Universitatea POLITEHNICA din BucuretiFacultatea de Ingineria Mecanica si Mecatronica

Programul de studiiMecanica de Precizie

Proiect Robotica de precizie II

Student:Luca Marius

Robotul SCARACapitolul 1: Introducere1.1 Ce este un robot?

Unroboteste este un operatormecanicsauvirtual,artificial. Robotul este un sistem compus din mai multe elemente: mecanic, senzori i actuatori precum i un mecanism de direcionare; Mecanism automat care poate executa, dup un program stabilit, operaii complicate, asemntoare cu cele realizate de om; Roboii sunt realizai mai ales prin combinaia disciplinelor: mecanic, electrotehnic i informatic. ntre timp s-a creat din legtura acestora mecatronica; Stiinta care se ocupa cu studierea robotilor se numeste: Robotica.

1.2 Care sunt avantajele si dezavantajele folosirii robotilor?

a) Avantaje: Ajungerea pe alte planete indepartate; In domeniul militar, robotii pot fi folositi pentru spionarea locurilor unde omul nu poate ajunge; Ofera informatii pe care omul nu le poate obtine; Poate munci non-stop fara sa oboseasca sau sa scada viteza de lucru; Munceste mult mai rapid si mai precis decat omul; Nu necesita salariu, si asculta orice ordine i se da (depinde cum este programat); Poate capta imagini la o viteza avansata. Detectorul Atlas in cadrul proiectului LHC poate capta ~ 600.000 de cadre pe secunda in timp ce ochiul uman poate observa doar 60. (etc...)b) Dezavantaje: Oamenii pot pierde locurile de munca in fabrici, fiind inlocuiti cu acestia; Are nevoie de intretinere permanenta si energie; Costurile si munca depusa pentru obtinerea unui robot, sunt foarte ridicate...1.3 Curiozitati despre roboti: Stiati ca... ... un sofisticat program de computer permite unor roboti virtuali sa se "inmulteasca" si sa evolueze, iar unii dintre cei astfel rezultati sunt mai buni decat cei proiectati de oameni? ... termenul derobotprovine din limba ceh (robota) i semnific munc grea? Robotul a aprut prima dat n filmul R.U.R. din 1921, n care mainria se rzvrtete i i ucide creatorii. ... totui, i n viata real robotii au omort oameni? Prima crim produs de o mainrie malefic a avut loc n 1981, la fabrica Kawasaki din Japonia. Un muncitor a murit dup ce un robot l-a aruncat ntr-o instalatie de rectificat (main-unealt ce prelucreaz mecanic prin achiere o suprafa metalic). Nu v imaginati un robot inteligent i biped ca Terminator, ci un brat robotic care a fost folosit necorespunztor de ctre victim. ... numrul total al robotilor industriali ce sunt folositi n fabrici se ridic la peste un milion de exemplare? ... Leonardo da Vinci a schitat planurile unui humanoid n 1495? Tot el a creat, pentru divertismentul nobililor, un robot ce era actionat printr-un sistem de prgii i scripeti. n onoarea sa, un robot chirurg, unul dintre cele mai performante de pn acum, i poart numele: Robotul DaVinci. ... armata american folosete nu mai putin de 4000 de roboti? Acetia sunt replici la scar mai mic a tancurilor. Deplasarea se realizeaz, de obicei, cu ajutorul enilelor, iar robotii au un brat pe care pot fi amplasate diferite obiecte (camere de filmat, senzori). Dar nici unul nu este automat, toti sunt teleghidati de ctre oameni. ... primul robot humanoid a aprut n 1939 i se numea Elektro? Construit de ctre cei de la Westinghouse, robotul avea o nltime de 2 metri i putea reproduce 700 de cuvinte. ... Winebot, construit de ctre japonezii de la NEC System Technologies, poate recunote cu ajutorul mirosului diferite tipuri de vin sau brnz? n bratul stng, robotul are un spectometru cu care analizeaz vinul. Astfel i determin compozitia chimic. i cum fiecare fel de mncare are un amestec specific de ingrediente, aflate n baza de date cu care este dotat, Winebot poate recunote tipul de vin care i-a fost artat. ... cercettorii australieni ncearc s creeze mini-roboti? Acetia vor imita comportamentul unei bacterii (E. Coli) i vor fi injectati n viitorii pacienti pentru a face investigatii medicale direct n organul afectat. ... R2-D2 este singurul caracter care, de-a lungul celor 6 filme Star Wars, a aprut neschimbat? ... robotii mnnc? Chris Melhuish, de la laboratoarele Bristol Robotics, a construit roboti ce folosesc baterii pe baz de bacterii. Rolul bacteriilor este de a furniza curent electric, care este obtinut din mute moarte sau mere pe cale s se descompun. Deci robotii pot s i procure singuri hrana. [1]

