii sistemului de comandă. 3

Fig. 1. LG structurat în LP si LO Fig. 2. LG structurat în LP si LVFig. 1. LG structurat în LP si LO Fig. 2. LG structurat în LP si LV

Fig. 3 LG format din mai multe platforme Stewart înseriate 4

Prototipul LOGABEX este destinat intervenţiilor în mediul puternic radioactiv al

centralelor nucleare. Braţul robot are 24 de grade de mobilitate (patru platforme Stewart

înseriate). Este evident mult mai rigid decât un robot serial, dar problemele legate de

comandă sunt dificile (de exemplu rezolvarea cinematicii inverse). 5

Gradul de mobilitate a lanţului de ghidare

Pentru un RI serial (cu LG având la baza un LCSD) format din C5 cuple monomobile(uzual R, T), care lucrează într-un spaţiu cinematic fără constrângeri (nu există mişcări debază care să fie inaccesibile tuturor elementelor cinematice ale LC), gradul de mobilitate secalculează cu relaţia: M=C5 (vezi fig.1 M=6, fig. 2 M=8).

Mobilitatea calculată luând in considerare doar caracteristicile structurale ale LG (numarulşi natura cuplelor, elementelor cinematice ) este o mobilitate globală a LG.

Dacă se iau în considerare şi parametrii geometrici ai elementelor cinematice, limiteledeplasarilor din cuplele LG, se poate calcula o mobilitate locală a LG, care pentru oconfiguraţie oarecare a LG poate fi mai mică sau egală cu cea globală.configuraţie oarecare a LG poate fi mai mică sau egală cu cea globală.

Exemplu de calcul a mobilitatii locale pt. un LG cu şase mobilitati (LG6).Se presupune cunoscută schema cinematică a LG.

notaţii:q1 …. q6 deplasările în cuplele LG6 (coordonatele articulare);x1 …. x6 coordonatele liniare+unghiulare ale obiectului manipulat (poziţiile, orientările

sistemului OXYZ asociat obiectului manipulat faţă de O0X0Y0Z0 )Se presupun cunoscute deplasările în cuplele LG şi se cer poziţia si orientarea obiectului

manipulat xi=xi(q1 … q6 ), i=1...6, → problema cinematică directă (PCD).Se presupun cunoscute poziţia si orientarea obiectului manipulat, se cer deplasările în

cuplele LG qi=qi(x1 … x6 ) ), i=1...6, → problema cinematică inversă (PCI). 6

Problema cinematica directa

q xProblema

cinematica inversa

x q

Fig. 4 Problemele cinematicii RI

Pentru a determina mobilitatea locală a LG, trebuie verificat dacă într-un punct al SO LG arecapacitatea de a poziţiona si orienta obiectul manipulat conform valorilor impuse. Deci în esenţătrebuie rezolvată PCI.

În general PCI este dificil de rezolvat deoarece sistemul x =x (q …. q ), i=1..6, este puternicÎn general PCI este dificil de rezolvat deoarece sistemul xi=xi(q1 …. q6 ), i=1..6, este puternicneliniar (de cele mai multe ori transcendent). Considerând ca toate condiţiile sunt îndeplinitexi=xi(q1 …. q6 ), i=1..6, poate fi liniarizat local prin diferenţiere:

(1)

dacă se fac aproximaţiile sistemul 1, în necunoscuteleeste liniar.

Dacă LG poate realiza orice deplasare finit mică a OM în vecinatatea unuipunct al SO rezultă ca pentru acel punct LG este hexamobil. Sistemul 1 trebuie sa fie compatibildeterminat pentru necunoscutele deci determinantul (iacobianul) trebuie să fienenul.

;6...1,,6

1

=∂

∂=∑

=

jidqq

xdx j

j j

ii

,6...1,,, =≈∆≈∆ jiqxqdxx jjii jq∆

,6...1, =∆ ixi

,6...1, =∆ jq j 7

0

...

............

............

...

6

6

2

6

1

6

6

1

2

1

1

1

≠

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

∂

=

q

x

q

x

q

x

q

x

q

x

q

x

J

Dacă, pentru o configuraţie oarecare a LG, J = 0 rezultă că în punctul respectiv al SO

(2)

Dacă, pentru o configuraţie oarecare a LG, J = 0 rezultă că în punctul respectiv al SO

mobilitatea locală a LG este inferioară celei globale, deci capacitatea de ghidare este

diminuată, LG este într-o configuraţie singulară.

Punctele SO în care LG este în configuraţii singulare trebuie, în general, evitate în

aplicaţii, deoarece în acele puncte şi în proximitatea lor robotul are o mobilitate

inferioară celei globale pe care se contează

Uzual RI universali au şase grade de mobilitate. Pentru anumite aplicaţii, unde se

utilizează RI/manipulatoare dedicate, pot fi necesare mai multe sau mai puţine grade de

mobilitate decât 6. 8

Un robot redundant cinematic are mai multe grade de mobilitate ale LG decât cele

necesare pentru a defini poziţiile şi orientările end-efectorului.

Un RI care operează în spaţiul 3D şi care are 6 grade de mobilitate este un RI

neredundant, un RI cu M>6 este redundant. (exemple de roboţi redundanţi)

Redundanţa cinematică a roboţilor este utilă în următoarele cazuri:

- Roboţii care lucrează în medii ostile şi îndepărtate de baza logistică: spaţiul cosmic,

submarin, incinte puternic radioactive sau contaminate chimic. În aceste situaţii o defectarea

a robotului poate avea efecte catastrofale. În consecinţă aceştia sunt concepuţi ca toleranţi la

defecţiuni (fault tolerance). De exemplu roboţii hiperedundanţi serpentiformi (vezi

proiectul Snakebot-NASA, proiectele Polybot şi Polypod din cursul introductiv). Dacă apare

o defecţiune la una din modulele robotului intervine o frână care îl blochează pentru a

împiedica mişcările necontrolate, sistemul robot având capacitatea să-şi continue activitatea

cu funcţiile puţin diminuate. La nivelul controlului problema este foarte dificil de rezolvat.

- Pentru ocolirea de obstacole prin curbarea LG.

- Roboţii redundanţi pot fi optimizaţi cinematic şi dinamic într-un grad superior în

comparaţie cu cei neredundanţi. 9

ROBOTUL IA20-MOTOMANWWW.MOTOMAN.COM

R

Robotul IA20 este de tipantropomorf cu 7 grade demobilitate, printre foartepuţinii roboţi industrialiredundanţi existenţi pe piaţă.Este poreclit robotul şarpedatorită zvelteţii şimanevrabitităţii mari care îipermite să lucreze în locurigreu accesibile.

1R

10

Aplicaţii:

-Servire maşini unelte şi utilaje;

-Asamblare.

11

ROBOTUL DA20-MOTOMANWWW.MOTOMAN.COM

RI DA-10 este un robot humanoid,

destinat aplicaţiilor de asamblare fără

dispozitive statice de prindere, servire

MU, împachetări în locuri de muncă de

dimensiuni şi sarcini comparabile cu

cel umane (capacitatea de încărcare a

fiecărui brat este de 20Kg)12

13

2. POZITIONARE, LANŢURILE DE POZIŢIONARE

LP au functia principală de a poziţiona obiectul manipulat:- LP2 generează o suprafaţă de operare (SO2);- LP3 generează un volum de operare (SO3);LP cele mai utilizate au la baza LCSD, formate din cuple de rotaţie (R), de translaţie (T), în

poziţii relative II sau ⊥, pentru două cuple monomobile succesive.În consecinţă rezultă 7 variante de LP2 viabile (T II T nu generează SO2):

Prin poziţionarea unui corp se înţelege mişcarea acestuia de la o poziţie nedefinită sauoarecare la una dată, neluându-se în considerare orientarea corpului (VDI 2860/90).

În consecinţă rezultă 7 variante de LP2 viabile (T II T nu generează SO2):1. R ⊥⊥⊥⊥ R, 2 R II R, 3. R ⊥⊥⊥⊥ T, 4. R II T, 5. T ⊥⊥⊥⊥ R, 6. T II R, 7. T ⊥⊥⊥⊥ T.şi 20 de varinte de LP3, concentrate în tabelul de mai jos:

Observaţii1. LP3 au fost agregate din câtedouă LP2 care au în comunultima şi prima cuplă, din primulrespectiv al doilea LP2.2. În tabelul alăturat au fostbarate LP care nu genereazăSO3.3. Simbolurile II, ⊥ la exponentindică orientarea ultimei cuplefaţă de prima.4. Din cele 20 LP3 se folosescpractic doar 6 (RI cartez, cil .....)

14

Criterii de apreciere a calitaţii spaţiilor de operare

c1. Gradul de adecvare a formei SO la distribuţia spaţială a posturilor de lucru pe care le

serveşte R I → max.

c2. Volumul SO → max

Criteriul se aplică când lungimile elementelor cinematice ale LG comparate sunt apropiate

(RI/manipulatoare cu gabarite apropiate).

c3. Volumul SL → min

Criteriul este operant pentru medii cu obstacole.

c4. Volumul subspatiului SO in care punctele pot fi atinse prin configuratii multiple → max.

Criteriul este operant in cazul unor aplicaţii la care în SO există numeroase obstacole. În

general, RI nu exploatează configuraţiile multiple din cauză că acesta complică rezolvarea

modelului geometric invers, care ar astfel avea soluţii multiple şi deci ar fi necesară intervenţia

unor criterii suplimentare de selecţie.

c5. Dependenţa preciziei de pozitionare de precizia de poziţionare în cuplele LG si de poziţia

punctului în SO → min.

Pentru RI universali sunt avantajoase SO în care precizia de poziţionare este puţin

dependentă de poziţia punctului în SO sau chiar independentă (vezi roboţii în coordonate

carteziene) deoarece restricţiile de plasare a posturilor de lucru vor fi mai reduse . 15

2. ORIENTAREA, LANŢURILE DE ORIENTARE

Lanţul cinematic de orientare (LO) are ca funcţie principală deplasarea unghiulară a

obiectului manipulat. Mecanismele de orientare au aceeaşi funcţionalitate cu cea a

încheieturii mâinii umane, care prin articulaţia radio-carpiană realizează mişcările elementare

de rotaţie: flexie-extensie, abducţie-adducţie, pronaţie-supinaţie.

LO au în general la baza LCSD formate din cuple R, cu axe ortogonale sau oblice pentru

cuplele succesive.

Criterii de apreciere a calitaţii LOCriterii de apreciere a calitaţii LO

c1. Spaţiul de lucru asociat LO →→→→ min

Criteriul este important în aplicaţiile în care mediul

de lucru este plin de obstacole. În general,

o condiţie necesară este ca LO să fie simetric.

c2. Numărul si forma configuraţiilor singulare →→→→ min

De exemplu LO3 sferic, frecvent folosit (vezi figura

alăturată) prezintă o configuraţie singulară când este întins,

LO3 putând să rotească obiectul doar după două axe. Fig. 5. Exemplu de LC sferic utilizat ca LO316

c3. Capacitatea de orientare a LO →max

Capacitatea de orientare a LO se poate aprecia corect dacă se consideră LO integrat în

LG. Într-un punct al SO, care este şi punctul caracteristic al obiectului, se consideră că este

plasată o cuplă sferică, astfel LG, iniţial lant cinematic deschis devine lanţ cinematic închis.

Unghiul de serviciu este unghiul solid care conţine

mulţimea dreptelor caraceristice.

Avându-se în vedere că valoarea maximă a unghiului

de serviciu este 4π, uzual se foloseşte indicatorul de serviciu este 4π, uzual se foloseşte indicatorul

adimensional ks:

[ ]1...0,4

∈= ksksπ

γ

Coeficientul de serviciu mediu ksmed (în tot SO) se calculează cu:

∫∫∫

∫∫∫

Ω

Ω=dxdydz

dxdydzks

ksmed

c4. Ortogonalitatea axelor este avantajoasă dpdv tehnologic.

c5. Pentru RI universali, dar şi pentru anumiţi RI dedicaţi rotabilitatea axelor → max.

c6. Simetria faţă de axa ultimului element cinematic al LP asigură momente de inerţie mici,

mai ales dacă prima cuplă a LO este coaxială cu axa amintită. 17

EXEMPLE DE ARHITECTURI ALE MECANISMELOR DE ORIENTARE

Robotul industrial R17, firma Strobotics (www.strobotics.com)

Lanţul de orientare este bimobil (cuplele D şi E). Pentru mărirea rotabilităţii cupla D este plasată excentric faţă de ultimul

EC al LP. Observaţi şi echilibrarea antebraţului şi braţului robotului prin motoarele electrice pas cu pas18

Familia UX, firma Kawasaki

RI universali care sunt dotaţi cu

mecanisme de orientare trimobile, care au la

bază lanţuri cinematice sferice.

19

Robotul industrial KR3, firma Kuka(www.kuka-roboter.com)

K3 sunt RI de dimensiuni mici, precişi (cap. înc. 3 kg,

repetabilitate ± 0,05 mm).

Pentru mărirea rotabilităţii celei de a doua cuple a LO a > b.

20

Observaţii privitoare la LO2(suplimentar)

Rotabilitatea maximă în cuple,concurenţa axelor de mişcare, simetria

fată de axa ∆ (axa ultimei cuple a LP),ortogonalitatea axelor sunt dezideratecontradictorii.1. Creşterea unghiului de de rotaţie într-ocuplă poate impune renunţarea la intersecţiaaxelor (LO2 din fig. 8 b versus 8a);

Fig7. Exemple de LO2 [Teză doctorat Dahabreh R]

axelor (LO2 din fig. 8 b versus 8a);2. Realizarea rotabilitaţii complete în celedouă cuple ale LO2 poate presupune:

- păstrarea ortogonalitaţii şi renunţarea lala simetria faţă de axa delta (fig. 8c, dsau fig.8e, f);

- renunţarea la ortogonalitatea axelor derotaţie (fig. 8e, g).

LO2 cu rotabilitate completă a celordoua cuple sunt cele reprezentate în figurile:8d, 8f şi 8g. 21

Observaţii privitoare la LO3(suplimentar)

1. Cresterea unghiului de de rotaţie într-ocuplă poate impune renunţarea la intersecţiaaxelor (fig. 9h şi i);2. Realizarea rotabilităţii complete în cele treicuple ale LO3 poate presupune:

- păstrarea ortogonalitaţii şi renuntarea lala simetria faţă de axa delta (fig. 8c, d saufig.9l,n);- păstrarea concurenţei într-un punct şi

renunţarea la ortogonalitatea axelor (fig. 9l, o).LO3 cu rotabilitate completă a celor trei

cuple sunt reprezentate in figurile: 9n, 9o.LO3 din fig. 9o are rotabilitate completă,

axele sunt concurente si abateri relativ

reduse de la simetrie.

Simetria fata de axa ∆ este importantă maiales daca LP are elemente cinematice careaparţin unui plan, deoarece LO nu va introducemase excentrice. Ortogonalitatea axelorimplică avantaje in modelarea analitica a LO.La fel şi concurenţa (mecanisme sferice).Fig 8. Exemple de LO3 [Teză doctorat Dahabreh R] 22

2. MICROORIENTAREA, LANTURI VERTEBROIDE

Lanţurile cinematice vertebroide (LV) efectuează o microghidare a obiectului manipulat(orientare şi micropozitionare). Spre deosebire de LG LV sunt destinate microghidarii unuiobiect în spaţii de tip labirint, ca urmare a curbării si/sau torsionarii LV.

Definitie: Lanţul deschis vertebroid (LDV)esteun lanţ cinematic simplu, deschis cu cuplede rotaţie (R) şi/sau cuple sferice (S), careprin compunerea deplasărilor unghiularerelative se poate curba independent în două

Fig.9. RI cu mecanism vertebroid

plane şi/sau torsiona.

În general LV înlocuiesc LO în medii de lucruîn care există numeroase obstacole (fig 9), darpot fi utilizate şi autonom (roboți serpentiformi).

Din cauza acţionării dificile a unui numărmare de axe se utilizează şi mecanismenedesmodrome cu precizii mai reduse.

De obicei LDV realizeaza doar curbările,torsionarea nefiind obtinută prin însumareaunor microtorsionări, ci prin rotaţia longitudinalăa elementului cinematic portprehensor.

23

Mecanisme nedesmodrome de orientare

Desmodromie ( determinabilitate cinematică, etimologie gr. desmis + dromos =drum legat): la o poziţie dată a elementului/elor conducător/e toate celelalteelemente ale LC au poziţii şi orientări univoc determinate.

