Koncové efektory robotů pro uchopování objektů z různých materiálů
Bakalářská práce
Studijní program: B2301 – Strojní inženýrství Studijní obor: 2301R000 – Strojní inženýrství Autor práce: David Jaroš
Vedoucí práce: doc. Ing. František Novotný, CSc.
Liberec 2018
Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vzta- huje 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 pří- padě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vyna- ložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím mé bakalářské práce a konzultantem.
Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.
Datum:
Podpis:
Koncové efektory robotů pro uchopování objektů z různých materiálů
Anotace
Práce předkládá přehled mechanických chapadel robotů s akcentem na strukturu a stabilitu uchopení a hodnotí deformační vlastnosti kontaktních vazeb. Dále analyzuje podmínky vhodnosti chapadel pro základní tvary objektů a předkládá globální výpočty úchopných sil složitějších tvarů typu rotační kužel a rotační kvadrika. Je předložen koncepční návrh a konstrukční řešení chapadla pro přesné uchopení kužele, rotačního paraboloidu a jednodílného hyperboloidu. Nakonec je provedeno experimentální hodnocení tuhosti a přesnosti uchopení a jsou zformulovány možnosti využití poznatků práce pro využití v praxi.
Klíčová slova
Robotické uchopování, uchopování válce, uchopování kužele, tříprsté uchopení, tuhost uchopení, koncový efektor, uchopování kvadrik
Robot end effectors for gripping objects from different materials
Annotation
This bachelor thesis submits an overview of mechanical robot tentacles with emphasis on the structure and stability of a grip and evaluates deforming attributes of constant detentions.
Furthermore, it analyses conditions of suitability in using tentacles for elementary shapes of objects and submits global calculations of gripping force used in connection with more complex object types such as rotating cone and rotary quadrature. A conceptual design and structural solution of the tentacle for accurately gripping of the cone, rotational paraboloid and one-pieced hyperboloid are also submitted with this thesis. Eventually, an experimental evaluation of rigidity and precision in gripping is performed and possible utilization of the findings in practice is formulated.
Keywords
Robot gripping, cylinder grip, cone grip, three-finger grasping, stiffness of grip, grasping, end effector, gripping quadrics
Poděkování
Rád bych poděkoval vedoucímu bakalářské práce doc. Ing. Františku Novotnému CSc. za odborné vedení práce a za množství cenných rad, velikou trpělivost, a hlavně za čas, který věnoval mně a mé práci.
Rovněž bych chtěl poděkovat Ing. Marii Staré Ph.D. za pomoc při realizaci experimentálního zařízení a vedení při provádění experimentu. A také bych rád poděkoval dalším pracovníkům KSR za rady a poskytnutí zázemí pro provedení praktické části bakalářské práce.
Chtěl bych rovněž poděkovat rodině a svým blízkým za celkovou podporu při mém dosavadním studiu.
8
Obsah
Seznam použitých zkratek a značek ... 9
Úvod ... 9
1. Přehled mechanických chapadel robotů ... 11
1.1 Rešerše koncových efektorů robotů ... 11
1.1.1 Rozdělení podle používaného pohonu ... 11
1.1.2 Rozdělení podle způsobu uchopovaní objektu ... 11
1.2 Proces, charakteristika a principy uchopení ... 18
1.3 Přehled transformačních bloků mechanických chapadel ... 18
1.4 Struktura a stabilita uchopení ... 20
1.5 Deformační vlastnosti kontaktních vazeb ... 21
2. Analýza vhodnosti chapadel pro základní tvary objektů ... 22
2.1 Uchopování prizmatického objektu – typ hranol ... 22
2.2 Uchopování prizmatického objektu – typ válec ... 24
2.2.1 Výpočet tříbodového uchopení ... 25
2.3 Uchopování neprizmatického objektu – typ kužel ... 26
2.3.1 Uchopování pomocí jednoho chapadla ... 26
2.3.2 Uchopování pomocí dvou chapadel ... 28
2.4 Uchopování neprizmatického objektu – typ kvadrika ... 35
2.5 Shrnutí analýzy a formulace požadavků na konstrukci chapadla ... 37
3. Návrh a konstrukční řešení chapadla pro objekty typu rotační kvadriky ... 38
3.1 Konstrukční řešení chapadla pro přesné uchopení kužele ... 38
3.2 Využití chapadla pro válec, rotační paraboloid a rotační hyperboloid ... 44
4. Experimentální hodnocení tuhosti a přesnosti uchopení ... 47
4.1 Návrh experimentálního pracoviště ... 47
4.2 Přehled výsledků experimentů a jejich zhodnocení ... 49
4.3 Shrnutí dosažených výsledků a závěry pro využití v praxi ... 52
5. Zhodnocení přínosu bakalářské práce ... 54
Závěr ... 56
Seznam použité literatury ... 57
Seznam příloh ... 61
9
Seznam použitých zkratek a značek
Zkratka Význam
f Koeficient tření
Ftech Technologická síla [N]
FU Úchopná síla [N]
FUP Úchopná síla na jeden prst [N]
Fz Zátěžná síla [N]
g Tíhové zrychlení [m/s2]
h Koeficient bezpečnosti
k Tuhost uchopení [N/mm]
KSR Katedra sklářských strojů a robotiky
m Hmotnost [kg]
N Normálová síla [N]
T Třecí síla [N]
ÚP Úchopný prvek
α Poloviční úhel vybrání čelisti [°]
β Úhel zkosení kuželu [°]
Δl Změna délky [mm]
ϕ Třecí úhel [°]
p Tlak [bar]
3D Trojrozměrný
10
Úvod
Předkládaná práce se skládá z pěti hlavních částí. První část je rešeršní, na ní navazuje část zabývající se analýzou vhodnosti chapadel pro uchopování, konstrukční řešení, experimentální část a poslední část zabývající se zhodnocením celé bakalářské práce.
Rešeršní část této práce se snaží o rozdělení uchopovacích chapadel podle druhu používaného pohonu a principu, na kterém chapadla fungují. Dále přináší přehled nejčastěji užívaných chapadel.
Druhá část se zabývá analýzou vhodnosti chapadel pro základní tvary uchopovaných objektů – hranol, válec, kužel a rotační parabolické plochy – paraboloid a jednodílný hyperboloid.
Cílem třetí části je návrh a realizace vhodného konstrukčního řešení pro uchopování rotačních objektů, které vychází z předchozí analýzy. Následuje prezentace využití pro různé rotační objekty.
Čtvrtá, experimentální část pojednává o návrhu experimentálního pracoviště a následuje shrnutí principu prováděného experimentu a jeho provedení. Dále jsou prezentovány naměřené výsledky číselnou i grafickou formou.
Poslední část práce shrnuje přínosy bakalářské práce a zhodnocuje další možnosti využití navrženého chapadla pro uchopování rotačních objektů.
11
1. Přehled mechanických chapadel robotů
1.1 Rešerše koncových efektorů robotů
Konstrukce uchopovacích prvků chapadla musí zajistit bezpečné a spolehlivé uchopení.
V minulosti bylo představeno velké množství principů uchopení, některé jsou inspirovány lidskými prsty, jiné zvířecími čelistmi, další jsou založené na fyzikálních principech. Některé principy lze aplikovat pouze na speciální roboty pro jemnou práci, některé z nich se v poslední době rozšiřují i do dalších oborů [1].
1.1.1 Rozdělení podle používaného pohonu
Uchopovací hlavice mohou mít pohon a ovládaní založené na různých principech – elektrické, pneumatické nebo hydraulické. Existují i speciální případy, např. piezoelektrické nebo tepelné. Protože princip uchopování je většinou založen na působení síly na objekt, může docházet k jeho deformaci. Z tohoto důvodu je potřeba přesné ovládání síly, popřípadě zvolit jiný lepší princip uchopení [2].
Z tohoto hlediska můžeme robotická chapadla rozdělit do třech základních skupin podle druhu používaného pohonu.
- Chapadla na elektrický pohon – řízení síly a rychlosti uchopení je u elektrických robotických chapadel jednoduché, rychlé a přesné. Hlavní výhodou je to, že systém neobsahuje žádné další médium. Mechanické vlastnosti uchopení jsou téměř totožné s vlastnostmi chapadel s pneumatickým pohonem, jenom jejich cena je v porovnání s pneumatickými chapadly mnohem vyšší [3].
