63

8.2.4 Efectori finali 8.2.4.1 Funciile i structura efectorilor finali Efectorul final este partea din sistemul mecanic al robotului prin care acesta din urm acioneaz asupra mediului, n conformitate cu destinaia lui. Robotul industrial are n principal dou feluri de destinaii: cea de manipulare a unor obiecte (de lucru, scule, capete de for cu scule) i cea de prelucrare, montare, demontare a unor obiecte de lucru. Adaptarea robotului la o anumit destinaie se realizeaz prin intermediul efectorului final. Flexibilitatea robotului depinde nemijlocit de efectorul final al acestuia. Termenul de prelucrare este folosit n continuare n sens general, nelegnd prin acesta lucrul efectuat asupra obiectului. El vizeaz modificarea formei, a dimensiunilor, proprietile materialului, respectiv a strii suprafeelor obiectului, structura acestuia (variabil prin montare / demontare). n cazul n care robotul manipuleaz obiecte de lucru, efectorul final este un dispozitiv de prehensiune, care are rolul de a solidariza obiectul de lucru cu ultimul element al dispozitivului de ghidare. Micrile necesare manipulrii obiectului de lucru se realizeaz prin conferirea de ctre dispozitivul de ghidare ultimului element al su a unor micri adecvate. Denumirea "dispozitiv de ghidare" este de fapt prescurtarea denumirii "dispozitiv de ghidare a efectorului final". Dac robotul industrial are destinaia s prelucreze obiecte de lucru, efectorul final este o scul sau un cap de for cu scul. Scula este cea care efectueaz operaia de prelucrare. Ea este solidarizat cu ultimul element al dispozitivului de ghidare. In acest caz scula, respectiv capul de for cu scula joac rolul obiectului manipulat de dispozitivul de ghidare, care le confer micrile necesare efecturii operaiei de prelucrare. Aciunea sculei asupra obiectului de lucru se realizeaz prin efectuarea unui lucru mecanic util, rezultat din transformarea energiei mecanice nmagazinate n scul. Aceast energie mecanic este conferit sculei de micarea dispozitivului de ghidare, la al crui ultim element este ataat. Dac energia mecanic conferit de dispozitivul de ghidare nu este suficient, scula este ataat unui cap de for care i confer energia mecanic suplimentar. In acest scop, capul de for este nzestrat cu un motor care transform energia nemecanic (de obicei pneumatic sau electric) n energie mecanic. Capul de for este ataat la rndul su ultimului element al dispozitivului de ghidare al robotului, acesta din urm conferindu-i micarea necesar efecturii prelucrrii. n cazul n care operaia de prelucrare necesit aport suplimentar de energie nemecanic i / sau de materiale, scula este prevzut cu dispozitive de aducere a agentului purttor de energie, respectiv a materialului (spre exemplu: capul de sudare cu arc n mediu de gaz protector are dispozitive de aducere a electrodului, a gazului protector, de conectare la o surs de energie electric; pistolul de vopsire cu aer comprimat are dispozitive de aducere a vopselei lichide sau a pulberii i unul de aducere a aerului C C0 MM A MP D B DG comprimat, etc.). Structura efectorului final corespunde cerinelor funcionale enumerate mai sus, aa cum S S s-a redat n Fig. 8.10. Efectorul final este solidarizat de ultimul CF DP element al dispozitivului de ghidare DG prin intermediul elementului de cuplare C. Fig. 8.10 Schema bloc a efectorului final Elementele de complian C0, respectiv modulul de micromicare MM permit realizarea unor micri relative de mic amplitudine ale efectorului final n raport cu ultimul element al dispozitivului de ghidare n mod necontrolat, respectiv controlat. Dac robotul industrial este destinat operaiilor de prelucrare, scula S se ataeaz la una din componentele anterior amintite fie prin intermediul unui dispozitiv portscul fie prin intermediul unui element de acionare A. n ultimul caz, elementul de acionare mpreun cu scula constituie capul de for CF.

64

n varianta dispozitiv de prehensiune DP a efectorului final mecanismul de prehensiune MP se ataeaz elementului de acionare, avnd ca funcie punerea n micare a degetelor D care vin n contact cu obiectul de lucru prin bacurile B. Elementele A, MP, D i B constituie mpreun dispozitivul de prehensiune DP. 8.2.4.2 Elemente de cuplare i de complian, module de micromicare Elementul de cuplare realizeaz ataarea efectorului final la ultimul element al dispozitivului de ghidare, stabilindu-i n mod univoc i nemodificabil n timp situarea relativ a acestuia fa de elementul DG. Elementul de cuplare const din dou pri, dintre care una este solidar cu ultimul element al dispozitivului de ghidare iar cel de-al doilea servete ca "element fix (relativ)" pentru toateFig. 8.11 Schimbarea automat a efectorului final dup program

