Разработка звена манипулятора
Содержание
Введение
. Техническое задание
. Расчет мощности привода четвертого
звена
. Расчет мощности привода третьего
звена
. Расчет вала на прочность
. Подбор подшипников
Проектирование звеньев в КОМПАС 3D
V13
Заключение
Список литературы
Введение
Промышленный робот - управляемое устройство или
машина для выполнения двигательных функций, аналогичных функциям руки человека
при перемещении объектов в пространстве, оснащенное рабочим органом.
Манипулятор - это устройство дистанционно
управляемое оператором и (или) программным устройством, содержащее рабочий
орган, который предназначен для имитации перемещений и рабочих функций кисти
руки
Основу манипуляторов составляют пространственные
механизмы со многими степенями свободы. Манипуляторы выполняют работы в средах,
недоступных или опасных для человека (подводные глубины, вакуум, радиоактивная
среда и другие агрессивные среды), вспомогательные работы в промышленном
производстве. Манипуляторы используются в медицинской технике (например, в
протезировании).
В системе автоматического регулирования и
управления, существует устройство, непосредственно осуществляющее механическое
перемещение (или поворот) регулирующего органа объекта управления, называющееся
исполнительным механизмом. По типу привода различают гидравлический,
пневматический, электрический и комбинированный исполнительный механизм (напр.,
электрогидравлический). Исполнительные механизмы предназначены для перемещения
регулирующих органов в системах автоматического регулирования технологическими
процессами в соответствии с командными сигналами автоматических регулирующих и
управляющих устройств. Исполнительные механизмы перемещают рабочие органы
неполноповоротного принципа действия (шаровые и пробковые краны, поворотные
дисковые затворы, заслонки).
Они устанавливаются вблизи регулирующих
устройств и связываются с ними посредством тяг и рычагов.
Исполнительные механизмы изготовляются с
датчиком обратной связи (блоком сигнализации положения выходного вала) для
работы в системах автоматического регулирования или без датчиков обратной связи
- с блоком концевых выключателей для режима ручного управления.
Одним из видов исполнительных механизмов
является привод.
Шаговый электродвигатель - это синхронный
бесщёточный электродвигатель с несколькими обмотками, в котором ток подаваемый
в одну из обмоток статора вызывает фиксацию ротора. Последовательная активация
обмоток двигателя вызывает дискретные угловые перемещения (шаги) ротора
Конструктивно шаговые электродвигатели состоят
из статора, на котором расположены обмотки возбуждения, и ротора выполненного
из магнито-мягкого (ферромагнитного) материала или из магнито-твёрдого
(магнитного) материала. Шаговые двигатели с магнитным ротором позволяют
получать больший крутящий момент и обеспечивают фиксацию ротора при обесточенных
обмотках. Гибридные двигатели сочетают в себе лучшие черты двигателей с
переменным магнитным сопротивлением и двигателей с постоянными магнитами. Ротор
гибридного двигателя имеет зубцы, расположенные в осевом направлении. Ротор
разделен на две части, между которыми расположен цилиндрический постоянным
магнит. Таким образом, зубцы верхней половинки ротора являются северными
полюсами, а зубцы нижней половинки - южными. Кроме того, верхняя и нижняя
половинки ротора повернуты друг относительно друга на половину угла шага
зубцов. Число пар полюсов ротора равно количеству зубцов на одной из его
половинок. Зубчатые полюсные наконечники ротора, как и статор, набраны из
отдельных пластин для уменьшения потерь на вихревые токи. Статор гибридного
двигателя также имеет зубцы, обеспечивая большое количество эквивалентных
полюсов, в отличие от основных полюсов, на которых расположены обмотки. Обычно,
используются 4 основных полюса для 3.6 град. двигателей и 8 основных полюсов
для 1.8 - 0.9 град. двигателей. Зубцы ротора обеспечивают меньшее сопротивление
магнитной цепи в определенных положениях ротора, что улучшает статический и
динамический момент. Это обеспечивается соответствующим расположением зубцов,
когда часть зубцов ротора находится строго напротив зубцов статора, а часть
между ними.
В машиностроении наибольшее распространение
получили высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с
угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об).
Точность выставления шага определяется качеством механической обработки ротора
и статора электродвигателя. Производители современных шаговых электродвигателей
гарантируют точность выставления шага без нагрузки до 5% от величины шага.
Устройства, предназначенные для передачи
мощности двигателя исполнительным органам, машин, называются передаточными
механизмами или кратко передачами.
