Лабораторная работа №1А
Проектирование и исследование механических захватных устройств
Промышленных роботов и сборочных автоматических комплексов
Цель работы
На основе выбора способов накопления, схем захватывания, траекторных перемещений и установки детали (навесного компонента), определить
параметры захватного устройства (ЗУ), обеспечивающие удержание объекта и рассчитать параметры привода ЗУ.
Краткие теоретические сведения
Основное назначение программы - проведение лабораторных исследований при выполнении лабораторной работы по циклу автоматизации технологических процессов приборостроения. Варьирование исходными данными позволяет провести исследования всего комплекса задач проектирования и найти наиболее рациональный вариант, удовлетворяющий требованиям задания.
Программа может быть использована также для выполнения расчетов при разработке захватных устройств в курсовых и дипломных проектах.
2.1. Постановка задачи. Захватные устройства (ЗУ) промышленных роботов в (ПР) служат для захватывания и удержания в определенном положении объектов манипулирования; так как объекты могут иметь различные размеры, форму, массу, разнообразные физические свойства, то ЗУ относятся к числу сменных элементов ПР.
Данная программа позволяет решить задачу выбора и расчета захватных устройств промышленных роботов роботизированных технологических комплексов.
Основные положения по решению данной задачи приведены в методических указаниях (МУ) к курсовому и дипломному проектированию “ Выбор и расчет захватных устройств промышленных роботов роботизированных технологических комплексов” (авторы – Н.С. Быков, В.П. Ларин и др.).
Работа в данной программе предполагает, что студент уже ознакомился с содержанием МУ, в которой также приведена схема алгоритма решения задачи. Поэтому далее будут приведены только особенности работы с программой.
1. Процесс выбора и расчета механических ЗУ производится в диалоговом режиме. Предварительным этапом является выбор схемы удержания и формы губок ЗУ по табл.1 из МУ.
2. Далее, для выбранной схемы удержания вводятся исходные данные. Выбор и ввод того или иного параметра производится с помощью подвижного курсора клавишами ‘a’,’z’ и ’enter’. Все вводимые переменные имеют тип Real и вводить символьные переменные не рекомендуется (произойдет выход из программы, но введенные параметры будут сохранены). Все параметры сохраняются в файлах с расширением ‘.dat’.
3. Для обеспечения необходимых контактных усилий Ni производится выбор кинематической схемы передаточного механизма, как и в п.2. Наиболее распространенные передаточные механизмы приведены в табл.3 МУ.
4. Перед вводом тех или иных параметров рекомендуется обратиться к пункту ‘Справка’.
5. Некоторые рассчитанные параметры выводятся по ходу выполнения задачи и поскольку функция вывода на печать в данной программе не предусмотрена, то эти данные нужно своевременно записывать.
6. Некоторые вводимые параметры имеют высокий порядок, но при вводе этих чисел порядок не учитывается (он предусмотрен в программе).
7. Угол надо вводить не в градусах, а в радианах.
Для упрощения работы студентов, ниже приведена таблица 1 – «Механические свойства материалов».
Основные конструктивные параметры ЗУ выбираются и определяются на основе ГОСТ 26063-84 [2].
Подробная классификация ЗУ и факторы, определяющие выбор их типа, подробно рассмотрены в [1]. Анализ этих факторов и определенный опыт проектирования ЗУ позволяют расположить все факторы, в соответствии со значимостью, в следующей последовательности: тип объекта (детали), форма (конфигурация), материал, масса, размеры, характеристики поверхности и др.
Известно, что все разновидности объектов манипулирования (деталей, заготовок) можно условно объединить в три группы типов: плоские, тела вращения и корпусные.
Фактор «форма» уточняет особенности конструкции объекта манипулирования по конструктивным признакам, помогая выбрать поверхность под захват.
Для деталей типа тела вращения с параметрами L>=d (где L – длина детали, d – диаметр) применяют механические ЗУ. Основными достоинствами многообразия механических ЗУ являются наименьшая стоимость, надежность захватывания и удержания, широкий диапазон применения.
Основными требованиями к выполнению процесса манипулирования ЗУ с указанным типом деталей являются:
- надежность захватывания;
- надежность удержания при различных ускорениях в процессе манипулирования;
- надежность фиксации без деформации и разрушений объекта через твердый знак.
В случае захвата предварительно ориентированных объектов не допустимо их смещение при переносе, так как от этого зависит точность сопряжения объекта с другим.
Механические, в основном клещевые, ЗУ не исключают повреждения поверхностей и не всегда обеспечивают требуемую точность базирования деталей при сборке. Деформация детали может привести к изменению характеристик сборочной единицы в которую входит данная деталь.
