Dane sytuacyjne

Zaprojektować manipulator obsługujący dwie obrabiarki a tworzące , wspólne gniazdo zrobotyzowane. Przedmiotem manipulacji jest walec o średnicy d i wysokości H.

Dane sytuacyjne

1. Obrabiarki mogą być w róźny sposób wzlędem siebie usytuowane

2. Obrabiarka pierwsza posiada uchwyt samocentrujący dolny ma wysokości h1

3. Oobrabiarka druga posiada uchwyt samocentrujący górny na wysokości h2 od poziomu

Kryteria projektowe

1. Minimalna masa manipulatora

2. Minimalna długość ruchu jałowego

3. Prostota działania i wykonania manipulatora

4. Modułowość budowy manipulatora

5. Błąd pozycjonowania od 0,2 do 0,4 m.

6. Maksymalny stopień wykorzystania elementów znormalizowanych i stypizowanych

7. Trwałość układów przegubowych powyżej 20000 godzin

Zadania do wykonania

1.Zaprojektować układ gniazda

2. Przeprowadzić analizę kinematyczną przyszłego manipulatora

3. Opracować pięć różnych koncepcji manipulatora

­4. Dokonać wyboru najlepszego wariantu struktury manipulatora

5. Dobrać cechy konstrukcyjne poszczególnych elementów manipulatora

6. Sporządzić rysunek złożeniowy manipulatora i rysunek wykonawczy (wybrany przez prowadzących)­

Dane ilościowe

H -100 [mm]

d -50 [mm]

h1 - 600 [mm]

h2 -200 [mm]

D -5 [m]

Mch -15 [kg]

1.1Układ gniazda

1.2 Wariant 1

1.3 Wariant 2

1.4 Wariant 3

1.5 Wariant 4

1.6 Wybór najlepszego wariantu manipulatora

Ocena ważności kryteriów

Kryteria oceny	K1	K2	K3	K4	K5
Minimalna masa manipulatora	-	0,5	1,0	0,5	1,0
Prostota wykonania	0,5	-	0,0	0,0	0,5
Maksymalny zasięg	0,0	1,0	-	0,0	1,0
Szybkość	0,5	1,0	1,0	-	1,0
Standardowość zastosowanych elementów	0,0	0,5	0,0	0,0	-

Ocena wariantów

w1	w2	w3	w4	w5	wi
4	2	3	5	4	5
3	3	3	5	3	5
5	5	5	1	5	5
4	4	4	1	5	5
1	1	3	3	5	5
17	15	18	15	22	25

2. Obliczanie strzałki ugięcia robota

Parametry przedmiotu obrabianego:

2.1 Wyznaczanie masy przedmiotu obrabianego

Do wyznaczenia całkowitej strzałki ugięcia zastosowałem metodę superpozycji która polega na wyznaczeniu strzałki ugięcia dla poszczególnych ramion , a całkowita strzałka ugięcia równa jest sumie strzałek poszczególnych ramion.

2.2 Wyznaczanie strzałki ugięcia dla ramienia 1:

Rysunek 1

Wyznaczenie obciążenia na końcu ramienia:

P - suma obciążeń (obciążenie na końcu ramienia)

Pch - obciążenie wywołane masą chwytaka

Pp - obciążenie wywołane masą przedmiotu obrabianego

Ramie 1 o długości 160 [mm] zostało wykonane z kształtownika zamkniętego kwadratowego 0 wymiarach 60/60/3 zgodnego z norma BN-75/0644-22.

Rysunek 2

Parametry zastosowanego kształtownika

Wymiary	Pole przekroju	Masa	Moment bezwładności	Wskaźnik wytrzmałości	Promień bezwładności
a/a/t	A [cm2]	M [kg/m]	Ix = Iy [cm4]	Wx =Wy [cm3]	ix=iy [cm]
60/60/3	6,43	5,05	34,07	11,36	2,30

l=160 [mm]

E=2,06*1011 [Pa]

Obciążenie ciągłe

Wyznaczenie strzałki ugięcia ramienia 1:

2.3 Wyznaczanie strzałki ugięcia dla ramienia 2:

Rysunek 3

Wyznaczenie obciążenia na końcu ramienia:

P - obciążenie na końcu ramienia

P_mr1 - obciążenie wywołane masą ramienia 1

P₁ - obciążenie ramienia 1

Ramie 1 o długości 595 [mm] zostało wykonane z kształtownika zamkniętego kwadratowego o wymiarach 60/60/4 zgodnego z norma BN-79/0656-01.