- Chapadla na pneumatický pohon – patří mezi nejvíce využívané typy robotických chapadel, a to hlavně díky nízké ceně. Jejich hlavní nevýhoda spočívá v obtížnosti řízení síly a rychlosti sevření [3].
- Chapadla na hydraulický pohon – jsou využívána jen ve speciálních případech z důvodu dlouhé reakční doby uchopení a potřeby náročné údržby. Hydraulická chapadla dokážou vyvinout velkou uchopovací sílu a lze je využít i pro uchopování velkých a těžkých objektů [3].
1.1.2 Rozdělení podle způsobu uchopovaní objektu
V současné době existuje spousta robotických chapadel založená na rozličných principech uchopování. Některé jsou založené na silových, mechanických, magnetických, elektrostatických či jiných principech.
12
Mechanická chapadla jsou používána nejvíce, tato chapadla jsou založena na tlakové uchopovací síle a na tření. Rozlišujeme silové a tvarové uchopení (obr. 1). Konce prstů chapadel mají obvykle negativní tvar uchopovaného objektu nebo takový tvar, jenž umožňuje pevné, vycentrované a přesné uchopení. Prsty chapadla bývají většinou opatřeny plastovou nebo pryžovou vložkou, která zajišťuje lepší tření a přesnější uchopení [4].
Další způsoby uchopování jsou založeny na působení magnetických sil nebo na principu podtlaku – tzv. vakuová chapadla. Jehlová chapadla jsou uzpůsobena pro uchopování textilií a pórovitých materiálů.
Elektrostatická chapadla jsou založena na rozdílném elektrickém náboji mezi chapadlem a uchopovanou součástí, zatímco chapadla založená na van der Waalsových silách jsou založena na malých elektrostatických silách působících mezi molekulami chapadla a uchopovaného předmětu [5].
Kryogenní chapadla fungují tak, že zmrazí malé množství kapaliny, a tím je dosaženo uchopovací síly, která je potřeba k udržení uchopovaného předmětu [6]. Další způsoby uchopování jsou založeny na ultrazvukových vlnách, které jsou schopny přesunovat objekty v kapalném médiu, a na uchopování pomocí laseru [5].
Chapadla založená na Bernoulliho principu využívají proudění vzduchu mezi chapadlem a uchopovanou součástí k upnutí bez vzájemného kontaktu chapadla a uchopovaného objektu. Adhezivní chapadla nebo také kapilární chapadla používají princip povrchového napětí mezi chapadlem a uchopovanou součástí [5].
Obr. 1 Principy uchopení [2]
13
Většina principů uchopování (obr. 1) se využívá pouze pro velmi specifické uchopování objektu. Druhy chapadel, která jsou nejvíce využívána v praxi se dají rozdělit do několika skupin:
- Dvoučelisťová paralelní chapadla – jsou chapadla s dvěma úchopnými prvky, které konají lineární přímočarý pohyb. Tato chapadla jsou nejvíce využívána v technické praxi díky své široké aplikaci a variabilitě. Při vhodné volbě úchopných prvků jsou využitelné pro většinu aplikací.
Obr. 2 Příklad dvoučelisťového paralelního pneumatického chapadla od firmy Schunk [7]
Obr. 3 Příklad dvoučelisťového paralelního elektrického chapadla od firmy Schunk [8]
- Dvoučelisťová angulární chapadla – jsou chapadla která mají dva uchopovací prvky konající pohyb po kružnici. Speciálním druhem angulárních chapadel je chapadlo radiální, které má schopnost rozevření čelistí do úhlu o velikosti 180°. Tato chapadla jsou využívána v případech, kdy je omezený prostor pro rozevření paralelního chapadla nebo v případě uchopování objektů větších a proměnlivých rozměrů [9].
Obr. 4 Příklady dvoučelisťových
angulárních chapadel od firmy Festo [10]
Obr. 5 Příklad dvoučelisťových angulárních chapadel od firmy SMC [11]
14
- Centrická chapadla – využívají tři nebo více úchopných prvků, které jsou symetricky rozmístěny po obvodu chapadla. Objekt bývá uchopován většinou pomocí chapadla s lineárním pohybem, ale jsou i chapadla která využívají angulární pohyb čelistí.
Obr. 6 Příklad centrického chapadla od firmy Schunk [12]
Obr. 7 Příklad centrického chapadla od firmy Festo [13]
- Adaptivní chapadla – jsou taková chapadla, které mají schopnost se přizpůsobovat tvaru a velikosti uchopovaného objektu.
Obr. 8 Tříprsté adaptivní chapadlo od firmy Robotiq [14]
15
Obr. 9 Dvouprsté adaptivní chapadlo od firmy Robotiq – různé možnosti adaptivity [15]
- Antropomorfní chapadla – jsou chapadla svým tvarem připomínající lidskou ruku, kterou jsou inspirovány. Jednotlivé prsty antropomorfního chapadla se mohou pohybovat nezávisle na sobě a mají více stupňů volnosti. Díky tomu je antropomorfní chapadlo mnohem univerzálnější a obratnější oproti běžně používaným chapadlům.
I přes vysokou pořizovací cenu a velkou náročnost řízení nacházejí antropomorfní chapadla čím dál větší uplatnění v praxi, a to hlavně v oborech nesouvisejících se strojírenstvím a při různých netradičních manipulacích s objektem, jako je manipulace pod vodou nebo ve vesmíru.
[3], [16], [17]
Obr. 10 Antropomorfní chapadlo od firmy Schunk [18]
16
- Kolaborativní chapadla – jsou inovativní druh chapadel, která jsou speciálně vyvinuta pro spolupráci robota s člověkem. Tento druh chapadel musí splňovat normu DIN EN ISO 10218 – Bezpečnostní požadavky pro průmyslové roboty. Tato chapadla jsou osazena výkonným softwarem, který zajištuje komunikaci robota s člověkem a současně zpracovává vnější faktory. V případě, že dojde ke kontaktu s člověkem, je omezena uchopovací síla, a tím se předchází úrazu [19], [20].
Obr. 11 Ukázka Kolaborativního chapadla Co-act JL1 od firmy Schunk [19], [20]
- Úchopné hlavice pro textilie a pórovité hmoty – tato chapadla jsou založena na vnikání jehel do uchopovaného objektu a k uchopení dojde díky „zaháknutí“ jehel za materiál. [30].
Obr. 12 Ukázka úchopné hlavice ST od firmy Sommer [21]
Obr. 13 Ukázka úchopné hlavice SCH od firmy Sommer [22]
17
- Magnetická chapadla – jsou chapadla která uchopují objekt za využití magnetických sil. Díky tomu je jejich využití velmi omezené na uchopování pouze objektů z feromagnetických látek. Magnetická chapadla využívají dva druhy magnetu. První možnost je využití permanentního magnetu, u kterého dochází k problémům s uvolňováním uchopeného objektu. Uvolnění bývá provedeno strhnutím pomocí síly působící kolmo na uchopený objekt. Druhá možnost je využití elektromagnetu [23].
Obr. 14 Ukázka magnetického chapadla od firmy Goudsmit [24]
Obr. 15 Ukázka magnetického chapadla od firmy Schunk [25]
- Vakuová chapadla – se nejčastěji využívají pro uchopování rozměrných plochých objektů jakými jsou plechy, skla a části karoserií. Rozlišujeme dva druhy vakuových chapadel. Pasivní vakuová chapadla využívají přísavky, které si vytvářejí podtlak samy, nebo aktivní přísavky, které musejí být opatřeny vývěvou zajišťující vznik podtlaku [24].
Obr. 16 Ukázka vakuového chapadla od
firmy Schunk [26]
Obr. 17 Ukázka vakuového chapadla od firmy Festo [27]
18
1.2 Proces, charakteristika a principy uchopení
Princip mechanického uchopení je člověku dobře znám. Až z hlediska robotického uchopení a automatizace tohoto procesu vznikají problémy. Konstrukce chapadla je ovlivněna hlavně tvarem a vlastnostmi povrchu uchopovaného předmětu, ale mezi další důležité faktory také patří např. požadavky na využití, následná manipulace a požadovaná orientace předmětu.
Dalšími nezanedbatelnými podmínkami jsou požadavky na uchopovací síly, akceleraci a přesnost chapadla [28].
