Proiect de absolvire mecatronica - sisteme mecatronice - roboti industriali cu actionare pneumatica

GRUP SCOLAR "DIMITRIE LEONIDA" CONSTANTA

PROIECT DE ABSOLVIRE

Pentru examenul de certificare a competentelor pentru obtinerea

certificatului de calificare profesionala

NIVEL III

CLASA a - XII- a C

PROFILUL: Tehnic

SPECIALIZARE: Mecatronica

SISTEME MECATRONICE-ROBOTI INDUSTRIALI CU ACTIONARE PNEUMATICA

11. Roboti industriali

Motto: Oamenii au o abilitate .fantastica de a folosi orice corp ca extensie a propriului corp.

11.1. Introducere in Robotica

Robotul este intruparea notiunii de "automatizare si control', este un produs meca-tronic. Termenul de "robot' a fost utilizat in 1917 pentru prima oara iritr-o nuvela a scri­itorului ceh Karel Capek. Cuvantul "robota' este cuvant slav si inseamna munca manuala dificila sau grea.

Robotii adevarati, asa cum ii cunoastem astazi, au aparut in 1954, cand un inginer american, Joseph Engelberger, a depus la oficiul de inventii un patent numit "programmed article transport'.

11.1.1. Definitii ale Robotilor

La fel ca termenul "automatizare', termenul de "robot' este utilizat cu rnai multe intelesuri, in diferite contexte. Cateva definitii sunt date mai jos:

Robotii sunt dispozitive de miscare cu mai multe axe, aplicabile universal. Miscarile si traiectoriile miscarii sunt liber programabile si, daca este necesar, sunt ghi­date de senzori. Robotii utilizeaza maini mecanice, unelte sau alte dispozitive (numite in general end-effectors) pentru a executa manipulari mecanice sau alte functii de productie.

In Germania este necesar ca un robot sa aiba mai mult de 3 axe, dar aceasta definitie nu este acceptata unanim, in intreaga lume. Multe alte tari, intre care Japonia si Statele Unite, utilizeaza alte definitii pentru roboti. De aceea este dificil efectuarea unui studiu comparativ a unor statistici de genul "numar de roboti la o mie de locuitori'. In Japonia, de exemplu, un manipulator cu doua axe comandat manual este considerat robot.

In domeniul roboticii, cei mai interesanti roboti sunt numiti "roboti inteligenti'.

Ei ar trebui sa fie capabili sa manipuleze obiecte in lumea reala si sa reactioneze la eveni­mente externe, in plus, ei trebuie sa fie flexibili, de exemplu sa-si modifice comportamen­tul. Forma si marimea robotului nu are importanta in stabilirea faptului daca este sau nu inteligent. Cel mai important criteriu este multitudinea de senzori folositi de robot.

Caracteristici

Principalele caracteristici ale robotilor industriali se pot grupa in mai multe categorji:

Geometrie:

spatiu de lucru;

configuratia articulatiilor;

numarul de grade de libertate.

Incarcatura:

Capacitatea de incarcare/incarcarea nominala

greutatea uneltei +greutatea piesei manipulate;

robotul poate misca aceasta incarcatura fara restrictii de viteza si acceleratie(conform cu datele limita date de pro­ducator).

Incarcarea utila = incar­carea nominala - Greutatea uneltei.

Cinematica:

viteza si acceleratia;

viteza pe traiectorie:

viteza uneltei intr-o miscare liniara(viteza TCP-Tool Center Point)

timpul de miscare.

Precizia:

repetabilitate;

precizia de pozitionare.

Controller:

hardware;

software;

interfata;

programare

Fig.11.1

Fig.11.2

Daca inde­plinesc mai multe functii, atunci se grupeaza dupa o functie principala.

Datorita uriasei varietati de functii ale robotilor, acestia se pot clasifi­ca in diverse grupe de functii principale. Astfel, robotii de sudura si de vopsire pot apartine grupelor de masini de sudura, respectiv masini de vopsit.

Robotii normali (care lucreaza cu maini mecanice) apartin dispozitivelor de manipulare.

