background image

www.project-the.one.pl

   

Nazwa: Projekt manipulatora 

 

Przedmiot: Podstawy Konstrukcji Maszyn 
 

Prowadzący: - 
 

Rok: 2 
 

Kierunek: AiR 

 
Autor: - 

 
Korepetycje: - 

 

 

 

 
Jeśli chcesz uzyskać wersję drukowalną, lub do 

edycji, skontaktuj się z nami pod adresem 

staff@project-the.one.pl

 

 

background image

 

 

2

 

POLITECHNIKA ŚLĄSKA 

Wydział :Mechaniczny – Technologiczny 
Kierunek :  Automatyka i Robotyka 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Podstawy Konstrukcji Maszyn

 

Projekt manipulatora. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Wykonał: 

 

background image

 

 

3

Spis treści: 
 

1. Założenia projektowo-konstrukcyjne. .................................................................... 4 

1.1. Opis 

istoty 

działania.................................................................................... 4 

1.2. Dane 

sytuacyjne. ........................................................................................ 5 

1.3. Dane 

ilościowe. .......................................................................................... 5 

1.4. Kryteria. ...................................................................................................... 6 
1.5. Zadania 

do wykonania................................................................................ 6 

2. Warianty manipulatora. ......................................................................................... 7 
3. Dobór wariantu manipulatora. ............................................................................... 8 
4. Ruch manipulatora. ............................................................................................... 9 

4.1. Ruch 

poziomy............................................................................................. 9 

4.2. Ruch 

pionowy. .......................................................................................... 10 

4.3. Obliczenia 

wydajności pracy obrabiarki.................................................... 10 

4.4. Wydajność czasu pracy............................................................................ 10 

5. Obliczenia ramienia manipulatora. ...................................................................... 11 

5.1.  Obliczenia skoku siłownika;...................................................................... 11 
5.2.  Obliczenia reakcji podpory i siły działania siłownika : ............................... 12 
5.3. Obliczenia 

wytrzymałościowe ramienia . .................................................. 14 

5.4. Obliczenia 

ugięcia ramienia...................................................................... 16 

5.5. Obliczenia 

dotyczące przegubu górnego.................................................. 18 

5.6. Dobór 

łożyska dla przegubu. .................................................................... 19 

6. Obliczenia dotyczące słupa................................................................................. 20 

6.1. Wyboczenie.............................................................................................. 20 
6.2. Smukłość.................................................................................................. 22 

7. Dobór łożysk tocznych. ....................................................................................... 27 

7.1.  Łożysko górne. ......................................................................................... 28 
7.2.  Łożysko dolne........................................................................................... 29 

8.  Obliczenia przegubu siłownika. ........................................................................... 30 
9. Obliczenia śrub fundamentowych. ...................................................................... 31 
10. Obliczenia  połączenia spawanego. ..................................................................... 35 
11. Obliczenia momentu napędowego. ..................................................................... 37 

 

background image

 

 

4

Założenia projektowo-konstrukcyjne. 

Opis istoty działania. 

Przedmiotem manipulacji jest półfabrykat w postaci walca o średnicy d 

i wysokości h . 

Przedmiot jest obrabiany na dwóch tokarko—frezarkach o osi 

pionowej sterowanych numerycznie. Jedna z nich posiada wrzeciono 
dolne, a druga górne.  

 
 
 
 

background image

 

 

5

Konstruowany manipulator wykonuje następujące operacje: 

 

1)  uchwycenie walcowego półfabrykatu z palety 1 (pal.1) 
2) manipulacja 

przedmiotem 

3)  przemieszczenie obiektu przed uchwyt samo centrujący obrabiarki 1 

(obr.1) 

4)  wprowadzenie obiektu do uchwytu samo centrującego 
5) obróbka 

powierzchni 

przedmiotu na obrabiarce 1 (obr.1.) 

6)  uchwycenie obrabianego przedmiotu przez manipulator 
7) zluzowanie 

szczęk uchwytu samo centrującego przez obrabiarkę 1 

(obr.1) 

8) wysunięcie przedmiotu z uchwytu  
9) manipulacja 

przedmiotem 

10)  przemieszczenie obiektu przed uchwyt samo centrujący obrabiarki 2 

(obr.2) 

11)  wprowadzenie obiektu do uchwytu samo centrującego 
12)  uchwycenie obrabianego przedmiotu przez obrabiarkę 2 (obr.2) 
13) obróbka przedmiotu 
14)  uchwycenie obrabianego przedmiotu przez manipulator 
15) zluzowanie szczęk uchwytu samo centrującego przez obrabiarkę 2 

(obr.2) 

16) wysunięcie przedmiotu z uchwytu 
17) manipulacja przedmiotem 
18) umieszczenie obrabianego przedmiotu w palecie 2 (pal.2) 
 

Dane sytuacyjne. 

