3. SISTEMATIZARI ALE ROBOŢILOR INDUSTRIALI Criteriul 1: informaţia de intrare şi modul de învăţare (JARA-Japanese Robot Association) MANIPULATORI MANUALI - acţionaţi direct de operatorul uman; ROBOŢI SECVENŢIALI - efectueaza repetitiv o succesiune de operaţii Funcţie de uşurinţa modificării operaţiilor programate se disting: - RI cu secvenţe predeterminate; - RI cu secvenţe variabile. ROBOŢI REPETITORI (PLAYBACK) - se programează prin metoda netextuală, teach-in, antrenare; ROBOŢI CU COMANDĂ NUMERICĂ - execută operaţiile programate în conformitate cu 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 de restul lumii, unde în general se acceptă denumirea de robot doar dacă acesta este condus cu calculatorul, situaţie în care se numeşte sistem robot. 1
S
1.
The Robotics Institute of America (RIA) recunosc patru clase de roboţi:
Dispozitive manuale de manipulare cu control manual – similari manipulatorilor manuali definiţi de JARA
2.
Dispozitive automate de manipulare cu cicluri predeterminate – similari roboţilor 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
(pentru detaliere apăsaţi butonul corespunzător de pe figura 3)
alură sferică
CONTINUARE
Fig. 3. Schemele lanţurilor de poziţionare a RI în coordonate carteziene, cil. sferice şi unghiulare 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 unul portal simplu şi unul în coordonate unghiulate
Robot creat din combinarea unuia în coordonate cilindrice şi 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.
a
b Fig. 6. RICar cu baza la sol (a) şi suspendat tip portal simplu (b) [SIC04]
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 “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 le serveşte 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 de precizia 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 8 compactă) sunt necesare protecţii antipraf, anticorozive.
Exemple
Familia 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 - Z: 100,150, 300 mm
Fig.7. Vedere a unui RI din familia XM300
- 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
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 10 m/s, acceleraţia maximă 4g.
Exemplu de unitate flexibilă de prelucrare prin strunjire unde transferul semifabricatelor este realizat de un robot portal simplu.
Clipuri în folderul RI Coord CARTEZ 11
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 încărcaredescărcare 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, [SIC04]
în general este viabilă pentru manipulatoare modulare de dimensiuni relativ mici. Precizia de poziţionare scade pe direcţie radială 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 KR350 Producător KUKA Roboter (www.kuka-roboter.de)
17
Fig. 10.b Construcţia modulară a 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 KR350 19
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 Fig. 11. Roboti universali produşi de MOTOMAN (www.motoman.com) a. SV3X, b. UP20
programa şi acceleraţiile, decceleraţiile.
20
Modul de rotaţie cu controler integrat
Lightweight Arm - LWA 3 SCHUNCK 7 GRADE DE MOBILITATE
Arbori ţeavă prin care trec cablurile
Technical data Repeatability: 1 mm Power supply 24 VDC / 20 A – battery operation possible Payload 5 kg Brushless servomotors with Harmonic Drive® power trains
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 SCARA EPSON G (www.robots.epson.com)
26 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.
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 robotizate
28
Operare cu piese paletizate: comparație între spațiul necesat operării cu trei palete pt. un RI scara suspendat și unul cu baza la sol
Hirata SCARA Robot AR-Z 1000E www.hirata.de
Roboţii AR-Z 1000E sunt destinaţi paletizărilor /depaletizărilor de pe paletele europene 1200 x 800mm.
29
Roboţi Kawasaki, tip SCARA, pentru medii curate, manipulare plăci cu circuite integrate
30
Identificarea ţintei şi generare automată de cod pentru atingerea acesteia 31
MELFA Robots – RP Series MITSUBISHI ELECTRIC CORPORATION Datorită introducerii unui mecanism paralelogram,
ca
parte
terminală
mecanismului
de
poziţionare,
a
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 platformă fixă (baza), una mobilă pe care se montează end-efectorul şi un număr oarecare (minimum două) de lanţuri cinematice independente, 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 grad de mobilitate pentru orientare), sau 6 (poziţionare şi orientare complete). Spaţiul de operare a roboţilor paraleli are o formă care depinde de gradul de mobilitate al mecanismului complex închis, având în general alura unei calote sferice şi practic cilindric cu înălţime mică. O structură de succes din prima categorie (4 gr. mobilitate), care stă la baza mai multor RI comerciali este RIPar DELTA. Acest RI utilizează ca LC de legătură între platforme un lanţ articulat monomobil. Pentru acţionare se folosesc motoreductoarele 3. Cele trei mecanisme de legătură pot realiza doar poziţionarea platformei 8. Pentru rotirea axială a end-efectorului 9 s-a mai ataşat LC telescopic 14, acţionat de motoreductorul 11.
Fig. 15. Schema RIPar tip DELTA
Platformele Stewart au o construcţie principial asemănătoare având în componenţă 6 motomecanisme de 36 legătură care pot conţine şi motocuple T.
Termeni similari: robot paralel, manipulator paralel, platformă Stewart, platformă GoughStewart, platformă Gough, platformă mobilă, mechanism paralel, Parallel Kinematic Machine (PKM), hexapod. RIPar au următoarele caracteristici: Avantajoase: - Având la bază mecanisme spaţiale închise au o rigiditate apreciabilă, mult mai mare decât RI seriali (care au ca LG un LC simplu deschis). - Erorile cinematice de ghidare nu se cumulează ca la RI seriali ci eroarea totală este o medie a acestora. În consecinţă RIPar au o precizie de repetabilitate relativ mare. - Au o frecvenţă naturală înaltă.. - 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 un dezechilibru, ce obligã maşina sau structura ei sã vibreze la o frecvenţã egalã cu cea a forţei vibratorii. - Vibraţii libere: sunt vibraţiile care apar când, o maşinã sau structura ei, vibreazã în absenţa unei forţe externe, spre exemplu, situaţia când au fost îndepãrtate vibraţiile forţate. - 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 maşina “preferã” sã vibreze. De exemplu, când un clopot este lovit, el va vibra la frecvenţa pentru care a fost proiectat. Majoritatea utilajelor dinamice sau structurilor au mai multe frecvenţe naturale la care ele vibreazã, în special datoritã faptului cã ele sunt compuse din mai multe subansamble care, la rândul lor au fiecare în parte frecvenţa lor naturalã. Orice forţã instantanee aplicatã, (spre exemplu, dacã lovim structura cu un ciocan), poate cauza excitaţia la una sau mai multe frecvenţe naturale. 38
Având în vedere caracteristicile enumerate mai sus, RIPar implementaţi în mediul industrial s-au dezvoltat pe două direcţii: 1. RIPar “pick&place” pentru obiecte relativ uşoare (10g ... 10 kg). Acest tip de RIPar au cicluri de lucru standard mici şi precizii de repetabilitate mari. Astfel, sunt frecvente productivităţi de 120 cicluri/min la acceleraţii 12 g şi precizii de repetabilitate de 0.2 mm. Pentru atingerea unor astfel de performanţe motoarele sunt plasate pe platforma fixă (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 la capete, care asigură un raport forţă-masă foarte bun, sunt simpli şi robuşti. Se mai aplică şi mecanismele 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 (www.abb.robotics.com)
Fig. 16b. C33 firma SIG Pack Systems (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 la 40 0.1 kg o.6 s iar la 1 kg 0.7 s, echip. standard cu preh. vacuumatic.
