curs 12

CAPITOLUL 6

ROBOŢI INDUSTRIALI PENTRU SUDARE 6.1. Generalităţi

Robotul industrial poate fi definit ca o unitate automată programabilă de manipulare a

obiectelor muncii sau a mijloacelor de muncă. Roboţii industriali sunt destinaţi automatizării flexibile a proceselor de producţie,

înlocuirii operatorului uman în operaţiile ce se desfăşoară în medii nocive sau periculoase, în activităţi dificile, obositoare prin efort fizic şi intelectual (monotonie) sau în sectoarele deficitare în forţă de muncă calificată şi specializaţi.

În România sunt în serviciu un număr redus de roboţi datorită preţului foarte scăzut al forţei de muncă (salariul mediu net al unui operator uman din domeniul industrial variază între 200 şi 500 de USD comparativ cu 1000 la 3000 USD în ţările occidentale), dar dezvoltarea ramurii industriale robotizate este în continuă creştere.

Implementarea roboţilor industriali în procesele tehnologice industriale se poate realiza pe baza avantajelor prezentate de aceştia:

- majoritatea componentelor RI sunt comune putând fi fabricate în serii mari, acest lucru ducând la obţinerea de costuri de producţie scăzute;

- prin simpla programare a acestora se pot folosi la aplicaţii diverse; - timpii de pregătire destinaţi fabricaţiei se reduc considerabil; - cu ajutorul sistemelor moderne se poate realiza automatizarea completă a

operaţiilor tehnologice necesare la fabricarea unor piese în serii mici; - prin utilizarea unor sisteme modulare se pot executa mai multe operaţii cu

acelaşi braţ prin simpla schimbare a sculelor sau a unor dispozitive. Robotii industriali sunt elemente complet noi, independente de utilajele tehnologice

existente şi sunt înlocuitori parţiali sau totali ai operatorilor umani în unele activităţi fizice sau intelectuale.

Se poate spune că robotul industrial este un manipulator programabil şi multifuncţional capabil sa manevreze scule, piese, materiale şi dispozitive speciale în cursul mişcărilor variabile şi programate pentru executarea unei varietăţi de operaţii.

Cronologic robotii industriali s-au dezvoltat conform figurii 6.1:

MANIPULATOARE

MANIPULATOARECU COMANDA SINCRONA

TELEMANIPULATOARE

MANIPULATOARECU COMANDA PROGRAMATA

MANIPULATOARECU CICLU PREREGLAT

ROBOTI INDUSTRIALI CU PROGRAMARE LIBERA SI VARIABILA (FLEXIBILA)

Fig. 6.1. Dezvoltarea roboţilor industriali

Mecanizarea şi automatizarea proceselor de sudare 229

Din punct de vedere structural un robot industrial este compus din mai multe părţi: - manipulator (parte mecanică) ce reprezintă o înşiruire de mecanisme; - sistem de acţionare (electric, pneumatic, hidraulic sau mixt) ce furnizează

energia necesară acţionarii; - sistem de comandă (conducere) ierarhizat pe nivele ce asigură realizarea unor

operaţii repetitive conform ciclului înscris în program pe baza informaţiilor stocate în memoria sa şi preluate de la senzori din mediul ambiant. Totodată acest sistem asigură şi corelarea mişcărilor conform cerinţelor tehnologice;

- interfeţe cu celelalte utilaje tehnologice.

6.2. Clasificarea roboţilor industriali Actualmente sunt sute de tipuri de roboti industriali. Utilizatorul întâmpină adesea

greutăţi în alegerea tipului de robot adecvat sau a efectuării unor comparaţii între mai mulţi roboţi industriali potrivit unei anumite aplicaţii tehnologice.

În funcţie de stadiul de dezvoltare al roboţilor utilizaţi în procesul tehnologic, aceştia au evoluat din punct de vedere al posibilităţilor de mişcare, al capacităţii de memorare precum şi din punct de vedere al capacităţii de decizie şi adaptare. Etapele de dezvoltare ale roboţilor industriali sunt prezentate în tabelul 1.

