Mecatronica si robotii industriali. Domenii variate in care sunt utilizati

Mecatronica si robotii industriali.

Domenii variate in care sunt utilizati

Primele cercetari in domeniul roboticii au fost initiate la inceputul anilor '60. Dupa un avant substantial al aplicatiilor roboticii in domeniul industrial, cu precadere in industria automobilelor, la inceputul anilor '90 s-au conturat multiple aplicatii in domeniile neindustriale (nemanufacturiere). Asupra acestor aplicatii dorim sa atragem atentia, cu atat mai mult cu cat s-a estimat ca robotica urmeaza sa joace un rol insemnat in restructurarea civilizatiei mileniului trei.
Aceasta afirmatie poate fi usor sustinuta cu cateva date statistice continute in ultimul raport (pe 2001) al IFR (International Federation of Robotics).
Astfel, in anul 2000 s-au pus in functiune 98700 unitati de roboti, numarul total ajungand la 749800 de unitati, iar valoarea totala a pietei corespunzatoare acestui domeniu a fost estimata la 5,7 mld. de dolari SUA.
Statisticile privind tipurile de roboti arata sugestiv cresteri importante ale numarului robotilor care raspund unor aplicatii neindustriale. Daca in cursul anului 2000 numarul unitatilor instalate a ajuns la 112500, la sfarsitul anului 2004 se estimeaza ca numarul acestora va ajunge la aproape 625000.
Aceasta dezvoltare, chiar spectaculoasa, in directia aplicatiilor neindustriale justifica trecerea in revista in randurile de mai jos a principalelor subdomenii in care robotii nemanufacturieri sau robotii de serviciu isi pot gasi aplicabilitate.
Aceste domenii sunt constructiile, reabilitarea bolnavilor, comert, transport si circulatia marfurilor, administratia locala, protectia mediului inconjurator si agricultura; supraveghere, inspectie, protectia de radiatii si interventii in caz de catastrofe; hoteluri si restaurante; in medicina, gospodarie, hobby si petrecerea timpului liber.
Pentru a sugera aplicatii concrete in aceste subdomenii, aplicatii abordabile in colective interdisciplinare de ingineri, sunt precizate mai departe directiile care pot fi avute in vedere.
In medicina: sisteme robotizate pentru diagnoz 22322i86w a prin ecografie, sisteme robotizate pentru interventii neurochirurgicale; telemanipulatoare pentru chirurgie laporoscopica; vehicule ghidate automat pentru transportul bolnavilor imobilizati la pat; vehicule ghidate automat pentru transportul medicamentelor, alimentelor, bauturilor si lenjeriei de schimb; vehicule ghidate automat pentru activitati de curatenie si dezinsectie in spitale; sisteme robotizate pentru pregatirea prin simulare, inainte de operatie, a unor interventii chirurgicale etc.
Pentru reabilitare se pot identifica urmatoarele aplicatii: scaun cu rotile pliant, imbarcabil in autoturisme; manipulator pentru deservirea persoanelor paralizate, vehicul pentru conducerea nevazatorilor etc.
In constructii: vehicul ghidat automat pentru asfaltarea soselelor, sistem robotizat pentru stropirea betonului in constructia tunelurilor; robot mobil pentru cofraje glisante; excavatoare autonome, sistem robotizat pentru compactarea si nivelarea suprafetelor turnate din beton; sistem robotizat pentru inspectarea fatadelor cladirilor; sistem robotizat pentru montarea/demontarea schelelor metalice etc.
In administratia locala: vehicul autonom pentru curatirea zapezii de pe autostrazi; vehicul autonom pentru mentinerea curateniei pe strazi; sistem robotizat pentru inspectia si intretinerea automata a canalelor etc.
Pentru protejarea mediului inconjurator: sistem robotizat de sortare a gunoiului in vederea reciclarii, sistem automat de inspectare, curatare si reconditionare a cosurilor de fum inalte; platforme autonome mobile pentru decontaminarea persoanelor, cladirilor strazilor; vehicul ghidat automat pentru decontaminarea solului etc.
In agricultura, dintre aplicatiile posibile amintim: sistem robotizat de plantare a rasadurilor; sistem robotizat de culegere a fructelor; sistem robotizat de culegere a florilor; sistem robotizat de tundere a oilor etc.
In comert, transporturi, circulatie: vehicule ghidate automat pentru intretinerea curateniei pe suprafete mari (peroane de gari, autogari si aerogari); sistem robotizat de curatire automata a fuselajului si aripilor avioanelor; sistem automatizat de alimentare cu combustibil a autovehiculelor etc.
Hotelurile si restaurantele pot fi prevazute cu: sisteme robotizate pentru pregatirea automata a salilor de restaurant, de conferinte; sistem de manipulare automata a veselei; minibar mobil pentru transportul bauturilor, ziarelor etc.
Pentru siguranta si paza: robot mobil de paza pe timpul noptii in muzee; robot mobil pentru paza cladirilor si santierelor; vehicul autonom pentru stingerea incendiilor; robot mobil pentru detectarea si dezamorsarea minelor; sistem robotizat pentru interventii in spatii periculoase etc.
In gospodarie, pentru hobby si petrecerea timpului liber se pot identifica urmatoarele aplicatii: robot de supraveghere copii pentru diverse intervale de varsta; robot de gestionare si supraveghere generala a locuintei, robot mobil pentru pentru tunderea automata a gazonului; instalatie robotizata pentru curatirea barcilor de agrement si sport etc.
Aspectele prezentate vin sa sprijine intentiile de a demara activitati in domeniul roboticii, unele din acestea putand deveni chiar activitati de succes, care pot constitui adevarate provocari pentru specialistii in robotica sau in domeniile apropiate.
Aceste ultime precizari au o semnificatie aparte pentru zona Brasovului, unde exista un numar important de ingineri roboticieni, care au absolvit specializarea de Roboti industriali (ing. zi) si/sau specializarea de Robotica de la Studii aprofundate, ambele din cadrul Facultatii de Inginerie Tehnologica a Universitatii "Transilvania".
Numarul acestor specialisti este de peste 150 (anul acesta va absolvi a 9 promotie), marea majoritate activand in Brasov.

