CAP8 aplicatiile robotilor industriali

Aplicaţiile roboţilor industriali

212 CAPITOLUL 8

APLICAŢIILE ROBOŢILOR INDUSTRIALI 8.1. Probleme generale Roboţii industriali şi-au găsit locul într-o gamă largă de procese tehnologice, în care înlocuiesc operatorul uman în executarea unor operaţii auxiliare sau de bază. Cele mai importante aplicaţii se regăsesc în următoarele domenii: - În procese de prelucrare mecanică prin aşchiere, pentru alimentarea automată cu piese, scule sau dispozitive a maşinilor-unelte sau pentru executarea unor operaţii de găurire sau rectificare; - În procese tehnologice de asamblare automată, în care robotul manipulează piesele de asamblat sau scule utilizate în acest scop; - În procese tehnologice de forjare-presare, pentru deservirea cuptoarelor de încălzire sau a preselor şi ştanţelor; - În procese tehnologice de sudare prin puncte sau sudare continuă cu arc, în care robotul manipulează capul de sudură prin puncte sau electrodul de material la sudarea cu arc; - În procese tehnologice de turnare, pentru manipularea ramelor de formare, pentru dezbaterea formelor, pentru montarea miezurilor, pentru curăţirea pieselor turnate sau pentru alimentarea automată a maşinilor de turnare sub presiune; - În procese tehnologice de acoperiri superficiale, în care manipulează pistoale de vopsit sau piesele ce sunt scufundate în băi de acoperire, de decapare etc.; - În procese tehnologice de tratament termic, în care manipulează piesele la încălzirea în cuptoare sau la scufundarea în băi de tratament; - În realizarea operaţiilor de control automat al dimensiunilor şi formei pieselor; - La încărcarea-descărcarea conveioarelor şi în operaţii de stivuire, transport sau înmagazinare. Avînd în vedere condiţiile de lucru din mediul în care se desfăşoară tehnologia asistată de robotul industrial, acestea pot fi: - medii cu praf sau cu temperaturi înalte; - spaţii înguste, greu accesibile; - medii toxice sau radioactive; - medii cu atmosferă umedă; - medii cu atmosferă rău mirositoare; - medii cu pericol de explozie; - medii cu caracteristici normale. Aplicaţiile roboţilor industriali în procese tehnologice se pot realiza în două situaţii distincte: 1. Într-un proces tehnologic existent, neautomatizat, care funcţionează după un mod de organizare oarecare; 2. Într-un proces tehnologic nou, care urmează să fie conceput şi realizat în variantă robotizată. În primul caz, trebuie rezolvate o serie de probleme cu consecinţe nefavorabile, cum ar fi: - oprirea procesului tehnologic în vederea reorganizării şi reamplasării utilajelor, ceea ce determină pierderi de producţie şi cheltuieli suplimentare; - necesitatea unor modificări în sistemul de comandă al utilajelor pentru a fi compatibile cu sistemul de comandă al robotului adoptat; - necesitatea unor elemente suplimentare de periferie a robotului (depozite, mecanisme de orientare, mecanisme de separare etc.); - eliminarea operatorului uman din proces, ceea ce poate crea probleme sociale delicate.

Robotică industrială

213

Faţă de aceste inconveniente, cea de a doua situaţie este mai favorabilă, putându-se realiza cu costuri mai mici, este mai comodă, nu determină probleme sociale, toate soluţiile fiind gândite din faza de concepţie pentru varianta robotizată. În orice caz, la realizarea aplicaţiilor trebuie asigurată condiţia ca robotul industrial să nu apară ca un corp străin în proces, iar caracteristicile sale să corespundă pe deplin caracteristicilor procesului tehnologic, astfel încît să nu fie influenţate, prin reacţie, obiectul produs, mijloacele de producţie sau tehnologia. 8.2. Condiţii de realizare a aplicaţiilor cu roboţi industriali Realizarea aplicaţiilor industriale ale roboţilor presupune o analiză atentă a variabilităţii mediului sau procesului tehnologic, pentru a stabili astfel gradul de flexibilitate ce trebuie să-l asigure robotul din punct de vedere mecanic, al sistemului de comandă şi programare, precum şi gradul de flexibilitate al elementelor periferice şi de interfaţă. Se poate defini mediul periferic al robotului ca fiind totalitatea subsistemelor fizice şi informaţionale cu care acesta intră în interacţiune pe toată durata îndeplinirii sarcinii sale în procesul tehnologic pe care îl asistă. Acest mediu se prezintă ca un mediu dinamic, în care diferitele componente ale sale îşi schimbă poziţia, dimensiunile şi caracteristicile, iar aceste schimbări pot avea loc cu frecvenţă constantă sau variabilă. Ca urmare, în proiectarea aplicaţiilor cu roboţi industriali, trebuie să avem în vedere următoarele tipuri de variabilităţi: 1. Variabilitatea poziţională; 2. Variabilitatea de formă, dimensională şi de masă; 3. Variabilitatea de timp; 4. Variabilitatea operaţională; 5. Variabilitatea generală de mediu. Variabilitatea poziţională se poate referi la piesă, la dispozitivul de centrare-fixare a piesei sau la maşină, care îşi pot schimba poziţia în spaţiu sau orientarea. Variablitatea de formă, dimensiuni şi masă se referă la piesă. Variabilitatea de timp se poate referi la durata ciclului de prelucrare a piesei, la durata ciclului de manipulare sau la maşină (frecvenţa şi durata întreruperilor). Variabilitatea operaţională se referă la operaţiile de prelucrare a pieselor ca urmare a modificării sarcinilor de lucru. Variabilitatea generală de mediu se referă la variaţia diferiţilor parametri ai acestuia (temperatură, umiditate, praf, radioactivitate etc.). 8.2.1. Variabilitatea pieselor prelucrate şi manipulate Având în vedere orientarea piesei, putem avea trei tipuri de orientări: - orientare oarecare (liberă); - orientare determinată de proces; - orientare forţată, obţinută prin intermediul unor sisteme de orientare corespunzătoare. Poziţia piesei trebuie determinată în raport cu sistemul de coordonate în care lucrează robotul, starea piesei în spaţiul de lucru al robotului putând fi de repaus sau de mişcare. La ieşirea de pe un post de lucru din sistemul robotizat, piesa este orientată de dispozitivul de centrare şi fixare (orientare de proces). Ea poate fi preluată de robot în această stare, dar în cazul în care de pe maşină cade într-un buncăr, atunci îşi pierde orientarea (orientare liberă). Pentru a aduce o piesă în poziţia necesară (orientarea forţată), trebuie să fie realizate activităţi suplimentare, cum ar fi: - separarea bucată cu bucată a pieselor; - determinarea orientării piesei şi compararea poziţiei obţinute cu poziţia prescrisă.

