Politechnika Śląska
w Gliwicach

PODSTAWY KONSTRUKCJI MASZYN

Projekt typoszeregu chwytaków

Radosław Jabłoński

Grupa 2

Semestr: IV

Kierunek: Automatyka i Robotyka

Wydział: Mechaniczny Technologiczny

1. Założenia projektowo – konstrukcyjne

Należało opracować uporządkowaną rodzinę konstrukcji w postaci typoszeregu chwytaków. Podstawowe relacje realizowane przez chwytak to: uchwycenie, trzymanie i uwolnienie, przemieszczenie obiektu. Sposób unieruchomienia obiektu zaś miał być siłowo – kształtowy, za pomocą końcówek chwytnych.

Dane ilościowe:

Obiektami manipulowanymi są przedmioty w postaci walców, których zakresy zmienności wartości dla tworzonego typoszeregu chwytaków są następujące:

• rodzaj tworzywa: miedź

• zakres zmienności średnic: d_min = 20 [mm]

d_max = 42 [mm]

• względne rozchylenie: k = ±10 [%]

• zakres zmienności długości: H_min = 35 [mm]

H_max = 70 [mm]

• ciśnienie zasilające: p_z = 6 [bar]

• maksymalny wysięg robota: R = 1,26 [m]

• maksymalna prędkość obrotowa: ω = 1,7 [rad/s]

• maksymalna prędkość liniowa: _Vr = 4 [m/min]

kRYTERIA WYBORU NAJLEPSZEJ KONSTRUKCJI:

K1 - Maksymalna zwartość konstrukcji chwytaka,

K2 - Minimalna masa,

K3 - Minimalna liczba elementów,

K4 - Maksymalna liczba elementów dobranych (katalogowych, znormalizowanych),

K5 - Prostota montażu,

K6 - Prostota montażu chwytaków w kiści robota,

K7 - Zapewnienie prostoliniowości ruchu końcówek chwytnych,

K8 - Stabilna charakterystyka statyczna przemieszczeniowa i siłowa,

K9 - Stałość lub wzrost siły przy wzroście średnicy przemieszczanego obiektu,

K10 - Czas chwytania,

zadania do wykonania:

1. Przeprowadzić analizę literaturową oraz internetową

http://www.gemotec.com/

http://www.gimatic.com/

http://www.norgren.com/

http://www.schunk.com/home.html

1. Opracować pole możliwych rozwiązań chwytaków o ruchu kleszczowym oraz imadłowym

2. Przeprowadzić optymalizację metodą punktową w zakresie:

   • układu napędowego

   • układu przemieszczenia

   • układu przemieszczenia końcówek chwytnych

3. Uszczegółowić wybrane rozwiązanie konstrukcyjne

4. Zunifikować cechy charakterystyczne chwytaka

5. Opracować wzorcową konstrukcje chwytaka z wyszczególnieniem typowych postaci konstrukcyjnych elementów oraz układów wymiarów

6. Opracować graf relacji sprzężeń chwytaka

7. Przedstawić charakterystykę siłową i przemieszczeniową wzorcowej konstrukcji chwytaka

8. Opracować algorytm a następnie program doboru ilościowych cech konstrukcyjnych dla typowej postaci konstrukcyjnej, z zastosowaniem operatorów: geometrycznych, wytrzymałościowych, elementów dobieranych, procesu wytwórczego, podobieństwa konstrukcyjnego, wymiarów sprzężonych

