POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH

WYDZIAŁ MECHANICZNY-TECHNOLOGICZNY

Podstawy Konstrukcji Maszyn

Projekt Manipulatora

Artur Pytel

AiR gr. IV

Sem. V

Spis treści

1. ZAŁOŻENIA PROJEKTOWO - KONSTRUKCYJNE

1. Opis działania str. 3

2. Pole możliwych rozwiązań str. 3

1.3 Kryteria Projektowe str. 4

2. KONCEPCJA MANIPULATORA

1. Wybrana koncepcja str. 5

2. Schemat gniazda robota str. 6

3. OBLICZENIA MECHANIZMU MANIPULATORA

1. Dane sytuacyjne str. 6

2. Dane konstrukcyjne str. 6

3. Obliczenie masy chwytanego przedmiotu str. 7

4. Obliczenia wytrzymałościowe poszczególnych ramion manipulatora str. 8

1. Obliczenia wytrzymałościowe ramienia I - go str. 8

2. Obliczenia wytrzymałościowe ramienia II - go str. 11

3. Obliczenia wytrzymałościowe ramienia III - go str. 14

5. Obliczenia momentów str. 17

1. Obliczenia momentów ramienia I -go str. 17

2. Obliczenia momentów ramienia II -go str. 18

3. Obliczenia momentów ramienia III -go str. 20

6. Dobór silników str. 21

1. Dobór pierwszego silnika str. 21

2. Dobór drugiego silnika oraz przekładni str. 22

3. Dobór trzeciego silnika oraz przekładni str. 24

7. Obliczenia połączenia śrubowego płyty fundamentowej przy pomocy metody naciskowej str. 25

8. Obliczenia spoiny pachwinowej łączącej korpus manipulatora z płytą podłogową

str. 27

1. Założenia projektowo - konstrukcyjne

1.1 Opis działania

Przedmiotem manipulacji jest półfabrykat w postaci walca. Średnica d jest równa jego wysokości H. Przedmiot ten jest obrabiany na obrabiarkach o wysokościach h₁ i h₂. Gniazdo robocze ma średnicę podaną jako D. Z góry określona została także masa chwytaka, jak i wymiary przedmiotu obrabianego.

Manipulator wykonywać będzie następujące operacje:

• uchwycenie obiektu z magazynu wejściowego,

• przemieszczenie obiektu przed uchwyt samocentrujący obrabiarki 1,

• wprowadzenie obiektu do uchwytu samocentrującego,

• obróbka obiektu (wykonuje obrabiarka 1),

• uchwycenie obrabianego przedmiotu przez manipulator,

• wysunięcie przedmiotu z uchwytu,

• przemieszczenie przedmiotu przed uchwyt obrabiarki 2,

• wprowadzenie przedmiotu w uchwyt samocentrujący,

• obróbka powierzchni (wykonuje obrabiarka 2),

• uchwycenie obrabianego przedmiotu przez manipulator,

• manipulacja przedmiotem,

• wsunięcie obrobionego przedmiotu do odbiornika

1.2 Pole możliwych rozwiązań

1.	2.

3.	4.

5.

1.3 Kryteria projektowe

Do wyboru rozwiązania konstrukcyjnego posłużyły następujące kryteria:

K1 - minimalna masa manipulatora

K2 - prostota działania i wykonania

K3 - modułowość budowy manipulatora

K4 - błąd pozycjonowania do 0,4 mm

K5 - minimalny koszt wykonania

K6 - zwartość konstrukcji

	K1	K2	K3	K4	K5	K6	ΣK	Wd	W1	W2	W3	W4	W5
K1	X	0,5	1	0,5	1	0,5	3,5	5	3	2	2	3	4
K2	0,5	X	1	0,5	1	0,5	3,5	5	3	2	3	2	4
K3	0	0	X	0,5	0,5	0,5	1,5	5	2	2	2	3	2
K4	0,5	0,5	0,5	X	1	1	3,5	5	3	2	3	3	4
K5	0	0	0,5	0	X	0,5	1	5	2	2	2	2	3
K6	0,5	0,5	0,5	0	0,5	X	2	5	3	3	3	4	3
								Sd	S1	S2	S3	S4	S5
								1	0,56	0,42	0,52	0,56	0,7

Na podstawie przeprowadzonej analizy wybieram wariant piąty.

