1 Titulní list

1 Titulní list

2 Originál zadání

3 Anotace:

Cílem této práce je návrh konstrukčního řešení orientačního ústrojí umístěného na paralelním robotu. Text obsahuje rozbor řešení nynějších robotů s paralelní kinematikou z hlediska základních konstrukčních principů, mechanických vlastností jednotlivých částí mechanismu a samotný návrh orientačního ústrojí aplikovatelného na paralelní řetězec.

KLÍČOVÁ SLOVA:

Paralelní robot, orientační ústrojí, manipulace

Annotation:

The aim of this work is the design of the orientation device configuration mounted on parallel robot. Text contains analysis of design of the current robots with the parallel kinematics pointed on basic design principles, analysis of mechanic properties of each part of mechanism and mentioned design of the orientation mechanism applicable on the parallel robot.

KEY WORDS:

Parallel robot, orientation device, manipulation

4 Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.

Datum: 25.5.2012

Podpis:

5 Poděkování

Děkuji panu Doc. Ing. Františku Novotnému, CSc. a Ing. Marcelu Horákovi, Ph.D. z Katedry sklářských strojů a robotiky Technické univerzity v Liberci za odborné vedení, cenné náměty a připomínky a trpělivost v průběhu řešení této bakalářské práce.

Rád bych také poděkoval své rodině za podporu během studia.

Martin Havlíček

6

Obsah

1 Přehled principů řešení mechaniky průmyslových robotů s paralelní strukturou ... 10

1.1 Vlastnosti paralelní kinematiky ... 10

1.1.1 Seznámení s problematikou paralelní kinematiky ... 10

1.1.2 Porovnání paralelních mechanismů s otevřenými sériovými... 10

1.1.3 Určení počtu stupně volnosti ... 12

1.1.4 Rozdělení stávajících typů konstrukce ... 12

1.2 Schémata a popis variací paralelních kinematik ... 14

1.2.1 Standardní hexapodní konstrukce ... 14

1.2.2 Hexapodní konstrukce s redundantním členem ... 14

1.2.3 Konstrukce tripod ... 15

1.2.4 Konstrukce rychlých manipulátorů... 16

1.2.5 Další příklady paralelní kinematiky ... 17

1.3 Schémata a popis variací orientačního ústrojí ... 18

1.3.1 Orientační ústrojí pro typ tricept... 18

1.3.2 Orientační ústrojí ústrojí rychlých manipulátorů ... 18

1.3.3 Efektory pro manipulaci ... 20

1.4 Technické parametry orientačního ústrojí ... 20

2 Požadavky na konstrukci členu kinematického řetězce ... 21

2.1 Úkol orientačního ústrojí ... 21

2.2 Vlastnosti orientačního ústrojí ... 21

2.3 Výchozí parametry návrhu ... 22

2.4 Návrh servopohonu ... 22

2.5 Problematika přívodu točivého momentu ... 24

2.5.1 Kloubová spojka... 24

2.6 Efektor ... 25

3 Návrhy alternativních řešení orientačního ústrojí ... 27

3.1 Alternativy koncepčního řešení ... 27

3.1.1 Výběr vhodného koncepčního řešení ... 29

3.2 Alternativy konstrukce přenosu točivého momentu ... 30

3.2.1 Výběr vhodného řešení ... 32

4 Konstrukční řešení ... 33

4.1 Konstrukční návrh upevnění pohonu a vrchní hřídele ... 33

7

4.2 Konstrukční návrh spodní hřídele a její uložení ... 34

4.3 Konstrukční návrh délkově proměnné hřídele ... 35

4.4 Konstrukční návrh efektoru ... 38

5 Zhodnocení přínosu ... 40

Použité zdroje………..…41

8 Seznam použitých symbolů a zkratek

Označení Jednotka Název

i

[°] stupeň volnosti

m

[kg] hmotnost

t

[s] čas

J

[kg . m

] moment setrvačnosti

r

[m] poloměr

,

d 

[m] průměr

F

[N] síla

G

[N] tíhová síla

D

[N] dynamická síla

M

[Nm] moment

ft

[-] koeficient tření

k

[-] koeficient bezpečnosti

n

[ot . min

] otáčky

p

[Pa] tlak

L

[m] délka

a

[m . s

] zrychlení

g

[m . s

] tíhové zrychlení

 [rad . s

] úhlové zrychlení

T

[-] těžiště

Ra

[μm] drsnost

9 Úvod

Pro rychlou manipulaci a orientaci drobných výrobků dosahujících řádově hmotnosti desetin kilogramu je trendem využívat paralelní řetězce, jejichž konstrukční uspořádání a dynamické vlastnosti umožňují velmi přesného dosažení požadované polohy v krátkém čase. Orientační ústrojí, které bude v práci podrobně popsáno a konstruováno, má za úkol orientaci předmětu manipulace neseného vybraným paralelním robotem, který svým uspořádáním dovoluje velmi rychlé dynamické pohyby, ale pouze s omezeným počtem stupňů volnosti. Úkolem bakalářské práce je návrh orientačního ústrojí neseného paralelním robotem, přičemž soustava paralelní robot - orientační ústrojí musí být schopna za krátký čas uchopit, přemístit, orientovat a uvolnit objekt v předem stanoveném místě a orientaci. Například se může jednat o přesun předmětů z výrobního pásu, kde jsou výrobky neuspořádané, na pás balící linky, kde je požadováno jejich seřazení. Úkol znázorňuje schéma na obr. 1.

Obr. 1 Schéma manipulace

Předkládaná bakalářská práce je rozdělena do pěti kapitol. Kapitola první se věnuje charakteristice paralelních kinematik, jejich vlastností, srovnání s kinematikou sériovou a průmyslovému nasazení. Dále jsou s ohledem na cíl práce představeny varianty orientačních mechanismů využívaných v praxi. V závěru kapitoly je odůvodněn výběr konkrétní varianty paralelního robotu, který bude použit jako nosný robot pro navrhované orientační ústrojí.

Druhá kapitola je zaměřena na problematiku orientačního ústrojí, rozbor jeho úkolů a popis působících vlivů. Jsou zde představeny postupy návrhu jednotlivých částí orientační ústrojí.

Výsledkem této kapitoly je specifikace uvažovaných objektů manipulace a pohonu a jejich vliv na konstrukci orientačního ústrojí.

Třetí kapitola je zaměřena na alternativní návrh koncepčního řešení a jednotlivých členů orientačního ústrojí. Výběr je proveden rozhodovací analýzou. Výsledkem je přehled částí použitých při konstrukčním řešení.

Čtvrtá kapitola obsahuje konstrukční řešení jednotlivých částí mechanismu. Sestavný a dílčí výkresy navrženého orientačního ústrojí jsou součástí této práce.

V páté kapitole je popsán přínos bakalářské práce a uvedeny hodnoty specifikující provedenou konstrukci.

Neuspořádané objekty na výrobním pásu

Paralelní robot- změna polohy Orientační ústrojí- změna

orientace

Uspořádané objekty na balícím pásu

10 1 Přehled principů řešení mechaniky průmyslových robotů s paralelní strukturou

1.1 Vlastnosti paralelní kinematiky

Tato kapitola obsahuje seznámení s problematikou paralelních kinematik, s jejich charakteristickými vlastnostmi a nynějším způsobem průmyslového nasazení.

1.1.1 Seznámení s problematikou paralelní kinematiky

Mechanismy paralelního uspořádání jsou využívány v aplikacích, kde je vyžadována vysoká tuhost řetězce, nebo extrémně dynamické pohyby. Tuhost mechanismu v principu zajišťuje zatížení výhradně tlakové nebo tahové působící v podélných osách ramen. Dosahování nízkých časů pracovního cyklu a vysokých rychlostí u manipulačních konceptů je zapříčiněno možností využití subtilních konstrukcí.