Parametry zastosowanego kształtownika

Wymiary	Pole przekroju	Masa	Moment bezwładności	Wskaźnik wytrzmałości	Promień bezwładności
a/a/t	A [cm2]	M [kg/m]	Ix = Iy [cm4]	Wx =Wy [cm3]	ix=iy [cm]
60/60/4	8,26	6,48	41,35	13,78	2,24

l=595 [mm]

E=2,06*1011 [Pa]

Obciążenie ciągłe

Wyznaczenie strzałki ugięcia ramienia 2:

2.4 Wyznaczanie strzałki ugięcia dla ramienia 3:

Rysunek 5

Wyznaczenie obciążenia na końcu ramienia:

P - obciążenie na końcu ramienia

P_m12 - obciążenie wywołane suma mas ramienia 1 i 2

Ramie 1 o długości 450,4 [mm] zostało wykonane z kształtownika zamkniętego kwadratowego o wymiarach 110/110/5 zgodnego z norma BN-79/0656-01.

Rysunek 8

Parametry zastosowanego kształtownika

Wymiary	Pole przekroju	Masa	Moment bezwładności	Wskaźnik wytrzmałości	Promień bezwładności
a/a/t	A [cm2]	M [kg/m]	Ix = Iy [cm4]	Wx =Wy [cm3]	ix=iy [cm]
110/110/5	19,94	15,65	356,3	64,78	4,23

l=450,4 [mm]

E=2,06*1011 [Pa]

Obciążenie ciągłe

Wyznaczenie strzałki ugięcia ramienia 3:

Całkowita strzałka ugięcia ramin 1,2,3 wynosi zatem

U=U₁+U₂+U₃

U=0,000001825386072[m]

3.0 Oblczenie momentów

3.1 Ramię 1

Gch -siła pochodząca od chwytaka wraz z przedmiotem obrabianym

Bch -siła bezwładności pochodząca od chwytaka wraz z przedmiotem obrabianym

G1 -siła pochodząca od przekroju 1

B1 -siła bezwładności pochodząca od przekroju 1

Mch -masa chwytaka wraz z przedmiotem obrabianym

Ach -przyspieszenie końca ramienia 1

Mp- masa przekroju 1

Rysunek 9

Gch=177.18 [N]

Bch=mch*ach =18,06*0,2=3,61 [N]

G1=mp*g = 8,76 [N]

B1=mp*a1 = 0,893*1,72=1,35 [N]

M1=(Gch+Bch)0.160+(G1+B1)0.080

M1=29,72 [Nm]

3.2 Ramie 2

Gch -siła pochodząca od chwytaka wraz z przedmiotem obrabianym

Bch -siła bezwładności pochodząca od chwytaka wraz z przedmiotem obrabianym

G1 -siła pochodząca od przekroju 1

B1 -siła bezwładności pochodząca od przekroju 1

Gp1- siła pochodząca od przekroju 1

Bp1- siła bezwładności pochodząca od przekroju 1

G2 -siła pochodząca od przekroju

B2 -siła bezwładności pochodząca od przekroju 2

Gs1-siła pochodząca od silnika 1

Gs2-siła bezwładności pochodząca od silnika 1

Mch -masa chwytaka wraz z przedmiotem obrabianym

Ach -przyspieszenie końca ramienia 1

Mp- masa przekroju 1

Ms- masa silnika 1

Ms=1,3 [kg]

Rysunek 10

Gch=177.18 [N]

Bch=3,61 [N]

G1= 8,76 [N]

B1= 1,35 [N]

Gp1=mp1*g=8,760 [N]

Bp1=ap1*mp1=1,35 [N]

G2=mp2*g=37,7[N]

B2=mp2*a2=2,88[N]

Gs1=ms*g=12,7[N]

Bs1=ms*ap1=1,976[N]

M2=(Gch+Bch)0,755+(G1+B1)0,675+(Gp1+Bp1+Gs1+Bs1)0,595+(G2+B2)0,297

M2=136,49+6,94+14,74+12,07

M2=170,2 [Nm]

