Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
PROJEKT TECHNICZNY CHWYTAKA
ZADANIE PROJEKTOWE: Zaprojektować chwytak do manipulatora przemysłowego wg za-
danego schematu kinematycznego spełniający następujące wymagania:
a) 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,
d =10 ÷100mm
b) obiektem transportu są wałki i tuleje o zakresie średnic , długości
l = 20 ÷ 200mm
z mosiÄ…dzu lub stali,
c) manipulator zasilany jest sprężonym powietrzem o ciśnieniu nominalnym
pn = 0,6 MPa
.
Uwaga: Zakres zadania projektowego oraz przykład rozwiązania zostanie przedstawiony
z obszernymi komentarzami pisanymi kursywą. Komentarzy tych nie należy przepisywać we
własnym rozwiązaniu.
ZAKRES PROJEKTU
1. Obliczenie ruchliwości chwytaka na podstawie zadanego schematu
kinematycznego.
Wyznaczona ruchliwość chwytaka  w (wzór 1) określa liczbę niezależnych koniecz-
nych napędów chwytaka. W przypadku gdy w=1, napęd chwytaka jest realizowany za pomo-
cÄ… jednego silnika o ruchu liniowym lub obrotowym. W rozwiÄ…zywanym zadaniu projektowym
zakładamy, że silnikiem napędowym będzie siłownik pneumatyczny.
2. Analiza zadania projektowego, ustalenie listy wymagań oraz przyjęcie modelu
obliczeniowego chwytaka.
a) wyznaczanie skoku siłownika, wymiarów elementów chwytaka, zakresu szczęk
chwytaka oraz wymiarów i ciężaru obiektu manipulacji
Zadany schemat kinematyczny chwytaka należy narysować w podziałce 1:1
"x = xmax - xmin
na arkuszu formatu A4 lub A3 . Zakładając maksymalny skok tłoczyska
siłownika pneumatycznego oraz przyjmując wstępnie wymiary członów oznaczonych na
schemacie kinematycznym, należy narysować ten schemat w dwóch skrajnych położeniach,
które określają zarazem minimalne i maksymalne rozwarcie końcówek chwytnych. Na tej
"y = 2( ymax - ymin )
podstawie możemy określić zakres rozwarcia szczęk chwytaka ,
i ustalić minimalne i maksymalne wymiary chwytanego obiektu. Należy przyjąć, że obiektem
chwytanym jest wałek o przekroju kołowym. Jeżeli zakres przemieszczenia szczęk chwytaka
uznamy za niewystarczający, należy zmienić wymiary członów oraz skok siłownika.
Po ostatecznym ustaleniu wymiarów możliwe jest określenie maksymalnej średnicy
dmax
obiektu chwytanego i na tej podstawie jego maksymalnego ciężaru Qmax (wzór 2).
Fch max i obliczenie wymia-
b) wyznaczenie maksymalnej koniecznej siły chwytu
rów szczęki,
Wyznaczenie maksymalnej siły chwytu powinna poprzedzić analiza sposobu uchwy-
cenia. W rozwiązywanym zadaniu projektowym przyjmiemy siłowy sposób uchwycenia
przedmiotu. Sposób ten polega na wywarciu odpowiedniego nacisku normalnego na trans-
1
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
portowany obiekt, gwarantującego przeniesienie obiektu przy pomocy siły tarcia spełniającej
T > Qmax
warunek . Przy takim uchwyceniu obiektu decydujące znaczenie ma siła normalna
µ
N nacisku szczęk na obiekt oraz współczynnik tarcia współpracujących powierzchni,
tzn. powierzchni szczęk chwytaka i obiektu transportowanego. Po określeniu siły normalnej
Fch max (wzór 3).
obliczymy następnie maksymalną konieczną siłę chwytu
Wstępny dobór geometrii chwytaka zakończymy wyznaczając wymiar  e dla szczęki
e > emin (wzór 4). Spełnienie tego warunku gwarantuje prawidłowe
spełniający warunek
uchwycenie szczękami chwytaka obiektu (wałka) o założonej średnicy maksymalnej, stycznie
do jego powierzchni bocznej.
y = fp(x).
3. Wyznaczenie charakterystyki przesunięciowej chwytaka
y = fp(x)
Charakterystyka przesunięciowa chwytaka określa zależność pomiędzy
2y
rozwarciem końcówek chwytnych a przemieszczeniem liniowym siłownika napędowego.