11.1.3. Roboti si Automatizare

Automatizarea este strans legata de robotica. In acest context, exista trei nivele de automatizare:

1. Automatizare cu functionalitate constanta

Daca se doreste o productie in serie mare, este mai economic sa se cumpere echipament de productie optimizat, chiar daca pretul de achizitie este mare. Prin obtinerea unei productivitati mari, pretul de achizitie se justifica si pretul unitar pe produs va fi mai mic decat folosind alte echipamente. Pot aparea probleme din cauza timpului mare de conceptie a unor astfel de echipamente optimizate, din cauza lipsei flexibilitatii in cazul unor nevoi de modificare a produsului si din cauza imposibilitatii de utilizare a echipamentului, daca se renunta la fabricarea produsului.

Automatizare programabila

Daca se doreste fabricarea mai multor produse diferite in serie mai mica, atunci este nevoie de un echipament care se poate adapta usor la noile cerinte de pro­ductie. Dupa modificarea automatizarii se pot-realiza mai multe produse de acelasi fel, costurile de modificare fiind justificate si acoperite de numarul rela­tiv mare de produse fabricate.

3.Automatizare flexibila

De mai bine de 20 de ani, proiectantii echipamentelor de productie se gandesc ia sisteme de fabricatie in care realizarea unui singur produs sa se faca cu acelasi pret de fabricatie ca acela al unei serii mari de productie.

Mecanismul consta intr-un numar de celule de fabricatie de aplicabilitate universala care sunt conec­tate prin sisteme de transport si stocare. Un controller de fabricatie central coor­doneaza transportul pieselor la celulele de fabricatie si, de asemenea, transfera catre roboti toate programele necesare de fabricatie.

Un astfel de sistem poate fabrica un numar foarte mic sau foarte mare de acelasi tip de produs la un cost identic per produs.

Baza productiei viitorului consta in realizarea de sisteme si echipamente flexi­bile. Robotii inteligenti vor constitui o componenta principala a sistemelor de productie flexibile. Acestia vor putea fi utilizati atat pentru productie, cat si pen­tru transport.

Vor trebui sa isi planifice si sa isi supravegheze actiunile, sa inter-actioneze la stimuli din mediul ambiant si sa poata comunica eficient cu alte masini. Aceste functii necesita utilizarea tehnologiilor de senzorica si de comu­nicatie in retea

11.2.1.6. Domenii speciale de utilizare a robotilor

In afara de productia industriala, exista si alte domenii in care utilizarea robotilor s-a impus sau a fost eficienta. in aceste domenii, nu se poate vorbi despre raportul intre costul robotului si un anumit numar de produse. Exemple de domenii cu aplicatii speciale pentru roboti sunt:

• Spatiul extraterestru
• Laboratoare de cercetare
• Medicina

11.2.2. Dispozitive aditionale pentru roboti

La fel ca un om, un robot are nevoie de diverse scule, instrumente si dispozitive de masura, pentru a putea indeplini intr-un timp dat o munca de calitate. De aceea, un robot are in spatiul lui de lucru mai multe dispozitive aditionale, care il ajuta sa indeplineasca functii specifice. Cele mai uzuale dintre aceste dispozitive se enumera mai j6s:

• senzori ;
• statii de pozitionare a pieselor;
• dispozitive de prindere;
• magazii de piese;
• sisteme de schimbare a sculelor;
• sisteme de transport;
• axe de miscare aditionale;
• masini-unelte;
• depozite cu stocuri.

Structura robotilor

Un sistem robotic este constituit din urmatoarele componente: Mecanice si electrice (Hardware):

Mecanice si electrice (Hardware):

• Bratul robotului
• Motoare si componentele acestora
• Controller
• Consola de programare (Teach panel)
• Mana mecanica sau unelte
• Instalatii pentru asigurarea sigurantei in exploatare
• Sistem intern de senzori si traductoare
• Sistem extern de senzori si traductoare

De programare (Software):

• Sistemul de operare al controller-ului
• Programele de aplicatie ale utilizatorului
• Mediul de programare pentru dezvoltare si simulare de programe utilizator

11.3.1. Componente mecanice si electrice (Hardware)

Figura de mai jos arata structura de principiu a componentei mecanice si electrice a robotilor.

