Buzdugan I.D., Mogan Gh.L. Proiectarea roboților ficși. Universitatea Transilvania din Braşov

Anexa.1.1.3 Caracteristicile și performanțele roboților

Aprecierea performanţelor funcţionale, constructive, de exploatare şi de reparare, în multitudinea aspectelor posibile şi cu implicaţii în proiectarea funcţională şi constructivă a unui robot industrial şi, în mod special, a sistemului mecanic al acestuia, se poate face prin analiza caracteristicilor principale prezentate în fig.1.

Fig. 1 - Caracteristicile roboţilor industriali

Caracteristici şi performanţe globale

Dexteritatea este dată de capacitatea potenţială a unui sistem mecatronic (robot industrial), cu anumite grade de mobilitate, caracteristici geometrice, cinematice şi dinamice, de a realiza anumite mişcări, de a atinge anumite puncte din spaţiu, de a prinde anumite obiecte etc., pe de-o parte, şi de capacitatea reală de a pune în practică aceste posibilităţi prin intermediul sistemelor de acţionare, de comandă şi control, pe de altă parte.

Versatilitatea este dată de capacitatea robotului de a realiza diverse funcţii şi de a produce acţiuni multiple în cazul unei aplicaţii tehnologice date. Realizarea unor cerinţe specifice cum ar fi cele legate de montaj, de manipulare, de prelucrare sau de măsurare se poate face cu roboţi industriali universali prin ataşarea unor dispozitive specializate. Versatilitatea mărită a unui robot industrial se evideţiază prin multiple posibilităţi şi facilităţi de manipulare, de prelucrare şi de măsurare.

Autoadaptarea defineşte capacitatea unui robot industrial de a lua decizii de realizare a unor operaţii, ţinând cont de modificările sesizate în spaţiul de operare.

Pornind de la generalitatea acestor caracteristici şi de la multitudinea factorilor care le influenţează evaluarea cantitativă pentru un caz concret este greoaie şi, de obicei, aprecierea unor performanţe de comportare globale se face numai calitativ.

Caracteristici şi performanţe generale

De obicei, caracteristicile generale, menţionate în cataloagele şi/sau fişele tehnice, descriu capabilitatea, structura hard-soft şi performanţele funcţionale şi de exploatare ale unui robot ca produs finit.

Valoarea sarcinii utile (capacitatea de încărcare nominală) reprezintă cea mai mare masă a obiectului manipulat (incluzând şi masa dispozitivului de prehensiune ataşat), care poate fi manipulată cu menţinerea prehensiunii în orice configuraţie a structurii şi în condiţiile dinamice extreme de deplasare. Sarcina utilă manipulată, ca valoare minimă a sarcinilor posibile a fi manipulate în condiţii normale, este de 3…4 ori mai mică decât sarcina manipulabilă în aceste condiţii. Uneori, în cataloage de produs se poate indica şi valoarea sarcinii admisibile în condiţii cinematice reduse, la viteze şi acceleraţii înjumătăţite faţă de cele nominale.

Capacitatea de manipulare de către robot a obiectului de lucru (manipulat) nu este influenţată numai de masa acestuia ci şi de momentele de inerţie care sunt dependente şi de forma şi dimensiunile acestuia. Pentru considerarea sarcinii dinamice, momentele de inerţie mecanice asociate obiectului manipulat (uneori, împreună cu dispozitivul de prehensiune) se pot defini sintetic, în raport cu un sistem de coordonate asociat flanşei de fixare a dispozitivului de prehensiune, prin matricea de inerţie

Tipul structurii mecanice se specifică, de obicei, în cataloagele firmelor producătoare de roboţi industriali, având influenţă directă şi asupra altor parametri caracteristici. Dintre structurile standard ale roboţilor comerciali (rectangulare, cilindrice, sferice, articulate vertical sau orizontal), sunt întâlnite frecvent cele sferice şi cele articulate vertical.

Mobilitatea unui robot industrial este determinată de numărul de mişcări independente care pot fi realizate de sistemul mecanic al acestuia şi care asigură gradele de libertate ale obiectului manipulat. Mişcarea de prehensare nu se consideră ca grad de mobilitate asociat structurii unui robot. În prezent majoritatea roboţilor industriali universali au mobilitatea 5 sau 6 (fig. 2), dar există încă un număr considerabil de roboţi cu 4 sau chiar 3 grade de mobilitate (în special, cei acţionaţi pneumatic).

