Анализ конструкции манипулятора с двумя вращательными и двумя поступательными кинематическими парами
Структурный, кинематический и динамический анализ манипулятора. Расчет параметров зоны обслуживания устройства, скоростей и ускорений. Определение геометрических характеристик поперечного сечения звеньев манипулятора с учетом характера и вида нагружения.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 19.06.2012 |
| Размер файла | 908,4 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки РФ
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
“Ижевский государственный технический университет”
Кафедра: “Мехатронные системы”
Курсовой проект
по дисциплине «Теория машин и механизмов»
Выполнил:
студент гр. 4-35-1
Дудка А. А.
Ижевск 2011
Содержание
Задание
Введение
1. Структурный анализ руки манипулятора
2. Кинематический анализ
2.1 Расчет зоны обслуживания манипулятора
2.2 Расчет скоростей и ускорений
3. Силовой расчет
4. Прочностной расчет
Заключение
Список литературы
Приложения
Задание
Схема 4
ОРазмещено на http://www.allbest.ru/
Рисунок 1 - Схема манипулятора
Таблица 1 - Вариант задания
|
Вариант |
Звено |
Длина, м |
Угол поворота, град |
Перемещение, мм |
с-2 |
с-1 |
а, м/с2 |
, м/с |
||||
|
|
|
Общ |
Расч |
Общ |
Расч |
|||||||
|
1 |
1 |
1,5 |
360 |
180 |
0,2 |
0,2 |
||||||
|
2 |
0,5 |
1,0 |
0,5 |
0,2 |
0,2 |
|||||||
|
3 |
1,5 |
1,0 |
0,5 |
0,2 |
0,2 |
|||||||
|
4 |
0,75 |
0,25 |
360 |
0 |
0,2 |
0,2 |
Введение
Манипулятор - управляемое устройство или машина для выполнения двигательных функций, оснащенная рабочим органом, который предназначен для имитации перемещений и рабочих функций кисти руки оператора. Манипулятор состоит из нескольких звеньев кинематических пар с поступательными и угловыми перемещениями, снабжённых приводом. На последнем звене механизма присутствует рабочий орган в виде захватывающего устройства. В настоящее время в роботах используются приводы различных типов, например, пневматические, электрические, гидравлические и т.д.
В данном курсовом проекте рассматривается манипулятор с двумя вращательными и двумя поступательной кинематическими парами. Для данного манипулятора проводятся структурный анализ, кинематический и динамический, в результате которых определяются зона обслуживания, строятся планы скоростей и ускорений, и в соответствии с динамическими нагрузками определяются оптимальные параметры поперечного сечения каждого звена. После чего рассчитываются их прогибы и проверяются условия жесткости и точности позиционирования. По итогам работы строится зона обслуживания манипулятора, планы скоростей и ускорений, эпюры сил и моментов.
1. Структурный анализ руки манипулятора
Класс кинематических пар
Число подвижных звеньев представленного манипулятора: n=4.
В данной работе рассматривается манипулятор, в состав кинематической цепи которого входят 4 звена и 4 кинематические пары механизм с двумя вращательными и с двумя поступательными кинематическими парами.
Первая кинематическая пара - поступательная, число степеней свободы Н=1, число условий связи S=6-H=6-1=5. Следовательно первая кинематическая пара 5 класса.
Вторая кинематическая пара - вращательная, число степеней свободы Н=1, число условий связи S=6-H=6-1=5. Следовательно вторая кинематическая пара 5 класса.
Третья кинематическая пара - поступательная, число степеней свободы Н=1, число условий связи S=6-H=6-1=5. Следовательно третья кинематическая пара 5 класса.
Четвертая кинематическая пара - вращательная, число степеней свободы Н=1, число условий связи S=6-H=6-1=5. Следовательно четвертая кинематическая пара 5 класса.
Степень подвижности и класс механизма
Число степеней подвижности механизма:
W=6n-5p5=6?4-5?4=4.
структурный кинематический манипулятор звено
2. Кинематический анализ
2.1 Расчет зоны обслуживания манипулятора
,
где -вектор, определяющий положение схвата относительно начала координат - точки О.
Матрицы длин звеньев:
Матрицы перемещений:
Матрицы поворота вокруг осей:
.
.