Mecanismul vertebroid din figura alăturată are la

Mecanism: lanţ cinematic care are un element fixat(bază) şi este desmodrom.

bază un lanţ deschis cu trei cuple sferice cu ştift, decigradul de mobilitate este m=3 x 2=6.

Pentru acţionare se utilizează 4 motoare fluidiceliniare, deci mecanismul este nedeterminat cinematic (4< 6).

Forţele motoare se transmit prin cablurile(tendoanele) 4. Între EC sunt plasate arcurile 4. Dacăarcurile au caracteristici foarte apropiate şi frecările dincuple sunt mici, curbarea spaţială a MV este relativuniformă şi precisă. Astfel de MV nedesmodrome seutilizează rar în robitica industrială. 24

Deoarece cea mai importantă caracteristică a LDV este capacitatea de curbare, acestea sesistematizează în continuare pe baza modului de realizarea a curbării [Dud87]:

1. LDV care realizează curbarea într-un singur plan.LDV este format din mai multe cuple de rotaţie cu axe paralele i=2 ...n prima cupla R cu axaperpendiculară pe celelalte are rolul de a “spaţializa” LDV (fig. 10 a).

2. LDV cu axe oblice, în care curbarea se efectuează într-un singur plan (fig. 10b).3. LDV care realizează două curbări independente în două plane perpendiculare.

LDV este format din cuple R cu axe perpendiculare (articulaţii cardanice), cele avândnumere de ordine impare realizează o curbare într-un plan, celelalte în celălalt plan (fig. 10c).

Două cuple R succesive, cu axe perpendiculare pot fi înlocuite cu o cuplă sferică cu ştift,rezultând astfel un LDV format din cuple sferice.

Fig. 10. Exemple de lanturi deschise vertebroide 25

1. MOTOARE ŞI TRANSMISII ÎN ROBOTICA

INDUSTRIALĂ

3. ROBOTOMECANISME PENTRU ACŢIONAREA

CUPLELOR DE ROTATIE

2. ROBOTOMECANISME PENTRU ACŢIONAREA

CUPLELOR DE TRANSLAŢIE

Tudor Păunescu RPTCM 13.11

[KLU99] Glenn Kenneth Klute, Artificial Muscles: Actuators for Biorobotic Systems, PH D Thesis, Univ Washinton. 1999.

[DUN05] Charlie Duncheon. Robots will be of service with muscles, not mtors. Industrial Robot: An International Journal. 32/6

(2005) 452–455

[TON97] Bertrand Tondu. The McKibben muscle and its use in actuating robot-arms showing similarities with human arm

behaviour. Industrial Robot Volume 24 · Number 6 · 1997 · pp. 432–439.

[SLA94] Rolf Slatter, Graham Mackrell. Harmonic Drives in Tune with Robots. Industrial Robot. Vol. 21 No. 3, 1994, pp. 24-28

© MCB University Press, 0143-991X.

BIBLIOGRAFIE

Documentaţie de la firmele:

www.shadowrobot.com

www.sommer-automatic.de

www.parker.com

www.gemotec.com

2

1.1. TRANSFORMAREA UNUI LANT CINEMATIC INTR-UN MECANISM

Un lanţ cinematic poate fi transformat într-un mecanism prin următoarele procedee de antrenare:

1. Transformarea directă a unei cuple din LC în cuplă motoare prin legarea unui motor în paralel cu

cupla (fig. 1).

1. MOTOARE ŞI TRANSMISII UTILIZATE ÎN ROBOTICA INDUSTRIALĂ

2. Transformarea indirectă a unei cuple din LC în cuplă motoare prin introducerea unui contur motor

care să conţină cupla (fig. 2).

Fig. 1 Transf. directă Fig.2 Transf. indirectă

3

Acţionarea pneumatică a RI este simplă şi relativ ieftină însă are următoarele dezavantaje:

- Poziţiile elementului mobil al motoarelor pneumatice (MP) pot fi controlate precis doar la capetele de

cursă şi relativ imprecis între acestea (între poziţiile limită un MP este practic necontrolabil). În consecinţă

complexitatea sarcinilor executate de RI pneumatici este redusă (operaţii pick-and-place): pentru un RI cu LG

având n grade de mobilitate rezultă că pot fi generate 2n configuraţii precise.

- Deşi s-au pus la punct sisteme de control a continuu al elementului mobil al MP acestea sunt foarte rar

aplicate la RI, datorită preciziilor nesatisfăcătoare care sunt cauzate de compresibilitatea aerului comprimat.

- Marea majoritate a MP sunt liniare tipul cu piston cu dublul efect, mai rar se utilizează şi motoare

rotative cu paletă.rotative cu paletă.

Cli

c pe

imag

ine

pen

tru d

etal

iere

salt pentru detaliere

MP cu paletă

- Pentru îmbunătăţirea controlabilităţii s-au adaptat la necesităţile roboticii

unităţi cu acţionare pneumo-hidraulică, prin legarea in paralel cu cilindrul

P a unuia H. Ansamblul astfel format este relativ complicat şi are masa

mare.

- În consecinţă acţionarea pneumatică a RI este raţională pentru sarcini

simple, la manipularea unor obiecte realativ uşoare cu precizii medii.

- MP liniare sunt folosite curent pentru acţionarea mecanismelor de

prehensiune, datorita raportului avantajos forţă/masă.

4

Fig.3

Construcţia unui MoR

cu paletă, acţionat

pneumatic

(www.sommer-automatic.de)

1. Două lagăre pt. o bună ghidare

2. Etanşare cu două O-ringuri

3. Carcasă din Al turnat

4. Etanşare cu muchii rotunjite

5. Opritor intern

6. Cameră de presiune

7. Arbore

8. Pană

10. Flanşă cu placă adaptoar

(elementul de ieşire)

11. Şuruburi de reglare

12. Frână hidraulică

13. Braţ de oprire

5

Fig.4. MoR cu paletă acţionat pneumatic, firma Gemotec (www.gemotec.com)

MoR fluidice (pneumatice sau hidrostatice) cu paletă asigură vitezele unghiulare necesarerobotomecanismelor. În general oprirea precisă se face la capete de cursă, deci doar două opriri, etanşareapaletei ridică probleme, din această cauză acţionarea H este rar aplicată.

MoR pneumatice cu paletă necesită utilizarea absorbitorilor de şoc la capetele de cursă (vezi poziţiile10,13, 14, 22 şi 23 din figura de mai sus) care măresc gabaritul şi masa modului.

Familia de module MR50 ...400 asigură rotaţii 0 ... 1800, Mt = 0.7 ... 36 Nm la p=6 bar, au capacitate deîncărcare 800 ... 500 N, precizie de repetabilitate ± 0.0220, masa = 0.65 … 15.3 kg.

6

1.2.2. MOTOARE HIDRAULICE ÎN ROBOTICA INDUSTRIALĂ

Acţionarea hidraulică a RI depăşeşte o parte din limitările celei pneumatice datorită faptului că uleiul

este practic incompresibil şi că se lucrează cu presiuni mult mai mari, deci forţa specifică a unui MH este

mare.

Elementul mobil al unui MH este controlabil în orice punct al traiectoriei, deci RI hidraulici pot executa

sarcini mult mai complexe decât cei acţionaţi pneumatici.

- Datorită faptului că se lucrează cu motoare cu forţă specifică mare, de obicei transmisiile dintre MH şi

cupla acţionată lipsesc (transformarea directă a unei cuple în motocuplă) fapt ce simplifică construcţia RI.

- Deoarece partea masivă a acţionării H (rezervorul de ulei, pompa, panoul hidraulic) este plasată în- Deoarece partea masivă a acţionării H (rezervorul de ulei, pompa, panoul hidraulic) este plasată în

afara RI, aceştia sunt relativ zvelţi şi puternici, în consecinţă RI hidraulici se utilizează pentru manipularea

unor obiecte cu mase mari, însă tendinţa actuală este de înlocuire a acestora cu RI acţionaţi electric.

Principalele dezavantaje ale acţionării H a RI sunt:

- consum energetic ridicat;

- pericolul scurgerilor de ulei îi elimină din mediile industriale curate;

- un răspuns rapid la comenzi necesită servovalve scumpe;

- variaţia vâscozităţii uleiului cu temperatura limitează aplicabilitatea RIH;

- dacă se ia în considerare tot ansamblul RI şi accesoriile acţionării H (rezervorul de ulei, pompa,

panoul hidraulic) gabaritul este mare.7

1.2.3. MOTOARE ELECTRICE ÎN ROBOTICA INDUSTRIALĂ

Acţionarea electrică a RI are tendinţă de generalizare deoarece aceasta este relativ uşor controlabilă,

este ieftină şi fiabilă.

Principalul dezavantaj al acţionării electrice a RI este faptul că dacă se utilizează ME standard este

necesară o reducere puternică a turaţiilor de ieşire din motor, simultan cu o creştere a momentului de

torsiune, reductorul respectiv mărind masa şi gabaritul ansamblului. În consecinţă motoreductorul nu poate

fi plasat întodeauna în articulaţia acţionată ci undeva apropiat de baza RI şi în consecinţă mai este

necesară şi o transmisie mecanică. Lanţul cinematic reductor-transmisie mecanică pe lângă că complică

mult construcţia RI introduce erori datorită jocurilor şi deformaţiilor elastice şi scade randamentul mecanic.mult construcţia RI introduce erori datorită jocurilor şi deformaţiilor elastice şi scade randamentul mecanic.

Un concept cu potenţial de dezvoltare este plasarea ME direct în articulaţia LG a RI.

Tipuri de ME folosite în robotica industrială

Cele mai răspândite ME sunt cele de curent continuu (MECC) cu magneţi permanenţi. Gabaritul şi

masa acestora sunt dependente de forma şi construcţia rotorului: cilindrice sau disc (vezi fig. 5). Rotorul

cilindric din oţel are inerţie mare şi un răspuns dinamic slab. Rotoarele care au conductor de Cu înglobat

în epoxy au o masă mult mai mică. Dezavantajul acestora constă în capacitatea redusă a disipării căldurii,

în consecinţă au un regim de lucru restricţionat când trebuie să funcţioneze la turaţii mici şi cupluri mari.

8

Calitatea magneţilor permanenţi

influenţează puternic eficienţa globală

a ME. Cele ieftine au magneţi

permanenţi ceramici (ferite), rezultate

superioare se obţin cu magneţi din

pământuri rare. Aceştia din urmă sunt

interesanţi pentru robotică deoarece

ME pot produce momente de torsiune

mari la curenţi puternici fără riscul

demagnetizării. În plus aceste ME au

şi un gabarit mai mic.

MECC cu rotor cilindric MECC cu rotor disc

Fig. 5

şi un gabarit mai mic.

Punctul vulnerabil al MECC

clasice este comutaţia. Periile din

grafit şi cupru introduc frecări, uzură

şi scânteieri. Ultimul este principalul

factor de limitare a utilizării ME de

acest tip la RI.

Acest dezavantaj poate fi eliminat

dacă cablurile sunt plasate pe stator şi

magneţii pe rotor. Periile sunt înlocuite

cu comutaţia electronică. 9

Acest tip de ME se numeşte ME de curent continuu fără

perii, care evident că sunt mai fiabile decât cele clasice, au o

capacitate termică ridicată, dar dispozitivul de comutaţie este

complicat şi scump.

Fig. 6. Schema de principiu a MECC fără periiFig. 6. Schema de principiu a MECC fără perii

ME pas cu pas (MEPP) se utilizează la RI ieftini cu capacitate de încărcare mică. MEPP sunt

convertoare discrete impuls-pas unghiular/liniar. MEPP sunt elemente de acţionare discrete fiabile care pot

lucra în condiţii grele, sunt compatibile cu tehnica modernă a sistemelor de automatizare discretă.

Hardware-ul şi software-ul necesar comenzii fără feedback este simplu şi ieftin însă există riscul ca la

încărcări mai mari să se piardă paşi. În consecinţă dacă se doreşte o precizie şi siguranţă superioare de

lucrează în buclă închisă, dar care îi măreşte preţul.10

1.2.4. MUŞCHI ARTIFICIALI ÎN ROBOTICA INDUSTRIALĂ

O tendinţă de inspiraţie biologică în robotică este concentrarea cuplelor (de exemplu utilizarea unei

cuple sferice în loc de trei cuple de rotaţie înlocuitoare) cu efecte benefice asupra compactităţii şi simplităţii

RI. O astfel de cuplă este greu de acţionat prin mijloacele utilizate la acţionarea cuplelor monomobile

datorită compactităţii sale şi în consecinţă s-a adoptat soluţia unor muşchi artificiali care au un volum mic

şi un raport forţă dezvoltată/masămare.

Muşchii artificiali funcţionează pe baza mai multor principii:

- pneumatic;

- materiale tip elastomer dielectric care îşi modifică volumul la variaţia unui câmp electric.- materiale tip elastomer dielectric care îşi modifică volumul la variaţia unui câmp electric.

- materiale îşi modifică volumul sub acţiunea unui agent chimic, de obicei acid.

1.2.4.1. MUŞCHI ARTIFICIALI EPAM (Electroactive Polymer Artificial Muscle) [KLU99]

Spre deosebire de piezoelectricitate sau metalele cu memorie cu care se pot obţine deplasări relative

de aproximativ 1% la EPAM procentul este mult mai mare 20 % ... 30 % în condiţiile unui timp de

funcţionare îndelungat. În comparaţie cu un motor electric EPAM are o densitate de putere mult mai mare,

deci la o aceeaşi putere masa şi volumul sunt mult mai mici, fiind comparabile cu ale unui muşchi uman, în

plus sunt silenţioşi. 11

Structura de bază a muşchiului artificial EPAM este

formată dintr-un film de elastomer cu proprietăţi

dielectrice acoperit pe ambele feţe cu film din material

conductor de electricitate. Când este aplicată o tensiune

între cei doi electrozi se creează o presiune Maxwell

asupra filmului dielectric iar acesta se comportă ca un

fluid incompresibil care îşi micşorează grosimea şi îşi

măreşte dimensiunile uniform în plan.

Muşchiul artificial este compus din mai multe

straturi plane sau sub forma de rulouri.

Costul unui muşchi artificial EPAM este o fracţiune

din cel al unei acţionări electrice bazate pe un ME

clasic, de asemenea şi consumul energetic este mai

mic.

Deocamdată muşchii artificiali EPAM au fost

dezvoltaţi pentru a exercita forţe şi curse relativ mici în

aplicaţii ca miniroboţi păşitori, minipompe cu diafragmă,

miniprehensoare.Fig. 7 12

Fig. 8. Exemple de aplicaţii muşchi EPAM: minirobot păşitor şi minipompă cu membrană

1.2.4.2. MUŞCHI ARTIFICIALI PNEUMATICI [DUN05]

Fig. 9. Muşchi pneumatici tip McKibben

Muşchii pneumatici McKibben au fost inventaţi

în anii 50 şi redescoperiţi în anii 80, au o construcţie

simplă fiind formaţi dintr-un tub de cauciuc armat cu

fire textil/plastic dublu elicoidal, care la introducerea

aerului comprimat îşi micşorează lungimea

(contracţia uzuală este de aprox. 40%).13

Caracteristici tehnice ale muşchilor pneumatici [www.shadowrobot.com]:

- masa mică (raport putere/masă 400/1 comparativ cu un motor electric CC 16/1);

- cost redus de achiziţionare şi întreţinere;

- timp de răspuns rapid;

- funcţionare lină;

- flexibilitate mecanică, pot funcţiona uşor torsionaţi, îndoiţi;

- alimentare cu aer comprimat la presiune joasă 0 ... 4 bar;

- au o capacitate de amortizare mecanică foarte bună;

- au o complianţă ridicată.

14

Fig. 11

a. Stare inițială, p=0

Fig. 10. Geometria deformării muşchilor pneumatici tip McKibben

Dacă se defineşte factorul adimensional al

contracţiei relative λi=Li/L0 se observă din diagrama

experimentală din figura 11 că există o dependenţă

cvasiliniară între forţa exercitată de muşchiul artificial

şi λ. Experimentele s-au efectuat cu un tub de 1 ¼

inches la presiuni de 5 bar.

b. Stare inițială, p>0

Cunoscând B și R

(circumferința) se poate

deduce lungimea Li.