Zjednodušeně se dá princip uchopování popsat následovně (obr. 18):
Najetí – chapadlo se přiblíží k objektu v místě a rovině uchopení Uchopení – dochází ke kontaktu chapadla a uchopovaného předmětu
Zvyšování síly – na objekt je pomocí chapadla vyvíjena síla tak, aby došlo k pevnému uchopení předmětu do té doby, než se uchopovaný předmět přestane pohybovat nezávisle na chapadle Přesunutí předmětu
Uvolnění objektu – uchopovací síla je uvolněna
Monitorování – snímání uchopovací síly, točivého momentu a měření pomocí dalších kontaktních čidel. Občas bývají používané snímače celého procesu [29].
Obr. 18 Typické fáze procesu uchopení [29]
1.3 Přehled transformačních bloků mechanických chapadel
Pod pojmem transformační blok si představíme mechanický převod, který se vyskytuje v aktivních úchopných hlavicích.
19
Pro správnou volbu transformačního bloku je potřeba znát dva parametry. První parametr je druh pohybu přicházející z motoru. Tento pohyb může být rotační nebo translační.
Další parametr je druh pohybu úchopných prvků. V případě, že známe oba tyto parametry, můžeme navrhnout odpovídající transformační blok [30]. Transformační blok může být pákový, ozubený, vačkový, šablonový, nebo šroubový. Ve spojení s motorem umožňuje měnit druh a smysl pohybu, dále změnu úchopné síly a rychlost pohybu. Také má buď konstantní, nebo variabilní převod [31].
Z hlediska kvality a stability uchopení je transformační blok (tab. 1) velice důležitý. Při uchopování předmětu pomocí posuvných úchopných prvků může dojít k chybě ve vycentrování uchopení z důvodu špatného seřízení čelistí chapadla, nepřesnosti úchopných prvků nebo nepřesnosti tvaru uchopovaného objektu. Při uchopování předmětu rotačními uchopovacími prvky dojde k lepšímu vycentrování, a tudíž i k přesnějšímu uchopení.
V současné době převažuje využívání pneumatických pohonů, ale dochází k trendu nahrazování pneumatických pohonů pohony elektrickými, které mají větší citlivost a lepší přesnost ovládání.
Tab. 1 Druhy využívaných transformačních bloků [17]
Motor Úchopné prvky Transformační pohyb
Pneumatické pohony
Posuvný Posuvné
Posuvný Rotační
Převážně elektrické pohony Rotační Posuvný
Rotační Rotační
20
1.4 Struktura a stabilita uchopení
Podle charakteru uchopení rozlišujeme uchopení tvarové, silové a kombinované.
Nejčastěji využívané uchopení je však uchopení kombinované.
Stabilita uchopení je závislá na spoustě různých faktorů. První důležitý faktor, který ovlivňuje stabilitu uchopení, je způsob uchopení. V tomto ohledu rozlišujeme vnější a vnitřní uchopení.
Další ovlivňující faktor je poloha těžiště oproti rovině uchopení. Rozlišujeme uchopení symetrické, kde jsou body kontaktu rozmístěny symetricky oproti rovině procházející těžištěm, a uchopení nesymetrické, kde těžiště leží mimo rovinu uchopení.
Důležitý faktor, který ovlivňuje stabilitu uchopení je počet rovin uchopení. Nejčastěji se používá jedna nebo dvě roviny uchopení [30].
Zvolení vhodného rozložení kontaktních bodů je jedna z nejdůležitějších vlastností pro stabilní tuhé uchopení objektu. Stabilita uchopení při tuhém uchopení je ovlivněna rozmístěním a počtem kontaktních bodů. „Uchopení je stabilní tehdy, pokud má mnohostěn vzniklý spojením kontaktních bodů stálý tvar – poloha bodů se během manipulace nemění“
[30].
Při zjišťování stability uchopení je nutné respektovat rovnici statické určitosti uchopení ve tvaru
𝑚 + 𝑘 = 7 (1)
kde m je počet tvarových kontaktů a k je počet souřadnic, podél kterých je držení zajištěno jen třením [32].
Díky této podmínce je možné rozdělit uchopení na čtyři základní struktury uchopení:
plocha / plocha plocha / čára plocha / bod
plocha / zdvojená čára
Důležitá podmínka ovlivňující přesnost uchopení je zajištění souososti osy chapadla se šestou osou robota. Přesnost uchopení je také ovlivněna správným seřízením transformačních bloků a přesností výroby úchopných prvků.
21
Úchopné prvky jsou nejčastěji řešeny jako výměnné součásti. Rozložení kontaktních bodů je ovlivněno konstrukčním návrhem uložení, přesností výroby, dodržením konstrukčních tolerancí a tuhosti chapadla [31].
1.5 Deformační vlastnosti kontaktních vazeb
Při uchopování dochází ke styku dvou objektů – uchopovacích prvků a uchopovaného předmětu. Tyto dva objekty mohou být z materiálů se stejnými, ale i různými vlastnostmi.
Podle tohoto kritéria můžeme popsat čtyři základní způsoby uchopení.
- Tuhotuhé uchopení – materiál povrchu chapadla i objektu je tuhý a nedochází k deformacím. Při tomto uchopení dochází při opakovaném uchopování stále ke stejně vystředěnému a přesnému uchopení z důvodu nulových deformací. Přesnost uchopení ale bývá nepříznivě ovlivněna výrobní nepřesností uchopovaného předmětu i úchopných prvků. Další nevýhodou tohoto uchopení je to, že může docházet k poškození povrchu uchopovaného objektu, nejčastěji poškrábáním při styku kovu s kovem.
- Tuhopoddajné uchopení – materiál povrchu chapadla je tuhý a povrch uchopovaného objektu je z poddajného materiálu. Při tomto typu uchopení je potřeba kontrolovat uchopovací sílu, aby nedošlo k překročení pružné deformace nebo k poničení povrchu vznikem otlačených ploch. Při opakovaném uchopování tohoto typu dochází k nepřesnosti a chybě vycentrování z důvodu rozdílných deformací uchopovaného předmětu.
- Poddajnětuhé uchopení – materiál povrchu chapadla je poddajný a objekt je z tuhého materiálu. Toto uchopení z části kompenzuje výrobní nepřesnosti a také zabraňuje poškození povrchu uchopovaného objektu díky poddajné elastické vrstvě na prstech chapadla. Zároveň díky této poddajné vrstvě dochází ke snížení tření mezi povrchy chapadla a uchopovaného objektu, a tím je dosaženo kvalitnějšího uchopení.
- Poddajněpoddajné uchopení – materiál povrchu chapadla i objektu je z poddajného materiálu, dochází k největším deformacím. Při tomto uchopení dochází k největším nepřesnostem uchopení z důvodu velké deformace obou objektů. Tyto deformace se mohou lišit u jednotlivých dílů, a proto dochází i k nepřesnosti uchopení a vycentrování.
22
2. Analýza vhodnosti chapadel pro základní tvary objektů
Při uchopování různých jednoduchých tvarů máme na výběr z velkého množství různých variant úchopných prvků. Při uchopování a manipulaci s objekty požadujeme, aby byla dosažena stabilita a tuhost uchopení objektu.
2.1 Uchopování prizmatického objektu – typ hranol a) Silové uchopení
Při silovém uchopení finitního materiálu dojde ke stabilnímu uchopení pouze v případě, že síla působící na objekt přesáhne třecí síly. K dotyku mezi chapadlem a uchopovaným objektem dojde v ideálním případě po celé ploše chapadla. Směry, ve kterých se může uchopovaný objekt pohybovat, jsou znázorněny na Obr. 19. V případě uchopování objektu z reologického materiálu při působení konstantních sil bude toto uchopení fungovat pouze v případě rychlé manipulace s objektem. Při delší manipulaci bude docházet k relaxaci materiálu, a tím uvolnění uchopení. Možnost, jak předcházet uvolnění objektu při relaxaci materiálu, je zvyšováním úchopné síly.
Uchopení má čtyři tvarové kontakty a tři souřadnice, podél kterých je držení zajištěné pouze třením.
