1
AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA
im. Stanisława Staszica w Krakowie
Elementy wykonawcze robotów
Projekt techniczny chwytaka 10
Dawid Maślankiewicz
Grupa D24B IMIR
1
AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA
im. Stanisława Staszica w Krakowie
Elementy wykonawcze robotów
Projekt techniczny chwytaka 10
Dawid Maślankiewicz
Grupa D24B IMIR
2
1.
Założenia do projektu
Średnica : 80mm
Wysokość : 40mm
Materiał : stal
Gęstość : 7,8 g/cm3
Objętość : 201,062 cm3
Ciężar : 1,568 kg
Ciężar właściwy : 78500 N/m3
1.1 Obliczenie ruchliwości chwytaka
5
4
5
3
2
2
3 9 2 13 0
27 26 1
: (1, 0)(2,1)(2 ',1)(3, 2)(3', 2 ')(4,3)(4 ',3')(5, 4)
(5', 4 ')(3, 0)(3', 0)(5, 0)(5', 0)
w
n
p
p
p
3
Ruchliwość wyszła 1, co oznacza że do napędu chwytaka wystarczy zastosować
jeden siłownik.
2.
Analiza zadania projektowego
Przyjęcie podstawowych wymiarów elementów
chwytaka, wyznaczenie skoku siłownika oraz zakresu
rozwarcia szczęk.
Ustalenie listy wymagań oraz przyjęcie modelu
obliczeniowego chwytaka
Rys. Schemat kinematyczny chwytaka
4
Rys. Reprezentacja rysunkowa skrajnych położeń chwytaka
x
- 40mm, wartość skoku suwaka została przyjęta zgodnie ze skokiem
typowych siłowników.
max
min
100
40
d
mm
d
mm
Maksymalny ciężar obiektu transportowanego obliczono ze wzoru:
2
max
max
max
4
d
Q
l
max
[ ]
l
m
- max długość chwytanego przedmiotu
3
[
/
]
N m
- ciężar właściwy materiału transportowanego
2
max
3,14 0,1
0, 05 78500
30,81125
4
Q
Wyznaczenie maksymalnej koniecznej siły chwytu
max
ch
F
i minimalnego
wymiaru szczęki :
Dane :
5
max
max
100
31
0, 2
2
2
134
o
d
mm
Q
N
n
a)
b)
Układ sił działających na chwytak:
a) rozkład sił tarcia podczas chwytania obiektu
b) rozkład sił normalnych podczas chwytania obiektu
Wyznaczenie siły uchwytu :
2
cos(90
)
2 cos(90
)
2sin
2sin
o
ch
ch
ch
o
ch
F
N
F
F
N
F
T
N
6
Dla prawidłowego uchwycenia transportowanego elementu musi być spełniony
warunek:
2
4
sin
ch
F
T
Q n
stąd siła uchwytu
sin
15, 68 2 sin(67)
73
2
2 0, 2
ch
Q n
F
N
oraz
max
max
sin
31 2 sin(67)
143
2
2 0, 2
ch
Q
n
F
N
Wyznaczenie minimalnego wymiaru szczęki :
min
min
max
min_ max
min
2
80
17
2
2
(67)
100
22
2
2
d
tg
e
d
e
mm
tg
tg
d
e
mm
tg
tg
e
e
Dobór siłownika
Siłownik dobrany ze strony FESTO - ADVU-32-40-A-P-A #156622
Skok
40 mm
Średnica tłoka
32 mm
Amortyzacja
P: Elastyczne pierścienie amortyzujące / płytki z obu stron
Pozycja zabudowy
Dowolna
Tryb pracy
Dwustronnego działania
Zakończenie tłoczyska
Gwint zewnętrzny
Konstrukcja
Tłok
Tłoczysko
Sygnalizacja położenia
Do czujników
Warianty
Jednostronne tłoczysko
Ciśnienie robocze
0.8 ... 10 bar
Medium robocze
Sprężone powietrze wg ISO8573-1:2010 [7:4:4]
Uwagi odnośnie medium roboczego
Możliwa praca na powietrzu olejonym (po rozpoczęciu olejenia jest ono
7
wymagane przy dalszej pracy)
Klasa odporności na korozję KBK
2
Temperatura otoczenia
-20 ... 80 °C
Maks. energia uderzenia w położeniu
końcowym
0.4 J
Siła teoretyczna przy 6 bar, skok
powrotny
415 N
Siła teoretyczna przy 6 bar, wysuw
483 N
Przemieszczana masa przy 0 mm
skoku
49 g
Ciężar dodatkowy na 10 mm skoku
40 g
Ciężar podstawowy dla 0 mm skoku
300 g
Dodatkowy współczynnik masy na 10
mm skoku
9 g
Sposób montażu
Do wyboru:
Z otworem przelotowym
Z osprzętem
Przyłącza pneumatyczne
G1/8
Materiał śrub
Stal ocynkowana
Materiał pokrywy
Stop aluminium
Materiał uszczelnień
TPE-U(PU)
NBR
Materiał tłoczyska
Stal wysokostopowa, nierdzewna
Materiał rury siłownika
Stop aluminium
3.
