|
|
|
TEHNOLOGII ROBOTIZATE DISPONIBILE PENTRU APLICATII IN INDUSTRIA GREA
SUMAR
Nevoia de automatizare si folosirea robotilor in industria constructiilor grele si ansamble la scara larga este analizata. Cateva probleme cu privire la operarea macaralelor, cum ar fi rigiditatea sarcinilor scazute la rotatia in toate directiile si transpunerea in plan orizontal, transpunerea laterala la aranjarea incarcaturii, etc. sunt discutate. Efectul acestor proprietati in operarea robotilor suspendati de macarale sunt luate in considerare.
Este descrisa o noua macara cu un mecanism de sarcina utila de suspendare compus din sase cabluri de sarma orientate corespunzator in spatiu tridimensional. Mai multe exemple ale folosirii acestui mecanism pentru suspendarea robotilor manipulatori din partea de sus, bratul articulat, si macaralele cu brat sunt prezentate.
Modele la scara de 1/10 si 1/1 ale unei macarale robotizate cu capacitate de transpunere laterala la aranjarea incarcaturii, care utilizeaza acest mecanism de suspendare, au fost construite si sunt descrise in aceasta lucrare. Rigiditatea manipulatorului la sarcini laterale si momente au fost studiate. Testele de masurare a rigiditatii au fost efectuate folosind modelul de laborator de dimensiuni mici. Rezultatele acestor teste pentru sarcini variate externe, inaltimi, si sarcini utile sunt date.
INTRODUCERE
Industria producatoare a Statelor Unite a vazut o crestere extraordinara in folosirea robotilor cu mai mult de 20,000 unitati instalate, cele mai multe in industria de automobile si in industriile inrudite cu industria automobilelor (Departamentul de Comert al U.S., 1987). In mijlocul acestei dezvoltari tehnologice uimitoare, utilizarea robotilor in industria constructoare grea si ansamblelor la scara larga, este efectiv non-existenta in U.S. Motivele acestei intarzieri sunt probabil datorate mediului mai complex si fara restrictii al santierului de constructii in comparatie cu mediul relativ constrans al fabricii. De exemplu in cazul industriei constructoare de nave motivele pentru lipsa automatizarii si utilizarii roboticii pot fi atribuite faptului ca este o industrie ce fabrica la comanda, necesitand precizie mare in construirea componentelor si a blocurilor precum si necesitatea unui numar enorm de membrii structurali si masini dintre care cele mai multe sunt grele si voluminoase. Constructia, fiind o munca intensiva, devine mai scumpa in fiecare an in timp ce automatizarea robotica devine mai putin scumpa si mai capabila in fiecare an. Poate a venit timpul ca cele doua tehnologii sa se intersecteze si sa se ajute reciproc la marirea costurilor de competitivitate si productivitate.
Nevoia de inbunatatire a automatizarii si productivitatii industriei constructiilor a fost subiectul atelierului co-sponsorizat de Biroul National de Standarde (Evans, J.M., 1985), care a raportat nevoile si prioritatile pentru cercetari viitoare asupra acestui subiect. Atelierul a concluzionat ca cheia pentru aceasta imbunatatire in domeniul automatizarii si productivitatii este aplicarea computerelor in managementul datelor si controlul proceselor, ambele, in afara santierului pentru proiectare si planificare si pe santier pentru gestionarea inventarului, controlul productiei si creerii unei baze de date. Realizarea acestei noi tehnologii ar necesita integrarea de sisteme pentru masuratori si control automat la locul constructiei si sarcinilor de asamblare. Conform consensului participantilor, urmatoarele probleme trebuiesc atinse. Integrarea sistemelor si standardizarea pentru folosirea pe santier, standardizarea etichetarii, masuratori in timp real si o tehnologie de control a masinilor mai buna pentru masinile de ridicare si manipulare a materialelor. Proiectarea unor masini de ridicare si manipulare a materialelor mai productive este subiectul acestei lucrari.