Obr. 19 Model silového uchopení se znázorněnými směry možného pohybu – m = 4, k = 3
b) Tvarové uchopení
Při tvarovém uchopení finitního materiálu v případě, že přesáhne úchopná síly třecí sílu, dojde k vycentrovanému uchopení ve dvou směrech a pouze v jednom směru se může objekt pohybovat, viz Obr. 20. Tvarové upínací prvky mají tvar negativu uchopovaného objektu. V případě uchopování objektu z reologického materiálu při
23
působení konstantních sil bude podobně jako u silového uchopené docházet k relaxaci materiálu.
Toto uchopení je zajištěno šesti tvarovými kontakty a obsahuje pouze jednu souřadnici podél které je držení zajištěno třením.
Obr. 20 Model tvarového uchopení se znázorněným směrem možného pohybu – m = 6, k = 1
c) Uchopování obecného prizmatu
Při uchopování obecného prizmatu se nejčastěji používají speciální chapadla, která mají schopnost přizpůsobit tvar úchopných prvků uchopovanému objektu (obr. 21).
Vlastnímu uchopení prizmatického objektu předchází vytvarování úchopných prvků do požadovaného tvaru a jejich zajištění proti vychýlení.
Obr. 21 Způsob uchopení objektu ve tvaru obecného prizmatu pomocí speciálního chapadla [4]
V současné době se často aplikují speciálně tvarované prsty vyrobené technologií 3D tisku, chapadlo tohoto typu je v dvouprstém a tříprstém provedení ukázáno na obr. 22.
24
a) b)
Obr. 22 Chapadlo se speciálně tvarovanými prsty: a – dvouprsté; b – tříprsté [33]
2.2 Uchopování prizmatického objektu – typ válec a) Dvoubodové uchopení
Při uchopování válcovitého objektu pomocí netvarových úchopných prvků dojde ke kontaktu mezi uchopovacími prvky a objektem pouze ve dvou přímkách a stability objektu je dosaženo pouze v jednom směru, ale objekt se může pohybovat ve třech směrech (obr. 23). V případě uchopování objektu z reologického materiálu při působení konstantních sil bude docházet k relaxaci materiálu, a tím se bude uvolňovat uchopení.
Dvoubodové uchopení válce zajištuje tři tvarové kontakty a ve čtyřech souřadnicích je držení zajištěno pouze třením.
Obr. 23 Model dvoubodového uchopení válce se znázorněným směrem možného pohybu – m = 3, k = 4
25 b) Tříbodové uchopení
Při uchopování válcovitého objektu pomocí dvoučelisťového paralelního chapadla s využitím jednoho tvarového a jednoho netvarového uchopovacího prvku dojde ke kontaktu mezi uchopovacími prvky a objektem ve třech přímkách. Stability objektu je dosaženo ve dvou směrech, ale objekt se může pohybovat ve dvou dalších směrech (obr. 24). Toto uchopení zajišťuje menší chybu středění než uchopení ve dvou bodech.
V případě uchopování objektu z reologického materiálu při působení konstantních sil bude docházet stejně jako v předchozích případech k relaxaci materiálu. Tříbodové uchopení má pět tvarových kontaktů a dvě souřadnice, podél kterých je držení zajištěno pouze třením.
Obr. 24 Model tříbodového uchopení válce se znázorněným směrem možného pohybu – m = 5, k =2
Tříbodové uchopení by také šlo řešit využitím centrického chapadla se třemi úchopnými prvky stejného tvaru. Eliminace chyby středění lze dosáhnout upravením uchopovacích prvků na zakřivené profily buď pomocí čtyřbodového, nebo tříbodového uchopení.
2.2.1 Výpočet tříbodového uchopení
Obr. 25 Silové schéma tříbodového uchopení [10]
26
Síla F – gravitační síla působící na uchopený objekt
𝐹 = 𝑚. 𝑔 (2)
Třecí síly
𝑇1+ 𝑇2+ 𝑇3 = 𝐹 (3)
Normálové síly
𝑁1 = 𝑁3 = 𝑁2
2.sin 𝛼 (4)
Rovnováha normálových sil
(2. 𝑁1+ 𝑁2). 𝑓 = 𝑚𝑔ℎ (5)
h – bezpečnost
Při zavedení bezpečnosti vypočítaná síla odpovídá úchopné síle při bezpečnosti k, na rozdíl od vypočítané síly bez zavedení bezpečnosti, která odpovídá mezní úchopné síle.
Dosazení ( 𝑁2
sin 𝛼+ 𝑁2) . 𝑓 = 𝑚𝑔ℎ (6)
Úchopná síla 𝐹𝑈 =𝑚𝑔ℎ
𝑓 . sin 𝛼
1+sin 𝛼 (7)
2.3 Uchopování neprizmatického objektu – typ kužel
Při uchopování objektu ve tvaru komolého kuželu je potřeba určit, jak bude objekt orientován. Při uchopování komolého kuželu orientovaného větší podstavou dolu bude potřeba zajistit dostatečnou úchopnou sílu a tření, aby nedocházelo k uvolňování kužele ze sevření. Při uchopování komolého kužele orientovaného menší podstavou dole bude potřeba zajistit úchopnou sílu takové velikosti, aby nedocházelo k vysouvání komolého kužele směrem nahoru.
2.3.1 Uchopení pomocí jednoho chapadla a) Dvoubodové uchopení
Při uchopení komolého kužele pomocí netvarových jednoduchých uchopovacích prvků dojde k dotyku mezi chapadlem a uchopovaným objektem pouze ve dvou bodech (obr. 26). Toto uchopení je velice nepřesné a nestabilní. Při zvyšování uchopovací síly může dojít k vyosení osy komolého kužele od osy chapadla, a tím k nepřesnému uchopení. Toto uchopení je tedy nevhodné pro uchopování předmětů z finitního
27
materiálu. Při uchopování předmětu z reologického materiálu dojde k deformacím, a tím pádem ke stabilnějšímu uchopení, ale přesnost uchopení je ovlivněna velikostí deformace.
Při dvoubodovém uchopení komolého kužele je počet tvarových kontaktů roven dvěma a počet souřadnic, podél kterých je držení zajištěno pouze třením, je pět.
Obr. 26 Model dvoubodového uchopení kužele – m = 2, k = 5
b) Uchopení trojbodové
Při trojbodovém uchopení je využit jeden tvarový a jeden jednoduchý uchopovací prvek (obr. 27). Toto uchopení je přesnější a o trochu stabilnější než dvoubodové uchopení, ale stále může dojít k chybě uchopení způsobené vyosením osy komolého kužele oproti ose uchopení při uchopování objektu z finitního materiálu. Při uchopování objektu z reologického materiálu dojde k pevnému a stabilnímu uchopení, ale dosti nepřesnému z důvodu deformací objektu.
Při trojbodovém uchopování komolého kužele je počet tvarových kontaktů roven třem a počet souřadnic, podél kterých je držení zajištěno pouze třením, je čtyři.
28
Obr. 27 Model trojbodového uchopení kužele – m = 3, k = 4
2.3.2 Uchopení pomocí dvou chapadel
a) Uchopení pomocí dvou chapadel s rotačními úchopnými prvky
Aby došlo k pevnému, stabilnímu uchopení komolého kužele pomocí rotačních úchopných prvků (obr. 28), musíme realizovat uchopování ve dvou rovinách pomocí dvou transformačních bloků. Tyto transformační bloky musí být seřízené tak, aby uchopování probíhalo rovnoměrně a mohlo dojít ke kvalitnímu uchopení.
Při uchopování pomocí rotačních úchopných prvků může docházet k chybě středění.
Eliminace této chyby lze dosáhnout vhodným zvolením tvaru úchopných prvků. Nejvhodnější je zvolit zakřivené profily úchopných prvků, které eliminují chybu středění osy chapadla.
Obr. 28 Model uchopení pomocí dvou chapadel s dvěma rotačními úchopnými prvky
29
b) Uchopení pomocí dvou chapadel s posuvnými úchopnými prvky
Uchopení komolého kužele pomocí posuvných úchopných posuvných prvků (obr. 29) musí být realizováno dvěma chapadly, která musí být seřízena tak, aby uchopování probíhalo rovnoměrně. Při tomto uchopení nedochází k chybě středění.
