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Tema 3: Accionamientos (parte 2 de 2)

Página 1Control y programación de robots. Curso 2011-12. E.T.S.I.I. Universidad de Vigo

Tema 3. Accionamientos (2ª parte). Control y programación de robots. E.T.S.I.I. Univ. de Vigo 1

Transmisión del movimientoTransmisiones:• Elementos encargados de llevar el movimiento desde los elementos

motores hasta las articulaciones y, eventualmente, realizar una conversión del mismo.

Justificación:• Aceleraciones elevadas en el extremo ⇒ Reducción del momento de

inercia.• Pares estáticos dependen directamente de la distancia a las masas.• Acercamiento de los elementos motores a la base del robot.

Propiedades importantes:• Tamaño y peso reducido.• Alto rendimiento mecánico (lo más cerca del 100%).• No debe afectar a la calidad del movimiento ⇒ Ausencia de holguras.• Capaz de soportar funcionamiento continuo a par elevado y pares

elevados puntuales (ciclos cortos de funcionamiento ⇒ arranques y paradas continuos ).


Ejemplo de transmisión del movimiento

Transmisión de movimiento correspondiente a la muñeca de un robot




Transmisión y conversión del movimiento

Transmisión del movimiento circular:• Engranajes.• Correas dentadas y cadenas.• Cables y varillas.• Árboles articulados.• Sistemas biela-manivela.• Acoplamientos flexibles.

Conversión de movimiento circular a lineal:• Tornillos sin fin (husillo de bolas).• Engranaje de cremallera.

Conversión de movimiento lineal a circular:• Sistemas de palancas.• Sistemas biela-manivela.• Paralelogramos articulados.


Sistemas de transmisión generales (I)

Engranajes simples Tren de engranajes

Tornillo sin fin - corona Engranajes cónicos




Sistemas de transmisión generales (II)

Correa y poleas

Junta Cardan

Cadena


Sistemas de conversión generales

Biela - manivela Leva

Piñón - cremallera Engranajes cónicos Leva




Rendimientos de los sistemas de transmisión

Engranajes dientes rectos (~90%)

Engranajes cónicos (~ 70%)

Engranajes dientes helicoidales (~ 80%)

Tornillo sin fin y corona (~ 70%)

Piñon - cremallera (~ 70%)


Transmisión del movimiento circular

Transmisión por engranajes en el telemanipulador TELBOT

Tiene seis grados de libertad y un sistema de transmisión que permite movimiento sin restricciones de cada articulación.




Aplicaciones del telemanipulador TELBOT


Ejemplo de transmisiones y acoplamientos

Acoplamientos elásticos

Acoplamiento universal




Conversión del movimiento circular en lineal

Tornillo sin fin de circulación de bolas Conjunto piñón-cremallera


Ejemplo de aplicación de tornillo de bolas




Conversión del movimiento lineal en circular (I)

Mecanismos para efectuar un movimiento circular mediante un actuador de desplazamiento lineal


Conversión del movimiento lineal en circular (II)

Paralelogramos articulados para la conversión de movimiento lineal en circular




Ejemplos de robots con sistemas de conversión


Sistemas de transmisión/conversión: resumen de características

Control difícilRozamiento

-Holgura media

Paralelogramo articuladoCremalleraLineal-Circular

RozamientoRozamiento

Poca holguraHolgura media

Tornillo sin finCremalleraCircular-Lineal

Holguras-

RuidoGiro limitadoDeformabilidad

Pares altosDistancia grandeDistancia grande

--

EngranajeCorrea dentadaCadenaParalelogramoCable

Circular-Circular

Inconvenientes Ventajas Denominación Entrada-Salida




Reductoras

Función:• Adaptar par y velocidad de la salida del actuador a los valores adecuados

para el movimiento del los eslabones del robot.Características deseables en las reductoras de los robots:• Capacidad de reducción elevada en un sólo paso: alta relación de

reducción.• Alto rendimiento: bajo rozamiento.• Bajo momento de inercia.• Holgura mínima.• Alta rigidez a la torsión.• Bajo peso y tamaño.

Específicas para robots ⇒ Altas prestaciones.• Tendencia a ejes coaxiales frente a los paralelos o perpendiculares que

ocupan menor espacio y mejor rendimiento.• Diseños especiales: Harmonic Drive® y Cyclo®.


Características de reductoras para robótica

Alternativa a las reductoras: accionamiento directo• Solución ideal desde el punto de vista del control y velocidad.• Exige motores con muy alto par (generalmente muy voluminosos).

50 ÷ 3000,1 ÷ 30 kg0,0001 kg m²6.000 ÷ 7.000 rpm5.700 Nm7.900 Nm0 ÷ 2"100 ÷ 2.000 Nm/rad85% ÷ 98%

Relación de reducciónPeso y tamañoMomento de inerciaVelocidad de entrada máximaPar de salida nominalPar de salida máximoJuego angularRigidez torsionalRendimiento

Valores típicos Características




Reductora Harmonic Drive® (I)

Concebido en 1.955 por C. Walton Musser (USA patent n. 2.906.143).1962: Usado en algunos equipos espaciales.1971: Usado en el vehículo lunar (cada rueda estaba equipada con un motor DC de 186 w – 10.000 rpm y un Harmonic Drive 80:1).


Reductora Harmonic Drive® (II)

Características:• El Circular Spline es rígido y

está fijo.• El Flexspline es flexible y se

une al eje de salida.• El Wave Generator es elíptico y

se fija al eje de entrada.• Los dientes interiores del

Circular Spline engranan con los exteriores del Flexspline.

• La diferencia de dientes es de 1 ó 2.

• La relación de reducción es la relación entre dicha diferencia y el número de dientes del Flexspline.




Reductora Harmonic Drive® (III)

Principio de funcionamiento


Reductora Harmonic Drive® (IV)

Principio de funcionamiento




Reductora Cyclo® (I)

Características:• Movimiento cicloidal de un

disco de curvas movido por excéntrica.

• El disco de curvas rueda sobre los rodillos exteriores.

• Relación de reducción igual a la diferencia entre rodillos exteriores y huecos del disco de curvas.


Características:• Movimiento cicloidal de un

disco de curvas movido por excéntrica.

• El disco de curvas rueda sobre los rodillos exteriores.

• Relación de reducción igual a la diferencia entre rodillos exteriores y huecos del disco de curvas.

Reductora Cyclo® (II)




Ejemplo de reductoras Cyclo®


Robots de accionamiento directo (DD) (I)

Son robots de accionamiento eléctrico sin

reductoras.

Típicos en algunos robots SCARA.

Ventajas:

• Simplificación del sistema mecánico.

• Disminuye fricción, elasticidad, histéresis.

• Posicionamiento rápido y preciso.

• Mejora en el control (aunque más complejo).




Robots de accionamiento directo (DD) (II)

Desventajas:• Necesidad de motores especiales (par elevado

a bajas revoluciones con alta rigidez):– Motores de CC, o brushless o síncronos

con imanes permanentes de materiales especiales de bajo peso (samario-cobalto).

• Aumenta la inercia al poner motores pesados junto a las articulaciones ⇒ Condiciona la estructura mecánica.

• El codificador de posición va directamente acoplado al eje ⇒ Necesita ser mucho más preciso.

• Al no tener reductoras la ley de control no se simplifica ⇒ El control debe ser mucho más sofisticado.

• Las perturbaciones inciden directamente sobre el par del motor (sin verse divididas por el cuadrado de la reducción como en las reductoras).

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