I n s t y t u t a u t o m a t y z a c j i p r o c e s ó w t e c h n o l o g i c z n y c h i

z i n t e g r o w a n y c h s y s t e m ó w w y t w a r z a n i a

P o l i t e c h n i k i Ś l ą s k i e j w G l i w i c a c h

Podstawy Konstrukcji Maszyn

Typoszereg chwytaków

Szymon Góra
Wydział:

MT

Kierunek: AiR
Grupa:

3

Semestr:

IV

1

SPIS TREŚCI:

1. ZAŁOŻENIA I DANE DO PROJEKTU…………………………………………...3

•

OPIS ISTOTY DZIAŁANIA

•

DANE SYTUACYJNE

•

KRYTERIA

•

ZADANIA DO WYKONANIA

2. ROZWIĄZAZNIA

KONSTRUKCYJNE……………………………………………………….…….......5

3. WYBÓR ROZWIAZANIA KONSTRUKCYJNEGO METODA

PUNKTOWA……………………………………………………………………...…..7

4. USZCZEGÓŁOWIENIE I ZUNIFIKOWANIE ROZWIĄZANIA

KONSTRUKCYJNEGO…………………………………………………………..…9

5. OBLICZENIA SIŁY CHWYTU

PRZEDMIOTU…………………………………………….……………………..….9

•

MASA PRZEDMIOTU

•

RUCH PIONOWY

•

RUCH OBROTOWY

6. DOBÓR PRYZMY…………………………………………….……………….

…………...…11

7. DOBÓR SIŁOWNIKA……………………..………………….……………….

…………...…13

•

CHARAKTERYSTYKA PRZEŁOŻENIE-PRZEMIESCZENIE

•

CHARAKTERYSTYKA WYSÓW-PRZEMIESCZENIE

8. OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE…………………………………….

…………………..17

•

DOBÓR PRZEKROJU RAMIENIA

•

OBLICZENIE POŁĄCZENIA SWORZNIOWEGO

9. LITERATURA……………………………………..………………………………..19
10. ZAŁĄCZNIKI……………………………………………………………………….20

2

1. ZAŁOŻENIA PROJEKTOWO – KONSTRUKCYJNE

Opracować uporządkowaną rodzinę konstrukcji w postaci typoszeregu chwytaków.

Podstawowe relacje realizowane przez chwytak to: uchwycenie, trzymanie i uwolnienie,
przemieszczenie obiektu. Sposób unieruchomienia obiektu zaś miał być siłowo – kształtowy,
za pomocą końcówek chwytnych.

DANE ILOŚCIOWE:

Obiektami manipulowanymi są przedmioty w postaci walców, których zakresy

zmienności wartości dla tworzonego typoszeregu chwytaków są następujące:

rodzaj tworzywa:

stal

zakres zmienności średnic:

d

min

= 60 [mm]

d

max

= 80 [mm]

względne rozchylenie:

k = ±18 [%]

zakres zmienności długości:

H

min

= 50 [mm]

H

max

= 60 [mm]

maksymalny wysięg robota:

R = 2 [m]

maksymalna prędkość obrotowa:

1,5 [rad/s]

maksymalna prędkość liniowa:

Vr

= 1,2 [m/min]

KRYTERIA WYBORU NAJLEPSZEJ KONSTRUKCJI:

K1 - Maksymalna zwartość konstrukcji chwytaka,
K2 - Minimalna masa,
K3 - Minimalna liczba elementów,
K4 - Maksymalna liczba elementów dobranych (katalogowych, znormalizowanych),
K5 - Prostota montażu,
K6 - Prostota montażu chwytaków w kiści robota,
K7 - Zapewnienie prostoliniowości ruchu końcówek chwytnych,
K8 - Stabilna charakterystyka statyczna przemieszczeniowa i siłowa,
K9 - Stałość lub wzrost siły przy wzroście średnicy przemieszczanego obiektu,

ZADANIA DO WYKONANIA:

3

1. Przeprowadzić analizę literaturową oraz internetową

http://www.gemotec.com/
http://www.gimatic.com/
http://www.norgren.com/
http://www.schunk.com/home.html

2. Opracować pole możliwych rozwiązań chwytaków o ruchu kleszczowym

oraz imadłowym

3. Przeprowadzić optymalizację metodą punktową w zakresie:

⇒

układu napędowego

⇒

układu przeniesienia napędu

⇒

układu końcówek chwytnych

4.