Robotul industrialreprezint un sistemfizic, programabil ce este capabil s realizeze diferite operatii i secvene de operaii de manipulare a unor scule, piese sau subansamble.n funcie de operaiunea pentru care au fost creai, roboii industriali se mpart n:1. roboi SCARA - specifici pentru operaii de ridicare i aezare a diferitelor obiecte;2. roboi cartezieni - acetia permit ridicarea i plasarea obiectelor ce nu necesit orientare, sau pot fi preorientate.3. roboi cu ase grade de libertate.Oricare dintre aceti roboi poate fi redus la elementele constituente, i anume: spaiu de operare; sursa de energie; sursa de informaie; robotul;

1.4 Despre robotul SCARAUn robot este un dispozitiv mecanic, capabil s imite anumite functii umane, precum cele de manipulare a obiectelor sau de locomotie n scopul substituirii actiunii umane, pentru realizarea unor anumite sarcini. Sarcina robotului este mai mult sau mai putin autonom, conform posibilittilor de perceptie a mediului nconjurtor. n prezent, robotul poate fi definit ca un sistem cu functionare automat, adaptabil prin reprogramare conditiilor mediului complex i variabil n care actioneaz, amplificnd sau nlocuind una sau mai multe dintre functiile umane n actiunea sa asupra mediului.Robotul modern este un sistem complex, programabil cu ajutorul calculatorului, echipat cu microprocesoare, senzori, sisteme de actionare, structuri mecanice, care are capacitate de actiune, de percepere, de decizie i de comunicare. Robotii SCARA sunt roboti care au doua articulatii de axe paralele care ofera posibilitatea de operare intr-un anumit plan selectat. Sunt roboti cu spatiul de lucru cilindric.Initialele SCARA provin de la: ,Sellective Compliant Articulated Robot Arm.Solutia constructiva propusa se constituie dintr-un mecanism de pozitionare cu trei grade de libertate, ce are in componenta trei elemente cinematice si trei cuple cinematice.Cele trei grade de libertate ale mecanismului de pozitionare corespund miscarilor de: Rotatie la baza(Rz), translatie pe verticala (Tz) si rotatie a bratului articulat in plan orizontal (Rz).Cu urmtoarele caracteristici tehnice generale: -Numru total de axe comandate numeric este 5 si anume:Axa1 (rotatia la baza robotului industrial): 1= 360 [grade]Axa2 (translatia pe vertical a bratului articulat): x2= 1500 [mm];Axa3 (rotatia segmentului 2 al bratului articulat) : 3= 280 [grade]Axa4 (micarea de orientare a efectorului de tip Pitch):4= 240 [grade]Axa5 (micarea de orientare a efectorului de tip Roll):5= 360 [grade]-Sistemul de actionare: electric - pentru toate gradele de libertate ale robotului industrial; pneumatic sau hidraulic - pentru efectorul robotului industrial.

1.5 Structura geometric a sistemului mecanic n functie de spatiul de lucru.

n cazul general, deplasarea unui obiect dintr-o pozitie n alta, n spatiul tridimensional, se poate realiza prin ase micri de rotatie independente ntre ele, aa cum permite mna operatorului uman dac operatiile ar fi fcute de acesta, (figura 1.).

Prin compunerea unor micri de rotatie mna operatorului uman realizeaz micri de translatie ale bratului, (figura 2). ntruct micarea de translatie este o rotatie la limit, micarea general spatial a unui corp (obiect) se poate realiza prin combinatii de rotatii R i translatii T.Pentru construirea unui robot industrial n scopul realizrii unei anumite probleme de manipulare este hotrtor spatiul de lucru al efectorului, respectiv zona de micare a mecanismului de prehensiune.Configuratia i mrimea acestor spatii de lucru, depind de structura mecanismului de pozitionare, de felul cuplelor cinematice, precum i de dimensiunile elementelor cinematice.Astfel, cu ajutorul unui lant cinematic deschis, cu patru elemente se pot proiecta opt mecanisme de manipulare cu spatii de lucru de configuratie diferit, dac se folosesc numai cuple de rotatie R i translatie T care permit o singur micare.Aceste variante de mecanisme se deosebesc prin numrul i ordinea cuplelor de translatie i rotatie folosite pentru legarea celor patru elemente cinematice, precum i prin pozitia relativ a axelor acestor cuple cinematice. n tabelul 1 prezentm cteva variante de structuri mecanice cu patru elemente cinematice