Dezvoltarea robotilor special conceputi pentru constructii si aplicatii in industria grea avanseaza rapid in Japonia. In referinta (Albus, J.S., 1986) progresul japonez in robotica pentru constructii este semnalat. Acesta semnalare a fost bazata pe vizite la sase dintre cele mai mari companii de constructii japoneze, o universitate si o asociatie de cercetare in domeniul roboticii, si furnizeaza o viziune unica asupra cercetarii japoneze si eforturilor de dezvoltare in acest domeniu. Probabil cea mai importanta descoperire, mentionata in acest raport, este ca toate companiile mari de constructii japoneze au bugete mari pentru cercetare si personal impresionant angajat in domeniul cercetarii. Aceste companii se afla intr-o competitie agresiva intre ele, incluzand aplicatiile roboticii in constructii. Ca un rezultat al acestui efort aceste companii japoneze si Universitatea Waseda au dezvoltat roboti pentru aplicarea si finisarea betonului, pentru pozitionarea armaturii de otel, pentru pulverizarea materialului ignifug, pentru ansamblarea automata a garniturilor de tunel, pentru indepartarea automata si plasarea controalelor reactorilor nucleari si barelor de combustibil, etc. Pare posibil ca in decursul urmatoarei decade, robotii de constructii japonezi sa inceapa sa domine pietele mondiale la fel ca automobilele japoneze si masinile-unelte in ziua de azi.
In robotica constructiilor de nave japonezii au preluat de asemenea conducerea. Societatea Japoneza a Constructiilor de Nave a inceput un plan de dezvoltare si cercetare de cinci ani al "Modernizarii Tehnologiei Productiei in Japonia" in 1982 (Kubo, M., 1987). Programul este sponsorizat de un consortiu format din primii sapte constructori de nave japonezi, si fondat de catre Fundatia Japoneza pentru Progresul Constructiilor de Nave. Ca un rezultat al acestor eforturi, prototipuri de dimensiuni mari de roboti de tipul celor cu brat articulat pentru sudura, pregatirea suprafetelor si vopsire a structurilor navelor au fost construite de Ishikawajima-Harima Heavy Industries Co. si sunt acum testate de Sumitomo Heavy Industries Ltd.
O parte importanta a activitatii din constructiile grele implica manipularea, ridicarea, pozitionarea si ansamblarea unor componente mari si mici si utilaje. Aceste operatii nu implica numai munca intensiva dar este si periculoasa si obositoare. De exemplu, aranjarea finala a incarcaturilor implica transferul incarcaturii de pe o macara pe un echipament de tachelaj. Transpunerea laterala a incarcaturii de obicei presupune transferuri aditionale sau vagonete ce ruleaza pe sine temporar atasate structurii. Instalarea si operarea echipamentului de tachelaj reprezinta o forta de munca intensiva si grea si fiecare transfer de incarcatura reprezinta o evolutie cu potential foarte periculos. Multe componente ale sistemului de constructii trebuiesc pozitionate pe fundatie sau inserate cu precizie, cu orientare si inclinatie in pozitie laterala. Tachelaje aditionale, linii metalice si forte de contact aplicate de catre personalul ce se ocupa de tachelaj sunt folosite pentru a face aceste pozitionari. Mainile si picioarele ce se afla in calea greutatilor sunt in pericol de a fi zdrobite de cedarea incarcaturii ce cade brusc. Frecvent, aliniamentul final trebuie facut cu cricuri, pene si cleme.
In prezent, macaralele obisnuite folosite pentru manipularea, ridicarea, pozitionarea si ansamblarea componentelor mici si mari si utilajelor sunt stabile numai pe directie verticala. Incarcatura e libera sa se roteasca in toate directiile si sa balanseze in plan orizontal sub cea mai mica presiune laterala cum face un pendul. In aceste conditii ar fi foarte dificil pentru macara sa suporte orice operatii robotice datorita conformitatii excesive a efectorului final. Macaralele automate cu dispozitive de control antibalans au fost propuse si testate de mai multe persoane (Kogure, H. Et. Al., 1978, Carbon, L., 1976, Gercke, Brevetul U.S. Nr. 2,916,162). Cu toate ca aceste dispozitive au tendinta de a suprima miscarile de pendul in directii orizontale, ele esueaza in suprimarea aruncarilor, rasucirilor sau devierilor incarcaturii. Au fost dezvoltate alte sisteme care incearca sa rezolve problema balansului prin folosirea unor fire si scripeti (Noly, Brevetul U.S. Nr. 4,350,254). Aceste sisteme adauga o complexitate considerabila si costuri suplimentare pentru sistemul de manipulare a incarcaturii si nu au gasit aplicatii practice mai departe.
