Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Obsah
1 Úvod ........................................................................................................................... 5
2 Sériové, paralelné a hybridne kinematické štruktúry ........................................... 6
2.1
Sériové kinematické štruktúry ............................................................................... 6
2.1.1
Stavba ............................................................................................................ 6
2.1.2
Výhody a nevýhody sériových kinematických štruktúr ................................ 7
2.2
Paralelné kinematické štruktúry ............................................................................ 8
2.2.1
História .......................................................................................................... 8
2.2.2
Charakteristika ............................................................................................... 8
2.2.3
Rozdelenie paralelných kinematických štruktúr ............................................ 9
2.2.4
Výhody a nevýhody paralelných kinematických štruktúr ........................... 14
2.3
Hybridné kinematické štruktúry .......................................................................... 14
3 Pracovné hlavice...................................................................................................... 16
3.1
Manipulačné efektory.......................................................................................... 17
3.1.1
Mechanické uchopovacie hlavice ................................................................ 18
3.1.2
Magnetické uchopovacie hlavice ................................................................. 21
3.1.3
Podtlakové uchopovacie hlavice ................................................................. 23
4 Návrh hybridnej kinematickej štruktúry ............................................................. 26
5 Konštrukcia sériovej nadstavby trivariantu ........................................................ 29
5.1
Návrh kinematických dvojíc sériovej nadstavby ................................................ 32
5.2
Návrh pohonov .................................................................................................... 36
5.3
Návrh prevodov ................................................................................................... 37
6 Návrh manipulačných efektorov a ich umiestnenie na pohyblivú
platformu robota ..................................................................................................... 42
6.1
Mechanické uchopovacie hlavice........................................................................ 42
6.1.1
Mechanická pneumatická uchopovacia hlavica........................................... 43
6.1.2
Mechanická elektrická uchopovacia hlavica ............................................... 43
6.2
Podtlaková uchopovacia hlavica ......................................................................... 44
7 Záver ........................................................................................................................ 46
4
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
1 Úvod
S rozvojom automatizácie rastú požiadavky aj na parametre nových robotických
zariadení, ktoré by mali mať väčšiu tuhosť, dosahovali by väčšie rýchlosti a zrýchlenia. Stroje
postavené s klasickou sériovou kinematikou už narážajú na svoje hranice a nedokážu
dostatočne zabezpečiť tieto neustále rastúce požiadavky.
Vývoj v oblasti obrábacích strojov a tiež robotov sa preto začal orientovať na
aplikovanie netradičných kinematických princípov, medzi ktoré patria aj paralelné
kinematické štruktúry. Táto konštrukcia je známa už od roku 1928, ale vzhľadom na vysoké
nároky na riadiaci systém jej praktická realizácia a masívnejší rozvoj musel čakať až do konca
dvadsiateho storočia. Keďže v poslednom období došlo k rýchlemu rozvoju výpočtovej
techniky (predovšetkým v oblasti hardvéru), táto nevýhoda sa postupne vytráca.
Sériová aj paralelná kinematika má svoje výhody a takisto i nedostatky a nedá sa preto
nájsť univerzálne riešenie pre každú aplikáciu. Paralelné mechanizmy
sa vyznačujú
výhodnými vlastnosťami predovšetkým pre polohovanie a mechanizmy so sériovou
kinematikou pre orientáciu. Jednou z ciest zavádzania inovácií v oblasti výrobných
a manipulačných zariadení je využívanie takzvaných hybridných kinematických štruktúr,
ktoré v sebe spájajú výhody paralelných a sériových kinematických štruktúr. Konfigurácia
týchto mechanizmov sa môže líšiť, ale najčastejšie sa stretávame práve s prípadom, kedy
paralelná časť zabezpečuje polohovanie koncového člena v priestore a sériová časť jeho
orientáciu. Takýmto usporiadaním je možné dosiahnuť až šesť stupňov voľnosti, teda úplné
polohovanie a orientovanie objektu v priestore.
Cieľom diplomovej práce je podať prehľad o vývoji a súčasnom stave v oblasti robotov
z paralelnou a hybridnou kinematickou štruktúrou. Hlavnou úlohou je navrhnúť nadstavbu so
sériovou kinematikou pre projekt zameraný na vývoj mechanizmu zvaného TriVariant, ktorý
sa v súčasnosti realizuje na Katedre automatizácie a výrobných systémov Žilinskej univerzity.
5
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
2 Sériové, paralelné a hybridne kinematické štruktúry
Kinematika je náuka, ktorá skúma pohyb telies bez ohľadu na sily a krútiace momenty,
ktoré pohyb spôsobili. Kinematika sa zaoberá polohou, rýchlosťou, zrýchlením a ďalšími
vyššími deriváciami polohových premenných vzhľadom k času alebo iným premenným.
Z toho vyplýva, že kinematika študuje iba geometriu a časové vlastnosti pohybu [2].
Kinematická štruktúra výrobných strojov a priemyselných robotov je zložená z rôznych
telies, ktoré sú spojené kinematickými dvojicami a silovými elementmi, ako sú napr. pružiny,
tlmiče, pohony a iné. Kinematické dvojice obmedzujú vzájomný pohyb pôvodne voľne
pohyblivých telies. Typ použitých kinematických dvojíc a ich usporiadanie vymedzuje
pracovný priestor výrobných strojov a priemyselných robotov. Niekoľko telies spojených
kinematickými dvojicami tvorí kinematický reťazec. Výrobné stroje a priemyselné roboty
delíme podľa kinematickej štruktúry (typu kinematického reťazca) na stroje:
 so sériovou kinematickou štruktúrou (otvoreným kinematickým reťazcom),
 s paralelnou kinematickou štruktúrou (uzavretým kinematickým reťazcom),
 s hybridnou kinematickou štruktúrou.
2.1
Sériové kinematické štruktúry
2.1.1 Stavba
Sériové kinematické štruktúry majú dôležitý význam nielen v oblasti výrobných strojov,
ale aj v oblasti výrobných robotov a manipulátor. Charakteristickým znakom pre sériové
kinematické štruktúry je ich postupné usporiadanie kinematických dvojíc. Príklad sériovej
kinematiky je znázornený na obr. 2.1. Ramená robota tvorí otvorený kinematický reťazec.
Výsledný pohyb sa skladá z niekoľkých na seba nadväzujúcich pohybov. Zvyčajne sú to
elementárne pohyby (translačné alebo rotačné). Jednotlivé ramená robota sa môžu pohybovať
nezávisle na sebe.
6
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Obr. 2.1 Sériový robot IRB 1410 ArcPack [12]
Nosné sústavy súčasných obrábacích strojov so sériovou kinematickou štruktúrou sú tiež
vytvárané stavbou, kde jeden uzol nadväzuje na druhý. Napríklad sú na seba nastavené
celkom tri translačné osi. Dochádza teda k tomu, že os, ktorá je na začiatku kinematického
reťazca, unáša so sebou ostatné časti reťazca [2].
2.1.2 Výhody a nevýhody sériových kinematických štruktúr
Výhody
- dlhoročný vývoj a s tým spojené skúsenosti v oblasti návrhu a výroby,
- jednoduché riadenie,
- nízka cena.
Nevýhody
- nízka tuhosť: akumuluje sa pružnosť, osi sú namáhané na ohyb,
- šírenie chýb: chyby sa hromadia v jednotlivých osiach,
- vysoká hmotnosť pohybujúcich sa častí: Prvá os nesie hmotnosť všetkých
nasledujúcich osí .
7
Žilinská univerzita
2.2
Diplomová práca
KAVS
Paralelné kinematické štruktúry
2.2.1 História
Prvá priemyselná aplikácia paralelného kinematického mechanizmu (PKM) bola
Goughova platforma (obr. 2.2) navrhnutá v roku 1957 na testovanie pneumatík. Paralelné
kinematické mechanizmy boli ďalej využívané ako letecké simulátory, ale aj pre robotické
aplikácie, vďaka svojej nízkej hmotnosti a vysokej dynamike pohybu.
Vzhľadom k rýchlemu rozvoju vysokorýchlostného obrábania sa PKM stali zaujímavou
alternatívou ku klasickým strojom so sériovou kinematickou štruktúrou.
Obr. 2.2 Goughova platforma [9]
2.2.2 Charakteristika
Paralelný kinematický mechanizmus je mechanizmus s uzavretou kinematickou
štruktúrou zloženou z viacerých paralelných prútov, ktoré sú dĺžkovo prestaviteľné . PKŠ sa
skladá z pevnej bázy, ktorá je s pohyblivou platformou prepojená najmenej dvoma dĺžkovo
prestaviteľnými ramenami.
Paralelné riadenie dĺžky prútov umožňuje súčasný pohyb všetkých stavebných skupín
sústavy, dosiahnutie požadovanej polohy a priestorového sklonu pracovnej jednotky. Pre
riadenie paralelnej kinematickej štruktúry je zvyčajne potrebných 5 až 6 stupňov voľnosti.
Tieto sú realizované pomocou guľových a kardanových kĺbov, čo vylučuje akékoľvek
8
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
ohybové alebo torzné namáhanie prútov a vedie k značnému zníženiu celkovej hmotnosti
stroja.
PKŠ sa odlišujú od sériových trojdimenzionálnym usporiadaním prútov. Kým
u sériového prevedenia má kartézska stavba za následok nielen výskyt ťahových a tlakových,
ale aj torzných a ohybových napätí, u paralelných štruktúr sú kĺby a prúty namáhané len
ťahovými a tlakovými silami (obr. 2.3).
a)
b)
Obr. 2.3 Pôsobenie sily u sériovej (a.) a paralelnej (b.) kinematiky [10]
Je veľmi veľa rôznych variantov paralelných kinematických štruktúr. Môžu mať rôzny
počet prútov či kĺbov v rôznych prevedeniach. Prúty môžu byť upevnené každý vo svojom
uzle, alebo môžu byť upevnené dva kĺby v jednom uzle. Paralelná štruktúra býva upevnená
tak, že základňa je pevná a vreteno, efektor alebo iné funkčné zariadenie je umiestnené na
pohyblivej platforme. Celé zariadenie však môže byť orientované vertikálne, otočené tak, že
akčný člen je orientovaný smerom hore alebo dolu. Ďalším spôsobom orientovania
mechanizmu je jeho horizontálna orientácia. Každá z uvedených orientácií mechanizmu má
svoje výhody. Keďže majú paralelné mechanizmy zväčša malé rozmery a malé hmotnosti
voči konvenčným strojom a robotom, mechanizmus je jednoduché premiestniť a nainštalovať
ho na iné pracovisko pre ďalšie operácie pri zmene sortimentu výroby [6].
2.2.3 Rozdelenie paralelných kinematických štruktúr
9
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Paralelné kinematické mechanizmy sa najčastejšie rozdeľujú podľa počtu aktívnych tyčí
(prútov, nôh ) na:

