Politechnika Śląska

Wydział Mechaniczny Technologiczny

Mechanika i Budowa Maszyn

Semestr IV, Grupa III

PROJEKT I KONSTRUKCJA

MANIPULATORA

Skutnik Tomasz

PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN

Założenia projektowo konstrukcyjne.

Opis istoty działania.

Przedmiotem manipulacji jest półfabrykat walca o średnicy d i wysokości h jak na rysunku l.

rysunek 1

Walec po obróbce przedstawiono na rysunku 2.

rysunek 2

Konstruowany manipulator wykonuje następujące operacje:

1. Uchwycenie walca z pojemnika.

2. Manipulacja przemieszczanym obiektem.

3. Przemieszczenie obiektu przed uchwyt samo centrujący obrabiarki.

4. Wprowadzenie obiektu do uchwytu samo centrującego.

5. Obróbka powierzchni A,B i C przez obrabiarkę I.

6. Uchwycenie przedmiotu obrobionego przez manipulator.

7. Zluzowanie szczęk uchwytu samo centrującego przez obrabiarkę I.

8. Wysunięcie przedmiotu z uchwytu.

9. Manipulacja przedmiotem.

10 Przemieszczenie przedmiotu przed uchwyt samo centrujący obrabiarki n.

11. Wprowadzenie przedmiotu obrabianego w uchwyt samo centrujący.

12 Uchwycenie przedmiotu przez obrabiarkę II.

13. Obróbka powierzchni E i D przez obrabiarkę II.

14. Uchwycenie przedmiotu obrobionego przez manipulator.

15. Zluzowanie szczęk uchwytu samo centrującego przez obrabiarkę II.

16. Wysunięcie przedmiotu z uchwytu.

17. Manipulacja przedmiotem.

18. Przemieszczenie przedmiotu obrabianego przed uchwyt obrabiarki I.

19. Wprowadzenie do uchwytu.

20. Uchwycenie przedmiotu przez obrabiarkę 1.

21. Obróbka powierzchni F i G przez obrabiarkę l

22. Uchwycenie przedmiotu obrobionego przez manipulator.

23. Zluzowanie szczęk uchwytu samo centrującego przez obrabiarkę I.

24. Wysunięcie przedmiotu z uchwytu.

25. Manipulacja przedmiotem.

26. Wsunięcie obrobionego przedmiotu do magazynu.

Obrabiarki to tokarko-frezarki numeryczne o osiach pionowych jak na rysunku 3.

Czasy obróbki w poszczególnych operacjach wynoszą t1, t2, t3.

obrabiarka l obrabiarka II

rysunek 3

Dane sytuacyjne.

Obrabiarka I posiada uchwyt na wysokości h1, natomiast obrabiarka II na wysokości H2.

Obrabiarki są rozstawione na okręgu o średnicy D. Przykładowe rozmieszczenie pokazano na rysunku 4.

rysunek 4

Dane ilościowe.

Wymiary półfabrykatu:

h =90 [mm]

d = 120 [mm]

masa chwytaka:

mch=5 [kg]

D = 5 [m]

H1, = 700 [mm]

H2=1500[mm]

t1 = 60 [s] t2=72[s] t3=68[s]

tworzywo półfabrykatu: 18G2A - stal o zawartości 0,18 C

prędkość manipulatora 1m/s

Zadania do wykonania.

1. Przeprowadzić analizę czasowo-ruchową w celu wykonania cyklogramu.

2. Przeprowadzić analizę kinematyczną manipulatora i przeprowadzić optymalne rozmieszczenie obrabiarek i magazynów.

3. Opracować po trzy różne koncepcje napędu ruchu manipulatora.

4. Spełniając kryteria dokonać wyboru koncepcji do realizacji w procesie projektowo-konstrukcyjnym.

5. Dobrać cechy konstrukcyjne układu realizującego ruch I i II, gdzie ruch I jest to obrót manipulatora w poziomie, a ruch II jest to ruch przedmiotu w pionie.