Fig. 17. RIPar TR600 produs de Neos Robotics
41
42 Vezi fisiere video: ABB FlexPicker2 FlexPicker2-IMA-2m10s.wmv
Fig. 18. Linii de împachetare în cofraje, RIPar Dela cu ghidarea vizual vizuală tip IRB 340
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
Fig.19.b. F200 i produs de FANUC Robotics (www.fanucrobotics.com/)
Aplicaţii unde se cere rigiditate mare şi 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”) Vezi clipul IBAG High Speed Spindle-49s.mp4
44
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
Funcţie de înălţimea, greutatea şi particularităţile motrice
de la MUCN INDEX-Werke Vertical Line V100).
ale jucătorului robotul iși adaptează mişcările pentru
Crosa este solidarizată de platforma mobilă şi ţinută de jucătorul de golf.,
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: masa obiectului manipulat + masa prehensorului, sau doar masa endefectorului dacă se efectuează operaţii tehnologice, pentru care se garantează realizarea caracteristicilor de exploatare. Raportarea se face faţă de un un punct situat pe flanşa ultimului element cinematic al LG. Numeroase firme indică distanţa maximă a centrului de masă a prehensorului+obiect faţă de flanșă şi excentricitatea maximă faţă de axa normală pe flanşă. În anumite prospecte se specifică doar momentele de inerţie şi de încovoiere maxime asociate 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 măsură a productivităţii fiind semnificativ mai ales pentru 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 utilizeaza termenul de precizie absoluta (accuracy). 5.2. În prospecte se indică în general doar eroarea de repetabilitate (raza sferei cu centrul 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 cea programată, semnificativă la RI de sudură, tehnologici. Pentru manipulatoare programate teach-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 şi configuraţii diferite ale RI. 5.3. Rezoluţia de poziţionare (resolution) – distanţa dintre două poziţii adiacente pe care le poate atinge endefectorul, pe o traiectorie oarecare. În practică este foarte dificil de determinat datorită numeroaselor surse de eroare. Uzual între cele trei tipuri de precizie există proporţiile: ER. ABSOLUTĂ > ER. REPETABILITATE > REZOLUŢIE
50
6. Spaţiul de lucru (funcţionare) - spaţiul necesar funcţionării RI (generat de toate elementele 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 de operare (SEO). Dacă nu se face deosebirea între SPO şi SEO se poate utiliza termenul generic de spaţiu de operare (SO). În prospecte se indică forma exactă a SO, volumul SO şi raza maximă atinsă de către braţul RI. 8. Masa totală a RI, gabaritul, suprafaţa ocupată, locul de montaj (la sol, pe pereţii verticali sau pe tavan). 9. Fiabilitatea măsurată ca MTBF (Mean time between failures – timpul mediu între defectări), valori de 50000-100000 ore sunt curente pentru RI. De exemplu RI MOTOMAN au MTBF>100000 h (100000/24.365=11,4 ani !!!!) cu timpi medii de reparații (Mean Time To Repair (MTTR)) de 10 minute. 10. Condiţii de mediu (domeniul temperaturilor admisibile, nivelul maxim al vibraţiilor, al zgomotului 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.pdf
51
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. [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 Transilvania din 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 Lux Libris, Braşov 2001. [STA04] Stareţu I Elemente de robotică medicală şi protezare. Editura Lux Libris, Braşov 2004. [VÂN99]Vântu M Programarea roboţilor industriali. Ed. Aldus, Braşov 1999. 52
Bibliografie generală, volume publicate în engleză, italiană
[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.
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 Păunescu
1 RPTCM 9.1
LANŢURI CINEMATICE DE GHIDARE, POZIŢIONARE, ORIENTARE ŞI VERTEBROIDE
GHIDAREA, LANŢURILE DE GHIDARE
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 de coordonate fix (O0X0Y0Z0). GHIDAREA corpului constă în POZIŢIONAREA punctului caracteristic (coordonatele liniare x, y, z) şi ORIENTAREA acestuia (coordonate unghiulare α , β , γ ). Ghidarea efectuată de RI se poate face prin: 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 cauza 3 complexităţii sistemului de comandă.
Fig. 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 de bază care să fie inaccesibile tuturor elementelor cinematice ale LC), gradul de mobilitate se calculează cu relaţia: M=C5 (vezi fig.1 M=6, fig. 2 M=8). Mobilitatea calculată luând in considerare doar caracteristicile structurale ale LG (numarul şi natura cuplelor, elementelor cinematice ) este o mobilitate globală a LG. Dacă se iau în considerare şi parametrii geometrici ai elementelor cinematice, limitele deplasarilor din cuplele LG, se poate calcula o mobilitate locală a LG, care pentru o 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
q
x Problema cinematica directa
x
q Problema cinematica inversa
Fig. 4 Problemele cinematicii RI
Pentru a determina mobilitatea locală a LG, trebuie verificat dacă într-un punct al SO LG are capacitatea de a poziţiona si orienta obiectul manipulat conform valorilor impuse. Deci în esenţă trebuie rezolvată PCI. În general PCI este dificil de rezolvat deoarece sistemul xi=xi(q1 …. q6 ), i=1..6, este puternic neliniar (de cele mai multe ori transcendent). Considerând ca toate condiţiile sunt îndeplinite xi=xi(q1 …. q6 ), i=1..6, poate fi liniarizat local prin diferenţiere: 6
∂xi dq j , i, j = 1...6; (1) ∂q j j =1 dacă se fac aproximaţiile ∆xi ≈ dxi , ∆q j ≈ qx j , i, j = 1...6, sistemul 1, în necunoscutele ∆q j este liniar. Dacă LG poate realiza orice deplasare finit mică ∆xi , i = 1...6, a OM în vecinatatea unui punct al SO rezultă ca pentru acel punct LG este hexamobil. Sistemul 1 trebuie sa fie compatibil determinat pentru necunoscutele ∆q j , j = 1...6, deci determinantul (iacobianul) trebuie să fie 7 nenul. dxi =
∑
∂x1 ∂q 1 ... J = ... ∂x 6 ∂q1
∂x1 ∂q2 ... ... ∂x6 ∂q2
∂x1 ∂q6 ... ... ≠0 ... ... ∂x6 ... ∂q6 ...
(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-MOTOMAN WWW.MOTOMAN.COM
R1
Robotul IA20 este de tip antropomorf cu 7 grade de mobilitate, printre foarte puţinii roboţi industriali redundanţi existenţi pe piaţă. Este poreclit robotul şarpe datorită zvelteţii şi manevrabitităţii mari care îi permite să lucreze în locuri 10 greu accesibile.
Aplicaţii: -Servire maşini unelte şi utilaje; -Asamblare.