Fig. 2 - Statistica roboţilor industriali după mobilitate

Tipul motoarelor de acţionare a subsistemelor de antrenare a cuplelor conducătoare este de importanţă deosebită, influenţând direct și alţi parametri de performanţă. În practică se evidențiază frecvenţa mărită a roboţilor acţionţi electric care asigură precizii mărite în raport cu cei acționați hidraulic, pneumatic sau electro-hidraulic (fig. 3).

Fig. 3 - Statistica roboţilor industriali după tipul acţionării şi precizie

Mărimile deplasărilor (curselor), corespunzătoare cuplelor motoare, se exprimată în mm pentru cuplele de translaţie şi în grade pentru cele de rotaţie. Cuplele de translaţie din considerente de menţinere a preciziei nu pot depăşi curse de 1000…1500 mm. Pentru rotaţia verticală în jurul bazei, de obicei, valoarea maximă a cursei poate fi 300^o …360^o . Rotirile articulaţiilor, prin intermediul mecanismelor de antrenare cu bare, cu şurub-piuliţă sau cu cilindru hidraulic, uzual, sunt limitate la 90^o …120^o . Pentru mişcările sistemului de orientare cu axe concurente cu trei mobilităţi, din considerente constructive, prima şi ultima rotaţie, de obicei, au 180^o şi rotirea intermediară are 90^o …120^o .

Distanţa maximă se defineşte ca fiind dată de valoarea lungimii segmentului determinat de centrul cuplei asociat bazei şi punctul cel mai îndepărtat atins de flanşa de fixare a dispozitivului de prehensiune. În cataloagele de produs, de obicei, se specifică proiecţiile acestei distanţe în planele orizontal şi vertical.

Dimensiunile de gabarit şi masa totală sunt de importanţă deosebită pentru aplicaţia în care se implementează, precum şi pentru celelalte caracteristici funcţionale ale robotului.

Tipul controlerului şi modul de programare, de obicei, menţionate în cataloagele firmelor producătoare, indică caracteristicile şi performanţele sistemului de comandă şi tehnica de programare accesibilă.

Rezoluţia este cea mai mică valoare dimensională (de translaţie sau de rotaţie) care poate fi programată astfel încât să apară modificări de poziţie sau de orientare la efector. Valoarea mică a rezoluţiei este determinată de rezoluţiile subsistemelor din componenţa sistemelor de acţionare, senzorial şi de comandă şi implică abilitatea obţinerii de traiectorii cu toleranţe scăzute.

Caracteristici şi performanţe geometrice

Spaţiul de lucru (operare) al structurii mecanice a unui robot este domeniul geometric compus din toate punctele care pot fi atinse de un punct asociat flanşei de fixare a dispozitivului de prehensiune. Acesta este o caracteristică importantă a unui robot industrial, uneori fiind influenţată semnificativ şi de formele şi dimensiunile efectorului. Din punct de vedere cinematico-static, spaţiul de lucru poate fi definit ca fiind compus din punctele care pot fi atinse de punctul caracteristic cu vitezele şi încărcările necesare. Specificaţiile de operare ale unui robot industrial trebuie să excludă anumite zone din spaţiul de lucru în care mecanismele de poziţionare şi de orientare degenerează, deoarece în punctele acestor zone sau în cele adiacente, numite singularităţi, nu pot fi atinse vitezele necesare. De obicei, spaţiul de lucru, ca formă şi dimensiuni, se indică în cataloage prin două proiecţii (secţiuni), una în plan vertical şi alta în plan orizontal. Volumul şi forma spaţiului de lucru sunt performanţe cu importanţă deosebită în aplicaţiile practice şi reprezintă capabilităţi majore ale unui robot industrial. Utilizarea unui robot este sever limitată pentru anumite aplicaţii când spaţiul de lucru are zone "moarte" care nu pot fi atinse. Compararea structurilor mecanice ale roboţilor industriali, din punct de vedere al spaţilui util, se poate face şi prin raportul dintre volumului spaţiului de manevră şi volumul spaţiului de lucru. Valori mari ale acestui raport implică performanţe scăzute ale structurii mecanice privitor la spaţiul ocupat de acesta.