Charakterystykę przesunięciową można otrzymać na drodze analitycznej, grafoanalitycznej,
lub symulacji komputerowej. Charakterystyka przesunięciowa jest podstawą wyznaczenia
fF ( x )
charakterystyki prędkościowej chwytaka .
&
y
fv (x)=
4. Wyznaczenie charakterystyki prędkościowej chwytaka
&
x
&
y
fv (x)=
Charakterystyka prędkościowa chwytaka określa stosunek prędkości koń-
&
x
&
&
y
x
cówki chwytnej do prędkości tłoczyska siłownika (przełożenie kinematyczne)
x
w funkcji przemieszczenia siłownika . Charakterystykę prędkościową analogicznie jak
i przesunięciową można otrzymać na drodze analitycznej, grafoanalitycznej lub symulacji
komputerowej. Charakterystyka prędkościowa daje możliwość wyznaczenia charakterystyki
fF (x)
siłowej chwytaka .
Fch
fF ( x ) =
5. Wyznaczenie charakterystyki siłowej
Fs
Fch
fF ( x ) =
Fch
Charakterystyka siłowa chwytaka
Fs określa stosunek siły chwytu do si-
Fs
x
ły na tłoczysku siłownika (przełożenie siłowe) w funkcji przemieszczenia siłownika .
Charakterystykę siłową można otrzymać na drodze grafoanalitycznej, analitycznej lub symu-
lacji komputerowej oraz na podstawie charakterystyki prędkościowej chwytaka korzystając z
1
fF ( x ) =
metody mocy chwilowych .
2fv ( x )
Charakterystyka siłowa pozwala na określenie maksymalnej siły na tłoczysku siłowni-
Fs max Fch max
ka potrzebnej do uzyskania maksymalnej niezbędnej siły chwytu , co stanowi
podstawę doboru siłownika. Charakterystyka siłowa pozwala ponadto określić korzystny ze
względu na wartość siły chwytu zakres skoku siłownika.
2
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
Uwaga: Obliczenia wymagane w pkt. 3÷5 można przeprowadzać różnymi metodami (grafo-
analityczna, analityczna, symulacja komputerowa). W celu uniknięcia błędów obliczenia na-
leży wykonać w każdym przypadku dwiema metodami, z których jedną traktujemy jako pod-
stawową a drugą jako sprawdzającą i wówczas obliczamy tylko wybrane wartości parame-
trów. W przypadku charakterystyki siłowej dodatkową metodą sprawdzającą jest metoda mo-
cy chwilowych (pkt. 6).
W przypadku traktowania metody grafoanalitycznej jako podstawowej obliczenia nale-
ży przeprowadzić dla co najmniej czterech różnych położeń chwytaka w tym dla dwóch poło-
żeń skrajnych (maksymalne i minimalne rozwarcie szczęk chwytaka) a uzyskane wyniki
aproksymować odpowiednimi charakterystykami. Można w tym celu wykorzystać dostępne
programy komputerowe np. Excel.
Przy wyznaczaniu charakterystyki siłowej chwytaka należy przeprowadzić obliczenia
statyczne pomijając siły ciężkości i bezwładności elementów chwytaka oraz pomijając tarcie
w jego parach kinematycznych. Tarcie występuje jedynie pomiędzy szczękami chwytaka
a uchwyconym obiektem.
6. Sprawdzenie metodą mocy chwilowych charakterystyki siłowej chwytaka na
1
fF (x) =
podstawie jego charakterystyki prędkościowej dla jednego
2fv (x)
zadanego położenia i porównanie wyników.
7. Obliczenia wytrzymałościowe chwytaka przy maksymalnych obciążeniach:
a) sprawdzenie warunku wytrzymałościowego na zginanie ramion chwytaka
b) sprawdzenie warunku wytrzymałościowego na ścinanie dla najbardziej obciążo-
nego sworznia.
Obliczenia wytrzymałościowe zostaną przeprowadzone dla wybranych elementów kon-
strukcji i pozwolą określić ich minimalne wymiary w analizowanych przekrojach. Nie ozna-
cza to jednak, że dokładnie te wymiary należy przyjąć w konstrukcji chwytaka. W ostatecz-
nym doborze wymiarów elementów chwytaka należy zachować właściwe proporcje wymia-
rowe uzasadnione również względami konstrukcyjnymi jak: zastosowanie typowych elemen-
tów, kształtowników, łożysk, elementów złącznych, unikanie zbędnej obróbki elementów,
prostota konstrukcji itp.
