1

1.1. DEFINIŢII, DOMENII DE UTILIZARE, EVOLUŢIE

Robotul este un sistem automatizat de înalt nivel al cărui principal rol este manipularea pieselor şi uneltelor,înlocuind acţiunea umană.

Principalele aplicaţii în care utilizarea roboţilor industriali are avantaje evidente sunt: încărcarea şi descărcarea maşinilor unelte cu comandă numerică; sudură prin puncte sau pe contur; operaţii de ansamblare; vopsire; turnarea în forme a pieselor mari; controlul calităţii; manipularea substanţelor toxice, radioactive;

Robotul industrial este definit în prezent ca un manipulator tridimensional, multifuncţional, reprogramabil,capabil să deplaseze materiale, piese, unelte sau aparate speciale după traiectorii programate, în scopul efectuăriiunor operaţii diversificate de fabricaţie.

Importanţa acordată roboticii, domeniile de activitate semnificative sunt prezentate în figura 1.1.:

Fig. 1.1. a. Repartiţia roboţilor industriali pe domenii de activitate; b. Evoluţia parcului de roboţi industriali înprincipalele ţări dezvoltate

Roboţii mobili (independenţi) utilizaţi din ce în ce mai mult în diverse aplicaţii pentru a îndeplinisarcini complexe în spaţii sau medii în care accesul omului este dificil sau imposibil: mediu marin laadâncimi foarte mari, inspecţia anumitor instalaţii din industria chimică sau nucleară.

Nanoroboţi, medicină pentru microoperaţii.

14%

8%

17%

39%

20%

2%

Turnatorie

Vopsire

Deservire MU

Sudura

Intretinere

Alte domenii

19%

4%

8%

25%

21%

23%

Ansamblare

Vopsire

Deservire MU

Sudura

Intretinere

Alte domenii

0

10000

20000

30000

40000

50000

S.U.A. Japonia Germania Franta Anglia Italia

Ro

bo

ti

1985

1990

1995

2000

a.

b.

2

Maşini unelte

Maşini unelte cu comandă program (CP)1. comandă prin came profilate;2. comandă prin copiere după şablon;3. comandă secvenţială.

Maşinile unelte cu comandă numerică (CN) Maşini unelte cu comandă numerică asistată de calculator (CNC).

Sistemul CNC faţă de sistemul CN are numeroase avantaje:1. un software mai puternic (set de instrucţiuni extins al noilor generaţii de procesoare);2. utilizarea limbajelor de programare evoluate simplifică activitatea de programare;3. memoria RAM de mare capacitate permite memorarea tuturor programelor – piesă acestea putând fi

testate şi corectate pe echipament;4. posibilitate de adaptare la diverse tipuri de maşini unelte prin modificări hardware minime datorită

interfeţei programabile cu echipamentele convenţionale;5. scăderea volumului hardware prin implementarea software a unor funcţii a acestuia;6. scăderea semnificativă a timpului de depanare datorită facilităţilor de autotestare şi diagnoză.

1.2. TERMINOLOGIE SPECIFICĂ ROBOTICII

Pentru diferitele componente ale roboţilor industriali, figura 1.2., s-au definit termeni specifici care vor fiutilizaţi şi în lucrarea de faţă prin preluarea termenilor din literatura anglo – saxonă.

Fig. 1.2. Robot industrial bază; structură purtătoare; articulaţia pumnului; efector; element cuplor; axă.

Sursă deenergie

Sistem de programare

Sisteme de comandă,acţionare şi senzorial

axa 5

axa 1

Bază

axa 6

axa 3

axa 2

axa 4

Structura mecanică

structurăpurtătoare:axe 1, 2, 3

articulaţia pumnului:axe 4, 5, 6

3

Arhitectura de bază a roboţilor industriali actuali este prezentată în figura 1.3.:

Fig. 1.3. Arhitectura roboţilor industriali

mediu de lucru; sarcină; structura mecanică; sistem de acţionare; sistem de comandă; sistem de prelucrare senzorial; sistem de programare; sursa de energie; I / O modulul de intrări – ieşiri; magistrala industrială.

1.3.1. Clasificarea manipulatoarelor şi roboţilor pe generaţiiClasificarea pe generaţii foloseşte drept criteriu de bază capacitatea maşinii de percepere şi interpretare a

semnalelor din mediul exterior, precum şi de adaptare la mediu în timpul procesului de lucru.

Manipulatoarele manuale (prima generaţie); Manipulatoare automate (generaţia a doua); Manipulatoare inteligente (generaţia a treia); Roboţii industriali din prima generaţie sunt manipulatoare automate programabile, având cel puţin 3 axe

(dintre care cel puţin 2 axe sunt programabile prin învăţare sau printr-un limbaj simbolic).

Roboţii industriali din generaţia a doua; Roboţii industriali din generaţia a treia sunt dotaţi cu senzori inteligenţi (prelucrare locală a informaţiei) şi

utilizează elemente de inteligenţă artificială; Roboţii inteligenţi sunt dotaţi cu programe de inteligenţă artificială avansate, au capacitate de autoinstruire.

Majoritatea roboţilor industriali folosiţi în prezent sunt din generaţia 1 şi 2.

SISTEM DEPROGRAMARE

P

SURSĂ DE ENERGIE

SISTEM DECOMANDĂ

C

SISTEM DEACŢIONARE AXE

SISTEM DEPRELUCRARESENZORIAL

STRUCTURĂMECANICĂ

MEDIU DE LUCRU

comenzi axe

măsurări traductoriinterni

sarcină

măsurăritraductori

externi

Mo

dul

ul

sen

zori

alşi

de

dec

izie

Mo

du

lul

oper

aţio

nal

instrucţiuni ROBOT INDUSTRIAL

I / O

magistralăindustrială

4

1.3.2. Clasificarea roboţilor industriali în funcţie de scara evolutivă a treptelor de automatizareSursa de

informaţiiEnergia Treapta Descriere

10 Maşină care se autoperfecţionează:robot cu inteligenţă artificială

9 Maşină cu program adaptabil în funcţie decondiţiile externe: robot cu elemente deinteligenţă artificială, robot industrialgeneraţia 3

Mediul exterior

8 Maşină care îşi corectează programul înfuncţie de condiţiile de lucru: maşinăunealtă cu comandă adaptativă

7 Maşină universală programabilă: sistem saucentru de prelucrare cu CNC, robotindustrial generaţia 2

Program variabil(programabilitate)

6 Maşină monooperaţie programabilă: maşinăunealtă cu CN, robot industrial generaţia 1

5 Maşină automată pentru operaţii multiple:strung cu prelucrare automată, automat demontajProgram fix

Electrică

Hidraulică

Pneumatică

4 Maşină automată monooperaţie: automat demontaj rigid, manipulator automat

3 Sculă mecanizată, maşină comandatămanual, manipulator manual (teleoperator)

2 Sculă de mânăOm

Mecanică

Manuală 1 Mână

Clasificarea roboţilor industriali în funcţie de complexitateCaracteristica Generaţia 1 Generaţia 2 Generaţia 3

Generareatraiectoriei

punct cu punct pe contur prin interpolator de traiectorie

Controlulpoziţiilor

limitatoare depoziţie asociate cu traductoare

analogice

traductoare numerice traductoare numerice asistatede senzori inteligenţi

Capacitateamemoriei

un singur program:pentru traiectorie zeci depoziţii, pentru programulaplicaţie sute instrucţiuni

max. 2 Ko

mai multe programe:pentru traiectorie sute depoziţii, pentru programulaplicaţie sute instrucţiuni

max. 5 Mo

limitată la capacitatea destocare a HDD

Modul deprogramare

prin învăţare directă, limbajmaşină sau simbolic

limbaj propriu de nivel înaltderivat din limbajele deprogramare Pascal, C

limbaj de nivel înalt,programare orientată pe

obiecte

Legătura cuexteriorul

interblocări şi sincronizăriîntre robotul industrial şi

poziţia unor piese saudispozitive, comenzile

maşinilor deservite

Senzori tactili, de efort,proximitate şi vizuali (cameră

video)

senzori inteligenţi (sonar,telemetru laser, camere video,

etc.) cu prelucrare locală ainformaţiei

Capacitatea dedecizie

nu avansează în program decâtdacă sunt confirmate condiţiilede interblocare şi sincronizare

programate

capabil să ocolească obstacole,să identifice forma unui numărlimitat de obiecte în funcţie decontur, masă, rugozitate printraductori şi dispozitive deapucare special adaptate

identifică forma obiectelorîmprăştiate în funcţie de

caracteristicile proprii şi lepoziţionează în poziţia corectă

de montaj; alege ordineaoperaţiilor, traiectoriile optime

1.4. Parametrii tehnici ai roboţilor 19

PARAMETRII TEHNICI AI ROBOŢILOR

Cunoaşterea parametrilor tehnici permite alegerea corectă (raport preţ/ performanţă) a robotuluicare urmează să deservească procesul ce se intenţionează a fi modernizat. Parametrii tehnici cei maiimportanţi sunt:

Rezoluţia unui sistem este dată de mărimea unităţii elementare pe care acesta o poate procesa. Încazul roboţilor rezoluţia depinde de: rezoluţia sistemului de programare; rezoluţia traductorilor ce asigură controlul în buclă închisă.

Precizia statică exprimă diferenţa între poziţia comandată Pc şi media poziţiilor realizate Pm dedispozitivul efector.

Fig. 1.3. Precizia statică

comandaoritmiarecmecanicsistemrecROBOTezROBOTrec PPRP lg5,0

Repetabilitatea statică de poziţionare reprezintă o mărime statistică asociată noţiunii de precizie,pe care o completează. Astfel pentru aceeaşi mişcare, în condiţii identice de mediu şi sarcină, semăsoară poziţiile finale ale efectorului care, vor prezenta o anumită dispersie Pi ; i=1…n , figura 1.4., faţăde poziţia comandată Pc :

Fig. 1.4. Definirea rezoluţiei, preciziei şi a repetabilităţii statice

Valoarea maximă absolută a dispersiei de poziţionare în raport cu valoarea medie de poziţionare Pm

reprezintă repetabilitatea statică a robotului.

0

z

x

poziţia comandatăXc ; Yc ; Zc

Pc

Pm

Pi , i=1..n

poziţia medie realăXm ; Ym ; Zm

poziţii realizate

Prec

y

precizie rezoluţierepetabilitate

Pc Pm Pi

scară măsurătraductor poziţie

1. Introducere în robotică20

Spaţiul de lucru al manipulatorului sau robotului este dat de volumul în care este posibil să segăsească elementele structurii mecanice. Spaţiul de lucru util este volumul maxim, descris detotalitatea mişcărilor robotului, în care se poate găsi efectorul în timpul funcţionării conform figurii1.5.:

Fig. 1.5. Spaţiul de lucru util

Numărul gradelor de libertate este dat de numărul maxim al deplasărilor posibile ale efectoruluifără a include mişcarea de prehensiune.

Sarcina utilă reprezintă masa maximă pe care o poate manipula dispozitivul de prehensiune alrobotului (valori uzuale în gama 0,5…20 Kg).

Performanţele constructive şi de comandă ale aceleiaşi clase de roboţilor pot diferi destul de mult,în funcţie de producător, dacă sunt comparaţi parametrii tehnici. De aceea de multe ori sunt preferaţiurmătorii parametri globali de analiză: parametrul privind supleţea şi eficienţa intervenţiei în spaţiul de lucru:

]/[; 31 Nm

G

VK (1.8)

unde V este volumul spaţiului de lucru; G – greutatea robotului în condiţii de funcţionare. parametrul capacităţii gravitaţionale specifice de manipulare:

G

GK 1

2 (1.9)

unde G1 reprezintă greutatea obiectului manipulat. parametrul de apreciere globală a calităţilor tehnice:

]/[; 313 mmm

PG

GVK

rec

(1.10)

unde Prec reprezintă precizia statică de poziţionare.Pentru valori mari ale parametrului global K3 se apreciază că pe ansamblu, robotul industrial analizat

îndeplineşte într-un grad mai înalt standardele de performanţă.

3.300

750

1501.0302.460

1.120

Rmax = 2.550

2. STRUCTURA MECANICĂ A ROBOŢILOR

2.1. ARHITECTURA GENERALĂ A ROBOŢILOR

2.1.1. Noţiuni despre mecanisme

Grade de libertate. Poziţia şi orientarea unui solid nedeformabil în spaţiu, într-un sistem decoordonate, este definită prin maxim 6 numere reale independente: 3 unghiuri de rotaţie , , , în raport cu axele de coordonate x, y, z; coordonatele carteziene x, y, z ale unui punct caracteristic al solidului.

Legături mecanice. Numărul de grade de libertate al unei legături mecanice este determinat denumărul de mişcări independente permis de legătură. În tabelul 2.1. sunt prezentate cele mai uzualelegături mecanice în reprezentare plană şi spaţială:

Tabelul 2.1. Reprezentarea legăturilor mecaniceDenumirelegătură

Reprezentare plană Reprezentare spaţială K

translaţie 1

rotaţienelimitată

1

rotaţielimitată

1

translaţieelicoidală

1

pivot 2

rotulă 3

plană 4

C1

C2 C1C2

C2

C1

C2

C1

C2 C1

C2

C1

300

300

C1

C2

C1

C2

C2

C1 C1

C2

C1

C2

C1

C2

C2

C1 C1

C2

Mobilitatea mecanismelor. Este un parametru caracteristic determinat de numărul mişcărilorindependente posibile. Mobilitatea unui robot este identică cu numărul de axe (mai puţin dispozitivulde prehensiune). Pentru roboţii industriali mobilitatea are valorile 3 m 7.Numărul gradelor de libertate necesar executării unei anumite operaţii se numeşte grad de libertate asarcinii Ks 6.

Redondanţă, poziţie particulară. Dacă Ks < m pentru toate configuraţii unui robot, atunciacesta este redondant: are un număr de axe mai mare decât numărul de axe necesar efectuăriioperaţiilor de complexitatea cerută de procesul tehnologic.

Fig. 2.1. Roboţi industriali cu redondanţă

Dacă Ks < m numai pentru anumite configuraţii ale structurii mecanice, acestea se numesc poziţiiparticulare caracterizate de redondanţă locală, figura 2.2.:

Fig. 2.2. Poziţie particulară cu redondanţă locală

Lanţ cinematic. Structura mecanică a roboţilor este realizată din corpuri rigide Cj legate prinlegături mecanice Lj astfel încât să formeze lanţuri cinematice funcţionale. Cele mai uzuale legăturisunt cele de translaţie, rotaţie nelimitată şi rotaţie limitată. În funcţie de aplicaţie la construcţiastructurii purtătoare (primele 3 axe) se utilizează următoarele variante de lanţuri cinematice: lanţ cinematic deschis; lanţ cinematic arborescent; lanţ cinematic închis.

axa 1 axa 5

axa 1

axa 8

a. b.

Fig. 2.3. Lanţuri cinematice: a. deschis; b. arborescent; c. închis

Coordonate articulare, coordonate operaţionale.Coordonatele articulare (de axă) sunt mărimi, variabile în timp (unghiuri, lungimi), ce definescconfiguraţia structurii mecanice a robotului la un moment dat.

Fig. 2.4. Coordonate articulare

Coordonatele operaţionale xi (i = 1…m) sunt variabilele care definesc poziţia şi orientarea obiectuluimanipulat în raport cu un sistem de coordonate fix [O0, x0, y0, z0], ataşat bazei robotului (batiului).

Fig. 2.5. Coordonate articulare, operaţionale

a. b. c.

C1

L1

Cj+1

C2

Cn

L2

Lj

Lj+1

Ln

Ln-1

O

q2q1

y0

x0

z0

qj ; j=1…m

O0

qj-1

xi ; i=1…12

2.1.1. Structuri mecanice purtătoare cu lanţ cinematic deschis

Structurile purtătoare ale roboţilor industriali au în general 3 axe care asigură poziţionarea generală.Structurile mecanice pot fi identificate prin lista simbolurilor legăturilor mecanice pornind de la baza robotului(T – legătură mecanică de translaţie, R - legătură mecanică de rotaţie).

Structura carteziană (TTT).

Fig. 2.6. Structură purtătoare carteziană

Structura cilindrică (RTT).

Fig. 2.7. Structură purtătoare cilindrică

Rezoluţia roboţilor cu structură purtătoare cilindrică nu este constantă, ea depinde de mărimea razei de rotaţie rdintre axa coloanei centrale şi poziţia efectorului.

Fig. 2.8. Rezoluţia pentru elongaţia maximă

mmR purtatoarestructuraez 94,0180

500.1000.10

360

Rezoluţia roboţilor cu structură cilindrică este net inferioară celor cu structură carteziană pentru aceeaşi echipare atraductorilor de poziţie.

rmin

rmax

rmin = 0,5 m

rmax = 1,5 m

rmax

Structura sferică (RRT).

Fig. 2.9. Structură purtătoare sferică

impulsmmR translatieaxaez /01,0000.1

10

(2.3)

impulsmmR rotatieaxaez /17,0180

000.1000.1

360

36

1

Structura bi-cilindrică (RRRT).

Fig. 2.10. Structură purtătoare bi-cilindrică

Roboţii cu structură bi-cilindrică, cunoscuţi şi sub numele SCARA sunt utilizaţi cu precădere în operaţii deansamblare de precizie.

Structură bi-sferică (RRR).

Fig. 2.11. Structură purtătoare bi-sferică

.

2.1.2. Structuri mecanice purtătoare cu lanţ cinematic închis

Elementele suplimentare ataşate structurilor purtătoare cu lanţ cinematic deschis, pot fi utilizate în acelaşitimp pentru consolidarea şi echilibrarea statică a structurii prin preluarea unei părţi din încărcarea generată depropria greutate a axelor, figura 2.12.:

Fig. 2.12. Structuri purtătoare: a. lanţ cinematic deschis; b. lanţ cinematic închis

Se observă că plecând de la o structură purtătoare bi-sferică, rezultă o nouă structură purtătoare, în lanţ cinematicînchis, mai complexă, dar care asigură o precizie mai bună concomitent cu creşterea sarcinii utile manipulate(axa 3 nu mai deplasează elementele de acţionare şi control aferente). Dezavantajul principal al structurilor culanţ cinematic închis este determinat de reducerea flexibilităţii şi a spaţiului de lucru util datorită limitărilorimpuse de legăturile mecanice suplimentare.

a. b.

2.1.3. Structura mecanică a articulaţiei pumnului

Structuri cu mişcări independente. Rolul principal al articulaţiei pumnului este de a asigura orientarea defineţe a dispozitivului efector cu un nivel de flexibilitate cât mai ridicat. cu axe ortogonale concurente; cu axe ortogonale neconcurente.

Fig. 2.13. Structura articulaţiei pumnului cu axe ortogonale concurente

Structura cu axe ortogonale neconcurente elimină dezavantajul limitării curselor unghiulare ale anumitoraxe, obţinându-se la nivelul efectorului o flexibilitate maximă, figura 2.14.:

Fig. 2.13. Structura articulaţiei pumnului cu axe ortogonale neconcurente

O structură cu axe neconcurente, foarte performantă ca nivel de flexibilitate, este articulaţia bi-conică, dezvoltatăde firma Kuka:

Fig. 2.14. Structura bi-conică cu axe neconcurente

O

P

E

P

O

O1

P

E

O2

O2

O1

O1

P

E

O2

Pentru îndeplinirea anumitor aplicaţii ce nu solicită ocolirea unor obstacole (vopsire cupistol, sudură pe contur, operaţii de debitare) şi care utilizează dispozitive sau uneltecu simetrie spaţială, este suficientă o structură a articulaţiei pumnului cu două axe:

Fig. 2.14. Structura articulaţiei pumnului cu 2 axe ortogonale

Structuri cu mişcări dependente. Utilizează un mecanism de orientare tip trompăde elefant, figura 2.15., format din elementele de ghidare Gi, conectate prin legăturilesferice Li. Poziţionarea în spaţiu a elementului cuplor EC se realizează ca rezultat alprepoziţionării simultane a elementelor de ghidare Gi sub acţiunea cablurilor C1, C2,C3, C4 fixate la un capăt de elementul cuplor EC, celălalte capete fiind acţionate demotoarele liniare corespunzătoare.

.

Fig. 2.15. Structură a articulaţiei pumnului de tip trompă de elefant

Calităţile articulaţiei pumnului se determină în funcţie de coeficientul de serviciu definit ca raport între unghiul de serviciu şi valoarea sa teoretică maximă 2:

2 (2.4)

Unghiul de serviciu este definit ca deplasarea spaţială unghiulară maximă aefectorului în raport cu centrul de mişcare P (prin intermediul căruia se asigură fixareala structura mecanică purtătoare).

O1

P

E

P

E

Gi

Li

C1

C2C3

C4

E

P

EC

1

2.2. DISPOZITIVUL EFECTOR

În funcţie de domeniul aplicaţiei dispozitivele efectoare pot diferi foarte mult având în vedere scopul pentrucare au fost proiectate: dispozitive efectoare cu rol de prehensiune; dispozitive efectoare pentru operaţii de sudură; dispozitive efectoare pentru vopsire; dispozitive efectoare pentru prelucrări cu unelte specializate.

Dispozitive efectoare cu rol de prehensiune.

Fig. 2.16. Etapele procesului de prehensiune

Fig. 2.17. Dispozitive de prehensiune din echiparea standard a unui robot industrial

axa dispozitiv prehensiune axa dispozitiv poziţionare

axa obiect manipulat

1. poziţionare

2. centrare

3. fixare - defixare

1

2

3

4

2

Dispozitive de prehensiune cu acţiune unilaterală. Acţionează pe o singură faţă a obiectului manipulat: dispozitive de prehensiune tip ventuză; dispozitive de prehensiune magnetice.

Fig. 2.18. Dispozitive de prehensiune tip ventuză cu vid:a. ventuză aderentă; b. pompă de vid; c. ventuză orientabilă şi generator de vid cu ajutaj

Fig. 2.19. Dispozitiv de prehensiune magnetic

Dispozitive de prehensiune cu acţiune bilaterală. Realizează prinderea obiectului manipulat într-unsistem de pârghii articulate asemănătoare unui cleşte, forţa de apăsare F fiind dependentă de construcţiamecanismului articulat şi geometria obiectului manipulat.

s

s

F

F m

m

Fig. 2.20. Mecanism de prehensiune bilaterală cu caracteristică mecanică constantă

F

aer FP

A

FP

A

ptotală = pstatică + pdinamică

ps

Ptpd

a. b. c.

12

1

3

4

F

M

s

sm

F

s0

Fmax

Fmin

domeniu delucru

3

Fig. 2.21. Mecanism de prehensiune bilaterală cu caracteristică mecanică rapid crescătoare

Dispozitive de prehensiune cu acţiune bilaterală cu acţionare pneumatică:

Fig. 2.22. Dispozitive de prehensiune cu acţiune bilaterală şi acţionare pneumatică

F

CH

s

sm

F

s0

Fmax

Fmin

domeniu delucru

Freglată

a. b.

1

3

1

21

2 3

56 478

c. d.1

4

5

9

4

Fig. 2.23. Dipozitiv de prehensiune multiplu

Dispozitive de prehensiune cu acţiune multiplă, adaptive.

Fig. 2.24. Dispozitive de prehensiune cu acţiune multiplă pentru manipularea obiectelor fragile

Fig. 2.25. Dispozitive de prehensiune:a. cu degete deformabile formate din segmente articulate; b. cu degete deformabile pneumatice

piesa 2 20

piesa 3 13

piesa 1 15

1 - cuplor;2 - placă port dispozitive;3 - dispozitiv de prehensiune;4 - piesă (sculă).

1

2

3

4

1

3

4

2

aer comprimat3

14

1

2

M2 M1

34

5

aercomprimat

a. b.

5

Fig. 2.26. Dispozitive de prehensiune cu bacuri adaptabile:a. autoadaptabile la forma obiectului; b. cu geometrie programată

Fig. 2.27. Dispozitiv de prehensiune adaptiv de tip mână mecanică

Dispozitive efectoare pentru operaţii de sudură

Fig. 2.27. Dispozitiv efector pentru sudarea prin puncte

1

2

3

1

2

4

1

2

3

5

1deblocat

blocat

2

31 2

a. b.

6

Fig. 2.28. Dispozitiv efector pentru operaţii de sudură pe contur

Dispozitive efectoare pentru operaţii de vopsire

Fig. 2.29. Dispozitive efectoare pentru operaţii de vopsire:a. cu pistol automat de vopsire; b. cu pistol electrostatic

Fig. 2.30. Dispozitive efectoare pentru vopsire în straturi subţiri:a. cu mişcare combinată; b. cu mişcare oscilantă în plan vertical

G

2

1

3

4

7

5

6

8

a. b.

1

2

1

3

2

1

2

3

4

a. b.

7

Fig. 2.31. Dispozitivul efector al manipulatoarelor de vopsire reciprocatoare

Dispozitive efectoare pentru prelucrări cu unelte specializate

Fig. 2.32. Dispozitive efectoare pentru prelucrări mecanice:a. găurire; b. debavurare; c., d. finisare, şlefuire

1

2

3

a. b.

M

M

M

a.

b.

c. d.

1

1

2

34

23

4

AXA ROBOTIZATĂ

ARHITECTURA AXEI ROBOTIZATE

Deplasarea efectorului în vederea realizării unei sarcini este rezultatul deplasării corelate a unuianumit număr de axe. Pentru deplasarea controlată a axei aceasta cuprinde următoarele componente:

Fig. 3.1. Arhitectura axei robotizate

sistemul de comandă; distribuitorul de energie; sursa de energie; elementul de execuţie; adaptorul de mişcare; axa mecanică; traductoarele de axă.

ADAPTOARE DE MIŞCARE

Adaptorul de mişcare are rolul de a transmite şi eventual de a modifica parametrii cinematici şidinamici furnizaţi la axul elementului de execuţie astfel încât să se asigure parametri optimi demişcare pentru axa mecanică. Cele mai utilizare adaptoare de mişcare pentru distanţe mici între axa

elementului de execuţie şi axa mecanică sunt: sisteme adaptoare tip camă - tachet; sisteme adaptoare tip reductor (cele mai utilizate); sisteme adaptoare tip şurub - piuliţă;Adaptoare de mişcare utilizate pentru distanţe mari între axele în mişcare: sisteme adaptoare cu roţi dinţate concentrice; sisteme adaptoare cu curele.

