SISTEME DE ACŢIONARE
Sistemul de actionare al unui robot cuprinde totalitatea surselor energetice ale robotului precum si elementele de control direct ale acestora. Īn acest sens, prin sistem de actionare se va īntelege 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 īn 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 īn 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 īn ceea ce priveste raportul dintre forta exercitata la dispozitivul motor si greutatea acestuia. O arie larga o au deasemenea actionarile electrice, utilizate īndeosebi datorita facilitatilor de control pe care le pot asigura. Actionarea pneumatica ocupa o pondere redusa īn aceasta directie , ea fiind de obicei utilizata īn sistemele de comanda ale dispozitivelor auxililiare.
Figura 3.1
3.1. Sisteme de actionare electrica
Desi mai putin utilizata decāt actionarea hidraulica, actionarea electrica ocupa o arie suficient de īntinsa 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 īnalt;
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, depinzānd numai de cāmpul īnfasurarilor si curentul din armaturi. Daca īnfasurarile de cāmp sunt īnlocuite 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 īnfasurarilor 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 īn controlul īn bucla deschisa la operatiile de pozitionare .
Dezavantajul principal al acestor actionari este greutatea componentelor. Raportul putere - greutate sau moment - greutate este mai mic decāt la actionarile hidraulice. Aceasta greutate nu poate fi redusa īn mod semnificativ datorita circuitului magnetic care, pentru asigurarea unor performante ridicate necesita o geometrie corespunzatoare.
Utilizarea motorului de c.c īn actionarea robotilor impune :
a un sistem de control utilizānd 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 īnfasurare dispusa īntr-o armatura rotorica. Un sistem de comutatie, asigura īn permanenta un sens unic al curentului īn raport cu cāmpul magnetic, deci asigura o forta īn directie constanta.
Schema echivalenta simplificata a motorului de curent c.c cu excitatie separata este prezentata īn figura 3.2.
Fluxul magnetic este proportional cu valoarea curentului de excitatie ,
(3.1)
iar ecuatiile ce guverneaza regimul stationar (neglijānd 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 īn 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 īn 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 īn sistemele de actionare, īn general, si a robotilor, īn 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 vāscoasa, 
este cuplul corespunzator
frecarii uscate iar 
este cuplul de sarcina.
Din ( 3.9 ) si (3.13 ) se obtine:
(3.14)
Figura 3.3
Aplicānd transformarea Laplace relatiilor (3.12) si (3.13), considerānd 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)
Considerānd cuplurile de frecare foarte mici si
neglijānd cuplul de sarcina rezulta functia
de transfer īntre 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, īn principiu, specifice
motoarelor disc, dar pot fi aplicate la toate motoarele utilizate īn 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
īn 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 īntre cuplu si curent.
Controlul īn tensiune al turatiei īn 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 cāteva tipuri utilizate frecvent īn controlul robotilor.
Redresoare monofazate īn punte. Aceste sisteme sunt utilizate īn special la puteri si tensiuni mici. Schema generala a unui redresor de acest tip este prezentata īn figura 3.5.
Figura 3.5
Controlul redresarii este obtinut printr-o punte, īn 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 īntr-o semialternanta conduc tiristoarele Th 2 si Th 3 (linie neāntrerupta), iar īn 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 īn aceasta redresare, īn circuitul motorului se introduce o bobina de netezire L.
Redresoare trifazate īn 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 īn figura 3.6, iar formele de unda ale semnalelor se pot urmari īn figura 3.7.
Variatoare de tensiune continua. Aceste dispozitive trasforma o tensiune continua aplicata la intrare, īn impulsuri dreptunghiulare de tensiune, la iesire, astfel īncāt valoarea medie a tensiunii de iesire se poate modifica īn functie de factorul de umplere al impulsurilor. Schema de principiu a unei astfel de valori este prezentata īn 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. Īnchiderea comutatorului īnseamna 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 īntrerupatorului īnseamna decuplarea alimentarii E si īnchiderea 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
īn cadrul unei perioade T de comutare constanta ; b)
prin mentinerea duratei T constanta si varierea perioadei T. Ambele metode
determina functionarea motorului īntr-un singur regim, regimul de
motor. O solutie īnbunatatita este oferita de
functionarea motorului īn doua regimuri īn cadrul unei perioade de
lucru, regim de motor popriu-zis si regimul de frāna.