3.3 Ramie 3

Gch -siła pochodząca od chwytaka wraz z przedmiotem obrabianym

Bch -siła bezwładności pochodząca od chwytaka wraz z przedmiotem obrabianym

G1 -siła pochodząca od przekroju 1

B1 -siła bezwładności pochodząca od przekroju 1

Gp1- siła pochodząca od przekroju 1

Bp1- siła bezwładności pochodząca od przekroju 1

G2 -siła pochodząca od przekroju

B2 -siła bezwładności pochodząca od przekroju 2

Gs1-siła pochodząca od silnika 1

Bs1-siła bezwładności pochodząca od silnika 1

Gp2- siła pochodząca od przekroju 2

Bp2- siła bezwładności pochodząca od przekroju 2

Mch -masa chwytaka wraz z przedmiotem obrabianym

Ach -przyspieszenie końca ramienia 1

Mp- masa przekroju 1

Ms- masa silnika 1

Rysunek 11

Gch=177.18 [N]

Bch=3,61 [N]

G1= 8,76 [N]

B1= 1,35 [N]

Gp1=mp1*g=8,760 [N]

Bp1=ap1*mp1=1,35 [N]

G2=mp2*g=37,7[N]

B2=mp2*a2=2,88[N]

Gs1=ms*g=12,7[N]

Bs1=ms*ap1=1,976[N]

Gp2=mp2*g=3,8*9,81=37,8[N]

Bp2=ap2*mp2=0,728*3,8=2,76[N]

G3=mp3*g=7*9,81=68,67[N]

B3=mp3*a3=7*0,4293=3[N]

M3=(Gch+Bch)1,109+(G1+B1)1,53+(Gp1+Bp1+Gs1+Bs1)1,049+(G2+B2)0,751+(Gp2+Bp2)0,454+(G3+B3)0,227

M3=200,4+15,4+25,9+30,47

M3=306 [Nm]

4.0 Dobór silnika

4.1 Dobór pierwszego silnika

W przypadku tym zastosowano komutatorowy silnik prądu stałego 48/25I wraz z przekładnią planetarna P52H

Specyfikacja:

• Przekładnia planetarna

• Stalowe koła zębate i oś wyjściowa

• Smarowanie dla przedłużenia żywotności

• Oś wyjściowa łożyskowana

• Obudowa stalowa

• Płaszczyzny zewnętrzne zrobione z aluminium

• Klasa ochrony IP54

 

Silnik wraz z przekładnią:
Liczba stopni przekładni		1	2	3
Maksymalny ciągły moment obrotowy	Nm	6	20	30
Maksymalny moment obrotowy (krótki moment)	Nm	15	30	40
Zalecana prędkość silnika	1/min	<3000	<3000	<3000
Dopuszczalne obciążenie osiowe	N	140	140	140
Dopuszczalne obciążenie promieniowe	N	310	310	310
Dopuszczalne obciążenie na oś	N	800	800	800
Maksymalny luz bez obciążenia przy przełozeniu 3	°	0,7 (0,25)	1,0 (0,5)	1,4 (0,67)
Temperatura pracy	°C	-15..+80	-15..+80	-15..+80
Masa	Kg	0.6	0.9	1,3
Długość	Mm	46,5	64	87
Silnik:	jedn	min	typ	max
Napięcie zasilające	V	6		42
Zakres obrotów	obr /min	1500		10000
Ciągły moment obrotowy	Ncm	5		8
Bezwładność	gcm^2		165
Mechaniczna stałą czasowa	ms		19
Żywotność przy normalnych warunkach pracy	h		3000
Dopuszczalne obciążenie osiowe na oś	N		40
Dopuszczalne obciążenie kątowe na oś	N		100

4.2 Dobór silnika drugiego oraz przekładni.

Dla ramiona drugiego dobrano silnik o mocy Mn = 20 [Nm] o oznaczeniu E42 HMFx-LNK-NS-00 .

Mn = 20 [Nm]

Mo = 170,2 [Nm] moment potrzebny do wprawienia w ruch ramienia drugiego.

r_n - promień napędzającego koła pasowego.

r_o - promień napędzanego koła pasowego.

F_n - siła uzyskana na kole pasowym napędzającym.

F_o - siła uzyskana na kole pasowym napędzanym.

r₁ - promień napędzającego koła zębatego.

r₂ - promień napędzanego koła zębatego.

F₁ - siła uzyskana na kole zębatym napędzającym.

