Конструкция и расчет захватного устройства
КОНСТРУКЦИЯ
И РАСЧЕТ ЗАХВАТНОГО УСТРОЙСТВА
При конструировании
наиболее распространенных захватных устройств (ЗУ) роботов необходимо учитывать
конкретный тип детали или группы деталей, их форму, материал и условия ТП.
Важные критерии при этом – необходима точность удержания детали и допустимое
усилие на губках. Исходя из этого разработано большое количество разных ЗУ,
которые различаются кинематической схемой и другими конструктивными
параметрами.
Усилие ЗУ должно соответствовать одному из
значений ряда Ra10 в пределах 1 – 8000 Н: 1,0; 1,2; 1,6; 2,0; 2,5;
3,2; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10; 12; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160;
200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3200; 4000;
5000; 6300; 8000.
Расчет ЗУ включает нахождение сил, которые
действуют в местах контакта заготовки и губок; определение усилий привода;
проверку отсутствия повреждений поверхности объекта при схвате; расчет на
прочность деталей устройства.
Рисунок 1.1 - Расчетная
схема захвата
Усилие контактирования
между деталью и губкой определяется по формуле
(1.1)
где i, j = 1,2; ij,
Т.к. рассчитываемый
захват симметричный, рассмотрим схему нагрузки одной из губок (см. рис. 1.2)
Рисунок 1.2 - Схема
нагрузки
Рабочие губки 4 соединены
тягами с зубчатыми секторами 3, которые находятся в зацеплении с рейкой 2,
связанной с тягой 1 привода. При перемещении рейки 2 под действием усилия F электромагнита происходит поворот
губок 4 в направлении центра на одинаковые углы и охват объекта
манипулирования.
Рассчитываем усилие
контактирования между объектом и губкой. Пусть объект манипулирования будет в
виде цилиндра массой m =
1кг.
Реакция на одну губку
захвата.
(1.2)
где g – ускорение свободного падения.
Усиление контактирования
между деталью и губкой определим по формуле (1.1).
При получим:
(1.3)
Усилие зажима на губке
схвата равно:
(1.4)
Усилия, которые возникают в звеньях схвата при его
работе, обозначены на рис. 1.2. Передаточный коэффициент механизма можно найти
из условия:
(1.5)
Для определения этой зависимости составим условия
равновесия системы относительно точки А (см. рис. 1.2).
(1.6)
т.е. сумма проекций всех
сил на произвольно выбранные оси прямоугольных координат x,y и сумма моментов этих сил относительно точки А равняются
нулю.
В нашем случае условия
равновесия системы относительно точки А записуется в виде:
(1.7)
Решив систему
относительно G и F получим уравнение:
, (1.8)
преобразовав которое получим:
или (1.9)
Задавшись соотношением коэффициентом запаса и коэффициентом полезного действия
механизма 0,9, найдем:
(1.10)
Что мы проигрываем в
рычажном механизме, в силе то мы выигрываем в
расстоянии. Ход губок 20 мм, ход штока электромагнита 10мм.
Таким образом усилие
электромагнита должно быть F=65H, а ход мм.
Для расчета электромагнита берем короткоходовую
магнитную систему постоянного тока (Рис. 1.3).
Прямоходовые системы постоянного тока исполняются, как
правило, в виде соленоидов. Поэтому такие системы часто называются
соленоидными. В устарелых конструкциях соленоидные системы выполняются с
открытым магнитопроводом.
Для удобства выбора формы электромагнита вводится
понятие о конструктивном факторе (к. ф.), представляющим собой отношение
где - сила
электромагнита, кг;
- ход штока
электромагнита, см.
Выбор формулы определяется на основании следующих
соображений:
а) длина электромагнита пропорциональна требуемой
величине хода - ;
б) поперечное сечение стали электромагнита
определяется величиной требуемой начальной силы .
Каждой форме электромагнита соответствует определенная
зона величины к.ф., при которых эта система выполняется с оптимальными данными
по расходу материала.
Короткоходовые системы – предусматриваются для
получения больших значений сил при относительно малом ходе якоря. Такие системы
принимаются при больших значениях конструктивного фактора.
Исходными являются следующие данные:
начальная сила на якоре ;
рабочий ход мм;
рабочее напряжение 24В.