Figura 3.7
Īn figura 3.9 este reprezentata schema de principiu a unui astfel de variator
Īn primul regim este deschis comutatorul CS1, dioda D1 avānd rol de descarcare.
Figura 3.8
Īn al doilea regim se blocheaza CS1 si se deschide CS2 motorul trecānd īn regim de frāna prin scurtcircuitarea indusului, energia cinetica transformāndu-se īn energie mecanica. Cānd se deschide CS2 tensiunea electromotoare a masinii īmpreuna cu cea de autoinductie determina deschiderea diodei D2 si trecerea curentului spre sursa E, deci energia magnetica acumulata se transforma īn energie electrica. Cele doua zone functionale corespund cadranelor I si II a curentilor si tensiunilor de alimentare. O structura functionala mai complexa corespunde operarii īn patru cadrane(figura 3.10). Sistemul cuprinde patru comutatoare statice CS1-CS4 a caror comutare dupa o anumita ordine determina functionarea īn regim de motor si frāna 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 īntre marimea comandata si pozitia obtinuta. Aceste motoare asigura conversia directa a semnalului de intrare, dat sub forma numerica, īntr-o miscare de pozitionare unghiulara prin cumulari incrementale. Aceasta proprietate determina o utilizare larga a motoarelor pas cu pas īn toate sistemele de pozitionare īn bucla deschisa. Conversia intrinseca a comenzii īn pozitie asigura scheme de control simle, eficiente atāt sub aspect tehnic, cāt si economic.
Figura 3.9
Pe lānga aceste avantaje, trebuiesc subliniate si cāteva 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 īn figura 3.11.
Statorul cuprinde patru poli iar rotorul este realizat
dintr-un magnet bipolar. Daca se alimenteaza
īnfasurarile 1-3, atunci rotorul se va deplasa īntr-o
pozitie īn care fluxul magnetic prin aceste īnfasurari este
maxim, deci el se va alinia pa axa īnfasurarilor 1 - 3.
Daca se alimenteaza īnfasurarile
2 - 4 atunci rotorul se va roti cu 
, sensul de rotatie depinzīnd de polaritatea
aplicata, pāna se va alinia cu noua īnfasurare. O
combinatie de semnale aplicate va determina pozitii intermediare corespunzatoare. In
absenta oricārui semnal de alimentare a īnfasurarilor,
rotorul va ocupa o pozitie bine determinata aliniindu-se cu unii din
polii statorului , fara a conta polaritatea .
Īn acest tip de motor, cuplul dezvoltat va depinde evident de pozitia rotorului si īn 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, avānd si crestaturi uniform repartizate pe suprafata rotorului. Prin alimentarea unei faze statorice, rotorul se va roti astfel īncāt circuitul magnetic sa prezinte reluctanta magnetica minima producānd alinierea dintilor statorici si rotorici. Comutānd alimentarea pe faza urmatoare se obtine o deplasare a rotorului pentru o noua realiniere a dintilor acestora, determinānd aparitia unui cuplu.
Figura 3.10
Dupa solutiile constructive utilizate aceste motoare se īmpart īn [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 īn doua variante, cu numar de dinti egal pe stator si rotor si cu numar de dinti īn rotor mai mare decat īn stator (fig.3.12).
Īn figura 3.12.a este prezentat un motor pas cu pas cu 8
dinti pe stator si 6 dinti pe rotor, functionānd īn 4 faze
cu pas de 
. Īnfasurarile unei faze sunt dispuse pe 2 poli
statorici diametral pusi. La alimentarea unei faze, dintii rotorici
se aseaza īn 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. Īn 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 īn 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. Īn 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 īnfasurarilor. Īn figura 3.14 se pot urmarii diagramele tensiunilor de alimentare īn cāteva variante functionale aplicate unui motor cu patru faze.