1.1.2 Porovnání paralelních mechanismů s otevřenými sériovými

Znalost chování mechanismu, jeho obecné přednosti a nedostatky jsou důležitým faktorem při výběru vhodného uspořádání. V tab. 1, je zřetelně vidět rozdíl ve vlastnostech paralelních a sériových řetězců.

Při použití paralelních kinematik se díky uzavřenému kinematickému řetězci nekumulují chyby na konečné pohyblivé plošině, ale výsledná nepřesnost polohy a orientace se pohybuje blízko částečným chybám, zatímco u sériové kinematiky dochází ke sčítání chyb jednotlivých kinematických dvojic. U otevřeného sériového mechanismu nastává situace, kdy první kinematická vazba nese a pohybuje všemi následujícími členy, tedy jeho tuhost je omezena. Při zvyšování tuhosti se volí pevnější součásti a roste jejich váha a znovu i zatížení na první členy řetězce. Díky těmto velkým hmotám, které způsobují velký moment setrvačnosti celku, nemůže být sériové řešení, při zachování přesnosti a rychlostí změny pohybu srovnatelné s paralelními řetězci navrhované pro rychlou manipulaci.

Pohyb robotu je uskutečňován u paralelních kinematik pomocí více pohonů současně, je zde složitější úkol řízení než u sériového uspořádání. Tento problém se řeší pomocí přímé nebo inverzní úlohy. Inverzní úloha řeší problém, při kterém je třeba dosáhnout požadované pozice koncového členu nastavením konkrétních hodnot pro jednotlivé pohony, tzn. výpočet jednotlivých úhlů natočení rotačních pohonů, nebo polohy lineárních pohonů. Přímá úloha obsahuje postup, při kterém jsou známy hodnoty nastavení jednotlivých pohonů a úkolem je zjistit polohu koncového členu.

Uspořádání paralelních řetězců dovoluje dosažení relativně malých pracovních prostorů z důvodu omezené vzájemné pohyblivosti jejich členů. Naproti tomu sériové řetězce, díky variabilnímu uspořádání kinematických dvojic, které nejsou počtem omezeny, dovolují dosažení téměř celého prostorového úhlu.

11 Tabulka 1 Porovnání sériových a paralelních kinematických řetězců [1]

Vlastnost SÉRIOVÝ kinematický

mechanismus

PARALELNÍ kinematický mechanismus

Tuhost Nízká; s délkou klesá; ramena

jsou namáhána na ohyb

Vysoká; na ramena působí pouze tah a tlak

Šíření chyb Chyby se hromadí na konečném prvku

Chyby jednotlivých uzlů tvoří průměrnou hodnotu

Hmotnost pohybujících se částí

Vysoká; velký celkový moment setrvačnosti

Nízká; pohybuje se pouze vřeteno a ramena, obrobek a stůl jsou stacionární

Dynamika a velikost stroje

S velikostí stroje se zhoršuje;

první člen musí urychlovat všechny následující hmoty

Velmi vysoká dynamika

dosahovaná dokonce i s velkými stroji

Zrychlení Nepříliš vysoké, řádově jednotky

m.s^-2 Vysoké, řádově desítky m.s^-2

Vazby mezi rameny Často žádné Polohy ramen se navzájem

ovlivňují

Řízení Jednoduchá; je možné řízení

polohy jednotlivých ramen

Komplikované; celý

mechanismus musí být řízen jako celek

Kalibrace

Poměrně jednoduchá; (o dané problematice vydáno mnoho publikací)

Komplikovaná; (zatím jen málo prozkoumáno)

Výroba a montáž Poměrně složitá, časově náročná

a nákladná Jednoduchá

Poměr – pracovní prostor/

velikost stroje Spíše vysoký Poměrně nízký

Kinematika

Přímá kinematika je jednoduchá, do 3 os není nutná transformace souřadnic

Inverzní kinematika je jednoduchá, transformace souřadnic nutná, přímá úloha složitá

12 1.1.3 Určení počtu stupně volnosti

Základní statickou specifikací je počet stupňů volnosti daného mechanismu. V obecném prostorovém pohybu jsme schopni definovat 6 stupňů volnosti- pohyb v osách X, Y, Z a rotace kolem zmíněných os. Při určování stupně volnosti paralelních kinematik nemáme na mysli celkový počet stupňů volnosti celého mechanismu, ale počet stupňů volnosti pohyblivé plošiny!

Pro výpočet stupňů volnosti byl odvozen tzv. Grüblerův vztah p

f j n n

i

^

⁽

^{1 )}



kde i - počet stupňů volnosti



nj - počet kinematických dvojic j-té třídy j - třída kinematické dvojice

f - nadbytečné pohyby

p - pasivní vazby

Nadbytečné pohyby se neúčastní na konečném umístění pohyblivé plošiny a ani na její orientaci. Jsou zařazeny z konstrukčních důvodů. Na příklad se může jednat o rotaci vzpěrné podpěry kolem podélné osy. Tato rotace nijak neovlivní polohu konečného prvku, avšak zvyšuje počet stupnů volnosti celého mechanismu.

Pasivní vazby vznikají při speciálních vzájemných polohách platformy a báze nebo při konstrukčním řešení pomocí redundantních vazeb či prvků. Při takových případech dochází k duplikaci vazeb. Důvody použití jsou zvýšení tuhosti mechanismu a jeho dosahu [1].

Při výpočtu stupně volnosti v prostoru dochází často k problémům právě díky nadbytečným pohybům a redundantním členům, které jsou zařazeny do systému z konstrukčních důvodů. Pro výpočet stupně volnosti složitých prostorových mechanismů je také možná analýza reakcí a jejich srovnání s počtem lineárně nezávislých rovnic popisující rovnováhu mechanismu.

1.1.4 Rozdělení stávajících typů konstrukce

Na způsob rozdělení lze nahlížet z mnoha hledisek, zobrazeno na obr. 2. Důvod, pro který se rozdělení provádí, je snazší orientace v problematice. Při znalosti účelu a způsobu použití lze po jednotlivých požadovaných aspektech vybírat, nebo vylučovat, jednotlivé typy konstrukcí, které se mohou lišit v jednom nebo více parametrech (zde je myšleno parametrem např. stupeň volnosti konečného prvku na kterém je závislý tvar a velikost pracovního prostoru).

13 Obr. 2 Schéma rozdělení

Po prostudování nynějšího nasazení paralelních kinematik lze rozčlenit použití a také konstrukční uspořádání do tří velkých skupin. Do první skupiny patří tzv. Stewartova plošina, která byla v minulosti používána pro simulaci chování podvozku letadel při návrhu leteckých pneumatik.

Jedná se o konstrukci orientované plošiny se šesti stupni volnosti ovládané šesti na sobě nezávislými teleskopickými rameny obr. 4. Tento typ je dnes využíván ve strojírenství jako pohyblivý náklonný stůl, pro orientaci vysoce hmotných obrobku.

Jako druhý typ konstrukce, využívající pouze tří vzpěrné pruty, uvažovaný v našem rozdělení, je tzv. tripod, obr. 6. Mechanismus, jehož polohu pohyblivé plošiny je vhodné definovat ve sférických souřadnicích a jedním z jeho parametrů jsou tři stupně volnosti, slouží ve strojírenské praxi především jako nosič funkční hlavice. Tyto dva typy vyžadují na rozdíl od následujícího poměrně bytelnou konstrukci, neboť jsou využívány pro pomalý a přesný pohyb s velkým silovým namáháním.