15

Modelul static al muşchilor McKibben este caracterizat de:

- Forţa statică este proporţională cu secţiunea iniţială.

- Forţa statică este independentă de lungimea

iniţială a muşchiului.

- Forţa este proporţională cu presiunea

- Forţa statică descreşte liniar cu contracţia relativă

Fig. 12

Deoarece muşchii artificiali

McKibben au o capacitate de amortizare

scăzută în comparaţie cu muşchii naturali

s-a propus legarea în paralel a unui

amortizaor hidraulic şi introducerea unui

tendon mecanic cu rol de acumulator de

energie [DUN05].Fig. 1316

Fig. 14. Principiul muşchilor antagonici aplicat cu muşchi pneumatici McKibben

Fig. 15. Principiul muşchilor antagonici aplicat la un

robot SCARA prin cu muşchi pneumatici McKibben

[TON97]

Fig. 16.

17

1.3. GENERALITĂŢI DESPRE TRANSMISII UTILIZATE ÎN ROBOTICA

INDUSTRIALĂ

În acţionarea cuplelor LG a RI există două tendinţe majore:

- Este preferabilă transformarea directă a unei cuple în motocuplă deoarece se elimină transmisiile, pe

această cale simplificându-se construcţia RI, jocurile şi frecările. Soluţia nu se aplică frecvent deoarece

masa şi gabaritul actualelor motoare sunt relativ mari.

- Pentru a îmbunătăţirea calităţilor dinamice ale robotului există tendinţa de plasa motoarele spre bază

şi de a folosi transmisii mecanice între motor şi cupla acţionată. Astfel partea terminală a RI devine mai

uşoară dar datorită transmisiilor construcţia robotului devine mai complicată, apar jocuri, deformaţii elastice

care pot duce la vibraţii şi frecări care scad randamentul mecanic.

În cazul utilizării motoarelor electrice de curent continuu mai este necesar un reductor cu raport de

transmitere mare, care se adaugă la transmisia de putere la distanţă cu dezavantajele amintite.

În scopul reducerii costurilor şi a timpilor de dezvoltare a noilor RI producătorii utilizează unităţi integrate

motor-reductor-sistem de măsurare a poziţiei (vezi fig. 19)

1.3.1. Reductoare

În scopul utilizării MECC pentru acţionarea cuplelor LG turaţia MoR electrice trebuie redusă de 80 …

150 ori. Condiţiile impuse reductoarelor sunt: fiabilitate mare, rapoarte mari de reducere, controlul

jocurilor între flancurile dinţilor angrenajelor, masă mică şi gabarit redus. Dintre reductoarele

comerciale care îndeplinesc aceste condiţii cele armonice au devenit standard de facto. 18

a.Transmisia planetară:1. Braţ portsatelit;2. Roată centrală.3. Satelit.4. Arbore condus.5. Cuplaj (tub flexibil).

b. Cinematic nu se modifică nimicdacă satelitul 3 se plasează pe braţul 1prin intermediul rolei 6.

1.3.1.1. PRINCIPIUL CONSTRUCTIV AL REDUCTORULUI ARMONIC CU O TREAPTĂ

I O

Fig. 16. Schema de principiu a transformării unui transmisii planetare cu

roată centrală într-o transmisie armonică cu generator simplu (i = 80 ... 320)

prin intermediul rolei 6.c. Dacă se măreşte diametrul rolei 6

până când satelitul 3 devine flexibil, elpoate realiza corp comun cu tubul-cuplaj5.

d. Rola 6 are rolul de a obligaelementul flexibil 3-5 de a rula pe roatacentrală.

32

23

14RR

Ri

−=

unde R2 şi R3 sunt razele de rulare a elementelor 2 şi 3 (nedeformat)19

Fig. 17

20

Fig. 18 21

Avantajele reductoarelor armonice (RA) în comparaţie cu cele clasice [SLA94] :

- RA lucrează cu jocuri zero datorat preîncărcării roţii flexibile;

- reducere mare de turaţii într-o singură treaptă: 1/50 ... 1/320;

- randament ridicat de până la 85%;

- reversibilitate;

- datorită absenţei alunecării între dinţii aflaţi în angrenaj frecarea şi uzura sunt reduse;

- s-au pus la punct RE cu rigiditate torsională mare, care au o zonă de angrenare mai largă (de la un

procent de 15 % dinţi în angrenare la 30 % ).

Fig. 19. Unitate integrată cu ax tubular MECC-RA-Senzor de poziţie

În afară de avantajele legate de

gabarit şi cost redus a unităţilor

integrate ME-RA-senzor de poziţie,

dacă axul central este tubular prin ele

se poate introduce cablatură, alţi

arbori, furtunuri etc. aspect esenţial în

anumite aplicaţii (fig. 20)

22

b

Robot Kawasaki, tip SCARACurele dințate

aFig. 20

Fig. 20. a. Aplicarea unor unităţi integratede acţionare având ax central tubular la unRI tip SCARA care lucrează în medii curate.Două astfel de unităţi sunt plasate înpostamentul RI, putând fi astfel uşor izolatela mediul de lucru. Se observă plasarea lorcoaxială şi trecerea arborelui primuluimodul prin alezajul tubular al celui de aldoilea.

Fig. 20. b. Prin axul tubular al unităţii deacţionare integrate poate trece şurubul princare este acţionat magazinul de piesepentru plăci integrate. 23

1.3.2. Generalităţi despre transmisiile roboţilor industriali

Fig. 21

În figura de mai sus este reprezentată schema acţionării unui robot cu 5 grade de mobilitate pentru care

s-a aplicat principiile: plasarea motoarelor electrice grele cât mai aproape de baza RI, braţul robot-grindă de

egală rezistenţă

Cu J1 ... J5 au fost notate cuplele de rotaţie ale LG iar cu MR1 ... MR5 motoreductoarele

corespunzătoare. Prima cuplă prin care se realizează rotaţia braţului robot este antrenată direct de MR1. J2

este antrenată de MR2 printr-o transmisie simplă pinion-curea dinţară-roată. J3-MR3 prin pinion-curea

dinţată-roată liberă-curea dinţată-roată. J4-MR4 printr-un angrenaj conic. J5 este direct antrenată de MR5.24

Angrenajele melcate deşi au rapoarte de reducere relativ mari, se utilizează foarte rar în construcţia RI

deoarece au masă şi gabarit mari, randament mecanic scăzut η<0.5.

Angrenajele planetare au mase relativ mari, jocuri, construcţiile cu joc zero sunt scumpe, în consecinţă

nu sunt o soluţie optimă pentru Ri.

Transmisia cremalieră-pinion se utilizează în dublu sens pentru transformarea R-T. Este precisă şi

ieftină aplicându-se frecvent în robotica industrială.

Fig. 22.

Şurubul cu bile este o transmisie foarte eficientă R-T, are o precizie mare de poziţionare, are jocuri

nule, rigiditate mare şi fiabilitate ridicată însă este scumpă (vezi fig.31, 32 ).25

Mecanismele cu bare sunt utilizate ca şi contururi monomobile (fig. 2) sau bimobile (fig. 36, 37) pentru

transmiterea puterii la cuplele lanţului de poziţionare. Se mai utilizează ca mecanisme paralelogram (fig. 16,

17) sau dublu paralelogram (mecanism pantograf ) pentru conservarea orientării prehensorului (fig. 23).

În figura 23 este schema unei unităţi

flexibile de strunjire: semifabricatele sunt

plasate pe paletă fixă, RI este de tip portal

simplu.

Deoarece semifabricatul are mereu axa

orizontală s-a adoptat un mecanism dublu

paralelogram în componenţa mecanismuluiparalelogram în componenţa mecanismului

de ghidare. În consecinţă RI are 4 grade de

mobilitate, comparativ cu 5 grade de

mobilitate în cazul absenţei acestui

mecanism

Fig. 23

Curelele dinţate sunt utilizate în robotica industrială la transmiterea puterii pe distanţe relativ mari.

Principalele lor atuuri sunt: ieftinătatea, masă mici. Dezavantaje: elasticitatea şi controlul jocurilor în timp

care pot duce la o funcţionare a RI cu vibraţii.

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

26

1. NECESITATEA MODULARIZĂRII RI

PARTEA I

2. STRUCTURA ŞI CONSTRUCŢIA

MODULELOR APARŢINÂND LG

3. SINTEZA LG MODULARE

Tudor Păunescu

Bibliografie

RPTM – 2013.11

BIBLIOGRAFIE

[CHEN99] I-Ming Chen şa. Numerical Inverse Kinematics for Modular Reconfigurable Robots.

Journal of robotic Systems. 164 (4), 1999.

[CRI80] Crişan Ion. Tehnologia ca sistem. Ed. ştiinţifică şi enciclopedică, Bucureşti, 1980.

[HAN00] P. K. Hansen, J. Thyssen. Continous Improvement and Modularization in theProduct

Development Process. 2000-Report, Aalborg University.

[GUI99] Yang Guilin Kinematics, Dynimics, Calibration and Configuration Optimization of Modular

Reconfigurable Robots. PhD Thesis, Nanyang Technological University, 1999.

[PAH91] Gerhard Pahl, Wolfgang Beitz. Engineering Design a Systematic Approach. Springer-Verlag,

Berlin, 1988.

[PAR96] Christian Paredis. An Agent Based Approach to the Design of Rapidly Deployable Fault

Tolerant Manipulators. PhD thesis. Carnegie Mellon University, 1996.

[SHI04] Sung Ho Shin. Analytic integration of tolerances in designing precision interfaces

for modular robotics. Ph.D. Dissertation, The University of Texas at Austin, 2004.

2

1. NECESITATEA MODULARIZĂRII RI

Pentru volum mare şi variabilitate

mică de sarcini sunt necesare

productivitate şi fiabilitate înalte ale

sistemului de automatizare, cerinţe

realizate doar de echipamente

dedicate.

La cealaltă extremă: volum redus

şi variabilitate mare a sarcinilor dau

satisfacţie doar echipamentele

universale, care au flexibilitate

Fig. 1. Domeniul de aplicarea roboţilor şi

sistemelor automate modulare [GUI99]

maximă, deoarece doar un profit

marginal ridicat pot acoperi capitalul

investit şi costurile de întreţinere.

În cazul valorilor medii ale

volumului şi variabilităţii sarcinilor

trebuie realizat un compromis între

productivitate şi flexibilitate.

Flexibilitatea este asigurată capacitatea

de reconfigurare a unităţilor modulare

iar productivitatea prin optimizarea

celulelor de lucru modulare. 3

Definirea modulului

Subsistemul este caracterizat în principal de o funcţie dominantă. Modulul esteun subsistem care în plus are funcţiuni specifice.

Modulul este o unitate funcţională a cărui elemente structurale sunt puternicconectate între ele şi sunt relativ slab conectate cu elementele altor unităţi [HAN00].

Deci modulul este un subsistem aproape decompozabil dintr-un sistem.

Modulele pot fi construite în scopul agregării unor sisteme reconfigurabile sau

Definiţie MODUL: este un subsistem, de sine stătător (funcţioneazăindependent), poate să-şi îndeplinească funcţiunea într-o mare varietate de

condiţii exterioare, are capacitatea de interconectare cu alte module, cu careformează sisteme de rang superior.

Modulele pot fi construite în scopul agregării unor sisteme reconfigurabile saupentru a facilita procesul de producţie, întreţinere (vezi figura 10b din cursul 1, fişierRPTCM1 Def&Sist.ppt).Obiectul prezentului curs este prima categorie de sisteme robotice modulare.

4

Efectele pozitive, generale ale modularizării se reflectă în:

- Proiectare.

Creşterea calităţii proiectării, micşorarea timpului necesar dezvoltării, deoarece spaţiul de proiectareeste discret şi finit în comparaţie cu cel al unei proiectări convenţionale unde acesta este continuu şiinfinit. În general, responsabilitatea pentru proiectarea de detaliu a unui modul îi revine unei echipe puţinnumeroase sau unor furnizori externi. Ca urmare coordonarea, concentrarea pe o paletă mai mică deprobleme se face mult mai uşor. În sinteză concepţia modulară este “soluţia cea mai simplă de creare anoului, cu minimum de elemente de noutate” [CRI80].

- Producţie.

Ieftinirea relativă a modulelor, datorită limitării nomenclatorului de componente, simplificarea organizăriifabricaţiei, mărirea relativă a seriei deoarece o aceeaşi componentă poate fi folosită la mai multe produsemodulare.

- Piaţă.

Schimbarea rapidă a produsului. Un nou produs poate fi dezvoltat din module existente şi eventualunele noi.

Varietate mare de produse. Produsele modulare pot avea multe variante fără a creşte multcomplexitatea sistemului.

- Exploatare.

Scăderea preţului de cost al întreţinerii.

În cazul sistemelor modulare reconfigurabile procesul de reconfigurare este mult facilitat de faptul căutilizatorul priveşte modulul ca pe o cutie neagră (black box) cu interfeţe bine definite. Sistemelemodulare reconfigurabile construite din module identice (vezi roboţii modulari reconfigurabili) sunttolerante la defectări având un grad înalt de redundanţă.

5

Efectele negative ale modularizării RI (din punctul de vedere al utilizatorului):

- Pentru seturi modulare cu relativ puţine tipodimensiuni de module, imposibilitatea de a

agrega LG optim, relativ la aplicaţia dată, posibilă excedenţă sau insuficienţă funcţională.

- Anumite caracteristici funcţionale pot fi atinse mai greu în comparaţie cele ale unui sistem

care a fost proiectat în concepţie nemodulară.

- Anumite cerinţe speciale pot fi greu îndeplinite cu un sistem modular.

- Mase şi gabarite relativ mari ale modulelor, cu efecte nefavorabile asupra calităţilor

dinamice ale RIM, asupra erorilor de poziţionare, orientare datorate deformării elastice, asupradinamice ale RIM, asupra erorilor de poziţionare, orientare datorate deformării elastice, asupra

svelteţei mecanismului de ghidare.

Un modul monomobil include: policupla, motorul (pt. acţionarea cu motoare electrice o

frână, transmisia mecanică-reductorul armonic), sistemul de conectare mecanică care de

obicei include şi interfaţa energetică şi de comunicare. Pt. RI nemodulari controlerul este o

unitate separată care conţine interfeţele senzorilor, amplificatorii de putere, procesoarele de

control pt. toate articulaţiile LG, rezultă un număr mare de cabluri electrice de conectare

soluţie evident dezavantajoasă pt. RI modulari. În consecinţă la RI modulari se utilizează

hardware de control distribuit pe fiecare modul. 6

Un factor determinant în asigurarea succesului comercial al RI modular (RIM) este

reconfigurarea rapidă, precisă şi cu costuri mici. Actualmente, la nivelul utilizatorului

industrial, acest proces necesită mai multe etape relativ complicate. În condiţiile producţiei

flexibile durata reconfigurării raportată la cea a exploatării unei configuraţii a RIR este de multe

ori mare, fapt ce împiedică exploatarea economică a acestora.

Cele mai importante etape ale reconfigurării unui RI sunt:

- definirea sarcinii de lucru a RI;

- determinarea configuraţiei optime;

- reconfigurarea mecanică;

- generarea programului RI;

Concluzie: Robotii industriali modulari (RIM) sint destinaţi efectuării unor operaţii relativ

simple, aparţinând unor sarcini care nu durează mult şi având variabilitate relativ mare, în

medii unde nu sunt necesare viteze mari ale endefectorului, cu obstacole relativ puţine.

- generarea programului RI;

- calibrarea.

Dintre acestea, utilizatorul este specialist doar în prima etapă, restul ar trebui să se facă cu

ajutorul unor interfeţe utilizator prietenoase care să efectueze cu un grad cât mai mare de

automatizare.

7

Actualmente s-au impus seturile modulare cu acţionare pneumatică (P) şi electrică (E). Seturile

hidraulice (H) au fost practic eliminate datorită problemelor legate de etanşare la nivelul cuplării modulelor şi

cerinţelor de mediu curat pentru multe aplicaţii, costurilor relativ ridicate.

Capacitatea de încărcare a RI modulari

Datorită puterii specifice relativ reduse a acţionării P şi E comparativ cu H, seturile modulare sunt

destinate unor RI cu capacităţi de încărcare de ordinul kilogramelor.destinate unor RI cu capacităţi de încărcare de ordinul kilogramelor.

Controlabilitatea

P este mult mai puţin controlabil decât E fiind un mediu compresibil şi mult mai sensibil la perturbaţii

(temperatură etc).