Wyznaczenie charakterystyki przesunięciowej
chwytaka
Zgodnie z siłownikiem wybranym powyżej skok tłoczyska wynosi 40mm
8
Symulacja komputerowa przesunięcia szczęk chwytaka w zależności od wysuwu
bądź wsuwu tłoczyska
Podczas wsuwu tłoczyska o 15mm, szczęki chwytaka przesuwają się (otwierają)
o 2x18mm=36mm
Podczas wysuwu tłoczyska o 25mm, szczęki chwytaka przesuwają się (zamykają)
o 2x25mm=50mm
9
Przy ruchu tłoczyska o 40mm szczęki przesuwają się o 2x43=86mm
10
Metoda analityczna
1
4
2
2
3
3
5
2
2
3
3
:
sin
sin
0
:
cos
cos
0
y
l
l
l
l
x x l
l
l
1
4
5
a
l
l
b
x l
2
2
3
2
2
2
3
3
sin
sin
0
cos
cos
0
a l
l
b l
l
2
2
2
3
3
3
2
2
2
2
3
3
sin
sin
/
cos
cos
/
l
a
l
l
l
b
l
l
2
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
2
2
2
2
2
3
3
3
3
3
2
2
2
2
3
3
3
3
3
3
3
sin
2
sin
sin
cos
2
cos
cos
2
2
sin
cos
1
l
a
a
l
l
l
l
b
b
l
l
l
l
a
b
a
b
l
l
l
l
l
2
2
2
2
3
3
3
l
a
b
c
l
l
l
3
3
3
2
sin
cos
0
2
2
cl
l
a
b
3
1
2
l
d
c
11
3
3
2
2
2
2
2
3
3
3
2
2
2
2
2
3
3
2
2
2
2
2
sin
cos
2
sin
sin
cos
sin
2
sin
0
2
0
d
a
b
d
da
a
b
a
b
da
d
b
a
b
t
adt
d
b
2
2
3
3
3
cos
1 sin
sin
t
Następnie za pomocą oprogramowania matlab liczymy pierwiastki równania
kwadratowego :
1
3
2
3
31
1
32
2
sin
sin
sin
sin
t
t
a
t
a
t
4
4
3
sin
180
o
Y
Przy wysuwie siłownika o 25mm uzyskaliśmy przesunięcie ramienia chwytaka o
wartość, którą przedstawia rysunek poniżej
12
Przy wsuwie siłownika o 15mm uzyskaliśmy przesunięcie ramienia chwytaka o
wartość, którą przedstawia rysunek poniżej
Zestawienie i porównanie wyników :
Po importowaniu wyników z programu SAM i zeskalowaniu ich do wartości
uzyskanych uzyskanych metodą analityczna, otrzymujemy 2 identyczne wykresy
co świadczy że obliczenia zostały wykonane poprawnie.
13
14
4.
Wyznaczenie charakterystyki prędkościowej
chwytaka
Symulacja komputerowa prędkości szczęk i drugiego wybranego punktu w
programie SAM. Prędkość tłoczyska – 15mm/s
15
Metoda grafoanalityczna obliczenia prędkości chwytaka (F) oraz punktu B
16
B
A
BA
BC
AB
IIA A
V
V
V
Przyjmujemy podziałkę rysunkową
15
0,5
(
)
30
A
A
V
kv
V
3
4
3
4
(
)
0, 5 11, 39
5, 695
5, 695
0, 316
18, 03
0, 316 55, 9 17, 657
17, 657
B
B
B
D
D
E
F
mm
V
kv V
s
V
BC
V
CD
mm
V
V
V
s
Zewstawienie i porównanie wyników symulacyjnych z analitycznymi
VB [mm/s]
VF szczęki [mm/s]
Analityczne
5,695
17,657
Symulacyjne
5,69298
17,36842
17
Jak widać wyniki są bardzo przybliżone, różnica może być spowodowana
niedokładnością pomiarów w metodzie planów prędkości oraz zaokrągleniem w
obliczeniach.
5.
