بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به معرفی ربات هاي SCARA و نرم افزار MD.ADAMS پرداخته شده و سپس با بکارگیري سینماتیک مستقیم و معکوس ربات هاي نام برده توسط نرم افزار ADAMS /view و انجام چند مثال روشی حاصل شده است که به کمک آن می توان موتورهاي ربات را طوري هدایت کرد که بازوها ي ربات روي مسیر دلخاه و مورد نیاز کاربر با سرعت مشخص حرکت کنند و عملیات مورد نظر کاربر را انجام دهند . بدین منظور ابتدا به ساخت یک مدل ساده از ربات SCARA در نرم افزار ADAMS/viewپرداخته شده و سپس با اعمال سینماتیک مستقیم با حرکت دلخواه کاربر - با ذکر سه مثال - جداول داده هاي حاصل از وضعیت مفاصل مختلف ربات بر حسب زمان ذخیره گردیده است .آنگاه با بکارگیري سینماتیک معکوس موتور هاي ربات مقید شده اند که بر اساس داده هاي حاصل از سینماتیک مستقیم حرکت کنند . و به این ترتیب ربات مطابق میل کاربر حرکت خواهد کرد .
کلید واژه: ربات SCARA، سینماتیک مستقیم ، سینماتیک معکوس، نرم افزار ADAMS
-1 مقدمه
ربات هاي صنعتی از شگفتی هاي دنیاي مهندسی هستند . در نظر بگیرید ربات در اندازه یک انسان را که به سادگی توانایی حمل و جابجایی باري به وزن صد ها کیلوگرم را بهصورت بسیار سریع و با قابلیت تکرارپذیري بالا دارد . ] قابلیت تکرارپذیري عنوانی است که به توانایی یک ربات در مراجعه مجدد به نقطه اي از قبل تعیین شده اطلاق می گردد[ همچنین توانایی کار مدام و 24 ساعته در طی چندین سال و البته بی هیچ خطایی رانیز به قابلیت هاي فوق اضافه کنید . علی رغم امکان برنامه ریزي مجدد ربات ها ، دربسیاري از کاربرد ها - بخصوص در صنعت خودرو - تنها با یکبار برنامه ریزي ربات ، مدتها یک کار ثابت را از آن انتظار دارند. گونه ي اسکارا از متداول ترین انواع ربات ها در صنعت به شمار می آیند .بازوي اسکارا داراي ساختار RRP می باشد . یعنی داراي سه مفصل می باشد که مفصلهاي اول و دوم از نوع لولایی - دورانی - و مفصل سوم کشویی - خطی - می باشد . این سهمفصل داراي محورهاي موازي - مطابق با شکل - می باشند .
از مفاصل اول و دوم براي تعیینمختصات X و Y استفاده می شود و از مفصل سوم براي تعیین مختصات Z استفاده می شود . ربات اسکارا داراي قدرت مانور بسیاري در صفحه XY می باشد به همین علت کاملا مناسبمونتاژ کاري می باشد . از این ربات علاوه بر کار هاي مونتاژ در کارهاي بلند کردن وقرار دادن - جابه جایی جسمی از محلی به محل دیگر - نیز بهره برداري می شود این یک نمونه بارز از ربات "بردار و بگذار" است و هنگامی که با یک سیستم بیناي ترکیب می شود می تواند محصولات را از روي تسمه نقاله برداشته و بهداخل جعبه بسته بندي منتقل نماید ؛ البته با سرعتی بسیار بالا . ساختمان مفصل ربات به آن اجازه می دهد تا نسبت به نیروهاي وارده در صفحه افقی انعطاف پذیر - یا نرم - باشند . اهمیت این موضوع در کاربرد هایی است که باید قطعات در مکان هایی بسیار تنگ، با دقت جاسازي شوند.
ویژگی ربات اسکارا اتصال دو رابط لولایی پی در پی با محور هاي موازي ، شبیه دستانسان می باشد . به همین دلیل به آن هنرمند می گویند . این ویژگی به ربات این قدرت را می دهد که در مساحتی محدود ، باز و جمع ، شود . وبه سرعت خود را از نقطه اي بهنقطه ي دیگر برساند .ربات اسکارا تنها با یک پایه محکم شده و براینصب به جاي کمی نیاز دارد و به راحتی آماده کار می شود.نرم افزارکنترل آن به سینماتیک وارون - حرکت شناسی - و درون یابی خطی حرکت نیازمند است . نرمافزار هایی که با اسکارا فروخته می شود معمولا براي کاربر نهایی آسان است.هم اکنون از ربات هاي اسکارا به خاطر این که سرعت زیادي دارند ، درمکان هاي تولیدي گوناگونی استفاده می شود . می توان گفت مناسب کاري می باشد که سرعتدر سه یا چهار محور نیاز دارد همچنین صرفه اقتصادي - کارکرد به پول - زیادي دارد. همچنین نوك ربات را که عملیات مورد نظر کاربر را انجام می دهد endeffector مینامند .
