1
Örebro universitet Örebro University
Institutionen för teknik Department of technology
701 82 Örebro SE-701 82 Örebro, Sweden
Examensarbete
Isblästring:
Verifiering av mekaniska element
Robotdalen
IBCleaning
Örebro vårterminen 2010
Utförare: Karim El Amine Examinator: Johan Kjellander Handledare: Mohammed Rahayem Skola: Örebro Universitet
Företag: Robotdalen
2
Förord
Detta examensarbete har genomförts på Örebro universitet, Akademin för naturvetenskap och teknik, i samarbete med Robotdalen. Arbetet omfattar 10p på C-nivå, och är avslutningen på min utbildning till maskiningenjör. Examensarbetet tillkom som en fortsättning på ett tidigare projekt inom automatisering, i samarbete med Robotdalen.
Jag vill tacka arbetsgruppen i Robotdalen för visat förtroende och intresse.Jag vill även rikta ett stort tack till alla som var hjälpsamma och delade med sig av sina kunskaper inom hållfasthetslära och elteknik.vidare vill jag framföra ett stort tack till min företagshandledare Anders Thunell för snabba svar på alla mina funderingar.Ett särskilt tack vill jag rikta till mina handledare vid Örebro universitet Johan Kjellander, Mohamed Rahayem och P.O Odell.
3
Sammanfattning
Examensarbetet är en del av IBCleanings och Robotdalens projekt ”Automatiserad Isblästring” som innebär att med hjälp av en industrirobot blästra väggarna på insidan av fraktcontainers med torris och således rengöra denna yta. För att föra in industriroboten i den smutsiga containern har en specialdesignad åkbana framtagits.
Syftet med detta arbete är att analysera och beräkna hållfasthetsparametrar hos sammanställningen som består av roboten och den specialdesignade åkbanan. Ett annat syfte är att undersöka om det finns möjlighet att bidra med förslag på hur metoden kan utvecklas.
Rapporten beskriver kortfattat torrisblästring och hur en automatisering av denna kan utformas. Litteraturstudier inom hållfasthetslära samt handledning inom ANSYS har genomförts parallellt med arbetet och använts till att jämföra, utvärdera och lösa olika situationer som inträffar under
arbetsgenomgången.
FEM analyser med hjälp av ANSYS har genomförts som stöd för beräkningar och analyser . ANSYS användes också då det inte var möjligt att utföra en manuell beräkning på grund av för komplicerade procedurer eller behovet att utföra flera operationer samtidigt.
En del av tiden har jag ägnat åt att realisera 3D-ritningar med hjälp avPro-Engineer, ritningar som har skickats vidare till ANSYS för att kunna genomföra olika analyser av konstruktionen och få konkreta resultat. De beräkningar som utförts bygger dels på information från företaget, dels på rimliga antaganden i syfte att komplettera saknade uppgifter vid kalkylberäkningar.
4
Abstract
This thesis is part of the IBCleaning and Robotdalen project "Automated Ice-blasting"concerned wih the problem of blasting walls on the inside of cargo containers with dry ice using an industrial robot and therefore clean the surface. To insert the industrial robot in the dirty container a specially designed rail system has been developed.
This thesis aims to analyze and calculate the strength parameters of the assembly consisting of the robot and the speciallydesigned rail system.
One more task is to examine whether there is an opportunity to contribute to an improvement proposal.
The report describes briefly Ice Blasting and how theautomation of this can be designed.
Literature Studies in solid mechanics and tutoring in ANSYS has been performed in parallel with the work and used to compare, evaluate and resolve the various situations that occur in the
construction.
FEM analysis using ANSYS has been implemented to support the calculations and analysis realized. ANSYS was also used when it was not possible to perform a manual calculation due to the
complicated procedures or multiple operations simultaneously.
I spent some of the time to realize 3D-drawings using Pro-Engineer, drawings that have been sent on to ANSYS to perform various tests on the design and obtain concrete results.
The calculations performed are based partly on information from the company and partly on reasonable assumptions in order to supplement missing data in the spreadsheet calculations.