Obr. 29 Model uchopení pomocí dvou chapadel a dvěma posuvnými prvky
Výpočet úchopné síly při uchopení kuželu pomocí čtyřbodového uchopení 1) Kužel menší podstavou dole
Obr. 30 Znázornění úchopných sil pro kužel orientovaný menší podstavou dolu
30 a) Pro případ ϕ ˃ β
Obr. 31 Silové schéma čtyřbodového uchopení pro ϕ˃β Rovnováha na ÚP
𝐹𝑢𝑝+ 𝑁. 𝑓. sin 𝛽 − 𝑁 cos 𝛽 = 0 (8)
𝑁 = 𝐹𝑈𝑃
cos 𝛽−𝑓.sin 𝛽 (9)
Rovnováha objektu
4𝑁. sin 𝛽 + 4𝑁. 𝑓. cos 𝛽 − 𝑚𝑔ℎ = 0 (10)
𝑁 = 𝑚𝑔ℎ
4.(sin 𝛽+𝑓.cos 𝛽) (11)
𝐹𝑈 = 2𝐹𝑈𝑃. sin 𝛼 (12)
Po dosazení
𝐹𝑈
2 sin 𝛼= 𝑚𝑔ℎ
4 . (1−𝑓.tan 𝛽
tan 𝛽+𝑓 ) (13)
𝐹𝑈 =𝑚𝑔ℎ.sin 𝛼
2 . [ 1
tan(𝜑−𝛽)] (14)
ϕ ˃ β představuje stabilní uchopení ϕ ˃ 0 =˃ β = 0
31 b) Pro případ β ˃ ϕ, uchopení čtyřbodové
Obr. 32 Silové schéma čtyřbodového uchopení pro β ˃ ϕ Rovnováha na ÚP
𝐹𝑢𝑝− 𝑁. 𝑓. sin 𝛽 − 𝑁 cos 𝛽 = 0 (15)
𝑁 = 𝐹𝑈𝑃
cos 𝛽+𝑓.sin 𝛽 (16)
Rovnováha objektu
4𝑁. sin 𝛽 − 4𝑁. 𝑓. cos 𝛽 − 𝑚𝑔ℎ = 0 (17)
𝑁 = 𝑚𝑔ℎ
4.(sin 𝛽−𝑓.cos 𝛽) (18)
𝐹𝑈 = 2𝐹𝑈𝑃. sin 𝛼 (19)
Po dosazení
𝐹𝑈
2 sin 𝛼= 𝑚𝑔ℎ
4 . (1+𝑓 tan 𝛽
tan 𝛽+ 𝑓) (20)
𝐹𝑈 =𝑚𝑔ℎ.sin 𝛼
2 . [ 1
tan(𝛽−𝜑)] (21)
Pro β – ϕ ˃ 0 bude β ˃ ϕ, a proto úchopná síla FU ˃ 0 a uchopení je nestabilní, objekt se bude vysouvat z uchopení
Pro ϕ ˃ β a β ˃ 0 představuje stabilní uchopení
32 2) Kužel větší podstavou dole
Obr. 33 Znázornění úchopných sil pro kužel orientovaný větší podstavou dolu
a) Pro případ ϕ ˃ β
Obr. 34 Silové schéma čtyřbodového uchopení pro ϕ ˃ β Rovnováha na ÚP
𝐹𝑢𝑝− 𝑁. 𝑓. sin 𝛽 + 𝑁 cos 𝛽 = 0 (22)
𝑁 = 𝐹𝑈𝑃
f.sin 𝛽−cos 𝛽 (23)
Rovnováha objektu
− 4𝑁. sin 𝛽 + 4𝑁. 𝑓. cos 𝛽 − 𝑚𝑔ℎ = 0 (24)
𝑁 = 𝑚𝑔ℎ
4.(𝑓.cos 𝛽 − sin 𝛽) (25)
33
𝐹𝑈 = 2𝐹𝑈𝑃. sin 𝛼 (26)
Po dosazení
𝐹𝑈
2 sin 𝛼= 𝑚𝑔ℎ
4 . (𝑓 tan 𝛽−1
𝑓−tan 𝛽) (27)
𝐹𝑈 =𝑚𝑔ℎ.sin 𝛼
2 . [ 1
tan(𝜑−𝛽)] (28)
ϕ ˃ β představuje nestabilní uchopení, kužel bude proklouzávat dolu β ˃ ϕ představuje stabilní uchopení
b) Pro případ β ˃ ϕ, uchopení čtyřbodové
Obr. 35 Silové schéma čtyřbodového uchopení pro β ˃ ϕ Rovnováha na ÚP
𝐹𝑢𝑝+ 𝑁. 𝑓. sin 𝛽 + 𝑁 cos 𝛽 = 0 (29)
𝑁 = − 𝐹𝑈𝑃
f.sin 𝛽−cos 𝛽 (30)
Rovnováha objektu
4𝑁. sin 𝛽 + 4𝑁. 𝑓. cos 𝛽 + 𝑚𝑔ℎ = 0 (31)
𝑁 = − 𝑚𝑔ℎ
4.(𝑓.cos 𝛽 + sin 𝛽) (32)
𝐹𝑈 = 2𝐹𝑈𝑃. sin 𝛼 (33)
Po dosazení
𝐹𝑈
2 sin 𝛼= 𝑚𝑔ℎ
4 . (−1−𝑓 tan 𝛽
𝑓+tan 𝛽 ) (34)
𝐹𝑈 =𝑚𝑔ℎ.sin 𝛼
2 . [ 1
tan(𝜑+𝛽)] (35)
ϕ ˃ β představuje stabilní uchopení
34
c) Uchopení pomocí tříprstého chapadla se speciálně tvarovanými úchopnými prvky Uchopení je zajištěno pomocí třech stejných speciálně tvarovaných úchopných prvků, které jsou naklápěcí z důvodu možnosti nastavení podle zkosení kuželu (obr. 36).
Toto uchopení má šest tvarových kontaktů, ale otočné úchopné prvky dodávají další 3 stupně volnosti. Takže rovnice statické určitosti uchopení (rovnice (1)) je ve tvaru
𝑚 + 𝑘 = 10 (36)
Ale jen kolem jedné souřadnice je uchopení zajištěno třením, a to díky vhodnému umístění uchopovaného objektu na podstavný stolek, který zajištuje další tři tvarové kontakty, takže uchopený objekt může konat pouze rotační pohyb.
Obr. 36 Model uchopení kuželu pomocí chapadla s třemi posuvnými symetricky se pohybujícími úchopnými prvky s omezenou schopností naklápění
Úchopná síla při využití tříprstého chapadla s otočnými úchopnými prvky Síla na jeden prst:
𝐹𝑈1 =𝑚𝑔ℎ
3 . 1
tan(±𝜑±|𝛽|)=> 𝜑 = 𝛽 + tan−1(𝑚𝑔ℎ
3𝐹𝑈1) (37)
35
(a) (b) (c)
Obr. 37 Rotační objekty s vyznačeným uhlem β
Hodnota β je u rotačních objektů rozdílná. U válce β = 0 (obr. 37 a). U kuželu β ≠ 0, úhel β můžeme uvažovat jako kladnou (obr. 37 b), ale i zápornou hodnotu (obr. 37 c)
2.4 Uchopování neprizmatického objektu – typ kvadrika
Kvadriky nebo také kvadratické plochy jsou plochy druhého stupně, které můžeme dále rozdělit na rotační a nerotační. Zvláštním druhem rotačních kvadrik jsou rotační paraboloid a jednodílný rotační hyperboloid, které se aplikují při výrobě nápojového a užitkového skla.
Neprizmatický objekt typu kvadrika je nejvýhodnější uchopovat do centrického chapadla s třemi posuvnými symetricky se pohybujícími úchopnými prvky s omezenou schopností naklápět se, a tím se lépe přizpůsobit tvaru uchopovaného objektu. Pro tuhé a stabilní uchopení je důležité rozložení kontaktů, na kterých závisí směr tečných sil.
a) Uchopení rotačního paraboloidu
Při uchopování rotačního paraboloidu (obr. 38) je důležité rozložení kontaktních bodů.
Důležitý faktor je také stupeň paraboly – čím vyšší stupeň paraboly, tím je rotační paraboloid více plochý, a tím obtížněji uchopitelný pomocí centrického chapadla s třemi posuvnými symetricky se pohybujícími úchopnými prvky s omezenou schopností naklápění.
Každý úchopný prvek bude působit jinou uchopovací silou, protože uchopuje jinou rovinu s jiným sklonem tečny k meridiánu paraboloidu. Sklon tečny se bude měnit v závislosti na hodnotě β.