Obrabiarki mogą być usytuowane względem siebie w różny sposób. 

Obrabiarka obr.1 posiada uchwyt samo centrujący dolny na wysokości h

1

 

obrabiarka obr.2 posiada uchwyt samo centrujący górny na wysokości h

 

Dane ilościowe. 
Wymiary półfabrykatu :                                  
h = 60 [mm] 

 

50 

[mm]    t

1

=20s      t

2

=36s    t

3

=23s 

Masa chwytaka: 
m

ch

=2,9 [kg] 

Średnica rozstawienia stanowisk w gnieździe: 
D = 2,75 [m] 
Wysokość położenia uchwytu od poziomu: 
h

1

 = 650 [mm] 

h

2

 = 900 [mm] 

 

background image

 

 

6

Kryteria. 
 
K1 - minimalna masa manipulatora, 
K2 - minimalna długość ruchów jałowych, 
K3 – minimalny czas postoju obrabiarki 
K4 - prostota działania i wykonania, 
K5 – modułowość manipulatora, 
K6 - błąd pozycjonowania przedmiotu, 
K7 – duża sztywność,  
K8 - maksymalny stopień wykorzystania elementów zmechanizowanych 
 

Zadania do wykonania. 
 
1) zaprojektować układ gniazda (magazyny, stanowiska reorientacji), 
2) przeprowadzić analizę kinematyczną przyszłego manipulatora, 
3) opracować trzy różniące się koncepcje manipulatora, 
4) dokonać wyboru najlepszego wariantu struktury manipulatora, 
5) dobrać cechy konstrukcyjne poszczególnych elementów manipulatora, 
6) sporządzić rysunek złożeniowy manipulatora i rysunek wykonawczy 

jednego elementu. 

background image

 

 

7

Warianty manipulatora. 

 
 
1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. 

3.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4. 

5.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

background image

 

 

8

Dobór wariantu manipulatora. 

 

Spośród pięciu koncepcji budowy manipulatora dokonuje się 

wyboru najlepszej biorąc pod uwagę osiem różnych kryteriów i 
przyznając im przewagę nad innymi według schematu: 

 
 
1 – kryterium ważniejsze, 
0 – kryterium nieważne, 
0,5 – kryterium równoważne. 
 
 

x K

 1

 K 

2

 K 

3

 K 

4

 K 

5

 K 

6

 K 

7

 K 

8

 

ΣK

i

1

 W 

2

 W 

3

 

1

 

x 1 0,5 1 0,5 0 0 0 3 4 3 3 

2

 

0 x 0,5 

0,5 0 0 0 0 1 3 3 3 

K

 3

  0,5 

0,5 x 0 0,5 0 0,5 0 2 3 3 3 

4

 

0 0,5 1  x 0,5 1 0,5 0,5 4  4  2  4 

5

  0,5 1 0,5 0,5 x 0.5 

0,5 

0,5 4 3 3 3 

6

 

1 1 1 0 0.5 x 1 0.5 

4,5 4 3 3 

7

 

1 1 0,5 

0.5 

0,5 

0,5 x 0,5 5 4 3 4 

K

1 1 1 0,5 

0,5 

0,5 0 X 4,5 4 4 3 

 

 

 

 
Następnie dokonany został wybór wariantu manipulatora: 
 
ΣW

1

=99 

ΣW

2

=84,5 

ΣW

3

=83 

 
Do dalszych obliczeń wybieram wariant 1 ponieważ najlepiej spełnia 
zadane kryteria. 

background image

 

 

9

Ruch manipulatora. 

 

Ruch poziomy. 
 
v- prędkość średnia – przyjmuję 1 m/s, 
r=1,375 [m], 
droga: 

 
s

start-obr.1

=0,364 [m] 

s

obr.1-koniec

=0,364 [m] 

 
Czas: 

t

start-obr.1

= t

obr.1-koniec

=0,364 [s] 

 
prędkość kątowa: 

ω=1/1,375 =0,727[1/s] 
 
prędkość obrotowa: 

n=6,9 [obr/min] 
 
przyspieszenia liniowe; 

2

2

t

n

a

a

a

+

=

                  a=2,8 [m/s

2

a

n

=0,726 [m/s

2

 
a

t start-obr.1

=2,75 [m/s

2

a

t obr.1-koniec

=2,75 [m/s

2

°

Π

=

360

2

α

r

s

v

s

t

=

r

v

=

ω

Π

=

2

60

ω

n

t

v

a

r

a

t

n

=

=

2

ω

background image

 

 

10

Ruch pionowy. 
 

