Obsah - UNIZA

Žilinská univerzita Diplomová práca KAVS

4

Obsah 1 Úvod ........................................................................................................................... 5

2 Sériové, paralelné a hybridne kinematické štruktúry ........................................... 6

2.1 Sériové kinematické štruktúry ............................................................................... 6

2.1.1 Stavba ............................................................................................................ 6

2.1.2 Výhody a nevýhody sériových kinematických štruktúr ................................ 7

2.2 Paralelné kinematické štruktúry ............................................................................ 8

2.2.1 História .......................................................................................................... 8

2.2.2 Charakteristika ............................................................................................... 8

2.2.3 Rozdelenie paralelných kinematických štruktúr ............................................ 9

2.2.4 Výhody a nevýhody paralelných kinematických štruktúr ........................... 14

2.3 Hybridné kinematické štruktúry .......................................................................... 14

3 Pracovné hlavice...................................................................................................... 16

3.1 Manipulačné efektory .......................................................................................... 17

3.1.1 Mechanické uchopovacie hlavice ................................................................ 18

3.1.2 Magnetické uchopovacie hlavice ................................................................. 21

3.1.3 Podtlakové uchopovacie hlavice ................................................................. 23

4 Návrh hybridnej kinematickej štruktúry ............................................................. 26

5 Konštrukcia sériovej nadstavby trivariantu ........................................................ 29

5.1 Návrh kinematických dvojíc sériovej nadstavby ................................................ 32

5.2 Návrh pohonov .................................................................................................... 36

5.3 Návrh prevodov ................................................................................................... 37

6 Návrh manipulačných efektorov a ich umiestnenie na pohyblivú

platformu robota ..................................................................................................... 42

6.1 Mechanické uchopovacie hlavice........................................................................ 42

6.1.1 Mechanická pneumatická uchopovacia hlavica........................................... 43

6.1.2 Mechanická elektrická uchopovacia hlavica ............................................... 43

6.2 Podtlaková uchopovacia hlavica ......................................................................... 44

7 Záver ........................................................................................................................ 46


5

1 Úvod S rozvojom automatizácie rastú požiadavky aj na parametre nových robotických

zariadení, ktoré by mali mať väčšiu tuhosť, dosahovali by väčšie rýchlosti a zrýchlenia. Stroje

postavené s klasickou sériovou kinematikou už narážajú na svoje hranice a nedokážu

dostatočne zabezpečiť tieto neustále rastúce požiadavky.

Vývoj v oblasti obrábacích strojov a tiež robotov sa preto začal orientovať na

aplikovanie netradičných kinematických princípov, medzi ktoré patria aj paralelné

kinematické štruktúry. Táto konštrukcia je známa už od roku 1928, ale vzhľadom na vysoké

nároky na riadiaci systém jej praktická realizácia a masívnejší rozvoj musel čakať až do konca

dvadsiateho storočia. Keďže v poslednom období došlo k rýchlemu rozvoju výpočtovej

techniky (predovšetkým v oblasti hardvéru), táto nevýhoda sa postupne vytráca.

Sériová aj paralelná kinematika má svoje výhody a takisto i nedostatky a nedá sa preto

nájsť univerzálne riešenie pre každú aplikáciu. Paralelné mechanizmy sa vyznačujú

výhodnými vlastnosťami predovšetkým pre polohovanie a mechanizmy so sériovou

kinematikou pre orientáciu. Jednou z ciest zavádzania inovácií v oblasti výrobných

a manipulačných zariadení je využívanie takzvaných hybridných kinematických štruktúr,

ktoré v sebe spájajú výhody paralelných a sériových kinematických štruktúr. Konfigurácia

týchto mechanizmov sa môže líšiť, ale najčastejšie sa stretávame práve s prípadom, kedy

paralelná časť zabezpečuje polohovanie koncového člena v priestore a sériová časť jeho

orientáciu. Takýmto usporiadaním je možné dosiahnuť až šesť stupňov voľnosti, teda úplné

polohovanie a orientovanie objektu v priestore.

Cieľom diplomovej práce je podať prehľad o vývoji a súčasnom stave v oblasti robotov

z paralelnou a hybridnou kinematickou štruktúrou. Hlavnou úlohou je navrhnúť nadstavbu so

sériovou kinematikou pre projekt zameraný na vývoj mechanizmu zvaného TriVariant, ktorý

sa v súčasnosti realizuje na Katedre automatizácie a výrobných systémov Žilinskej univerzity.


6

2 Sériové, paralelné a hybridne kinematické štruktúry

Kinematika je náuka, ktorá skúma pohyb telies bez ohľadu na sily a krútiace momenty,

ktoré pohyb spôsobili. Kinematika sa zaoberá polohou, rýchlosťou, zrýchlením a ďalšími

vyššími deriváciami polohových premenných vzhľadom k času alebo iným premenným.

Z toho vyplýva, že kinematika študuje iba geometriu a časové vlastnosti pohybu [2].

Kinematická štruktúra výrobných strojov a priemyselných robotov je zložená z rôznych

telies, ktoré sú spojené kinematickými dvojicami a silovými elementmi, ako sú napr. pružiny,

tlmiče, pohony a iné. Kinematické dvojice obmedzujú vzájomný pohyb pôvodne voľne

pohyblivých telies. Typ použitých kinematických dvojíc a ich usporiadanie vymedzuje

pracovný priestor výrobných strojov a priemyselných robotov. Niekoľko telies spojených

kinematickými dvojicami tvorí kinematický reťazec. Výrobné stroje a priemyselné roboty

delíme podľa kinematickej štruktúry (typu kinematického reťazca) na stroje:

so sériovou kinematickou štruktúrou (otvoreným kinematickým reťazcom),

s paralelnou kinematickou štruktúrou (uzavretým kinematickým reťazcom),

s hybridnou kinematickou štruktúrou.

2.1 Sériové kinematické štruktúry

2.1.1 Stavba

Sériové kinematické štruktúry majú dôležitý význam nielen v oblasti výrobných strojov,

ale aj v oblasti výrobných robotov a manipulátor. Charakteristickým znakom pre sériové

kinematické štruktúry je ich postupné usporiadanie kinematických dvojíc. Príklad sériovej

kinematiky je znázornený na obr. 2.1. Ramená robota tvorí otvorený kinematický reťazec.