Complexitatea sarcinilor

Un modul cinematic monomobil P poate fi precis controlat în două puncte (capetele de cursă ale

motorului P) şi imprecis într-un punct intermediar. Deci un RI cu lanț cinematic simplu deschis, agregat din

module monomobile poate lucra cu 2n configuraţii ale LG, unde cu n s-a notat gradul de mobilitate a LG.1

De exemplu, pentru un LG cu n=6, caz rar întâlnit, rezultă 26 = 64 de configuraţii cu care

evident nu se pot realiza sarcini complexe, traiectorii complicate.

Deoarece un modul acţionat electric poate fi teoretic controlat într-o infinitate de puncte din

intervalul de mişcare a cuplei, traiectoriile generate de acest tip de RI pot fi mult mai complexe.

Complexitatea LG modulare

RI modulari P sunt destinaţi unor operaţii simple “pick and place”, servire un utilaj sau o MU,

având în general 3, 4 grade de mobilitate. Aplicaţiile RI modulari electrici se bazează pe LG

complexe având 6 grade de mobilitate şi mai mult pentru RI redundanţi.complexe având 6 grade de mobilitate şi mai mult pentru RI redundanţi.

Precizia

Modulele P şi E au precizii de repetabilitate comparabile:

- εT = ± 0.01 ... ± 0.05 mm

- εR = ± 0.02 ... ± 0.050.

Costuri

Costul unui RI modular E este mai mare decât a unuia P, datorită complexităţii constructive a

MC cât şi a sistemului senzorial, de control, de programare.

2

FUNCŢIILE PREHENSORULUI

PREHENSOARE I

Tudor PăunescuRPTCM 2013

PREHENSOARE VACUUMATICE

PREHENSOARE MAGNETICE

1

[STA96] Staretu I. Sisteme de prehensiune. Ed. Lux Libris, 1996.[STA01] Stareţu I şa Mâini mecanice. Mecanisme antropomorfe de prehensiune pentru protezare şi roboţi. Editura Lux Libris, Braşov 2001.[PĂU92] Păunescu T. Robotizarea proceselor tehnologice în construcţia de maşini. Ed. Univ. Braşov. 1992.[HES00] Hesse Stefan. Grippers and their applications. Festo AG 2000.[WOL05] Andreas Wolf. Grippers in Motion. Springer 2005.

Documentaţie firme, universităţi:

www.dimec.unige.it

www.grippers.com

www.schunk.de

http://us.schmalz.com

BIBLIOGRAFIE

http://us.schmalz.com

www.ccmop.com

www.grip-gmbh.com

www.sapelem.fr

www.robotics.com

www.piab.com

www.cscolumbia.edu

www.techno-sommer.com

www.barett.com

www.ati-ia.com

www.phd.inc

www.pushcorp.com

www.automax.fr

www.destaco.com

www.sasgripper.com

www.goudsmit-magnetics.nl

www.liros.se 2

1.1. MÂNA UMANĂ

Principiul “triadei” utilizat în biostructura majorităţii vertebratelor:

- macrostructura scheletelor: cap - trunchi - membre;

- structura membrelor: braţ - antebraţ - mâna;

- structura biomecanismului mâinii: carp - metacarp - falange;

- structura biomecanismului degetelor antropoidelor, cu excepţia

policelui: falanga.proximală, falanga medială, falanga distală.

1. FUNCŢIILE PREHENSORULUI

FUNCŢIILE MÂINII UMANE:

1. apucarea (prehensare);

2. manipularea obiect prehensat

între degete (micromanipulare);

3. senzoriale (senzori tactili,

forţă, termici);

4. forţa (strângere, lovire)

FUNCŢIILE MÂINII MECANICE:

1. apucarea (prehensare);

2. microghidare (complianţă):

- activă;

- pasivă;

3. senzoriale da/nu;

4. forţă (stringere, lovire)

3

Fazele funcţiei de apucare:- poziţionarea şi centrarea prehensorului faţă de obiectul manipulat (OM);- rigidizarea elementelor de contact ale prehensorului cu OM;- menţinerea (conservarea) rigidizării in timpul manipulării obiectului;- desprinderea prehensorului de OM.

Procesul de apucare necesită imobilizarea OM faţă de bacurile prehensorului şi simultanimobilizarea ansamblului prehensorului în raport cu ultimul element al LG.

Stările OM în timpul manipulării:- OM liber;- OM prehensat de mâna mecanică;- OM prehensat de mâna mecanică;- OM imobilizat de dispozitivul postului de lucru;- OM imobilizat simultan de prehensor şi de dispozitivul postului de lucru (DL).

Datorită impreciziei de poziţionare şi orientare a prehensorului faţă de OM, în starea a 4-apoziţia OM nu este determinată. Dubla închidere poate genera forţe periculoase în “corpulrigid”: OM - prehensor - LG - baza - structura mecanică a PL - dispozitiv de fixare a OM laPL - OM.

4

Depăşirea acestei stări potenţial periculoase se poate realiza, în principiu, prin două moduri de acţiune:

- 1. Eliminând erorile de poziţionare şi de orientare a ale prehensorului faţă de OM.

Acesta se realizează prin micromişcări de corecţie, ponderea cedărilor elastice ale diferitelor elemente

implicate fiind minoră:

-1.1. Microghidarea: LG rămâne imobil, se corectează poziţia şi orientarea OM faţă de prehensor

prin modificarea poziţiei relative a degetelor şi a punctelor de contact. Datorită complexităţii, soluţia

nu este deocamdată aplicată în robotica industrială.

-1.2. Reghidarea OM, LG corectează poziţia şi orientarea prehensorului faţă de OM. Soluţia este-1.2. Reghidarea OM, LG corectează poziţia şi orientarea prehensorului faţă de OM. Soluţia este

aplicată şi se numeşte complianţă activă (CA).

- 2. Cedarea elastică a unor elemente aparţinând sistemelor care participă la dubla închidere a OM.

- 2.1. Cedarea la nivelul structurii mecanice a LG, “complianţă selectivă” la RI demontaj tip SCARA

(vezi cursul 1);

- 2.2. Cedarea la nivelul degetelor prehensorului, prin elemente elastice;

- 2.3. Cedarea la nivelul zonei de asamblare între prehensor şi elementul terminal al mecanismului

de orientare (complianţa pasivă (CP)). CP este realizată de obicei printr-un dispozitiv specializat

(dispozitiv de complianţă) sau poate face parte chiar din construcţia prehensorului.5

DC au uzual urmatoarele structuri [Sta96]:

- dispozitiv cu complianţă necontrolată;

- dispozitive cu centre de complianţă. Dispozitivele (modulele) cu complianţă

necontrolată sunt simple, nepretenţioase, se

bazează pe elemente elastice care se

deformează necontrolat pentru a compensa

erorile de poziţie şi orientare între piesa prinsă

într-un dispozitiv de fixare şi prehensor.

Soluţia se aplică de obicei la RI care servesc

MU/utilaje, nu şi la asamblări.

Aplicaţia din figura 1a: montarea unei piese într-

un universal de strung. Prin împingerea realizată

[HES00]

Fig. 1a

Fig.1b

Fig.1c

un universal de strung. Prin împingerea realizată

de RI piesa este obligată să se aşeze corect pe

suprafeţele plane ale bacurilor, la închiderea

acestora se anulează şi eroarea de

necoaxialitate piesă-axa mandrinului universal

prin deformarea arcurilor.

Aplicaţia 1b: utilizează ca element deformator o

placă de cauciuc.

Aplicaţia 1c: un set de arcuri cu dispunere

similară celei din aplicaţia a.6

[HES00][HES00]

Soluţia din figura de mai sus (complianţă necontrolată) se

aplică în operaţii de asamblare.

Prehensorul este montat pe un con centrat într-un alezaj

conic. Când nu există forţe axiale de împingere deoarece

arcul obligă la contact cele două suprafeţe conice

prehensorul cu piesa apucată ocupă o poziţie şi orientare

precise. La montaj dacă bolţul 5 ia contact pe teşitură cu

alezajul din piesa 6 este generată o forţă axială care

comprimă arcul şi apare un joc între suprafeţele conice. În

acesta situaţie prehensorul se poate înclina şi se continuă

inserţia.

Prehensorul bidactil sincron din figura 2 este dotat şi cu un

împingător 3 acţionat de către doi minicilindri pneumatici cu

simplu efect.

După ce se ajunge în poziţia de instalare a obiectului

prehensat (4), bacurile (5) se îndepărtează, elementul de

apăsare obligă la un contact corect pe suprafaţa plană a

dispozitivului de prindere al postului de lucru. Urmează

strângerea semifabricatului în dispozitiv, astfel evitându-se

dubla închidere prin forţă a semifabricatului.

Fig.1dFig.2

7

Legatura elastică între prehensor şi ultimul element al mecanismului de orientare, sub acţiunea forţelor apărute în timpul

montajului, permit rotaţia ansamblului prehensor - OM în jurul unui centru de complianţă, sau în jurul a doua centre de

complianţă.

c)

Fig. 3

Dispozitivul de complianţă din figura 3a are la bază un mecanism paralel tip platformă Stewart.

Dispozitivele din figurile 3b şi 3c sunt de tip RCC (Remote Compliance Center) cu un centru de complianţă (marcat cu O

în fig. 3b) care folosesc ca elemente elastice lamele din oţel, respectiv cauciuc..

Detalii constructive ale acestor module se găsesc în subcapitolul Sisteme auxiliare – Module de complianţă în

Prehensoare II (05.2-RPTCM preh_vx.z.pps)8

Pentru facilitarea căutării se mai poate ataşa dispozitivului de complianţă pasivă un subsistem vibrator (sute de hertzi), de

natura electromagnetică sau pneumatică. Solu’ia este rar aplicat[

Calculul gradului de mobilitate a dispozitivului de complianţă

Notaţii:

- mdo mobilitatea OM în dispozitivul PL;

- mpo mobilitatea OM în prehensor;

- mdp mobilităţi comune ale OM în dispozitiv şi prehensor;

- mc mobilitatea modulului de complianţă. Fig. 4.

( )[ ] pododpdppodoc mmmmmmm −−+=−+−= 66

În cazul exemplului din figura 5, unde semifabricatul este prins într-un universal, iar

prehensorul este de tip bidactil cu bacuri conice, rezultă:

mdo=0 (semifabricatul este complet rigidizat cu dispozitivul de lucru);

mpo=3 (rx, ry, rz);

mdp=0;

mc=6+0-0-3=3(tx, ty, tz) 9

2. PREHENSOARE VACUUMATICE

2.1. GENERALITĂŢI

Prehensoarele vacuumatice (PV) sunt prehensoare unilaterale (apucă piesa pe o singură parte), careutilizează ventuzele ca elemente de contact cu OM.

Metode de creare a vacuumului, aplicate la PV:

- prin apăsare a ventuzei pe suprafaţa OM. Metoda necesită o suprafaţă de aşezare fermă a OM pesuprafaţa opusă celei pe care se face prehensarea şi suprafeţe lucii care să nu permită scăpări de aer.Controlabilitatea este relativ redusă.

- prin efect Venturi, aerul comprimat este insuflat în corpul prehensorului, conform legii lui Bernoulli,presiunea statică scade şi în consecinţă se realizează priza cu OM.

- prin pompă de “vid”.

Baze teoretice (PRE)

- prin pompă de “vid”.Ultimele două variante permit prehensarea şi a unor suprafeţe pe care nu se face o etanşare foarte bună.

Nu se lucrează cu presiuni foarte mici deoarece consumul de energie devine foarte mare şi în plusventuzele sunt supuse la uzuri intense.

De exemplu scăderea presiunii de la 90 kPa la 60 kPa creşte forţacu aprox. 20 ... 40 % iar consumul de energie se majorează deaprox. 10 ori.

Deoarece forţa de ridicare este proporţională cu suprafaţaventuzei este mai avantajos să se lucreze cu depresiuni nu prea marişi cu ventuze cu suprafeţe majorate.

Prehensarea vacuumatică se foloseşte pentru m = 10-3 ... 102 kg.

www.piab.com

(1.0

13

mb

ar=

10

1.3

kP

a)

10

Metode uzuale de producere a vacuumului:

- a. Pompe de rotaţie sau alte tipuri de pompe.

- b. Efect Venturi.

- c. Ventuză adezivă.

- d. Sistem cu piston-cama de rotatie.

Condiţii impuse suprafeţelor OM prehensate vacuumatic:

- suprafeţele OM trebuie sa fie plane sau cvasiplane, să nu permita scăpări de aer, sau acestea să fie

relativ mici;

- absenţa impurităţilor de natura mecanică, lichide;

- limitări ale temperaturii suprafeţelor prehensate;

- deformabilitatea limitată a suprafeţelor prehensate. 11

Avantajele prehensarii vacuumatice:

- apucă obiectul doar pe o parte (caracteristică utilă pentru apucarea tablelor, geamurilor etc);

- aplică o presiune constantă pe o suprafaţă, nu concentrat ca în cazul prehensoarelor mecanice;

- varietatea de materiale ale obiectelor prehensate este mare, nu doar materiale feromagnetice;

- construcţie simplă, masă redusă, ventuzele sunt ieftine, la fel şi celelalte accesorii;

- compensarea, între anumite limite, a abaterilor de poziţie si orientare a OM, compensarea locală a abaterilor de forma a OM;

- posibilitatea de prehensare a unor piese mici si foarte mici;

- permit modularizarea, este posibilă adaptarea uşoară a sistemelor de ventuze la modificarea formei OM;

- întreţinere uşoară, montare/demontare rapidă.

Dezavantajele prehensării vacuumatice:

- precizie de poziţionare şi orientare limitată datorită deformabilităţii ventuzelor;

- forţa maximă de prehensare este limitată de suprafaţa ventuzelor;

- fiabilitatea relativ redusă a ventuzelor, dezavantaj partial compensat de pretul scazut al ventuzelor;

- timpi de prindere/desprindere relativ lungi in comparaţie cu prehensoarele magnetice;

- limitări ale aplicaţiilor datorate condiţiilor impuse calităţii suprafeţelor prehensate;

- tendinţa de deformare locală a pieselor care au rigiditate mică;

- consum relativ mare de aer comprimat, dacă nu se iau măsuri specifice (supape unisens duale, supape comandate de

palpatoare)

- necesitatea unor sisteme de siguranţă la căderea reţelei de aer comprimat, pentru PV care lucreaza cu efect Venturi sau

pompe de vid;

- suportă forţe perturbatoare relativ reduse in timpul manipulării OM. 12

2.2. ELEMENTE CONSTRUCTIVE

Reducerea consumului de energie

În cazul prehensării simultane a mai multe obiecte care auerori de poziţionare şi orientare, este posibil ca o parte din elesă nu poată fi apucate.

O soluţie neeconomică ar fi să se lucreze cu o pompăsupradimensionată, care astfel să poată suplini pierderile peventuzele care nu au putut să apuce obiecte.

O soluţie raţională este utilizarea unor supape unisens

www.piab.com

Fig. 6.

O soluţie raţională este utilizarea unor supape unisensduale integrate în corpul ventuzei:

a. Când ventuza este în proximitatea OM şi începepomparea, pierderile sunt mici deoarece supapa unisens esteînchisă şi există o legătură cu exteriorul prin orificiu de diametrumic. Pierderile rămân mici şi dacă se ratează ridicarea OM.

b. Când ventuza este poziţionată corect pe obiect va fievacuat doar micul volumul de aer de sub ventuză, decioperaţia de apucare va fi rapidă.

c. Eliberarea OM se face rapid deoarece supapa unisens sedeschide şi permite un debit relativ mare.

Soluţia se aplică, în general, la ventuze cu diametre 20 ...

50 mm, care apucă OM neporoase.

ww

w.p

iab

.com

Fig. 7. 13

- Piuliţă asigurare- Piuliţă reglaj poziţiesenzor de proximitate

-Senzor de proximitate- Arc compresiune

- Palpator- Corp

- Ventuză

În acelaşi scop se utilizează ventuze echipate cu

senzor de proximitate [Sommer]. Sunt utile în cazul

acţionării cu pompe de vacuum.

Depresiunea este aplicată doar când toate

ventuzele au luat contact corect cu obiectul/ele.

Ventuze care integrează supape normal închise,

acţionate de o tijă palpatoare. Sunt eliminate complet

pierderile

www.piab.com

Fig. 8.

