SISTEME DE ACŢIONARE
Sistemul de actionare al unui robot cuprinde totalitatea surselor energetice ale robotului precum si elementele de control direct ale acestora. În acest sens, prin sistem de actionare se va întelege ansamblul motoarelor si convertoarelor prin care se obtine energia mecanica necesara deplasarii robotului precum si dispozitivele suplimentare ce controleaza acest transfer energetic.
Un astfel de sistem va cuprinde :
o sursa primara de energie ;
un sistem de conversie al energiei primare în energie mecanica ;
un sistem pentru transmisia energiei mecanice la articulatia corespunzatoare ;
un control al parametrilor caracteristici ale acestor sisteme.
Structura generala a unui sistem de actionare este prezentata în figura 3.1.
Sistemele uzuale de actionare folosesc trei surse primare de energie : electrica , pneumatica sau hidraulica. Procentual, cel mai mare numar de sisteme de roboti industriali moderni utilizeaza actionarea hidraulica datorita unor caracteristici deosebite pe care aceste echipamente le ofera în ceea ce priveste raportul dintre forta exercitata la dispozitivul motor si greutatea acestuia. O arie larga o au deasemenea actionarile electrice, utilizate îndeosebi datorita facilitatilor de control pe care le pot asigura. Actionarea pneumatica ocupa o pondere redusa în aceasta directie , ea fiind de obicei utilizata în sistemele de comanda ale dispozitivelor auxililiare.
Figura 3.1
3.1. Sisteme de actionare electrica
Desi mai putin utilizata decât actionarea hidraulica, actionarea electrica ocupa o arie suficient de întinsa la robotii industriali datorita urmatoarelor avantaje principale :
a) sursa de energie electrica primara este usor de gasit;
b) sistemele de control sunt precise, sigure si relativ usor de cuplat la o conducere numerica la nivel înalt;
c) se poate asigura o functionare autonoma prin alimentarea cu baterii;
d) nu se impun probleme specifice de poluare.
3.1.1. Motoare de curent con 252g65c tinuu
Actionarea cu motoare de curent con 252g65c tinuu are avantajul important ca momentul creat este practic independent de pozitia si viteza motorului, depinzând numai de câmpul înfasurarilor si curentul din armaturi. Daca înfasurarile de câmp sunt înlocuite cu un magnet permanent atunci momentul dezvoltat este proportional cu valoarea curentului din armaturi si deci cu tensiunea aplicata.
Anumite proceduri tehnologice au permis micsorarea greutatii motoarelor. Ele se refera, de exemplu, la eliminarea înfasurarilor de excitatie prin utilizarea motoarelor cu magnet sau micsorarea greutatii rotorului prin motoarele disc. Desi teoretic, orice motor electric este susceptibil de utilizare, pentru actionarea robotilor se utilizeaza numai motoare de curent con 252g65c tinuu si pas cu pas, primul datorita sistemelor performante de control, iar al doilea datorita facilitatilor pe care le ofera în controlul în bucla deschisa la operatiile de pozitionare .
Dezavantajul principal al acestor actionari este greutatea componentelor. Raportul putere - greutate sau moment - greutate este mai mic decât la actionarile hidraulice. Aceasta greutate nu poate fi redusa în mod semnificativ datorita circuitului magnetic care, pentru asigurarea unor performante ridicate necesita o geometrie corespunzatoare.
Utilizarea motorului de c.c în actionarea robotilor impune :
a un sistem de control utilizând tahogeneratoare si transformatoare de pozitie;
b) un sistem mecanic care sa realizeze conversia miscarii de rotatie in miscare de translatie;
c) un sistem mecanic pentru blocarea motorului .
Motoarele de curent continuu sunt formate din doua parti : un sistem de excitatie si o înfasurare dispusa într-o armatura rotorica. Un sistem de comutatie, asigura în permanenta un sens unic al curentului în raport cu câmpul magnetic, deci asigura o forta în directie constanta.
Schema echivalenta simplificata a motorului de curent c.c cu excitatie separata este prezentata în figura 3.2.