Tabelul 1.Nr. cuple cinem. detranslatie3210

Nr. cuple cinem. derotatie0123

Variante lanturicinematiceT T TRTTTRTTTRRRTRTRTRRRRR

Nr. variantei12345678

Spatiu de lucruPrismaticCilindricSfericToroidal

Universitatea POLITEHNICA din Bucuresti, Student: Luca Marius, Master An I-Mecanica de precizie2013-2014

1.6 Sistemul de actionare al robotilor industriali Actionare pneumatica Actionare electrica Actionare hidraulica

ROBOT INDUSTRIAL: un sistem integrat mecano-electrono-informational, utilizat in prcesul de productie in scopul realizarii unor functii de manipulare analoage cu cele realizate de mana omului, conferind obiectului manipulat orice miscare programata liber, in cadrul unui proces tehnologic ce se desfasoara intr-un mediu specific.

Robot industrial: Executa miscari dupa un program flexibil, modificabil, in functie de sarcinile de productie si de conditiile de mediu.

Manipulator Instalatie automata care executa operatiuni repetitive, miscarile realizandu-se dupa un program fix, rigid Trebuie sa posede elemente de reglaj, care sa permita reglarea in limite restranse sau mai largi, a unor parametri cinematico-functionali sau de precizie.

Flexibilitatea (in programarea robotilor) :

usurinta cu care pot fi schimbate programele de functionare,

limitele intre care se pot comanda valorile parametrilor cinematici,

numarul si modul de desfasurare a secventelor de miscare,

posibilitatea dozarii miscarilor in vederea generarii unor traiectorii complexe,

modul de introducere a programelor.

Fig. 1. Schema bloc al structuri unui robotNotiunea de robot inteligent (in contextul industrial) : abilitatea unei masini de a actiona prin contacte senzoriale intr-un mediu care nu este complet definit, de a se acomoda la schimbari de sarcini, de a face fata unor situatii variabile intamplatoare, fara instructiuni detaliate.

Robotii inteligenti reprezinta cel mai inalt stadiu de dezvoltare, la care senzorii sunt mult mai numerosi si mai complecsi, apar blocuri si subsisteme specifice de miscare si orientare a propriilor senzori, de masurare a deplasarii acestora, de prelucrare a informatiilor.Punct caracteristic un punct semnificatic asociat corpului.

Dreapta caracteristica axa de rotatie a corpului.

Dreapta auxiliara o axa perpendiculara pe prima ce reprezinta axa de simetrie pe directie transversala.

Pentru generarea traiectoriei T sunt necesare si suficiente 3 grade de libertate: rotatie in jurul axei Oz; deplasare verticala in lungul axei Oz si o deplasare radiala in lungul axei x.

1.7 Clasificare din punct de vedere al generarii traiectoriei:Roboti cu pozitionare continuaTraiectoria este generata in mod continuu ceea ce presupune blocuri speciale de corelare a miscarilor pe 2 sau 3 grade de libertate, numite interpolatoare de miscare. Sistemul de actionare si sistemul de comanda trebuie sa fie apte pentru acest mod de functionare. Trebuie sa exista in permanenta corespondenta biunivoca bine definita intre comanda-deplasare. Sistemul de comanda trebuie sa fie apt sa gestioneze miscarile pe fiecare grad de libertate in parte si sa coreleze miscarile intre ele, in sensul generarii traiectoriei descrisa matematicCapitolul 2 Alegerea solutiei constructive. 2.1 Tema proiectuluiS se proiecteze o stuctur robotica de tip SCARA RRT (R) pentru care se cunosc urmatoarele caracterisctici: Precizie; Permite miscarea in 3 axe (si orientarea obiectului de lucru); Lungimea bratelor: b1=230mm b2=330mm Cursa pe axa verticala: 330mm Rotatia axei verticale de 360. Cu o intindere maxima de 760mm si o intindere verticala maxima de 330mm, robotul prezentat mai jos ofer o capacitate de ridicare de 10kg si o viteza maxima de 7000mm/sec.

Schema cinematica a robotului de tip SCARA (solutie adoptata)

Fig. 2

In figura de mai sus este reprezentata schema cinematic a acestui robot:

- braTul 1 are o micare de rotaTie 1 cu axa vertical fata de suportul sp;- braTul 2 are o a doua miscare de rotaTie 2 faT de braTul 1;- platoul 3 are miscarea de rotaTie faT de braTul 2;- elementul 4 translateaz cu vz fata de platoul 3;-in capatul elementului 4 este fixat dispozitivul de apucare DA care fixeaz obiectul de lucru OL.