9. Wyszczególnić konstrukcje elementów i utworzyć ich rysunki katalogowe

10. Utworzy założenia wybranego chwytaka

11. Przeprowadzić symulacje działania chwytaka

2. POLE RozwiązaŃ KONSTRUKCYJNYCH

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

3. KRYTERIALNY Wybór rozwiązania konstrukcyjnego

X	K1	K2	K3	K4	K5	K6	K7	K8	K9	K10	Suma Ki	W1	W2	W3	W4	W5	W6	W7	W8	W9	W10	Wi
K1	X	0,5	0	0	0	0,5	0	0	1	0	2	2	1	1	0	1	2	2	2	1	2	3
K2	0,5	X	0	0	0	0,5	1	0,5	0,5	0,5	3,5	1	2	1	1	0	1	1	1	1	1	3
K3	1	1	X	1	0,5	1	1	1	1	0	7,5	3	2	2	2	0	2	1	2	2	1	3
K4	1	1	0	X	0,5	1	0,5	1	0,5	0,5	6	1	1	1	1	1	2	2	2	2	2	3
K5	1	1	0,5	0,5	X	1	0,5	0	1	0,5	6	2	1	2	1	0	2	1	1	1	3	3
K6	0,5	0,5	0	0	0	X	0,5	0	0,5	0	2	3	2	1	2	1	1	3	2	3	3	3
K7	1	0	0	0,5	0,5	0,5	X	0,5	1	1	5	2	1	3	1	2	1	2	1	2	2	3
K8	1	0,5	0	0	1	1	0,5	X	1	1	6	3	2	2	1	2	1	2	3	3	2	3
K9	0	0,5	0	0,5	0	0,5	0	0	X	0,5	2	2	2	2	2	1	3	2	3	3	2	3
K10	1	0,5	1	0,5	0,5	1	0	0	0,5	X	5	2	2	1	1	0	1	2	1	0	1	3
										Suma:	45	96	71	76,5	54,5	34	70,5	75	78,5	78,5	82	135
											70%	TAK	NIE	NIE	NIE	NIE	NIE	NIE	NIE	NIE	NIE	>
												71,11%	52,59%	56,67%	40,37%	25,19%	52,22%	55,56%	58,15%	58,15%	60,74%	100%

K1 - maksymalna zwartość konstrukcji chwytaka

K2 - minimalna masa

K3 - minimalna liczba elementów

K4 - maksymalna liczba elementów katalogowych lub znormalizowanych

K5 - prostota montażu

K6 - prostota montażu chwytaka w kiści manipulatora

K7 - zapewnienie prostoliniowości ruchu końcówek chwytnych

K8 - stabilną charakterystykę statyczną, przemieszczeniową i siłową

K9 - stałość lub wzrost siły przy wzroście średnicy przemieszczanego obiektu

K10 – cena chwytaka

Z analizy kryterialnej wynika, że najlepszym rozwiązaniem dla naszych kryteriów jest koncepcja nr 1. Koncepcja ta uzyskała 71,11% koncepcji idealnej.

4. Unifikacja cech charakterystycznych chwytaka.

Unifikacja to ograniczenie i porządkowanie wartości cech charakterystycznych.

Jej wynikiem są zunifikowane wartości cech charakterystycznych.

Cechy charakterystyczne chwytaka to:

• sposób zamocowania: przyjmuję, że chwytak będzie zamocowany do ramienia robota poprzez kołnierz i śruby.

• sposób zasilania: przyjmuję, że chwytak będzie napędzany przez siłownik pneumatyczny dwustronnego działania.

• sposób realizacji ruchów końcówek chwytnych: siłownik przez przeguby i sworznie przekazuje siłę do końcówek chwytnych.

• siła chwytu: F_ch =273N.

• rozstaw minimalny i maksymalny końcówek chwytnych:

R_min =90 mm,

R_max =242 mm.

• ciśnienie zasilania ( p=6 bar = 0,6 MPa)

  4. obliczenie siły chwytu przedmiotu.

masa obiektu MANIPULOWANEGO:

Objętość obiektu:

V = π*r²*H

R= D/2

d_min = 20 [mm]

d_max = 42 [mm]

H_min = 35 [mm]

H_max = 70 [mm]

V_min =Π * (1)² * 3,5 = 10,9956 [cm³]

V_min =Π * 2,1² * 7 = 96,9810 [cm³]

m = ρ * V

ρ = 8,96 [g/cm³] – dla miedzi

m_min = 0,098 [kg]

m_max = 0,869 [kg]

Maksymalna masa obiektu wynosi: m_max = 0,869 [kg]

Minimalna masa obiektu wynosi: m_min = 0,098 [kg]

SIŁA CHWYTU:

1. Ruch pionowy

Współczynnik tarcia Guma-Miedź

1. Ruch obrotowy

F_ch > max(F_ch1, F_ch2) = 18,9115 [N]

Współczynnik tarcia Stal-Miedź

1. Ruch obrotowy

F_ch > max(F_ch1, F_ch2) = 73,5174 [N]

dobranie pryzmy.

