AKADEMIA GÓRNICZO  HUTNICZA
im. Stanisława Staszica w Krakowie
Elementy wykonawcze robotów
Projekt techniczny chwytaka 10
Dawid Maślankiewicz
Grupa D24B IMIR
1
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
w =� 3n -� 2 p5 -� 2 p4 =� 3��9 -� 2��13-� 0 =� 27 -� 26 =�1
p5 : (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)
2
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
3
Rys. Reprezentacja rysunkowa skrajnych położeń chwytaka
D�x - 40mm, wartość skoku suwaka została przyjęta zgodnie ze skokiem
typowych siłowników.
dmax -�100mm
dmin -� 40mm
Maksymalny ciężar obiektu transportowanego obliczono ze wzoru:
2
p� dmax
Qmax =� lmaxg�
4
lmax[m]- max długość chwytanego przedmiotu
g�[N / m3] - ciężar właściwy materiału transportowanego
3,14��0,12
Qmax =� ��0,05��78500 =� 30,81125
4
Fchmax
Wyznaczenie maksymalnej koniecznej siły chwytu i minimalnego
wymiaru szczęki :
Dane :
4
dmax =�100mm
Qmax � 31N
m� =� 0, 2
n =� 2
2g� =�134o
a) b)
Układ sił działających na chwytak:
a) rozkład sił tarcia podczas chwytania obiektu
b) rozkład sił normalnych podczas chwytania obiektu
Wyznaczenie siły uchwytu :
Fch =� 2N cos(90o -� g� )
Fch Fch
N =�=�
2cos(90o -� g� ) 2sin g�
Fch �� m�
T =� m�N =�
2sin g�
5
Dla prawidłowego uchwycenia transportowanego elementu musi być spełniony
warunek:
2Fch �� m� Q��nsing� 15,68��2��sin(67)
4T =� ł� Q��n stąd siła uchwytu Fch ł� ł� ł� 73N
sing� 2m� 2��0,2
Qmax ��nsing� 31��2��sin(67)
oraz Fchmax ł� ł� ł�143N
2m� 2��0,2
Wyznaczenie minimalnego wymiaru szczęki :
d
tgg� =�
2emin
d 80
emin =� =� =� 17mm
2tgg� 2��tg(67)
dmax 100
emin_ max =� =� =� 22mm
2tgg� 2��tgg�
e >� emin
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
6
wymagane przy dalszej pracy)
Klasa odporności na korozję KBK 2
Temperatura otoczenia -20 ... 80 �C
Maks. energia uderzenia w położeniu 0.4 J
końcowym
Siła teoretyczna przy 6 bar, skok 415 N
powrotny
Siła teoretyczna przy 6 bar, wysuw 483 N
Przemieszczana masa przy 0 mm 49 g
skoku
Ciężar dodatkowy na 10 mm skoku 40 g
Ciężar podstawowy dla 0 mm skoku 300 g
Dodatkowy współczynnik masy na 10 9 g
mm skoku
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
7
Symulacja komputerowa przesunięcia szczęk chwytaka w zależności od wysuwu
bądz
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
8
Przy ruchu tłoczyska o 40mm szczęki przesuwają się o 2x43=86mm
9
Metoda analityczna
y : -�l1 -� l4 +� l2 sinj�2 +� l3 sinj�3 =� 0 a =� -�l1 -� l4
x : x -� l5 +� l2 cosj�2 +� l3 cosj�3 =� 0 b =� x -� l5
a +� l2 sinj�2 +� l3 sinj�2 =� 0
��
��b +� l2 cosj�2 +� l3 cosj�3 =� 0
��
l2 -�a
��
��l sinj�2 =� l3 -� sinj�3 /2
��
3
��l
-�b
2
��
cosj�2 =� -� cosj�2 /2
��
l3
��l3
��ć� l2 ��22
ć� ��
a a
���� �� sin2 j�2 =� +� 2 sinj�3 +� sin2 j�3
�� ��
l3 l3
��Ł� l3 ł�
Ł� ł�
+�
��
22 2 2 2
��ć� �� ć� �� ć� �� ć� �� ć� ��
l2 b b l2 a b
cosj�2 =� +� 2 cosj�3 +� cos2 j�3 c =� -� -�
�� �� �� ��
�� �� �� �� �� �� ��
l3 l3 l3 l3 l3 l3
Ł� ł� Ł� ł� Ł� ł� Ł� ł� Ł� ł�
��
2 2 2
ć� �� ć� �� ć� ��
l2 a b a 2b
=� +� +� 2 sinj�3 +� cosj�3 +�1
�� �� �� �� �� ��
l3 l3 l3 l3 l3
Ł� ł� Ł� ł� Ł� ł�
cl3 l3 l3
-� asinj�3 -� bcosj�2 -� =� 0 d =� c -�1
(� )�
22 2
10
d -� asinj�3 =� bcosj�3
2
d -� 2dasinj�3 +� a2 sin2 j�3 =� b2 cos2 j�3
cos2 j�3 =�1-� sin2 j�3
2
sin2 j�3 a2 +� b2 -� 2dasinj�3 +� d -� b2 =� 0
(� )� (� )�
sinj�3 =� t
2
a2 +� b2 t2 -� 2adt +� d -� b2 =� 0
(� )� (� )�
Następnie za pomocą oprogramowania matlab liczymy pierwiastki równania
kwadratowego :
t1 =� sinj�3 t2 =� sinj�3
j�31 =� asin t1 j�32 =� asin t2
Y =� sinj�4
j�4 =� j�3 -�180o -�a�
Przy wysuwie siłownika o 25mm uzyskaliśmy przesunięcie ramienia chwytaka o
wartość, którą przedstawia rysunek poniżej
11
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.