Třetím typem je konstrukce, při níž je pohyb vždy dvou konců ramen spjatý (princip paralelogramu), tím dochází k odstranění náklonů pohyblivé plošiny a ta pak může vykonávat pouze posuvné pohyby ve třech na sebe kolmých osách. Tento princip se v různých obměnách nazývá též linapod. Především díky možnosti své subtilní konstrukce je nejčastěji využíván k rychlé manipulaci s lehkými předměty. Jako příklad tzv. delta robot, viz dále.

Jedním z příkladů je výrobek firmy Festo- bionic handling assistant, který rovněž patří do problematiky paralelních kinematických řetězců. Tento koncept tvoří tři paralelně spjaté série vzduchových polštářů, jenž různým tlakem uvnitř mění svoji délku a tudíž celý ‚chobot‘ může být i vícekrát prohnut, pro ilustraci obr. 3. Jedná se ovšem o velmi pružnou konstrukci.

Obr. 3 Festo- bionic handling assistant [2]

ZVOLENÁ VARIANTA

VYUŽITÍ

ORIENTOVANÝ NOSNÝ STŮL NOSIČ

FUNKČNÍ HLAVICE

RYCHLÝ MANIPULÁTOR DIMENZE

POHYBU

1-3

STUPEŇ VOLNOSTI

1-6

RAMENA

PEVNÁ S PROMĚNNOU DÉLKOU

14 1.2 Schémata a popis variací paralelních kinematik

1.2.1 Standardní hexapodní konstrukce

Kinematický řetězec zobrazený na obr. 4 umožňuje konečnému prvku pohyb se šesti stupni volnosti i6.(14 1) (3.12 6.5) 6     6 . Ramena jsou ukotvena na obou koncích sférickým kloubem a délkovou proměnnost ramen zajišťují lineární pohony umístěny v samotných ramenech.

Prostor dosažitelný pohyblivou plošinou je přibližně válcového charakteru, kde je možné dále dosáhnout omezené orientace plošiny v každém místě operačního prostoru.

a) b)

Obr. 4 Hexapodní konstrukce, a) schéma, b) provedení firmy Fanuc- F- 200iB [3]. 1- rám, 2- pohyblivá plošina, lineární pohon

1.2.2 Hexapodní konstrukce s redundantním členem

Variací předešlé konstrukce je koncept využívající pevných ramen, které jsou sférickými klouby připevněny k lineárním pohonům umístěným na rámu a pohyblivé plošině. Pro zvýšení tuhosti se využívá tzv. redundantního (nadbytečného) členu uprostřed. Uspořádání se čtyřmi stupni volnosti konečného prvku je zobrazeno na obr. 5.

a) b)

Obr. 5 Hexapodní konstrukce s redundantním členem, a) schéma, b) prototyp hexasphere ČVUT [4].

1- rám, 2- pohyblivá plošina, 3- lineární pohon

15 1.2.3 Konstrukce tripod

Robot zobrazený na obr. 6 odpovídá konstrukci zvané tricept. Ramena jsou ukotvena sférickými klouby a pohyb zprostředkovaný měnící se délkou ramen pomocí lineárních pohonů.

Koncový člen je schopen pohybu se třemi stupni volnosti a to právě tři posuvy, se dvěma spjatými náklony i6.(8 1) (3.6 5.3 2.1)     3 . Vykonavatelná trajektorie je v části mezi dvěma sférami s již nemožnou orientací v jistém bodu. Natáčení konečného prvku, které by způsobovalo statickou neurčitost, je omezeno teleskopickým pasivním ramenem vedené středem a které je namáháno na ohyb.

a) b)

Obr. 6 Tripodní konstrukce, a) schéma, b) tricept PKM T606 [5]. 1- rám, 2- pohyblivá plošina, 3- lineární pohon, 4- průvlečný sférický kloub

Další variantou sféricky orientované plošiny se třemi stupni volnosti 6.(5 1) (3.3 4.3) 3

i     s dvěma rotacemi a jedním posuvem, je znázorněna na obr. 7. Robot je tvořen třemi rameny připojenými rotačními klouby k lineárním pohonům a sférickou vazbou k pohyblivé plošině. Úkolem této konstrukce je dvěma náklony orientovat pohyblivou plošinu, na které spočívá efektor a jeho přísun k obrobku.

a) b)

Obr. 7 Tripod Z3 spirit [6], a)schéma, b) konstrukční provedení. 1- osy reprezentující rám, 2- pohyblivá plošina, 3- lineární pohon

16 1.2.4 Konstrukce rychlých manipulátorů

Rychlý manipulační koncept s názvem delta robot, zobrazen na obr. 8, využívá délkově neproměnných ramen, které jsou připojeny vahadly k rotační pohonné jednotce a tím je zapříčiněn pohyb konečného prvku, který je pomocí sférických kloubů připevněn k ramenům. Stupeň volnosti pohyblivé plošiny je tři i6.(11 1) (3.12 5.3) 6     3 a to právě tři posuvy. Všem rotačním pohybům je zabráněno rovnoběžným sepjetím prutů v páru. Tvar akčního prostoru je přibližně válcový, závislý na vzájemném půdorysném úhlu vahadel.

a) b)

Obr. 8 Robor firmy ABB irb 360, a) schéma, b) provedení [7]. 1- rám, 2- pohyblivá plošina, 3- místo upevnění rotačního pohonu, 4- vahadlo, 5- rameno

Obměnou předcházející konstrukce je zavedení lineárních pohonných jednotek na místo rotačních obr 9. Tvar dosažitelné polohy, princip stále rovnoběžné orientace konečné plošiny a stupeň volnosti i6.(11 1) (3.12 5.3) 6     3 zůstávají neměnné. Vzhledem k účelu mohou být dráhy lineárních pohonů orientovány vzájemně v obecném úhlu.

a) b)

Obr. 9 Robot EXPT electric tripod, a) schéma, b) konkrétní provedení [2]. 1- osy reprezentující rám, 2- pohyblivá plošina, 3- lineární pohon

17 1.2.5 Další příklady paralelní kinematiky

Model dvojdimenzionálního paralelního uspořádání na obr. 10 má tři stupně volnosti 3.(5 1) (1.3 2.3) 3

i     dva posuvy a jednu rotaci. Je poháněn třemi lineárními pohony a může být využíván například jako pohyblivý strojírenský stůl. V tomto výběru je zařazen z důvodu ilustrace paralelní kinematiky schopné pohybu translačního a rotačního pouze v jedné rovině.

a) b)

Obr. 10 Robot TRR 2D paralel, a) schéma, b) model [8]. 1- osy reprezentující rám, 2- pohyblivá plošina, 3- lineární pohon

Paralelní uspořádání se třemi stupni volnosti, a to třemi posuvy, je zobrazeno na obr. 11. Tato varianta se od předešlých liší především možností jasně a jednoduše definovat polohu pohyblivé plošiny v kartézských souřadnicích tzn. nenastává při samostatném přestavení jednotlivých pohonů k obecnému pohybu pohyblivé plošiny, jako je tomu u předešlých paralelních mechanismů, ale, jak je zřejmé ze schématu, každý lineární pohon zajišťuje pohyb pohyblivé plošiny v jednom jediném směru. Další odlišností je, že ramena nejsou namáhána v axiálním směru, ale na ohyb a v torzi, proto je tuhost mechanismu při zatížení relativně nízká.

a) b)

Obr. 11 Robot isoglide 3- T3, a) schéma, b) model [8]. 1- osy reprezentující rám, 2- pohyblivá plošina, 3- lineární pohon

18 1.3 Schémata a popis variací orientačního ústrojí

Orientační ústrojí chápeme jako mechanismus schopný dodatečně natáčet nesený efektor do poloh, které samotná konstrukce paralelního robotu neumožňuje. Tato podkapitola předkládá nejpoužívanější orientační mechanismy používané paralelními roboty.