2. Koncepcja manipulatora

2.1 Wybrana koncepcja

2.2 Schemat gniazda manipulatora

3. Obliczenia mechanizmu manipulatora

3.1 Dane sytuacyjne

Wysokość tulei	H = 80 - 120 [mm]
Średnica tulei	d = 70 - 90 [mm]
Wysokość uchwytu pierwszego	h1 = 900 [mm]
Wysokość uchwytu drugiego	h2 = 950 [mm]
Średnica rozstawienia obrabiarek	D = 6,2 [m]
Masa chwytaka	Mch = 5 [kg]
Długość chwytaka	Lch = 400 [mm]
Współczynnik bezpieczeństwa	N = 2
Przyspieszenie	1 [m/s^2]

3.2 Dane konstrukcyjne

Uwzględniając wymiary przedmiotu manipulacji i wymiary przewidywanych końcówek chwytnych przyjmuję następujące dane konstrukcyjne:

Długość I - go ramienia manipulatora	L1 = 1020 [mm]
Długość II - go ramienia manipulatora	L2 = 1700 [mm]
Długość III - go ramienia manipulatora	L3 = 1360 [mm]

3.3 Obliczam masę chwytanego przedmiotu

Chwytany przedmiot wykonany jest ze stali konstrukcyjnej 16M PN - 92/H - 84009 o ρ = 7,85 g/cm³.

3.4 Obliczenia wytrzymałościowe poszczególnych ramion manipulatora

3.4.1 Obliczenia wytrzymałościowe ramienia I - go.

Ramię manipulatora wykonane jest z kształtownika zamkniętego prostokątnego 150/50/10 BN - 75/0644 - 22. Materiał z którego wykonano kształtownik to aluminium EN AW - 2017A, PN - EN 573 - 3:1998.

3.4.1a Obliczam masę ramienia I - go.

ρ = 2,7 [g/cm³]

3.4.1b Obliczam strzałkę ugięcia ramienia I - go.

gdzie:

Q_ch - ciężar chwytaka

Q_p - ciężar chwytanego przedmiotu

Q_RI - ciężar własny ramienia I - go

Ostateczny wzór na strzałkę ugięcia ramienia I - go ma postać:

Moduł sprężystości dla aluminium EN AW - 2017A, PN - EN 573 - 3:1998 wynosi:

Moment bezwładności dla kształtownika zamkniętego prostokątnego obliczam ze wzoru:

gdzie:

B - szerokość zewnętrzna kształtownika

H - wysokość zewnętrzna kształtownika

b - szerokość wewnętrzna kształtownika

h - wysokość wewnętrzna kształtownika

Obliczam wartość strzałki ugięcia ramienia I - go.

3.4.2 Obliczenia wytrzymałościowe ramienia drugiego

Ramię manipulatora wykonane jest z kształtownika zamkniętego prostokątnego 150/50/10 BN - 75/0644 - 22. Materiał z którego wykonano kształtownik to aluminium EN AW - 2017A, PN - EN 573 - 3:1998.

3.4.2a Obliczam masę ramienia II - go.

ρ = 2,7 [g/cm³]

3.4.2b Obliczam strzałkę ugięcia ramienia II - go.

gdzie:

Q_R2 - ciężar własny ramienia drugiego

P₁ - siła P₁

Ostateczny wzór na strzałkę ugięcia ramienia II- go ma postać:

Moduł sprężystości dla aluminium EN AW - 2017A, PN - EN 573 - 3:1998 wynosi:

Moment bezwładności dla kształtownika zamkniętego prostokątnego obliczam ze wzoru:

gdzie:

B - szerokość zewnętrzna kształtownika

H - wysokość zewnętrzna kształtownika

b - szerokość wewnętrzna kształtownika

h - wysokość wewnętrzna kształtownika

Obliczam wartość strzałki ugięcia ramienia II- go.

3.4.3 Obliczenia wytrzymałościowe ramienia trzeciego.

Ramię manipulatora wykonane jest z kształtownika zamkniętego prostokątnego 150/50/10 BN - 75/0644 - 22. Materiał z którego wykonano kształtownik to aluminium EN AW - 2017A, PN - EN 573 - 3:1998.

3.4..3a Obliczam masę ramienia III - go.