Roboti industriali utilizati la taiere si procese conexe

1. Particularitati si cerinte pentru robotii folositi la procesele de taiere

Numarul aplicatiilor robotizate ale proceselor de taiere este mult mai redus decat cel intalnit la sudare. Consideram ca unu din motive este precizia deosebita ceruta robotilor in acest caz, deoarece daca la sudare, baia de metal topit "integreaza" micile abateri de pozitionare si deplasare, la taiere orice discontinuitate de pozitionare sau inconstanta a vitezei, acceleratiei, etc., se traduce prin neuniformitati ale suprafetei taiate.

In ultimul deceniu, perfectionarea organelor de masini (ghidaje liniare, suruburi cu bile, reductoare armonice, etc.), a motoarelor si a actionarilor acestora, a traductoarelor si sistemelor de comanda au facut posibila realizarea unor roboti industriali cu performante dinamice si de precizie mare la costuri cat se poate de accesibile. Astfel, precizii de oridinul a ± 0,2 mm si chiar mai bune, in cea mai defavorabila combinatie de perturbatii permit folosirea unor roboti industriali comuni - inclusiv la robotizarea proceselor de taiere.

Din punct de vedere al capacitatii portante, robotul industrial trebuie sa poarte capul de taiere si pachetul de cabluri si furtunuri al acestuia. Sunt suficienti pentru acest scop 60-80 N, tinand cond si de reactiunile dinamice. Adeseori prin echilibroare judicios amplasate este suportata partial greutatea furtunurilor. Daca sunt necesare ventile de comanda/blocare/siguranta, acestea se monteaza de obicei pe o placa amplasata pe una din axele principale (axa 2 sau 3) ale robotului.

Sistemul de comanda al robotului industrial asigura in principal deplasarea pe traiectoria de taiere prin conturare si pornirea/oprirea taierii. La taierea cu plasma, aceasta inseamna conectarea/deconectarea sursei de alimentare a arcului de plasma; in cazul taierii oxigaz, robotul va comanda din program, dupa cum se arata in figura 2, iesiri ce actioneaza asupra unor electroventile (comanda oxigen, acetilena, metan); la taierea sub jet de apa, ventilul apei sub presiune, s.a.m.d.

In urma cu cateva decenii, la inceputul epocii robotizarii industriale, majoritatea elementelor de structura, respectiv organe de masini se confectionau din subansambluri debitate fie mecanic, fie pe masini de taiere in coordonate. Acesta ar putea fi un alt motiv pentru care robotii sunt mai rar utilizati la automatizarea proceselor de taiere. In ultimii ani, aceste repere se realizeaza frecvent prin debitarea unor profile sau tuburi, adeseori dupa traiectorii foarte complexe.

Consideram ca aceasta va duce la extinderea aplicatiilor robotizate de taiere. De asemenea, accelerarea folosirii robotilor la taiere este favorizata de dezvoltarea sistemelor de programe specializate pentru debitare.

