Politechnika Śląska w Gliwicach

PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN

Projekt typoszeregu chwytaków

Radosław Ociepka

Grupa 2

Semestr: IV

Kierunek: Automatyka i Robotyka

Wydział: Mechaniczny Technologiczny

spis treści:

1. założenia i dane do projektu…………………………………………...3

• opis istoty działania

• dane sytuacyjne

• kryteria

• zadania do wykonania

2. rozwiązaznia konstrukcyjne……………………………………………………….…….......5

• chwytaki o ruchu imadłowym

• chwytaki o ruchu kleszczowym

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

• STRZAŁKA UGIĘCIA PALCA CHWYTNEGO

• OBLICZENIE POŁĄCZENIA SWORZNIOWEGO

9. literatura……………………………………..………………………………..19

10. załączniki……………………………………………………………………….20

1. Założenia projektowo - konstrukcyjne

Należało 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 = 35 [mm]

d_max = 90 [mm]

• względne rozchylenie: k = ±10 [%]

• zakres zmienności długości: H_min = 100 [mm]

H_max = 220 [mm]

• ciśnienie zasilające: p_z = 6 [bar]

• maksymalny wysięg robota: R = 1 [m]

• maksymalna prędkość obrotowa:   2 [rad/s]

• maksymalna prędkość liniowa: _Vr = 4 [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,

K10 - Czas chwytania,

K11 - Możliwość pracy w środowisku wodnym,

K12 - Duża dokładność pozycjonowania,

zadania do wykonania:

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 przemieszczenia

• układu przemieszczenia końcówek chwytnych

Uszczegółowić wybrane rozwiązanie konstrukcyjne

Zunifikować cechy charakterystyczne chwytaka

Opracować wzorcową konstrukcje chwytaka z wyszczególnieniem typowych postaci konstrukcyjnych elementów oraz układów wymiarów

Opracować graf relacji sprzężeń chwytaka

Przedstawić charakterystykę siłową i przemieszczeniową wzorcowej konstrukcji chwytaka

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

Wyszczególnić konstrukcje elementów i utworzyć ich rysunki katalogowe

Utworzy założenia wybranego chwytaka

Przeprowadzić symulacje działania chwytaka

2. POLE RozwiązaŃ KONSTRUKCYJNYCH

• Chwytaków o ruchu kleszczowym:

Wersja I :

Wersja II :

Wersja III :

Wersja IV :

• Chwytaków o ruchu imadłowym:

Wersja I :

Wersja II :

Wersja III :

Wersja IV :

3. KRYTERIALNY Wybór rozwiązania konstrukcyjnego

X	K1	K2	K3	K4	K5	K6	K7	K8	K9	K10	K11	K12	ၓki	W1	W2	W3	W4	W5	W6	W7	W8	Wideal
K1	-	0,5	0	0	0	0,5	0	0	1	0	0,5	0	2,5	3	4	2	3	5	4	5	5	5
K2	0,5	-	0	0	0	0,5	1	0,5	1	0	0,5	0,5	4,5	4	5	3	3	2	2	3	3	5
K3	1	1	-	1	0,5	1	1	1	1	1	1	0,5	10	3	5	4	2	3	4	4	4	5
K4	1	1	0	-	0,5	1	0,5	1	1	0	1	0	7	4	4	3	3	4	4	4	4	5
K5	1	1	0,5	0,5	-	1	0,5	0,5	1	0,5	0	0,5	7	5	5	3	2	3	3	4	3	5
K6	0,5	0,5	0	0	0	-	0,5	0	0,5	0	0	0	2	4	5	4	3	4	3	3	4	5
K7	1	0	0	0,5	0,5	0,5	-	0,5	1	0	0,5	0	4,5	3	3	3	3	4	4	4	4	5
K8	1	0,5	0	0	0,5	1	0,5	-	1	0,5	1	0	6	3	5	4	3	4	5	5	4	5
K9	0	0	0	0	0	0,5	0	0	-	0	0,5	0	1	2	4	3	2	3	4	4	3	5
K10	1	1	0	1	0,5	1	1	0,5	1	-	1	0,5	8,5	3	5	4	4	5	5	5	5	5
K11	0,5	0,5	0	0	1	1	0,5	0	0,5	0	-	0	4	4	5	4	3	2	3	3	2	5
K12	1	0,5	0,5	1	0,5	1	1	1	1	0,5	1	-	9	3	4	4	5	3	4	5	4	5
ၓKi*Wi	228,5	301,5	235	206,5	231	256,5	279,5	254,5	330
ၓKi*Wi %	69%	91%	71%	63%	70%	78%	85%	77%	100%