2.2. Подготовка исходных данных. Процесс выбора и расчета механических ЗУ с применением ЭВМ ведется в диалоговом режиме. В связи с этим на предварительном этапе следует подготовить все необходимые данные для ввода в ЭВМ и решения задач:
1. Данные о детали (из чертежа детали и справочных таблиц): G – масса детали (заготовки), H (G=mg); L – длина детали (заготовки), м; d – диаметр детали (заготовки), м; Ед – модуль упругости материала детали, Па; 
- коэффициент Пуассона материала детали; 
- предел прочности материала детали, м; 
- допустимая величина деформации поверхности детали, м; r1- наружный радиус полой детали, м; r2 – внутренний радиус полой детали, м; h – толщина стенки полой детали, м.
2. Данные о манипуляторе, в схеме захвата и форме губок (из справочных таблиц): 
- линейные ускорения захвата по осям x, y, z, м\с2; 
- угловая скорость захвата, I/с; 
- угловое ускорение захвата, I/с2 (величины ускорений и скорости определяются техническими характеристиками манипуляторов); lг – ширина губки захвата, м (выбирается из конструктивных соображений); С1 – расстояние от центра тяжести детали до губки, м; 
- угол призмы; i – угол между направлением силы тяжести и направлением усилия контактирования (для схем 1.2, 1.3), рад; j – угол между усилиями контактирования (для схем 3.1, 3.3).
Для схемы 1.2: 1=900, 2= ;
Для схемы 1.3: 1= 2= ;
Для схемы 3.1: 1= 2= 3= =1200 или 1= 2= =1400, 3=800;
Для схемы 3.3: 1= 2= 3= 4= ;
f – коэффициент трения губки захвата с деталью (для стальных губок и деталей f=0,15 – 0,2); Еr – модуль упругости материала губок, Па; 
r – коэффициент Пуассона материала губок; 
доп.r – предел прочности материала губок, Па; Ni – контактное усилие между деталью и губкой, Н.
Данные по механическим свойствам материалов, механизмам захвата и схемам удержания приведены в справочных табл. 1,2.
Таблица 1
Механические свойства материалов
| Материал | Модуль продольной упругости Е, Па | Коэффициент Пуассона
| Предел прочности
, Па *107
|
| Сталь малоуглеродистая(Ст.1,Ст.2 и др.) | 2,15*1011 | 0,28 | (30,4-46) |
| Углеродистые стали: 47А 410А 412А | 0,29 | 61,76 58,8 63,7 | |
| Стали легированные: | (1,96-2,05)*1011 | 0,3 | |
| 15Х | 68,6 | ||
| 20Х | 78,4 | ||
| 40Х | |||
| 18ХГ | 88,2 | ||
| 40ХС | 122,54 | ||
| Цветные материалы и сплавы: | 0,7*1011 | 0,26-0,33 | |
| АМ | 17,7 | ||
| ДМ | 18,6 | ||
| Д1 | 37,2 | ||
| Д6 | 44,1 | ||
| АК | 42,15 | ||
| АС-1, АЛ-9 | 14,7-20,5 | ||
| Латуни, бронзы: | 0,25-0,3 | ||
| Л70,Л68,Л63 | (0,88-1,37)*1011 | 31-44 | |
| Бр0Ф | 39,2-49 | ||
| Бр0ЦС | (0,88-1,07)*1011 | 27,4-35,2 | |
| БрАМ | 39,2-49 | ||
| Пластмассы и фторопласты | (5-10)*108 | (120-412)*105 | |
| Реактопласты прессованные фенольные | 68-78 | 0,36-1,27 | 12,7-15,6 |
| Текстолит | 98*108 | 8,3 |
Для клиновых механизмов: Рп – усилие пневмопривода, Н; 
- угол клина, обычно выбирается в пределах 4-120 (0,069 – 0,2094), 
- приведенный угол трения (для подшипников скольжения =1010 = 0,019 рад, для подшипников качения =30=0,0523 рад); а, b, q – размеры кинематических звеньев, м (выбираются из конструктивных соображений, для обеспечения минимальных габаритов); 
- коэффициент полезного действия механизма (для реечных механизмов =0,94; для клиновых механизмов =0,9; для рычажных механизмов =0,9-0,95); С – расстояние от точки поворота губок до точки контакта с деталью, м; Епр – модуль упругости материала пружины, Па; dпр – диаметр провода пружины, м; Dпр – средний диаметр пружины, м; i – количество витков пружины (dпр, Dпр, i – выбираются из конструктивных соображений); t – величина раскрытых губок, м (определяется диапазоном размеров деталей t – 1,5d).
Для рычажных механизмов: d – диаметр оси шарнира, м (выбирается из конструктивных соображений); 
- угол между элементами кинематической схемы (обычно =2-40 =(0,034-0,069) рад); - приведенный угол трения в шарнирах; а,b – размеры кинематических звеньев, м (выбираются из конструктивных соображений).
Для реечных механизмов: a – размер кинематического звена, м; С – расстояние между осью поворота губок и точкой контакта губки с деталью, м (а и С выбираются из конструктивных соображений); mс – число зубьев сектора; zс – модуль зубьев сектора; 
- конструктивный коэффициент (для пневмоцилиндра двухстороннего действия и для тянущей силы =dш/D, где dш- диаметр штока, м; D – диаметр поршня, м); Ро – давление в пневмосистеме, Па (обычно Ро=(3-5)105 Па); - КПД привода ( =0,8 0,85).