1.3.1 Orientační ústrojí pro typ tricept

Robot typu tricept má omezenou možnost pohybu pohyblivé plošiny v prostoru vymezeném prostorovým úhlem a dvěma sférami. Je využíván jako nositel funkční hlavice pro frézování nebo sváření. Tyto operace vyžadují orientaci podélné osy nástroje a tedy orientační ústrojí s dvěma stupni volnosti, jak je patrno z obr. 12. Pohon může být součástí samotného orientačního mechanismu, protože nosný robot dovoluje velké statické namáhání.

Obr. 12 Orientační ústrojí firmy PKM na výrobku Triceps T9000 a) schéma, b) reálná podoba [5].

1.3.2 Orientační ústrojí ústrojí rychlých manipulátorů

Rychlé manipulátory využívají především nízké hmotnosti svých pohybujících se členů a tak musí být snaha o dosažení co nejnižších pohybujících se hmot i u připojeného orientačního ústrojí. To řeší využívání lehkých komponent a snahu snížit moment setrvačnosti vůči rámu na minimum především co nejvhodnějším umístěním těžiště orientačního ústrojí. Proto je výkon k efektoru a orientačnímu mechanismu přiváděn a tedy hmotnost pohonu negativně neovlivňuje dynamiku systému. Na obr. 13 jsou vyobrazeny možné varianty orientačních mechanismů využívaných v praxi.

Liší se stupněm volnosti a druhem potřebné energie.

19 Obr. 13 Varianty orientačního mechanismu pro rychlou orientaci. a) [2], c) [3]

Jako energie pro orientaci efektoru je používán buď tlakový vzduch, který ovšem s dostatečnou přesností není schopen napolohovat pneumotor v libovolné poloze, proto se používají jen krajní přednastavené polohy těchto motorů umístěných až na pohyblivé platformě. Další variantou je přívod mechanické energie pomocí kardanové hřídele a to buď s neměnnou délkou obr. 14a a umístěním pohonu na ramenech, což zvyšuje hmotnost pohybujících se částí. Nebo s proměnnou délkou a pak pohon je umístěn v těle robotu obr. 14b. Orientační mechanismy s více stupni volnosti vyžadují pro pohyb v různých smyslech samostatné pohony.

a) b)

Obr. 14 Realizace přívodu mechanické energie k orientačnímu ústrojí a) pohon umístěn na pohyblivém ramenu [3], b) pohon statický [8]. 1- rám, 2-pohyblivá plošina, 3- pohon, 4- vahadlo, 5- rameno, 6- délkově proměnná hřídel

20 1.3.3 Efektory pro manipulaci

Dalším členem orientačního ústrojí je efektor, který zajišťuje bezpečné uchopení, držení a následné uvolnění předmětu na požadovaném místě. Efektor je upevněn přímo na orientačním ústrojí. Je důležité připomenout, že celý tento proces je vykonán ve značné rychlosti, resp. s velkým zrychlením a tedy relativně velkými silami. Proto musí být zvolena dostatečná bezpečnost uchopení.

Vzhledem k požadované rychlosti přestavení (uchopení, uvolnění) a nutné nízké hmotnosti efektoru, je vhodnou variantou pneumatický efektor v podobě přísavky nebo čelistí. Podrobněji popsáno dále.

1.4 Technické parametry orientačního ústrojí

Pro koncepční a následné konstrukční řešení bylo nutné vycházet z parametrů stávajícího špičkového delta robotu, takového, který má vysoce dynamické vlastnosti a velmi krátký pracovní cyklus. Uvedené požadavky beze zbytku splňuje paralelní robot firmy ABB s označením IRB 360 - 1/1130, jehož hmotnost nesené zátěže včetně orientačního ústrojí m = 1 – 1,5 kg a minimální doba cyklu s touto zátěží dosahuje tc = 0,5 – 0,7 s.

21 2 Požadavky na konstrukci členu kinematického řetězce

V předchozí kapitole bylo zvoleno kinematické uspořádání pro robot, který je schopen rychlé a přesné manipulace. Tato kapitola se bude věnovat konkrétním požadavkům, které jsou kladeny na realizaci orientačního ústrojí neseného zmíněným robotem.

2.1 Úkol orientačního ústrojí

Úkolem orientačního ústrojí je změna orientace výrobku nezávisle na jeho umístění. Z úlohy, která byla představena v úvodu, a při použití vybraného nosného robota vyplývá, že je třeba navrhnout orientační ústrojí s jedním stupněm volnosti. Výsledkem bude soustava nosný paralelní robot- orientační ústrojí se čtyřmi stupni volnosti a to právě třemi translacemi a jednou rotací.

Představení procesu nastíněného již v úvodu je zřejmé z obr. 15 .

Obr. 15 Schéma úkolu soustavy paralelní robot- orientační ústrojí 2.2 Vlastnosti orientačního ústrojí

Veličinou, která přímo ovlivňuje samotnou činnost nosné paralelní struktury je setrvačný moment orientačního ústrojí vzhledem k osám ležících v rovině horního uchycení k rámu, který je závislý na celkové hmotnosti a poloze těžiště, proto je snahou tento hmotový moment minimalizovat jednak odlehčením celého mechanismu a jednak umístěním těžiště co nejblíže rámu robotu. Další faktor přímo ovlivňující nosný robot je gyroskopický efekt, který je přímo závislý na momentu setrvačnosti vztaženému k podélné ose součástí měnících svou orientaci v podélném směru a který vzniká při současném přemísťování neseného předmětu a jeho orientaci, tzn. při jeho roztočení a současném naklápění.

Vznik točivého momentu a následných otáček orientačního ústrojí má za úkol pohon, který je třeba správně navrhnout vzhledem k požadovanému účelu. Ten sestává z dostatečně velkého rozběhového a brzdného točivého momentu působícího na mechanismus orientačního ústrojí a dosažených maximálních otáček. Potřebnými veličinami pro návrh pohonu jsou celkový moment setrvačnosti orientačního ústrojí vztažený k podélné ose otáčení, krajní uvažovaný moment setrvačnosti neseného prvku k ose jeho rotace (pro jedno konkrétní nesené těleso se může lišit při uchopení v jiném bodě dle Steinerovy věty), pasivní odpory v uložení, potřebný čas na přestavení a úhel, který bude při extrémní hodnotě nabývat 180°, neboť větší úhel je zde suplován menším

22 pootočením v opačném smyslu. Další vlastností je tuhost mechanismu, která při nízké hodnotě může negativně ovlivnit dobu potřebnou k přestavení orientačního ústrojí svými torzními kmity.

2.3 Výchozí parametry návrhu

Jako nosný robot byl vybrán výrobek firmy ABB, IRB 360-1/1130. Tento robot má pracovní dosah znázorněný na obr. 16. Doba pracovního cyklu při zatížení hmotností m = 1 kg (včetně orientačního ústrojí) je tc = 0,5 s při přemístění pohyblivé platformy z bodu A do bodu B a zpět. Doba pracovního cyklu je hodnota, která musí být respektována při návrhu pohonu a efektoru, aby byl splněn požadavek nejnižší doby přemístění a orientace, tedy aby orientace probíhala během přemísťování. (Vzhledem k tomu, že dokončení orientace musí proběhnout i v případě, že přemístění bude trvat kratší dobu tzn. přemístění na kratší

vzdálenost, musí být ošetřeno softwarovou podmínkou dosažení zadané orientace a teprve následného umístění objektu manipulace.)