Uszczegółowić wybrane rozwiązanie konstrukcyjne

5. Zunifikować cechy charakterystyczne chwytaka
6. Opracować wzorcową konstrukcje chwytaka z wyszczególnieniem

typowych postaci konstrukcyjnych elementów oraz układów wymiarów

7. Opracować graf relacji sprzężeń chwytaka
8. Przedstawić charakterystykę siłową i przemieszczeniową wzorcowej

konstrukcji chwytaka

9. Opracować algorytm a następnie program doboru ilościowych cech

konstrukcyjnych dla typowej postaci konstrukcyjnej, z zastosowaniem
operatorów: geometrycznych, wytrzymałościowych, elementów
dobieranych, procesu wytwórczego, podobieństwa konstrukcyjnego,
wymiarów sprzężonych

10.Wyszczególnić konstrukcje elementów i utworzyć ich rysunki katalogowe
11.Utworzy założenia wybranego chwytaka
12.Przeprowadzić symulacje działania chwytaka

2. POLE ROZWIĄZAŃ KONSTRUKCYJNYCH

4

Wersja I :

Wersja II :

Wersja III :

Wersja IV :

5

3. KRYTERIALNY WYBÓR ROZWIĄZANIA KONSTRUKCYJNEGO

K1 - Maksymalna zwartość konstrukcji chwytaka,
K2 - Minimalna masa,
K3 - Minimalna liczba elementów,
K4 - Maksymalna liczba elementów dobranych (katalogowych, znormalizowanych),
K5 - Prostota montażu,
K6 - Prostota montażu chwytaków w kiści robota,
K7 - Zapewnienie prostoliniowości ruchu końcówek chwytnych,
K8 - Stabilna charakterystyka statyczna przemieszczeniowa i siłowa
K9 - Stałość lub wzrost siły przy wzroście średnicy przemieszczanego obiekt

K1

K2

K3

K4

K5

K6

K7

K8

K9

∑

R1

R2

R3

R4

RI

K1

0,5

1

1

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

5

2

2

2

2

3

K2

0,5

0,5

0,5

0

0

0,5

0,5

0

2,5

3

2

1

2

3

K3

0

0,5

0,5

0

0

0

0,5

0,5

2

2

2

2

2

3

K4

0

0,5

0,5

0

0

0

0,5

0,5

2

2

1

2

2

3

K5

0,5

1

1

1

0

0

0,5

0

4

3

2

2

2

3

K6

0,5

1

1

1

1

0

0,5

0

5

3

3

2

2

3

K7

0,5

0,5

1

1

1

1

0,5

0,5

6

2

2

2

2

3

K8

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

0,5

4

3

2

2

2

3

K9

0,5

1

0,5

0,5

1

1

0,5

0,5

5,5

2

2

2

2

3

Z

87,5

75

69,5

72

108

%

81,02

69,44

64,35

66,67

100

6

Z analizy kryterialnej wynika, że najlepszym rozwiązaniem dla naszych kryteriów jest

koncepcja nr 1. Koncepcja ta uzyskała 81,02% koncepcji idealnej.

7

4. UNIFIKACJA CECH

CHARAKTERYSTYCZNYCH CHWYTAKA.

Unifikacja to ograniczenie i porządkowanie wartości cech charakterystycznych.

Jej wynikiem są zunifikowane wartości cech charakterystycznych.