ρ = 2,7 [g/cm³]

3.4.3b Obliczam strzałkę ugięcia ramienia III - go.

gdzie:

Q_R3 - ciężar własny ramienia drugiego

P₂ - siła P₂

Ostateczny wzór na strzałkę ugięcia ramienia III - go ma postać:

Moduł sprężystości dla aluminium EN AW - 2017A, PN - EN 573 - 3:1998 wynosi:

Moment bezwładności dla kształtownika zamkniętego prostokątnego obliczam ze wzoru:

gdzie:

B - szerokość zewnętrzna kształtownika

H - wysokość zewnętrzna kształtownika

b - szerokość wewnętrzna kształtownika

h - wysokość wewnętrzna kształtownika

Obliczam wartość strzałki ugięcia ramienia III - go.

Korzystając z metody superpozycji obliczam całkowitą strzałkę ugięcia manipulatora.

3.5 Obliczenia momentów

3.5.1 Obliczenia momentów ramienia pierwszego.

F_b1 - siła bezwładności chwytaka wraz z przedmiotem obrabianym

Q_ch - ciężar chwytaka wraz z przedmiotem obrabianym

F_br1 - siła bezwładności pierwszego ramienia

Q_r1 - ciężar pierwszego ramienia

L₁ - długość ramienia pierwszego

3.5.2 Obliczenia momentów ramienia drugiego.

F₁ - całkowita siła bezwładności pierwszego ramienia

Q₁ - ciężar ramienia pierwszego wraz z chwytakiem i przedmiotem obrabianym

F_bs1 - siła bezwładności pierwszego silnika

Q_s1 - ciężar pierwszego silnika

F_br2 - siła bezwładności drugiego ramienia

Q_r2 - ciężar drugiego ramienia

m_s1 - masa pierwszego silnika

L₂ - długość drugiego ramienia

3.5.3 Obliczenia momentów ramienia trzeciego.

F₂ - siła bezwładności dwóch pierwszych ramion

Q₂ - ciężar dwóch pierwszych ramion

F_bs2 - siła bezwładności drugiego silnika

Q_s2 - ciężar drugiego silnika

F_br3 - siła bezwładności trzeciego ramienia

Q_r3 - ciężar trzeciego ramienia

m_s2 - masa drugiego silnika

L₃ - długość trzeciego ramienia

3.6 Dobór silników

3.6.1 Dobór pierwszego silnika

W przypadku tym zastosowano komutatorowy silnik prądu stałego 48/25I wraz z przekładnią planetarna P52H

Specyfikacja:

• Przekładnia planetarna

• Stalowe koła zębate i oś wyjściowa

• Smarowanie dla przedłużenia żywotności

• Oś wyjściowa łożyskowana

• Obudowa stalowa

• Płaszczyzny zewnętrzne zrobione z aluminium

• Klasa ochrony IP54

Silnik wraz z przekładnią:
Liczba stopni przekładni		1	2	3
Maksymalny ciągły moment obrotowy	Nm	6	20	30
Maksymalny moment obrotowy (krótki moment)	Nm	15	30	40
Zalecana prędkość silnika	1/min	<3000	<3000	<3000
Dopuszczalne obciążenie osiowe	N	140	140	140
Dopuszczalne obciążenie promieniowe	N	310	310	310
Dopuszczalne obciążenie na oś	N	800	800	800
Maksymalny luz bez obciążenia przy przełożeniu 3	°	0,7 (0,25)	1,0 (0,5)	1,4 (0,67)
Temperatura pracy	°C	-15..+80	-15..+80	-15..+80
Masa	Kg	0.6	0.9	1,3
Długość	Mm	46,5	64	87
Silnik:	jedn	min	typ	max
Napięcie zasilające	V	6		42
Zakres obrotów	obr /min	1500		10000
Ciągły moment obrotowy	Ncm	5		8
Bezwładność	gcm^2		165
Mechaniczna stałą czasowa	ms		19
Żywotność przy normalnych warunkach pracy	h		3000
Dopuszczalne obciążenie osiowe na oś	N		40
Dopuszczalne obciążenie kątowe na oś	N		100

3.6.2 Dobór drugiego silnika oraz przekładni

Dla ramiona drugiego dobrano silnik o mocy Mn = 40 [Nm] o oznaczeniu E42 HMFx-LNK-NS-00 .