6. Sporządzić rysunek złożeniowy manipulatora oraz rysunek wykonawczy ustroju nośnego realizującego ruch I.

	X	k1	k2	k3	k4	k5	k6	k7	k8	k9	gi	W1	W2	W3	WiD
	k1	X	1	1	0,75	0,25	0,5	0,5	0,75	0,5	5,25	4	3	3	5
	k2	0	X	0,5	0,5	0	0	0	0	0	1	4	3	2	5
	k3	0	0,5	X	0	0	0	0	0	0	0,5	5	3	2	5
	k4	0,25	0,5	1	X	0,5	0,5	0,5	0,75	1	5	4	2	2	5
	k5	0,75	1	1	0,5	X	0,75	1	0,75	1	6,75	5	3	3	5
	k6	0,5	1	1	0,5	0,25	X	0,75	0,75	1	5,75	4	3	3	5
	k7	0,5	1	1	0,5	0	0,25	X	0,75	0,75	4,75	3	3	1	5
	k8	0,25	1	1	0,25	0,25	0,25	0,25	X	0,5	3,75	3	2	2	5
	k9	0,5	1	1	0	0	0	0,25	0,5	X	3,25	4	3	2	5
											Gwgj	142,75	99,25	85	180
			KRYTERIA								Wgj	0,7931	0,5514	0,4722	1
											%	79,306	55,139	47,222	100
K1- MINIMALNA MASA MANIPULATORA K2- MINIMALNA DŁUGOŚĆ RUCHÓW JAŁOWYCH K3- MINIMALNY CZAS POSTOJU OBRABIAREK K4- PROSTOTA DZIAŁANIA I WYKONANIA MANIPULATORA K5- ZAPEWNIĆ MODUŁOWI MECHANIZMU RUCHU OBROTU I RUCHU PIONOWEGO MANIPULATORA K6- BŁĄD POZYCJONOWANIA OD 0,2-0,4 mm K7- DUŻA SZTYWNOŚĆ UKŁADU K8 -MAKSYMALNY STOPIEŃ WYKORZYSTANIA ELEMENTÓW ZNORMALIZOWANYCH I STYPIZOWANYCH K9- TRWAŁOŚĆ UKŁADÓW PRZEGUBOWYCH T >=20000 h.

Wariant napędu pneumatycznego Wariant napędu elektrycznego






Schemat realizowanego manipulatora

Masa chwytanego przedmiotu

V =3,14*60²*90

V =3,14*3600*90

V =1017,360 [cm³]

18G2A ς= 6,88 [g/cm³]

m=V*ς

m=1017,36*6,88

m= 6999,4368 [g]

m= 6,99 [kg]

m≈ 7[kg]

Ciężar chwytanego przedmiotu

Qp=7*9,81

Qp=68,67

Ciężar chwytaka

Qch= 5 * 9,81

Qch=49,05 [N]

Masa chwytaka +masa przedmiotu obrabianego

F=(49,05 +68,67)=117,6 kg

Kształtownik zamknięty [75*75*4] długość l =,2[m] wg BN-79/0656-01

Moment bezwładności => 86,63 [cm⁴]

Moduł Younga 2*10⁵ Mpa

Wskaźnik wytrzymałości 23,10 [cm³]

Promień bezwładności 2,85 [cm]

Pole przekroju 10,66 [cm²]

Masa 8,37 kg/m

Kształtownik zamknięty [100*100*6] długość l =1[m] wg BN-79/0656-01

Moment bezwładności => 299,5[cm⁴]

Moduł Younga 2*10⁵ Mpa

Wskaźnik wytrzymałości 59,91 [cm³]

Promień bezwładności 3,77 [cm]

Pole przekroju 21,10 [cm²]

Masa 16,56 kg/m

Wyboczenie

Xw =2 k=Π ² L=1m

Q=33,12*2*9,81=650 [N]

R=Q+F=650+117,6=26,5 [N]

Fkr=k*EI/ L² [N] =>k=Π ² /4=2,46

Fkr=2,46* (2000*299,5 /2)= 736770 [N]

F≤Fdop = Fkr / Xw= 736770/2=368385

wb -wspolczynnik bezpieczeństwa

753≤368385

F≤Fdop warunek został spełniony




Momenty gnące

Mg1= -F*L==101,5*1=-117,6 [Nm]