Aplicaţiile roboţilor industriali

214

Aceste activităţi pot fi realizate în două moduri: - utilizând dispozitive specializate care echipează sistemul robotizat; - utilizând roboţi industriali din generaţia a II-a (roboţi automaţi adaptivi), care sunt dotaţi cu senzori de vedere sau senzori tactili şi sisteme de prelucrare a informaţiilor furnizate de aceştia şi de comandă corespunzătoare. Adoptarea uneia sau alteia dintre cele două soluţii trebuie să urmeze unei analize detaliate a situaţiei reale din proces şi determinării costurilor aferente. Astfel, prima soluţie va necesita un robot cu sistem mecanic mai puţin flexibil, iar comanda ciclului de lucru al acestuia este, de asemenea, mai simplu. Pe de altă parte, problema realizării unor dispozitive specializate de orientare se complică cu cât piesele manipulate vor diferi mai mult ca formă şi dimensiuni. În acest caz, este necesar să realizăm un studiu al asemănării pieselor şi gruparea acestora după criterii care să permită simplificarea construcţiei dispozitivului de orientare, acesta trebuind să prezinte posibilităţi de reglare (să fie flexibil). De asemenea, putem realiza mai multe dispozitive de orientare care să fie schimbabile la trecerea de la o piesă la alta. Trebuie subliniat faptul că se recomandă păstrarea orientării de proces chiar şi în cazul utilizării roboţilor din generaţia a II-a sau a III-a, aceasta în scopul scurtării ciclului de manipulare a piesei şi al utilizării mai raţionale a performanţelor robotului. Variabilitatea de formă, dimensională, de masă sau de rigiditate a piesei se manifestă în cazurile când roboţii se utilizează în sisteme flexibile de fabricaţie, în care se execută, se controlează sau se asamblează piese aparţinând unei familii, cu asemănări mai mari sau mai mici. Acest gen de variabilitate determină: - concepţia generală a dispozitivului de apucare (de prehensiune); - flexibilitatea geometrică necesară a dispozitivului de apucare şi a sistemului de poziţionare-orientare; - sarcina maximă de manipulat de către robot; - forţa de strângere a obiectului manipulat; - cerinţe pentru optimizarea comenzilor. Rezolvarea problemelor de mai sus este uşurată prin clasificarea pieselor orientată spre cerinţele manipulării acestora cu ajutorul roboţilor, clasificare din care rezultă moduri posibile de apucare, deplasare şi poziţionare a piesei cu precizia impusă. 8.2.2. Variabilitatea dispozitivului sau maşinii Acest gen de variabilitate se referă, de asemenea, la poziţia acestora. Astfel, poziţia dispozitivului de centrare-fixare a piesei poate fi analizată din punct de vedere al cerinţelor procesului de lucru şi al modului cum este organizat acesta. La procesele de prelucrare mecanică, de presare, de forjare, poziţia dispozitivelor şi maşinilor este fixă sau se poate schimba, dar poziţiile sunt, totuşi, bine determinate. În cazul când, însă, robotul execută operaţii tehnologice care presupun să manipuleze o maşină sau o sculă (polizare, găurire, sudare, acoperiri superficiale metalice sau prin vopsire etc.), poziţia este variabilă. În aceste situaţii, variabilitatea se defineşte în raport cu piesa şi asfel trebuie determinate funcţiile robotului. 8.2.3. Variabilitatea duratelor de timp şi operaţională Se pot distinge variabilitatea duratelor de prelucrare şi variabilitatea duratelor de manipulare. Durata de prelucrare se consideră intervalul de timp scurs între momentul introducerii piesei în dispozitivul de centrare-fixare şi momentul eliberării şi preluării ei de către manipulator. Durata de manipulare reprezintă suma timpilor necesari pentru apucarea obiectului, deplasarea în spaţiu după traiectoria impusă, orientarea şi eliberarea obiectului manipulat.

Robotică industrială

215

Variabilitatea duratelor de prelucrare se poate stabili în momentul elaborării procesului de lucru şi al determinării parametrilor acestuia. Variabilitatea duratelor de manipulare este determinată de lungimea traiectoriilor, de viteza de deplasare, de modelul de mişcare, de sarcină şi de precizia dorită. Această variabilitate este impusă şi de variabilitatea duratelor tehnologice, fiind necesare intercondiţionări între perioadele de proces şi de manipulare. Din acest motiv, organizarea proceselor de fabricaţie asistate de roboţi trebuie făcută în condiţia realizării ciclului total de durată maximă, aceasta prin organizarea în aşa fel a secvenţelor încât să se respecte principiile fundamentale ale economiei de mişcare şi de timp. Variabilitatea operaţională este dată de modificarea sarcinilor de prelucrare, ceea ce determină de fapt variabilităţile de mai sus. Aceasta conduce la necesitatea modificării programului de comenzi al sistemului flexibil robotizat. Variabilitatea sarcinilor de prelucrare impune necesitatea introducerii funcţiei de recunoaştere a piesei ce trebuie manipulată la un moment dat, ceea ce se poate realiza pe mai multe căi: - după forma piesei; - cu un purtător de cod al piesei, ataşat direct pe piesă sau pe dispozitivele însoţitoare (palete, mandrine, casete etc.). 8.3. Funcţii de manipulare posibile în sistemele de fabricaţie robotizate În realizarea unui sistem de fabricaţie robotizat, integrarea funcţiei de manipulare automată este esenţială, putând apare situaţia ca în sistemul respectiv să fie integrate mai multe operaţii de manipulare automată. Funcţiile de manipulare posibile într-un sistem robotizat rezultă din fig.8.1, pentru fiecare dintre aceste operaţii putând fi necesar câte un robot de construcţie adecvată şi cu ciclu de lucru

corespunzător sau acelaşi robot poate îndeplini două sau trei funcţii.

216

Aplicaţiile roboţilor industriali

Funcţia de manipulare a piesei este necesară pentru alimentarea automată cu piese a maşinilor-unelte, aceasta putându-se referi la: - transferul unei palete cu piesa fixată pe masa maşinii-unelte şi apoi în sens invers, după prelucrare; - schimbarea poziţiei piesei pe paleta fixată pe masa maşinii, în cazul când prelucrarea piesei pe aceeaşi maşină se face din mai multe prinderi; - transferul unei piese de revoluţie dintr-un magazin de piese în sistemul de fixare al maşinii şi în sens invers; Manipularea sculei în cadrul unui sistem robotizat se referă la transferul automat al sculelor individuale sau al grupelor de scule din depozitul de scule sau de cutii multiaxe al maşinii pe maşina-unealtă şi în sens invers; în alte cazuri, manipulatorul acţionează direct scula de lucru: la debavurarea automată, la montajul automat, la sudarea automată, la vopsire, la găurire etc. În cazul când controlul piesei se face direct pe maşina-unealtă şi, în special, când se măsoară mai multe dimensiuni, sunt necesare mai multe traductoare de control. Acestea pot fi transferate pe maşină cu un manipulator special. Un exemplu în acest sens poate fi vârful de măsurare care se aplică pe axul principal al maşinii-unelte, prin care se controlează poziţia de instalare a piesei în sistemul de fixare al maşinii, în funcţie de rezultatul acestui control determinându-se automat originea de prelucrare. Manipularea automată pe un sistem robotizat de prelucrare se poate referi şi la dispozitivul de fixare a piesei sau la dispozitivul de apucare al robotului manipulator. Ca exemple în acest sens, se poate menţiona schimbarea unei mandrine sau numai a bacurilor mandrinelor pentru instalarea şi fixarea pieselor de revoluţie; schimbarea dispozitivului de apucare sau numai a bacurilor acestuia este necesară pentru a asigura flexibilitatea manipulării unor obiecte cu dimensiuni foarte diferite. În afara robotului manipulator, exercitarea funcţiei de manipulare automată mai reclamă şi existenţa unui magazin pentru depozitarea obiectelor ce trebuie manipulate (magazine de palete port-piese, magazine de piese individuale de revoluţie, magazine de scule, de cutii multiaxe sau de magazine de scule, magazine de dispozitive, magazine de vârfuri de control etc.). Asupra operaţiei de manipulare va influenţa nu numai forma geometrică a obiectului ce trebuie manipulat ci şi poziţia acestuia în magazin (orientate sau în poziţie oarecare). Pentru identificarea poziţiei şi formei pieselor neorientate, apare necesitatea manipulării unor senzori vizuali, iar pentru identificarea codului unei piese sau scule, robotul trebuie să manipuleze un cap de citire a codului. De asemenea, în sistemele de fabricaţie prin aşchiere, trebuie realizată manipularea automată a unor duze pentru aer comprimat sau pentru apă în scopul curăţirii dispozitivelor sau al spălării pieselor în posturile de spălare-curăţire automată. Trebuie reţinut faptul că, într-un sistem de fabricaţie robotizat, funcţia de manipulare automată se realizează şi pentru alte operaţii decât cele din fig.8.1, şi anume: - manipularea automată a paletelor portpiese în magaziile centrale în vederea trecerii acestora pe sistemul de transport şi în sens invers; - manipularea automată a pieselor de revoluţie în scopul încărcării magazinelor de piese pentru transportul acestora în posturile de lucru; - manipularea automată a paletelor goale în posturile de încărcare-descărcare a paletelor; - transferul sculelor dintr-un magazin central fix în magazinele proprii ale posturilor de lucru şi al sculelor uzate în sens invers; - transferul sculelor din magazine de scule amplasate pe robocare în magazinele proprii ale posturilor de lucru şi invers; - transportul pieselor sau paletelor din magazii intermediare în posturile de lucru folosind roboţi industriali mobili.