Mn = 40 [Nm]

Mo = 510,56 [Nm] moment potrzebny do wprawienia w ruch ramienia drugiego.

r_n - promień napędzającego koła pasowego.

r_o - promień napędzanego koła pasowego.

F_n - siła uzyskana na kole pasowym napędzającym.

F_o - siła uzyskana na kole pasowym napędzanym.

r₁ - promień napędzającego koła zębatego.

r₂ - promień napędzanego koła zębatego.

F₁ - siła uzyskana na kole zębatym napędzającym.

F₂ - siła uzyskana na kole zębatym napędzanym.

M - moment przenoszony przez koła zębate

Przyjmujemy r₁ = 0,01 [m]

Przyjmujemy r₂ = 0,05 [m]

Przyjmujemy r_n = 0,01 [m]

3.6.3 Dobór trzeciego silnika oraz przekładni

Dla ramiona trzeciego dobrano silnik o mocy Mn = 60 [Nm] o oznaczeniu E43 HMFx-LNK-NS-00 .

Mn = 60 [Nm]

Mo = 634,65 [Nm] moment potrzebny do wprawienia w ruch ramienia trzeciego.

r_n - promień napędzającego koła pasowego.

r_o - promień napędzanego koła pasowego.

F_n - siła uzyskana na kole pasowym napędzającym.

F_o - siła uzyskana na kole pasowym napędzanym.

r₁ - promień napędzającego koła zębatego.

r₂ - promień napędzanego koła zębatego.

F₁ - siła uzyskana na kole zębatym napędzającym.

F₂ - siła uzyskana na kole zębatym napędzanym.

M - moment przenoszony przez koła zębate

Przyjmujemy r₁ = 0,015 [m]

Przyjmujemy r₂ = 0,04 [m]

Przyjmujemy r_n = 0,015 [m]

3.7 Obliczenia połączenia śrubowego płyty fundamentowej przy pomocy metody naciskowej

Rx = O₁ + O₂ = 19,6 [N]

Ry = - B₁- B₂ = -4,9 [N]

Rz = -370,3 [N]

Mx = 2,95 [Nm]

My = 59,4 [Nm]

Mz = -3,57 [Nm]

3.7.1 Obliczam powierzchnię styku blach z podłożem

Fst = 0,1156 [m²]

3.7.2 Obliczam nacisk od sił ciężkości

δ_N = Rz/Fst = 3203 [Pa]

3.7.3 Obliczam nacisk wywołany działaniem momentów gnących Mx, My

δ_gx = Mgx/Wx = 450 [Pa]

δ_gy = Mgy/Wy = 9068 [Pa]

Liczba bezpieczeństwa k = 1.5

Liczba śrub z = 4

3.7.4. Obliczenia rdzenia śruby

Granica plastyczności dla śruby Re = 180Mpa, dla śrub klasy 3.6 wg. PN/M-85061

Współczynnik bezpieczeństwa x = 2

kr = Re/x = 90 [Mpa]

Przyjmujemy śruby M10, gdyż jest to najmniejsza śruba fundamentowa.

3.8 Obliczenia spoiny pachwinowej łączącej korpus manipulatora z płytą podłogową

3.8.1 Moment bezwładności dla przekroju kwadratowego względem osi głównej

Ix = 3,25*10^-6 [m⁴]

Iy = Ix

3.8.2 Biegunowy moment bezwładności

I₀ = Ix + Iy = 6,5*10^-6 [m⁴]

3.8.3 Wskaźniki wytrzymałości na zginanie

Wx = 5*10^-5 [m³]

Wy = Wx

W₀ = 0,359*10^-4 [m³]

3.8.4 Obliczenia naprężeń wywołanych przez siły i momenty

Współczynnik wytrzymałości spoiny s = 0,8

Wytrzymałość obliczeniowa R = 215 [Mpa]

Px = 1,5*10^-3 [m²]

Py = Px

P = 3*10^-3 [m²]

Weryfikacja najbardziej obciążonego punktu spoiny

Zgodnie z PN/B - 03200

Na podstawie powyższej weryfikacji można stwierdzić, że połączenie spawane w postaci spoiny pachwinowej wokół podstawy korpusu robota wytrzyma obciążenie robocze.

Podstawy Konstrukcji Maszyn - Projekt Manipulatora

21

Artur Pytel AiR IV sem V

---