Īn figura 3.14, a este reprezentata asa numita comanda simetrica simpla īn care alimentarea fazelor este comutata succesiv pe fiecare īnfasurare, semnalele de comanda fiind disjuncte. Īn figura 3.14,b sunt alimentate īn permanenta doua īnfasurari, sensul de rotatie al motorului fiind determinat de ordinea de conectare si deconectare a acestora (comanda simetrica dubla). Aceasta metoda este īmbunatatita īn figura 3.14,c īn sensul ca intervalul de timp asociat unei īnfasurari este defalcat īn trei zone. Prima si ultima corespund alimentarii simultane cu faza precedenta si respectiv succesoare iar īn a doua este asigurata numai alimentarea fazei proprii.
Figura 3.13
Comutarea semnalelor pe īnfasurari 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 īnfasurarile motorului.
Īn figura 3.15 se pot urmarii principalele elemente ce intra īn componenta acestor scheme.
Circuitul distribuitor este format dintr-un numarator īn inel, cu numarul starilor egal cu numarul fazelor motorului, urmat de o logica de decodificare ce permite activarea unei singure iesiri īntr-o stare a numaratorului. Pentru axemplificare, īn 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 īn 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 īn timp de forma 3.14,b realizānd, deci, comenzi simetrice duble.
Circuitele prezentate sintetizeaza functia de baza a distribuitoarelor, repartitia semnalelor pe fiecare faza dupa o secventa impusa, avānd ca referinta semnalul unui generator de tact. In afara de acest semnal, distribuitorul poate fi controlat printr-o serie de semnale externe ce īi 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 pāna 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 īnscrisa 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 reīnscrierea unei noi valori numerice cu o īntārziere 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 īn evidenta prin diagrama de semnale din figura 3.17,b. Pentru o valoare Nv = 3 īnscrisa periodic īn 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 derivānd 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 īn etajele finale sau chiar tiristoare;
comutarea curentului de la valoarea zero la valoarea de regim īn timp minim;
comutarea inversa a curentului de la valoarea nominala la zero īn timp minim cu evitarea aparitiei unor semnale de supraurmarire.
Prima conditie se realizeaza prin utilizarea unor configuratii speciale de amplificare īn 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.
Īn fig 3.18 este reprezentat un astfel de comutator Darlington cuplat pe una din īnfasurarile unui motor pas cu pas. Daca semnalul furnizat de distribuitor este la nivel logic O, tranzistorul T1 se blocheaza determinānd blocarea tranzistorului T2 si anulānd deci curentul īn faza motorului. Pentru o valoare logica 1, tranzistorul T1 intra īn saturatie determinānd conductia lui T2 si, deci, un curent corespunzator prin īnfasurarea motorului.
Figura 3.18
Conditile 2 si 3 formulate sunt strāns legate de regimul tranzitoriu al circuitului de sarcina. Propriu-zis, sarcina acestui comutator este caracterizata prin inductanta L a īnfasurarii motorului, deci evolutia īn timp a curentului corespunde regimului oricarui comutator cu sarcina inductiva.
Considerānd 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 īntotdeauna cerintele de comutare ale fazelor motorului, datorita valorii mari ai inductantei L si mici ale rezistentelor Rm si R0.
Īmbunatatirea timpului de front este posibila prin tehnici bine-dezvoltate īn literatura de specialitate, cea mai simpla procedura de micsorare a constantei de timp Tm constānd īn introducerea īn serie cu īnfasurarea motorului a unei rezistente R. Noua constanta de timp va fi.
(3.29)
Figura 3.20
Dezavantajul principal al metodei consta īn cresterea puterii consumate prin disiparea acesteia īn rezistenta interna R. Acest neajuns poate fi remediat prin mentinerea rezistentei R numai pe durata regimului tranzitoriu si anularea ei īn restul intervalului de timp. Īn figura 3.20 este prezentata aceasta solutie īn care rezistenta R, comuna tuturor fazelor motorului, este scurtcircuitata prin tranzistorul T. Un bloc de control asigura comutarea tranzistorului T īn intervalele de timp necesare.