Bipody

Tripody

Pentapody

Hexapody

Delta roboty
Bipody
Bipod je zariadenie, ktoré má dve riadené podpery, vďaka ktorým sa zariadenie
pohybuje. Táto konštrukcia bola využitá pre vysokorýchlostné frézovacie trojosové obrábacie
centrum Trijoint 900H (obr. 2.4)
Obr. 2.4 Obrábacie centrum s bipodickou PKŠ Trijoint 900H [7]
Tripod
Tripod (obr. 2.5) je zložený zo základne, ktorá je spojená s platformou prostredníctvom
troch aktívnych ramien a jednej pasívnej väzby. Pasívna väzba odoberá platforme rotačné
stupne voľnosti. Koncový člen sa u Tripodu umiestňuje priamo na platformu. Pri takomto
kinematickom usporiadaní Tripodu je možné koncový člen iba polohovať v priestore,
natočenia koncového člena sú závislé na kinematike stroja.
10
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Obr. 2.5 Tripod[8]
Hexapod
Obr. 2.6 hexapod M-850 [11]
Hexapod (obr. 2.6) pozostáva zo šiestich riadených prútov, ktoré môžu meniť svoju
dĺžku a sú upevnené na kĺboch, ktoré sú upevnené na pevnej základni a pohyblivej platforme.
Koordináciou vysúvania alebo zasúvania piestov sa umožňuje pohyb a naklápanie pohyblivej
platformy do pracovnej polohy, na ktorej je umiestnená vlastná technologická jednotka
11
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Delta roboty
Delta robot (Obr. 2.7) je typ paralelného robota. Skladá sa z troch ramien pripojených
k základnej platni. Kľúčovým prvkom je použitie paralelogramu na ramenách, ktoré
zabezpečujú orientáciu koncového efektora. Delta robot sa najčastejšie používa na zberanie
a balenie, pretože je rýchly a dokáže vykonávať až 150 zdvihov za minútu [13].
Obr. 2.7 Schéma delta robota [13]
Delta robot bol vynájdený začiatkom 80-tych rokov Reymondom Clavelom na École
Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Švajčiarsko). Účelom tohto nového typu robota
bola manipulácia s ľahkými a malými objektmi vo veľmi vysokej rýchlosti. V roku 1987
firma Demaurex zakúpila licenciu na Delta robot a začala výrobať Delta roboty pre
baliarenský priemysel. V roku 1991 Reymond Clavel predstavil svoju dizertačnú prácu
Konštrukcia robota s paralelnou kinematikou so 4 stupňami voľnosti, za ktorú
získal
ocenenia v roku 1999 za prácu a rozvoj v oblasti Delta robotov. V roku 1999 začala firma
ABB Flexibilná automatizácia predávať svoj Delta robot pod názvom FlexPicker (Obr. 2.8).
12
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Obr. 2.8 FlexPicker [14]
Delta robot je robot s paralelnou kinematickou štruktúrou. Má štyri stupne voľnosti, tri
translačné a jednu rotačnú. Kľúčovým pojmom Delta robota je použitie parallelogramu. Tieto
parallelogramy obmedzujú pohyb koncového člena len translačne (len pohyb v smere osi X,
Y alebo Z). Robot je namontovaný nad pracovným priestorom. Všetky pohony sa nachádzajú
v základni robota. Z tejto základne sú vysunuté tri kĺbové ramená. Ramená sú vyrobené z
ľahkého kompozitného materiálu. Konce troch ramien sú spojené s malou trojuholníkovou
platformou. Ovládanie je možné vykonávať s lineárnym alebo rotačným pohonom . Zo
základne vychádza štvrtá noha, ktorá je pripojená do stredu trojuholníkovej platformy
a dodáva koncovému efektoru štvrtý rotačný stupeň voľnosti. Pretože pohony sú umiestnené v
základni a ramená sú vyrobené z kompozitného materiálu, pohyblivé časti Delta robota majú
malú zotrvačnosť. To umožňuje veľmi vysokú akceleráciu. Zrýchlenie môže byť až 30 g (tzn.
až 30- násobok gravitačného zrýchlenia) a rýchlosti až 10 ms1[13].
Využitie Delta robotov je hlavne v odboroch, ktoré využívajú vysokú rýchlosť najmä pre
balenie, zdravotníctvo a farmaceutický priemysel. Ďalšie možné aplikácie zahŕňajú montáž
alebo prevádzku v čistých priestoroch pre elektronické súčiastky.
13
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
2.2.4 Výhody a nevýhody paralelných kinematických štruktúr
Výhody
- tuhá konštrukcia,
- ťahové a tlakové zaťaženia tyčí a stojanov,
- vysoké pracovné rýchlosti a zrýchlenia,
- opakovateľnosť jednotlivých časti v rámci stoja,
- vysoká presnosť,
- malá hmotnosť pohybujúcich sa častí,
Nevýhody
- zložité riadenie lineárnych pohybov - vyžadujú šesťosové riadenie,
- vysoké náklady a náročný systém riadenia,
- obmedzená orientačná pohyblivosť pri výmene nástroja,
- bez prídavnej rotačnej a výkyvnej osi je možné obrábanie len z jednej strany obrobku,
- veľké dĺžky častí stroja sú nepriaznivé z hľadiska tepelných deformácií,
- nevýhodný pomer medzi veľkosťou pracovného priestoru a zastavaného priestoru
stroja,
- nákladný merací systém pre dosiahnutie požadovaných presností.
2.3
Hybridné kinematické štruktúry
Sériová aj paralelná kinematika majú svoje výhody a takisto i nedostatky a nedá sa preto nájsť