F₂ - siła uzyskana na kole zębatym napędzanym.

M - moment przenoszony przez koła zębate

Przyjmujemy r₁ =0.015 [m]

F₁ = Mn / r₁ = 20/ 0.015 = 1333,3 [N]

F₁ = F₂ =1333,3 [N]

Przyjmujemy r₂ =0.11 [m]

M = F₂ * r₂ = 1333,3 * 0.11 = 146,6 [Nm]

Przyjmujemy r_n =0.05 [m]

F_n = M / r_n = 146,6 / 0.05 = 2933,3 [N]

F_n = F_o =2933,3 [N]

Mo = F_o * r_o

r_o = Mo / F_o =170 / 2933,3 = 0,057 [m]

r_o = 0,057 [m]

4.3 Dobór silnika trzeciego oraz przekładni.

Dla ramiona trzeciego dobrano silnik o mocy Mn = 28 [Nm] o oznaczeniu E43 HMFx-LNK-NS-00 .

Mn = 28 [Nm]

Mo = 307 [Nm] moment potrzebny do wprawienia w ruch ramienia trzeciego.

r_n - promień napędzającego koła pasowego.

r_o - promień napędzanego koła pasowego.

F_n - siła uzyskana na kole pasowym napędzającym.

F_o - siła uzyskana na kole pasowym napędzanym.

r₁ - promień napędzającego koła zębatego.

r₂ - promień napędzanego koła zębatego.

F₁ - siła uzyskana na kole zębatym napędzającym.

F₂ - siła uzyskana na kole zębatym napędzanym.

M - moment przenoszony przez koła zębate

Przyjmujemy r₁ =0.020 [m]

F₁ = Mn / r₁ = 28/ 0.020 = 1400 [N]

F₁ = F₂ = 1400 [N]

Przyjmujemy r₂ =0.10 [m]

M = F₂ * r₂ = 1400 * 0.10 = 140 [Nm]

Przyjmujemy r_n =0.025 [m]

F_n = M / r_n = 140 / 0.025 = 5600 [N]

F_n = F_o = 5600[N]

Mo = F_o * r_o

r_o = Mo / F_o = 307 / 5600 = 0,054 [m]

r_o = 0.054 [m]

Obliczenie połączenia śrubowego płyty fundamentowej manipulatora za pomocą metody naciskowej.

Rx=O₁+O₂=19,6N

Ry=-B₁-B₂=-4,9N

Rz=-370,3N

Mx=2,95Nm

My=59,4Nm

Mz=-3,57Nm

Powierzchnia styku blach z podłożem

Fst=0,1156m²

Nacisk od sił ciężkości

δ_N=Rz/Fst=3203Pa

Nacisk wywołany działaniem momentów gnących Mx, My

δ_gx=Mgx/Wx=450Pa

δ_gy=Mgy/Wy=9068Pa

Liczba bezpieczeństwa k=1.5

Liczba śrub z=4

Obliczenia rdzenia śruby

Granica plastyczności dla śruby

Re=180Mpa , dla śrub klasy 3.6 wg. PN/M-85061

Współczynnik bezpieczeństwa x=2

kr=Re/x=90Mpa

Przyjmujemy śruby M10, gdyż jest to najmniejsza śruba fundamentowa.

Weryfikacja spoiny pachwinowej łączącej korpus manipulatora z płytą podłogową.

Moment bezwładności dla przekroju kwadratowego względem osi głównej x

Ix=3,25*10^-6m⁴

Iy=Ix

Biegunowy moment bezwładności

I₀=Ix+Iy=6,5*10^-6m⁴

Wskaźniki wytrzymałości na zginanie

Wx=5*10^-5m³

Wy=Wx

W₀=0,359*10^-4m³

Obliczenia naprężeń wywołanych przez siły i momenty.

Współczynnik wytrzymałości spoiny s=0,8

Wytrzymałość obliczeniowa R=215MPa

Px=1,5*10^-3m²

Py=Px

P=3*10^-3m²

Weryfikacja najbardziej obciążonego punktu spoiny.

Zgodnie z PN/B-03200

Na podstawie powyższej weryfikacji można stwierdzić, że połączenie spawane w postaci spoiny pachwinowej wokół podstawy korpusu robota wytrzyma obciążenie robocze.

Rysunek 4

Rysunek 7

Rysunek 7

---