Importanţa noilor structuri de maşini – unelte cu mecanisme spaţiale paralele Mecanismele cu structură paralelă s-au impus în cele mai diverse domenii de utilizare, ca de exemplu : a) Roboţi industriali Roboţii concepuţi pe baza acestor structuri formează o clasa aparte, denumit roboţi paraleli. Roboţii paraleli au apărut la inceputul anilor 90, putând asigura o extensie a roboţilor clasici seriali printr-o mai bună precizie poziţională, o foarte bună comportare dinamică şi o mare manevrabilitate. Din păcate volumul de lucru este mai mic, iar comanda lor este mult mai complexă. Roboţii paraleli se disting printr-un excelent raport masă manipulată / masă robot. b) Dispozitive de poziţionare precisă Aceste dispozitive se folosesc in diverse domenii unde este necesar poziţionarea unor componente cu o precizie mare : antene cu microunde , tehnologia laserelor , industria optica , industria semiconductoarelor, etc. Pot asigura o precizie submicronică. c) Industria extractiva S-au construit platforme de foraj maritim bazate pe structura mecanismelor paralele. S-au construit utilaje de extracţie minieră cu partea activă (freza) montată pe un dispozitiv cu structură paralelă. d) Dispozitive de orientare Structurile paralele se folosesc in construcţia dispozitivelor de orientare pentru diverse antene, telescoape astronomice, etc. Roboţii paraleli pot fi definiţi ca mecanisme cu lanţuri cinematice închise formate dintr-un organ terminal cu n grade de libertate dispus pe o platformă mobilă ce se leagă de o platformă fixă prin n lanţuri cinematice independente. 3
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Importanţa noilor structuri de maşini – unelte cu mecanisme spaţiale paralele
Mecanismele cu structură paralelă s-au impus în cele mai diverse domenii de utilizare, ca de exemplu :
a) Roboţi industriali
Roboţii concepuţi pe baza acestor structuri formează o clasa aparte, denumit roboţi paraleli. Roboţii paraleli au
apărut la inceputul anilor 90, putând asigura o extensie a roboţilor clasici seriali printr-o mai bună precizie
poziţională, o foarte bună comportare dinamică şi o mare manevrabilitate. Din păcate volumul de lucru este mai
mic, iar comanda lor este mult mai complexă. Roboţii paraleli se disting printr-un excelent raport masă
manipulată / masă robot.
b) Dispozitive de poziţionare precisă
Aceste dispozitive se folosesc in diverse domenii unde este necesar poziţionarea unor componente cu o precizie
mare : antene cu microunde , tehnologia laserelor , industria optica , industria semiconductoarelor, etc. Pot
asigura o precizie submicronică.
c) Industria extractiva
S-au construit platforme de foraj maritim bazate pe structura mecanismelor paralele. S-au construit utilaje de
extracţie minieră cu partea activă (freza) montată pe un dispozitiv cu structură paralelă.
d) Dispozitive de orientare
Structurile paralele se folosesc in construcţia dispozitivelor de orientare pentru diverse antene, telescoape
astronomice, etc.
Roboţii paraleli pot fi definiţi ca mecanisme cu lanţuri cinematice închise formate dintr-un
organ terminal cu n grade de libertate dispus pe o platformă mobilă ce se leagă de o platformă fixă prin n
lanţuri cinematice independente.
Utilizarea mecanismelor paralele are următoarele avantaje:
un raport foarte bun masă manipulată / masă robot, graţie structurii sale fiecare motor suportând 1/n din
masa manipulată, unde n reprezintă numărul lanţurilor cinematice independente,
masele mici în mişcare asigură o bună comportare dinamică ceea ce asigură viteze şi acceleraţii mari
(max. 6m/s respectiv 22g),
o modelul geometric simplu asigură o conducere uşoară,
precizie poziţională deosebită (0.010-0.005).
Dezavantajele sunt:
volumul de lucru redus comparativ cu cel al roboţilor seriali,
utilizarea unor articulaţii superioare cu mai multe probleme tehnologice.