Výsledný pohyb sa skladá z niekoľkých na seba nadväzujúcich pohybov. Zvyčajne sú to

elementárne pohyby (translačné alebo rotačné). Jednotlivé ramená robota sa môžu pohybovať

nezávisle na sebe.


7

Obr. 2.1 Sériový robot IRB 1410 ArcPack [12]

Nosné sústavy súčasných obrábacích strojov so sériovou kinematickou štruktúrou sú tiež

vytvárané stavbou, kde jeden uzol nadväzuje na druhý. Napríklad sú na seba nastavené

celkom tri translačné osi. Dochádza teda k tomu, že os, ktorá je na začiatku kinematického

reťazca, unáša so sebou ostatné časti reťazca [2].

2.1.2 Výhody a nevýhody sériových kinematických štruktúr

Výhody

- dlhoročný vývoj a s tým spojené skúsenosti v oblasti návrhu a výroby,

- jednoduché riadenie,

- nízka cena.

Nevýhody

- nízka tuhosť: akumuluje sa pružnosť, osi sú namáhané na ohyb,

- šírenie chýb: chyby sa hromadia v jednotlivých osiach,

- vysoká hmotnosť pohybujúcich sa častí: Prvá os nesie hmotnosť všetkých

nasledujúcich osí .


8

2.2 Paralelné kinematické štruktúry

2.2.1 História

Prvá priemyselná aplikácia paralelného kinematického mechanizmu (PKM) bola

Goughova platforma (obr. 2.2) navrhnutá v roku 1957 na testovanie pneumatík. Paralelné

kinematické mechanizmy boli ďalej využívané ako letecké simulátory, ale aj pre robotické

aplikácie, vďaka svojej nízkej hmotnosti a vysokej dynamike pohybu.

Vzhľadom k rýchlemu rozvoju vysokorýchlostného obrábania sa PKM stali zaujímavou

alternatívou ku klasickým strojom so sériovou kinematickou štruktúrou.

Obr. 2.2 Goughova platforma [9]

2.2.2 Charakteristika

Paralelný kinematický mechanizmus je mechanizmus s uzavretou kinematickou

štruktúrou zloženou z viacerých paralelných prútov, ktoré sú dĺžkovo prestaviteľné . PKŠ sa

skladá z pevnej bázy, ktorá je s pohyblivou platformou prepojená najmenej dvoma dĺžkovo

prestaviteľnými ramenami.

Paralelné riadenie dĺžky prútov umožňuje súčasný pohyb všetkých stavebných skupín

sústavy, dosiahnutie požadovanej polohy a priestorového sklonu pracovnej jednotky. Pre

riadenie paralelnej kinematickej štruktúry je zvyčajne potrebných 5 až 6 stupňov voľnosti.

Tieto sú realizované pomocou guľových a kardanových kĺbov, čo vylučuje akékoľvek


9

ohybové alebo torzné namáhanie prútov a vedie k značnému zníženiu celkovej hmotnosti

stroja.

PKŠ sa odlišujú od sériových trojdimenzionálnym usporiadaním prútov. Kým

u sériového prevedenia má kartézska stavba za následok nielen výskyt ťahových a tlakových,

ale aj torzných a ohybových napätí, u paralelných štruktúr sú kĺby a prúty namáhané len

ťahovými a tlakovými silami (obr. 2.3).

a) b)

Obr. 2.3 Pôsobenie sily u sériovej (a.) a paralelnej (b.) kinematiky [10]

Je veľmi veľa rôznych variantov paralelných kinematických štruktúr. Môžu mať rôzny

počet prútov či kĺbov v rôznych prevedeniach. Prúty môžu byť upevnené každý vo svojom

uzle, alebo môžu byť upevnené dva kĺby v jednom uzle. Paralelná štruktúra býva upevnená

tak, že základňa je pevná a vreteno, efektor alebo iné funkčné zariadenie je umiestnené na

pohyblivej platforme. Celé zariadenie však môže byť orientované vertikálne, otočené tak, že

akčný člen je orientovaný smerom hore alebo dolu. Ďalším spôsobom orientovania

mechanizmu je jeho horizontálna orientácia. Každá z uvedených orientácií mechanizmu má

svoje výhody. Keďže majú paralelné mechanizmy zväčša malé rozmery a malé hmotnosti

voči konvenčným strojom a robotom, mechanizmus je jednoduché premiestniť a nainštalovať

ho na iné pracovisko pre ďalšie operácie pri zmene sortimentu výroby [6].

2.2.3 Rozdelenie paralelných kinematických štruktúr


10

Paralelné kinematické mechanizmy sa najčastejšie rozdeľujú podľa počtu aktívnych tyčí

(prútov, nôh ) na:

Bipody

Tripody

Pentapody

Hexapody

Delta roboty

Bipody

Bipod je zariadenie, ktoré má dve riadené podpery, vďaka ktorým sa zariadenie

pohybuje. Táto konštrukcia bola využitá pre vysokorýchlostné frézovacie trojosové obrábacie

centrum Trijoint 900H (obr. 2.4)

Obr. 2.4 Obrábacie centrum s bipodickou PKŠ Trijoint 900H [7]

Tripod

Tripod (obr. 2.5) je zložený zo základne, ktorá je spojená s platformou prostredníctvom

troch aktívnych ramien a jednej pasívnej väzby. Pasívna väzba odoberá platforme rotačné

stupne voľnosti. Koncový člen sa u Tripodu umiestňuje priamo na platformu. Pri takomto

kinematickom usporiadaní Tripodu je možné koncový člen iba polohovať v priestore,

natočenia koncového člena sú závislé na kinematike stroja.


11

Obr. 2.5 Tripod[8]

Hexapod

Obr. 2.6 hexapod M-850 [11]

Hexapod (obr. 2.6) pozostáva zo šiestich riadených prútov, ktoré môžu meniť svoju

dĺžku a sú upevnené na kĺboch, ktoré sú upevnené na pevnej základni a pohyblivej platforme.