Robotică industrială

217

Manipulatoarele şi roboţii care realizează funcţiile de manipulare automată în cadrul sistemelor robotizate trebuie să îndeplinească o serie de condiţii importante: - adaptarea la caracteristicile obiectelor manipulate (dimensiuni, formă geometrică, greutate, stabilitate în diferite poziţii, material); - construcţia roboţilor să nu depindă decât într-o mică măsură de obiectele pe care le manipulează şi de maşinile pe care le deservesc, având un grad de flexibilitate suficient de mare, corespunzător întregii game de obiecte manipulate; flexibilitatea acestora poate fi asigurată prin senzori tactili aplicaţi pe mâna robotului sau prin schimbarea automată a dispozitivului de apucare a obiectului manipulat (eventual numai a bacurilor); - precizia şi stabilitatea funcţionării roboţilor manipulatori să aibă valori constante, corespunzătoare funcţiei de manipulare pe care o realizează; - sistemele de manipulare trebuie realizate în aşa fel încât, în cadrul funcţionării alături de utilajele pe care le deservesc, să fie valorificate mai bine performanţele acestor maşini privind precizia, viteza de lucru, flexibilitatea etc.; pe de altă parte, sistemele de manipulare sunt valorificate corect dacă operaţiile de manipulare sunt executate suprapus, la maximum posibil, cu operaţiile de prelucrare pe maşini; - construcţia sistemelor de manipulare trebuie realizată astfel încât să fie posibilă şi uşoară deplasarea, montarea, reglarea, urmărirea funcţionării şi depanarea rapidă a defecţiunilor, iar în perioadele de nefuncţionare să permită accesul la maşini pentru efectuarea manuală a operaţiilor de manipulare. 8.4. Utilizarea roboţilor industriali în procese de prelucrare prin aşchiere În cazul proceselor tehnologice de prelucrare prin aşchiere, roboţii industriali sunt folosiţi, în special, pentru automatizarea operaţiei de alimentare cu piese a maşinilor-unelte, dar se pot utiliza şi pentru alimentarea automată cu scule şi dispozitive sau pentru spălarea şi curăţirea automată a pieselor şi dispozitivelor. 8.4.1. Particularităţi ale folosirii roboţilor în procese de aşchiere. Particularităţile deosebite ale proceselor de prelucrare mecanică din punctul de vedere al robotizării sunt: 1) timpul relativ mare de prelucrare (de la zeci de secunde pâna la câteva zeci de minute); 2) lipsa temperaturilor înalte de încălzire a semifabricatului; 3) configuraţia semifabricatului şi îndeosebi a piesei finite este suficient de precisă. Nomenclatura pieselor a căror prelucrare este posibilă şi rentabilă în complexele automatizate "maşină-unealtă-robot", este determinată de următorii factori: 1) parametrii constructivi ai piesei; 2) tipul şi starea semifabricatului; 3) cerinţele tehnice privind piesa; 4) dimensiunile de gabarit şi masa piesei. Parametrii constructiv-tehnologici ai pieselor care sunt destinate pentru prelucrarea în sistem "maşină-unealtă-robot", trebuie să fie caracterizaţi astfel: 1) suprafeţe omogene după formă şi distribuţie pentru bazare şi apucare, care permit, fără control suplimentar, a le instala pe maşina-unealtă, unde, pentru centrare şi fixare, sunt utilizate echipamente tehnologice de universalitate largă (centrele, mandrinele universale, menghina pneumatică etc.); 2) sunt clar evidenţiate bazele şi semnele de orientare, care permit organizarea transportului şi a depozitării semifabricatelor lângă maşinile-unelte în poziţie orientată, cu utilizarea utilajului suplimentar standardizat;

218

Aplicaţiile roboţilor industriali

3) posibilitatea unificării şi tipizării proceselor de prelucrare şi a tipurilor de echipamente pentru aplicarea metodei de prelucrare în grup. Sistemele tehnologice robotizate se recomandă pentru prelucrarea următoarei nomenclaturi de piese: arbori netezi şi în trepte, cu axa liniară şi excentrici; discurile, flanşele, inelele, cămăşile şi bucşele; piesele plane şi spaţiale de configuraţie simplă (plăcile, capacele, penele, cornierele, piesele tip carcasă etc.). Maşinile-unelte incluse în componenţa sistemelor robotizate trebuie să asigure: strângerea automată şi eliberarea piesei pe maşina-unealtă; bazarea precisă şi sigură a piesei în dispozitivul maşinii-unelte; schimbarea automată a sculei în cadrul ciclului de prelucrare (când e necesar); schimbul de informaţii cu sistemul de comandă al robotului; deplasarea automată a ferestrei de protecţie a maşinii-unelte. Pentru funcţionarea sigură a sistemelor robotizate cu maşini-unelte, este necesară automatizarea fărămiţării aşchiilor în procesul de aşchiere şi îndepărtarea lor din zona de prelucrare, mecanizarea evacuării aşchiilor şi altor deşeuri în afara maşinii-unelte, automatizarea controlului parametrilor de comandă în procesul prelucrării. La crearea sistemelor robotizate pe baza maşinilor-unelte, trebuie să avem în vedere cerinţele specifice ale fiecărui tip de maşină-unealtă: la maşinile-unelte cu mese orizontale şi la strungurile cu arborele principal vertical, este necesar să se automatizeze şi curăţirea suprafeţelor de bazare ale dispozitivelor sau mesei, destinate pentru instalarea piesei; la strungurile cu arborele principal orizontal, trebuie să fie automatizată şi mişcarea de împingere a piesei către suprafaţa frontală a mandrinei; la maşinile-unelte din grupa celor de găurit, frezat, alezat, trebuie să fie automatizat procesul de strângere pe suprafaţa de sprijin a dispozitivului de fixare; maşinile-unelte pentru prelucrarea canelurilor şi rectificarea cilindrică şi frontală trebuie să fie înzestrate cu mandrine cu autocentrare; la maşinile-unelte pentru danturat trebuie să se automatizeze operaţia de bazare a piesei de prelucrat şi deplasarea şi fixarea păpuşii piesei în poziţia de alimentare cu piese. Între echipamentul de comandă al maşinii-unelte şi echipamentul de comandă al robotului industrial trebuie să se realizeze un schimb de informaţii în ambele sensuri: pornirea robotului în vederea preluării piesei prelucrate şi atenţionarea acestuia asupra poziţiei diferitelor subansamble ale maşinii, pe de o parte, şi comanda pornirii programului de prelucrare al maşinii-unelte, pe de altă parte. Sistemele de prelucrare robotizate se pot realiza în diferite variante de compunere: - robotul asistă o singură maşină-unealtă; - robotul poate fi amplasat pe sol, pe maşina-unealtă sau poate fi suspendat (pe portal sau pe punte); - robotul asistă două sau mai multe maşini-unelte, aşezate în cerc, cu robotul central, sau aşezate în linie; - robotul poate realiza numai alimentarea automată cu piese sau realizează şi alimentarea automată cu scule şi dispozitive; - în sistem se prelucrează piese de revoluţie sau piese prismatice (piesele de revoluţie pot fi lungi - axe sau scurte - bucşe, flanşe, discuri, roţi dinţate, iar piesele prismatice pot fi plăci sau de tip carcasă). 8.4.2. Soluţii de compunere a unor sisteme robotizate cu o singură maşinăunealtă Utilizarea unui robot industrial pentru alimentarea automată cu piese a unei singure maşini-unelte având robotul amplasat pe sol se întâlneşte rar. Aceasta se explică prin faptul că robotul va ocupa în acest caz spaţiul din faţa maşinii-unelte, pe de o parte, dar se şi ocupă prea mult din spaţiul productiv al halei. Asemenea aplicaţii mai curând cu roboţi amplasaţi pe maşina-unealtă (fig.8.2.) sau cu roboţi pe portal (fig.8.3 şi fig.8.4).