Capitolul 3. Descrierea si functionarea solutiei.

SoluTia adoptat este de tipul cu antrenarea primelor dou grade de libertate (1 i 2) cu motoreductoare dispuse la nivelul axelor. Pentru a treia rotaTie (3) intre motoreductor i ax este introdus o transmisie cu curea dinTat. Sunt utilizate reductoare armonice.n fig. 3.1 este dat o reprezentare a robotului, unde se observ elementele sale:

Fig. 3.1

- 0- baz;

- 1- elementul 1 care are rotaTia (1) n plan orizontal;

- 2- elementul 2 articulat (2) faT de primul;

- 3- elementul 3 ce se rotete (3) faT de elementul precedent;

- 4- elementul 4 ce execut o translaTie rectilinie vertical;

- 5 i 6 - capace de protecTie;

- OL- obiectul de lucru, de exemplu un cip prehensanat prin vacuum.

n fig. 3.2 este redat o vedere de detaliu, cu capacele de protecTie ndeprtate.

Fig. 3.2

Sunt notate:

- M2, M3 i M4- motoare;

- R2 i R3 reductoare armonice;

- R4- reductor planetar;

- 3- elementul 3 ce realizeaz rotaTia 3 ;

- 7- carcasa pentru fixarea reductorului R4;

- 8- curea dinTat;

Fig. 3.3

Fig. 3.3 prezint o secTiune de ansamblu prin robot. Se observ dispunerea motorului M1 i a reductorului R1 n interiorul bazei 0. Elementul 1 este executat cu degajri pentru a-l uura.

Pentru realizarea translaTiei elementului 4 este folosit un mecanism urub- piuliT cu bile. PiuliTa P este asamblat cu elementul 4, care este mpiedicat s se roteasc (faT de elementul 3) cu ajutorul penei 12 (v. fig. 3.4). urubul S este antrenat de la motoreductorul MR4 prin cuplajul C.Transmisia cu cureaua dinTat 8 leag roata de curea 9 (solidar cu ieirea reductorului R3) cu elementul 3, ce este danturat.

Elementul 3 este lgruit faT de elementul 2 prin doi rulmenTi radiali 11 ce sunt montaTi n carcasa 10.Aa cum a fost menTionat mai sus pentru acTionarea primelor trei grade de libertatesunt folosite reductoare armonice. Sunt preluate reductoarele firmei HD Systems . n fig. 3.5 este redat reductorul CSF 14 ce va fi folosit pentru acTionarea elementului 2 i a elementului 3. Pentru acTionarea elementului 1 se va adopta reductorul CSF 17, ce dezvolt un cuplu mai mare. Justificarea adoptrii acestor reductoare este fcut dup calculul dinamic al structurii.

Fig. 3.4

Arborele motorului electric se introduce n flana 4 ce reprezint intrarea reductorului. ntre aceasta i deformatorul eliptic 3 este introdus piesa intermediar 6. Se realizeaza, astfel un cuplaj Oldham ce compenseaz eroarea de centrare dintre arborele motorului electic i carcasa reductorului (n fig. 3.6 este redat 3D construcTia cuplajului). Peste deformator este montat rulmentul special, deformabil 2, ce se gsete n interiorul paharului danturat 1. La rotirea arborelui motorului paharului angreneaz n dou zone opuse cu coroana danturata interior 7, ce reprezint i prima carcas a reductorului. Partea fix a reductorului mai cuprinde i alte dou carcase 8 i 10 asamblate cu uruburile 9. uruburile 14 realizeaz asamblarea complet a prTii fixe.Arborele de ieire 15 al reductorului este lgruit faT de carcasele 8 i 10 prin colivicu role ncruciate 11, astfel realizndu- se un rulment radial axial deosebit de compact.

Fig. 3.5

Fig. 1.5

Fig. 3.6

Capitolul 4 Proiectarea asistata de calculator a structurii robotice.

4.1 Subansamblul parte fixa

Fig. 4.1.1 Subansamblu Parte Fixa

Fig. 4.1.1 prezint Subansamblul Parte Fixa a robotului Scara. Se observ dispunerea motorului M1 i a reductorului R1 n interiorul bazei 0.In Fig.4.1.2 este prezentata o sectiune prin Subansamblul Parte Fixa, unde se pot vedea in sectiune motorul, reductorul armonic si placa de prinderea a motorului.