Koordináciou vysúvania alebo zasúvania piestov sa umožňuje pohyb a naklápanie pohyblivej

platformy do pracovnej polohy, na ktorej je umiestnená vlastná technologická jednotka


12

Delta roboty

Delta robot (Obr. 2.7) je typ paralelného robota. Skladá sa z troch ramien pripojených

k základnej platni. Kľúčovým prvkom je použitie paralelogramu na ramenách, ktoré

zabezpečujú orientáciu koncového efektora. Delta robot sa najčastejšie používa na zberanie

a balenie, pretože je rýchly a dokáže vykonávať až 150 zdvihov za minútu [13].

Obr. 2.7 Schéma delta robota [13]

Delta robot bol vynájdený začiatkom 80-tych rokov Reymondom Clavelom na École

Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Švajčiarsko). Účelom tohto nového typu robota

bola manipulácia s ľahkými a malými objektmi vo veľmi vysokej rýchlosti. V roku 1987

firma Demaurex zakúpila licenciu na Delta robot a začala výrobať Delta roboty pre

baliarenský priemysel. V roku 1991 Reymond Clavel predstavil svoju dizertačnú prácu

Konštrukcia robota s paralelnou kinematikou so 4 stupňami voľnosti, za ktorú získal

ocenenia v roku 1999 za prácu a rozvoj v oblasti Delta robotov. V roku 1999 začala firma

ABB Flexibilná automatizácia predávať svoj Delta robot pod názvom FlexPicker (Obr. 2.8).


13

Obr. 2.8 FlexPicker [14]

Delta robot je robot s paralelnou kinematickou štruktúrou. Má štyri stupne voľnosti, tri

translačné a jednu rotačnú. Kľúčovým pojmom Delta robota je použitie parallelogramu. Tieto

parallelogramy obmedzujú pohyb koncového člena len translačne (len pohyb v smere osi X,

Y alebo Z). Robot je namontovaný nad pracovným priestorom. Všetky pohony sa nachádzajú

v základni robota. Z tejto základne sú vysunuté tri kĺbové ramená. Ramená sú vyrobené z

ľahkého kompozitného materiálu. Konce troch ramien sú spojené s malou trojuholníkovou

platformou. Ovládanie je možné vykonávať s lineárnym alebo rotačným pohonom . Zo

základne vychádza štvrtá noha, ktorá je pripojená do stredu trojuholníkovej platformy

a dodáva koncovému efektoru štvrtý rotačný stupeň voľnosti. Pretože pohony sú umiestnené v

základni a ramená sú vyrobené z kompozitného materiálu, pohyblivé časti Delta robota majú

malú zotrvačnosť. To umožňuje veľmi vysokú akceleráciu. Zrýchlenie môže byť až 30 g (tzn.

až 30- násobok gravitačného zrýchlenia) a rýchlosti až 10 ms1[13].

Využitie Delta robotov je hlavne v odboroch, ktoré využívajú vysokú rýchlosť najmä pre

balenie, zdravotníctvo a farmaceutický priemysel. Ďalšie možné aplikácie zahŕňajú montáž

alebo prevádzku v čistých priestoroch pre elektronické súčiastky.


14

2.2.4 Výhody a nevýhody paralelných kinematických štruktúr

Výhody

- tuhá konštrukcia,

- ťahové a tlakové zaťaženia tyčí a stojanov,

- vysoké pracovné rýchlosti a zrýchlenia,

- opakovateľnosť jednotlivých časti v rámci stoja,

- vysoká presnosť,

- malá hmotnosť pohybujúcich sa častí,

Nevýhody

- zložité riadenie lineárnych pohybov - vyžadujú šesťosové riadenie,

- vysoké náklady a náročný systém riadenia,

- obmedzená orientačná pohyblivosť pri výmene nástroja,

- bez prídavnej rotačnej a výkyvnej osi je možné obrábanie len z jednej strany obrobku,

- veľké dĺžky častí stroja sú nepriaznivé z hľadiska tepelných deformácií,

- nevýhodný pomer medzi veľkosťou pracovného priestoru a zastavaného priestoru

stroja,

- nákladný merací systém pre dosiahnutie požadovaných presností.

2.3 Hybridné kinematické štruktúry

Sériová aj paralelná kinematika majú svoje výhody a takisto i nedostatky a nedá sa preto nájsť

univerzálne riešenie pre každú aplikáciu. Paralelné mechanizmy sa vyznačujú výhodnými

vlastnosťami predovšetkým pre polohovanie a mechanizmy so sériovou kinematikou pre

orientáciu. Preto sa ako jeden z optimálnych spôsobov používania takýchto štruktúr javí

skĺbenie sériovej a paralelnej kinematiky, kde paralelná časť zabezpečuje polohu koncového

člena v priestore a sériová časť slúži na orientáciu koncového člena. Konštrukcia vychádza

z konštrukcie tripodu, ktorý je uvedený na (Obr. 2.5).


15

Tricept

Tricept (Obr. 2.9) je hybridná paralelná štruktúra s rovnakou kinematickú štruktúrou ako

tripod s tým rozdielom, že koncový člen je umiestnený až na poslednom člene sériovej

kinematickej štruktúry. Pri takomto riešení je možné aj uhlové natočenie koncového člena.

Obr. 2.9 Tricept[8]

Trivariant

Trivariant (Obr. 2.10) má upravenú kinematickú štruktúru tricepta - trivariant má zlúčenú

pasívnu väzbu s jedným ramenom. Tým sa podarilo čiastočne zväčšiť pracovný priestor.

Nevýhodou je však zvýšené namáhanie spomínaného ramena.

Obr. 2.10 Trivariant [8]


16

3 Pracovné hlavice

Činnosť manipulátora alebo robota spočíva v nastavovaní diskrétnych polôh pracovnej

hlavice alebo v spojitom pohybe pracovnej hlavice po definovanej obecnej priestorovej dráhe,

pritom sa spravidla riadi aj orientácia pracovnej hlavice.

Pracovná hlavica je teda funkčná časť, ktorá podľa charakteru požadovanej činnosti

určuje využitie pohybového systému manipulačného prostriedku. Pracovná hlavica býva

umiestnená na výstupe z pohybového systému robota, a preto sa označuje aj ako výstupná

hlavica [4].

Prevedenie pracovnej hlavice odpovedá charakteru aplikácie manipulátora alebo robota

a vo výrobe môžeme uvažovať s týmito charakteristickými typmi aplikácií:

vkladanie objektov do pracovného priestoru výrobného zariadenia a jeho

spätné vykladanie,

medzioperačná manipulácia,

technologické operácie,

kontrolné operácie.

