Sisteme de actionare pentru conducerea robotilor industrialiiota.ee.tuiasi.ro/~mpobor/doc/Cursuri/RICurs3.pdf · electrice) genereaza putere mecanica la viteze mari si cupluri reduse,

MANIPULATOARE SI ROBOTI INDUSTRIALI 1

Sisteme de actionare pentru

conducerea robotilor industriali

Forma finala a modelului dinamic:

)q(G)q,q(Vq)q(M ••••

M - matricea maselor elementelor robotului

V – vectorul termenilor centrifugali si Coriolis

G – matricea termenilor gravitatiei

q - vectorul variabilelor articulatie

τ – vectorul cuplurilor articulatie

Exemplu – robot PUMA


Actionare in

articulatia 1



Actionare in

articulatia 2



Actionare in

articulatia 3



Actionare in

articulatia

apucatorului


Sisteme de actionare pentru

conducerea robotilor industriali

τ – vectorul cuplurilor articulatie

➢ cupluri / forte furnizate de sistemele de actionare in

articulatii

P P

’

FortaCuplu

7

Sisteme de actionare

➢ cuprind sursele de alimentare ale robotului si sistemele de

control.

➢ Sistem de actionare: motoare + control care furnizeaza

energia pentru miscarea robotului.

Motor cu actionare

liniara, hidraulic

Actionare

pneumatica


Structura sistemelor de actionare

SURSA PRIMARA DE

ENERGIE

CONVERSIE

SISTEM DE

TRANSMISIE

ROBOT

SISTEM DE

CONTROL

Energie primara

Energie mecanica


Surse primare de energie• hidraulica – procentual, in cele mai

multe sisteme de actionare a RI datorita

unor caracterisitici deosebite legate de

raportul forta/greutate.

• electrica – performante deosebite in

control

• pneumatica – pondere redusa ;

indeosebi in sisteme de comanda ale

dispozitivelor auxiliare sau pentru RI la

care nu se cere o precizie deosebita de

pozitionare (exp. roboti de vopsire)


Sursa de energie electrica

Transfor-

mator

CA

Convertor

CA

in

CC

Diferite

tensiuni

in

CC

Tensiuni

in CA

Motoare de

mare

putere

- utilizare – roboti de talie mica (sarcini manipulate 0-5daN) si medie

(sarcini 5-160 daN).


Sisteme de actionare cu

motoare de CCAVANTAJE:

-cupluri cvasiindependente de pozitia si viteza rotorului

- cuplurile depind numai de curentii in indus si inductor.

Daca se inlocuieste inductorul prin magneti permanenti,

cuplul este aproximativ proportional cu curentul indus, iar

viteza de rotatie nu depinde decat de tensiunea de

alimentare.


Sisteme de actionare

cu motoare de CCDEZAVANTAJE:

- constante de timp mari

- capacitate mica de suprasarcina

- fiabilitate redusa datorita

comutatiei mecanice

- caracteristici neliniare

13

Motor CC – principiu

functionare


Tipuri de motoare de CC

utilizate in robotica

- motor de CC cu rotor disc

- motor de CC cu rotor pahar

Elimina dezavantajul

constantelor de timp

mari

- motor de CC fara perii, cu

indusul pe stator si comutatie

electronica

Cresterea fiabilitatii prin

eliminarea comutatiei

mecanice


Motor CC cu

rotor disc


Motor CC cu

rotor pahar


Motor CC cu comutatie

inversata - exemplu

infasurari

Rotor cu magneti

permanenti

Stator


Motor de CC fara perii

unipolar, cu trei spire


Controlul reversarii sensului

de rotatie


Accesorii utilizate in cadrul

servomecanismelor de pozitionare

cu motor de CC pentru MRI- tahogenerator

- traductor de pozitie

- reductor de viteza

- sistem de blocare a rotorului in

stare de repaus

Frine cu arc, frine la intreruperea alimentarii …

http://www.ogura-clutch.com/products/industrial/


Schema bloc de actionare a

motorului de CC

Elaborare

semnal

comanda

Amplificator

de putere Mcomanda

Reactie de viteza

Reactie dupa pozitie

Reactie de curentTaho-

generatorTraductor

de pozitie

24

Exemple: traductoare

pozitie


Exemplu servomotor si

traductoare de pozitie

Servomotor GWS S03N 2BB

• Dimensiuni :