5
Innehållsförteckning
1 BAKGRUND ... 61.1
R
UBRIK...6
1.2
M
ÅLSÄTTNING...6
1.3
S
YFTE...6
1.4
T
ID OCH LEVERANSPLAN...7
1.5
A
VGRÄNSNINGAR...8
1.6
F
ÖRETAGSBESKRIVNING...8
2. FÖRUTSÄTTNINGAR ... 8 3. NULÄGESANALYS ... 93.1
U
TRUSTNING...9
3.2
P
ROCESSBESKRIVNING...9
3.3
I
NFORMATIONSHANTERING...9
3.3.1 Motor ... 9 3.3.2 Växel ... 10 3.3.3 Åkbana ... 10 3.3.4 Åkvagn ... 10 3.3.5 Robot ... 10 3.3.6 Hjul ... 11 3.3.7 Infästningar ... 12 3.3.8 Övrigt: ... 13 4. UTFÖRANDE ... 134.1
T
RYCKSPÄNNING...13
4.1.1 Max tryckspänning... 144.1.2 Reaktionskraft mot stödhjulen ... 14
4.1.3 Infästningar ... 14
4.2
K
NÄCKNINGSFALL...16
4.3
D
RAGSPÄNNING...17
4.4
B
ÖJSPÄNNING...17
4.4.1 Analys vid μ=0 ... 18 4.4.2 Analys vid μ=0,8 ... 19 4.4.3 Analys vid μ=0,2 ... 20 4.4.4 Stödhjulens reaktionskraft ... 20 4.4.5 Infästningar ... 214.5
A
CCELERATION(S
TART MOMENT) ...22
4.6
N
ÖDSTOPP...24
4.6.1 Nödstopp vid handled i rörelse ... 24
4.6.2 Nödstopp vid axel i rörelse ... 27
4.6.3 Infästningar ... 30
4.7
K
OMBINATIONER...30
5. METOD ... 31 6. SAMMANFATTNING AV RESULTAT ... 31 7. DISKUSSION... 32 8. REFERENSER ... 338.1
B
ÖCKER...33
8.2
M
UNTLIGAK
ÄLLOR...33
8.3
E
LEKTRONISKA KÄLLOR...33
8.4
P
ROGRAM...33
6
1 Bakgrund
Torrisblästring är en torr, skonsam och miljövänlig rengöringsmetod. Den yta som skall rengöras, blästras med små pellets av kolsyreis, som är koldioxid i fast form. När torrisen slår mot ytan, blir det en termisk chock och isen sublimerar, vilket gör att ”smutsen” bryts ner till partiklar som enkelt kan städas eller dammsugas upp.
IBCleaning har i samarbete med Robotdalen som mål att automatisera torrisblästringen genom att använda en industrirobot som rör sig på en vagn i ett speciellt rälssystem inne i fraktcontainers och rengör väggarna genom blästring. Systemet är ett slags balk som går längs en bana på ett mekaniskt sätt. Den främre delen av balken är sammankopplad till en vagn via 2 infästningspunkter och roboten sitter på vagnen.
1.1 Rubrik
Detta examensarbete är en del av projektet där man ska analysera de hållfasthetsparametrar som verkar på konstruktionen.
1.2 Målsättning
Analysera reaktionskrafterna som uppstår på balken orsakade av robotens vikt och rörelser. Analysera reaktionskrafter orsakade av det dåliga underlaget i containers.
Analysera vilka spänningar orsakar dessa reaktionskrafter. Beräkna hur stora är krafter och spänningar.
Beräkna krafter och spänningar som uppstår vid infästningarna. Beräkna krafter och spänningar på stödhjulen.
Ta fram de kritiska parametrarna ( , … ).
Föreslå åtgärder för att förbättra systemet och komponenter.
Analysera robotarmens påverkan på systemet vidett eventuellt nödstopp. I mån av tid:
Analysera vibrationer från kompressor, elverk…
Dimensionering/konstruktion av nya lösningar för framtida produkt. Datorsimulation av krafter.
1.3 Syfte
Syftet med detta examensarbete är att utreda och analysera konstruktionens hållfasthetsparametrar och dokumentera resultat samt hitta åtgärder för att förbättra dessa.
7
1.4 Tid och leveransplan
Vecka nr. Aktivitet
13 Start
Möte med företag
Upplysningar angående uppgiften Planering
Utföring av beskrivning Organisera information
Analysera skisser och applikationer
14 Analysering av process.
Rapportskrivning (start) Nulägesanalys
Processbeskrivning
15 Andra träff med företaget
Datainsamling Projekt organisation
Definiering av kritiska parametrar Målsättning Kalkylberäkningar 16 Kalkylberäkningar Analys av beräkningarna Pro Engineer ANSYS Rapportskrivning 17 ANSYS Pro Engineer Kalkylberäkningar 18 ANSYS Pro Engineer Kalkylberäkningar Analys av beräkningar 19 Ny datainsamling Kalkylberäkningar Analys av beräkningar ANSYS Rapportskrivning 20 Kalkylberäkningar Rapportskrivning 21 Rapportskrivning 22 Redovisning Presentation för företaget
8
1.5 Avgränsningar
Examensarbetet fokuserar på hållfastheten hos åkbanan och robotåkvagnen .
