Расчет основного оборудования манипулятора.

Из эскиза манипулятора (Рис. 5) видно, что основным оборудованием являются пневмоцилиндры – подъемный и поворотный. Расчет пневмоцилиндра заключается в подборе диаметра его поршня (внутреннего диаметра гильзы цилиндра), таким образом чтобы развиваемое цилиндром усилие было достаточным для преодоления действующих на него нагрузок.

Расчетная схема пневмоцилиндра представлена на рис.9

Рисунок 9 - Расчетная схема пневмоцилиндра.

 

Произведем расчет диаметра пневмоцилиндра. Эффективная сила на штоке цилиндра , Н:,

где – избыточное давление нагнетания в полостях пневмоцилиндра, по условию работы следует принять равным - 6 атм = .

Теоретическое усилие, не что иное как осевая сила зависит от диаметра поршня и давления воздуха в его рабочих полостях и рассчитывается по формулам:

Здесь – эффективная площадь поршневой полости, ,

D – диаметр поршя.

– эффективная площадь штоковой полости, .

d – диаметр штока.

При практическом расчете необходимо учитывать силу трения на штоке пневмоцилиндра. Для этого необходимо знать массу перемещаемую пневмоцилиндром в нашем случае она будет составлять 18 кг (масса прибора с дополнительным оборудованием и масса рабочей балки на которой установлен прибор).

Найдём усилие от силы трения на штоке:

где µ = 0.4 - коэффициент трения, m = 18кг - масса подвижных частей, ускорение свободного падения.

Запишем формулу для нахождения диаметра пневмоцилиндра:

где k1 – коэффициент, учитывающий силы трения в пневмоцилиндре, принимаю k1 = 0,8 [5, стр.211];

k2 – коэффициент, определяющий запас по усилию, т.к. цилиндр транспортный, то принимаю k2 = 0,6 [5, стр. 211].

Тогда:

Таким образом для вертикального перемещения прибора достаточно диаметра поршня пневмоцилиндра равного 20 мм, но так же необходимо учесть высоту подъема в 400 мм. Поэтому выберем пневмоцилиндр D=40мм, d=12мм по ГОСТ 15608-81, с обозначением:

Пневмоцилиндр 2011 – 40 х 400 ГОСТ 15608-81.

Или аналог фирмы Festo:

ADN 40-400-A-P-A

Параметры пневмоцилиндра:

Рабочая среда: сжатый воздух с фильтрацией 10мкм.

Рабочее давление: (0,05…0,7) МПа.

Максимальное давление: 1,2 МПа.

Температура: (-10…60) 0С.

Диаметр поршня: D = 40мм.

Диаметр штока: d =12мм.

Рабочий ход поршня: L = 400мм.

Рисунок 10 – Пневмоцилиндр Festo AND-40-300-A-P-A

 

Площадь поршневой полости пневмоцилиндра :

Площадь штоковой полости пневмоцилиндра :

Площадь штока, м²:

 

Найдем эффективную силу на штоке цилиндра , Н:,

Приведение к цилиндру чрезмерной осевой нагрузки может привести к продольному изгибу штока (потерю устойчивости в осевом направлении). Критическое усилие, приводящее к продольному изгибу, рассчитывают по обобщенной формуле Эйлера [5,стр 212].

модуль упругости (для стали )

момент инерции штока ()

( [5.стр 213])

По условию будем считать что цилиндр достиг крайнего положения выдвинутого штока таким образом длинна полностью раскрытого пневмоцилиндра будет равна .

Максимально допустимая величина нагрузки на шток определяется из соотношения:

коэффициент запаса по прочности ().

Расчет поворотного пневмоцилиндра имеет различие с расчетом подъемного пневмоцилиндра ввиду того, что они совершают разные движения. Поворотный пневмоцилиндр выбирается с учетом диаметра поршня и момента инерции. Диаметр поршня так же зависит от силы трения но не на штоке как в подъемном, а на самом поршне.

Найдём усилие от силы трения на пневмоцилиндре:

где µ = 0.4 - коэффициент трения, m = 40 кг - масса конструкции, ускорение свободного падения.

Запишем формулу для нахождения диаметра пневмоцилиндра:

где k1 – коэффициент, учитывающий силы трения в пневмоцилиндре, принимаю k1 = 0,9 [5, стр.211];

k2 – коэффициент, определяющий запас по усилию, т.к. цилиндр поворотный, то принимаю k2 = 0,4 [5, стр. 211].

Тогда:

Необходимо так же посчитать момент инерции нашей конструкции и с учетом этого момента подобрать пневмодвигатель. Момент инерции будет максимален тогда когда подъемный пневмоцилиндр достигнет крайнего верхнего положения. Представим эту часть конструкции в виде сплошного цилиндра массой 18 кг, длинной 0.8 м и диаметром 0,06 м.

Таким образом найдем момент инерции по известной формуле:

По моменту инерции и по диаметру поршня из каталога Festo выберем следующий поворотный пневмодвигатель:

Выбирем пневмоцилиндр D=40мм, d=16мм фирмы Festo:

DNQ 40-180-PPV-A

Параметры пневмоцилиндра:

Рабчая среда: сжатый воздух с фильтрацией 10мкм.

Рабочее давление: (0,05…1) МПа.

Температура: (-10…60) 0С.

Диаметр поршня: D = 40мм.

Диаметр штока: d =16мм.

 

Рисунок 11 – Общий вид поворотного

пневмоцилиндра DNQ фирмы FESTO.

Для контроля движения пневмопривода устанавливают дроссели с обратным клапаном. Регулирование скорости пневмоцилиндра осуществляется на линии выхлопа. Уровень давления в приводе будет выше, чем при установке дросселя в линию нагнетания.

Расчетная схема пневмопривода представлена на рис.12.

В этой схеме 1 – пневмоцилиндр,2 – пневмодроссель с обратным клапаном, 3 – пневмораспределитель, 4 – манометр, 5 – ресивер, 6 – насос, 7 – двигатель, 8 – воздушный фильтр, 9 – поворотный пневмоцилиндр, здесь номера 4 – 8 входят в заводскую компрессорную станцию.

Таким образом, нужно так же отметить, что для работы пневмопривода и манипулятора в целом, необходим трубопровод по которому будет подаваться воздух, пневмораспределители для управления пневмоцилиндрами, и дроссели с обратным клапаном.

 

Рисунок 12 – Схема пневмопривода.