Podľa charakteristických typov operácií prevádzanými robotmi alebo manipulátormi možno

uvažovať o týchto typoch pracovných hlavíc:

manipulačné hlavice,

technologické,

kontrolné a meracie hlavice,

kombinované hlavice,

špeciálne hlavice.

Manipulačné hlavice umožňujú zachytenie objektov pri manipulácií. Hlavná časť

technologickej hlavice je príslušný nástroj, alebo systém nástrojov, u kontrolnej alebo meracej

hlavice ide potom o snímače pre sledovanie určitých veličín.

Konštrukcia pracovnej hlavice umožňuje realizáciu jednej operácie alebo aj niekoľkých

operácií. Príslušná operácia môže byť ale ďalej viazaná, napríklad v prípade manipulačných

hlavíc na určitý typ objektu určitého tvaru a rozmeru. Z hľadiska rozsahu realizovaných

operácií možno rozlíšiť dve kategórie pracovných hlavíc:


17

jednoúčelové,

multifunkčné.

3.1 Manipulačné efektory

Manipulačné efektory (chápadlá, uchopovacie hlavice) predstavujú koncové členy

priemyselných robotov, resp. manipulátorov, ktoré vykonávajú činnosti spojené s obsluhou

výrobných a pomocných zariadení. Jedná sa najmä o uchopovanie, premiestňovanie a

vkladanie objektov manipulácie na požadované miesto. Predstavujú zakončenie

kinematického reťazca robotického zariadenia [4].

Používa sa pre :

vkladanie prípadne vyberanie predmetov do alebo z pracovného priestoru

výrobných strojov alebo ďalších robotov na pracovisku, manipuláciu s

predmetmi (polotovar, súčiastka, nástroj),

manipuláciu s predmetmi medzi viacerými pracoviskami, na ktorých sú

vykonávané činnosti podľa určitého technologického postupu,

manipuláciu s predmetmi na jednom pracovisku (pri obrábaní súčiastky na viac

upnutí, otáčanie výkovku pri kovaní a pod.).

Podobne ako technologické hlavice, sú aj manipulačné efektory navrhované

a konštruované podľa konkrétnych požiadaviek zákazníka. Podľa charakteru kontaktu medzi

uchopovacími prvkami (časti efektora, ktoré prichádzajú bezprostredne do kontaktu s

objektmi manipulácie) a uchopovaným predmetom pri vyvodení uchopovacej sily sa delia na:

A- mechanické - najjednoduchšie uchopovacie mechanizmy

pasívne – pevné podpery, odpružené čeľuste, aktívne – pohyblivé čeľuste s pohonom,

B- magnetické - pre manipuláciu s ľahkými predmetmi menších rozmerov s feromagnetickými vlastnosťami:

pasívne – permanentné magnety, aktívne - elektromagnety,


18

C - podtlakové - pre manipuláciu s predmetmi, ktoré nie sú vyrobené

z feromagnetických materiálov a ktoré majú rovinné a hladké plochy (dosky,

sklené tabule, ...), uchopovacími prvkami sú pružné deformačné prísavky:

pasívne - deformačné prísavky, aktívne - podtlakové komory s riadeným vyvodením podtlaku,

D - špeciálne - pre manipuláciu s krehkými predmetmi (žiarovky, výrobky zo skla)

a s objektmi nepravidelných a zložitých tvarov.

Manipulačné hlavice zostavené len z mechanických prvkov sa označujú ako mechanické

uchopovacie hlavice a z magnetických prvkov ako magnetické uchopovacie hlavice.

Kombináciou uchopovacích prvkov rôzneho druhu vznikajú uchopovacie hlavice

mechanicko-podtlakové, mechanicko-magnetické a podobne. V rámci naznačených typov

hlavíc môžu byť použité v rôznych kombináciách aktívne aj pasívne prvky [4].

Počet uchopovacích prvkov v konštrukcií uchopovacej hlavice závisí na priestorovej

členitosti, rozmeroch, tuhosti a hmotnosti objektov. Podiel počtu pasívnych a aktívnych

prvkov v celkovom počte uchopovacích prvkov je určený predovšetkým požiadavkami na

presnosť zachytenia objektu v hlavici. Podľa počtu uchopovacích prvkov sa rozlišujú

uchpovacie hlavice:

jednoprvkové, viacprvkové.

3.1.1 Mechanické uchopovacie hlavice

Pasívne mechanické uchopovacie hlavice

Pasívne uchopovacie hlavice sa vyznačujú konštrukčnou jednoduchosťou a používajú sa

pri manipulácií s ľahkými objektmi jednoduchého tvaru. Ide teda hlavne o malé príruby,

krúžky, hriadele a podobne. Sú zostavené z pevných a odpružených prvkov bez pohonu.

Pre minimálny rozsah štruktúry pasívnych uchopovacích hlavíc, teda pre hlavice s

dvoma uchopovacími prvkami prichádzajú do úvahy dve koncepcie.

dva odpružené uchopovacie prvky (Obr. 3.1), jeden pevný a jeden odpružený prvok.(Obr. 3.2).


19

Obr. 3.1 Dva odpružené uchpovacie prvky

Obr. 3.2 Jeden pevný a jeden odpružený prvok

Počet prvkov týchto pasívnych mechanických uchopovacích hlavíc je určený

predovšetkým tvarom a rozmermi objektu manipulácie, prípadne na základe požiadavok na

presnosť jeho polohy v hlavici.

Najjednoduchšie hlavice s otvorenými lôžkami sa používajú len pre manipuláciu

v horizontálnej rovine a pohyb musí byť plynulý, aby nedošlo k vypadnutiu manipulovaného

objektu z lôžka [4].

Aktívne mechanické uchopovacie hlavice

Aktívne mechanické hlavice obsahujú aspoň jeden pohyblivý prvok s vlastným

pohonom. Sú teda charakterizované možnosťou ovládania pohyblivých čeľustí spôsobom


20

obdobným, ako je uchopovanie manipulovaného objektu ľudskou rukou. Podľa toho sú tiež

tieto hlavice nazývané ako mechanické chápadlá. Mimo nosnú časť sú zložené z takzvaných

aktívnych uchopovacích prvkov, tvoriacich ovládané pohyblivé čeľuste a prvkov pasívnych

(oporných).