α=arctg125/1375=5

0

19’ 

2

α=10

0

38’ 

 
droga: 

 
s

2-1

=0,125 m 

s

1-3

=0,125 m 

 
czas: 
t

2-1

=0,125 [s] 

t

1-3

=0,125 [s] 

 

Obliczenia wydajności pracy obrabiarki  
 
T=117s 
 
W

1

= (t

3

- t

1

 )/T * 100 

% = 2,564 

 
W

2

= (t

2

 )/T * 100 

% = 30,77 

 

Wydajność czasu pracy 

 
 

M.= (

Σk

i

/T)* 100 

%  =  32,48 

°

Π

=

360

2

α

r

s

background image

 

 

11

 

Obliczenia ramienia manipulatora. 

 

 

α=5

0

19’ 

h=0,125 [m] 
r=1,375 [m]  
 

Obliczenia skoku siłownika; 
 

 
 
 
 
 
 
 

background image

 

 

12

Z twierdzenia Pitagorasa: 

AB=0,566 [m] 
β=90-α=84

0

81’ 

 
z twierdzenia cos.: 
 

β

cos

2

2

2

BCDC

DC

BC

BD

+

=

 

BD=0,540 [m] 
 

)

2

cos(

2

2

2

β

α

+

+

=

CECB

CB

CE

EB

 

EB=0,59 [m] 
 
Skok = |EB|-|BD|=0,05 [m] 
Skok siłownika wynosi =0,05 [m] 
 

Obliczenia reakcji podpory i siły działania siłownika : 
 

 
 
Wartość sił działających na ramię: 
G

1

- składa się z ciężaru elementu i chwytaka 

 
G

1

=(m

ch

+m

p

)g 

 
 
 
 
 

background image

 

 

13

 
Masa przedmiotu jest nieznana. Wyznaczam ją z warunków 
geometrycznych przyjmując wartość maksymalną zakładając że 
półfabrykat jest wykonany z aluminium AK-20 o gęstości: 

ρ=2,72 

[g/cm

3

]=2720 [kg/m

3

 
m

p

=0,32 [kg] ; masa chwytaka : m

ch

=2,9 [kg] 

 
G

1

=(2,9+0,32)*9,81=31,56 [N] 

 
G

22

 – masa ramienia 

Ramię wykonano z ceownika C160 PN-86/H-93403, dane: 
masa:18,8 [kg/m], 
 
wskaźniki wytrzymałości:   W

x

=116 [cm

3

], 

 

 

 

 

 

W

y

=18,3 [cm

3

], 

 
moment bezwładności: I

x

=925 [cm

4

], 

 

 

 

 

 

I

y

=85,3 [cm

4

]. 

 
G

2

=1,375*18,8*9,81=253,33 [N]  - ciężar ramienia na długości 1,375 

[m], 
 
G

3

=0,4*18,8*9,81=73,696 [N] 

- ciężar ramienia na długości 0,4 [m]. 

 
Równania równowagi: 
Siłownik w stosunku do ramienia jest umieszczony pod kątem 45

0

Oś y: 

ΣF

iy

:  

-P sin(45

0

)- G

+ R

A

 – G

2

 –G

= 0 

ΣM

iA

:  

P*0,4 sin(45

0

)+ G

3

*0,2 – G

2

*0,688 – G

1

*1,375 = 0 

 
 
P = 725 [N] 
R

= 871,6 [N] 

 
 

h

d

V

V

m

p

p

p

4

*

2

Π

=

=

ρ

background image

 

 

14

Na podstawie obliczeń dobieram siłownik typu: 
DNC-100-50-PPV-A, o parametrach: 
-  numer katalogowy: 163467, wykonanie według normy: ISO 6431, 
-  skok: 50 [mm], 
-  średnica tłoczyska 25 [mm], 
- minimalne/maksymalne 

ciśnienie pracy: 0,6[bar]/12[bar], 

-  zakres temperatur pracy: -20[

o

C]

÷80[

o

C], 

- masa 

całkowita: 4,653 [kg], 

- efektywna 

siła wyciągu: 4712 [N], 

- efektywna 

siła wciągu: 4418 [N], 

-  średnie zużycie powietrza: 2,6 [l] 
 

 

Obliczenia wytrzymałościowe ramienia . 
 
Obliczenia wytrzymałościowe momentu gnącego . 
 
 

 
 
 
 
Dane: 
 
l

1

=0,2 [m],        l

2

=0,688 [m] 

 
P

y

 = 512,6 [N] 

background image

 

 

15

 
 
Dla 0<x<l

1

 

  dla 

  dla 

l

1

 

M

g

=-P

y

  M

g

=0 

  M

g

=-P

y

l

1

 = -102,5  [Nm] 

 
 
Dla l

1

<x<2l

1

 

 

 

 

M

g

 = - P

y

x – G

3

 (x – l

1

 
 

dla  x=l

1

 

 

    dla 

x=2l

1

 

M

g

 = -102,5 [Nm]  

 

 

M

g

 = -219,7 [Nm] 

 
 
Dla 2l

1

<x<2l

1

+l

2

   

 

 

M

g

 = - P

y

x – G

3

 (x – l

1

) + R

A

 (x-2l

1

 
 

dla  x=l

1

 

 

    dla 

x=2l

1

+l

2

 

M

g

 = -219,7 [Nm]  

 

 

M

g

 = -23,4 [Nm] 

 
 
Dla 2l

1

+l

2

<x<2l

1

+2l

2

 

 

 

 

M

g

 = - P

y

x – G

3

 (x – l

1

) + R

A

 (x-2l

1

) – G

2

(x-2l

1

 – l

2

 
 

dla  x=2l

1

+l

2

 

    dla 

x=2l

1

+2l

2

 

M

g

 

-23,4 

[Nm] 

    M

g

 = 0 [Nm] 

 
Maksymalny moment gnący wynosi  
 
M

gmax

= - 219,7 [N] 

 
 
Z norm dobieram wartość W dla zadanego ceownika : 
W

x

 = 1,16 * 10

-4

  [m

3

W

y

 = 1,83 * 10

-5

  [m

3

 
Dla stali st7 dopuszczalne naprężenia Kg

0

=65 [MPa] 

Ceownik jest dobrze dobrany , jeżeli jest spełniona nierówność: 

go

x

g

x

k

W

M

<

=

max

σ

   

 

1,89 [MPa] <65 [MPa] 

 
 

background image

 

 

16

go

y

g

y

k

W

M

<

=

max

σ

   

 

12,1 [MPa] < 65 [MPa] 

 
 

Obliczenia ugięcia ramienia. 
 

 
 
 
f- strzałka ugięcia 
 
moduł Young’a: E= 20*10

11

 [N/m

2

 
osiowy moment bezwładności: I= 9,25*10

-6

 [m

4

 
Py=Psin

α=512,6 [N] 

 
M

g

 = -Pyx - G

3

(x-0.2) + R

A

(x-0.4) - G

2

(x-1.0688) –G

1

(x-1.775) 

 
EIy’’= -M

g

 

EIy’’= Pyx + G

3

(x-0.2) - R

A

(x-0.4) + G

2

(x-1.088) +G

1

(x-1.775) 

EIy’= Py(x

2

/2) - G

3

[(x-0.2)

2

/2] + R

A

[(x-0.4)

2

/2] - G

2

[(x-1.088)

2

/2] - 

G

1

[(x-1.775)

2

/2] + C 

Eiy = Py(x

3

/6) - G

3

[(x-0.2)

3

/6] + R

A

[(x-0.4)

3

/6] - G

2

[(x-1.088)

3

/6] - 

G

1

[(x-1.775)

3

/6] + Cx + D 

background image

 

 

17

warunki: 
x=0 

 y’=0 

  

x=0  

=0  

 
C= -131,879 
 
D= 74,659 
 
x = 1,775       y = 0 
 
Obliczam ugięcie: 
 
Y=(1/EI)*(4,976) 
Y=2,69*10

-6

 [m] = 0,00269 [mm] 

 
Ramię zostało poprawnie dobrane ponieważ ugięcie mieści się w 
przedziale  
0< y < 0,2 [mm]. 

background image

 

 

18

 

Obliczenia dotyczące przegubu górnego. 
 
Ramię manipulatora będzie osadzone na osi ustalonej w łożyskach 
osadzonych w uchwycie który jest przyspawany do słupa. Szerokość 
ramienia jest równa szerokości ceownika i wynosi: 160 [mm]. 

 
Obliczam średnicę osi: 
 
Fr– siła reakcji ramienia równa reakcji R

A

 

Fr=871,6 [N], 
F=0,5*Fr=435,8 [N], 
a=0,2 [m] - odległość pomiędzy łożyskami, 
b=0,02 [m] - odległość pomiędzy łożyskiem a punktem podparcia 
ramienia. 
 
Maksymalny moment gnący : 
 
Mgmax=F*b=0,5*Fr*0,02=8,7 [Nm] 
 
Dla stali st7 

kg=200 [MPa] 

 Obliczam średnicę; 
 

kg

Mg

d

r

10

 

 
d

r

=6,6*10

-3

 

 
przyjmuję d

r

=10 [mm] 

background image

 

 

19

Dobór łożyska dla przegubu. 
 
P

0

=F=435,8 [N] 

 
Dobieram współczynnik S

0

=2 odnoszący się do dużych wymagań 

bezproblemowej pracy przegubu. 
 
C

0

=P

0

*S

0

 

C

0

=435,8*2=871,6 [N] 

 
C

0

 – nośność spoczynkowa 

 
 
Z katalogu dobieram łożysko walcowe jednorzędowe NUP2304E 
gdzie: 
 
C=4100 [N], 
 
C

0

=4600 [N], 

 
masa łożyska: 0,22 [kg], 
 
wymiary: d=20 [mm], D=52 [mm], B=21 [mm] 
 

background image

 

 

20

Obliczenia dotyczące słupa. 

 

Wyboczenie. 
 

 
H=0,775 [m], 
R

A

=F=871,6 [N] 

E=2*10

5

 [MPa] 

 
Korzystając ze wzoru Eulera: 

n

w

 - współczynnik bezpieczeństwa  (1,3

÷4) – przyjmuję n

w

 = 4 

 
Wyznaczam moment bezwładności : 
 

 
I = 1,062*10

-9

 [m

4

 
Zakładam średnicę zewnętrzną słupa D

zew

=260 [mm], średnicę 

wewnętrzną d

wew

=200[mm] czyli średnica wyrażana przez grubość 

ścianki wygląda następująco: 
D

zew

=13*g, 

d

wew

=10*g,                  czyli g=20 [mm] 

 

w

n

H

EI

F

2

2

Π

=

E

n

FH

I

w

2

2

Π

=

background image

 

 

21

 
 
Moment bezwładności: 
 

 
 
I=290,01*

Πg

4

 [m

4

 
Przyrównując oba momenty otrzymuję: 
 
290,01*

Π*g

4

=3,94*10

-9 

 

 

4

9

01

,

290

*

10

94

,

3

Π

g

 

 
g

≥1,44 10

-3

 

 
warunek na wyboczenie jest spełniony dla g=20 [mm]. 

 

 

 

 

[

]

4

4

4

4

4

18561

*

64

)

10

(

)

13

(

64

)

(

64

g

g

g

d

D

I

wew

zew

Π

=

Π

=

Π

=

background image

 

 

22

Smukłość. 
 
R

w

=200 [MPa] 

 

λ>λ

gr

  

 

λ

gr

=

w

R

E

2

Π

 

 

λ=l

r

/i 

 

 

                                gdzie: s – pole przekroju, i – promień 

bezwładności. 

000426

,

0

10

26

,

4

0216

,

0

10

94

,

3

4

9

=

=

=

i

 

 

λ

gr

=99,3 

 

λ=H/i = 1760,56 
 
warunek 

λ>λ

gr

 jest spełniony. 

s

I

i

=

]

[

0216

,

0

)

(

*

4

2

2

2

m

d

D

s

wew

zew

=

Π

=

background image

 

 

23

Zginanie. 
 

 
Py=512,6 [N], 
G

1

=31,56 [N], 

G

2

=253,33 [N], 

G

3

=73,696 [N], 

l

1

=0,2 [m], 

l

2

=0,688 [m], 

l

3

=0,4 [m], 

l

4

=0,375 [m], 

l

5

=0,2 [m], 

a

1

=1,375 [m/s

2

], 

a

2

=0,688 [m/s

2

], 

a

3

=0,4 [m/s

2

], 

t=1,8 [s], 
 
obliczam siłę G

 

G

4

=

ρ*V*g 

H

d

H

D

V

wew

zew

4

4

2

2

Π

Π

=

background image

 

 

24

 

ρ=7800 [kg/m

3

], 

g=9.81 [m/s

2

], 

 
V=0,0062 [m

3

G

4

=785 [N] 

 
obliczam siłę G

5

 

 
G

5

=m

s

*g 

 
m

s

=4,65 [kg] 

 
G

5

=45,61 [N] 

 
obliczam przyspieszenia punktu G

5

  

 
G

5

 

⇒ a

1

/2l

2

=a

5

/l

 

a

=0,2 [m/s

2

 
obliczam prędkości liniowe poszczególnych punktów 

 
     V

1

 = a

1

t                 V

1

 = 2,475 [m/s]

 

V

2

 = a

2

t                 V

2

 = 1,24 [m/s] 

     V

3

 = a

3

t                 V

3

 = 0,72 [m/s] 

    

V

5

 = a

5

t                 V

5

 = 0,36 [m/s] 

 
obliczam siły odśrodkowe 
m

1

=3,22 [kg], 

m

2

=25,9 [kg], 

m

3

=7,52 [kg], 

m

5

=4,65 [kg], 

 
O

1

= (m

1

*V

1

2

)/2l

2                      

O

1

=14,36 

O

2

= (m

2

*V

2

2

)/l

2                         

O

2

=58 

O

3

= (m

3

*V

3

2

)/2l

1                      

O

3

=0,52

 

O

5

= (m

5

*V

5

2

)/l

1                         

O

5

=0,13 

  

 

 
- równania 

równowagi 

ΣFiy: Ha – G

4

 –G

3

 – G

2

 –G

1

 –G

5

 -Py= 0 

ΣFix: -Ra -Rb -O

5

 - O

 +

 

O

 + O

2

 = 0 

 

background image

 

 

25

ΣMi

A

: R

B

l

4

 + O

5

 (l

4

+l

3

*0,5)+G

5

 l

1

+O

3

(l

4

+ l

3

)+Py*2l

1

 –G

2

 l

2

-O

2

(l

4

+ l

3

) – G

1

 2l

2

 

- O

1

(l

4

+ l

3

)=0 

 

− 

z równań równowagi otrzymuję

 

Ha=G

1

+G

2

+G

3

+G

4

+Py+G

5

=1701,8 [N] 

 

(

)

(

)

(

)

4

1

3

4

3

3

2

2

3

4

2

2

1

5

5

4

5

3

4

1

l

l

G

l

l

O

l

G

l

l

O

l

G

l

G

l

O

l

l

O

R

b

+

+

+

+

+

+

=

 

R

b

=587,9 [N] 

 

R

a

=525,9 [N] 

 
 
obliczam maksymalny moment gnący 

 
Mg

1

= Ra*x 

 
x

1

=l

4

= 197,21 [Nm] 

 
Mg

2

= Ra * (x-l

4

) + Rb*x 

 
x

2

=l

3

= 271,11 [Nm] 

 

obliczenia wytrzymałościowe na zginanie

 

 

64

64

4

4

max

wew

zew

x

x

dop

d

D

I

e

I

W

W

Mg

Π

Π

=

=

=

σ

σ

        

( ) (

)

[

]

3

4

4

4

4

01

,

40

5

,

6

1

,

260

1

,

260

10

13

64

5

,

6

2

10

13

g

g

g

e

I

W

g

g

g

I

g

D

e

g

d

g

D

x

zew

wew

zew

Π

=

Π

=

=

Π

=

Π

=

=

=

=

=

 

 

stąd 
 

 

[ ]

m

g

g

027

.

0

10

100

01

,

40

11

,

271

3

6

Π

 

 

b

a

R

O

O

O

O

R

+

=

1

2

5

3

background image

 

 

26

Przyjmuję więc grubość ścianki g=20 [mm]. Spełnia ona założone 
wymagania wytrzymałościowe. 

background image

 

 

27

 

Dobór łożysk tocznych. 

 
Na słupie osadzone będą dwa łożyska . Górne przenosi tylko obciążenia 
poprzeczne , dolne przenosi obciążenia wzdłużne i poprzeczne . 
 

G

1

=31,56 [N], 

G

2

=253,33 [N], 

G

3

=73,33 [N], 

G

4

=786,3 [N], 

G

5

=45,61 [N], 

O

1

=14,36 [N], 

O

2

=58 [N], 

O

3

=9,8 [N], 

O

5

=0,6 [N], 

m

1

=3,22 [kg], 

m

2

=25,9 [kg], 

m

3

=7,25 [kg], 

m

5

=4,65 [kg], 

l

1

=0,2 [m], 

l

2

=0,688 [m], 

l

3

=0,4 [m], 

l

4

=0,375 [m], 

l

5

=0,2 [m], 

background image

 

 

28

a

1

=1,375 [m/s

2

], 

a

2

=0,688 [m/s

2

], 

a

3

=0,4 [m/s

2

], 

a

5

=0,2 [m/s

2

], 

 
- momenty 

bezwładności 

B

1

=m

1

a

1

  B

1

=4,43 [N], 

B

2

=m

2

a

2

  B

2

=17,82 [N], 

B

3

=m

3

a

3

  B

3

=2,9 [N], 

B

5

=m

5

a

5

  B

5

=0,93 [N], 

 
- równania 

równowagi 

 
ΣFix:  

R

ax

 + R

bx

 + O

1

 + O

2

 - O

3

 - O

5

 =0 

ΣFiy:  

R

ay

 + R

by

 + B

3

 + B

5

 - B

2

 - B

1

 =0 

ΣFiz:  

R

az

 - G

5

  - G

4

 - G

3

 - G

2

 - G

1

 =0 

 
ΣMix: R

by

l

4

 + B

2

(l

4

+l

3

) + B

1

(l

4

+l

3

) - B

3

(l

4

+l

3

) - B

5

l

4

 =0 

ΣMiy: R

bx

l

4

 + O

2

(l

4

+l

3

) + O

1

(l

4

+l

3

) - O

5

l

4

 - O

3

(l

4

+l

3

) +G

1

2l

2

+ G

2

l

2

 - G

3

l

1

 + 

- G

5

l

5

 = 0 

Z równań równowagi: 
 
R

bx

 = -645,6 [N]   

 

R

b

 = 646,78 [N] 

R

by

 = -39,07 [N] 

 
R

ax

 = 583,64 [N] 

R

ay

 = 57,5 [N] 

 

 

R

a

 = 584,9 [N] 

R

az

 = 1189,2[N] 

 

Łożysko górne. 
 
- obciążenie statycznie równoważne. 
Fr = R

b

 = 646,78 [N]   P

0

 = Fr 

 
- nośność spoczynkowa: 
C

0

 = S

0

*P

0

 gdzie: 

S

0

 - współczynnik zabezpieczający łożysko przed zbyt dużym 

odkształceniem trwałym: S

0

=2 dla łożysk kulowych, S

0

=3,3 

dla łożysk wałeczkowych. 

background image

 

 

29

Przyjmuję łożysko kulowe 
C

0

=2*646,78 = 1293,56 [N] 

 
- dobieram 

łożysko kulkowe 6048 dla którego: 

C

0

 = 31700 [N], C=25600 [N], d=240 [mm], D=360 [mm], B=56 [mm]. 

Łożysko dolne. 
 
Przyjmuję łożysko stożkowe. 
- obliczam 

obciążenie równoważne styczne ze wzoru: 

 
P

0

 = Fr + y

0

F

a

 

Fr = R

A

 

F

A

 = R

Az 

y

0

 = wsp. obciążeń statycznych .= 2.1 

 
P

o

 = 646,78 + 2,1 * 1189,2 = 3539,22 [N] 

 
- obliczam 

nośność statyczna 

S

0

 = 3,3 

dla łożysk walcowych 

C

0

 = 3,3*3539,22 =1268,33 [N] 

 
- dobieram łożysko 32328 dla którego: 
C

0

 = 165000 [N], C = 12200 [N], d=140 [mm], D=300 [mm], H=107 [mm]. 

 

background image

 

 

30

Obliczenia przegubu siłownika. 

 
Do połączenia siłownika z ramieniem stosuję połączenie sworzniowe . 
Sworzeń wykonany jest ze stali St6    k

s

≈ k

t

 = 110 [MPa] 

 
- warunek 

wytrzymałościowy 

t

k

n

d

F

Π

4

2

τ

 

 
- obliczam 

średnicę sworznia 

n = 1, 
F = 4014,76 [N], 
k

t

 = 110 [MPa] 

t

nk

F

d

Π

4

 

d

≥6,81*10

-3

 [m] 

przyjmuję d = 12 [mm] 
 
-  w otworze ucha znajduje się panewka łożyska ślizgowego, obliczam 

to łożysko wg PN-72/11-84020 

dla st6 k

go

 = 65 [MPa],  

k

0

 = 6  [MPa] 

λ = l/d ≈ 

0

45

,

0

k

k

go

 

λ = 1,48 
przyjmuję  

λ = 1,5 

- obliczam 

średnicę czopa. 

F=4014,76 [N] 

λ

0

k

F

d

 

d

≥0,021 [m] 

przyjmuję d= 25 [mm] 
- długość czopa 
l = 

λ * d 

l = 1,5*25 = 38 [mm] 
 

background image

 

 

31

Obliczenia śrub fundamentowych. 

 

Równania równowagi  

ΣFix: O

1

 + O

2

 - O

3

 - O

5

 = Rx 

ΣFiy: B

3

 - B

2

 – B

1

+ B

5

 = Ry 

ΣFiz: - G

5

  - G

4

 - G

2

 – G

3

 – G

1

 = Rz 

 
Mx = B

1

(l

3

+l

4

) + B

2

(l

3

+l

4

) - B

3

(l

3

+l

4

)- B

5

l

4

 

My = O

1

(l

3

+l

4

) + O

2

(l

3

+l

4

) - O

3

(l

3

+l

4

) - O

5

l

4

 + G

1

2l

2

 + G

2

l

2

 - G

3

l

1

 -G

5

l

5

 

Mz = - B

1

2l

2

 - B

2

l

2

 - B

3

l

1

 - B

5

l

5

 

 
Rx= 61.96 [N], 
Ry= -18,42 [N], 
Rz= -1189,2 [N], 
Mx= 14,63 [Nm], 
My= 220,4 [Nm], 
Mz= -19,17 [Nm] 
 
R

x

, R

y

, M

- siły przesuwające, 

R

z

 - siła wyrywająca, 

M

z

, M

y

 - siły gnące (rozciągające) 

 

background image

 

 

32

 

R

= Q

z

 * n         Q

z

 = R

z

 / n 

 
Q

z

 = 297,3 [N] 