univerzálne riešenie pre každú aplikáciu. Paralelné mechanizmy sa vyznačujú výhodnými
vlastnosťami predovšetkým pre polohovanie a mechanizmy so sériovou kinematikou pre
orientáciu. Preto sa ako jeden z optimálnych spôsobov používania takýchto štruktúr javí
skĺbenie sériovej a paralelnej kinematiky, kde paralelná časť zabezpečuje polohu koncového
člena v priestore a sériová časť slúži na orientáciu koncového člena. Konštrukcia vychádza
z konštrukcie tripodu, ktorý je uvedený na (Obr. 2.5).
14
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Tricept
Tricept (Obr. 2.9) je hybridná paralelná štruktúra s rovnakou kinematickú štruktúrou ako
tripod s tým rozdielom, že koncový člen je umiestnený až na poslednom člene sériovej
kinematickej štruktúry. Pri takomto riešení je možné aj uhlové natočenie koncového člena.
Obr. 2.9 Tricept[8]
Trivariant
Trivariant (Obr. 2.10) má upravenú kinematickú štruktúru tricepta - trivariant má zlúčenú
pasívnu väzbu s jedným ramenom. Tým sa podarilo čiastočne zväčšiť pracovný priestor.
Nevýhodou je však zvýšené namáhanie spomínaného ramena.
Obr. 2.10 Trivariant [8]
15
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
3 Pracovné hlavice
Činnosť manipulátora alebo robota spočíva v nastavovaní diskrétnych polôh pracovnej
hlavice alebo v spojitom pohybe pracovnej hlavice po definovanej obecnej priestorovej dráhe,
pritom sa spravidla riadi aj orientácia pracovnej hlavice.
Pracovná hlavica je teda funkčná časť, ktorá podľa charakteru požadovanej činnosti
určuje využitie pohybového systému manipulačného prostriedku. Pracovná hlavica býva
umiestnená na výstupe z pohybového systému robota, a preto sa označuje aj ako výstupná
hlavica [4].
Prevedenie pracovnej hlavice odpovedá charakteru aplikácie manipulátora alebo robota
a vo výrobe môžeme uvažovať s týmito charakteristickými typmi aplikácií:
 vkladanie objektov do pracovného priestoru výrobného zariadenia a jeho
spätné vykladanie,
 medzioperačná manipulácia,
 technologické operácie,
 kontrolné operácie.
Podľa charakteristických typov operácií prevádzanými robotmi alebo manipulátormi možno
uvažovať o týchto typoch pracovných hlavíc:
 manipulačné hlavice,
 technologické,
 kontrolné a meracie hlavice,
 kombinované hlavice,
 špeciálne hlavice.
Manipulačné hlavice umožňujú zachytenie objektov pri manipulácií. Hlavná časť
technologickej hlavice je príslušný nástroj, alebo systém nástrojov, u kontrolnej alebo meracej
hlavice ide potom o snímače pre sledovanie určitých veličín.
Konštrukcia pracovnej hlavice umožňuje realizáciu jednej operácie alebo aj niekoľkých
operácií. Príslušná operácia môže byť ale ďalej viazaná, napríklad v prípade manipulačných
hlavíc na určitý typ objektu určitého tvaru a rozmeru. Z hľadiska rozsahu realizovaných
operácií možno rozlíšiť dve kategórie pracovných hlavíc:
16
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
 jednoúčelové,
 multifunkčné.
3.1
Manipulačné efektory
Manipulačné efektory (chápadlá, uchopovacie hlavice) predstavujú koncové členy
priemyselných robotov, resp. manipulátorov, ktoré vykonávajú činnosti spojené s obsluhou
výrobných a pomocných zariadení. Jedná sa najmä o uchopovanie, premiestňovanie a
vkladanie
objektov
manipulácie
na
požadované
miesto.
Predstavujú
zakončenie
kinematického reťazca robotického zariadenia [4].
Používa sa pre :
 vkladanie prípadne vyberanie predmetov do alebo z pracovného priestoru
výrobných strojov alebo ďalších robotov na pracovisku, manipuláciu s
predmetmi (polotovar, súčiastka, nástroj),
 manipuláciu s predmetmi medzi viacerými pracoviskami, na ktorých sú
vykonávané činnosti podľa určitého technologického postupu,

manipuláciu s predmetmi na jednom pracovisku (pri obrábaní súčiastky na viac
upnutí, otáčanie výkovku pri kovaní a pod.).
Podobne ako technologické hlavice, sú aj manipulačné efektory navrhované
a konštruované podľa konkrétnych požiadaviek zákazníka. Podľa charakteru kontaktu medzi
uchopovacími prvkami (časti efektora, ktoré prichádzajú bezprostredne do kontaktu s
objektmi manipulácie) a uchopovaným predmetom pri vyvodení uchopovacej sily sa delia na:
A- mechanické - najjednoduchšie uchopovacie mechanizmy


pasívne – pevné podpery, odpružené čeľuste,
aktívne – pohyblivé čeľuste s pohonom,
B- magnetické - pre manipuláciu s ľahkými predmetmi menších rozmerov s
feromagnetickými vlastnosťami:


pasívne – permanentné magnety,
aktívne - elektromagnety,
17
Žilinská univerzita
Diplomová práca
C - podtlakové - pre manipuláciu s predmetmi, ktoré
KAVS
nie sú vyrobené
z feromagnetických materiálov a ktoré majú rovinné a hladké plochy (dosky,
sklené tabule, ...), uchopovacími prvkami sú pružné deformačné prísavky:


pasívne - deformačné prísavky,
aktívne - podtlakové komory s riadeným vyvodením podtlaku,
D - špeciálne - pre manipuláciu s krehkými predmetmi (žiarovky, výrobky zo skla)
a s objektmi nepravidelných a zložitých tvarov.
Manipulačné hlavice zostavené len z mechanických prvkov sa označujú ako mechanické
uchopovacie hlavice a z magnetických prvkov ako magnetické uchopovacie hlavice.
Kombináciou uchopovacích prvkov rôzneho druhu vznikajú uchopovacie hlavice
mechanicko-podtlakové, mechanicko-magnetické a podobne. V rámci naznačených typov
hlavíc môžu byť použité v rôznych kombináciách aktívne aj pasívne prvky [4].
Počet uchopovacích prvkov v konštrukcií uchopovacej hlavice závisí na priestorovej
členitosti, rozmeroch, tuhosti a hmotnosti objektov. Podiel počtu pasívnych
a aktívnych
prvkov v celkovom počte uchopovacích prvkov je určený predovšetkým požiadavkami na
presnosť zachytenia objektu v hlavici. Podľa počtu uchopovacích prvkov sa rozlišujú
uchpovacie hlavice:
 jednoprvkové,
 viacprvkové.
3.1.1 Mechanické uchopovacie hlavice
Pasívne mechanické uchopovacie hlavice
Pasívne uchopovacie hlavice sa vyznačujú konštrukčnou jednoduchosťou a používajú sa
pri manipulácií s ľahkými objektmi jednoduchého tvaru. Ide teda hlavne o malé príruby,
krúžky, hriadele a podobne. Sú zostavené z pevných a odpružených prvkov bez pohonu.
Pre minimálny rozsah štruktúry pasívnych uchopovacích hlavíc, teda pre hlavice s
dvoma uchopovacími prvkami prichádzajú do úvahy dve koncepcie.
 dva odpružené uchopovacie prvky (Obr. 3.1),
 jeden pevný a jeden odpružený prvok.(Obr. 3.2).
18
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Obr. 3.1 Dva odpružené uchpovacie prvky
Obr. 3.2 Jeden pevný a jeden odpružený prvok
Počet prvkov týchto pasívnych mechanických uchopovacích hlavíc je určený
predovšetkým tvarom a rozmermi objektu manipulácie, prípadne na základe požiadavok na
presnosť jeho polohy v hlavici.
Najjednoduchšie hlavice s otvorenými lôžkami sa používajú len pre manipuláciu
v horizontálnej rovine a pohyb musí byť plynulý, aby nedošlo k vypadnutiu manipulovaného
objektu z lôžka [4].
Aktívne mechanické uchopovacie hlavice
Aktívne mechanické hlavice obsahujú aspoň jeden pohyblivý prvok s vlastným
pohonom. Sú teda charakterizované možnosťou ovládania pohyblivých čeľustí spôsobom
19
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
obdobným, ako je uchopovanie manipulovaného objektu ľudskou rukou. Podľa toho sú tiež
tieto hlavice nazývané ako mechanické chápadlá. Mimo nosnú časť sú zložené z takzvaných
aktívnych uchopovacích prvkov, tvoriacich ovládané pohyblivé čeľuste a prvkov pasívnych
(oporných).
Vzhľadom k veľkému počtu a rozmanitosti typov a tvarov manipulovaných polotovarov
je i veľký počet použiteľných hlavíc. Pre každý typ hlavice a druh predmetu je možné zvoliť
väčšinou niekoľko spôsobov uchopenia [4].
Vnútorná štruktúra hlavice s aktívnym prvkom je tvorená troma blokmi:

motorom

transformačným blokom (mechanický prevod)

aktívnym uchopovacím prvkom (čeľusť, prst)
Neúčasťou transformačného bloku v štruktúre vzťahu motor – uchopovací prvok
vzniknú dve ďalšie koncepcie:

štruktúra s oddeleným usporiadaním motora a uchopovacieho prvku,

štruktúra s integráciou motora a uchopovacieho prvku.
Obidve redukované štruktúry sa prejavia zmenšením rozmerov a hmotnosti konštrukcie,
čo sú u pracovnej hlavice dôležité parametre.
Na hlavici bez transformačného bloku je výstup motora priamo spojený s uchopovacím
prvkom. Toto riešenie má význam predovšetkým u hlavíc s jedným aktívnym prvkom, lebo
v prípade niekoľkých aktívnych prvkov má každý prvok samostatný motor a pretože je
prakticky nemožné zaistiť ich synchrónnu činnosť, je neurčitá aj poloha uchopeného objektu.
V prípade integrovanej štruktúry bez transformačného bloku sa nedá oddeliť pohon od
uchopovacieho prvku, lebo spolu splývajú. Ide o prvky väčšinou špeciálne vyvinuté pre
konštrukcie uchopovacích hlavíc a môžeme ich teda označiť ako nekonvenčné. Uchopovacie
prvky tohto typu konajú často obecný pohyb a pritom sa prispôsobujú tvaru objektu.[4]
Aktívne mechanické hlavice:
 aktívne mechanické hlavice bez transformačného bloku,
 aktívne mechanické hlavice s transformačným blokom:
o
hlavice s pákovým transformačným blokom,
o
hlavice so zubovým transformačným blokom,
o
hlavice s vačkovým transformačným blokom,
o
hlavice so skrutkovým transformačným blokom,
o
hlavice s viacej-stupňovými transformačnými blokmi.
20
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
3.1.2 Magnetické uchopovacie hlavice
Princíp vyvodenia uchopovacej sily je odvodený od silového pôsobenia magnetického
poľa na feromagnetický materiál. Magnetické pole pôsobením na feromagnetický materiál ho
zmagnetizuje a silovo pritiahne k primárnemu zdroju tohto poľa. Podľa druhu zdroja
magnetického poľa sa magnetické uchopovacie hlavice členia na:
 hlavice s permanentným magnetom (pasívne hlavice),
 hlavice s elektromagnetom (aktívne hlavice) [5].
Uchopovacie hlavice s permanentným magnetom
Hlavice sú riešené na aplikácii trvalých (permanentných) magnetov, ktoré nepotrebujú
vonkajšiu napájaciu energiu. Hlavice sú postavené na aplikácii pólových nadstavcov z
mäkkého železa (zdroj magnetického poľa) ako uchopovacích prvkov a vzduchovej medzere
medzi týmito prvkami a povrchom uchopovaného objektu. Pri riešení pasívnych hlavíc sa
odporúča dodržať najmä tieto zásady:

uchopované objekty musia byť z feromagnetického materiálu;

tvar, ale najmä uchopovaný povrch objektu uchopenia, by mal byť rovinný;

uchopovaný povrch objektu by mal byť hladký (drsnosť), suchý a čistý;

povrchová teplota objektu je obmedzená (permanentný magnet do 94 °C,
elektromagnet do 60 °C);

pozícia objektu v hlavici pri uchopení má (vo vzťahu k pôsobeniu uchopovacích
síl) zaručiť, aby ťažisko objektu ležalo v osi normálových uchopovacích síl (pri
usporiadaní roviny uchopenia objektu vo vertikálnom smere klesá hodnota
uchopovacej sily približne na štvrtinu);

z dôvodu veľkého rozptylu presnosti uchopenia objektu (parameter – opakovaná
presnosť uchopenia), odporúča sa v konštrukcii hlavice aplikovať doplňujúce
prvky (navádzacie, polohovacie,...);

