1

AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA

im. Stanisława Staszica w Krakowie

Elementy wykonawcze robotów

Projekt techniczny chwytaka 10

Dawid Maślankiewicz

Grupa D24B IMIR

2

1.

Założenia do projektu

Średnica : 80mm
Wysokość : 40mm
Materiał : stal
Gęstość : 7,8 g/cm3
Objętość : 201,062 cm3
Ciężar : 1,568 kg
Ciężar właściwy : 78500 N/m3

1.1 Obliczenie ruchliwości chwytaka

5

4

5

3

2

2

3 9 2 13 0

27 26 1

: (1, 0)(2,1)(2 ',1)(3, 2)(3', 2 ')(4,3)(4 ',3')(5, 4)

(5', 4 ')(3, 0)(3', 0)(5, 0)(5', 0)

w

n

p

p

p







     





3

Ruchliwość wyszła 1, co oznacza że do napędu chwytaka wystarczy zastosować
jeden siłownik.

2.

Analiza zadania projektowego

Przyjęcie podstawowych wymiarów elementów
chwytaka, wyznaczenie skoku siłownika oraz zakresu
rozwarcia szczęk.
Ustalenie listy wymagań oraz przyjęcie modelu
obliczeniowego chwytaka

Rys. Schemat kinematyczny chwytaka

4

Rys. Reprezentacja rysunkowa skrajnych położeń chwytaka

x



- 40mm, wartość skoku suwaka została przyjęta zgodnie ze skokiem

typowych siłowników.

max

min

100

40

d

mm

d

mm





Maksymalny ciężar obiektu transportowanego obliczono ze wzoru:

2

max

max

max

4

d

Q

l







max

[ ]

l

m

- max długość chwytanego przedmiotu

3

[

/

]

N m



- ciężar właściwy materiału transportowanego

2

max

3,14 0,1

0, 05 78500

30,81125

4

Q











Wyznaczenie maksymalnej koniecznej siły chwytu

max

ch

F

i minimalnego

wymiaru szczęki :

Dane :

5

max

max

100

31

0, 2

2

2

134

o

d

mm

Q

N

n















a)

b)

Układ sił działających na chwytak:

a) rozkład sił tarcia podczas chwytania obiektu
b) rozkład sił normalnych podczas chwytania obiektu

Wyznaczenie siły uchwytu :

2

cos(90

)

2 cos(90

)

2sin

2sin

o

ch

ch

ch

o

ch

F

N

F

F

N

F

T

N





























6

Dla prawidłowego uchwycenia transportowanego elementu musi być spełniony
warunek:

2

4

sin

ch

F

T

Q n









 

stąd siła uchwytu

sin

15, 68 2 sin(67)

73

2

2 0, 2

ch

Q n

F

N







 









oraz

max

max

sin

31 2 sin(67)

143

2

2 0, 2

ch

Q

n

F

N







 









Wyznaczenie minimalnego wymiaru szczęki :

min

min

max

min_ max

min

2

80

17

2

2

(67)

100

22

2

2

d

tg

e

d

e

mm

tg

tg

d

e

mm

tg

tg

e

e





























Dobór siłownika

Siłownik dobrany ze strony FESTO - ADVU-32-40-A-P-A #156622

Skok

40 mm

Średnica tłoka

32 mm

Amortyzacja

P: Elastyczne pierścienie amortyzujące / płytki z obu stron

Pozycja zabudowy

Dowolna

Tryb pracy

Dwustronnego działania

Zakończenie tłoczyska

Gwint zewnętrzny

Konstrukcja

Tłok
Tłoczysko

Sygnalizacja położenia

Do czujników

Warianty

Jednostronne tłoczysko

Ciśnienie robocze

0.8 ... 10 bar

Medium robocze

Sprężone powietrze wg ISO8573-1:2010 [7:4:4]

Uwagi odnośnie medium roboczego

Możliwa praca na powietrzu olejonym (po rozpoczęciu olejenia jest ono

7

wymagane przy dalszej pracy)

Klasa odporności na korozję KBK

2

Temperatura otoczenia

-20 ... 80 °C

Maks. energia uderzenia w położeniu
końcowym

0.4 J

Siła teoretyczna przy 6 bar, skok
powrotny

415 N

Siła teoretyczna przy 6 bar, wysuw

483 N

Przemieszczana masa przy 0 mm
skoku

49 g

Ciężar dodatkowy na 10 mm skoku

40 g

Ciężar podstawowy dla 0 mm skoku

300 g

Dodatkowy współczynnik masy na 10
mm skoku

9 g

Sposób montażu

Do wyboru:
Z otworem przelotowym
Z osprzętem

Przyłącza pneumatyczne

G1/8

Materiał śrub

Stal ocynkowana

Materiał pokrywy

Stop aluminium

Materiał uszczelnień

TPE-U(PU)
NBR

Materiał tłoczyska

Stal wysokostopowa, nierdzewna

Materiał rury siłownika

Stop aluminium

3.