Sistem decomandă

+

corector distribuitorde energie

sursă deenergie

element deexecuţie

mecanicăaxă

pierderi

eforturiparazite

traductoareaxă

viteză

poziţie

-

x*

xr

adaptormişcare

Adaptoare de mişcare pentru distanţe mici între axele de mişcare

Camă - tachet..

Fig. 3.2. Sistem de adaptare a mişcării tip camă - tachet

Reductoare. Sunt utilizate cu precădere în cazul sistemelor de acţionare electrice pentrumicşorarea vitezei concomitent cu creşterea cuplului disponibil. Reductoarele utilizate în roboticătrebuie să fie de calitate deosebită, cu jocuri foarte mici (de dorit nule) pentru a asigura o precizie de

poziţionare a părţii mecanice cât mai ridicată. Reductoare cu roţi dinţate cu dantură dreaptă : Reductoare cu roţi dinţate cu dantură înclinată: Reductoare cu roţi conice:

Fig. 3.3. Echipare axă: reductoare cu roţi dinţate, roţi conice

1

2

3

1 – camă excentrică;2 – tachet;3 – resort.

reductorconic

intrare axa 1intrare axa 2

reductor curoţi dinţate

mecanică axa 1

mecanică axa 2

Z1 Z2

i =Z :Z

flanşă ieşire

Reductoare cu roată melcată:

Fig. 3.4. Reductor cu roată melcată

Reductoare tip pinion – cremalieră:

Fig. 3.5. Reductor pinion – cremalieră fără joc (angrenare prin două pinioane)

Reductoare planetare:

Fig. 3.6. a. Reductor cu roţi dinţate în două trepte: 1- pinion de intrare; 2 – pinion intermediar; 3 –pinion de ieşire; b. Reductor planetar: 1 – pinion de intrare; 4 – sateliţi; 5 – coroană cu danturare

interioară (ieşire reductor).

3

1 – cremalieră; 2 - pinion; 3 – corp reductor;4 – bară de torsiune (elimină jocul);4 – servomotor.

1

2

4

5

12

3

1

4

5

a. b.

Reductoare armonice sunt variante perfecţionate de reductoare planetare:

Fig. 3.7. Reductor armonic: a. schema cinematică; b. părţi componente

Şurub – piuliţă. Sunt elemente adaptoare ce transformă mişcarea de rotaţie în mişcare de translaţie,fiind utilizate cu precădere pentru axe de translaţie.

Fig. 3.8. Reductor şurub – piuliţă: a. schema cinematică; b. soluţii constructive

Fig. 3.9. Reductor şurub – piuliţă cu bile: a. detaliu; b. soluţie constructivă axă translaţie

Z0

Z11

1

2

2

5

Z1

4

Z0

54

a. b.

3

1 2

1 2

a. b.

1

2 43

5

Adaptoare de mişcare pentru distanţe mari între axele de mişcare

Roţi dinţate cu axe concentrice. Astfel de sisteme adaptoare sunt utilizate în cazul axelor dedimensiuni mici la care problema spaţiului de montare a elementului de execuţie precum şi greutateaaxei reprezintă probleme critice de acţionare pentru proiectant.

Fig. 3.10. Soluţie de amplasare a elementelor de acţionare şi adaptoarelor de mişcare

Fig. 3.11. Soluţii ce utilizează adaptoare de mişcare cu roţi dinţate cu axe concentrice

Curele. Se utilizează pentru transmisia mişcării la distanţe mari acolo unde este necesar un

sistem adaptor cu gabarit şi greutate minim, cu inerţie redusă şi randament mecanic foarte bun.: curele trapezoidale; curele cu dinţi; curele din bandă de oţel;

lanţuri cu zale.

M5M4

M6

M5

M4

M5

M4 axa 4

axa 5

axa 4

axa 5

axa 6

Fig. 3.12. Soluţii de echipare a axelor cu adaptoare de mişcare: robot ABB, tip SCARA

Fig. 3.13. Adaptoare de mişcare pentru distanţe mari între axe:a. transmisie cu mişcări independente; b. transmisie prin cuplaje cu mişcări dependente

axa 1curele bandă

oţel

Bază

transmisie cuaxe

concentrice

axe 1, 2

motoare cureductoare

curea dinţată

şurub cu bile

axa 2axe 3, 4

motoare cureductoare

cuplajaxa 4

M1

M2

axa 2

M3

axa 3

axa 1

M4

axa 4

M

axa 2

axa 3

axa 4

C1

a. b.

C2

C3

C4

SISTEME DE ACŢIONARE

Sistemul de acţionare al axei robotizate este format din: element de execuţie; distribuitor de energie; sursa de energie.

Consideraţii generale privitoare la acţionarea axei robotizate

Se consideră două axe succesive ale unui robot prevăzut cu adaptoare de mişcare întreelementele de execuţie şi structura mecanică a axelor conform figurii 3.14.:

Fig. 3.14. Mărimi caracteristice unui sistem robotizat

Motoarele de acţionare M1, M2 trebuie să învingă cuplurile rezistente statice, dinamice şi aleatoare cepot apare la deplasarea pe traiectorie: cuplurile statice sunt determinate de forţa gravitaţională şi forţele de frecare; cuplurile dinamice sunt generate de forţele ce apar la deplasarea axelor şi pot fi următoarele:

- cuplul de inerţie, determinat de momentul de inerţie este proporţional cu acceleraţia axei;- cuplul Coriolis, determinat de forţa Coriolis este proporţional cu produsul vitezelor

axelor succesive (apare în cazul mişcărilor combinate);- cuplul centrifug, determinat de forţa centrifugă, apare la nivelul axei următoare (axa 2)

celei luate în considerare în procesul de evaluare şi este proporţional cu pătratul vitezei derotaţie a acesteia.

cuplul sarcinii manipulate este un cuplu variabil, suplimentar care apare în situaţia în care robotuldeplasează obiecte ce pot fi de dimensiuni şi forme diferite ca urmare şi cu momente statice şi deinerţie diferite;

cuplurile aleatoare sunt cupluri exterioare robotului care pot apărea în procesul de ansamblare sauprelucrare în special la nivelul dispozitivului de prehensiune şi care determină eforturisuplimentare la nivelul axelor de poziţionare.Pentru acţionarea axei robotizate pot fi alese trei soluţii în funcţie de puterea (cuplul) solicitată

motorului de acţionare şi timpul de răspuns impus:- acţionare hidraulică; acţionare pneumatică; acţionare electrică.

1

2

M1, i1 M2, i2

1

2

Mm1, M1

Mst axa1

Mm2

J1,2+sarcină

Mst axa2

J2Mst sarcină

Ma

Js

Mm2, M2

Sisteme de acţionare hidraulice

Sistemele de acţionare hidraulice sunt utilizate pentru acţionarea a 40 % din parcul mondial deroboţi industriali fiind preferate în cazul roboţilor de forţă datorită următoarelor avantaje: raport foarte bun între puterea dezvoltată şi greutatea elementelor de execuţie care sunt robuste şi

fiabile ; elementele de execuţie hidraulice lucrează la viteze moderate (pot lipsi adaptoarele de mişcare); datorită incompresibilităţii uleiului, sistemului i se conferă suficientă rigiditate pentru a menţine

poziţiile programate; au timp de răspuns mic şi cu sisteme performante de comandă se pot atinge precizii de poziţionare

foarte bune; fluidul hidraulic (ulei) are rol de lubrifiant şi agent de răcire; este preferat datorită siguranţei în funcţionare pentru utilizări în medii explozive (vopsitorii), cu

praf (turnătorii) sau corozive (acoperiri galvanice).

Principalele dezavantaje ale sistemelor de acţionare hidraulice sunt următoarele: costul sistemului de acţionare este ridicat şi necesită operaţii de întreţinere pretenţioase; elementele hidraulice sunt dificil de miniaturizat deoarece necesită secţiuni de trecere a fluidului

(volum element) determinate de debitul şi presiunea de lucru; se pretează în cazul roboţilor cu ciclu de lucru lent.

Elemente de execuţie hidraulice. Cele mai utilizate sunt cilindrul hidraulic care realizeazădirect mişcarea de translaţie şi motorul hidraulic care realizează mişcarea de rotaţie.

ppresiunetensiuneU determină forţa (cuplul);

QvolumicdebitcurentI determină viteza de translaţie sau rotaţie;

pQPhidraulicaputereelectricaputereP

Cilindrul hidraulic.

Fig. 3.15. Cilindrul hidraulic

Motorul hidraulic.

Fig. 3.17. Schema funcţională a motorului hidraulic

S

x(t)

Qi Qe

pi(t)Vi(t)

pe(t)Ve(t)

V = 2V0

F(t)

ms

Fv(v)

Ff

pi(t)

pe(t)

Qsc(t)

Qi(t)

Qe(t)

M Js

M

Mm

Mr

Mvr

d

Distribuitoare de energie hidraulică. Distribuitoarele hidraulice au rolul de a controla

energia hidraulică transmisă elementelor de execuţie. distribuitoare de comandă; distribuitoare proporţionale; servodistribuitoare.

Distribuitoare de comandă. Se realizează pentru diferite debite (l / min) DN6…DN100 şipresiuni de lucru 315…1.000 bar.

Fig. 3.20. Distribuitor hidraulic de comandă cu simplu efect, cu 2 căi şi 2 poziţii, revenire mecanică

Fig. 3.21. Distribuitor hidraulic de comandă cu dublu efect, cu 4 căi şi 3 poziţii, revenire mecanică

Distribuitoare proporţionale. Reglează direcţia debitului şi în mod continuu mărimea acestuia: electromagnet de comandă proporţional; traductor inductiv de poziţie a sertarului de comandă (opţional funcţie de variantă);

bloc electronic de comandă care include în principal surse de alimentare, ieşiri în curent, intrăripentru semnale de programare şi intrări de măsură (opţional).Electromagnetul de comandă proporţional denumit şi motor liniar este prezentat în figura 3.22.:

T

B

P

A

41

26 3

T5

2 - 0 - 1

P

A

T

B7

P

A

4 1

2

3

5

P

A

0 - 1

Fig. 3.22. Electromagnet de comandă proporţional: a. în poziţie neutră; b. acţionat

Alimentarea bobinelor de comandă 3 cu un curent de o anumită polaritate determină în întrefierurilearmăturii un flux suplimentar c care modifică echilibrul fluxurilor rezultante s , d în zonele dinstânga – dreapta:

dscpdcps

dscpdcps

I

I

;;

;;(3.25)

Rezoluţia traductorului atinge 2 m ceea ce îl face indicat în măsurarea deplasărilor foarte mici.

Fig. 3.23. Traductor de translaţie inductiv

Fig. 3.24. Distribuitor proporţional direct comandat, cu traductor de poziţie

13 6 2 5 4 5 2 6

P

A

T

B

0

N S

N S S N

S N N S

N S S N

S N

s

1234 6

7

5

a. b.

I = 0 +I

=

~

Umăsură

u~

Z1

Z2

u1

=

~

demodulator

generator

miez ferită

0

Fig. 3.25. Caracteristica de comandă a unui distribuitor proporţional, surse de erori

Distribuitoare proporţionale pilotate. Pentru debite mari acţionarea electrică a sertarului decomandă nu mai este posibilă datorită forţelor rezistente mari. un distribuitor proporţional cu comandă directă prin electromagneţi proporţionali; un distribuitor pentru debitul proiectat, ce poate fi echipat opţional cu un traductor de poziţie.

Fig.3.26. Distribuitor proporţional pilotat

I [mA]

s [mm]Q [l/min]

0

s(I)

I1 I2

eroare dehisterezis

eroare derepetabilitate

5 2 1 4 2 5

7

9

10

13

12 11

comandă A

comandă B

P

A

T

B

YX

Y

8

Servodistribuitoare. În procesele de reglare la nivelul axei robotizate, procese rapide, esteimportant ca distribuitorul de energie să prezinte şi o bună dinamică. La distribuitoarele hidrauliceproporţionale comandate cu electromagneţi proporţionali această cerinţă este limitată de inductivitateamare a bobinei electromagnetului şi din acest motiv sunt preferate sistemele de comandă hidraulice tipservosupapă.Servosupapa este un amplificator hidraulic cu comandă electrică format din: motor electric de comandă; amplificator hidraulic de tip placă de recul şi duze.

Fig. 3.27. Motorul electric de comandă al servosupapei

Fig. 3.28. Amplificator hidraulic servosupapă: a. schema de principiu; b. caracteristica de presiune

61

2

3

4

7

5Mm

I I

a. b. c.

13

A P T B

pA pB

511

pApB

s [mm]0

p = pB - pA

0

b.a.

Fig. 3.29. Servosupapă

Fig. 3.30. Servodistribuitor cu două trepte şi revenire mecanică

7 1

2

6 6

4

3

5

8

9 9

10

11

12

13

P

A

T

B

1

2

7

3

6

5

4

8

9

Fig. 3.31. Caracteristici de reglare ale servodistribuitoarelor

Caracteristica statică de debit prezintă două puncte de lucru semnificative: punctul de lucru A corespunzător funcţionării servodistribuitorului în regim apropiat de zona de

blocare, în jurul punctului zero; punctul de lucru B corespunzător funcţionării servodistribuitorului în regim deschis.

Fig. 3.32. Caracteristica de presiune a servodistribuitorului

Q

I

200 % -0,5…1,5 % S

suprapunere negativă

suprapunere pozitivă

Q

I50 %

+0,5…1,5 % S

Q

I

100 %0…0,5 % S

suprapunere zero

A

A

B

[%]nQ

Q

[%]nI

I

Servodistribuitoare cu două trepte şi revenire barometrică.

Fig. 3.33. Servodistribuitor cu două trepte şi revenire barometrică

Servodistribuitoare cu două trepte şi revenire electrică.

Fig. 3.34. Servodistribuitor cu două trepte şi revenire electrică

P

A

T

B

5

4

1

26

3

8

9

10 11

P

A

T

B1

26

45

8

9

10 11 3

7 12

Caracteristica dinamică de frecvenţă, alături de principalii parametri statici, este foarte importantă înalegerea tipului de servodistribuitor în funcţie de parametrii de reglare solicitaţi de aplicaţie.

Sistem derevenire

Barometric[%]

Mecanic[%]

Electric[%]

Histerezis 3,0 2,0 0,5Sensibilitate 1,0 0,5 0,2Intervalinversare

2,0 1,0 0,2

Asimetriecurgere

5,0 5,0 5,0

Fig. 3.35. Comparaţia unor parametri statici şi a caracteristicilor de frecvenţă ale servodistribuitoarelor

Aparate hidraulice proporţionale.

Supapa proporţională de limitare a presiunii direct comandată. Este utilizată caelement de reglare automată a presiunii maxime din circuitul hidraulic supravegheat (exemplu pentrureglarea forţei maxime de strângere la dispozitivele de prehensiune în funcţie de caracteristicileobiectului manipulat).

Fig. 3.36. Supapă proporţională de limitare a presiunii

revenire barometricărevenire mecanică

revenire electrică

Qn < 30 l/min; p = 140 bar; s = 25 %

P

T

p

I

123 47 6 5

8

Supapa proporţională de reglare a presiunii pilotată. o supapă proporţională de limitare a presiunii cu rol de element de reglare; bloc de menţinere a presiunii ce lucrează ca o rezistenţă hidraulică variabilă;

elemente adiţionale opţionale: siguranţă de presiune maximă, supapă de sens.

Fig. 3.37. Supapă proporţională de reglare a presiunii, echipată cu supapă de sens şi siguranţă depresiune maximă

Supapa proporţională de debit. Supapa proporţională de reglare a debitului menţineconstant debitul programat independent de temperatura şi presiunea uleiului. Pentru a realiza aceastăfuncţie de reglare supapa utilizează ca element hidraulic de control o balanţă de presiune cu două căiîn circuitul de alimentare, figura 3.38.:

Fig. 3.38. Balanţă de presiune cu 2 căi în circuitul de alimentare

2113

2021 14

5

4

6

7

8

2216193

17

18

9

10

11

12

15

B

A Y

B

A Y

supapă proporţională dereglare a presiunii

supapă proporţională dereglare a presiunii cu

supapă de sens şi siguranţăde presiune maximăAB

p1 ; A0

pi ; Qi

p1 ; Q1

ps ; A0

ps

B

A

ps

Q

1

42

8

7 3

2

6 5

Fig. 3.39. Supapă proporţională de debit

Surse de energie hidraulică

Fig. 3.40. Sursă de energie hidraulică

1

2

345

A

B

68

7

3~

F1

Ba

N2

P

T

Ph

Sp

Ss

F3

F2Ac

M

Elementehidraulice

max.

min.

TuNu

Ru

1

Aplicaţii ale sistemelor de acţionare hidraulică în robotică.

Sistemele de acţionare hidraulică utilizate în robotică se pot realiza cu elemente hidrauliceclasice în cazul în care în cadrul aplicaţiei robotul execută un ciclu de deplasări fix sau cuelemente de hidraulică proporţională (programabile electronic sau numeric) în cazul în carerobotul execută sarcini complexe: ciclu de deplasări la viteze variabile, control activ al forţei deprehensiune.

Aplicaţii cu elemente hidraulice clasice.

Fig. 3.41. Scheme de acţionare hidraulică a axei robotizate: a. cu reglarea vitezei în ambeledirecţii şi a cursei maxime; b. cu reglarea vitezei în ambele direcţii şi frânare hidraulică lină la

capăt de cursă

Modulul electronic al elementelor hidraulice proporţionale. Aparatele hidrauliceproporţionale sunt concepute să lucreze prin conectare la un modul electronic specializat, decomandă şi control. Modulul electronic este conceput astfel încât performanţele elementuluihidraulic (partea mecanică) să fie îmbunătăţite iar fenomenele perturbatoare să fie eliminate saulimitate.

Ss1 R2Ss2R1

F

D

RF1

PhSp

RF2

Ba

P

A

T

B

C

Ss1

R2

Ss2

R1

F

D

daxă

S1

PhSp

S2

C

Ba

P

A

T

B

a. b.

p

p1 p2

2

Fig. 3.42. Schemă hidraulică de reglare a poziţiei axei robotizate

Fig. 3.43. Schemă hidraulică de reglare a vitezei axei robotizate

-

+ U

I

A

P

A

T

B

U

xServoamplificator

±10 V

R1

1

C

Tpu

SD

5

23 4

6

Ma

7=

K1

K1start

Kssens

PI

-X+XKS

-+

A

P

A

T

B

U

s

Amplificator distribuitor proporţional

10 V

MH

1

Am

TG

DP

5

2 3

4

13

Ma

87

9

14

12

11

10

U

I

U

II

IPID

6

A

PI

K1K2

K3

R1 R2R3

K1viteză 1

K2viteză 2

K3viteză 3

Kssens

Ks

s

s*

v

v*

3

Fig. 3.44. Schemă hidraulică de reglare a presiunii

Aplicaţii cu elemente hidraulice cu comandă numerică.

Fig. 3.45. Sistem de poziţionare electrohidraulic cu comandă numerică pentru axe de rotaţie

-

+

U

I

A

P

A

T

B

U

p

Servoamplificator

C

SD

5

2 3 4

6

Ma

7=

PI

9

R3

R2

K

8

±10 V

R1

1

K1

K1start

Kssens

MPP

Z1

Z2

A B

T P

CT1 CT2 MH

C1 C2

J

DH7

start -stop

frecvenţă

sens

DV

1

Sisteme de acţionare pneumatice

Sistemele de acţionare pneumatice reprezintă 21 % din totalitatea sistemelor de acţionare aleroboţilor industriali. Sistemele de acţionare pneumatice au următoarele avantaje: fiabilitate ridicată în medii industriale dificile, rezistenţă la şocuri şi vibraţii; capacitate de suprasarcină; preţul aparatelor, conecticii şi al elementelor de comandă mai mic decât al sistemelor hidraulice sau

electrice similare; existenţa unor surse ieftine şi relativ răspândite de energie pneumatică în mediul de producţie

industrial.Principalele dezavantaje care limitează utilizarea sistemelor pneumatice în robotică sun legate deurmătoarele aspecte: poziţionare grosieră (cu elemente de comandă clasice), performanţe dinamice reduse datorită

compresibilităţii aerului; capacitate redusă a elementelor de execuţie de a dezvolta cupluri (forţe) importante datorită presiunii

de lucru reduse la 6…10 bari; pierderi importante de presiune pe conductele de aducţiune la punctele de lucru situate de obicei la

distanţă faţă de staţia de preparare a aerului comprimat; necesită instalaţii suplimentare de tratare a aerului comprimat care îndepărtează umiditatea şi

realizează emulsionarea cu vapori de ulei pentru a preveni coroziunea elementelor pneumatice.

Cilindrul pneumatic.

fer

fea

FFF

FFFF

ra

fr

fa

FF

FFFF

FFFF

12

21

Fig. 3.47. Cilindri pneumatici: a. cu simplu efect; b. cu dublu efect şi simplă acţiune;

S

x(t)

Qi Qe

pi(t)Vi(t)

F(t)

ms

Fe Ff

D1

a.

x(t)

p1(t)V1(t)

p2(t)V2(t)

F1(t)

ms

F2(t)

Ff

D1

D2

S1 S2

b.

S

x(t)

p1(t)V1(t)

p2(t)V2(t)

F1(t)

ms

F2(t)

Ff

ms

Ff

c.

2

c. cu dublu efect şi dublă acţiune

Fig. 3.38. Cilindri pneumatici: a. în tandem; b. de precizie

Fig.3.39. Cilindru pneumatic cu sistem de frânare la capăt de cursă

a. b.

0

v

x

xf

v1

vf

0

p

x

xf

p1

p2

pf

p1

p2

a. b.

xf

p1; V1 pf; Vf

p1 p2

41

9

3 2

7 8

6 5

3

Fig. 3.40. Grafice de funcţionare: a. evoluţia presiunii de frânare; b. evoluţia vitezei pistonului

Motorul pneumatic cu membrană cu simplă acţiune.

Fig. 3.41. Motor pneumatic cu membrană

Motoare pneumatice rotative.

Motorul pneumatic (hidraulic) rotativ cu cremalieră.

Fig. 3.42. Motorul pneumatic rotativ cu cremalieră

p1

123

4

5

6 7

8

Fs(p1)

Fa Fe

P

T

P

T

14

23

1

4

4

Fig. 3.43. Variante constructive de motoare pneumatice rotative cu cremalieră

Motoare rotative cu palete.

Fig. 3.44. Motoare pneumatice cu palete: a. unisens; b. reversibil

Motoare rotative cu pistoane.

Fig. 3.45. Motor rotativ cu pistoane radiale

B

A

1

3

4

2

5

7

1

72

6

a. b.

B

A

2

3

4

1

5

6

C

e

R

2

6

F

NTk

7

d

rk

5

1

Fig. 3.46. Motor rotativ cu pistoane radiale şi rotor dublu

Motoare rotative cu pistoane axiale. Sunt motoare volumice reglabile, de turaţiimari care datorită dispunerii axiale a cilindrilor de lucru, figura 3.47., prezintă ostructură compactă şi ca urmare un moment de inerţie redus.

000000

Fig. 3.47. Motor rotativ cu pistoane axiale

1 – stator;2 – rotor;3 – conexiune;4 – cilindru;5 – fus distribuitor;6 – rulment;7 – ax ieşire;8 - garnitură

12 3

4

5

7

6

8

F

TR

1234

5

7

8 9

6

5

6

N

r

6

Distribuitoare de energie pneumatică.

Fig.3.48. Servodistribuitor pneumatic cu control digital (HR Textron)

Sursa de energie pneumatică. Sursele de energie pneumatică pot fi individuale(de mică putere deservesc un post de lucru) sau centralizate, caz în care există ostaţie de tip industrial de preparare a aerului comprimat care este distribuit prinreţea către consumatori.

Fig. 3.49. Sursă de energie pneumatică

PA BT T

>

1

2

3

4

5

6

3~

F

Ca

C

K

RD

Ua

H2O

R1

Ac

MElemente

pneumatice

Ra

max. 10 bar 2…4 bar

A

Rp

max.

min.

7

Aplicaţii ale sistemelor de acţionare pneumatică în robotică.

Fig. 3.50. Sistem de poziţionare pneumatic

CF

R2

Ss1

R1

D1

D2

R3 D3

P

A

T

B

CC

p1p0

P

A

P

A

P

P

Q1.1 Q1.2 Qn.1 Qn.2Qk.1 Qk.2

CF

M

Sisteme de acţionare electrice

Sistemele de acţionare electrice s-au răspândit în ultimul timp foarte mult fiind preferate în echiparearoboţilor de precizie ce manipulează sarcini mici sau mijlocii datorită compatibilităţii între sistemele decomandă, distribuitoarele de energie, elementele de execuţie şi senzori care lucrează în exclusivitate cu mărimielectrice analogice sau digitale.Principalele avantaje ale sistemelor de acţionare electrice sunt:

permit realizarea unor programe complexe de control a mişcării (viteză sau cuplu);

elementele de execuţie se pretează controlului digital, au timp de răspuns mic, sunt precise şi nepoluante;

sursa de energie este disponibilă în orice mediu industrial şi exceptând roboţii mobili, alimentarea sistemuluinu necesită echipamente auxiliare cu volum important ca în cazul sistemelor hidraulice sau pneumatice;

preţul de cost al distribuitoarelor de energie este avantajos mai ales în cazul acţionărilor de mică şi medieputere datorită folosirii circuitelor integrate inteligente ce cumulează pe o singură structură integratăfuncţiile blocurilor de comandă şi forţă a acţionării;

Principalele dezavantaje sunt determinate de următoarele aspecte: elementele de execuţie funcţionează la viteze ridicate şi cuplu redus (la aceeaşi putere) ca urmare pentru

acţionarea axei robotizate sunt necesare adaptoare de mişcare care datorită jocurilor mecanice limiteazăprecizia sistemului;

raportul putere – greutate al elementelor de execuţie electrice este defavorabil în raport cu elementele deexecuţie hidraulice;

în lipsa alimentării robotului elementele de execuţie nu pot păstra poziţia axei mecanice ca urmare sistemulde acţionare trebuie prevăzut cu elemente de frânare care cresc greutatea şi complexitatea sistemului şi astfelnu se permite manevrarea manuală a structurii mecanice atunci când se impune deplasarea ei din zona delucru în poziţia de casă;

posibilitatea formării arcului electric (fenomene de comutaţie dinamică) între componentele în mişcare,limitează domeniile de folosire exclusiv la cele fără praf, vapori sau gaze inflamabile.

