Roboţi industriali

         Generaţia întâia este reprezentată de roboţi cu o structură mecanică mai simplă, care le permite mai ales operaţii de manipulare „Point-To-Point - PTP” – punct cu punct, fără sisteme senzoriale externe şi, în consecinţă fără posibilităţi de adapare la condiţii variabile ale mediului în care funcţionează. Sunt superioare manipulatoarelor prin faptul că mişcările din diferitele cuple pot fi programate şi reproduse rapid şi flexibil, fără intervenţii mecanice, dar au foarte puţine valenţe, care să le permită includerea în familia sistemelor mecatronice.

        Roboţii din generaţia doua au sisteme mecanice mai performante, care le permit performanţe cinematice şi dinamice superioare, fiind capabili să execute şi operaţii de tip „Continuous Path - CP”, care presupun deplasarea efectorului final de-a lungul unor traiectorii continue, cu precizii mari. Posedă interfeţele necesare şi instrucţiunile pentru achiziţia informaţiei de la senzori externi complecşi (senzori vizuali, senzori de forţă/moment, senzori tactili etc.) şi integrarea acestei informaţii în programele de lucru, fapt care le conferă o adaptabilitate limitată la mediu. Aceşti roboţi posedă multe dintre caracteristicile sistemelor mecatronice.


OBS. Roboţii din primele două generaţii lucrează pe baza unui program memorat, ale cărui instrucţiuni detaliază fiecare mişcare şi acţiune. De exemplu, inserarea unui arbore într-un alezaj presupune un program, care detaliază toate mişcările necesare preluării arborelui, apropierii lui de alezaj, măsurării forţelor de interacţiune şi efectuării, în consecinţă, a mişcărilor de corecţie pentru o asamblare reuşită.


           Roboţii din generaţia treia îşi desfăşoară activitatea pe baza unui scop, de genul „monteză ansamblul A”. Baza lor de cunoştinţe şi motorul de raţionament (inferenţă), cu care este dotat sistemul de comandă, le permite să decidă singure succesiunea operaţiilor necesare pentru realizarea scopului impus. Sunt maşini dotate cu sisteme senzoriale complexe, cu inteligenţă artificială, încadrându-se în totalitate în caracteristicile enunţate pentru sistemele mecatronice.

Roboţi umanoizi:
a) robotul Asimo-Honda;
b) robotul SUMO-Fujitsu

http://www.youtube.com/watch?v=fRXxlRiAAPg

Robt violonist

SISTEME DE ACŢIONARE ELECTRICA IN MECATRONICA

          Pentru dezvoltarea forţelor şi momentelor şi realizarea mişcărilor în sistemele mecatronice se utilizează sisteme de acţionare de cele mai diferite tipuri şi forme de energie. Pentru cuprinderea tuturor acestor dispozitive tehnice într-o singură noţiune, se utilizează, în literatura străină, termenul de actor (de la verbul englez „to act” = a acţiona), care include toate elementele de ieşire, destinate producerii de forţe şi mişcări.

          Actorul include două componente de bază, una care furnizează energia necesară, în baza semnelelor primite de la sistemul numeric de comandă, cea de-a doua care transformă energia primită în energie mecanică, utilizată pentru dezvoltarea de forţe/momente şi/sau efectuarea mişcărilor. În cazul utilizării energiei electrice, prima componentă poate fi implementată, de la caz la caz, cu un simplu releu sau cu un bloc de tranzistoare de putere, cu logica şi circuitele de reacţie adecvate, după cum, în cazul utilizării energiei hidraulice sau pneumatice, distribuirea acesteia se poate face cu ventile simple sau cu servoventile.

                       Forme de energie şi efecte pentru realizarea unor acţiuni mecanice

               În măsura în care cele două componente sunt distincte, cea de-a doua este încadrată, în cele    mai multe cazuri în noţiunea de motor.