36
(a) (b)
Obr. 38 (a, b) Model uchopení rotačního paraboloidu pomocí chapadla s třemi posuvnými symetricky se pohybujícími úchopnými prvky s omezenou schopností naklápění
b) Uchopení rotačního hyperboloidu
V praxi se využívá jednodílný hyperboloid, který je většinou omezen plochami rovnoběžnými s vodorovnou osou symetrie tak, že horní a spodní část není stejného tvaru.
Pro kvalitní tuhé a stabilní uchopení je důležité rozložení kontaktů, které je vhodné volit symetricky podle vodorovné osy symetrie (obr. 39 a). Díky uchopování za nejužší část objektu nehrozí vyklouzávání uchopeného objektu. Další vhodnou volbou rozložení kontaktních bodů (obr. 39 b) je, že jeden úchopný prvek uchopuje rotační hyperboloid ve vodorovné ose symetrie – tento případ odpovídá uchopování válce.
A druhý úchopný prvek uchopuje rotační hyperboloid pod osou symetrie, to odpovídá uchopení kužele. Toto uchopení má nejlepší poměr pro stabilní uchopení.
37
(a) (b)
Obr. 39 (a, b) Model uchopení rotačního hyperboloidu pomocí chapadla s třemi posuvnými symetricky se pohybujícími úchopnými prvky s omezenou schopností naklápění
2.5 Shrnutí analýzy a formulace požadavků na konstrukci chapadla
Chapadlo musí být schopno uchopovat celé spektrum rotačních objektů a zároveň musí být splněna podmínka stabilního uchopení objektu. Tyto podmínky jsou splněny v tom případě, když se objekt neposouvá oproti ÚP, takže navrhovaná konstrukce musí zajistit dostatečný počet tvarových úchopných prvků.
Z provedené analýzy pro uchopování rotačních kvadrik vyplývá konstrukční řešení. Po zvážení všech možností uchopení a jejich výhod a nevýhod bylo rozhodnuto uchopovat objekty ve tvaru válec a komolý kužel do tříprstého chapadla.
38
3. Návrh a konstrukční řešení chapadla pro objekty typu rotační kvadriky
Pro konstrukční řešení bylo využito tříprsté chapadlo s posuvnými symetricky se pohybujícími úchopnými prvky od renomované firmy Schunk (obr. 40), konkrétně chapadlo PZN plus 80 – 1. Toto chapadlo je univerzální tříprsté středové chapadlo s vysokou uchopovací silou a s velkým momentem díky vedení s více zuby. Jediná nevýhoda tohoto chapadle je malý zdvih – pouze 8 mm. Z důvodu malého zdvihu je limitován rozměr uchopovaného objektu.
[34].
Obr. 40 Tříprsté chapadlo PZN plus 80 – 1 od firmy Schunk [34]
3.1 Konstrukční řešení chapadla pro přesné uchopení kužele
Na chapadlo PZN plus 80 – 1 byl navržen mechanizmus, který zajišťuje možnost uchopení různých objektů ve tvaru válce, komolého kužele, rotačního paraboloidu a rotačního hyperboloidu.
Obr. 41 Konstrukční řešení (pohled shora): 7 – čep, 10 – chapadlo PZN 80 – 1, 11 – podložka 5, 14 – pojistný třmenový kroužek 4
39
Obr. 42 Konstrukční řešení (pohled ze předu – řez A): 1 – otočný úchopný prvek; 2 – čelist;
3 – stůl, 4 – uchopovací držák, 5 – distanční sloupek, 6 – třecí materiál, 8 – kužel, 9 – šroub M5x20, 11 – podložka 5, 12 – matice M4
Obr. 43 Konstrukční řešení (detail B): 16 – zkrutná pružina
40
Obr. 44 Konstrukční řešení (řez C): 11 – podložka 5, 13 – pojistný šroub M3x4, 14 – pojistný třmenový kroužek 4, 15 – šroub M4x12 se zápustnou hlavou
Konstrukční řešení (obr. 41 až 44) se skládá ze tří čelistí fixovaných k robotickému chapadlu PZN plus 80 – 1 dvěma šrouby M5x20 s válcovou hlavou s vnitřním šestihranem a podložkou velikosti 5. Na čelist navazuje otočný úchopný prvek, který je pomocí čepu zajištěného třmenovými pojistnými kroužky a podložkou 5 připevněn k čelisti. Na čepu mezi prstem a každou stranou čelisti je navlečena zkrutná pružina od firmy Sodemann. Na každé čelisti jsou použity dvě zkrutné pružiny, jedna levotočivá a druhá pravotočivá. Tyto pružiny musí mít stejnou velikost a zkrutnou sílu, aby docházelo po vychýlení otočného úchopného prvku k návratu do jeho výchozí polohy. Volné konce pružiny jsou zastrčeny do díry na otočném úchopném prvku a na čelisti. Na čelist jsou pomocí závitů připevněny dva uchopovací držáky a pomocí matic M4 jsou zajištěny (detail v obr. 45). Do uchopovacích držáků se vkládají válečky z materiálů s vysokým koeficientem tření, které napomáhají tuhému uchopení.
Zvolený třecí materiál však nesmí mít příliš velkou schopnost deformace, velká deformace způsobuje nepřesnost uchopení a také zmenšuje tuhost uchopení.
41
(a) (b) (c) Obr. 45: (a) Detail uchopení, (b) čelist, (c) úchopný prvek.
Chapadlo PZN plus 80 – 1 umožnuje vložení tří distančních sloupků, které jsou zajištěny proti vysunutí pomocí pojistných šroubů M3x4. Na distanční sloupky je přišroubován pomocí tří zápustných šroubů M4x12 stolek, který umožňuje volný pohyb čelistí a zároveň slouží jako doraz pro zajištění stálé vzdálenosti uchopovaného objektu od chapadla.
Vyrobené části úchopného systému před montáží jsou předloženy na obr. 46 a po montáži na obr. 47.
Obr. 46: Jednotlivé části úchopného systému před montáží
42
Obr. 47 Uchopovací systém na chapadle PZN plus 80 – 1 po montáži
Obr. 48 Model uchopení kuželu s velkou přírubou na chapadle
43
Obr. 49 Uchopený kužel s velkou přírubou na chapadle
Obr. 50 Model uchopení kuželu s malou přírubou na chapadle
44 Obr. 51 Uchopený kužel s malou přírubou na chapadle
3.2 Využití chapadla pro válec, rotační paraboloid a rotační hyperboloid
Navržené konstrukční řešení lze využít kromě uchopování kuželu i pro uchopování válce, rotačního hyperboloidu a rotačního paraboloidu. Jediné omezení pro uchopování jiných rotačních prvků je dáno maximální velikostí uchopovaného objektu z důvodu malého zdvihu.
Možnosti uchopení rotačních objektů jsou ukázány na obr. 52 – obr. 56
Obr. 52 Model uchopení válcového objektu
45 Obr. 53 Uchopený válcový objekt
Obr. 54 Model uchopení rotačního paraboloidu
Obr. 55 Model uchopení rotačního paraboloidu
46 Obr. 56 Model uchopení rotačního hyperboloidu
47
4. Experimentální hodnocení tuhosti a přesnosti uchopení
Při uchopování objektů pro účely manipulace je nutné zajistit takovou úchopnou sílu, která zaručí stabilní tuhé uchopení objektu se stanovenou mírou bezpečnosti. Při manipulaci působí na objekt většinou jenom síla gravitační a setrvačné síly, které vznikají důsledkem pohybu. Žádné dodatečné síly na objekt nepůsobí.
Jiná situace nastává v případě, že objekt uchopený v chapadle musí umožnit přenášení technologických sil, a chapadlo je tedy zároveň upínačem objektu. Zde nabývá na důležitosti tuhost uchopení, tj. stabilita polohy objektu. Stabilita uchopení (upnutí) je kvantitativně popsatelná definováním tuhosti upnutí k = ΔF/Δl [N.mm-1]. Kvantitativní hodnocení tuhosti upnutí válcového a kuželového objektu je zde analyzováno experimentálně měřením průběhu zatěžovací síly ve vazbě na velikost vychýlení objektu z ideální upínací polohy.