Tabel 1. Etapele de dezvoltare ale roboţilor industriali

Generaţia 1 2 3 Mişcări P P+C C Controlul

deplasării Limit

ator Traductor

de poziţie Traductor şi

sisteme de comanda adaptive

Memoria < 100 secve

nţe

< 1000 secvenţe

Relaţiile cu mediul

- Interblocări externe

(evitarea coliziunii)

Senzori complecşi

Capacitatea de decizie şi adaptare

- Decizii simple

Inteligenţă artificială

(învăţare)

P - poziţionare; C - Conturare Manipularea unui corp în spaţiu constă în modificarea poziţiei acestuia. Făcând

referire la un sistem de coordonate cartezian se pot separa mişcările în două categorii: - deplasarea centrului de greutate (se realizează din rotaţii şi translaţii simple); - poziţionări în jurul centrului de greutate (numai rotaţii). RI se clasifica astfel după sistemul de coordonate în care aceştia lucrează după cum

urmează: - Carteziene; - Polare; - Cilindrice; - Sferice; În conformitate cu Organizaţia Internaţională de Standardizare (ISO) roboţii industriali

se clasifică după următoarele criterii:

Roboţi industriali pentru sudare 230

- Sursa principală de putere pentru acţionare: a. pneumatică; b. hidraulică; c. electrică. - Comanda mişcărilor: a. comandă punct cu punct (PTP) cu sau fără comandă de viteză, continuă sau

discontinuă; b. comandă pe traiectorie continuă (CP). - Metode de programare: a. prin învăţare directă; b. prin generare de traiectorie; c. prin telecomandă; d. off-line. - Tipurile de senzori folosiţi: a. detectori de poziţie; b. senzori având o logică liniară simplă; c. senzori generatori de semnale proporţionale cu abaterea. O serie de soluţii constructive din punct de vedere al posibilităţilor de mişcare ale

roboţilor industriali sunt prezentate în figura 6.1.

TTT TTR TRT RTT

TRR RTR RRT RRR Fig. 6.1. Posibilităţi de mişcare ale roboţilor industriali

Roboţii industriali sunt mecanisme capabile să poziţioneze şi să orienteze materiale,

unelte sau dispozitive specializate, în timpul unor mişcări variabile şi programate, destinat unor sarcini variate.

Orientarea dispozitivelor de execuţie în spaţiu presupune modificarea în timp real a unghiurilor de orientare în triedrul XYZ asociat faţă de triedrul ultimei axe, destinat poziţionării. Acest lucru impune ca pentru orientare să se folosească în exclusivitate numai grade de mobilitate de tip rotaţie.

În figura 9 este prezentată schema cinematică generală a unui mecanism de orientare cu 3 respectiv 2 grade de mobilitate.


Conform figurii 9, O este elementul cinematic care aparţine ultimei axe destinate poziţionării. Prin eliminarea elementului 1 a cuplei „a” dintr-un mecanism cu 3 grade de mobilitate se obţine un mecanism de orientare cu două axe deci implicit un robot cu 5 grade de libertate.

Fig. 9. Schema cinematică pentru un mecanism de orientare a) cu trei grad de mobilitate; b) cu două grade de mobilitate

În figura 10 este prezentată schema cinematică simplificată a unui robot în coordonate

carteziene în construcţie de tip portal. Cuplele a şi a’ intră în componenţa axei (1), cupla b a axei (2) şi cupla c în axa (3). Toate cele trei axe de translaţie, precum şi cuplele d, e, f intră în componenţa mecanismului de orientare.

Fig. 10. Schema cinematică în coordinate carteziene pentru un robot tip portal

În figura 11 este prezentată schema cinematică simplificată unui robot reprezentativ

pentru sistemul de coordonate cilindrice.