Robotii conventionali, ar putea fi folositi probabil ca macarale in industria grea si constructii, dar ar fi probabil ineficienti pentru manipularea incarcaturilor grele. Considerand sarcina utila mica a bratului manipulator al acestor roboti ar trebui sa fie construiti la dimensiuni gigantice, sa ocupe suprafete mari, si sa consume cantitati mari de energie.
In aceasta lucrare propunem un nou proiect de macara, care in ciuda simplicitatii, are drept rezultat o platforma de incarcare foarte rigida care poate fi folosita ca baza a unui robot sau efector final pentru incarcaturi grele. Un model de dimensiuni mici si unul de dimensiuni mari al macaralei propuse a fost construit si a fost masurata rigiditatea incarcaturii la greutati externe.
MECANISMUL DE SUSPENDARE AL MACARALEI PROPUSE
Din cauza necesitatii unei platforme de incarcare care sa furnizeze o rigiditate superioara la rasucirea si balansarea incarcaturii, un volum de munca mare dar sa nu ocupe o suprafata insemnata si sa aiba dimensiuni rezonabile, conceptul mecanismului de suspendare aratat in Figura 1 este propus. Este compus din o platforma in forma de triunghi echilateral care va fi suspendata de sase cabluri de sarma, doua la fiecare varf al trunghiului, de un suport aflat deasupra. Suportul poate fi atasat fie de deasupra fie de o macara cu brat (a se vedea Figura 2 si 3) in functie de aplicatie. Suportul include un singur scripete pe care vor fi atasate toate cele sase cabluri de sarma dupa cum este aratat in Figura 4, si dispozitive de ghidare a cablurilor care vor ghida cele sase cabluri de sarma departandu-le de scripete in trei perechi echidistante. Daca se doreste este posibil sa se ajusteze lungimea cablurilor de sarma individuale cu servomotoare care sunt montate intre suport si dispozitivele de ghidare. Ajustand lungimea cablurilor de sarma va duce la o schimbare a pozitiei si orientarii platformei suspendate si a tensiunii cablurilor (Albus, J. S., 1987).
Platforma suspendata de cele sase cabluri de sarma se va comporta ca si cum cele sase cabluri de sarma ar fi o grinda solida cu o arcuire constanta in functie de greutatea incarcaturii si de inaltimea macaralei pentru o geometrie data si cabluri. Aceasta este o imbunatatire considerabila fata de rigiditatea unei macarale conventionale si face posibil ca incarcatura sa fie pozitionata cu acuratete si furnizeaza o platforma stabila care poate fi folosita pentru a executa rasuciri si forte laterale asupra obiectelor ce sunt pozitionate. Platforma suspendata poate fi folosita ca o baza stabila pentru montarea directa a bratelor manipulatoare conventionale sau poate fi folosita pentru suspendarea substructurilor speciale pentru aplicatii specifice macaralelor. Figurile 3 si 5 arata exemple ale posibilelor intrebuintari ale platformei ca baza manipulatoare. In cazul Figurii 5 combinatia dintre macara si bratul manipulator permite transportul stabil si pozitionarea incarcaturilor dificile. Pentru a mari intinderea in interiorul spatiilor inchise, un mecanism de manipulare a incarcarii sub-platformei , ca cel aratat in Figura 6 pentru o macara cu brat articulat, cu punte , robotizata, poate fi folosita ceea ce va face posibil aranjarea incarcaturii pe module si manipularea cu precizie a componentelor sitemului cu cresterea productivitatii si a sigurantei personalului. Pentru a echilibra incarcatura o contra-greutate va trebui folosita. Aceasta contra-greutate va trebui sa fie mobila pentru a putea face posibila incarcarea si descarcarea diferitelor incarcaturi. Figura 7 arata un posibil proiect al unui asemenea mecanism. Pentru a trece prin deschizaturi inguste si pentru a ajunge in interiorul spatiilor inchise poate fi folosit un mecanism cu o sub-platforma plianta cum este cel aratat in Figura 8. Odata ajunsa in interiorul spatiului se poate extinde pentru a acoperi volumul de spatiu interior dorit.