Подставляем значения длин звеньев, перемещений и углов поворота для крайних точек зоны обслуживания. Для построения зоны обслуживания координаты схвата при различных значениях углов поворота и перемещений звеньев можно увидеть в таблице 2, а на рисунке 1.1 - зона обслуживания.
|
ц10,град |
q2,м |
q3,м |
ц43,град |
x0 |
y0 |
z0 |
|
|
360 |
1,0 |
1,0 |
360 |
-1,25 |
0 |
1,8 |
|
|
0 |
0 |
0 |
0 |
-0,25 |
0 |
2,8 |
|
|
90 |
0 |
1,0 |
0 |
-1,25 |
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
0 |
180 |
-0,45 |
0 |
2,2 |
|
|
90 |
1,0 |
0 |
90 |
0 |
2,75 |
2,35 |
|
|
90 |
0 |
1,0 |
180 |
-0,25 |
-3,3 |
1,2 |
Таблица 2 - Координаты схвата
Рисунок 1.1 - зона обслуживания манипулятора
2.2 Расчет скоростей и ускорений
Расчет ведем для положения манипулятора, изображенного на рисунке 2.
Рисунок 2 - Схема манипулятора для расчета скоростей и ускорений
Известны линейные и угловые относительные скорости и ускорения звеньев руки:
.
Определить угловые скорости всех звеньев руки манипулятора, а также линейные скорости и ускорения точек А B, C, D и Е.
Решение:
Расчет угловых скоростей и ускорений.
Для звена 1 определяем векторы угловой скорости и углового ускорения и соответствующие матрицы:
Для звена 2 определяем векторы угловой скорости и углового ускорения и соответствующие матрицы:
Для звена 3 угловую скорость и ускорение определяем с помощью векторных уравнений:
Для звена 4 угловую скорость и ускорение определяем с помощью векторных уравнений:
Для определения проекций векторов на оси координат записываем матричные уравнения:
Cледовательно:
.
Скорость первого звена:
м/с.
Скорость второго звена:
Для определения скорости третьего звена используется векторное уравнение:
Для определения скорости четвёртого звена используется векторное уравнение:
;
.
Определяем величины скоростей:
План линейных скоростей манипулятора изображен на рисунке 3.
Рисунок 3 - план линейных скоростей манипулятора
Ускорение первого звена:
Ускорение второго звена:
Ускорение третьего звена:
,
Для определения ускорения четвёртого звена используется векторное уравнение:
,
Определяем величины ускорений:
План линейных ускорений манипулятора изображен на рисунке 4.
Рисунок 4 - план линейных ускорений манипулятора
3. Силовой расчет
Расчет звеньев на прочность начинаем с последнего звена манипулятора, так как масса самих звеньев еще не определена. Звенья манипулятора необходимо расположить таким образом, чтобы на него действовали максимальные изгибающие моменты. Для данного манипулятора схема имеет следующий вид:
Рисунок 5 - Схема манипулятора
Каждое, отдельно взятое звено можно рассматривать как балку с криволинейной или прямолинейной осью, закрепленную консольно. Следовательно, в заделке может возникнуть от трех (плоский случай, 2 силы и один момент) до шести (пространственный случай, 3 силы и 3 момента) реакций.
Расчет звена 4.
Схема нагружения четвертого звена изображена на рисунке 6.
mгр=5 кг;
g=9,8 H/кг;
Pгр=5?9,8=49 H;
Рисунок 6 - Схема нагружения четвертого звена
Находим момент сопротивления из условия прочности:
,
где - коэффициент запаса прочности, =10, так как определяющим фактором, в конечном итоге, является жесткость руки манипулятора;
- допускаемые напряжения, для алюминия =20 МПа.
мм3
Исходя из условий работы (вращение вокруг оси Х на 3600) наиболее предпочтительным является сечение в виде кольца, представленное на рисунке 7.
Рисунок 7 - Кольцевое сечение
Для кольцевого сечения имеем
,
где - диметр наружного цилиндра;
- диаметр отверстия.
;
=89,6мм
Принимаем =90 мм, тогда =80 мм.
Масса звена равна
,
- удельный вес алюминия, =0,0027 гр/мм3 (2,7*10-6 кг/мм3).
=4,24 кг
Распределенная нагрузка от веса звена
Н/м
Пересчитываем звено 4 с учетом распределенной нагрузки:
Момент инерции четвертого звена:
Расчет звена 3.
