Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica

w Krakowie

Projekt techniczny chwytaka

Temat: Zaprojektować chwytak z przeznaczeniem do manipulacji przedmiotem walcowym o średnicy nominalnej 15 ÷ 100mm

Bartosz Laszczyński IMIR IV

Prowadzący: dr Jacek Cieślik

1. Temat:

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

• obiektem transportu są wałki i tuleje o zakresie średnicy d = 40 ÷ 100mm (założenie d=60mm), długości l = 20 ÷ 200mm (założenie l=60mm) z mosiądzu lub stali

• chwytak zasilany jest sprężonym powietrzem o ciśnieniu nominalnym pn = 0,6 MPa

Zadany schemat kinematyczny chwytaka typu P-(O-O-P)

2. Obliczenie ruchliwości mechanizmu:

w = 3n – 2p5 – p4

gdzie: w – ruchliwość chwytaka n – liczba członów ruchomych p5 – liczba par kinematycznych klasy piątej p4 – liczba par kinematycznych klasy czwartej Dla powyższego schematu mamy: n = 5 p5 = 7 p4 = 0 Otrzymujemy z tego: w = 3*5-2*7 = 1

Wniosek:

Rozważany mechanizm posiada ruchliwość=1, co oznacza, że do jego poruszania potrzebny jest jeden napęd. Zgodnie z założeniami projektu chwytak będzie mógł być napędzany pojedynczym siłownikiem pneumatycznym.

3. Przyjęcie wymiarów mechanizmu

Wymiary zostały przyjęte wg poniższego rysunku

3.1. Model w MSC.visualNastran 4D który posłużył mi do dalszych obliczeń

4. Analiza kinematyczna

Założono skok siłownika równy 15[mm], jest do skok występujący typowo w katalogach producentów, więc oznacza to, iż nie będzie potrzeby stosowania dodatkowego ograniczenia ruchu siłownika i komplikacji konstrukcji. 4.1. Charakterystyka przesunięciowa chwytaka

Charakterystykę przesunięciową wyznaczam jako zależność pomiędzy przemieszczeniem końcówek chwytaka w osi OY a przemieszczeniem członu napędzającego (siłownika pneumatycznego). Do wyznaczenia charakterystyki (w programie Matlab) posłużyły dane wygenerowane przez program MSC.visualNastran 4D.

0 5 10 150

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Przesuniecie czlonu napedowego [mm]

Prz

esun

ieci

e ko

nców

ki c

hwyt

aka

w o

si O

Y [m

m]

Charakterystyka przesunieciowa

4.2. Charakterystyka prędkościowa chwytaka

Analogicznie jak w przypadku charakterystyki przesunięciowej, charakterystykę prędkościową wyznaczam jako stosunek prędkości końcówek chwytnych w osi OY do prędkości przemieszczenia liniowego członu napędzającego. Ponieważ założono, że siłownik porusza się ruchem jednostajnym, charakterystyka w zasadzie jest kreślona jako zależność prędkości końcówek chwytnych do przemieszczenia człony napędowego. Podobnie jak poprzednio do analizy wykorzystano dane z programu MSC.visualNastran 4D i pakiet Matlab.

0 5 10 15-85

-80

-75

-70

-65

-60

-55

-50

-45

-40

Przesuniecie czlonu napedowego

Pre

dkos

c ko

ncow

ki c

hwyt

nej w

osi

OY

[mm

/s]

Charakterystyka predkosciowa

5. Analiza dynamiczna

Analiza zostanie przeprowadzona dla przypadku statycznego (bez uwzględnienia sił bezwładności, sił ciężkości i tarcia w parach kinematycznych). 5.1. Wyznaczenie siły chwytu potrzebnej do przeniesienia założonego ciężaru Z założenia wynika, że docelowo chwytak będzie służył do przenoszenia walca o wymiarze średnicowym 70mm oraz długości 80mm. Materiałem konstrukcyjnym przedmiotu manipulacji będzie stal. Ciężar maksymalny przedmiotu manipulacji:

γπ

max

2max

max 4l

dQ = ,

gdzie: maxd - maksymalny wymiar średnicowy podnoszonego obiektu

maxl - maksymalny wymiar wzdłużny podnoszonego obiektu γ - ciężar właściwy materiału obiektu manipulacji

Po podstawieniu:

kgmkgmmQ 33.17860*][06.0

4][06.0

3

2

max =⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

π

5.2. Wyznaczenie wymaganej siły chwytu projektowanego chwytaka

Przy wyznaczaniu wymaganej siły chwytu przyjąłem następujące założenia: μ =0.25 - współczynnik tarcia między chwytanym obiektem a okładkami szczęk

chwtaka n=2 - współczynnik bezpieczeństwa dla siły chwytu chwytaka

o1302 =γ - kąt rozwarcia okładek kształtowych Schemat obliczeniowy wymaganej siły uchwytu chwytaka:

chF - szukana siła uchwytu

T - siła tarcia między obiektem a łapami chwytaka N - siła normalna do okładek kształtowych chwytaka γ2 - kąt między okładkami kształtowymi chwytaka

e - szerokość okładki ciernej ( ) minee >

mine - minimalna szerokość okładki ciernej dla założonego kąta γ2 (gwarantuje odpowiednie uchwycenie obiektu manipulacji

mmtgde 15

14.2*260

2min ≅==γ

Pozostałe parametry szczęk dobieram na podstawie zależności geometrycznych (tak dobrane wymiary aby obiekt chwytany był prawidłowo obejmowany przez szczęki, co zostało zamieszczone na rysunku poniżej)

Ostatecznie przyjmuję wymiary szczęk: mmh 15= (wymiar wynikowy) mml 65=

o1302 =γ

5.3. Wyznaczenie wymaganej siły uchwytu:

μγ

2)sin(QnFchw ≥

a po podstawieniu wartości:

][2.4825.0*2

)65sin(*2*][10*33.1 NNFchw ==

6. Wyznaczenie siły równoważącej dla napędu chwytaka dla konfiguracji chwytu założonego obiektu.

Analizę dynamiczną chwytaka przeprowadzam w pozycji charakterystycznej dla uchwycenia założonego przedmiotu manipulacji (średnica 60mm) wykorzystując ponownie oprogramowanie MSC.visualNastran 4D. Do końca każdego z ramion chwytaka przyłożyłem siły w osi Y o wartości 48.2N. W wyniku tego otrzymałem wynik: Rrown=372N

7. Charakterystyka siłowa przyjętego mechanizmu

?

Założenia:

Fn – prostopadle do członu 3 d=A+X, Δ – najmniejsza odległość prostych u i l F3 – siła działająca od suwaka e=40

)40

arccos( x+Δ=α - zmienna

Suma momentów względem B:

Fn a – F2e = 0 z tego wynika że: eaF

F n=2 , F2 –stałe, gdyż pozostałe człony są stałe

Suma momentów względem A:

?

?

F3f=Fn(a+b) b=cos45e ostatecznie:

ebaF

fbaF

F nn

)sin()()(

3 α+

=+

=

Rzutuję wszystkie siły na kierunek działania siły F1: F1+F3cosα+Fncos45=0 F1=-F3cosα-Fncos45 F1 – zwrot przeciwny niż na rysunku

Fs/2 – połowa siły na tłoczysku Fs/2 = F1cosα+F2cos(90-α) Ostatecznie siła na tłoczysku 2Fs/2Fs

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

+−⋅= )90cos()cos(45cos

)sin()(

2 ααα e

aFF

ebaF

F nn

nS gdzie )

40arccos( x+Δ

=α

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

+−

=

)90cos()cos(45cos)sin(

2

1

ααα e

ae

baFFn

S

Po podstawieniu znanych stałych:

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−+⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−−

=

)90cos(2)cos(7.0)sin(40

28.1082

1

ααα

SFFn

8. Dobór siłownika

Dobieram siłownik jednostronnego działania – ciągnący z katalogu Festo: Siłownik kompaktowy numer katalogowy: 157228 seria: AEVUZ-32-15-P-A. Siłownik ten spełnia założenia odnośnie skoku i siły działania

Główne parametry siłownika: Skok 15[mm] Średnica tłoka 32[mm] Tryb pracy Jednostronnego działania /

ciągnący Zakończenie tłoczyska Gwint wewnętrzny Ciśnienie robocze 0.8-10[bar] Medium robocze Osuszone powietrze,

olejone lub nie olejone Siła teoretyczna przy 6 bar, wysuw

382[N]

9. Obliczenia sworzni

Wstępne założenia: Wszystkie cztery sworznie posiadają takie same wymiary. Przedstawiam obliczenia dla najbardziej obciążonego sworznia (grupa strukturalna nr 3) Obliczany sworzeń podlega ścinaniu, zginaniu (zakładam luźne umieszczenie w otworze – aby możliwy był ruch względny łączonych elementów), dociskowi oraz zakładam dwie płaszczyzny ścinania. Zakładam średnice sworznia 5 mm. Schemat obliczeniowy:

Naprężenia ścinające:

tkdF

≤= 2max2π

τ

Dla siły siłownika 382[N] F= 191[N] oraz materiału sworznia stali ( ) otrzymujemy:

Mpakk rt 605.0 ==

MPam

N 7.9][005.0

][382*22max ==

πτ

Naprężenia zginające:

gg klldF

≤+=− )122(43max π

δ

Zakładając, że wymiary l1 i l2 wynoszą odpowiednio 15 i 2[mm]

=+=− )002.0015.0*2(][005.0*

][382*42max mN

g πδ 12.45MPa

Naprężenia zredukowane wynoszą:

)120(7.1545.127.9 222max

2max MPakMPa ggred ≤≈+=+= − τδδ

Zatem wyznaczona średnica sworznia z dużym zapasem przeniesie występujące naprężenia Obliczenia na docisk: Ponieważ l1>2*l2 przeprowadzam tylko jedne obliczenia dla l2.

)40(2.38002.0*005.0][382

1MPapMPaNpp

dlFp dopdop ≤==⇔≤=

Z obliczeń wynika że założona średnica sworznia (5mm) jest wystarczająca i może być z powodzeniem zastosowana w projektowanej konstrukcji.

10. Przyjęcie wymiarów geometrycznych i ostatecznego kształtu konstrukcji chwytaka

Widok ogólny

Widok chwytaka przekrojonego przez środek

Widok chwytaka w pozycji zamknięcia

Opis konstrukcji:

Bazowym elementem konstrukcji jest korpus siłownika, co przyczyniło się do zmniejszenia masy konstrukcji chwytaka oraz pozytywnie wpłynęło na sztywność i zwartość całości konstrukcji. Zasadniczym elementem tworzącym kinematykę chwytaka są dwie blachy, będące jednocześnie prowadnicami dla sworzni i stanowi bazę (wraz z korpusem siłownika) chwytaka. Jest ona wykonana z arkusza blachy a następnie poddana kształtowaniu przez wyginanie (zmniejsza to wagę, koszt wykonania chwytaka i jest to element bardzo prosty w wykonaniu). Konstrukcja chwytaka pozwala na stosowanie go w różnych jednostkach manipulacyjnych. Końcówki kształtowe są wymienne, co pozwala na łatwe dopasowanie chwytaka wymagań klienta (pozwala również w niewielkim stopniu zmienić siłę uchwytu jak i rodzaj przenoszonego przedmiotu). Demontaż chwytaka jest bardzo prosty i polega na odkręceniu pięciu śrub M5 i zdjęciu podkładek blokujących sworznie