Cechy charakterystyczne chwytaka to:

sposób zamocowania: przyjmuję, że chwytak będzie zamocowany do ramienia robota
poprzez kołnierz i śruby.
sposób zasilania: przyjmuję, że chwytak będzie napędzany przez siłownik
pneumatyczny dwustronnego działania.
sposób realizacji ruchów końcówek chwytnych: siłownik przez przeguby i sworznie
przekazuje siłę do końcówek chwytnych.
siła chwytu
rozstaw minimalny i maksymalny końcówek chwytnych
ciśnienie zasilania ( p=6 bar = 0,6 MPa)

8

d

2

*

Π * H

4

5. OBLICZENIE SIŁY CHWYTU

PRZEDMIOTU.

MASA OBIEKTU MANIPULOWANEGO:

Objętość obiektu:

V =

d

min

= 60

[mm]

d

max

= 80

[mm]

H

min

= 50

[mm]

H

max

= 60

[mm]

V

min

=Π * 6

2

* 5 / 4 = 141,28 [cm

3

]

V

min

=Π * 8

2

* 6 / 4 = 301,41 [cm

3

]

m = ρ * V
ρ = 7,8

[g/cm

3

] – dla stali

m

min

= 1,102 [kg]

m

max

= 2,351 [kg]

Maksymalna masa obiektu wynosi: m

max

= 2,351 [kg]

Minimalna masa obiektu wynosi:

m

min

= 1,102 [kg]

9

SIŁA CHWYTU:

1. RUCH PIONOWY

]

[

25

,

76

5

,

1

865

,

50

5

,

1

]

[

834

,

50

5

,

0

351

,

2

066

,

23

]

[

351

,

2

351

,

2

1

]

[

066

,

23

351

,

2

81

,

9

5

,

0

max

max

N

n

N

F

n

N

F

Q

N

F

Q

N

N

T

N

m

a

F

N

m

g

Q

pion

ch

b

b

b

=

⋅

=

⋅

>

=

=

+

=

+

≥

+

≥

⋅

⋅

=

=

⋅

=

⋅

=

=

⋅

=

⋅

=

=

−

µ

µ

µ

µ

2. RUCH OBROTOWY

F

ch

> max(F

ch1

, F

ch2

) = 76,456 [N]

T

a

G
F

b

G

F

ods

F

b

F

w

[ ]

[ ]

[ ]

N

F

n

F

N

F

F

Q

F

N

R

m

F

N

R

m

ma

F

w

obr

ch

odś

b

w

odś

b

494

,

78

]

[

485

,

25

581

,

10

351

,

2

2

2

2

2

=

⋅

>

=

+

+

=

=

=

=

=

=

−

µ

ω

ε

F

od –

siła odśrodkowa

F

ch-obr

– siła chwytu dla ruchu

obrotowego

10

6. DOBRANIE PRYZMY.

W celu uszczegółowienie konstrukcji chwytaka należy dobrać wymiary pryzmy

trzymającej dla zmienności średnic. Pozwoli to na obliczenie rozsuwa ramion jak i ich

długości.

Chwytak jest przeznaczony do chwytu przedmiotów (wałka)o zmienności średnic od

60 do 80[mm]. Głównym parametrem pryzmy chwytnej jest jej kąt rozwarcia, im kąt jest

większy tym pryzma może uchwycić większy zakres średnic.