Fluxul magnetic este proportional cu valoarea curentului de excitatie ,
(3.1)
iar ecuatiile ce guverneaza regimul stationar (neglijând anumite efecte secundare) sunt :
(3.2)
(3.3)
(3.4)
iar cuplul electromagnetic creat M :
(3.5)
Daca motorul lucreaza sub curent de excitatie constant, atunci fluxul este constant deci
(3.6)
(3.7)
iar 
(3.8)
Caracteristicile statice de functionare se obtin din aceasta ultima relatie, (Figura 3.3).
Daca opereaza în curent de excitatie variabil si tensiune de alimentare constanta, atunci ecuatiile de functionare devin :
(3.9)
(3.10)
(3.11)
Figura 3.2
Ultima relatie indica o dependenta neliniara pronuntata a vitezei în raport cu fluxul, deci curentul de excitatie. Aceasta neliniaritate complica legea de control si face ca reglajul turatiei prin controlul curentului de excitatie sa fie rar utilizat în sistemele de actionare, în general, si a robotilor, în particular.
Regimul tranzitoriu al motorului ce opereaza sub flux constant se obtine imediat din figura 3.2.
(3.12)
iar cuplul motor va fi:
(3.13)
unde 
este momentul de inertie
al elementelor de rotatie, 
defineste
coeficientul de frecare vâscoasa, 
este cuplul corespunzator
frecarii uscate iar 
este cuplul de sarcina.
Din ( 3.9 ) si (3.13 ) se obtine:
(3.14)
Figura 3.3
Aplicând transformarea Laplace relatiilor (3.12) si (3.13), considerând conditii initiale nule, rezulta :
(3.15)
(3.16)
Ecuatiile acestea definesc schema bloc echivalenta a motorului (figura3.4).
Din (3.15) si (3.16) rezulta ,
(3.17)
Considerând cuplurile de frecare foarte mici si
neglijând cuplul de sarcina rezulta functia
de transfer între viteza si tensiune :
(3.18)
sau
(3.19)
unde
; 
; 
(3.20)
Daca se considera
suficient de mic, atunci functia de transfer (3.19) poate fi rescrisa sub forma:
(3.21)
Unde 
defineste
constanta de timp electrica ,
Figura 3.4
iar, 
constanta de timp electro-mecanica ,
(3.22)
Ecuatiile de mai sus sunt, în principiu, specifice
motoarelor disc, dar pot fi aplicate la toate motoarele utilizate în sistemele
de actionare ale robotilor, diferentierile fiind de ordin
tehnologic. Aceste ecuatii indica reglajul preferential al turatiei
prin reglarea tensiunii de alimentare 
. Controlulde tensiune al turatiei este utilizat practic
în peste 85% din sistemele de actionare al robotilor (cu actionare
prin motor de c.c. ) si numai o mica parte utilizeaza controlul
prin curent, aceasta ultima procedura fiind avantajoasa
datorita functiei de transfer mai simple între cuplu si curent.
Controlul în tensiune al turatiei în actionarea robotilor se rezolva prin doua metode:
redresoare comandate cu tiristoare;
variatoare de tensiune continua
Redresoarele comandate cu tiristoare reprezinta o solutie extrem de larg utilizata si o literatura extrem de bogata abordeaza aceasta problematica [38, 31, 81]. Din multimea structurilor si schemelor bazate pe aceasta metoda, se vor prezenta câteva tipuri utilizate frecvent în controlul robotilor.
Redresoare monofazate în punte. Aceste sisteme sunt utilizate în special la puteri si tensiuni mici. Schema generala a unui redresor de acest tip este prezentata în figura 3.5.