Vzhľadom k veľkému počtu a rozmanitosti typov a tvarov manipulovaných polotovarov

je i veľký počet použiteľných hlavíc. Pre každý typ hlavice a druh predmetu je možné zvoliť

väčšinou niekoľko spôsobov uchopenia [4].

Vnútorná štruktúra hlavice s aktívnym prvkom je tvorená troma blokmi:

motorom

transformačným blokom (mechanický prevod)

aktívnym uchopovacím prvkom (čeľusť, prst)

Neúčasťou transformačného bloku v štruktúre vzťahu motor – uchopovací prvok

vzniknú dve ďalšie koncepcie:

štruktúra s oddeleným usporiadaním motora a uchopovacieho prvku,

štruktúra s integráciou motora a uchopovacieho prvku.

Obidve redukované štruktúry sa prejavia zmenšením rozmerov a hmotnosti konštrukcie,

čo sú u pracovnej hlavice dôležité parametre.

Na hlavici bez transformačného bloku je výstup motora priamo spojený s uchopovacím

prvkom. Toto riešenie má význam predovšetkým u hlavíc s jedným aktívnym prvkom, lebo

v prípade niekoľkých aktívnych prvkov má každý prvok samostatný motor a pretože je

prakticky nemožné zaistiť ich synchrónnu činnosť, je neurčitá aj poloha uchopeného objektu.

V prípade integrovanej štruktúry bez transformačného bloku sa nedá oddeliť pohon od

uchopovacieho prvku, lebo spolu splývajú. Ide o prvky väčšinou špeciálne vyvinuté pre

konštrukcie uchopovacích hlavíc a môžeme ich teda označiť ako nekonvenčné. Uchopovacie

prvky tohto typu konajú často obecný pohyb a pritom sa prispôsobujú tvaru objektu.[4]

Aktívne mechanické hlavice:

aktívne mechanické hlavice bez transformačného bloku, aktívne mechanické hlavice s transformačným blokom:

o hlavice s pákovým transformačným blokom, o hlavice so zubovým transformačným blokom, o hlavice s vačkovým transformačným blokom, o hlavice so skrutkovým transformačným blokom, o hlavice s viacej-stupňovými transformačnými blokmi.


21

3.1.2 Magnetické uchopovacie hlavice

Princíp vyvodenia uchopovacej sily je odvodený od silového pôsobenia magnetického

poľa na feromagnetický materiál. Magnetické pole pôsobením na feromagnetický materiál ho

zmagnetizuje a silovo pritiahne k primárnemu zdroju tohto poľa. Podľa druhu zdroja

magnetického poľa sa magnetické uchopovacie hlavice členia na:

hlavice s permanentným magnetom (pasívne hlavice),

hlavice s elektromagnetom (aktívne hlavice) [5].

Uchopovacie hlavice s permanentným magnetom

Hlavice sú riešené na aplikácii trvalých (permanentných) magnetov, ktoré nepotrebujú

vonkajšiu napájaciu energiu. Hlavice sú postavené na aplikácii pólových nadstavcov z

mäkkého železa (zdroj magnetického poľa) ako uchopovacích prvkov a vzduchovej medzere

medzi týmito prvkami a povrchom uchopovaného objektu. Pri riešení pasívnych hlavíc sa

odporúča dodržať najmä tieto zásady:

uchopované objekty musia byť z feromagnetického materiálu;

tvar, ale najmä uchopovaný povrch objektu uchopenia, by mal byť rovinný;

uchopovaný povrch objektu by mal byť hladký (drsnosť), suchý a čistý;

povrchová teplota objektu je obmedzená (permanentný magnet do 94 °C,

elektromagnet do 60 °C);

pozícia objektu v hlavici pri uchopení má (vo vzťahu k pôsobeniu uchopovacích

síl) zaručiť, aby ťažisko objektu ležalo v osi normálových uchopovacích síl (pri

usporiadaní roviny uchopenia objektu vo vertikálnom smere klesá hodnota

uchopovacej sily približne na štvrtinu);

z dôvodu veľkého rozptylu presnosti uchopenia objektu (parameter – opakovaná

presnosť uchopenia), odporúča sa v konštrukcii hlavice aplikovať doplňujúce

prvky (navádzacie, polohovacie,...);

uchopovacie prvky (magnetické nadstavce, počet, tvar a rozmer podľa potreby)

upevniť na nosný rám hlavice pevne alebo posuvne v kolmom smere na objekt v

účelových držiakoch.


22

Zásadným problémom aplikácie hlavice tohto typu je zmagnetizovanie objektu a jeho

„oddelenie - uvoľnenie“ (vypustenie, odovzdanie) z hlavice. Prax priniesla niekoľko

princípov riešenia na báze vyvodenia odtrhovej sily priamo robotom, pričom objekt je

pridržiavaný účelovým pomocným prvkom (narážka, doraz,...) a vyhadzovacieho

mechanizmu priamo zabudovaného do konštrukcie hlavice, riešenie programovo riadenej

prídavnej funkcie zaradzuje uvoľňovanie objektu ako aktívnu fázu [5].

Uchopovacie hlavice s elektromagnetom

Hlavice sú riešené na aplikácii riadených elektromagnetov. Hlavice sú postavené na

zabudovaní elektromagnetickej jednotky (Obr. 3.3) do konštrukcie hlavice.

Obr. 3.3 Schéma elektromagnetu –

1. jadro elektromagnetu, 2. budiace vinutie, hxb – prierez jadra elektromagnetu

Silový účinok elektromagnetickej jednotky je závislý na veľkosti činnej plochy jadra

elektromagnetu, veľkosti vzduchovej medzery medzi objektom a elektromagnetom, veľkosti

prúdu pretekajúceho budiacim vinutím, kvalite kontaktu s objektom (tvar, čistota povrchu,...).

Pri riešení aktívnych hlavíc, okrem uvedených všeobecne platných zásad, sa odporúča

dodržať najmä tieto zásady:

zdrojom pre napájanie elektromagnetov môže byť:

- batéria (výhoda – prenositeľnosť, nezávislosť na sieti, nie sú potrebné rozvody;

nevýhoda – kapacita, životnosť),

- jednosmerný generátor (nevýhoda – dodatočné rozvody),

- elektrický rozvod nosiča hlavice (nevýhoda - dodatočné rozvody, usmernenie);

problém zmagnetizovania objektu možno riešiť zaradením obvodov pre

odmagnetovanie objektu (krátkodobé pôsobenie prúdu opačnej polarity);


23

problém „oddelenie - uvoľnenie“ (vypustenie, odovzdanie) objektu možno riešiť

programovým ovládaním elektromagnetu[5].