4.1 Návrh experimentálního pracoviště
Princip experimentu je patrný ze schématického znázornění na obr. 57. Experimentální zařízení musí umožnit osové zatěžování objektu a pro uchopení bylo zvoleno chapadlo se třemi symetricky se pohybujícími úchopnými prvky s dodatečným rotačním pohybem umožňujícím naklápění úchopných prvků do kontaktu.
Legenda: 1 – oblast nárůstu zatěžovací síly
2 – oblast nárůstu posunutí při FZmax ≈ konst.
Obr. 57 Princip experimentu: a – schéma zatěžování; b – diagram zatěžování
48
Vyvozování vnější zátěžné síly je realizováno prostřednictvím komerčního trhacího zařízení od firmy TECTRA. Pro experimenty byl aplikován siloměr s měřícím rozsahem do 500 N. K ovládání úchopné síly byl sestaven a aplikován pneumatický obvod. Uspořádání měřící aparatury je patrné z fotografie na obr. 58. Vlastní realizace obou sérií experimentů je ukázána na obr. 59 pro válcový a obr. 60 pro kuželový objekt.
Obr. 58 Celkový pohled na aparaturu
Obr. 59 Experimenty s uchopeným objektem válcového tvaru
49
Obr. 60 Experimenty s uchopeným objektem kuželového tvaru
4.2 Přehled výsledků experimentů a jejich zhodnocení
Zatížení objektu během experimentu se mění při stanovené konstantní rychlosti zatěžování vZ= 0,1 mm/s tak, že je vždy vytvořena charakteristika FZ = FZ(Δl). V průběhu experimentování byly sledovány charakteristiky FZ(Δl) vždy pro tři nastavené hodnoty pracovního tlaku chapadla Δp = 2, 4 a 6 bar. Uspořádání experimentu dovoluje realizovat různou hodnotou úchopné síly podmíněnou velikostí pracovního tlaku v pneumatickém obvodu. Lze konstatovat, že úchopná síla od chapadla na jednotlivých čelistech je konstantní v průběhu celého procesu zatěžování.
Charakteristický průběh zatěžovací charakteristiky ukázal, že působení vysoké úrovně zátěžné síly je v jednotlivých kontaktech spojeno s vysokým zatížením obložení úchopných prvků. Jednotlivá obložení úchopných prvků jsou během zatěžování namáhána kombinovanou napjatostí a je nutné uvést, že odlišnosti v tloušťce obložení pro jednotlivé materiály tuto napjatost a její rozložení ovlivňuje. Právě stav tuho-poddajného kontaktu s hyperelastickým chováním obložení přináší proměnnou charakteristiku tuhosti uchopení.
Průběh experimentů zatěžování má dvě zřetelně odlišné fáze. V prvním intervalu dochází k nárůstu zátěžné síly při minimálních hodnotách posunutí. Druhou oblast představuje interval, kdy po dosažení limitní zatížené síly dochází k nárůstu deformace bez zřetelné změny zátěžné síly FZmax ≈ konst.
50
Experimenty byly zaměřeny na podrobnější hodnocení 1. fáze proměnné tuhosti uchopení během růstu zátěžné síly FZ. K zjištění vlivu vlastností materiálu obložení úchopných prvků na chování tuho-poddajného uchopení bylo realizováno obložení z pěti vzorků materiálů (tabulka 2)
Tab. 2 Přehled materiálů obložení úchopných prvků
Vzorek č. Firemní označení materiálu Koeficient tření*/
1 Transilon E8/2 0/V15 S/LG 0,56
2 Transilon E8/2 U0/V10 SG 0,38
3 Transilon E8/2 0/V15 S/LG 0,8
4 Transilon E12/2 U0/G10 STR 0,67
5 Perbutan HT2 – 65 Shore 0,9
*/ hodnoty statického koeficientu tření byly naměřeny pro dvojici materiálu: Dural – obložení ÚP
Výsledky realizovaných experimentů jsou shrnuty do grafů uvedených v příloze 1 pro válcový objekt a v příloze 2 pro kuželový objekt.
Všechny experimenty vykazovaly proměnnou tuhost uchopení v průběhu růstu zátěžné síly. Aby bylo možné porovnat výsledky měření jednotlivých materiálů obložení, byla pro všechny experimenty zvolena průměrná tuhost v oblasti posunutí objektu v uchopení v intervalu ‹0,5; 1,0› mm, K okrajovým hodnotám stanoveny zátěžné síly FZ (0,5), FZ (1,0) a poté vypočtena hodnota tuhosti ze vztahu
k =∆F𝑍
∆l = F𝑍 (1,0)− F𝑍(0,5)
1,0−0,5 = 2 . [𝐹𝑍 (1,0) − 𝐹𝑍 (0,5)] (38)
Takto vypočtené hodnoty byly shrnuty do tabulky 3 pro válcový objekt
51 Tab. 3 Hodnocení tuhosti uchopení – objekt válec
Vzorek č.
Koeficient tření f
Tlak p [bar]
Nárůst zátěžné síly v int. <0,5; 1,0> mm
[N]
Tuhost uchopení k [N/mm]
Poznámka
1 0,56
2 18 36
4 50 100
6 85 170
2 0,38
2 7 14 Silně ovlivněno
Slip – Stick efektem
4 10 20
6 55 110
3 0,8
2 8 16
4 27 54
6 57 114
4 0,67
2 29 58
4 61 122
6 106 212
5 0,9
2 44 88
4 95 170
6 147 294
Pro lepší přehlednost jsou výstupy shrnuty v tabulce a graficky interpretovány v obr. 61.
52
Obr. 61 Hodnocení tuhosti uchopení – Graf závislosti tuhosti uchopení na tlaku
Vyhodnocení pro objekt ve tvaru komolého kužele je obtížnější, neboť uchopení vnáší do kontaktu objektu a stacionárního kontaktu na základně kužele předem nedefinovanou sílu, která se promítá do charakteristických průběhů zatěžovacích diagramů. Nicméně je z diagramů shrnutých v příloze 2 zřejmé, že pomocí experimentu byl potvrzen předpoklad plynoucí z výpočtů provedených v kap. 2.
4.3 Shrnutí dosažených výsledků a závěry pro využití v praxi
Obsáhlé výsledky experimentů potvrdily teoretické předpoklady z předchozích kapitol a současně bylo kvantitativně doloženo, že:
• Obložení úchopných prvků elastomerovým materiálem umožňuje dosáhnout výrazného zvýšení koeficientu tření, a tím i zvýšení bezpečnosti uchopení objektu při manipulačních operacích;
• Zvýšený koeficient tření současně významným způsobem zhoršuje samostředicí schopnosti chapadla;
0 50 100 150 200 250 300 350
0 1 2 3 4 5 6 7
Tuhost uchopení k [N/mm]
Tlak p [bar]
Vzorek č. 1 Vzorek č. 2 Vzorek č. 3 Vzorek č. 4 Vzorek č. 5
53
• Měkké (hyperelastické, popř. reologické) materiály obložení úchopných prvků zhoršují parametry tuhosti uchopení, a tím zhoršují geometrickou přesnost dosahovaných technologických úkonů (obrábění hran, facetování apod.);
• Je nutné zachovat vysokou míru tuhosti a vysoký poměr mezi působící Fmax / Ftech jako podmínku vysoké přesnosti realizované technologické operace;
• Pro dosažení vysoké míry tuhosti a přesnosti uchopení lze aplikovat kombinované způsoby uchopení (držení), např. mechanické + podtlakové + adhezní systémy.
54
5. Zhodnocení přínosu bakalářské práce
Přínos bakalářské práce je ve shrnutí možností uchopování základních tvarů objektů a následné volbě nejvhodnějšího tuhého a stabilního uchopení pro rotační objekty. Na základě analýzy a nejvýhodnějšího způsobu byl navržen a zkonstruován uchopovací systém.
Proces konstrukčního řešení byl prováděn z opačné strany, než bývá v praxi běžné.
V technické praxi je dána skupina objektů určitého tvaru a rozměru a vzniká potřeba navrhnout uchopovací systém a zvolit chapadlo, které má dostatečný zdvih pro manipulaci se všemi požadovanými objekty. V bakalářské práci bylo postupováno přesně naopak, na chapadlo PZN plus 80 – 1 byl navržen úchopný mechanizmus a z rozměrů tohoto mechanizmu byly odvozeny maximální možné rozměry uchopovaných objektů. Tento postup sice nebývá běžný, ale simuluje postup, podle kterého je výrobek ve firmě modifikován v případě, že je na používaného robota s chapadlem potřeba navrhnout nový uchopovací systém s minimálními náklady.
