Разработка звена манипулятора

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

. 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:

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.