Robotică industrială

219 Fig. 8.2. Amplasarea roboţilor de alimentare cu piese pe păpuşa fixă a unui strung. În fig. 8.2, robotul are baza amplasată pe păpuşa fixă a unui strung cu axul principal orizontal, braţul robotului efectuând mişcări în coordonate carteziene. În acest fel, devine posibil transferul pieselor între paleta 3 cu piese şi axul principal AP al strungului. Pentru a aduce diferitele locaţii de depozitare în poziţia de preluare a pieselor de către robot, paleta 3 se amplasează pe masa 4 cu mişcare pas cu pas Tx′; în alte cazuri, masa 4 execută chiar două mişcări pe direcţii perpendiculare. Timpul de schimbare a piesei prelucrate cu un nou semifabricat se scurtează, în acest caz, deoarece robotul este prevăzut cu

un apucător M dublu (g1,g2). Alimentarea unui strung cu ax orizontal cu piese, de asemenea scurte, ca şi în cazul precedent, dar utilizând un robot pe portal cu apucător dublu, este prezentată în fig.8.3. Paleta cu piese de tipul flanşe, roţi dinţate, pistoane, discuri etc.

220

Aplicaţiile roboţilor industriali

este amplasată pe masa 4 în coordonate, robotul căutând deci, întotdeauna, aceeaşi poziţie a piesei. Pentru alimentarea strungurilor orizontale cu piese cilindrice lungi, de tip axe sau cilindri, se poate folosi soluţia prezentată în fig.8.4, în care se utilizează un robot pe portal dublu (ambele braţe B1 şi B2 sunt montate pe acelaşi cărucior). Depozitul D de piese se realizează de genul unui transportor pas cu pas P, de tipul cu lanţ, poziţia de preluare aflânduse întotdeauna în prelungirea axei strungului S. Pentru a asigura precizia de apucare a piesei din depozit, în scopul asigurării preciziei de alimentare, este necesar ca piesa din depozitul D adusă în poziţia de preluare să fie tamponată axial până la un reazem fix, poziţionat cu precizie. În felul acesta, robotul va prelua semifabricatul în aceeaşi secţiune transversală.

Fig. 8.4. Alimentarea unui strung cu piese de tip axe cu un robot pe portal Soluţiile de compunere a celulelor robotizate prezentate mai sus se caracterizează şi prin faptul că depozitul sau magazinul de semifabricate este utilizat şi pentru piesele prelucrate aduse de robot de pe maşină. Este posibil, însă, ca asemenea celule să dispună şi de un al doilea depozit, pentru piesele finite. 8.4.3. Soluţii de sisteme robotizate cu mai multe maşini-unelte Asemenea sisteme pot avea în componenţă un robot şi două sau trei maşini-unelte, de cele mai multe ori maşini pentru prelucrarea pieselor de revoluţie. Aşezarea maşinilor-unelte se face după o circumferinţă, în care caz robotul se amplasează cu baza la sol, în centrul celulei robotizate, sau maşinile se dispun în linie, în care caz ele sunt asistate de un robot industrial cu deplasare pe portal. Un exemplu de sistem robotizat compus din trei strunguri 1 amplasate în cerc şi alimentate de un robot 4 cu baza la sol este prezentat în fig.8.5. Asemenea compunere de sistem de fabricaţie este de tipul "robot-grup de maşini-unelte", în componenţa sa intrând şi transportorul-depozit 3, cu deplasare pas cu pas, aducând noi piese în poziţia de apucare a lor de către robot, piesele prelucrate revenind în poziţiile rămase libere ale depozitului. Capacitatea unui asemenea depozit se stabileşte astfel încât, cunoscând timpul de prelucrare a unei piese, să se realizeze condiţia funcţionării autonome a sistemului pe durata unui schimb de lucru, de exemplu. Dispozitivul de apucare al unui asemenea robot poate fi dublu, dar important este ca el să prezinte un grad înalt de adaptabilitate, ceea ce permite prelucrarea în cadrul sistemului respectiv a unei nomenclaturi destul de largi de piese, în orice succesiune tehnologică posibilă pe cele trei strunguri din componenţa celulei. Piesele prelucrate pe acest sistem sunt de tip axe cu lungime medie.

Robotică industrială

221

Pentru prelucrarea axelor lungi, se poate folosi structura din fig.8.6, cu robot pe portal. Axele sunt prelucrate la capete pe o maşină de frezat şi centruit 3 şi, apoi, din două prinderi, sunt supuse operaţiei de strunjire pe strungurile paralele 8. Pentru a elimina timpii de aşteptare ai maşinilor-unelte, fiecare din cele trei maşini este prevăzută cu câte un depozit 1 şi cu câte o poziţie intermediară 2.

Fig. 8.5. Sistem robotizat cu trei maşini-unelte şi robot cu baza la sol

Fiecare dintre sistemele robotizate din fig.8.5 şi 8.6 sunt conduse centralizat de la un microcalculator, care coordonează funcţionarea tuturor componentelor celulei. Se poate folosi un microcalculator supraordonat echipamentelor de comandă ale maşinilor-unelte, robotului şi depozitului sau microcalculatorul este înglobat în echipamentul de comandă al robotului industrial. Prima situaţie este posibilă numai în cazul când toate componentele sistemului sunt comandate numeric. În sistemele robotizate cu robot amplasat la sol, se pot prelucra şi piese de formă prismatică. Asemenea piese nu sunt manipulate direct de către robot ci prin intermediul unor palete, pe care piesa se centrează şi fixează, aceste palete având forma exterioară potrivită pentru apucarea de către un robot cu deplasarea paralelă a degetelor în vedere apucării.

Fig. 8.6. Sistem robotizat cu trei maşini-unelte

222

Aplicaţiile roboţilor industriali

Prelucrarea pieselor din această categorie are loc pe centre de prelucrare. Când acestea se amplasează în cerc (centrele de prelucrare CP1...CP3,fig.8.7), robotul industrial RI este amplasat central, cu baza la sol, el având acces şi la depozitul de palete portpiesă DP.

Fig. 8.7. Sistem robotizat pentru prelucrarea pieselor prismatice Alimentarea celulei din fig.8.7 cu palete cu noi semifabricate şi scoaterea din depozitul DP a paletelor cu piesele prelucrate se face cu ajutorul unui robocar, care realizează transportul de la/la depozitul central. Nu este exclusă nici posibilitatea ca într-o poziţie a depozitului DP să se organizeze activitatea de paletizare/depaletizare a pieselor, activitate care trebuie asistată de un operator uman. Condiţia de funcţionare autonomă a sistemului robotizat pe durata unui schimb, cel puţin, trebuie realizată şi în acest caz, dar capacitatea depozitului DP trebuie să fie mult mai mică decât în cazul precedent, deoarece timpul de prelucrare a unei piese prismatice este cu mult mai mare decât în cazul pieselor de revoluţie. Pe de altă parte, centrele de prelucrare CPi care intră în componenţa acestei celule robotizate sunt conduse, obligatoriu, de echipamente de comandă numerică (de obicei, de tipul CNC). În aceste condiţii, coordonarea întregului sistem va fi realizată centralizat, cu un calculator electronic de proces, care înmagazinează şi distribuie echipamentelor locale ale maşinilor şi robotului programele de lucru, care vor diferi de la un tip de piesă la altul.