Navržený uchopovací systém na chapadlo PZN plus 80 – 1 má omezení ve velikosti uchopovaného objektu z důvodu malého zdvihu a velikosti 8 mm. To znamená, že navržené konstrukční řešení je určené pro uchopování objektů o průměru 48,5 – 41 mm. A nelze využít mezní rozměry otevření/uzavření uchopovacího systému z důvodu manipulační vůle. Je vhodné volit objekty o takové velikosti, aby uchopení probíhalo na střední hodnotě zdvihu chapadla z důvodu nejstabilnějšího a nejtužšího uchopení. Navržený uchopovací systém by šel lehce modifikovat zvětšením všech rozměrů v určitém poměru a po malých úpravách by bylo možné chapadlo použít pro skupinu rozměrově větších objektů. S tímto postupem by pravděpodobně při překročení maximálních přípustných parametrů (krouticí momenty, rozměry čelistí apod.) byla nutná i volba jiného chapadla
Z provedeného experimentu prováděném na navrženém uchopovacím systému lze vyvodit požadavky na pracovní tlak a na materiál obložení úchopných prvků, které ovlivňují tuhost uchopení. Pracovní tlak chapadla ovlivňuje tuhost uchopení velikou měrou.
Z experimentu vyplývá, že čím větší tlak, tím větší tuhost. Nárůst tlaku o 2 bary průměrně způsobí nárůst tuhosti na dvojnásobnou hodnotu tuhosti uchopení. Závislost velikosti tlaku na tuhosti uchopení nemá lineární průběh a maximální dovolený pracovní tlak je dán vlastnostmi chapadla, v případě chapadla PZN 80 plus 1 je maximální dovolený tlak 8 barů.
Největším přínosem práce je experimentální zjištění tuhosti uchopení při vlivu různých materiálů obložení úchopných prvků. Tento materiál, který zajišťuje kontakt mezi chapadlem a uchopovaným objektem, je velice důležitý pro to, aby nedocházelo k poškození povrchu objektu. Hlavní požadavek je na koeficient tření, který přímo ovlivňuje vlastnosti uchopení.
S větším koeficientem tření by měla narůstat tuhost uchopení. Experimentem však bylo zjištěno, že materiál s vysokým koeficientem tření zhoršuje samostředicí schopnosti chapadla, takže je potřeba volit kompromis, který zajistí dostatečně tuhé uchopení a zároveň zachová samostředicí schopnosti. Bylo ale zjištěno, že neplatí čím větší koeficient tření, tím větší
55
tuhost. Materiál s největším koeficientem tření má sice také nejlepší tuhost, ale materiál v pořadí s druhým nejlepším koeficientem tření dopadl jako druhý nejhorší. Z toho vyplývá, že tuhost uchopení je více ovlivněna vlastnostmi materiálu než jenom koeficientem tření. Pro vhodnou volbu třecího materiálu a stanovení přesné tuhosti uchopení je potřeba provést experiment, například takový, jehož provedení a průběh byl popsán v této práci.
56
Závěr
Úvodní část práce přináší základní rozdělení robotických chapadel. Po rozdělení dle způsobu pohonu chapadla a principu uchopování následuje přehled nejčastěji využívaných chapadel.
Přehled je doplněn o obrázky s typickými zástupci, které je možné sehnat na trhu od renomovaných firem zabývajících se robotickými chapadly. V této části byla také provedena rešerše týkající se faktorů ovlivňujících tuhost a stabilitu uchopení.
V druhé části práce byla provedena analýza možností uchopování objektů základních tvarů.
Dále byly provedeny výpočty pro stanovení úchopných sil u složitějších objektů. Z této analýzy je vycházeno v dalších částech práce.
Následuje konstrukční návrh a zhotovení uchopovacího systému. Zkonstruovaný uchopovací systém byl otestován při uchopování rotačních objektů základních tvarů. V bakalářské práci bylo při konstrukčním řešení postupováno opačným způsobem než v technické praxi, na chapadlo PZN plus 80 – 1 byl navržen úchopný mechanizmus a z rozměrů tohoto mechanizmu byly odvozeny maximální možné rozměry uchopovaných objektů. Navržený úchopný systém může být lehce modifikován pro využití i pro objekty větších rozměrů a pro montáž na jiná chapadla.
V praxi byl navržený uchopovací systém otestován pouze pro uchopování objektů ve tvaru válec a kužel (menší i větší podstava u chapadla). Využití pro uchopování parabolických objektů bylo zkoušeno v 3D CAD softwaru SolidWorks. Vymodelované uchopené objekty jsou ukázány ve třetí části bakalářské práce. Tyto grafické výstupy dokazují, že takovéto uchopování je možné, ale určitě by bylo zajímavé ozkoušet tento problém i v praxi a následně provést experiment spojený s měřením tuhosti uchopení.
Po navržení a následném sestrojení uchopovacího systému bylo sestaveno experimentální pracoviště skládající se z komerčního trhacího zařízení a pneumatického obvodu určeného pro ovládání chapadla. Při experimentu byla měřena tuhost uchopení, z čehož vychází hlavní přínos bakalářské práce: tuhost je ovlivněna vlastnostmi materiálu obložení úchopných prvků a pracovním tlakem v chapadle.
57
Seznam použité literatury
[1] Tichem, M., Lang, D., Karpuschewski, B., A classification scheme for quantitative analysis of micro-grip principles, Bad Hofgastein, Proc. of the 1st Int. Precision Assembly Seminar (IPAS’2003), 17-19 March, 2003, s. 225.
[2] Dini, G., Bernd Scholz-Reiter, Hansen, H. N., Grasping device and method in automated production processes, Pisa, CIRP, 2014, s. 2.
[3] Tučný, Š., Návrh uchopovacího mechanismu pro aplikaci Bin Picking, diplomová práce, Plzeň, Západočeská univerzita, 2015, s. 10.
[4] Monkman, G. J., Hesse, S., Steinmann, R., Schunk, H., Robot Grippers, Wiley, Verlag Dashöfer, 2007, s. 75.
[5] Gauthier, M., Régnier, S., Lopez-Walle, B., Gibeau, E., Rougeot, P., Hériban, D., Chaillet, N., Micro-assembly and modeling of the liquid microworld: the PRONOMIA project, San Diego, CA, U.S.A., IROS, 2007, s. 20.
[6] van Brussel, H., Peirs, J., Reynaerts, D., Delchambre, A., Reinhart, G., Assembly of Microsystems, Katholieke Universiteit LeuvenCIRP Annals, 2000, s. 35.
[7] Gripping Systems. [online]. Copyright © 2018 SCHUNK GmbH [cit. 20.06.2018].
Dostupné z: https://schunk.com/de_en/gripping-systems/series/egn/
[8] Gripping Systems. [online]. Copyright © 2018 SCHUNK GmbH [cit. 20.06.2018].
Dostupné z: https://schunk.com/de_en/gripping-systems/series/wsg/
[9] Slavík, D., Porovnání chapadel s pneumatickým a elektrickým pohonem, bakalářská práce, Liberec, TUL, 2017, s. 28.
[10] Mechanical gripper / angular / 2-jaw – HGWC – Festo. DirectIndustry – The online industrial exhibition: sensors, automation, motors, pumps, materials handling, packaging, etc. [online]. [cit. 20.06.2018]. Dostupné z:
http://www.directindustry.com/prod/festo/product-4735-30245.html [11] Pneumatic gripper / 180° angular / 2-jaw / precision – MHY series – SMC.
DirectIndustry – The online industrial exhibition: sensors, automation, motors, pumps, materials handling, packaging, etc. [online]. [cit. 20.06.2018]. Dostupné z:
http://www.directindustry.com/prod/smc/product-82491-1085755.html [12] Gripping Systems. [online]. Copyright © 2018 SCHUNK GmbH [cit. 20.06.2018].
Dostupné z: https://schunk.com/de_en/gripping-systems/series/ezn/
[13] Kiowa Ltd. – HGD-50-A Festo Three-point gripper – | Kiowa Ltd | Industrial
Components Online Store. Kiowa Ltd | Industrial Components Online Store [online].