-2 نرم افزار ADAMS/view
نرم افزارADAMS یکی از قوي ترین و شاید بی رقیب ترین نرم افزار هاي موجود در صنعت وحتی مراکز تحقیقی , می باشد . این نرم افزار حدود 25 سال پیش توسط Ann Arbor پایه ریزي شد و توسط جمعی از نخبگان دانشگاه میشیگان به نگارش در آمد و تا به امروز توانسته است جایگاه قابل توجهی در صنعت بدست آورد . این نرم افزار با قابیلتهاي بسیار متنوع و بالاي خود , مهندسان را در ایجاد , آزمایش , بررسی , بهینه سازي طرحهاي سیستمهاي مکانیکی قبل از رسیدن به پیش ساخت فیزیکی یاري می کند. با بهره گیري از بخش هاي مختلف در نظر گرفته شده در این نرم افزار می توان با شبیه سازي حرکتی سیستم مکانیکی , تست سینماتیکی سیستم , اندازه گیري نیروهاي وارد بر اتصالات و .... عمر قطعه در چرخه کاري را تعیین نموده و مکان دهی قطعات را بصورت بسیار دقیقی انجام داد. همچنین بررسی کنترل ارتعاش سیستم ها و امکان انجام تست ها براي قطعات قابل انعطاف منحصر به فرد این نرم افزار می باشد.
استفاده از این نرم افزار آسان بوده و شما براحتی می توانید یک مکانیزم پیچیده شامل تعدادي اجزا صلب و انعطاف پذیر را به همراه اتصالات آنها جهت متصل شدن اجزا و حرکت نسبی با در نظر گرفتن اصطکاك و یا بدون آن ایجاد،به آن بار و حرکت اعمال کنید و سپس حرکت کامل رفتار سیستم را به صورت سه بعدي نمایش دهید.همچنین می توانید نیرو در اتصالات،موقعیت،سرعت و شتاب هر جز را به کمک اطلاعات تعریف شده توسط کاربر محاسبه نمود. این نرم افزار قابلیت ارتباط با نرم افزارهاي تخصصی دیگر مانند ,Pro/E , Catia , Ansys و .... را دارا می باشد.از عمده قسمتهاي این نرم افزار می توان به موارد زیر اشاره نمود
: Adams/view این بخش شامل مدل سازي سه بعدي , تعریف قیدها و مفصل هاي مختلف , انیمیشین سه بعدي , نمایش نیروها , جابجایی ها , تنش هاي مدل و .... می باشد .
: Adams/Solver این بخش عهده دار حل عددي سیستم دینامیکی طراحی شده با استفاده از روش اولر- لاگرانژ می باشد. قابلیت جالب این بخش حل معادلات غیر خطی با استفاده از حل کننده هاي مختلف و امکان برنامه نویسی در نرم افزار می باشد.
: Adams/Post Processor این بخش از نرم افزار نتایج بدست آمده از بخشهاي مختلف را نمایش می دهد. نمایش بصورت نمودارهاي شتاب , سرعت و .... کانکتورهاي المان محدود و , Flexible Bodies نمایش نمودارهاي پردازش سیگنال Single Processor و ..... می باشد.از مزایاي دیگر این نرم افزار می توان استفاده از قابلیت برنامه نویسی و ایجاد ابزارها و ویژگیهاي اختصاصی براي صنایع مختلف اعم از اتومبیل , هوا و فضا و راه آهن و غیره اشاره نمود.قابلیت اصلی این نرم افزار ایجاد Functional Virtual Prototype یا نمونه ي ازمایشی مجازي از این طرح می باشد.با توجه به این توانایی،تیم مهندسی قادر خواهد بود قبل از اقدام به ساخت نمونه اولیه ي فیزیکی طراحی،تست،مرور و بهینه سازي یک طرح یا یک سیستم مکانیکی را به راحتی و با هزینه و زمان کمتر انجام دهند.