Det omfattar även stödhjulen som ska förhindra att balken (åkbanan)avviker från sin linjära rörelse . En annan avgränsning är att analysera hållfastheten hos infästningarna som förbinder åkbanan med åkvagnen.
Robotens rörelser kommer att analyseras för att ta reda på reaktionskrafter som verkar på åkbanan och infästningarna.
1.6 Företagsbeskrivning
IBCleaning är ett svenskt företag som arbetar med miljövänlig blästring med torr is. De är
verksamma i Skandinavien men har även ett försäljningskontor i Dubai, där de marknadsför automatiserad blästring och säljer maskiner.
I Robotdalen utvecklas robotik för industri, logistik och hälsosektorn. Forsknings- och
utvecklingsprojekt drivs på små och medelstora företag, sjukhus osv. Robotdalen arbetar för fler och bättre utbildningar och ett ökat teknikintresse hos barn och ungdomar. Nya idéer stöttas från prototyp till färdig produkt.
2. Förutsättningar
Företaget förväntar sig att arbetet ska presentera en sammanställning av fakta för de kritiska parametrar som konstruktionen utsätts för. En del av arbetet ska hantera konsekvenser av ett eventuellt nödstopp i systemet när roboten är igång. Även åtgärder och förslag till förbättringar blir viktiga delar av arbetet som man ska kunna dra nytta av inom projektet.
9
3. Nulägesanalys
3.1 Utrustning
Mekanismen består av en motor(med växel) installerad i den bakre delen av en åkbana. Åkbanan rör sig längs en linjär enhet och är sammankopplad i den främre delen till en åkvagn i två
infästningspunkter. På åkvagnen sitter industriroboten som kommer att genomföra rengöringsprocessen fast.
Fyra stycken stödhjul(2 i varje sida) installerades för att stödja balken(åkbana) så att denna går rakt. Ett antal andra hjul är installerade för att stödja balken i sin rörelse längs den linjära enheten. Åkvagnen är utrustad i sin tur med fyra hjul som möjliggör rörelsen.
Vagnen har möjligheten att tilta i sidled om golvet lutar, med hjälp av infästningarna som består av en axel och glidlager som möjliggör rotation.
Vagnen kan även luta fram- och bakåt med hjälp en led som sitter vid sammankopplingen mellan vagn och hjul.
3.2 Processbeskrivning
Processen börjar med att åkbanan med roboten i den främre änden och motorn i den bakre flyttar fram in i containern som skall rengöras.
Åkbanan flyttar fram en bit i taget och stannar så att roboten kan isblästra ytan som ska rengöras. Den del av balken som blir kvar på railet i slutet är ungefär 500mm.
OBS: Roboten är i stillaläge under förflyttningarna.
3.3 Informationshantering
3.3.1 Motor
ABB 9C series servo motor (9C1.1.30)
Max moment: 4Nm Nominellt moment: 1,3Nm En infästningspunkt saknas i bilden Figur1 Stödhjul Figur2 Figur3 Bild 1
10
3.3.2 Växel
Atlanta servosnäcksväxel Utväxling: 29:1
3.3.3 Åkbana
Under arbetet genomgång saknades en mängd data angående åkbanan och åkvagnen samt information om var exakt infästningspunkterna sitter.
Jag har antagit rimliga mått för att kunna genomföra en analys.