componentele efectorului final. Cuplarea efectorului final la ultimul element al dispozitivului de ghidare se realizeaz prin imobilizarea relativ a celor dou pri ale elementului de cuplare. Elementul de cuplare are componente adecvate pentru legarea conductelor de vehiculare a fluidelor purttoare de energie (aer comprimat, ulei sub presiune) i a conductorilor de realizare a circuitelor electrice pentru aportul de energie electric, respectiv de transmitere a informaiilor, ntre componentele efectorului final, cu conductele i conductorii avnd aceleai destinaii, aflai n alte sisteme componente ale robotului. Ca i elemente de cuplare se folosesc cuplaje mecanice tipizate (spre exemplu o pereche de flane cu guri), mpreun cu mufe, tuuri, racorduri pentru realizarea legturilor dintre conducte i conectori pentru conductoare. n cazul utilizrii unor asemenea elemente de cuplare, adaptarea robotului pentru ndeplinirea unor servicii modificate prin schimbarea efectorului final se face manual, prin demontarea unui efector final i montarea altuia, operatorul uman acionnd asupra elementului de cuplare. Schimbarea automat a efectorului final se realizeaz ca un pas al programului de funcionare al robotului: el "depune" efectorul final utilizat pn n momentul respectiv ntr-un loca al unui depozit de efectori finali i preia un nou efector final dintr-un alt loca (Fig. 8.11). n vederea schimbrii automate a efectorului final se utilizeaz elemente de cuplare la care imobilizarea / desprinderea relativ a semicuplajelor se realizeaz printr-o micare a ultimului element al dispozitivului de ghidare n raport cu Fig. 8.12 Dispozitiv depozitul de efectori finali, care reine efectorul final preluat / de fixare rapid predat. Asemenea elemente de cuplare sunt construii cu mbinri tip baionet, cu buc elastic, cu bile i arcuri, etc. Odat cu strngerea / destrngerea cuplajului, se conecteaz / se deconecteaz i conductele, respectiv conductorii (Fig. 8.12). Schimbarea efectorului final se poate realiza i cu ajutorul unor dispozitive de tip cap revolver (Fig. 8.13). n acest caz robotul manipuleaz de fapt depozitul de efectori finali, care la o anumit comand aduce efectorul final de utilizat n situarea necesar n raport cu ultimul element al dispozitivuluiFig. 8.13 Schimbarea automat a efectorului final cu dispozitiv cap revolver

65

de ghidare printr-o micare indexat (obinuit de rotaie). Folosirea dispozitivului tip cap revolver pentru schimbarea automat a efectorului final are avantajul meninerii legturilor mecanice, energetice i informaionale cu toi efectorii finali instalai n dispozitiv, dar are dezavantajul necesitii de manipulare de ctre robot a masei relativ mari a capului revolver. Elementul de complian realizeaz corecia de mic amplitudine a siturii efectorului final n raport cu ultimul element al dispozitivului de ghidare, ca urmare a interaciunii de tip for generalizat dintre robot i mediu. Elementul de complian conine - pe lng componente rigide i piese deformabile elastic - i uneori - cuple cinematice cu micare relativ amortizat (amortizoare). Piesele deformabile elastic sunt arcuri metalice sau executate din cauciuc. Elementul de complian din componena efectorului final poate avea mai multe destinaii. Operaia de montaj robotizat impune, n majoritatea cazurilor, introducerea de ctre robot a unui tift ntrun alezaj practicat n corpul de baz. n vederea Direcia de realizrii operaiei, robotul confer tiftului o micare de deplasare translaie axial (Fig. 8.14). Reuita operaiei este condiionat de I RA coincidena dintre axa tiftului i axa alezajului. Acest RB deziderat poate fi ndeplinit prin utilizarea pentru montaj a unui robot de mare precizie (deci scump) sau prin utilizarea n cadrul efectorului final a unui Fig. 8.14 Montarea unui tift n alezaj element de complian, care s permit prin efectul reaciunilor RA i RB, alinierea axei tiftului cu axa alezajului. n Fig. 8.15 se prezint dispozitivul de complian utilizat n montaj, numit dispozitiv RCC (Remote Center Compliance, element cu centru de Fig. 8.15 Dispozitiv de complian RCC complian ndeprtat). Ultimul element al dispozitivului de ghidare DG este solidarizat cu flana F1, iar aceasta este legat prin intermediul a dou arcuri lamelare L1 la flana F2. Alte dou arcuri lamelare L2 asigur legarea flanei L2 de flana F3 pe care se gsete dispozitivul de prehensiune DP. Asimilnd capetele incastrate ale arcurilor cu nite articulaii (cuple cinematice elastice), patrulaterul care conine flanele F1, F2 i cele dou arcuri lamelare L1 va forma un mecanism paralelogram articulat, n care biela F2 execut o translaie circular n raport flana F1. Aceast micare permite "cutarea anfrenului", ntruct forele de reaciune deplaseaz tiftul fixat n DP lateral. Lamele nclinate L2 mpreun cu flanele F2 i F3 alctuiesc un patrulater articulat de forma unui trapez isoscel. Considernd i n acest caz incastrrile lamelor ca nite cuple cinematice elastice, centrul instantaneu de rotaie I al flanei F3 n raport cu flana F2 rezult n punctul de intersecie al prelungirilor lamelor nedeformate. Biela F 3 rotindu-se fa de flana F2 n jurul centrului I, sub aciunea reaciunilor axa tiftului se suprapune peste axa alezajului. Erorile n programarea robotului, nerespectarea de ctre acesta a programului su, apariia n spaiul de lucru a unor obstacole neprevzute pot conduce la coliziunea efectorului final cu alte obiecte, care pot cauza defectarea efectorul final, a dispozitivului de ghidare sau a obiectului ciocnit. Evitarea unor asemenea deteriorri se poate realiza prevznd efectorul final cu un element de complian, care se deformeaz elastic sub aciunea forelor de ciocnire, iar micarea rezultat din deformaie acioneaz un ntreruptor de avarie care oprete micarea dispozitivului de ghidare. Elementele de complian din cadrul efectorilor finali n form de scule sau capete de for cu scule permit adaptarea micrii acestora la geometria real a suprafeelor de prelucrat (de exemplu la geometria unui rost de sudare sau la geometria unei suprafee de debavurat, etc.). n cazul n care procesul de prelucrare executat de efectorul final genereaz vibraii, transmiterea acestora la dispozitivul de ghidare al robotului se poate diminua prin utilizarea n componena efectorului final a unui element de complian avnd cuple cinematice de amortizare.