1. Техническое задание
Для данной схемы манипулятора (рисунок 1,
таблица 1) выполнить:
расчет мощности двигателя для звена 4;
выбор передачи (редуктора) для требуемых
звеньев, согласно рассчитанным параметрам;
выбор привода для заданного движения звеньев,
исходя из требуемой мощности;
выбор системы управления приводами;
подбор муфт для соединения валов;
расчет вала на прочность в САПР;
подбор подшипников;
расчет исследуемого звена на прочность в САПР;
проектирование крепления двигателя к звену и
расположения передачи в звене;
уравновешивание звеньев;
статический расчет уравновешенных звеньев.
Рисунок 1-Кинематическая схема четырёхзвенного
манипулятора
Таблица 1 - Техническое задание
№
Варианта
|
Звено
|
Длина,
м
|
Угол
поворота, град
|
Перемещение,
м
|
|
|
|
|
|
|
ОбщРасчОбщРасч
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
|
1
|
1,5
|
|
360
|
180
|
|
|
0,2
|
0,2
|
|
|
|
2
|
0,5
|
|
|
|
1,0
|
0,5
|
|
|
0,2
|
0,2
|
|
3
|
1
|
|
|
|
1,0
|
0,5
|
|
|
0,2
|
0,2
|
|
4
|
0,7
|
0,3
|
360
|
0
|
|
|
0,2
|
|
|
. Расчет мощности привода четвертого звена
Исходя из данных схемы, четвертое звено
совершает вращательное движение вокруг оси х. Следовательно, для определения
мощности привода можно воспользоваться следующей зависимостью
,
где - крутящий момент, - масса,
состоящая из массы звена,захватного устройства и груза, - угловая
скорость вращения звена. Значение угловой скорости необходимо перевести в
об/мин для подбора привода по значениям крутящего момента, подставим данные из
таблицы 1:
,
Для выбора привода необходимо знать
крутящий момент, поэтому момент посчитаем отдельно:
Так как двигатель, обладающий таким
крутящим моментом, имеет большие габариты, необходимо использовать
мотор-редуктор. Выбираем мотор-редуктор 3МП-25.Характеристики выбранного
мотор-редуктора представлены в таблице 2.
Таблица 2 Характеристики
мотор-редуктора:
Номинальная
частота вращения выходного вала, об/мин
|
3,55
|
Номинальный
крутящий момент на выходном валу, Н.м
|
90
|
Марка
электродвигателя
|
АИР56А4
|
Мощность,
кВт
|
0,12
|
Допускаемая
радиально-консольная нагрузка на выходном валу, Н
|
800
|
КПД
редукторной части, %
|
0,95
|
Рисунок 2- Чертеж двигателя
манипулятор редуктор привод
подшипник
В соответствии ГОСТ 14084-93 для компенсация
динамических нагрузок используем муфту упругую со звёздочкой. Муфта состоит из
двух полумуфт с тремя или четырьмя торцевыми кулачками треугольного или
трапецевидного сечения. Кулачки входят в соответствующие впадины промежуточного
тела - упругой звёздочки, которая служит упругим элементом. Звёздочка работает
на сжатие. При передаче момента в каждую сторону работают три (четыре) зуба
звёздочки.
Рисунок 2- 3D модель сборки
. Расчет вала на прочность
Для подбора подшипников, нам нужно рассчитать
вал на прочность методом конечных элементов. Длина вала l=1м, внешний диаметр
d=22мм. Вал выполнен из материала - литая углеродистая сталь. Предел прочности
стали при растяжении, сталь для конструкций :373МПа. 3D модель вала для
дальнейшего расчета представлена на рисунке 8.
Рисунок 8 - 3D модель вала
Выполним вал, закрепленный с обеих сторон
подшипниками. По длине всего вала действует изгибающий момент. На конце вала
нужно учесть действие силы тяжести груза и захватного устройства 100Н. В
таблице 6 представлены свойства выбранного материала, формируемые в процессе
исследования самим программным продуктом. Схема нагружения представлена на
рисунке 9.
Рисунок 9 - Схема нагружения.
Следующим этапом будет наблюдение эксперимента.
На рисунках 10,11 представлены результаты вычислений в виде полей напряжений и
схемы перемещений.
Рисунок 10 - Поля напряжений
Из данной диаграммы видно, что вал выдержит
прилагаемые к нему нагрузки без разрушения детали. Даже в самых опасны сечениях
будут возникать напряжения, в три раза меньшие, чем прилагаемая нагрузка в них:
Следовательно, условие прочности выполняется.