Figura 3.5
Controlul redresarii este obtinut printr-o punte, în circuitul exterior al redresorului fiind montat motorul de c.c. Se remarca conductia, pe fiecare alternanta a tensiunii din secundar, a doua tiristoare opuse. De exemplu într-o semialternanta conduc tiristoarele Th 2 si Th 3 (linie neântrerupta), iar în cealalta semialternanta grupul Th 1, Th 4 (linie punctata). Controlul valorii curentului redresat se obtine prin controlul unghiului de aprindere al tiristoarelor. Pentru atenuarea componentelor alternative ce apar în aceasta redresare, în circuitul motorului se introduce o bobina de netezire L.
Redresoare trifazate în puncte. Circuitele de acest tip reprezinta stuctura cea mai eficienta pentru alimentarea motoarelor de c.c. sub raportul puterii si randamentului. Configuratia de baza a unui astfel de circuit este prezentata în figura 3.6, iar formele de unda ale semnalelor se pot urmari în figura 3.7.
Variatoare de tensiune continua. Aceste dispozitive trasforma o tensiune continua aplicata la intrare, în impulsuri dreptunghiulare de tensiune, la iesire, astfel încât valoarea medie a tensiunii de iesire se poate modifica în functie de factorul de umplere al impulsurilor. Schema de principiu a unei astfel de valori este prezentata în figura 3.8.[38,81,47].
Figura 3.6
Elementul principal al dispozitivului este un comutator static CS realizat, de obicei, dintr-un tiristor comandat. Închiderea comutatorului înseamna aplicarea semnalului de tensiune de amplitudine U pe bornele motorului, regim mentionat pe o durata de timp Ti. Prezenta inductiei L determina o crestere a curentului, presupusa idealizat ca o crestere liniara (figura 3.8b),
(3.24)
Deschiderea întrerupatorului înseamna decuplarea alimentarii E si închiderea curentului de autoinductie prin dioda D. Valoarea medie a tensiunii la bornele motorului va fi:
(3.25)
Aceasta relatie indica doua
modalitati de control a componentei continue: a) prin ajustarea
duratei impulsului T
în cadrul unei perioade T de comutare constanta ; b)
prin mentinerea duratei T constanta si varierea perioadei T. Ambele metode
determina functionarea motorului într-un singur regim, regimul de
motor. O solutie înbunatatita este oferita de
functionarea motorului în doua regimuri în cadrul unei perioade de
lucru, regim de motor popriu-zis si regimul de frâna.
Figura 3.7
În figura 3.9 este reprezentata schema de principiu a unui astfel de variator
În primul regim este deschis comutatorul CS1, dioda D1 având rol de descarcare.
Figura 3.8
În al doilea regim se blocheaza CS1 si se deschide CS2 motorul trecând în regim de frâna prin scurtcircuitarea indusului, energia cinetica transformându-se în energie mecanica. Când se deschide CS2 tensiunea electromotoare a masinii împreuna cu cea de autoinductie determina deschiderea diodei D2 si trecerea curentului spre sursa E, deci energia magnetica acumulata se transforma în energie electrica. Cele doua zone functionale corespund cadranelor I si II a curentilor si tensiunilor de alimentare. O structura functionala mai complexa corespunde operarii în patru cadrane(figura 3.10). Sistemul cuprinde patru comutatoare statice CS1-CS4 a caror comutare dupa o anumita ordine determina functionarea în regim de motor si frâna pentru ambele polaritati de alimentare a le motorului.
3.1.2. Motor pas cu pas
Motoarele pas cu pas sunt sisteme sincrone care realizeaza o corelatie directa între marimea comandata si pozitia obtinuta. Aceste motoare asigura conversia directa a semnalului de intrare, dat sub forma numerica, într-o miscare de pozitionare unghiulara prin cumulari incrementale. Aceasta proprietate determina o utilizare larga a motoarelor pas cu pas în toate sistemele de pozitionare în bucla deschisa. Conversia intrinseca a comenzii în pozitie asigura scheme de control simle, eficiente atât sub aspect tehnic, cât si economic.
Figura 3.9
Pe lânga aceste avantaje, trebuiesc subliniate si câteva dezavantaje printre care se mentioneaza: acceleratii si deceleratii discontinue, variatia cuplului cu pozitia rotorului, puteri mici etc.
