Robótica Industrial. Projeto de Manipuladores

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1 Robótica Industrial Projeto de Manipuladores Robôs são os típicos representantes da Mecatrônica. Integram aspectos de: Manipulação Sensoreamento Controle Comunicação 1

2 Robótica e Mecatrônica 2

3 Princípios de Engenharia de Sistemas Robóticos Planejamento de Produto Principais dados de desempenho Previsão de custos Quantidades Meios de Distribuição Tempo e custo do desenvolvimento de projeto 3

4 Princípios de Engenharia de Sistemas Robóticos Projeto de Tarefas 4

5 Princípios de Engenharia de Sistemas Robóticos Projeto de Tarefas Robôs de aplicação específica 5

6 Princípios de Engenharia de Sistemas Robóticos Projeto de Tarefas 6

7 Princípios de Engenharia de Sistemas Robóticos Análise Funcional Critérios Fixos que têm de ser alcançados Critérios Alvos que devem ser alcançados Desejos (critério é bom ter ) 7

8 Performance Básica e Critérios de Funcionalidade de um Robô Critérios Capacidade de Carga Graus de Liberdade Objetos manipulados/ferramentas Características da Tarefa Caracterização Peso, inércia do objeto manipulado e elemento terminal Movimentos externos / forças sobre o elemento terminal ou eixos Histórico de Carga: estático, periódico, estocástico Destreza exigida para o elemento terminal Número de graus de liberdade de periféricos (mesa motorizada etc...) Dimensões, tamanhos de objetos / partes Tipo de ferramenta (tocha, garra, fresa etc...) Interfaces com o robô Mudança de garra para ferramenta Apresentação do objeto / parte Acessibilidade de objetos / partes Tolerâncias (partes, apresentação de partes) Fixação e posicionamento Velocidade, aceleração Precisão Precisão de Posicionamento Repetibilidade Precisão de trajetória 8

9 Performance Básica e Critérios de Funcionalidade de um Robô Critérios Caracterização Controle de Trajetória Ponto-a-ponto (PTP) Trajetória contínua (CP), perfil de movimento Movimento Circular Condições do Ambiente Parâmetros quantificáveis (ruído, vibração, temperatura etc. ) Parâmetros não-quantificáveis Critérios Econômicos Custo de manufatura, custo de desenvolvimento Ponto de lucro, tradeoffs Tempo de entrega Qualidade Capacidade (tempos de ciclo típicos, produtividade, etc... Pontos de venda (robô, célula de trabalho, linhas de produção) 9

10 Performance Básica e Critérios de Funcionalidade de um Robô Critérios Caracterização Reparo, Manutenção Flexibilidade Instalação Programação (on-line, off-line) Manutenção remota Tarefas e ciclos de manutenção Permutabilidade de módulos e partes Célula de trabalho, integração CIM (interfaces lógicas e geométricas) Erros de manuseio, diagnósticos Cooperação com dispositivos periféricos como mesas, equpamento de manuseio de materiais e outros robôs 10

11 Princípios de Engenharia de Sistemas Robóticos Projeto dos Sistemas de um Robô 11

12 Princípios de Engenharia de Sistemas Robóticos Projeto dos Sistemas de um Robô Conceito do Robô Passo do Processo Resultado Seleção da Estrutura Cinemática Estrutura Cinemática Estimativa dos parâmetro de elos e juntas Seleção dos princípios de transmissão Seleção dos componentes de transmissão Modelo Cinemático (parâmetros de D-H) e curso de juntas Estrutura do sistema de atuação nas juntas Dados geométricos e de desempenho, e interfaces com componentes selecionados 12

13 Projeto Estrutural do Robô e Otimização Passo do Processo Resultado Otimização dos elos do robô e de parâmetros de juntas (parâmetros de D-H) Otimização do desempenho cinético Seleção de motores, engrenagens, mancais e acoplamentos Mínimo número de graus de liberdade, destreza cinemática Máximo Espaço de Trabalho Tempo mínimo de movimento Mínima aceleração das juntas Torque máximos Picos mínimos de torque (perfis de torque uniformes) Máxima dissipação de calor Cabeamento Seleção de materiais Dimensionamento de eixos, invólucros, base e flange da ferramenta Mínimo dobramento e ocupação de espaço Mínimo peso, usinabilidade, corrosão Máxima rigidez Mínima usinagem, peso, número de partes e montagens 13

14 Projeto dos Detalhes do Robô Passo do Processo Resultado Projeto das partes Montagem dos Sistemas do Robô Projeto Elétrico e Eletrônico (gabinete de comando) Desenho das partes Lista de materiais, montagem e instruções de calibração Layout do circuito elétrico dos materiais Documentação Manual de operação, instruções de serviço 14