39.5x20.0x39.6mm

• Greutate: 41g

• Cuplu (@4.8V) 2.4kg*cm


Alimentarea motoarelor de CC

cu impulsuri modulate in durata

Un ciclu Un ciclu

Un ciclu

30%

50%


Alimentarea motoarelor de CC

cu impulsuri modulate in durata

- avantaj – posibilitatea comenzii regimurilor de

lucru cu ajutorul calculatorului => prescrierea unei

viteze maxime de deplasare intre doua puncte ale

traiectoriei.

- profilurile de viteza si acceleratie sunt memorate in

calculator

- algoritmul de conducere va calcula viteza maxima

de deplasare si continuu, distanta pana la pozitia de

la care se incepe franarea.


Expresia matematica a transferului energetic in

articulatii dotate cu motor de CC cu magneti

permanenti

+

-U(t)

Ub(t)+

-

L R ia(t) τm θm τs

Φ


Expresia matematica a transferului

energetic intr-o articulatie dotata cu

motor de CC cu magneti permanenti

U(t) – tensiune de alimentare

L – inductanta;

R- rezistenta

Ub – tensiune autoindusa

ia – curent in infasurare

Φ – flux magnetic datorat

statorului

θm – pozitia rotorului

(radiani)

τm – cuplu motor

τs – cuplul sarcinii


Expresia matematica a transferului

energetic intr-o articulatie dotata cu

motor de CC cu magneti permanenti

ba

a UURidt

diL

ama1m ikik

dt

dkkkU m

bmbm2b

Km – constanta de

cuplu [Nm/A]

Kb – constanta


Momentele de inertie

JmotorJreductor

Jsarcina

M

τm

θm= r θs

θs

τs

Jtot=Jm + Jr

smm

m2

m

2

tot rdt

dB

dt

dJ

dt

dB m

m

-cuplul frecarilor

vascoase


Functiile de transfer

Transferul direct U(s) --> θm(s) (τs =0)

mbmtot

mm

kkBsJRsLs

k

)s(U

)s(

Transferul τs (s) --> θm(s) (U = 0); τs – sunt cupluri articulatie

mbmtots

m

kkBsJRsLs

RsLr

)s(

)s(

33

Sisteme electromecanice cu reductoare

• Cele mai multe dintre motoare (cu injectie,

electrice) genereaza putere mecanica la viteze

mari si cupluri reduse, ceea ce nu este

intotdeauna util.

• Sistemele electromecanice cu reductoare

indeplinesc functia de a reduce viteza si de a

creste cuplul astfel incat marimile de iesire din

sistem sa se afle intr-un domeniu de valori dorit.

34


r1

r21 T1

2 T2

N1

N2

T1, T2 – cupluri (torque)

G-raport de transformare

Intr-un reductor ideal puterea se conserva si deci:

35


Prin intermediul reductorului, inertia este afectata cu

un termen reprezentand patratul raportului de

transformare. Daca J2 este inertia unei sarcini

conectata la iesirea reductorului atunci inertia

aparenta la intrarea acestuia va fi:G2J2 .

Amortizarea (damping) si rigiditatea (stiffness)

definite prin coeficientii lor D2 respectiv K2, sunt

afectate in acelasi mod prin intermediul unui reductor.

Astfel amortizarea aparenta va fi G2D2 iar rigiditatea

aparenta G2K2 .

36


In multe aplicatii legate de controlul unor sisteme

electromecanice, pentru a obtine performantele

dorite, dorim a maximiza rata transferului de putere

sursa-consumator. Aceasta poate fi echivalent cu a

maximiza acceleratia sistemului condus. Obiectivul

se realizeaza prin asa-numita potrivire a

impedantelor, si este important in momentul cand

este ceruta proiectarea unui sistem electromecanic si

alegerea raportului de transmisie.

37

Imperecherea impedantelor

Raport de transformare G

Fie doua sisteme de inertii J1, respectiv J2, conectate printr-un reductor cu raport de transformare G. Dorim a calcula raportul de transformare G care maximizeaza acceleratia sarcinii J2 pentru un cuplu τ aplicat sarcinii J1.