Fig. 9.

- obiect prehensat

14

2.3. VENTUZE

2.3.1. VENTUZE CARE IAU CONTACT CU OBIECTUL PREHENSAT

Caracteristici generale:

- dimensiuni uzuale ΦΦΦΦ5 ... ΦΦΦΦ125 mm;- presiune 0.8 bar vacuum;- material: neopren rezistent la ulei şi la temperatură:-300 ... 120 0 C; silicon 200 0 C;

a

b

c

Tipuri de ventuze utilizate

b. Ventuze gofrate cu secţiune ovală, există un efect ridicarea obiectului la acţiunea vacuumului, datorită deformăriiventuzei.

c. Ventuze cu secţiune inelară pentru obiecte cu găuristrăpunse, piesa centrală este adaptabilă la diversediametre de găuri ale OM.

Sommer

Fig. 10. (Sommer)

15

d. Ventuzele cu pereţi gofraţipermit compensări relativ mari dela poziţia şi orientarea obiectuluiprehensat

d f. Ventuze cu elemente distanţierefaţă de obiect, împiedică fenomenulde lipire şi în consecinţă au ocapacitate mărită de a prelua forţe

e.Ventuzele cu arc permit omai uşoară adaptare laînălţimea variabilă a obiectului

e

f

capacitate mărită de a prelua forţelaterale.

SommerSommer 16

g

hwww.piab.comSommer

g. Ventuză cu Φ mare , arc,articulaţie sferică (150) pentrucompensarea erorilor relativ mari depozitie si orientare a OM

h. Ventuze din două materiale diferite, unul elastic în zona gofrată, altul rezistent la uzură (poliuretan), în zona de contact cu piesa. Se utilizează pentru piese care au abateri de formă, inclusiv poroase.

www.piab.com

i

i. Ventuze nervurate, sunt destinateprehensării tablelor plane sau ovale.Datorită curburii reduse, nervurilor au odurabilitate superioară. Coeficientul defrecare relativ mare asigură o fixarefermă în plan orizontal chiar şi atablelor care sunt unse

17

2.3.2. VENTUZE CARE NU IAU CONTACT CU OBIECTUL PREHENSAT

b

a

c

Fig. 11. [Automax]

Principiul de funcţionare (fig. 11a), efect Bernoulli. Forţele de prehensare sunt relativ mici (fig. 11c), aplicaţiile curente fiind

manipularea CD, DVD, circuite imprimate, geamuri foarte subţiri, cofraje ouă, foi de hârtie, obiecte uşoare poroase, obiecte cu

suprafeţe concave sau convexe ca produse de patiserie, textile (vezi brioche.mov, CD.mov). 18

Analiză multiatribut a principalelor tipuri de ventuze [HES00]

!

!

19

2.3.3. VENTUZE MONTATE PE MODULE LINIARE

a b

1

23

4

1.Apucarea a diferite forme de de obiecte-2.Inscripţionarea mingiilor de tenis de masă: 1-conveior gravitațional; 2-manipulator cu 2 gr.mobilitate; 3-dispoz de inscripționat; 4-împingător.3.Manipulare semifabricatelor obţinute prin presare

Sommer

Fig. 12.

20

Soluţia din fig. alăturată este aplicată la apucarea

unor obiecte cu suprafeţe plane prehensate care au

un plan de simetrie vertical. Obiectele sunt aşezate

pe o bandă transportoare rapidă, având orientări

aleatoare.

Un sistem video identifică orientarea unui obiect

multiprehensorul este rotit şi microcilindrul coboară

rapid ventuza care apucă obiectul, după care este

ridicat rapid în poziţia de aşteptare.

Sistem urmărire video

Procedura este repetată până când toate ventuzele

au apucat câte un obiect, după care robotul

deplasează multiprehensorul în dreptul unui cofraj

(sau un blister dacă aplicaţia este în industria

farmaceutică) şi eliberează simultan obiectele care

toate au orientarea corectă.

Soluţia este foarte productivă deoarece timpul de

deplasare la şi de la cofraj la bandă este de cinci ori

mai mic decât în cazul când s-ar lucra cu un

monoprehensor.

Fig. 12.b[HES00]

21

2.4. PREHENSOARE VACUUMATICE MODULARE

2.4.1. STRUCTURA

a bc

a. Structura de bază formată din tuburi Al.

b. Elemente de îmbinare tip brăţară, în figură este

reprezentat doar un tip.

c. Intrefaţă pentru endefector, montare rapidă

manuală, sau pentru montare automată.

d. Interfaţa prehensor-robot.

Sistemul permite montarea şi a prehensoarelor

mecanice.d

Fig. 13. [DE-STA-CO]22

Fig. 14. [DE-STA-CO]23

2.5. EXEMPLE DE APLICAŢII ALE PREHENSĂRII VACUUMATICE

Manipularea tablelor pe o linie de transfer unde se execută operaţii de ştanţare www.piab.com

Fig. 15.

Manipularea tablelor pe o linie de transfer unde se execută operaţii de ştanţare

Unitate flexibilă de ambutisare prin vacuum. Datorită formei diferite a OM

semifabricat, piesă ambutisată se utilizează 2 RI cu prehensoare specifice

www.piab.com

www.piab.com

Operaţii de pick&place la asamblarea capotelor

Fig. 16.Fig. 17.

24

Manipularea geamurilor Împachetarea blisterelorUmplere saci

Fig. 18. Fig. 19. Fig. 20.

.

PaletizareManipulări în industria cartoanelor

www.piab.com

Fig. 21.

Fig. 22.

25

Linie de împachetare a unor obiecte de dimensiuni mici în cofraje, ridicate cu ajutorul

ventuzelor, RIPar Dela cu ghidarea vizuală tip IRB 340 [ABB].

Fig. 23.

26

3. PREHENSOARE MAGNETICE

3.1. Specificații, avantaje, dezavantaje

Prehensoarele magnetice (PMa) sunt prehensoare unilaterale (apucă piesa pe o singură parte), careutilizează forţa de atracţie magnetică ca forţă de prehensare.

Forţa de prehensare este generată de magneţi permanenţi sau electromagneţi.

PMa cu magneţi permanenţi exercită o forţă deatracţie permanentă, în consecinţă necesită, în faza dedesprindere, un dispozitiv suplimentar de îndepărtare aOM de magneţi.

De obicei se utilizează un dispozitiv mecanic cu

Fig. 24. Dispozitiv mecanic de desprindere

În cazul PMa cu electromagneţi desprinderea OM se face fie prin întreruperea curentului de alimentare,

fie prin alimentarea cu un curent alternativ de tensiune scăzută (rol şi de demagnetizare).

Condiţii impuse suprafeţelor OM prehensate magnetic:- OM de natură feromagnetică;- suprafeţele OM trebuie să fie plane, în limite mai strânse decât in cazul prehensării cu vacuum.- absenţa impurităţilor de natură mecanică, lichide pe suprafeţele prehensat;- limitări ale temperaturii suprafeţelor prehensate, sub 5000 C pentru prehensoare cu magneti permanenţi,

sub 600 C pentru prehensoare electromagnetice, în absenţa unui sistem de răcire.

De obicei se utilizează un dispozitiv mecanic cuacţionare pneumatică, care deşi relativ uşor măreştemasa sistemului de prehensare (fig. 8).

27

Avantajele prehensării magnetice:

- comparativ cu prehensoarele vacuumatice (PV), PMa sunt mai rapide şi dezvoltă o forţă de prehensarespecificămai mare;- PMa cu electromagneţi sunt uşor controlabile comparativ cu PV;- PMa cu electromagneţi pot îndepărta magnetismul rezidual prin inversarea polarităţii;- pot apuca piese cu găuri străpunse;- pot apuca simultan un teanc de table din materiale feromagnetice;- construcţie simplă;- fiabilitate mult mai mare decât a prehensării vacuumatice;- siguranţă mare în funcţionare şi posibilitatea de prehensare a unor obiecte magnetice cu temperaturirelativ mari, utilizare în medii explozive, pentru PMa cu magneţi permanenţi;relativ mari, utilizare în medii explozive, pentru PMa cu magneţi permanenţi;- alimentare uşoară cu energie, energie mai ieftină decât în cazul PV care lucrează cu efect Venturi;

Dezavantajele prehensării magnetice:

- mase mai mari ale sistemelor de prehensare magnetică, comparativ cu cele vacuumatice;- magnetismul remanent indus OM cu magneţi permanenţi;- necesitatea curăţirii suprafeţelor de prehensare şi a suprafeţei active a PV cu magneţi permanenţi deaşchii feromagnetice;- necesitatea unor dispozitive de desprindere a OM, mai ales pentru PMa cu magneţi permanenţi;- imposibilitatea prehensării individuale a tablelor stocate în vraf;- pierderea forţei de prehensare la căderea curentului electric, în cazul PMa cu electromagneţi;- sensibilitatea la forţe laterale aplicate obiectului prehensat.

28

www.techno-sommer.com

3.2. Exemple de prehensoare

magnetice

3.2.1Actionarea: Cilindru pneumatic cu simplu efect

Prehensorul este intotdeauna pregatit sa actioneze

Presiunea este aplicata pentru a elibera piesa

Flansa

????

29Suprafata activa

Magnetpermanent

Magnetic gripper series SGM[Schmalz, http://us.schmalz.com ]

F=35 - 290 N

M= 130 - 715 grame

Diametru= 30-70mm

Magneți permanenți

Inel pentru mărirea forței de frecare pe direcție transversală

Desprindere mecanică prin intermediul aerului comprimat sau a

vacuumului prin ridicarea/coborîrea magnetului permanent

3.2.2

Cuplă sferică

30

31

www.goudsmit-magnetics.nl

3.2.3

Prehensoarele magnetice se utilizează, în general, pentru

prinderea tablelor feroase cu grosimi mai mici de 4mm

32

Prehensoare magnetice cu ventuze

MagVacu gripper

ww

w.g

oud

smit

-mag

net

ics.

nl

Avantajele prehensării duble

magnetice și vacuumatice

- Forță de prehensare majorată.

- Se pot manipula piese solicitate la forțe

de inerție transverale mai mari, robotul

ww

w.g

oud

smit

de inerție transverale mai mari, robotul

se poate mișca mai rapid în consecință

scad timpii auxiliari de manipulare.

- Siguranță în exploatare.

- Pot prinde piese feroase/neferoase.

- Pot apuca în siguranță doar o piesă.

tablă dintr-un teanc (piesa este apucată

vacuumatic și după ridicarea deasupra

teancului de table este activată

prehensarea magnetică).

MAGNOS Magnetic Gripper3.2.4

PREHENSOR CU MAGNEȚI PERMANENȚI ȘI ELECTROMAGNEȚI

(Permanent-Electro Magnets)

[Schunk, www.schunk.de] 34

ww

w.p

asca

leng

.co.

jp

Anulare de câmpuri în exteriorCumul de câmpuri în exterior

13

4

5

35

1 - bobină

2 – magnet permanent NdFeB

3 - magnet permanent polarizabil tip AlNiCo

4 - pol magnetic

5 – fluxul magnetic

6 – piesa fixată magnetic

Magnetul AlNiCo este utilizat ca și comutator de

câmp magnetic ON/OFF.

(timp de polarizare aprox. 0,5 sec cu un curent

210V/10A; 360V/30A)

5

6

Magneţii AlNiCo au în compoziție: fier, aluminiu, nichel şi cobalt, uneori cupru și titan (8–12% Al, 15–26% Ni, 5–24% Co, max. 6%

Cu, max. 1% Ti ). Ei sunt mai puternici decât magneţii ceramici și pot fi polarizați prin impuls electromagnetic în aproximativ 0,5

sec la temperatura mediului ambiant !.35

Legea lui Bernoulli

An

exa

1A

nex

a 1

36

37

Tub Venturi Efect Venturi

Vezi și aplicația VacuCalculator_de.exe

38

- masă minimă pentru a se maximiza capacitatea de încărcare a RI, pentru a se permite acceleraţii

maxime şi cicluri de timp mici (materiale frecvent folosite: aliaje de Al, în ultimul timp mat. compozite);

- dimensiuni minime relativ la dimensiunile corpului prehensat;

- adaptabilitate mare la dimensiunile obiectelor prin reglaje discrete sau continue ale mecanismului de

prehensiune, sau prin elemente amovibile;

- rigiditate suficientă pentru a conserva precizia RI şi a reduce vibraţiile;

- sisteme de asigurare la căderea sursei de energie dacă eliberarea accidentală a obiectului manipulat ar

produce pagube (sisteme de autoblocare);

- centrul de masă al obiectului cât mai puţin excentric faţă de cel al prehensorului pentru a reduce efectele

CONDIŢII IMPUSE PREHENSOARELOR MECANICE

- centrul de masă al obiectului cât mai puţin excentric faţă de cel al prehensorului pentru a reduce efectele

momentelor forţelor masice, centrul de masă trebuie să se afle între punctele de contact cu bacurile;

- la prehensoarele sincrone precizie independentă sau puţin dependentă de variaţiile dimensionale ale

suprafeţelor prehensate;

- preh. trebuie să aibă cel puţin aceeaşi precizie ca şi mec. de ghidare a RI (curent ± 0.05 mm);

- fiabilitate ridicată, de exemplu un prehensor utilizat în operaţii de asamblare trebuie să efectueze circa

un milion de cicluri pe perioada exploatării;

- acţionarea mecanismului de prehensiune trebuie să fie rapidă, să aibă masă mică şi relativ ieftină.

Din aceste motive cea mai populară este acţionarea pneumatică. Din considerente de mediu curat rar se

utilizează acţionarea hidraulică. Un potenţial apreciabil de dezvoltare îl are acţionarea electrică

(controlabilitate mare, actualmente gabarite mai mari decât cele pneumatice şi costuri ridicate) 1

PREHENSOARE BIDACTILE

Fig. 8. Schemele cinematice ale unora dintre cele mai utilizate PMe bidactile, simetrice 2

3

Schema unui prehensor bidactil,

paralel şi sincron (www.grippers.com)

- precizie ± 0,025 mm;

- fortă strângere 150 ... 450 N;

- ungere pe viaţă;

- acţionare pneumatică.

Pistoanele sunt acţionate pneumatic,

asigură forţa de străngere exercitată de bacuri

Şurubul stânga-dreapta asigură sincronizarea deplasărilor celor

două degete pe toată cursa.

PREHENSOR BIDACTIL, PARALEL ŞI SINCRON

două degete pe toată cursa.

Fig. 9.

Fig. 10.

4

PREHENSOR BIDACTIL, UNIVERSAL, PARALEL ŞI SINCRON

(mecanism cu pană dublă bilaterală), (PGN-**, WWW.SCHUNK.DE)

Ghidaje portbacuri Portbac Suport senzora

Corp

Alezaj centrarePiston

Pană dublă bilaterală

(vezi fisier png_Plus.mpg si rota.avi din subdirectorul …\__video\Preh mecanice Schunk )

Fig. 11.

b

c

5

PREHENSOR BIDACTIL, UNIVERSAL, PARALEL ŞI SINCRON

(mecanism cu cremalieră-pinion-cremaliră)

Fig. 12.

6

Se utilizează două motoare pneumatice cu dublu efect, sincronizate

prin intermediul unui mecanism cu pinion – cremalieră.

PREHENSOR BIDACTIL, UNIVERSAL, PARALEL ŞI SINCRON, CURSE MARI

(mecanism de sincronizare pinion-cremaliră)

www.techno-sommer.com

Fig. 13.

a

b

prin intermediul unui mecanism cu pinion – cremalieră.

Prehensorul este universal (strânge pe interior şi pe exterior)

c

7

PREHENSOR BIDACTIL, UNGHIULAR ŞI SINCRON

(mecanism pârghie oscilantă), (DWG-**, WWW.SCHUNK.DE)

Braţ portbac

Arc compresiune

Bolţ

Suport tip

colier pt.

senzor de

proximitate

“camă”

a

b

Corp

prehensor

Alezaj centrare

Pistonul

motorului

pneumatic cu

simplu efect

Senzor de

proximitate

Acţionare pneumatică p = 4.5 ... 6.5 bar. Cursa unghiulară a fiecărui bac c= 0 ... 180 0.

Reglare cursă unghiulară prin intermediul camelor şi a senzorilor de proximitate.