K1 - maksymalna zwartość konstrukcji chwytaka

K2 - minimalna masa

K3 - minimalna liczba elementów

K4 - maksymalna liczba elementów katalogowych lub znormalizowanych

K5 - prostota montażu

K6 - prostota montażu chwytaka w kiści manipulatora

K7 - zapewnienie prostoliniowości ruchu końcówek chwytnych

K8 - stabilną charakterystykę statyczną, przemieszczeniową i siłową

K9 - stałość lub wzrost siły przy wzroście średnicy przemieszczanego obiektu

K10 - cena chwytaka

K11 - możliwość pracy w środowisku toksycznym

K12 - niezawodność pracy w robotogodzinach

Z analizy kryterialnej wynika, że najlepszym rozwiązaniem dla naszych kryteriów jest koncepcja nr 2. Koncepcja ta uzyskała 91% koncepcji idealnej.

1. 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: F_ch =273N.

• rozstaw minimalny i maksymalny końcówek chwytnych:

R_min =90 mm,

R_max =242 mm.

• ciśnienie zasilania ( p=6 bar = 0,6 MPa)

4. obliczenie siły chwytu przedmiotu.

masa obiektu MANIPULOWANEGO:

Objętość obiektu:

V =

d_min = 35 [mm]

d_max = 90 [mm]

H_min = 100 [mm]

H_max = 220 [mm]

V_min =Π * (3,5)² * 10 / 4 = 96, 162 [cm³]

V_min =Π * 9² * 22 / 4 = 1 400 [cm³]

m = ρ * V

ρ = 7,8 [g/cm³] - dla stali

m_min = 0,750 [kg]

m_max = 10,920 [kg]

Maksymalna masa obiektu wynosi: m_max = 10,920 [kg]

Minimalna masa obiektu wynosi: m_min = 0,750 [kg]

SIŁA CHWYTU:

1. Ruch pionowy

2. Ruch obrotowy

F_ch > max(F_ch1, F_ch2) = 273 [N]

4. 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 35 do 90[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=35[mm]

Luz miedzy szczękami przyjęliśmy l_min=2[mm]

Przyjmujemy wymiar C=6[mm]

Pozostałe wymiary:

przyjmuję wymiar A=20,2[mm]

Uwzględniając luz minimalny obliczam wymiar B z zależności:

;

Długość D wyznaczam z zależności:

przyjmuję wymiar D=32[mm]

Wysokość pryzmy wyznaczam z zależności:

L=26,2[mm]

Obliczam długość końcówki chwytnej (od cięgna do końca pryzmy), która jest
długości całego ramienia.

Obliczam długość całego ramienia:

Przyjmuję wobec tego długość ramienia 160 [mm]

5. wyznaczenie charakterystyk-dobór siłownika.

x_max=d_max+L

x_min=d_min+L

czyli:

x_min=35+26,2=61,2 [mm]

x_max=90+26,2=116,2 [mm]

Przełożenie siłowe siłowe Fch/Fs chwytaka wynosi:

Maksymalne wysunięcie siłownika:

więc:

Przyjmujemy skok siłownika równy 10 [mm].