Схема нагружения третьего звена изображена на рисунке 8.
Рисунок 8 - Схема нагружения третьего звена
P3= P4+ Pгр;
Pгр=5?9,8=49 H
P3=49+31,97=80,97Н.
мм3
Исходя из условий работы (поступательное движение по оси Х) наиболее предпочтительным является сечение в виде прямоугольника, представленное на рисунке 9.
Рисунок 9 - Сечение в виде прямоугольника
b=0,5h; h'=0,95h; b'=0,90b.
Для прямоугольного сечения имеем:
b=94мм; h'=178 мм; b'=84 мм.
S=bh-b'h'=188*94-178*84=2720 мм2.
m=V?г=S?l3? г=2720?1750?2,7?10-6=12,85 кг.
Пересчитываем звено 3 с учетом распределенной нагрузки:
Момент инерции третьего звена:
I = b*h?/12 - b?*h??/12 = 94*(188)?/12 - 84*(178)?/12 = 12571667 мм4.
Расчет звена 2.
Схема нагружения второго звена изображена на рисунке 10.
Рисунок 10 - Схема нагружения второго звена
P2= P3+ P'3;
P'3=12,85?9,8=125,93 H
P2=80,97+125,93=206,9Н.
мм3
Исходя из условий работы (вращение вокруг оси Z) наиболее предпочтительным является сечение в виде прямоугольника, представленное на рисунке 9.
Для прямоугольного сечения имеем:
b=108мм; h'=206 мм; b'=98 мм.
S=bh-b'h'=216*108-206*98=3140 мм2.
m=V?г=S?l3? г=3140?750?2,7?10-6=6,36 кг.
Пересчитываем звено 2 с учетом распределенной нагрузки:
Момент инерции второго звена:
I = b*h?/12 - b?*h??/12 = 94*(188)?/12 - 84*(178)?/12 = 12571667 мм4.
Расчет звена 1.
Схема нагружения первого звена изображена на рисунке 11.
Рисунок 11 - Схема нагружения первого звена
P1= P2+ P'2;
P'2=6,36?9,8=62,33 H
P1=206,9+62,33=269,2Н.
мм3
4. Прочностной расчет
Для алюминия [у] = 20 мПа.
- эквивалентное напряжение звена
уi = Мi/Wpi - Ni/Si; фi = Ti/Wp = 0.
Найдем действующие моменты сопротивления:
мм3.
мм3.
мм3.
мм3.
у4 = М4/W4 - N4/S4 = 121,35?103/4893 -158,7/1776 =19,8 мПа.
у3 = М3/W3 =121,24?103/19947 =4,4 мПа
у2 = М2/W2 - N2/S2 = 495?103/21734-218,3/929=19,1 мПа
у1 = М1/W1 - N1/S1 = 435?103/40960 -395,7/1359,75=10,5 мПа
Все полученные напряжения меньше допускаемого.
Расчет прогибов звеньев.
Делаем расчёт для первого звена: Е=2?105 МПа, l1=1,75 м,
[у] = 160 мПа.
Для четвертого звена:
Заключение
Данная курсовая работа позволяет закрепить знания по курсу «Теория машин и механизмов» применительно к пространственным механизмам, представляющих механическую часть манипулятора. В ходе выполнения курсовой работы был проведен структурный анализ заданной конструкции манипулятора. Были выполнены основные задания курсовой работы.
Произведен кинематический анализ механической части манипулятора. Составлены векторные уравнения для определения положения схвата манипулятора при известных длинах звеньев и их перемещениях. Используя тензерно-матричный метод определены основные параметры зоны обслуживания. Составлены векторные для определения угловых и линейных скоростей и ускорений звеньев, кинематических пар и схвата манипулятора. Используя тензерно - матричный метод определили скорости и ускорения для расчетного положения манипулятора. Для расчетного положения манипулятора построены планы скоростей и ускорений. Проведен силовой анализ заданной конструкции манипулятора.
Поведен прочностной расчет звеньев манипулятора. Определены геометрические характеристики поперечных сечений с учетом характера и вида нагружения. Найдены массы звеньев.