Předběžnou úvahou byla hmotnost orientačního ústrojí odhadnuta moú < 1 kg (včetně pohonu, který představuje 50%

hmotnosti a bez připojené zátěže).

Předpokládané nasazení jako součást balící linky drobných předmětů (bonbóny, sušenky, tužky, dámské vložky a podobně) bude uvažována hmotnost neseného předmětu pro návrh orientačního ústrojí mpm < 50 g. Je tedy třeba navrhnout orientační ústrojí, které spolu s předmětem manipulace nepřetíží robot. Odhad byl proveden na orientačním ústrojí typu zobrazeném na obr. 14,b). Pro vybraný robot je

hodnota momentu setrvačnosti orientačního ústrojí k jeho podélné ose Joú = 1.10^-4 kg.m² (který odpovídá momentu setrvačnosti k podélné ose tenkostěnné tyče o poloměru r = 14 mm a hmotnosti m = 0,5 kg).

2.4 Návrh servopohonu

Výchozím požadavkem je tedy čas cyklu tc = 0,5 s, avšak orientace musí proběhnout za poloviční čas cyklu, neboť druhá polovina je určena k přesunu robotu do výchozího bodu, kde k vlastnímu pohybu orientačního ústrojí nedochází. Pohyb pohonu orientačního ústrojí je rozdělen na čtyři fáze, jak je zobrazeno na obr.17. V první zrychluje, v druhé se pohybuje rovnoměrným pohybem, v třetí brzdí a ve čtvrté je nečinný. (Časy jednotlivých fází byly zvoleny a budou kontrolovány, zda odpovídají zvolenému pohonu). První a třetí fáze jsou si rovny a trvají každá t1,3 = 0,075 s, druhá fáze trvá t2 = 0,1 s. Další vstupní hodnotou je odhadovaný moment setrvačnosti orientačního ústrojí Joú = 1.10^-4 kg.m². Zátěžný moment působící na pohon je pouze od pasivních odporů v ložiscích.

V případě zatížení tíhou řádově G = 10¹ N je zátěžný moment M2 zanedbatelný (koeficient tření valivých ložisek odpovídá řádově ft = 10^-3).

23 Obr. 17 Průběh momentu a otáček pohonu

Pro aplikace, kde pracovní čas je v řádech desetin vteřiny je nutné zavézt podmínku, kde maximální dovolený moment setrvačnosti zátěže JL je nejvýše rovný momentu setrvačnosti pohonu JA. Zvolen byl pohon firmy Harmonic drive FHA-8C-30-D200-E.

A L

J J

3 2

2, 6.10 . JA ^ kg m

, J_L J_oú 1.10^4kg m. ²

3 2 4 2

2, 6.10 . 1.10 . JA ^ kg m  ^ kg m 

podmínka je splněna

Dále je třeba zajistit, aby požadované otáčky nL nepřevýšily maximální otáčky pohonu nAmax.

max 200 / min

nA  ot  volím n_L 180ot/ min

Nyní je třeba zkontrolovat, zda moment rozběhu M1 a moment brzdění M3 nepřekročí maximální vyvinutelný moment pohonu MAmax.

 

1 3 Amax

M  M M _, M₂

0

1 2

1

( ).

2 . 60

A L L

J J n

M M

t

 

 

 

1 3

2 (2, 6.10 1.10 )

.180 0, 68

60 0, 075

M  M 



, M_Amax 1,8Nm

 

1 3 0, 68 1,8

M  M  Nm Nm podmínka je splněna

24 A dále zkontrolovat, zda průměrný moment zatížení Mstř nepřekročí jmenovitý moment pohonu MN.

stř N

M M

2 2 2

1 1 2 2 3 3

2

1 2 3

. . .

stř

p

M t M t M t

M t t t t

 

    ,M3 M2





0, 68

 

2

2

0, 68 .0, 075 0, 68 .0, 075 0,5 0,37

Mstř   Nm

 

,M_N 0, 75Nm 0,37 0, 75

Mstř  Nm Nm podmínka je splněna

Závěr

Vybraným pohonem je tedy Harmonic drive FHA-8C-30-D200-E s maximálním kroutícím momentem MAmax = 1,8 Nm, na který je třeba dimenzovat ostatní součásti orientačního ústrojí.

2.5 Problematika přívodu točivého momentu

Často využívané koncepce staví na odlehčení celého mechanismu umístěním pohonné jednotky buď co nejblíže k rámu nosného robotu, nebo instalací na rám. Tímto způsobem se dosahuje snižování hmotnosti pohybujících se hmot a tedy i dynamických účinků na nosný robot. Pro transport mechanické energie musí prvky a jejich spoje mít dostatečnou únosnost a tuhost v krutu.

Proto prvky musí být správně dimenzovány.

Jak již bylo zmíněno, hlavní snahou při návrhu a konstrukci orientačního ústrojí je minimalizovat jeho hmotové účinky na nosného robota a pohon. Tím je myšlena především vhodná konstrukce, orientace a nízká hmotnost orientačního ústrojí. Pro snížení hmotnosti a momentu setrvačnosti je vhodné využívat kompozitní materiály, které však sebou nesou i své specifické požadavky, nebo lehké uhlíkové slitiny.

2.5.1 Kloubová spojka

Pro přenos rotačního pohybu mezi různoběžnými hřídelemi je využíváno kloubové spojky.

Hlavním nedostatkem, též nazývaného Hookeova kloubu, je nekonstantní převod mezi hnanou a hnací hřídelí. Z tohoto důvodu se Hookeův kloub používá ve dvojici, kde jsou klouby spojeny spojovací hřídelí, a tím je nerovnoměrný přenos kroutícího momentu odstraněn za předpokladu, že vzájemný úhel mezi spojovací hřídelí, hnací a hnanou hřídelí je stejný

 

25 Obr. 18 a) obecný pohled (rovnoběžná hnaná hřídel s hnací), b) pohled z boku (rovnoběžná hnaná s hnací hřídelí), c) pohled z boku (různoběžná hnaná hřídel s hnací). 1- hnací hřídel, 2- spojovací hřídel, 3- hnaná hřídel [9]

2.6 Efektor

Součástí vybraného robotu ABB, IRB 360-1/1130 je zdroj tlakového vzduchu s dosažitelným tlakem p = 0,7 MPa. Díky krátkému pracovnímu cyklu a relativně nízké předpokládané hmotnosti předmětu manipulace- řádově desítky gramů, je vhodné využít jako efektor aktivní přísavku, která svou vysokou přizpůsobivostí členitému povrchu předmětu manipulace umožní velmi široké upotřebení. Pro výpočet je uvažovaným předmětem manipulace Tatranka firmy Opavia obr.19 se svou hmotností m = 47 g a momentem setrvačnosti Jo = Jpm= 6,1.10^-5 kg.m². Dále je třeba určit zatěžující síly, znázorněné na obr.20, které je třeba zachytit.

Obr. 19 Tatranka Opavia

26 Obr. 20 Silová rovnováha na přísavce a- při translaci, b- při rotaci

: : :

rad x

ax y

o t M

x F D y F G D T M D



 



kde

. . .

.

x x

y y

M pm

D m a D m a G m g D J











Současné zatížení vlivem dynamických sil axiálních G, Dy a posuvných Dx, DM (DM je dynamický moment) je nutné zachytit úchopnou silou FU vyvozenou podtlakem působícího na činnou plochu přísavky a třením mezi přísavkou a předmětem manipulace mezi kterými je uvažován koeficient tření ft. Vzhledem k možné pórovitosti, jemnému reliéfu (vznik netěsností) a možné mastnotě povrchu předmětu manipulace jsou zvoleny dílčí bezpečnosti. Pro pohyb v ose přísavky obr. 22 a) bezpečnost proti odtržení k´´= 3 - 5 a pro pohyb na osu přísavky kolmém obr. 21 b) ,c) bezpečnost proti posunutí k´= 5 - 8.

