11.1. DEFINIII, DOMENII DE UTILIZARE, EVOLUIERobotul este un sistem automatizat de nalt nivel al crui principal rol este manipularea pieselor i uneltelor,nlocuind aciunea uman.Principalele aplicaii n care utilizarea roboilor industriali are avantaje evidente sunt: ncrcarea i descrcarea mainilor unelte cu comand numeric; sudur prin puncte sau pe contur; operaii de ansamblare; vopsire; turnarea n forme a pieselor mari; controlul calitii; manipularea substanelor toxice, radioactive;Robotul industrial este definit n prezent ca un manipulator tridimensional, multifuncional, reprogramabil,capabil s deplaseze materiale, piese, unelte sau aparate speciale dup traiectorii programate, n scopul efecturiiunor operaii diversificate de fabricaie.Importana acordat roboticii, domeniile de activitate semnificative sunt prezentate n figura 1.1.:Fig. 1.1. a. Repartiia roboilor industriali pe domenii de activitate; b. Evoluia parcului de roboi industriali nprincipalele ri dezvoltate Roboii mobili (independeni) utilizai dincencemai mult ndiverseaplicaii pentruandeplinisarcini complexe n spaii sau medii n care accesul omului este dificil sau imposibil: mediu marin laadncimi foarte mari, inspecia anumitor instalaii din industria chimic sau nuclear. Nanoroboi, medicin pentru microoperaii.14%8%17%39%20%2%TurnatorieVopsireDeservire MUSuduraIntretinereAlte domenii19%4%8%25%21%23%AnsamblareVopsireDeservire MUSuduraIntretinereAlte domenii01000020000300004000050000S.U.A. Japonia Germania Franta Anglia ItaliaRoboti1985199019952000a.b.2Maini unelte Maini unelte cu comand program (CP)1. comand prin came profilate;2. comand prin copiere dup ablon;3. comand secvenial. Mainile unelte cu comand numeric (CN) Maini unelte cu comand numeric asistat de calculator (CNC).Sistemul CNC fa de sistemul CN are numeroase avantaje:1. un software mai puternic (set de instruciuni extins al noilor generaii de procesoare);2. utilizarea limbajelor de programare evoluate simplific activitatea de programare;3. memoriaRAMdemarecapacitatepermitememorareatuturorprogramelorpiesacesteaputndfitestate i corectate pe echipament;4. posibilitatedeadaptareladiversetipuri demaini unelteprinmodificri hardwareminimedatoritinterfeei programabile cu echipamentele convenionale;5. scderea volumului hardware prin implementarea software a unor funcii a acestuia;6. scderea semnificativ a timpului de depanare datorit facilitilor de autotestare i diagnoz.1.2. TERMINOLOGIE SPECIFIC ROBOTICIIPentru diferitele componente ale roboilor industriali, figura 1.2., s-au definit termeni specifici care vor fiutilizai i n lucrarea de fa prin preluarea termenilor din literatura anglo saxon.Fig. 1.2. Robot industrial baz; structur purttoare; articulaia pumnului; efector; element cuplor; ax.Surs deenergieSistem de programareSisteme de comand,acionare i senzorialaxa 5axa 1Bazaxa 6axa 3axa 2axa 4Structura mecanicstructurpurttoare:axe 1, 2, 3articulaia pumnului:axe 4, 5, 63Arhitectura de baz a roboilor industriali actuali este prezentat n figura 1.3.:Fig. 1.3. Arhitectura roboilor industriali mediu de lucru; sarcin; structura mecanic; sistem de acionare; sistem de comand; sistem de prelucrare senzorial; sistem de programare; sursa de energie; I / O modulul de intrri ieiri; magistrala industrial.1.3.1. Clasificarea manipulatoarelor i roboilor pe generaiiClasificarea pe generaii folosete drept criteriu de baz capacitatea mainii de percepere i interpretare asemnalelor din mediul exterior, precum i de adaptare la mediu n timpul procesului de lucru. Manipulatoarele manuale (prima generaie); Manipulatoare automate (generaia a doua); Manipulatoare inteligente (generaia a treia); Roboii industriali din prima generaie sunt manipulatoare automate programabile, avnd cel puin 3 axe(dintre care cel puin 2 axe sunt programabile prin nvare sau printr-un limbaj simbolic). Roboii industriali din generaia a doua; Roboii industriali din generaia a treia sunt dotai cu senzori inteligeni (prelucrare local a informaiei) iutilizeaz elemente de inteligen artificial; Roboii inteligeni sunt dotai cu programe de inteligen artificial avansate, au capacitate de autoinstruire.Majoritatea roboilor industriali folosii n prezent sunt din generaia 1 i 2.SISTEM DEPROGRAMAREPSURS DE ENERGIESISTEM DECOMANDCSISTEM DEACIONARE AXESISTEM DEPRELUCRARESENZORIALSTRUCTURMECANICMEDIU DE LUCRUcomenzi axemsurri traductoriinternisarcinmsurritraductoriexterniModululsenzorialidedecizieModululoperaionalinstruciuniROBOT INDUSTRIALI / Omagistralindustrial41.3.2. Clasificarea roboilor industriali n funcie de scara evolutiv a treptelor de automatizareSursa deinformaiiEnergia Treapta Descriere10 Main care se autoperfecioneaz:robot cu inteligen artificial9 Maincuprogramadaptabilnfunciedecondiiile externe: robot cu elemente deinteligen artificial, robot industrialgeneraia 