66

Modulul de micromicare realizeaz la rndul su corecia de mic amplitudine a siturii efectorului final n raport cu ultimul element al dispozitivului de ghidare, corecia fiind n acest caz comandat de sistemul de comand al robotului. Modulul de micromicare conine de regul o cupl cinematic conductoare (mai frecvent de translaie T, mai rar de rotaie R), avnd elementul de baz imobilizat n raport cu elementul de cuplare, iar elementul condus este solidarizat cu componenta urmtoare existent "n aval" n efectorul final. Micarea relativ a elementelor cuplei cinematice conductoare a modulului de micromicare este antrenat de un element de acionare existent n modul. Modulul de micromicare redat n Fig. 8.16 are la baz 1 2 3 6 4 5 un cilindru pneumatic diferenial. Pistonul compus din plunjerul 3 i cele dou buce 5, are trei poziii axiale, n funcie de modul de conectare a cilindrului la reeaua de aer B A comprimat. Alimentnd simultan orificiile A i B, ansamblul Fig. 8.16 Modul de micromicare cu poziia central (cea desenat). acionare pneumatic: 1-capac, 2-cilindru, pistonului va ocupa 3-plunjer, 4-antrenor, 5-buc, 6-inel Alimentnd numai orificiul A i legnd orificiul B la atmosfer, plunjerul cu buca din fa vor trece n poziia dreapta. La alimentarea orificiului B cu aer comprimat i eaparea lui A, plunjerul cu buca din spate trec n poziia stnga. Deplasrile de mic amplitudine ale plunjerului se transmit dispozitivului de prehensiune prin intermediul tijei antrenoare 4. Modulul de micromicare poate s rspund la mai multe cerine. Introducerea semifabricatului / scoaterea piesei finite n / din dispozitivul de lucru al unei maini de lucru necesit micri de mic amplitudine ale efectorului final, situat n prealabil n apropierea dispozitivului. Executarea acestei micri se poate realiza cu ajutorul modulului de micromicare, fr s fie necesare micri relative ale elementelor cuplelor cinematice conductoare ale dispozitivului de ghidare al robotului. Comanda mixt de supervizare a roboilor industriali presupune conducerea automat a efectorului final n cadrul operaiei de prelucrare, pn n momentul n care operatorul uman supervizor constat abateri neprevzute ale mediului; el corecteaz micarea programat a efectorului final, comandnd intrarea n funcie de secvenele de funcionare necesare ale modulului de micromicare. La execuia prin sudare cu arc n mediu de gaz protector a unor custuri de lime mare, capul de sudare execut o aa zis micare de "esere" (weawing), combinnd naintarea vrfului electrodului n lungul rostului cu o micare de pendulare perpendicular pe linia median a primei micri. Micarea de naintare n lungul rostului este realizat prin micarea programat a dispozitivului de ghidare, iar micarea de pendulare a capului de sudare se genereaz suprapus peste prima datorit modulului de micromicare inclus n componena efectorului final. Micarea de pendulare a capului de sudare este necesar, i n cazul n care robotul de sudare este nzestrat cu un senzor de rost, a crui funcionare este bazat pe msurarea cderii de tensiune n arcul de sudare. Micarea de pendulare modific periodic distana dintre vrful electrodului i marginile rostului, deci i cderea de tensiune n arc, ceea ce permite localizarea siturii reale a rostului de sudare n raport cu robotul i corectarea programului acestuia. 8.2.4.3 Elemente de acionare Elementele de acionare au rolul de a transforma o energie nemecanic (pneumatic, hidraulic, electric, electromagnetic) n energie mecanic (cinetic) necesar punerii n funciune a unor componente ale efectorului final. Un element de acionare conine n cazul cel mai general un motor i o transmisie mecanic, transmind - la nevoie cu transformare - micarea elementului de ieire din motor la scul (n cazul efectorului final "cap de for") sau la elementul conductor al mecanismului de prehensiune (n cazul efectorului final "dispozitiv de prehensiune"). Acionarea pneumatic este cea mai des utilizat pentru efectorii finali. Aceast utilizare frecvent este determinat de faptul, c n marea majoritate a ntreprinderilor exist instalate reele pneumatice, de elasticitatea aerului comprimat - care confer elasticitate i adaptabilitate uoar a organelor de execuie a efectorilor finali la variaiile aleatorii ale forelor generalizate de rezisten cu care mediul se opune aciunii efectorului final, vitezele sunt mari la elementele de