8. Obliczenie wymaganych parametrów napędu pneumatycznego chwytaka i jego
dobór.
Dobór siłownika pneumatycznego przeprowadzamy na podstawie obliczonej maksy-
Fs max
malnej siły wymaganej na tłoczysku siłownika oraz wartości wymaganego skoku.
W projektowanym chwytaku możemy wykorzystać siłowniki dostępne w handlu (wg katalo-
gów firm). Możliwe jest również zaprojektowanie własnego siłownika zintegrowanego
z konstrukcjÄ… chwytaka.
9. Wykonanie rysunku złożeniowego chwytaka oraz rysunków wykonawczych
zadanych części.
Rysunki konstrukcyjne (złożeniowy i wykonawcze) stanowią zasadniczą część projek-
tu konstrukcyjnego chwytaka. Do zaliczenia pracy wymagane jest wykonanie rysunku złoże-
niowego chwytaka wraz ze specyfikacją podzespołów i części oraz rysunku wykonawczego
jednej wybranej części o średnim stopniu złożoności. Można również uznać, że będą speł-
nione minimalne wymagania w przypadku wykonania rysunku złożeniowego w postaci akso-
nometrycznego schematu konstrukcyjnego wraz z odpowiednim rysunkiem wykonawczym
3
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
wykonanym w rzutach prostokÄ…tnych. Schemat konstrukcyjny jest rysunkiem konstrukcyjnym
na którym występują wszystkie podstawowe elementy ale są narysowane
w uproszczonej formie geometrycznej, bez szczegółów.
Studenci mogą wykonywać rysunki konstrukcyjne z wykorzystaniem programu Auto-
CAD. Jednak podstawową formą rysowania jest rysowanie ręczne.
PRZYKA
AD 1. ROZWI
ZANIE ZADANIA PROJEKTOWEGO
Zadany schemat kinematyczny chwytaka typu P-(O-O-P)
Rys. 1. Schemat kinematyczny chwytaka.
1. OBLICZENIE RUCHLIWOÅšCI CHWYTAKA
w = 3n - 2p5 - p4
(1)
w
gdzie: - ruchliwość chwytaka,
n - liczba członów ruchomych,
p5
- liczba par kinematycznych klasy piątej obrotowych i postępowych,
p4 - liczba par klasy czwartej.
Dla powyższego schematu chwytaka mamy:
n = 5, p5 = (0,1),(1,2),(1,2'),(2,3),(2' ,3'),(3,0),(3' ,0) = 7, p4 = 0 w = 3 Å"5 - 2 Å"7 = 1
Ruchliwość w=1 oznacza, że do napędu chwytaka zastosujemy jeden siłownik pneu-
matyczny o ruchu liniowym.
4
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
2. ANALIZA ZADANIA PROJEKTOWEGO
Przyjęcie podstawowych wymiarów elementów chwytaka, wyznaczenie skoku siłowni-
ka oraz zakresu rozwarcia szczęk
Zadany schemat kinematyczny chwytaka w podziałce 1:1 przedstawiono na Rys. 2.
"x
Schemat został narysowany w dwóch położeniach przy założonym skoku .
Rys. 2. Schemat kinematyczny chwytaka w założonych położeniach krańcowych
5
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
Uwaga: Można przyjmować skoki suwaka 1 mechanizmu chwytaka równe wartościom typo-
wych skoków siłowników.
PrzykÅ‚adowo typowe skoki dla jednego z siÅ‚owników typu ADVU firmy Festo wynoszÄ… 1÷400
mm a dla tzw. siÅ‚owników krótkoskokowych typ ADV odpowiednio 4÷80 mm. PrzyjÄ™cie skoku
suwaka identycznego ze skokiem typowego siłownika upraszcza konstrukcje chwytaka po-
nieważ nie będą wymagane dodatkowe konstrukcyjne ograniczenia skoku.
Ta powierzchnia może
być traktowana jako baza
montażowa
a) b)
Rys 3. Siłowniki firmy FESTO a) typu ADV b) typu ADVU,
Ostatecznie na podstawie analizy geometrycznej na podstawie schematu Rys. 2 do
dalszych obliczeń przyjęto:
xmin , xmax , "x = xmax - xmin , ymin , ymax , "y = 2( ymax - ymin ),
l4 - xmin , l2 , l31, l32 , Å‚ , dmin , dmax .
xmin
Uwaga: - jest to odległość centralnego punktu suwaka w pozycji maksymalnie cofniętej
do wybranej bazy montażowej np. górnej powierzchni siłownika. W obliczeniach charaktery-
xmin
styk chwytaka wartość można przyjmować dowolnie.