11
ROBOTUL DA20-MOTOMAN WWW.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 Prin poziţionarea unui corp se înţelege mişcarea acestuia de la o poziţie nedefinită sau oarecare la una dată, neluându-se în considerare orientarea corpului (VDI 2860/90). 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): 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: Observaţii 1. LP3 au fost agregate din câte două LP2 care au în comun ultima şi prima cuplă, din primul respectiv al doilea LP2. 2. În tabelul alăturat au fost barate LP care nu generează SO3. 3. Simbolurile II, ⊥ la exponent indică orientarea ultimei cuple faţă de prima. 4. Din cele 20 LP3 se folosesc 14 practic doar 6 (RI cartez, cil .....)
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 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 LO3 16
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 adimensional ks:
ks =
γ , ks ∈ [0...1] 4π
Coeficientul de serviciu mediu ksmed (în tot SO) se calculează cu: c4. Ortogonalitatea axelor este avantajoasă dpdv tehnologic.
∫∫∫ ks dxdydz ksmed =
Ω
∫∫∫ dxdydz Ω
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 pas
18
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)
Fig7. Exemple de LO2 [Teză doctorat Dahabreh R]
Rotabilitatea maximă în cuple, concurenţa axelor de mişcare, simetria fată de axa ∆ (axa ultimei cuple a LP), ortogonalitatea axelor sunt deziderate contradictorii. 1. Creşterea unghiului de de rotaţie într-o cuplă poate impune renunţarea la intersecţia axelor (LO2 din fig. 8 b versus 8a); 2. Realizarea rotabilitaţii complete în cele două cuple ale LO2 poate presupune: - păstrarea ortogonalitaţii şi renunţarea la la simetria faţă de axa delta (fig. 8c, d sau fig.8e, f); - renunţarea la ortogonalitatea axelor de rotaţie (fig. 8e, g). LO2 cu rotabilitate completă a celor doua cuple sunt cele reprezentate în figurile: 8d, 8f şi 8g. 21
Observaţii privitoare la LO3 (suplimentar)
Fig 8. Exemple de LO3 [Teză doctorat Dahabreh R]
1. Cresterea unghiului de de rotaţie într-o cuplă poate impune renunţarea la intersecţia axelor (fig. 9h şi i); 2. Realizarea rotabilităţii complete în cele trei cuple ale LO3 poate presupune: - păstrarea ortogonalitaţii şi renuntarea la la simetria faţă de axa delta (fig. 8c, d sau fig.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 mai ales daca LP are elemente cinematice care aparţin unui plan, deoarece LO nu va introduce mase excentrice. Ortogonalitatea axelor implică avantaje in modelarea analitica a LO. 22 La fel şi concurenţa (mecanisme sferice).
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 unui obiect în spaţii de tip labirint, ca urmare a curbării si/sau torsionarii LV. Definitie: Lanţul deschis vertebroid (LDV)este un lanţ cinematic simplu, deschis cu cuple de rotaţie (R) şi/sau cuple sferice (S), care prin compunerea deplasărilor unghiulare relative se poate curba independent în două plane şi/sau torsiona.
Fig.9. RI cu mecanism vertebroid
În general LV înlocuiesc LO în medii de lucru în care există numeroase obstacole (fig 9), dar pot fi utilizate şi autonom (roboți serpentiformi). Din cauza acţionării dificile a unui număr mare de axe se utilizează şi mecanisme nedesmodrome cu precizii mai reduse. De obicei LDV realizeaza doar curbările, torsionarea nefiind obtinută prin însumarea unor microtorsionări, ci prin rotaţia longitudinală 23 a elementului cinematic portprehensor.
Mecanisme nedesmodrome de orientare Desmodromie ( determinabilitate cinematică, etimologie gr. desmis + dromos = drum legat): la o poziţie dată a elementului/elor conducător/e toate celelalte elemente ale LC au poziţii şi orientări univoc determinate. Mecanism: lanţ cinematic care are un element fixat (bază) şi este desmodrom. Mecanismul vertebroid din figura alăturată are la bază un lanţ deschis cu trei cuple sferice cu ştift, deci gradul de mobilitate este m=3 x 2=6. Pentru acţionare se utilizează 4 motoare fluidice liniare, deci mecanismul este nedeterminat cinematic (4 < 6). Forţele motoare se transmit prin cablurile (tendoanele) 4. Între EC sunt plasate arcurile 4. Dacă arcurile au caracteristici foarte apropiate şi frecările din cuple sunt mici, curbarea spaţială a MV este relativ uniformă şi precisă. Astfel de MV nedesmodrome se utilizează rar în robitica industrială. 24
Deoarece cea mai importantă caracteristică a LDV este capacitatea de curbare, acestea se sistematizează 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 axa perpendiculară 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 având numere 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
2. ROBOTOMECANISME PENTRU ACŢIONAREA CUPLELOR DE TRANSLAŢIE
3. ROBOTOMECANISME PENTRU ACŢIONAREA CUPLELOR DE ROTATIE
Tudor Păunescu
1
RPTCM 13.1
BIBLIOGRAFIE
[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.
Documentaţie de la firmele: www.shadowrobot.com www.sommer-automatic.de www.parker.com www.gemotec.com
2
1. MOTOARE ŞI TRANSMISII UTILIZATE ÎN ROBOTICA INDUSTRIALĂ 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).
Fig. 1 Transf. directă
Fig.2 Transf. indirectă
2. Transformarea indirectă a unei cuple din LC în cuplă motoare prin introducerea unui contur motor 3 care să conţină cupla (fig. 2).
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. - Pentru îmbunătăţirea controlabilităţii s-au adaptat la necesităţile roboticii Clic pe imagine pentru detaliere
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. salt pentru detaliere MP cu paletă
4
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
Fig.3 Construcţia unui MoR cu paletă, acţionat pneumatic (www.sommer-automatic.de)
5
Fig.4. MoR cu paletă acţionat pneumatic, firma Gemotec (www.gemotec.com) MoR fluidice (pneumatice sau hidrostatice) cu paletă asigură vitezele unghiulare necesare robotomecanismelor. În general oprirea precisă se face la capete de cursă, deci doar două opriri, etanşarea paletei ridică probleme, din această cauză acţionarea H este rar aplicată. MoR pneumatice cu paletă necesită utilizarea absorbitorilor de şoc la capetele de cursă (vezi poziţiile 10,13, 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 de încărcare 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 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. 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
MECC cu rotor cilindric
Calitatea magneţilor permanenţi
MECC cu rotor disc
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. 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 Fig. 5
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 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/masă mare. Muşchii artificiali funcţionează pe baza mai multor principii: - pneumatic; - 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]
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
(contracţia uzuală este de aprox. 40%). Fig. 9. Muşchi pneumatici tip McKibben
lungimea 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
a. Stare inițială, p=0
Fig. 11
Dacă se defineşte factorul adimensional al contracţiei relative λi=Li/L0 se observă din diagrama experimentală din figura 11 că există o dependenţă b. Stare inițială, p>0 Cunoscând B și R (circumferința) se poate deduce lungimea Li. Fig. 10. Geometria deformării muşchilor pneumatici tip McKibben
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. 15
Fig. 12
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
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 Fig. 13
energie [DUN05].