Mg2= -F*2L-Q*L=117,6*2-650*1=-885,2 [Nm]

Mg_max=885,2 [Nm]

δ_max ≤ δ_dop dla 18G2

δ_max≤Mg_max/(w₂=w_x)=49,407114= 4,9 [Mpa]

δ_max ≤ δ_dop

warunek został spełniony

Warunek smukłości

λ≥λgr

λ=l_w / i_min

gdzie: lw-długość wyboczeniowa

lw=μl

μ-współczynnik zależny os sposobu podparcia

i_min -najmniejszy prom.bezwł. i=√(δ_min) /A

lo=2*1 = 2 [m]=200 [cm]

l_min=299,5 A=21,1

i_min =√(299,5) /21,1=3,767

λ=200/3,767=53,09

λgr=π√E/Rh

Rh- współczynnik proporcjonalności

λgr=3,14*√(200000/740)

λgr=51,647

λ≥ λ gr

53,092≥ 51,647 =>warunek spełniony

Strzałka ugięcia




∑Fix=0 ;P=0

∑Fiy=0 ;R-Q-F=0 R=Q+F

Mg1=-Fx1

Mg2=-F(x2+l)

δMg1 /δF=x1

δMg2 /δF=(x2+l)

1. ∫-Fx1²dx1=-F*(x³/3) ₀│^L=F*(L³/3)

2. ∫ L -F(x2+L)² -Q(x2²+x2*L)dx2=∫(L-F(x2²-2xL-L²)-Qx²-Qxl)dx=

=(-F*(x³/3)-2F*L*(x²/2)-F*L²x-Q*(x³/3)-Q*l*(x²/2))=

(1)+(2)

=F*(2*L³/6)+F*(L³/3)+Q*(5L³/6)=

=F*(8L³/6)+Q*(5L³/6)

U= 1/EI((F*(3L³/2)+(Q*(5L³/6))

U=(1/(2000*1486))*(152,25+541,66)=0,000233176=0,23 [mm]

Dobór siłownika

ach=0,5 [m/s²]

Qch=49,05 [N]

F=(49,05 +68,67)=117,6kg

Q=mr*9,81=650 [N]

B1=mch*ach=5,175

B=mr*a2=0,25*33,12=8,3 [N]

R=650+117,6+5,175+8,3=781,075 siła

dla: T=U*R=0,11*781,075=85,91825

Siłownik DNU-63-320PPV-A DIN ISO 6431

Dobór łożysk

Siły nacisku

G1=m1*9,81=117,6 [N]

G2=m2*9,81=325 [N]

Siły bezwładności

B1=m1*a1=0,5*10,5=5,175 [N]

B2=m2*a2=0,25*33,12= 8,3 [N]

Siły odśrodkowe

O1=m1*(V1²/2*L1)=10,35*12/2*L1=5,175 [N]

O2= m2*(V2²/2*L1)=33,2*0,5²/1=8,3 [N]

Reakcje w łożysku

Rax+Rbx+O1+O2=0 => Rax=5086,525 [N]

Ray+Rby-B1-B2=0 => Ray=5113,475 [N]

Raz=G1-G2 =0 =>Raz=427,2 [N]

Rby*s2-B1*s1-B2*s2=0 =>Rby=89,8 [N]

Rbx*s2+O2*s1+O1*s1+l2*l1+G1*2l1=0 =>Rbx 5100[N]

Dobór łożysk

Obliczenia siłami promieniowymi (pkt B)

Rb=√Rbx²+Rby²

Rb=5100,79 [N]

Co=So*Pc=2*5100,75=10201 [N] =>Po=2

Po-współczynnik zabezpieczający łożyska przed odkształceniem trwałym

Po=Rb=5100,79 [N]

Obciążonymi siłami promieniowymi (pkt.A)

Po=0,5 Fr*Yo*Fa [N]

Fa=Rz=427,2 [N]

Fr=√(Rax²+Ray²)=7212,5 [N]

Fa/Co=427,2/2*8300=0,0257 walec

współczynnik Yo przyjmuje wartość Yo=0,46

Po=0,5*Fr+0,46*Fa=0,5*7212,5+0,46*427,2=3802,5 [N]

