CAPITOLUL 1 1.1
Semnificatie sistem automat
Un sistem automat este ansamblul alcatuit din elementele necesare automatizarii (dispozitivul de automatizare) si procesul de prelucrare (instalatia automatizata) pe un anumit sistem tehnologic.
SISTEME TEHNOLOGICE
Sisteme cu circuit deschis
Sisteme cu circuit inchis
Functie de modul de circulatie a informatiilor de deplasare
Fig. 1. Sisteme tehnologice
4
Sisteme cu circuit deschis
Program de prelucrare
Echipament de CN
Date de intrare
Trenuri de impulsuri
Element de executie
Comenzi Marimi de natura electrica
Semnale numerice codificate
Element de actionare
Cuplu/forta
Marimi de natura analogica
*Circulatia informatiei este intr-un singur sens: de la ECN la OM Fig. 2. Sisteme cu circuit deschis
5
Organul mobil
Sisteme cu circuit inchis
Program de prelucrare
Echipament de CN
Element de executie
Element de actionare
Element de masura
Bucla de reactie
*sistemul poarta denumirea de sistem de reglare numerica Fig. 3. Sisteme cu circuit inchis
6
Organul mobil
Conducerea unui proces tehnologic impune în primul rând, stabilirea unui obiectiv al conducerii care fixează de fapt destinaţia funcţională a procesului respectiv. Materializarea conducerii implică de asemenea, posibilitatea intervenţiei asupra procesului şi posibilitatea cunoaşterii stării curente prin mărimi de ieşire şi respectiv, mărimi de intrare. Aceasta poate fi realizată manual, automat sau semiautomat. Conducerea manuală se caracterizează prin elaborarea şi aplicarea comenzilor de către un operator uman, iar conducerea automată presupune efectuarea acestor operaţii de către un echipament de conducere. În general, conducerea proceselor poate fi descrisă de următoarea schemă bloc:
PT
PO
E
E
SC
I
I
Fig. 4. Conducerea proceselor tehnologice PO – panou operator SC – sistem de conducere PT – proces tehnologic I – intrări în SC E – ieşiri din SC Orice proces tehnologic automat sau semiautomat presupune existenţa panoului de comandă (panou operator) (PO). Chiar dacă procesul e complet automatizat, trebuie să existe un minimum de comenzi (ex., 7
comanda de oprire şi de pornire a sistemului). Cu cât sistemul de conducere va fi mai perfecţionat, cu atât panoul operator va fi mai simplu. Pe panoul operator pe lângă elementele de comandă se pot afla şi elemente de semnalizare. Procesul tehnologic poate fi comandat prin intermediul mărimilor de ieşire din sistemul de conducere.
1.2
Ce reprezinta inscriptionarea ?
A prezenta informaţii generale bine citabile, direct pe obiect, a decora obiectele, pe cât posibil necomplicat si direct integrabil în procesul de producţie, aceasta este cerinţa ce se pune în întreprinderile moderne. Aceasta cerinta reprezinta, in mare, tehnica inscriptionarii. In procesul tehnologic, inscriptionarea este o operatie aferenta ambalarii. Produsul finit este ambalat, etichetat si bineinteles ca va exista si o inscriptie pe acesta. Fiecare produs are o denumire si este realizat de o anumita firma. De exemplu, circuitele integrate electronice au inscriptionate denumirea si firma care le-a produs. Inscriptionarea este si fenomenul prin care se imprima informatia pe CDuri, DVD-uri de catre unitatile optice (CD-WRITER, DVD-WRITER). Firmele apeleaza la orice mijloace pentru a-si face publicitate. In cazul multor companii, a nu avea o reclama aplicata pe autovehiculele proprii e ceva de neconceput. Reclama poate consta in aplicarea pe masina a datelor de contact si a siglei sau chiar in acoperirea totala a vehiculului cu imagini ale produselor ofertate. Cererea este foarte mare, iar inceperea afacerii de inscriptionare necesita investitii minime. Exista doua mijloace principale de inscriptionare auto. Primul e cu un cutter plotter, pentru litere decupate, care indica datele de contact, sigla si eventual informatii minime necesare despre produsul/serviciul ofertat. A doua metoda e cu imprimanta de format mare, care poate acoperi o parte a vehiculului sau in totalitate si poate incorpora orice informatii plus imagini. Aplicarea cu cutter plotter e o tehnologie veche de taiat contururi cu ajutorul 8
vectorilor. Acestia, spre deosebire de pixeli, pot da imagini care, chiar daca se maresc, isi pastreaza calitatea. Imbracarea autoturismului cu material publicitar a luat amploare in car-branding, acesta fiind des intalnit in multe campanii de promovare outdoor, un exemplu concludent aici fiind acela al mijloacelor de transport in comun. Inscriptionarea reprezinta si rodul muncii designerului, si de aceea, este privita si ca o arta. 1.3
Ce inseamna un sistem automat de inscriptionare?