W projekcie przyjęto kąt rozwarcia pryzmy β=120º

d_min=20[mm]

Luz miedzy szczękami przyjęliśmy l_min=2[mm]

Przyjmujemy wymiar C=5[mm]

Pozostałe wymiary:

przyjmuję wymiar A=11,56[mm]

Uwzględniając luz minimalny obliczam wymiar B z zależności:

;

Długość D wyznaczam z zależności:

przyjmuję wymiar D=37[mm]

Wysokość pryzmy wyznaczam z zależności:

L=16,56[mm]

Obliczam długość końcówki chwytnej (od cięgna do końca pryzmy), która jest długości całego ramienia.

Obliczam długość całego ramienia:

Przyjmuję wobec tego długość ramienia 155[mm]

wyznaczenie charakterystyk-dobór siłownika.

x_max=d_max+L

x_min=d_min+L

czyli:

x_min=20+16,56=36,56 [mm]

x_max=42+16,56=58,56 [mm]

Przełożenie siłowe siłowe Fch/Fs chwytaka wynosi:

Maksymalne wysunięcie siłownika:

więc:

Przyjmujemy skok siłownika równy 2 [mm].

Charakterystyka siłowa

y_min = 0,9⋅d_min=0,9⋅20=18 mm

y_max = 1,1⋅d_max=1,1⋅42=46,2 mm

a=60 mm , c=62 mm , l=155 mm

⇒

⇒

⇒

Charakterystyka przemieszczeniowa

Charakterystyka przemieszczeniowa została wyznaczona wykreślnie.

Dobrano siłownik CDC-20-1-I-P-"M5"K5 firmy Festo o parametrach:

• Skok 2 mm

• Średnica tłoka 20 mm

• Gwintu na tłoczysku M8

• Ciśnienie robocze 0,8 - 10 bar

• Siła ciągnąca 188 N

obliczenia wytrzymałościowe.

Dobór przekroju ramienia:

F_ch=18,91 N a=0,093 m b=0,0465 m c=0,0155 m

ΣM_A = -R_By·a-F_ch·(a+b)=0 ⇒ R_By= -28,39 N

ΣF_y = -R_A-R_By-F_ch=0 ⇒ R_A = 9,48 N

Mg₁=R_A·x₁

x₁=0 ⇒ Mg₁= 0 Nm

x₁=a=0,093 m ⇒ Mg₁= 9,48 Nm

Mg₂=R_A·(x₂+a)+R_By(x₂)

x₂=0 ⇒ Mg₂= 9,48 Nm

x₂=b=0,0465 m ⇒ Mg₂= 2,64 Nm

Mg₃=R_A·(x₃+a+b)+R_By(x₃+b)+0,5F_ch(x₃)

x₃=0 ⇒ Mg₃= 2,64 Nm

x₃=c=0,0155 m ⇒ Mg₃= 3,38 Nm

M_gmax= 9,48 Nm

Dobrano minimalny przekrój d = 10 mm.

STRZAŁKA UGIĘCIA PALCA CHWYTNEGO:

Całkowita strzałka ugięcia ramienia chwytaka jest sumą strzałki ugięcia 2 ramion o długości l czyli f_c=2∙f.

Ramię wykonane jest z pręta płaskiego(wg. PN-72/H-93202) o wymiarach przekroju 10[mm]x10[mm], długości l =155 [mm], ze stali konstrukcyjnej S235JR o module Younga E = 2.1⋅10¹¹ [N / m²] oraz granicy plastyczności R_e=250[MPa]

Moment bezwładności oraz wskaźnik wytrzymałości wynosi:

Strzałka ugięcia ramienia wynosi:

Obliczenie połączenia sworzniowego:

Ponieważ sworzeń jest pasowany oblicza się go z warunku na ścinanie. Sworzeń wykonany jest ze stali 45, dla której:

Największą siłą powodującą ścinanie sworznia jest siła dla α=71˚94’, najbardziej obciążony jest sworzeń łączący ramię (w 3/5 długości) z cięgnem.