Intrucat datele cunoscute privind raspandirea diferitelor sisteme de taiere mecanizate, automatizate si cu atat mai putin robotizate din tara noastra sunt extrem de reduse, in Tabelul 1 se prezinta cateva aprecieri cu privire la gradul de mecanizare (automatizare, de obicei pe masini in coordonate X-Y), bazate pe cunoasterea unui mare numar de unitati industriale reprezentative, atat din sectorul de stat, cat si din cel privat.

2. Sisteme robotizate de taiere cu flacara oxigaz

Din diferite cauze, flacara utilizata la taierea oxigaz ar putea, in timpul procesului de taiere sa se stinga. In cazul taierii robotizate, in absenta operatorului uman, aceasta ar putea avea efecte periculoase datorita gazelor combustibile/explozive ce ar contuina sa iasa din capul de taiere: pentru a impiedica acest lucru, in practica se utilizeaza adesea un sistem de supraveghere a arderii flacarii, ca de exemplu:

fotocelula care sesizeaza absenta radiatiei luminoase a flacarii;

un traductor de ionizare al gazului fierbinte din apropierea jetului de taiere;

camera TV de supraveghere a procesului, etc.

Semnalele de la aceste traductoare comanda blocarea admisiei gazelor (O₂, C₂H₂) si oprirea robotului pe traiectorie. Robotii industriali moderni permit ca dupa remedierea cauzei stingerii si reaprinderea flacarii de taiere, procesul sa poate fi reluat din locul opririi.

Programul specializat de elaborare a subrutinelor de taiere va genera si va trimite direct in sistemul de comanda al robotului codul obiect al programului de debitare.

Pana nu demult, aprecierea calitatii taieturilor se face pentru fiecare dintre cele trei procedee (oxigaz, plasma, laser) dupa norme specifice, in prezent este in curs de realizare norma EN ISO 9013, care unifica criteriile de evaluare.

Capul de taiere utilizat la taierea robotizata oxigaz este practic similar cu cele utilizate la masinile de taiere CNC. Se observa in figura 1 prezenta unui conductor care faciliteaza folosirea capului de taiere ca senzor de contact.

In figura 4 a) se prezinta in detaliu un cap de taiere oxigaz pentru sisteme robotizate, iar in figura 4 b) este aratata o taietura tipica din punct de vedere al calitatii ce se poate obtine pe astfel de sisteme.

Premizele si efectele procesului de taiere cu oxigaz

Un proces continuu de taiere oxigaz poate sa se produca in rostul taiat numai daca sunt indeplinite urmatoarele conditii:

daca muchia superioara a taieturii se afla in permanenta la temperatura de aprindere;

daca exista in permanenta o cantitate suficient de mare de atomi din substante reactivante (oxigen si fier);

daca caldura de reactie este suficienta pentru a produce lichefierea produsilor de reactie;

daca energia cinetica a jetului de oxigen este suficient de mare pentru a produce purjarea (indepartarea) filmului de material topit.

3. Sisteme robotizate de taiere cu plasma

Datorita numeroaselor avantaje tehnico-economice, in ultimul timp se constata tendinta de inlocuire a flacarii oxigaz cu arcul de plasma. Atat comanda mediilor plasmagene si de protectie, controlul energiei arcului de taiere, precum si sesizarea arderii acestuia se pot face mult mai usor decat la sistemele oxigaz, pe cale electrica.

Ca si in cazul taierii pe masini automate, piesele pot si asezate pe mese de taiere, prevazute cu cuie conice sau role; in cazul taierii robotizate apare posibiliatatea suplimentara de a pune piesele pe o masa de pozitionare cu 1-3 grade de mobilitate, ca in figura 6, ceea ce permite sanfrenari oricat de complexe.

In cazul reperelor de dimensiuni mari, robotii obisnuiti (antropomorfi) se deplaseaza cu ajutorul unui sistem cartezian de baza, avand 1-3 axe, obtinandu-se in mod curent volume de lucru de 10×4×2,5 m³; un astfel de sistem este infatisat in figura 7, iar cateva dintre reperele debitate pe el in figura 8.

Capetele pentru taierea robotizata cu arc de plasma pot fi cilindrice sau pot avea forma din figura 9, care permite abordarea cu diverse unghiuri prestabilite a operatiilor de debitare/sanfrenare: prinderea capului pe axa finala a robotului se poate face pe portiunea verticala (ca in figura) sau pe portiunea adiacenta inclinata.