При проведении предварительного расчета не учитывают
соленоидной силы, а принимают только силу притяжения якоря к стопу.
Некоторыми значениями параметров, определяющих собой
габариты системы, приходится задаваться: индукцией в
якоре рабочего зазора, падением магнитного потенциала в стали и в нерабочих
зазорах -, температурой превышения катушки,
отношением длины намотки катушки к толщине ее. Правильный выбор указанных
параметров определяет экономичность конструкции.
Рисунок 1.3 Прямоходовая система с плоским стопом
Отношение длины катушки к толщине намотки.
Площадь сечения меди катушки принимают
в зависимости от требуемого значения н.с. F. Значение может быть получено при разных отношениях
.
При изменении этого отношения получают разные условия
в отношении расхода меди и стали:
1) увеличение приводит
к уменьшению расхода меди, так как при этом уменьшается объем меди и
увеличивается поверхность охлаждения катушки;
2) уменьшение приводит
к увеличению расхода стали, так как при этом увеличивается длина
магнитопровода.
Практикой установлено следующее: при относительно
большом ходе якоря и малом значении силы принимаются большие значения , при увеличении силы и уменьшении хода
– это отношение уменьшается.
Таким образом, и отношение можно фиксировать в функции
значения к.ф. Значение колеблется в
практически выполненных конструкциях в пределах 18.
Значение выбирается в
зависимости от конструктивного фактора и от режима работы катушки: чем больше
значение к.ф., тем больше значение (см. Рис. 1.4)
Рисунок 1.4 - Кривые зависимости для магнитных систем: масштаб I –
сплошные линии; масштаб II – пунктирные.
Короткоходовые системы предусматриваются для получения
больших значений сил при относительно малом ходе якоря.
Рассчитаем коэффициент формы к.ф. для взятой
короткоходовой системы:
(1.11)
Уравнение силы электромагнита имеет вид:
(1.12)
Согласно графика рисунка 4 (масштаб 1) принимаем
индуктивность в якоре
(1.13)
В рационально построенных конструкциях падение
магнитного магнитного потенциала в стали магнитопровода составляется при
начальном положении якоря 10-20% от величины н.с. катушки, а в нерабочих зазорах
5-10%
Следовательно
(1.14)
Индукция в стали кожуха
(1.15)
Нерабочий зазор определяется
толщиной латунной направляющей трубки (порядка 0,5 мм) и зазор между трубкой и якорем. Этот зазор принимают порядка 0,125 мм для случая, когда внутренняя поверхность трубки не обработана, и 0,05 мм для трубки с обработанной внутренней поверхностью.
Отношение бывает в пределах 58 и выбирается также в зависимости от
значения к.ф. (график рис. 1.4). Толщина намотки принимается
из условия , тогда
Принимаем =0,7 тогда сила
притяжения электромагнита будет равна
В процессе выполнения расчета короткоходовой системы
мы получили силу притяжения электромагнита равной 70 Н.
Литература
1. Аш Ж., Андре П., Бофрон Ж. Датчики
измерительных систем. В 2 т. Пер с фр. М.:Мир, 2002;
2. Бауман Э. Измерение сил
электрическими методами: Пер. с нем. Мир, 1978. Энергоатомиздат, 2007;
3. Воротников С.А. Информационные
устройства робототехнических систем. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005
4. Вульвет Дж. Датчики в цифровых
системах: Пер. с англ. М.:Энергоиздат, 2001;
5. Гориневский Д.М. Формальский А.М.,
Шнейдер А.Ю. Управление манипуляционными системами на основе информации об
усилиях. М.:Изд.фирма «Физико-математическая литература», 2004;
6. Погребной В.О., Рожанковский И.В.,
Юрченко Ю.П. Основы информационных процессов в роботизированном производстве;
7. Письменный Г.В., Солнцев В.И.,
Воротников С.А. Системы силомоментного очувствления роботов. М.:
Машиностроение, 2000
8. Системы очувствления и адаптивные
промышленные роботы. Под ред.Попова Е.П., Клюева В.В.;
9. Фу К., Гонсалес Р., Ли К.
Робототехника. Пер. с англ.; Под ред В.Г. Градецкого. Мир, 2009.