Din punct de vedere al volumului spaţiului de lucru, cuantificat prin mărimea dimensiunii medii x a acestuia, exprimată în m, roboţii industriali pot fi: micoroboţi, mici, medii şi mari. Marea majoritate a roboţilor industriali implementaţi în practica industrială sunt mici şi cu precădere medii.

Capacitatea de orientare, exprimată prin unghiul sub care se ajunge în punctele spaţiului de operare, este specifică structurii mecanice a mecanismului de orientare şi se poate evalua cantitativ prin factorul de serviciu, S = ε/4π cu ε unghiul solid al tuturor configuraţiilor posibile ale ultimului element al mecanismului de orientare, care pentru o structură de orientare plană devine S = ε/2π De obicei, unghiul de orientare în punctele spaţiului de lucru, nu se specifică pentru roboţii manufacturieri, dar poate fi un factor critic pentru diverse aplicaţii de manipulare şi de montaj.

Precizia de poziţionare, într-un punct din spaţiul de lucru, se descrie prin abaterile poziţiei atinse de punctul caracteristic în raport cu poziţia ţintă programată. Evaluarea acestor abateri se face prin intermediul factorilor de exactitate (acuratețe) şi de repetabilitate [R02].

Exactitatea (acurateţea) de poziţionare se defineşte ca fiind distanţa e (fig.4) dintre centrul distribuţiilor punctelor atinse de punctul caracteristic şi punctul ţintă programat.

Repetabilitatea de poziţionare ca o măsură a capacităţii de păstrare a ultimei poziţii atinse de efector se măsoară prin semidistanţa r (fig. 4 dintre punctele extreme atinse, dintrun grup de mai multe puncte atinse. Acest parametru se poate evalua şi prin semidimensiunea bazei distribuţiei statistice a punctelor atinse de punctul caracteristic la repetarea comenzii de poziţionare în acelaşi punct ţintă. Atât valorile exactitatăţii cât şi ale repetabiltăţii de poziţionare sunt influenţate de: frecări; acumulările histerezice; jocuri; rigidităţile braţelor, cuplelor şi subsistemelor de antrenare; timpul de stabilizare a oscilaţiilor la oprire. Precizia de poziţionare foarte bună (apropiată de cea ideală) se evidenţiază prin "apropierea" mărită a punctelor atinse de punctul caracteristic de punctul ţintă (fig.5,a), spre deosebire de poziţionarea mai puţin bună datorită repetabilităţii mărite (fig.5,b) sau datorită exactităţii (acurateţii), de asemenea, mărită (fig.5,c). Schimbarea punctului ţintă programat în spaţiul de operare conduce la modificarea exactităţii (acurateţii) şi repetabilităţii de poziţionare, uneori cu până la a zecea parte din valoare. Cele mai mari valori pentru exactitatea (acurateţea) şi repetabilitatea de poziţionare sunt cerute de operaţiile de asamblare şi de inspecţie.

Fig. 4 - Parametrii preciziei de poziţionare

Fig. 5 – Cazuri posibile privind precizia de poziţionare: a – cu exactitate și repetabilitate mărite; b – exactitate redusă; b – repetabilitate redusă

În fig. 6 şi 7 se prezintă valorile uzuale ale exactităţii (acurateţii) şi, respectiv, repetabilităţii de poziţionare, cu menţionarea frecvenţelor întâlnite în practica realizării de roboţi industriali. Din punct de vedere al repetabilităţii, ponderea cea mai mare o au roboţii cu valorile acesteia 0,1…0,5 mm.

Fig. 6 – Statistica roboţilor industriali după repetabilitaea de poziţionare

Fig. 7 – Statistica roboţilor industriali după repetabilitaea de poziţionare

Luând-se ca şi criteriu de clasificare, precizia de poziţionare (fig. 6), roboţii industriali pot fi: cu precizie redusă, e > 1 mm, pentru operaţii de transport şi tehnologice nepretenţioase; cu precizie medie, 0,1< e < 1 mm, întâlniţi cu frecvenţă mărită pentru operaţii de poziţionare obişnuite; cu precizie ridicată, e < 0,1 mm, folosiţi pentru operaţii de montaj precise şi pentru inspecţie.

...