Capetele moderne de taiere sunt prevazute cu diuze din aliaje dure de cupru, racite cu apa si electrozi de zirconiu (hafniu in cazul taierii cu azot sau oxigen). Uzura acestora este redusa: o pereche eletrod/diuza asigura taierea a pana la 100..120 metri de taietura in tabla de 10mm.

Taierea cu plasma si oxigen

Procedeul de taiere cu plasma si oxigen, dezvoltat in ultimele decenii prezinta numite particularitati.

Arcul de plasma se prezinta sub forma unui fascicol bine legat, pune la dispozitie o mare cantitate de energie termica si este capabil astfel sa topeasca materialul pe toata grosimea taieturii. In plus, jetul fierbinte, avand temperaturi intre 4000 si 20000ºK, poseda o energie cinetica mare, care usureaza indepartarea materialului topit.

Oxigenul patrunde prin jetul de plasma si se incalzeste in asa masura, incat moleculele sale sunt disociate si trec intr-o stare ionizata, in care conductibilitate electrica este considerabila. In aceste conditii, reactivitatea oxigenului se diminueaza o data cu cresterea temperaturii. Ca urmare, la taierea cu plasma si oxigen nu se indeplineste conditia a 2a din cele patru prezentate la punctul 2. Se poate demonstra chiar si prin calcul ca, deasupra temperaturii de 4500ºC, reactia dintre fierul continut in metalul de baza si oxigen nu mai este posibila. Acest lucru inseamna ca in imediata apropiere a frontului de taiere, fierul nu este oxidat. Taierea cu plasma si oxigen este, in consecinta, un procedeu de taiere prin topire.

Orice arc de plasma are de-a lungul diametrului sau o repartitie caracteristica a temperaturii. Miezul arcului - extrem de fierbinte - este inconjurat de o teaca de gaz (O₂), relativ rece. Din acest motiv, aceasta manta poate produce o oarecare oxidare a suprafetei de taiere. Cercetari analitice si metalurgice precum si masuratori ale duritatii au confirmat k modificarile produse de oxigen pe muchiile taieturilor sunt mai mici la procedeul de taiere de cu plasma decat la procedeul autogen de taiere, dupa cum arata in figura 10.

Se pot aduce mai multe argumente in favoarea folosirii oxigenului la taierea cu plasma. Oxigenul are o serie de proprietati care il fac sa se preteze pentru un gaz de plasma: caldura specifica (entalpie) si conductibilitate calorica, ambele mari.

Prin influenta sa asupra metalului topit, oxigenul face ca baia topita sa fie mai fluida ceea ce favorizeaza procesul de degazare a topiturii. De asemenea, in cazul oxigenului se pot evita acumularile compusilor de azot pe suprafetele taiate, ceea ce este inevitabil la folosirea gazelor de plasma care contin azot (ca de exemplu aerul).

4. Sisteme robotizate de taiere cu laser

Un procedeu care a capatat o extindere tot mai mare in ultimele decenii, taierea cu laser incepe sa fie aplicata in anii `70, la inceput indeosebi in domeniile speciale (aeronautica, tehnica militara). Avantajul principal al acestui procedeu consta in densitatea ridicata de energie, care permite realizarea unor viteze mari de taiere in conditiile unor pierderi reduse de energie in marginile taieturii. In figura 12, sunt prezentate comparativ densitatea de energie a laserului, a arcului electric si a fascicolului de electroni.

Actualmente, laserul se utilizeaza atat la debitarea metalelor, indeosebi unde cerintele de precizie sunt ridicate, cat si a nemetalelor (mase plastice diverse, materiale compozite, textile, piele, cartonaje, placaj, etc.). Nu intotdeauna acest procedeu este neaparat mai bun decat cele mai clasice: in mod destul de surprinzator, la table subtiri, cele mai mari tensiuni de intindere/comprimare au fost determinate in tablele debitate cu laser, pe cand cele mai reduse s-au inregistrat in cazul folosirii microplasmei.

Pe langa taierea propriu-zisa, echipamente asemanatoare, compuse dintr-un robot si o instalatie laser se folosesc actualmente la curatirea suprafetelor metalice, marcare sau perforare. De exemplu, compania americana DATRONIX a pus la punct un sistem de perforare cu fascicol laser al circuitelor imprimate. Echipamentul, dezvoltat la finele anilor `90, poate perfora pana la 1000 de orificii pe secunda, in textolit stratificat armat cu fibre de sticla, avand sase straturi de cablaj din cupru.