Principiul de functionare al unui motor pas cu pas este prezentat în figura 3.11.
Statorul cuprinde patru poli iar rotorul este realizat
dintr-un magnet bipolar. Daca se alimenteaza
înfasurarile 1-3, atunci rotorul se va deplasa într-o
pozitie în care fluxul magnetic prin aceste înfasurari este
maxim, deci el se va alinia pa axa înfasurarilor 1 - 3.
Daca se alimenteaza înfasurarile
2 - 4 atunci rotorul se va roti cu 
, sensul de rotatie depinzînd de polaritatea
aplicata, pâna se va alinia cu noua înfasurare. O
combinatie de semnale aplicate va determina pozitii intermediare corespunzatoare. In
absenta oricârui semnal de alimentare a înfasurarilor,
rotorul va ocupa o pozitie bine determinata aliniindu-se cu unii din
polii statorului , fara a conta polaritatea .
În acest tip de motor, cuplul dezvoltat va depinde evident de pozitia rotorului si în orice caz valorile de cuplu obtinute sunt relativ mici.
O solutie tehnologica superioara este oferita de motoarele pas cu pas cu reluctanta variabila. Constructiv, aceste motoare sunt cu rotor pasiv, având si crestaturi uniform repartizate pe suprafata rotorului. Prin alimentarea unei faze statorice, rotorul se va roti astfel încât circuitul magnetic sa prezinte reluctanta magnetica minima producând alinierea dintilor statorici si rotorici. Comutând alimentarea pe faza urmatoare se obtine o deplasare a rotorului pentru o noua realiniere a dintilor acestora, determinând aparitia unui cuplu.
Figura 3.10
Dupa solutiile constructive utilizate aceste motoare se împart în [47,38]: motoare cu structura monostatorica (o singura unitate stator-rotor) si motoare cu structura polistatorica.
Prima configuratie, monostatorica , reprezinta o solutie mai avantajoasa, datorita simplitatii constructiei. Aceste motoare pot fi realizate în doua variante, cu numar de dinti egal pe stator si rotor si cu numar de dinti în rotor mai mare decat în stator (fig.3.12).
În figura 3.12.a este prezentat un motor pas cu pas cu 8
dinti pe stator si 6 dinti pe rotor, functionând în 4 faze
cu pas de 
. Înfasurarile unei faze sunt dispuse pe 2 poli
statorici diametral pusi. La alimentarea unei faze, dintii rotorici
se aseaza în fata dintilor statorici pe care este
conectata faza comandata . La alimentarea fazei urmatoare,
rotorul se va roti cu .
Pentru obtinerea unui pas de rotatie mai mic se mareste numarul de dinti statorici si rotorici. În figura 3.12.b este reprezentat un astfel de motor cu 6 poli aparenti statorici.
Figura 3.11
Motoarele pas cu pas polistatorice sunt realizate sub forma unor multistructuri statoric-rotorice, fixate mecanic în aceeasi carcasa dar independente din punct de vedere electric si magnetic. Statorul si rotorul au acelasi numar de dinti. Subsistemele rotorice sunt montate pe acelasi ax , dar sunt separate din punct de vedere magnetic.
Figura 3.12
Pentru a realiza rotatia este necesar decalarea subsistemelor rotorice sau statorice, radial unele fata de altele. În figura 3.12 este prezentat un motor cu trei faze, cu statorul aliniat si un decalaj de o treime din pasul dentar realizat prin cele trei subsisteme rotorice.
Indiferent de principiul de functionare al motorului, comanda acestuia se realizeaza prin comutarea succesiva a fazelor înfasurarilor. În figura 3.14 se pot urmarii diagramele tensiunilor de alimentare în câteva variante functionale aplicate unui motor cu patru faze.