12
13
4. Wyznaczenie charakterystyki prędkościowej
chwytaka
Symulacja komputerowa prędkości szczęk i drugiego wybranego punktu w
programie SAM. Prędkość tłoczyska  15mm/s
14
Metoda grafoanalityczna obliczenia prędkości chwytaka (F) oraz punktu B
15
VB =� VA +�VBA
^�BC ^�AB
IIA-� A
VA 15
Przyjmujemy podziałkę rysunkową kv =� =� =� 0,5
(VA) 30
mm
VB =� kv ��(VB ) =� 0,5��11,39 =� 5,695
s
VB 5,695
w�3 =� =� =� 0,316
BC 18,03
w�4 =� w�3
VD =� w�4 ��CD =� 0,316��55,9 =� 17,657
mm
VD =� VE =� VF =�17,657
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
16
 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
Fch
Charakterystyka siłowa (przełożenie siłowe) chwytaka fF x =�
(� )�
Fs
Gdzie Fs - siła na wyjściu zespołu napędowego
Fch - siłą uchwytu
Metoda analityczna :
Analiza sił w grupie strukturalnej :
17
MC =� R23 ��l3 ��cosa� -� Fch ��l4 ��cos b�
73��55,9��cos 10,3
Fch ��l4 ��cos b� (� )�
R23 =� =� =� 227,5717
l3 ��cosa� 18,03��cos 11,9
(� )�
Analiza sił dla członu napędzającego :
R21x =� R21 ��cosa� =� 227,5717��cos68,2 =� 84,5127N
R21y =� R21 ��sina� =� 227,5717��sin 68,2 =� 211,2971N
Siły reakcji na przegubach A oraz A będą takie same. Więc całkowita siła
równoważąca Fs wynosi :
2�� R21x =� 2��84,5127 =�169,0254N
Charakterystyka siłowa wynosi :
Fch 73��2
fF x =� =� =� 0,8638
(� )�
Fs 169,0254
Sprawdzenie charakterystyki siłowej metodą mocy chwilowych :
Równanie mocy chwilowych dla chwytaka :
F �� x +� 2F �� y =� 0 stąd Fs �� x -� 2Fch �� y =� 0
s ch
18
2Fch �� y 2��73��17,36842
Fs =� =� =�169,0526N
x 15
Wyznaczenie siły przy pomocy symulacji komputerowej SAM :
Porównanie wyników :
Analitycznie Metoda mocy Program SAM
chwilowych
169,0254N 169,0526N
169,05263
Dobrany wcześniej siłownik spełnia wymagania siłowe.
19
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
20
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
Mgmax =� Fch �� DF =� 73��50 =� 3650Nmm =� 0,00365Nm
Przyjmujemy prostokątny przekrój ramienia chwytaka o wskaz
niku
wytrzymałości na zginanie :
21
bh2
Wg =�
6
Warunek wytrzymałości na zginanie ramienia chwytaka ma postać :
Mg max 6�� Fch �� DF
s�g max =� =� Ł� kg kg - warunek wytrzymałości materiału na zginanie
Wg bh2
6�� Fch �� DF
Ł� kg
bh2
6��3650
Ł� 141MPa
10�� 42
136MPa Ł� 141MPa
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
Ft max 4Fch
t�max =� =� Ł� kt
2
A p� d
4�� 265
Ł� 68, 25
p� �� 42
21,09 Ł� 68, 25
Symulacja komputerowa ramienia chwytaka
22
Przy przyłożeniu siły 73 N maksymalne odkształcenie wyniosło 0,132 mm
natomiast maksymalne naprężenie 247 MPa
23
8. Obliczenie wymaganych parametrów napędu
pneumatycznego chwytaka.
Rys. model siłownika pneumatycznego dwustronnego działania
p� D2
Teoretyczna siła pchająca cylindra pneumatycznego Ptp =� pn
4
p� D2 -� d2
(� )�
Teoretyczna siła ciągnąca napędu pneumatycznego Ptc =� pn
4
Gdzie pn =� 0,6MPa ciśnienie nominalne zasilania
Zasada doboru siłownika : Pt ł� PW =� k �� Fsmax
Pt - teoretyczna siła pchająca lub ciągnąca siłownika
PW - obliczona wymagana siła na tłoczysku
k =�1,2 ��1,5 - współczynnik przeciążenia
Fs max - maksymalna siłą na tłoczysku siłownika potrzebna do uzyskania
niezbędnej siły uchwytu
Pt ł�1,5��170N ł� 255N
Dobrany wcześniej siłownik spełnia powyższe wymaganie.
24
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.
25