uchopovacie prvky (magnetické nadstavce, počet, tvar a rozmer podľa potreby)
upevniť na nosný rám hlavice pevne alebo posuvne v kolmom smere na objekt v
účelových držiakoch.
21
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Zásadným problémom aplikácie hlavice tohto typu je zmagnetizovanie objektu a jeho
„oddelenie - uvoľnenie“ (vypustenie, odovzdanie) z hlavice. Prax priniesla niekoľko
princípov riešenia na báze vyvodenia odtrhovej sily priamo robotom, pričom objekt je
pridržiavaný účelovým pomocným prvkom (narážka, doraz,...) a vyhadzovacieho
mechanizmu priamo zabudovaného do konštrukcie hlavice, riešenie programovo riadenej
prídavnej funkcie zaradzuje uvoľňovanie objektu ako aktívnu fázu [5].
Uchopovacie hlavice s elektromagnetom
Hlavice sú riešené na aplikácii riadených elektromagnetov. Hlavice sú postavené na
zabudovaní elektromagnetickej jednotky (Obr. 3.3) do konštrukcie hlavice.
Obr. 3.3 Schéma elektromagnetu –
1. jadro elektromagnetu, 2. budiace vinutie, hxb – prierez jadra elektromagnetu
Silový účinok elektromagnetickej jednotky je závislý na veľkosti činnej plochy jadra
elektromagnetu, veľkosti vzduchovej medzery medzi objektom a elektromagnetom, veľkosti
prúdu pretekajúceho budiacim vinutím, kvalite kontaktu s objektom (tvar, čistota povrchu,...).
Pri riešení aktívnych hlavíc, okrem uvedených všeobecne platných zásad, sa odporúča
dodržať najmä tieto zásady:

zdrojom pre napájanie elektromagnetov môže byť:
-
batéria (výhoda – prenositeľnosť, nezávislosť na sieti, nie sú potrebné rozvody;
nevýhoda – kapacita, životnosť),

-
jednosmerný generátor (nevýhoda – dodatočné rozvody),
-
elektrický rozvod nosiča hlavice (nevýhoda - dodatočné rozvody, usmernenie);
problém zmagnetizovania objektu možno riešiť zaradením obvodov pre
odmagnetovanie objektu (krátkodobé pôsobenie prúdu opačnej polarity);
22
Žilinská univerzita

Diplomová práca
KAVS
problém „oddelenie - uvoľnenie“ (vypustenie, odovzdanie) objektu možno riešiť
programovým ovládaním elektromagnetu[5].
3.1.3 Podtlakové uchopovacie hlavice
Princíp vyvodenia uchopovacej sily je odvodený od fyzikálneho princípu vyvodenia
podtlaku. Podľa spôsobu vytvárania podtlaku hlavice sa členia na:

pasívne hlavice – pritlačením uchopovacieho prvku (prísavky) na uchopovaný
povrch, dôjde k jeho deformácii, nadväzne k zmenšeniu objemu jeho vnútorného
priestoru (komora) a k vytlačeniu atmosférického vzduchu. Spätným pohybom sa
prvok vplyvom vlastnej pružnosti vracia do medzi polohy so zväčšeným vnútorným
priestorom (komora), pričom vznikne podtlakový prisávaci efekt;