Vorbim despre:

-motoare electrice, rotative (motorul pas cu pas, motorul de curent continuu,motorul sincron, motorul asincron) sau liniare (motorul pas cu pas liniar, motorul asincron liniar);
-motoare fluidice (hidraulice sau pneumatice) liniare (cilindrii hidraulici/pneumatici) sau rotative (cu palete, cu pistoane axiale, cu pistoane radiale).

                      Constructia si functionarea motoarelor pas cu pas


MPP sunt de mai multe feluri: rotative sau liniare, numărul înfăşurărilor de comandă variind între unu si cinci.

Din punct de vedere al construcţiei circuitului magnetic sunt trei tipuri principale:

a. cu reluctanţă variabilă (de tip reactiv);

b. cu magnet permanent (de tip activ);

c. hibride.

MPP cu reluctanţă variabilă
    Are atât statorul cât si rotorul prevăzute cu dinţi uniform distribuiţi, pe cei ai statorului fiind montate înfăşurările de comandă.

   Rotorul este pasiv. La alimentarera unei/unor faze statorice, el se roteşte de aşa manieră, încât liniile de câmp magnetic să se închidă după un traseu de reluctanţă minimă, adică dinţii rotorici să se găsească, fie faţă în faţă cu cei statorici (fig. I şi II), fie plasaţi după bisectoarea unghiului polilor statorici (fig. III). Acest tip de motor asigură paşi unghiulari mici şi medii şi poate opera la frecvenţe de comandă mari, însă nu memorează poziţia (nu asigură cuplu electromagnetic în lipsa curentului prin fazele statorului – respectiv, nu are cuplu de menţinere).

       Figura permite deducerea unor concluzii deosebit de importante, legate de modurile de comandă a MPP.  Astfel, în poziţiile I şi II este alimentată câte o singură fază statorică, AA’, respectiv BB’. Rotorul se va deplasa în paşi întregi:
p = 360/(f·z) = 360/(3·2) = 600 unde, f reprezintă numărul de faze ale statorului (f=3 – AA’, BB’, CC’), iar z, numărul de dinţi ai rotorului (z = 2 – un nord şi un sud).
      Acest mod de comandă poartă denumirea de comandă în secvenţă simplă.
Poziţia III prezintă posibilitatea de comandă a mişcării rotorului prin alimentarea simultană a câte 2 faze: AA’+BB’; BB’+CC’; CC’+AA’. Rotorul se va poziţiona în paşi întregi, la jumătatea unghiului dintre polii statorici. Creşte momentul dezvoltat de motor.
      Acest mod de comandă se numeşte în secvenţă dublă.

   

 

       MPP hibrid este o combinaţie a primelor două tipuri,

îmbinând avantajele ambelor şi fiind varianta de MPP

utilizată în marea majoritate a aplicaţiilor.

    În cazul unui MPP hibrid, rotorul este constituit

dintr-un magnet permanent, dispus longitudinal,

 la ale cărui extremităţi sunt fixate două coroane
 dinţate din material feromagnetic (fig.a).
      Dinţii unei coroane constituie polii nord, iar dinţii
 celeilalte coroane, polii sud. Dinţii celor două coroane
sunt decalaţi spaţial, astfel încât, dacă un dinte al unei coroane se găseşte în dreptul unui dinte statoric, dintele rotoric de pe cealaltă coroană să se afle la jumătatea unghiului dintre doi dinţi statorici.



Mărimi caracteristice ale motoarelor pas cu pas

1.Unghiul de pas este unghiul cu care se deplasează rotorul la aplicarea unui impuls de comandă.






