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

Subcap.TR.6.1 Aspecte generale privind cuplajele din componența roboților

Definire și clasificare

Cuplajele mecanice sunt subansamble distincte sau sisteme de elemente constructive care realizează legătura între două elemente ale unui lanţ cinematic, în scopul transmiterii puterii, făra a se modifica parametrii acesteia (mişcarea de rotaţie şi momentul de torsiune).

Pe lângă această funcţie principală, cuplajele mecanice pot răspunde uneia sau mai multora din următoarele funcţii secundare:

- de compensare a abaterilor de poziţie ale axelor elementelor constructive legate,

- de protecţie la vibraţii şi şocuri,

- de comandă a mişcării şi

- limitări de sarcini, de turaţii sau de sens.

Cuplajele mecanice se întâlnesc într-o diversitate de forme constructive şi din punctul de vedere al posibilităţii de întrerupere a transmiterii puterii pot fi cuplaje permanente, cu transmiterea continuă a puterii, sau cuplaje intermitente, cu posibilităţi de întrerupere a transmiterii acesteia.

La rândul lor cuplajele permanente se împart în cuplaje fixe, fără posibilităţi de compensare a abaterilor axelor elementelor pe care le leagă, sau cuplaje mobile, compensatoare a acestor abateri, prin intermediul unor elemente rigide în mişcare relativă (cuplaje axiale, radiale, unghiulare sau combinate) sau prin deformaţiile unor elemente elastice (cuplaje elastice).

În funcţie de modul de cuplare/decuplare, cuplajele intermitente se grupează în cuplaje comandate (mecanic, hidrostatic, pneumostatic sau electromagnetic) şi cuplaje automate.

Pentru cerinţele de precizie impuse de sistemele mecanice ale produselor mecatronice, cuplajele mecanice trebuie să asigure rigiditate torsională mărită, pe de-o parte, şi flexibilitate transversală mărită în plan frontal, pentru compensarea abaterilor geometrice ale axelor elementelor legate - prin inducerea de forţe micşorate în lagărele adiacente - pe de altă parte. Aceste cuplaje, de obicei, cu elemente elastice se comportă ca cele din grupa cuplajelor permanente mobile rigide combinate (axiale, radiale şi unghiulare), care datorită particularităţilor de rigiditate torsională şi flexibilitate transversală mărite se mai numesc şi cuplaje flexibile.

Cuplaje pentru roboți

Cuplaje flexibile cu rigiditate torsională mărită

Aceste cuplaje elastice caracterizate de rigiditate torsională mărită, cu posibilităţi de compensare a abaterilor axiale, radiale şi unghiulare, datorită flexibilităţii în plan transversal (frontal) a elementului elastic, sunt adecvate pentru subsistemele mecanice de antrenare a cuplelor roboţilor. În fig. 1 se prezintă soluţia constructivă a cuplajului cu discuri flexibile care realizează transmiterea în paralel a fluxului de forţă de la cele două bolţuri montate în locaşurile semicuplajului conducător la alte două bolţuri solidarizate cu semicuplajul condus, prin intermediul unui unui pachet de discuri inelare. Rigiditatea torsională, precum şi flexibilitatea transversală, sunt influenţate de configuraţia discurilor (fig. 1, discuri circulare; fig. 2 şi fig. 3, necirculare). Pentru mărirea flexibilităţii transversale, se pot adopta soluţii constructive cu discuri neconcentrice, cu alezajele bolţurilor conducătoare şi conduse poziţionate pe cercuri diferite (fig. 2,a) sau cu element intermediar compus din sectoare (fig. 2,b).

Fig. 1 Cuplaj flexibil cu discuri

Fig. 2 Discuri flexibile necirculare

Fig. 3 Discuri flexibile neconcentrice şi sectoriale

În fig. 4 se prezintă cuplaje flexibile cu tuburi gofrate care pentru fixarea pe arbori, utilizează şuruburi dispuse radial (fig. 4,a), în cazul momentelor de torsiune mici (cuplaje cinematice), sau şuruburi tangenţiale (fig. 4,b), pentru momente de torsiune mai mari.

Fig. 4 Cuplaje flexibile cu tuburi gofrate

Specifice transmisiilor mecanice ale sistemelor mecatronice sunt şi cuplajele flexibile monobloc cu fante radiale (fig. 5). Pentru a se asigura cu precizie mărită legarea acestor cuplaje la arborii conducător şi condus se pot folosi asamblări prin fricţiune cu strângere cu şurub tangential (fig. 5,a), la momente de torsiune mici, sau cu inele tronconice şi şuruburi axiale (fig.5,b), la momente de torsiune mari.

Fig. 5 Cuplaje flexibile monobloc cu fante radiale

În cazul sistemelor mecanice ale produselor mecatronice când momentul de torsiune transmis de cuplaj este nesemnificativ, dar se impune precizie mărită (de exemplu, cuplarea traductoarelor de rotaţie), pentru transmiterea mişcării se utilizează cuplaje flexibile cinematice. În fig. 6 se prezintă două variante de cuplaje flexibile cu fante elicoidale. Aceste variante pot fi cu fixare pe arbore cu șuruburi radiale (fig.6,a) sau cu șuruburi tangențiale (fig. 6,b).

Fig. 6 Cuplaje flexibile monobloc cu fante radiale

Pentru protecţia subansamblelor mecanice complexe la suprasarcini, se pot utiliza cuplaje de siguranţă sau combinate. În fig. 7 se prezintă cuplajul combinat realizat de firma VMA-NC Meβ und Antriebstechnik GmbH, compus dintr-un cuplaj flexibil monobloc cu fante radiale, înseriat cu un cuplaj de siguranţă cu bile, cu momentul de decuplare reglabil prin deformarea unui set de arcuri disc.

Fig 7 Cuplaj combinat (flexibil şi de siguranţă)

Cuplaje intermitente

În vederea blocării lanţurilor cinematice reversibile de poziţionare şi de orientare ale roboţilor industriali se pot utiliza cuplajele intermitente cu fricţiune comandate electromagnetic, care funcţionează în regim de frână. În fig. 8 se prezintă soluţiile constructive a două tipuri de frâne electromagnetice cu discuri de fricţiune, permanent deschise. Aceste frâne, cu pachete de câte două discuri, unul din oţel şi altul, de asemenea, din din oţel dar cu strat sinterizat, funcţioneză fără ungere, precum şi în ulei. Varianta din fig.8,a are pachetul de discuri nestrăbătut de fluxul magnetic, spre deosebire de varianta din fig.8,b, cu discurile străbătute de fluxul magnetic.

a

b

Fig 8 Cuplaje intermitente (frâne) cu discuri de fricțiune comandate electromagnetic

Cuplaje radiale (Oldham)

…