Wyliczamy wartość kąta 

Największe przełożenie siłowe chwytaka wynosi:

Wymagane F_s=118,2 [N]

Najmniejsze przełożenie siłowe chwytaka wynosi:

Wymagane F_s=766,9 [N]

Wymagana siła siłownika to minimum 767 [N].

Charakterystyka przełożenie-przemieszczenie

Charakterystyka wysów-przemieszczenie

Maksymalna siła siłownika:

Dobrano siłownik DNG-32-10-PPV-A firmy Festo o parametrach:

• Skok 10 mm

• Średnica tłoka 32 mm

• Gwintu na tłoczysku M10

• Ciśnienie robocze 0,6 - 10 bar

• Siła ciągnąca 832 N

4. obliczenia wytrzymałościowe.

Dobór przekroju ramienia:

F_ch=273 N a=0,96 m b=0,48 m c=0,16 m

ΣM_A = -R_By·a-F_ch·(a+b)=0 ⇒ R_By= -409,5 N

ΣF_y = -R_A-R_By-F_ch=0 ⇒ R_A = 682,5 N

Mg₁=R_A·x₁

x₁=0 ⇒ Mg₁= 0 Nm

x₁=a=0,96 m ⇒ Mg₁= 655,52 Nm

Mg₂=R_A·(x₂+a)+R_By(x₂)

x₂=0 ⇒ Mg₂= 655,52 Nm

x₂=b=0,48 m ⇒ Mg₂= 786,2 Nm

Mg₃=R_A·(x₃+a+b)+R_By(x₃+b)+0,5F_ch(x₃)

x₃=0 ⇒ Mg₃= 786,2 Nm

x₃=c=0,16 m ⇒ Mg₃= 866,25 Nm

M_gmax= 866,25 Nm

Dobrano minimalny przekrój d = 10 mm.

STRZAŁKA UGIĘCIA PALCA CHWYTNEGO:

Całkowita strzałka ugięcia ramienia chwytaka jest sumą strzałki ugięcia 2 ramion o długości l czyli f_c=2∙f.

Ramię wykonane jest z pręta płaskiego(wg. PN-72/H-93202) o wymiarach przekroju 15[mm]x8[mm], długości l =160 [mm], ze stali konstrukcyjnej st4 o module Younga E = 2.1⋅10¹¹ [N / m²] oraz granicy plastyczności R_e=250[MPa]

Moment bezwładności oraz wskaźnik wytrzymałości wynosi:

Strzałka ugięcia ramienia wynosi:

Obliczenie połączenia sworzniowego:

Ponieważ sworzeń jest pasowany oblicza się go z warunku na ścinanie. Sworzeń wykonany jest ze stali 45, dla której:

Największą siłą powodującą ścinanie sworznia jest siła dla =59˚33', najbardziej obciążony jest sworzeń łączący ramię (w 3/5 długości) z cięgnem.

Z warunków wytrzymałościowych otrzymujemy minimalna średnicę sworznia

d ≥ 3,81 [ mm ]

Przyjmuję sworzeń o średnicy 8 [mm] i długości 32 [mm] wg. PN-63/M-83002

ZAŁĄCZNIKI:

RYSUNEK ZŁOŻENIOWY

RYSUNKI WYKONAWCZE

9

x_min,max - max. i min. rozwarcie szczęk

y_min,max -wysunięcie siłownika przy max. i min. rozwarciu szczęk

F_w

F_b

F_ods

G

F_b

G

a

T

Fod - siła odśrodkowa

Fch-obr - siła chwytu dla ruchu obrotowego

β

d² * Π * H

4

A

l₁=160 [mm]

l₂=3/5 * l₁=96 [mm]

l₃=60 [mm]

A

a

R_Bx

R_A

B

R_By

F_ch

b

c

d

d

m - ilość śrub (sworzni)

n - ilość płaszczyzn cięcia

i - wsp. Pewności = 0,4

---