aktívne hlavice – pre vyvodenie podtlakového prisávacieho efektu využívajú
vlastný zdroj podtlaku objemovú alebo prúdovú vývevu.
Uchopovacím prvkom je prísavka, (Obr. 3.4), elastická manžeta (zvon) má prevažne
tanierovitý tvar, dovoľujúci prispôsobiť sa uchopovanému povrchu (guľový čap) a utesniť
vnútorný priestor komory prísavky. Po pritlačení manžety je vzduch z komory vytlačený cez
prepúšťací ventil, uvoľnenie objektu je po prepojení vnútorného priestoru prísavky s okolitým
prostredím (zatlačenie kolíka) [5].
Obr. 3.4 Prísavka
23
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Pasívne podtlakové hlavice
Problém „oddelenie - uvoľnenie“ (vypustenie, odovzdanie) objektu sa rieši obdobne ako
u predchádzajúceho typu hlavíc, t.j. vyvodením odtrhovej sily priamo robotom, pričom objekt
je pridržiavaný účelovým pomocným prvkom (narážka, doraz,...) a zabudovaním
vyhadzovacieho mechanizmu priamo do konštrukcie hlavice, s programovo riadenou
prídavnou funkciou uvoľňovania. Príklad hlavice je na obr.3.5.
Obr. 3.5 Pasívna hlavica
Odpružený piest zabezpečuje pritlačenie prísavky o súčiastku vždy rovnako veľkou silou
a počas
manipulácie
zabezpečuje
dokonalú
tesnosť
medzi
prísavkou
a objektom
manipulácie[5].
Aktívne podtlakové hlavice
Funkciu zdroja podtlaku môže realizovať objemová výveva (rôzne typy čerpadiel –
piestové, lamelové, skrutkové, membránové,...), ktorá zabezpečuje väčší objem vákua (podľa
typu). V robotike sa veľmi nevyužíva, dôvodom sú vyššie náklady a zložitosť technického
riešenia. V robotike sa rozšírilo využívanie prúdových vývev (ejektorov) ako zdrojov vákua.
Funkcia ejektora, (Obr. 3.6), je postavená na vyžití princípu Venturiho trubice.
24
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Obr. 3.6 Princíp ejektoru: 1 - uzatvárací ventil,
2 - odvádzanie vzduchu do okolitej atmosféry cez otvorený ventil,
3 – urýchľovanie prúdenia vzduchu, 4 – prívod stlačeného vzduchu, 5 – prísavka,
6 - – objekt manipulácie
25
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
4 Návrh hybridnej kinematickej štruktúry
Na katedre automatizácie a výrobných systémov (KAVS) Žilinskej univerzity
v Žiline je v súčasnosti riešený projekt stavby hybridnej kinematickej štruktúry, tzv.
trivariantu. Trivariant bude postavený z tripodickej paralelnej kinematiky s troma stupňami
voľnosti a zo sériovej nadstavby s troma rotačnými kĺbmi.
Na obr.4.1 je znázornená kinematická schéma trivriantu, kde symboly T1 až T3 označujú tri
translačné kinematické dvojice tripodu, R1 až R3 rotačné kinematické dvojice a body A, B, C,
D a E označujú jednotlivé kĺby tripodu.
Obr. 4.1 Kinematická schéma trivariantu
Momentálne je na katedre postavený polohovací mechanizmus s paralelnou kinematikou
(Obr. 4.2).
26
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Obr. 4.2 Tripod riešený a postavený na KAVS
Rám mechanizmu (Obr. 4.3) je zvarený z profilovej ocele tvaru U a L. V strednej časti
mechanizmu sa nachádza centrálny kardanový kĺb, na ktorom je upevnená centrálna výsuvná
tyč. Na voľných koncoch rámu sú priskrutkované dve ložiskové telesá s kardanovými kĺbmi.
Do nich sú vložené dve základné teleskopické tyče. Tie sú pripevnené pomocou kardanových
kĺbov na pripojovaciu platformu. Na ňu bude pripojená nadstavba so sériovou kinematikou,
ktorej návrh je predmetom tejto diplomovej práce.
27
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
6
Obr. 4.3 3D model trivariantu so sériovou nadstavbou
1-centrálny kardanový kĺb, 2-centrálna výsuvná tyč, 3-ložiskové telesá, 4-základné teleskopické tyče, 5pripojovacia platforma, 6-nadstavba so sériovou kinematikou
28
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
5 Konštrukcia sériovej nadstavby trivariantu
Kinematická schéma
Na (Obr. 5.1) je znázornená kinematická schéma sériovej nadstavby trivariantu.
Nadstavba má tri stupne voľnosti. Je tvorená troma rotačnými väzbami. Spolu s paralelnou
časťou má trivariant celkovo 6 stupňov voľnosti, čím mechanizmus zabezpečí plnú
pohyblivosť koncového člena v priestore.
Obr. 5.1 Kinematická schéma sériovej nadstavby trivariantu
Obr. 5.2 Model sériovej nadstavby
1-pripojovacia platforma nadstavby, 2-kozlík, 3-teleso, 4-koncový efektor
29
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Nadstavba (Obr. 5.2) je pripevnená k pohyblivej platforme polohovacieho zariadenia
(tripodu) a slúži ako orientačné zariadenie. Je zložená z dvoch na seba kolmých osí a tretej
osi, ktorá slúži na otáčanie koncového efektora okolo vlastnej osi.
Pripojovacia platforma tripodu
Obr. 5.3 Model pripojovacej platformy tripodu
Pripojovacia platforma (Obr. 5.3) je vyrobená z plechu hrúbky 5 mm. Miesta pripojenia
dvoch základných posuvných tyčí sú sklonené pod uhlom 30°, aby sme dosiahli čo najväčší
využiteľný rozsah pohybu dolných kardanových kĺbov. Z hľadiska zachovania jednoduchosti
konštrukcie a minimalizácie hmotnosti mechanizmu je pri návrhu sériovej nadstavby výhodné
rešpektovať tieto pripojovacie prvky (a ich geometrické parametre), ktoré sa nachádzajú na
pohyblivej platforme tripodu.
Sériová nadstavba bude pripevnená na tripod pomocou štyroch skrutiek umiestnených v
otvoroch O 7 mm, ktoré sú umiestnené na rozstupovej kružnici s priemerom 68 mm.
Pripojovacia platforma sériovej nadstavby
Pripojovacia platforma sériovej nadstavby (Obr. 5.4) je zložená z troch častí: základnej
platformy, pripojovacieho hriadeľa, ktorý je k platni privarený a napínacieho člena. Tento
napínací člen je k platni priskrutkovaný skrutkou M5 s maticou a podložkou. Predpätie
remeňa sa dosiahne pomocou posunutia napínacieho člena na požadovanú vzdialenosť
a utiahnutím skrutiek.
Platňa je vyrezaná z plechu z konštrukčnej ocele hrúbky 5 mm. Hriadeľ je tiež vyrobený
z konštrukčnej ocele. Je na ňom narezaný závit M15 pre KM maticu.
30
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Obr. 5.4 Model pripojovacej platformy sériovej nadstavby
1 - základná platforma, 2 - pripojovací hriadeľ, 3 - napínací člen, 4 - skrutka s maticou a podložkou
Kozlík sériovej nadstavby
Obr. 5.5 Model kozlíka sériovej nadstavby
1-teleso, 2-bočnica, 3-napinací člen
Kozlík (Obr. 5.5) je zložený z troch častí: telesa, bočnice a napínacieho člena.