Co=2*Po=7604 [N] rozpatruje wybrane łożysko

P =Fr=78,5

L=16660/10(L/p)³*(10660/721,25)³=21506=21,9 tys godz

Łożyska obliczone siłami promieniowymi i osiowymi (pkt A)

P=x*Fr*Y*Fa

F/Fr=4272/7212=0,094

Dla tej wartości współczynniki wynoszą x=0,44 y=1,47

P=0,44*7212,5+1,47*427,2=3804,125

Nośność dynamiczna pary łożysk skośnych lp=1,63*1

L=16660/10(1,63*8300/3804)=74946,3630=74 tyś godz

Połączenia śrubowe

a1=0,5 [m/s²]

a2=025 [m/s²]

B1=5,175 [N]

B2=8,3 [N]

V1= 1 [m/s]

V2= 0,5 [M/s]

O1=5,175 [N]

O2=8,3 [N]

Rx=O1+O2=13,475 [N]

Ry=-B1-B2=-13,475 [N]

Rz=-G1-G2=-325,7-117,6=-443,3

Mx=B1*s1+B2*s1=5,125+8,3=13,143 [Nm]

My=O1*s1+G1*2l+O2*s1+g*l=764 [Nm]

Mz=-B1*2l -B2*l=-5,171*2-10,35=-18,65 [Nm]

Obliczenia sił wewnętrznych w śrubach

Qs=2*Qw1/Fsr

z-ilość śrub =4

Qw1- siła w śrubie 1

Fst-powierzchnia styku blach

Fst=a*a=0,9216 m²

Qr=nacisk sił ciężkości

Qr=Rz/Fst=427,2/0,9216=463,3 [Pa]

Qgx=Mgx/Wx=13,147/0,78257=91,38

Qgy=Mgy/Wy=764/a*a=5181,2 [Pa]

Warunek wytrzymałości

Qu≥0

Qu1≥k(QgxQgy-Qn)Fst/z=15(91,38+463,3+51881,2)*0,9116/4=1982

Qw1≥1982 [N]

(Qw2*2*Rz)*μ≥k(√(Rx²+Ry²)+Mz/Wo*Fst)

Qw2 ≥ (k(√(Rx²+Ry²) +Mz/Wo*Fst)-Rz*μ) /2*M

Wo=a*a/b*√a²*a²=0,184457571

Qw2≥105,52345 [N]

Qw=max[Qw1,Qw2]=Qw1=1982 [N]

Q=Qw/s ≤kr

S=π d²/4

dmin=√4/Qu / π kr

dla materiału śruby naprężenie dop Re=180 Mpa

dla śrub klasy 3.6 wg PN/M-85-061 i współczynnika bezpieczeństwa x=2 może się zmieniać (1,3:2,5)

kr=Re/x=180/2=90 Mpa

dmin=√4*1982/π kr=5,2952 mm

Przyjęto śrubę M10

Połączenia spawane

S=a*l

A*h*cos45^o≈0,7h

A<33:15> mm

H=3mm

A=2,1 mm

S=134,4mm²

τt=480/5=2,5 MPa

2,5 MPa ≤ 182 MPa

War. Spełniony

37303≤1500*0,65

war. Speł

Siłownik I

τg=lw/wx=3Pc/a*b²

τmax=√(τg²+τp) ≤k

τp=P/2Fs=P/2a*b

b=35

c=36

a≥(P/b*k)*√(g*c²/b²+1/4)

k=0,65 kr=0,65*(Re/Xs)

Xs=2,5 Re=240 MPa

k=0,65*(Re/Xs)=62,4 Mpa

a≥623/35*62,4*√(g*36²/35²+1/4)

=0,285*√9,521+0,25=0,8917 mm

Siłownik II

B=50

C=50

a≥1204/50*62,4*√(g*50²/50²+1/4)=

=0,3858*3,04138=1,17

Siłownik obrotowy

Moment=A*B3+0,5*B4

B3=a3*m3=39,12

B4=04*m4=22,6

=m*39,12N+0,5m*22,6N=39,12Nm+1,13Nm=50,42Nm

Dobrany z katalogu DrQ 80-18PPV-A

---