Elemente de execuţie

În robotică datorită unor cerinţe specifice impuse elementelor de acţionare: putere specifică cât mai mare,fiabilitate, moment de inerţie mic, domeniu larg de variaţie a turaţiei fără încălzire excesivă, capacitate desuprasarcină, întreţinere minimă, caracteristici de reglare liniare, s-au impus servomotoarele de curent continuurealizate în diverse variante, respectiv motoarele pas cu pas în special datorită preciziei de poziţionare.

Servomotoare de curent continuu.

Servomotoare cu rotor cilindric cu crestaturi.

Fig. 3.56 Servomotor de c.c. cu excitaţie electromagneticǎ

1

2

3

1 – circuit magnetic;2 – pol principal;3 – rotor cu crestǎturi;4 – pol auxiliar.

4

3. Axa robotizată90

Fig. 3.57. Servomotor de c.c. cu excitaţie realizatǎ cu magneţi metalici remanenţi (Alnico)

Fig. 3.58. Servomotor de c.c. cu excitaţie realizatǎ cu magneţi metalici coercitivi (ferite)

1

2

5

1 – circuit magnetic;2 – pol principal (magnet);3 – talpǎ pol principal;4 – bobinǎ magnetizare;5 – rotor cu crestǎturi;.

N

S

S

N

NS

3N S

N

S

N

S

N

S

N

S

4

1

24

1 – carcasǎ din aluminiu;2 – pol principal (magnet);3 – rotor cu crestǎturi4 – canale ventilaţie;

3N

SN

S

S

N

S

S

N

N

S

N

S

N

SN

N

S

N

S

SN

S

N

Servomotorul cu rotor disc şi întrefier axial.

Fig. 3.58. Servomotor de c.c. cu rotor disc

Fig. 3.59. Servomotor de c.c. cu rotor pahar

Servomotorul cu antrenare directă (Direct Drive).

Fig. 3.60. Servomotor de c.c. cu antrenare directǎ (Direct Drive)

N S

N S

1

8

4

3

2

7

6

5

1110

9

1 – flanşe feromagnetice;2 – magnet permanent;3 – disc rotoric;4 – înfǎşurare rotor;5 – colector;6 – ax;7 – perie colectoare;8 – înfǎşurare de compensaţie (magnetizare);9 – flanşǎ;10- ventilator;11- rulment.

=

S

N+

-

0

1

2

4

1 – carcasǎ din aluminiu;2 – stator;3 – rotor;4 – colector;5 – zonǎ interior rotor;6 – ax antrenat direct.

3N

SN

S

S

N

S

S

N

N

S

N

S

N

SN

N

S

N

S

SN

S

N

5

6

N

S

N

S 1

2

3

6

47

8

9

1

11

12

13

1 – înfǎşurare rotoricǎ;2 – rotor pahar;3 – cilindru exterior;4 – magnet permanent;5 – talpǎ polarǎ;6 – cilindru masiv interior;7 – admisie aer comprimat;8 – perie;10 – scut din aluminiu;10 - rulment;11 - ax motor;12 - colector;13 – bornǎ de alimentare.

5

3. Axa robotizată92

Servomotorul fără perii (DC Brushless).

Fig. 3.61. Servomotor de c.c. Brushless

Fig. 3.62. Servomotor de c.c. Brushless cu rotor exterior

Servomotorul Brushless Direct Drive.

Fig. 3.63. Servomotor de c.c. Brushless Direct Drive

1 – rotor;2 – stator;3 – pol stator;4 – conector înfǎsurǎri stator;5 – conector resolver;6 – resolver;7 – cuplaj elastic;8 – rulment;9 – ax servomotor.

1

24

5

6

78

3

N

S

9

magneţi (Neodim) rotor

înfǎşurarestator 9 poli

capete înfǎşurǎrifaze

nul steaînfǎşurǎri

lagǎr din bronz grafitat

talpǎ polarǎ

ax motor (legǎturǎ)

N

S

rotor

înfǎşurǎristator

scut

magneţificşirulment

conectori

resolver

ax servo

Motoare pas cu pas. Motorul pas cu pas (MPP) este o maşinǎ sincronǎ ce realizeazǎ princonversie electro – mecanicǎ discretǎ o funcţie univocǎ între impulsurile de comandǎ aplicatestatorului şi unghiul de rotaţie al rotorului (la fiecare impuls de comandǎ rotorul executa un pas). Ceimai importanţi parametri ai motoarelor pas cu pas sunt: unghiul de pas este unghiul existent între două poziţii consecutive ale rotorului la aplicarea unui

impuls de comandă; frecvenţa maximǎ de mers în gol este frecvenţa maximǎ a impulsurilor de comandă pe care o poate

urmări motorul fără pierderea sincronismului; frecvenţa maximă de start - stop în gol este frecvenţa maximă a impulsurilor de comandă la care

motorul poate porni, opri sau reversa fără omisiuni de paşi, în lipsa sarcinii la arbore; cuplul maxim de start - stop este cuplul rezistent aplicat pe arbore, la care motorul poate porni,

opri sau reversa fără omisiuni de paşi, la o frecvenţa de comandă şi un moment de inerţie date. viteza unghiularǎ definitǎ ca produsul între unghiul de pas şi frecvenţa de comandă.Principalele avantaje ale motoarelor pas cu pas pentru utilizarea în roboticǎ sunt: univocitatea conversiei numǎr de impulsuri – deplasare; este compatibil cu comanda digitalǎ; precizie de poziţionare şi rezoluţie unghiularǎ de pânǎ la 0,5 /pas; poate fi utilizat în circuit deschis la porniri, opriri şi reversări fără pierderi de paşi; memorează poziţia;Dezavantaje motorului pas cu pas: viteza maximǎ în sarcinǎ pentru motoarele de putere (maxim 5 kW) este limitatǎ la valoarea de

500…300 rpm (frecvenţa de comandǎ nu depǎşeşte 1…2 kHz) în funcţie şi de sistemul decomandǎ;

rotaţia este discontinuǎ şi produce vibraţii în special la frecvenţe joase; caracteristica mecanicǎ M(f) este puternic cǎzǎtoare şi pentru aceleaşi caracteristici constructive şi

electrice cuplul mediu scade odatǎ cu micşorarea pasului unghiular.

Motorul pas cu pas cu reluctanţǎ variabilǎ.

Fig. 3.68. Motorul pas cu pas cu reluctanţǎ variabilǎ (4 faze, 24 paşi, 15 /pas):a. alimentare unidirecţionalǎ o fazǎ, F1; b. alimentare unidirecţionalǎ o fazǎ, F2

1

2

3

4

5

6

*F1

F1

*F2

*F3

*F4

F4

F3

F2

12

3

4

5

6

*F1

F1

*F2

*F3

*F4

F4

F3

F2

p=15

2

1

3

a. b.

dr

ds

pI

Creşterea numǎrului de paşi pe rotaţie se poate realiza prin danturarea polilor statorici astfel încât, înfuncţie de lǎţimea polului, pe acesta sǎ avem un numǎr de dinţi zps, uniform distribuiţi cu un pas dentardps egal cu pasul dentar al dinţilor rotorului dr.

Fig. 3.69. Pol statoric danturat şi dinţi rotorici în configuraţie Darrieus

Cuplul dezvoltat de motorul cu reluctanţǎ variabilǎ poate fi menţinut şi la rezoluţii unghiulareimportante prin utilizarea mai multor circuite magnetice cu configuraţie geometricǎ simplificatǎ(diferenţǎ de reluctanţǎ, frecvenţǎ de comandǎ ridicatǎ), cuplate în paralel pe acelaşi ax motor. Practics-au impus douǎ variante constructive: un ansamblu de minim douǎ motoare identice, având circuitele statorice aliniate şi rotoarele

cuplate pe acelaşi ax, decalate spaţial; un motor cu un singur circuit statoric şi mai multe rotoare cuplate pe acelaşi ax, decalate spaţial.

Fig. 3.70. MPP cu reluctanţǎ variabilǎ şi circuite magnetice multiple (3x3 faze)

ds

dr

1

2

3

1 – pol stator;2 – dinte stator;3 – dinte rotor.

p

dr

dr3

1

*F1(1) *F1(2) *F1(3)

1

2

7

5

3

6

4

8

9

1 – circuit magnetic;2 – pol statoric MPP1;3 – rotor MPP1;4 – dinte rotoric;5 – rotor MPP2;6 – rotor MPP3;7 – ax motor;8 – rulment;9 – scut.

Motorul pas cu pas cu magneţi permanenţi.

Fig. 3.71. Motorul pas cu pas cu magneţi permanenţi: a. construcţia motorului cu 4 faze şi 3 perechi depoli rotorici (12 paşi, 30 /pas); b. varianta cu numǎr mare de poli rotorici

motorul pas cu pas cu magneţi permanenţi şi alimentare unidirecţionalǎ; motorul pas cu pas cu magneţi permanenţi şi alimentare bidirecţionalǎ.

Fig. 3.72. Înfǎşurǎrile statorice ale MPP cu magneţi permanenţi:a. MMP cu alimentare unidirecţionalǎ (m = 4); b. MMP cu alimentare bidirecţionalǎ (m = 2)

În aplicaţii care cer o poziţionare precisă, îmbunǎtǎţirea rezoluţiei unghiulare (0,5/pas) se poateobţine prin creşterea numǎrului de faze pânǎ la m = 5 şi utilizarea variantelor constructive

multicircuit, cu rotoare decalate.

2

3

N+

-

S

a. b.

*F1

*F3

*F4

*F2

4=90

N

N

S

1

4

5

1=0

2=30

3=60

S

N

N

S

S

+ +

+

+ ++

*F1 *F2

*F3 *F4

++

*F1 F1

*F2 F2

-

-

(-) (+)

++

-

-

(-) (+)

a. b.

Motorul pas cu pas hibrid. Motorul hibrid este cel mai utilizat în aplicaţii deoarece combină celemai bune caracteristici ale motorului cu reluctanţă variabilă şi motorului cu magneţi permanenţi: cuplu volumic şi vitezǎ importante; rezoluţie foarte bunǎ; memorarea poziţiei în lipsa alimentǎrii.

Fig. 3.73. Motor pas cu pas hibrid

Modalitǎţi de comandǎ a fazelor MPP. Comutaţia fazelor motorului pas cu pas dupǎ un anumitprogram asigurǎ rotaţia câmpului magnetic statoric şi determinǎ performanţele maşinii. Principalelesecvenţe de comandǎ a MPP sunt: secvenţa simplǎ (one phase on); secvenţa dublǎ (two phases on); secvenţa mixtǎ (half steep); secvenţa cu pas redus (mini steeping).

Secvenţa simplǎ constǎ în comutaţia succesivǎ a câte unei faze a motorului, acestea putând fialimentate prin blocul electronic de comutaţie în mod unidirecţional (MRV, MMP, MH) saubidirecţional (MMP, MH). Alimentarea unidirecţionalǎ are dezavantajul realizǎrii unui flux în întrefier

şi implicit a unui cuplu mai mic (solenaţia la un pas de comutare: fazasiN ). Alimentarea

bidirecţionalǎ, în acest caz, presupune înserierea bobinelor polilor opuşi şi reducerea la jumǎtate a

numǎrului de faze concomitent cu creşterea cuplului (solenaţia la un pas de comutare: fazasiN2 ):

dr

dr2

1

*F1(1) *F1(2)

1

2

7

3

6

4

8

9

1 – circuit magneticstator;2 – pol statoric;3 – rotor 1;4 – dinte rotoric;5 – magnet permanent;6 – rotor 2;7 – ax motor;8 – rulment;9 – scut.

N S

N S

5

N S

Fig. 3.78. Comanda MPP în secvenţǎ simplǎ (one phase on):a. MPP cu alimentare unidirecţionalǎ (m = 4); b. MMP cu alimentare bidirecţionalǎ (m = 2)

Secvenţa dublǎ de comandǎ a fazelor constǎ în alimentarea simultanǎ a douǎ faze succesive pentu amǎri cuplul motorului, numǎrul de paşi fiind acelaşi ca în cazul secvenţei simple de comandǎ. Datoritǎfaptului cǎ realizeazǎ un cuplu mǎrit în cazul tuturor tipurilor de MPP, aceastǎ modalitate de comandǎa fazelor motorului este preferatǎ în majoritatea aplicaţiilor deoarece algoritmul de comandǎ rǎmânerelativ simplu iar în cazul comenzii cu microprocesor (cazul roboţilor) acest aspect nu creazǎ problemesuplimentare.

*F1

*F3

*F2

*F4 SN

*F1

*F3

*F2

*F4

S

N

S

N

N S

UF1

t

UF2

t

UF3

t

UF4

t

Np

t

UF1

t

UF2

t

Np

t

a.

*F1

F1

*F2

F2

S

N

S

N

S

N

a.

*F1

F1

*F2

F2

S

N

S

N

S

N

a.

b.

Fig. 3.79. Comanda MPP în secvenţǎ dublǎ (two phases on):a. MPP cu alimentare unidirecţionalǎ (m = 4); b. MMP cu alimentare bidirecţionalǎ (m = 2)

Secvenţa mixtǎ de comutaţie a fazelor constǎ în alimentarea succesivǎ a unei faze urmatǎ dealimentarea a douǎ faze astfel încât sǎ se obţinǎ dublarea numǎrului de poziţii de echilibru şi scǎdereapasului unghiular la jumǎtate (half steep), în conformitate cu figura 3.80.. Alimentarea motorului este

asimetricǎ ca urmare cuplul va prezenta o scǎdere faţǎ cazul cu secvenţǎ dublǎ de cumutaţie.

*F1

*F3

*F4

S

N

UF1

t

UF2

t

UF3

t

UF4

t

Np

t

UF1

t

UF2

t

Np

t

a.

*F1

F1

*F2

F2S

N

S

N

S

N

a.

*F1

F1

*F2

F2

S

N

S

N

a.

b.

*F2

N SS

N

*F1

*F3

*F4

S

N

*F2

N SS

N

SNSNN

SS NS N

Fig. 3.80. Comanda MPP în secvenţǎ mixtǎ (half step):a. comutaţia fazelor la MPP cu alimentare unidirecţionalǎ (m = 4); b. diagrame semnale de comandǎ

pentru MPP cu alimentare unidirecţionalǎ (m = 4) şi bidirecţionalǎ (m = 2)

Fig. 3.81. Secvenţa de comandǎ cu pas redus a MPP prin metoda tensiunilor de fazǎ variabile

a.

b.

UF1

t

UF2

t

UF3

t

UF4

t

Np

t

UF1

t

UF2

t

Np

t

*F1

*F3

*F4

S

N

*F2

N S

*F1

*F3

*F2

*F4

S

N

*F1

*F3

*F2

*F4 N SS

N N

SSN

1

r

2

1

r

2

1

r

2

r2

Caracteristica mecanicǎ M() a motoarelor pas cu pas depinde de caracteristicile motorului dar şide cele ale distribuitorului electronic de energie. Uzual caracteristica mecanicǎ este prezentatǎ înplanul cuplu motor – frecvenţǎ de comandǎ:

Fig. 3.82. Caracteristica mecanicǎ a motorului pas cu pas

Distribuitoare de energie electricǎ.

Distribuitoare de energie pentru motoarele de curent continuu.

Fig. 3.83. Punte în H

Puntea în H permite reglarea vitezei motorului de curent continuu prin modificarea valorii medii atensiunii Ua aplicate bobinajului statoric (comandǎ PWM):

emc

a TTT

tUU ;;

M

M0

0

Mr

f ()

f0maxf0max START-STOP

A - caracteristica de funcţionare;B – caracteristica limitǎ dedemaraj.

A

B

fmax

M=

T1 D4

D1T4

T3D2

D3 T2

U=

Ua

T

Ua

U

t

Ia

Comanda motoarelor Brushless

În funcţie de cerinţele aplicaţiei se utilizeazǎ trei moduri de comandǎ: comandǎ trapezoidalǎ (Six steps, Brushless DC); comandǎ sinusoidalǎ (Sine wave, Brushless AC); comanda vectorialǎ (Field Oriented Control).

Fig. 3.84. Principiul comenzii trapezoidale a motorului Brushless DC:a. caracteristica cuplului la motorul de c.c. cu magneţi permanenţi; b. comutaţia fazelor

Fig. 3.85. Comanda trapezoidalǎ a motorului Brushless DC:

r

s

1

2

3

4

5

6

sens rotaţie

M

-M

0

90

defazaj câmp rotoricfaţǎ de câmpul statoric

M

poziţia idealǎ-30

+30

a. b.

T1 D1

D4T4

T2 D2

D5T5

T3 D3

D6T6

A

B

C

EB

EA

EC

iA

iC

Buffersenzori

Hall

LogicPWM

-

+

-

+

iA

iB

iC

-

+regulator vitezǎ

Protecţiei2t

regulator curent

Tgvreal

ireal

poziţie rotorvp

ip

PI

PI

A/D

Fig. 3.85. strategia de comandǎ PWM a invertorului de tensiune pentru controlul curentului în fazelemotorului

Comanda sinusoidalǎ asigurǎ un control foarte bun al cuplului şi poziţiei rotorului în baza unuialgoritm care urmǎreşte asigurarea cuplului motor într-un mod cât mai eficient posibil, adicǎ la uncurent minim, obţinut la alimentarea simultanǎ a celor trei faze cu curenţi de sintezǎ sinusoidalirezultaţi în conformitate cu relaţiile:

aeMC

aeMB

aeMA

Ii

Ii

Ii

240sin

120sin

sin

(3.70)

unde IM este curentul maxim necesar realizǎrii cuplului care sǎ asigure parametrii de mişcare impuşiaxei; e – unghiul electric ce defineşte poziţia câmpului magnetic statoric; a – unghiul electric decomutaţie în avans.Practic modalitatea de comandǎ este similarǎ cu comanda motorului sincron cu undǎ de tensiunesinusoidalǎ de frecvenţǎ variabilǎ şi din acest motiv în literatura de specialitate apare şi sub denumireaBrushless AC. Pentru un curent de fazǎ I constant, cuplul motor rezultant M este constant (riplu nul) şireprezintǎ suma cuplurilor generate de fiecare fazǎ în parte MA,B,C , numai în cazul în care se asigurǎstrict generarea unor curenţi de formǎ sinusoidalǎ.

t

t

t

iA

iB

iC

T/6

T/3

T2+T6 T1+T6 T1+T5 T3+T5 T3+T4 T2+T4

EA

EB

EC

T2

T6

T1 T3

T5 T4 t

t

.Fig. 3.86. Principiul comenzii sinusoidale a motorului Brushless AC:

a. generarea tabelului de corelaţie amplitudine – unghi ir() pentru unda sinusoidalǎ; b. poziţiacâmpului învârtitor statoric faţǎ de câmpul rotoric

Fig. 3.87. Schema de principiu a unui sistem digital de comandǎ sinusoidalǎ

t

PWMU

-U

UA

iA

0

R

PunteH

PunteH

PunteH

ControlPWM

UA(iAp)

iA

iB

iC

ControlPWMUB(iBp)

ControlPWMUC(iCp)

ConvertorD/A

ConvertorD/AUC

DSP

Tabelsin - ir()

ir,A,B

iAp

iBp

UCp=-UAp-UBp

ConvertorA/D

vp

sens

regulator curent

-

+PI

-

+PI

UAp

UBp

-

U

r

s

faza1

faza2faza3

sens rotaţie(ir)

(-ir)0

1.000imp/rot

(250poziţia idealǎ

-90

a. b.

1.024

0

rezoluţie pas

comandǎ în avans

Distribuitoarele de energie pentru MPP trebuie sǎ rǎspundǎ într-o mǎsurǎ cât mai mareurmǎtoarelor cerinţe: limitarea supratensiunilor de comutaţie generate la comutaţia fazelor motorului; controlul curentului şi menţinerea sa la o valoare cât mai apropiatǎ de valoarea nominalǎ pentru un

domeniu de frecvenţe de comandǎ cât mai extins; amortizarea vibraţiilor de pas ale rotorului; controlul parametrilor de mişcare impuşi; posibilitatea realizǎrii unor secvenţe de comandǎ diferite pentru a putea controla diferite variante

constructive de MPP dintr-o gamǎ de puteri.Schema de principiu a unui distribuitor de energie în buclǎ închisǎ este prezentatǎ în figura 3.87.:

Fig. 3.88. Distribuitor de energie cu funcţionare în buclǎ închisǎ pentru MPP

Modulul de forţǎ se realizeazǎ în mod diferit în funcţie de modul de comandǎ a fazelor:unidirecţional (MRV, MP, MH) sau bidirecţional (MP, MH). Modulul de forţǎ este foarte important îndeterminarea parametrilor dinamici ai distribuitorului de energie şi implicit ale performanţelemotorului pas cu pas. Deoarece caracteristica mecanicǎ a MPP este puternic cǎzǎtoare, s-au cǎutatsoluţii electronice de ameliorare a comportamentului dinamic al ansamblului motor – distribuitor deenergie care în principal urmǎresc: limitarea într-un timp cât mai scurt a supratensiunilor de comutaţie şi limitarea pierderilor de

putere în elementele de protecţie; stabilizarea cât mai rapidǎ a curentului de fazǎ la valoarea nominalǎ; amortizarea rapidǎ oscilaţiilor rotorului în jurul poziţiei de echilibru pentru a realiza poziţionǎri

precise la frecvenţe de comandǎ cât mai ridicate.

Fig. 3.89. Modul de forţǎ unidirecţional

P

ControlPWMcurentfaze

TIRO

Comparatordigital

Bloc reglarevitezǎ

(frecvenţǎ)DSP

Tabel f(N)

fRegistrudate

intrare

d(Np)/dt

N

regulator curent

vp

sens

cuplu la v=0

-

+PI

f

N

N

UPWM

setare tipsecvenţǎ

F1…4

poziţie Np

Blocgenerare

secvenţe decomandǎ

ModulforţǎfazeH

iA

U

iA

i max

MPP

fc

vr

Rf; Lf

D1.1

D1

T1

R

U=

Rf; Lf

D2.1

D2

T2

R

Rf; Lf

D3.1

D3

T3

R

Rf; Lf

D4.1

D4

T4

R

Fig.3.90. Forţarea în tensiune a curentului în fazele MPP:a. schema electronicǎ de forţǎ pentru o fazǎ; b. diagramele de tensiune şi curent

Fig.3.91. Forţarea în tensiune a curentului în fazele MPP cu control PWM:a. schema electronicǎ de forţǎ pentru o fazǎ; b. diagramele de tensiune şi curent

Fig. 3.92. Modul de forţǎ unidirecţional cu circuit de amortizare electronicǎ a vibraţiilor rotorului

a.

t2

b.

Rf; Lf

TD1.1

D1

T1

R1

D2

t1

R2

T2

T3

Un

=

U1

=

Monostabilfaza 1

t

In

t2

U;I

I(U1)

Un

U1

t1 T

I(Un)

a.

iB T2

b.

Rf1,L

Uc

D1

T1

R1

D2

Uc

R2

T2

R3C

U1

=

Comparator cuhisterezis

faza 1

t

In

D3

U;I

Imax

U1

t2

Imin

t2

Rf; Lf

CT1

R

U=

Rf; Lf

CT2

R

Rf; Lf

T3

R

Rf; Lf

T4

R

M

A

B Mfaza1

Mfaza2

t1 t2 t3t

0

Uf2

Mrez

Fig. 3.93. Distribuitor de energie bidirecţional în buclǎ deschisǎ

MPP(1,1,400);comandǎ axa1, sens pozitiv, 400 paşi

MPP(2,1,200);comandǎ axa2, sens pozitiv, 200 paşi

MPP(3,0,800);comandǎ axa3, sens negativ, 800 paşi

…void MPP(int motor, int sens, int paşi) funcţia de comandǎ a motorului{int n;

if(motor==1) condiţie comandǎ motor axa1(D2 = 1)if(sens)==1 condiţie rotire sens pozitiv(D0 = 1)

for(n=0; n<=paşi; n++) buclǎ generare impulsuri programate{outport(lpt,6); setare registru date ptr. impuls(D1=1):delay(1); setare duratǎ impulsoutport(lpt,4); setare registru date ptr. pauzǎ impuls(D1=0):delay(1); setare durata pauzǎ impuls

}}…

SENS 1

SENS 2CONTROL

HOME

SYNC

VREF

ENABLE

RESET

HALF/FULL

CLOCK

CW/CCW

GND

33nF22K

R+5V

OSC

+36 V

A

B

C

D

INH 1

INH 2

RS1 RS2

D5 D6 D7 D8

D1 D2 D3 D4

C

O1

O2

O

2

3

1

O1151

89

5

10

1

1

6

7

4

7

9

814

122

17

19

2

15

1018

133111

16

6

5

D0

D1

D2

D7

2

3

4

5

6

7

8

9

RI

+5V

4

F1

F2

SPPRegistru Date

L297 L298

D0 D1 D2… D7

0 1 1

D0 D1 D2… D7

0 0 1

5. Modelarea roboţilor

MODELAREA ROBOŢILOR

Modelarea sistemului mecanic al roboţilor reprezintǎ etapa de bazǎ ce permite elaborarea comenzii axelorîn conformitate cu obiectivul de mişcare impus prin program. Realizarea modelului mecanic presupunedeterminarea unui set de ecuaţii ce descriu într-o mǎsurǎ cât mai corectǎ comportarea tuturor componentelorsistemului articulat al robotului din punct de vedere al poziţiilor, vitezelor şi acceleraţiilor în interacţiunea lor cumediul de lucru. Majoritatea roboţilor industriali au o structurǎ mecanicǎ deschisǎ, consideratǎ rigidǎ şi înfuncţie de complexitatea sarcinii, pot fi comandaţi pe baza urmǎtoarelor modele:

modelul geometric, permite calculul în regim static al poziţiilor structurii mecanice consideratǎ ca fiindformatǎ din corpuri elementare rigide de formǎ regulatǎ, cu dimensiuni şi mase cunoscute;

modelul cinematic, permite calculul în regim static al vitezelor structurii mecanice consideratǎ ca fiindformatǎ din corpuri elementare rigide

modelul dinamic, permite calculul în regim dinamic al cuplurilor şi forţelor active şi rezistente având învedere forţele de inerţie, gravitaţionale, exterioare şi admiţând o serie de ipoteze simplificatoare:inflexibilitatea segmentelor şi articulaţiilor mecanice, se neglijeazǎ efectul forţelor Coriolis.