3Mediul exterior8 Main care i corecteaz programul nfuncie de condiiile de lucru: mainunealt cu comand adaptativ7 Main universal programabil: sistem saucentru de prelucrare cu CNC, robotindustrial generaia 2Program variabil(programabilitate)6 Main monooperaie programabil: mainunealt cu CN, robot industrial generaia 15 Mainautomatpentruoperaii multiple:strungcuprelucrareautomat, automat demontaj Program fixElectricHidraulicPneumatic4 Main automat monooperaie: automat demontaj rigid, manipulator automat3 Scul mecanizat, main comandatmanual, manipulator manual (teleoperator)2 Scul de mn OmMecanicManual 1 MnClasificarea roboilor industriali n funcie de complexitateCaracteristica Generaia 1 Generaia 2 Generaia 3Generareatraiectorieipunct cu punct pe contur prin interpolator de traiectorieControlulpoziiilorlimitatoare depoziie asociate cu traductoareanalogicetraductoare numerice traductoare numerice asistatede senzori inteligeniCapacitateamemorieiun singur program:pentru traiectorie zeci depoziii, pentru programulaplicaie sute instruciunimax. 2 Komai multe programe:pentru traiectorie sute depoziii, pentru programulaplicaie sute instruciunimax. 5 Molimitat la capacitatea destocare a HDDModul deprogramareprin nvare direct, limbajmain sau simboliclimbaj propriu de nivel naltderivat din limbajele deprogramare Pascal, Climbaj de nivel nalt,programare orientat peobiecteLegtura cuexteriorulinterblocri i sincronizrintre robotul industrial ipoziia unor piese saudispozitive, comenzilemainilor deserviteSenzori tactili, de efort,proximitate i vizuali (camervideo)senzori inteligeni (sonar,telemetru laser, camere video,etc.) cu prelucrare local ainformaieiCapacitatea dedecizienu avanseaz n program dectdac sunt confirmate condiiilede interblocare i sincronizareprogramatecapabil s ocoleasc obstacole,s identifice forma unui numrlimitat de obiecte n funcie decontur, mas, rugozitate printraductori i dispozitive deapucare special adaptateidentific forma obiectelormprtiate n funcie decaracteristicile proprii i lepoziioneaz n poziia corectde montaj; alege ordineaoperaiilor, traiectoriile optime1.4. Parametrii tehnici ai roboilor 19PARAMETRII TEHNICI AI ROBOILORCunoaterea parametrilor tehnici permite alegerea corect (raport pre/ performan) a robotuluicare urmeaz s deserveasc procesul ce se intenioneaz a fi modernizat. Parametrii tehnici cei maiimportani sunt:Rezoluia unui sistem este dat de mrimea unitii elementare pe care acesta o poate procesa. ncazul roboilor rezoluia depinde de: rezoluia sistemului de programare; rezoluia traductorilor ce asigur controlul n bucl nchis.Precizia static exprim diferena ntre poziia comandat Pc i media poziiilor realizate Pm dedispozitivul efector.Fig. 1.3. Precizia staticcomanda oritmi a rec mecanic sistem rec ROBOT ez ROBOT recP P R Plg5 , 0 Repetabilitatea static de poziionare reprezint o mrime statistic asociat noiunii de precizie,pecareocompleteaz. Astfel pentruaceeai micare, ncondiii identicedemediu i sarcin, semsoar poziiile finale ale efectorului care, vor prezenta o anumit dispersie Pi ; i=1n , figura 1.4., fade poziia comandat Pc :Fig. 1.4. Definirea rezoluiei, preciziei i a repetabilitii staticeValoarea maxim absolut a dispersiei de poziionare n raport cu valoarea medie de poziionare Pmreprezint repetabilitatea static a robotului.0zxpoziia comandatXc ; Yc ; ZcPcPmPi , i=1..npoziia medie realXm ; Ym ; Zmpoziii realizatePrecyprecizie rezoluie repetabilitatePcPmPiscar msurtraductor poziie1. Introducere n robotic 20Spaiul de lucru al manipulatorului sau robotului este dat de volumul n care este posibil s segseasc elementele structurii mecanice. Spaiul de lucru util este volumul maxim, descris detotalitatea micrilor robotului, n care se poate gsi efectorul n timpul funcionrii conform figurii1.5.:Fig. 1.5. Spaiul de lucru utilNumrul gradelor de libertate este dat de numrul maxim al deplasrilor posibile ale efectoruluifr a include micarea de prehensiune.Sarcina util reprezint masa maxim pe care o poate manipula dispozitivul de prehensiune alrobotului (valori uzuale n gama 0,520 Kg).Performanele constructive i de comand ale aceleiai clase de roboilor pot diferi destul de mult,n funcie de productor, dac sunt comparai parametrii tehnici. De aceea de multe ori sunt preferaiurmtorii parametri globali de analiz: parametrul privind supleea i eficiena interveniei n spaiul de lucru:] / [ ;31N mGVK (1.8)unde V este volumul spaiului de lucru; G greutatea robotului n condiii de funcionare. parametrul capacitii gravitaionale specifice de manipulare:GGK12 (1.9)unde G1 reprezint greutatea obiectului manipulat. parametrul de apreciere global a calitilor tehnice:] / [ ;3 13mm mP GG VKrec (1.10)unde Prec reprezint precizia static de poziionare.Pentru valori mari ale parametrului global K3 se apreciaz c pe ansamblu, robotul industrial