Fig. 11. Schema cinematică în sistem de coordonate cilindrice


Axele (2), (3), şi (4) formează sistemul de coordonate cilindrice, iar axa de translaţie (1), are ca scop mărirea spaţiului de lucru al robotului. Acest spaţiu de lucru este numit de literatura de specialitate, de tip stadion. Pentru orientare este folosită o singură axă de rotaţie, axa (5).

În figura 12 este prezentată schema cinematică simplificată a unui robot în coordonate sferice.

a

1

b

c

23

4

d

e

5

Fig. 12. Schema cinematică în sistem de coordinate sferice

Simplitatea tehnologică ce caracterizează cuplele de rotaţie şi posibilitatea sistemelor

de comandă moderne ce pot transforma coordonatele proprii ale roboţilor în coordonate cilindrice sau carteziene, au determinat creşterea variantelor de roboţi articulaţi în a căror structură intră în exclusivitate axe de rotaţie.

a

1

c

bd2

3

e

4

f5

A

B

CD

E g

Fig. 13. Schema cinematică a unui robot articulat

În figura 13 este prezentată schema cinematică a unui robot articulat. Cele cinci axe

ale robotului sunt: - rotaţia de bază a elementului A în cupla a; în unele variante cupla a preia doar

eforturi într-un singur sens, deci robotul nu poate fi montat în altă poziţie decât cea pe pardoseală;


- rotaţia elementului B în cupla d, folosind cupla b ca element intermediar. Mişcarea de translaţie se realizează cu ajutorul unei cuple elicoidale cu elemente intermediare de rostogolire;

- rotaţia elementului C în cupla e; - rotaţia elementului D în cupla f; - rotaţia elementului E în cupla g.

6.3. Elementele componente ale unei celule robotizate pentru sudare

Fiecare axă a unui robot industrial poate fi considerată ca un element distinct, independent, fapt ce a condus la elaborarea unor module specializate de translaţie şi rotaţie, capabile de a fi programate. Acesta permite utilizatorului să-şi construiască schema cinematică cea mai adecvată aplicaţiei. Pentru a-şi putea îndeplini funcţiile sale, robotii industriali trebuie să aibă în componenţa lor elementele prezentate în figura 6.2. Noii roboţi industriali sunt capabili să realizeze funcţiile principale specifice acestora: de lucru, de comandă şi programare precum şî funcţiile de măsurare şi recunoaştere.

BLOCCINEMATIC

BLOCACTIONARE

PROGRAM

BLOCTEHNOLOGIC

BLOCCOMANDA

BLOC REACTIEINTERNA

INSTALATIIAUXILIARE

PROCESTEHNOLOGIC

BLOC REACTIEEXTERNA

Fig. 6.2. Schema bloc a unui robot industrial

Funcţiile de lucru sunt reprezentate de deplasările robotului în vederea orientării

obiectului manipulat , apucarea şi eliberarea acestuia precum şi de deplasările sistemului robotizat în afara zonei de lucru. Aceste funţii sunt realizate de către sistemul mecanic al blocului de acţionare.

Deplasarea obiectului manipulat înseamnă modificarea celor trei coordonate ale punctului caracteristic. Pentru a realiza acest lucru sunt necesare 3 grade de libertate, orie grad suplimentar adăugat la mecanismul cinematic al robotului manipulator conduce la posibilitatea ocolirii obstacolelor din zona de lucru.

Pentru a realiza mişcările necesare, în construcţia mecanismelor roboţilor industriali intră cuple cinematice de clasa a 5-a (de rotaţie şi translaţie). Modificarea poziţiei relative unghiulare sau liniare a elementelor ce compun aceste cuple se realizează prin elemente de acţionare electromecanice, hidraulice sau pneumatice.

Comanda mişcărilor unui robot se poate realiza pe cale manuală sau automată cu ajutorul unui panou de comandă fie cu ajutorul blocurilor de comandă automate. Pentru a sincroniza fazele ciclului de lucru ale robotului cu cele ale procesului tehnologic blocul de

Roboţi industriali pentru sudare 234 comandă trebuie să emită semnale de comandă şi pentru restul utilajelor implicate în procesul tehnologic.