REPERAREA UNUI PUNCT ÎN SISTEME DE COORDONATE

Pentru a descrie matematic deplasǎrile mecanice este necesar ca acestea sǎ fie raportate la un sistem dereferinţǎ astfel ales încât ecuaţiile rezultate sǎ fie cât mai simple. Poziţia unui reper – punct într-un sistem de

referinţǎ cartezian OjXjYjZj, de versori kji ,, este determinatǎ de trei coordonate carteziene

zyxPrep ,,1

Fig. 5.1. Reperarea unui punct într-un sistem de referinţǎ de coordonate carteziene

Vectorul de poziţie PO j ce determinǎ poziţia punctului P se determinǎ cu relaţia:

kzjyixPOj (5.1)

Acest sistem de coordonate este cel mai utilizat în descrierea proceselor tehnice dar nu poate fi utilizat directdecât pentru modelarea roboţilor cu structurǎ mecanicǎ cartezianǎ. Pentru modelarea roboţilor cu structurǎmecanicǎ cilindricǎ este preferat din punct de vedere al volumului de calcule sistemul de referinţǎ de coordonate

cilindrice zrPrep ,,1 , conform figurii 5.2.:

Oj

Xj

Zj

Yj

x

y

z

P

i

j

k

Fig. 5.2. Reperarea unui punct într-un sistem de referinţǎ de coordonate cilindrice

Pentru a facilita exploatarea rezultatelor de cǎtre utilizator acestea se pot exprima la alegere în coordonatecarteziene dupǎ realizarea transformǎrii de coordonate:

zz

ry

rx

;sin

;cos

zz

x

y

yxr

;

;22

arctg (5.2)

Reperarea unui punct într-un sistem de referinţǎ de coordonate sferice rep ,,1 Prep se face

conform figurii 5.3., în funcţie de raza de poziţie şi unghiurile de azimut şi elevaţie :

Fig. 5.3. Reperarea unui punct într-un sistem de referinţǎ de coordonate sferice

Transformarea de coordonate sferice în coordonate carteziene se realizeazǎ cu relaţia:

cos

;sinsin

;cossin

z

y

x

(5.3)

Oj

Xj

Zj

Yj

x

y

z

P

r

Oj

Xj

Zj

Yj

P

5. Modelarea roboţilor

În cazul roboţilor industriali existǎ câteva puncte de interes ale cǎror coordonate trebuiesc cunoscute pentru a seputea controla eficient axele robotului şi realiza operaţiile impuse de procesele tehnologice. Unui robot industrialli se pot ataşa urmǎtoarele sisteme de referinţǎ, în coformitate cu figura 5.4.:

sistemul de referinţǎ absolut WCS (World Coordinate System), este sistemul de referinţǎ legat de bazarobotului, într-un punct stabilit de constructor şi în raport cu care se determinǎ toate poziţiile sistemuluimecanic;

sistemul de referinţǎ al sculei TCS (Tool Coordinate System), este sistemul de referinţǎ ataşat în punctulactiv al dispozitivului de prehensiune sau sculei (ex.: vârfului electrodului de sudurǎ);

sistemul de referinţǎ al senzorului SCS (Sensor Coordinate System), este sistemul de referinţǎ legat uzual deun senzor de viziune care are în câmpul sǎu vizual sau de mǎsurǎ efectorul ale cǎrui poziţii le determinǎ;

sistemul de referinţǎ al programatorului PCS (Program Coordinate System), este un sistem de referinţǎjudicios ales, definit de programator în raport cu WCS, pentru a simplifica operaţiile de calcul a traiectoriilorde lucru majoritare.

Fig. 5.4. Sistemele de referinţǎ uzuale ataşate unui robot

TRANSFORMĂRI DE VECTORI ŞI COORDONATE

5.2.1. Reperarea solidului în sistemele de coordonate

Pentru a caracteriza deplasarea spaţialǎ a unui solid, acestuia i se asociază un sistem de referinţǎ orientatdupǎ o direcţie particularǎ şi având originea (de preferat) în centrul sǎu de greutate:

Fig. 5.5. Posibilitǎţi diverse de asociere a sistemului de referinţǎ unui corp solid

y0

x0

z0

qj ; j=1…m

O0

WCS

TCS

PCS

TCP

SCS

câmp vizual ===

În raport cu sistemul de coordonate absolut WCS legat de baza robotului O0X0Y0Z0, poziţia unui solid înspaţiul cartezian este determinatǎ dacǎ este cunoscutǎ poziţia originii Oi a sistemului de coordonate asociatsolidului şi orientarea axelor sistemului de coordonate OiXiYiZi în raport cu sistemul de coordonate absolut WCS:

Fig. 5.6. Reperarea solidului în sistemul de coordonate absolut WCS

iiiji kajaiaOO 131211

unde iii kji ,, sunt vectorii unitari ai sistemului de referinţǎ OiXiYiZi.

Matricea de poziţie Vij care dă coordonatele originii noului reper rep(j) în raport cu sistemul de referinţǎOiXiYiZi, este de forma:

13

12

11

a

a

a

Vij

Metoda cosinusurilor directoare. Vectorii unitari ai noului sistem de referinţǎ OjXjYjZj se pot exprimaîn funcţie de vechiul sistem de referinţǎ OiXiYiZi cu relaţia matricialǎ:

i

i

i

j

j

j

k

j

i

ttt

ttt

ttt

k

j

i

332313

322212

312111

unde: 111 cost 112 cost 113 cos t

221 cost 222 cost 223 cos t

331 cost 332 cost 333 cos tsunt cosinusurile directoare ale unghiurilor formate de fiecare axǎ a noului sistem (al doilea indice) în raport cuaxele vechiului sistem de referinţǎ (primul indice).

O0Oi

O0

X0

Z0

Y0

WCS

i

j

k

OiOj

Oi

Xi

Zi

Yi

Oj

Xj

Zj

Yj

rep(j)

rep(i)

5. Modelarea roboţilor

Matricea cosinusurilor directoare transpusǎ se numeşte matricea de rotaţie Rij şi defineşte orientarea reperuluirep(j) în raport cu vechea poziţie rep(i):

333231

232221

131211

ttt

ttt

ttt

Rij

Matricea de rotaţie are proprietatea:

jiij

T

ij RRR 1

Cunoaşterea celor două matrici caracteristice (5.5, 5.7) permite determinarea completă a poziţiei unui reper în

raport cu altul prin intermediul matricei de trecere neomogene:

13333231

12232221

11131211

attt

attt

attt

Aij

Matrice de trecere omogenă ( 44 ):

1000

13333231

12232221

11131211

attt

attt

attt

Tij

nnkkjjijin TTTTT 111 ......

unde Tk,k+1 sunt matricile de trecere omogene corespunzătoare unei treceri de la rep(k) la rep( 1k ).

Exemplul 1. Translaţia după o axă cu valoarea d

Fig. 5.5. Translaţia dupǎ axa X cu valoarea d

Valorile cosinusurilor directoare:

0011 XX 1cos 1 90

011 XY 0cos 1 90011 XZ 0cos 1

90012 YX 0cos 2 0

012 YY 1cos 2 90012 YZ 0cos 2 (5.12)

90013 ZX 0cos 3 90

013 ZY 0cos 3 0013 ZZ 1cos 3

O0X0

Z0

Y0

WCS

d

O1X1

Z1

Y1

Matricea de trecere omogenă:

1000

0100

0010

001

,

d

dxTrans

Exemplul 2. Rotaţia după o axă cu unghiul

Fig. 5.6. Rotaţia dupǎ axa X cu unghiul

Valorile cosinusurilor directoare:

01 1cos 1 901 0cos 1 901 0cos 1 902 0cos 2 2 coscos 2 902 sincos 2 903 0cos 3 903 sincos 3 3 coscos 3

Matricea de trecere omogenă:

1000

0cossin0

0sincos0

0001

,

xRot

Exemplul 3. Rotaţie şi translaţie după aceeaşi axă

În cazul mişcărilor succesive, poziţia finalǎ se obţine din produsul matricial al matricilor de trecereomogene corespunzătoare fiecărei mişcări. Matricea de trecere omogenă finalǎ:

1000

0cossin0

0sincos0

001

,,02

d

xRotdxTransT

O0X0

Z0

Y0

WCS

O1 X1

Z1

Y1

+

-

5. Modelarea roboţilor

Exemplul 4. Rotaţie şi translaţie după axe diferite

333390,2,222,1111,000022110

ZYXOZYXOZYXOZYXOYRotdZTransdXTrans

Fig. 5.7. Rotaţii şi translaţii dupǎ axe diferite

Matricea finalǎ de trecere omogenǎ este de forma:

1000

001

0010

100

1000

0001

0010

0100

1000

100

0010

`0001

1000

0100

0010

001

2

1

2

1

3d

d

d

d

TO

Metoda unghiurilor Euler. Poziţia axelor noului reper rep(j) poate fi definitǎ în raport cu vechiul reperrep(i) în funcţie de trei unghiuri rezultate prin trei rotaţii succesive realizate în urmǎtoarea ordine:

jjjjYRotjjjjXRotiiiiZRotiiii ZYXOZYXOZYXOZYXOjii ,1111,1111, 11

Fig. 5.8. Unghiurile lui Euler

O0X0

Z0

Y0WCS

d1

O1X1

Z1

Y1

O2O3

X2

Z2

Y2

d2

Y3

X3

Z3

90

-90

OiOi+1

Xi

Zi

Yi

Xi+1

Zi+1

Yi+1

Oi+1Oj-1

Xj-1

Zj-1

Yj-1

Xi+1

Zi+1

Yi+1

Oj-1Oj

Xj-1

Zj-1

Yj-1

Xj

Zj

Yj

100

0cossin

0sincos

cossin0

sincos0

001

100

0cossin

0sincos

ijR

Corespunzǎtor unei deplasǎri în spaţiu a sistemului OjXjYjZj ataşat unui corp solid, se determinǎ matricea de

trecere omogenǎ (Euler), având în vedere şi matricea de poziţie:

1000

coscossinsinsin

sincoscoscoscossinsinsincoscoscossin

sinsinsincossinsincossincossincoscos

i

i

i

ijz

y

x

T

Metoda Denavit – Hartenberg. Determinarea poziţiei unui solid orientat rep(j) în raport cu alt solid

orientat rep(j-1) poate fi determinatǎ prin intermediul a patru parametri de poziţie j, aj, dj, j definiţi astfel:

jjjjXRotdZTransaXTransZRotjjjj ZYXOZYXOjjjjjjjj

),(),(),(),(1111 1111 (5.22)

Fig. 5.9. Reperarea unui solid conform convenţiei Denavit - Hartenberg

aj

Xj

Zj

Yj

j

Oj-1

Xj-1

Zj-1

Yj-1

j

Oj-1

Xj-1

Zj-1

Yj-1

OjOj-1

Xj-1

Zj-1

Yj-1dj

cupla j

cupla j+1

cupla j-1

5. Modelarea roboţilor

Matricea de trecere omogenǎ Denavit - Hartenberg corespunzǎtoare cuplei de ordin jeste de forma:

1000

0cossin0

0sincos0

0001

1000

100

0010

001

1000

0100

00cossin

00sincos

1

jj

jj

j

j

jj

jj

jjd

a

DH

(5.23)

1000

cossin0

sinsincoscoscossin

cossinsincossincos

1

jjj

jjjjjjj

jjjjjjj

jjd

a

a

DH

(5.24)

MODELUL GEOMETRIC AL ROBOŢILOR

Modelul geometric direct

Modelul geometric direct permite determinarea poziţiei şi orientǎrii dispozitivului efector (TCP,sculǎ) date de coordonatele operaţionale xi în funcţie de coordonatele articulare qj furnizate detraductoarele de poziţie montate pe axele robotului.Determinarea modelului geometric direct presupune utilizarea unor ipoteze de calcul simplificatoare: baza robotului este fixǎ şi acesteia i se ataşeazǎ sistemul de referinţǎ global WCS de axe O0X0Y0Z0; structura mecanicǎ este formatǎ din segmente rigide; cuplele cinematice sunt fǎrǎ frecǎri, neelastice şi fǎrǎ jocuri; nu existǎ obstacole în volumul de lucru al robotului; pentru execuţia sarcinilor de lucru este suficient controlul poziţiei şi orientǎrii dispozitivului

efector.În baza celor menţionate se poate reprezenta modelul geometric direct al robotului conform figurii5.13.:

Fig. 5.13. Modelul geometric direct al robotului

Modelul geometric direct se reduce la un set de ecuaţii algebrice (sau o ecuaţie matricialǎ) ce dau înmod explicit valorile coordonatelor operaţionale în funcţie de poziţia spaţialǎ a axelor robotuluidefinitǎ de coordonatele articulare:

QFXqqqfx mii ;...,, 21 (5.37)

Modelul geometric direct poate fi obţinut prin urmǎtoarele metode: metoda analizei geometrice directe, este o metodǎ indicatǎ numai în cazul structurilor mecanice

simple, cu numǎr redus de grade de libertate (maxim trei); metode matriciale (metoda cosinusurilor directoare, metoda DH, metoda vectorilor de rotaţie),

sunt metode de analizǎ sistematice ce permit rezolvarea structurilor mecanice cu un numǎr marede grade de libertate.

5.3.4. Modelul geometric invers

Modelul geometric invers permite determinarea configuraţiei în care trebuie sǎ ajungǎ structuramecanicǎ a robotului (a vectorului coordonatelor articulare qj) astfel încât dispozitivul efector sǎ fiepoziţionat în poziţia doritǎ xi, în conformitate cu modelul prezentat în figura 5.19.:

Fig. 5.19. Modelul geometric invers

Modelgeometric

direct

q1

q2

.

.qm

xi

Modelgeometric

invers

q1

q2

.

.qm

xi

Modelul geometric invers este utilizat în programarea deplasǎrilor dispozitivului efector al roboţilor petraiectorii continuii, direct în sistemul de coordonate al sculei TCS. Determinarea vectorului decomandǎ qm a articulaţiilor robotului presupune determinarea soluţiilor ecuaţiei:

XFQxxxfq imm

1

21

1 ;...,, (5.65)

Rezolvarea ecuaţiei (5.65) se poate face pe cale geometricǎ în cazul structurilor mecanice simple,respectiv analitic pe baza modelului geometric direct sau prin metode numerice în cazul structurilorcomplexe. Soluţiile matematice multiple oferǎ pentru o poziţie xi impusǎ a dispozitivului efectordiverse configuraţii teoretic posibile ale structurii mecanice, în conformitate cu figura 5.20.a., b.:

Fig. 5.20. Soluţii multiple ale structurii mecanice pentru aceeaşi poziţie a dispozitivului efector

Pentru a alege soluţia optimǎ dintre soluţiile analitice posibile, algoritmul de comandǎ a axelorrobotului trebuie sǎ realizeze o serie de filtrǎri având în vedere urmǎtoarele aspecte: se eliminǎ acele soluţii care nu se încadreazǎ strict între limitele constructive de mişcare ale

fiecǎrei axe, în conformitate cu figura 5.20.c.:

maxmin jjj qqq (5.66)

se alege soluţia care conduce la deplasarea optimǎ a fiecǎrei axe astfel încât timpul de execuţie amişcǎrii sǎ fie minim.

Determinarea modelului geometric invers pe baza analizei geometrice

Pentru a exemplifica aceastǎ metodǎ se considerǎ o structurǎ mecanica purtǎtoare de tip sferic(vezi figura 5.14) cu trei grade de libertate care se poate reprezenta simplificat în funcţie decoordonatele articulare 1, 2, d3, conform figurii 5.21. Se presupune cunoscutǎ poziţia impusǎ prinprogram [XO3, YO3, ZO3], a punctului terminal O3, în sistemul de referinţǎ WCS şi se urmǎreştedeterminarea vectorului de comandǎ q a axelor.

O

xi

O

xi

qjmax

qj

xi

a. b. c.

Fig. 5.21. Modalitatea geometricǎ de determinare a modelului geometric invers pentru o structurǎ mecanicǎpurtǎtoare de tip sferic

22

33 OO YXr (5.67)

22

321 3

3

3

3 ;; O

O

O

OZrd

r

Zarctg

X

Yarctg (5.68)

Rezultǎ vectorul de comandǎ a axelor în funcţie de poziţia impusǎ punctului terminalO3 pe traiectorie:

q

222

22

3

2

1

333

33

3

3

3

OOO

OO

O

O

O

ZYX

YX

Zarctg

X

Yarctg

d

(5.69)

Metoda geometricǎ de determinare a modelului geometric invers (vectorului de comandǎ) esteoperabilǎ în cazul roboţilor cu maxim 3 grade de libertate, pentru structuri mecanice mai complicaterezultǎ ecuaţii laborioase dificil de utilizat practic.

X0

Y0

1

2

d3

O3

Z0

ZO3

XO3

YO3

r

O0

O3’

6. COMANDA ROBOŢILOR

Sistemul de comandǎ al unui robot are rolul de a controla în timp real operaţiile executate deacesta în baza unui program, în strânsǎ corelaţie cu modificǎrile din spaţiul sǎu de lucru. Sistemele decomandǎ ale roboţilor actuali s-au dezvoltat foarte mult faţǎ de începutul anilor ’80, când s-auimplementat primii algoritmi funcţionali de inteligenţǎ artificialǎ (IA), dar sunt încǎ departe deperformanţele de analizǎ şi decizie ale unui operator uman. Pentru roboţii industriali sarcinile impusede procesele de producţie nu implicǎ decât foarte rar utilizarea unor sisteme de comandǎ sofisticatespecifice roboţilor inteligenţi şi al cǎror raport performanţǎ/preţ rǎmâne încǎ prohibitiv pentru unmediu de producţie industrial.

6.1. ARHITECTURA MATERIALǍ A SISTEMULUI DECOMANDǍ A ROBOŢILOR

6.1.1. Funcţiile sistemului de comandǎ

Principalele funcţii pe care trebuie sǎ le asigure sistemul de comandǎ al unui robot indiferent desoluţia constructivǎ utilizatǎ sunt urmǎtoarele:- funcţia de procesare a datelor interne de la programe şi externe de la senzori, dispozitivele

periferice;- funcţia de elaborare a comenzilor cǎtre sistemele distribuite de comandǎ şi control.Sistemul de comandǎ trebuie conceput astfel încât sǎ permitǎ rezolvarea urmǎtoarelor sarcinispecifice:

Calibrarea robotului.

Fig. 6.1. Calibrarea unei axe echipate cu traductor de poziţie incremental:a. deplasare cu vitezǎ lentǎ din poziţia iniţialǎ; b. activare senzor final cursǎ axǎ, resetare contor poziţie; c.

deplasare controlatǎ spre poziţia de referinţǎ; d. poziţie de referinţǎ (HOME)

Învǎţǎrea punctelor ce jaloneazǎ traiectoria. Pentru a realiza o anumitǎ sarcinǎ, efectorulrobotului trebuie sǎ urmeze anumite traiectorii şi în puncte bine definite sǎ efectueze o serie de operaţiiprogramate.

3X.4X 0000.00 0211.6 0005.31

a. b. c. d.

6. Comanda roboţilor252

Fig. 6.2. Puncte de trecere şi de oprire

Înainte de a se putea executa o anumitǎ traiectorie este necesar sǎ fie definite punctele de oprire şitrecere care vor impune în final profilul traiectoriei dorite. Punctele unei traiectorii pot fi definite îndouǎ moduri: prin învǎţare directǎ; prin introducerea de la tastatura de programare a valorilor rezultate în urma unor calcule

geometrice.

Generarea traiectoriilor. Traiectoriile dispozitivului efector depind de tipul sarciniisolicitate care poate să permită deplasări libere (fără constrângeri) între două puncte sau poate solicitadeplasări impuse după o linie sau arc de cerc cu respectarea anumitor parametri cinematici dedeplasare pe traiectorie. În funcţie de aceste cerinţe sistemele de comandă sunt proiectate să generezeunul din urmatoarele tipuri de traiectorii: traiectorie punct cu punct TPP; traiectorie continuă TC.

Deoarece forma traiectoriei la deplasarea între două puncte nu poate fi cunoscută de utilizatornumai anumite aplicaţii se pot realiza cu roboţii dotaţi cu astfel de sisteme de comandă şi în plus suntnecesare precauţii suplimentare pentru prevenirea coliziunilor, figura 6.3.:

Fig. 6.3. Traiectorii punct cu punct:a. traiectorie cu coliziune; b. prevenirea coliziunii prin adăugarea unor puncte suplimentare de trecere

Generarea traiectoriilor cu geometrie impusă (operaţii de sudură pe contur, debitări de materiale,etc.) se poate realiza numai cu sisteme de comandă dotate cu un interpolator de traiectorie care săpermită interpolări liniare şi circulare între punctele de plecare şi destinaţie. Astfel de interpolatoaregenerează prin calcul, în funcţie de precizia sistemului de comandă, coordonatele spaţiale pentru un

punct deoprire

punct detrecere

1

2

1

2

3

punct deoprire

puncte detrecere

1

2

4

punct deoprire

3

punct deoprire

1

2

4 3

a. b.

6.1. Arhitectura materialǎ a sistemului de comandǎ 253

anumit număr de puncte de trecere situate între punctul de plecare şi destinaţie astfel încât peansamblu dispozitivului efector să i se asigure o deplasare liniară sau circulară (cu o anumită rază).

Fig. 6.4. Traiectorii continue:a. cu interpolare liniară; b. cu interpolare circulară; c. generarea unei traiectorii oarecare

Execuţia operaţiilor de intrare – ieşire. Ca parte a unui sistem de producţie automatizat robotulpoate fi conectat prin intermediul unui modul de intrări – ieşiri la sistemele de comandă ale maşinilorunelte CNC, dispozitivelor auxiliare şi de transfer, cu alţi roboţi.

Asigurarea securităţii. În vederea asigurării securităţii personalului de exploatare dar şi alechipamentului, sistemul de comandă trebuie să asigure întreruperea de urgenţă a sarcinii derulate derobot în cazul apariţiei unui eveniment excepţional: acţionarea butonului de oprire de urgenţă de către un operator sau a unui senzor de securizare al

perimetrului spaţiului de lucru; defectarea sistemului de acţionare a unei axe, cu pierderea contolului; atingerea neprogramată a cursei maxime permise la nivelul unei axe; depăşirea cuplului maxim dezvoltat de o axă ca urmare a unei coliziuni.

punct deoprire

1

2

a. b.

punct deoprire

r2

punct deoprire

1

2

interpolareliniară

interpolarecirculară

c.

r1

puncte detrecere

3

6. Comanda roboţilor256

6.1.2. Arhitectura generală a sistemului de comandă

Arhitectura sistemului de comandă a roboţilor nu diferă foarte mult de cea a unui sistem de calculpentru controlul proceselor fiind în general formată din următoarele elemente de bază în conformitateşi cu figura 6.5.: unitatea centrală de procesare a datelor numerice CPU realizată cu un procesor capabil să execute

instrucţiuni complexe şi calcule matematice în virgulă mobilă; memorie de program (EPROM) şi de date (RAM); magistrale de date, adrese şi control; porturi de intrare/ieşire prin care se asigură legătura directă cu mediul de lucru; porturi de comunicaţie adaptate unor echipamente cu care robotul se conectează; sistemul de comandă a elementelor de acţionare a axelor mecanice a robotului; module de interfaţare cu diverse echipamente periferice ce facilitează exploatarea sistemului:

consolă de programare, monitor, imprimantă, unitate floppy-disk, etc.

Fig. 6.5. Arhitectura generală a unui sistem de comandă pentru roboţi

Sistemcontrol

acţionări axe

magistrala de control

magistrala de date D0…Dx

Unitatea centrală deprocesare

P

Senzori externicu ieşiri digitale,

analogice

Elementeexterne deexecuţie

EPROM sauHDD

Programe firmăşi aplicaţii

Interfaţăcomunicaţie

RS232, I2C,LPT, USB, LAN

magistrala de adrese A0…Ay

RAM

Memoria de datecentrală

Generatorsemnale

ceas

Porturi

I/O digitale,analogice

MTP

Senzoriinteligenţi

sonar, CCD,forţă

Interfaţăvideo

terminal SVGA,afişor LCD

floppy-disk;imprimantă;consolă programare;calculator central.

Meniucontrolrobot

6.2. Arhitectura generalǎ a sistemului de comandǎ 257

În sistemele robotizate complexe (celule de fabricaţie flexibile) care necesită un număr foartemare de canale I/O, funcţiile porturilor I/O sunt preluate de echipamente mult mai performante de tipulautomatelor programabile (Programmable Logic Controler) cărora li se transferă funcţia de comandăşi control a echipamentelor auxiliare (maşini - unelte, sistem de transfer a semifabricatelor, sistem desecurizare a perimetrului etc.) ce deservesc postul robotizat.

Fig. 6.6. Automatul programabil din sistemul de comandă a roboţilor GE Fanuc

Deoarece postul robotizat este un integrator de sisteme digitale, caracterul schimbului de date întreechipamentele care sunt interconectate este foarte diversificat şi adesea sunt necesare multiplesuporturi de comunicaţie ce lucrează după standarde (protocoale de comunicaţie) diferite.

a. b. c.

Fig. 6.7. Module de comunicaţie pentru reţele industriale:a. modul pentru reţea DH; b. modul pentru reţea Profibus – DP; c. modul pentru reţea Device Net

Controlul sistemului de acţionare numeric a axelor robotului este asigurat de un sistem cumicrocontoler (slave) ce pilotează un număr de 4…6 unităţi de acţionare (extensibil până la 10..16).Controlul simultan al axelor robotului se efectuează ciclic pe baza unui algoritm de comandă ce are învedere prescrisele de poziţie, viteză ale efectorului şi valorile măsurate, furnizate de traductoare,pentru poziţiile şi vitezele axelor.

1

6

3

4

2

5

1 – unitatea centrală a PLC;2 – modul I/O;3 – conector universal;4 – Bus sistem (fund de sertar);5 – borne conexiuni modul I/O;6 – capac de protecţie cu etichete.