Robotică industrială

223

Fig.8.8. Sisteme robotizate cu mai multe maşini-unel-te

Prelucrarea pieselor prismatice în sisteme robotizate cu centre de prelucrare aşezate în linie necesită utilizarea unor roboţi mobili cu deplasare la sol (în cazul centrelor de prelucrare cu ax vertical) sau a unor roboţi cu deplasare pe portal (soluţie posibilă numai când centrele de prelucrare sunt cu ax principal orizontal). Compuneri de sisteme robotizate cu mai mult de trei maşini-unelte nu se pot realiza decât cu amplasarea în linie a maşinilor-unelte (fig.8.8). Astfel, în fig.8.8,a, alimentarea automată a maşinilor-unelte cu palete cu piese de formă prismatică se realizează cu trei roboţi 8, cu baza fixă la sol, piesele paletizate în postul 6 fiind dirijate de operatorul 5 pe unul din conveioarele 1, 2 sau 3; depozitul central 4 conţine semifabricate şi piesele finite aduse de la maşinile-unelte de către aceleaşi conveioare. În fig.8.8,b, pentru alimentarea celor patru maşini-unelte 12, se utilizează robotul mobil la sol 11, care se deplasează în lungul liniei pe ghidajele 10. 8.4.4. Utilizarea roboţilor industriali pentru alimentarea automată cu scule şi dispozitive Aceste funcţii sunt robotizate în cadrul modulelor sau al sistemelor flexibile de fabricaţie în care se prelucrează familii de piese de largă nomenclatură. Asfel, într-un modul flexibil de fabricaţie constituit pe baza unui centru de prelucrare, capacitatea magazinului de scule propriu al maşinii nu satisface necesităţile de prelucrare a unor piese complexe, care necesită un număr mare de scule. Dar, chiar dacă am mări capacitatea magazinului maşinii până la numărul maxim de scule diferite, soluţia nu este practică deoarece nu vor exista în magazin scule dublet necesare în cazul uzurii premature sau al ruperii accidentale a unei scule, situaţie în care va trebui să oprim maşina-unealtă în vederea schimbării sculei.

224

Aplicaţiile roboţilor industriali

Fig. 8.9. Sistem de alimentare cu scule folosind un robot

Fig. 8.10 Schimbarea automată a mandrinelor pe un strung.

Inconvenientul menţionat mai sus poate fi înlăturat dacă modulul flexibil (fig.8.9) se prevede cu un depozit suplimentar de scule şi un sistem de transfer al acestora în magazinul propriu al centrului de prelucrare. În fig.8.9, depozitul suplimentar de scule se realizează de forma unui magazin cu lanţ 7, amplasat lingă centrul de prelucrare, asfel încât robotul 8 să poată realiza transferul sculelor între magazinul 7 şi magazinul de scule 5 de pe maşină; acest transfer se realizează în timp ce maşina lucrează, deci nu influenţează asupra productivităţii prelucrării. Necesitatea alimentării automate cu scule a centrului de prelucrare apare cu atât mai evidentă, cu cât modulul dispune de un depozit propriu 1 de palete cu piese, de forma unei mese indexate, care permite funcţionarea autonomă a modulului pe o perioadă limitată. În cazul prelucrării unei nomenclaturi largi de piese de revoluţie, cu variabilitate dimensională mare, poate apărea necesitatea ca, trecând la prelucrarea altei tipodimensiuni de piesă, să fie necesară chiar schimbarea mandrinei de centrare-fixare a piesei pe maşină. O asemenea situaţie este prezentată în fig.8.10, unde, cu ajutorul robotului 3 cu deplasare pe

Robotică industrială

225

portalul 2, se realizează transferul mandrinelor 4 între axul principal al strungului şi depozitul M de mandrine realizat de forma unui cap revolver amplasat pe păpuşa fixă a strungului. 8.5. Utilizarea roboţilor industriali la asamblarea automată 8.5.1. Probleme generale Problema robotizării montajului apare ca un răspuns la cerinţele de creştere a productivităţii prin automatizare flexibilă în condiţiile cînd mediul de asamblare prezintă o variabilitate importantă. Diferitele maşini specializate de asamblare şi montaj sunt un răspuns al variabilităţii mici a mediului, fiind specifice unor operaţii avînd caracter de serie mare. Conceptul cuvîntului montaj este dificil de stabilit sub o formă definitivă, întrucît în practică se constată diferenţe de conţinut de la un produs la altul, de la un producător la altul. Sigur este faptul că montajul este o parte a procesului de producţie, incluzînd operaţii de manipulare, asamblare şi verificare. În anii ‘60-’70, eforturile de raţionalizare a producţiei au fost concentrate, în special, asupra prelucrării pieselor şi a proceselor legate de aceasta. S-au elaborat noi tehnologii, s-au automatizat şi optimizat procesele de prelucrare, urmărindu-se reducerea timpilor principali. În momentul în care s-a atins un nivel înalt în acest domeniu, asfel încît costurile pentru perfecţionări ulterioare au devenit prea ridicate, s-au căutat alte rezerve de raţionalizare. Acestea au fost găsite în domeniul tehnicii de manipulare şi montaj legate mai ales de utilizarea roboţilor. Posibilitatea de programare a roboţilor a făcut posibilă automatizarea multor operaţii de manipulare, astfel încît să poată spori gradul de automatizare, fără a reduce flexibilitatea sistemului. Introducerea roboţilor şi manipulatoarelor în procesele de montaj a fost impusă, în primul rînd, de necesităţile de mecanizare şi automatizare datorită ponderii tot mai ridicate a operaţiilor de montaj în manopera totală a produselor. Asfel, în domeniul aplicaţiilor în serii mici a maşinilor şi utilajelor, în special a celor complexe, pentru industria chimică, extractivă şi metalurgică, montajul consumă 45-70% din manopera totală a produsului; la produsele fabricate în serie, ponderea manoperei de montaj se ridică la 20-30% din manopera totală. Un studiu realizat în industria constructoare de maşini agricole din SUA, arată că 30,2% din cheltuielile de manoperă directă, respectiv 7% din valoarea totală a produselor, reprezintă cheltuieli de manoperă pentru operaţii de montaj; pentru industria constructoare de automobile şi piese de schimb, aceste cifre sunt de 33,4%, respectiv 4,7%. Montajul este, în comparaţie cu alte operaţii tehnologice, deficitar în privinţa gradului de automatizare chiar şi în industria automobilelor (fig.8.11). Kondoleon a realizat o analiză a sarcinilor de asamblare şi frecvenţa globală a diferitelor sarcini după direcţii/sensuri la mişcarea relativă a pieselor supuse asamblării în industria mecanică (fig.8.12 şi fig.8.13). Sarcinile de asamblare au fost clasificate în 12 clase de operaţii elementare. Analiza evidenţiază că 1/3 din aceste sarcini se referă la introducerea unui ştift în alezaj şi 1/4 la operaţia de înşurubare. Pe de altă parte, 27% din inserţii se fac pe direcţie verticală, în sensul de sus în jos.

226

Aplicaţiile roboţilor industriali

Fig. 8.11. Gradul de automatizare a diferitelor operaţii în industria automobilelor Acelaşi studiu privind asamblarea robotizată arată că sectorul determinant unde aceasta se aplică este în industria automobilelor (35% din aplicaţii). Cantitativ, numărul mediu de piese asamblate este de 20, cu un maxim de 127. Numărul mediu de piese diferite este de 10. Greutatea medie la 80% din piesele asamblate este inferioară la 4 daN şi 70% se înscriu într-un cub cu latura de 10 cm. La 75% din cazuri, timpul necesar asamblării este inferior unui minut. La 20% din cazuri, este necesară o modificare a pieselor pentru a uşura asamblarea robotizată. Utilizarea roboţilor în operaţii de montaj prezintă o serie de avantaje: - programarea permite adaptarea la diferite funcţii de montaj; - roboţii oferă posibilităţi mai variate de manipulare şi aşezare a pieselor; - utilizarea senzorilor permite ca robotul să efectueze şi alte operaţii legate de montaj: încărcarea, sortarea, controlul procesului etc.; - prin implementarea roboţilor, se poate reduce numărul de echipamente periferice necesare în condiţiile în care calitatea montajului creşte; - planificarea producţiei se face mai simplu.