Material: vanligt stål L: 5m (antagande)
Massa: cirka 70kg (antagande) Profil:KKR 120x60x5 Mått Vikt(kg/m) Tvärarea (cm2) Ix (cm4) Wx (cm3) Iy (cm4) Wy (cm3) 120x60x5 12,7 16,14 279,19 46,53 94,05 31,35
3.3.4 Åkvagn
Material: okänd L: 1m (antagande) b: 2m t: okänd3.3.5 Robot
Typ: IRB 2600 Massa: 284kg Bas dimensioner: 676x511mm (höjd 445mm) Basmassa:160 kg Bild 2 Bild 3 Tabell 111
Handledsdata: (Approximativa mått) L:1020mm Massa: 65kg Rörelsehastighet: V=2000mm/s = 2m/s Bromsningstid: t=20-50ms = 0,02-0,05s Axeldata: (Approximativa mått) L: 700mm Massa: 40 kg Rörelsehastighet: V=2m/s Bromsningstid: t=0,02-0,05s3.3.6 Hjul
Typ: KombihjulMaterial: Vulkollan (startfriktion =0,8)
Stödhjulen: Typ: V80/57 Diameter: 80mm Tjocklek: 57mm Bärförmåga: 3000N Figur 4 Bild 4
12
3.3.7 Infästningar
Man ser på bilden att infästningen består av två komponenter som är fasta vid balken och en komponent fast vid vagnen. Dessa är sammankopplade med hjälp av en axel (pinne) och glidlager.
Måtten:
Som nämnts ovan är måtten om var infästningspunkterna sitter enbart rimliga antaganden för att kunna genomföra analyser.
Åkvagn
Åkbana (balk)
Infästningens nedre komponenter (Fasta vid balken)
Infästningens övre komponent (Fast vid vagnen)
pinne
480
480 4000
Figur 5
13
Wy= = 3300 Wx= = 83003.3.8 Övrigt:
Totalvikt rörlig massa: 500kg Acceleration: 1m/
Friktionskoefficient mot underlag: µ=0,05
4. Utförande
4.1 Tryckspänning
Balken (åkbanan) skjuter fram åkvagnen med en kraft som är beroende på massan och accelerationen samt friktionsmotståndet från vagnshjulen.
= ( *a) + (μmg) = (500*1) + (0,05*9,82*500) = 745N
Detta är kraften man sätter ut på balken för att skjuta fram det vilket ger en tryckspänning: σ= = =0,5 Mpa
De containers som kommer att rengöras har underlag som ibland kan luta åt vänster, höger, uppåt eller neråt.(lutningen antas vara på max 5 grader.)
Övre komponent Nedre komponent
Pro-e ritning 1
14
4.1.1 Max tryckspänning
Den kommer att inträffa då underlaget lutar uppåt och balken rör sig in i containern som skall rengöras.
Balken kommer att skjuta fram åkvagnen med en kraft som är beroende på massan och
accelerationen samt friktionsmotståndet från vagnshjulen och tyngden (den totala massan m=500kg används för att förenkla beräkningarna).
= + =Gsinα + μN = (mg*sinα)+ (μmg*cosα) =(500*9,82*sin5) + (0,05*500*9,82*cos5)=670N
= ( *a) + = ( *1) + = 1200N σ= = =0,7 Mpa
Slutsats
Tryckspänningen är så liten att den inte kommer att orsaka någon skada på balken.
4.1.2 Reaktionskraft mot stödhjulen
Reaktionskraften kommer att vara så liten att man inte behöver ta den i konsideration.
4.1.3 Infästningar
Då den skjuts framåt skjuter balken med sig vagnen via infästningarna som kopplar samman bägge
element. Kraften som behövs för att infästningens nedre komponenter ska skjuta fram vagnen är lika stor som motkraften som vagnen sätter ut på komponenterna. Infästningarna kommer att sättas ut för en motkraft som beror på accelerationen och vagnens tyngd.
Beräkningarna blir samma som de föregående förutom att hänsyn tas endast till vagnens och robotens massa och inte hela mekanismen.
Massan för den utsatta delen (vagn, robot, hjul…) uppskattas till cirka 300kg.
Nu genomför vi samma beräkningar som ovan fast med ändrad massa till 300kg i stället för 500kg:
= + =Gsinα + μN = (mg)sinα+ (μmg)cosα =(300*9,82*sin5) + (0,05*300*9,82*cos5)=400N
Stödhjulen
15
F= (m*a) + = ( *1) + = 700NF=700N är kraften som behövs för att åkvagnen skall skjutas fram.
Konstruktionen består av två infästningspunkter vilket medför att kraften kommer att delas i två lika stora krafter och . Vilket ger oss: = =350N
Kraften som infästningen sätts ut för kommer att orsaka böjspänningar som är maximala vid områdena där komponenterna är fasta vid sina respektive element.
Spänningen kan man reda ut med hjälp av elementalfall för böjning: = = = 14000N/mm
=
Böjmotståndet får man genom att ta hela tvärsnittet som
kommer att sättas ut för böjning alltså summan av böjmotståndet för de tre komponenter. =3*Wy=3*3300=9900 Åkvagnen Infästningar Figur 8 Figur 9
16
= = = 1,4MpaSlutsats
Spänningen är så liten att den inte kommer att orsaka någon skada.
