Wydział Budowy Maszyn i Lotnictwa

PROJEKT CHWYTAKA

23

Rzeszów 2014

1) ANALIZA ZADANIA PROJEKTOWEGO

Zaprojektować chwytak do manipulatora przemysłowego według zadanego schematu kinematycznego spełniający następujące wymagania :

1. W procesie transportu urządzenie chwytające ma za zadanie pobrać (uchwycić ) obiekt w położeniu początkowym, trzymać go w trakcie trwania czynności transportowych i uwolnić go w miejscu docelowym.

2. Obiektem transportu są silniki modelarskie o średnicy 25,5mm i wadze 85g w obudowie ze stali

3. manipulator przejmuje silniczki z taśmy produkcyjnej na której umieszczone są w równych odstępach, następnie przenosi je na druga taśmę na której ułożone są pudełka , do których manipulator pakuje silniczki

4. dzięki temu , że silniczki jak i opakowania podjeżdżają w równych odstępach, na końcówce chwytaka zostaje tylko zamontowany czujnik nacisku

5. Manipulator jest zasilany siłownikiem miniaturowym firmy FESTO

Zadany schemat kinematyczny chwytaka:

Obliczenie ruchliwości chwytaka na podstawie zadanego schematu kinematycznego

W=3n-2p₅-p₄

Gdzie:

W - ruchliwość chwytaka

N – liczba członów ruchomych

P₅ – liczba par kinematycznych klasy piątej (obrotowych i postępowych

P₄ – liczba par klasy czwartej

Dla powyższego schematu

N = 5

P₄ =0

P₅= 7

W=3*5-2*7

W=1

Ruchliwość 1 oznacza, że do napędu chwytaka wystarczy zastosować jeden siłownik pneumatyczny o ruchu liniowym.

Przyjecie podstawowych wymiarów chwytaka, wyznaczenie skoku siłownika oraz zakresu pracy szczęk

Schemat kinematyczny chwytaka narysowany w 2 położeniach przy założonym skoku

Oraz schemat chwytaka wykonany w programie SAM

Maksymalny ciężar obiektu transportowanego obliczamy ze wzoru:

Qmax =m*g

m-masa obiektu manipulacji

g – przyspieszenie ziemskie (przyjęto 10)

Qmax= 0,085*10 = 0,85N

Wyznaczenie maksymalnej, koniecznej siły uchwytu i minimalnego wymiaru szczęki

Dane:

-maksymalna średnica obiektu transportowanego

- zakładany, maksymalny ciężar obiektu,

- współczynnik tarcia stal-guma,

- współczynnik przeciążenia chwytaka (współczynnik ten uwzględnia siły bezwładności),

- kąt rozwarcia końcówki roboczej chwytaka.

Transportowany obiekt chwytany jest w pozycji, jak na rysunku Rysunku

Rys.4 Układ sił działających na chwytak a) rozkład sił tarcia, b) rozkład sił normalnych

Wyznaczenie siły uchwytu:

,

Dla prawidłowego uchwycenia obiektu musi być spełniony warunek:

, stąd siła uchwytu , czyli

,

Przyjmuję

Wyznaczenie minimalnego wymiaru szczęki

, dodatkowo

, przyjmujemy

Wyznaczenie charakterystyki przesunięciowej chwytaka

Charakterystyka przesunięciowa Y = F_p(x)

Gdzie :

X- przesunięcie zespołu napędowego (tłoczyska siłownika pneumatycznego)

Y- przesunięcie końcówek chwytaka

F_p(x)-położenie przesunięciowej mechanizmu chwytaka

Charakterystykę przesunięciowa wyznaczam jako zależność pomiędzy przemieszczeniem końcówek chwytaka na osi OY, a przemieszczeniem członu napędzającego (siłownika pneumatycznego). W tym celu wykorzystaliśmy program Matlab oraz SAM.

Dane :

L1 - wysunięcie tłoka z siłownika x(t)

L2 – (11-L1)*cos(20˚)

L3 - 30

X: L1+L3+L5=0

Y: L2+L4=0

Y: (11-L1)/tan(20˚)=L4

Y=(11-x(t))/tan (20˚)

Oraz charakterystyka przesunięciowa w programie SAM

W obu przypadkach charakterystyki są identycznie zgadza się kształt oraz wartości

Wyznaczenie charakterystyki perędkościowej chwytaka

Charakterystykę prędkościową otrzymujemy obliczając pochodną charakterystyki przesunięciowej chwytaka. Analogicznie jak w przypadku charakterystyki przesunięciowej, charakterystykę prędkościową wyznaczam jako stosunek prędkości końcówek chwytnych na osi OY do prędkości przemieszczenia liniowego członu napędzającego. Ponieważ założyliśmy, że siłownik porusza się ruchem jednostajnym , charakterystyka w zasadzie kreślona jest jako zależność prędkości końcówek chwytnych do przemieszczenia członu napędzanego. Podobnie jak poprzednio do analizy wykorzystaliśmy pakiet Matlab i program SAM.