16
Fig. 14. Principiul muşchilor antagonici aplicat cu muşchi pneumatici McKibben
Fig. 15. Principiul muşchilor antagonici aplicat la un
Fig. 16.
robot SCARA prin cu muşchi pneumatici McKibben [TON97]
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 18 comerciale care îndeplinesc aceste condiţii cele armonice au devenit standard de facto.
1.3.1.1. PRINCIPIUL CONSTRUCTIV AL REDUCTORULUI ARMONIC CU O TREAPTĂ
I
O
a.Transmisia planetară: 1. Braţ portsatelit; 2. Roată centrală. 3. Satelit. 4. Arbore condus. 5. Cuplaj (tub flexibil). b. Cinematic nu se modifică nimic dacă satelitul 3 se plasează pe braţul 1 prin intermediul rolei 6. c. Dacă se măreşte diametrul rolei 6 până când satelitul 3 devine flexibil, el poate realiza corp comun cu tubul-cuplaj 5. d. Rola 6 are rolul de a obliga elementul flexibil 3-5 de a rula pe roata centrală.
i143 = Fig. 16. Schema de principiu a transformării unui transmisii planetare cu roată centrală într-o transmisie armonică cu generator simplu (i = 80 ... 320)
R2 R 2 − R3
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 % ).
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 Fig. 19. Unitate integrată cu ax tubular MECC-RA-Senzor de poziţie
b
Robot Kawasaki, tip SCARA
Curele dințate
Fig. 20. a. Aplicarea unor unităţi integrate de acţionare având ax central tubular la un RI tip SCARA care lucrează în medii curate. Două astfel de unităţi sunt plasate în postamentul RI, putând fi astfel uşor izolate la mediul de lucru. Se observă plasarea lor coaxială şi trecerea arborelui primului modul prin alezajul tubular al celui de al doilea.
a
Fig. 20
Fig. 20. b. Prin axul tubular al unităţii de acţionare integrate poate trece şurubul prin care este acţionat magazinul de piese 23 pentru plăci integrate.
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 24 dinţată-roată liberă-curea dinţată-roată. J4-MR4 printr-un angrenaj conic. J5 este direct antrenată de MR5.
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 mecanismului de ghidare. În consecinţă RI are 4 grade de Fig. 23
mobilitate, comparativ cu 5 grade de mobilitate
în
cazul
absenţei
acestui
mecanism 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
PARTEA I
1. NECESITATEA MODULARIZĂRII RI
2. STRUCTURA ŞI CONSTRUCŢIA MODULELOR APARŢINÂND LG
3. SINTEZA LG MODULARE
Bibliografie 1
Tudor Păunescu
RPTM – 2013.1
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
Pentru volum mare şi variabilitate
1. NECESITATEA MODULARIZĂRII RI
mică
de
sarcini
sunt
necesare
productivitate şi fiabilitate înalte ale sistemului
de
automatizare,
realizate
doar
de
cerinţe
echipamente
dedicate. La cealaltă extremă: volum redus şi variabilitate mare a sarcinilor dau satisfacţie
doar
universale,
care
echipamentele au
flexibilitate
maximă, deoarece doar
un profit
marginal ridicat pot acoperi capitalul investit şi costurile de întreţinere. În volumului
cazul
valorilor
şi
variabilităţii
medii
ale
sarcinilor
trebuie realizat un compromis între productivitate şi flexibilitate. Flexibilitatea este asigurată capacitatea de reconfigurare a unităţilor modulare
Fig. 1. Domeniul de aplicarea roboţilor şi sistemelor automate modulare [GUI99]
iar
productivitatea
prin
celulelor de lucru modulare.
optimizarea
3
Definirea modulului Subsistemul este caracterizat în principal de o funcţie dominantă. Modulul este un subsistem care în plus are funcţiuni specifice. Modulul este o unitate funcţională a cărui elemente structurale sunt puternic conectate 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 pentru a facilita procesul de producţie, întreţinere (vezi figura 10b din cursul 1, fişier RPTCM1 Def&Sist.ppt). Obiectul prezentului curs este prima categorie de sisteme robotice modulare. Definiţie MODUL: este un subsistem, de sine stătător (funcţionează independent), poate să-şi îndeplinească funcţiunea într-o mare varietate de condiţii exterioare, are capacitatea de interconectare cu alte module, cu care formează sisteme de rang superior. 4
Efectele pozitive, generale ale modularizării se reflectă în: - Proiectare. Creşterea calităţii proiectării, micşorarea timpului necesar dezvoltării, deoarece spaţiul de proiectare este discret şi finit în comparaţie cu cel al unei proiectări convenţionale unde acesta este continuu şi infinit. În general, responsabilitatea pentru proiectarea de detaliu a unui modul îi revine unei echipe puţin numeroase sau unor furnizori externi. Ca urmare coordonarea, concentrarea pe o paletă mai mică de probleme se face mult mai uşor. În sinteză concepţia modulară este “soluţia cea mai simplă de creare a noului, cu minimum de elemente de noutate” [CRI80]. - Producţie. Ieftinirea relativă a modulelor, datorită limitării nomenclatorului de componente, simplificarea organizării fabricaţiei, mărirea relativă a seriei deoarece o aceeaşi componentă poate fi folosită la mai multe produse modulare. - Piaţă. Schimbarea rapidă a produsului. Un nou produs poate fi dezvoltat din module existente şi eventual unele noi. Varietate mare de produse. Produsele modulare pot avea multe variante fără a creşte mult complexitatea sistemului. - Exploatare. Scăderea preţului de cost al întreţinerii. În cazul sistemelor modulare reconfigurabile procesul de reconfigurare este mult facilitat de faptul că utilizatorul priveşte modulul ca pe o cutie neagră (black box) cu interfeţe bine definite. Sistemele modulare reconfigurabile construite din module identice (vezi roboţii modulari reconfigurabili) sunt 5 tolerante la defectări având un grad înalt de redundanţă.
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, 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; - 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. 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. 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.
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. 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
PREHENSOARE I
FUNCŢIILE PREHENSORULUI
PREHENSOARE VACUUMATICE
PREHENSOARE MAGNETICE
Tudor Păunescu
1 RPTCM 2013
BIBLIOGRAFIE [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 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. FUNCŢIILE PREHENSORULUI 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.
FUNCŢIILE MÂINII UMANE:
FUNCŢIILE MÂINII MECANICE:
1. apucarea (prehensare);
1. apucarea (prehensare);
2. manipularea obiect prehensat
2. microghidare (complianţă):
între degete (micromanipulare);
- activă;
3. senzoriale (senzori tactili,
- pasivă;
forţă, termici);
3. senzoriale da/nu;
4. forţa (strângere, lovire)
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 simultan imobilizarea ansamblului prehensorului în raport cu ultimul element al LG. Stările OM în timpul manipulării: - OM liber; - 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-a poziţia OM nu este determinată. Dubla închidere poate genera forţe periculoase în “corpul rigid”: OM - prehensor - LG - baza - structura mecanică a PL - dispozitiv de fixare a OM la PL - 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 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 întrFig.1b [HES00]
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. Fig.1c
Aplicaţia 1b: utilizează ca element deformator o placă de cauciuc. Aplicaţia 1c: un set de arcuri cu dispunere similară celei din aplicaţia a.