Robotică industrială

227

Fig. 8.12. Sistematica sarcinilor de asamblare. A-şift simplu în alezaj; B-împin-ge şi roteşte; C-stift multiplu în alezaj; D-inserţie ştift şi element de reţinere; E-şu-rub; F-ajustaj prin forţă; G-îndepărtare şaibă de localizare; H-răsturnare piesă; I -asi-gură suport temporar; J-fixează cu gheare o placă de metal; K- îndepărtează suport temporar; L-sudează sau lipeşte. Dezavantajele roboţilor industriali aplicaţi la montarea automată sunt legate de: - durata unui ciclu de montaj este mai mare decît cea realizată de automatele specializate; - costul unui robot de montaj este, în general, mai mare decît cel al automatelor specializate acţionate pneumatic sau mecanic.

Fig. 8.13. Frecvenţa diferitelor sarcini de asamblare Domeniul în care utilizarea roboţilor este avantajoasă din punct de vedere economic îl constituie montajul produselor cu circa 20 de repere executate în mai multe variante, cu timpul de tact de 10-30 s. În aceste cazuri, se poate asigura eficienţa în pregătirea pieselor pentru montaj şi pentru manipularea lor. Se consideră că roboţii sunt prea încărcaţi dacă execută 8-10 operaţii diferite. În aceste cazuri, apar greşeli şi defecţiuni frecvente în liniile de producţie.

228

Aplicaţiile roboţilor industriali

Se constată că proiectanţii din SUA nu au adaptat concepţia produselor pentru montaj, existînd tendinţa de a construi roboţi cît mai complexi, care să fie capabili să opereze cu piese neadaptate unui montaj automatizat. Se consemnează, de exemplu, un robot ce deserveşte 13 linii de fabricaţie, fiind dotat cu peste 100 de senzori. Este necesar ca şi procesul tehnologic să fie conceput direct prin prisma automatizării. Aceasta a fost tendinţa în Japonia, unde, cu cît un robot este mai simplu, cu atît este mai bun. Produsele sunt direct concepute pentru producţia robotizată, reperele au configuraţii care uşurează procesul de automatizare, în aceste cazuri fiind necesar un număr mai redus de senzori în dotarea robotului. 8.5.2. Caracteristicile constructive ale roboţilor industriali utilizaţi la asamblarea automată Sistemul mecanic al roboţilor industriali pentru operaţii de asamblare trebuie să dispună de dispozitive de ghidare cu cel puţin 6 grade de libertate. Greutatea pieselor ce pot fi asamblate robotizat nu trebuie să depăşească 5-10 daN, iar precizia de repetabilitate a mişcărilor să fie corelată cu toleranţele poziţiei de asamblare şi cu jocul nominal dintre elementele ce trebuie asamblate. Aplicaţiile industriale ale asamblării robotizate au arătat că structurile clasice 6R (şase cuple de rotaţie), cu lanţ deschis, au patru limitări majore în asamblare: - complexitatea structurii mecanice şi a algoritmilor de control; - mase mari în mişcare; - spaţii de lucru mari, dar în direcţie verticală; - mişcarea de bază de rotaţie creează un amplasament al aplicaţiei dezavantajos şi măreşte timpul total de realizare a ciclului de asamblare. Integrarea asamblării cu procesul de proiectare şi fabricaţie al produselor a condus la structuri de manipulare cu o arhitectură carteziană şi cilindrică, cu un număr de 4 grade de libertate. Un număr mare de aplicaţii de asamblare sunt realizate de roboţii de tip SCARA, PRAGMA şI SIGMA OLIVETI, cu 4 grade de libertate. Un set important de criterii de sinteză pentru roboţii de montaj este furnizat de procesele componente ale asamblării. În procesul tehnologic de asamblare, două sau mai multe repere sunt aduse la configuraţia finală dorită. Deosebit de importantă în acest proces este etapa de inserţie în care se realizează introducerea arborelui în alezaj. Asemenea criterii sunt: a) Caracteristicile geometrice, care se referă la mărimea spaţiului de lucru, în condiţiile unei sarcini utile şi la accesibilitate. În condiţiile unei sarcini utile şi a unor dimensiuni ale elementelor prescrise, se pune problema optimizării structurii mecanice asfel, încît spaţiul de lucru să fie maxim. Datorită faptului că roboţii de montaj cooperează cu un număr mare de dispozitive auxiliare cu poziţie fixă în spaţiul de lucru, arhitecturile specifice de montaj au spaţiul de lucru practic în afara zonei de mişcare a corpului robotului. Accesibilitatea este legată de capacitatea robotului de a lucra în interiorul unor suprafeţe închise sau într-un mediu cu un relief foarte variat. În aceste situaţii, este de multe ori necesar să se programeze nu numai poziţia şi orientarea organului efector, ci să se efectueze şi verificarea detaliată, în fiecare punct al traiectoriei, a evitării coliziunilor dintre corpurile mobile ale robotului şi corpurile din mediul ambiant. b) Caracteristici de mişcare. Implicaţia productivitate-timp de ciclu conduce la limitarea inferioară a vitezelor şi acceleraţiilor maxime de lucru tradusă prin viteze medii la nivelul manipulării reperelor între 0,4 m/s şi 1,5 m/s. În aplicaţiile de asamblare se pot introduce şi roboţi mai puţin precişi, prin folosirea unor dispozitive auxiliare de ghidare şi realizare de mişcări de căutare oscilatorii. În acest mod, s-a realizat asamblarea unei pompe de ulei cu 17 repere, cu doi roboţi tip UEM-2, cu precizie de ±3 mm. Prezenţa dispozitivelor auxiliare scade considerabil flexibilitatea ansamblului, iar procesul de căutare creşte considerabil timpul de ciclu.

Robotică industrială

229

În mod curent, precizia roboţilor de montaj variază între ±0,05 mm şi ±0,15 mm, cu repetabilitate de ±0,025 mm pînă la ±0,1 mm. c) Caracteristicile privind forţele de interacţiune în procesul de cuplare. Procesele tehnologice de manipulare de tip "apucă şi aşează", procesele de vopsire, procesele de sudare au avut corespondent în prescrierea unor cerinţe strict cinematice de mişcare şi poziţie pentru corpul condus, funcţionalitatea acestor procese nefiind legată de controlul forţelor de interacţiune între corpul condus şi obiectele exterioare. În cazul proceselor de asamblare, atît etapa de aşezare cît şi inserţia presupun obţinerea unui nivel admisibil al forţelor de interacţiune în vederea evitării deteriorării elementelor din lanţurile de acţionare ale robotului şi a gripajului pieselor asamblate, cu respectarea condiţionărilor geometrice impuse. O posibilitate teoretică de obţinere a unor forţe de interacţiune în domeniul admisibil, fără un control de forţe, este realizarea unei precizii înalte, mai mică decît toleranţele de execuţie ale pieselor asamblate. Această soluţie este dezavantajoasă deoarece obţinerea unor precizii foarte mari de ordinul a 10 um implică structuri rigide, cu echipamente de comandă complexe, costul fiind ridicat. O altă posibilitate este realizarea unor sisteme de control al forţelor cu ajutorul unor senzori tactili sau vizuali sau al unor dispozitive mecanice pasive, în condiţiile unor precizii acceptabile. Calitativ, forţele de interacţiune nedorite apar ca efect al erorilor de poziţie şi mai puţin de viteză, în raport cu valorile de referinţă. Valorile forţelor de interacţiune cresc la mărirea erorilor de poziţie. Situaţia este similară în cazul erorilor inerente de formă ale reperelor asamblate, înscrise în cîmpurile de toleranţe prescrise.