Определено перемещение схвата манипулятора от действия сил тяжести, веса груза и сил инерции полагая, что кинематические пары являются абсолютно жесткими и не вносят погрешность в деформацию всего механизма. На основе полученных данных делаем вывод о готовности звеньев манипулятора с полученными формами и размерами выдержать критические нагрузки. Масса всего манипулятора получилась 38,3 кг, что для достаточно больших размеров немного.
Данный расчет служит базой для выработки навыков проектирования и расчета подобных устройств, но он является лишь ориентировочным расчетом, так как не учитывались массы приводов и двигателей, установленных на звеньях.
Список литературы
1. Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. - М.: «Наука», 1975.
2. Воробьев Е.И. Механика промышленных роботов. В 3-х книгах. М.: «Высшая школа», 1988.Юревич Е.И. Основы робототехники, 2-е издание. М.: BHV, 2005. - 416 с.
3. Попов С.А. Курсовое проектирование по теории механизмов и механике машин. М., 1986.
4. Промышленная робототехника и гибкие автоматизированные производства / Под ред. Е.И. Юревича. Л., 1984.
5. Фу К., Гонсалес Ф., Ли К. Робототехника: перевод с англ. - М: Мир; 1989. - 624 с.
Приложение А
Эпюры внутренних силовых факторов.
Эпюра поперечной силы QZ
Рисунок А.1 - Эпюра поперечной силы QZ
Эпюра изгибающего момента относительно оси Y
Рисунок А.2 - Эпюра изгибающего момента Му.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Описание схемы и расчет дифференциальных уравнений движения манипулятора с двумя степенями свободы. Кинематический анализ схемы и решение уравнений движения звеньев и угловых скоростей механизма. Реакции связей звеньев и мощность двигателя управления.
курсовая работа [3,2 M], добавлен 06.08.2013Структурная схема механизма робота-манипулятора в пространстве. Определение степени подвижности механизма робота-манипулятора. Анализ движения механизма робота-манипулятора и определения время цикла его работы. Определение и построение зоны обслуживания.
курсовая работа [287,4 K], добавлен 06.04.2012Автоматическая машина, состоящая из манипулятора и устройства программного управления его движением. Назначение и применение промышленного робота. Структурная схема антропоморфного манипулятора. Задачи механики манипуляторов и ее кинематический анализ.
реферат [179,3 K], добавлен 09.12.2010Описание конструкции и принципа действия манипулятора. Разработка гидропривода подвода захвата манипулятора. Определение потерь давления в аппаратах на этапе перемещения комплектов. Разработка технологического процесса изготовления приводной шестерни.
дипломная работа [483,5 K], добавлен 22.03.2018Манипулятор - механизм для управления пространственным положением орудий и объектов труда, характеристика его оснащения. Расчёт параметров механической системы манипулятора типа ВПП. Процесс работы манипулятора, его кинематическая система и мощность.
курсовая работа [48,4 K], добавлен 27.08.2012Структурный и кинематический анализ механизма поршневого компрессора. Расчет скоростей и ускорений точек и угловых скоростей звеньев механизма методом полюса и центра скоростей. Определение параметров динамической модели. Закон движения начального звена.
курсовая работа [815,2 K], добавлен 29.01.2014Пространственные механизмы со многими степенями свободы. Синтез четырехзвенного манипулятора. Выбор передачи редуктора для требуемых звеньев. Расчет мощности привода четвертого звена. Расчет вала на прочность. Основные параметры и подбор подшипников.
курсовая работа [1,3 M], добавлен 05.01.2013Выбор рабочей жидкости манипулятора. Расчет мощности и подачи насосов. Определение параметров распределителя. Выбор регулирующей и направляющей гидроаппаратуры. Расчет диаметров трубопроводов, потерь давления во всасывающем трубопроводе. Выбор фильтров.
курсовая работа [969,7 K], добавлен 09.06.2012Структурный, кинематический и динамический анализ плоского рычажного механизма методом планов скоростей и ускорений. Определение параметров маховика. Силовой расчет плоского шестизвенного рычажного механизма и входного звена. Синтез зубчатой передачи.
курсовая работа [604,1 K], добавлен 13.10.2012Параметры манипулятора по представлению Денавита-Хартенберга (система координат, параметры звеньев и сочленение). Однородные матрицы преобразований для всех переходов системы координат. Решение прямой задачи кинематики с реализацией в среде SimMechanics.
курсовая работа [1,1 M], добавлен 25.12.2013