Un sistem automat de inscriptionare reprezinta un dispozitiv care efectueaza inscriptionarea fara interventia directa a omului asupra elementului ce urmeaza a fi inscriptionat. Operatorul uman doar controleaza procesul respectiv prin intermediul unui panou de comanda. Prezentam in continuare o metoda foarte utila de inscriptionare numita metoda imprimarii prin tampografiere. Metoda imprimării prin tampografiere deschide noi perspective, care cu metodele clasice de imprimare si inscripţionare nu puteau fi realizate decât foarte scump si sofisticat. Tampografia înlocuieşte parţial alte metode decorative, ca de exemplu imprimeurile serigrafice, etichetarea sau imprimarea cu temperatura. Domeniile de întrebuinţare ale acestei metode între timp sunt atât de vaste, încât în viata de toate zilele suntem confruntaţi cu articole imprimate prin aceasta metoda. Doar câteva exemple: Industria automobilistica :întrerupătoare, taste, indicatoare, elemente de decor, etc. Industria electrotehnica: relee, taste, întrerupătoare, carcase, casete de muzica, compact-disc etc. Industria de obiecte de uz casnic: ceasuri, decoruri, scule, pahare, etc. 9
Industria de jucării: capuri de păpuşi, maşinuţe, trenuleţe, etc. Obiecte de reclama: brichete, pixuri, brelocuri, etc. Tehnologia imprimării prin tampografie in principiu este un proces foarte simplu. Ea este conceputa in special pentru imprimarea obiectelor neregulate si a suprafeţelor plane. Elementele cheie ale acestui proces le constituie clişeul, vopseaua si tamponul. De calitatea acestor elemente depinde in foarte mare măsura si calitatea imprimării. Pentru a putea înţelege mai uşor principiul de imprimare prin tampografie vom explica pe scurt pe ce principiu se bazează imprimarea prin tampografie. Imaginea pe care doriţi să o imprimaţi trebuie redactata la un computer sau poate fi copiata si direct de pe o mostra pe care o aveţi la dispoziţie. După redactarea la computer, imaginea se imprima pe o imprimanta cu laser sau jet de cerneala de calitate buna. Pentru ca imaginea de imprimat să poată fi transmisă pe obiectul de imprimat trebuie executat în primul rând un film care să corespunda cu imaginea pe care doriţi să o imprimaţi. Urmează transferarea imaginii pe un clişeu. Clişeul se expune la raze ultraviolete după care urmează developarea, în funcţie de tipul clişeului si fixarea. Clişeul montat în maşina de imprimat este inundat cu vopsea, apoi surplusul de vopsea este răcluit de un cuţit. In adânciturile clişeului corodat rămâne vopseaua, care va fi luata cu tamponul siliconic si apoi depusă pe obiectul de imprimat. Grosimea peliculei de vopsea transmisă este între 6-20 µm. Prin faptul ca la suprafaţa vopselei se evapora diluantul, aceasta devine lipicioasă, ceea ce înlesneşte transferul vopselei de pe tampon spre obiectul de imprimat.