11.3.1.1. Bratul robotului

Bratul robotului .este folosit pentru miscarea unui effector. El este componenta esentiala a unui robot industrial. Bratul robotu­lui este constituit din piese mecanice indivi­duale' (links), conectate intre ele cu ajutorul unor articulatii (joints).

Bratul poate avea mai multe articulatii liniare si/sau de rotatie. La orice robot, primele 3 articulatii se numesc articulatii principale. Un robot poate avea si alte articulatii, pana la 5 sau 6. Numarul de articulatii este egal cu numarul de grade de libertate ale robotului.

Spatiul de lucru

Elementele mecanice si articulatiile robotului formeaza un lant cinematic. Acest lant cinematic este fixat la baza robotului. in principiu, exista o mare varietate de structuri de lanturi cinematice ca­re ar putea fi folosite la constructia robotilor.

Din punct de vedere practic, robotii industriali folo­sesc cateva tipuri de baza de lanturi cinematice. Acestea sunt prezentate in tabelul alaturat.

Spatiul de lucru defineste acele puncte din spatiu in care robo­tul poate ajunge cu effectorul prin pozitio­nare cu o anumita direc­tie de orientare a effec-torului.

Ca urmare a tipu­lui de lant cinematic folosit in constructia unui robot, spatiul de lucru al acestuia poate fi cartezian, cilindric sau sferic.

Sistemul de actionare

Sistemul de actionare asigura mijloacele si energia necesare robotului pentru a exe­cuta miscari in spatiul de lucru.

Deoarece articulatiile sunt mobile, sistemul de actionare trebuie sa aplice asupra acestora forte si momente in asa fel incat robotul sa fie rigid, chiar si atunci cand nu se misca. De asemenea, trebuie prevazute puterile de actionare necesare pentru a compensa greutatea proprie a robotului si a putea manipula obiecte sau scule cu end-effectorul.

Fig. Componente de actionare (hardware)

Actionarile robotilor folosesc motoare electrice, pneumatice si hidraulice. in gene­ral, motoarele electrice sunt cele mai utilizate pentru actionarea robotilor. O actionare mecanica cu motor electric pas-cu-pas sau cu servomotor de curent continuu cuprinde urmatoarele componente:

• frane;
• mecanisme de transmisie (cu lant, cu roti dintate, cu cremaliera etc);
• circuit electric de forta (amplificator);
• controller pentru comanda circuitului de forta.

Actionari pneumatice

Elemente de actionare: motoare si cilindri pneumatici. Utilizare: manipulatoare cu doua, trei articulatii, gripper-e.

Avantaje:

• timpi de actionare mici;
• necesita masuri de siguranta putine si simple;
• rezistente la variatii de temperatura;
• aplicabile in conditii dure dc lucru.

Dezavantaje:

• zgomot;
• pentru puteri mari sunt necesari cilindrii cu volum mare;
• precizie mica de pozitionare;
• numai miscari "tot sau nimic'.

Hydraulic

Elemente de actionare: cilindri hidraulici si motoare rotative hidraulice, pompa d ulei si valve de control.

Utilizare: roboti pentru actionari de putere, cu forte si moment mari.

Avantaje:

• proiectare compacta;
• posibilitate de obtinere a unor forte foarte mari;
• reglari precise de viteze.

Dezavantaje:

• pericol de contaminare (poluare) cu ulei;
• necesar sistem complex de conducte (presiune mare);
• timp de reactie mare (inertie);
• precizie mica de pozitionare.

Actionari electrice

Elemente de actionare: servo-motoare (motor si controller in tandem). Utilizare: aplicatii unde sunt necesare forte mici si medii (aprox. 80% din roboti industriali actuali).

Avantaje:

• fara zgomot;
• alimentare simpla si eficienta cu energie;
• fiabilitate mare;
• reglare foarte buna a vitezelor de rotatie si a momentelor (dinamica buna);
• pozitionare foarte precisa si repetabilitate buna;
• constructie compacta;
• greutate mica;
• timpi de reactie mici.