Wyznaczenie charakterystyki siłowej chwytaka
Charakterystyka siłowa (przełożenie siłowe) chwytaka
ch
F
s
F
f
x
F
Gdzie
s
F
- siła na wyjściu zespołu napędowego
ch
F
- siłą uchwytu
Metoda analityczna :
Analiza sił w grupie strukturalnej :
18
23
3
4
4
23
3
cos
cos
73 55,9 cos 10,3
cos
227,5717
cos
18, 03 cos 11,9
C
ch
ch
M
R
l
F
l
F
l
R
l
Analiza sił dla członu napędzającego :
21
21
21
21
cos
227,5717 cos 68, 2
84,5127
sin
227,5717 sin 68, 2
211, 2971
x
y
R
R
N
R
R
N
Siły reakcji na przegubach A oraz A’ będą takie same. Więc całkowita siła
równoważąca Fs wynosi :
21
2
2 84,5127 169, 0254
x
R
N
Charakterystyka siłowa wynosi :
73 2
0,8638
169, 0254
ch
F
s
F
f
x
F
Sprawdzenie charakterystyki siłowej metodą mocy chwilowych :
Równanie mocy chwilowych dla chwytaka :
2
0
2
0
s
ch
s
ch
F
x
F
y
stąd
F x
F
y
19
2
2 73 17,36842
169, 0526
15
ch
s
F
y
F
N
x
Wyznaczenie siły przy pomocy symulacji komputerowej SAM :
Porównanie wyników :
Analitycznie
Metoda mocy
chwilowych
Program SAM
169, 0254N
169, 0526N
169,05263
Dobrany wcześniej siłownik spełnia wymagania siłowe.
20
6.
Elementy konstrukcji chwytaka
6.1
Założenia materiałowe
Element konstrukcyjny
Materiał
Człony
S235
Szczęki
S235
Sworznie
A4
Obudowa
aluminium
6.2
Dobór elementów znormalizowanych
Sworznie :
4x8/2-A4-Zn , 4x10/4-A4-Zn, 4x10/6-A4-Zn
Płaskowniki : (10x3 wg normy DIN 1017 )
Będą wycinane z blachy S235
Zawleczki :
A4-Zn1x6
21
Nieznormalizowane :
Szczęki chwytaka, prowadnice oraz obudowa.
7.
Obliczenia wytrzymałościowe
Sprawdzenie warunku wytrzymałościowego na zginanie ramion chwytaka
Maksymalny moment gnący występuje w punkcie D i wynosi
max
73 50
3650
0, 00365
ch
Mg
F
DF
Nmm
Nm
Przyjmujemy prostokątny przekrój ramienia chwytaka o wskaźniku
wytrzymałości na zginanie :
22
2
6
bh
Wg
Warunek wytrzymałości na zginanie ramienia chwytaka ma postać :
max
max
2
6
g
ch
g
g
M
F
DF
k
Wg
bh
g
k
- warunek wytrzymałości materiału na zginanie
2
2
6
6 3650
141
10 4
136
141
ch
g
F
DF
k
bh
MPa
MPa
MPa
Warunek wytrzymałościowy został spełniony
Sprawdzenie warunku wytrzymałościowego na ścinanie dla najbardziej
obciążonego sworznia
Najbardziej obciążony sworzeń znajduję się w przegubie w którym łączą się
człony 3 i 4 . Siła ścinająca sworzeń wynosi 265N
Warunek wytrzymałościowy na ścinanie sworznia
max
max
2
2
4
4 265
68, 25
4
21, 09
68, 25
t
ch
t
F
F
k
A
d
Symulacja komputerowa ramienia chwytaka
23
Przy przyłożeniu siły 73 N maksymalne odkształcenie wyniosło 0,132 mm
natomiast maksymalne naprężenie 247 MPa
24
8.
Obliczenie wymaganych parametrów napędu
pneumatycznego chwytaka.
Rys. model siłownika pneumatycznego dwustronnego działania
Teoretyczna siła pchająca cylindra pneumatycznego
2
4
tp
n
D
P
p
Teoretyczna siła ciągnąca napędu pneumatycznego
2
2
4
tc
n
D
d
P
p
Gdzie
0, 6
n
p
MPa
ciśnienie nominalne zasilania
Zasada doboru siłownika :
max
t
W
s
P
P
k F
t
P
- teoretyczna siła pchająca lub ciągnąca siłownika
W
P
- obliczona wymagana siła na tłoczysku
1, 2 1,5
k
- współczynnik przeciążenia
max
s
F
- maksymalna siłą na tłoczysku siłownika potrzebna do uzyskania
niezbędnej siły uchwytu
1,5 170
255
t
P
N
N
Dobrany wcześniej siłownik spełnia powyższe wymaganie.
25
9.
Model CAD chwytaka w programie CATIA
10.
Wnioski
Podczas konstruowania chwytaka należy wziąć pod uwagę przede
wszystkim wymiary przedmiotu chwytanego jak i wymiary całego
chwytaka. Ważnym etapem są obliczenia wytrzymałościowe oraz dobór
odpowiedniego materiału konstrukcyjnego.