analizatndeplinete ntr-un grad mai nalt standardele de performan.3.3007501501.0302.4601.120Rmax = 2.5502. STRUCTURA MECANIC A ROBOILOR2.1. ARHITECTURA GENERAL A ROBOILOR2.1.1. Noiuni despre mecanismeGradedelibertate. Poziia i orientareaunui solidnedeformabil nspaiu, ntr-unsistemdecoordonate, este definit prin maxim 6 numere reale independente: 3 unghiuri de rotaie , , , n raport cu axele de coordonate x, y, z; coordonatele carteziene x, y, z ale unui punct caracteristic al solidului.Legturi mecanice. Numrul de grade de libertate al unei legturi mecanice este determinat denumrul de micri independente permis de legtur. n tabelul 2.1. sunt prezentate cele mai uzualelegturi mecanice n reprezentare plan i spaial:Tabelul 2.1. Reprezentarea legturilor mecaniceDenumirelegturReprezentare plan Reprezentare spaial Ktranslaie 1rotaienelimitat1rotaielimitat1translaieelicoidal1pivot 2rotul 3plan 4C1C2C1C2C2C1C2C1C2C1C2C1300 300 C1C2C1C2C2C1 C1C2C1C2C1C2C2C1C1C2Mobilitatea mecanismelor. Este un parametru caracteristic determinat de numrul micrilorindependente posibile. Mobilitatea unui robot este identic cu numrul de axe (mai puin dispozitivulde prehensiune). Pentru roboii industriali mobilitatea are valorile 3 m 7.Numrul gradelor de libertate necesar executrii unei anumite operaii se numete grad de libertate asarcinii Ks 6.Redondan, poziie particular.Dac Ks < m pentru toate configuraii unui robot, atunciacesta este redondant: are unnumr de axe mai mare dect numrul de axe necesar efecturiioperaiilor de complexitatea cerut de procesul tehnologic.Fig. 2.1. Roboi industriali cu redondanDacKs u u u = u u + u = u +d s c p d c p sd s c p d c p sII; ;; ;(3.25)Rezoluia traductorului atinge 2 m ceea ce l face indicat n msurarea deplasrilor foarte mici.Fig. 3.23. Traductor de translaie inductivFig. 3.24. Distribuitor proporional direct comandat, cu traductor de poziie1 3 6 2 5 4 5 2 6PATB0N SN S S NS N N SN S S NS Ns1 2 3 4 675a.b.I = 0+I=~Umsuru~Z1Z2u1=~demodulatorgeneratormiez ferit0Fig. 3.25. Caracteristica de comand a unui distribuitor proporional, surse de eroriDistribuitoareproporionalepilotate. Pentrudebitemari acionareaelectricasertarului decomand nu mai este posibil datorit forelor rezistente mari.- un distribuitor proporional cu comand direct prin electromagnei proporionali;- un distribuitor pentru debitul proiectat, ce poate fi echipat opional cu un traductor de poziie.Fig.3.26. Distribuitor proporional pilotatI [mA]s [mm] Q [l/min]0s(I)I1I2eroare dehistereziseroare derepetabilitate52 1 4 2 579101312 11comand Acomand BPATBY XY8Servodistribuitoare. nproceseledereglarelanivelul axei robotizate, proceserapide, esteimportantcadistribuitoruldeenergiesprezinte iobundinamic. Ladistribuitoarelehidrauliceproporionale comandate cu electromagnei proporionali aceast cerin este limitat de inductivitateamare a bobinei electromagnetului i din acest motiv sunt preferate sistemele de comand hidraulice tipservosupap.Servosupapa este un amplificator hidraulic cu comand electric format din: motor electric de comand; amplificator hidraulic de tip plac de recul i duze.Fig. 3.27. Motorul electric de comand al servosupapeiFig. 3.28. Amplificator hidraulic servosupap: a. schema de principiu; b. caracteristica de presiune6123475MmI Ia. b. c.13A P T BpA pB511pApBs [mm] 0p = pB- pA0b. a.Fig. 3.29. ServosupapFig. 3.30. Servodistribuitor cu dou trepte i revenire mecanic7 126643589 910111213PATB127365489Fig. 3.31. Caracteristici de reglare ale servodistribuitoarelorCaracteristica static de debit prezint dou puncte de lucru semnificative: punctul de lucru A corespunztor funcionrii servodistribuitorului n regim apropiat de zona deblocare, n jurul punctului zero; punctul de lucru B corespunztor funcionrii servodistribuitorului n regim deschis.Fig. 3.32. Caracteristica de presiune a servodistribuitoruluiQI200 %-0,51,5 % Ssuprapunere negativsuprapunere pozitivQI50 %+0,51,5 % SQI100 %00,5 % Ssuprapunere zeroAAB[%]nQQ[%]nIIServodistribuitoare cu dou trepte i revenire barometric.Fig. 3.33. Servodistribuitor cu dou trepte i revenire barometricServodistribuitoare cu dou trepte i revenire electric.Fig. 3.34. Servodistribuitor cu dou trepte i revenire electricPATB5412638910 11PATB1264 58910 11 37 12Caracteristica dinamic de frecven, alturi de principalii parametri statici, este foarte important nalegerea tipului de servodistribuitor n funcie de parametrii de reglare solicitai de aplicaie.Sistem derevenireBarometric[%]Mecanic[%]Electric[%]Histerezis 3,0 2,0 0,5Sensibilitate 1,0 0,5 0,2Intervalinversare 2,0 1,0 0,2Asimetriecurgere 5,0 5,0 5,0Fig. 3.35. Comparaia unor parametri statici i a caracteristicilor de frecven ale servodistribuitoarelorAparate hidraulice proporionale.Supapaproporionaldelimitareapresiunii direct comandat. Esteutilizatcaelement de reglare automat a presiunii