10
Fig. 5 Exemple de inscriptionari Printerele prin transfer termic ofera posibilitatea inscriptionarii atat in cadrul liniilor de productie intermitente, cat si in cadrul celor continue. Sunt proiectate sa se integreze usor alaturi de o mare varietate de masini de ambalat.
Folie neteda, etichete si hartie lucioasa Aluminiu flexibil Etichete Hartie Polipropilena Polietilena
Inscriptionare de calitate superioara Calitatea inscriptionarii este extrem de ridicata, iar printerele sunt ideale pentru linii de productie cu viteze mari. In cazul in care doriti sa inscriptionati logo-uri, grafice, coduri de bare, coduri matriceale si foarte mult text, aceasta solutie soft-contact este solutia ideala. Inscriptionarea laser reprezinta cea mai moderna si eficienta solutie in domeniu. Asigura marcarea permanenta a unor mesaje variabile la viteze mari, pe diferite tipuri de substraturi. Presupune costuri reduse de exploatare prin eliminarea consumabilelor specifice altor echipamente si prezinta un grad inalt de fiabilitate.
11
CAPITOLUL 2 2.1 Constructia, functionarea, actionarea, comanda si programarea sistemelor automate de inscriptionat 2.1.1 Comanda si programarea sistemelor automate de inscriptionat Existenta a numeroase tipuri de aplicatii ce utilizeaza echipamente de control si comanda automata, a condus la necesitatea realizarii unor echipamente automate, care sa poata fi utilizate pentru o gama larga de procese. Caracteristica de a putea fi utilizat la automatizarea unei game foarte largi de procese este data de flexibilitatea ridicata. Flexibilitatea echipamentului de conducere este reprezentata prin gradul de aplicabilitatea unei solutii de automatizare. In functie de analiza procesului ce urmeaza a fi automatizat si elementele pe care le solicita beneficiarul, se alege o anumita varianta de automatizare. Pentru alegerea solutiei de automatizare se va tine cont si de: - gradul in care echipamentul permite dezvoltarea in continuare a aplicatiei; - consecintele utilizarii unor echipamente complexe (infiintarea unui service specializat, specializare operatorilor); - pretul de cost (costul investitiei); - timpul de amortizare. Echipamentele de automatizare se pot clasifica in doua categorii: a) Echipamente realizate in logica cablata; b) Echipamente realizate in logica programata. Variantele de implementare a unui sistem de conducere in logica cablata sunt reprezentate de solutiile bazate pe: controlere programabile (automate programabile), microcontrolere, calculatoare de proces. Solutiile in logica cablata sunt indicate pentru aplicatii reduse, avand un numar mic de intrari si iesiri. In cazul in care exista un numar mare de intrari/iesiri, daca se utilizeaza solutiile de automatizare in logica cablata, se va ajunge la scheme complexe, ceea ce va presupune fiabilitate scazuta si depanare dificila, datorita numarului mare de componente.
12
Valoarea echipamentelor de conducere creste odata cu complexitatea lor si performantele pe care le detin. La complexitati ridicate ale proceselor de productie este indicat sa se utilizeze controlere programabile sau calculatoare de proces. Calculatoarele de proces pot fi calculatoare personale dotate cu interfete pentru proces, fiind prevazute cu carcase avand un grad de protectie ridicat. Aceste interfete de proces realizeaza conversia semnalelor din proces in semnale utilizate de calculator. Cele mai cunoscute sunt placile de achizitie de date. Spre deosebire de echipamentele realizate in logica cablata, cele in logica programata au o flexibilitate foarte mare, putand fi utilizate pentru o gama larga de procese. Dintre toate solutiile prezentate, cele mai utilizate variante de automatizare sunte cele cu controlere programabile, deoarece pretul lor este relativ mic si satisfac cerintele unei game foarte largi de procese, atat discrete, cat si continue. Controlerul programabil (automatul programabil) reprezinta o structura flexibila, avand o puternica interfatare cu procesul. Acesta este un dispozitiv electronic ce permite comanda unui proces tehnologic sub controlul unui program implementat, cu ajutorul unui limbaj specializat. In functie de complexitatea controlerelor, acestea pot realiza diverse functii: -
functii logice; functii aritmetice; functii de generare a iesirilor si citire a intrarilor; functii de memorare; functii de comunicare; functii de temporizare, contorizare si generare de impulsuri; functii de conversie analog-numerica si numeric-analogica; functii de masurare si adaptare de semnal; functii de pozitionare (comanda pe axa a unui mecanism); functii de reglare continua P, PI, PID; functii de programare grafica.
