Механические захватные устройства и их расчет

Порядок расчета будет зависеть от типа привода устройства. Они бывают с пневмо-, гидро-, электро -, а также с пружинным приводом.

Типы передаточных механизмов следующие: стержневые (рычажные), реечные, клиновые.

Расчет захвата включает шесть основных этапов. Это определение:

- силовых и передаточных отношений выбранной схемы захвата;

- необходимого усилия привода (Р) на штоке приводного цилиндра;

- необходимого усилия захвата (силы зажима – F) детали;

- сил в точке контакта зажимных элементов с деталью;

- контактных напряжений в материале детали (σ).

Ниже (на рис. 3.2 – 3.5) даны кинематические схемы механизмов захватов и приведены выражения передаточных отношений (P/F) для данных механизмов. Размеры рычагов захвата назначаются конструктивно, исходя из габаритных размеров захватываемой детали. Например, для средних габаритов – до 200 мм., а потом проверяются по условию контактной прочности детали. Коэффициент полезного действия обозначен через (η).

а	h = 0,9; Q = 4…8°.   б

Рис. 3.2. Кинематическая схема рычажно-клинового захватного устройства: а – схема механизма; б – исходные данные для расчета

а

.   б

Рис. 3.3. Кинематическая схема рычажного захватного устройства: а – схема механизма; б – исходные данные для расчета

а

.     б

Рис. 3.4. Кинематическая схема реечного захватного устройства: а – схема механизма; б – исходные данные для расчета

а

.     б

Рис. 3.5. Кинематическая схема кулисного захватного устройства: а – схема механизма; б – исходные данные для расчета

Анализ кинематической схемы захватного устройства.Рассмотрим в качестве примера рычажно-стержневой механизм. Пусть привод устройства осуществляется от пневмоцилиндра.

1. Силовое передаточное отношение определится:

, (3.1)

где – усилие, действующее на деталь со стороны зажимных губок, Н;

– движущая сила, развиваемая приводом устройства, Н.

2. Из соотношения работ получают:

(3.2)

, (3.3)

где – перемещение соответственно губок и штока цилиндра;

– КПД данного передаточного механизма.

3. Тогда кинематическое передаточное отношение

(3.4)

4. Проводят силовой анализ механизма ЗУ, для чего рассматривают схему сил и моментов, действующих на ведущее звено механизма при закреплении. Она приводится на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Схема к примеру расчета схвата рычажно-стержневого типа

Моменты сил трения в шарнирах:

(3.5)

, (3.6)

где – диаметр осей в шарнирном соединении стержней;

– угол трения. Угол =14°.

Для принятых на практике размеров углов и звеньев можно считать:

. (3.7)

5. Из условия равновесия звена ВС

(3.8)

где – расстояние между осями шарниров В и С;

– угол между вертикалью и звеном ВС при закрытом захвате.

(3.9)

Тогда из ранее приведенных уравнений получают:

(3.10)

8. Исключив малые величины получают:

(3.11)

а

б

в

Рис. 3.7. Схемы к примеру расчета захватного устройства: а – расчетная; б – сил и моментов на звене ВС; в – сил и моментов на звене BD

9. Коэффициент полезного действия при определяется:

. (3.12)

Определение необходимого усилия привода захвата.Соотношение между усилиям привода и силой зажатия детали или моментом на губках ЗУ определяются из условия статического равновесия. Так, например, для захватного устройства с рычажным механизмом, указанным на рис. 3.8, справедливо следующее.

1. Из условия в точке С имеем:

(3.13)

2. Из условия относительно точки А следует:

. (3.14)

3. При известном моменте М усилие привода:

, (3.15)

где – момент сил на зажимной губке;

– плечо рычага;

– число губок.

Если используется схема с реечным механизмом, то

, (3.16)

где – модуль зубчатого сектора;

– полное число зубьев сектора;

– КПД реечной передачи.

Рис. 3.8. Пример расчетной схемы рычажно-стержневого механизма для определения усилия привода для зажима детали

Величина приложенной к ЗУ силы, развиваемой пневмоцилиндром с учетом КПД, может быть определена:

, (3.17)

где и – соответственно диаметры гильзы и штока пневмоцилиндра;

– удельное давление воздуха в пневмосети. Для питания промышленных роботов обычно принимают = 0,4 МПа.