Рисунок 11 - Поля перемещений
На рисунке 11 видно, что в среднем сечении вала
возникают наибольшие перемещения. Это означает, что необходимо добавить как
минимум одну опору. Тем не менее, значения максимальных прогибов не превышают
допускаемых, которые равны
.
Добавив 2 опоры, мы будем уверены в
том, что условие жесткости соблюдается и при работе механизма вал не будет
сильно прогибаться.
5. Подбор подшипников
Следующим этапом выполнения курсового проекта
является подбор подшипников на 3 звено, распределяющих нагрузку от 4 звена .
Подшипник - изделие, являющееся частью опоры или
упора, которое поддерживает вал, ось или иную подвижную конструкцию с заданной
жёсткостью.
Основные параметры подшипников:
максимальные динамическая и статическая нагрузка
(радиальная и осевая);
максимальная скорость (оборотов в минуту для
радиальных подшипников);
посадочные размеры;
класс точности подшипников;
требования к смазке;
ресурс подшипника до появления признаков
усталости, в оборотах;
шумы подшипника.
На рисунке 12 предоставлена схема установки
подшипников на 3 звено.
Тип подшипников 2007113А внутренним диаметром
65мм и 2007112А внутренним диаметром 60мм
Рисунок 12 - схема установки подшипников
. Проектирование звеньев в КОМПАС 3D V13
Выбор сечения звена 3 :
=120мм; d=114мм;=70мм; b’=64мм;
Выбор сечения звена 4 :
Так как звено 4 вращается,то оно
должно иметь круглое сечение.=70мм=64мм
После всех необходимых расчетов
необходимо создать модель каждого элемента манипулятора. В данной работе были
разработаны модель манипулятора и его звеньев. Все вышеперечисленные модели
представлены на рисунках 14-17.
В соответствии с ГОСТ 26063-84 был
выбран фланец для захватного устройства, на рисунке 13 представлена 3D модель
фланца к которому крепится захватное устройство винтами с цилиндрической
головкой ГОСТ 1491-80
Рисунок 14 - 3D модель фланца
захватного устройства
Рисунок 15 - 3D схема четвертого
звена манипулятора
Четвертое звено манипулятора
является полым, для того чтобы внутри расположить механизм схвата с
пневмоцилиндром и уменьшить вес конструкции.
Рисунок 15 - 3D схема третьего звена
манипулятора
Рисунок 16 - 3D схема второго звена манипулятора
Рисунок 17 - 3D схема противовеса
Последним этапом проектирования 3D модели
манипулятора, является сборка отдельных его частей в единое целое. Модель
манипулятора представлена на рисунке 18.
Рисунок 18 - модель манипулятора 3D
Заключение
В ходе выполнения данного курсового проекта была
поставлена задача синтеза четырехзвенного манипулятора. Эта задача заключалось
в правильном подборе шагового электродвигателя для оптимального поворота и
работы звена, точности хвата, в рациональном выборе передачи для осуществления
и преобразования движения, правильном выборе системы управления шаговым
двигателем четвертого звена, подборе муфт, соединяющих валы, подшипников.
Рассчитать нагрузки, действующие на валы и звенья манипулятора, построить поля
напряжений и перемещения. Необходимо было учесть форму и габариты получившегося
манипулятора и наглядно отобразить его модель с помощью программного продукта
SolidWorks.
Список литературы
1
Гулиа Н. В., Клоков В. Г., Юрков С. А. Детали машин. - М.: Издательский центр
"Академия", 2004. - С. 416. - ISBN 5-7695-1384-5.
Анурьев
В. И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. / Под ред. И. Н.
Жестковой - 8-е изд., перераб. и доп.. - М.: Машиностроение, 2001. - ISBN
5-217-02962-5.
Богданов
В. Н., Малежик И. Ф., Верхола А. П. и др. Справочное руководство по черчению. -
М.: Машиностроение., 1989. - С. 438-480. - 864 с. - ISBN 5-217-00403-7.
Добровольский
В.И., Добровольский С.В. Расчет на прочность, жесткость и устойчивость элементов
констукций. - учеб. пособие- Ижевск: Изд-во ИжГТУ,2004-212 с.
Артоболевский
И.И. Теория механизмов и машин - Москва: «Наука»,1975 -638 с.
Иосилевич
Г.Б. и др. Прикладная механика: Для студентов ВУЗов - Машиностроение, 1985 -
576 с.
Дунаев
П.Ф. Леликов О.П. Детали машин: Курсовое проектирование: Учеб. пособие для
машиностроит. спец. Учреждений среднего профессионального образования - 5-е
изд., доп. - М.: Машиностроение, 2007. - 560с.