Fig.4.1.24.2 Subansamblul Brat 1

Fig.4.2.1 Subansamblul Brat 1

In fig.4.2.1 este reprezentat Subansamblul Brat 1, in sectiune ,unde se pot vedea reductoarele armonice red csf 14 (1) si red csf 17 (2)

Fig. 4.2.2 Subansamblul Brat 1

In fig. 4.2.2 este reprezentat in trei vederi din fata de sus si din stanga, respectiv o vedere 3D a Subansamblul Brat 1 al robotului scara. 4.3. Subansamblul antrenare brat 1

Fig. 4.3.1 Subansamblu Antrenare Brat 1

In fig. 4.3.1 este reprezentat in doua vederi (din fata si de sus) si o sectiune (din fata) Subansamblu Antrenare Brat 1. Se observa componente cum ar fi Arbore (1), Stift M3x6 (2), Siguranta (3), Rulment (4).

4.4. Subansamblul brat 2

Fig. 4.4.1 Subansamblu Brat 2

In fig. 4.4.1 este reprezentat Subansamblu Brat 2 impreuna cu urmatoarele elemente: Motoare (M2, M3), Simeringuri (2,4,5), Indicator rotatie (1), Roata danturata (2).

Fig. 4.4.2 Vederi (Stanga, Sus, 3D) ale Subansamblului Brat 2

4.5 Subansamblul antrenare brat 2

Fig. 4.5.1 Subansamblu Antrenare Brat 2

In fig. 4.5.1 este reprezentat in doua vederi (din fata si de sus) si o sectiune (din fata) Subansamblu Antrenare Brat 1. Se observa componente cum ar fi Indicator rotatie (1), Arbore (2), Stift M3x6 (3), Siguranta (4), Rulment (5).

4.6. Subansamblul element 3

Fig. 4.6.1 Subansamblu Element 3

4.7. Subansamblul antrenare element 3

Fig. 4.7.1 Subansamblul antrenare element 3

4.8. Subansamblul element 4

Fig. 4.8.1 Subansamblul element 4

Cap 5. Alegerea si dimensionarea motoarelor

Fig. 5.1 Grafic cuplu motor antrenare Brat 1

Fig. 5.2 Grafic cuplu motor antrenare Brat 2

Din figurile 5.1 respectiv 5.2 se observa ca la incarcatura maxima admisa cuplul maxim al motorului este de putin peste 7 Nm. Analizand cataloagele de la am ajuns la concluzia ca cel mai potrivit motor pentru acest robot SCARA este motorul Planetary Gearhead GP 32 HP 32 mm, 4.08.0 Nm

Fig. 5.3 Grafic cuplu motor antrenare Subansamblul Element 4

Din figura 5.3 se observa ca la incarcatura maxima admisa cuplul maxim al motorului este de 0,17 Nm. Analizand cataloagele de la am ajuns la concluzia ca cel mai potrivit motor pentru acest robot SCARA este motorul A-max 16 16 mm, Precious Metal Brushes CLL, 1.2 Watt

Cap 6 Simularea si modelarea structurii6.1. Analiza miscarii in COSMOS/Motion6.1.1. Problema inversa geometrica pt. o traiectorie

(atasat PDF.file)

Cap. 7 Analiza folosind FEM 7.1 Bratul 1 Robot SCARASimplitatea conceptelor de baz ale metodei elementelor finite (MEF) este unul dintre avantajele importante ale acesteia. Importana nsuirii i a nelegerii corecte a acestora rezult din faptul c aceste concepte includ anumite ipoteze, simplificri i generalizri a cror ignorare poate duce la erori grave n modelarea i analiza cu elemente finite (FEA). Se prezint, n continuare, cele mai importante dintre conceptele de baz ale MEF.

Figure 2

Figure 3

Figure 4

Figure 5

7.2 Bratul 2 Robot SCARA

Figure 6

Figure 7

Figure 8

#

Figure 9

Referinte1.http://www.scientia.ro/stiinta-la-minut/45-scintilatii-stiintifice-tehnologie/2882-robotii-10-lucruri-pe-care-nu-le-stiati.html

1 Alegerea motoarelor2 Problema inversa a pozitieiQ1q2q3q4 cele patru unghiuri motoare (fisier csv (excel)sau manual in solidworks pentru motoare)3 simularea unei traiectorii (akina)

Pt fiecare motor graphicDimensionare motoareCoeficient de siguranta minim 1.5 max 4spre5Momentu M4 final este coeficientul de siguranta ori M4 maximAlegere reductorului + randament