Leccion 2 Transmision y Actuacion_RIA_handout.pdf

Elementos de transmisión y actuación Robótica Industrial y Autómatas Grado en Inga . Eléctrica y Electrónica, 7o semestre Módulo de Tecnología Especifica de Electrónica Industrial (TEEI) Iñaki Arocena Elorza José Basilio Galván Herrera Dept. Automática y Computación Universidad Pública de Navarra...

Elementos de transmisión y actuación Robótica Industrial y Autómatas Grado en Inga . Eléctrica y Electrónica, 7o semestre Módulo de Tecnología Especifica de Electrónica Industrial (TEEI) Iñaki Arocena Elorza José Basilio Galván Herrera Dept. Automática y Computación Universidad Pública de Navarra 1 / 31 Elementos de transmisión y actuación Índice 1 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Composición del sistema motriz Transmisiones Reductores Actuadores, Sensores y Controladores Actuadores Tipos de actuadores Sensores de posición internos 2 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Composición del sistema motriz Composición Está compuesto por el actuador, con su sensor de posición, el sistema de transmisión, generalmente con un reductor, y la subestructura del brazo que soporta El reductor multiplica el par motor (τ1 ) en la articulación aunque reduciendo su movimiento. El eslabón i − 1 soporta el peso del actuador que mueve el eslabón i. eslabón i+1 brazo robot qi reductor eslabón i n2 t2 armadura motor q2 = qi–1 q1 t1 rotor n1 eslabón i–1 4 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Composición del sistema motriz Ejemplo del robot PUMA 560 Robot antropomórfico con seis motores con reductores y sistemas de transmisión. motores de la muñeca ejes de transmisión motores de hombro y codo motor del tronco Figura: Motores y mecanismos de transmisión de un robot PUMA 560. 5 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Composición del sistema motriz Ejemplo del robot PUMA 560 Detalle de sistemas de transmisión del antebrazo. encoder reductor “codo” M2 eje de transmisión muñeca rotuliana M2 M1 motores reductor acopladores Figura: Motores y transmisiones de la muñeca de un robot PUMA. 6 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Composición del sistema motriz Actuador La velocidad y la aceleración máximas del eslabón dependen del par motor. La masa del motor es autopenalizante a mayor masa mayor rigidez de la estructura mecánica. Círculo vicioso: a mayor rigidez mayor masa e inercia de los eslabones. La relación par/masa del motor define la característica de aceleración mientras que la potencia/masa define la velocidad. En muchas aplicaciones la aceleración máxima prima sobre la velocidad máxima. Ejemplo: Montaje de circuitos impresos donde hay desplazamientos cortos y muy repetitivos. 7 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Transmisiones Transmisiones Adecuan y transfieren el par/fuerza motor a las articulaciones Pueden incluir un reductor. Pueden transformar el tipo de movimiento. El eje primario va unido al actuador y el secundario a la articulación. Reversibilidad: algunas transmisiones no permiten el movimiento en sentido inverso y no pueden transmitir las fuerzas/pares hacia el actuador, por ej. fuerzas generadas en el efector final. 8 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Composición del sistema motriz Transmisiones Ejemplo de transmisión no reversible. Produce un giro de 90o en el movimiento. El movimiento fluye del tornillo sin fin hacia la corona. Bloquea el movimiento en sentido contrario. Figura: Cambio de dirección mediante tornillo sin fin. 9 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Transmisiones Tipos de Transmisión Se clasifican según el mecanismo de transmisión y el tipo de conversión de movimiento Engranajes: no hay deslizamiento; alto par de transmisión y alta rigidez. Inconvenientes: huelgos y rozamiento. Correas dentadas/flejes: características similares a los engranajes pero con menor ruido y par de transmisión. Cables: menos limitaciones que las correas y cadenas. Inconvenientes: deslizamiento (bajo), desgaste y ruptura. Tornillos sin fin: cambian la dirección del eje de transmisión. Mismos inconvenientes que los engranajes. Piñón-cremallera: convierten movimiento de giro a lineal o viceversa. Mismos inconvenientes que los engranajes. 