În figura 3.14, a este reprezentata asa numita comanda simetrica simpla în care alimentarea fazelor este comutata succesiv pe fiecare înfasurare, semnalele de comanda fiind disjuncte. În figura 3.14,b sunt alimentate în permanenta doua înfasurari, sensul de rotatie al motorului fiind determinat de ordinea de conectare si deconectare a acestora (comanda simetrica dubla). Aceasta metoda este îmbunatatita în figura 3.14,c în sensul ca intervalul de timp asociat unei înfasurari este defalcat în trei zone. Prima si ultima corespund alimentarii simultane cu faza precedenta si respectiv succesoare iar în a doua este asigurata numai alimentarea fazei proprii.
Figura 3.13
Comutarea semnalelor pe înfasurari este realizata cu scheme de comanda specifica. Aceste scheme trebuie sa contina, pe de o parte, logica de comutare a fazelor, iar pe de alta parte dispozitive electronice de putere cuplate direct pe înfasurarile motorului.
În figura 3.15 se pot urmarii principalele elemente ce intra în componenta acestor scheme.
Circuitul distribuitor este format dintr-un numarator în inel, cu numarul starilor egal cu numarul fazelor motorului, urmat de o logica de decodificare ce permite activarea unei singure iesiri într-o stare a numaratorului. Pentru axemplificare, în figura 3.16 s-au prezentat doua circuite distribuitoare pentru un motor cu patru faze.
Figura 3.14
Primul distribuitor , figura 3.16,a realizat dintr-un
numarator modulo 4 activat cu un generator de impulsuri cu perioada
T=
unde t
este timpul de explorare al tuturor fazelor motorului.
Figura 3.15
Prin decodificare se obtine în fiecare stare a numaratorului un singur impuls, la fiecare perioada a generatorului, deci controlul realizat corespunde unei comenzi simetrice simple. In figura 3.16,b este utilizat acelasi numarator dar logica de decodificare asigura semnalele urmatoare:
Prin aceasta selectie se obtine o distributie în timp de forma 3.14,b realizând, deci, comenzi simetrice duble.
Circuitele prezentate sintetizeaza functia de baza a distribuitoarelor, repartitia semnalelor pe fiecare faza dupa o secventa impusa, având ca referinta semnalul unui generator de tact. In afara de acest semnal, distribuitorul poate fi controlat printr-o serie de semnale externe ce îi definesc sensul de baleiaj al fazelor, blocarea sau deblocarea sa si permit chiar modalitati functionale specifice corespunzatoare unor regimuri de accelerare sau decelerare a motorului.
 |
ab
Figura 3.16
Frecventa de tact este, la rotatia nominala a motorului, constanta si obtinuta prin circuite oscilatoare de uz general. Pentru regimurile de accelerare se impune, in scopul eliminarii fenomenului de pierdere al pasilor, pornirea generatorului de la frecvente joase si cresterea gradata a frecventei pâna se atinge frecventa de regim dorita. O procedura similara este necesara si la regimurile de decelerare. Aceasta modificare a frecventei poate fi realizata in diferite moduri: prin circuite specializate analogice sau numerice sau prin sistemul software al unui procesor ce controleaza miscarea. Pentru exemplificare, in figura 3.17 este prezentat un circuit numeric ce realizeaza controlul frecventei prin informatia numerica transmisa de la procesor. Aceasta marime numerica , reprezentata prin vectorul Nv, este înscrisa intr-un registru tampon ce este decrementat de un semnal de tact de frecventa ridicata si riguros constanta (Ts) emis de un generator GT1. La atingerea starii de zero a registrului , o poarta logica P1 blocheaza accesul acestor impulsuri si permite reînscrierea unei noi valori numerice cu o întârziere τ. Iesirea portii reprezinta totodata semnalul de tact al distribuitorului.
Figura 3.17
Frecventa de control a distribuitorului fd se obtine , din valoarea numerica aplicata , dupa o relatie de forma
Aceasta relatie este pusa în evidenta prin diagrama de semnale din figura 3.17,b. Pentru o valoare Nv = 3 înscrisa periodic în registru se obtin impulsurile ud cu perioada Td1. Marirea valorii numerice , Nv2 determina o crestere proportionala a perioadei la valoarea Td2.