67

ieire ale motoarelor pneumatice, sigurana n exploatare a instalaiilor pneumatice este ridicat iar presiunea aerului comprimat industrial este relativ redus (6 bar). Motoarele pneumatice rotative (turbine cu aer comprimat) sunt utilizate pentru acionarea sculelor rotitoare ale capetelor de for. Pneumomotoarele liniare (de tip cilindru-piston, sau camere pneumatice) sunt utilizate cu preponderen pentru acionarea mecanismelor de prehensiune (poziiile de nchis / deschis ale degetelor corespund la poziiile extreme ale elementului de ieire a pneumomotorului), respectiv a sculelor n micare de translaie ale capetelor de for (spre exemplu la un ciocan pneumatic). Pentru acionarea pneumatic a dispozitivelor de prehensiune se prefer pneumomotoare cu simpl aciune; strngerea obiectului se realizeaz prin micarea degetelor sub aciunea unor arcuri iar destrngerea prin micarea degetelor sub aciunea aerului comprimat. Pe aceast cale se elimin pericolul "scprii" obiectului manipulat n cazul cderii neprevzute a aerului comprimat la elementul de acionare. Acionarea hidraulic a efectorilor finali utilizeaz motoare rotative sau liniare n variante similare cu cele amintite n legtur cu acionarea pneumatic. Se recomand folosirea acionrii hidraulice atunci cnd mediul asupra cruia acioneaz efectorul final se opune cu rezisten mare. Cum acionarea hidraulic necesit existena unui grup hidraulic de preparare a fluidului purttor de energie, utilizarea energiei hidraulice pentru efectorii finali se justific numai n cazul n care i dispozitivul de ghidare al robotului este acionat hidraulic. Acionarea electric a efectorului final este mai rar folosit. Sunt ntrebuinate mai ales motoare electrice rotative. n cazul cnd efectorul final este un dispozitiv de prehensiune, va fi prevzut un ntreruptor pentru oprirea alimentrii cu energie electric a motorului dup ce degetele au strns obiectul manipulat. Acionarea electromagnetic prezint din punctul de vedere al vitezei de lucru avantajele acionrii pneumatice. Se utilizeaz motoare electromagnetice liniare: un electromagnet alimentat cu curent continuu atrage o armtur n micare de translaie, care constituie elementul de ieire al motorului. Revenirea n poziie iniial a armturii, cnd se ntrerupe alimentarea electromagnetului se face sub aciunea unui arc. 8.2.4.4 Dispozitive de prehensiune 8.2.4.4.1 Funciile dispozitivului de prehensiune Dispozitivul de prehensiune are funcia de a impune obiectului manipulat o situare relativ determinat n raport cu ultimul element al dispozitivului de ghidare la care este ataat i cea de asigurare a meninerii n timp a acestei situri. "Modelul biologic" al dispozitivului de prehensiune este mna uman. Impunerea siturii relative a obiectului manipulat n raport cu un sistem de referin poart denumirea generic de centrare. Se disting trei trepte ale centrrii: semicentrarea, centrarea i centrarea complet. Exactitatea de realizare a centrrii se msoar prin eroarea de centrare. Semicentrarea unui obiect se efectueaz prin suprapunerea unui plan al acestui obiect cu un plan al sistemului n raport cu care se realizeaz semicentrarea (n cazul de fa n raport cu elementul fix al mecanismului de prehensiune). Eroarea de semicentrare este unghiul format ntre planul aparintor obiectului i planul aparintor elementului fix al mecanismului de prehensiune, respectiv, distana l dintre aceste plane, dac ele sunt paralele. Centrarea unui obiect impune suprapunerea unei drepte aparinnd obiectului cu o dreapt aparinnd elementului fix al mecanismului de prehensiune. Eroarea de centrare se exprim prin unghiul de ncruciare a dreptei 0 aparinnd obiectului () 0 cu dreapta f aparinnd elementului fix i segmentul l Of lungimea perpendicularei comune a dreptelor (Fig.8.17-a). Centrarea complet se realizeaz prin suprapunerea l unui punct O0 aparinnd obiectului manipulat cu un punct O f l O0 aparinnd elementului fix al mecanismului de prehensiune. ( ) Eroarea de centrare complet l este un vector al crui f a) b) punct de aplicaie se gsete n O0 (Fig. 8.17-b).Fig. 8.17 Eroarea de centrare (a) i eroarea de centrare complet (b)

68

Dispozitivul de prehensiune realizeaz centrarea prin apropierea de obiect a degetelor i realizarea ulterioar a unor contacte ale acestora cu suprafaa / suprafeele obiectului prin intermediul bacurilor. Aceste contacte "mping" obiectul (presupus iniial ca liber) n situarea relativ dorit n raport cu elementul fix al mecanismului de prehensiune, deci n raport cu ultimul element al dispozitivului de ghidare. Modul de realizare a centrrii depinde de forma geometric a obiectului, numrul i natura micrii degetelor i forma bacurilor. n continuare se analizeaz modul de realizare a centrrii obiectelor mrginite de suprafee simple. Obiect (P0) Obiect (P0) = (Pf) Centrarea obiectelor prismatice se face prin contactul acestora cu bacuri avnd suprafee plane. n Fig. 8.18-a se prezint contactul realizat ntre suprafaa plan a obiectului H i cea a bacului, care s-a apropiat de obiect prin micarea H de translaie a degetului cu viteza v pe o direcie (Pf) v v perpendicular pe suprafaa plan a bacului. Planul de simetrie (P0) aparinnd obiectului se gsete la distana b/2 a) b) de suprafaa de contact al obiectului cu bacul, unde b este Fig. 8.18 Semicentrarea obiectului limea obiectului prismatic. Planul (Pf) aparinnd prismatic pe un singur bac elementului fix al mecanismului de prehensiune se gsete la distana H de suprafaa bacului n momentul realizrii contactului. Semicentrarea obiectului se realizeaz dac planul (P0) se suprapune cu (Pf). Aceast condiie este ndeplinit dac: b H= (8.7) 2= b b' Bac = = =

n Fig. 8.18-b se prezint acelai contact dintre bac cu un obiect de lime b' > b. n acest caz, planul (P'0) al obiectului se gsete la distana b'/2 de suprafaa de contact a bacului. Ca urmare, eroarea de semicentrare n raport cu (Pf) va fi: l = b'b 2 (8.8)b'