maxime din circuitul hidraulic supravegheat (exemplu pentrureglareaforei maximede strngereladispozitiveledeprehensiunenfunciedecaracteristicileobiectului manipulat).Fig. 3.36. Supap proporional de limitare a presiuniirevenire barometricrevenire mecanicrevenire electricQn < 30 l/min; p = 140 bar; s = 25 %PTpI1 2 3 4 7 6 58Supapa proporional de reglare a presiunii pilotat. o supap proporional de limitare a presiunii cu rol de element de reglare; bloc de meninere a presiunii ce lucreaz ca o rezisten hidraulic variabil; elemente adiionale opionale: siguran de presiune maxim, supap de sens.Fig. 3.37. Supap proporional de reglare a presiunii, echipat cu supap de sens i siguran depresiune maximSupapaproporionalde debit. Supapa proporional de reglare a debitului menineconstant debitul programat independent de temperatura i presiunea uleiului. Pentru a realiza aceastfuncie de reglare supapa utilizeaz ca element hidraulic de control o balan de presiune cu dou cin circuitul de alimentare, figura 3.38.:Fig. 3.38. Balan de presiune cu 2 ci n circuitul de alimentare21132021 145467822 16 19 31718910111215BA YBA Ysupap proporional dereglare a presiuniisupap proporional dereglare a presiunii cusupap de sens i sigurande presiune maximA Bp1 ; A0pi ; Qip1 ; Q1ps ; A0psBApsQ14287 3265Fig. 3.39. Supap proporional de debitSurse de energie hidraulicFig. 3.40. Surs de energie hidraulic1234 5AB6873~F1BaN2PTPhSpSsF3F2AcMElementehidraulicemax.min.Tu NuRu1Aplicaii ale sistemelor de acionare hidraulic n robotic.Sistemeledeacionarehidraulicutilizatenroboticsepot realizacuelementehidrauliceclasicencazul ncarencadrul aplicaiei robotul executuncicludedeplasri fixsaucuelementedehidraulicproporional(programabileelectronicsaunumeric) ncazul ncarerobotul execut sarcini complexe: ciclu de deplasri la viteze variabile, control activ al forei deprehensiune.Aplicaii cu elemente hidraulice clasice.Fig. 3.41. Scheme de acionare hidraulic a axei robotizate: a. cu reglarea vitezei n ambeledirecii i a cursei maxime; b. cu reglarea vitezei n ambele direcii i frnare hidraulic lin lacapt de cursModulul electronical elementelorhidrauliceproporionale. Aparatele hidrauliceproporionalesunt conceputeslucrezeprinconectarelaunmodul electronicspecializat, decomand i control. Modulul electronicesteconceput astfel nct performaneleelementuluihidraulic (partea mecanic) s fie mbuntite iar fenomenele perturbatoare s fie eliminate saulimitate.Ss1R2Ss2R1FDRF1PhSpRF2BaPATBCSs1R2Ss2R1FDdaxS1PhSpS2CBaPATBa. b.pp1p22Fig. 3.42. Schem hidraulic de reglare a poziiei axei robotizateFig. 3.43. Schem hidraulic de reglare a vitezei axei robotizate-+UIAPATBUxServoamplificator10 VR11CTpuSD52346Ma7 =K1K1 startKs sensPI-X +XKS-+APATBUsAmplificator distribuitor proporional10 VMH1AmTGDP523413Ma8 7914121110UIUIIIPID6APIK1K2K3R1R2R3K1 vitez 1K2 vitez 2K3vitez 3Ks sensKsss*vv*3Fig. 3.44. Schem hidraulic de reglare a presiuniiAplicaii cu elemente hidraulice cu comand numeric.Fig. 3.45. Sistem de poziionare electrohidraulic cu comand numeric pentru axe de rotaie-+UIAPATBUpServoamplificatorCSD52 346Ma7 =PI9R3R2K810 VR11K1K1startKs sensMPPZ1Z2A BT PCT1 CT2 MHC1C2JDH7start -stopfrecvensensDV1Sisteme de acionare pneumaticeSistemeledeacionarepneumaticereprezint21%dintotalitateasistemelor deacionarealeroboilor industriali. Sistemele de acionare pneumatice au urmtoarele avantaje:- fiabilitate ridicat n medii industriale dificile, rezisten la ocuri i vibraii;- capacitate de suprasarcin;- preulaparatelor, conecticii i alelementelor de comand maimic dectal sistemelor hidraulice sauelectrice similare;- existena unor surse ieftine i relativ rspndite de energie pneumatic n mediul de producieindustrial.Principalele dezavantaje care limiteaz utilizarea sistemelor pneumatice n robotic sun legate deurmtoarele aspecte:- poziionare grosier (cu elemente de comand clasice), performane dinamice reduse datoritcompresibilitii aerului;- capacitate redus a elementelor de execuie de a dezvolta cupluri (fore) importante datorit presiuniide lucru reduse la 610 bari;- pierderiimportante de presiunepeconductele de aduciunela punctele de lucrusituate deobiceiladistan fa de staia de preparare a aerului comprimat;- necesit instalaii suplimentare de tratare a aerului comprimat care ndeprteaz umiditatea irealizeaz emulsionarea cu vapori de ulei pentru a preveni coroziunea elementelor pneumatice.Cilindrul pneumatic.f e rf e aF F FF F F F = =r af rf aF FF F F FF F F F> = =1 22 1Fig. 3.47. Cilindri pneumatici: a. cu simplu efect; b. cu dublu efect i simpl aciune;Sx(t)QiQepi(t)Vi(t)F(t)msFeFfD1a.x(t)p1(t)V1(t)p2(t)V2(t)F1(t)msF2(t)FfD1D2S1S2b.Sx(t)p1(t)V1(t)p2(t)V2(t)F1(t)msF2(t)FfmsFfc.2c. cu dublu efect i dubl aciuneFig. 