-3 ساخت یک مدل ساده از ربات
ابتدا یک مدل دلخواه از ربات اسکارا را که فرم کلی این ربات ها در آن حفظ شده باشد در ذهن مجسم می کنیم و نقشه هاي آن را با اندازه هاي دلخواه رسم کرده و مدل سازي توسط نرم افزار را شروع می کنیم .لازم به ذکر است که این مدل را می توان توسط نرم افزار هاي دیگر طراحی مکانیکی از جمله solidworks , catia ساخت و سپس به نرم افزار ADAMS فرا خواند همانطور که در شکل 1 می بینیم مدلی که در نظر گرفته شده است از اتصال 10 هندسه ي مختلف به یکدیگر ایجاد می شود که به ترتیب به شرح آن می پردازیم :
براي ساخت مدل آزمایشی ابتدا با کلیک راست در قسمت Rigid Body جهت ساخت یک مکعب مستطیل روي Box کلیک می کنیم و ابعاد را وارد کرده و مکعب را می سازیم - هندسه . - 1 سپس با کلیک راست در قسمت Rigid Bodyجهت ساخت یک استوانه روي Cylinder کلیک می کنیم و ابعاد را وارد کرده و استوانه - پایه ي قائم ربات - را می سازیم - هندسه . - 2 حال این دو هندسه را توسط قسمت Position طوري جابه جا می کنیم که مطابق شکل در موقعیت مناسب قرار گیرند سپس با کلیک راست در قسمت Rigid Body جهت تبدیل کردن آنها به یک جسم واحد روي Merge Two Bodys کلیک می کنیم هر دو جسم را انتخاب کرده تا به هم Merge شوند .حال روي آن کلیک راست کرده و در پنجره ي Modify آن را Part_1 می نامیم .
براي ساختن هندسه ي 4 با کلیک راست در قسمت Rigid Body روي Box کلیک می کنیم و ابعاد را وارد کرده و مکعب را می سازیم . سپس هندسه هاي 3 و 5 را که شبیه هم هستند با کلیک راست در قسمت Rigid Body ،کلیک روي Cylinder و وارد کردن ابعاد می سازیم . حال هندسه هاي 3و 4و5 را توسط قسمت Position مطابق شکل کنار یکدیگر قرار می دهیم سپس با کلیک راست در قسمت Rigid Body جهت تبدیل کردن آنها به یک جسم واحد روي Merge Two Bodys کلیک می کنیم دو جسم را انتخاب کرده تا به هم Merge شوند .این کار را براي جسم سوم نیز تکرار می کنیم .حال روي جسم جدید کلیک راست کرده و در پنجره ي Modify آن را Part_2 می نامیم .هندسه هاي 6و7و8 نیز به طریق مشابهی ساخته خواهند شد و Part_3 نامیده می شوند . هندسه ي 9 نیز که یک استوانه است مشابه 2 ساخته می شود و هندسه ي 10 را با کلیک راست در قسمت Rigid Body ،کلیک روي Frustum و وارد کردن ابعاد می سازیم .