15 Projeto Cinemático de Robôs Robô Industrial de acordo com a ISO 8373 Cadeias Cinemáticas com pelo menos 3 elos e juntas Descrição Cinemática se divide em: Braço: conjunto de elos inter-conectados e juntas motorizadas que suportam ou movem um pulso e uma mão ou elemento terminal (garra ou ferramenta) Pulso: um conjunto de juntas entre o braço e a mão que permitem à mão se orientar no espaço de trabalho. O pulso serve para orientação e pequenas variações de posição. 15

16 Projeto Cinemático de Robôs Definições Sistemas de referência: localiza a base do robô e a posição zero dos eixos e pulso. Sistema da ferramenta: descreve a posição de uma garra ou ferramenta com 6 gls (x,y,z,a,b,c). Manipulador (braço e pulso): elo entre o sistema de referência e o sistema da ferramenta. 16

17 Projeto Cinemático de Robôs 17

18 Projeto Cinemático de Robôs Configuração Cinemática de um Robô Eixos são classificados como: Rotação: permitem rotação relativa entre dois elos em torno de um eixo fixo. Translação: permite dois eixos terem movimento relativo linear entre si. Junta complexa: permitem rotação relativa entre 2 elos conectados, em torno de um eixo móvel. 18

19 Projeto Cinemático de Robôs Um grande número de juntas (gls) é indesejável por: Precisão de posicionamento decresce com o número de eixos O desempenho cinetostático depende diretamente da escolha da configuração cinemática do robô e seus parâmetros de elos e juntas Transmissão de força se torna mais difícil à medida que o número de eixos aumenta. 19

20 Fig

21 21

22 22

23 23

24 24

25 25

26 26

27 Cadeia dos Atuadores 27

28 Simulação da cadeia dos atuadores 28

29 Princípio de Acionamento Princípio dos Servo-atuadores Campo de Aplicação Vantagens Desvantagens Hidráulico Manipuladores com cargas muito pesadas e/ou grande espaço de trabalho Alta dinâmica Razão potência/peso muito alta Exigência de equipamentos: bombas, mangueiras, servo-válvulas "Suja" Exige manutenção Baixa eficiência Elétrico Padrão para robôs industriais Alta dinâmica Controlabilidade muito boa Faixa de potência grande Faixa de velocidade grande Caixa de redução necessária Aquecimento 29

30 Servo-atuadores Atuadores Elétricos Motores de Passo Controle de velocidade e posição em malha aberta. Baixo custo e facilmente atuado por circuitos eletrônicos Pode-se conseguir até passos/rev, às custas de baixa rigidez magnética Em malha aberta => não-amortecidos e sujeitos a vibrações, podendo ser amortecidos mecanicamente ou por algoritmos de controle de malha fechada. Relação potência/peso é baixa. 30

31 Servo-atuadores Atuadores Elétricos Motores de Corrente Contínua Velocidade se mantem aprox/te constante sob variações de carga. Controle de velocidade fácil via corrente da armadura. Desgate em escovas e comutadores mecânicos. Avanços recentes em comutadores elevam vida útil de escovas a horas. 31

32 Servo-atuadores Atuadores Elétricos Motores de Corrente Alternada Desenvolvimento de novos tipos de magnetos tornaram esses motores mais potentes. Potência: 10-20kw Vel.: até rpm Quase não precisam manutenção => comutação do campo magnético rotativo é sem contato. 32

33 Servo-atuadores Atuadores Elétricos Motores de Corrente Alternada Motores Assíncronos Mais robustos que motores síncronos e têm densidade de potência mais alta. Potência: até 80 kw Vel.: até rpm Pode trabalhar com potência de saída constante mesmo acima da rotação nominal, o que é uma grande vantagem. 33

34 Tipos de Servo motores Tipos de Servo-motores Máxima Potência de Saída Propriedades Específicas Motor de Passo 1 kw Funciona em malha aberta Aquece quando travado Dinâmica pobre Motor CC de escovas 5 kw Boa controlabilidade via corrente da armadura Alto torque de partida Escovas sujeitas a desgaste Motor CC sem escovas 10kw Livre de manutenção Comutação por resolver, ou efeito Hall ou sensor ótico Motor síncrono CA 20 kw Motor assíncrono CA 80 kw Livre de manutenção Motor muito robusto Faixa de velocidades bastante ampla Caro para controlar 34