Un controler programabil (automat programabil), din punct de vedere structural si functional, este asemanator cu un calculator numeric. In cazul controlerului programabil, acesta este capabil sa interpreteze un numar relativ 13
mic de instructiuni, necesare pentru implementarea functiilor unui proces automatizat. Elementele principale ce compun un controler programabil sunt: -
unitatea centrala; modulul de intrari/iesiri logice; modulul de intrari/iesiri analogice; modulul de interconectare cu reteaua; modulul de legatura cu PC pentru programare si comunicare; modulul de memorie RAM, EEPROM; modulul de memorie externa; ceasul de timp real.
Daca numarul de intrari/iesiri oferite de controlerul programabil este mic fata de necesitatile unei anumite aplicatii, este posibila marirea numarului de intrari/iesiri prin adaugarea de extensii locale. Pentru aplicatii complexe este necesar sa se utilizeze conectarea in retea a mai multor controlere programabile de acelasi tip sau de tipuri diferite, cu conditia ca ele sa fie interconectabile la aceeasi retea. Pentru a putea functiona, controlerul programabil trebuie configurat corespunzator de utilizator, prin intermediul unui limbaj specializat. Controlerele programabile pot prelucra informatia digitala (la nivel de bit, byte sau cuvant) sau analogica (pe 10 – 32 biti), putand fi: incorporate in comenzi numerice sau cu echipamente individuale.
2.1.2 Constructia, functionarea si actionarea sistemelor automate de inscriptionat Sistemele automate de inscriptionat, reprezinta de fapt, niste roboti industriali. Un robot industrial este un sistem integrat mecano-electronoinformational, utilizat in procesul de productie in scopul realizarii unor functii de manipulare analoage cu cele realizate de mana omului, conferind obiectului manipulat orice miscare programata liber, in cadrul unui proces tehnologic ce se desfasoara intr-un mediu specific.
14
Robotul industrial executa miscari dupa un program flexibil, modificabil, in functie de sarcinile de productie si de conditiile de mediu. Robotica este un domeniu al ştiinţei şi tehnicii relativ nou, cu o rapidă dezvoltare, legat de realizarea şi folosirea roboţilor şi a sistemelor tehnice. Robotica a apărut ca ramură ştiinţifică de sine stătătoare pe baza mecanicii şi ciberneticii, actualmente a mecatronicii. În acelaşi timp, dezvoltarea roboticii a ridicat probleme ştiinţifice noi într-un şir de ştiinţe conexe, conducând la progresul acestora. Robotul, ca obiect de bază în această ştiinţă, poate fi definit ca un automat universal pentru reproducerea unor funcţii de mişcare şi intelectuale ale omului. Există o serie de categorii de roboţi ce dezvoltă unul sau altul din domeniile şi subdomeniile funcţiilor de mai sus. Dintre aceşti roboţi se desprinde o clasă importantă şi anume aceea a roboţilor de manipulare. Caracteristică roboţilor de manipulare, din care clasă fac parte şi roboţii industriali, este existenţa elementului periferic: dispozitivul de prehensiune. Scopul practic al introducerii roboţilor este acela al încărcării lor cu