Dezavantaje:

• puteri si forte mici;
• limitare a vitezelor;
• sunt necesare mecanisme de transmisie a miscarii;

Controller

Controller-ul unui robot industrial este interfata dintre operator si componentele mecanice si electrice (hardware) ale robotului. Misiunea lui este de a controla cinematica (miscarea) robotului si de a oferi operatorului suport maxim pentru utilizarea eficienta a robotului. Pentru indeplinirea acestei misiuni, controller-ul asigura urmatoarele functii:

• comunicatia cu operatorul;
• suport pentru programare;
• gestiunea programelor,
• interpretarea programelor;
• coordonarea articulatiilor pentru miscarea programata a effector-ului;
• calcularea automata a valorilor de pozitionare pentru coordonatele axelor (articulatiilor);
• realizare reglarii automate a pozitiilor fiecarei axe conform cu valorile de pozitionare cal­culate;
• modificare valorilor de pozitionare axe (de catre senzori sau comenzi externe);
• generarea de informatii pentru echipamentele periferice (auxiliare);
• comunicatia cu alte masini din celula de lucru;
• asigurarea si mentinerea unor conditii de siguranta.

Panoul de operare (Teach Panel)

Panoul de operare poate avea un mic afisaj LCD cu cateva linii de text sau un ecran mare ce functioneaza in mod grafic, in culori. in afara de afisaj, panoul de operare include:

• buton de Oprire de Urgenta;
• comutator de activare/dezactivare robot;
• taste functionale pentru generarea, modificarea, selectia si testarea programelor;
• taste functionale, manete sau potentiometre pentru comenzi manuale de miscare a robo­tului;
• taste functionale pentru controlul echipamentelor periferice (mana mecanica, unelte etc).

Senzori interni

Sistemul intem de masurare al robotului este constituit din traductoare atasate bratului mecanic. Sunt masurate principalele marimi de interes pentru pozitionarea

11.3.4. Tipuri de roboti

Urmatoarele tipuri de roboti sunt cele mai utilizate in aplicatiile industriale:

• roboti cu brat articulat (cu cinci sau sase articulatii);
• roboti SCARA;
• roboti tip portal.

In plus, exista diferite variante ale lanturilor cinematice, conform cu specificul aplicatiei.

11.3.4.1. Robot cu brat articulat cu cinci articulatii

In figura 11.22. se prezinta un robot cu cinci articulatii.

Calcul tehnico-economic

Lucrarea executata: Demontarea unui distribuitor pneumatic cu diametrul Dn 16,cu trei pozitii si cu patru intrari (furtune) in vederea verificarii sau inlocuirii.Distribuitorul este comandat prin doi electromagneti comandati la tensiunea de 220 V curent alternativ (de retea) prin intermediul a doua relee de putere.

M A N O P E R A

Control vizual extern 2 0,5 1

Deconectarea de la reteaua

electrica de 220 V c.a. a

celor 2 electromagneti ai

disribuitorului 4 0,5 2

Demontarea celor 4 ca-

bluri electrice care leaga

electromagnetii la retea-

ua electrica 6 0,5 3

Demontarea celor 4

furtune de aer de la

distribuitor    5 0,5 2,5

Demontarea suruburilor

care fixeaza distribuitorul

pe placa pa care este

montat 10 0,5 5

Verificarea distribuitorului

pe bancul de proba 20 0,5 10

Se schimba distribuitorul

defect cu unul nou ,de la

magazie,cu unul nou,re-

facand invers operatiile

6:5:4:3:2 si 1 47 0,5 23,5

TOTAL; 94 47 LEI

Materiale folosite

Distribuitor 1 000 lei

4 suruburi de fixare 4 suruburi x 2 lei =8 lei

Total: 1008 lei

CALCULUL PRETULUI TOTAL AL OPERATIEI

INSTRUCTIUNI PRIVIND SANATATEA SI SECURITATEA MUNCII IN ACTIVITATI CU INSTALATII HIDRAULICE SI PNEUMATICE

1. Se interzice efectuarea lucrarilor de masurare si verificare cu aparate sau cu piese lipsa;

2. Inainte de inceperea lucrarilor la organele de comanda si conducere a fluidelor se va verifica obligatoriu daca circuitul respective nu este sub presiune;