Bac

v IIH'II v III H'I =

v II f

v IV

Pentru a anula eroarea de centrare indiferent limea obiectului ar fi necesar ca suprafaa de contact s se gseasc fa de planul (Pf) la distana: H' = b' 2 (8.9)

=

de

vI(P0) = (Pf I,II) a) (Pf III,IV)

vIb) (Pf I,II)

Fig. 8.19 Semicentrarea (a) i centrarea (b) unui obiect prismatic cu 2 sau 4 bacuri

care variaz odat cu b'. Eroarea de centrare poate fi anulat numai dac obiectul vine n atingere cu dou bacuri ( i II), dispuse simetric n raport cu planul (P0). Pentru ca cele dou bacuri s ating obiectul simultan, ele trebuie s se aproprie de planul (P0) cu viteze egale i de semn opus:

v I = v IIMicrile de translaie ale bacurilor se ncheie momentul cnd ambele ating obiectul prismatic semicentrat. Atunci planul (Pf) al fiecruia va coincide (Fig. 8.19-a), deci: H' I = H' II = b' 2 (8.11)(Pf I,II)

(8.10)(Pf III,IV)

n

v IIv III v IV f

Centrarea obiectului prismatic (Fig. 8.19-b) se efectueaz prin aciunea a dou perechi de bacuri

vIFig. 8.20 Semicentrarea obiectului prin contactul bacurilor cu suprafeele unui alezaj prismatic

I,II

i

69

III,IV, care se deplaseaz n translaii perpendiculare, cu viteze egale n sensuri contrare dou cte dou: v I = v II v III = v IV (8.12)

Bacurile I, II semicentreaz obiectul n raport cu planul (Pf I,II) iar bacurile III, IV n raport cu planul (Pf III,IV). Ca urmare, obiectul se centreaz fa de dreapta de intersecie (f) ale planelor (Pf I,II) i (Pf III,IV). Dac centrarea se realizeaz prin contactul bacurilor cu suprafeele unui alezaj prismatic, rmn valabile considerentele expuse cu privire la centrarea unui obiect prin contactul bacurilor cu suprafeele exterioare ale unui obiect prismatic (Fig. 8.20). n toate cazurile discutate, bacurile se apropie de obiect executnd micri de translaie. Acest lucru se realizeaz dac mecanismul de prehensiune confer degetelor, de care sunt fixate bacurile, micri de translaie. Dac bacurile se apropie de obiect prin micri de rotaie, deci degetele au micri de rotaie, prehensiunea obiectului prismatic n dispozitiv nu este stabil (Fig. 8.21). Condiia semicentrrii obiectului prismatic este simetria (P ) f lII lui n raport cu planul (Pf), ceea ce se exprim prin: IIAII II I I aII aI

Centrarea obiectelor cilindrice pe suprafaa lor exterioar se poate face cu ajutorul unor bacuri avnd suprafee de contact plane. n cazul n care bacurile se apropie de obiect prin micri de translaie pe aceeai direcie (Fig. 8.22-a), cu viteze egale i de semn contrar, respectnd relaia (6.4), se realizeaz semicentrarea obiectului dup planul de simetrie (Pf), indiferent de diametru. Pentru obiectul cilindric semicentrat ntre bacuri paralele sunt ndeplinite relaiile:= =

AI lI Fig. 8.21 Centrarea obiectului prismatic prin contact cu bacuri rotitoare

a I = a II l = l I II I = II I = II

(8.13)

b'

HI = HII =

D 2

(Pf)

II D

v IIHII HI I

(Pf)

(8.14)II

Situarea obiectului ntre bacuri 8.13-a nu este stabil, el putnd acestea. Bacurile plane se pot apropia direcii care formeaz ntre ele 8.22-b), cu viteze egale ca modul:v I = v IIC (Pf) D H d Fig. 8.23 Obiect cilindric semicentrat pe un bac prismatic

I a)

vI

vI

v IIb)

n modul artat n Fig. aluneca afar dintre de obiect i dup unghiul (Fig. (8.15)

Fig. 8.22 Semicentrarea unui obiect cilindric ntre 2 bacuri paralele (a), respectiv, nclinate cu unghiul (b)

h

dar cu direcii orientate diferit, dup perpendicularele pe cele dou plane de contac. n acest caz semicentrarea se realizeaz dup planul (Pf) care intersecteaz planul desenului dup bisectoarea unghiului . Un obiect cilindric poate fi semicentrat i prin contactul su cu un bac monobloc n care exist prelucrate suprafee plane, nclinate la unghiul (Fig. 8.23). Aceste suprafee pot