Aby bolo možné do telesa vložiť koncový člen spolu s hriadeľom a efektorom, je základný
rám kozlíka navrhnutý ako delený – skladá sa z pevnej časti, a z demontovateľnej bočnice. Na
telese kozlíka je takisto priskrutkovaný aj napínací člen.
31
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Teleso sériovej nadstavby
Teleso sériovej nadstavby (obr. 5.6) predstavuje druhú rotačnú os a zároveň slúži
na valivé uloženie tretej rotačnej osi. Ide o montovanú zostavu zloženú z vidlice, dvoch
hriadeľov, ložiskového telesa a napínacieho člena.
Obr. 5.6 Model telesa sériovej nadstavby
1-vidlica, 2- hriadeľ I, 3- hriadeľ II, 4 – napínací člen, 5 – ložiskové teleso
5.1
Návrh kinematických dvojíc sériovej nadstavby
Na nadstavbe (Obr. 5.7) sa nachádzajú tri kinematické dvojice s rotačnými väzbami, ktoré
bolo treba vyriešiť z hľadiska pohonov aj uloženia.
32
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Obr. 5.7 Model kinematických dvojíc na nadstavbe:
1 – rotačný kĺb medzi tripodom a sériovou nadstavbou, 2 – rotačný kĺb zabezpečujúci vyklonenie efektora, 3 –
rotácia koncového člena okolo vlastnej osi
Riešenie prvej kinematickej dvojice
Prvá kinematická dvojica (Obr. 5.8) je zložená zo základnej platformy, ktorá je
priskrutkovaná k pripojovacej platforme tripodu, na hriadeľ základnej platformy je vložene
axiálne ložisko. Do tohto ložiska je vložená remenica, ktorá sa otáča na ložisku s kosouhlým
stykom. Ložisko je poistené KM maticou. K remenici je priskrutkovaný kozlík.
Pohyblivosť prvého kinematického uzla je v rozsahu ± 180° od východiskovej polohy. Tento
rozsah je determinovaný prívodmi médií (elektrická energia, vzduch) ku ďalším
kinematickým osiam.
33
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Obr. 5.8 Model riešenia prvéj kinematickej dvojice
1-základná platforma sériovej nadstavby, 2-axiálne ložisko, 3-remenica, 4-ložisko s kosouhlým stykom, 5-KM
matica, 6-štyri skrutky M5
Riešenie druhej kinematickej dvojice
Druhá kinematická dvojica (Obr. 5.9) zabezpečuje vyklonenie koncového člena okolo
osi kolmej na prvú os rotácie.
Prenos krútiaceho momentu od motora je zabezpečený remeňovým prevodom. Teleso
sériovej nadstavby je uložené v dvojradových guľkových ložiskách SKF 108TN9, ktoré sú
poistené poistnými krúžkami.
Pohyb druhej kinematickej dvojice je obmedzený prívodom elektrickej energie k motoru
a konštrukciou nadstavby. Rozsah pohybu je v rozmedzí ±90° z východiskovej polohy .
34
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Obr. 5.9 Model druhej kinematickej dvojice
1-bočnica kozlíka, 2-poistné krúžoky, 3- dvojradové guľkové ložiská SKF 108TN9, 4-hriadeľ I, 5-vidlica, 6ložiskové teleso, 7-hriadeľ na pripojenie efektora, 8-hriadeľ II, 9-kozlík,10-remenica
Riešenie tretej kinematickej dvojice
Tretia kinematická dvojica (Obr. 5.10) slúži na rotáciu koncového člena (manipulačného
efektoru ) okolo vlastnej osi. V prípade aplikácie robota s piatimi stupňami voľnosti sa s touto
osou nepočíta a bude nahradená priamo koncovým členom.
Obr. 5.10 Model tretej kinematickej dvojice
1-ložiskové teleso, 2-guľkové ložiská SKF 6202, 3-poistné krúžky, 4-výstupný hriadeľ na ktorom bude
umiestnený efektor, 5–vidlica,6-axiálne ložisko SKF 51102, 7-remenica
35
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Do ložiskového telesa je vložený hriadeľ, ktorý zároveň slúži aj ako pripevnenie pre
koncový manipulačný efektor. Hriadeľ sa otáča na ložiskách SKF 6202. Na konci hriadeľa je
pripevnená ozubená remenica. Na zachytenie axiálnych síl slúži axiálne guľkové ložisko SKF
51102.
Rozsah pohybu koncového člena nie je konštrukčne obmedzený, obmedzený však môže
byť druhom použitého koncového efektoru z dôvodu potreby prívodu média k tomuto
koncovému členu.
5.2
Návrh pohonov
Na pohon osí nadstavby sú použité tri jednosmerné motory EMG30 (Obr. 5.11),
s inkrementálnym snímačom a vlastnou redukčnou prevodovkou s prevodovým pomerom
30:1.
Obr. 5.11 Motor EMG30 [15]
Tab. 1
Parametre motora
Menovité napätie
12 V
Menovitý moment
1,5 kg.cm-1
Menovité otáčky
170 min-1
Menovitý prúd
530 mA
Otáčky bez záťaže
216 min-1
Menovitý prúd bez záťaže
150 mA
Prúd pri nulových otáčkach
2,5 A
Menovitý výkon
4,22 W
Počet impulzov na otáčku výstupného hriadeľa
360
36
Žilinská univerzita
5.3
Diplomová práca
KAVS
Minimálne otáčky
1,5 min-1
Maximálne otáčky
200 min-1
Návrh prevodov
Na prenos krútiaceho momentu sme navrhli remeňový prevod s ozubeným remeňom.
Tieto prevody spájajú výhody remeňových a reťazových prevodov. Obvodová sila sa prenáša
tvarovým stykom zubov remeňa so zubami remenice odpovedajúcim tvarom zubov použitého
remeňa. Prevody nemajú sklz, majú presný prevodový pomer a tichý chod. Pri tomto type
prevodu musí mať aspoň jedna z remeníc nákružky pre bočné vedenie remeňa. V našom
prípade to bude hnacia remenica.
Na výstupe z prevodovky sú použité remenice 21 T5/10 (Obr. 5.12) so
stredným priemerom 15,92 mm a počtom zubov 10. Na hriadeľ z prevodovky je prevodovka
pripevnená pomocou zverného spoja.
Obr. 5.12 Model hnacej remenice
Ako hnané remenice sú použité dva typy remeníc.
 remenica na pohon prvej kinematickej osi (Obr. 5.13)
Ako polotovar na výrobu tejto remenice bude použitá normalizovaná remenica 27 T
5/40. Na valcovej ploche sa po obvode vyvŕtajú štyri otvory so závitom M5 pre
pripojenie koníka. Vnútorný priemer sa zväčší pre vloženie ložiska s kosouhlým
stykom. Vonkajší priemer sa zmenší pre axiálne ložisko.
37
Žilinská univerzita
Diplomová práca
Obr. 5.13 Model hnanej remenice (nenormalizovaná)
 remenica na pohon druhej a tretej kinematickej osi (Obr. 5.14)
Je to normalizovaná remenica 21 T5/40
Na hriadeli bude upevnená zverným spojom pomocou dvoch skrutiek.
Obr. 5.14 Model hnanej remenica – normalizovaná
Výpočet prevodového pomeru
38
KAVS
Žilinská univerzita
Diplomová práca
i
Dp
dp
i
15.92
63.66
KAVS
(5-1)
i  0.25
Minimálne otáčky na výstupe
n1  i  nmin
(5-2)
n1  0.25 1.5
n1  0,375 ot/min
Maximálne otáčky na výstupe
n2  i  nmax
(5-3)
n2  0,25  200
n2  50
Prevod prvého uzla
Najskôr si určíme predbežnú osovú vzdialenosť A.
A  140 mm
Uhol opásania β hnacej remenice
cos
 Dp  dp