(vezi fisier gwb.avi din subdirectorul …\__video\Preh mecanice Schunk )

Fig. 14.

c

8

PREHENSOR BIDACTIL, UNGHIULAR ŞI SINCRON

(mecanism pârghie oscilantă), (PWG-**, www.schunk.de)

Pârghie portbac

Arc compresiune

Elenent contact

a b

Piston ovalCorp

Flanşă

Element de contol cursă Suport senzor de proximitate

Fig. 15.

9

MINIPREHENSOR BIDACTIL UNGHIULAR, SINCRON

a b

a. Strângere sub acţiunea aerului comprimat, desfacere prin arc

b. Strângere sub acţiunea arcului, siguranţă în exploatare dacă se întrerupe sursa de aer comprimat.Fig. 16. 10

PRECIZIA DE PREHENSARE

- precizia “structurală” a prehensării - OM are abateri relativ mari, mecanismul de prehensare şi

bacurile nu sunt afectate de erori;

- precizia “constructivă” a prehensarii - OM are abateri relativ mici, sunt semnificative erorile care

afectează mecanismul de prehensare şi bacurile.

Aplicatie: calculul precizie “structurale” a unui prehensor bidactil, simetric, cu bacuri (fig.27 )

ELEMENTE DE MODELARE

Fig.27. Precizia “structurala” a unui prehensor bidactil, simetric, cu bacuri11

ELEMENTE DE CINETOSTATICA

PREHENSIUNII

Forma caracteristicii statice a mecanismului

de prehensiune.

Caracteristica statică: dependenţa raportului

dintre forţa de prehensiune şi forţa motoare (iF)

funcţie de deplasarea elementului motor (s),

iF=iF(s).

Pentru o caracteristică statică constantă (fig.Pentru o caracteristică statică constantă (fig.

28.2) se menţine o forţă de prehensare constantă,

indiferent de dimensiunea OM (cursa elementului

motor), dacă motorul are o caracteristică

constantă.

Prehensorul din fig. 28.3 are o caracteristică

statică ascendentă, motorul cu o caract.

constantă. Deci PMe va dezvolta forţe de

prehensare proporţionale cu diametrul OM. Cum

este de presupus ca OM cu diametru mai mare

sunt si mai grele, caracteristica este avantajoasă.Fig. 28. Exemple de caracteristici statice 12

MODULE DE COMPLIANŢĂ

1. MODUL DE COMPLIANŢĂ SOMMER

Fig. 44. Principiul compensării realizat printr-un modul de complianţă. (SOMMER Automatic GmbH)

Se notează cu: comanda A se centrează prehensorul faţă de flanşa ultimului element al mecanismului deghidare a robotului, prin B poziţia de centrare este conservată (compensatorul este blocat). Acţionărilepentru mişcările A şi B sunt pneumatice prin micromotoare liniare şi frâne.

1. Prehensorul are bacurile plasate asimetric faţă de piesa pe care trebuie să o apuce. Prehensorul estecentric faţă de flanşă (A şi B este inactive, acţionează doar arcurile).

2. Intră în acţiune bacurile prehensorului, acesta se deplasează relativ la flanşă prin modulul decomplianţă şi strânge obiectul. Intră în acţiune comanda B pentru a nu se forţa extragerea obiectului.

3. Piesa este extrasă fără să apară forţe transversale.4. Dacă este necesară recentrarea prehensorului se ridică blocajul şi acţionează comanda A.

13

2. MODUL DE COMPLIANŢĂ ATIATI International Automation, www.ati-ia.com

Modulele de complianţă ATI utilizează principiul unui

singur centru de complianţă (RCC-Remote Compliance

Center).

Centrul de complianţă este punctul din spaţiu în care

o forţă de contact va cauza o translaţie fără rotaţie sau

torsiune şi un cuplu va cauza o torsiune fără translaţie.

Când centrul de complianţă este lângă punctul de

contact între bolţul prehensat şi alezajul în care secontact între bolţul prehensat şi alezajul în care se

inserează axa bolţului se va alinia cu axa alezajului.

14

Elementele esenţiale ale modulului de complianţătip RCC sunt cele două flanşe de fixare pe flanşaterminală a RI şi pe flanşa prehensorului între caresunt intercalate 3, 6 sau 12 elemente elastice a căror

Clic pentru ansamblu explodat

sunt intercalate 3, 6 sau 12 elemente elastice a căroraxe se întâlnesc în vârful unui con (centrul decomplianţă). Evident că la creşterea numărului deelemente elastice creşte şi rigiditatea ansamblului.Modulul are o rigiditate axială apreciabilă şi origiditate lateralămică.

Opţional mai poate conţine un sistem de blocareacţionat pneumatic, care are rolul de a reducevibraţiile datorate forţelor de inerţie şi de a protejaelementele elastice de deformaţii nefuncţionale.

Tot opţional se mai poate instala un sistemsenzorial care monitorizează stările de funcţionare alemodulului dotat cu sistem de blocare.

salt15

16

Alegerea modului de complianţă1. Compararea dezaxării ansamblului cu capacitatea de compensare a modulului:-pas1: determinare dezaxare în cazul cel mai

defavorabil:

-a. Precizia cu care RIA poziţionează piesa A-b. Precizia cu care este poziţionată piesa B.-c. Precizia de poziţionare a prehensorului.-d. Precizia de poziţionare a alezajului faţă de sistemul de referinţă al piesei B.-e. Precizia de repetabilitate a modulului de complianţă lucrând în poziţie verticală ±0.002“ ( ±0,0508 mm).-Se însumează valorile a...e.-Se însumează valorile a...e.

-pas2: determinare “jocul total”:

-a. Mărimea teşiturii piesei A.-b. Mărimea teşiturii piesei B.-c. Calcul joc în cel mai dezavantajos caz a ajustajului bolţ-alezaj.

-Se însumează valorile a...c.- Este necesar un modul de complianţă când dezaxarea este mai mare decât jocul (valoarea calculată lapasul 1 este mai mare decât valoarea c calculată la pasul 2).- “Jocul total” trebuie să fie mai mare decât dezaxarea, dacă nu este îndeplinită condiţia măriţi teşirile pieselorA şi/sau B.- Selectaţi un modul de complianţă care să permită o dezaxare mai mare decât dezaxarea ansamblului.Dacă modulul nu lucrează vertical masa părţii inferioare şi prehensorul cu piesa generează o săgeată caretrebuie luată în considerare.

17

2. Calculul centrului de complianţă (CC).

Se calculează distanţa L de la flanşa inferioară la punctul iniţial de

contact al piesei de inserat. Selectaţi un model de modul de

complianţă care că fie situat la peste 30% din L. Este mai bine să

avem un CC mai jos decât punctul de inserţie decât mai sus.

3. Calculul capacităţii de încărcare.

Dacă modulul de complianţă lucrează vertical este solicitat la greutatea prehensorului şi a piesei apucate.

Este necesară o capacitate de compresie mărită dacă ajustajul are jocuri mici.

O utilizare a sistemului de blocare este benefică pentru buna funcţionare a modulului.,

4. Minimaizarea forţei de inserţie

Calcularea forţei maxime de inserţie rezultă din produsul dezaxării cu rigiditatea laterală a modulului de

complianţă.

Se recomandă să se mininimizeze rigiditatea modulului când se montează piese uşoare sau delicate.18

Sistemul de blocare

Sistemul de blocare este acţionat de către un motor pneumatic liniar care trage placa

inferioară spre cea superioară astfel încât placa intermediară centrează precis pe bolţurile de

protecţie la suprasarcină, deci se obţine o poziţionare şi orientare precisă a obiectului apucat de

prehensor faţă de sistemul de referinţă al robotului. În această stare modulul de complianţă

devine un rigid pe direcţie laterală.

Monitorizarea sistemului de blocare se face prin intermediul unui senzor de proximitate şi a

unui şurub-piuliţă montat în placa intermediară.19

3. MODULE DE COMPLIANŢĂ SOMMER

Fig. 47.

20

MODULE DE PROTECŢIE LA SUPRASARCINI, COLIZIUNI

Modulul de protecţie la suprasarcini, coliziunifuncţionează în următoarele etape:

- În modul normal de lucru presiunea aeruluicomprimat menţine în anumite limite cele douăcorpuri ale modului în poziţie normală (configuraţiaa în figura alăturată).

- În momentul coliziunii endefectorului cu un

1. MODULUL ROBOHAND

- În momentul coliziunii endefectorului cu unobiect sistemul senzorial detectează poziţianecentrică a corpului inferior şi trimite un semnal lacontrolerul RI.

- Controlerul comandă eliminarea instantanee aaerului comprimat din incinta corpului superior, înconsecinţă endefectorul se poate mişca liber înanumite limite, şi simultan încetează mişcareaelementelor mecanismului de ghidare a RI simultancu acţiunea frânelor din cuplele LG.

- Endefectorul este repoziţionat manual şisenzorul comandă reintroducerea presiunii în modulşi astfel endefectorul este readus în poziţiaantecoliziune.

Fig. 48. Schema funcţionării modului anticoliziune

(Robohand Inc)

a b

21

2. PROTECTOR TM- Dispozitiv de protecţie a roboţilor la coliziuni

Tip SR-**, ATI International Automation, www.ati-ia.com

Sistemul permite resetarea automatădupă coliziune (reconstituire cu o precizie0.02mm) şi îndepărtarea cauzei coliziunii,astfel că operatorul uman nu este nevoit săintre în spaţiul de lucru al RI.

Protector este compliant pe toate cele treiaxele X, Y, Z şi permite resetarea automatădacă rotaţia torsională nu depăşeşte20...250.Şocul coliziunii este absorbit prin

intermediul aerului comprimat. Energia

a b c

Fig.49. Tipuri de coliziuni: a.unghiulară; b. compresivă; c. torsională

intermediul aerului comprimat. Energiaabsorbită este redirecţionată ulterior pentruresetatea sistemului.

Sensibilitatea sistemului al coliziuni estereglabilă. Implicit Protector reacţionează la odeplasare axială de 0.5 mm.

Interfaţa cu flanşa terminală a mec. de ghidare a RI

Conector Brad Harison

Interfaţa cu flanşa endefectorului

SR-45

Fig. 51.Fig. 50.22

Şurub de reglare a sensibilităţii

Bloc de conectare

Piston absorbitor de şocuri

Locaş pentru arc adiţional

Fig. 52.

Locaş pentru arc adiţional(arcul este utilizat doar pentrucoliziunu slabe, aerul pentrucoliziuni puternice)

Senzor normal închis

Camă

Sferă

Corp inferior

23

RPTCMTudor Păunescu 13.1

www.steinbockus.com

1

BIBLIOGRAFIE

2

BIBLIOGRAFIE

[BAB96] Babeu T. Logistică industrială. Universitatea

Politehnica Timişoara, 1996.

[CAL97] Calefariu G şa. Automatizarea sistemelor de

producţie. Univ. Transilvania din Braşov, 1997.

[CRI95] Cristea L. Automate de control şi de servire.

Univ. Transilvania din Braşov, 1995.

[CRI88] Crişan I şa. Sisteme de montaj cu roboţi şi

manipulatoare. Editura Tehnică,Bucureşti, 1988.

www.automatedconcepts.com

www.denso-wave.com

www.mobilerobots.com

www.midaco-corp.com

www.bookitek.co.kr

www.delmia.co.uk

www.agvp.com

www.egeminusa.com[DOR88] Dorin A. Enciu G. Robocarele sistemelor

flexibile de fabricaţie. TCMM nr. 4, Editura Tehnică,

Bucureşti, 1988.

[OLI89] Pascal Olivier. A perirobotique

d’assemblage.25. Hermes.1989.

[PAU98] Păunescu T. Celule flexibile de prelucrare.

Modelare, simulare si optimizare. Ed. Univ. Transilvania

din Brasov, 1998.[TUA04] Tuan Le-Anh, M.B.M. De Koster. A Review OfDesign And Control Of Automated Guided VehicleSystems. Erasmus Research Institute of Management(ERIM), 2004.

www.egeminusa.com

www.agvsystems.com

www.amerden.com

www.fmcsgms.com

www.pmh-co.com

www.steinbokus.com

www.indumat.de

www.jervisbwebb.com

www.skilledrobots.com

www.coreconagvs.com

3

AVANTAJELE UTILIZĂRII ROBOCARELOR

Avantajele utilizării robocarelor în comparaţie cu metodele clasice de transfer lung şi manipulare a

obiectelor paletizate, pachetizate sunt:

- reducerea costului manoperei şi a altor costuri asociate: un robocar poate lucra 3 schimburi/zi,

astfel făcându-se economii de salarizare a cel puţin 3 operatori umani;astfel făcându-se economii de salarizare a cel puţin 3 operatori umani;

- creşterea productivităţii;

- micşorarea pierderilor datorate manipulării incorecte: un robocar se poate poziţiona faţă de ţintă

cu o precizie de ± 1 cm, precizie mai mare decât cea realizată prin intermediul cărucioarelor cu furcă

conduse manual;

- creşterea siguranţei pentru operatorii umani: deoarece în zonele unde se operează cu mase mari

se reduce prezenţa umană directă, în plus robocarele fiind dotate cu sisteme de senzori pentru detectarea

coliziunilor, se reduc accidentele de muncă şi costurile sociale derivate din acestea;

- creşterea flexibilităţii: comparativ cu transferul prin conveioare, traiectoria robocarelor poate fi uşor

modificată, se pot efectua optimizări ale acesteia, în plus suprafaţa ocupată la sol se reduce substanţial.4

ASPECTE ECONOMICE ALE UTILIZĂRII ROBOCARELOR (AMERDEN Inc ):

- Costul unui robocar: un robocar tip furcă costă aprox. 75000$, iar cu instalare, software şi restulsubsistemelor auxiliare, investiţia se ridică la 150000$/robocar.

- Durata de viaţă a unui sistem de robocare este de 10 ... 20 ani.- Recuperarea investiţiei se face, de regulă, în 2 ... 5 ani (vezi graficul de mai jos).

Comparativ cu o investiţie pentru un sistem bazat pe cărucioare de manipulare conduse de operatoriumani, un sistem de robocare are asociate următoarele costuri (Steinbock):

- majorare investiţie 400%;- costuri cu manopera 5%;- costuri cu întreţinerea 200%;- pierderi datorate deteriorării obiectelor manipulate 5%;

Un schimb Două schimburi

Investitia Investitia Investitia

ani ani ani

Trei schimburi

5

DINAMICA DEZVOLTĂRII SISTEMELOR DE ROBOCARE

CALCULUL NUMĂRULUI DE ROBOCARE

60⋅

⋅

+⋅

=

s

kv

DtN

n

N este numărul total de transferuri efectuate într-o zi.t [min] este timpul necesar unui transfer scurt (încetinire, livrare/preluare obiect transportat, îndepărtare de postul de lucru).D [m] distanţa totală parcursă pentru transferuri lungi într-o zi. v [m/min] viteza medie a robocarului, în general v=0.85 vmax, valori uzuale v=1 m/sec.k factor de pierdere datorat aglomeraţiei de trafic, schimbare baterii etc.s [h] este durata de lucru într-o zi, s=8, 16 sau 24 h.

DINAMICA DEZVOLTĂRII SISTEMELOR DE ROBOCARE

- Primele sisteme de robocare au intrat în exploatare industrială în anii 50, cu aplicaţii simple de tractarea unor cărucioare.

- În faza iniţială se utilizau sisteme de ghidare cu suport continuu: ghidare prin fir şi prin bandăreflectorizantă.

- Pe la mijlocul anilor 80 a început să se utilizeze ghidarea cu laser, iar prin anii 95 ghidarea inerţială.- În ultimii ani s-a experimentat şi implementarea sistemelor de vedere artificială.- Actualmente sistemele de robocare includ subsisteme de management al traficului, mijloace de

comunicare interrobocare şi cu serverul central (comunicare radio FM), managementul sistemului.- Direcţiile principale de dezvoltare sunt: mărire a flexibilităţii şi a autonomie a robocarului (sisteme de

conducere descentralizate), bazate pe senzori evoluaţi şi software performant care să includă elemente deinteligenţă artificială. 6

Rolul robocarelor (abreviate în engleză AGV- Automated Guided Vehicle, în prezentul document RC) este

de transfer lung a obiectelor individuale, paletizate sau pachetizate în sisteme automatizate de fabricaţie şi

de transfer scurt la / de la posturile de lucru, magazine, depozite de obiecte.