Obr. 21 Bezpečnost namáhání v různých situacích a)- tah, b), c)- posuv [10]

27 3 Návrhy alternativních řešení orientačního ústrojí

3.1 Alternativy koncepčního řešení

V zásadě se jedná o problém umístění pohonu orientačního ústrojí jakožto nejtěžšího prvku mechanismu. Varianta musí být vybrána s ohledem především na dynamické zatížení polohovacího mechanismu tzn. nosného robotu, její přesnost, spolehlivost, konstrukční náročnost.

Varianta řešení A

Zprvu intuitivním návrhem je umístění pohonu na konec kinematického řetězce, tedy na pohyblivou plošinu a tím provedení velice jednoduchého návrhu orientačního ústrojí. Tato varianta zobrazená na obr. 22 je tvořena pohonem a navazující hřídelí. Moment setrvačnosti této alternativy k rámu robotu při dosažení nejvzdálenějšího místa pracovního prostoru je, při využití lehkých slitin hliníku jako konstrukčního materialu, J = 0,5 kg.m² (při délce průvodiče rám robotu- pohyblivá plošina 995 mm), moment setrvačnosti k ose otáčení je Jo = 6,43.10^-5 kg.m² a hmotnost zatěžující pohyblivou plošinu m = 0,5 kg ( vše včetně předmětu manipulace).

Obr. 22 a- Řešení varianty A, b- detail orientačního ústrojí varianty A (1- pohyblivá plošina,

2- Harmonic drive FHA-8C-30-D200-E, 3- hřídel, 4- přísavka s ejektorem, 5- předmět manipulace, 6- M3x10, 7-M3x16, 8-kolík ISO 2338A 4m6x10)

Z důvodu nízkého statického a dynamického zatížení v provozu nemusí být uložena v ložiscích, ale pouze vetknuta na pohon, jehož dovolené axiální zatížení a zatížení klopným momentem je dostačující. Namáhání pohonu je znázorněno na obr. 23..

Maximální únosný moment příruby pohonu:

     

max r1 r1 r2 r2 r3 r3 a a dov

M F L R F L R F L R F L M

1

.

r x

F a m , F_r2 a m_x. ₂ , F_r3 a m_x. ₃ , F_a 





^

^

28 12,9

R mm , M_dov 15Nm , a_x a_y 

35 .

, g 

9,81 .

max 0,805.16,9 0,98.42,9 1, 645.70 0 0,170

M      Nm <

15Nm

Maximální síla v axiálním směru:

  ^{ }

max . 1 2 3

a y adov

F  ga m m m F , F_adov 200N

max 4, 4

Fa  N <

200N

Obr. 23 Namáhání uložení pohonu neuloženou hřídelí a- obecný případ, b- varianta A (poloha těžišť)

Varianta řešení B

Tato varianta přesouvá pohon coby největší koncentraci hmotnosti na rám nosného robotu a pro přenos točivého momentu je využito kardanovy hřídele. Přesunutím těžiště orientačního ústrojí směrem k rámu robotu se snižuje jeho moment setrvačnosti vůči základně robotu na J = 0,41 kg.m², zvyšuje se moment setrvačnosti k podélné ose orientačního ústrojí na Jo = 9,87.10^-5 kg.m² a jeho celková hmotnost zatěžující pohyblivou plošinu m = 0,45 kg (vše včetně předmětu manipulace) při využití lehkých slitin hliníku jako konstrukčního materialu.

Celý řetězec se skládá, jak je patrno z obr. 24 b) z pohonu připevněného na rám robotu, vetknuté vrchní hřídele na pohon, délkově proměnné hřídele schopné přenosu točivého momentu opatřené na obou stranách hoockeovými klouby, uložené spodní hřídele a efektoru. Délkově proměnná hřídel je orientována ve smyslu vektoru viditelném na obr. 24 a), v případě opačného uložení by moment setrvačnosti vzhledem k rámu robotu vzrostl o 0,143 kg.m².

29

Obr. 24 a- Řešení varianty B, b- detail orientačního ústrojí varianty B (1- rám robotu, 2- pohyblivá plošina, 3- Harmonic drive FHA-8C-30-D200-E, 4- přísavka ejektorem, 5- předmět manipulace, 6- hřídel spodní, 7- ložiskové pouzdro , 8- Hoockeův kloub, 9- délkově proměnná hřídel, 10- hřídel vrchní, 11- M3, 12- M5

3.1.1 Výběr vhodného koncepčního řešení

Volba vhodného koncepčního řešení byla provedena na základě následujících kritérií.

- složitost konstrukce

- moment setrvačnosti k rámu robotu - moment setrvačnosti k podélné ose - hmotnost zatěžující pohyblivou plošinu

Z důvodu rozdílné závažnosti kritérií na posuzování variant, je nutné určit jejich váhu.

Stanovení váhy kritérií bylo určeno subjektivním posouzením po konzultacích na katedře KSR a s pracovníky firmy NATE- marketing, a. s. Stanovení splnění každého kritéria pro vybranou variantu bylo provedeno rovněž, po konzultacích, subjektivním posouzením. Výsledkem rozhodovací analýzy mezi dvěma variantami konceptů podle uvedených kritérií bylo stanoveno následující pořadí v tab. 2 (Stupnice hodnotící splnění kritérií byla zvolena tak, že s klady pro mechanismus stoupá její bodové ohodnocení).

1. varianta řešení B 2. Varianta řešení A

30 Tab. 2 Výběr vhodného koncepčního řešení

3.2 Alternativy konstrukce přenosu točivého momentu

K vybrané variantě koncepčního řešení je třeba vybrat řešení, které by zajistilo přesný a bezpečný přenos výkonu od pohonu k pohyblivé plošině nosného robotu. Jedná se o návrhy konstrukcí a jejich vhodnou orientaci.

Alternativa A (délkově proměnná hřídel využívající tvarové vazby mezi hřídelemi)

Podstata návrhu zobrazeného na obr. 25 je ve využití tvarové vazby mezi dvěma hřídelemi, která zabraňuje jejich vzájemnému pootočení a dovoluje vzájemný posuv v axiálním směru. Tvarová vazba je realizována profilovou hřídelí (zde volen 6- hran), která se posuvně pohybuje ve vložce s otvorem tvaru negativu průřezu profilové hřídele, která je lepením vetknuta do trubky. Při vzájemném pohybu v axiálním směru dochází k tření mezi tvarovou hřídelí a stěnami otvoru vložky.

Je vhodné toto tření minimalizovat použitím vhodné kombinace materiálů. V této variantě je použito vložky z materiálu PTFE a tvarové hřídele z lehké hliníkové slitiny drsnosti Ra = 1μm, kde tyto části mají vzájemný součinitel tření ft = 0,09. Při volbě parametrů je třeba uvážit, zda nedojde ke vzpříčení vazby důsledkem přílišného namáhání na krut, které zamezuje snadnému kluzu v axiálním směru.

Obr. 25 a- Řešení alternativy A, b- detail délkově proměnné hřídele alternativy A (1- 6- ti hranná hřídel, 2- teflonová vložka, 3- kompozitní trubka, 4- redukce)

31 Alternativa B (délkově proměnná hřídel využívající kuličkového lineárního vedení)

Podstata návrhu na obr. 26 spočívá ve využití lineárního kuličkového vedení. Drážková hřídel a kuličková matice tvoří vazbu, která je schopná přenášet točivý moment a současně se díky nízkému pasivnímu odporu valivých těles matice navzájem s nízkým třením pohybovat v axiálním směru.