2.3. Блок-схема алгоритма выбора и расчета ЗУ. Алгоритм выбора и расчета ЗУ построен по модульному принципу, достоинство которого заключается в возможности образования дополнительных модулей расчета ЗУ для специфических деталей, если разработанных схем и выражений расчета недостаточно.
Алгоритм содержит базовый модуль и три программных модуля расчета: SPL, POL и PRV. Базовый модуль служит для расчета характеристик ЗУ, не зависящих от разновидностей деталей типа тела вращения; программные модули SPL и POL предназначены для расчета характеристик системы «ЗУ - деталь», определяемых спецификой конструкции деталей; сплошных (SPL) и полых (POL); программный модуль PRV позволяет рассчитать передаточный механизм и характеристики привода ЗУ.
Процесс выбора и расчета механических ЗУ с применением ЭВМ проводится в диалоговом режиме. Схема последовательности этапов решения задачи базовым модулем А приведена на рис. 1. На первом этапе на основе типовых схем захвата, удержания и формы губок выбираются схема удержания и форма губок ЗУ.
Рис.1.
Детали типа тела вращения могут захватываться за торцы или цилиндрическую поверхность с ориентацией оси симметрии в горизонтальной или вертикальной плоскости. Конструкции пары губок ЗУ могут выполняться на основе различных вариантов сочетания плоских и призматических поверхностей в зависимости от массы и размеров деталей.
Для каждой из типовых схем удержания и форм пары губок разработаны математические модели для расчета контактных усилий Ni, в местах соприкосновения детали и губки, величины деформации 
поверхности детали под воздействием максимального из контактных усилий N2max величины контактного напряжения .
Работа алгоритма программного модуля SPL (рис. 2) начинается со сравнения рассчитанной величины контактных напряжений с допустимым значением доп.
 |
НЕТ
Рис 2.
 |
Рис.3.
 | |||
 | |||
нет
Да
Да
Рис.4.
В случае > доп, следует увеличить параметр lr до значения lr max, определяемого конструктивными соображениями. Если изменение ширины губок не приводит к условию <= , то необходим выбор другой схемы удержания и формы губок.
Следующим шагом является сравнение рассчитанной величины деформации поверхности с допустимым значением доп. Допустимая величина деформации может быть задана равной величине шероховатости детали или половине поля допуска для размеров деталей, выполненных по 5-6-му квалитету.
Для некоторых деталей величина доп может не задаваться. В этом случае введение доп=0 будет означать окончание расчетов.
Если > доп, то осуществляется переход к базовому модулю для выбора другой схемы другой схемы удержания или формы губок.
Для расчета ЗУ манипулирующими полыми деталями типа гильза, цилиндр, тонкостенная трубка и т.д. применяется программный модуль POL. Схема алгоритма
POL приведена на рис. 3. Из базового модуля А вводятся рассчитанные значения контактного напряжения , контактных усилий Ni max, а также модуль Ед упругости материала детали, коэффициент Пуассона д материала детали, углы призмы i и i max. На следующем шаге вводятся геометрические параметры детали: r1, r2, h и L – длина детали.
По этим параметрам проводится условная классификация полых деталей на толсто- и тонкостенные (оператор 3), а также длинные и короткие (оператор 4). Оператором 5 по формуле
кр = Едh3/4(1- 2д)r23
вычисляется критическое напряжение, при котором деталь теряет устойчивость. Величина кр1 сравнивается с величиной контактного напряжения , определенного для выбранной схемы удержания и формы губок. В случае >= кр 1 изменяются параметры li и i в пределах допустимых значений lr max и i max и возврат к оператору 2 базового модуля.
Оператором 7 вычисляется величина деформации детали по формуле
Если выбрана схема удержания по цилиндрической поверхности, то оператором 9 определяется критическое напряжение по формуле
где n – целое число (рекомендуется n, равное 3 или 4).
Полученное значение кр2 сравнивается с контактным напряжением . В случае неудовлетворения неравенства осуществляется уже знакомая процедура (операторы 14, 15. 17,. 18).
Для схемы удержания за цилиндрическую поверхность вычисляется критическое значение контактного напряжения
Оператор 12 сравнивает полученное значение кр3 с отношением Nimax/ 
(r12-r22). Результаты сравнения ясны из алгоритма (см. рис. 3).
Схема алгоритма PRV выбора и расчета привода ЗУ приведена на рис. 4., где требуемое усилие привода Рп определяется в зависимости от выбранной кинематической схемы механизма (клиновый, рычажный или реечный), а диаметр пневмоцилиндра и требуемое давление в пневмосети вычисляются по формулам
; 
;
где =0,94;
D3, Ро3 – величины диаметра поршня и давления в пневмосистеме, выбираемые разработчиком.