Distribuitoarele de impulsuri discutate genereaza deci logica de comutare a tensiuni de alimentare pe fiecare faza fara a asigura puterea necesara pentru comutare. Aceasta este obtinuta de un bloc de comutatoare statice care realizeaza amplificarea necesara a sistemului.
Problemele impuse acestor circuite sunt numeroase, ele derivând din regimurile speciale la care opereaza un motor pas cu pas. Aceste probleme pot fi formulate prin conditiile urmatoare:
generarea unui curent cu o amplitudine corespunzatoare puterii cerute de motor si cu polaritate adecvata. Aceasta implica trazistoare de putere în etajele finale sau chiar tiristoare;
comutarea curentului de la valoarea zero la valoarea de regim în timp minim;
comutarea inversa a curentului de la valoarea nominala la zero în timp minim cu evitarea aparitiei unor semnale de supraurmarire.
Prima conditie se realizeaza prin utilizarea unor configuratii speciale de amplificare în curent de tipul circuitelor Darlington. Aceste circuite au avantajul unui factor de amplificare bun, o impedanta de intrare mare, o impedanta de iesire foarte mica , deci o adaptare foarte buna fata de sarcina oferita de motor. Ele reprezinta totodata si un excelent comutator static, constantele de timp proprii fiind foarte mici.
În fig 3.18 este reprezentat un astfel de comutator Darlington cuplat pe una din înfasurarile unui motor pas cu pas. Daca semnalul furnizat de distribuitor este la nivel logic O, tranzistorul T1 se blocheaza determinând blocarea tranzistorului T2 si anulând deci curentul în faza motorului. Pentru o valoare logica 1, tranzistorul T1 intra în saturatie determinând conductia lui T2 si, deci, un curent corespunzator prin înfasurarea motorului.
Figura 3.18
Conditile 2 si 3 formulate sunt strâns legate de regimul tranzitoriu al circuitului de sarcina. Propriu-zis, sarcina acestui comutator este caracterizata prin inductanta L a înfasurarii motorului, deci evolutia în timp a curentului corespunde regimului oricarui comutator cu sarcina inductiva.
Considerând comutatorul o structura ideala cu rezistenta de iesire R0 se obtine,
(3.26)
unde tm este constanta de timp a circuitului.
(3.27)
Figura 3.19
Timpul de front anterior la comutarea curentului Tfl (figura 3.19b) se poate aprecia la
(3.28)
valoare ce nu satisface întotdeauna cerintele de comutare ale fazelor motorului, datorita valorii mari ai inductantei L si mici ale rezistentelor Rm si R0.
Îmbunatatirea timpului de front este posibila prin tehnici bine-dezvoltate în literatura de specialitate, cea mai simpla procedura de micsorare a constantei de timp Tm constând în introducerea în serie cu înfasurarea motorului a unei rezistente R. Noua constanta de timp va fi.
(3.29)
Figura 3.20
Dezavantajul principal al metodei consta în cresterea puterii consumate prin disiparea acesteia în rezistenta interna R. Acest neajuns poate fi remediat prin mentinerea rezistentei R numai pe durata regimului tranzitoriu si anularea ei în restul intervalului de timp. În figura 3.20 este prezentata aceasta solutie în care rezistenta R, comuna tuturor fazelor motorului, este scurtcircuitata prin tranzistorul T. Un bloc de control asigura comutarea tranzistorului T în intervalele de timp necesare.
Un aspect caracteristic comutatiei în circuitele inductive este aparitia supratensiunilor în colectorii tranzistorilor finali la comutarea interna a curentului. În acest caz, curentul nu devine imediat zero, ci se mentine în înfasurare datorita inductivitatii acesteia. Efectul imediat este aparitia supratensiunii ce poate provoca strapungerea tranzistorilor si în acelasi timp se creeaza riscul alimentarii simultane a doua faze, cea blocata si faza succesoare acesteia (prin comutarea distribuitorului). Rezultatul este un efect de frânare al motorului.