10 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Transmisiones Ejemplos de sistemas de transmisión de robots industriales. Figura: Transmisión de muñeca con engranajes de un robot Yaskawa. Figura: Transmisión de muñeca por correa dentada de un robot KUKA. 11 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Transmisiones Ejemplo de conversión de movimiento de giro a lineal. Figura: Conversión giro a lineal. Figura: Usillo lineal mediante circuito de bolas. 12 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Reductores Reductores Multiplican el par motor y linealizan la dinámica. q2 secundario r2 huelgo Dq r2 n1 q1 Comparable a un transformador eléctrico: multiplica el par de salida (corriente) pero reduce la velocidad (tensión), manteniendo la potencia constante (salvo pérdidas). n2 primario Figura: Reductor con piñón de ataque y corona secundaria. 13 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Reductores Reductores Pese a sus inconvenientes, la mayoría de los robots industriales utilizan reductores. Caracterizados por la relación r = n2 n1 n1 y n2 : no de dientes del primario y del secundario, respectivamente. r < 1 es un multiplicador. r > 1 es un reductor, lo utilizan la mayoría de los sistemas de transmisión incluídos los robots. 14 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Reductores Propiedades de los reductores Ventajas e inconvenientes. Ventajas: Multiplican de par/fuerza: par de salida > par motor. Reduce el tamaño de los motores requeridos. Factor par/masa del motor-reductor superior a un accionamiento directo equivalente. Mayor relación par/masa implica motores más pequeños y por tanto estructuras más ligeras. Linealiza la dinámica no lineal y acoplada del robot. Simplifica el control. Menor coste que el accionamiento directo. 15 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Reductores Propiedades de los reductores Ventajas e inconvenientes. Desventajas: merman la precisión final. Introducen: huelgo: ángulo muerto entre primario y secundario. rozamiento: pérdidas del 10-20%. elasticidad: vibraciones y deflexión estática. Reducen la velocidad y aceleración máximas. 16 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Reductores Relaciones cinemáticas Relación entre posiciones, velocidades, y derivadas superiores asumiendo un sistema mecánico ideal. En ausencia de deslizamiento, el arco recorrido por las circunferencias del primario y secundario son iguales: θ1 = r θ 2 Derivando respecto al tiempo θ̇1 = r θ̇2 θ̈1 = r θ̈2 , etc. 17 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Reductores Relación entre pares Relación entre el pares del primario y secundario. Suponiendo una transmisión perfecta, la potencia transmitida es constante: τ1 θ̇1 = τ2 θ̇2 utilizando las relaciónes cinemáticas, obtenemos τ1 = τ2 /r Con un reductor, el par motor (primario) es r veces menor que el par en la carga (secundario). 18 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Reductores Momentos de inercia equivalentes Momento de inercia de la carga reflejado al lado motor. Equivalencia en al lado motor Inercia en la carga reductor n2 q2 t2 tm q1 t1 I21 I1 q1 I2 } tm q1 t1 r It I1 n1 I1 , I2 : momentos de inercia del primario (rotor) y secundario (carga); I21 inercia equivalente del 2o en el 1o . 19 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Reductores Momentos de inercia equivalentes El momento de inercia de la carga reflejado en el lado motor es r 2 veces menor con un reductor El par motor aplicado es τm = I1 θ̈1 + τ1 = I1 θ̈1 + τ2 /r asumiendo un modelo puramente inercial τm = It θ̈1 con It el momento de inercia total en el lado motor y τ2 = I2 θ̈2 en el lado de la carga 20 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Relaciones de equivalencia Relación entre momentos de inercia obtenemos It θ̈1 = I1 θ̈1 + I2 θ̈1 −→ It = I1 + I2 /r 2 r2 así, el momento de inercia de la carga trasferido al lado primario es I21 = I2 /r 2 La relación entre inercias depende no linealmente de r . 