Funcţia de măsurare şi recunoaştere a roboţilor industriali se realizează cu senzori de diferite tipuri capabili să determine starea robotului în spaţiul de lucru. Aceşti senzori pot determina poziţia sau viteza obiectului manipulat, forţa sau momentul de torsiune, măsoară temperatura şi pot determina poziţia obiectului înainte de prindere. Aceste informaţii sunt conduse şi procesate în compartimentului blocului de comandă.

6.3.1. Blocul cinematic Este reprezentat de manipulatorul propriu-zis, sistemul (scheletul) mecanic al

robotului. Acest sistem, compus din mecanisme, are funcţia scheletului uman, definind natura şi amplitudinea mişcărilor realizate de un subsistem al său, adică efectorul final, care are funcţii corespunzătoare mâinii umane. Un alt subsistem al sistemului mecanic este platforma mobilă, care se regăseşte numai în structura roboţilor mobili şi are funcţia aparatului locomotor uman.

Funcţia de mişcare a unui sistem cinematic poate fi compusă din: - prinderea, păstrarea pe durata unei perioade de timp şi eliberarea obiectului

manipulat; - orientarea diferită în spaţiu a obiectului manipulat; - deplasarea pe cele trei coordonate a obiectului manipulat. Deplasarea obiectului manipulat se face cu ajutorul subansamblului cinematic

principal al manipulatorului. Traiectoria în spaţiu descrisă de mişcarea punctului caracteristic al obiectului manipulat rezultă prin combinarea mişcărilor de translaţie, de rotaţie sau prin mişcări de roto-translaţie.

Poziţia punctului caracteristic este determinată de cele trei coordonate care-l definesc în spaţiu, traiectoria rezultată a obiectului manipulat rezultând prin combinarea a trei grade de mişcare. În cazul în care numărul gradelor de mişcare este mai mare manipulatorul are o manevrabilitate mai mare, având capabilitatea să ocolească anumite obstacole şi să realizeze operaţii mult mai complexe.

Fiecărei mişcări a manipulatorului îi este asimilată o cuplă cinematică de translaţie sau rotaţie. Pentru realizarea deplasării părţii mobile în raport cu un element fix este necesar un element de acţionare care poate fi asimilat în construcţia cuplei respective. Asamblarea modulelor constructive ale unui sistem robotizat depinde de forma şi volumul spaţiului de lucru destinat realizării procesului tehnologic.

6.3.2. Blocul de acţionare Blocul de acţionare al robotului impune mişcarea relativă a elementelor mecanismelor

sistemului mecanic, având funcţia sistemului muscular al omului. Sistemul de acţionare are ca şi componente câte un element de acţionare pentru fiecare cuplă cinematică conducătoare a mecanismelor sistemului mecanic.

În funcţie de tipul elementelor de acţionare sistemele pot fi: - Pneumatice – sarcini mici cu precizie mică; - Hidraulice – destinate sarcinilor foarte mari; - Electrice – în ultimul timp s-au perfecţionat mult servoacţionările electrice şi

acest tip de roboţi s-au dezvoltat foarte mult. O dezvoltare continuă realizată pe baza cumulării avantajelor acestor tipuri de

acţionări o au sistemele de acţionare hibridă


O problemă constructivă a acţionării o constituie dispunerea motoarelor în raport cu braţul robotului.

Există două posibilităţi externe: - sistem de acţionare centralizat; - sistem de acţionare descentralizat. Alegerea modului de acţionare depinde în mare măsură de natura formei energetice de

alimentare disponibilă în cadrul sistemului tehnologic de fabricaţie în care este integrat, de natura operaţiilor care trebuie să fie executate, de precizia impusă precum şi de spaţiu de lucru disponibil.