2. Frecvenţa maximă de start-stop în gol este frecvenţa maximă a impulsurilor de comandă, la care motorul poate porni, opri sau reversa fără pierderi de paşi.
3. Frecvenţa limită de pornire reprezintă frecvenţa maximă a impulsurilor de comandă, cu care MPP poate porni, fără pierderi de paşi, pentru un cuplu rezistent şi un moment de inerţie date.
4. Cuplul limită de pornire reprezintă cuplul rezistent maxim la arbore, cu care MPP poate porni, la o frecvenţă si un moment de inerţie date, fără pierderi de paşi
5. Caracteristica limită de pornire defineşte domeniul cuplu-frecvenţă de comandă limită, în care MPP poate poni fără pierderi de paşi (curba Start-Stop pentru pornire în gol – JL = 0, respectiv curba cu linie întreruptă pentru pornire în sarcină – JL ≠0).
6. Frecvenţa maximă de mers în gol este frecvenţa maximă a impulsurilor de comandă pe care o poate urmări motorul, fără pierderea sincronismului
7. Frecvenţa limită de mers reprezintă frecvenţa maximă cu care poate funcţiona un MPP, pentru un cuplu rezistent si un moment de inerţie date.
8. Cuplul limită de mers reprezintă cuplul rezistent maxim, cu care poate fi încărcat un MPP pentru un moment de inerţie dat şi o frecvenţă de comandă cunoscută.

9. Caracteristica de mers defineşte domeniul cuplu limită de mers-frecvenţă limită de mers în care MPP poate funcţiona în sincronism, fără pierderi de pasi.
10. Viteza unghiulară (w) poate fi calculată ca produs dintre unghiul de pas si frecvenţa de comandă.
11. Puterea la arbore este puterea utilă la arborele motorului, corespunzătoare punctului de funcţionare de pe caracteristica de mers, punct caracterizat de cuplul limită de mers şi de frecvenţa maximă de mers.
12. Cuplul de menţinere este egal cu cuplul rezistent maxim, care poate fi aplicat la arborele motorului cu fazele nealimentate, fără ca să provoace rotirea continuă a rotorului.


Metode de comandă a motoarelor pas cu pas

                      Comanda unui motor în buclă deschisă (sus) şi buclă închisă (schema de jos)


                 Circuite integrate pentru comanda servomotoarelor de curent continuu

    Circuite integrate pentru comanda motoarelor de c.c. cu perii                                     Schema simplificată a controllerului de curent PWM

 În cazul multor sisteme mecatronice, cum ar fi roboţii mobili, echipamentele periferice ale calculatoarelor, autovehiculele etc. se utilizează servomotoare de curent continuu cu comutaţie mecanică. Structura de bază a acestor servomotoare şi a amplificatoarelor de putere, care servesc la comanda lor, este unitară în întreaga lume.

     Controlul bidirectional presupune utilizarea unor punţi în H, care conţin patru tranzistoare de putere, şi sunt comandate cu semnale PWM, generate de un procesor numeric. Viteza motorului de curent continuu poate fi modificată prin schimbarea lăţimii impulsurilor utilizate pentru comanda tranzistoarelor de putere.

     Există un număr foarte mare de circuite integrate, cu diferite nivele de complexitate şi de la multe firme producătoare, care includ punţi de putere în H, cum ar fi: L293/L293D, LMD18200, LMD18201, LMD18245, L6227 etc
 

SISTEME DE ACŢIONARE IN MECATRONICA

Modul de comandă a uşii din faţă a unui automobil (CP = circuite de putere)

Exemple de sisteme mecatronice

Apărut în a doua jumătate a secolului al 19-lea, automobilul a revoluţionat transporturile şi a concentrat cele mai semnificative eforturi ştiinţifice şi inginereşti, pentru continua perfecţionare a performanţelor sale. Până în jurul anilor 1970-1980 componentele mecanice, multe dintre ele adevărate „bijuterii” tehnice, reprezentau o pondere covârşitoare în ansamblul unui automobil, partea electrică şi electronică rezumându-se la un număr restrâns de motoare (demaror, alternator, ştergătoare de parbriz), senzori (pentru temperatura uleiului şi antigelului, presiunea uleiului, nivelul carburantului), relee (pentru semnalizare, aprindere) şi becuri. Dezvoltarea microelectronicii, materializată în circuite integrate logice şi analogice, circuite integrate de putere, procesoare numerice (microprocesoare, microcontrollere, DSP-uri), realizarea unor sisteme de acţionare, convenţionale şi neconvenţionale, performante, a unor tipuri noi de senzori etc., au deschis perspective largi pentru rezolvarea unor cerinţe care se impuneau tot mai acut, legate de:
Siguranţa în trafic;
Economicitate;
Fiabilitate;
Confort;
Protecţia mediului.