3
Recent, cercetătorii au încercat să utilizeze aceste avantaje pentru proiectarea unui tip de robot paralel ca
o maşina cu axe multiple şi pe care să se asambleze scule de precizie mare. Complexitatea structurii acestui tip
de mecanism nu numai că limitează spaţiul de mişcare al platformei dar şi creează singularităţi complexe ale
structurii cinematicein spaţiul de lucru al platformei mobile, totodată acestea fac proiectarea, planificarea
traiectoriilor a robotului paralel foarte dificilă şi riguroasă. Pentru a înlătura acest deficit am creeat un tip de
acţionare pentru proiectarea roboţilor paraleli.
1.1. Structura mecanismului paralel
Un sistem modular al unui robot paralel trebuie sa conţină un set de module independente conţinând
cuple pasive, conectori rigizi, platforme mobile şi efectori finali, toate acestea pot fi rapid ansamblate într-un
robot cu configuraţii varialbile (grade de libertate si geometrii), fiecare cu caracteristici dinamice si cinematice
diferite.
În trecut conceptul de modularitate a fost introdus în proiectarea roboţilor seriali, pentru flexibilitate,
uşurinţa întreţinerii, uşor de conceput.
La proiectarea modulelor robotului paralel am apelat la următoarele tipuri de module pentru
simplificarea efortului de proiectare: elemente de actionare standard, cuple pasive, efectori finali cu dimensiuni
fixe, conectori rigizi. Prin utilizarea acestor tipuri diferite de cuple pasive sau active standard, tipologia
proiectării se reduce la alegerea tipurilor de configuraţii.
Roboţii paraleli posedă capacităţi de încărcare foarte mari şi caracteristici de mişcare fine toate acestea
datorându-se mecanismului în lanţuri cinematice închis. Toate aceste avantaje au fost fructificate în proiectarea
masinilor unelte „multi axis”, cu axe multiple şi în samblarea cu precizie a sculelor aşchietoare.
Modulele robotului si proiectarea configuraţiilor.
Structura de lanţuri cinematice închise a unui robot paralel impune constrângeri de dimensiuni pentru
subansamble. Pentru înlăturarea inconvenientului se folosesc două tipuri de subansamble pentru crearea
modulului robotului:
module standard cu dimensiuni fixe ;
module cu dimensiuni variabile, acestea pot fi fabricate rapid.
Modulele standard cu dimensiuni fixe includ module de acţionare, module cu cuple pasive si module cu
efectori finali. Mecanismele de orientare spaţiale sunt mecanisme de largă utilizare în tehnică. În primul rând
unde intră în structura unor dispozitive care servesc la fixarea , orientarea , poziţionarea si mişcarea unor
semifabricate in vederea prelucrării , mişcarea putându-se realiza atât cu scopul repoziţionării semifabricatului
intr-o noua poziţie de prelucrare sau cu scopul imprimării unei mişcări de avans. De asemenea pe mecanismele
de orientare spaţiala se pot fixa diferite scule si dispozitive de prelucrare sau instrumente de măsură care in 4
timpul utilizării trebuie sa aibă o anumita orientare spaţiala sau sî descrie o anumita traiectorie intr-un volum
dat. Mecanismele paralele sunt mecanisme formate din doua platforme :una considerata a fi fixă si una
considerată a fi mobilă ; cele doua platforme sunt legate intre ele prin “n” lanţuri cinematice independente,
mişcarea platformei mobile fiind introdusă prin cele “n” lanţuri cinematice.
1.2. Clasificarea mecanisnelor paralele
mecanisme cu ghidare spaţială în 3 punctemecanisme cu ghidare spaţială în 6 puncte
Aceasta clasificare presupune satisfacerea următoarelor condiţii: a) mecanismele paralele cu ghidare în şase puncte sunt antrenate numai de la batiu, cuplele motoare de pe treapta I fiind cu f =1;
b) fiecare treaptă are un acelaşi număr de cuple;
c) fiecare treaptă are aceleaşi tipuri de cuple ;
d) există o singură treaptă pe care sunt : cuple sferice cu f =3 de tipul : “sferă curbă “ GK sau “curbă sferă” KG cu f =4; ori cuplă “sferă suprafaţă” GF sau cuplă “suprafaţă sferă” FG cu f =5.
e) întroducerea mişcărilor se face pe treapta I sau II.