3.38. Cilindri pneumatici: a. n tandem; b. de precizieFig.3.39. Cilindru pneumatic cu sistem de frnare la capt de cursa.b.0vxxfv1vf0pxxfp1p2pfAp1Ap2a. b.xfp1; V1pf; Vfp1p24193 2786 53Fig. 3.40. Grafice de funcionare: a. evoluia presiunii de frnare; b. evoluia vitezei pistonuluiMotorul pneumatic cu membran cu simpl aciune.Fig. 3.41. Motor pneumatic cu membranMotoare pneumatice rotative.Motorul pneumatic (hidraulic) rotativ cu cremalier.Fig. 3.42. Motorul pneumatic rotativ cu cremalierp11 2345678Fs(p1)FaFePTPT1423144Fig. 3.43. Variante constructive de motoare pneumatice rotative cu cremalier- Motoare rotative cu palete.Fig. 3.44. Motoare pneumatice cu palete: a. unisens; b. reversibilMotoare rotative cu pistoane.Fig. 3.45. Motor rotativ cu pistoane radialeBA1342571726a. b.BA234156CeR26FNTk7|drk51Fig. 3.46. Motor rotativ cu pistoane radiale i rotor dubluMotoarerotativecupistoaneaxiale.Suntmotoare volumicereglabile,deturaiimari care datorit dispunerii axiale a cilindrilor de lucru, figura 3.47., prezint ostructur compact i ca urmare un moment de inerie redus.000000Fig. 3.47. Motor rotativ cu pistoane axiale1 stator;2 rotor;3 conexiune;4 cilindru;5 fus distribuitor;6 rulment;7 ax ieire;8 - garnitur12 345768FTR1 2 3 45789656Nr6Distribuitoare de energie pneumatic.Fig.3.48. Servodistribuitor pneumatic cu control digital (HR Textron)Sursa de energie pneumatic. Sursele de energie pneumatic pot fi individuale(de mic putere deservesc un post de lucru) sau centralizate, caz n care exist ostaiedetipindustrialdepreparareaaeruluicomprimatcareestedistribuitprinreea ctre consumatori.Fig. 3.49. Surs de energie pneumaticP A B T T>1234563~FCaCKRDUaH2OR1AcMElementepneumaticeRamax. 10 bar 24 barARpmax.min.7Aplicaii ale sistemelor de acionare pneumatic n robotic.Fig. 3.50. Sistem de poziionare pneumaticCFR2Ss1R1D1D2R3D3PATBCCp1p0PAPAPPQ1.1Q1.2 Qn.1Qn.2Qk.1Qk.2CFMSisteme de acionare electriceSistemeledeacionareelectrices-aurspndit nultimul timpfoartemult fiindpreferatenechiparearoboilor de precizie ce manipuleaz sarcini mici sau mijlocii datorit compatibilitii ntre sistemele decomand, distribuitoarele de energie, elementele de execuie i senzori care lucreaz n exclusivitate cu mrimielectrice analogice sau digitale.Principalele avantaje ale sistemelor de acionare electrice sunt: permit realizarea unor programe complexe de control a micrii (vitez sau cuplu); elementele de execuie se preteaz controlului digital, au timp de rspuns mic, sunt precise i nepoluante; sursa de energie este disponibil n orice mediu industrial i exceptnd roboii mobili, alimentarea sistemuluinu necesit echipamente auxiliare cu volum important ca n cazul sistemelor hidraulice sau pneumatice; preul de cost al distribuitoarelor de energie este avantajos mai ales n cazul acionrilor de mic i medieputere datorit folosirii circuitelor integrate inteligente ce cumuleaz pe o singur structur integratfunciile blocurilor de comand i for a acionrii;Principalele dezavantaje sunt determinate de urmtoarele aspecte: elementele de execuiefuncioneaz laviteze ridicate i cuplu redus (la aceeai putere)ca urmare pentruacionareaaxei robotizatesunt necesareadaptoaredemicarecaredatoritjocurilormecanicelimiteazprecizia sistemului; raportul putere greutate alelementelorde execuie electrice este defavorabil n raport cu elementele deexecuie hidraulice; n lipsa alimentrii robotului elementele de execuie nu pot pstra poziia axei mecanice ca urmare sistemulde acionare trebuie prevzut cu elemente de frnare care cresc greutatea i complexitatea sistemului i astfelnu se permite manevrarea manual a structurii mecanice atunci cnd se impune deplasarea ei din zona delucru n poziia de cas; posibilitateaformrii arcului electric(fenomenedecomutaiedinamic) ntrecomponentelenmicare,limiteaz domeniile de folosire exclusiv la cele fr praf, vapori sau gaze inflamabile.Elemente de execuienroboticdatoritunor cerinespecificeimpuseelementelor deacionare: puterespecificct mai mare,fiabilitate, moment deineriemic, domeniulargdevariaieaturaiei frnclzireexcesiv, capacitatedesuprasarcin, ntreinere minim, caracteristici de reglare liniare, s-au impus servomotoarele de curent continuurealizate n diverse variante, respectiv motoarele pas cu pas n special datorit preciziei de poziionare.Servomotoare de curent continuu.Servomotoare cu rotor cilindric cu crestaturi.Fig. 3.56 Servomotor de c.c. cu excitaie electromagnetic1231 circuit magnetic;2 pol principal;3 rotor cu crestturi;4 pol auxiliar.43. Axa robotizat 90Fig. 3.57. Servomotor de c.c. cu excitaie realizat cu magnei metalici remaneni (Alnico)Fig. 3.58. Servomotor de c.c. cu excitaie realizat cu magnei metalici coercitivi (ferite)1251 circuit magnetic;2 pol principal (magnet);3 talp pol principal;4 bobin magnetizare;5 rotor cu crestturi;.NSSNN S3N SNSNSNSNS41241 carcas din aluminiu;2 pol principal (magnet);3 rotor cu crestturi4 canale ventilaie;3NSNSSNSSNNSNSNSNNSNSSNSNServomotorul cu rotor disc i ntrefier axial.Fig. 3.58. Servomotor de c.c. cu rotor discFig. 3.59. Servomotor de c.c. cu rotor paharServomotorul cu antrenare direct (Direct Drive).Fig. 3.60. Servomotor de c.c. cu antrenare direct (Direct Drive)N SN S18432765111091 flane feromagnetice;2 magnet permanent;3 disc rotoric;4 nfurare rotor;5 colector;6 ax;7 perie colectoare;8 nfurare de compensaie (magnetizare);9 flan;10- ventilator;11- rulment.=SN+-01241 carcas din aluminiu;2 stator;3 rotor;4 colector;5 zon interior rotor;6 ax antrenat direct.3NSNSSNSSNNSNSNSNNSNSSNSN56NSNS1236478911112131 nfurare rotoric;2 rotor pahar;3 cilindru exterior;4 magnet permanent;5 talp polar;6 cilindru masiv interior;7 admisie aer comprimat;8 perie;10 scut din aluminiu;10 - rulment;11 - ax motor;12 - colector;13 born de alimentare.53. Axa robotizat 92Servomotorul fr perii (DC Brushless).Fig. 3.61. Servomotor de c.c. BrushlessFig. 3.62. Servomotor de c.c. Brushless cu rotor exteriorServomotorul Brushless Direct Drive.Fig. 3.63. Servomotor de c.c. Brushless Direct Drive1 rotor;2 stator;3 pol stator;4 conector nfsurri stator;5 conector resolver;6 resolver;7 cuplaj elastic;8 rulment;9 ax servomotor.12456783NS9magnei (Neodim) rotornfurarestator 9 policapete nfurrifazenul steanfurrilagr din bronz grafitattalp polarax motor (legtur)NSrotornfurristatorscutmagneificirulmentconectoriresolverax servoMotoare pas cu pas. Motorulpascupas(MPP)esteomainsincroncerealizeazprinconversie electro mecanic discret o funcie univoc ntre impulsurile de comand aplicatestatorului i unghiul de rotaie al rotorului (la fiecare impuls de comand rotorul executa un pas). Ceimai importani parametri ai motoarelor pas cu pas sunt:- unghiul de pas este unghiul existent ntre dou poziii consecutive ale rotorului la aplicarea unuiimpuls de comand;- frecvena maxim de mers n gol este frecvena maxim a impulsurilor de comand pe care o poateurmri motorul fr pierderea sincronismului;- frecvena maxim de start - stop n gol este frecvena maxim a impulsurilor de comand la caremotorul poate porni, opri sau reversa fr omisiuni de pai, n lipsa sarcinii la arbore;- cuplul maxim de start - stop este cuplul rezistent aplicat pe arbore, la care motorul poate porni,opri sau reversa fr omisiuni de pai, la o frecvena de comand i un moment de inerie date.- viteza unghiular definit ca produsul ntre unghiul de pas i frecvena de comand.Principalele avantaje ale motoarelor pas cu pas pentru utilizarea n robotic sunt:- univocitatea conversiei numr de impulsuri deplasare;- este compatibil cu comanda digital;- precizie de poziionare i rezoluie unghiular de pn la 0,5 /pas;- poate fi utilizat n circuit deschis la porniri, opriri i reversri fr pierderi de pai;- memoreaz poziia;Dezavantaje motorului pas cu pas:- viteza maxim n sarcin pentru motoarele de putere (maxim 5 kW) este limitat la valoarea de500300rpm(frecvenadecomand nudepete12kHz) nfuncie i desistemul decomand;- rotaia este discontinu i produce vibraii n special la frecvene joase;- caracteristica mecanic M(f) este puternic cztoare i pentru aceleai caracteristici constructive ielectrice cuplul mediu scade odat cu micorarea pasului unghiular.Motorul pas cu pas cu reluctan variabil.Fig. 3.68. Motorul pas cu pas cu reluctan variabil (4 faze, 24 pai, 15 /pas):a. alimentare unidirecional o faz, F1; b. alimentare unidirecional o faz, F2123456*F1F1*F2*F3*F4F4F3F2123456*F1F1*F2*F3*F4F4F3F2op=15213a.b.tdrtdsopICreterea numrului de pai pe rotaie se poate realiza prin danturarea polilor statorici astfel nct, nfuncie de limea polului, pe acesta s avem un numr de dini zps, uniform distribuii cu un pas dentartdps egal cu pasul dentar al dinilor rotorului tdr.Fig. 3.69. Pol statoric danturat i dini rotorici n configuraie DarrieusCupluldezvoltat demotorul cureluctanvariabilpoatefi meninut ilarezoluiiunghiulareimportante prinutilizarea mai multor circuite magnetice cuconfiguraie geometric simplificat(diferen de reluctan, frecven de comand ridicat), cuplate n paralel pe acelai ax motor. Practics-au impus dou variante constructive:- unansambludeminimdoumotoareidentice, avndcircuitelestatoricealiniate i rotoarelecuplate pe acelai ax, decalate spaial;- un motor cu un singur circuit statoric i mai multe rotoare cuplate pe acelai ax, decalate spaial.Fig. 3.70. MPP cu reluctan variabil i circuite magnetice multiple (3x3 faze)tdstdr1231 pol stator;2 dinte stator;3 dinte rotor.optdrdrt31*F1(1)*F1(2)*F1(3)1275364891 circuit magnetic;2 pol statoric MPP1;3 rotor MPP1;4 dinte rotoric;5 rotor MPP2;6 rotor MPP3;7 ax motor;8 rulment;9 scut.Motorul pas cu pas cu magnei permaneni.Fig. 3.71. Motorul pas cu pas cu magnei permaneni: a. construcia motorului cu 4 faze i 3 perechi depoli rotorici (12 pai, 30 /pas); b. varianta cu numr mare de poli rotorici- motorul pas cu pas cu magnei permaneni i alimentare unidirecional;- motorul pas cu pas cu magnei permaneni i alimentare bidirecional.Fig. 3.72. nfurrile statorice ale MPP cu magnei permaneni:a. MMP cu alimentare unidirecional (m = 4); b. MMP cu alimentare bidirecional (m = 2)naplicaii carecer opoziionareprecis, mbuntirearezoluiei unghiulare(0,5/pas) sepoateobine prin creterea numrului de faze pn la m= 5 i utilizarea variantelor constructivemulticircuit, cu rotoare decalate.23N+-Sa.b.*F1*F3*F4*F2u4=90NNS145u1=0u2=30 u3=60SNNSS+| +|++| +|+*F1*F2*F3 *F4+|+*F1 F1*F2 F2-|-(-) (+)+|+-|-(-) (+)a. b.Motorul pas cu pas hibrid.Motorul hibrid este cel mai utilizat n aplicaii deoarece combin celemai bune caracteristici ale motorului cu reluctan variabil i motorului cu magnei permaneni:- cuplu volumic i vitez importante;- rezoluie foarte bun;- memorarea poziiei n lipsa alimentrii.Fig. 3.73. Motor pas cu pas hibridModaliti de comand a fazelor MPP. Comutaia fazelor motorului pas cu pas dup un anumitprogram asigurrotaia cmpuluimagneticstatoric ideterminperformanele mainii.Principalelesecvene de comand a MPP sunt:- secvena simpl (one phase on);- secvena dubl (two phases on);- secvena mixt (half steep);- secvena cu pas redus (mini steeping).Secvena simpl const ncomutaia succesiv a cte unei faze a motorului, acestea putndfialimentate prin blocul electronic de comutaie n mod unidirecional (MRV, MMP, MH) saubidirecional (MMP, MH). Alimentarea unidirecional are dezavantajul realizrii unui flux n ntrefieri implicit a unui cuplumai mic (solenaia la unpas de comutare:faza si N = O ). Alimentareabidirecional, n acest caz,presupune nseriereabobinelor polilor opui i reducerea la jumtate anumrului de faze concomitent cu creterea cuplului (solenaia la un pas de comutare:faza si N 2 = O ):tdrdrt21*F1(1)*F1(2)127364891 circuit magneticstator;2 pol statoric;3 rotor 1;4 dinte rotoric;5 magnet permanent;6 rotor 2;7 ax motor;8 rulment;9 scut.N SN S5N SFig. 3.78. Comanda MPP n secven simpl (one phase on):a. MPP cu alimentare unidirecional (m = 4); b. MMP cu alimentare bidirecional (m = 2)Secvena dubl de comand a fazelor const n alimentarea simultan a dou faze succesive pentu amri cuplul motorului, numrul de pai fiind acelai ca n cazul secvenei simple de comand. Datoritfaptului c realizeaz un cuplu mrit n cazul tuturor tipurilor de MPP, aceast modalitate de comanda fazelor motorului este preferat n majoritatea aplicaiilor deoarece algoritmul de comand rmnerelativ simplu iar n cazul comenzii cu microprocesor (cazul roboilor) acest aspect nu creaz problemesuplimentare.*F1*F3*F2*F4 S N*F1*F3*F2*F4SNSNN SUF1tUF2tUF3tUF4tNptUF1tUF2tNpta.*F1F1*F2F2SNSNSNa.*F1F1*F2F2SNSNSNa.b.Fig. 3.79. Comanda MPP n secven dubl (two phases on):a. MPP cu alimentare unidirecional (m = 4); b. MMP cu alimentare bidirecional (m = 2)Secvena mixt de comutaie a fazelor const n alimentarea succesiv a unei faze urmat dealimentarea a dou faze astfel nct s se obin dublarea numrului de poziii de echilibru i scdereapasului unghiular la jumtate (half steep), n conformitate cu figura 3.80.. Alimentarea motorului esteasimetric ca urmare cuplul va prezenta o scdere fa cazul cu secven dubl de cumutaie.*F1*F3*F4SNUF1tUF2tUF3tUF4tNptUF1tUF2tNpta.*F1F1*F2F2SNSNSNa.*F1F1*F2F2SNSNa.b.*F2N SSN*F1*F3*F4SN*F2N SSNS N S NNSS N S NFig. 3.80. Comanda MPP n secven mixt (half step):a. comutaia fazelor la MPP cu alimentare unidirecional (m = 4); b. diagrame semnale de comandpentru MPP cu alimentare unidirecional (m = 4) i bidirecional (m = 2)Fig. 3.81. Secvena de comand cu pas redus a MPP prin metoda tensiunilor de faz variabilea.b.UF1tUF2tUF3tUF4tNptUF1tUF2tNpt*F1*F3*F4SN*F2N S*F1*F3*F2*F4SN*F1*F3*F2*F4 N SSNNSS N|1|r|2|1|r|2|1|r|2|r|2Caracteristica mecanic M(O) a motoarelor pas cu pas depinde de caracteristicile motorului dar idecelealedistribuitorului electronicdeenergie. Uzual caracteristicamecanicesteprezentatnplanul cuplu motor frecven de comand:Fig. 3.82. Caracteristica mecanic a motorului pas cu pasDistribuitoare de energie electric.Distribuitoare de energie pentru motoarele de curent continuu.Fig. 3.83. Punte n HPunteanHpermitereglareavitezeimotoruluidecurentcontinuuprinmodificareavaloriimediiatensiunii Ua aplicate bobinajului statoric (comand PWM):emcaT TTtU U < = = ; ; t tMM00Mrf (O)f0maxf0max START-STOPA - caracteristica de funcionare;B caracteristica limit dedemaraj.ABfmaxM=T1D4D1T4T3 D2D3T2U=UaTUaUtIaComanda motoarelor Brushlessn funcie de cerinele aplicaiei se utilizeaz trei moduri de comand:- comand trapezoidal (Six steps, Brushless DC);- comand sinusoidal (Sine wave, Brushless AC);- comanda vectorial (Field Oriented Control).Fig. 3.84. Principiul comenzii trapezoidale a motorului Brushless DC:a. caracteristica cuplului la motorul de c.c. cu magnei permaneni; b. comutaia fazelorFig. 