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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 ).
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Ejemplo de transmisión del movimiento
Transmisión de movimiento correspondiente a la muñeca de un robot
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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.
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Sistemas de transmisión generales (I)
Engranajes simples Tren de engranajes
Tornillo sin fin - corona Engranajes cónicos
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Sistemas de transmisión generales (II)
Correa y poleas
Junta Cardan
Cadena
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Sistemas de conversión generales
Biela - manivela Leva
Piñón - cremallera Engranajes cónicos Leva
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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%)
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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.
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Aplicaciones del telemanipulador TELBOT
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Ejemplo de transmisiones y acoplamientos
Acoplamientos elásticos
Acoplamiento universal
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Conversión del movimiento circular en lineal
Tornillo sin fin de circulación de bolas Conjunto piñón-cremallera
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Ejemplo de aplicación de tornillo de bolas
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Conversión del movimiento lineal en circular (I)
Mecanismos para efectuar un movimiento circular mediante un actuador de desplazamiento lineal
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Conversión del movimiento lineal en circular (II)
Paralelogramos articulados para la conversión de movimiento lineal en circular
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Ejemplos de robots con sistemas de conversión
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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
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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®.
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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
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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).
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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.
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Reductora Harmonic Drive® (III)
Principio de funcionamiento
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Reductora Harmonic Drive® (IV)
Principio de funcionamiento
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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.
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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)
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Ejemplo de reductoras Cyclo®
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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).
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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).