Graficele aratate in continuare ilustreaza dependenta dintre coeficientii de interactiune ai materialelor cu raza laser si lungimea de unda λ a acesteia, pentru cateva din cele mai comune metale. Barele verticale din figura reprezinta intensitatea relativa de interactiune pentru doua tipuri uzuale de laser, cel care foloseste alexandritul (A) si cel bazat pe neodim-ytrium (Y).

Figura 13. Coeficientii de intensitate relativade interactiune dintre fascicolul laser si cateva metale uzuale

Pentru acestea si pentru alte materiale, laserul cu alexandrit este evident mai avantajos energetic. Ca domeniul principal de aplicare se mentioneaza in literatura taierea tablelor si foliilor subtiri metalice.

Se remarca din figura prezentata ca lungimile de unda ale celor doua surse laser analizate sunt in infrarosu apropiat (755nm) pentru alexnadrit, respectiv domeniul mijlociu al radiatiei infrarosii (1060nm) in cazul laserului Nd: YAG. Parametrii principali ai laserului cu alexandrit sunt:

energia impulsurilor: 5-40 J/impuls;

puterea medie: 10-100 J;

durata impulsurilor: 0,1-10 ms;

frecventa impulsurilor: 1-20 Hz.

Constituind o sursa de energie pura, perfect controlabila de pana la 5.6 kW, atat laserul cu CO₂, cat si cel cu Nd: YAG continua sa fie aplicate pe scara larga la taierea materialelor, obtinandu-se taieturi acurate, calitative si repetitive intr-un domeniu larg de grosimi.

Fata de modelele clasice de taiere, laserul permite si decupari pe piesele deja uzinate final, fara a produce distrorsiuni termice. In ultimii ani, laserul a devenit o unealta tehnologica uzuala, inlocuind de exemplu poansoanele pentru decupare mecanica.

Posibilitatea de a taia piese tridimensionale complexe in conditii de mare precizie, cu zone minimale afectate termic, a contribuit la o crestere substantiala a aplicarii laserelor - atat cel cu CO₂ cat si cele solide la aceste procese.

La puteri mici laserul este fixat direct pe ultimul grad de mobilitate al robotului, pe cand in cazul puterilor mari fascicolul de luminca coerenta este condus prin tubulaturi adecvate. De asemenea, exista producatori de sisteme manuale de taiere cu laser, ca si cel prezentat in figura 14. Tubulaturile folosite pot fi rigide, in cazul puterilor mari (peste 2.3 kW), compuse din mai multe segmente articulate, prevazute cu oglinzi in nodurile articulatiilor. Datorita energiilor mari vehiculate la nivelul suprafetelor acestor oglinzi, ele sunt racite cu lichid, in circulatie fortat.

5. Sisteme robotizate de taiere cu jet de apa

Debitarea cu un jet de apa sub presiune reprezinta o tehnologie care se impune tot mai mult, in special la debitarea materialelor neferoase.

Pentru materialele uzuale se folosesc instalatii care ridica presiunea apei la 2000-4000 bari, realizate pe baza unor pompe cu dublu efect.

In circuitul primar, o pompa hidraulica furnizeaza ulei la o presiune de 180-200 bari, care ataca primarul amplificatorului hidraulic (P in figura 16). In secundar apa este comprimata de catre pistonul S, presiunea rezultata fiind dedusa din egalitatea:

p₁*S₁=p₂*S₂    in consecinta (1.1)

p₂=S₁/S₂*p₁ (1.2)

Utilizand apa pura, dedurizata, se pot taia metale cu grosime pana la 5.8 mm. pentru grosimi mai mari se introduc lateral in jetul de apa sub presiune pulberi minerale (corindon sau mai ales garant) care exercita un efect abraziv puternic si fac posibila taierea unor grosimi de pana la 25-30 mm.

Concluzii

In ultimul deceniu, perfectionarea organelor de masini (ghidaje liniare, suruburi cu bile, reductoare armonice, etc.), a motoarelor si a actionarilor acestora, a traductoarelor si sistemelor de comanda au facut posibila realizarea unor roboti industriali cu performante dinamice si de precizie mare la costuri cat se poate de accesibile. Deoarece simultan a crescut cererea industriei pentru debitarea rapida si precisa a unor repere complexe, cu structura spatiala, din aliaje sau materiale dificil de prelucrat clasic, asistam in prezent la o extindere a robotizarii proceselor de taiere, ca alternativa la masinile de taiere in coordonate, scumpe si avand posibilitati mult mai restanse.

BIBLIOGRAFIE

Internet.