Mecanismele cu ghidare în 6 puncte pot fi:a) mecanisme paralele de tip I la care cele 6 puncte Ai aparţinând platformei mobile, se deplasează
pe 6 suprafeţe mobile, fiecare cu 1 g.d.l. în raport cu batiulb) mecanisme paralele de tip II unde cele 6 puncte ghidate aparţinând platformei mobile se
deplasează pe 6 curbe mobile (fiecare cu 1 g.d.l. în raport cu batiul) şi respectiv pe 6 alte curbe în raport cu efectorul final .
c) mecanisme paralele de tip III la care cele 6 puncte ghidate aparţinând platformei mobile se deplasează pe 6 curbe fixe (fiecare cu 1 g.d.l. în raport cu batiul) şi respectiv pe 6 alte suprafeţe în raport cu platforma mobilă.
Mecanismele spaţiale ghidate în 3 puncte au acţionatori pe nivelul I şi II pornind de la batiu înspre platforma mobilă. Acestea se împart în:- mecanisme paralele de tip A la care cele 3 puncte Ai aparţinând platformei mobile, se deplasează pe 3 curbe mobile, fiecare cu 2 g.d.l. în raport cu batiul.- mecanisme paralele de tip B la care 3 puncte ghidate aparţinând platformei mobile se deplasează pe 3 curbe mobile (fiecare cu 1 g.d.l. în raport cu batiul) şi respectiv pe alte 3 curbe în raport cu platforma mobilă.
J.P.Merlet imparte robotii paraleli in doua categorii functie de tipul de actionatori: cu actionatori rotativi ( actionări de motoare electrice) si cu actionatori liniari ( ce pot fi : electrici, pneumatici sau hidraulici).
Alţi autori propun utilizarea unor actionatori nonconventionali de exemplu de tip electromagnetic Un alt criteriu de clasificare ţine cont de integrarea roboţilor paraleli in mediul industrial. Se ia în considerare volumul de lucru mai redus ca la roboţii seriali. Din acest punct de vedere in accepţiunea lui J.P.Merlet vorbim de:
roboţi paraleli independenţi cuplaţi în aplicaţiile industriale cu roboţi seriali.Intr-o astfel de structură robotul paralel este cunoscut sub numele de “mâna stângă”.
structuri hibride în care mecanismul paralel este fixat în partea terminală a unui robot serial. Mecanismul paralel asigură compleanţa întregii structuri.
F.Pierrot si alţii împart roboţii paraleli în categorii: 1. roboţi deplin paraleli la care numărul legaturilor între platforme este egal cu numărul gradelor de libertate.
5
2. roboţi mixti cu o structură combinată3.roboţi uşor paraleli, comportă o structura uşoară ce are avantaje certe legate de comportarea
dinamică ( viteze si acceleratii foarte mari)Fig.1. Masa de poziţionare dupa 6 axe combinat cu o freza „HEXABOT”
1.3. Acţionarea mecanismelor paralele
1.3.1 Acţionarea pneumatică:
Avantajul principal al acţionării pneumatice îl constituie faptul că este prezent în majoritatea posturilor
de lucru industriale a agentului de lucru aerul comprimat.
Acţionarea pneumatica este simplă ,permite viteze mari de lucru dar este soluţia cea mai puţin precisă şi
totodată permite obţinerea unor forţe relativ mici.
Principalele variante ale acţionării pneumatice sunt:
Actionare pneumatica secventiala
Actionare pneumatica asistata hydraulic
Actionarea pneumatica de precizie
1.3.2. Acţionarea hidraulică
Permite obţinerea unor forţe foarte mari la precizii ridicate dar este o soluţie mai putin curată din cauza
scăpărilor inevitabile de ulei din sistemul hidraulic. De asemenea acţionarea hidraulică necesită condiţii de mediu
( temperatura ) stricte şi nu permite viteze ridicate de lucru. Variantele de acţionare cele mai raspândite sunt: