Projekt robota przemysłowego

Wykonał:

Aleksander Żurawka

AiR / MT / Sem IV

1.Zadanie projektowe

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

Dane sytuacyjne:

1. Obrabiarki mogą być usytuowane wzgl. siebie w różny sposób;

2. Obrabiarka 1 posiada uchwyt samocentrujący dolny na wysokości h₁ od poziomu;

3. Obrabiarka 2 posiada uchwyt samocentrujący górny na wysokości h₂ od poziomu;

Dane dotyczące środowiska pracy manipulatora przedstawia poniższa tabela:

Dane	Oznaczenie	Wartość
Wysokość przedmiotu obrabianego	H	10	[mm]
Średnica przedmiotu obrabianego	d	70	[mm]
Masa chwytaka	m ch	5	[kg]
Średnica gniazda	D	2	[m]
Wys. uchwytu samocentrującego obrabiarki 1	h1	200	[mm]
Wys. uchwytu samocentrującego obrabiarki 2	h2	400	[mm]

2. 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 mm,

6. maksymalny stopień wykorzystania elementów znormalizowanych i stypizowanych,

7. trwałość układów przegubowych powyżej 20000 godzin.

3. Zadania do wykonania

1. opracować różne koncepcje manipulatora

2. dokonać wyboru najlepszego wariantu

3. dobrać cechy konstrukcyjne poszczególnych elementów manipulatora

d) sporządzić rysunek złożeniowy oraz rysunek wykonawczy elementu wskazanego przez prowadzącego

4. Tworzenie pola możliwych rozwiązań

Wariant 1.

Wariant 2.

Wariant 3.

Wariant 4.

Spośród czterech koncepcji budowy manipulatora dokonam teraz wyboru najlepszej biorąc pod uwagę osiem różnych kryteriów i przyznając im przewagę nad innymi wg schematu:

1) 1 -kryterium ważniejsze,

2) 0 - nieważne,

3) 0,5 - równoważne.

Przedstawia to tabela:

	K1	K2	K3	K4	K5	K6	K7	ΣK
K1	X	0.5	0.5	0	0.5	0.5	0	2
K2	0	X	0.5	0.5	0	0.5	1	2.5
K3	0.5	0.5	X	0.5	1	0.5	0.5	3.5
K4	1	0.5	0.5	X	0.5	0.5	1	4
K5	0.5	1	0.5	1	X	1	0	4
K6	0.5	1	1	0.5	1	X	0.5	4.5
K7	1	1	0.5	0	0.5	0.5	X	3.5

Następnie dokonałam wyboru wariantu wykonania manipulatora przy użyciu poniższej tabeli:

Nr koncepcji	W1	W2	W3	W4	Wi	ΣK
Ocena za kryterium 1	3	4	4	2	5	2
Ocena za kryterium 2	4	2	4	2	5	2.5
Ocena za kryterium 3	4	2	4	2	5	3.5
Ocena za kryterium 4	3	3	4	4	5	4
Ocena za kryterium 5	3	2	4	3	5	4
Ocena za kryterium 6	3	4	4	3	5	4.5
Ocena za kryterium 7	3	3	4	3	5	3.5
	78	68.5	95.5	68	140

Najwięcej punktów zdobył wariant nr 3, dlatego też ten wariant zostanie zaprojektowany. Do zaprojektowania manipulatora należy przeprowadzić szereg obliczeń., które zostaną przedstawione poniżej.

5.Obliczenia

Obliczam wartości sił obciążających manipulator

Masę półfabrykatu znaleźć można ze wzoru:

M = vρ , gdzie

v = π * r ² * h

podstawiając dane [ h = 10, d = 70 ] otrzymałem v = 38465 [mm]

Dla ρ = 7,9 [g/cm³] masa półfabrykatu wynosi M = 0.303 [kg]

Przyjmuję do dalszych obliczeń masę półfabrykatu równą 0.4 [kg]

Siła pochodząca od przedmiotu wynosi F_w = a * M = 9,8 * 0.4 = 3.92 [N]

Siła pochodząca od chwytaka wynosi F_ch = a * M_ch = 9,8 * 5 = 49 [N],

w tym wypadku obciążenie całkowite na końcu ramienia wynosi :

F = F_w ­­+ F_ch = 52.92 [N] , do dalszych obliczeń przyjmuję wartość 53 [N]

Dobór materiału na ramie manipulatora

Długość ramienia wynosi L₂ = 0.9 [m] - ponieważ średnica gniazda ma 2 [m] a chwytak ma długość 0.1 [m], L₁ = 1 [m]

Y

O₂ O₁ X

G₃ B₂ G₂ B₁ G₁

L₂

Z L₁

G₁, B₁, O₁ - siły pochodzące od chwytaka z przedmiotem,

G₂, B₂, O₂ - siły pochodzące od ramienia manipulatora,

G₃ - siła pochodząca od płyty na której mocowane jest ramie manipulatora.

G₁ = (m_ch * m_p) * g

G₁ = (5 * 0.4) * 10

G₁ = 20[N]

Na ramię przyjmuję rurę wg. PN - 80/H - 74219

średnica zew. D=80 [mm]

grubość ścianki g = 5[mm]

masa rury m = 3.15[kg/m]

długość rury l_r = 0.9[m]

masa rury m_r = l_r * m

m_r = 2.83 [kg]

G₂ = m_r * g

G₂ = 2.83 * 10

G₂ = 28.3 [N]

Dobór płyty na której będzie mocowany chwytak

Płyta wykonana ze aluminium o wymiarach 210 * 210 * 20

G₃ = m₃ * g

m₃ = V₃ * ρ

ρ = 2720 [kg/m³]

V₃ = 20 * 210 * 210 =9 * 10^-4[m³]

m₃ = 8.82 *10^-4 * 2720 = 2.41 [kg]

G₃ = 24.1 * 10 = 24.1 [N]

Przyjmuje mocowanie płyty na 4 śrubach M10 otwór pod śruby d =12 [mm]

Obliczenia dotyczące ramienia manipulatora

M_A R_A

A

G₂ G₁

L₂

L₁

Równania równowagi

ΣF_Y =0

R_A - G₁ - G₂ = 0 → R_A = G₁ +G₂ = 48. 3[N]

ΣM_A =0

- G₁ * L₁ - G₂ * L₂ + M_A = 0 → M_A = 45.47 [Nm]

Aby móc wytrzymałościowo zweryfikować ramię manipulatora moment bezwładności rury wyrażam przez grubość jej ścianki

Przyjmuję:

D = 6.75 * g

d = 4.75 * g

I_X = 76. 914 * g⁴

Obliczam moment gnący

M_A R_A

A

X₁ G₂ G₁

X₂

0 < X₁ < 0. 9

Mg(X₁) = R_A * X₁ - M_A

X₁ = 0 → Mg (0) = - M_A = - 45.47 [Nm]

X₁ = 0. 9 → Mg (0. 9) = R_A * 0. 9 - M_A = -2 [Nm]

0.9 < X₂ < 1

Mg (X₂) =R_A * X₂ - M_A - G₂ * (X₂ - 0. 9)

X₂ = 0. 9 → Mg (0. 9) = -2 [Nm]

X₂ = 1 → Mg (1) = 0 [Nm]

Stąd maksymalny moment gnący ma wartość

Mg_max = 45.47 [Nm]

Wyznaczenie wskaźnika wytrzymałości W_X dla ramienia manipulatora

e - najdalej oddalony punkt od osi X

= 3.375 * g

W_X = 22.789 * g³

Aby grubość ścianki rury była dobrana prawidłowo musi być spełniony warunek wytrzymałościowy

dla aluminium przyjmuję naprężenie dopuszczalne δ_dop =50[MPa]

stąd wyznaczamy grubość ścianki rury

wyliczona wartość g wynosi 3.41 [mm] i jest mniejsza od wartości grubości ścianki w dobranej rurze g = 5 [mm]

obliczenie ugięcia ramienia

Moduł Young'a dla stali ma wartość ( w [N/m²] ):

E = 200*10⁹

Natomiast osiowy moment bezwładności ( w [m⁴] )dla rury wynosi:

I_X = 76. 914 * g⁴

Równanie osi ugiętej przyjmuje następującą postać:

u =

Błąd pozycjonowania wynosi od 0.2 do 0.4 [mm],po podstawieniu wartości otrzymuję

u = 0,2782 [mm], czyli wartość mieści się w kryterialnej wartości błędu pozycjonowania.

Dobieram płytę mocującą siłownik.

Wymiary płyty 160 * 160 * 260 wykonana ze aluminium

ρ = 2710[Kg/m³]

m = V * ρ

V = 160 * 160 * 260 [m³]

V = 0.006656 [m³]

m = 0.006656 * 2710 [Kg]

m = 18.03 [Kg]

Dobieram wymiary prowadnic.

Przyjmuję na prowadnicę rurę wg. PN - 80/H - 74219

średnica zewnętrzna D = 24 [mm],

grubość ścianki g = 4 [mm],

masa rury wynosi 0.704 [Kg/m]

długość jednej prowadnicy l =0.85 [m]

masa jednej prowadnicy

m_pr = 0.85 * 0.704 [Kg]

m_pr = 0.59 [Kg]

masa czterech prowadnic

m_pr4 =4 * 0.59 [Kg]

m_pr4 = 2. 36 [Kg]

Dobór siłownika

F = (m_ch + m_prz + m_r + m_pł1 + m_pł2 ) * g

m_ch - masa chwytaka,

m_prz - masa przedmiotu manipulowanego,

m_r - masa ramienia,

m_pł1 - masa płyty na której mocujemy chwytak,

m_pł2 - masa płyty na której mocujemy siłownik.

F =( 5 + 0.4 + 2.83 + 2.41 + 18.03 ) * 10

F = 286.7 [N]

Dobór siłownika.

Dobieram siłownik pneumatyczny SWW 0876 - 73

Średnica tłoczyska D = 32 [mm],

Skok H = 250 [mm],

Maksymalna siła pchająca F = 491 [N],

Maksymalna siła ciągnąca F = 412 [N],

Masa siłownika m = 0.481 [Kg].

Sprawdzam siłownik z warunków na wyboczenie.

α = 0.7

F = 286.7 [N]

F_b = 1.5 * F = 430.05 [N]

L = 360 [mm]

L_s = α * L = 252 [mm]

Sprawdzam czy średnica tłoczyska przyjęta wg. Katalogu D = 32 [mm] spełnia warunek na wyboczenie.

E = 2 * 10⁵ [MPa]

s = (2.5 - 3)

K = F_b * s = 1075.125 [N]

tłoczysko i cały siłownik spełnia warunek na wyboczenie.

Obliczenia momentu napędowego w celu doboru napędu do obrotu manipulatora.

Moment bezwładności ramienia:

Moment bezwładności pręta pionowego:

Całkowity moment bezwładności prętów:

Moment bezwładności chwytaka:

Moment bezwładności całej konstrukcji:

Ic = Ir+ Ibp + Im [po obliczeniach] = 31. 91 [kg*m²]

Przyjmuję maksymalne przyspieszenie kątowe ε = 0,5 rad / s²

Moment napędowy jaki trzeba zadać aby uzyskać obrót wynosi:

Mn = Ic * ε =15.95 [Nm]

Przyjmuję jako napęd silnik wahadłowy DR - 50 - 180 - HN

Moment napędowy Mn = 20[Nm]

Obliczenia dla przekładni zębatej:

Przyjmuję następujące wartości dla koła dużego:

Moduł nominalny M = 4 [mm]

Liczba zębów koła dużego Zd = 40

Średnica podziałowa koła dużego Dpd = M.*Zd

Dpd = 160 [mm]

Wysokość głów i stóp zęba

H_a = y*M.

H_f = (y+0,25)*M.

[Gdzie: y- współczynnik korekcji zęba równy 1]

H_a= 4 [mm] H_f = 5 [mm]

Średnica stóp

D_f = Dpd - 2H_f D_f = 150 [mm]

Średnica głów

D_a= D+2H_a D_a= 168 [mm]

Dla koła małego:

Liczba zębów Zm = 16

Średnica podziałowa Dpm = 64 [mm]

Wysokość zęba jest taka sama jak zęba w kole dużym, a średnice stóp i głów:

D_a = Dpm + 2H_a D_a = 72 [mm]

D_f = Dpm - 2H_f D_f = 54 [mm]

Przełożenie przekładni :

i = Zd / Zm = 2.5

Dobór płyty dolnej.

Przyjmuje płytę wykonaną ze stali St5 o wymiarach:

300 * 300 * 50

masa płyty m_p = V * ρ

ρ = 7900 [Kg/m³]

V = 0.0045 [m³]

m_p = 7900 * 0.0045[Kg]

m_p = 35.55 [Kg]

Dobór płyty łączącej prowadnice

Przyjmuje płytę wykonaną ze aluminium o wymiarach:

300 * 300 * 15

masa płyty m_p = V * ρ

ρ = 2720 [Kg/m³]

V = 0.0027 [m³]

m_p = 2720 * 0.0027[Kg]

m_p = 7. 35 [Kg]

Dobór śrub fundamentowych.

L₁ =1000[mm], L₂ = 900 [mm], L₃ = 20 [mm], h₁ = 800 [mm], h₂ = 500 [mm],

h₃ = 380 [mm], h₄ = 25[mm],

G₁, B₁, O₁ - siły pochodzące od chwytaka z przedmiotu i płyty mocującej,

G₂, B₂, O₂ - siły pochodzące od ramienia,

G₃, B₃, O₃ - siły pochodzące od płyty mocującej siłownik,

G₄ - siła pochodząca od płyty mocującej prowadnice,

G₅ - siła pochodząca od siłownika

G₆ - siła pochodząca od płyty dolnej.

Siły ciężkości:

G₁ = 44.1[N], G₂ = 28. 3[N], G₃ = 180. 3[N], G₄ = 73.5[N], G₅ = 28.41[N], G₆ = 355.5[N]

Siły bezwładności:

Przyjmuję a₁ =1/6 [m/s²]

B₁ = m₁ * a₁ = 0.735 [N]

B₂ = m₂ * a₂ = m₂ * a₁ * L₂ / L₁ =0.42 [N]

B₃ = m₃ * a₃ = m₃ * a₁ * L₃ / L₁ = 0.06 [N]

Siły dośrodkowe

Przyjmuję V₁ = 1[m / s] oraz t = 6[s]

O₁ = m₁ * V₁² / L₁ = 4.41 [N],

O₂ = m₂ * V₂² / L₂

V₂ = a₁ * L₂ / L₁ * t = 0.9 [m/s]

O₂ = 2.54 [N],

O₃ = m₃ * V₃² / L₃

V₃ = a₁ * L₃ / L₁ * t = 0.02 [N]

O₃ = 0.36 [N]

Równania równowagi

Fx = O₁ + O₂ + O₃ = 7. 31[N]

Fy = - B₁ - B₂ - B₃ = - 1. 21[N]

Fz = - G₁ - G₂ - G₃ - G₄ - G₅ - G₆ = - 710.11[N]

Mx = B₁ * h₁ + B₂ * h₁ + B₃ * h₁ = 0.6 [Nm]

My = O₁ * h₁ + O₂ * h₂ + O₃ * h₁ = 4.46 [Nm]

Mz = - B₁ * L₁ - B₂ * L₂ - B₃ * L₃ = - 1.11[Nm]

Obliczenie siły wewnętrznych w śrubach

z = 4 a = 300 [mm] k = 1.5 μ = 0.1

F_st = a² = 0.09 [m²]

σ_N = Fz / F_st = 0.79 * 10⁴ [Pa]

Wx = Wy = a³ / 6 = 0.0045 [m³]

σ_gx = Mgx / Wx = 133 [Pa]

σ_gy = Mgy / Wy = 991 [Pa]

σ_w = σ_s + σ_N - σ_gx - σ_gy

σ_w > 0

σ_s + σ_N - σ_gx - σ_gy > 0

Q_w1 > k * (σ_gx + σ_gy - σ_N ) * Fst / z

Q_w1 > 228.7 [N]

Wo = 0.006 [m³]

Q_w2 >87.33 [N]

Q_wmax (Q_w1, Q_w2) = 228.7 [N]

Klasa śrub 8.8 kr = 320[MPa]

przyjmuję cztery śruby M10 wg. PN/85/M - 82 101

otwór pod śruby d = 11 [mm]

Dobór łożysk.

Orientacyjna masa czopa d = 80 [mm], L = 200 [mm], wykonany ze stali St 5

ρ = 7900 [Kg/m³], odległość między łożyskami s =160 [mm]

V_cz = 0.001 [m³]

m_cz = V_cz * ρ = 7.9 [Kg]

Reakcje w łożyskach.

R_AX + R_BX + O₁ + O₂ + O₃ = 0

R_AY + R_BY - B₁ - B₂ - B₃ = 0

R_AZ - G₁ - G₂ - G ₃ - G₄ - G₅ - G₆ =0

R_BY * s - B₁ * h₁ - B₂ * h₁ - B₃ * h₁ = 0

R_BX * s + O₁ * h₁ + O₂ * h₁ + O₃ * h₁ + G₁ * L₁ + G₂ * L₂ + G₃ * L₃ = 0

R_AX + R_BX + 7.31 = 0

R_AY + R_BY - 1.21 = 0

R_AZ -710.11 = 0

0.1 * R_BY - 0.6 = 0

1. * R_BX + 76.82 = 0

R_AX = 760.9 [N]

R_BX = - 768.2 [N]

R_AY = - 4.79 [N]

R_BY = 6 [N]

R_AZ = 710.11 [N]

Łożysko obciążone siłami promieniowymi i osiowymi

P_o = 0.5 * Fr + Y_o * Fa

Fr - siła promieniowa

Fr = 760.9 [N]

Fa - siła osiowa

Fa = R_AZ = 710.11 [N]

C_o - nośność dla czopa d = 50 [mm]

C_o = 13200 [N]

Y_o = 0.053 → Y_o = 1.55

P_o = 0.5 * Fr + 1.55 * Fa

P_o = 1481.1 [N]

Dobór łożyska dla czopa d = 50 [mm] łożysko 6010

D = 80 [mm], B = 16 [mm], C_o = 13200 [N]

Dobór łożyska obciążonego siłami promieniowymi

S_o = 2

R_B = 768.22 [N]

P_o = R_B = 768.22 [N]

C_o = S_o * P_o

C_o = 1536.44 [N]

Dobieram łożysko dla czopa d = 80 [mm] łożysko 6016

D = 125 [mm], B = 22 [mm], C_o =31800 [N]

Weryfikacja połączenia spawanego

Połączenie ramienia manipulatora z płytą na której zamocowany jest chwytak.

O₁ x

G₂ G₁

L

z

G₁,O₁ - siły pochodzące od chwytaka i przedmiotu,

G₂ - siła pochodząca od płyty

L = 0.1 [m], G₁ = 53 [N], G₂ = 24.1 [N]

O₁ = 24.1 [N]

W celu uwzględnienia obciążeń dynamicznych wprowadzam współczynnik wyrównawczy α zgodnie z PN/M - 06515, α = 1.25

G₁ = 66.25 [N], G₂ = 30.12 [N],O₁ = 30.12 [N]

Równania równowagi

Fx = O₁ = 30.12 [N]

Fy = 0

Fz = G₁ + G₂ = 96.37 [N]

Mx = 0

Mz = 0

My = G₁ * L = 6.62 [Nm]

Momenty bezwładności

D = 80 [mm], d = 70 [mm]

Jy = Jz = (π / 64) * (D⁴ - d⁴) = 9.8 * 10^-7 [m⁴]

J_o = Jy + Jz = 1.96 * 10^-6 [m⁴]

Wy = Wz =2.45 * 10^-5

Wo = 3.5 * 10^-4 [m³]

s =0.8, R =215 [MPa]

P - pole spoiny

P = 1.17 *10^-3 [m²]

Px = Py = Pz = P

τ_x = 0.025 [MPa]

τ_y = 0

τ_z = 0.082 [MPa]

Weryfikacja połączenia śrubowego.

Połączenie płyty dolnej

Równania równowagi

Fx = O₁ + O₂ + O₃ = 7. 31[N]

Fy = - B₁ - B₂ - B₃ = - 1. 21[N]

Fz = - G₁ - G₂ - G₃ - G₄ - G₅ - G₆ = - 710.11[N]

Mx = B₁ * h₁ + B₂ * h₁ + B₃ * h₁ = 0.6 [Nm]

My = O₁ * h₁ + O₂ * h₂ + O₃ * h₁ = 4.46 [Nm]

Mz = - B₁ * L₁ - B₂ * L₂ - B₃ * L₃ = - 1.11[Nm]

Obliczenie siły wewnętrznych w śrubach

z = 4 a = 300 [mm] k = 1.5 μ = 0.1

F_st = a² = 0.09 [m²]

σ_N = Fz / F_st = 0.79 * 10⁴ [Pa]

Wx = Wy = a³ / 6 = 0.0045 [m³]

σ_gx = Mgx / Wx = 133 [Pa]

σ_gy = Mgy / Wy = 991 [Pa]

σ_w = σ_s + σ_N - σ_gx - σ_gy

σ_w > 0

σ_s + σ_N - σ_gx - σ_gy > 0

Q_w1 > k * (σ_gx + σ_gy - σ_N ) * Fst / z

Q_w1 > 228.7 [N]

Wo = 0.006 [m³]

Q_w2 >87.33 [N]

Q_wmax (Q_w1, Q_w2) = 228.7 [N]

Klasa śrub 8.8 kr = 320[MPa]

przyjęta śruba M10 została dodrze dobrana ponieważ spełnia założone warunki.

12

---