Subsistemele principale unui robocar (considerat ca individualitate):

- 1. Subsistemul mecanic, din care esenţiale sunt:

- subsistemul de locomoţie, în marea majoritate a cazurilor locomoţie pe roţi, Vmax=1.5 m/s;

- subsistemul de transfer scurt;

- 2. Subsistemul energetic, în general baterii plasate pe robocar (24V, 48V), care asigură o autonomie pe

durata unui schimb (8 ... 12 h), unele RC îşi pot reîncărca sau schimba automat bateriile;

- 3. Subsistemul senzorial: senzori exteroceptivi standard sunt cei de ghidare a RC şi de coliziune.

- 4. Subsistemul de conducere;

- 5. Subsistemul de comunicare cu: server-ul sistemului de fabricaţie, între RC, cu operatorul uman.7

Sistemele de robocare (AGVS-Automated Guided Vehicle Systems) sunt compuse din: robocare,

sistemul de ghidare, staţii de încărcare/schimbare a bateriilor, sistemul de control a traficului, sistemul de

comunicare, sistemul de programare

FUNCŢIILE PRINCIPALE ALE SISTEMELOR DE ROBOCARE

- Navigare şi ghidare: ghidare cu suport continuu (prin fir, prin bandă reflectorizantă), ghidare cu suport

discret (fără fir: inerţială, laser), pentru amănunte vezi subcapitolul “Ghidarea RC”.

- Planificarea traiectoriei: capacitatea de a lua decizii astfel încât ţinta să fie atinsă pe baza unor criterii

de optimizare.

- Managementul traficului: capacitatea de a evita coliziunile cu alte RC, fluidizarea traficului etc. în mod

dinamic.

- Transferul de încărcare/descărcare: manual: cuplare/decuplare cărucioare trase de un RC remorcher,

plasarea manuală a obiectelor pe platforma RC, plasarea automată pe bază de moto-căi de rulare, lanţuri,

curele; pe bază unor furci.

- Managementul sistemului: monitorizarea sistemului, conducerea descentralizată a RC-urilor,

centralizată sau hibridă.8

ARHITECTURI ALE ROBOCARELOR

ROBOCARE TIP FURCĂ ROBOCARE TIP PLATFORMĂ

CLI

C P

E IM

AG

INE

ROBOCARE TIP FURCĂ ROBOCARE TIP PLATFORMĂ

ROBOCARE TIP REMORCHER ROBOCARE DEDICATE ŞI ROBOCARE ECHIPATE CU BRAŢ ROBOT

CLI

C P

E IM

AG

INE

9

ROBOCARE TIP FURCĂ

Sen

zor

ultr

ason

icJo

ystic

kC

alcu

lato

r de

bor

d

GiroscopAverizoare optice, sonoreScaner laserModul de control

Pan

el d

e co

ntro

lS

cane

r la

ser

antic

oliz

iune

SteinbockSenzor magnetic Terminal pt. diagnostic

Sen

zor

ultr

ason

ic

Dispozitive anticoliziune

Dsp

. pt.

încă

rcar

e ba

terii

Sca

ner

lase

r an

ticol

i

10

RC tip furcă sunt echipate cu un elevator care are ca endefector o furcă reglabilă ca deschidere. Uzual,

mecanismul de ridicare/coborâre este de tip pinion-lanţ, sau cu cablu. Mişcarea de avans/retragere a furcii

se poate face prin sistemul de locomoţie a robocarului (fig. a) sau printr-un mecanism de translaţie (fig. b).

RC tip furcă pot acţiona frontal (fig. a, b) sau lateral (fig.d), mobilitate utilă mai ales dacă RC furcă

efectueză operaţii de servire pe culoare înguste, unde nu este posibilă poziţionarea frontală (vezi cazul

depozitelor fig. e).

a b11

d d

RC tip furcă cu acţiune laterală relativ la direcţia de deplasare

e

12

RC furcă cu contragreutate(Counterbalance Type AGV )

RC furcă cu picioare de stabilizare RC cu mecanism de rotire a furcii

Pentru mărirea manevrabilităţii, şi micşorarea spaţiului necesar manipulării, se utilizează mecanisme detranslaţie orizontală şi rotire a furcii după o axă verticală (fig. h şi i). O comparaţie între spaţiile de lucrunecesare pentru trei arhitecturi de RC furcă evidenţiază avantajul net al RC cu furcă rotitoare.

i

f g h

13

SISTEME MULTIFURCĂ

RC cu două furci pe orizontală RC cu două furci pe verticală

www.amerden.com

14

ROBOCAR TIP PLATFORMĂ

www.amerden.com

RC PLATFORMĂ DE BAZĂ

(doar cu sistem de locomoţie)

RC tip platformă, cu capacitate mică de încărcate(100 ... 200 Kg)

RC tip platformă joase, se utilizează în servicii industrialesau spitale, pot fi echipate cu platforme ridicabile sau tipconveior cu acţiune laterală.

www.jervisbwebb.com

15

www.jervisbwebb.com

Exemplu de RC platformă,

conceput modular, care cu

diverse echipări poate fi

folosit ca RC de transfer,

platformă de asamblare,

RC remorcher (vezi şi

slide-ul următor)

16

www.jervisbwebb.com

ab

RC SmartCart tip remorcher standard. RC SmsrtCart platformă standard

www.jervisbwebb.com

c

Concepţia modulară a robocarului SmartCart:

a. Componentele RC tip remorcher.

b. Componentele RC tip platformă de bază.

c. Componentele şasiului cu dimensiuni reglabile.

Pe aceste structuri se pot ataşa alte module cu funcţiile:

- detector de supraîncărcare;

- dispozitiv de reîncărcare a bateriilor;

- interfaţă tip conveior cu role;

- dispozitiv pentru manevrare manuală.Şasiul extensibil al RC SmartCart 17

RC cu platformă ridicabilă

18

RC platformă dublă cu acces unilateralpentru operare cu conveioare

Transferul scurt între RCşi conveior se efectueazăprin intermediul unuimecanism de translaţiebisens, cu care poate fiechipat robocarul sauconveiorul.

RC platformă cu acces bilateral, pentru operare cu conveioare

19

ROBOCAR TIP REMORCHER

Capacitatea de remorcare a RC este în general de 4 ... 20 t.

Robocar-remorcher de containereRobocar-remorcher utilizat în depozite poştale

20

ROBOCARE DEDICATE

RC dedicate transferului obiectelor cilindrice grele (role de hârtie, butoaie), cu manipulare laterală

21

RC pentru transferul produselor chimice

RC curier postal

RC pentru role de tablă cu mase mari

22

ROBOCARE ECHIPATE

CU BRAŢ ROBOT

www.denso-wave.com

23

SISTEMUL DE LOCOMIŢIE

RC a, b, c de pe prima coloană sunt dotate cu una sau două roţi de propulsie-dirijare.

Cea mai simplă soluţie este reprezentată în fig. a : o roată de unică de tracţiune - dirijare şi două roţi libere.

În fig. B roţile neantrenate sunt legate cinematic.

RC tip c relizează propulsia-dirijarea prin două roţi, la care se adaugă două roţi libere.

RC d, e separă propulsia de dirijare pe roţi diferite [CRI88].

[CRI88]

24

GHIDAREA PRIN FIR

Ghidarea prin fir este cea mai frecvent aplicată, dacă

calea RC rămâne invariabilă pe o perioadă mai lungă de

timp.

A fost primul tip de ghidare aplicat la RC.

Prin firul îngropat în podea trece curent alternativ

(canal la adâncime 18-20mm şi lăţime 5 mm, tăiat cu

utilaje speciale).

Firele sunt alimentate la diferite frecvenţe: 7-15 KHz

GHIDAREA ROBOCARELOR

METODE DE GHIDARE

Actualmente se utilizează următoarele tipuri de ghidare a robocarelor: prin fir, optică, inerţială, laser şi bazată pe vedere

3D. Ghidările pe căi de rulare tip şină sunt depăşite datorită dificultăţilor de modificare a traiectoriilor şi a ocupării unei

suprafeţe apreciabile la sol.

Firele sunt alimentate la diferite frecvenţe: 7-15 KHz

pentru ca RC să poată alege un traseu la joncţiunea între

trasee.

Mai rar se utilizează o bandă magnetică lipită de

podea, sistemul este mai ieftin dar riscurile de deteriorare

sunt mai mari.

Se poate efectua o bună dirijare deoarece

intensitatea câmpului scade puternic cu distanţa.

Senzorul este format din două bobine plasate de o

parte şi alta a firului. Câmpul variabil induce curent în

bobine. Diferenţa de tensiune, filtrată şi amplificată

permite o dirijare precisă a RC. Dacă RC este centrat pe

fir tensiunile sunt egale, deci diferenţa este zero. La

devieri de la traiectorie apar diferenţe de tensiune.

www.agvp.com

25

www.agvp.comwww.agvp.com

Canalele pot cuprinde mai multe fire, fiecare alimentate separat şi lucrând cu frecvenţe diferite (1 ... 4 ). Acestea suntizolate de exterior prin inserarea în partea superioară a canalului a unuia sau a două straturi.

Datorită progreselor înregistrate în sistemul senzorial exteroceptiv şi a softului de comandă, nu se introduc fire deghidare şi la porţiunile curbe ale traiectoriei (distanţe de câteva zeci de cm), fapt ce simplifică mult operaţia de tăiere acanalelor.

Numeroase RC sunt dotate cu mai multe antene:- o antena pentru detectarea devierii de la traiectoria firului;- o antena plasata perpendicular pe prima, pentru detectarea firelor perpendiculare pe cel al traiectoriei principale;- o antena suplimentara pentru RC care se pot deplasa in doua sensuri.

Sistemele performante pot atinge o precizie de pozitionare de ± 3 mm.

26

Scanerul laser îninfraroşu, invizibil şi inofensivpentru ochiul uman, estemontat în partea superioară aRC (“girofar”). Acesta trebuiesă aibă o bună vizibilitateasupra elementelorreflectorizante plasate pepereţi (în general sub formaunor cilindri reflectorizanţi).Raza rotitoare efectuează 5 ...20 scanări/sec şi are bătaie de

GHIDAREA CU LASER

Element reflectorizant

Scanerul laser

20 scanări/sec şi are bătaie demaximum 30 m.

Pentru o dirijare corectăraza laser rotitoare trebuie săatingă cel puţin 3 treielemente reflectorizante, însămedia este de 5.

Scanerul măsoară dist.la elementele reflectorizante şiprin calcul se deduc poziţia şiorientarea RC.

Ghidarea laser a începutsă fie exploatată prin anii 85.

(www.agvp.com)

Ghidarea prin laser asigură

maximum de precizie şi

flexibilitate a traiectoriei RC,

comparativ cu celelalte metode

reflectorizant

27

GHIDAREA INERŢIALĂ

Ghidarea inerţială utilizează

mici magneţi îngropaţi în podea cu

pas de aproximativ 5 ... 7.5 m.

Aceştia au rol de marcatori ai

traiectoriei RC, puncte de referinţă.

Costul instalării este mult mai

mic comparativ cu cel asociat unui fir

îngropat şi mai mic decât cel cu

laser. Sistemul de control este mai

În scopul menţinerii direcţiei corecte RP este dotat cu un giroscop cu o singură axă, care măsoară

acceleraţiile Coriolis şi le converteşte în tensiuni proporţională cu deviaţia unghiulară a robocarului.

Feedback-ul: distanţa parcursă şi orientarea RC se măsoară prin senzorul asociat motorului unei roţi

propulsoare, respectiv prin senzorul instalat pe motorul roţii de dirijare unghiulară. Cu un senzor bazat pe

efect Hall se măsoară câmpul magnetic al magneţilor îngropaţi în podea.

Ghidarea inerţială a început să fie exploatată industrial pe la mijlocul anilor 90.

ieftin în comparaţie cu cel laser, însă

precizia de poziţionare este mai

mică.

Ca precizie ghidarea magnetică

este inferioară ghidării prin fir.www.agvp.com

28

GHIDAREA OPTICĂ

Ghidarea optică se bazează pe un marcaj reflectorizant vopsit

Sistemul necesită o sursă de lumină şi un set de fotocelule

montate pe RC. La modificarea poziţiei relativ la marcaj, variaţia

intensităţii luminoase a luminii reflectate, convertită în tensiune,

serveşte ca semnal pentru dirijare.

Principiul este asemănător cu cel al ghidării prin fir.

Schema de principiu a ghidării optice Ghidarea optică se bazează pe un marcaj reflectorizant vopsit

pe podea (banda are o lăţime de aprox. 20 mm). Pentru a se

elimina perturbaţiile datorate luminii naturale se lucrează în

spectrul ultraviolet.

Un avantaj ar fi preţul de cost redus al marcării şi uşurinţa

modificării lui.

Dezavantajul principal este nesiguranţa lui în mediul industrial

unde poate fi murdărit, întrerupt etc. Se aplică mai rar doar în

secţiile curate sau în medii neindustriale care îndeplinesc condiţiile

enumerate anterior.

Schema de principiu a ghidării optice

Fotografie în ultraviolet în care sunt vizibile benzile de ghidare

29

GHIDAREA VIZUALĂ 3D

Sistemul de ghidare vizuală 3D a RC este în fază de exploatare, primele RC demonstrative au fost făcute

la finele anului 2004 (www.amerden.com).

Conform specificaţiilor de proiectare se aşteaptă să se obţină precizii şi fiabilitate comparabile cu cele

obţinute prin ghidare cu fir sau laser. Se preconizează simplificări substanţiale ale proiectării traseului AGV, o

flexibilitate superioară în programarea RC.

Ca hardware sistemul vizual 3D se bazează pe 4 camere video şi un calculator de bord. Feed-back-ul

vizual îl elimină pe cel bazat pe odometru (dispozitiv pentru măsurarea distanţelor parcurse) care este relativ

imprecis. Sistemul de navigaţie vizuală compară imaginile captate cu harta memorată, efectuîndu-se

corecţiile necesare.

REŢELE DE GHIDARE A ROBOCARELOR

Caracteristicile principale ale reţelelor de ghidare a RC sunt concentrate în tabelul de mai jos [TUA04]:

Topologia reţelei Nr. de căi paralele Direcţia de deplasare

Convenţională Una Unidirecţională

O singură buclă Mai multe Bidirecţională

Tandem30

Reţeaua convenţională: reţeaua leagă toate posturile de lucru, poate conţine joncţiuni, intersecţii,

scurtături, robocarele se pot deplasa uni sau bidirecţional. Sistemul unidirecţional se aplică mai ales pentru

hale de depozitare şi centre de distribuţie (vezi fig. de mai jos). Sistemul bidirecţional permite o utilizare mai

eficientă a robocarelor, însă pentru o reţea relativ complexă de căi de deplasare şi multe robocare problema

controlului poate deveni foarte complicată. O rezolvare ar fi utilizarea căilor paralele (una pentru un sens,

cealaltă pentru sensul opus de deplasare), însă sistemul este scump şi ocupă şi o suprafaţămajorată la sol.

În concluzie sistemul bidirecţional asociat reţelelor convenţionale se aplică doar dacă probabilitatea de

interferenţă a robocarelor este foarte mică.

31

Reţea convenţională cu căi unidirecţionale

Obs. P şi D abrevieri de la Pick-up and Delivery Stations

Reţea convenţională cu căi bidirecţionale

Obs. P şi D abrevieri de la Pick-up and Delivery Stations

32

Reţeaua cu o buclă: robocarele se deplasează pe o singură buclă, fără rute alternative sau scurtături.

Uzual robocarele se deplasează unidirecţional, în consecinţă controlul este simplu, însă pentru o aceeaşi

aplicaţie trebuie prevăzute mai multe robocare decât în cazul reţelei convenţionale.

Deşi nu exisă intersecţii de traiectorii, datorită vitezelor diferite de deplasare a robocarelor, pot exista

interferenţe.

Reţeaua tandem este segmentată în mai multe zone, în fiecare zonă există doar un robocar care se

deplasează bidirecţional, la capetele fiecărei zone se află câte un depozit de transfer, astfel sunt eliminate

total blocările de trafic şi interferenţele între robocare.

33

Topologia reţelei Avantaje Dezavantaje

Convenţional - Flexibilitate în alegerea rutei.- Optimizarea rutei pe baza criteriului distanţei minime parcurse.- Toleranţă la defecte apărute pe căile de ghidare.

- Control complicat.- Sunt posibile frecvente incidente de trafic.- Dificil de modificat /extins reţeaua.