PLC

Device Net (0,5Mb/s)

ISA/PC104

DataHighway0,23 Mb/s

Profibus – DP (12 Mb/s)

PLC

6. Comanda roboţilor258

Fig. 6.8. Module inteligente pentru acţionări numerice în robotică:a. modul de comandă pentru motoare Brushless DC; b. modul de comandă pentru MPP

Pentru a facilita dialogul operator – robot sistemul de comandă este dotat cu un terminal care înfuncţie de complexitate poate cumula unele din următoarele funcţii: terminal de control manual (teach pendant) este utilizat cu precădere la roboţii din generaţia I

pentru a facilita operatorului, aflat în spaţiul de lucru al robotului, comanda şi controlul vizual aldeplasărilor la nivelul fiecărei axe, în faza de învăţare a punctelor traiectoriei;

consolă de programare este un terminal inteligent ce permite comunicaţia cu procesorul master alsistemului de comandă, tratarea şi afişarea locală a informaţiilor; în scopul simplificării operaţiilorde implementare a aplicaţiilor asigură următoarele funcţii principale:- calibrarea axelor robotului;- oprirea de urgenţă, activarea sistemului de acţionare în modul manual numai dacă există

confirmarea că terminalul este ţinut de operatorul uman;- învăţare poziţii prin operaţii de poziţionare în mod manual cu programarea parametrilor de

deplasare: tip de deplasare, viteză, acceleraţie;- editarea instrucţiunilor programelor utilizator în scopul corectării şi finisării acestora în

conformitate cu parametrii reali ai procesului de automatizare;- realizarea operaţiilor de intrare - ieşire prin citirea intrărilor, forţarea ieşirilor şi afişarea stării

acestora;- încărcarea din şi salvarea în memoria sistemului de comandă a programelor de firmă (sistemul

de operare, drivere) şi aplicaţie;- testarea programelor aplicaţie în modul automat: pas cu pas sau în ciclu continuu cu analizarea

automată a ciclului de lucru programat şi furnizarea caracteristicilor principale ale acestuia învederea optimizării;

- monitorizarea stării variabilelor din program pentru facilitarea operaţiilor de depanare aprogramelor aplicaţie;

- furnizarea unor scheme logice de diagnoză avansată a erorilor raportate şi datate de sistemulrobotizat cu posibilitatea accesării on – line a documentaţiei tehnice (scheme electronice,conexiuni conectori, setări parametri, etc.) sau a oricărei baze de date necesare, prin navigarepe Internet.

a. b.

6.2. Arhitectura generalǎ a sistemului de comandǎ 259

Fig. 6.9. Consolă de programare GE Fanuc Robotics

Toate echipamentele electrice şi electronice ce compun sistemul de comandă, mai puţin consolade programare, sunt protejate într-un dulap de comandă ce asigură un grad de protecţie adecvatmediului industrial (minim IP54), figura 6.10. Încălzirea sau răcirea aerului din interiorul dulapului decomandă se realizează prin schimbarea controlată a polarităţii tensiunii continui de alimentare acelulelor.

Fig. 6.10 Dulap de comandă pentru roboţi din generaţia III, GE Fanuc Robotics

Fereastradiagnoză

erori

1 – afişaj multi – windows; 2 – selectare funcţii;3 – taste navigare în meniu; 4 – taste alfanumerice;5 – selector nivel viteză; 6 – rotaţie efector X, Y, Z;7 – translaţie efector X, Y, Z; 8 – buton STOP deurgenţă.

1

2

3

4

5 6

7

8

1 4

5

3

6

2

1 – dulap de comandă;2 – suport dulap;3 – schimbător termic sistemclimatizare;4 – selector mod de lucru;5 – consolă de programareportabilă;6 – panou general alimentare,semnalizări.

6.1.4. Arhitecturi de comandă monoprocesor

Arhitectura cu microcontroler. Aceast tip de arhitectură este utilizat cu precădere pentrucomanda roboţilor industriali din generaţia I a căror traiectorie este generată punct cu punct. Sistemulde comandă, figura 6.17., este format dintr-un calculator IBM/PC cu resurse relativ modeste (minim386, HDD 120 Mb, RAM 4 Mb) la care se conectează prin portul serial RS232 controlerul robotului cepoate fi la rândul său conectat cu un terminal de comandă manuală a axelor:

Fig. 6.17. Arhitectura sistemului de comandă cu controler (elementele marcate)

+

Sistemacţionare

Mecanicăaxe

eforturiparazite

Traductoareaxe

-

q*

qr

Sistem controlsupervizorcomandă

- LAN;- Ethernet;- radio;- GSM.

Magistralǎ de comunicaţieindustrialǎ

Flo

ppy

-dis

k

Imp

rim

antǎ

Po

rtu

rico

mu

nic

aţie

RS

232

US

BIr

D

Unitate centralǎ P

Spaţiu lucrurobot

Programutilizator

Programfirmǎ

Controlmanual axeprogramare

O

I

ROBOT

IBM/PC

Controler robot C

Comandǎ axeRS232C

Modul I/O

instrucţiuni/date

6.1.5. Arhitecturi de comandă multiprocesor

Consideraţii generale privind necesitatea procesării paralele. Pentru procesarea număruluiimportant de instrucţiuni şi date necesar unui control în timp real există teoretic două soluţii: utilizarea unui sistem monoprocesor foarte performant în raport cu cerinţele fiecărui proces

controlat secvenţial; utilizarea unui sistem format din mai multe procesoare cu performanţe mult mai modeste şi mai

ieftine dar perfect adaptate fiecărui proces controlat în mod independent.

Capacitatea de procesare a unui sistem paralel este determinată de posibilitatea acestuia de aidentifica porţiunile de program care pot fi executate în paralel şi de a planifica execuţia acestora însistem în funcţia de resursele disponibile la un moment dat. Unitatea elementară de planificare estenumită proces. Pentru crearea unui proces este necesar un sistem de operare (Unix, Windows NT)capabil să îndeplinească următoarele acţiuni: crearea şi iniţializarea structurilor de date referitoare la proces; alocarea unui spaţiu de memorie; încărcarea procesului în spaţiul de memorie alocat; trecerea procesului în coada listei cu procesele planificate pentru execuţie.Pe durata execuţiei unui program, un proces poate fi în următoarele stări:

Fig. 6.26. Diagrama de stări a unui proces

După creare un proces este în starea de aşteptare până când planificatorul decide trecerea procesului înexecuţie pe un procesor k. Dacă procesul în execuţie conţine o instrucţiune de intrare – ieşire, operaţielentă, consumatoare de timp, procesul trece în starea blocat. După finalizarea operaţiei I/O procesuleste deblocat şi trece în starea de aşteptare pentru a fi planificat la execuţia instrucţiunilor rămase.

Procesul mai poate trece din starea de execuţie în starea de aşteptare dacă spaţiul de timp alocattalocat procesorului k, în mod discontinuu la nivelul sistemului paralel, a expirat.

Arhitecturi MIMD cu memorie distribuită.

Fig. 6.28. Arhitectură multiprocesor MIMD cu memorie distribuită

Pregătit înaşteptare

Planificat

În execuţie

Rezident înmemorie

Procesor kactiv

Suspendat după talocat

Blocat înaşteptare

Procesor kîn operaţie I/O

EvenimentI/O

Cerere I/O

În aşteptare după I/O

Reţea de interconectare

Procesor 1

Memorie 1

Interfaţă 1

Procesor n

Memorie n

Interfaţă n

……..

Unitate deprocesare

Unitate deprocesare

send receive

I/O

Fig. 6.29. Topologii ale reţelelor de interconectare multiprocesor

Arhitecturi MIMD cu memorie partajată.

Fig. 6.30. Arhitectură multiprocesor MIMD cu memorie partajată

Arhitecturi multiprocesor pentru roboţi. Arhitectura sistemului de comandă trebuie săcorespundă funcţilor cerute unui robot din generaţiile II sau III, funcţii ce tind să devină tot maicomplexe. Ca urmare a volumului foarte mare de date ce trebuiesc prelucrate în timp real de sistemulde comandă, în prezent se utilizează arhitecturi de comandă cu funcţii distribuite, figura 6.31., cepermit execuţia locală a sarcinilor de către microprocesoare specializate, mult mai rapide şi care pot

P2

P1

P3

Pj

Pn

Pk

P2

P1

P3

Pj

Pn

Pk

P0

P2

P1

P3

Pj

Pn

Pk

a. b. c.

P0P1

P2

P4

P3

P6

P5 P3 P4 P5 P6 P7 P8

P1 P2

P0

C1 C2 C3

d. e.

Reţea de interconectare

Memorie partajată

……..

Arbitru dereţea

Procesor 1

Interfaţă 1

Procesor n

Interfaţă n

semnale control reţeaBusy, Request, Grant

I/O

lucra în paralel astfel încât schimbul de date cu procesorul central se face numai la nivel de informaţiiprelucrate respectiv sarcini generale de executat. Pentru integrarea robotului în mediul industrial deproducţie se utilizează reţele industriale de comunicaţie ce fac legăturile cu nivelele de conducereierarhic superioare sau cu alţi roboţi, automate programabile ce conlucrează la realizarea unei sarcinicomune.

Fig. 6.31. Arhitectura multiprocesor a sistemului de comandă a roboţilor (elementele marcate)

Sisteme multiprocesor de comandă a roboţilor mobili. Aflate în plină dezvoltare, sistemelerobotizate mobile trebuie să execute sarcini pe care omul nu le poate îndeplini în medii cu un nivelmare de periculozitate sau inaccesibile: căutarea persoanelor în zone de dezastru, construcţiisubmarine, explorare terestră sau extraterestră sunt câteva dintre exemplele sarcinilor complexe şi

+

Modul I/OC

Comandǎaxe C

Sistemacţionare

Mecanicăaxă

eforturiparazite

Traductoareaxă

- camerǎ video;- traductor forţǎ

-

q*

qr

Sistem senzorialDSP

Sistem controlsupervizorcomandă

- LAN;- Ethernet;- radio;- GSM.

Reţea de comunicaţieindustrialǎ

Flo

ppy

-dis

k

Imp

rim

antǎ

Po

rtu

rico

mu

nic

aţie

indu

stri

ale

US

B8

02.

11a/

b/c

Unitate centralǎ P

Spaţiu lucrurobot

Programutilizator

Programefirmǎ

ProgrameIA

k

1

m

1

O

O

q

q

.

.

.

.

Consolǎprogramare

P

OI

Interpolatortraiectorie

ROBOT

IBM/PC

ambianţelor ostile în care roboţii sunt de dorit să funcţioneze cu un nivel înalt de autonomie şifiabilitate.

Fig. 6.32. Robot mobil Mars Rover, Jet Propulsion Laboratory, NASA

Fig. 6.34. Schema de principiu a sistemului de comandă multiprocesor pentru un robot mobil

RS232USB

TVtuner

IBM/PC

D/Aradio

micro coliziune

2,4 GHzvideo

433 MHz

receptorUHF

emiţătorUHF

video camerăpanoramică

video

20 MHzcontrolmanual

BS2pmaster

A/Dradio

receptorradio

interfaţărelee

RCS

Sonar1C slave

RCS

Sonar2C slave

BusolăC slave

Camera 1C slave

reţea I2C

LCDC slave

PWM

RS232

camerăcontrol local

RC

S

platformă mobilă

1 – cameră video stereoscopică;2 – panouri solare;3 – braţ pentru recoltare probe ;4 – sistem de acţionare integrat ;5 – antenă transmisie imagini.

1

2

3

4

5

Fig. 6.35. Robot mobil autonomUniversitatea Ştefan cel Mare, Laboratorul de roboţi

1 – unitatea centrală;2 – afişaj LCD;3 – sonar;4 – camera video;5 – busolă digitală;6 – emiţător 2,4 GHz;7 – interfaţă cu relee;8 – bus I2C.

12

3

45

6

7

8

6.2. MODALITĂŢI DE GENERARE A TRAIECTORIEI

6.2.1. Generarea traiectoriilor cu ajutorul limitatorilor de poziţie

Cea mai simplă şi ieftină modalitate de control a deplasărilor unei axe robotizate este utilizarea unuiansamblu de came montate pe partea mobilă a axei controlate, a căror poziţii se pot regla în raport cu douămicroîntrerupătoare fixate pe partea mecanică fixă.

Fig. 6.35. Contolul deplasărilor axei cu limitatori de poziţie

Această metodă de control este adecvată manipulatoarelor şi roboţilor pneumatici care lucrează după un ciclusimplu, care se modifică foarte rar, fără să necesite precizie mare şi constă în general în manipulări de obiecte încursul operaţiilor de încărcare – descărcare.

6.2.2. Generarea traiectoriilor de tip punct cu punct

Dacă în spaţiul de lucru al robotului se consideră două puncte A0 de plecare şi A4 de sosire, pentru aparcurge spaţiul dintre ele există teoretic o infinitate de traiectorii. Dintre acestea o posibilă variantă acceptabilăo constituie cea care asigură „drumul cel mai scurt” din punct de vedere al timpului şi care poate fi realizatăavând în vedere posibilităţile sistemului de comandă şi limitele de deplasare la nivelul fiecărei axe.

Generarea mişcării pe traiectorii punct cu punct (TPP) se face în spaţiul coordonatelor articulare prinmemorarea în faza de învăţare a unui şir de puncte care ulterior sunt parcurse în mod secvenţial. Memorarea unuipunct ce corespunde poziţiei selectate a efectorului implică memorarea unui vector care conţine valorilecoordonatelor articulare ce definesc implicit poziţia selectată. Timpul de calcul pentru generarea mişcării TPPeste minim deoarece sistemul de comandă trebuie să asigure pentru fiecare axă doar controlul vitezei şi poziţiei,la deplasarea de la un punct la altul, prin măsurarea datelor furnizate de traductorii de poziţiei ai axelor implicate

în mişcare şi compararea acestora cu coordonatele articulare memorate.. În funcţie de strategia de comandă a

1 – riglă cu canale;2 – camă reglabilă;3 – microîntreruptor multiplu;4 – cablaj electric.

1

2

3

2

d1 d1d2 d2

I1

I2

Sistemcomandă

+V

4

S1; 2

axelor, la deplasarea între punctele selectate, există următoarele posibilităţi de generare a triectoriilor punct cupunct: traiectorie punct cu punct de tip secvenţial; traiectorie punct cu punct nesincronizată; traiectorie punct cu punct sincronizată.

Traiectoria de tip punct cu punct secvenţială este generată prin comanda secvenţială a fiecărei axe. Sistemulde comandă nu poate controla în timp real decât viteza şi poziţia unei singure axe la un moment dat.

Fig. 6.36. Generarea traiectoriei prin comandă punct cu punct secvenţială

Traiectoria de tip punct cu punct nesincronizată este generată prin comanda simultană a tuturoraxelor robotului respectânduse criteriul timpului minim de mişcare la nivelul fiecărei axe, figura6.37.b.

Fig. 6.37. Evoluţia principalilor parametri de mişcare în cazul TPP nesincronizate:a. parametrii de mişcare la nivelul unei axe; b. evoluţia vitezelor axelor

Sistemul de comandă trebuie să calculeze pentru fiecare axă durata mişcării tk precum şi momentele de comutaţiece corespund modificării profilului vitezei astfel încât să nu fie depăşite limitele maxime de viteză vmk şiacceleraţie amk. Şi în acest caz viteza şi traiectoria dispozitivului efector între punctele de deplasare nu pot ficontrolate, ca urmare traiectoria este de tip liber, nereversibilă dar deoarece toate axele pleacă simultan aceasta

A0 A1A1

A2

A3A2

A3

A0

t

amk

vmk

t

x1k

tak tpk tfk

t0

x2k

x3k

t

vm1

vm2

t

vm4

t3 t1 t2

t0

t

vm3

t4

0

0

0

0

0

a. b.

are o formă mult mai regulată apropiiduse mai mult de traseul optim, figura 6.38.. Ca urmare timpul de deplasareîntre puncte este mult mai scurt.

Fig. 6.38. Generarea traiectoriei prin comandă punct cu punct nesincronizatăTraiectoria de tip punct cu punct sincronizată se obţine prin comanda simultană a axelor la viteze astfel calculateîncât toate axele să ajungă la destinaţie simultan (sincronizat).

Fig. 6.39. Strategia de comandă în cazul comenzii TPP:a. nesincronizată; b. sincronizată

Soluţiile trebuie să satisfacă condiţia miic vv :

n1i2

ax4tatav mii

2

s

2

mismi

ic ...;

(6.8)

Această strategie de comandă este cea mai utilizată în cazul roboţilor din generaţia I deoarecemişcările fiind simetrice în ambele sensuri de deplasare se obţin traiectorii reversibile, deplasareaaxelor conduce teoretic către optimul de traiectorie posibil de generat cu un sistem de comandă fără

A0

A1

A2

A1

A2 A3A4A3 A4

A0

x2<x1<x3

t

vm1

vm2

t

vm4

t3 t1 t2

t0

t

vm3

t4

0

0

0 t

v1c

vm2

t

v4c

S2 S2

ts

t0

t

v3c

S4

0

0

0

S1S1

a. b.

S3

S3

S4

interpolator, figura 6.40.:

Fig. 6.38. Generarea traiectoriei prin comandă punct cu punct sincronizată

6.2.3. Generarea traiectoriilor de tip continuu

Generarea unei traiectorii continuii apare ca necesitate în cazul unor sarcini complexe ce presupundeplasarea dispozitivului efector după un profil complex iar procesul tehnologic impune un control avansat curespectarea strictă a parametrilor de mişcare: viteză, acceleraţie, eroare. Pentru a răspunde acestor cerinţe estenecesar ca sistemul de comandă să genereze coordonatele de mişcare în spaţiul coordonatelor operaţionaleurmând ca acestea să fie transformate, pe baza modelelor inverse, în coordonate articulare pentru a se asiguraprescrisele de poziţie şi viteză sistemului de acţionare a axelor. Transformările de coordonate necesită calculecomplexe ceea ce impune creşterea performanţelor sistemului de comandă multiprocesor care trebuie să dispunăde procesoare matematice capabile să execute operaţii în virgulă mobilă. Sistemul de comandă memoreazăcoordonatele punctelor de trecere şi oprire care jalonează traiectoria. Între aceste puncte traiectoria poate să fieimpusă astfel încât, dispozitivul efector se va deplasa: liniar, circular după o rază dată sau va urmări o funcţieprecizată analitic. Sarcina generării traiectoriei impuse revine interpolatorului de traiectorie care are rolul de agenera între două jaloane ale traiectoriei un set de puncte de trecere prin a căror parcurgere să se asiguredeplasarea dispozitivului efector pe o traiectorie cât mai apropiată de forma impusă.

Fig. 6.41. Generarea traiectoriei continui cu interpolare liniară în cazul roboţilor cu axe de rotaţie

Datorită performanţelor pe care le ating roboţii cu traiectorie continuă (generaţia II şi III) sunt utilizaţi înoperaţii de sudură pe contur, debitare, vopsire, operaţii de ansamblare complexe ce implică complianţă activă,controlul de calitate al produselor, operaţii de debavurare.

A4

A0

A4

A0

A1

A4 A2 A4A3 A4

X

Y

Z

J1

J2

J3

Jk

puncte de trecere

traiectorie cuinterpolare liniară

traiectorieinterpolată reală

Traiectorii continuii generate prin urmărirea unui obiect ţintă. Sistemele de control a tariectorieiprezentate au fost dezvoltate pentru aplicaţii în care dispozitivul efector al robotul execută anumite operaţiideplasânduse în raport cu o piesă fixă. În funcţie de modul în care piesele sosesc în flux se pot utiliza douăsoluţii:

Montarea bazei robotului pe o axă suplimentară de translaţie aşezată paralel cu banda transportoare şi carese deplasează cu aceeaşi viteză astfel încât pe durata operaţiilor să nu existe mişcare relativă între robot şipiesă, figura 6.42.a.

Programarea dinamică a mişcărilor dispozitivului efector, în funcţie de datele locale furnizate de sistemulde analiză video, prin adăugarea unei mişcări relative fiecarui jalon predefinit al traiectoriei de prelucrareastfel încât să se compenseze mişcarea piesei, figura 6.42.b.

Fig. 6.42. Generarea traiectoriilor continuii cu urmărirea unui obiect ţintă:a. metoda axei de translaţie sincronizată; b. metoda compensării dinamice a deplasării piesei

vbandă

vrobot= vbandă zona desincronizare

vbandă

a. b.

6.2.4. Interpolatoare de traiectorie

Roboţii avansaţi din punct de vedere al comenzii utilizează modele cinematice sau dinamice care operează

cu vectorul de poziţie s ,,,,, ZYX sau cu vectorul viteză.

s

zyxZYX ,,,,,

...

al efectorului

(vezi subcapitolul 5.4). Algoritmul de interpolare trebuie să rezolve două probleme:

generarea traiectoriei impuse prin calculul unei succesiuni de puncte intermediare ijs între punctul de

plecare s(i) şi cel de sosire s(i+1) care în mod obligatoriu trebuiesă aparţină spaţiului de lucru şi să respecte resticţiile de viteză şi acceleraţie impuse structurii mecanice;

rezolvarea problemei cinematice inverse prin care, pentru fiecare punct intermediar ijs definit al

traiectoriei se determină vectorii coordonatelor articulare de poziţie iq sau viteză iq

ce devin prescrise

pentru sistemul de acţionare a axelor pentru a conduce astfel efectorul în punctul calculat.Roboţii din generaţia II utilizează un algoritm de interpolare direct care urmăreşte numai realizarea parametrilortraiectoriei în timp ce, roboţii din generaţia III ce beneficiază de elemente de inteligenţă artificială utilizează unalgoritm de interpolare adaptiv mult mai versatil prin care, dispunerea punctelor intermediare şi elementeletraiectoriei sunt modificate în timp real în funcţie de datele furnizate de traductorii inteligenţi asociaţi:

Fig. 6.43. Nivele de control ierarhic la generarea traiectoriilor cu interpolare

Datele finale de la traductorii inteligenţi prelucrate de programele de inteligenţă artificială (IA) servesc lacalculul următorului jalon al traiectoriei cu o periodicitate TIA ce depinde de capacitatea de calcul a procesoarelordin această buclă. Traiectoria este aleatore nefiind definită în programul principal decât la nivel de obiectiv, ea semodifică în permanenţă în funcţie de datele senzorilor (ex. în operaţiile de debavurare a pieselor turnate

Programprincipal

ProgrameIA

Elaboraretraiectorie

Modelinvers

Condiţionăritraiectorie

Algoritminterpolator

Terminal controlmanual

s(i)*

interpolaredirectă

interpolareadaptivă

sj(i)* sj(i)

*

qj(i)* qj(i)

*

Controleracţionări axe

Acţionărim axe robot

qj1(i)*

qjm(i)*

qj(i)

sj(i)

TCS

camerăvideo

WCS

CCS

s(i)*

traiectoria se adaptează în funcţie de nivelul optim al forţei de apăsare dintre piatră şi piesă).Pentru a asigura deplasarea efectorului între punctele intermediare sistemul de acţionare trebuie să controlezeprecis deplasările axelor, în funcţie de datele dela traductorii de poziţie, cu o periodicitate Ta ce nu trebuie să

depăşească câteva zeci de milisecunde astfel încât să se respecte condiţia: IAia TTT .

Algoritmul de elaborare a traiectoriei calculează acceleraţiile şi vitezele de palier ale efectorului pe diferitelesegmente ale traiectoriei astfel încât deplasarea acestuia între jaloane să se facă în timp optim cu respectareadatelor din program şi a constrângerilor impuse de limitele sistemului mecanic, conform figurii 6.44.:

Fig. 6.44. Generarea traiectoriei efectorului cu puncte de trecere şi oprireşi a profilului de viteză optim

Algoritmii de interpolare directă se realizează în două variante:

algoritm de interpolare cu comandă în poziţie, ce transformă vectorul de poziţie s al efectorului într-unvector de comandă în poziţie a axelor q;

algoritm de interpolare cu comandă în viteză, ce transformă vectorul viteză.

s al efectorului într-un vector

de comandă în viteză a axelor

q .

Algoritm de interpolare cu comandă în poziţie (absolut).

Dacă se consideră o deplasare a efectorului între jaloanele traiectoriei is şi 1is , acest tip de

interpolator calculează cu o rată de eşantionare Ti prescrisa vectorului de poziţie a punctelor intermediare *

ijsşi pe baza modelului geometric invers determină vectorul prescriselor de poziţie pentru buclele de acţionare ale

axelor robotului *

ijq .

sj(i)

sj+1(i)

s(i-1)

s(i)

s(i+1)

zona deaccelerare 1

zona defrânare 2

punct trecere

zona deracordare

zona defrânare 1 zona de

accelerare 2

sj(i)=ct. sj(i+1)=ct.

sj(i)

sj(i+1)

s

t

s(i-1) ss(i) s(i+1)

punct de oprire

punct de oprire

eroare de traiectorie

ijijijij qqqq 11 ;*

m

i1j

1

i1j

q

q

... (6.9)

Fig. 6.45. Generarea comenzii la nivelul axei cu un algoritm de interpolare în poziţie:a. poziţia axei; b. viteza axei

i

ij

ijT

qq

*

(6.10)

Algoritm de interpolare cu comandă în viteză (incremental).

Algoritmul are ca mărime de intrare din programul principal prescrisa de poziţie a efectorului *

is la

deplasarea între jaloanele traiectoriei. Pe intervalele de eşantionare interpolatorul definineşte vitezele de

deplasare pe traiectorie *

ijs

care sunt transformate de modelul cinematic invers (5.87) în prescrise de viteză

ale axelor de acţionare *

ijq

. Deplasarea între punctele intermediare la nivelele de viteză prescrise permite

obţinerea unor deplasări elementare ale axelor calculabile cu relaţia:

ijijiijij qqTqq 1

*

(6.12)

Poziţia axelor pe durata parcurgerii celor n puncte intermediare este:

njijiijij qTqq ...

*

11

(6.13)

unde ijq 1 este vectorul de poziţie a axelor calculat la pasul anterior.