W projekcie przyjęto kąt rozwarcia pryzmy β=120º

d

min

=60[mm]

Luz miedzy szczękami przyjęliśmy l

min

=35[mm]

Przyjmujemy wymiar C=5[mm]

Pozostałe wymiary:

]

[

641

,

34

)

2

sin(

2

min

mm

d

A

=

⋅

=

β

przyjmuję wymiar A=35[mm]

Uwzględniając luz minimalny obliczam wymiar B z zależności:

141

,

17

2

min

=

−

=

l

A

B

β

11

Długość D wyznaczam z zależności:

]

[

378

,

59

30

2

2

)

2

180

(

mm

tg

B

D

D

B

tg

=

°

⋅

=

= >

=

−

°

β

przyjmuję wymiar D=60[mm]

Wysokość pryzmy wyznaczam z zależności:

]

[

141

,

22

mm

B

C

H

=

+

=

H=22[mm]

Obliczam długość końcówki chwytnej (od cięgna do końca pryzmy), która jest

2

1

długości całego ramienia.

]

[

689

,

109

2

max

mm

d

D

R

A

=

+

=

Obliczam długość całego ramienia:

]

[

378

,

219

2

1

61,8

R

C

mm

=

÷

=

Przyjmuję wobec tego długość ramienia 220 [mm]

12

7.

WYZNACZENIE CHARAKTERYSTYK-
DOBÓR SIŁOWNIKA.

x

max

=d

max

+2H

x

min

=d

min

+2H

czyli:

x

min

=60+2*22=104.282 [mm]

x

max

=80+2*22=124.282 [mm]

Przełożenie siłowe Fch/Fs chwytaka wynosi:

∑

=

⋅

⋅

−

0

)

(

2

2

:

2

1

l

ctg

Fs

l

F

MiA

ch

α

2

1

2

F

F

S

CH

α

α

ctg

l

ctg

l

=

⋅

=

l

1

=220 [mm]

l

2

=1/2 * l

1

=110 [mm]

l

3

=70 [mm]

A

13

Maksymalne wysunięcie siłownika:

]

[

208

,

8

mm

y

=

∆

więc:

Przyjmujemy skok siłownika równy 10 [mm].

Wyliczamy wartość kąta α

]

[

284

,

35

)

816

,

0

arccos(

816

,

0

3

2

2

cos

max

min

max

min

max

°

=

=

=





















−

+

=

α

α

l

x

x

x

]

[

411

,

27

)

968

,

0

arccos(

888

,

0

60

1

,

58

3

2

cos

min

max

min

°

=

=

=

=

=

α

α

l

x

2

max

2

3

2

min

max

min

2

3

max

min

2

2

2













−

−





















−

+

−

=

∆

−

=

∆

x

l

x

x

x

l

y

y

y

y

x

min,max

– max. i min. rozwarcie szczęk

y

min,max

–wysunięcie siłownika przy max. i

min. rozwarciu szczęk

14

Największe przełożenie siłowe chwytaka wynosi:

964

,

0

5

3

F

F

min

S

CH

=

=

α

ctg

Wymagane F

s

=79,298 [N]

Najmniejsze przełożenie siłowe chwytaka wynosi:

707

.

0

5

3

F

F

max

S

CH

=

=

α

ctg

Wymagane F

s

=108,203 [N]

Wymagana siła siłownika to minimum 108,203 [N].

15

CHARAKTERYSTYKA PRZEŁOŻENIE-PRZEMIESZCZENIE

105

110

115

120

125

0.7

0.8

0.9

1

PRZEMIESZCZENIE

PR

Z

E

£ O ¯ E

N

IE

P

x

CHARAKTERYSTYKA WYSUW-PRZEMIESZCZENIE

105

110

115

120

125

2

4

6

8

10

ROZSTAW SZCZÊK

W

Y

SU

W

S

I

£ O

W

N

IK

A

y

x

16

Dobrano siłownik ADVU-20-10-PA

firmy Festo o parametrach:

 Skok

10 mm

 Średnica tłoka

20 mm

 Gwintu na tłoczysku

M10 zew., M5 wew.