4.2 Knäckningsfall
Om balken belastas med en centrisk tryckkraft finns det risk att en utböjning i sidled- s.k. knäckning - sker.
λ= i=√ λ:slankhetstal
β:inspänningsfaktor (vi tar det lika med 1 för att förenkla) i: tröghetsradie I: tröghetsmoment A: tvärsnittsarea L: balkens längd =94 A=16,14 i=√ =2.41 cm=24mm λ= =208
från ett knäckningsdiagram kan man få fram tillåten spänning när man har λ. Är den spänningen som är tillåten utan att knäckning sker. Får man större spänning än kommer en knäckning att inträffa.
λ=208↔ =20Mpa
Har man spänningen kan man få fram kraften som skulle kunna orsaka en knäckning. = ↔ = .A=20*16, =32KN
Slutsats
17
4.3 Dragspänning
Max dragspänning kommer att ske när underlaget lutar neråt och balken rör sig tillbaka till startläget.
Balken kommer att dra med sig åkvagnen med en kraft som är beroende på massan och accelerationen samt friktionsmotståndet( )från vagnshjulen och tyngden( ).
= + =Gsinα + μN = (mg)sinα+ (μmg)cosα =(500*9,82*sin5) + (0,05*500*9,82*cos5)=670N
= ( *a) + = ( *1) + = 1200N σ= = =0,7 Mpa
Infästningar
Samma resultat som man fick vid tryckspänning kommer man att få vid dragspänning. Ingen skada kommer att inträffa.
4.4 Böjspänning
Om underlaget lutar åt höger eller åt vänster kommer vagnstyngden att vilja förflytta sig åt hållet underlaget lutar åt.
Hjulens friktion på underlaget kommer vanligtvis att hindra en sådan händelse, däremot om underlaget år oljig så kommer friktionskoefficienten att minska och en förflyttning kommer antagligen att ske.
Detta kommer att leda till att åkvagnen kommer att dra med sig balken som kommer i sin tur att luta och orsaka därmed en böjning som har max moment vid supporthjulen.
18
4.4.1 Analys vid μ=0
Friktionen mellan hjulen och underlaget antas vara den minsta alltså friktionskoefficient μ är lika med noll. Detta kommer att leda till att .
Kraften F som orsakar böjningen är lika med .
Figur 11
19
=G*sinα =mg*sinα =500.9,82.sin5 = 430N
Böjspänningen får man genom att dela böjmoment som skapas vid stödhjulen genom balkens
böjmotstånd :
=
Det maximala momentet får man vid det längsta avståndet från böjkraften. Detta inträffar då hela balken har kommit in i containern som skall rengöras förutom de 500mm som stannar kvar på railet vilket medför att = 4500mm.
=F*
= = =42Mpa
Slutsats
Balken kommer att klara böjspänningen utan problem.
4.4.2 Analys vid μ=0,8
När underlaget är normal (icke oljig) är friktionskoefficient för vulkollan (hjulens material) mot ytan i startläget μ=0,8 och vid rörelse minskar μ till 0,2.
20
Kraften F som orsakar böjningen är lika med -=μN =μ =μGcosα=μmg*cos5=0,8*500*9,82*cos5= 3900N
är för stor och medför att - kommer att bli negativ.
För att en rörelse ska kunna ske måste man sätta en kraft som är större än friktionsmotståndet. Med detta kommer vi till slutsatsen att böjningen då åkvagnen står stilla på en sidled lutande underlag inte kommer att inträffa.
4.4.3 Analys vid μ=0,2
Vid rörelse kommer som sagt μ att minska till 0,2. =μmg*cos5=0,2*500*9,82*cos5=980N
Även i det här fallet har vi att friktionsmotståndet är större än rörelsekraften vilket medför att en böjning inte kommer att ske heller.
Slutsats
En eventuell böjning kan endast inträffa vid minskad friktion vilket kan hända när man har i ytan olja, sand, damm eller annat som gör att friktionskoefficienten blir mindre vid kontakt mellan själva ytan och hjulen.
4.4.4 Stödhjulens reaktionskraft
500 4500 F Figur 13 Figur 1421
Balkens utböjning påverkar stödhjulen med en kraft . Stödhjulen påverkar balken med en reaktionskraft lika stor som .
Genom att använda ANSYS beräknades reaktionskraften till cirka 1800N.