Sistemele de acţionare ale roboţilor industriali trebuie să dezvolte cupluri mari la gabarite minime, sa aibă momente de inerţie reduse în scopul îmbunătăţirii comportării dinamice, să fie compatibile cu sistemele de comandă a sistemelor tehnologice în care sunt integrate.

6.3.2.1. Acţionarea electrică a roboţilor industriali Acţionarea electrică a sistemelor robotizate tinde să devină cea mai răspândită

formă de acţionare datorită avantajelor oferite: - disponibilitatea energiei electrice în totalitatea mediilor în care acţionează; - gabaritul redus şi fiabilitatea ridicată a acestor tipuri de sisteme; - reglarea simplă a parametrilor de ieşire; - compatibilitatea cu sistemele de comandă precum şi cu sistemele de reacţie

internă sau externă a sistemului tehnologic; - preţ de cost redus. Principalul dezavantaj al acţionărilor electrice constă în utilizarea unor mecanisme

suplimentare necesare obţinerii valorilor parametrilor necesari procesului tehnologic. 6.3.2.2. Acţionarea hidraulică a roboţilor industriali Avantajele acestui sistem de acţionare constau în: - puterile mari de acţionare dezvoltate la greutăţi de gabarit reduse a

componentelor sistemului; - timp de răspuns redus; - posibilităţi mari de reglare a parametrilor de acţionare rezultaţi la ieşirea

sistemului; Dezavantajele acţionării hidraulice: - componentele hidraulice şi de comandă sunt complexe din punct de vedere

constructiv; - etanşarea pretenţioasă a sistemelor de acţionare. Acţionarea pneumatică şi pneumohidraulică a roboţilor industriali Avantaje: - elemente componente simple din punct de vedere constructiv cu preţuri de cost

relativ scăzute; - dezvoltă viteze de deplasare mari; - universalitatea componentelor.


Dezavantaje: - şocuri la capăt de cursă; - dificultatea poziţionării precise; - randamente reduse. 6.3.3. Blocul de comandă Sistemul de comandă propriu-zis al robotului prelucrează informaţiile despre: starea mediului, starea externă a robotului, caracterizată prin parametrii

mediului (temperatură, presiune, compoziţie, etc.) şi acţiunea acestuia asupra robotului (forţe, cupluri, etc.).

starea internă a robotului, caracterizată prin deplasări, viteze, acceleraţii relative, debite, presiuni, temperaturi etc.,

În urma prelucrării acestor informaţii emite, în conformitate propriul său program, corespunzător funcţiei pe care o are, comenzi către sistemul de acţionare. Ca urmare, sistemul de comandă propriu-zis are funcţia creierului uman.

În urma dezvoltării microprocesoarelor a fost creată posibilitatea practică de realizare a unor sisteme de comandă pentru celulele robotizate flexibile, fiabile şi cu un cost de producţie acceptabil.

În funcţie de modul de programare se deosebesc mai multe clase de roboţi: - cu program fix – nu ţin cont de condiţiile externe de lucru sau de eventualii

factori perturbatori care intervin în timpul procesului tehnologic; - adaptivi – au capabilitatea de adaptare în condiţii variabile de lucru sau în

prezenţa unor factori perturbatori; - inteligenţi – folosesc inteligenţa artificială pentru realizarea procesului

tehnologic. 6.3.4. Blocul tehnologic al robotului Este reprezentat de ansamblul elementelor tehnologice cu care el participă la procesul

tehnologic. Astfel, RI se clasifică în: - roboti logistici ce realizează numai mişcări de manipulare a pieselor în sistemul

tehnologic; - roboti tehnologici ce realizează o serie de operaţii tehnologice îndeplinind funcţii

active (de manipulare a “sculei”) sau pasivi (de manipulare a pieselor). RI activi şi pasivi conţin practic aceleaşi elemente.