مطابق قبل مکان آنها را تنظیم کرده و آنها را به هم Merge می کنیم و جسم حاصل را Part_4 می نامیم .حال اجزاي مختلف ربات مدل ساخته شده اند ، در این مرحله به کمک قسمت Position این 4 جزء را مطابق شکل در مجاورت هم قرار می دهیم .با کلیک راست در قسمت Joint و انتخاب Revoluteبین Part_1 , Part_2 یک مفصل دورانی حول محور Y می گذاریم - Joint_1 - .همین کار را بین پارت 2و3 نیز انجام می دهیم تا مفصل دوم نیز ایجاد شود - Joint_2 - .سپس با کلیک راست در قسمت Joint و انتخاب Translational بین Part_3 , Part_4 یک مفصل انتقالی در راستاي محور Y می گذاریم . - Joint_3 - هم اکنون مدل آماده است حال به منظور دیدن حرکت ربات در صفحه ي مختصات دکارتی در قسمت Motion دو متور Rotational روي مفاصل 1و2 و یک موتور Translational روي مفصل 3 می گذاریم Simulation. را انجام داده و براي مشاهده ي مسیر endeffector از منوي Review روي گزینه ي Create Trace Spline کلیک کرده مارکر endeffector را انتخاب و روي زمین به عنوان جسمی که حرکت endeffector نسبت به آن سنجیده می شود کلیک میکنیم تا مسیر نمایش داده شود .در مراحل بعدي براي کرفتن داده هاي جدولی نیاز به Meas ure خواهیم داشت لذا آنها را براي هرسه مفصل ایجاد می کنیم روي Joint_1 کلیک راست کرده و روي Measure کلیک می کنیم تا پنجره ي Joint Measure باز شود Charactristic را در حالت Ax/Ay/Az Projected Rotation قرار داده و محور Z را انتخاب می کنیم .همین کار را براي مفصل 2 نیز تکرار می کنیم اما مفصل 3 چون از نوع انتقالیست Charactristic را در حالت Displacement قرار داده و محورY را انتخاب می کنیم
-1-3 معادلات حرکت روي خط مستقیم
براي می خواهیم موتور هاي ربات را طوري برنامه ریزي کنیم که endeffector روي یک خط مستقیم حرکت کند براي این منظور مسیر ربات را توسط یک میله شبیه سازي کرده و یک لغزنده نیز روي میله می سازیم و بین آنها یک مفصل از نوعTransational می گذاریم بین لغزنده و Part_4 مدل نیز در محل endeffector یک مفصل از نوع Spherical می گذلریم .حال مدل جدید آماده ي تحلیل است .
-2-3 سینماتیک مستقیم ومعکوس
عرض هر شکل یا نمودار و جدول را حتیالامکان برابر عرض می خواهیمendeffector روي مسیر مستقیم حرکت کند و داده هاي هر کدام از مفاصل را بصورت خروجی ثبت کنیم در واقع براي مفاصل Revoluteزاویه بر حسب زمان و براي مفصل Transational جابه جایی در راستاي Y بر حسب زمان . بدین منظور هر سه موتور را حذف کرده و تنها یک موتور جدید از نوع Transational روي مفصل بین لغزنده و میله - مسیر در نظر گرفته شده براي - endeffector قرار میدهیم حال Simulation را انجام می دهیم و از درستی حرکت اطمینان حاصل می کنیم . حال زمان آن رسیده که Measure هاي تعریف شده در مرحله ي ساخت مدل را به صورت جداولی به نام Spread Sheet از ADAMSخروجی بگیریم . براي این منظور از منوي Fileروي Export کلیک می کنیم تا پنجره ي File Export باز شود : File Type را در حالت Spread Sheet قرار داده یک اسم دلخواه نیز انتخاب می کنیم حال در قسمت Result Set Name باید Measure مورد نظر را انتخاب کنیم . می توانیم نام آن را تایپ کنیم یا کلیک راست کرده Result_Set/Browse تا پنجره ي Database Navigator باز شود و از آنجا Measure مورد نظر را انتخاب کرده و OK کنیم. حال در آدرس مورد نظر فایلی با فرمت tab ذخیره می شود . می توان با نرم افزار Microsoft Excel آن را باز کرده و محتواي آن را مشاهده کرد .
حال همین روند را براي دو مفصل دیگر تکرار می کنیم تا مرحله ي سینماتیک مستقیم به پایان برسد .
-1-2-3 سینماتیک معکوس
همانطور که از پیش مشخص بود در این مرحله باید دیتا هاي به دست آمده در مرحله ي قبل را به موتورها بدهیم تا موتور ها مطابق خواست ما حرکت کنند . براي تحقق این منظور از Spline استفاده می کنیم و براي برازش آن از Akima Fitting Method بهره می گیریم . روند کار بصورت زیر است :ابتدا از منوي File روي گزینه Import کلیک می کنیم تا پنجره ي File Import باز شود : File Typeرا در حالت Test Data قرار داده Creat Splines را فعال می کنیم در قسمت File To Read آدرس فایل مورد نظر را وارد کرده ، در قسمت Independent Column Index نیز شماره ي ستون متغیر مستقل - در اینجا زمان - {1} را وارد می کنیم Model Name. را نیز وارد کرده و یا توسط کلیک راست مطابق شکل عمل می کنیم . حال Spline_1 ایجاد شده است . با همین روند دو Spline بعدي را می سازیم . حال زمان آن رسیده که موتورها را توسط این Spline ها برنامه ریزي کنیم : روي موتور اول کلیک راست کرده و گزینه ي Modify را کلیک می کنیم . در پنجره ي باز شده در مقابل گزینه ي Function - time -