 Ciśnienie robocze

1 - 10 bar

 Siła wypychająca (6bar)

188 N

 Siła ciągnąca (6 bar)

141 N

17

8. OBLICZENIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE.

DOBÓR PRZEKROJU RAMIENIA:

F

ch

=76,456 N

a=0,11 m

b=0,08 m

c=0,03 m

Σ

M

A

=

-R

By

·a-F

ch

·(a+b)=0

⇒

R

By

= -132,06 N

Σ

F

y

=

-R

A

-R

By

-F

ch

=0

⇒

R

A

= 55,604 N

Mg

1

=R

A

·x

1

x

1

=0

⇒

Mg

1

= 0 Nm

x

1

=a=0,11 m

⇒

Mg

1

= 6,116 Nm

Mg

2

=R

A

·(x

2

+a)+R

By

(x

2

)

x

2

=0

⇒

Mg

2

= 6,116 Nm

x

2

=b=0,08 m

⇒

Mg

2

= 21,13 Nm

Mg

3

=R

A

·(x

3

+a+b)+R

By

(x

3

+b)+0,5F

ch

(x

3

)

x

3

=0

⇒

Mg

3

= 21,13 Nm

x

3

=c=0,03 m

⇒

Mg

3

= 27,907 Nm

M

gmax

= 27,907 Nm

Dobrano minimalny przekrój d = 10 mm.

A

a

R

Bx

R

A

B

R

By

F

ch

b

c

d

d

m

d

MPa

d

w

w

M

dop

z

dop

z

g

0085

,

0

20

6

3

max

≥

=

=

≤

δ

δ

18

OBLICZENIE POŁĄCZENIA SWORZNIOWEGO:

Ponieważ sworzeń jest pasowany oblicza się go z warunku na ścinanie. Sworzeń

wykonany jest ze stali, dla której:

Największą siłą powodującą ścinanie sworznia jest siła dla α=35,284˚, najbardziej

obciążony jest sworzeń łączący ramię (w 1/2 długości) z cięgnem.

]

[

3

,

66

cos

5

,

0

N

F

F

s

=

=

α

Z warunków wytrzymałościowych otrzymujemy minimalna średnicę sworznia

d

≥

2,02 [ mm ]

Przyjmuję sworzeń o średnicy 5 [mm] wg.

PN-63/M-83002

LITERATURA:

-

Leszek A. Dobrzański „Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo”, WNT, Gliwice – W-wa,
2002r.

t

4

t

k

i

4

πd

F

τ

]

[

105

2

210

k

≤

⋅

=

=

=

=

MPa

x

Qt

w

t

k

n

m

i

F

d

⋅

⋅

⋅

⋅

⋅

≥

π

4

m – ilość śrub (sworzni)
n – ilość płaszczyzn cięcia
i – wsp. Pewności = 0,4

19

-

Henryk Głowacki „Poradnik mechaniki technicznej. Wytrzymałość materiałów.”, Wydawnictwa
Szkolne i Pedagogiczne, W-wa, 1987r.

-

Ryszard Zdanowicz „Robotyzacja procesów technologicznych” Skrypt Politechniki Śląskiej nr
60133

-

Adam Morecki, Józef Knapczyk „Podstawy robotyki. Teoria i elementy manipulatorów i robotów”,
WNT, Warszawa 1999r.

-

Gabriel G. Kost „Podstawy budowy robotów” “, Skrypt Politechniki Śląskiej nr 1992

-

Fryderyk Staub „Metaloznawstwo”, Śląsk, 1979r.

-

Jerzy Leyko „Mechanika Techniczna”, WNT, W-wa , 1998r.

-

Jerzy Pikoń „Maszynoznawstwo i technika cieplna – tom 4”, Skrypt Politechniki Śląskiej nr 856

-

Gabriel G. Kost „Układy sterowania robotów przemysłowych“, Skrypt Politechniki Śląskiej nr 681

-

Ryszard Zdanowicz „Podstawy robotyki” Skrypt Politechniki Śląskiej nr 2001

ZAŁĄCZNIKI:

RYSUNEK ZŁOŻENIOWY
RYSUNKI WYKONAWCZE

20