21 / 31 Elementos de transmisión y actuación Transmisiones y reductores Relaciones de equivalencia Relación entre momentos de inercia El momento de inercia de la carga reflejado en el lado motor es r 2 veces menor con un reductor Eligiendo r >> 1 podemos conseguir It ≈ I1 , la inercia cte. del rotor del motor. Se minimizan los efectos de las variaciones no lineales de I2 (θ), la configuración del brazo. Se obtiene un sistema “lineal”, respecto a las variaciones de la carga, que se tratarán como pequeñas perturbaciones. Además del coste se reduce considerablemente el tamaño (masa) de los motores. 22 / 31 Elementos de transmisión y actuación Actuadores, Sensores y Controladores Actuadores Actuadores La potencia y tamaño de los actuadores desde la base al efector final decrece exponencialmente Soportados por la cadena cinemática (autopenalizante). Para evitar deformaciones requieren estructuras más rígidas (más pesadas). Su masa aumenta el momento de inercia del brazo. Se sitúan lo más cerca posible de la base rara reducir su impacto sobre el momento de inercia. Se utilizan actuadores con relaciones par/masa y potencia/masa altas para minimizar la masa. 24 / 31 Elementos de transmisión y actuación Actuadores, Sensores y Controladores Tipos de actuadores Tipos de actuadores Existen tres tipos de actuador según la fuente de energía utilizada Neumáticos: los más simples y limitados y de menor coste Hidráulicos: los que manipulan mayores cargas. Eléctricos: para robots de pequeño a mediano tamaño. Los más utilizados 25 / 31 Elementos de transmisión y actuación Actuadores, Sensores y Controladores Tipos de actuadores Neumáticos Empujados por aire a presión generan un movimiento lineal Alta relación fuerza/masa y potencia/masa, idóneo para procesos de alta producción. Difícil de realimentar debido a la compresión del aire. Funcionamiento en lazo abierto, totalmente extendido o recogido, no pueden generar trayectorias espaciales preconcebidas. Utilizados principalmente en manipuladores de carga y descarga rápida. 26 / 31 Elementos de transmisión y actuación Actuadores, Sensores y Controladores Tipos de actuadores Hidráulicos Principio de funcionamiento similar a los neumáticos pero actuados con aceite a presión. Alta relación fuerza/masa (superior a los motores eléctricos) utilizados para robots de gran tamaño. Permiten el control realimentado y por tanto pueden generar cualquier trayectoria espacial. Requieren una bomba hidráulica en funcionamiento constante (ruido y suciedad). 27 / 31 Elementos de transmisión y actuación Actuadores, Sensores y Controladores Tipos de actuadores Eléctricos Los más utilizados por su fácil control y amplia gama, utilizados en robots de pequeño a mediano tamaño. Se utilizan varios tipos Motor de C.C. lineal pero requiere mantenimiento (escobillas, delgas). Motor “brushless” sin escobillas: fiable, lineal y robusto. Motor de reluctancia variable: no lineal pero con mayor relación par/masa que el de C.C. Motor asíncrono con variador de frecuencia. 28 / 31 Elementos de transmisión y actuación Actuadores, Sensores y Controladores Sensores de posición internos Colocación de los sensores Los sensores de posición se fijan sobre el eje motor (denominado “sensor colocado”). No hay medición directa de los ejes articulares y las pérdidas por huelgos, etc., no se pueden detectar. Caso de ir sobre la articulación, las elasticidades de la transmisión pueden desestabilizar el sistema. 29 / 31 Elementos de transmisión y actuación Actuadores, Sensores y Controladores Colocación de los sensores reductor elasticidad q2 elasticidad rozamiento q1 huelgo sensor no colocado sensor colocado Figura: Modelo de transmisión completo con elementos no lineales. 30 / 31 Elementos de transmisión y actuación Actuadores, Sensores y Controladores Sensores de posición internos Codificadores ópticos incrementales (“encoders”) Se utilizan principalmente codificadores ópticos incrementales por su sencillez, robustez y alta gama de resoluciones. receptores fotoeléctricos retícula canal A canal B pulso de referencia referencia lente de colimación qm disco codificado fuente emisora de luz eje de giro 31 / 31