70

fi considerate suprafeele alturate ale unui alezaj prismatic, motiv pentru care se utilizeaz denumirea de "bac prismatic" sau mai simplu "prism". Poziia axei obiectului cilindric n raport cu suprafaa de baz a prismei depinde de diametrul cilindrului i de dimensiunile prismei, dup relaia: H=h+ D 2 sin 2 C 2 cos 2 (8.16)

Se observ c semicentrarea obiectului cilindric cu un singur bac prismatic se poate realiza stabil numai dac diametrul obiectului satisface inegalitile: C d D1 (Fig. 8.31) se datoreaz rotirii degeilor. Msura acestei erori este dat de distana ntre centrele O1 i O2: 12 = O 1O 2 = O 2 O 0 O 1O 0 , sau n form dezvoltat: (8.23)

12 = H 2 cos

2 + l sin 2 H1 cos 1 l sin 1 2 2 2 2

72

Unghiurile 1 i 2 se calculeaz cu relaia (8.16) n funcie de H1 i H2, prin intermediul crora depind de diametrele D1, respectiv D2. Cele patru suprafee plane de contact cu obiectul ale celor dou bacuri prismatice (Fig.8.30) se pot considera ca fcnd parte din suprafaa interioar a unui alezaj prismatic, care "nvluie" suprafaa cilindric exterioar a obiectului. Principiul centrrii unor obiecte prin contactul suprafeelor lor exterioare cu suprafeele interioare ale unor alezaje se utilizeaz i pentru obiecte avnd forme geometrice necilindrice. Centrarea obiectelor tronconice pe suprafaa lor exterioar se realizeaz cu ajutorul unor bacuri ale cror suprafee plane de contact formeaz suprafeele interioare ale unui alezaj piramidal, tangente n momentul contactului la suprafaa tronconic exterioar a obiectului. Centrarea unui obiect cu ajutorul suprafeei interioare a unui alezaj tronconic se realizeaz cu ajutorul unui bac, avnd suprafaa exterioar deasemenea tronconic i cu unghiul la vrf al conului diferit de unghiul la vrf al conului aferent suprafeei exterioare care mrginete obiectul. Centrarea complet a unui obiect folosind suprafaa interioar a unui alezaj tronconic se realizeaz cu dou bacuri tronconice, construite conform condiiei sus amintite i care se apropie de obiect n micare de translaie dup direcia axei alezajului i n sensuri contrare. Centrarea obiectelor sferice se realizeaz cu ajutorul suprafeelor interioare ale unor alezaje tronconice prelucrate n bacuri i care sunt, n poziie de contact, tangente exterioare la suprafaa sferei. Meninerea n timp a siturii obiectului manipulat n raport cu sistemul de referin ataat ultimului element al dispozitivului de ghidare se realizeaz prin eliminarea celor 6 grade de libertate pe care le are obiectul considerat n stare "liber" fa de acelai sistem de referin. n consecin, obiectul de manipulat trebuie s formeze n urma contactului cu bacuri o cupl cinematic de clasa VI-a. nchiderea acestei cuple cinematice se realizeaz prin form sau for. nchiderea prin form a cuplei cinematice bacuri-obiect se realizeaz prin "nvluire" (wraping) a obiectului de ctre bacuri. Imobilizarea obiectului n raport cu dispozitivul de prehensiune (cu totalitatea bacurilor acesteia) se realizeaz crend ntre obiect i bacuri un numr de puncte de contact cel puin egal cu 12 (cte dou puncte pentru fiecare grad de libertate). Aceast idee este exemplificat n Fig. 8.32, n care z se prezint modul de imobilizare al unui obiect H G 12 10 paralelipipedic. Punctele 1 (de pe faa EFGH) i 2 (de pe 4 11 7 1 C faa ABCD), aparinnd bacurilor, mpiedic D E 6 F5 8 translaia obiectului n cele dou sensuri ale axei Oz; 3 (de 2 3 9 pe faa ABFE) i 4 (de pe faa DCGH) - mpiedic A B translaiile dup Ox; 5 (de pe faa BCGH) i 6 (de pe faa O y ADHE) - mpiedic translaiile dup axa Oy; punctele 1 cu 7 x (de pe faa EFGH) i 2 cu 8 (de pe faa ABCD) Fig. 8.32 Amplasarea punctelor de mpreun - mpiedic rotaia n ambele sensuri n jurul contact pt. imobilizarea unui obiect axei Ox; punctele 3 cu 9 (de pe faa ABFE) i 4 cu 10 (de pe paralelipipedic faa BCGF) - mpiedic rotaia n jurul axei O y, iar punctele 5 cu 11 (de pe faa BCGF) i 6 cu 12 (de pe faa ADHE) - mpiedic rotaia n jurul axei Oz. Un numr mai mare de puncte de contact dintre obiect i bacuri mrete stabilitatea prehensiunii. Se vede faptul c "norul de puncte" 1 12 "nvluie" obiectul. Dou puncte de contact pe aceeai fa nlocuiesc o linie de contact cu bacul, trei puncte de contact pe o fa nlocuiesc o suprafa de contact cu bacul. nchiderea prin for a cuplei cinematice bacuri - obiect are loc prin strngere. n timpul manipulrii de ctre robot a unui obiect, asupra acestuia acioneaz fore masice (gravitaionale i de inerie) i reaciuni de contact cu alte z corpuri (n unele cazuri i fore tehnologice). Torsorul 1 rezultant al acestor fore tinde s smulg obiectul manipulat dintre bacuri, "deschiznd" cupla cinematic bacuri-obiect. n 2 vederea mpiedicrii smulgerii, mecanismul de prehensiune impune degetelor ca bacurile fixate pe ele s apese asupra O y obiectului. n urma acestei apsri, obiectul, dar i bacurile, xFig. 8.33 Corelaia dintre "nchiderea prin form" i "nchiderea prin for" a cuplei cinematice bacuri-obiect