Fig. 1a
6
[HES00]
[HES00]
Fig.2
Fig.1d
Soluţia din figura de mai sus (complianţă necontrolată) se
Prehensorul bidactil sincron din figura 2 este dotat şi cu un
aplică în operaţii de asamblare.
împingător 3 acţionat de către doi minicilindri pneumatici cu
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
simplu efect. După ce se ajunge în poziţia de instalare a obiectului
prehensorul cu piesa apucată ocupă o poziţie şi orientare
prehensat (4), bacurile (5) se îndepărtează, elementul de
precise. La montaj dacă bolţul 5 ia contact pe teşitură cu
apăsare obligă la un contact corect pe suprafaţa plană a
alezajul din piesa 6 este generată o forţă axială care
dispozitivului de prindere al postului de lucru. Urmează
comprimă arcul şi apare un joc între suprafeţele conice. În
strângerea semifabricatului în dispozitiv, astfel evitându-se
acesta situaţie prehensorul se poate înclina şi se continuă
dubla închidere prin forţă a semifabricatului.
inserţia.
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.
[
]
mc = 6 − (mdo + m po ) − mdp = 6 + mdp − mdo − m po 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
Baze teoretice (PRE)
Prehensoarele vacuumatice (PV) sunt prehensoare unilaterale (apucă piesa pe o singură parte), care utilizează 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 pe suprafaţa 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”. 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 plus ventuzele sunt supuse la uzuri intense.
(1.013 mbar=101.3kPa)
De exemplu scăderea presiunii de la 90 kPa la 60 kPa creşte forţa cu aprox. 20 ... 40 % iar consumul de energie se majorează de aprox. 10 ori. Deoarece forţa de ridicare este proporţională cu suprafaţa ventuzei este mai avantajos să se lucreze cu depresiuni nu prea mari şi cu ventuze cu suprafeţe majorate. Prehensarea vacuumatică se foloseşte pentru m = 10-3 ... 102 kg. 10 www.piab.com
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 Fig. 6.
Reducerea consumului de energie În cazul prehensării simultane a mai multe obiecte care au erori de poziţionare şi orientare, este posibil ca o parte din ele să nu poată fi apucate. O soluţie neeconomică ar fi să se lucreze cu o pompă supradimensionată, care astfel să poată suplini pierderile pe ventuzele care nu au putut să apuce obiecte. O soluţie raţională este utilizarea unor supape unisens duale integrate în corpul ventuzei: a. Când ventuza este în proximitatea OM şi începe pomparea, pierderile sunt mici deoarece supapa unisens este închisă şi există o legătură cu exteriorul prin orificiu de diametru mic. Pierderile rămân mici şi dacă se ratează ridicarea OM. b. Când ventuza este poziţionată corect pe obiect va fi evacuat doar micul volumul de aer de sub ventuză, deci operaţia de apucare va fi rapidă. c. Eliberarea OM se face rapid deoarece supapa unisens se deschide şi permite un debit relativ mare. Soluţia se aplică, în general, la ventuze cu diametre 20 ... 50 mm, care apucă OM neporoase.
www.piab.com
www.piab.com
Fig. 7.
13
- Piuliţă asigurare - Piuliţă reglaj poziţie senzor de proximitate -Senzor de proximitate - Arc compresiune - Palpator - Corp - Ventuză - obiect prehensat
Fig. 8. În acelaşi scop se utilizează ventuze echipate cu
Fig. 9.
www.piab.com
senzor de proximitate [Sommer]. Sunt utile în cazul acţionării cu pompe de vacuum. Depresiunea
este
aplicată
Ventuze care integrează supape normal închise, doar
când
ventuzele au luat contact corect cu obiectul/ele.
toate
acţionate de o tijă palpatoare. Sunt eliminate complet pierderile
14
2.3. VENTUZE 2.3.1. VENTUZE CARE IAU CONTACT CU OBIECTUL PREHENSAT a
Caracteristici generale: - dimensiuni uzuale Φ5 ... Φ125 mm; - presiune 0.8 bar vacuum; - material: neopren rezistent la ulei şi la temperatură: -300 ... 120 0 C; silicon 200 0 C;
Fig. 10. (Sommer)
c
Sommer
b
Tipuri de ventuze utilizate b. c.
Ventuze gofrate cu secţiune ovală, există un efect ridicare a obiectului la acţiunea vacuumului, datorită deformării ventuzei. Ventuze cu secţiune inelară pentru obiecte cu găuri străpunse, piesa centrală este adaptabilă la diverse diametre de găuri ale OM.
15
d. Ventuzele cu pereţi gofraţi permit compensări relativ mari de la poziţia şi orientarea obiectului prehensat
d
f. Ventuze cu elemente distanţiere faţă de obiect, împiedică fenomenul de lipire şi în consecinţă au o capacitate mărită de a prelua forţe laterale.
e
f
e.Ventuzele cu arc permit o mai uşoară adaptare la înălţimea variabilă a obiectului
Sommer
Sommer
16
Sommer
www.piab.com
h
g
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
g. Ventuză cu Φ mare , arc, articulaţie sferică (150) pentru compensarea erorilor relativ mari de pozitie si orientare a OM
i
i. Ventuze nervurate, sunt destinate prehensării tablelor plane sau ovale. Datorită curburii reduse, nervurilor au o durabilitate superioară. Coeficientul de frecare relativ mare asigură o fixare fermă în plan orizontal chiar şi a tablelor care sunt unse
17
2.3.2. VENTUZE CARE NU IAU CONTACT CU OBIECTUL PREHENSAT
a b
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
2
3
b
1
4
Sommer
Fig. 12. 1.Apucarea a diferite forme de de obiecte2.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
20
Sistem urmărire video 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. 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
b
c
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 d Fig. 13. [DE-STA-CO]
mecanice.
22
Fig. 14. [DE-STA-CO]
23
2.5. EXEMPLE DE APLICAŢII ALE PREHENSĂRII VACUUMATICE
Fig. 15.
Manipularea tablelor pe o linie de transfer unde se execută operaţii de ştanţare
www.piab.com
www.piab.com
Fig. 16.
Unitate flexibilă de ambutisare prin vacuum. Datorită formei diferite a OM semifabricat, piesă ambutisată se utilizează 2 RI cu prehensoare specifice
Fig. 17.
Operaţii de pick&place la asamblarea capotelor 24
Fig. 18.
Fig. 19.
Fig. 20.
Umplere saci
Împachetarea blisterelor
Manipularea geamurilor
Fig. 21. Fig. 22.
Manipulări în industria cartoanelor Paletizare
25 www.piab.com
Fig. 23.