În construcţia automobilelor moderne şi-au câştigat locul tot mai multe sisteme mecatronice (pentru managementul motorului, ABS, ESP, suspensie activă etc.), pentru ca, în final, întreg automobilul să se transforme într-unul dintre cele mai reprezentative sisteme mecatronice (prin interconectarea subsistemelor cu magistrale adecvate – de exemplu, CAN-Bus, sisteme de navigaţie, X-by Wire, telematică etc.).

Sistemele de siguranţă active servesc la prevenirea coliziunilor şi la minimizarea
efectelor acestora.
Cele mai importante sunt:

Sistemul electronic de frânare (Electronic Brake System), care include:
ABS (Anti-locking Brake System) –are rolul de a controla presiunea de frânare, pentru evitarea blocării roţilor. Procesează informaţiile de la senzorii care măsoară viteza roţilor şi controlează motorul pompei hidraulice şi valvele care distribuie fluidul la frâne.
Brake Assist – interpretează informaţiile de la senzorii specifici şi corectează manevrele de frânare ale conducătorului auto.

Sistemul electronic de stabilitate (ESP – Electronic Stability Program), care evaluează în permanenţă datele măsurate de un mare număr de senzori şi compară acţiunile şoferului cu comportarea vehiculului la momentul respectiv. Dacă intervine o situaţie de instabilitate, cum ar fi cea determinată de o virare bruscă, sistemul reacţionează în fracţiuni de secundă, prin intermediul electronicii motorului şi a sistemului electronic de frânare şi ajută la stabilizarea vehiculului.
Sistemul ESP include mai multe subsisteme complexe:
o ABS (Anti-locking Brake System);
o EBD (Electronic Force Brake Distribution);
o TCS (Traction Control System);
o AYC (Active Yaw Control).
Sistemul de prevenire a accidentelor, care poate include:

Controlul adaptiv al coliziunilor (Adaptive Cruise Control - ACC), bazat pe senzori radar de distanţe mari. ACC reglează automat viteza vehiculului, în funcţie situaţia maşinilor din trafic, pentru a asigura o distanţă adecvată faţă de vehiculul din faţă. Sistemul radar utilizează principiul impulsuri Doppler pentru măsurarea independentă a vitezei şi distanţei.

Distanţă redusă de frânare (Reduced Stopping Distance), bazată pe un sistem de frânare automată în eventualitatea unei coliziuni;

Avertizare de distanţă (Distance Warning);

Stop & Go, bazat pe un sistem radar în infraroşu, pentru distanţe mici, destinat asistenţei pentru traficul urban sau pentru situaţiile de pornire şi oprire;

Sprijin pentru urmărirea axului drumului (Line Keeping System), cu cameră CCD şi intervenţie activă asupra sistemului de direcţie; implică un algoritm de procesare a imaginilor şi în cazul devierii de la axul drumului, şoferul este avertizat printr-o uşoară mişcare a volanului, păstrând însă supremaţia în manevrarea acestuia;

Controlul global al şasiului (Global Chassis Control);

Reacţie „haptică” de pericol la nivelul pedalei de acceleraţie (Haptic Danger Feedback) etc.