Maksymalny ciężar obiektu transportowanego obliczono ze wzoru:
2
Ä„dmax
Qmax = lmax Å"Å‚
[N] (2)
4
lmax
gdzie: [m] - maksymalna długość chwytanego obiektu,
Å‚
[N/m3]  ciężar właściwy materiału transportowanego.
6
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
Fch max i minimalnego wymiaru
Wyznaczenie maksymalnej koniecznej siły chwytu
szczęki
dmax
Dane: - maksymalna średnica obiektu manipulacji (wałka, tulei),
Qmax - maksymalny ciężar obiektu manipulacji,
µ
- współczynnik tarcia miÄ™dzy szczÄ™kami chwytaka a obiektem (µ=0,2÷0,3),
n = 2 - współczynnik przeciążenia chwytaka (współczynnik ten wynika z uwzględnie-
nia siły bezwładności oddziaływującej na obiekt transportowany w chwili rozruchu
manipulatora, przyjęto, że chwytak doznaje wtedy przyspieszenia równego g)
2Å‚
- kąt nachylenia szczęk chwytaka.
Transportowany obiekt chwytany jest w pozycji jak na Rys. 4
a) b)
Rys. 4. Układ sił działających na chwytak
a) rozkład sił tarcia podczas chwytania obiektu
b) rozkład sił normalnych podczas chwytania obiektu
Wyznaczenie siły chwytu
Fch Fch
Fch Å" µ
N = =
T = µN =
Fch = 2N cos(900 - Å‚ )
, , .
2 sinł 2 sin ł
2 cos(900 - Å‚ )
Dla prawidłowego uchwycenia transportowanego elementu musi być spełniony warunek:
Qmax Å" n sinÅ‚
2Fch Å" µ Q Å" n sinÅ‚
4T = e" Q Å" n Fch e" Fch max e"
stąd siła chwytu oraz
sinÅ‚ 2µ 2µ
(3)
Wyznaczenie minimalnego wymiaru szczęki
d d d
tgł = emin = e > emin =
oraz (4)
2emin stąd 2tgł 2tgł
7
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
3. WYZNACZENIE CHARAKTERYSTYKI PRZESUNI
CIOWEJ CHWYTAKA
y = fp(x)
Charakterystyka przesunięciowa chwytaka: (5)
gdzie:
x
- przesunięcie zespołu napędowego (tłoczyska siłownika pneumatycznego),
y
- przesunięcie końcówek chwytnych
fp(x)- przełożenie przesunięciowe mechanizmu chwytaka.
Rys. 5. Model obliczeniowy chwytaka do
wyznaczania charakterystyki przesunięciowej
i prędkościowej
x = x(t), Õx = 0, l2 , Õy = 2700 , l4 , Õ4 = 1800
Dane:
&
& y = fp(x)
Õ2 , y, Õ2 , y
Wyznaczymy: , oraz charakterystykę przesunięciową
Zadanie zostanie rozwiÄ…zane metodÄ… analitycznÄ…
W celu rozwiązania zadania metodą analityczną przyjmujemy układ współrzędnych Oxy.
W schemat kinematyczny mechanizmu wpisujemy zamknięty wielobok wektorowy. Ozna-
czamy kąty jakie tworzą wektory z osią x układu współrzędnych. Dla przyjętego wieloboku
możemy napisać równanie wektorowe:
4
l = 0
" l
x + l + y + l = 0
, 2 4
l =1
RozwiÄ…zanie:
x cosÕx + l2 cos Õ2 + y cosÕy + l4 cosÕ4 = 0
x sinÕx + l2 sinÕ2 + y sinÕy + l4 sinÕ4 = 0
x + l2 cosÕ2 - l4 = 0
l2 sinÕ2 - y = 0
(6)
8
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
Na podstawie (6) mamy:
l2 cosÕ2 =l4-x
2
l2 sinÕ2 = y l2 = (l4 - x)2 + y2
stÄ…d:
2
y = Ä… l2 - (l4 - x)2
ostatecznie charakterystyka przesunięciowa chwytaka: (7)
2
l2 - (l4 - x)2
y
tgÕ2 = =
oraz kąt obrotu członu 2: (8)
l4 - x l4 - x
55
50
45
40
35
30
2
y = l2 - (l4 - x)2
25
20
15
10
5
0
25 27,5 30 32,5 35 37,5 40 42,5 45 47,5 50
Przemieszczenie suwaka x [mm]
Rys. 6. Charakterystyka przesunięciowa chwytaka (Excel)
4. WYZNACZENIE CHARAKTERYSTYKI PR
DKOÅšCIOWEJ CHWYTAKA
&
y
fv (x) =
Charakterystyka prędkościowa chwytaka
&
x
Charakterystykę prędkościową otrzymujemy obliczając pochodną względem czasu
wyrażenia (7).