Linie de împachetare a unor obiecte de dimensiuni mici în cofraje, ridicate cu ajutorul ventuzelor, RIPar Dela cu ghidarea vizuală tip IRB 340 [ABB]. 26
3. PREHENSOARE MAGNETICE 3.1. Specificații, avantaje, dezavantaje Prehensoarele magnetice (PMa) sunt prehensoare unilaterale (apucă piesa pe o singură parte), care utilizează 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 de atracţie permanentă, în consecinţă necesită, în faza de desprindere, un dispozitiv suplimentar de îndepărtare a OM de magneţi. De obicei se utilizează un dispozitiv mecanic cu acţionare pneumatică, care deşi relativ uşor măreşte masa sistemului de prehensare (fig. 8).
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, 27 sub 600 C pentru prehensoare electromagnetice, în absenţa unui sistem de răcire.
Avantajele prehensării magnetice: - comparativ cu prehensoarele vacuumatice (PV), PMa sunt mai rapide şi dezvoltă o forţă de prehensare specifică mai 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 temperaturi 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 de aşchii 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; 28 - sensibilitatea la forţe laterale aplicate obiectului prehensat.
3.2. Exemple de prehensoare magnetice ???? Actionarea: Cilindru pneumatic cu simplu efect
3.2.1
Prehensorul este intotdeauna pregatit sa actioneze Presiunea este aplicata pentru a elibera piesa
www.techno-sommer.com
Flansa
Magnet permanent
Suprafata activa
29
3.2.2
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
Cuplă sferică
30
31
3.2.3
www.goudsmit-magnetics.nl
Prehensoarele magnetice se utilizează, în general, pentru prinderea tablelor feroase cu grosimi mai mici de 4mm 32
Prehensoare magnetice cu ventuze MagVacu gripper
www.goudsmit www.goudsmit-magnetics.nl
Avantajele prehensării duble magnetice și vacuumatice
- Forță de prehensare majorată. - Se pot manipula piese solicitate la forțe 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
prehensarea magnetică).
este
activată
3.2.4
MAGNOS Magnetic Gripper
PREHENSOR CU MAGNEȚI PERMANENȚI ȘI ELECTROMAGNEȚI (Permanent-Electro Magnets)
[Schunk, www.schunk.de]
34
Cumul de câmpuri în exterior 3
Anulare de câmpuri în exterior 1
www.pascaleng.co.jp
4
5
6
1 - bobină 2 – magnet permanent NdFeB 3 - magnet permanent polarizabil tip AlNiCo
Magnetul AlNiCo este utilizat ca și comutator de câmp magnetic ON/OFF. (timp de polarizare aprox. 0,5 sec cu un curent
4 - pol magnetic 5 – fluxul magnetic 6 – piesa fixată magnetic
210V/10A; 360V/30A)
35
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
Anexa 1
Legea lui Bernoulli
36
37
Tub Venturi
Efect Venturi
Vezi și aplicația VacuCalculator_de.exe 38
CONDIŢII IMPUSE PREHENSOARELOR MECANICE - 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 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 1 (controlabilitate mare, actualmente gabarite mai mari decât cele pneumatice şi costuri ridicate)
PREHENSOARE BIDACTILE
Fig. 8. Schemele cinematice ale unora dintre cele mai utilizate PMe bidactile, simetrice
2
3
PREHENSOR BIDACTIL, PARALEL ŞI SINCRON Pistoanele sunt acţionate pneumatic, asigură forţa de străngere exercitată de bacuri
Schema unui prehensor bidactil, paralel şi sincron (www.grippers.com) - precizie ± 0,025 mm; - fortă strângere 150 ... 450 N; - ungere pe viaţă; - acţionare pneumatică. Şurubul stânga-dreapta asigură sincronizarea deplasărilor celor 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)
a
Ghidaje portbacuri
Portbac
Suport senzor
b
Fig. 11. c
Pană dublă bilaterală Corp
Alezaj centrare
Piston
(vezi fisier png_Plus.mpg si rota.avi din subdirectorul …\__video\Preh mecanice Schunk )
5
PREHENSOR BIDACTIL, UNIVERSAL, PARALEL ŞI SINCRON (mecanism cu cremalieră-pinion-cremaliră)
Fig. 12.
6
PREHENSOR BIDACTIL, UNIVERSAL, PARALEL ŞI SINCRON, CURSE MARI (mecanism de sincronizare pinion-cremaliră) a
Fig. 13.
www.techno-sommer.com
b
Se utilizează două motoare pneumatice cu dublu efect, sincronizate prin intermediul unui mecanism cu pinion – cremalieră. Prehensorul este universal (strânge pe interior şi pe exterior)
c
7
b
PREHENSOR BIDACTIL, UNGHIULAR ŞI SINCRON (mecanism pârghie oscilantă), (DWG-**, WWW.SCHUNK.DE) Bolţ
a
Braţ portbac
Suport tip colier pt. senzor de proximitate
Arc compresiune
“camă”
c Pistonul motorului pneumatic cu simplu efect
Corp prehensor
Alezaj centrare
Senzor de proximitate
Fig. 14. 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 )
8
PREHENSOR BIDACTIL, UNGHIULAR ŞI SINCRON (mecanism pârghie oscilantă), (PWG-**, www.schunk.de)
Pârghie portbac
a
b
Elenent contact
Arc compresiune
Element de contol cursă
Corp
Piston oval
Suport senzor de proximitate
Fig. 15.
Flanşă
9
MINIPREHENSOR BIDACTIL UNGHIULAR, SINCRON
a
Fig. 16.
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. 10
ELEMENTE DE MODELARE 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 )
Fig.27. Precizia “structurala” a unui prehensor bidactil, simetric, cu bacuri
11
ELEMENTE DE CINETOSTATICA PREHENSIUNII
Fig. 28. Exemple de caracteristici statice
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. 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. 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 de ghidare a robotului, prin B poziţia de centrare este conservată (compensatorul este blocat). Acţionările pentru 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 este centric 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 de complianţă şi strânge obiectul. Intră în acţiune comanda B pentru a nu se forţa extragerea obiectului. 3. Piesa este extrasă fără să apară forţe transversale. 13 4. Dacă este necesară recentrarea prehensorului se ridică blocajul şi acţionează comanda A.
2. MODUL DE COMPLIANŢĂ ATI ATI 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 se inserează axa bolţului se va alinia cu axa alezajului.
14
Clic pentru ansamblu explodat
Elementele esenţiale ale modulului de complianţă tip RCC sunt cele două flanşe de fixare pe flanşa terminală a RI şi pe flanşa prehensorului între care sunt intercalate 3, 6 sau 12 elemente elastice a căror axe se întâlnesc în vârful unui con (centrul de complianţă). Evident că la creşterea numărului de elemente elastice creşte şi rigiditatea ansamblului. Modulul are o rigiditate axială apreciabilă şi o rigiditate laterală mică. Opţional mai poate conţine un sistem de blocare acţionat pneumatic, care are rolul de a reduce vibraţiile datorate forţelor de inerţie şi de a proteja elementele elastice de deformaţii nefuncţionale. Tot opţional se mai poate instala un sistem senzorial care monitorizează stările de funcţionare ale modulului dotat cu sistem de blocare. 15 salt
16
Alegerea modului de complianţă 1. 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. -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 la pasul 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 pieselor A 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 17 care trebuie luată în considerare.