Stödhjulen är gjorda av gummi (vulkollan) men eftersom gummi inte finns som materialval i ANSYS så valde jag stål som alternativ. Detta påverkar dock inte reaktionskraften som förblir samma utan det som påverkas är materialets motstånd till kraften.
Stödhjulen utsätts för en kraft =1800N som ska delas på de två hjulen som vi har på den sidan där kraften pekar åt, vilket ger oss 900N mot var och ett av de två stödhjulen.
slutsats
Hjulen kommer att klara en sådan kraftstorlek eftersom de har en bärförmåga på 3000N.
4.4.5 Infästningar
När åkvagnen förflyttar sig i sidled kommer infästningens övre komponent att utsättas för en utböjning då den är fast vid infästningens nedre komponenter med hjälp av pinnen.
Infästningens nedre komponenter kommer att böjas ut även dem genom att den övre komponenten sätter ut en kraft på pinnen som i sin tur överför samma kraft till de nedre komponenterna.
Kraften som åkvagnen utsätts för så den förflyttar sig i sidled är som nämnt ovan 430N. Denna kraft överförs till pinnen och sedan delas i två likadana krafter som överförs till infästningens nedre komponenter.
Infästningens övre komponent
Den övre komponenten böjer sig vid den änden som är fast vid åkvagnen .
Det maximala momentet som den övre änden utsätts för inträffar vid den andra änden.
22
= = =17200Nmm
= ( = =8300 )
= = =2 Mpa
Infästningens nedre komponenter
Att reda ut den maximala spänningen som de nedre ändarna utsätts för är ganska komplicerat, därför har jag tagit fram resultatet från ANSYS:
är cirka 1,8 MPa
Slutsats
Böjspänningarna vid infästningspunkterna är tillräckligt låga. Infästningarna kommer att klara att konstruktionen böjs i sidled.
4.5 Acceleration (Start moment)
Vid rörelsens start kommer en acceleration att skapas . Trögheten gör att massan skapar en kraft som motstånd mot rörelseförändringen lika stor som rörelsekraften F=ma.
Motkraften F skappar ett moment vid leden som sitter vid sammankopplingen mellan vagn och hjul.
Kraften F och momentet vid leden ger upphov till två krafter Fa som trycker nedåt vid den bakre infästningspunkten och Fb som drar uppåt vid den främre infästningspunkten . Dessa krafter kommer att orsaka en böjning i balken.
pinne Q Figur 15 Figur 16
23
För att reda ut krafterna Fa och Fb behöver vi veta avstånden d1 och d2 mellan dessa krafter och leden samt avståndet d mellan massans tyngdpunkt och leden.
Som nämnts ovan så har jag inte fått något besked om hur infästningspunkter sitter i balken därför avstånden mellan krafterna antogs vara lika stora d1=d2=480mm för att förenkla beräkningarna. För att reda ut avståndet d mellan leden och massanstyngdpunkt är det viktigt att kunna måtten på roboten samt tyngdpunkten.
Eftersom det är svårt att hitta en tyngdpunkt då roboten är i rörelse så är det lämpligt att använda sig av tyngdpunkten då roboten är i stillaläget.
Robotens delar som rör sig är handleden och axeln. Basen som är tyngst står vid samma läge vilket gör att tyngdpunkten i stillaläge och i rörelse inte skiljs så mycket åt.
Tyngdpunktberäkning (
)
Massa (kg) Tyngdpunkt (mm) m*Y
Handled 65 1 263,5 82 127,5
Axel 40 795 31800
Bas 160 222,5 3600
Total (∑) 265 117 527,5
= = =440mm
Genom momentjämviktsekvationen får vi: F.d=( Fa.d1)+ (Fb.d2)
Vi har att d1=d2 och eftersom samma typ av infästning används så blir Fa=Fb vilket ger: F.d=2. Fa.d1 ↔ Fa= = =230N
Fa=Fb=230N
Figur 17
24
Beräkningarnaom accelerationens påverkan på balken och infästningarna kommer inte att utföras i det här avsnittet därför att vid nästa avsnitt där nödstoppet behandlas kommer större krafter att påverka konstruktionen i exakt samma punkter så att det räcker med att utföra beräkningar på större krafter och spänningar.4.6 Nödstopp
När roboten är igång och man vill stanna hela systemet trycker man på en knapp (nödstopp) så stannar hela systemet inom några enstaka millisekunder.