Wyznaczenie charakterystyki przesunięciowej
chwytaka

Zgodnie z siłownikiem wybranym powyżej skok tłoczyska wynosi 40mm

8

Symulacja komputerowa przesunięcia szczęk chwytaka w zależności od wysuwu
bądź wsuwu tłoczyska

Podczas wsuwu tłoczyska o 15mm, szczęki chwytaka przesuwają się (otwierają)

o 2x18mm=36mm

Podczas wysuwu tłoczyska o 25mm, szczęki chwytaka przesuwają się (zamykają)
o 2x25mm=50mm

9

Przy ruchu tłoczyska o 40mm szczęki przesuwają się o 2x43=86mm

10

Metoda analityczna

1

4

2

2

3

3

5

2

2

3

3

:

sin

sin

0

:

cos

cos

0

y

l

l

l

l

x x l

l

l









  





 





1

4

5

a

l

l

b

x l

  

 

2

2

3

2

2

2

3

3

sin

sin

0

cos

cos

0

a l

l

b l

l

















 







2

2

2

3

3

3

2

2

2

2

3

3

sin

sin

/

cos

cos

/

l

a

l

l

l

b

l

l































2

2

2

2

2

2

3

3

3

3

3

2

2

2

2

2

3

3

3

3

3

2

2

2

2

3

3

3

3

3

3

3

sin

2

sin

sin

cos

2

cos

cos

2

2

sin

cos

1

l

a

a

l

l

l

l

b

b

l

l

l

l

a

b

a

b

l

l

l

l

l

















 

 









 

 

 

 





 

 









 

 



 

 



 

 

 











 

 

 

 

 

 

2

2

2

2

3

3

3

l

a

b

c

l

l

l

 

 

 







 

 

 

 

 

 

3

3

3

2

sin

cos

0

2

2

cl

l

a

b









 





3

1

2

l

d

c





11

















3

3

2

2

2

2

2

3

3

3

2

2

2

2

2

3

3

2

2

2

2

2

sin

cos

2

sin

sin

cos

sin

2

sin

0

2

0

d

a

b

d

da

a

b

a

b

da

d

b

a

b

t

adt

d

b













































2

2

3

3

3

cos

1 sin

sin

t







 



Następnie za pomocą oprogramowania matlab liczymy pierwiastki równania
kwadratowego :

1

3

2

3

31

1

32

2

sin

sin

sin

sin

t

t

a

t

a

t

















4

4

3

sin

180

o

Y

















Przy wysuwie siłownika o 25mm uzyskaliśmy przesunięcie ramienia chwytaka o
wartość, którą przedstawia rysunek poniżej

12

Przy wsuwie siłownika o 15mm uzyskaliśmy przesunięcie ramienia chwytaka o
wartość, którą przedstawia rysunek poniżej

Zestawienie i porównanie wyników :

Po importowaniu wyników z programu SAM i zeskalowaniu ich do wartości
uzyskanych uzyskanych metodą analityczna, otrzymujemy 2 identyczne wykresy
co świadczy że obliczenia zostały wykonane poprawnie.

13

14

4.

Wyznaczenie charakterystyki prędkościowej
chwytaka

Symulacja komputerowa prędkości szczęk i drugiego wybranego punktu w
programie SAM. Prędkość tłoczyska – 15mm/s

15

Metoda grafoanalityczna obliczenia prędkości chwytaka (F) oraz punktu B

16

B

A

BA

BC

AB

IIA A

V

V

V











Przyjmujemy podziałkę rysunkową

15

0,5

(

)

30

A

A

V

kv

V







3

4

3

4

(

)

0, 5 11, 39

5, 695

5, 695

0, 316

18, 03

0, 316 55, 9 17, 657

17, 657

B

B

B

D

D

E

F

mm

V

kv V

s

V

BC

V

CD

mm

V

V

V

s









































Zewstawienie i porównanie wyników symulacyjnych z analitycznymi

VB [mm/s]

VF szczęki [mm/s]

Analityczne

5,695

17,657

Symulacyjne

5,69298

17,36842

17

Jak widać wyniki są bardzo przybliżone, różnica może być spowodowana
niedokładnością pomiarów w metodzie planów prędkości oraz zaokrągleniem w
obliczeniach.

5.