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 1. MODULUL ROBOHAND
a
b
Fig. 48. Schema funcţionării modului anticoliziune (Robohand Inc)
Modulul de protecţie la suprasarcini, coliziuni funcţionează în următoarele etape: - În modul normal de lucru presiunea aerului comprimat menţine în anumite limite cele două corpuri ale modului în poziţie normală (configuraţia a în figura alăturată). - În momentul coliziunii endefectorului cu un obiect sistemul senzorial detectează poziţia necentrică a corpului inferior şi trimite un semnal la controlerul RI. - Controlerul comandă eliminarea instantanee a aerului comprimat din incinta corpului superior, în consecinţă endefectorul se poate mişca liber în anumite limite, şi simultan încetează mişcarea elementelor mecanismului de ghidare a RI simultan cu acţiunea frânelor din cuplele LG. - Endefectorul este repoziţionat manual şi senzorul comandă reintroducerea presiunii în modul şi astfel endefectorul este readus în poziţia 21 antecoliziune.
2. PROTECTOR TM- Dispozitiv de protecţie a roboţilor la coliziuni Tip SR-**, ATI International Automation, www.ati-ia.com a
b
c
Fig.49. Tipuri de coliziuni: a.unghiulară; b. compresivă; c. torsională
Interfaţa cu flanşa terminală a mec. de ghidare a RI Conector Brad Harison
Sistemul permite resetarea automată după coliziune (reconstituire cu o precizie 0.02mm) şi îndepărtarea cauzei coliziunii, astfel că operatorul uman nu este nevoit să intre în spaţiul de lucru al RI. Protector este compliant pe toate cele trei axele X, Y, Z şi permite resetarea automată dacă rotaţia torsională nu depăşeşte 20...250. Şocul coliziunii este absorbit prin intermediul aerului comprimat. Energia absorbită este redirecţionată ulterior pentru resetatea sistemului. Sensibilitatea sistemului al coliziuni este reglabilă. Implicit Protector reacţionează la o deplasare axială de 0.5 mm. SR-45
Interfaţa cu flanşa endefectorului
Fig. 50.
22 Fig. 51.
Şurub de reglare a sensibilităţii
Bloc de conectare
Piston absorbitor de şocuri Locaş pentru arc adiţional (arcul este utilizat doar pentru coliziunu slabe, aerul pentru coliziuni puternice) Senzor normal închis
Camă Sferă Corp inferior
Fig. 52.
23
www.steinbockus.com
Tudor Păunescu 13.1
1
RPTCM
BIBLIOGRAFIE
2
BIBLIOGRAFIE [BAB96] Babeu T. Logistică industrială. Universitatea
www.automatedconcepts.com
Politehnica Timişoara, 1996.
www.denso-wave.com
[CAL97] Calefariu G şa. Automatizarea sistemelor de
www.mobilerobots.com
producţie. Univ. Transilvania din Braşov, 1997.
www.midaco-corp.com
[CRI95] Cristea L. Automate de control şi de servire.
www.bookitek.co.kr
Univ. Transilvania din Braşov, 1995.
www.delmia.co.uk
[CRI88] Crişan I şa. Sisteme de montaj cu roboţi şi
www.agvp.com
manipulatoare. Editura Tehnică,Bucureşti, 1988.
www.egeminusa.com
[DOR88] Dorin A. Enciu G. Robocarele sistemelor
www.agvsystems.com
flexibile de fabricaţie. TCMM nr. 4, Editura Tehnică,
www.amerden.com
Bucureşti, 1988.
www.fmcsgms.com
[OLI89]
Pascal
Olivier.
A
perirobotique
www.pmh-co.com
d’assemblage.25. Hermes.1989.
www.steinbokus.com
[PAU98] Păunescu T. Celule flexibile de prelucrare.
www.indumat.de
Modelare, simulare si optimizare. Ed. Univ. Transilvania
www.jervisbwebb.com
din Brasov, 1998. [TUA04] Tuan Le-Anh, M.B.M. De Koster. A Review Of Design And Control Of Automated Guided Vehicle Systems. Erasmus Research Institute of Management (ERIM), 2004.
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; - 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$, iar cu instalare, software şi restul subsistemelor auxiliare, investiţia se ridică la 150000$/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 operatori umani, 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
Trei schimburi
Două schimburi
Investitia
Investitia
Investitia
ani
ani
ani
5
CALCULUL NUMĂRULUI DE ROBOCARE
D v⋅k s ⋅ 60
N ⋅t + 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 tractare a unor cărucioare. - În faza iniţială se utilizau sisteme de ghidare cu suport continuu: ghidare prin fir şi prin bandă reflectorizantă. - 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 de inteligenţă 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
CLIC PE IMAGINE
ARHITECTURI ALE ROBOCARELOR
ROBOCARE TIP FURCĂ
ROBOCARE TIP REMORCHER
ROBOCARE TIP PLATFORMĂ
ROBOCARE DEDICATE ŞI 9 ROBOCARE ECHIPATE CU BRAŢ ROBOT
ROBOCARE TIP FURCĂ Scaner laser
Averizoare optice, sonore
Giroscop
Dsp. pt. încărcare baterii
Senzor ultrasonic
Scaner laser anticoli anticoliziune
Joystick
Panel de control
Calculator de bord
Modul de control
Dispozitive anticoliziune
Steinbock
Senzor magnetic
10
Terminal pt. diagnostic
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
11b
d
ed RC tip furcă cu acţiune laterală relativ la direcţia de deplasare 12
RC furcă cu contragreutate (Counterbalance Type AGV )
RC furcă cu picioare de stabilizare
RC cu mecanism de rotire a furcii
i f
g
h
Pentru mărirea manevrabilităţii, şi micşorarea spaţiului necesar manipulării, se utilizează mecanisme de translaţie orizontală şi rotire a furcii după o axă verticală (fig. h şi i). O comparaţie între spaţiile de lucru 13 necesare pentru trei arhitecturi de RC furcă evidenţiază avantajul net al RC cu furcă rotitoare.
SISTEME MULTIFURCĂ
www.amerden.com
RC cu două furci pe orizontală
RC cu două furci pe verticală
14
ROBOCAR TIP PLATFORMĂ
www.amerden.com
RC PLATFORMĂ DE BAZĂ (doar cu sistem de locomoţie)
www.jervisbwebb.com
RC tip platformă, cu capacitate mică de încărcate (100 ... 200 Kg)
RC tip platformă joase, se utilizează în servicii industriale sau spitale, pot fi echipate cu platforme ridicabile sau tip conveior cu acţiune laterală. 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
a b
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 cu acces bilateral, pentru operare cu conveioare
RC platformă dublă cu acces unilateral pentru operare cu conveioare Transferul scurt între RC şi conveior se efectuează prin intermediul unui mecanism de translaţie bisens, cu care poate fi echipat robocarul sau conveiorul.
19
ROBOCAR TIP REMORCHER
Robocar-remorcher utilizat în depozite poştale
Robocar-remorcher de containere
Capacitatea de remorcare a RC este în general de 4 ... 20 t.