3.85. Comanda trapezoidal a motorului Brushless DC:|r|s123456sens rotaieM-M090defazaj cmp rotoricfa de cmpul statoricAMpoziia ideal-30+30a.b.T1D1D4T4T2D2D5T5T3D3D6T6ABCEBEAECiAiCBuffersenzoriHallLogicPWM-+-+iAiBiC-+regulator vitezProteciei2tregulator curentTgvrealirealpoziie rotorvpipPIPIA/DFig. 3.85. strategia de comand PWM a invertorului de tensiune pentru controlul curentului n fazelemotoruluiComanda sinusoidalasigur un control foarte bun al cuplului i poziiei rotorului n baza unuialgoritm careurmreteasigurareacupluluimotorntr-unmodctmaieficientposibil,adiclauncurent minim, obinut laalimentareasimultanacelor trei fazecucureni desintezsinusoidalirezultai n conformitate cu relaiile:( )( )( )a e M Ca e M Ba e M AI iI iI iu uu uu u+ =+ =+ =240 sin120 sinsin(3.70)unde IM este curentul maxim necesar realizrii cuplului care s asigure parametrii de micare impuiaxei; ueunghiulelectriccedefinetepoziiacmpuluimagneticstatoric; uaunghiulelectricdecomutaie n avans.Practicmodalitateadecomandestesimilarcucomandamotorului sincroncuunddetensiunesinusoidal de frecven variabil i din acest motiv n literatura de specialitate apare i sub denumireaBrushless AC. Pentru un curent de faz I constant, cuplul motor rezultant M este constant (riplu nul) ireprezint suma cuplurilor generate de fiecare faz n parte MA,B,C , numai n cazul n care se asigurstrict generarea unor cureni de form sinusoidal.tttiAiBiCT/6T/3T2+T6T1+T6T1+T5T3+T5T3+T4T2+T4EAEBECT2T6T1 T3T5 T4tt.Fig. 3.86. Principiul comenzii sinusoidale a motorului Brushless AC:a. generarea tabelului de corelaie amplitudine unghi ir(u) pentru unda sinusoidal; b. poziiacmpului nvrtitor statoric fa de cmpul rotoricFig. 3.87. Schema de principiu a unui sistem digital de comand sinusoidaltPWMU-UUAiA0RPunteHPunteHPunteHControlPWMUA(iAp)iAiBiCControlPWMUB(iBp)ControlPWMUC(iCp)ConvertorD/AConvertorD/AUCDSPTabelsin - ir(u)u ir,A,BiApiBpUCp=-UAp-UBpConvertorA/Dvpsensregulator curentu-+PI-+PIUApUBp-U|r|sfaza1faza2faza3sens rotaie(ir)(-ir)01.000imp/rot(u250poziia ideal-90a. b.1.0240rezoluie pascomand n avansDistribuitoarele de energie pentru MPP trebuie s rspund ntr-o msur ct mai mareurmtoarelor cerine:- limitarea supratensiunilor de comutaie generate la comutaia fazelor motorului;- controlul curentului i meninerea sa la o valoare ct mai apropiat de valoarea nominal pentru undomeniu de frecvene de comand ct mai extins;- amortizarea vibraiilor de pas ale rotorului;- controlul parametrilor de micare impui;- posibilitatea realizrii unor secvene de comand diferite pentru a putea controla diferite varianteconstructive de MPP dintr-o gam de puteri.Schema de principiu a unui distribuitor de energie n bucl nchis este prezentat n figura 3.87.:Fig. 3.88. Distribuitor de energie cu funcionare n bucl nchis pentru MPPModulul de for se realizeaz n moddiferit nfuncie de modul de comand a fazelor:unidirecional (MRV, MP, MH) sau bidirecional (MP, MH). Modulul de for este foarte important ndeterminarea parametrilor dinamici ai distribuitorului de energie i implicit ale performanelemotoruluipascupas. DeoarececaracteristicamecanicaMPPesteputerniccztoare, s-aucutatsoluii electronice de ameliorare a comportamentului dinamic al ansamblului motor distribuitor deenergie care n principal urmresc:- limitareantr-untimpct mai scurt asupratensiunilor decomutaie i limitareapierderilor deputere n elementele de protecie;- stabilizarea ct mai rapid a curentului de faz la valoarea nominal;- amortizarea rapid oscilaiilor rotorului n jurul poziiei de echilibru pentru a realiza poziionriprecise la frecvene de comand ct mai ridicate.Fig. 3.89. Modul de for unidirecionalPControlPWMcurentfazeTIROComparatordigitalBloc reglarevitez(frecven)DSPTabel f(N)fRegistrudateintrared(Nup)/dtNregulator curentvpsenscuplu la v=0-+PIfNNUPWMsetare tipsecvenF14poziie NpBlocgeneraresecvene decomandModulforfazeHiAUiAi maxMPPfcvrRf; LfD1.1D1T1RU=Rf; LfD2.1D2T2RRf; LfD3.1D3T3RRf; LfD4.1D4T4RFig.3.90. Forarea n tensiune a curentului n fazele MPP:a. schema electronic de for pentru o faz; b. diagramele de tensiune i curentFig.3.91. Forarea n tensiune a curentului n fazele MPP cu control PWM:a. schema electronic de for pentru o faz; b. diagramele de tensiune i curentFig. 3.92. Modul de for unidirecional cu circuit de amortizare electronic a vibraiilor rotoruluia.t2b.Rf; LfTD1.1D1T1R1D2t1R2T2T3Un=U1=Monostabilfaza 1tInt2U;II(U1)UnU1t1TI(Un)a.iB T2b.Rf1,LUcD1T1R1D2UcR2T2R3CU1=Comparator cuhisterezisfaza 1tInD3U;IImaxU1t2Imint2Rf; LfCT1RU=Rf; LfCT2RRf; LfT3RRf; LfT4RMABMfaza1Mfaza2t1t2t3tu0Uf2MrezFig. 3.93. Distribuitor de energie bidirecional n bucl deschisMPP(1,1,400);comand axa1, sens pozitiv, 400 paiMPP(2,1,200);comand axa2, sens pozitiv, 200 paiMPP(3,0,800);comand axa3, sens negativ, 800 paivoid MPP(int motor, int sens, int pai) funcia de comand a motorului{int n;if(motor==1) condiie comand motor axa1(D2 = 1)if(sens)==1 condiie rotire sens pozitiv(D0 = 1)for(n=0; n