Kuličková matice je vetknuta do trubky a tvoří s ní druhý segment délkově proměnné hřídele.

Obr. 26 a- Řešení alternativy B, b- detail délkově proměnné hřídele alternativy B (1-drážková hřídel, 2- kuličková matice, 3- kompozitní trubka, 4- redukce)

Alternativa C (ohebná hřídel)

Ohebná hřídel tvoří na tomto místě variantu snížení počtu vzájemně se pohybujících součástí, aby byla minimalizována možnost poškození za provozu každé z nich. Ohebná hřídel svými vlastnostmi, tedy nízkou tuhostí v ohybu a vysokou v krutu, dovoluje nahradit Hoockeovy klouby a délkově proměnnou hřídel využívané při standardní konstrukci Kardanovy hřídele. Použití ohebné hřídele je omezeno dosažitelným minimálním poloměrem ohybu, kde při snižování poloměru ohybu od přímého stavu hřídele po maximální ohyb je snižována i hodnota dovoleného přenášeného točivého momentu, který v našem případě odpovídá M= 1,8 Nm. Dále s rostoucí délkou se snižuje dosahovaná úhlová přesnost výstupu. Konstrukce ohebné hřídele je znázorněna na obr. 27.

Na základě rešerše nebyla nalezena aplikace využívající ohebný hřídel pro vysoce dynamickou orientaci. Tato varianta je možná, ale nevhodná z důvodu složitého odhadu chování hřídele při zatížení a současném rychlém ohybu.

Obr. 27 Konstrukce ohebné hřídele [11]

32 3.2.1 Výběr vhodného řešení

Výběr vhodného řešení délkově proměnné hřídele byl proveden na základě následujících kritérií.

- složitost konstrukce - náročnost výměny

- spolehlivost

Z důvodu rozdílné závažnosti kritérií na posuzování variant, je nutné určit jejich váhu.

Stanovení váhy kritérií bylo určeno subjektivním posouzením po konzultacích na katedře KSR a s pracovníky firmy NATE- marketing, a. s. Stanovení splnění každého kritéria pro vybranou variantu bylo provedeno rovněž, po konzultacích, subjektivním posouzením. Výsledkem rozhodovací analýzy mezi dvěma variantami konceptů podle uvedených kritérií bylo stanoveno následující pořadí v tab. 3.

(Stupnice hodnotící splnění kritérií byla zvolena tak, že s klady pro mechanismus stoupá její bodové ohodnocení).

1. varianta řešení B 2. Varianta řešení A

3. Varianta řešení C

Tab. 3 Výběr vhodné délkově proměnné hřídele

Zvolená varianta je opatřena na obou koncích Hoockeovým kloubem pro spojení délkově proměnné hřídele s dalšími částmi mechanismu, které mají své osy otáčení vůči ní různoběžné.

Těžiště zvolené varianty se nachází vždy blíže těžišti drážkové hřídele, proto, jak již bylo zmíněno, je vhodné orientovat délkově proměnnou hřídel drážkovou hřídelí k rámu.

33 4 Konstrukční řešení

4.1 Konstrukční návrh upevnění pohonu a vrchní hřídele V kapitole 2.4 byl navržen pohon, který je umístěn, podle zvolené varianty B, na rámu robotu.

Pohon je připevněn čtyřmi šrouby M3, pro které jsou vytvořeny v rámu závitové otvory, jak je zobrazeno na obr. 28. V místě A je zobrazeno vystředění tolerované příruby pohonu k rámu.

K pohonu je připevněna vrchní hřídel, která umožňuje spojení s Hoockeovým kloubem a dále navazující délkově proměnnou hřídel. Hřídel je připevněna k přírubě pohonu šesticí šroubů M3 a zajištěna kolíkem Ø 4 mm. Vystředění hřídele je provedeno k tolerované přírubě pohonu. Na spodní straně je hřídel opatřena otvorem pro čep Hoockeova kloubu, jak je vidět na obr. 29.

Obr. 28 Upevnění pohonu a vrchní hřídele (1- Harmonic drive FHA-8C-30-D200-E, 2- rám robotu, 3- vrchní hřídel, 4- M3x20, 5- kolík 4x10, 6- M3x10)

Obr. 29 Konstrukční návrh vrchní hřídele

34 4.2 Konstrukční návrh spodní hřídele a její uložení

Pro upevnění efektoru a přenos točivého momentu od délkově proměnné hřídele, je třeba navrhnout hřídel a jeho uložení, které bude neseno pohyblivou plošinou robotu. Uložení spodní hřídele je na tomto místě voleno valivé.

Ložiskové pouzdro je připevněno šesticí šroubů M5, pro které byly vytvořeny závity v již připravených otvorech pohyblivé plošiny. Otvor pro pouzdro vytvořeno výrobcem je ponecháno bez úpravy. Na obr. 30 je zobrazeno upevnění ložiskového pouzdra k pohyblivé plošině, a efektoru pomocí čtveřice šroubů M3 k spodní hřídeli.

Na obr. 31 je zobrazeno ložiskové pouzdro navržené pro uložení dvojice radiálních kuličkových ložisek zachycující axiální sílu a moment, kterými je pouzdro namáháno při přemísťování předmětu manipulace. Jsou volena ložiska SKF 61900- 2RS1 s tuhým olejem a se zakrytou klecí. Pouzdro je středěno v otvoru pohyblivé plošiny. Vnitřní dutina je upravena pro umístění ložisek a opatřena drážkami pro pojistné kroužky.

Obr. 30 Uložení pouzdra a spodní hřídele (1- pohyblivá plošina, 2- ložiskové pouzdro, 3- spodní hřídel, 4- ejektor, 5- vidlice Hoock. Kloubu, 6- ložisko SKF 61900- 2RS1/w64, 7- kolík Hoock. Kloubu, 8- M5x8, 9- M3x8, 10- pojistný kroužek 22 ČSN 02 2931, 11- pojistný kroužek 10 ČSN 02 2930

Obr. 31 Ložiskové pouzdro

35 Na obr. 32 je spodní hřídel, která je na spodním konci opatřena přírubou se čtveřicí otvorů pro upevnění efektoru. Na vrchní straně je v hřídeli vytvořen otvor pro čep předcházejícího Hoockeova kloubu. Střední část obsahuje upravené plochy pro umístění ložisek a drážky pro pojistné kroužky.

Obr. 32 Spodní hřídel

4.3 Konstrukční návrh délkově proměnné hřídele

Pro přenos točivého momentu od pohonu na rámu k pohyblivé plošině byla rozhodovací analýzou zvolena alternativa B. Hřídel na obr. 33 sestává ze dvou Hoockeových kloubů (unca10_3_03, Misumi) souhlasně orientovaných, jak bylo popsáno v kapitole 2.5.1, drážkové hřídele délky Ldrážky= 510 mm s kuličkovou maticí (s označením basks10_510_2_03 od firmy Misumi), která je spojena kompozitní trubkou délky Ltrub= 600mm (23x21x600mm od firmy Carbonscout) s duralovou redukcí (AlCu4Mg).

Spojení kovových součástí s kompozitní trubkou je provedeno nanesením epoxidového lepidla do vytvořených drážek hloubky 0,2 mm, jak je znázorněno na obr. 33 v detailech A a B.