73

degetele i celelalte elemente ale mecanismului de prehensiune sufer nite deformaii elastice de mic amplitudine, ceea ce genereaz reaciuni ntre obiect i bacuri. Reaciunea care lucreaz de la bac spre obiect constituie fora de strngere. Ea se menine n tot timpul prehensrii datorit mpiedicrii dispariiei deformaiilor elastice fie prin meninerea forei generalizate de acionare a mecanismului de prehensiune, fie prin intercalarea n structura acestuia a unui element de autofrnare. Se consider obiectul paralelipipedic din Fig. 8.33 strns cu ajutorul a dou degete cu bacuri punctiforme. Contactul n punctele 1 i 2 mpiedic translaia obiectului dup cele dou sensuri ale direciei Oz, iar forele de frecare dintre bac i obiect din punctul 1 mpiedic micrile de translaie ale obiectului dup direciile Ox i Oy. Cu alte cuvinte, punctul 1 joac rolul pe care l au 5 puncte de contact la cazul prezentat anterior n Fig. 8.32. Deformarea elastic a bacului i a obiectului cauzaz Ni Ni t Ni de fora de strngere creeaz noi puncte de contact ntre Ni acestea, care mpiedic rotaia obiectului n jurul axelor R paralele cu Ox, Oy i Oz. Fora de strngere dezvoltat de ri O bacul i (Fig. 8.34) are o component normal Ni i dou M componente tangeniale Ni i t N t , cu caracter de fore Ni+ 1 t Ni+ 1 N i+ 1 Ni+ 1 de frecare ( i i t sunt vectorii coeficienilor de frecare). Fig. 8.34 Forele de strngere care Pentru ca torsorul forelor de strngere s anuleze lucreaz asupra obiectului mpiedic smulgerea lui dintre bacuri torsorul forelor care tind s smulg obiectul dintre bacuri, trebuie s fie ndeplinite condiiile: n Ni + Ni + t Ni R i=1 n r i Ni + Ni + t Ni M i=1

(

)

(

)

(8.24)

unde n este numrul de bacuri. Notnd fora generalizat de acionare a elementului conductor din mecanismul de prehensiune cu F1 i aplicnd teorema deplasrii virtuale se poate scrie: F 1 s 1 = N i s ii =1 n

(8.25)

unde s1 este deplasarea virtual a punctului de aplicaie a forei de acionare iar sI este deplasarea virtual a punctului de aplicaie a forei de destrngere la bacul "I". nlocuind deplasrile virtuale cu cele de deformare elastic reale s1 = ds1, respectiv, sI = dsI i notnd cu F1I cota parte din fora de acionare care cauzeaz fora de strngere NI, rezult: F1i ds i ds i dt v i = = = = fi ( s 1 ) Ni ds 1 ds 1 dt v 1 (8.26)

unde vI i v1 sunt vitezele punctelor de aplicaie ale forelor Ni i F1 iar fI(s1) este funcia de transmitere de ordinul unu al mecanismului de prehensiune, avnd ca variabil independent deplasarea generalizat a elementului conductor, n cazul de fa s1. Inversa funciei de transmitere este caracteristica mecanic Cm(s1) a mecanismului de prehensiune, care exprim variaia raportului dintre fora de strngere a unui bac i cota parte din fora de acionare care o cauzeaz, n funcie de deplasarea elementului conductor: C m ( s1 ) = Ni 1 = F1i f i ( s1 ) (8.27)

74

Cum deplasarea elementului conductor pn n momentul strngerii depinde de dimensiunea obiectului prehensat (spre exemplu de distana dintre suprafeele de contact a dou bacuri opuse), caracteristica mecanic a mecanismului de prehensiune este o funcie n care variabila independent reprezint o dimensiune D a obiectului (Fig. 8.35). Funcia de transmitere de ordinul zero al unui s1 mecanism este:si

si = f 0 ( s1 ) s1

(8.28)

s1

hi D

D

h1

Pentru piese prismatice i bacuri n micare de a) - pies prismatic, b) - pies cilindric, (Fig. 8.35-a):bac n translaie bac rotativ

rotaie

s i = hi D 2

(8.29)

Fig. 8.35 Corelaia dintre deplasarea bacului i dimensiunea D a obiectului

unde hI este cursa maxim a bacului "I" iar D este o dimensiune a obiectului. Cu acestea: s1 = hi D 2 f0 ( hi D 2) (8.30)

Pentru piese cilindrice i bacuri n micare de rotaie (Fig. 8.35-b) s1 i h1 reprezint nite arce de cerc. n acest caz s1 rezult dintr-o relaie asemntoare cu (8.24), dar numrtorul i numitorul vor avea forme mai complexe. Pe baza celor artate, caracteristica mecanic a mecanismului de prehensiune este n general de forma: C m ( D) = Ni 1 = F1i f i [ f ( D) ] (8.31)