Mecanismul propus in Figura 1 pentru o macara robotizata cu mecanism de suspendare cu platforma imita comportamentul unui brat manipulator cu legatura paralela. Mecanismul bratului se numeste asa pentru ca legaturile sunt pozitionate una langa alta, "aproximativ" paralelele unele fata de altele si fiecare legatura serveste unui anumit rol "aproximativ" egal cu cel al celei vecine. Acesta este diferit fata de proiectul manipulatorilor mai comuni legati in serie, construit dintr-un lant de legaturi conectate de la un cap la altul intr-un mod de serie. Manipulatorii legati in paralel sunt in general cunoscuti pentru simplicitatea proiectului lor mecanic, puterea lor mare si raporturile rigiditate - greutate, pentru ca servomotoarele lor nu suporta incarcaturi de moment dar actioneaza in tensiune simpla sau compresie. Sunt cunoscuti de asemenea pentru forta mare si capacitatea de moment, intrucat servomotoarele lor actioneaza toate in paralel. Asemenea manipulatori cu grinzi solide ajustabile in lungime in locul cablurilor de sarma au fost folositi prima oara pentru proiectul masinilor de testat anvelope (Gough, V.E., 1957, 1962), mai tarziu au fost folositi pentru proiectul simulatoarelor de zbor (Stewart, D., 1965). Odata cu cresterea interesului in manipulatoarele cu brat robotizate, au fost efectuate studii pentru folosirea lor ca incheieturi mecanice (Bennett, W.M., 1968), dispozitive non-conforme (McCallion, H., 1979), senzori forta/moment sau pozitie (Koliskor, A.S., 1982), brate robotizate (Fichter, E.F., 1980, 1984, 1987, Powell, I.L., 1982, Landsberger, S.E., 1985, Sheridan, T.B., 1986, Konstantinov, M.S., 1985), si manipulatori industriali pentru asamblare (Gadfly, 1983) si pentru slefuire (Multicraft, 1987).
Proiectul discutat in aceasta lucrare profita de sarcina suspendata a macarlei pentru a mentine cablurile de sarma intinse si astfel formand sase cabluri flexibile care, cu deformarea lor elastica, se opun oricarei deplasari ale incarcaturii. Rigiditatea creata de deformarea elastica este suprapusa efectului de pendul creat de rigiditatea macaralelor obisnuite. Cu toate ca controlul lungimii cablurilor individuale al pozitiei si orientarii platformei este posibil, este probabil dificil pentru lungimea cablurilor considerate aici, este probabil consumatoarea de energie pentru sarcinile considerate, si nu este probabil necesar daca responsabilitatea pentru controlul manipularii este plasata dispozitivului efector final care va fi suspendat de platforma.
MODELE DE MECANISME SUSPENDATE
A fost construit un mic model al macaralei cu mecanism de suspendare robotizata. Modelul consta din doua placi triunghiulare de aluminiu, ca cele aratate in Figura 1, cu dimensiunile laturilor egale a = b = 114,3 mm (4,5"). Platforma mai joasa a fost suspendata de sase cabluri de otel de 1,08 mm (0.042"). Inaltimea h, care a fost cuprinsa intre 3 si 4.5 picioare, si greutatea suspendata W, care a fost cuprinsa intre 100 si 350 lbs, variind in functie de conditiile testului. In timpul testarii incarcaturilor externe (forta sau moment) a unor variate amplitudini si orientari au fost aplicate printr-o celula multiaxiala. Deplasarea rezultata in directia aplicarii sarcinii a fost masurata cu un Convertor Diferential de Voltaj Liniar (LVDT).