Un aspect caracteristic comutatiei īn circuitele inductive este aparitia supratensiunilor īn colectorii tranzistorilor finali la comutarea interna a curentului. Īn acest caz, curentul nu devine imediat zero, ci se mentine īn īnfasurare datorita inductivitatii acesteia. Efectul imediat este aparitia supratensiunii ce poate provoca strapungerea tranzistorilor si īn acelasi timp se creeaza riscul alimentarii simultane a doua faze, cea blocata si faza succesoare acesteia (prin comutarea distribuitorului). Rezultatul este un efect de frānare al motorului.
Eliminarea acestui neajuns se obtine prin montarea īn paralel cu īnfasurarile motorului a unor diode (figura 3.18) sau unor circuite formate din diode si rezistente (figura 3.20), ultimele elemente avānd 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 īn energie mecanica. Lichidul utilizat este un ulei mineral ce actioneaza la presiuni de pāna la 100 atm., sursa de presiune hidraulica fiind īncorporata īn sistemul de actionare propriu al robotului sau apartinānd unui sistem centralizat[38].
Dispozitivul cu cea mai larga utilizare īn aceste sisteme este reprezentat de pistonul hidraulic liniar (fig.3.21).
Figura 3.21
Diferentele de presiune create īn 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.
Considerānd o geometrie simetrica adoptata īn constructia pistonului si notānd 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 vāscoase si uscate, iar q1 si q2 sunt debitele realizate pe cele doua trasee.
Figura 3.22
O structura similara este utilizata si pentru actionarea īntr-o miscare de rotatie. Īn figura 3.22 sunt prezentate doua variante constructive, prima realizānd o rotatie sub un unghi maxim de cca 330 , iar a doua de cca 130
Aceste dispozitive se utilizeaza pe scara larga īn actionarea robotilor datorita unor avantaje specifice printre care mentionam: realizarea unui raport putere/greutate mare, posibilitatea actionarii directe, interconectarea lor directa īn 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 īn comanda acestor actionari īl 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 īn figura 3.23.
Pentru pozitia de zero a pistonului ambele cai de fluid sunt blocate, elementele pistonului obturānd 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 īn sarcina dispozitivului. Deplasarea inversa a pistonului produce blocarea caii de recirculare R1 si deschiderea cailor pe traseele S-B si A-R2 , inversānd astfel sensul fluidului īn sarcina.
O analiza detaliata a debitului de fluid ce traverseaza o cale de iesire (A sau B) īn functie de pozitia pistonului permite determinarea caracteristicii de transfer servovalvei.
a)
īn 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)
īn 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 īn 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 īnrautatesc caracteristica īn 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 īn 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 īn controlul pozitiei robotilor indica o pondere de peste 50% īn favoarea actionarii hidraulice.
Aceasta larga utilizare este datorata cātorva factori dinte care putem mentiona
puterea realizata īn aceste sisteme este mult mai mare decāt a oricarui sistem, luānd ca referinta greutatea echipamentului utilizat;
actionarile hidraulice sunt mult mai robuste decāt 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
Īn 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 īngreuneaza mult realizarea unui control eficient. De asemenea, incompresibiblitatea fluidului , factor esential īntr-o actionare hidraulica, devine un element deficitar īn conditiile īn 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 īncetānd 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 īn 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 īn 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 īntotdeauna numai doua stari distincte: deschis si īnchis.
Controlul pozitiei unui element mecanic prin sisteme pneumatice este rar utilizat datorita performantelor slabe rezultate īn comparatie cu cele electrice sau hidraulice. Aceste rezultate slabe se atribuie [41] compresibilitatii fluidului care introduce un timp de propagare, de īntārziere, īn dinamica dispozitivului. De asemenea, o deficienta de baza o constituie faptul ca aceste sisteme utilizeaza controlul dupa debit, parametru ce nu este īntotdeauna indicat pentru controlul pneumatic al unei miscari. Din acest motiv, se recomanda [38] utilizarea unui control al presiunii ce duce la o īmbunatatire considerabila a performantelor dar este mult mai complex si costisitor.
|