Conform algoritmului de calcul prezentat interpolatoarele incrementale sunt sensibile la erorile de calcul şi

Viteză axăqj

k

qk1(i)

*

qkn-1(i)

*

profil idealde viteză

Ti

profilviteză

calculat

qkj(i)

*

qkj-1(i)

*

t

Poziţie axăqj

k

qk(i-1)

*

qk(i)

*

traiectoriaprogramată

Ti

traiectoriarealizată

qkj(i)

*

qkj-1(i)

qkj(i)

kj(i)

t1 n 1 n

a. b.

model deoarece prin concepţie cumulează erorile de la paşii intermediari.

Fig. 6.46. Generarea comenzii la nivelul axei cu un algoritm de interpolare în viteză:a. viteza axei; b. poziţia axei corectată la depăşirea erorii admisibile

Îmbunătăţirea performanţelor interpolatorului se poate face prin introducerea unor algoritmi de corecţiecapabili să elaboreze un semnal de corecţie atunci când eroarea de urmărire a traiectoriei depăşeşte valoareamaxim admisă conform figurii 6.47.:

Fig. 6.47. Algoritmul de corecţie a erorii de poziţie pentru interpolatorul incremental

Viteză axăqj

k

qk1(i)

*

qkn-1(i)

*

profil idealde viteză

Ti

profilviteză

calculatqk

j(i)*

qkj-1(i)

*

t

1 n

b.

Poziţie axăqj

k

qk(i-1)

qk(i)

traiectoriaprogramată

Ti

traiectoriarealizată

qkj(i)

qkj-1(i)

kj(i)

t

1 n

a.

corecţie

Elaboraretraiectorie

sj(i) calculat sj+1(i)*

M. cinematicinverssj(i) măsurat

M. geometricdirect

M. geometricinvers

sj(i)

qj(i)

Bloc derivare

qj+1(i)*

qj(i)

Sistemacţionare

qj+1(i)*

corectat

TP

C1

C2

qj(i)

6. Comanda roboţilor314

6.4. UTILIZAREA AUTOMATELOR PROGRAMABILEPENTRU COMANDA DISPOZITIVELOR AUXILIARE ALE

SISTEMELOR ROBOTIZATE

Automatul programabil (Programable Logic Controler) a apărut ca oalternativă flexibilă, ieftină şi sigură la panourile cu logică cablată (cu relee).Automatele programabile s-au dezvoltat şi diversificat continuu astfel încât în prezentacestea realizează o multitudine de funcţii: logice, de temporizare, numărare, calculearitmetice, analiză de date, de comunicaţie cu alte echipamente ale sistemului deautomatizare. AP este un echipament electronic digital, construit pentru a controla întimp real procese logice secvenţiale în medii industriale eterogene. Automatulprogramabil a fost dezvoltat ca urmare a solicitărilor din industria americană aautomobilelor, aflată în plină dezvoltare în anii ’60, de a dezvolta benzi de fabricaţieautomatizate.

Pentru a reduce preţul de producţie producătorii au solicitat un sistem numeric decontrol fiabil şi flexibil care să poată fi utilizat în medii industriale, să poată fi uşor deprogramat şi de întreţinut de personalul tehnic şi să fie reutilizabil. În cazul liniilorclasice de producţie de fiecare dată când era schimbat modelul de maşină, sute depanouri cablate cu relee, proiectate să deservească un proces de automatizare specificerau dezafectate.

Agresiunile mediului industrial perturbator se datorează următorilor factorii: mediului fizic şi mecanic caracterizat prin vibraţii, şocuri (care solicită contactele,sudurile componentelor electronice), umiditate (un procent mai ridicat de 80%provoacă condensaţii şi accelerează coroziunea, iar unul inferior valorii de 35%favorizează crearea de potenţiale electrostatice), temperatură ridicată a mediuluiambiant local (50…60 C), prin vecinătatea cu cuptoare, reactoare, furnale fierbinţicare pot duce la funcţionarea la limita de toleranţă admisă de unele componente; poluării chimice, concretizate prin existenţa unui număr important de factoriparticulari distructivi cum ar fi gazele corozive (Cl2, H2S, SO2), vaporii dehidrocarburi, pudre metalice (degajate în secţiile de prelucrări mecanice, turnătorii) sauminerale (degajate în betoniere); ca mijloace de protecţie împotriva poluării chimiceproducătorii utilizează lăcuirea circuitelor imprimate şi instalarea filtrelor, cu rolul de aelimina praful sau gazele;

perturbaţiilor electrice, dintre care o incidenţă mai mare o au interferenţeleelectromagnetice ca rezultat a cuplajelor capacitive sau inductive, paraziţi de origineelectrostatică şi fenomenele termoelectrice (prin efectul Peltier).

Divizia Hydramatic de la General Motors a elaborat primul controler logicprogramabil în anul 1968. Piaţa dădea naştere produselor a două dintre cele mai mariîntreprinderi: Modicon şi Allen – Bradley. În Franţa, primele automate programabileau apărut pe piaţă în anul 1971 la întreprinderile: Merlin – Gérin şi Alspa. [MICH 89].Avantajele automatelor programabile sunt multiple şi pe diferite planuri: flexibilitate în configurare, automatul programabil poate conduce procese diferite,iar modificările procesului de producţie se realizează de această dată la nivel software(funcţii logice), modificările de program sunt mai uşor de implementat decâtmodificările la nivel hardware;

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 315

siguranţă, dispozitivele electronice sunt mai sigure şi mai uşor de întreţinut decâtreleele mecanice; cost scăzut, sistemele numerice sunt capabile să realizeze software funcţiicomplexe la un cost scăzut; facilităţi de exploatare şi depanare, echipamentul de programare al automatelorpoate furniza informaţii asupra funcţionării sistemului, listarea circuitelor cu probleme,soluţii de remediere a avariilor.

Printre aplicaţiile ce se pot realiza cu automatele programabile se numără:– automatizarea liniilor şi fluxurilor de fabricaţie şi de montaj, a bancurilor de probăşi control a calităţii produselor, gestiunea mecanizată a depozitelor, împachetarea şiîncărcarea produselor finite, etc.;– automatizarea utilajelor (maşini unelte, compresoare, maşini de sudare, ascensoareroboţi de manipulare);– optimizarea proceselor tehnologice: automatizarea turnătoriilor, dozarea şiamestecul produselor, controlul debitelor în instalaţiile de pompare, uscarea controlată,tratamente termice.– aplicaţii SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition).

6.4.1. Arhitectura automatelor programabile

Structura unui automat programabil este formată în principal din unitatea centrală,sursa de alimentare, module de intrare/ieşire numerice şi analogice ce asigură schimbulde date cu procesul controlat, module de control a axelor de acţionare numerică,modulul de comunicaţie şi consola de programare:

Fig. 6.44. Arhitectura automatelor programabile

Consola deprogramare

Proces tehnologic

Unitateacentrală

Sursa dealimentare

Modul I/Onumerice

Modulcomandănumerică

axe

Modul I/Oanalogice

Modulcomunicaţie Rezerve

Elemente execuţie:distribuitoare de

comandă, contactoare,relee, c-dă. PWM

Traductoare numerice:microîntreruptoare,

senzori de proximitate,poziţie, viteză

Elemente execuţie:motoare de c.c.,

motoare pas cu pas

Elemente execuţie:(servo)distribuitoare

proporţionale,prescrise analogice

Traductoare analogice:senzori de nivel, distanţă,

forţă, resolvere

IBM/PC

RS 232AP

LAN, Internet, CAN,Modbus, RS 485

6. Comanda roboţilor316

Unitatea centrală este dezvoltată în jurul unui microprocesor în cazulmicroautomatelor programabile (cu maxim 128 I/O) respectiv a două microprocesoare,master şi supervizor, în cazul automatelor de talie medie (până la 1024 I/O) şi mare(peste 4096 I/O). Pentru a-şi îndeplini sarcinile, unitatea centrală trebuie să prelucrezenumeroase informaţii. Aceste prelucrări constau în transferuri de date, comparaţii,puneri în format (conversii), calcule matematice, operaţii pe bit, sincronizare.Magistralele sistemului trebuie să permită schimbul rapid şi eficient al informaţiilor(10 Mocteţi/secundă). Capacitatea magistralei este adaptată informaţiilor care circulăprin ea: lungimii cuvintelor, adreselor, numărului semnalelor de control, etc. Viteza detransfer a magistralelor, condiţionează în sens larg performanţele generale ale unităţiicentrale.

Memoria AP este formată din memoria rezervată programelor sistemului şimemoria rezervată programelor utilizatorului. Sistemul de operare al automatuluiprogramabil este stocat într-o memorie EPROM şi conţine toate informaţiile necesarefuncţionării sistemului şi exploatării sale (sistemul de operare este un program careserveşte aceluiaşi scop ca şi DOS sau Windows într-un calculator). O parte esterezervată logicii de bază, creată, dezvoltată şi furnizată de constructor (firmware).Capacitatea memoriei variază în funcţie de volumul bazei logice de la câţiva Ko încazul microautomatelor la 1…10 Mo în cazul automatelor multiprocesor prevăzute cualgoritmi sofisticaţi de funcţionare şi diagnoză. Programul utilizatorului este stocatdupă finalizare într-o memorie (E)EPROM a cărei capacitate (8 Ko…256 Ko) depindede tipul automatului şi complexitatea aplicaţiei. În faza de dezvoltare a programuluiacesta este stocat şi rulat din memoria RAM a calculatorului sau consolei deprogramare utilizate pentru editare şi depanare. Programul constă dintr-o succesiunede operatori care permit realizarea funcţiilor logice cerute. Instrucţiunile sunt stocateîn adresele consecutive ale memoriei (E)EPROM şi executate automat, în ordine, prinadresarea consecutivă a locaţiilor memoriei, prin intermediul unui contor alprogramului. Formatul tip a unei instrucţiuni a automatului programabil este prezentatîn figura 6.45. pentru un cuvânt de 32 biţi:

Fig. 6.45. Formatul instrucţiunilor automatelor programabile

În funcţie de posibilităţile oferite de sistem, prin formatul instrucţiunii se rezervă ozonă de 6…8 biţi pentru codificarea operaţiei sau funcţiei ce urmează să fie executată.Următorii 3 biţi definesc tipul de variabilă: intrare I, ieşire O, memorie M, canaltemporizare T, contor numărare C, bloc date D, funcţii speciale F. Modul de adresare aspaţiului de memorie disponibil este definit de următorii 3 biţi: adresare absolută,indirectă, indexată, imediată sau relativă. Ultima zonă este rezervată adreseioperandului care se poate găsi în memoria RAM a sistemului sau în regiştrii de lucru ai

3 biţi tip operand

registrul cel mai puţin semnificativ

3 biţi tip adresare

registrul cel mai semnificativ

adresă operand8 biţi codul operaţiei

32 11617

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 317

procesorului. Datele folosite de AP pe parcursul rulării programului sunt stocateautomat în memoria RAM a sistemului (independent de acţiunile utilizatorului). Zonade date este organizată în subzone care stochează un anumit tip de date dintre care celemai semnificative sunt: imaginea stării intrărilor I, stochează starea (1 sau 0) a intrărilor de la senzorii şi

traductoarele digitale din proces; imaginea stării ieşirilor O, stochează datele binare (1 sau 0) care vor activa sau

dezactiva dispozitivele de execuţie din proces; starea variabilelor de memorie, utilizate pentru păstrarea unor rezultate parţiale; starea numărătoarelor C, stochează tipul (cu numărare înainte, înapoi, înainte/

înapoi), valoarea curentă, valoarea setată; starea canalelor de temporizare T, stochează tipul (temporizare la acţionare,

revenire, monostabil), valoarea curentă, valoarea setată; date numerice D, stochează datele utilizate pentru conversiile de numere,

compararea blocurilor de date etc. funcţii F, stochează starea şi datele funcţiilor speciale folosite de programul

utilizator.Informaţia stocată în memoria RAM a automatului este temporară şi poate fi menţinutăun timp limitat cu ajutorul surselor auxiliare: supercapacitor (2…4 luni) sauacumulator (1…2 ani).

Pentru a asigura schimbul de informaţii cu procesul controlat, AP pot fi prevăzutecu o mare varietate de module I/O care prezintă particularitatea de a fi specialproiectate pentru un mediu industrial puternic poluat electromagnetic. Modulele deintrări digitale pentru a realiza în bune condiţii funcţia principală de achiziţie trebuiemai întâi să efectueze adaptarea semnalului industrial prin: aducerea la o formă cât maiapropiată de semnalele digitale standardizate, eliminarea informaţiilor parazite,decuplarea circuitului de forţă (din proces) de circuitul de procesare al automatului.

Formatarea semnalului industrial constă într-o succesiune de operaţii în urmacărora se obţine un semnal calibrat, utilizabil. Deoarece semnalele de intrare potproveni din circuite electrice de curent continuu (uzual) dar şi din circuite de curentalternativ mai întâi se realizează o redresare bialternanţă şi filtrare urmată de ocalibrare prin care semnalul este adus în limitele admise de semnalele logice digitalecu ajutorul unor circuite electronice de tip Trigger-Schmidt, varistor sau diodă Zenner,figura 6.46.a. Intrările digitale pot lucra în logică pozitivă sau negativă.

Eliminarea informaţiilor parazite de înaltă frecvenţă cu caracter pasager, careîncadrându-se în nivelul logic au trecut de circuitele de formatare, se face cu ajutorulunui filtru trece jos (exponenţial) ce acţionează numai în funcţie de energiasemnalului. Constanta de timp a filtrului se alege în intervalul 5…20 ms, fiind deaproximativ două ori mai mare decât timpul de rulare a programului. Prezenţa filtruluiare dezavantajul creşterii timpului minim de achiziţie a datelor de la canalele de intrareşi implicit determină scăderea performanţelor sistemului prin scăderea vitezei de rularea programului utilizator. Din acest motiv majoritatea producătorilor oferă posibilitateadezactivării (hard) a filtrului în cazul intrărilor neperturbate electromagnetic ceea cepermite scăderea timpului de achiziţie la valori de 0,5…1 ms.

Nivelul tensiunilor de intrare standardizate este de 24, 48, 110, 220 V c.c. sau c.a.în cazul semnalelor provenite de la microîntreruptoare, senzori inductivi de

6. Comanda roboţilor318

proximitate sau 5V (TTL) respectiv 15 V (CMOS) în cazul semnalelor achiziţionate dela senzorii şi traductoarele digitale inteligente, cu prelucrare locală a informaţiei.Pentru a se preveni avarierea circuitelor digitale ale AP (5 V) în cazul unor defecte deizolaţie în circuitele electrice din proces, este obligatorie separarea galvanică a acestorcircuite prin dispozitive optoelectronice.

Fig. 6.46. Canale de intrare:a. intrare digitală de c.c. şi c.a.; b. intrare digitală pentru semnale de mare viteză

Pentru procese rapide intrările automatului programabil pot fi configurate sălucreze ca numărătoare de mare viteză HSC (High Speed Counter) cu operare pefrontul pozitiv/negativ al impulsului standardizat (5..15 V, factor umplere 20% ÷80%), figura 6.46.b. Fiecare numărător realizează procesarea directă a semnalului tipimpuls, cu frecvenţa maximă de 10 kHz, pentru implementarea aplicaţiilor de controlindustrial ca: măsurarea debitelor, a vitezei motoarelor de acţionare, contorizareaoperaţiilor rapide de încărcare/descărcare a materialelor, memorarea poziţiei în buclelede reglaj în poziţie. Datorită costului ridicat canalele de intrare se realizează grupat pemodule de intrari, echipate cu 8 sau 16 canale.

Canalele de ieşire au rolul de a asigura comanda elementelor de execuţie dinproces cu asigurarea separării galvanice şi a nivelului de putere solicitat. În funcţie decurentul solicitat canalele de ieşire se realizează în următoarele variante constructive: cu ieşire pe tranzistor, pentru c.c. curenţi de maxim 1A, tensiune U = 5…24 V c.c.; cu ieşire pe releu, pentru alimentarea consumatorilor c.c. şi c.a., curent maxim pe

D1

+5 V

O1

R1

MOV

R2

LED1

R3

Un

itat

eace

ntr

ală

Automat programabil

Filtru

T=5…20 ms

V1

Proces

IN1

COM

P1

S1

D1

+5 V

O1

R1

R2

LED1

R3

Un

itat

eace

ntr

ală

Automat programabil

+V1

Proces

HSC

COM MV1

Filtru

T=100 s

a.

b.

c.c.sau

c.a.

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 319

contact 2A pe sarcină rezistivă, tensiune U = 24…240 V; cu ieşire pe triac, pentru alimentarea consumatorilor de curent alternativ de putere,

curent maxim de 10 A pe sarcină rezistivă, tensiune U = 24…240 V.Ieşirile pe tranzistor se utilizează numai în curent continuu ca ieşiri standard

pentru curenţi mici (maxim 1 A) şi în special pentru ieşiri de mare viteză tip PWM, cutimp mic de răspuns 0,1 ms. Etajul de putere este realizat cu tranzistor bipolar (npn saupnp) sau cu tranzistor MOSFET pentru puteri mai mari. Prin utilizarea facilităţii PWMeste posibilă generarea unui profil particularizat de viteză pentru comanda unui motorde c.c de mică putere sau comanda în poziţie a unei vane de reglare a debitului, figura6.47.:

Fig. 6.47. Canal de ieşire pe tranzistor

Alimentarea sarcinii comandate se poate face la alegere de la sursa internă aautomatului în cazul unui curent de maxim 1…2 A (pe toate ieşirile) sau de la o sursăexternă adaptată consumatorilor comandaţi, prin setarea conexiunii J1. Fiabilitatea şidurata de viaţă a ieşirilor pe tranzistor este mult mai mare decât a ieşirilor pe relee dardeoarece au o capaitate redusă de suprasarcină ieşirile trebuie protejate obligatoriu prinsiguranţe fuzibile rapide montate în exteriorul automatului.

Ieşirile pe releu, cu contacte normal deschise, pot controla aplicaţii precumpornirea motoarelor, comanda bobinelor contactoarelor, electromagneţilordistribuitoarelor de comandă, lămpilor de semnalizare.

Fig. 6.48. Canal de ieşire pe releu

D1

RsOUT1

Automat programabil Element execuţie

+5 V

K1K1

LED1

R3

Un

itat

eace

ntr

ală

COM1

F1

c.c.sauc.a.

U

D1

Rs

+5…24 V

T1

OUT1

Automat programabil Element execuţie

DZ1

+5 V

O1

R1R2

LED1

R3

Un

itat

eace

ntr

ală

COM1

F1

+24Vint

=

PWM

+24VextJ1

6. Comanda roboţilor320

Timpul de răspuns este relativ mare datorită constantei electromecanice a releului (15ms), ca urmare pot fi comandate numai dispozitive de execuţie lente. Capacitateafiecărui contact este de 2…10 A, dispozitivele comandate fiind alimentate de la o sursăexternă de c.c. sau c.a. Anduranţa mecanică tipică a contactelor este de 20.000 operaţiiîn timp ce anduranţa electrică este de aproximativ 200.000 de operaţii şi depinde detipul şi valoarea sarcinii comutate. Ieşirile trebuie prevăzute în exterior cu siguranţepentru a proteja contactele în cazul unui scurtcircuit pe sarcină.

Canalele de ieşire pe triac sunt mai puţin uzuale fiind folosite numai pentrucomanda sarcinilor de curent alternativ, figura 6.49.:

Fig. 6.49. Canal de ieşire pe triac

Pentru a asigura o mai mare flexibilitate de exploatare în prezent producătorii deAP realizează module I/O ale căror canale sunt configurabile software ca intrări sauieşiri în funcţie de necesităţile sistemului controlat.

Numărătoarele utilizate de automatele programabile sunt de trei tipuri: cunumărare înainte (CTU), cu numărare înapoi (CTD) şi cu numărare înainte/înapoi(UDC). Numărătoarele de mare viteză HSC sunt realizate hardware spre deosebire denumărătoarele uzuale care sunt implementate software şi ca urmare au funcţionareadependentă de durata ciclului AP. Majoritatea producătorilor recomandă utilizareanumărătoarelor normale (software) dacă perioada evenimentelor ce trebuiesccontorizate este mai mare decât dublul ciclului AP şi numai numărătoare HSC pentruaplicaţiile care nu se încadrează în această condiţie. Majoritatea AP actuale utilizeazănumărătoare pe 16 biţi ca urmare limitele de numărare depind de modul de afişare avariabilei contorizate: 0…9.999 (numărător zecimal 16 biţi BCD), -32.768…32.767(numărător binar 16 biţi cu semn), 0…65.535 (numărător binar 16 biţi).Forma generală a unui numărător înainte (înapoi) este prezentată în figura 6.50.:

Fig. 6.50. Numărător înainte (înapoi)

RsOUT1

Automat programabil Element execuţie

OT1

COM1 F1

110…220 V c.a.

U~

+5 V

R2

LED1

R3

Un

itat

eace

ntr

ală

Fs

C00003

RESET

COUNT UP (DOWN)IN0

IN2

IN0

C00

IN2

N=3

t

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 321

Numărătorul este identificat prin litera C urmată de un număr nnn a cărui valoaremaximă depinde de tipul AP, funcţionează cu două semnale de intrare: IN0 pentrunumărare înainte sau înapoi (COUNT) şi IN2 pentru ştergerea conţinutului registruluide numărare (RESET). Numărătorul mai conţine un registru în care este memoratăvaloarea setată până la care sau de la care se numără evenimentele (exemplu C00numără înainte până la 3). La atingerea valorii setate variabila C00 ia valoarea 1 logic.Numărătoarele înainte/înapoi utilizează trei canale de intrare: IN0 pentru numărareînainte (COUNT UP), IN1 pentru numărare înapoi (COUNT DOWN) şi IN2 pentruştergerea conţinutului registrului de numărare (RESET). Conţinutul registrului denumărare creşte sau scade în funcţie de semnalele de intrare şi numai la atingereavalorii setate (exemplu valoarea 4), variabila C02 ia valoarea 1 logic, conformdiagramelor de semnal prezentate în figura 6.51.:

Fig. 6.51. Numărător înainte/înapoi

Canalele de temporizare sunt utilizate cel mai frecvent pentru a genera un intervalde timp controlabil înainte de a se executa un anumit eveniment. Pentru realizareaacestei funcţii generale (cu implementare software) se pot utiliza următoarele tipuri decanale de timp: canal de timp cu temporizare la acţionare TON (Timer On-Delay); canal de timp cu temporizare la revenire TOFF (Timer Off-Delay); canal de timp de tip monostabil TMON (Timer Monostabile); canal de timp cu acumulare TAC (Timer Accumulating);

Canalele de timp cu temporizare la acţionare sunt cele mai utilizate deoarecerealizează o întârziere programabilă faţă de un semnal de lansare, fiind echivalentulsoftware al releelor de timp cu aceeaşi funcţie. Canalul de timp este setat prin programla valoarea temporizării dorite şi care pentru canalele pe 16 biţi este un număr dinintervalul 0…65535. În funcţie de baza de timp generată de la unitatea centrală (uzualx0,1 s sau x0,01 s) se pot obţine întârzieri maxime de până la 6.553,5 s, valoare carepoate fi mărită prin cascadarea unui număr corespunzător de canale de timp TON.Controlul funcţionării se realizează cu o variabilă de intrare care poate fi un canal deintrare (control hardware) sau un canal de ieşire, timp, o variabilă de memorie, etc.(control software). Dacă condiţia logică de intrare este adevărată (exemplu IN0 = 1),canalul de timp TON este lansat şi se începe măsurarea timpului programat a căruivaloare curentă este accesibilă utilizatorului prin intermediul consolei de programare.După scurgerea timpului setat variabila de timp T00 de tip TON este validată automatşi rămâne în această stare atâta timp cât condiţia logică de intrare rămâne adevărată.

C02004

RESET

COUNT UPIN0

IN1

IN0

C02

IN2

C02=1

tIN2

COUNT DOWN

C02=3 C02=4

IN1

6. Comanda roboţilor322

Dacă semnalul de control devine fals înainte de trecerea timpului setat, canalul detemporizare TON este resetat urmând să fie lansat din condiţii iniţiale imediat cecondiţia de intrare redevine adevărată, conform graficelor de semnal prezentate înfigura 6.51.:

Fig. 6.51. Canal de timp cu temporizare la acţionare TON

Canalele de timp cu temporizare la revenire TOFF realizează funcţia detemporizare opusă unui canal TON. Pentru lansarea temporizării este mai întâinecesară îndeplinirea condiţiei logice de intrare (exemplu IN0 = 1), se valideazăautomat variabila de timp T001 iar din momentul schimbării stării condiţiei de intrare,pe frontul descrescător, începe măsurarea timpului. La atingerea valorii setate variabilade timp T01 trece în starea 0 logic. Activarea variabilei de intrare pe duratatemporizării determină ştergerea registrului de timp iar temporizarea se reia de la zeroimediat ce condiţia logică de intrare devine falsă, conform figurii 6.52.:

Fig. 6.52. Canal de timp cu temporizare la revenire TOFF

Canalele de timp de tip monostabil se utilizează pentru generarea unei temporizăricu durată impusă şi care, pe durata acestui interval de timp, nu este afectă demodificarea condiţiei logice de intrare. Această funcţie este deosebit de utilă în cazulaplicaţiilor ce utilizează semnale de la traductoare a căror durată este foarte scurtădatorită specificului procesului sau care sunt însoţite de numeroase semnaleperturbatoare: exemplu comutaţia mecanică a unui microîntrerupător. În acest mod serealizează o filtrare a semnalului de intrare şi în plus se poate reţine starea intrării untimp suficient pentru ca unitatea centrală să identifice modificarea stării logice.Lansarea temporizării se face din momentul în care condiţia logică de intrare devineadevărată (exemplu IN0 = 1), se validează automat variabila de timp T002 careblochează acţiunea eventualelor semnale de intrare, conform figurii 6.53.:

TONT00020

T00=2 s

STARTIN0

CLK

IN0

T00TON

t = 20x0,1 s

tceas intern

x0,1s; x0,01s

T00=0 sT00=0 s (Reset)

TOFFT01015

T01=1,5 s

STARTIN0

CLK

IN0

T01TOFF

t = 15x0,1 s

tceas intern

x0,1s; x0,01s

T01=0 s (Reset)Start

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 323

Fig. 6.53. Canal de timp de tip monostabil TMON

Canalele de timp cu acumulare măsoară durata totală a un eveniment repetitivpână la apariţia unei comenzi de ştergere. Funcţionarea în acest mod necesită douăcanale de intrare: unul IN0, pentru declanşarea contorizării impulsurilor de la bazainternă de timp şi unul IN1, pentru ştergerea conţinutului registrului acumulator alduratei evenimentului monitorizat. Canalul de timp poate fi setat pentru o anumităvaloare (exemplu 1 s) şi atunci când durata cumulată a evenimentului urmărit atingeaceastă valoare, variabila de timp T03 este validată şi poate fi utilizată în program.Dacă condiţia logică de intrare devine falsă înainte de atingerea valorii setate, valoareacurentă a timpului este reţinută şi contorizarea reîncepe de la această valoare imediatce condiţia de intrare redevine adevărată. Procesul de contorizare continuă (dacă seatinge limita de timp procesul se reia din nou de la valoarea zero) până la apariţia unuisemnal de ştergere. Semnalul de ştergere forţează automat şi variabila setată lavaloarea zero.