Eliminarea acestui neajuns se obtine prin montarea în paralel cu înfasurarile motorului a unor diode (figura 3.18) sau unor circuite formate din diode si rezistente (figura 3.20), ultimele elemente având ca scop micsorarea costantei de timp de descarcare.
3.2. Sisteme de actionare hidraulica
Aceste dispozitive se bazeaza pe principiul conversiei energiei unui fluid incompresibil în energie mecanica. Lichidul utilizat este un ulei mineral ce actioneaza la presiuni de pâna la 100 atm., sursa de presiune hidraulica fiind încorporata în sistemul de actionare propriu al robotului sau apartinând unui sistem centralizat[38].
Dispozitivul cu cea mai larga utilizare în aceste sisteme este reprezentat de pistonul hidraulic liniar (fig.3.21).
Figura 3.21
Diferentele de presiune create în cele doua camere determina valoarea fortei exercitate,
Aceste presiuni sunt create prin asigurarea circulatiei fluidului pe anumite cai de fluid prin intermediul unui servoventil SV de la o sursa de putere hidraulica SPH. Controlul servoventilului este realizat electric.
Considerând o geometrie simetrica adoptata în constructia pistonului si notând prin x deplasarea fata de punctul median al cilindrului, dinamica miscarii este definita prin ecuatiile,
(3.31)
(3.32)
(3.33)
unde v este viteza elementului, B reprezinta modul de compresibilitate, kf, Fr, determina frecarile vâscoase si uscate, iar q1 si q2 sunt debitele realizate pe cele doua trasee.
Figura 3.22
O structura similara este utilizata si pentru actionarea într-o miscare de rotatie. În figura 3.22 sunt prezentate doua variante constructive, prima realizând o rotatie sub un unghi maxim de cca 330 , iar a doua de cca 130
Aceste dispozitive se utilizeaza pe scara larga în actionarea robotilor datorita unor avantaje specifice printre care mentionam: realizarea unui raport putere/greutate mare, posibilitatea actionarii directe, interconectarea lor directa în articulatiile de rotatie ale robotului etc.
Comportarea statica este determinata de ecuatia cuplului activ creat,
(3.35)
unde V este capacitatea volumica a sistemului. Regimul dinamic are o forma analogica cu cel de la pistoanele liniare,
(3
(
(3
(3
unde coeficientii au semnificatii similare.
Figura 3.23
Un rol esential în comanda acestor actionari îl joaca sistemele de control al cailor de fluid, servovalvele. Aceste dispozitive permit blocarea unor cai de fluid, schimbarea sensului pe o anumita cale sau comutarea traseelor de cale dupa o logica impusa (figura 3.21). Un astfel de servosistem hidraulic este prezentat în figura 3.23.
Pentru pozitia de zero a pistonului ambele cai de fluid sunt blocate, elementele pistonului obturând caile de transmitere a fluidului catre sarcina sau de la aceasta (caile A si B). O deplasare foarte mica Dx spre dreapta a pistonului determina deschiderea traseului fluidic S-A si B-R1 , deci un anumit sens în sarcina dispozitivului. Deplasarea inversa a pistonului produce blocarea caii de recirculare R1 si deschiderea cailor pe traseele S-B si A-R2 , inversând astfel sensul fluidului în sarcina.
O analiza detaliata a debitului de fluid ce traverseaza o cale de iesire (A sau B) în functie de pozitia pistonului permite determinarea caracteristicii de transfer servovalvei.
a)
în acest caz se obtine un debit maxim de fluid,
(3.40)
(3.41)
b)
dispozitivul realizeaza o obturare partiala a debitului de fluid, deci
(3.42)
c)
cantitativ regimul de lucru este similar cu cel anterior dar schimbarea sensului de deplasare determina o schimbare a sensului fluidului pe calea A.
d)
în aceasta situatie se realizeaza deblocarea totala a caii A utilizata acum ca traseu de retur al debitului de fluid,
(3.46)
Caracteristica globala de transfer este prezentata în figura 3.24.b. Se observa ca forma ei este specifica elementelor neliniare cu prag de saturatie. Aceasta alura corespunde unei configuratii idealizate a elementelor pistonului. Structurile reale înrautatesc caracteristica în sensul introducerii unor neliniaritati suplimentare, caracteristici cu zona de insensibilitate, cu zone liniare cu panta variabila etc. Se poate remarca, de asemenea, sensibilitatea deosebita a sistemului în sensul ca variatii foarte mici de deplasare mecanica Dx determina regimuri fluidice total diferite.