20
ROBOCARE DEDICATE
RC dedicate transferului obiectelor cilindrice grele (role de hârtie, butoaie), cu manipulare laterală 21
RC pentru transferul produselor chimice RC pentru role de tablă cu mase mari
22 RC curier postal
ROBOCARE ECHIPATE CU BRAŢ ROBOT www.denso-wave.com
23
SISTEMUL DE LOCOMIŢIE
[CRI88]
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]. 24
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.
Ghidarea prin fir este cea mai frecvent aplicată, dacă calea RC rămâne invariabilă pe o perioadă mai lungă de
GHIDAREA PRIN FIR
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 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 www.agvp.com
permite o dirijare precisă a RC. Dacă RC este centrat pe fir tensiunile sunt egale, deci diferenţa este zero. La
25
devieri de la traiectorie apar diferenţe de tensiune.
www.agvp.com
Canalele pot cuprinde mai multe fire, fiecare alimentate separat şi lucrând cu frecvenţe diferite (1 ... 4 ). Acestea sunt izolate 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 de ghidare şi la porţiunile curbe ale traiectoriei (distanţe de câteva zeci de cm), fapt ce simplifică mult operaţia de tăiere a canalelor. 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
GHIDAREA CU LASER
Scanerul laser
Element reflectorizant
(www.agvp.com)
Ghidarea prin laser asigură maximum flexibilitate
de a
precizie traiectoriei
şi RC,
comparativ cu celelalte metode
Scanerul laser în infraroşu, invizibil şi inofensiv pentru ochiul uman, este montat în partea superioară a RC (“girofar”). Acesta trebuie să aibă o bună vizibilitate asupra elementelor reflectorizante plasate pe pereţi (în general sub forma unor cilindri reflectorizanţi). Raza rotitoare efectuează 5 ... 20 scanări/sec şi are bătaie de maximum 30 m. Pentru o dirijare corectă raza laser rotitoare trebuie să atingă cel puţin 3 trei elemente reflectorizante, însă media este de 5. Scanerul măsoară dist. la elementele reflectorizante şi prin calcul se deduc poziţia şi orientarea RC. Ghidarea laser a început 27 să fie exploatată prin anii 85.
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 ieftin în comparaţie cu cel laser, însă precizia de poziţionare este mai mică. Ca precizie ghidarea magnetică www.agvp.com
este inferioară ghidării prin fir.
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.
28
GHIDAREA OPTICĂ
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
Fotografie în ultraviolet în care sunt vizibile benzile de ghidare
secţiile curate sau în medii neindustriale care îndeplinesc condiţiile enumerate anterior.
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
Tandem
30
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 suprafaţă majorată 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
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 Convenţional
O singură buclă
Tandem
Avantaje
Dezavantaje
- 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.
- 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.
- 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 de ghidare a RC şi de coliziune. Pentru senzorii de ghidare vezi subcapitolul Ghidarea robocarelor.
Senzor fotoelectric
Senzor laser
Senzorii coliziune: - bandă deformabilă (vezi barele de protecţie a autovehiculelor rutiere); - senzori laser; - senzori fotoelectrici; - senzori ultrasonici, utilizaţi în scopul ocolirii obstacolelor, echipare mai puţin frecventă. Bandă deformabilă
35
Bandă deformabilă
Senzor laser
36
Schimbatorul automat de palete (SAPa) este format dintr-o platforma cu 1..3 grade de mobilitate, care este elementul 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 magazinul local 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 pe masa PL.
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 lucru relativ mare, în consecinţă sunt rar aplicate. 1
R
R
2 spații de depozitare, turelă rotitoare SAPaS
Dacă nu se utilizează SAPa (fig. d) se produce o utilizare ineficientă a PL, deoarece după terminarea prelucrării unui semifabricat, dacă RC nu este disponibil să realizeze transferul PaDL, PL asteaptă. În plus PL nu 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 sau RCd 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 preia o PaDL cu o piesa neprelucrată. Deci RC este degrevat de condiţia de a fi la PL când se termină o prelucrare. Evident că pentru a nu se produce aşteptări la urmatorul ciclu de prelucrare RC va trebui ca pe parcursul 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, însă necesită 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, se2elimină timpii de aşteptare ai PL, timpi generaţi de nedisponibilitatea RC la solicitarea PL.
Centru de prelucrare, magazin carusel de PaDl, un modul SAPa-dl
3
SAPa-dl
RC
4
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.
5
[MID]
[MID]
SCHIMBĂTOR MANUAL DE PALETE - capacitate de încărcare 900 Kg; - căi de rulare liniare; - construcţie compactă, picioare reglabile la înălţime; - butoane duale pentru siguranţă operatorului;
6
SCHIMBATOR AUTOMAT DE PALETE INTEGRAT ÎN UNITĂŢI FLEXIBILE DE PALETIZARE SISTEM AUTO STOCKER [HIR]
robocar
SAPa [HIR]
Sistemul este conceput ca modul care se plasează în proximitatea unei benzi transportoare. Lucrează cu palete de la 400 x 300 până la 800 x 600 mm, capacitatea maximă de încărcare fiind 200 Kg, deci este destinat manipulării pieselor de dimensiuni relativ mici. Transferul scurt şi operaţiile de paletizare/depaletizare a semifabricatelor sunt efectuate de către un robot SCARA sau cartezian. Datorită elevatorului intern SAPa ocupă o suprafaţă mică. Se aplică curent în sisteme de asamblare, paletizare pentru piese turnate din mase plastice, 7 încărcare/descărcare maşini unelte.
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). 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
8
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
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.
9
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; - 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. 1
1
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 dimensiuni mici sau medii se utilizează manipulatoare 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), 1 dispozitiv specializat. 2 printr-un
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. 1
3
Fig. 8 continuare
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 1 impuse conditii stricte de plasare a PL, PI, PE deci layout-ri rigide.
4
www.abb.com/robotics
A ŞAPTEA AXĂ A RI
1 5
1
Datorită
celei
axe
RI
de
2
3
a
Alte avantaje:
poate
-îmbunătăţire ciclu de lucru;
conserva orientarea piesei
- micşorarea distanţei dintre
în
prese;
şaptea
timpului
transferului
scurt, situaţie avantajoasă
- o mai eficientă ocupare a
în procesul de servire a
suprafeţei
preselor
(se
micşorează
producţie.
forţele
de
inerţie
vibraţiile). 1
şi
4
halei
5
6
de
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 condiţiile utilizării 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.
Fig. 14
1
În figura 14 a semifabricatele sunt plasate pe o Pa fixă. Deoarece semifabricatul îşi conservă axa orizontală s-a adoptat un mecanism dublu paralelogram în componenţa mecanismului de ghidare. În consecinţă RI are 4 grade de mobilitate, comparativ cu 5 grade de mobilitate în cazul absenţei acestui mecanism În figura 14 b Pa este plasată pe o masă care poate executa translaţii Ty. RI nu mai trebuie să caute semifabricate pe această direcţie şi în consecinţă va fi suficient un mecanism de ghidare cu 3 mobilităţi. 7
CARACTERISTICI ALE ROBOŢILOR DE PALETIZARE
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 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; 1
8
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 utilizează mai 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). 1
9