3.1.3 Podtlakové uchopovacie hlavice

Princíp vyvodenia uchopovacej sily je odvodený od fyzikálneho princípu vyvodenia

podtlaku. Podľa spôsobu vytvárania podtlaku hlavice sa členia na:

pasívne hlavice – pritlačením uchopovacieho prvku (prísavky) na uchopovaný

povrch, dôjde k jeho deformácii, nadväzne k zmenšeniu objemu jeho vnútorného

priestoru (komora) a k vytlačeniu atmosférického vzduchu. Spätným pohybom sa

prvok vplyvom vlastnej pružnosti vracia do medzi polohy so zväčšeným vnútorným

priestorom (komora), pričom vznikne podtlakový prisávaci efekt;

aktívne hlavice – pre vyvodenie podtlakového prisávacieho efektu využívajú

vlastný zdroj podtlaku objemovú alebo prúdovú vývevu.

Uchopovacím prvkom je prísavka, (Obr. 3.4), elastická manžeta (zvon) má prevažne

tanierovitý tvar, dovoľujúci prispôsobiť sa uchopovanému povrchu (guľový čap) a utesniť

vnútorný priestor komory prísavky. Po pritlačení manžety je vzduch z komory vytlačený cez

prepúšťací ventil, uvoľnenie objektu je po prepojení vnútorného priestoru prísavky s okolitým

prostredím (zatlačenie kolíka) [5].

Obr. 3.4 Prísavka


24

Pasívne podtlakové hlavice

Problém „oddelenie - uvoľnenie“ (vypustenie, odovzdanie) objektu sa rieši obdobne ako

u predchádzajúceho typu hlavíc, t.j. vyvodením odtrhovej sily priamo robotom, pričom objekt

je pridržiavaný účelovým pomocným prvkom (narážka, doraz,...) a zabudovaním

vyhadzovacieho mechanizmu priamo do konštrukcie hlavice, s programovo riadenou

prídavnou funkciou uvoľňovania. Príklad hlavice je na obr.3.5.

Obr. 3.5 Pasívna hlavica

Odpružený piest zabezpečuje pritlačenie prísavky o súčiastku vždy rovnako veľkou silou

a počas manipulácie zabezpečuje dokonalú tesnosť medzi prísavkou a objektom

manipulácie[5].

Aktívne podtlakové hlavice

Funkciu zdroja podtlaku môže realizovať objemová výveva (rôzne typy čerpadiel –

piestové, lamelové, skrutkové, membránové,...), ktorá zabezpečuje väčší objem vákua (podľa

typu). V robotike sa veľmi nevyužíva, dôvodom sú vyššie náklady a zložitosť technického

riešenia. V robotike sa rozšírilo využívanie prúdových vývev (ejektorov) ako zdrojov vákua.

Funkcia ejektora, (Obr. 3.6), je postavená na vyžití princípu Venturiho trubice.


25

Obr. 3.6 Princíp ejektoru: 1 - uzatvárací ventil,

2 - odvádzanie vzduchu do okolitej atmosféry cez otvorený ventil,

3 – urýchľovanie prúdenia vzduchu, 4 – prívod stlačeného vzduchu, 5 – prísavka,

6 - – objekt manipulácie


26

4 Návrh hybridnej kinematickej štruktúry

Na katedre automatizácie a výrobných systémov (KAVS) Žilinskej univerzity

v Žiline je v súčasnosti riešený projekt stavby hybridnej kinematickej štruktúry, tzv.

trivariantu. Trivariant bude postavený z tripodickej paralelnej kinematiky s troma stupňami

voľnosti a zo sériovej nadstavby s troma rotačnými kĺbmi.

Na obr.4.1 je znázornená kinematická schéma trivriantu, kde symboly T1 až T3 označujú tri

translačné kinematické dvojice tripodu, R1 až R3 rotačné kinematické dvojice a body A, B, C,

D a E označujú jednotlivé kĺby tripodu.

Obr. 4.1 Kinematická schéma trivariantu

Momentálne je na katedre postavený polohovací mechanizmus s paralelnou kinematikou

(Obr. 4.2).


27

Obr. 4.2 Tripod riešený a postavený na KAVS

Rám mechanizmu (Obr. 4.3) je zvarený z profilovej ocele tvaru U a L. V strednej časti

mechanizmu sa nachádza centrálny kardanový kĺb, na ktorom je upevnená centrálna výsuvná

tyč. Na voľných koncoch rámu sú priskrutkované dve ložiskové telesá s kardanovými kĺbmi.

Do nich sú vložené dve základné teleskopické tyče. Tie sú pripevnené pomocou kardanových

kĺbov na pripojovaciu platformu. Na ňu bude pripojená nadstavba so sériovou kinematikou,

ktorej návrh je predmetom tejto diplomovej práce.


28

Obr. 4.3 3D model trivariantu so sériovou nadstavbou

1-centrálny kardanový kĺb, 2-centrálna výsuvná tyč, 3-ložiskové telesá, 4-základné teleskopické tyče, 5-pripojovacia platforma, 6-nadstavba so sériovou kinematikou

6


29

5 Konštrukcia sériovej nadstavby trivariantu

Kinematická schéma

Na (Obr. 5.1) je znázornená kinematická schéma sériovej nadstavby trivariantu.

Nadstavba má tri stupne voľnosti. Je tvorená troma rotačnými väzbami. Spolu s paralelnou

časťou má trivariant celkovo 6 stupňov voľnosti, čím mechanizmus zabezpečí plnú

pohyblivosť koncového člena v priestore.

Obr. 5.1 Kinematická schéma sériovej nadstavby trivariantu

Obr. 5.2 Model sériovej nadstavby

1-pripojovacia platforma nadstavby, 2-kozlík, 3-teleso, 4-koncový efektor


30

Nadstavba (Obr. 5.2) je pripevnená k pohyblivej platforme polohovacieho zariadenia

(tripodu) a slúži ako orientačné zariadenie. Je zložená z dvoch na seba kolmých osí a tretej

osi, ktorá slúži na otáčanie koncového efektora okolo vlastnej osi.