När nödstoppet utförs kommer den delen av roboten (handleden eller axeln) som är i rörelse med en kraft F=m.a att skapa ett moment vid leden som sitter vid sammankopplingen mellan vagn och hjul.
Såsom vid det föregående avsnittet kommer Kraften F och momentet vid leden att ge upphov till två krafterna Fa och Fb som kommer att orsaka en böjning i balken.
4.6.1 Nödstopp vid handled i rörelse
Stelkropp schematisering
Avstånden och antogs vara lika stora på grund av obestämd konstruktion.
När handleden rör sig med en hastighet V och nödstoppas, skapas en kraft F=m.a som vill fortsätta framåt på grund av trögheten.
Kraften F ger upphov till en kraft Fb som trycker mot balken vid den främre infästningspunkten samt en kraft Fa som drar uppåt vid den bakre infästningspunkten.
Observera att om handledens rörelse är i motsatt riktning kommer Fb att dra uppåt och Fa att trycka nedåt. F=m.a= = =6500 N F=ma Fa Fb Hastighet V d Figur 18
25
Med hjälp av en momentjämviktsekvation kan man reda ut Fa och Fb:F.d=(Fb.db)+(Fa.da)
Eftersom da=db och Fa=Fb ↔ F.d= 2.Fa.da ↔ Fa=
För att reda ut avståndet d, är det väsentligt att räkna ut handledstyngdpunkten i x-led
Man ser i bilden att den bakre delen är tjockare än resten vilket innebär att tyngdpunkten inte kommer att hamna precis i mitten utan den kommer att avvika lite åt vänster.
Tyngdpunkten antas då befinna sig i handledens första tredjedel d.v.s:
=1020/3=340mm
Därmed d=340mm Fa= = =2300N
Fa=Fb=2300N
Med hjälp av ANSYS får man reda på att som verkar på balken är cirka 23MPA.
Figur 19
26
När handleden rör sig i motsats riktning (Bakåt) kommer kraften Fb att dra uppåt och Fa att trycka nedåt med likadan storlek som i första fallet.Med hjälp av ANSYS får man reda på att är cirka 45 MPA. F=ma Fa Fb hastighet V d Ansys bild 6 Figur 20
27
4.6.2 Nödstopp vid axel i rörelse
Stelkropp schematisering
Liksom fallet med handleden kommer en kraft F=m.a att skapas vid axeltyngdpunkten då denna nödstoppas. Denna kraft orsakar en kraft Fb som trycker mot balken vid den främre
infästningspunkten och en kraft Fa som drar uppåt vid den bakre infästningspunkten.
F=m.a= = =10500 N
Liksom fallet med handleden får vi att:
Fa=Fb=
För att reda ut avståndet d är det väsentligt att räkna ut axeltyngdpunkten i y-led. Man behöver ta med i beräkningarna handledens massa eftersom den också rör sig då axeln rör sig.
F=ma Fa Fb Hastighet v d Figur 21
28
Tyngdpunktberäkning (
)
Massa (m) Tyngdpunkt (Y) m*Y
Handled 65 818,5 53 202,5 Axel 40 350 14000 Total (∑) 105 67 202,5 = = =640mm Därmed d=640mm Fa= = =7000N Fa=Fb=7000N
Med hjälp av ANSYS får man reda på att är cirka 90 MPA.
Figur 22
Tabell 3
29
När handleden rör sig i motsats riktning (Bakåt) kommer kraften Fb att dra uppåt och Fa att trycka nedåt med likadan storlek som i första fallet.Med hjälp av ANSYS får man reda på att är cirka 113 MPA.
Slutsats
Det sista fallet är det som orsakar största spänningar.
Konstruktionen är gjort av vanligt stål som klarar en sträckgräns över 200MPa vilket medför att balken kommer att klara av en sådan spänning.
OBS: Sträckgränsen är gränsen efter vilket materialet börjar deformeras plastiskt. F=ma Fa Fb d Hastighet v Figur 23 Ansys bild 8
30
4.6.3 Infästningar
Bilden ovan har zoomats in vid infästningens område för att kunna se hur infästningarna påverkas av en sådan stor kraft som konstruktionen utsätts för.
På bilden ser man att det finns ett litet område (i rött) där spänningen är maximalt(113MPa). Om plasticering inträffar i detta område kommer de inre spänningarna att minska i själva området. Om man tar ett större område är spänningen mycket mindre därför skulle det vara lämpligare att ta en genomsnittspänning på hela komponenten som kan handla om cirka 80-90 MPa.