O singură buclă - Control simplu. - Flexibilitate redusă a rutelor.O singură buclă - Control simplu.- Blocajele, congestionarea traficului, interferenţele între robocare sunt mai reduse decât în cazul reţelei convenţionale.

- Flexibilitate redusă a rutelor.- Toleranţă redusă la defectarea reţelei.- Sunt posibile interferenţe şi blocări ale RC.- Este necesară o capacitate mai mare de transfer.- Traseele sunt relativ lungi.- Dificil de modificat/extins.

Tandem - Nu există congestionări sau blocări ale traficului.- Control simplu.- Reţeau poate fi uşor de extins.- Deplasări bidirecţionale, care măresc eficienţa utilizării robocarelor.

-Trebuie prevăzute depozite intermediare de transfer,- Într-o zonă poate exista numai un robocar.- Toleranţă redusă la defectări.- Număr mai mare de manipulări ale fiecărui obiect transferat de robocare.- Timp mai lung de manipulare.

34

Subsistemul senzorial: senzori

exteroceptivi standard sunt cei deghidare a RC şi de coliziune. Pentrusenzorii de ghidare vezi subcapitolul

Senzor fotoelectricsenzorii de ghidare vezi subcapitolulGhidarea robocarelor.

Senzorii coliziune:- bandă deformabilă (vezi barele

de protecţie a autovehiculelor rutiere);- senzori laser;

- senzori fotoelectrici;

- senzori ultrasonici, utilizaţi înscopul ocolirii obstacolelor, echiparemai puţin frecventă.

Bandă deformabilă

Senzor laser

35

Bandă deformabilă Senzor laser

36

Schimbatorul automat de palete (SAPa) este format dintr-o platforma cu 1..3 grade de mobilitate, care esteelementul intermediar de transfer, de obicei între PL şi RC.

SCHIMBATOARE AUTOMATE DE PALETE DISPOZITIV DE LUCRU (SAPa-dl)

Dacă RC manipulează PaDL, transferul de la RC la PL ( de obicei centru de prelucrare), sau de la magazinullocal al PaDL la PL se face prin intermediul unor SAPa care sunt plasate frontal la PL.

Acestea au, în general capacitate de stocare de două PaDL şi pot realiza împingerea/tragerea PaDL pe/de pemasa PL.

1

Uzuale se folosesc două tipuri de SAPa :1. SAPa statice ca ansamblu relativ la PL, formate din doua module de stocare a câte o PaDL,

poziţionate lateral unul faţă de altul, cu cinematica independentă de manipulare a PaDL (fig. a);2. SAPa mobile faţă de PL, care în plus realizează şi o rotire prin pivotare a celor două module care sunt

plasate unul în prelungirea celuilalt (fig. b). Necesită un singur punct de oprire a RC, dar au un spaţiu de lucrurelativ mare, în consecinţă sunt rar aplicate.

Dacă nu se utilizează SAPa (fig. d) se produce o utilizare ineficientă a PL, deoarece după terminarea

2 spații de

depozitare,

turelă

rotitoare

SAPaS

R

R

2

Dacă nu se utilizează SAPa (fig. d) se produce o utilizare ineficientă a PL, deoarece după terminareaprelucrării unui semifabricat, dacă RC nu este disponibil să realizeze transferul PaDL, PL asteaptă. În plus PLnu va putea funcţiona pe perioada în care RC duce piesa la De şi aduce un nou semifabricat.

Dacă se utilizează un RCb sunt posibili timpi de aşteptare de primul tip. Dacă SFF este dotat cu RCc sauRCd ultima categorie de aşteptări se elimină.

Soluţia curentă este asocierea RCb-SAPaS sau SAPaR (fig. b). SAPaS/R joacă rolul şi de depozit tampon.La terminarea prelucrării unui semifabricat, PaDL este plasată pe locul liber, iar de pe celalalt modul se preiao PaDL cu o piesa neprelucrată. Deci RC este degrevat de condiţia de a fi la PL când se termină oprelucrare. Evident că pentru a nu se produce aşteptări la urmatorul ciclu de prelucrare RC va trebui ca peparcursul prelucrării curente să realizeze transferul PaDL între SAPa şi de De(PaDl).

Asocierea RCc sau RCd cu SAPaS sau SAPaR poate scurta timpii de deplasare a RC in SFF, însănecesită RC mai scumpe, mai voluminoase decit RCb şi in consecinţă cu o manevrabilitate mai redusă.

Varianta care conferă o maxima autonomie funcţionala PL este cea din figura a. Practic, se elimină

timpii de aşteptare ai PL, timpi generaţi de nedisponibilitatea RC la solicitarea PL.

3Centru de prelucrare, magazin carusel de PaDl, un modul SAPa-dl

4

SAPa-dl RC

5

SCHIMBĂTOR AUTOMAT DE PALETE

- timp de schimbare a unei palete câteva secunde;

- capacitate încărcare max. 3500Kg;

- acţionare servoelectrică;

- integrată complet cu orice MUCN doar prin două

funcţii M.

[MID]

6

SCHIMBĂTOR MANUAL DE PALETE

- capacitate de încărcare 900 Kg;

- căi de rulare liniare;

- construcţie compactă, picioare reglabile la înălţime;

- butoane duale pentru siguranţă operatorului;

[MID]

SCHIMBATOR AUTOMAT DE PALETE INTEGRAT ÎN UNITĂŢI FLEXIBILE DE PALETIZARE

SISTEM AUTO STOCKER [HIR]

robocar

7

Sistemul este conceput ca modul care se plasează în proximitatea unei benzi transportoare. Lucrează cupalete de la 400 x 300 până la 800 x 600 mm, capacitatea maximă de încărcare fiind 200 Kg, deci estedestinat manipulării pieselor de dimensiuni relativ mici. Transferul scurt şi operaţiile depaletizare/depaletizare a semifabricatelor sunt efectuate de către un robot SCARA sau cartezian. Datorităelevatorului intern SAPa ocupă o suprafaţămică.

Se aplică curent în sisteme de asamblare, paletizare pentru piese turnate din mase plastice,încărcare/descărcare maşini unelte.

SAPa

[HIR]

Sistemele Flexibile de Fabricaţie (SFF) sunt dedicate unor familii de semifabricate

care pot conţine relativ multe repere, a căror variabilitate de forma şi de dimensiuni

poate fi apreciabilă. În consecinţă, apare necesitatea interfaţării între semifabricat şi

Postul de Lucru (PL).

8

Interfaţa uzuală este paleta, materializată sub următoarele forme:

1. Paleta dispozitiv de lucru (PaDL), care conţine unul sau mai multe dispozitive

de lucru, în general modulare. Placa de bază a PaDL are elemente pentru poziţionare şi

fixare precisă pe masa PL şi elemente specifice pentru a fi manipulată, de obicei, de

către robocar.

2. Paleta (Pa) are funcţii de depozit mobil de stocare, decuplare sau compensare.

3. Paleta pentru transferul obiectelor pachetizate

În afară de purtatoare de piese Pa poate fi purtatoare şi de informaţii. Astfel Pa poate fi personalizată prin intermediul

unui “chip” sau a unui cod de bare, care conţin informaţii codificate referitoare la reperul cu care este încărcată, starea de

prelucrare a acestuia etc.

Metode de

apelare a programului

9

Se aplica două principii diferite de pregătire a programului CN al PL:

1. Apelarea programului prin intermediul piesei paletizate (fig.a). Paleta în circulaţie caută un PL liber, care are

capacitatea de prelucrare a pieselor purtate. Testarea compatibilităţii Pa(S) – PL se realizează prin compararea codului Pa cu

numărul de ordine al PL. În timpul manevrelor de încărcare a Pa în zona PL calculatorul de conducere a fabricaţiei (CCF) trimite

la echipamentul CNC al PL programul aplicaţiei.

2. Apelarea piesei prin program (fig. b). Programul CN de aplicaţie este transferat în memoria echipamentului CNC al unui

PL. Acesta din urmă citeşte numerele de cod ale tuturor paletelor pe care le deplasează ST, le compară cu codul program

memorat şi dacă coincid comandă deplasarea Pa spre PL.

Prima metoda permite o flexibilitate mai mare, însă datorită faptului că nu se poate predefini o asociere semifabricat-PL,

anumite corecţii nu pot fi efectuate de echipamentul CNC al PL, trebuind să fie memorate centralizat în CCF.

2.1. ROBOŢI PENTRU SERVIREA PRESELOR

Caracteristici ale procesului tehnologic şi a manipulării semifabricatelor prelucrate prin deformare

la rece:

- productivitate mare a executării prelucrării, mai ales pentru piese mici cu folosirea preselor

rapide;

1 1

rapide;

- numărul de grade de mobilitate a manipulatorului sau RI care serveşte o presă este în general

mai mic decât 6;

- utilajele de presare a semifabricatelor de dimensiuni relativ mari sunt în general scumpe şi

complexe, deci procesul de servire trebuie să fie foarte rapid, pentru a nu diminua productivitatea

presei;

- extragerea semifabricatului din ştanţă sau matriţă trebuie să se facă uşor, aceasta trebuie

echipată suplimentar cu senzori şi alte subsisteme, comparativ cu servirea manuală.

Fig. 8. Exemple de utilizare a manipulatoarelor cu două braţe la UFP şi CFP prin presare.

Deseori pentru creşterea productivităţii servirii preselor în cazul prelucrării unor semifabricate de

1 2

Deseori pentru creşterea productivităţii servirii preselor în cazul prelucrării unor semifabricate de

dimensiuni mici sau medii se utilizeazămanipulatoare cu două braţe.

Ideală este utilizarea preselor cu batiu în formă de C şi a ştanţelor, matriţelor cu coloane în spate pentru

a nu împiedica intrarea prin rotaţie a braţului robotului în spaţiul de operare a matriţei. În consecinţă se pot

utiliza braţe robot de lungime fixă (au mase şi momente de inerţie minime).

În fig. 8.1 se manipulează piese individuale. Postul de lucru (PL), postul de intrare (PI) şi cel de ieşire

(PE) sunt plasate pe aceeaşi suprafaţă cilindrică coaxială cu cea axei de pivotarea a manipulatorului. PI şi

PE sunt poziţionate simetric unghiular faţă de PL, deschiderea între braţele manipulatorului este jumătate

din unghiul PI-PE. PL, PI şi PE dacă este posibil se plasează la aceeaşi înălţime.

La CFP din fig. 8.2 PL sunt înseriate, piesa prelucrată la PL2 este eliminată automat (fără intervenţia RI).

CFP din fig. 8.3. PL sunt înseriate, PL2 este alimentată cu semifabricate automat (fără intervenţia RI),

printr-un dispozitiv specializat.

1 3

Fig. 8 continuare

CFP din fig. 8.4. poate prelucra două semifabricate diferite. Cele două braţe trebuie să fie extensibile

pentru a putea accesa PI şi PE, care sunt plasate radial.

Varianta 8.5, RI cu două braţe poate servi două prese, care prelucrează acelaşi reper, sau repere

diferite, eliminarea pieselor prelucrate la ambele prese se face automat, fără intervenţia manipulatorului.

Fig. 8 continuare

1 4

În fig. 8.6. este reprezentată o CFP cu două PL serie. Legătura între ele se face printr-un conveior

(notat cu ST-AC: sistem de transfer şi acumulare).

CFP din fig. 8.7. este formată din trei PL înseriate. Servirea PL se face cu două manipulatoare cu câte

două braţe. Primul PL este înseriat de grupul celorlalte două prin intermediul unui post de aşteptare, eventual

un conveior ca în figura anterioară.

Observatie. Solutia manipulatoarelor cu doua brate se utilizeaza actualmente foarte rar, s-a aplicat cu

mai mult succes in periada de inceput a robotizarii industriale, deoarece:

- Un RI cu doua brate are o masa si un moment de inertie relativ mare deci regimurile de

accelerare/deccelerare nu pot fi rapide.

- Sunt impuse conditii stricte de plasare a PL, PI, PE deci layout-ri rigide.

A ŞAPTEA AXĂ A RIw

ww

.abb

.com

/rob

otic

s

1 5

ww

w.a

bb.c

om/r

obot

ics

1 2 3

1 6

4 5

Datorită celei de a

şaptea axe RI poate

conserva orientarea piesei

în timpului transferului

scurt, situaţie avantajoasă

în procesul de servire a

preselor (se micşorează

forţele de inerţie şi

vibraţiile).

Alte avantaje:

-îmbunătăţire ciclu de lucru;

- micşorarea distanţei dintre

prese;

- o mai eficientă ocupare a

suprafeţei halei de

producţie.

2.2.1. POSIBILITĂŢI DE SIMPLIFICARE A LANŢURILOR DE GHIDARE A RI

Simplificarea MA are ca efect direct micşorarea timpilor de aşteptare a PL şi creează condiţiileutilizării unor RI de complexitate mai mică cu efecte economice benefice.Principalele mijloace de de simplificare a MA sunt:

1. Conservarea orientării semifabricatului pe toată lungimea itinerarului tehnologic din SFP.2. Distribuirea gradelor de mobilitate necesare alimentării PL şi altor dispozitive de manipulare, diferite

de RI. Soluţia “ajutării RI” de către alte sisteme complementare duce la ieftinirea manipulării.

În figura 14 a semifabricatele suntplasate pe o Pa fixă.

Deoarece semifabricatul îşi conservă

1 7

Deoarece semifabricatul îşi conservăaxa orizontală s-a adoptat un mecanismdublu paralelogram în componenţamecanismului de ghidare. În consecinţă RIare 4 grade de mobilitate, comparativ cu 5grade de mobilitate în cazul absenţeiacestui mecanism

În figura 14 b Pa este plasată pe o masăcare poate executa translaţii Ty. RI nu maitrebuie să caute semifabricate pe aceastădirecţie şi în consecinţă va fi suficient un

mecanism de ghidare cu 3 mobilităţi.

Fig. 14

Noţiuni privind paletizarea/depaletizarea obiectelor:

- o unitate pachetizată reprezintă o grupare prin suprapunere sau alăturare a unor mărfuri de acelaşi

tip într-un tot unitar, ambalat sau neambalat. De obicei se formează o unitate pachetizată din obiecte de

aceleaşi dimensiuni;

- o unitate paletizată poate conţine obiecte de dimensiuni diferite, organizate pe straturi. Într-un strat

CARACTERISTICI ALE ROBOŢILOR DE PALETIZARE

1 8

- o unitate paletizată poate conţine obiecte de dimensiuni diferite, organizate pe straturi. Într-un strat

obiectele pot fi avea o aşezare simplă, aşezare ţesută simplă sau încrucişată;

O încărcătură paletizată trebuie să îndeplinească condiţiile [BAB96]:

- să valorifice la maximum capacitatea de încărcare a paletei;

- fiecare obiect trebuie să vină în contact cu cel puţin două obiecte de acelaşi fel;

- încărcătura paletizată trebuie să aibă o bună stabilitate la răsturnare;

- nu se admit depăşiri mai mari de 5% ale obiectelor paletizate în raport cu lungimea, lăţimea paletei;

Deoarece paletizarea se efectuează în straturi paralele cu suprafaţa paletei, este raţional ca lanţul de

ghidare a RI să conţină un lanţ de poziţionare care să genereze o suprafaţă plană care este transformată

în volum de către o cuplă de translaţie cu axa perpendiculară pe suprafaţa amintită. În consecinţă este

suficient un mecanism de ghidare cu 4 grade de mobilitate:

- RI cartezieni, de obicei tip portal dublu;

- RI SCARA;

- RI unghiulari cu mecanism dublu paralelogram pentru conservarea orientării endefectorului, se

utilizeazămai rar şi roboţi în coordonate unghiulare cu 6 grade de mobilitate.

1 9

utilizeazămai rar şi roboţi în coordonate unghiulare cu 6 grade de mobilitate.

Sunt suficiente precizii de repetabilitate de ± 0.3 ... ± 0.5 mm.

Capacităţile de încărcare sunt de la câteva zeci până la câteva sute de Kg.

În general se utilizează sistemul de programare PTP.

RI de paletizare, pot fi dotaţi cu senzori vizuali şi soft adecvat pentru recunoaşterea formelor.

Prehensoarele au un gabarit relativ mare, sunt amovibile sau au un grad mare de universalitate.

Spaţiul de operare este dimensionat pentru a cuprinde cel puţin două palete europene

(800x1200mm) plasate una lângă alta (vezi figura 22).