Evoluţia sistemelor tehnice de la sisteme pur mecanice la sisteme mecatronice

span style="font-weight:bold;"> Evoluţia omenirii a fost însoţită de o dezvoltare lentă a uneltelor, dispozitivelor şi sistemelor create şi realizate de om, începând din paleolitic şi până în secolul 18, când odată cu inventarea maşinii cu abur (James Watt – 1788), care a marcat începutul revoluţiei industriale, sistemele tehnice au cunoscut o evoluţie rapidă. Maşina cu abur s-a constituit într-una dintre primele borne ale procesului de înlocuire a muncii fizice, prestate de oameni şi animale, cu lucrul mecanic efectuat de maşini. Câteva repere importante de-a lungul acestui drum: 1775 - prima maşină orizontală de găurit şi alezat ţevile de tun (englezul John Wilkinson); 1784 – ciocanul mecanic cu abur; 1795 – presa cu transmisie hidraulică; 1797 – primul strung cu cărucior şi păpuşă mobilă, acţionate de un ax elicoidal; vaporul cu aburi (începutul secolului 19); locomotiva cu aburi (mijlocul secolului 19).


Electrotehnica a permis şi saltul la realizarea unor sisteme mecanice cu control automat, bazate pe relee electrice, regulatoare PI, amplificatoare electrice, având ca exponenţi avioanele, maşinile-unelte, turbinele cu aburi, automobilele.

La începutul anilor 1960 sunt realizaţi şi primii roboţi industriali. Fabricarea şi utilizarea roboţilor a fost facilitată de rezolvarea anterioară a unor probleme tehnice, indispensabile pentru funcţionarea roboţilor:

Problema manipulării pieselor la distanţă, cu ajutorul mecanismelor articulate,denumite telemanipulatoare. Dezvoltarea telemanipulatoarelor a fost impusă de necesitatea manipulării materialelor radioactive, extrem de nocive pentru organismele vii, în procesul utilizării energiei nucleare.
Electrotehnica a permis şi saltul la realizarea unor sisteme mecanice cu control automat, bazate pe relee electrice, regulatoare PI, amplificatoare electrice, având ca exponenţi avioanele, maşinile-unelte, turbinele cu aburi, automobilele.

La începutul anilor 1960 sunt realizaţi şi primii roboţi industriali. Fabricarea şi utilizarea roboţilor a fost facilitată de rezolvarea anterioară a unor probleme tehnice, indispensabile pentru funcţionarea roboţilor:

Problema manipulării pieselor la distanţă, cu ajutorul mecanismelor articulate,denumite telemanipulatoare. Dezvoltarea telemanipulatoarelor a fost impusă de necesitatea manipulării materialelor radioactive, extrem de nocive pentru organismele vii, în procesul utilizării energiei nucleare.

Conceptul de sistem mecatronic

Acionari electrice in mecatronica

Noţiuni introductive

Termenul “mecatronică” (MECAnică + elecTRONICĂ) a fost conceput în 1969 de un inginer al firmei japoneze Yaskawa Electric şi protejat până în 1982 ca marcă a acestei firme. Se referea iniţial la complectarea structurilor mecanice din construcţia aparatelor cu componente electronice. În prezent termenul defineşte o ştiinţă inginerească interdisciplinară, care, bazându-se pe îmbinarea armonioasă a elementelor din construcţia de maşini, electrotehnică şi informatică, îşi propune să îmbunătăţească performanţele şi funcţionalitatea sistemelor tehnice.
Studiul mecatronicii şi proiectarea şi realizarea sistemelor mecatronice trebuie clădite pe cei trei piloni principali: mecanica, electronica, tehnica de calcul, fiecare cu subsistemele şi subdomeniile lui principale, iar intersecţia acestora conduce la sisteme şi produse cu caracteristici remarcabile, superioare unei simple reuniuni a componentelor de diferite tipuri. Acest lucru impune înzestrarea specialistului în mecatronică cu cunoştinţe temeinice din domeniul mecanicii, electronicii şi tehnicii de calcul, dar şi al sistemelor mecatronice, de cele mai diferite tipuri, şi al principiilor şi etapelor de proiectare şi realizare a acestora.
Diagrame pentru ilustrarea noţiunii de mecatronică:
a) Conceptul UniversităţiiStanford;
b) Conceptul Universităţii Missouri-Rolla;
c) Conceptul Universităţii Purdue