Även med max spänning =113 MPa så är infästningarna gjorda av stål (antagligen) och klarar en sträckgräns över 200MPa.
4.7 Kombinationer
Olika kombinationer av spänningar kan inträffa vid samma tillfälle.
Det kan hända till exempel att underlaget lutar både uppåt och åt sidan vilket orsakar tryckspänningar respektive böjspänningar.
Det finns flera kombinationer och alla gör att den totala spänningen som konstruktionen utsätts för ökar i storleken.
För att få den helt maximala spänningen som konstruktionen utsätts har de största spänningarna som beräknats ovan kombinerats.
Den maximala spänningen inträffade vid följande kombination: Då underlaget lutar uppåt fås en tryckraft F=670N
Då underlaget lutar i sidled fås en kraft F=430N (friktionskoefficient har antagits μ=0) Då axelns rörelse nödstoppas fås en kraft Fb=7000N som drar uppåt och Fa=7000N som
trycker nedåt.
31
Man ser på bilden att är cirka 119 MPa.
Slutsats
Konstruktionen kommer att klara en sådan spänning.
5. Metod
Analys delades in i sju olika delar: Tryckspänning Knäckning Dragspänning Böjspänning Acceleration Nödstopp Kombinationer av dessa
Beräkningarna utfördes manuellt (de flesta) med stöd och resultatverifiering med hjälp av ANSYS.
6. Sammanfattning av resultat
Resultaten visar att konstruktionen kommer att klara de olika slags spänningar som verkar både på balken (åkbanan) och på infästningspunkterna.
Det har visat sig att man kan isblästra utan problem då de flesta spänningar är ganska små och inte kommer att orsaka någon skada för konstruktionen.
De största spänningarna kommer att inträffa då man genomför eventuella nödstopp.
32
7. Diskussion
Målet med arbetet var att analysera reaktionskrafter som uppstår i konstruktionen och vilka spänningar orsakar dessa.
Företagets förväntningar på resultatet av detta arbete var att presentera fakta om de kritiska hållfasthetsparametrar som åkbanan samt infästningarna utsätts för.
Arbetet påvisar en potential att tillfredsställa samtliga dessa krav.
Diskussioner, upplysningar och direktiv har under arbetets genomgång kontinuerligt skett med flera olika parter, företaget, handledare och lärare företag inom olika områden för att komma fram till ett så noggrann och fullkomligt arbete som möjligt.
En del av arbetet skulle ha varit att analysera vibrationer från kompressorn och elverket samt genomföra datorsimulationer av krafter men tyvärr så räckte tiden inte till att realisera sådana procedurer.
Åtgärder
Ett av kraven för detta arbete var att presentera åtgärder för att förbättra de kritiska komponenterna.
(Efter analysen har det visat sig att konstruktionen kommer att klara uppgiften som den är utsatt för, vilket gör det invecklat att tänka på några förbättringar.)
Nu har konstruktionen redan bestämts och beställts och det skulle vara olämpligt att försöka ändra på något.
Det som kan göras är att föreslå åtgärder till framtida konstruktioner:
I detta arbete har det framkommit att det är möjligt att få till en minskning av balkens tvärsnitt eftersom konstruktionen är någorlunda robust och kan klara lasten även med mindre dimensioner på åkbanan. Tyvärr tiden räcker inte till för att analysera denna åtgärd för att föreslå lämpliga mått.
Det har i arbetet framkommit att de största spänningarna som uppstår i konstruktionen inträffar då man genomför eventuella nödstopp. En höjning av bromsningstiden då man nödstoppar systemet kommer att innebära en minskning av spänningarna som orsakas vid denna manöver. Däremot är det säkrare att nödstoppet sker så snart som möjligt vilket gör att denna åtgärd måste analyseras djupare och undersöka konsekvenserna som en längre eller kortare bromsningstid kan ge upphov till.
33
8. Referenser
8.1 Böcker
Bertil Bodelind. Allan Persson, Hållfasthets- och materialtabeller (upplaga 7:6) Tore Dahlberg, Teknisk hållfasthetslära (upplaga 3)
8.2 Muntliga Källor
Anders Thunell, Robotdalen Ingemar Reyier, Robotdalen
Johan Kjellander, Örebro universitet Mohammed Rahayem, Örebro universitet Sune Bergelin, Örebro universitet
Lars Arlebo, Örebro universitet Björn Aren, Örebro Universitet