Sistemele de manipulare a pieselor pot fi: - de apucare (prehensiune) cu elemente mobile sau cu elemente elastice; - de susţinere (cu vacuum sau magnetice)

Fig. 6.23. Sisteme universale de prindere


La prelucrare blocul tehnologic al RI va fi alcătuit din elemente distincte: control cu palpatoare de măsurare, calibre, instrumente de măsură; asamblare cu cleşte de nituit, pistolet de înşurubare etc.; aşchiere cu scule de mână, piatra de polizor etc. După gradul de specializare a blocurilor tehnologice acestea pot fi: - universale; - multifunctionale; - specializate; - speciale După numărul posibilităţilor de lucru: - unipoziţionale; - multipoziţionale (paralele, succesive sau mixte); După natura dispozitivului montat pe robot: - fixă; - cu elemente schimbabile; - cu schimbare totală a blocului tehnologic. După modul de comandă: - necomandat - comandat (rigid sau adaptiv) După funcţia pe care o îndeplineşte: - manipulare, apucare cu elemente elastice sau rigide; - prelucrare: sudare, taiere, aşchiere, asamblare, control.

6.4. Criterii de apreciere a roboţilor industriali

Aprecierea eficacităţii roboţilor industriali poate fi făcută după următoarele criterii: - aprecierea robotului din punct de vedere al eficientei sale de intervenţie în

mediul industrial este dată de relaţia:

NrobotuluiaserviciudeGreutatea

mlucrudespatiuluiVolumulk

3

1

- aprecierea din punct de vedere al capacităţii specifice de manipulare:

NrobotuluiaserviciudeGreutatea

NmanipulatobiectuluiGreutateak2

- aprecierea din punct de vedere al calităţilor tehnice ale robotului.

manipularedePreciziaxNrobotuluiaserviciudeGreutatea

NmanipulatobiectuluiGreutateaxmlucrudespatiului Volumulk

3

3

Aprecierea posibilităţilor de robotizare se bazează pe studierea a opt coeficienţi.

Valorile acestor coeficienţi se determină pe baza următoarelor formule: 1. Productivitatea


5

53

11100

1010.1

N

NptK

auxb

auxb

tt

tttimpiK

0

112

2. Masa şi gabarit

robotuluiallucrudespatiuluiapartinnuzyxlecoordonatecand

robotuluiallucrudespatiuluiapartinzyxlecoordonatecandK

,,0

,,121

robotuluiamanipularedemasapieseimasacand

robotuluiamanipularedemasapieseimasacandK

.max0

.max122

3. Complexitatea sudurii Apreciata prin capacitatea de lucru a robotului

0

031 0

..1

mm

memorizaredeacapacitatelucrudeiprogramulunecesmemoriedevolmmK

4. Complexitatea sudurii

0

141

masuratessiKK

0

2;21min

max

min

max

42 s

s

K

Kraportul

K


5. Tipul îmbinării

rimbinariloatotalalungimea

tipderimbinarilolungimilorsuma

l

lK

1151

6. Lungimea îmbinării


orizontalapozitiainsudeazasecercordoanelolungimea

l

lK p

61

7. Accesibilitatea

)(71 suduradercordoanelorimbinariloatotalalungimea

uipistoletulorientariiamidificarefaraaccesibilercordoanelolungimea

l

lK a


uipistoletulorientariiamidificarecurealizseceaccesibilercordoanelolungimea

l

lK b .

72


dispozitivinpieseipozitieischimbareanecesitacercordoanelolungimea

l

lK c

73

8. Precizia

robotuluiabatereaindataestenuprecizia

robotuluiabatereaindataestepreciziaK

0

181

Se poate calcula un coeficient total pe baza indicatorilor de mai sus:

)2,11()2,11( 7372654535284321 KKKKKKKKKKKKT

i

iKK 11 ; i

jKK 12 ... k

kKK 17 )1,0( TK

Pe baza rezultatelor obţinute la calcularea acestor indicatori se poate lua decizia de modificare a soluţiei de robotizare.

În figurile următoare sunt prezentate câteva soluţii tehnologice de amenajare a unor celule de fabricaţie şi linii tehnologice robotizate.

curs 12

Documents