2
2A
(5-4)

2
(5-5)
  90 
cos
 63,66  15,92

 0,1705  80,18
2
2 140
  90  80,18  9.82
Výpočtová dĺžka remeňa Lp
39
Žilinská univerzita
Diplomová práca
Lp  2  A  cos   0,5 ( Dp  dp) 
KAVS

( Dp  dp)
180
Lp  2  140  cos 9,82  0,5 (63,66  15,92) 
(5-6)
 9,82
(63,66  15,92)
180
Lp  409 mm
najbližšia dĺžka remeňa je 410 mm volíme remeň 6 T5 – 410
Skutočná osová vzdialenosť A
A  p  p2  q
(5-7)
Výrazy p a q sú dane vzťahmi
p  0,25  Lp 

 (dp  Dp)
8
p  0,25  410 
(5-8)

 (15,92  63,66)
8
p  71,24
q  0,125( Dp  dp) 2
(5-9)
q  0,125(63,66  15,92) 2
q  284.89
A  71,24  71,24 2  284,89
A  144 mm
Prevod druhého uzla
Výpočet dĺžky remeňa pre druhú kinematickú os.
Pre výpočet sme uvažovali s predbežnou osovou vzdialenosťou A= 120mm.
40
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Zo vzorca (5-6) pre výpočet dĺžky remeňa Lp sme vypočítali dĺžku Lp=369,76mm
Tejto dĺžke vyhovuje ozubený remeň 6 T5 – 390.
Potom skutočná osová vzdialenosť A zo vzorca (5-7) sa rovná A=134,6mm
Prevod tretieho uzla
Výpočet dĺžky remeňa pre tretiu kinematickú os.
Pre výpočet sme uvažovali s predbežnou osovou vzdialenosťou A= 110mm.
Zo vzorca (5-6) pre výpočet dĺžky remeňa Lp sme vypočítali dĺžku Lp=350,2mm
Tejto dĺžke vyhovuje ozubený remeň 6 T5 – 355.
Potom skutočná osová vzdialenosť A zo vzorca (5-7) sa rovná A=117,4mm
41
Žilinská univerzita
6
Diplomová práca
KAVS
Návrh manipulačných efektorov a ich umiestnenie na
pohyblivú platformu robota
Ďalším cieľom tejto diplomovej práce bolo navrhnúť rôzne typy manipulačných
efektorov a ich umiestnenie na platformu robota (Obr. 6.1).
Pretože každý výrobca má vlastné rozmery pripojovacích častí, bolo treba riešiť spôsob
pripojenia týchto efektorov na sériovú nadstavbu.
Obr. 6.1 Rozmery koncového člena sériovej nadstavby pre nasadenie efektora
6.1
Mechanické uchopovacie hlavice
Pri manipulácií s týmito hlavicami budeme uvažovať z maximálnou hmotnosťou súčiastok do
0.5kg. Spôsob uchopenia bude za vonkajší povrch súčiastok a súčiniteľ trenia medzi čeľusťou
a súčiastkou bude   0,15  0,20 . Uvažujeme aj so súčiniteľom bezpečnosti, ktorý je pre 2
uchopovacie čeľuste rovný K=20.
Výpočet skutočnej uchopovacej sily Fu:
42
Žilinská univerzita
Diplomová práca
Fu  m  g  K
KAVS
(6-1)
Fu  0,5  9,81  20
Fu  98.1N
6.1.1 Mechanická pneumatická uchopovacia hlavica
Prvým typom použitého efektoru je mechanická uchopovacia hlavica MHZ220 od firmy SCM
(Obr. 6.2). Pripojovacie rozmery tejto hlavice vyhovujú pripojovacím rozmerom, ktoré sa
nachádzajú na nadstavbe. Tento efektor sa na nadstavbu pripevní pomocou dvoch skrutiek
M5x12 s vnútorným šesťhranom.
Jedna čeľusť uchopovacej hlavice typu MHZ220 vyvinie pri tlaku vzduchu 0,6 MPa a dĺžke
ramena 20 mm uchopovaciu silu Fu=50N. Pre dve čeľuste je uchopovacia sila Fu=100N čo
vyhovuje nášmu zadaniu.
Jedná sa o pneumatický efektor, preto bude treba pri použití tohto typu efektora zabezpečiť aj
zdroj stlačeného vzduchu.
Obr. 6.2 Mechanické uchopovacie hlavice MHZ od firmy SMC – pneumatické
6.1.2 Mechanická elektrická uchopovacia hlavica
Ďalším typom mechanického efektoru je elektrický mechanický efektor GEP1402 (Obr. 6.3)
od firmy Sommer-automatic.
43
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Uchopovacia hlavica typu GAP1402 vyvinie uchopovaciu silu Fu=140N. Teda vyhovuje
nášmu zadaniu.
Obr. 6.3 Mechanická uchopovacia hlavica GAP1402 od firmy Sommer-automatic- elektrická
Pripojovacie rozmery hlavice GAP1402 (Obr. 6.4) nevyhovujú pripojovacím rozmerom,
ktoré sa nachádzajú na nadstavbe. Bude preto potrebne vyrobiť pripojovaciu prírubu.
Obr. 6.4 Pripojovacie rozmery GAP1402
6.2
Podtlaková uchopovacia hlavica
Ďalšou možnosťou použitia uchopovacej hlavice pre daného robota je použitie podtlakovej
uchopovacej hlavice. Aj pri tomto type sme uvažovali s maximálnou hmotnosťou súčiastky
do 0.5 kg. Rozmer vhodnej prísavky sme potom vypočítali zo vzorca pre výpočet priemeru
prísavky D (6-2).
44
Žilinská univerzita
D
Diplomová práca
4  m  g  s 1000
  pn
KAVS
(6-2)
D – priemer prísavky (mm)
p - vákuum (kPa)
m- hmotnosť súčiastky (kg)
g – gravitačne zrýchlenie (g = 9.81 ms-2)
n – počet prísaviek (ks)
s – súčiniteľ bezpečnosti (pre zvislý a vodorovný pohyb  4)
D
4  0.5  9,81  4 1000
  65 1
D  19.6mm  zvolili sme prísavku ZP20BF s priemerom priemer 20
mm.
Prísavka sa na nadstavbu pripája priamo pomocou závitu M6.
45
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
7 Záver
Diplomová práca sa zaoberá problematikou mechanizmov s paralelnou a hybridnou
kinematikou pre použitie v robotických aplikáciách..
V prvej časti sme sa zamerali na všeobecný prehľad sériovej, paralelnej a hybrid- nej
kinematiky. Ďalej je uvedený prehľad používaných manipulačných efektorov.
Nasleduje návrh hybridnej kinematickej štruktúry s využitím tripodickej paralelnej
kinematiky, ktorý je v súčasnosti riešený na Katedre automatizácie a výrobných systémov
Strojníckej fakulty ŽU v Žiline.
Cieľom diplomovej práce bolo spracovať konštrukčný návrh nadstavby so sériovou
kinematikou pre nasadenie na paralelnú časť trivariantu a návrh manipulačných efektorov
a ich pripojenia na sériovú nadstavbu. Nadstavba bola riešená z hľadiska konštrukcie, ktorá
zahŕňa riešenie jednotlivých rotačných osí, ich pohon a prevodový mechanizmus. Ako pohony
boli použité jednosmerné servomotory. Tieto motory boli vybraté kvôli zjednodušeniu
riadiaceho systému, pretože pohony na paralelnej časti sú navrhnuté tiež ako jednosmerné.
Pre prenos krútiaceho momentu bolo najvhodnejšie navrhnúť prevody s ozubených remeňmi,
ktoré spájajú výhody remeňových a reťazových prevodov, pretože nemajú sklz a majú
zaručený presný prevodový pomer. Hlavné požiadavky na sériovú nadstavbu boli
jednoduchosť konštrukcie, malé rozmery a nízke finančné nároky na výrobu jednotlivých
častí. Nadstavba má tri stupne voľnosti, rotácia celej nadstavby je v rozsahu ± 180 stupňov,
vyklonenie manipulačného efektoru je v rozmedzí ± 90 stupňov. Rotácia koncového člena je
prakticky neobmedzená, ale do budúcna bude potrebné riešiť problém prívodu médií
(elektrickej energie, vzduchu, ...) ku koncovému efektoru.
V prílohe sa nachádza zostavný výkres sériovej nadstavby, výrobné výkresy hlavných častí
a CD nosič s 3D modelom nadstavby spracovanej v systéme Pro/ENGINEER.
46
Žilinská univerzita
Diplomová práca
KAVS
Použitá literatúra:
[1]
POPPEOVÁ, V. et al.: Automatizácia strojárskej výroby. 1. vydanie, EDIS ŽU
v Žiline, 2002, 230 s., ISBN 80-8070-009-5
[2]
KNOFLÍČEK, R., PLŠEK, L.: Paralelní kinematické struktury výrobních strojů
a průmyslových robotů. Brno, VUT Brno, 2006
[3]
Merlet, J.-P.: Parallel robots. Kluwer Academic Publisher, Dordrecht, 2000, p.
327, ISBN 0-7923-6308-6
[4]
RUMÍŠEK, P.: Automatizace (roboty a manipulatory), VUT Brno, 2003
[5]
PALKO, A.,SMRČEK, J., TULEJA, P.: Koncové efektory pre roboty IV
,Strojarstvo,03/2006, ISSN1335-2938
[6]
GALIK, I.: Konštrukčný návrh školského hexapodu, Diplomová práca, ZU Žilina
2005
[7]
http://www.kovosvit.cz/trijoint/czech/cpopis.php
[8]
MAREK, J.: Obráběcí centra s nekonvenční kinematickou strukturou. In: MM
Průmyslové
spektrum, speciální vydání – Konstrukce CNC obráběcích strojů -
Září 2006, Praha, MM publishing, p. 234-243, pp. 282, ISSN 1212-2572
[9]
http://www.parallemic.org/Material//GoughPlatform.gif
[10]
KMECOVÁ, S.: Spracovanie výučbového systému o paralelných kinematických
štruktúrach
strojov, Diplomová práca, ZU Žilina 2002, str. 8
[11]
http://www.parallemic.org/Material//PI-M-850-hexapod.jpg
[12]
http://www.abb.com
[13]
http://www.parallemic.org/Reviews/Review002.html
[14]
http://www.abb.com
[15]
http://www.snailinstruments.com
[16]
http://www.smc.sk
[17]
http://www.skf.com
[18]
http://www.sommer-automatic.de
[19]
LIENVEBER, J., ŘASA, J.,VÁVRA, P.: Strojnicke tabulky. 3. vydanie, Scientia
Praha, 1999, 985 s., ISBN 80-7183-164-6
47
Žilinská univerzita
Diplomová práca
Zoznam príloh:
[1]
Výkresová dokumentácia
[2]
CD médium
48
KAVS
Download

Žilinská univerzita Diplomová práca KAVS 4 1 Úvod