acele tipuri de acţiuni care pentru om sunt dificile, prezintă sarcini gravitaţionale mari, sunt monotone, periculoase pentru sănătate şi viaţă. Adică, În primul rând, la operaţiile de producţie auxiliare: Încărcarea şi descărcarea maşinilor unelte şi a automatelor şi la operaţii de prelucrare propriu-zisă cu roboţi industriali: sudură, vopsire, inscriptionare, debitare, montaj, etc. Utilizarea cuprinde şi domeniul condiţiilor de lucru aşa zis extremale: sub apă, În cosmos, În medii radioactive sau otrăvitoare. Necesitatea măririi productivităţii şi a calităţii a condus la o dezvoltare rapidă În ultimele trei decenii a roboticii şi a producţiei de roboţi industriali. Cu ajutorul roboţilor industriali se pot rezolva problemele mecanizării complexe şi a automatizării producţiei de masă În construcţia de maşini, electrotehnică,
15
electronică, mecatronică, etc. Faţă de mijloacele clasice de automatizare, introducerea roboţilor industriali conduce la universalitate, posibilitatea adaptării (reglării) lor rapide la noile cerinţe, cu productivitate maximă şi cheltuieli minime . Caracteristicile de mai sus sunt de primă importanţă în domeniul producţiei de serie mică şi mijlocie, adică unde s-au dezvoltat sistemele de fabricaţie flexibilă. În fig. 5 este reprezentat un robot industrial. Acţiunea unui robot industrial se aplică asupra obiectului de lucru (OL). Acesta poate fi o piesă, un semifabricat sau o sculă. Scula, în cazul nostru, este reprezentată de un cap de inscripţionare. Structura mecanică a roboţilor industriali este formată din elemente (ce pot fi considerate rigide) şi cuple cinematice ce realizează legarea elementelor Între ele şi a primului element la batiu. Dintre clasele de cuple cinematice se utilizează, În primul rând, cuple C5 cu un singur grad de mobilitate, adică numai cuple de rotaţie (R) şi de translaţie (T).
Flexibilitatea (in programarea robotilor) : usurinta cu care pot fi schimbate programele de functionare, limitele intre care se pot comanda valorile parametrilor cinematici, numarul si modul de desfasurare a secventelor de miscare, posibilitatea dozarii miscarilor in vederea generarii unor traiectorii complexe, modul de introducere a programelor
16
OL
Fig. 6 Structura generala a unui robot industrial
Robotul industrial, respectiv, sistemul automat de inscriptionare, se programeaza prin intermediul unui controler. Actionarea robotului se poate face hidraulic, pneumatic sau electric, in functie de necesitati. Actionarea electrica se aplica in cazul robotilor mici si mijlocii, acolo unde puterea necesara actionarii nu depaseste ordinul a 3-5 kW, caz in care gabaritul si greutatea motoarelor se incadreaza in dezideratele de forma si de suplete ale structurii mecanice; Actionarea pneumatica s-a utilizat pe scara larga la actionarea mainilor mecanice si a manipulatoarelor pentru sarcini relativ reduse; Actionarea hidraulica se poate utiliza la actionari simple pentru roboti industriali mijlocii si grei, destinati manipularii sarcinilor in sectoare calde, turnatorii, stivuire automata, minerit, etc.