Un model prototip al mecanismului de suspendare al macaralei cu o transpunere laterala a aranjarii incarcaturii finale a structurii sub-platformei, similara cu cea aratata in figura 6 a fost de asemenea construita. Figura 9 arata un desen schematic al acestui model. Este compus dintr-un cadru de sprijin montat pe peretele de reactie din beton al unei incinte de testare a seismelor si doua grinzi in forma de I conectate intr-un unghi de 90 de grade. Aceste doua grinzi sunt suspendate de sase cabluri de cadrul de sprijin la aproximativ 30 de picioare inaltime si formeaza modelul platformei inferioare si al structurii sub-platformei. Fiecare cablu este conectat la aceste grinzi printr-o celula a incarcaturii pentru monitorizarea tensiunii si o catarama pentru ajustarea lungimii. Incarcatura, care are aproximativ 5,000 lbs si greutatea contra-balans, care are 10,000 lbs, sunt simulate prin caramizi de plumb plasate in doua cosuri care atarna de doua capete ale bratului lung al grinzii (nu este vizualizat in Figura 9). Acest model este in prezent instrumentat si va fi folosit in viitor pentru testari.
REZULTATELE TESTARILOR EXPERIMENTALE
Rezultatele testelor care sunt raportate aici au implicat aplicatia unei singure forte externe pe platforma inferioara a modelului de dimensiuni mici de macara in directie orizontala, trecand prin centrul sau de gravitatie. Aplitudinea fortei, lungimea cablurilor macaralei model l0, si greutatea totala suportata W au fost variate. Figura 10 arata forta externa contra deplasarii rezultate de la datele testului experimental pentru o anumita lungime a cablurilor l0 si combinatia greutatatii totale suspendata W. Dupa cum poate fi vazut din Figura pentru categoria fortelor externe folosite in acest test relatiile intre forta si deplasare sunt aproape liniare. Inclinatia acestei linii corespunde rigiditatii sistemului de suspendare al macaralei la fortele externe orizontale.
Pentru comparare, forta externa contra deplasarii rezultate a unui singur cablu de pendul, a fost planificat modelul matematic cu 1/6 greutatea suspendata W, aratat de linia punctata din Figura 10. este evident ca macaraua construita in acest fel va avea o fractie din rigiditatea macaralei robotizate propuse la fortele externe orizontale.
Figura 11 arata rezultatele unui test similar pentru o greutate suspendata W mai usoara. Dupa cum poate fi vazut pentru greutati mai usoare rigiditatea macaralei la forte externe orizontale scade.
Figurile 12 si 13 arata aceleasi forte externe contra deplasarii rezultate pentru aceeasi greutate suspendata W dar cu lungimea cablurilor mai mare l0. comparand aceste Figuri cu Figurile 10 si 11 se poate vedea o scadere semnificativa a rigiditatii macaralei la fortele externe orizontale ca rezultat al cresterii lungimii cablurilor.
Un model matematic al sistemului de suspendare al macaralei propuse este acum in curs de dezvoltare. Publicatii viitoare vor raporta cat de bine poate prevedea rezultatele experimentale.
CONCLUZII
A fost propus un nou mecanism de suspendare a platformei macaralei si au fost discutate mai multe exemple ale folosirii ei pentru proiectarea macaralelor robotizate.
O scadere a greutatii suspendate produce o scadere a rigiditatii mecanismului macaralei propuse. O crestere a lungimii cablurilor produce i scadere semnificativa a rigiditatii.
Rigiditatea mecanismului macaralei robotizate propuse este semnificativ ridicata fata de echivalentul conventional al macaralei cu un singur cablu.
Desigur ca aceste concluzii se aplica numai pentru proiectul macaralei selectate cu doua triunghiuri echilaterale si sase cabluri de sarma aratata in Figura 1.
MULTUMIRI
Sprijinul Dr. Donald Myers si Dl. Mitchell Tarica pentru constructia si prima testare a modelului macaralei a fost apreciat foarte mult. Am dori sa multumim Dl. Stephen Lamkin pentru pregatirea schitelor unor figuri din aceasta lucrare.
REFERINTE
Albus, J.S., Internal NBS Memo, "A Stabilized Lifting Platform", 1987.
Albus, J.S., "Trip report: Japanese Progress in Robotics for Construction", Robotics, Vol. 2, pp. 103-112, 1986.