38

Imperecherea impedantelorEcuatiile de miscare pentru cele doua sisteme luate separat sunt:

si prin intermediul reductorului

Ecuatiile de miscare pentru sistemul al doilea devin

de unde rezulta:

39

Imperecherea impedantelor

Cautam sa maximizam acceleratia sistemului 2 relativ la raportul de transformare G:

Concluzie: se alege raportul

de transformare al reductorului ca radacina patrata din raportul inertie sistem conducator –inertie sistem condus. Procedura e denumita imperecherea impedantelor.

40

Etape dimensionare - Servo-control

• In aplicatiile tip servo-control performantele in

accelerare/decelerare sunt esentiale in obtinerea unor

performante dorite.

• Imperecherea impedantelor asigura maximizarea

acceleratiei sarcinii, sugerand ca raportul de transformare al

reductorului trebuie ales astfel incat inertia reflectata a

sarcinii (ceea ce dorim a controla) sa se potriveasca cu

inertia rotorului motorului (partea in miscare a motorului).

Astfel se maximizeaza rata de cedare/(extragere) a puterii

catre/(de la) sarcina.

41


Etapele procesului de alegere a motorului pentru aplicatiile in care performantele in accelerare sunt importante:

1. Determinarea momentului de inertie al sarcinii de condus.

2. Pentru a maximiza acceleratia, momentul de inertie al rotorului raportat la punctul de aplicatie al sarcinii trebuie sa egaleze momentul de inertie al sarcinii. In baza aceastei afirmatii se va dubla Minertie sarcina pentru a obtine Minertie efectiv, al sarcinii si rotorului, raportat la punctul de aplicatie al sarcinii.

42


3. Se face o aproximare a acceleratiei maxime, ceruta in sarcina, pe baza datelor aplicatiei.

4. Se determina cuplul maxim necesar a fi livrat la nivelul sarciniiprin multiplicarea Minertie efectiv cu acceleratia maxima.

5. Se adauga actiunea unor forte disipative (exp. Forte de frecarivascoase) pentru a determina cuplul total.

6. Se determina viteza de rotatie nominala in sarcina pe bazacunostintelor specifice aplicatiei.

7. Se calculeaza produsul viteza de rotatie nominala * cuplu (pct 5) pentru a estima puterea maxima pe care motorul trebuie sa o furnizeze.

43


8. Din cataloage se selecteaza motorul capabil a furniza puterea ceruta. Daca aceasta nu este data in catalog, se poate calcula ca produs intre cuplul static (stall torque) si viteza la mers in gol de impartit la 4.

9. Odata identificat motorul pe baza puterii dorite, se calculeaza raportul de transformare al reductorului G necesar pentru a maximiza acceleratia (imperechere impedante).

10. Cu valoarea raportului G determinata se verifica daca la viteza

nominala specificata la pct.6, motorul este capabil sa furnizeze

cuplul cerut (pct.5).

Etapele se pot parcurge de 2 –3 ori pana la obtinerea motorului care satisface din punct de vedere al performantelor cerute de aplicatie.

44

Date tipice pentru motoare - 1

From www.pittmannet.com

45

Date tipice pentru motoare -2

From www.pittmannet.com


Sisteme de

actionare cu

motoare pas cu pas

AVANTAJE:

- Nu necesita reactie pentru controlul unghiului de rotatie sau al

vitezei

- timpul de raspuns al MPP este cel mai scurt

- fiabilitate ridicata

- asociate cu amplificatoare hidraulice de cuplu, al caror distribuitor

este comandat de MPP, se pot obtine valori mari ale cuplului.