Comanda pistonului, deplasarile acestuia, sunt realizate de obicei electric cu elemente speciale, motoare pas cu pas, motoare de c.c. cu sisteme mecanice de conversie a miscarii sau electromagneti tripozitionati.
Analiza comparativa a sistemelor de actionare utilizate în controlul pozitiei robotilor indica o pondere de peste 50% în favoarea actionarii hidraulice.
Aceasta larga utilizare este datorata câtorva factori dinte care putem mentiona
puterea realizata în aceste sisteme este mult mai mare decât a oricarui sistem, luând ca referinta greutatea echipamentului utilizat;
actionarile hidraulice sunt mult mai robuste decât cele electrice amplificarea rezultata este mai mare, precizia si raspunsul la frecventa sunt mai bune;
actionarea hidraulica are performante foarte bune la viteze mici;
sistemele hidraulice se pot cupla direct la sarcina fara dispozitive suplimentare;
Figura 3.24
În celalalt sens, anumite deficiente ale acestor sisteme determina o limitare a utilizarii lor. Se poate mentiona neliniaritatea extrem de pronuntata a majoritatii elementelor, ceea ce îngreuneaza mult realizarea unui control eficient. De asemenea, incompresibiblitatea fluidului , factor esential într-o actionare hidraulica, devine un element deficitar în conditiile în care se impune implementarea unei legi de reglare. Realizarea unor elemente de reglare fluidice de tip P, PI, PID se obtine extrem de dificil, cu dispozitive electro-mecanice complexe. Mai mult, daca o servovalva blocheaza o cale de fluid aceasta devine practic neoperanta, controlul fluidic încetând cu totul.
3.3. Sisteme de actionare pneumatica
Caracteristica principala a acestor dispozitive este data de utilizarea aerului ca fluid compresibil al sistemului de actionare.
Functiile de operare ale sistemelor pneumatice sunt similare cu cele hidraulice, particularitatile tehnologice si constructive specifice lor fiind datorate schimbarii fluidului, cu specificul si proprietatiile sale.
Din factorii care argumenteaza în favoarea utilizarii sistemelor pneumatice, se pot retine:
simplitatea echipamentului de actionare;
robustetea dispozitivelor utilizate;
nepoluarea mediului de lucru;
sisteme de control simple;
raportul putere/greutate relativ ridicat;
rezistenta la suprasarcini de valori mari.
Compresibilitatea fluidului (aerului) face ca sistemele de control sa fie utilizate în special la elementele mecanice care lucreaza pe principiul "tot sau nimic" fara a fi necesar un reglaj intermediar. Ca urmare, ele pot fi introduse cu succes la dispozitivele de actionare ale griperelor unde sunt conturate întotdeauna numai doua stari distincte: deschis si închis.
Controlul pozitiei unui element mecanic prin sisteme pneumatice este rar utilizat datorita performantelor slabe rezultate în comparatie cu cele electrice sau hidraulice. Aceste rezultate slabe se atribuie [41] compresibilitatii fluidului care introduce un timp de propagare, de întârziere, în dinamica dispozitivului. De asemenea, o deficienta de baza o constituie faptul ca aceste sisteme utilizeaza controlul dupa debit, parametru ce nu este întotdeauna indicat pentru controlul pneumatic al unei miscari. Din acest motiv, se recomanda [38] utilizarea unui control al presiunii ce duce la o îmbunatatire considerabila a performantelor dar este mult mai complex si costisitor.
|