17
Robotii inteligenti reprezinta cel mai inalt stadiu de dezvoltare, la care senzorii sunt mult mai numerosi si mai complecsi, apar blocuri si subsisteme specifice de miscare si orientare a propriilor senzori, de masurare a deplasarii acestora, de prelucrare a informatiilor. Dispozitive de apucare Dispozitivul periferic al robotului depinde de aplicaţia acestuia: - manipulare, montaj; - sudură; - vopsire; - control; - vopsire. Manipularea şi montajul presupun apucarea (prehensiunea) transportul şi desprinderea obiectului de lucru (OL), utilizând un dispozitiv periferic de interacţiune cu OL ce se numeşte dispozitiv de apucare (DA). La celelalte aplicaţii dispozitivul periferic este integrat procesului şi depinde de aplicaţie. Mai departe se va considera, în primul rând, ca aplicaţie manipularea OL. Formele OL pot fi: - cilindrică; - prismatică; - forme complexe cum ar fi: carcase, cutii, etc. Dispozitivele de apucare pot fi de diferite construcţii şi principii de lucru: -
mâini mecanice (MM); dispozitive magnetice; dispozitive cu vacuum; dispozitive adaptive la forma OL;
18
STRUCTURA ROBOTILOR INDUSTRIALI - Antropomorfism structural -
BLOC DE ALIMENTARE
BLOC DE UNGERE
BLOC DE ACTIONARE
CIRCUIT DE REGLARE, COMANDA SI CONTROL
BLOC CINEMATIC
BLOC DE LUCRU
Sistemul nervos cu sistemul senzorial Sistemul muscular Sistemul osos
19
Forme ale dependentelor ce leaga marimile de iesire de cele de intrare Sistem cinematic adoptat
Forme ale legilor dozarii miscarilor pe 2 sau 3 grade de libertate Generarea unor traiectorii complexe
Tipul traductorului Structura ‘creierului electronic Dimensiunea memoriei, etc
Sunt necesare sisteme de actionare care accepta tipul de semnale trimise de sistemul de comanda (analog sau digital)
20
Ierarhizarea si influenta subsistemelor componente ale unui robot industrial
CINEMATICA
Influenta
COMANDA Compatibilitate
ACTIONARE
MASURARE
21
CAPITOLUL 3 3.1 Modelul Yamaha – MR 16 TH (Inscriptor cu cerneala)
Fig. 7 Sistem automat de inscriptionare (inscriptor cu cerneala) Acest sistem automatizat reprezinta un robot industrial pe o axa liniara. Seria Phaser este cea mai noua serie de axe liniare de la YAMAHA. In figura avem prezentata o aplicatie bazata pe modelul MR16TH. Functioneaza pe principiul motorului liniar, fapt care determina o functionare silentioasa la viteze si acceleratii mari. Anvergura maxima este de 4000mm, au o viteza
22
maxima de 2500mm/s si o repetabilitate de +/-0.005mm. Sarcina maxima pentru seria Phaser ste de 120Kg. Asa cum se vede si in figura 7, modelul util pentru aplicatia de inscriptionare este cel cu pozitia de manipulare de stanga si cu o singura sanie, pentru ca avem un singur cap de inscriptionare.
Fig. 8 Pozitia de manipulare de stanga
In figura de mai jos, se observa cum se comanda motorul liniar prin intermediul controlerului.
Fig. 9 Descrierea functionarii - Magnet shaft = arbore magnetic (tija magnetica); - Magnetic head = cap magnetic; Pe sanie (elementul mobil) se va fixa capul de inscriptionare, care se va deplasa in functie de cum se programeaza motorul prin controler. Greutatea capului de inscriptionare va putea fi pentru acest model de maxim 7 kg.
23
Controlerul programabil folosit pentru acest model este de tip SRCP30, asa cum se vede in figura 9. Controlerul se alimenteaza la 24 V tensiune continua. Aceasta se poate procura de la o sursa stabilizata (alimentator stabilizat).
Fig. 10. Controler programabil SRCP30
24
BIBLIOGRAFIE
1. CRISAN – Sisteme flexibile de montaj cu roboti si manipulatoare – Editura Tehnica, Bucuresti, 1990; 2. FLORIN GH. FILIP – Informatica industriala – Editura Tehnica 1999; 3. GEORGE CULEA – Controlere programabile – Editura Tehnica-Info Chisinau, 2005; 4. DRAGOI GEORGE – Bazele proiectarii si productiei asistate de calculator – Bucuresti, 1997; 5. FILIPOIU, RASCEV – Organe de masini , vol. I, Universitatea “Politehnica”, Bucuresti, 1996
25