Fig.8.14. Caracteristici pentru roboţii utilizaţi la prelucrare şi montaj O analiză efectuată asupra a 106 posturi de montaj şi a 915 posturi de prelucrare a evidenţiat unele caracteristici necesare roboţilor utilizaţi în acest domeniu (fig.8.14). Se remarcă, în special, valori net diferenţiate pentru unele caracteristici, cum ar fi precizia de poziţionare şi greutatea piesei manipulate. În figură s-a reprezentat cu linie groasă variaţia caracteristicilor pentru roboţii de prelucrare şi cu linie întreruptă pentru cei de montaj. Drept principale caracteristici, s-au analizat:

230

Aplicaţiile roboţilor industriali

- greutatea piesei, fig.8.14,a; - precizia de poziţionare, fig.8.14,b; - numărul de echipări (reglări la schimbarea produsului) raportate la 100 ore de funcţionare, fig.8.14,c; - numărul de piese pe loc de muncă, fig.8.14,d. În toate reprezentările, în ordonată s-a prezentat frecvenţa cumulată în procente. Sistemul de acţionare al roboţilor industriali utilizaţi la asamblarea automată, poate fi electric sau pneumatic, ultimul fiind preferat doar în cazurile cînd mişcările pot fi simple, fără mare precizie şi rapide. Roboţii pentru asemenea aplicaţii pot fi comandaţi şi pe cale manuală, dar, în mod normal, comanda roboţilor de montaj este automată, adaptivă. 8.5.3. Elemente specifice operaţiei de asamblare robotizată În procesul de asamblare robotizată (fig.8.15), elementele ce intervin în proces sunt: dispozitivul de prehensiune (apucătorul) legat la elementul final al robotului, ştiftul, alezajul şi planul de asamblare (suportul piesei alezaj). Poziţia în spaţiu a fiecăruia din aceste elemente este dată prin poziţia relativă a reperelor, care sunt ataşate după cum urmează: - RP(P, xP, yP, zP), pentru dispozitivul de prehensiune; - RA1(A1, xA1, zA1) pentru ştift; - RA2(A2, xA2, yA2, zA2), pentru alezaj; - RS(S, xS, yS, zS), pentru suportul piesei alezaj.

Fig. 8.15. Elemente ce intervin în procesul de asamblare robotizată

Erorile de poziţie pot avea origini diferite: - erori de poziţionare a dispozitivului de prehensiune, determinate de construcţia şi precizia pe care o realizează robotul industrial; - erori la prinderea bolţului în dispozitivul de prehensiune; aceste erori pot fi minimizate utilizînd dispozitive de prindere a căror construcţie este adaptată la forma pieselor; - erori care intervin la poziţionarea piesei alezaj pe planul de asamblare. Diferitele erori pot fi definite prin următorii vectori: ; ; ; Se constată: Realizarea corectă a asamblării impune ca vectorul E4 să aibă componentele egale cu zero. Micşorarea componentelor acestui vector este legată de vectorii Ej. După cum s-a arătat, valorile vectorilor E1 şi E3 sunt direct legate de probleme de construcţie, fiind totdeauna posibilă micşorarea acestora prin realizarea de sisteme de prehensiune corespunzătoare şi mecanisme precise de poziţionare a piesei alezaj pe suport.

Robotică industrială

231

Vectorul E2 este direct legat de tipul robotului folosit în aplicaţia de asamblare, depinzînd de precizia de poziţionare şi de repetabilitatea acesteia. Componentele vectorului E4 pe planul de asamblare se reduc la componentele laterale X şi Y şi componentele unghiulare α şi β (fig.8.16).

Fig. 8.16. Componentele vectorului E4 pe Fig. 8.17. Erorile la asamblare planul de asamblare Considerînd planul trecînd prin originile A1 şi A2 şi continuînd axa zA2, se poate recurge la o reprezentare mai simplă, utilizată în mod obişnuit, care pune în evidenţă eroarea de poziţie ∈ şi eroarea unghiulară θ (fig.8.17). Posibilitatea executării unei sarcini de asamblare de către robot va fi dependentă de precizia de poziţionare Pp a robotului şi de toleranţa asamblării Ta. Considerînd diametrul aparent al ştiftului d+2Pp şi diametrul aparent al alezajului D2Ta, se deduce relaţia pentru aprecierea posibilităţii asamblării, de forma: Realizarea asamblării robotizate este condiţionată de îndeplinirea funcţiei de acomodare. Acomodarea constă în modificări de poziţie ale piesei în raport cu corpul condus al robotului, care să conducă la posibilitatea continuării procesului de îmbinare. Modificările de poziţie apar ca necesare deoarece, în mod uzual, cîmpurile de toleranţe ale pieselor îmbinate sunt mai strînse decît precizia de poziţionare a robotului. În cazul în care deplasările sunt proporţionale cu forţele, funcţia are denumirea de complianţă (fig.8.18). Rouget a formulat din punct de vedere matematic conceptul de complianţă. Dacă F este torsorul forţelor şi momentelor aplicate într-un punct O al dispozitivului şi D torsorul deplasărilor liniare şi unghiulare, atunci: , unde Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz reprezintă proiecţiile forţei, respectiv momentului rezultant, iar unde dx, dy, dz, Ox, Oy, Oz sunt proiecţiile vectorului de deplasare laterală şi vectorului de deplasare unghiulară în reperul OXYZ.

Aplicaţiile roboţilor industriali

232

Fig. 8.18. Complianţa roboţilor de asamblare Această ecuaţie descrie mişcările solidului supus la forţe de inerţie, de frecare vîscoasă şi deplasări de natură elastică, K, B şi I fiind matricile corespunzătoare. Aceste matrici sunt funcţie de D şi O. Funcţie de natura forţelor care apar, Roujet propune o clasificare a diferitelor tipuri de complianţă: - complianţă elastică (clasa 0) - cînd forţele sunt de natură elastică; - complianţă neelastică amortizată (clasa 1) - cînd acţionează forţele de natură vîscoasă; - complianţă neelastică inerţială (clasa 2) - atunci cînd acţionează forţele de inerţie. În general, toate dispozitivele prezintă o combinaţie a celor trei tipuri de complianţă, dar în majoritatea cazurilor complianţa elastică este predominantă. Ca urmare, se poate scrie: Admiţînd că expresia reprezintă o relaţie bijectivă, se poate scrie: unde C(0) - reprezintă matricea de complianţă a dispozitivului (inversa matricii de rigiditate K). Forma acestei matrici depinde de punctul de aplicaţie al torsorului forţelor. Se defineşte centrul de complianţă al unui dispozitiv ca fiind punctul pentru care matricea C0 este diagonală (autonomie între componentele forţelor şi deformaţiilor). În contextul asamblării robotizate, rolul complianţei este de a alinia piesele (compensarea erorilor de poziţie şi de orientare), prin deplasarea relativă a pieselor sub acţiunea forţelor ce apar în punctul de contact ştift-alezaj. Cho, Warnecke şi Gweon propun următoarea clasificare a tehnicilor de acomodare puse în lucru în sistemele de asamblare robotizată: - acomodare pasivă; - acomodare activă; - acomodare mixtă. Acomodarea pasivă compensează erorile între piesele supuse asamblării plecînd de la deformarea unei structuri elastice în prezenţa erorilor ce apar în punctul de contact. Această tehnică utilizează,deci, un dispozitiv de complianţă pasivă, care poate fi ataşat robotului sau poate fi plasat pe masa de lucru. Pentru reuşita inserţiei, alezajul trebuie să fie prevăzut cu sanfren. Acomodarea pasivă include în această clasificare sistemele vibratorii unde eroarea de poziţie este eliminată printr-o mişcare vibratorie pentru realizarea aliniamentului pieselor. Acomodarea activă compensează erorile dintre piese prin efectuarea de mici deplasări pentru aliniere, plecînd de la informaţiile furnizate printr-un sistem de senzori. Mişcările pot fi realizate de către robot, ceea ce impune o precizie de poziţionare ridicată, prin intermediul sistemului de orientare al robotului sau de către masa pe care se fixează una dintre