 
Q

Mgmax

 = (Mg * l

max

) / 

Σ l

 

Q

Mgy

 = (Mg

y

 * 0,6) / 2*(0,02

2

+0,58

2

) = 196,5 [N] 

 
Q

Mgx

 = (Mg

x

 * 0,6) / 2*(0,02

2

+0,58

2

) = 13,1 [N] 

 

R

Q z

Q

R

z

x

x

x

x

= ⋅

=

µ

µ

 

 

µ = 0.2 dla betonu i stali 
z - ilość śrub 
 

Q

x

 = R

x

 / 

µz = 77,45 [N]  

 
Q

y

 = R

y

 / 

µz = -23,03 [N]

 

background image

 

 

33

 
 

obliczam siłę aktywną F

 

 

F

M

l

i

z

=

 

 

l - odległość pomiędzy środkiem podstawy a śrubą 

 
F

= 19,17 / 0,395 = 48,53 [N] 

 

Q

Mz  

- siła dociskająca 

 
Q

Mz

 = F

i

 /

µ = 242,65 [N]

 

 

 
obliczam siłę wstępną w śrubie

 

 
Q

wst

 =Q

x

 + Q

y

 + Q

Mz

 =297,07 [N] 

 

 
Siła wypadkowa wyraża się wzorem 

 
 
Q

wyp

 =Q

Mz

 + Q

z

 + Q

wst

 = 836,37 [N] 

 
 

 
warunek wytrzymałościowy

 

 

σ =

Q

S

k

wyp

r  

R

e

 = 300 [MPa] 

x = 2 

[

]

k

R

x

MPa

r

e

=

=150

 

 
Ponieważ przekrój śruby jest kołem 

S

d

=

Π

2

4

 

 
 
 
 

background image

 

 

34

 
 
 
 
 
Przekształcając warunek wytrzymałościowy otrzymuję wzór na średnicę 
rdzenia śruby: 

[ ]

mm

d

k

Q

d

r

wyp

78

,

8

4

Π

 

 

 
Przyjmuję więc średnicę rdzenia 10 [mm]. Dobrałem śrubę M10 PN-
72/M-85061 
 

background image

 

 

35

 

Obliczenia połączenia spawanego. 

Obliczenia dotyczą spoiny pachwinowej o grubości 5 [mm]. 
 

 
 
 
Rx= 61.96 [N], 
Ry= -18,42 [N], 
Rz= -1189,2 [N], 
Mx= 14,63 [Nm], 
My= 220,4 [Nm], 
Mz= -19,17 [Nm], 
 
 
- obliczam 

wskaźnik wytrzymałości 

 
I

x

 = U

y

 = (

Π/64) (D

zew

4

 - d

wew

4

) = 14,5*10

-5 

[m

4

 
e

x

 = e

y

 = D

zew

/2 

 
Wx = Wy = (

Π/32) (S

4

 - d

wew

4

/D

zew

) = 3,91*10

-4

[m

3

 
 
 
 
 
 
 

background image

 

 

36

obliczam naprężenia w spoinie 
 

τ

x

 = R

x

/P 

 
P = (

Π/4) (0,28

2

- 0,26

2

) = 8,48*10

-3

 

τ

x

 = 730,66 

τ

y

 = -217,22 

τ

z

 =  140235,85  

 

τ

Mx

 = Mx/Wx 

 

τ

Mx

 = 37416,9 

τ

My

 = 563682,9 

 
-  dla spoiny pachwinowej 
τ ≤ sR*1,1 
s = 0,8 

 

R = 250 [MPa] 

τ ≤1,1*sR = 220 [MPa] 
 
Maksymalnie jest obciążony punkt A i dla niego : 

2

2

2

)

(

My

Mx

z

y

x

A

τ

τ

τ

τ

τ

τ

+

+

+

+

=

 

 

τ

A

 = 2,836 [MPa] 

≤ 220 [MPa] 

 
Warunek wytrzymałościowy jest spełniony – spoina wytrzyma zadane 
obciążenia. 
 

 

 

 

 

 

 

background image

 

 

37

Obliczenia momentu napędowego. 

 
ΣMz: M

B

 - B

3

 2l

1

 - B

5

 l

=B

2

 l

2

 + B

1

 2* l

2

 - M

n

 = 0 

 
M

n

 = 324,14 [Nm] 

 
Dobieram siłownik hyrauliczny obrotowy  firmy Mannesmann Rexroth 
Engineering model A4F0 71 o parametrach: 
budowa osiowo-tłokowa z tarczą wychylną 
T

max

= 395 [Nm],  

masa 34 [kg], 
ciśnienie nominalne/maksymalne 350 [bar]/400[bar]