-Motorul are cuplu maxim la pornire – cand faza este alimentata


Sisteme de actionare cu

motoare pas cu pas

DEZAVANTAJE:

- Probleme de stabilitate in

regimurile accelerare-decelerare

(in special la viteze mari)

- cuplul este functie de pozitia

rotorului

- pasul nu poate fi reglat, fiind

cel realizat prin constructie. Ta - cuplul sarcinii

Th – cuplul maxim dezvoltat

de motor


Tipuri de MPPa) MPP cu magneti permanenti

N

S

A

A’

B’ B-rotorul tinde sa ocupe pozitia in care

ΦAA’ sa fie maxim

- alimentand ambele faze AA’ si BB’,

rotorul se va pozitiona la mijloc


Tipuri de MPPa) MPP cu magneti permanenti

- In general au cost redus

- Rezolutie redusa cu unghiuri

de pas in intervalul 7.50 – 150

(48-24 pasi/rotatie);

-cuplu mai bun decat MPP cu

reluctanta variabila (polii

magnetizati ai rotorului

furnizeaza o intensitate mai

mare a fluxului magnetic ->

cuplu mai bun). MPP cu rotor disc tip Portescap


Tipuri de MPPa) MPP cu magneti permanenti – comanda pe faze

Dinte stator

51

Tipuri de MPP

b) Cu reluctanta variabila

Sectiune MPP cu

reluctanta variabilaContine rotor cu dinti din otel

si stator cu infasurari.

Cind infasurarile statorului sint

alimentate in CC polii sint

magnetizati. Rotatia apare prin

atractia exercitata asupra

dintilor rotorului de catre polii

statorului.


Tipuri de MPPb) MPP cu reluctanta variabila


MPP cu reluctanta variabila

POL

DINTI

-60 pasi

-Pas unghiular 6o

54

Motoare pas cu pasb) Hibrid (HB)

SectiuneMai scump, dar ofera

performante mai bune in privinta

rezolutiei pasului, cuplu si viteza.

Unghiuri de pas tipice 3.6° la

0.9° (100 – 400 pasi /rotatie).


Tipuri de MPPc) MPP hibride


MPP – reducerea pasului

Stator 1 Stator 2 Stator 3


MPP liniare

x

Armatura pasiva

Armatura activa

Material nemagnetic

Bobine de excitatie

MPP liniare – cu o singura armatura pasiva

59

MPP liniare


MPP liniare

Material nemagnetic

Bobine de excitatie

MPP liniare – cu doua armaturi pasive

Armatura activa

Armatura pasiva

Armatura pasiva

61

MPP liniare pe doua axe

http://www.techno-isel.com/tic/Catdas/xytable2.htm


MPP liniar cu doua armaturi

pasive

AVANTAJ

- compensare reciproca a fortelor de atractie dintre armatura

activa si cele pasive.

Simplificarea dispozitivelor de sustinere


MPP liniar cu deplasare pe

doua axe

Armatura 1 Dinti din material magnetic

Armatura 2

Armaturi

active

Armatura 1 contine linii

si coloane ale zonelor

discrete interconectate

magnetic si acoperite cu

material nemagnetic

intre zonele discrete.

MPP de acest tip –

utilizat la pozitionarea

intr-un sistem de

coordonate

Modelarea

MPP


N.M. Tomy, IJATES Journal, 2015

ia, ib [A] - curenti in fazele A,

B;

ua,ub[V] - tensiuni de

alimentare in fazele A, B;

ω [rad/sec]- turatia motorului;

TL [Nm] – cuplu de sarcina;

θ [rad]- pozitia unghiulara a

rotorului.

N – numar de dinti rotorici.

Km[Nm/A] – constanta de

cuplu.

Modelarea

MPP



Exemplu parametri pentru un

MPP hybrid:

Modelarea MPP



Model

subsistem

curenti din

ecuatiile

(1) si (2).

Modelarea MPP



Model

subsistem

viteza si

pozitie din

ecuatiile

(3) si (4).

Modelare MPP hibrid


Doua intrari: semnale sinusoidale decalate la 900 -> intrari pentru un

generator PWM -> comanda pe o punte H.

Modelare punte H


Forme de unda


Curenti pe faze

Tensiuni pe faze

Forme de unda


Pozitie:

Turatie:


Schema de comanda a MPP

Logica

pentru sens

Generator

impulsuri

Numarator

reversibil

Distribuitor

impulsuri

MPP

Amplificator

de putere

Semnal

sens

Frecv.

