Studiul unui sistem de pozitionare cu cuple cinematice clasice si actionare electrica

Studiul unui sistem de pozitionare cu cuple cinematice clasice si actionare electrica

Universitatea Tehnica din Cluj - Napoca

Facultatea de Electronica, Telecomunicatii si Tehnologia

Informatiei

Cuprins

1.   Introducere

2.1 Structura  geometrica a sistemului mecanic in functie de

spatiul de lucru.

2.2 Structura mecanica a modelului experimental propus

3 Comanda unui modul de actionare

4.     Concluzii

5.     Bibliografie

1 Introducere

In lucrare, autorul abordeaza aspecte legate de conceptia, constructia si functionarea structurii mecanice si de actionare a unui robot antropomorf cu 4 grade de libertate + mecanism de prehensiune.

Se cunosc astazi, o mare varietate de roboti antropomorfi, la care structura mecanica a bratului purtator utilizeaza diverse solutii constructive in functie de domeniul de aplicare.

Varianta prezentata in lucrare face parte din categoria variantelor simple  cu actionare pe fiecare cupla cinematica, prin intermedul motoarelor de curent continuu si a reductoarelor melc-roata melcata cu jocuri de flanc zero.

Acest sistem reprezinta o solutie comoda atat in privinta erorii de pozitionare dar si in comanda prin sisteme cu microprocesor.

2.1  Structura geometrica a sistemului mecanic in functie de spatiul de lucru.

Incazul general, deplasarea unui obiect dintr-o pozitie in alta, in spatiul tridimensional, se poate realiza prin sase miscari de rotatie independente intre ele, asa cum permite mana operatorului uman daca operatiile ar fi facute de acesta. (Figura 1.)

Prin compunerea unor miscari de rotatie mana operatorului uman realizeaza miscari de translatie ale bratului, (figura 2). Intrucat miscarea de translatie este o rotatie la limita, miscarea generala spatiala a unui corp (obiect) se poate realiza prin combinatii de rotatii R si translatii T.

Pentru construirea unui robot industrial in scopul realizarii unei anumite probleme de manipulare este hotarator spatiul de lucru al efectorului, respectiv zona de miscare a mecanismului de prehensiune.

Configuratia si marimea acestor spatii de lucru, depind de structura mecanismului de pozitionare, de felul cuplelor cinematice, precum si de dimensiunile elementelor cinematice.

Astfel, cu ajutorul unui lant cinematic deschis, cu patru elemente se pot proiecta opt mecanisme de manipulare cu  spatii de lucru de configuratie diferita, daca se folosesc numai

cuple de rotatie R si translatie T care permit o singura miscare.

Aceste variante de mecanisme se deosebesc prin numarul si ordinea cuplelor de translatie si rotatie folosite pentru legarea celorpatru elemente cinematice, precum si prin pozitia relativa a axelor acestor cuple cinematice. In tabelul 1 prezentam citeva variante de structuri mecanice cu patru elemente cinematice.

_{Tabelul 1}

2.2  Structura mecanica a modelului experimental propus

In vederea realizarii unei celule de fabricatie robotizate de uz didactic in care un subsistem de manipulare sa deserveasca un subsistem de prelucrare, autorii au conceput modelul experimental al unui robot articulat.Acest robot a fost conceput conform schemei cinematice structurale din figura 3, cu 4 grade de libertate + mecanism de prehensiune.

Mecanismul de pozitionare al robotului poseda trei grade de libertate are lantul cinematic principal de tip RRR cucoloana pivotanta, brat si antebrat, iar spatiul de lucru toroidal. Conform lucrarii 1] acest tip de

mecanism de pozitionare al robotului poarta

denumirea de brat purtator poliarticulat saubrat antropomorf. Coloana pivotanta are o miscare de rotatie in jurul axei O_z constituind  modulul de baza al robotului, iar articulatile bratului si antebratului au miscari de rotatie in jurul axei O_x constituind modulul bratului, respectiv antebratului.