Pripojovacia platforma tripodu

Obr. 5.3 Model pripojovacej platformy tripodu

Pripojovacia platforma (Obr. 5.3) je vyrobená z plechu hrúbky 5 mm. Miesta pripojenia

dvoch základných posuvných tyčí sú sklonené pod uhlom 30°, aby sme dosiahli čo najväčší

využiteľný rozsah pohybu dolných kardanových kĺbov. Z hľadiska zachovania jednoduchosti

konštrukcie a minimalizácie hmotnosti mechanizmu je pri návrhu sériovej nadstavby výhodné

rešpektovať tieto pripojovacie prvky (a ich geometrické parametre), ktoré sa nachádzajú na

pohyblivej platforme tripodu.

Sériová nadstavba bude pripevnená na tripod pomocou štyroch skrutiek umiestnených v

otvoroch O 7 mm, ktoré sú umiestnené na rozstupovej kružnici s priemerom 68 mm.

Pripojovacia platforma sériovej nadstavby

Pripojovacia platforma sériovej nadstavby (Obr. 5.4) je zložená z troch častí: základnej

platformy, pripojovacieho hriadeľa, ktorý je k platni privarený a napínacieho člena. Tento

napínací člen je k platni priskrutkovaný skrutkou M5 s maticou a podložkou. Predpätie

remeňa sa dosiahne pomocou posunutia napínacieho člena na požadovanú vzdialenosť

a utiahnutím skrutiek.

Platňa je vyrezaná z plechu z konštrukčnej ocele hrúbky 5 mm. Hriadeľ je tiež vyrobený

z konštrukčnej ocele. Je na ňom narezaný závit M15 pre KM maticu.


31

Obr. 5.4 Model pripojovacej platformy sériovej nadstavby

1 - základná platforma, 2 - pripojovací hriadeľ, 3 - napínací člen, 4 - skrutka s maticou a podložkou

Kozlík sériovej nadstavby

Obr. 5.5 Model kozlíka sériovej nadstavby

1-teleso, 2-bočnica, 3-napinací člen

Kozlík (Obr. 5.5) je zložený z troch častí: telesa, bočnice a napínacieho člena.

Aby bolo možné do telesa vložiť koncový člen spolu s hriadeľom a efektorom, je základný

rám kozlíka navrhnutý ako delený – skladá sa z pevnej časti, a z demontovateľnej bočnice. Na

telese kozlíka je takisto priskrutkovaný aj napínací člen.


32

Teleso sériovej nadstavby

Teleso sériovej nadstavby (obr. 5.6) predstavuje druhú rotačnú os a zároveň slúži

na valivé uloženie tretej rotačnej osi. Ide o montovanú zostavu zloženú z vidlice, dvoch

hriadeľov, ložiskového telesa a napínacieho člena.

Obr. 5.6 Model telesa sériovej nadstavby

1-vidlica, 2- hriadeľ I, 3- hriadeľ II, 4 – napínací člen, 5 – ložiskové teleso

5.1 Návrh kinematických dvojíc sériovej nadstavby

Na nadstavbe (Obr. 5.7) sa nachádzajú tri kinematické dvojice s rotačnými väzbami, ktoré

bolo treba vyriešiť z hľadiska pohonov aj uloženia.


33

Obr. 5.7 Model kinematických dvojíc na nadstavbe:

1 – rotačný kĺb medzi tripodom a sériovou nadstavbou, 2 – rotačný kĺb zabezpečujúci vyklonenie efektora, 3 –

rotácia koncového člena okolo vlastnej osi

Riešenie prvej kinematickej dvojice

Prvá kinematická dvojica (Obr. 5.8) je zložená zo základnej platformy, ktorá je

priskrutkovaná k pripojovacej platforme tripodu, na hriadeľ základnej platformy je vložene

axiálne ložisko. Do tohto ložiska je vložená remenica, ktorá sa otáča na ložisku s kosouhlým

stykom. Ložisko je poistené KM maticou. K remenici je priskrutkovaný kozlík.

Pohyblivosť prvého kinematického uzla je v rozsahu ± 180° od východiskovej polohy. Tento

rozsah je determinovaný prívodmi médií (elektrická energia, vzduch) ku ďalším

kinematickým osiam.


34

Obr. 5.8 Model riešenia prvéj kinematickej dvojice

1-základná platforma sériovej nadstavby, 2-axiálne ložisko, 3-remenica, 4-ložisko s kosouhlým stykom, 5-KM

matica, 6-štyri skrutky M5

Riešenie druhej kinematickej dvojice

Druhá kinematická dvojica (Obr. 5.9) zabezpečuje vyklonenie koncového člena okolo

osi kolmej na prvú os rotácie.

Prenos krútiaceho momentu od motora je zabezpečený remeňovým prevodom. Teleso

sériovej nadstavby je uložené v dvojradových guľkových ložiskách SKF 108TN9, ktoré sú

poistené poistnými krúžkami.

Pohyb druhej kinematickej dvojice je obmedzený prívodom elektrickej energie k motoru

a konštrukciou nadstavby. Rozsah pohybu je v rozmedzí ±90° z východiskovej polohy .


35

Obr. 5.9 Model druhej kinematickej dvojice

1-bočnica kozlíka, 2-poistné krúžoky, 3- dvojradové guľkové ložiská SKF 108TN9, 4-hriadeľ I, 5-vidlica, 6-

ložiskové teleso, 7-hriadeľ na pripojenie efektora, 8-hriadeľ II, 9-kozlík,10-remenica

Riešenie tretej kinematickej dvojice

Tretia kinematická dvojica (Obr. 5.10) slúži na rotáciu koncového člena (manipulačného

efektoru ) okolo vlastnej osi. V prípade aplikácie robota s piatimi stupňami voľnosti sa s touto

osou nepočíta a bude nahradená priamo koncovým členom.