3. La piesele din instalatiile hidraulice si pneumatice se efectueaza operatii de rodare. Pasta de rodaj ce se depune pe tija si bucsa de rodat se va aplica cu o paleta;

4. Amplasarea compresoarelor se va face conform indicatiilor din Cartea tehnica precum si in asa fel incat sa se asigure acces comod la ele , in momentul interventiei la subansamble si la supravegherea aparaturii;

5. Se interzice functionarea fara supapele de siguranta sau cu ele blocate;

6. Se interzice functionarea compresorului fara aparatoarea de cuplaj;

7. Traseele instalatiei electrice si panourile electrice din instalatiile de actionare hidraulice si pneumatice vor fi dispuse in zone in care nu este posibila intrarea lor in contact cu lichide , in mod normal sau ca urmare a unor avarii;

8. Se vor evita toate sursele posibile producerii de incendii , daca lichidul folosit este usor inflamabil;

9. Este necesara realizarea unor capace usor demontabile pentru a permite accesul la conductele flexibile si rigide si la celelalte elemente din interiorul instalatiei

10. Daca se lucreaza cu presiune reglabila , instalatia va fi dotata cu o supapa de siguranta reglata la o valoare care sa protejeze toate echipamentele instalatiei.

NORME P.S.I.

Prin natura lor incendiile sunt aducatoare de distrugere,necazuri si moarte.

Protectia contra inendiilor trebuie trebuie sa fie o preocupare constanta si continua a tuturor celor implicati in procesul de productie.

Se recomanda respectarea urmatoarelor reguli de protectia contra incendiilor:

Toate substantele periculoase, care se aprind usor,trebuie sa fie manipulate in conditii de maxima securitate,dupa reguli bine stabilite;

Pastrarea acestor substante se va face numai in locuri bine stabilite,sub cheie,iar accesul la acestea se va face numai dupa reguli foarte bine stabilite;

Vor fi facute instructaje periodice pentru protectie contra incendiilor,dar si,ori de cate ori este nevoie;

Se vor face exercitii speciale de interventie in caz de incendiu,punandu-se accent in special pe traseele de evacuare in caz de incendiu;

Fiecare membru al personalului trebuie sa cunoasca modul de utilizare al mijloacelor de interventie in caz de incendiu;

Se va evita pe cat posibil utilizarea focului deschis la focul de munca.

BIBLIOGRAFIE

M. Avram M. - " Echipamente si sisteme clasice si mecatronice " , Editura Universitara , Bucuresti , 2005

2. O. Dontu - " Utilaje si tehnologii pentru mecatronica" , Editura Tehnica , Bucuresti 2001

3. N.Huzum , G. Rahtz - "Masini , utilaje din industria constructoare de masini " , manual pentru clasa a XII-a , Editura Didactica si Pedagogica , Bucuresti , 1986

4. V.Madies , S. Mirescu - "Tehnologie si educatie in mecatronica " , Editura Economica . 2005

5. V. Marin si colaboratorii -Sisteme hidraulice si pneumatice de actionare si reglare automata.Editura Tehnica,Bucuresti - 1982,

6. A. Oprean - Hidraulica si pneumatica masinilor unelte.Editura

didactica si pedagogica,Bucuresti - 1983,

7. S. Popescu,Traian Ghinea- Automatizarea masinilor si instalatiilor folosite in agricultura.Editura Scrisul Romanesc, Craiova - 1986,

8. M. Radoi si colaboratorii -Reconditionarea pieselor.Editura tehnica,Bucuresti - 1985,

D. Tomescu si colaboratorii - Metode,procedee si tehnologii de reconditionare a a pieselor de la utilajele agricole.Editura Ceres,

Bucuresti - 1988,