Robotică industrială

233

piese. Din punct de vedere funcţional, acomodarea pasivă este o tehnică care operează "în buclă dechisă", nu există un retur al informaţiilor asupra poziţiei relative între cele două piese. Acomodarea activă însă funcţionează "în buclă închisă". Acomodarea mixtă reprezintă o combinare între cele două moduri prezentate anterior. Sistemele cu acomodare pasivă sunt uşor de implementat, au un preţ de cost scăzut, dar principalul inconvenient îl constituie necesitatea sanfrenului. De asemenea, această soluţie poate fi folosită în cazul unor valori de tact mici (cadenţe scăzute). Sistemele bazate pe acomodarea activă sunt capabile să realizeze inserţia pieselor fără sanfren, în schimb preţul de cost al unui asemenea sistem este mai ridicat. Analiza sistematică a sarcinilor de asamblare evidenţiază faptul că peste 90% din aceste sarcini se referă la introducerea unui ştift într-un alezaj cu sau fără joc, înşurubarea unui şurub sau introducerea unui ştift urmată de rotirea ştiftului (îmbinarea tip baionetă); direcţia preferenţială de apropiere a ştiftului/şurubului este cea verticală, iar sensul preferenţial este de sus în jos. Ca urmare, principala operaţie de montaj se poate asimila unui model de introducere a unui ştift cilindric într-un alezaj cu joc cu axa verticală. Studiul cantitativ şi calitativ al acestui proces a făcut obiectul mai multor cercetări.

Fig. 8.19. Schema inserţiei unui ştift într-un alezaj Inserţia unui ştift cilindric într-un alezaj cu sanfren este prezentată în fig.8.19. Pentru început, se caută alezajul cu ştiftul prins în dispozitivul de prehensiune iar sanfrenul uşurează această căutare. Angajarea ştiftului în alezaj începe prin realizarea contactului în punctul A, apoi în două puncte, A şi B. Poziţia punctului B depinde, la primul contact, de valoarea de orientare a axei ştiftului, măsurată prin unghiul format de acesta cu axa alezajului. Introducerea ştiftului se realizează prin rotirea lui în jurul lui A şi alunecarea punctului de contact B înspre fundul alezajului, unghiul dintre axa ştiftului şi axa alezajului micşorîndu-se pe măsura avansării inserţiei.

234

Aplicaţiile roboţilor industriali

Pentru analiza operaţiei de asamblare, se consideră manipulatorul din fig.8.20. Structura mecanică are 6 grade de mobilitate şi este formată din patru corpuri. În figură se prezintă condiţiile iniţiale ale operaţiei de inserţie (bolţul este adus coaxial cu alezajul). Asupra geometriei obiectelor care se inserează se fac următoarele ipoteze: - bolţul este un cilindru de lungime dm şi diametru 2rm. - alezajul este cilindric de lungime Dm şi diametru 2Rm. - toleranţa la inserţie este: 2Rm-rm); Rm>rm - bolţul se inserează în alezaj pe o lungime h1≤Dm; - contactul mînă robot-bolţ se face într-un plan paralel cu baza bolţului; - centrul de greutate al Fig. 8.20. Aplicatie de asamblare bolţului si al mîinii robotului sunt coliniare cu axa gradului de mobilitate numărul şase al robotului; - contactul mînă robot-bolţ se face la distanţa d1 faţă de ultimul grad de mobilitate al robotului; - distanţa dintre baza bolţului şi gradul de mobilitate al şaselea al robotului este d2; d2-d1≤dm. În timpul operaţiei de inserţie, bolţul vine în contact cu peretele alezajului, generînd o forţă de reacţiune. Contactul celor două corpuri generează forţe de frecare şi poate duce la blocarea corpurilor în timpul operaţiei de inserare. Contactul între bolţ şi alezaj se poate efectua în mai multe moduri: - un singur punct de contact între muchia alezajului şi suprafaţa bolţului (fig.8.21); - un singur punct de contact între muchia bolţului şi suprafaţa alezajului (fig.8.22); - două puncte de contact între muchia bolţului şi suprafaţa alezajului (fig.8.23); - o infinitate de puncte de contact de-a lungul generatoarei bolţului şi alezajului (fig.8.24). Dacă nu are loc nici un contact între bolţ şi alezaj, atunci mişcarea robotului este liberă şi nu apar complicaţiile mişcării de contact. Se începe analiza procesului de inserţie cu contactul bolţ-alezaj realizat într-un singur punct. În fig.8.21-8.24, sunt reprezentate forţele de reacţiune Rk1 şi Rk2, care trebuie determinate prin proiecţiile lor în sistemul fix de referinţă al robotului. Interesante pentru studiul mişcării sunt componentele normale Nk1, Nk2 şi cele tangenţiale Tk1, Tk2. Forţa de frecare care apare la contactul celor două corpuri poate permite alunecarea (A) sau nu permite alunecarea (B).

Robotică industrială

Fig. 8.21. Contact muchie-alezaj suprafaţăbolţ

235

Fig. 8.22.Contact muchie bolţ suprafaţă-alezată

Coeficientul de frecare μ între bolţ

Fig. 8.23. Contact bolţ-alezaj prin două Fig. 8.24. Contact bolţ-alezaj printrpuncte o infinitate de puncte şi alezaj se consideră cunoscut. Cele două cazuri sunt descrise de următoarele condiţii: Tk1=μNk1 În cazul A, punctul de contact se schimbă, iar viteza liniară tangenţială este în direcţia lui Tki. În cazul B, punctul de contact nu se schimbă şi bolţul poate avea numai o viteză de rotaţie în jurul punctului Ki (acceleraţia liniară este nulă; i=1,2). Componentele normale ale vitezelor liniare sunt zero în modul, dar de sens contrar cu forţa normală Nki. Dacă aceste componente sunt nule, dar de acelaşi sens cu forţa Nki, atunci contactul este numai aparent. Dinamica bolţului este determinată de următoarele forţe: F0 - forţa de inerţie; G0=m0g - forţa de greutate; Ri - forţa cu care mîna robotului acţionează asupra bolţului, iar i=1,2,...,L reprezintă numărul de puncte de contact între mîna robotului şi bolţ; Rki - forţa de reacţiune datorată contactului dintre bolţ şi alezaj. Ecuaţia echilibrului dinamic al forţelor care acţionează asupra bolţului este: Asupra centrului de greutate al bolţului acţionează următoarele momente: - momentul forţelor de inerţie M0; - momentul forţelor de contact între mîna robotului şi bolţ; - momentul forţelor de contact între bolţ şi alezaj.

236

Aplicaţiile roboţilor industriali Ecuaţia de echilibru al momentelor faţă de centrul forţelor de greutate al bolţului are

forma: unde rki0 este vectorul care uneşte centrul de greutate al bolţului cu punctul de contact Ki; ri0 (i=1,2,...,L) sunt vectorii care unesc centrul de greutate al bolţului cu punctele de contact mînă robot-bolţ. Ecuaţiile determină dinamica mişcării bolţului cînd se realizează numai un punct de contact între bolţ şi alezaj. Analiza contactului bolţ-alezaj realizat prin două puncte pune în evidenţă următoarele situaţii: a) alunecarea se produce la ambele puncte de contact K1 şi K2, iar bolţul este inserat în alezaj; b) alunecarea nu se produce la punctele de contact, bolţul se blochează în alezaj; c) alunecarea se produce numai la punctul de contact K2, iar bolţul se roteşte în jurul lui K1 (restricţiile geometrice permit acest lucru), pierzînd contactul în K2. Mişcarea de inserare a bolţului în alezaj are loc dacă alunecarea se produce la punctul de contact K2, iar mişcarea de rotaţie în jurul lui K1, altfel bolţul se va bloca în alezaj. Unul din cele trei cazuri a), b), c) rezultă şi din forţele de reacţiune în punctele de Tk1