&
l4 - x y l4 - x
& &
y = Ä… x fv (x) = =
lub
&
2 x 2
l2 - (l4 - x)2 l2 - (l4 - x)2 (9)
& &
x,y
gdzie: odpowiednio prędkość tłoczyska i prędkość końcówki chwytnej
9
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Przemieszczenie końcówki chwytnej y(x) [mm]
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
Charakterystykę prędkościową można również wyznaczyć na podstawie analizy kine-
matycznej mechanizmu chwytaka przeprowadzonej metodÄ… wektorowÄ… nazywanÄ… metodÄ…
planów prędkości. Metoda ta polega na zapisaniu równań wektorowych określających pręd-
kości charakterystycznych punktów mechanizmu, a następnie ich rozwiązaniu wykreślnym.
Zależności geometryczne wynikające z planów prędkości mogą również w przypadku pro-
stych mechanizmów stanowić podstawę do wyprowadzenia zależności analitycznych (w tym
przypadku z pominięciem metody analitycznej stosowanej powyżej).
Wyznaczymy charakterystykę prędkościową mechanizmu chwytaka Rys. 7. metodą planów
&
v = x
prędkości. Dane:
A
a) b)
Rys. 7. Analiza kinematyczna mechanizmu chwytaka metodą wektorową (planów prędkości)
a) schemat mechanizmu do analizy, b) plan prędkości
vB = v + vBA
A
Równanie prędkości punktu B: (10)
IIy -y IIx - x Ä„" AB
vA
kV =
Przyjmujemy podziałkę rysunkową prędkości: i rozwiązujemy wykreślnie równa-
(vA)
nie (10) (Rys. 7b).
Na podstawie Rys. 7a,b możemy wyprowadzić charakterystykę prędkościową chwytaka:
&
y (vB )kv vB l4 - x l4 - x
fv (x)= = = = ctgÕ2 = =
(11)
&
x (v )kv v y 2
A A
l2 - (l4 - x)2
Wzory (11) i (9) są identyczne co potwierdza poprawność przeprowadzonej analizy kinema-
tycznej chwytaka.
10
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
1,5
1,4
1,3 l - x
4
fv (x ) =
2
l2 - (l 4 - x )2
1,2
1,1
1,0
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
25 27,5 30 32,5 35 37,5 40 42,5 45 47,5 50
Przemieszczenie suwaka x [mm]
Rys. 8. Charakterystyka prędkościowa chwytaka (Excel)
11
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
końcówki chwytnej f
v
(x)
Charakterystyka prędkościowa
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
5. WYZNACZENIE CHARAKTERYSTYKI SIA
OWEJ CHWYTAKA
Fch
fF (x)=
Charakterystyka siłowa (przełożenie siłowe) chwytaka: (12)
Fs
Fs
gdzie: - siła na wyjściu zespołu napędowego (siłownika) chwytaka,
Fch - siła chwytu,
fF (x)
- przełożenie siłowe mechanizmu chwytaka.
Rys. 9. Model obliczeniowy chwytaka do wyznaczenia charakterystyki siłowej
Ograniczymy się do analizy statycznej chwytaka pomijając siły ciężkości i siły bez-
władności jego elementów oraz siły tarcia w parach kinematycznych. Zadanie rozwiążemy
metodą grafoanalityczną opartą na wektorowym zapisie równań równowagi sił oraz anali-
tycznym zapisie równań równowagi momentów sił. W tej metodzie analizę siłową rozpoczy-
namy od wyznaczenia układu sił działających na tzw. grupę strukturalną (w tym przypadku
jest układ dwóch członów oswobodzonych od podstawy oraz od członu napędzającego). Po
wyznaczeniu sił w grupie strukturalnej przystępuje się do analizy siłowej członu napędzają-
cego (suwaka-tłoczyska siłownika -1).
Ze względu na symetrię mechanizmu przeprowadzimy analizę sił tylko w grupie struk-
turalnej (2,3). Układ sił dla grupy (2 , 3 ) będzie identyczny.