Modulul de baza al coloanei pivotante

1 este actionat prin intermediul unui reductor melcat avand roata melcata situata intr-un plan orizontal (figura 4 . Melcul reductorului,

Figura 3.

din constructie a fost amlasat direct pe axul

motorului constituind ansamblul motoreductor de tip EP 401 12V_cc cu un raport de transmitere i = 38.

Modulul bratului 2  este actionat prin intermediul unui motoreductor de tip EP-401-

12V_cc si a unui reductor melcat cu raportul de transmitere i  = 126 astfel incat sa se asigure rotirea intre

^ _{2 min} ^si

^ _{2 max} ^de

Figura 4.

_{intermediul unei cuple de}

Figura 5.

₄₀ ^o                 _{in 13  secunde}

(figura 5).

Modulul antebratului 3 a fost actionat de la baza elementului 2 al bratului (figura 3) prin translatierealizatacu

ajutorul unui mecanism surub- piulita cu pas de 1,5 mm/rotatie. Mecanismulsurub-piulita, de constructie cu eliminarea jocului de flanc a fost utilizat pentru ca se pot transmite forte si momente mari, functioneaza linistit si fara zgomot si realizeaza miscari de translatie de precizie ridicata.

Mecanismul surub-piulita (figura 3 , a fost actionat prin intermediul unui

_o

^{motoreductor de tip EP 401 12Vcc. Se asigura astfel, rotirea intre } _{3 min}

_{in 55 secunde.}

^{si  } _{3 max}

de 130

Figura 6.

Mecanismul de orientareeste de tip activ, cu un singur grad de libertate si are axa perpendiculara pe ultimele doua axe ale articulatiilor bratului purtator poliarticulat. Mecanismul de orientare (figura 3), a fost actionat prin intermediul unui motoreductor  de tip EP-401 12V_cc cu un raport de transmitere i = 38 identic cu cel din figura 4).

Figura 7.

Pe bratul activ al mecanismului de orientare se gaseste montat mecanismul de prehensiune cu doua degete si strangere simetrica. Degetele se deplaseaza prin miscare de rotatie in jurul cuplelor D si E, (figura 6). Noi am conceput deplasarea degetelor prin intermediul unui mecanism surub-piulita cu pasul de 0,5 mm/rotatie actionat de un motor electric de curent continuu tip S2-20s 12 V_cc Germania.

Structura mecanica a robotului antropomorf propus (figura 7), a fost realizata integral

din OL60 care are o buna elasticitate la solicitari dinamice .

3 Comanda unui modul de actionare

Pentru stabilirea performantelor necesare motorului electric de actionare fiecare cupla cinematica conducatoare s-a tratat separat, ca un sistem mecanic izolat, compus dintr-un motor, o transmisie mecanica si un consumator 3].

Pentru fiecare cupla cinematica conducatoare actionata de motorul electric rotativ, se impune ca la  nivelul arborelui motor sa se dezvolte in orice moment al miscarii o putere capabila, P_M, care prin momentul creat sa invinga momentele rezistente: de inertie, de frecare si tehnologice.

^P_M ^{ P}_red

_cu

si M _M

^{ M} _red

3.1)

cu unde:

^Pred

^M red

^{ M} _red

^{ M} redg  ^{ M} redfr  ^{ M} redin

(3.2) (3.3)

^M_redg ^{momentul rezistent redus al fortelor gravitationale;}

^M_redfr ^{momentul rezistent redus al fortelor de frecare;}

^M_redin ^{momentul rezistent redus al fortelor de inertie.}

^{De asemenea, momentul redus M_red  mai este dat si de expresia:}

_unde

₁

^M _red^

^ _M

n



j i 1

G _j v _j cos

(3.4)

^ _M ^{viteza unghiulara a arborelui motorului electric;}

G _j                   forta gravitationala a elementului j;

V _j                    viteza centrului de greutate a elementului j;

^ _j ^{unghiul de presiune aferent fortei G} _j

unde

Valoarea maxima a sumei din relatia (3.4) se obtine considerand:

^{G  G_R  G}_M ^(3.5)

G_R greutatea robotului;

^G_M ^{greutatea maxima ce o poate manipula robotul.}

Momentul rezistent redus al fortelor de frecare se determina cu relatia:

₁

^M _redfr^

^ _M

n

_a