Wyznaczenie charakterystyki siłowej chwytaka

Charakterystyka siłowa (przełożenie siłowe) chwytaka

 

ch

F

s

F

f

x

F



Gdzie

s

F

- siła na wyjściu zespołu napędowego

ch

F

- siłą uchwytu

Metoda analityczna :

Analiza sił w grupie strukturalnej :

18









23

3

4

4

23

3

cos

cos

73 55,9 cos 10,3

cos

227,5717

cos

18, 03 cos 11,9

C

ch

ch

M

R

l

F

l

F

l

R

l











 



 





 











Analiza sił dla członu napędzającego :

21

21

21

21

cos

227,5717 cos 68, 2

84,5127

sin

227,5717 sin 68, 2

211, 2971

x

y

R

R

N

R

R

N

























Siły reakcji na przegubach A oraz A’ będą takie same. Więc całkowita siła
równoważąca Fs wynosi :

21

2

2 84,5127 169, 0254

x

R

N



 



Charakterystyka siłowa wynosi :

 

73 2

0,8638

169, 0254

ch

F

s

F

f

x

F









Sprawdzenie charakterystyki siłowej metodą mocy chwilowych :

Równanie mocy chwilowych dla chwytaka :

2

0

2

0

s

ch

s

ch

F

x

F

y

stąd

F x

F

y

 

 

 

 

19

2

2 73 17,36842

169, 0526

15

ch

s

F

y

F

N

x



 







Wyznaczenie siły przy pomocy symulacji komputerowej SAM :

Porównanie wyników :

Analitycznie

Metoda mocy

chwilowych

Program SAM

169, 0254N

169, 0526N

169,05263

Dobrany wcześniej siłownik spełnia wymagania siłowe.

20

6.

Elementy konstrukcji chwytaka

6.1

Założenia materiałowe

Element konstrukcyjny

Materiał

Człony

S235

Szczęki

S235

Sworznie

A4

Obudowa

aluminium

6.2

Dobór elementów znormalizowanych

Sworznie :

4x8/2-A4-Zn , 4x10/4-A4-Zn, 4x10/6-A4-Zn

Płaskowniki : (10x3 wg normy DIN 1017 )

Będą wycinane z blachy S235

Zawleczki :

A4-Zn1x6

21

Nieznormalizowane :

Szczęki chwytaka, prowadnice oraz obudowa.

7.

Obliczenia wytrzymałościowe

Sprawdzenie warunku wytrzymałościowego na zginanie ramion chwytaka

Maksymalny moment gnący występuje w punkcie D i wynosi

max

73 50

3650

0, 00365

ch

Mg

F

DF

Nmm

Nm





 





Przyjmujemy prostokątny przekrój ramienia chwytaka o wskaźniku
wytrzymałości na zginanie :

22

2

6

bh

Wg



Warunek wytrzymałości na zginanie ramienia chwytaka ma postać :

max

max

2

6

g

ch

g

g

M

F

DF

k

Wg

bh













g

k

- warunek wytrzymałości materiału na zginanie

2

2

6

6 3650

141

10 4

136

141

ch

g

F

DF

k

bh

MPa

MPa

MPa















Warunek wytrzymałościowy został spełniony

Sprawdzenie warunku wytrzymałościowego na ścinanie dla najbardziej

obciążonego sworznia

Najbardziej obciążony sworzeń znajduję się w przegubie w którym łączą się
człony 3 i 4 . Siła ścinająca sworzeń wynosi 265N

Warunek wytrzymałościowy na ścinanie sworznia

max

max

2

2

4

4 265

68, 25

4

21, 09

68, 25

t

ch

t

F

F

k

A

d





















Symulacja komputerowa ramienia chwytaka

23

Przy przyłożeniu siły 73 N maksymalne odkształcenie wyniosło 0,132 mm

natomiast maksymalne naprężenie 247 MPa

24

8.

Obliczenie wymaganych parametrów napędu
pneumatycznego chwytaka.

Rys. model siłownika pneumatycznego dwustronnego działania

Teoretyczna siła pchająca cylindra pneumatycznego

2

4

tp

n

D

P

p





Teoretyczna siła ciągnąca napędu pneumatycznego





2

2

4

tc

n

D

d

P

p







Gdzie

0, 6

n

p

MPa



ciśnienie nominalne zasilania

Zasada doboru siłownika :

max

t

W

s

P

P

k F



 

t

P

- teoretyczna siła pchająca lub ciągnąca siłownika

W

P

- obliczona wymagana siła na tłoczysku

1, 2 1,5

k





- współczynnik przeciążenia

max

s

F

- maksymalna siłą na tłoczysku siłownika potrzebna do uzyskania

niezbędnej siły uchwytu

1,5 170

255

t

P

N

N







Dobrany wcześniej siłownik spełnia powyższe wymaganie.

25

9.

Model CAD chwytaka w programie CATIA

10.

Wnioski

Podczas konstruowania chwytaka należy wziąć pod uwagę przede
wszystkim wymiary przedmiotu chwytanego jak i wymiary całego

chwytaka. Ważnym etapem są obliczenia wytrzymałościowe oraz dobór
odpowiedniego materiału konstrukcyjnego.