Metoda grafoanalityczna daje rozwiązanie graficzne dla jednego, wybranego położe-
nia mechanizmu. Jeżeli chcemy określić siły w wielu położeniach mechanizmu musimy takie
rozwiązanie wielokrotnie powtórzyć.
Zależności geometryczne wynikające z rozwiązania grafoanalitycznego stanowią
w przypadku prostych mechanizmów podstawę do sformułowania analitycznych związków
określających siły w parach kinematycznych mechanizmu i opisujących jego charakterystykę
siłową. Zostanie to wykorzystane w niniejszym przykładzie.
12
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
Analiza sił w grupie strukturalnej (2, 3)
Wykreślne rozwiązanie równania (13)
kR
w podziałce
Õ2
a)
b)
Oswobodzona od więzów
Ä
R12 = 0
grupa strukturalna (2, 3)
Rys. 10. Analiza sił działających na człony grupy strukturalnej (2, 3)
a) oswobodzenie od więzów grupy strukturalnej , b) oraz graficzne rozwiązanie równania
równowagi sił
n Ä
Pi = 0 Ò! R + R + R + F = 0
" 12 12 03 ch
(2,3)
(13)
=0
Ä Ä
MiB = 0 Ò! R12 Å" AB = 0; R12 = 0
"
(14)
(2)
MiB = 0 Ò! -M03 + FchBC = 0; M03 = Fch Å" BC
"
(15)
(3)
Analiza sił dla członu napędzającego 1
Wykreślne rozwiązanie równania (16)
kR
w podziałce
n n
R21 = -R12
2 n 2 n
R21 = -R12
a) b)
Rys. 11. Analiza sił dla członu napędzającego 1.
a) oswobodzenie od więzów członu 1, b) graficzne rozwiązanie równania równowagi sił
n ' n
P = 0 Ò! F + R21 + R21 = 0
" i(1) s
(16)
Na podstawie równania (16) rozwiązanego wykreślnie na Rys. 11b otrzymaliśmy war-
F Fch
tość i zwrot siły s siłownika niezbędnej do uchwycenia przedmiotu z siłą
w położeniu mechanizmu jak na rysunku.
13
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
Zależności analityczne
Fch
n
R12 =
Na podstawie Rys. 10b mamy:
sinÕ2
n
Fs = 2R21 cosÕ2 = 2 Å" Fch Å"ctgÕ2
Na podstawie Rys. 11b mamy:
l2 - (l4 - x)2
Fch tgÕ2 2
fF (x) = = =
stąd charakterystyka siłowa: (17)
Fs 2 2(l4 - x)
6. SPRAWDZENIE CHARAKTERYSTYKI SIA
OWEJ CHWYTAKA METOD
MOCY
CHWILOWYCH
Równanie mocy chwilowych dla chwytaka
Dla dowolnego chwytaka bilans mocy chwilowych przy pominięciu tarcia, sił ciężkości oraz
bezwładności jego elementów ma postać:
& &
Nwe + Nwy = 0 Nwe = F Å" x, Nwy = 2F Å" y
s ch
, gdzie (18)
& & & &
F Å" x + 2F Å" y = 0 Fs Å" x - 2Fch Å" y = 0
czyli: s ch stÄ…d: (19)
Rys. 12. Model chwytaka do wyznaczenia bilansu mocy chwilowych
Na podstawie (19) można wyznaczyć charakterystykę siłową przy pomocy charakterystyki
Fch & 1
x
fF (x) =
= = fF ( x )
prędkościowej ponieważ zachodzi zależność: lub (20)
&
2fv (x)
Fs 2y
Obliczanie charakterystyki siłowej chwytaka na podstawie jego charakterystyki pręd-
kościowej metodą mocy chwilowych
Podstawiając zależność (9) do wzoru (20) otrzymamy:
2
(l4
1 tgÕ2 l2 - - x)2
fF (x)= = =
(21)
2fv (x) 2 2(l4 - x)
Na podstawie równania mocy chwilowych otrzymaliśmy zatem charakterystykę siłową
mechanizmu chwytaka.
Równania (17) i (21) mają identyczną postać co potwierdza poprawność przeprowadzonej
analizy siłowej.