Dac torsorul forelor care tind s smulg obiectul manipulat este influenat mai ales de forele masice (gravitaionale i de inerie), forele de strngere trebuie s creasc cu masa obiectului, deci cu D2. Expresia caracteristicii mecanice a mecanismului de prehensiune trebuie s fie atunci de forma: Ni a b F1i (8.32) C (D) = a + b D 2m

c D

Dnom

Fig. 8.36 Diferite caracteristici mecanice ale unor mecanisme de prehensiune

unde a i b sunt constante (Fig. 8.36-curba a). Dac forele masice au o influen neglijabil asupra torsorului forelor de smulgere ale obiectului, fora de strngere poate fi independent de dimensiunile obiectului i expresia caracteristicii mecanice a mecanismului de prehensiune va fi: (8.33)

C m (D) = a

unde a este o constant (Fig. 8.36-curba b). Dac dispozitivul de prehensiune este destinat manipulrii unor obiecte de dimensiuni neschimbate, mecanismul de prehensiune trebuie s asigure apropierea bacului de obiect cu vitez mare i apoi dezvoltarea unei fore de strngere rapid cresctoare imediat dup ce bacul a atins obiectul (Fig.8.36-curba c). Unele dispozitive de prehensiune realizeaz "nchiderea mixt" a cuplei cinematice bacuri obiect manipulat; ele au mai puine puncte teoretice de contact dect 12, lipsa acestora fiind suplinit prin fore de strngere de intensitate mai mic dect n cazul nchiderii prin "fore pure".

75

8.2.4.4.2 Mecanisme de prehensiune Mecanismul de prehensiune are rolul de a transmite i transforma micarea unui element conductor - micare conferit acestuia de elementul de acionare - la degetele care constituie elementele conduse ale mecanismului. Numrul degetelor influeneaz dexteritatea i stabilitatea prehensrii. Capacitatea de prehensare variaz n funcie de numrul degetelor n conformitate cu Tab. 8.1. Scderea Tab. 8.1 capacitii de prehensare cu descreterea numrului de degete este nceat, motiv pentru care n aplicaiile tehnice NUMRUL CAPACITATEA DE este suficient ca dispozitivul de prehensiune s aib 2 3 DEGETELOR PREHENSARE [%] 5 100 degete. 4 99 Dispozitivele de prehensiune (DP) se amplaseaz fie 3 90 "n lungul" ultimului element al dispozitivului de ghidare 2 40 (DG), fie formnd cu acesta un unghi, egal de obicei cu /2 (Fig.8.28). Degetele dispozitivelor de prehensiune pot atinge cu bacurile pe care le poart obiectul de lucru (OL) pe suprafeele exterioare ale acestora (Fig. 8.37-a, b, d, e) sau pe suprafeele interioare (Fig.8.37-c). Aceluiai dispozitiv de ghidare pot fi ataate mai multe dispozitive de prehensiune, fie pentru manipularea unor obiecte lungi (Fig.8.37-d), fie pentru interschimbarea siturii mai multor obiecte de lucru (Fig.8.37-e), ntr-un mod similar cu funcionarea a) capetelor revolver. Mecanismele de prehensiune sunt mecanisme plane desmodrome. Fiecrui deget i corespunde cte un lan cinematic. n Fig. 8.38 se prezint un mecanism de prehensiune cu dou degete (I i II). Elementul 2I transmite micarea de la elementul conductor 1 la degetul 3I, iar elementul 2II b) transmite micarea de la elementul conductor 1 la degetul 3II. Se observ c lanul cinematic 2II - 3II este simetricul lanului cinematic 2I - 3I n raport cu planul de simetrie (P).2l 1 P 0 2ll 3ll 3l I

c) Fig. 8.37 Poziiile relative ale dispozitivului de prehensiune (DP), dispozitivului de ghidare (DG) i obiectului de lucru (OL) d)

II

Fig. 8.38 Mecanism de prehensiune cu dou degete (I i II)

n Fig. 8.39 este ilustrat deducerea prin simetrie central a unui mecanism de prehensiune degete. Planele de micare ale lanurilor cinematice acioneaz cele trei degete (I), (II) i (III) sunt decalate cu unghiuri de cte 2/3, ele fiind perpendiculare pe planul desenului.

cu trei care

e)

76

(I) 2/3 O

2/3

(III)

2/3

(II)

Fig. 8.39 Deducerea unui mecanism de prehensiune cu 3 degete prin simetrie central n raport cu punctul O

FI CI (I) DI A/8 BI (a) BII (III) DII CII (II) EII EI

FII Fig. 8.40 Mecanism de prehensiune cu trei degete, dintre care (I) i (II) execut translaii circulare

Dispozitivele de prehensiune la care degetele se deplaseaz prin translaie sunt avantajoase pentru centrare, dar prezint pericolul autoblocrii. Pentru evitarea acestui dezavantaj pot fi utilizate soluii care asigur translaia circular a degetelor. Aceste micri se obin cu ajutorul mecanismelor paralelograme. n Fig. 8.40 este ilustrat modul de realizare a translaiei circulare pentru degetele (I) i (II), simetrice fa de planul (a), folosite n combinaie cu degetul (III) cu micare de translaie. Egalizarea vitezelor radiale se obine prin sinteza corespunztoare a profilului camei.