35 Servo-atuadores Atuadores Elétricos Atuadores Lineares Princípio é de um motor elétrico rotativo desenrolado. Em robôs cartesianos podem ser usados para tarefas de pick-and-place altamente dinâmicas. Maiores velocidades do que transmissão por fusos. Veloc.: até 3m/s Acel.: até 10g Devem substituir transmissão linear por fusos em aplicações de alta velocidade no futuro próximo 35

36 36

37 Servo-atuadores Atuadores Servo-eletro-hidráulicos Motor e cilindro hidráulico e servo-válvula para controlar o motor. Atuadores servo-eletro-hidráulicos têm muito boa dinâmica se em malha fechada e dotados de encoders de posição. Necessitam muito equipamento, manutenção e têm baixa eficiência. 37

38 38

39 Engrenagens Servo-atuadores elétricos (motores) têm eficiência aceitável (até 95%) quando n > rpm (exceção SCARA) Reduzem as forças de inércia do braço do robô no servo-atuador 39

40 Engrenagens Desvantagens Folga => afeta exatidão de posição e controle São elásticas => provocam oscilação torcional Exigências de Qualidade Valores Típicos Folga muito pequena Alta eficiência Alta redução em poucos passos Baixa inércia, baixa fricção Alta rigidez torcional Alta densidade de potência, baixo peso Poucos arco-minutos 80-95% Depende do tamanho da engrenagem Depende do tamanho da engrenagem 40

41 Engrenagens Engrenagens para Movimento Linear São encontradas em: Robôs cartesianos para pick-and-place Eixos verticais de robôs tipo SCARA Robôs tipo Gantry Eixos periféricos (base de robôs articulados) 41

42 Engrenagens Engrenagens para Movimento Linear Exigências de Qualidade para Engrenagens de Robôs Tipo de Engrenamento Faixas comuns de juntas Precisão Carga Correia Dentada < 10 m Máx. 0,1 mm Pequena a média Fuso de Esferas < 5 m Máx. 0,001 mm Pequena a média Pinhão e Cremalheira teoricamente ilimitado Máx. 0,01 mm Média a alta 42

43 Engrenagens 43

44 Engrenagens Engrenagens para Movimento Rotativo Todos os robôs articulados e tipo SCARA Tipo de Engrenagem Propriedades Típicas Aplicação Engrenagem planetária Harmonic Drive Engrenagem Cicloidal Engrenagem Evolvental Eficiência muito alta Muito compacta Alta redução com única engrenagem Pequenos a médios torques Alta eficiência Alto torque Muito compacta Alta redução com única engrenagem Pequenos a médios torques Eixos da base Eixos do pulso Eixos da base Eixos do pulso 44

45 Engrenagens 45

46 Engrenagens 46

47 Engrenagens Engrenagens para Movimento Rotativo Todos os robôs articulados e tipo SCARA 47

48 Engrenagens 48

49 Engrenagens 49

50 Acoplamentos Neutraliza desalinhamento entre eixos instalados entre o servo-motor e as engrenagens e entre o servo-motor e o encoder Transmitem torque e movimento rotativo Em sua aplicação deve ser consideradas: Rigidez torcional Amortecimento 50

51 Acoplamentos 51

52 Sistemas de Medição Fornecem sinal de posição da junta do robô ao controlador Resolução é fator limitante 3 tipos de encoders são comumente encontrados na robótica industrial Óptico Absoluto Óptico Incremental Resolver 52

53 Sistemas de Medição Óptico Absoluto Fileira de LED s emite luz através de disco codificador fixo na junta do robô, com trilhas de padrões brancos e pretos. Sinal óptico transformado em elétrico por chip (circuito integrado de aplicação específica - ASIC), consistindo de fileiras de diodos foto voltaicos, comparador, memória, inversor de código e atuador. Resolução típica ==> bits 53

54 Sistemas de Medição Óptico Absoluto 54

55 Sistemas de Medição Óptico Incremental Sinal apenas relativo, pulsos precisam de referência para serem contados Pode haver perda do ponto de referência se houver perda de energia Cada eixo precisa ser recalibrado Resolução até / revol. Por interpolação do sinal pode-se aumentar até 10 vezes a resolução. Em aplicações onde há exigências de alta precisão de posicionamento, é a única opção. 55

56 Sistemas de Medição Óptico Incremental 56

57 Sistemas de Medição Resolver Sinal angular absoluto em uma rotação Uso de engrenagens permite sinal contínuo por mais de uma revolução Alta resolução, robustos, baratos, fácil uso em eixos ocos Uso tem crescido 57

58 Sistemas de Medição Resolver 58

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