Fig. 6.54. Canal de timp cu acumulare TAC

Conducerea numerică a acţionărilor electrice dintr-o celulă flexibilă robotizatăpoate fi realizată cu ajutorul automatelor programabile AP multiprocesor sau acomenzilor numerice asistate de calculator CNC în cazul aplicaţiilor pretenţioase.Arhitectura AP multiprocesor permite prelucrarea informaţiilor la nivelul unor modulespecializate ce funcţionează după un program propriu. Nivelul înalt de specializare aacestor module dotate cu microprocesor şi memorie proprie asigură prelucrarea localăa datelor, micşorarea timpilor de transfer a datelor deoarece pe magistrală suntvehiculate doar rezultate finale, figura 6.55. Rezultatele finale sunt transmise în zona

TMONT02015

T02=1,5 s

STARTIN0

CLK

IN0

T02TMON

t = 15x0,1 s

tceas intern

x0,1s; x0,01s

T02=0 s (Start)

TACT03010

T03=1,4 s

STARTIN0

CLK

IN0

T03TAC

t = 10x0,1 s

t

ceas internx0,1s; x0,01s

T03=1 s

T03=0,5 s

IN1RESET

IN1

T03=1,8 s T03=0,4 s

6. Comanda roboţilor324

de memorie comună de unde sunt puse la dispoziţia unităţii centrale sau a celorlaltemodule specializate ce pot accesa şi utiliza aceste date conform unui protocol intern.

Figura 6.55. Arhitectura modulelor specializate utilizate în AP multiprocesor

Programarea modulelor specializate se limitează la selectarea parametrilor de lucruprin utilizarea, la nivelul consolei de programare, a unor casete de dialog interactiv.Unitatea centrală controlează modul de desfăşurare secvenţială a aplicaţiei şisupervizează funcţionarea modulelor specializate. Cele mai utilizate module sunt: modul intrări – ieşiri numerice; modul intrări – ieşiri analogice; modul intrări analogice cu prag reglabil; modul reglare PID; modul de comandă autoadaptiv PIDD2; modul control acţionări axe.

Modulele de intrări – ieşiri numerice nu echipează decât AP de nivel superior cepot prelucra date numerice a căror mărime este uzual de 16 biţi. Un modul este formatprin reunirea a 16 intrări sau ieşiri digitale care sunt multiplexate în bloc pentru a seputea conecta astfel un număr mai mare de elemente I/O fără a creşte excesiv preţulautomatului. Pentru separarea variabilelor binare de cele numerice se utilizeazăcodificarea diferită a operanzilor astfel încât cuvântele de 16 biţi să fie interpretate caun ansamblu.

Modulele de intrări – ieşiri analogice se utilizează în aplicaţiile care necesităprelucrarea unei mărimi analogice sub formă numerică sau invers. Ieşirile analogicesunt simplu de realizat cu ajutorul convertoarelor digital – analogice a căror tehnologie

PROCES

mag

istr

ale

inte

rne

32

biţ

i

EPROM

Program modulspecializat

RAM

Date locale

P

MagistraleAP

A0…A10

D0…D31

Controlermagistrale

Date Control

Unitateacentrală

Adrese

magistrala de control

magistrala de date D0…Dx

magistrala de adrese A0…Ay

INTERFAŢĂDEDICATĂ

PROCES

Motoare c.c.MPP

Traductoare poziţieI/O analogice

Reţele industriale

Modulspecializat

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 325

este bine pusă la puct şi nu ridică probleme tehnice sau de preţ deosebite. Intrărileanalogice sunt mult mai dificil de realizat şi au preţuri de cost ridicate (100...150€/canal). Marea majoritate a convertoarelor analog – numerice lucrează pe 10…12 biţicea ce limitează valoarea minimă a semnalului analogic ce poate fi prelucrat numericşi necesită timpi de conversie de 1...2 μs. Din acest motiv pentru adaptarea semnaluluide intrare se utilizează amplificatoare performante cu câştig programabil iar pentrureducerea costurilor, canalele analogice sunt multiplexate ceea ce conduce la oîntârziere suplimentară de încă 1 μs şi limitează frecvenţa maximă a semnalelorachiziţionate la 100 kHz.

Fig. 6.56. Echiparea standard a unui automat programabil de clasa medie GE Fanuc

Modulul cu intrări analogice şi prag reglabil asigură modificarea stării logice aunei variabile asociate intrării atunci când, semnalul analogic monitorizat depăşeşte ovaloare prestabilită. Aplicaţiile tipice ale acestor module sunt realizarea protecţiiloracţionărilor la: suprasarcină, depăşirea temperaturii maxim admise, supraturaţie, limităcurent pornire, etc.

Modulele de control a acţionărilor, figura 6.57.a., asigură comanda în viteză şipoziţie a uneia sau a mai multor axe (4…14), cu posibilităţi de interpolare, după o legede mişcare ce variază în timp în conformitate cu cerinţele procesului tehnologiccontrolat. Aceste module asigură acţionării poziţionări în limita unui nivel de eroareadmis cu respectarea parametrilor cinematici de mişcare. Modulele de acţionare suntspecial echipate pentru acţionări cu motoare de curent continuu sau motoare pas cupas, figura 6.57.b. Măsurarea poziţiei şi vitezei axei se realizează cu traductoareincrementale, absolute sau de tip resolver, figura 6.57.c., conectate la intrărispecializate care pot achiziţiona date de la 1…4 traductoare cu o rată de 0,8 ms pentrucontrolul poziţiei şi 32 ms pentru controlul vitezei. Modulele de acţionare actualepermit controlul parametrilor de mişcare (poziţie, viteză, acceleraţie, pantă acceleraţie– frânare, limite deplasare axă) în funcţie de timp prin programarea unui număr de200…500 puncte de control (set point). Pentru obţinerea unor sisteme de acţionare

Unitateacentrală

Modul specializat de comunicaţieRS232, DeviceNet, Ethernet

Sursa dealimentare

Modul ieşiri digitale Modul intrări digitaleModul specializat

intrări/ieşiri analogice

Borne de conexiunicu procesul

6. Comanda roboţilor326

numerică performante este necesară cunoaşterea modelului sistemului de acţionareinclusiv a sarcinii acţionate. Modulele permit calculul şi identificarea parametrilorsistemului prin aplicarea la intrări a unor semnale de excitaţie şi analiza semnalelor deieşire. Se identifică astfel un model real pe baza căruia se calculează parametriioptimizaţi ai regulatoarelor în funcţie de semnalele perturbatoare variabile. Controlulprecis al parametrilor acţionării este realizat cu regulatoare numerice PID sauregulatoare numerice adaptive de tip PIDD2, care se pot programa prin instrucţiunispeciale. Timpul de calcul afectat unei bucle de reglare este de 5…10 ms ceea ce estesatisfăcător pentru majoritatea sistemelor de acţionare a căror constantă de timp esteuzual de ordinul sutelor de ms. Module specializate cu funcţii de reglare PID suntdisponibile şi separat, un modul asigurând controlul pentru maxim 20…30 bucle dereglare într-un timp de 250 ms.

Fig. 6.57. Module specializate: a. modul acţionare motoare c.c. (GE Fanuc); b. modul acţionaremotoare pas cu pas (Allen-Bradley); c. Modul traductori poziţie (GE Fanuc)

Numărul de module specializate care pot lucra pe o platformă comună de APmultiprocesor depinde capacitatea unităţii centrale, posibilităţile de control şi transfer adatelor pe magistrale, ca urmare majoritatea producătorilor oferă sisteme ce pot lucracu maxim: 31 module specializate (Telemecanique TSX87), 64 module specializate(GE Fanuc 90-70 PLCs).

6.4.2. Funcţionarea automatelor programabile

Caracteristica unică a automatelor programabile o reprezintă funcţionarea după unciclu închis, în care instrucţiunile programelor de sistem şi aplicaţie sunt executatesuccesiv până la ultima după care ciclul de parcurgere a instrucţiunilor se reia cu primainstrucţiune. Un ciclu de funcţionare cuprinde două faze: faza de realizare a funcţiilor de sistem, care implică rularea subprogramelor interne

prin care este asigurată funcţionarea UC, funcţia de autodiagnoză, schimburile dedate cu exteriorul şi între modulele sistemului;

faza de rulare a programului utilizator, în care sunt executate funcţiile logice,calculele matematice solicitate prin instrucţiuni.

a. b. c.

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 327

Timpul de execuţie a unui ciclu în ipoteza parcurgerii tuturor instrucţiunilor (nu seexecută instrucţiuni de salt) este determinat în principal de următorii factori:capacitatea de procesare, numărul de canale I/O, mărimea programului utilizator.Capacitatea de procesare a unităţii centrale este exprimată prin timpul necesar deexecuţie a unei secvenţe de program de 1 kcuvânt de memorie (uzual 0,6 ms…0,22ms/k). Timpul de acces la un modul I/O digital cu 16 canale este în medie de 0,1…0,5ms, timp necesar pentru achiziţia sau transferul unui cuvânt de 16 biţi. Având învedere caracteristicile tehnice ale unui AP performant pe 16 biţi cu maxim 80 moduleI/O, 240 kocteţi memorie utilizator şi o capacitate de procesare de 0,22 ms/K, rezultădurata maximă a ciclului automatului de: ms40662201205080Tciclu ,,, ,

valoare care este în principal determinată de timpul necesar efectuării operaţiilor deintrare – ieşire. Tendinţa în controlul industrial este de a utiliza automate programabilecu configuraţii simplificate, plasate lângă proces, în locul celor centralizate cu multecanale I/O, al căror program este mai dificil de implementat în practică şi eventual dereconfigurat. Ca urmare în realitate chiar AP performante utilizează un număr multmai mic de module I/O (uzual 6…10) ceea ce limitează şi necesarul de memoriepentru programul utilizator la 8…32 Ko iar timpul real al ciclului de funcţionare scadela 6…10 ms. Modul general de execuţie al programelor (sistem operare + utilizator)începe cu faza de achiziţie a stării intrărilor, a căror valori sunt transferate în memoriaRAM de date, urmează execuţia instrucţiunilor din programul utilizator iar rezultateleecuaţiilor logice, calculelor matematice sunt stocate în subzonele corespunzătoare dinmemoria de date. În faza finală valorile variabilelor de ieşire din memoria RAM sunttransferate canalelor de ieşire, după care ciclul se reia în conformitate cu figura 6.58.a.:

Fig. 6.58. Tipuri de cicluri de funcţionare ale automatelor programabile: a. ciclu standard; b. ciclu cuintrări achiziţionate grupat şi ieşiri activate la cerere; c. ciclu distribuit cu activare I/O la cerere

Pentru o viteză mai mare de răspuns canalele de ieşire se pot activa la cerere adică

Citeşte intrări

Execuţieprogram

Scrie ieşiri

Citeşte intrărila cerere

Execuţieprogram

Scrie ieşirila cerere

Execuţieprogram

Scrie ieşirila cerere

Citeşte intrărila cerere

Citeşte intrări

Execuţieprogram

Scrie ieşirila cerere

Execuţieprogram

Scrie ieşirila cerere

c.b.a.

Tci

clu

6. Comanda roboţilor328

imediat ce o funcţie logică de ieşire a fost rezolvată, figura 6.58.b. sau pentru ointeractivitate îmbunătăţită cu procesul, se achiziţionează numai intrările şi seactivează numai ieşirile care intervin în secvenţa de program aflată în derulare curentă,figura 6.58.c. Scăderea timpului ciclului AP se poate face şi la nivel de programareprin utilizarea în cadrul programului principal a unui număr de subrutine (maxim60…200) care simplifică programarea şi reduc semnificativ numărul de instrucţiunicare se repetă (memoria utilizată). Organizarea ciclului de funcţionare devine mult maicomplicată în cazul în care intervin instrucţiunile de salt (ne)condiţionat respectiv încazul AP multiprocesor echipate cu module specializate ce efectuează şi calculenumerice (mari consumatoare de timp). În astfel de situaţii durata ciclului defuncţionare nu mai este constantă şi pentru a nu se perturba derularea secvenţială aprogramului principal, calculele numerice se derulează separat pe procesoarespecializate, interogate periodic de procesorul supervizor, urmând ca la finalizarearezultatelelor acestea să fie folosite. Deoarece în AP multiprocesor ciclul defuncţionare este aleator, în funcţie de cerinţele din proces, o măsură eficientă decontrol a derulării secvenţiale a programului principal constă în utilizarea unui punctde control (watchdog timer) care verifică reluarea ciclului într-un timp maxim permisşi evită blocarea programului (subrutinelor) într-o eventuală buclă infinită prinactivarea programului de autodiagnoză. Acest program este un program de sistemconceput să asigure supravegherea funcţionării corecte a procesorului, transferurilor dedate, alimentărilor. Este lansat la alimentarea automatului şi la începutul fiecărui ciclude funcţionare, trecerea testelor de securitate permite lansarea în execuţie aprogramului utilizatorului, conform schemei de principiu din figura 6.59.:

Fig. 6.59. Ciclu de funcţionare cu durată aleatoare

Schimbul de informaţii între diversele module ale automatului se face pemagistrala de date, fiind sincronizat în funcţie de semnalul de ceas intern prin comenzitransmise de procesorul central pe magistrala de control. În faza de achiziţie aintrărilor, procesorul rulează un subprogram al sistemului de operare prin careadresează succesiv, prin magistrala de adrese, pentru o perioadă de timp determinată,modulele de intrări conectate la senzorii din proces. Stările senzorilor sunt transferatepe magistrala de date în memoria RAM a sistemului. Există o corespondenţă riguroasăîntre adresele imaginilor biţilor asociaţi intrărilor şi ieşirilor şi bornele de racordare acablurilor la regleta automatului. Programul utilizator este executat de unitatea centrală

Subrutină 1

Subrutină 2

Subrutină 1

Programprincipalsecvenţial

instrucţiune de saltWatchdog

timer

Reset

Programautodiagnoză

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 329

sub controlul subprogramelor sistemului de operare. Execuţia unei instrucţiuni deprogram utilizator începe prin adresarea locaţiei curente a memoriei de program(E)EPROM. Adresa instrucţiunii curente este păstrată de contorul de program pânăcând logica de control îl incrementează/încarcă la/cu următoarea adresă executabilă.Instrucţiunea curentă este transferată pe magistrala de date într-un buffer deinstrucţiuni (o instrucţiune poate avea unul, două sau mai multe cuvinte de memorie).Formatul instrucţiunii din registrul de instrucţiuni corespunde formatului general:primii 8 biţi codifică operaţia de executat, următorii 3 biţi indică tipul operandului(subzona din memoria de date) iar ultimii conţin adresa operandului căruia i se aplicăoperaţia în execuţie. În funcţie de codul operaţiei şi tipul operandului, decodorul deinstrucţiuni va conţine adresa de început a subrutinei asociate operaţiei ce trebuieexecutată de automat şi care este stocată în memoria EPROM aferentă sistemului deoperare. Procesarea microinstrucţiunilor subrutinei asigură execuţia operaţiei curenteal cărei rezultat este transferat în subzona corespunzătoare memoriei de date. Dupăprocesarea logică a ultimei instrucţiuni a programului utilizator, unitatea centralăexecută subrutina sistemului de operare prin care noile stări ale variabilelor de ieşiresunt transferate succesiv din memoria de date spre canalele modulelor de ieşire pentrua controla stările elementelor de execuţie din proces.

Fig. 6.45. Execuţia instrucţiunilor în unitatea centrală

00001 00110010010

00110 00110010010

00001 00110010010

0000

2.048

Memorie programutilizator

magistrala de control

magistrala de date D0…Dx

magistrala de adrese A0…Ay

00110 00110010010

00110001 10010 0000000000000000 Contor program

Decodor instr.

mag

istr

ale

inte

rne

32

biţ

i

EPROMSistem operare

APLogică comandă

Registru instrucţiuni 32 biţi

RAM

Imagini IImagini O

Variabile MVariabile TVariabile C

microinstrucţiunisubrutine

Pcentral

MagistraleAP

00110001100

100

A0…A10

D0…D31

Controlermagistrale

Adrese/Date ControlUnitatea centrală

Buffer instrucţiuni

Date numerice D

Funcţii F

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 339

Tranziţia este o barieră ce separă două etape succesive şi care permite desfăşurareaunisens a procesului. Fiecărei tranziţii i se asociază o funcţie booleană numităreceptivitate care exprimă condiţia logică necesară pentru trecere. Pentru ca tranziţiade la o etapă la alta să fie autorizată sunt necesare două condiţii: receptivitatea să fie îndeplinită; etapa precedentă să fie activă.

Fig. 6.53. Condiţia de activare a unei tranziţii

Dacă mai multe etape concurente sunt condiţionate de aceeaşi tranziţie (ŞIConvergent), această situaţie se reprezintă prin două linii orizontale paralele şi condiţiade realizare a etapei următoare este determinată de activarea tuturor etapelor reunite şiîndeplinirea receptivităţii asociate tranziţiei unice. Regulile de funcţionare a metodeiGrafcet impun ca după efectuarea unei tranziţii etapa anterioară să treacă în stareinactivă:

Fig. 6.54. Tranziţia în cazul etapelor concurente (ŞI Convergent):a. tranziţie neautorizată; b. tranziţie autorizată; c. etapa următoare activă

Dacă o etapă şi receptivitatea asociată tranziţiei condiţionează activarea simultană aunor etape divergente (următoare) atunci se foloseşte opţiunea ŞI Divergent , figura6.55.a. Dacă în procesul de automatizare există două variante independente pentruactivarea unei etape atunci se utilizează opţiunea SAU Convergent, figura 6.55.b., iar

3 Pornire transportormotor M1

T007=1

2 Temporizare laintrare T007=3 s

etapă

receptivitate

etapă

Temporizare la acţionare TON cuvaloarea de 3 s

Ttranziţie activă dacă etapa 2 esteactivă şi T007=1

Activarea etapei 3 cu o întârziere de 3 sde la activarea etapei 2

3

2

C1=0

2

3

2

C1=1

2

3

2

C1=1

2

a. b. c.

6. Comanda roboţilor340

dacă procesul comportă la un moment dat o ramificaţie logică în care ambele ramuriindependente sunt condiţionate de aceeaşi etapă se foloseşte opţiunea SAU Divergent,figura 6.55.c.:

Fig. 6.55. Structuri concurente:a. ŞI Divergent cu activare simultană; b. SAU Convergent; c. SAU Divergent cu activare independentă

Exemplul 8. Realizarea saltului condiţionat în program respectiv repetarea în buclă a unei secvenţede program.

Fig. 6.56. Structuri Grafcet concurente

Pentru a reprezenta în program secvenţe de cod care se repetă de mai multe ori estesuficient ca secvenţa să fie prezentată explicit într-o zonă de program şi apoi de câteori este necesar, aceasta poate fi înlocuită cu un bloc de tip etapă care prezintă două

7

C1=1

5

4

2

C2=1

3 8

C7=1

a. b. c.

6

C1=0

C4=0

9 15

8

C9=0

C10

9

10

C9=1

C11

11-18

8

C9

C10

9

10

C11=1

C11

11

Salt condiţionaţ la etapa 11dacă etapa 8 este activă şi dacătranzitivitatea C9=0.Dacă C9=1 derulare normală aetapelor 9,10,11

Reluare condiţionată a etapelor9,10 atât timp cât etapa 10rămâne activă şi tranzitivitateaC11=0

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 341

bare verticale şi o eticheta care precizează numărul etapelor ce sunt incluse în acesta(numărul etapei de început şi de sfârşit). Pentru scrierea instrucţiunilor AP înconformitate cu structura logică creată prin Grafcet se asociază fiecărei etape ovariabilă internă de memorie care va fi imaginea stării etapei în program şi se respectăregulile menţionate anterior care conduc la ecuaţia generală:

ii1i1ii ECEEE (6.24)

unde Ei este etapa următoare etapei Ei-1 considerată activă; Ei+1 – etapa următoareetapei Ei considerată inactivă; Ci – receptivitatea asociată tranziţiei de la etapa Ei-1 laetapa Ei.

Exemplul 9. Se consideră un post robotizat format dintr-un robot, o masă rotativă indexată cu patrupuncte de lucru P0-P3 şi două transportoare tip bandă rulantă, figura 6.57. Robotul preiasemifabricatele încălzite la 300 C de pe transportorul 1 şi le depune pe masa indexată dacă postulP0 este liber. Masa rotativă permite rotiri cu câte 90 astfel încât semifabricatul trece succesiv prinposturile: P1 – presare la cald, P2 – găurire, P3 – poansonare cod fabricaţie. Blocarea mesei rotativeîn poziţie de lucru se realizează cu un cilindru pneumatic. Piesele prelucrate sunt preluate de robotdin postul P0 şi depuse pe transportorul 2. Controlul postului este asigurat de un automatprogramabil cu 32 I/O, ce controlează funcţionarea mesei rotative şi a transportoarelor şi carelucrează în ciclu sincronizat cu robotul.

Fig. 6.57. Elementele auxiliare ale unui post de prelucrări mecanice robotizat

Y1.1

Robot

Flux semifabricate Flux piese prelucrate

Y1.2

S1.1S1.2

Y2.1

Y5.2

S2.1

Y6.2

Y5.1

S3.2

Y4.1

Y3.2S5.1

S4.2

Y3.1

Y2.2

Y6.1

Y4.2

S3.1

S2.2

S5.2

S6.1S6.2

S4.1

S6.1

S8

S9S7

90

P0

P1

P2

P3

M1 M2

6. Comanda roboţilor342

Modul de alocare a variabilelor de intrare – ieşire şi funcţiile îndeplinite de senzorii şi elementele deexecuţie din sistem sunt prezentate în Tabelul 6.12.:

Tabelul 6.12. Alocare variabile I/OSimbol în

schema electricăVariabilă

I/OFuncţie în proces

S1.1. I000 Confirmare rotire masă indexată cu 90 S1.2. I001 Confirmare retragere cilindru rotire masăS2.1. I002 Confirmare indexare (blocare) masă în poziţia de lucruS2.2. I003 Confirmare deblocare masă rotativăS3.1. I004 Confirmare presă ridicatăS3.2. I005 Presostat confirmare presiune maximă de presareS4.1. I006 Confirmare post presare avansat (în poziţie de lucru)S4.2. I007 Confirmare post presare retrasS5.1. I008 Confirmare post găurire avansatS5.2. I009 Confirmare post găurire retrasS6.1. I010 Confirmare post poansonare avansatS6.2. I011 Confirmare post poansonare retrasS7 I012 Confirmare prezenţă semifabricat la încărcareS8 I013 Confirmare prezenţă piesă în post P0 după încărcare/ la descărcareS9 I014 Confirmare prezenţă piesă prelucrată pe transportor după descărcare

I020 Confirmare robot în poziţie de aşteptareY1.1. O000 Comandă distribuitor pneumatic rotire masă rotativăY1.2. O001 Comandă retragere cilindru rotire masăY2.1. O002 Comandă indexare (blocare) masă în poziţia de lucruY2.2. O003 Comandă deblocare masă rotativăY3.1. O004 Comandă ridicare presăY3.2. O005 Comandă presare semifabricatY4.1. O006 Comandă avans post presare (în poziţie de lucru)Y4.2. O007 Comandă retragere post presareY5.1. O008 Comandă avans post găurireY5.2. O009 Comandă retragere post găurireY6.1. O010 Comandă avans post poansonareY6.2. O011 Comandă retragere post poansonareM1 O012 Comandă motor acţionare transportor semifabricateM2 O013 Comandă motor acţionare transportor piese prelucrate

O020 Autorizare ciclu 1 robot (încărcare semifabricat)O021 Autorizare ciclu 2 robot (descărcare piese prelucrate)T000 Temporizare TMON=6s, timp funcţionare transportor 2

Pentru desfăşurarea în bune condiţii a ciclului de automatizare este necesar ca programul AP sărespecte următoarele condiţii: comanda rotirii mesei O000=1 nu poate fi făcută până când nu există confirmarea că s-a facut

deblocarea sa I003=1 şi unităţile de prelucrare sunt retrase I007, I009, I011=1; avansul unităţilor de prelucrare nu poate fi făcut decât dacă masa este indexată şi este confirmată

de către unitatea de comandă a robotului poziţia de aşteptare a acestuia I020=1; încărcarea pieselor semifabricat în postul P0 nu poate fi făcută decât dacă masa rotativă este

blocată, există confirmarea că s-a depus piesa prelucrată anterior pe banda transportoare,I014=1, nu există piesă semifabricat I013=0, s-a emis de către AP autorizarea pentru ciclul demanipulare piese O020=1 şi există piesă semifabricat pe banda transportoare I012;

Având în vedere condiţiile menţionate, în figura 6.68. se prezintă programul de control aldispozitivelor auxiliare prin utilizarea metodei Grafcet. S-a prezentat numai modulul de funcţionare înciclu automat.

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 343

Fig. 6.58. Digrama Grafcet pentru modulul de funcţionare în ciclu automat (parţial)

Modulele de funcţionare în ciclu manual şi avarie necesită definirea unui număr suplimentar devariabile şi în general pot avea o complexitate mai mare decât a modulului aferent funcţionării înciclu automat deoarece trebuie să răspundă unui număr mult mai mare de situaţii (faze) posibil deîntâlnit în practica de exploatare.