Obr. 33 Konstrukční návrh délkově proměnné hřídele 1- kuličková matice, 2- drážková hřídel,

3- kompozitní trubka, 4- redukce, 5- Hoockeův kloub č. 10, 6- otvor pro mazání, 7- otvor pro vstříknutí lepidla

36 Obr. 35 Paralelní robot s orientačním ústrojím v krajních polohách 1- orientační ústrojí,

2- nosný robot

Mezní délky hřídele se odvíjejí od krajních dosažitelných poloh nosného robota. Délka hřídele je uvažována mezi osami čepů kříže Hoockeových kloubů. Pro minimální délku Lmin platí rozdíl mezi minimální dosažitelnou vzdáleností Gmin a pevnými rozměry p+k. Maximální délka Lmax je rovna úhlopříčce obdélníku o stranách poloměru pracovního prostoru robata R a maximální dosažitelnou vzdálenosti Gmax zmenšenou o pevné rozměry p+k, viz obr. 35 .

 

 

min min

2 2

min max

864 213 651

233289 904401 1067

L G p k mm

L R G p k mm

     

       

Pro délku kompozitní trubky Ltrub platí rozdíl mezi Lmin a pevnými rozměry Hookových kloubů LHook + redukce Lred = 3mm + vůle VZ = 6 mm v zataženém stavu mezi kompozitní trubkou a Hoockeovým kloubem. Vůli v zataženém stavu znázorňuje detail A na obr. 35.

Délka drážkové hřídele Ldrazky odpovídá Lmax bez 2.LHook , Lred , Ltrub a s přičtením délky hřídele v Hoockeově kloubu Lc , délky dvou kuličkových matic 2.Lm a vůle ve vytaženém stavu Vv = 10 mm.

37 Vůli ve vytaženém stavu znázorňuje detail B na obr. 35. Užití dvojice kuličkových matic je z důvodu snížení účinků v důsledku namáhání ohybovým momentem v posuvném spoji.

   

 

min

max

2. 651 2.21 3 6 600

2. 2. 1067 645 12 66 10 510

trub Hook red Z

drazky Hook red trub c m v

L L L L V mm

L L L L L L L V mm

        

            

Při lepení délkově proměnné hřídele je třeba dodržet následující postup, který je zobrazen na obr. 34. Obr. 34 a) zobrazuje hřídel před lepením, i) po lepení.

1- Nanesení lepidla do drážky první kuličkové matice na obr. 34 b)

2- Vložení první kuličkové matice do kompozitní trubky a souhlasné natočení otvoru v trubce a otvoru pro mazání matice zobrazeno na obr. 34 c).

3- Vyčištění vnitřku trubice od zbytků lepidla

4- Nanesení lepidla na druhou kuličkovou matici, vložení do kompozitní trubky tak, aby matice na sebe doléhali. Obr. 34 d).

5- Vsunout na volný konec kompozitní trubky redukci a natočit dle obrázku, tak aby vyznačené roviny drážkové hřídele a redukce byly rovnoběžné. Obr. 34 e).

6- Nyní je třeba vyvrtat skrz kompozitní trubku a redukci otvor pro čep, aniž by se součásti vzájemně pohnuly. Obr. 34 f).

7- Do vyvrtaného otvoru je vsunut kolík Ø2,5x24-A, bránící pootočení během lepení redukce. Obr. 34 g).

8- Vstříknutí lepidla připraveným otvorem v kompozitní trubce. Obr. 34 h).

a) b)

c) d)

1

2

3 4

38 Obr. 34 Lepení délkově proměnné hřídele

4.4 Konstrukční návrh efektoru (výpočet potřebné uchopovací síly a výběr)

Hmotnost objektu manipulace: m = 47 g (reálná), uvažujeme: m = 50 g

Moment setrvačnosti objektu manipulace: Jpm = 6,1.10^-5 kg.m²

Gravitační zrychlení: g = 9,81 m.s^-2

Maximální zrychlení pohyblivé plošiny: ax = ay = a = 35 m.s^-2 Odhadovaný koeficient tření mezi přísavkou a předmětem manipulace: ft = 0,5

Maximální úhlové zrychlení orientačního ústrojí: ε = 251 rad.s^-2 (vypočteno z použití vybraného pohonu

1

2. . .60

n t

   )

Pro návrh přísavky je nutné znát síly, které je třeba zachytit pro bezpečné uchopení a manipulaci s přenášeným předmětem. Těmito zatěžujícími silami, jak bylo rozebráno v kapitole 2.7, jsou síly působící v axiálním směru Fax (tedy síly způsobující eventuální odtržení), síly radiální způsobující posun přísavky po předmětu manipulace Frad a uvažovanou sílu FM od momentu MT

způsobující případné otočení při orientaci předmětu (tedy síla na rameni činného poloměru přísavky).

V extrémním případě je možné, že všechny tyto síly působí na přísavku společně a tedy je nutné zachytit s dostatečnou bezpečností všechny dohromady. Bezpečnost pro posuv je volena k´= 5 a pro odtržení k´´= 3 a tedy pro bezpečné uchopení je nutné vyvinout uchopovací sílu FU.

e) f)

g) h)

i) 5

6

7 8

39 ( ) 2, 24

ax y

F m ga  N . 1, 75

rad x

F m a  N

3 3

15,3.10

1, 22 12,5.10

T M

F M N

r



   

, M_T 

 .

251.6,1.10

13,3.10

,

1

r

2

zvoleno

d 

25

´

´´ 5.5,94 3.2, 24 36, 42

U ax

t t

F F

F k k F N

f f

 

      

 

Dále je třeba zkontrolovat zda minimální činný průměr přísavky dmin nepřevyšuje zvolený průměr d.

Použití přísavky je uvažováno za předpokládaného podtlaku z ejektoru p75kPa(tlak zdroje tlakového vzduchu je p = 0,7 MPa).

min

.4 24,9 .

FU

d mm

p

 



dmin d , 24,9mm25mm podmínka je splněna

Byla zvolena sestava firmy Piab VGS2010.AN.00.DB na obr.36 s přísavkou BX25P a ejektorem COAX® cartridge MICRO Ti05-2.

Obr. 36 Sestava efektoru firmy Piab VGS2010.AN.00.DB. 1- ejektor COAX® cartridge MICRO Ti05-2, 2- přísavka BX25P, 3- ukotvení pro 4 X M3 [10]

40 5 Zhodnocení přínosu

Dle zadání byl vytvořen návrh konstrukčního řešení orientačního ústrojí neseného paralelním kinematickým řetězcem, jehož úlohou je orientovat předmět manipulace kolem jedné osy. Jako příklad předmětu manipulace byla zvolena Tatranka Opavia s hmotností m= 47 g.

Navržené orientační ústrojí o jednom stupni volnosti bylo navrženo tak, aby splnilo požadavky, které jsou předpokládány aplikacemi vysoce dynamických úkolů. Zde byl dosažen moment setrvačnosti k rámu robotu J = 0,41 kg.m² a moment setrvačnosti k podélné ose orientačního ústrojí Jo = 9,87.10^-5 kg.m². Bylo třeba dosáhnout nízké hmotnosti orientačního ústrojí přímo zatěžující pohyblivou platformu, která činí m= 450g (včetně předmětu manipulace), pro udržení vysoké dynamiky zatěžovaného robotu, jehož pracovní cyklus je charakterizován periodou, při tomto zatížení, tc = 0,5 s.

Orientační ústrojí bylo navrženo tak, aby nevyžadovalo častou kontrolu a údržbu. V uzlech s nejvyšším předpokládaným opotřebením jsou použity značně předimenzovány Hoockeovy klouby, bezúdržbová ložiska s tuhým olejem a zakrytou klecí. Částmi, které je třeba kontrolovat, případně mazat, jsou kuličkové matice vlepeny v kompozitní trubce.