Учитывая выше изложенное, можно определить диаметр гильзы:

(3.18)

где – эмпирическая постоянная, равная (приближенно):

. (3.19)

Определение необходимого усилия захвата детали роботом.Порядок определения зависит от характера движения детали, поэтому следует рассмотреть его для следующих основных видов перемещения (на примере захвата призматическими губками).

1. При вертикальном линейном перемещении (движение – подъем):

(3.20)

где – вес захватываемой детали, Н;

– коэффициент запаса. Обычно принимают К=1,5…2;

– ускорение вертикального движения (равноускоренного);

– коэффициент трения между губками. Сталь по стали =0,1;

– ускорение свободного падения. g =9,8/м/c².

2. При горизонтальном линейном перемещении (выдвижение руки):

(3.21)

где, кроме упомянутых величин, – угол скоса губок. Стандартный угол призмы равен 90 либо 120 градусов.

3. При вращении захватного устройства в горизонтальной плоскости:

(3.22)

где – угловая скорость вращения;

– угловое ускорение при повороте ЗУ;

– расстояние от оси вращения до оси детали.

4. При одновременном движении по всем трем направлениям:

(3.23)

Именно по этой формуле предпочтительно рассчитывать привод захватного устройства, так как здесь учтены режимы транспортирования детали и фактические размеры в крайнем неблагоприятном случае.

Кроме того, усилие зажима детали можно определить ориентировочно по эмпирической формуле:

(3.24)

где – масса заготовки;

– коэффициент запаса, зависящий от условия применения робота. Обычно = 1,2…2,0;

К₂ – коэффициент, зависящий от максимального ускорения. с которым робот перемещает деталь. Обычно .

, (3.25)

– коэффициент передачи, определяемый в зависимости от конкретной схемы расположения детали (см. табл. 3.1).

Определение напряжений на поверхностях контактирования.Данный расчет необходим для установления возможности повреждения

детали. Если захват рассчитан неверно, то на поверхности захватываемой детали могут образоваться вмятины, что недопустимо. Контактные напряжений должны быть меньше допускаемого значения [σ_к] для данной марки материала. Подробнее – см. справочную литературу по материалам.

Табл. 3.1. Значения коэффициента К₃ для различных положений детали в захватном устройстве

V–образные губки, круглое сечение детали	К3	Плоские губки, прямоугольное сечение детали	К3

Обозначение величин в табл. 3.2 означают следующее:

N – нормальная реакция, действующая в месте контакта в ответ на усилие захвата (F), Н;

Табл. 3.2. Формулы для расчета контактных напряжений

№ п/п	Схема контактирования	Расчетная формула

Е_пр – приведенный модуль упругости материала детали;

– ширина губки, см;

– диаметр детали, см;

– радиус губок ЗУ, см.

– коэффициент, зависящий от отношения размеров соприкасающихся поверхностей.

Допускаемое значение можно определить приближено, в зависимости от вида контакта между деталью и губками захватного устройства:

– при линейном контакте;

– при точечном контакте.

Приведенный модуль упругости подсчитывается по формуле:

(3.26)

где – модуль упругости материала заготовки;

– модуль упругости материала губок ЗУ.

Табл. 3.3 Допускаемые контактные напряжения в материале деталей

Материал детали	Вид контакта	, МПа
Сталь	линейный	450 – 850
точечный	1100 – 2200
Чугун	линейный	260 – 350
точечный	600 – 800

Значения приведенного модуля упругости для некоторых материалов деталей при стальных губках захватного устройства даны в табл. 3.4.

Табл. 3.4. Значение приведенного модуля упругости материала при стальных губках ЗУ

Материал заготовки	Епр 105 , МПа	Материал заготовки	Епр 105, МПа
Сталь	2,10	Бронза	1,25
Чугун серый	1,25	Алюминий	1,05
Чугун модифицированный	1,60	Латунь	1,20

Таким образом, при проведении проверки должно соблюдаться следующее условие: σ <[σ_к]. Тогда все принятые конструктивно размеры рычагов захватного устройства считаются окончательными и выносятся на рабочий чертеж.

На этом расчет ЗУ заканчивается. При проработке конструкции важным вопросом является стыковка захвата с промышленным роботом. Этот вопрос решается по посадочным местам после выбора конкретной модели ПР, выполняемого по известным технологическим критериям.