0

I020

1

I003I007I009I011I012

Fază iniţializare: O003, O004, O007, O009, O011=1

2

I000I003

Rotire masă O000=1 (Y1.1)

3

I000I002

Indexare masă O002=1 (Y2.1)

6

I012

Pornire transportor1 O012=1 (M1)

7

I013I020

Oprire transportor O012=0;Autorizare ciclu 1 robot O020=1

8

I004I006

Avans presă O006=1 10

I010

Avans poanson O010=19

I008

Avans găurire O008=1

I013I014 I013

4 Autorizare ciclu 2 robot O021=1(M1)

5 Pornire transportor2 O013=1 (M2)

I014I020

6-7 Încărcare semifabricat în P0

T000

I013I020

1-3 Rotire – indexare masă rotativă

I000I002

11

I005

Presare O005=1

12

I004

Ridicare O004=1

13

I007

Retragere presă O007=1 11

I009

Retragere găurire O009

I011

Retragere poanson O011=115

Reset Watchdog timer16

6. Comanda roboţilor330

6.4.3. Principii de programare a automatelor programabile

Rularea ciclică a programului aplicaţie în automatele programabile a impusfolosirea unor principii de programare diferite de cele utilizate în mod curent deinformaticieni chiar dacă, în prezent, setul de instrucţiuni al ambelor sisteme estefoarte apropiat Automatele programabile dispun de un set de instrucţiuni de bazăfoarte puternic (chiar pentru seriile microAP) care totalizează 100…150 funcţii, la carese adaugă în funcţie de clasă şi echipare noi instrucţiuni specifice modulelorspecializate.

Primul limbaj de programare dezvoltat de constructorii de AP a fost limbajul cucontacte care este utilizat şi în prezent datorită similitudinilor cu schemele electrice deacţionare, fapt ce facilitează exploatarea şi înţelegerea programului de un personal fărăpregătire superioară. Funcţiile logice realizate tradiţional prin conexiuni complexeîntre diversele contacte ale echipamentelor electrice sunt înlocuite prin funcţii logicestabilite între variabile de program, cărora li se asociază stările mărimilor fizice dinprocesul controlat. Mărimile din proces sunt variabile de intrare I, variabie de ieşire O,variabile interne de memorie M, contoare de evenimente C, canale de temporizare T,regiştri de date R, la care se adaugă variabilele de sistem S proprii automatului, fiecareavând un rol funcţional bine precizat şi stabilit de proiectant în tabelul de alocarevariabile conform exemplului prezentat în Tabelul 6.5.:

Exemplul 1. Modul de organizare şi asociere a variabilelor din programul AP.

Tabelul 6.5. Tabel alocare variabileSimbol aparat

în schemaelectrică

Variabilăasociată

Datevariabilă

Rol funcţional în proces/program

S1 I000 1 bit (hard) Selector ciclu funcţionare în mod Manual… … …

S23 I035 1 bit (hard) Senzor confirmare prezenţă piesă în post găurireI035…I048 Neutilizat

K1 O000 1 bit (hard) Contactor trifazat pornire motor bandă rulantă M1… … …Y1 O011 1 bit (hard) Distribuitor hidraulic rotire masă transfer flux1

O012…O016 Neutilizat- C000… 16 biţi (soft) Contor (înainte) numărare piese bune

C008…C255 Neutilizat- T000… 16 biţi (soft) Temporizator (acţionare) impuls ungere ghidaj

M000… 1 bit (hard) Stare intermediară avarie sistem ventilaţieS50 R000… 10 biţi (hard) Valoare digitală poziţie masă indexată1 (freze) de

la traductor absolut poziţie- S000… 1 bit Indică baterie descărcată CPU – setări firmă

P1 AI001… 16 biţi (hard) Intrare analogică senzor temperatură cuptor1V6 AO001… 16 biţi (hard) Ieşire analogică prescrisă turaţie motor avans6… … Continuare

Tehnica limbajului cu contacte conduce la diagrame în scară (Ladder Diagram)simplu de înţeles, de urmărit ca funcţii logice şi în consecinţă uşor de depanat. Scriereaprogramului se face linie cu linie de la stânga la dreapta şi în ordinea execuţiei. Pentru

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 331

editarea programului se utilizează programe de firmă (firmware) care au capacitatea dedetectare a erorilor, permit inserarea de comentarii pentru a facilita înţelegereaintenţiilor programatorului şi pot efectua translarea automată a schemelor logice cucontacte în instrucţiuni specifice automatului (Instructions List). Principalele funcţiilogice (Bit Operation Functions) şi semnificaţia lor sunt prezentate în Tabelul 6.6.

Tabelul 6.6. Principalele funcţii logice utilizate pentru programarea APSimbol electric Simbol AP

Ladder DiagramSimbol AP

Instructions ListSemnificaţie în program

LOAD I001Încărcare acumulutator cu stareavariabilei (de tip I, O, C, T, M, R, S)

LOAD NOT I004Încărcare acumulutator cu stareanegată a variabilei

LOAD I001OR T002

SAU logic între varibile binare(word), rezultatul memorat înacumulator (registru date)

LOAD I001AND M002

ŞI logic între variabile binare (word),rezultatul memorat în acumulator(registru date)

LOAD R001XOR R002OUT R003

SAU EXCLUSIV între variabileword, rezultatul memorat în registrulR003

LOAD condiţieSHIFTL R001

003OUT R002

Deplasare stânga/dreapta a biţilor uneivariabile word (16 biţi) prezente laintrarea IN cu un număr de poziţii datde constanta de la intrarea N. Stareabitului ce intră în registru este la B1iar a ultimului bit ieşit este la B2.Rezultatul este memorat în R002.

LOAD condiţieROR R001

005OUT R002

Rotire stânga/dreapta a biţilorvariabilei word de la intrarea IN cu unnumăr de poziţii dat de constanta de laintrarea N. În cazul ROR, bitul ce iesedin registru (LSB) este introdus prinpartea opusă a acestuia (MSB).Rezultatul este memorat în R002.

LOAD condiţieSETBIT R001

003CLEARBIT R001

005

Activare în 1 logic/ştergere 0 logic, abitului variabilei word de la intrareaIN, menţionat prin valoarea constanteisau conţinutul registrului de laintrarea BIT.

vezi exemplul 3

Comutator secvenţial cu deplasare înfuncţie de intrarea DIR. Bitul precizatde valoarea intrării STEP este setat în1 iar ceilalţi biţi ai registrului de lucrude la ST sunt setaţi în 0. Deplasareabitului activ în R006 se face în limitavalorii registrului de control R031=10

S1 I001

S4 I004

S1

KT2

I001

T002

S1 K2 I001 M002

XORWORD

Econdiţie

IN1R001

IN2R002 Q

R003

OK

SHIFTLWORD

Econdiţie

INR001

NNB 3 Q

M002

OK

B1M001

B2

R002

NB 3

RORWORD

Econdiţie

INR001

NNB 5

Q

OK

R002

SET BITWORD

Econdiţie

INR001

BIT(R042)

OK

R030…R032

BIT SEQ10

Econdiţie

RM001

DIRM002

R006

OK

STEPNB2

ST

6. Comanda roboţilor332

Exemplul 2. Blocul reprezentat de funcţia logică XOR WORD realizează funcţia SAU EXCLUSIV întrecuvintele de memorie aflate la adresele R001 şi R002, de fiecare dată când condiţia I001= 1 esteadevărată. Rezultatul procesat este memorat în locaţia de memorie cu adresa R003. De la un ciclu laaltul conţinutul locaţiilor de memorie aflate la adresele R001 şi R002 se poate schimba.

Fig. 6.46. Funcţia logică SAU EXCLUSIV

Exemplul 3. Realizarea unui comutator secvenţial pas cu pas ce setează succesiv, în mod sincron, biţiiregistrului de lucru R006 care activează canalele de ieşire asociate elementelor de execuţie cecomandă un manipulator. Blocul comutator este activat de un semnal de tact Q000 provenit de la ungenerator de impulsuri cu frecvenţa reglabilă (vezi exemplul 6). Semnalul de pornire în ciclu este datde intrarea I000 activată la apăsarea butonul de start (fără reţinere) şi care produce resetarea biţilorregistrului de lucru R006 mai puţin a bitului 1 care este setat în starea 1 logic. Modul de parcurgere asucesiunii de mişcări este determinată de activarea/dezactivarea variabilei de memorie M002, careasigură incrementarea/decrementarea pasului curent, memorat în registrul de control pas curentR030. Acest registru poate fi setat ca retentiv astfel încât la oprirea manipulatorului, poziţia curentă(numărul pasului) este salvată în memoria de date. La pornire, valoarea acestui registru estetransferată automat intrării STEP prin care se setează numărul pasului de pornire (prin definiţie este1). Numărul de paşi este stabilit de valoarea registrului de control mărime secvenţă paşi R031=10.

6.47. Comutator secvenţial pas cu pas utilizat pentru comanda unui manipulator automat

R003

XORWORD

E

IN1R001

IN2R002

Q

OK

I0011 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0 0 1

1 0 1 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1

0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0

R001

R002

R003

Conţinut memorie RAM

I001 – confirmare rotire stânga axa 1;I002 – confirmare ridicare axa 2;I003 – confirmare avans axa 3;…I010 – confirmare rotire dreapta axa 1.

I000

Ridicare axa 2

R030…R032

BIT SEQ10

E

R

DIR

R006

OK

STEP

ST

Q000

M002

R006.1Q001

Rotire stânga axa 1

R006.2 Q002

R006.3 Q003Avans axa 3

I001

I002

I003

R006.10 Q010I010Rotire dreapta axa 1

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 333

Funcţiile de ieşire (Relay Functions) asigură activarea canalelor de ieşire prinintermediul cărora sunt comandate elementele de execuţie: bobine contactoare, relee,bobine distribuitoare hidraulice, pneumatice, servomotoare, lămpi semnalizare. Înprocesul de automatizare este uneori necesar să se menţină starea variabilelor de ieşireşi la apariţia unei situaţii de avarie determinată de întreruperea alimentării cu energiesau la modificarea modului de funcţionare Run – Stop – Run. Pentru aceste situaţii esteposibil să se reţină starea variabilelor de ieşire prin setarea acestora de tip retentiv.Starea curentă a variabilelor retentive (numai de tip O, M, R, AO) este salvată înmemoria de date protejată, prin alimentarea de la o sursă suplimentară sausupercapacitor ce asigură o autonomie de câteva luni.

Tabelul 6.7. Principalele funcţii de ieşire utilizate pentru programarea APSimbol electric Simbol AP

Ladder DiagramSimbol AP

Instructions ListSemnificaţie în program

OUT O001Activare variabilă ieşire asociată (O,M, S, R, G) fără reţinere stare înmemorie după oprire sau defect PLC

OUT R001Activare variabilă ieşire asociată cureţinere stare în memorie după opriresau defect PLC (variabilă tip retentiv)

OUT O001Activare variabilă ieşire asociată dacăîn ciclul anterior condiţia de activare afost 0 iar în ciclul curent este 1

OUT O001Activare variabilă ieşire asociată dacăîn ciclul anterior condiţia de activare afost 1 iar în ciclul curent este 0

SET M003Activare variabilă ieşire asociată pecondiţia de activare şi menţinere pânăla o comandă RESET

RST M003Dezactivare variabilă ieşire asociatăpe condiţia de activare şi menţinerepână la o comandă SET

Exemplul 4. Comanda şi protecţia termică a unui motor electric de curent continuu. Pornireamotorului se face prin acţionarea butonului S1 căruia i s-a asociat variabila de intrare I000 şiactivarea ieşirii O000 ce alimentează bobina contactorului K1. Oprire motorului se face la acţionareabutonul S2 (I001) sau la suprasarcină când se activează automat protecţia termică F2(I002).

Fig. 6.46. Diagrama cu contacte şi secvenţa de cod pentru programul de comandă a unui motor

O001K1

R001

MTIP Word data

Traductor poziţie

O001

O001

M003

S

H1Avarie răcire

H1Avarie răcire M003

R

I000

O000

I001 I002 O000

00 LOAD I000 Acţionare buton pornire S1 (intrare I000);01 OR O000 SAU automenţinere prin ieşire O000;02 AND NOT I001 ŞI neacţionare buton stop S2 (intrare I001);03 AND NOT I002 ŞI neacţionare protecţie termică F2 (intrare I002);04 OUT O000 Alimentare bobină releu K1 (activare ieşireO000).

S1

F2

K1

F1

M1M=

K1

F2

S2

K1

6. Comanda roboţilor334

Dezvoltarea programelor complexe necesită utilizarea unor funcţii de control aderulării fluxului de instrucţiuni (Control Functions). Acestea au rolul de a simplificaoperaţiile de programare, oferă claritate şi posibilităţi sporite de implementare şidepanare a aplicaţiilor.

Tabelul 6.8. Principalele funcţii de control utilizate pentru programarea APSimbol electric Simbol AP

Ladder DiagramSimbol AP

Instructions ListSemnificaţie în program

DO IO

Funcţia asigură citirea la cerere, peparcursul unui ciclu, a unui grup deintrări sau ieşiri începând de la adresaindicată la ST şi până la cea indicatăla END. Dacă este specificată o adresăla ALT noile valori ale intrărilor suntmemorate aici, sau pentru ieşiri sunttransferate de aici.

LOAD I001CALL Sub1

Execuţia unei subrutine Sub1 urmatăde revenirea în program lainstrucţiunea următoare

LOAD I001JMP eticheta1

Salt codiţionat de starea variabileiI001, peste un număr de instrucţiuni,până la adresa menţionată

MCS 4Secvenţăautomatizare

LOAD I002MCS 4

Lansarea condiţionată în execuţie asecvenţei de control numărul 4 (setinstrucţiuni), la activarea variabilei deintrare I002

SecvenţăautomatizareENDMCS 4

…OUT O022ENDMCS 4

Marcarea sfârşitului secvenţei decontrol numărul 4

END Marcarea sfârşitului de program

Exemplul 5. Secvenţa de control MCS0 este activată de intrarea I000 şi determină execuţiacondiţionată a instrucţiunilor care urmează până la ENDMCS0. În lipsa condiţiei de validare,instrucţiunile sunt executate cu dezactivarea ieşirilor (Q001 = 0) mai puţin pentru canalele de ieşirecu stare setată care îşi menţin starea (dacă Q002 este setată activă, rămâne Q002 = 1).

Fig.6.49. Diagrama cu contacte pentru o secvenţă de control

ENDMCSn

n = 0…7

(R001)

DO IO

condiţie

STI007

ENDI011

OK

ALTM001

I001

>> eticheta1

I001

CALLSub1

MCSn

n = 0…7I001

END

MCS0

I000

T003

Q001

Condiţie activare secvenţăMCS0, I000=1

Q001=I000*I001

Q002

I001

I002S

ENDMCS0

Q002=1

Sfârşit secvenţă control MCS0

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 335

Pentru controlul unor etape ale proceselor de automatizare foarte important estecontrolul precis al timpului cât acestea sunt active sau inactive. Din acest motivautomatele programabile dispun de diverse tipuri de canale de temporizare a cărorbază de timp poate fi setată într-un interval larg: 0,01 s…1 (60) s. Pentru numărareaevenimentelor din proces (număr de cicluri, piese bune, piese rebut, , etc.) se utilizeazăcontoare de evenimente cu numărare într-o singură direcţie (înainte sau înapoi)respectiv cu numărare în ambele direcţii (la evaluarea numărului de paşi elementariefectuaţi în operaţiile de poziţionare a axelor ).

Tabelul 6.9. Principalele funcţii de temporizare, numărare utilizate pentru programarea APSimbol electric/

SemnalSimbol AP

Ladder DiagramSimbol AP

Instructions ListSemnificaţie în program

LOAD T001_10MSOUT Q011 (5 ms)

Impuls cu durată fixă şi DA = 50 %:0,01 s; 0,1 s; 1 s; 60 s.

LOAD I020D Q011

LOAD I020D NOT Q011

Impuls activat pe frontulcrescător/descrescător al uneivariabile (senzor activ un timp foartescurt – risc să nu poată fi citit).Impulsul este valid numai pe durataciclului în desfăşurare.

LOAD I003TON T001

40LOAD T001OUT Q005

Canalele de temporizare (TON,TOFF, TMR, TMON) generează unanumit tip de întârziere, faţă demomentul validării condiţiei dedeclanşare, dat de baza de timpselectată şi valoarea presetată PV.

LOAD I008CTU C001

10LOAD C001OUT Q005

Contoarele cu numărare înainte,înapoi sau în inel, numărăevenimentele pînă la valoareapresetată PV, moment în care esteactivată ieşirea Q. Resetareacontorului se face la activarea intrăriiR sau la depăşirea valorii setate(CTR). Ieşirea CV contorizeazăvaloarea curentă din numărător.

LOAD I000AND NOT I001CTUD C002

20LOAD C002OUT Q005

Contoarele cu numărare înainte şiînapoi, numără evenimentele într-unsens sau celălalt în funcţie de condiţiade intrare activată. Dacă valoareapresetată PV este egală cu valoareanumărată se activează ieşirea Q.

LOAD I001HSC Q001

Numărătoarele de mare viteză HSCutilizează o intrare de numărare Cpentru semnale de frecvenţă ridicată(10 kHz) şi o ieşire Q activată înfuncţie de modul de lucru setat prinprogramarea registrelor: limite denumărare LL, HL, valoare activareieşire ONP, valoare dezactivareOFFP, bază timp TB, presetare PV

T001_10MS

T_xxxx

Q011

Tciclu AP

D

I020 Q011

DNOT

I020 Q011

T001

TON0,1x40

condiţie

Rcondiţie

PV17

Q

CV40

T1

T2

C001

CTU(CTD;CTR)

condiţie

RM003

PV3

Q

CV10

UP/D

C002

CTUD

condiţie1

RM004

PV8

Q

CV20

condiţie2UP

D

AR030

HSCcondiţie

LLR001

PV

R004Q

ONP

R003

C

HLR002 R005OFFP

R006TB

6. Comanda roboţilor336

Exemplul 6. Realizarea unui generator de semnal cu factor de umplere reglabil prin utilizarea unuicanal de timp cu temporizare la acţionare T001 (reglează timpul t1) şi a unui canal de timp cutemporizare la revenire T002 (reglează t2).

Fig.6.50. Diagrama cu contacte şi secvenţa de cod pentru un generator de semnal

Operaţiile matematice sunt indispensabile în realizarea programelor complexe carenecesită efectuarea unor calcule pentru determinarea deplasărilor reale, calcululadaptiv al parametrilor de proces prin utilizarea unor formule fizice, etc. Unitateacentrală a automatelor programabile actuale dispune de funcţii matematice suficient deputernice astfel încât să execute calculele solicitate în controlul proceselor deautomatizari industriale.

Tabelul 6.10. Principalele funcţii de matematice utilizate pentru programarea APSimbol electric Simbol AP

Ladder DiagramSimbol AP

Instructions ListSemnificaţie în program

LOAD I005ADD

Funcţiile matematice standard sunt:Adunarea (ADD) , Scăderea (SUB),Înmulţirea (MUL), Împărţirea (DIV),Calcul rest (MOD). La validareacondiţiei se efectuează operaţia asupraoperanzilor de la intrările IN1 şi IN2.Dacă rezultatul calculelor de la ieşireaQ se încadrează în domeniul de calculse activează ieşirea OK.

LOAD I001ASIN (0.2)

Funcţiile matematice specialeacţionează asupra unui singuroperand: Radical (SQRT), Sinus(SIN), Cosinus (COS), Tangentă(TAN) şi inversele lor, Logaritm(LOG), Exponenţială (EXPT),Conversie (RAD/DEG).

Funcţia Scalare (SCALE) măsoarădomeniul de variaţie OHI, OLO, alunei mărimi analogice ce acţioneazăasupra intrării IN. Domeniul de lucrueste definit de valorile IHI, ILO.Ieşirea Q conţine valoarea curentă.

I000

END

Q001

LOAD I0 Validare generator semnal;ANDNOT T2 Condiţie lansare temporizare T1;TON T1 Setare parametri canal

40 temporizare T1 la 4 s;LOAD T1 Citire stare canal timp T1;TOFF T2 Setare parametri canal

20 temporizare T2 la 2 s;LOAD T2 Citire stare canal timp T2;OUT Q1 Validare ieşire dacă T2=1;END Sfârşit program.T002

T002T001

TON0,1x40

Rcondiţie

PV

Q

CV40T002

TOFF0,1x20

Rcondiţie

PV

Q

CV40

T001

ADDINT

condiţie

IN1R003

IN2R023

QK

Q10

ASIN

condiţie

INR023

QK

Q0.2

SCALEINTcondiţie

ILOR121

OHIR023

QK

QR122

IHIR120

OLOR123

INAI004

6.4. Utilizarea automatelor programabile pentru comanda dispozitivelor auxiliare 337

Funcţile matematice operează numai cu operanzi de acelaşi tip (16 sau 32 biţi) iarrezultatele trebuie memorate în zone de memorie sau regiştri cu aceeaşi mărime,pentru care s-a precizat tipul de variabilă: tip întreg cu semn (INT), tip întreg cu semnîn dublă precizie (DINT), tip real (REAL).

Exemplul 7. Calculul restului REST împărţirii numărului de piese sortate şi verificate NSORT, aflateîn containerul de ambalare, la numărul de piese dintr-o cutie de ambalaj NCUTIE. Rezultatulîmpărţirii este memorat în registrul R023 utilizat ca valoare presetată pentru numărătorul înainteC001 care numără (intrarea I022) cutiile ambalate ce trec spre magazia de stocare. Valoarea curentăa cutiilor ambalate este stocată în memoria cu reţinere M041. Sfârşitul fazei de ambalare estesemnalizat de activarea ieşirii Q021 care permite trecerea la faza următoare a procesului.

Fig.6.51. Diagrama cu contacte pentru o secvenţă de calcule matematice

Utilizarea senzorilor inteligenţi, a modulelor inteligente, a sistemelor decomunicaţie prin reţele industriale presupune şi realizarea schimbului de date,procesate în diverse formate, între aceste module şi unitatea centrală. Funcţiile carefacilitează şi controlează transferurile de date sunt Funcţiile de Transfer Date (MoveData).

Tabelul 6.11. Principalele funcţii pentru transferul datelor utilizate la programarea APSimbol electric Simbol AP

Ladder DiagramSimbol AP

Instructions ListSemnificaţie în program

LOAD I005MOV R020

R030

Funcţia Deplasează date (MOVExxxx), copie o dată (în format bit)dintr-o locaţie de memorie specificatăla intrarea IN în locaţia de destinaţiespecificată la ieşirea Q.

LOAD I001BLKMV R023

Funcţia Deplasează bloc (BLKMVINT) copie un bloc de date format dinşapte constante, de la intrărileIN1...IN7, în locaţiile de memoriecorespunzătoare, începând cu locaţiade memorie indicată la ieşirea Q.

MODINT

IN1NSORT

IN2REST

QK

QNCUTIE

END

I022

T001

C001

CTU

M

RM003

PV4

Q

CVR023

UP

M041

Q021

DIVINT

IN1NSORT

IN2R023

QK

QNCUTIE

Calculul numărului de cutii R023 şi alpiselor bune neambalate REST;

Sfârşit fază curentă de ambalare;

Numărare cutii ambalate stocate în magazie;

MOVEWORD

2condiţie

INR030

QK

QR020

BLKMVINTcondiţie

IN2CON2

IN3 R023

QK

Q

CON3

IN1CON1

IN4CON4

IN5CON5

IN6CON6

IN7CON7

6. Comanda roboţilor338

LOAD I001BLKCLR R020

Funcţia Şterge bloc (BLKCLRWORD) şterge datele din memorieîncepând de la adresa indicată laintrarea IN, pe o lungime egală cuvaloarea de definiţie a variabilei.

Bloc comandă (IN):

adr lungime blocadr+1 cu/fără confirmareadr+2 stare pointer mem.adr+3 offsetadr+4 timp stare activăadr+5 timp comunicaţieadr+6 date transmise…adr+133

Această funcţie asigură comunicaţiaUC cu modulele specializate. Lavalidarea funcţiei, blocul de comandăa cărui adresă de început se găseşte laintrarea IN este transmis cătremodulul a cărui adresă (rack/slot) estespecificată la intrarea SYSID. Portulutilizat pentru comunicaţie estespecificat la intrarea TASK. O eroarede comunicaţie activează ieşirea FT.

Programarea automatelor programabile cu GRAFCET. Funcţiile prezentatereprezintă baza minimă de plecare în programarea automatelor programabile.Utilizarea convenabilă a acestora permite rezolvarea majorităţii problemelor legate decontolul proceselor simple de automatizare. În cazul proceselor complexe careutilizează AP din clasa superioară cu sute sau mii de canale I/O, metodele de sintezăminimală a funcţiilor logice (metoda Huffman), aplicabile în cazul proceselor simple,devin inoperabile datorită faptului că preţul calculelor de minimizare nu este justificatprin căştigul realizat la nivelul economiei de resurse sau al simplificării înţelegeriifuncţiilor de comandă. În plus, în prezent AP lucrează la viteze mari, dispun de omultitudine de funcţii performante (implementate software) care simplifică foarte multsarcina programatorului, constrângerile acestuia şi conduc implicit la realizarea unorscheme simple, uşor de urmărit şi puţin probabil susceptibile unor operaţii deminimizare. Din păcate metodele intuitive de programare, utilizate de practicieni, suntbazate pe experienţa acumulată şi ca urmare imposibil de generalizat sau transmis.

Grafcet este o metodă grafică neminimală, sistematică, simplă şi operaţională deprogramare a AP bazată pe conceptul de etapă şi tranziţie. Prin etapă se defineşte ofază a procesului automat căreia i se poate asocia o acţiune stabilă asupra sistemului. Oetapă este reprezentată printr-un dreptunghi numerotat şi un dreptunghi ce conţine untext care descrie acţiunea asociată. O etapă este activată dacă este îndeplinită condiţiadin amonte, lucru marcat printr-un cerc plin, poziţionat în interiorul dreptunghiuluinumerotat ce indică faza, conform figurii 6.52.:

Fig. 6.52. Tipuri de etape: a. etapă inactivă; b. etapă iniţială; c. etapă activă şi acţiunea asociată

BLKCLRWORD

condiţie

IN

QK

R020

COMMREQcondiţie

INR001

TASK

FT

R003

C

SYSIDR002

6

a.

6 Pornire transportormotor M3

I002M023T007

c.

10

b.