Nr. pasi

stop

inainte

inapoi

Energie

M, φ

t

φ

12

345

6


Schema de alimentare a

fazelorImpulsuri

intrare

Faza A

Faza B

Faza C

Faza D

Aplicatie – robot cu MPP


Schema de principiu a unui

manipulator cu 4 DOF

Caracteristici MPP


• Dotare: MPP cu magnet permanent in

rotor

• Tensiune alimentare = 24 V

• Nr faze =4

• Pas unghiular = 18 grade;

• Nr pasi /1 rotatie = 20;

• Curent pe faza = 70mA;

•Rezistenta unei faze = 342 ohmi;

• Frecventa limita de pornire = 180

pasi/sec;

• Cuplu maxim de lucru = 120 gfcm

Dispozitivul de prehensiune cu

2 degete


Modul de conectare a fazelor

motorului MPP


Alimentare faze in

secventa dubla

Schema bloc de comanda si

alimentare a MPP


Schema generatorului de impulsuri si forma de unda

a tensiunii pe condensatorul C


Schema electrica a distribuitorului reversibil

de impulsuri, secventa dubla 12-23-34


sens

impulsuri

Circuit JK (Flip-flop)


Intrari IesiriDescriere

J K Q -Q

0 0 0 0Memory

no change0 0 0 1

0 1 1 0Reset Q » 0

0 1 0 1

1 0 0 1Set Q » 1

1 0 1 0

Actiune de

comutare1 1 0 1 Basculare

Schema electrica a distribuitorului reversibil

de impulsuri, secventa dubla 12-23-34


sens

impulsuri

1

0

Stare actuala: Faza A si D activate; Ce

se intimpla la urmatorul puls ?

1

0 1

0

1

1

0

1

0

Blocul comutatoarelor statice

si amplificatoarelor de iesire


Schema elementelor de comutatie


Schema electrica a numaratorului de impulsuri


Schema blocului de

alimentare


Schema generala a robotului cu 4 DOF actionat

cu MPP



Sisteme de actionare cu motoare

hidraulice

Utile in actionarea robotilor care lucreaza in medii

explozive si/sau trebuie sa manipuleze sarcini

mari.

Avantaje:

– Robustete mare;

– Raport putere/greutate mare;

– Timp de raspuns bun;

– Siguranta in functionare;

– Comportare buna in medii umede, cu praf, etc.



hidraulice

Dezavantaje:

– La scaderea temperaturii creste viscozitatea

fluidului;

– Pot exista pierderi de fluid prin neetanseitati;

– Echipamentul de comanda are constructie

complicata.



hidraulice

Actionare hidraulica

secventiala cu viteza

maxima in ambele

sensuri:

– 1 rezervor

– 2 filtre

– 3 pompa

– 4 supapa de siguranta

– 5 distribuitor cu sertare

(SD 4/3 – 4 cai si 3

pozitii)



hidraulice Actionare hidraulica

secventiala cu viteza reglabila in ambele sensuri:

– 1 rezervor

– 2 filtre

– 3 pompa

– 4 supapa de siguranta

– 5 electromagneti pentru distribuitor cu sertare (SD 4/3 –4 cai si 3 pozitii)

– 6- drosel

– 7 distribuitor SD 2/2


Sisteme de actionare electrohidraulice

(amplificare cuplu)

Actionare electrohidraulica in circuit deschis

cu comanda numerica



pneumatice

Utile in actionarea robotilor care lucreaza in medii

explozive sau la operatii care nu necesita grad

ridicat de precizie.

Avantaje:

– Ieftine, fiabile, greutate redusa, suporta suprasarcini;

– Posibilitati largi de reglaj;

– Nu au influenta poluanta asupra mediului;

– Se reduce din echipamentul de comanda.



pneumatice

Dezavantaje:

– Precizie redusa – compresibilitate agent;

– Viteza scazuta propagare semnale;

– Coroziune cilindri pneumatici;

– Randament redus.



pneumatice

Exemplu – modul

de rotatie actionat

pneumatic



pneumatice

Exemplu – schema de

actionare pneumatica

cu pozitionare

incrementala, frinare si

blocaj pneumatic


Sisteme pneumohidraulice de actionare

Exemplu – sistem pneumohidraulic de actionare cu pozitionare incrementala (K-coeficient de transformare, n- numar de incrementi, X1 -increment).

Documents

Sisteme de actionare pentru conducerea robotilor industrialiiota.ee.tuiasi.ro/~mpobor/doc/Cursuri/RICurs3.pdf · electrice) genereaza putere mecanica la viteze mari si cupluri reduse,