14
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
0,9
2
l2 - (l4 - x)2
Fch
0,8
= fF (x)=
Fs 2(l4 - x)
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
25 27,5 30 32,5 35 37,5 40 42,5 45 47,5 50
Przemieszczenie suwaka x [mm]
Rys. 13. Charakterystyka siłowa chwytaka (Excel)
15
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
F
Charakterystyka siłowa chwytaka f
(x)
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
7. OBLICZENIA WYTRZYMAA
OÅšCIOWE CHWYTAKA
Obliczenia wytrzymałościowe przeprowadzamy przyjmując wstępnie rodzaj materiału
i wymiary przekroju obciążonych elementów. Wymiary te należy przyjmować w oparciu
o proporcje zaobserwowane w istniejących konstrukcjach chwytaków. Po sprawdzeniu
warunku wytrzymałościowego można dokonać korekty wymiarów.
Sprawdzenie warunku wytrzymałościowego na zginanie ramion chwytaka
Rys. 14. Model obciążenia i wykres momentów gnących dla ramienia chwytaka
Mg max = M03 = Fch Å" BC
Maksymalny moment gnący występuje w punkcie B i wynosi:
Przyjmujemy przekrój prostokątny ramienia chwytaka o wskaz
niku wytrzymałości na
bh2
Wg =
zginanie:
6
Warunek wytrzymałościowy na zginanie ramienia chwytaka ma postać:
Mg max 6Fch Å" BC
à = = d" kg
g max
(22)
Wg
bh2
kg
gdzie: - wytrzymałość materiału ramienia na zginanie
16
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
Sprawdzenie warunku wytrzymałościowego na ścinanie dla najbardziej obciążonego
sworznia
Przyjmujemy, że połączenie elementu 3 (suwaka z ramieniem) oraz elementu 2
n
R12 działającą
(dz
wigni)następuje przy pomocy sworznia, który przenosi siłę
w przegubie B. Sworzeń ten jest ścinany. Średnicę sworznia należy przyjmować w oparciu o
wymiary przekrojów łączonych członów, uwzględniając osłabienie przekroju otworem pod
sworzeń. Celowe jest prowadzenie obliczeń równocześnie z konstruowaniem mechanizmu.
Warunek wytrzymałościowy na ścinanie sworznia w punkcie B ma postać:
n
Ft max R12 4Fch
Ämax = = = d" kt
(23)
A A
Ä„d2
2
d
A = Ä„
gdzie:  powierzchnia przekroju sworznia, d- średnica sworznia,
4
kt - naprężenia dopuszczalne na ścinanie materiału sworznia.
d2
A = 2Ä„
W przypadku ścinania sworznia w dwu płaszczyznach przyjmujemy .
4
8. OBLICZANIE WYMAGANYCH PARAMETRÓW NAP
DU PNEUMATYCZNEGO
CHWYTAKA
Rys. 15. Model siłownika pneumatycznego dwustronnego działania.
Ä„D2
Ptp = pn
Teoretyczna siła pchająca cylindra pneumatycznego: (24)
4
2
Ä„(D2 - d )
Ptc = pn
Teoretyczna siła ciągnąca napędu pneumatycznego: (25)
4
pn = 0,6MPa
gdzie: - ciśnienie nominalne zasilania
17
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
Pt e" Pw = k Å" Fs max
Zasada doboru siłownika: (26)
Pt
gdzie: - teoretyczna siła pchająca lub ciągnąca siłownika
Pw - obliczona wymagana siła na tłoczysku
k = 1,2 ÷1,5
- współczynnik przeciążenia
Fs max - maksymalna siła na tłoczysku siłownika potrzebna do uzyskania
maksymalnej niezbędnej siły chwytu, którą wyznaczamy ze wzoru:
Fch max
Fs max =
(27)
fF ( x )min
Pw = k Å"Fs max jest podstawÄ… do-
Uwaga: Obliczona wymagana siła na tłoczysku siłownika
boru siłownika z katalogu firmowego lub przy projektowaniu własnego. Zalecane jest jednak
projektowanie chwytaka na bazie siłownika dobranego z katalogu firmowego.