F_v(x)=$\frac{\text{dy}}{\text{dx}}$

F_y= $\frac{dy}{\text{dx}}(\frac{11 - x}{tan(20)})$=-$\frac{1}{tan(20)}$=-2,7474774199

Charakterystyka prędkościowej wyznaczone w programie SAM

Charakterystyki prędkościowe wygenerowane za pomocą obu programów są zgodne co do wartości oraz kształtu

Wyznaczenie charakterystyki siłowej metodą analityczna

Pix=R2-R1*sin(70)=0

Piy=Fch-R1*cos(70)=0

R1=Rch/cos(70)

R2=Fch*tan(70)

tan(70)- Rch/cos(70)* sin(70)=-F

Fs= 2*F

Ff(x) = tan(70)- Rch/cos(70)* sin(70)

wyznaczenie charakterystyki siłowej chwytaka metodą mocy chwilowych

Charakterystyka zostanie wyznaczoan na podstawie charakterystyki prędkościowej ze wzoru Ff(x) = 1/2Fv(x)Po obliczeniu otrzymamy charakterystykę

Charakterystyka siłowa ma krztałt taki sam jak charakterystyka prędkościowa lecz rużni się wartością

Charakterystyki siłowe otrzymane obiema metodami są takie same

Obiczenie wytrzymałości chwytaka

1. Sprawdzenie wytrzymałości na ścinanie sworznia:

Maxymalna siła działąjąca na sforzeń Fmax=0,18N

Wytrzymałość stali na ścinanie k=54 Mpa

Obliczanie najmniejszej wymaganej średnicy

D_min=2*(F_max/π * k_t)­^(1/2) =0,00006514m=0,066mm

Aby zapewnić współczynnik bezpieczeństwa przyjmuje sworzeń o średnicy d= 1mm

1. Obliczenia wytrzymałościowe ramion chwytaka na zginanie i ścinanie

$\sum_{}^{}\text{MB}$=0

Mg=Fch*|BC|

Mgmax= 3,5*0,03=0,105 [N*m]

Przyjmujemy ramie chwytaka o przekroju prostokątnym gdzie jego wskaźnik wytrzymałości na zginanie wynosi Wg=$\frac{bh^{2}}{6}$

Największy moment gnący występuje w punkcie B . W punkcie B występuje również osłabienie wytrzymałości ramienia poprzez otwór sworznia. Należy więc sprawdzić wytrzymałość nie tylko dla wymiarów belki ale także z uwzględnieniem otworu.

Ramie chwytaka przyjmuje o przekroju kwadratowym z wymiarami :

b = 2mm

h = 2 cm

wytrzymałość stali na zginanie K 160 Mpa

największy moment gnący Mg =0,105 N*m

obliczenie ze wzoru

Mgmax$\leq \frac{\text{Kb}h^{2}}{6}$

Mgmax≤0,14666

Warunek jest spełniony

Obliczenie wymaganych parametrów napędu pneumatycznego chwytaka

Teoretyczna siła pchająca siłownika:

Teoretyczna siła ciągnąca siłownika:

Ciśnienie zasilające:

Warunek doboru siłownika:

gdzie:

- lub

- obliczona wymagana siła na tłoczysku,

- współczynnik przeciążeniow

Dobór siłownika:

Na podstawie powyższych obliczeń wybieram siłownik z katalogu firmy FESTO Siłownik

kompaktowy CDC-20-10-A-P o następujących parametrach:

Siłownik kompaktowy:

-dwustronne działanie

- średnica tłoczyska 4mm

- skok : 1-10 mm

-siła teoretyczna przy 6 bar, powrót

-siła teoretyczna przy 6 bar, wysuw

Sensoryka :

- czujnik siły nacisku okrągły 5 mm (0,2")

Wymiary zewnętrzne:

-7,6 x 7,6 x 0,4 mm

-Masa: 0,15 g

Ensor zamontowany został bezpośrednio na łapkach chwytaka

Miernik odległości

Miniaturowy Ultradźwiękowy cyfrowy miernik odległości

Dane techniczne:

• Napięcie pracy: 3 - 5,5V

• Pobór prądu:

  • Tryb pracy: 1,6 - 2,7mA

  • Tryb uśpienia: 500uA

• Zasięg: 0,2 – 50mm

• Wykrywanie z częstotliwością do 500Hz, co pozwala na pomiar 500 razy na sekundę

• Interfejs: I2C

Wnioski

Chwytak przystosowany jest do przenoszenia przedmiotów okrągłych o ciężarze 0,85N

W naszym przypadku silników miniaturowych

Z warunku wytrzymałościowego dobieramy przekrój ramienia chwytającego oraz obliczamy żarliwe punkty konstrukcji na np. ścinanie

Siłownik został dobrany na podstawie wartości siły chwytu oraz charakterystyki siłowej

Chwytak pracuje cyklicznie po stałym torze jest to możliwe dzięki temu, że obiekt transportowany jest podawany na taśmie w równych odstępach i zawsze w takim samym ustawieniu oraz odbiór obiektu transportowanego jest odbierany również na taśmie w stałym położeniu jednak aby uzyskać dodatkowe informacje o położeniu chwytanego obiektu zastosowany został czujnik odległości