Z warunków wytrzymałościowych otrzymujemy minimalna średnicę sworznia

d ≥ 2,66[ mm ]

Przyjmuję sworzeń o średnicy 4 [mm] wg. PN-63/M-83002

Wnioski

Celem projektu było zaprojektowanie typoszeregu chwytaków do przenoszenia walców miedzianych o wysokości 35-70mm, średnicy 20-42mm oraz maksymalnej masie 0,869 kg.

Na podstawie optymalizacji punktowej wybrano najbardziej odpowiadającą koncepcję chwytaka, która jednak w procesie projektowania musiała zostać zmodyfikowana.

Dzięki zastosowaniu wymiennej pryzmy można przenosić przedmioty o różnej masie i kształcie. Na pryzmy nałożono nakładki z gumy kauczukowej, które zwiększają tarcie i zapewniają lepsze uchwycenie przedmiotu manipulowanego.

Pasowania ciasne utrudniają naprawy i demontaż chwytaka, za to składa się
on z niewielu elementów.

Zastosowana obudowa spełnia rolę ochronną delikatnych połączeń sworzniowych, nieznacznie tylko utrudniając ich konserwację.

Siły tarcia występujące w mechanizmie w porównaniu do innych sił
są nieznaczne.

Chwytak został zaprojektowany do przenoszenia przedmiotów o masie 0,869kg oraz średnicach 20-42mm co nie znaczy jednak, że za pomocą chwytaka nie można przenosić przedmiotów o innej masie lub wymiarach.

Zastosowany siłownik firmy FESTO przy zasilaniu ciśnieniem 10 bar generują na powrocie siłę maksymalną 188N a wymagana siła chwytu to 93 N. W przypadku zmiany przeznaczenia chwytaka do lżejszych przedmiotów można obniżyć ciśnienie czynnika roboczego.

W chwytaku zastosowano siłownik pneumatyczne w związku z czym należy pamiętać o zastosowaniu układu przygotowania powietrza.

Chwytak może przenosić znacznie cięższe przedmioty gdy zastosujemy wyższe ciśnienie czynnika roboczego (wytrzymałości elementów są większe niż wymagane).

Dzięki siłownikowi pneumatycznemu FESTO CDC z serii Clean Design chwytak można stosować w miejscach zagrożonych pożarem lub wybuchem jak również w miejscach gdzie wymagana jest czystość (np. farmaceutyka , przemysł spożywczy). Siłowniki te są odporne na konwencjonalne czynniki czyszczące, także posiadają podwyższoną odporność na korozję.

Seria siłowników pneumatycznych FESTO Clean Design oznacza gładką powierzchnię bez rowków i załamań, co oznacza eliminację miejsc do gromadzenia się zanieczyszczeń.

Masa całkowita chwytaka to około 1 kg, w porównaniu do masy przedmiotów o masie 1 kg, do których przenoszenia został zaprojektowany więc może być
z powodzeniem stosowany w „małych” manipulatorach.

Dzięki zastosowaniu na pryzmach nakładek z gumy kauczukowej znacząco zmniejszono wymaganą siłę chwytu z 74 N do 19 N, dzięki czemu zmniejszono wymiary, wagę oraz siłownik chwytaka.

W porównaniu do reszty koncepcji branych pod uwagę wybrana koncepcja charakteryzuje się najprostszą budową, stosunkowo niewielką masą oraz dużą niezawodnością. Elementy obarczone największymi obciążeniami zostały zaprojektowane tak aby mogły bezpiecznie pracować nawet po przekroczeniu maksymalnej masy obiektu manipulowanego do którego chwytak został zaprojektowany.

ZAŁĄCZNIKI:

RYSUNEK ZŁOŻENIOWY

RYSUNKI WYKONAWCZE