9. RYSUNKI KONSTRUKCYJNE CHWYTAKA
Zakładając, że mamy przyjęte lub obliczone podstawowe parametry geometryczne
oraz dobrany napęd (siłownik), możemy przystąpić do kształtowania postaci konstrukcyjnej
członów chwytaka. Jeżeli jako napęd stosujemy siłownik handlowy to pozostałą część kon-
strukcji należy posadowić na siłowniku wykorzystując w tym celu bazę montażową jaką po-
siada. Należy ukształtować element konstrukcyjny na którym posadowione będą pary kine-
matyczne występujące w mechanizmie chwytaka. Ten element (podstawa) będzie mocowany
do siłownika za pomocą łączników śrubowych. Człon napędowy mechanizmu chwytaka (su-
wak) będzie posadowiony bezpośrednio na tłoczysku siłownika czyli nie będzie wymagał do-
datkowego prowadzenia. Pamiętając o tym, że chwytak jest obciążony przestrzennym ukła-
Qmax działa prostopadle do płaszczyzny mechanizmu) należy kon-
dem sił (siła obciążająca
struować elementy mechaniczne o odpowiedniej sztywności również w kierunku poprzecz-
nym. Dotyczy to w szczególności łożysk i prowadzeń suwaków.
Ostateczny kształt konstrukcji zależy od wiedzy, wyobraz
ni i inwencji konstruktora. Na-
leży wykorzystywać gotowe elementy (handlowe) jak łączniki śrubowe, pierścienie sprężyste
sworznie, kołki, łożyska, kształtowniki itp. ponieważ upraszcza to konstrukcję i zmniejsza jej
koszty.
Rozwiązanie konstrukcyjne rozpoczynamy od rzutu głównego chwytaka na rysunku
złożeniowym nakładając na narysowany w podziałce 1:2, 1:1 lub 2:1 schemat kinematyczny
mechanizmu elementy geometrii członów oraz umiejscawiając siłownik pneumatyczny
(rys.16) . Następnie wprowadzimy trzeci wymiar rysując elementy konstrukcyjne w kolejnych
rzutach (rys. nr CHW.01.00). W przypadku konstruowania z użyciem programu AutoCAD
można zacząć od rysunku siłownika pneumatycznego w przestrzeni trójwymiarowej (rys.17),
a następnie nakładać kolejne elementy mechaniczne w postaci brył w celu utworzenia trój-
wymiarowego rysunku złożeniowego. Rzuty prostokątne chwytaka otrzymamy automatycz-
nie. Rysunek wykonawczy niezależnie od narzędzi konstruowania należy narysować dla jed-
nej części o średnim stopniu złożoności.
18
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
Rys. 16. Konstruowanie chwytaka na podstawie schematu kinematycznego.
19
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
Rys. 17. Konstrukcja chwytaka typu P-(O-O-P) napędzanego siłownikiem pneumatycznym
w AutoCAD. Rysunek w takiej postaci nie jest wymagany w ramach projektu
20
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
Rys. 18. Podzespoły i elementy konstrukcyjne chwytaka w AutoCAD
Rysunek w takiej postaci nie jest wymagany w ramach projektu
21
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
22
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
23
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
WSPOMAGANIE KOMPUTEROWE PROJEKTOWANIA CHWYTAKA
1. Model chwytaka w programie SAM
Fch
&
x, x
Fch
y = fp( x )
2. SAM - Charakterystyka przesunięciowa chwytaka
maksymalne
y [mm]
rozwarcie
szczęki
minimalne
rozwarcie
szczęki
x [mm]
24
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona
Zapis i Podstawy Konstrukcji Projekt techniczny chwytaka
& &
y = fp( x )x
3. SAM - Charakterystyka prędkościowa końcówki chwytnej
m
îÅ‚ Å‚Å‚
&
y
ïÅ‚ śł
s
ðÅ‚ ûÅ‚
m
&
x = 0,1
s
x [mm]
Fs( x )
4. SAM - Charakterystyka wymaganej siły na siłowniku chwytaka
Fs( x )
[N]
Fch = 100 N
x [mm]
25
Opracowali: H. Jaworowski, J. Felis Strona


Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
cw6 arkusz obliczeniowy przyklad
przykładowy test A
przykladowyJrkusz150UM[1] drukow
OEiM AiR Przykladowy Egzamin
Znaczenie korytarzy ekologicznych dla funkcjonowania obszarów chronionych na przykładzie Gorców
przykladowe zadania redoks
Ćwiczenie 14 przykład
6 6 Zagadnienie transportowe algorytm transportowy przykład 2
Przyklad5 csproj FileListAbsolute
Człowiek wobec przestrzeni Omów na przykładzie Sonetó~4DB
Przykladowe kolokwium 2
Załącznik 3 Przykłady ćwiczeń relaksacyjnych przy muzyce
Przyklad zarz
origin dopasowanie gausem na przykladzie wahadla matematycznego
przyklad zrozw arkusz2

więcej podobnych podstron