Obr. 5.10 Model tretej kinematickej dvojice

1-ložiskové teleso, 2-guľkové ložiská SKF 6202, 3-poistné krúžky, 4-výstupný hriadeľ na ktorom bude umiestnený efektor, 5–vidlica,6-axiálne ložisko SKF 51102, 7-remenica


36

Do ložiskového telesa je vložený hriadeľ, ktorý zároveň slúži aj ako pripevnenie pre

koncový manipulačný efektor. Hriadeľ sa otáča na ložiskách SKF 6202. Na konci hriadeľa je

pripevnená ozubená remenica. Na zachytenie axiálnych síl slúži axiálne guľkové ložisko SKF

51102.

Rozsah pohybu koncového člena nie je konštrukčne obmedzený, obmedzený však môže

byť druhom použitého koncového efektoru z dôvodu potreby prívodu média k tomuto

koncovému členu.

5.2 Návrh pohonov

Na pohon osí nadstavby sú použité tri jednosmerné motory EMG30 (Obr. 5.11),

s inkrementálnym snímačom a vlastnou redukčnou prevodovkou s prevodovým pomerom

30:1.

Obr. 5.11 Motor EMG30 [15]

Tab. 1 Parametre motora

Menovité napätie 12 V

Menovitý moment 1,5 kg.cm-1

Menovité otáčky 170 min-1

Menovitý prúd 530 mA

Otáčky bez záťaže 216 min-1

Menovitý prúd bez záťaže 150 mA

Prúd pri nulových otáčkach 2,5 A

Menovitý výkon 4,22 W

Počet impulzov na otáčku výstupného hriadeľa 360


37

Minimálne otáčky 1,5 min-1

Maximálne otáčky 200 min-1

5.3 Návrh prevodov

Na prenos krútiaceho momentu sme navrhli remeňový prevod s ozubeným remeňom.

Tieto prevody spájajú výhody remeňových a reťazových prevodov. Obvodová sila sa prenáša

tvarovým stykom zubov remeňa so zubami remenice odpovedajúcim tvarom zubov použitého

remeňa. Prevody nemajú sklz, majú presný prevodový pomer a tichý chod. Pri tomto type

prevodu musí mať aspoň jedna z remeníc nákružky pre bočné vedenie remeňa. V našom

prípade to bude hnacia remenica.

Na výstupe z prevodovky sú použité remenice 21 T5/10 (Obr. 5.12) so

stredným priemerom 15,92 mm a počtom zubov 10. Na hriadeľ z prevodovky je prevodovka

pripevnená pomocou zverného spoja.

Obr. 5.12 Model hnacej remenice

Ako hnané remenice sú použité dva typy remeníc.

remenica na pohon prvej kinematickej osi (Obr. 5.13)

Ako polotovar na výrobu tejto remenice bude použitá normalizovaná remenica 27 T

5/40. Na valcovej ploche sa po obvode vyvŕtajú štyri otvory so závitom M5 pre

pripojenie koníka. Vnútorný priemer sa zväčší pre vloženie ložiska s kosouhlým

stykom. Vonkajší priemer sa zmenší pre axiálne ložisko.


38

Obr. 5.13 Model hnanej remenice (nenormalizovaná)

remenica na pohon druhej a tretej kinematickej osi (Obr. 5.14)

Je to normalizovaná remenica 21 T5/40

Na hriadeli bude upevnená zverným spojom pomocou dvoch skrutiek.

Obr. 5.14 Model hnanej remenica – normalizovaná

Výpočet prevodového pomeru


39

dpDpi (5-1)

66.6392.15

i

25.0i

Minimálne otáčky na výstupe

min1 nin (5-2)

5.125.01 n

375,01 n ot/min

Maximálne otáčky na výstupe

max2 nin (5-3)

20025,02 n

502 n

Prevod prvého uzla

Najskôr si určíme predbežnú osovú vzdialenosť A.

140A mm

Uhol opásania β hnacej remenice

AdpDp

22cos

(5-4)

290 (5-5)

18,801705,01402

92,1566,632

cos

82.918,8090

Výpočtová dĺžka remeňa Lp


40

)(180

)(5,0cos2 dpDpdpDpALp (5-6)

)92,1566,63(180

82,9)92,1566,63(5,082,9cos1402 Lp

409Lp mm

najbližšia dĺžka remeňa je 410 mm volíme remeň 6 T5 – 410

Skutočná osová vzdialenosť A

qppA 2 (5-7)

Výrazy p a q sú dane vzťahmi

)(8

25,0 DpdpLpp

(5-8)

)66,6392,15(8

41025,0 p

24,71p

2)(125,0 dpDpq (5-9)

2)92,1566,63(125,0 q

89.284q

89,28424,7124,71 2 A

144A mm

Prevod druhého uzla

Výpočet dĺžky remeňa pre druhú kinematickú os.

Pre výpočet sme uvažovali s predbežnou osovou vzdialenosťou A= 120mm.


41

Zo vzorca (5-6) pre výpočet dĺžky remeňa Lp sme vypočítali dĺžku Lp=369,76mm

Tejto dĺžke vyhovuje ozubený remeň 6 T5 – 390.

Potom skutočná osová vzdialenosť A zo vzorca (5-7) sa rovná A=134,6mm

Prevod tretieho uzla

Výpočet dĺžky remeňa pre tretiu kinematickú os.

Pre výpočet sme uvažovali s predbežnou osovou vzdialenosťou A= 110mm.

Zo vzorca (5-6) pre výpočet dĺžky remeňa Lp sme vypočítali dĺžku Lp=350,2mm

Tejto dĺžke vyhovuje ozubený remeň 6 T5 – 355.

Potom skutočná osová vzdialenosť A zo vzorca (5-7) sa rovná A=117,4mm


42

6 Návrh manipulačných efektorov a ich umiestnenie na pohyblivú platformu robota

Ďalším cieľom tejto diplomovej práce bolo navrhnúť rôzne typy manipulačných

efektorov a ich umiestnenie na platformu robota (Obr. 6.1).

Pretože každý výrobca má vlastné rozmery pripojovacích častí, bolo treba riešiť spôsob

pripojenia týchto efektorov na sériovú nadstavbu.

Obr. 6.1 Rozmery koncového člena sériovej nadstavby pre nasadenie efektora

6.1 Mechanické uchopovacie hlavice

Pri manipulácií s týmito hlavicami budeme uvažovať z maximálnou hmotnosťou súčiastok do

0.5kg. Spôsob uchopenia bude za vonkajší povrch súčiastok a súčiniteľ trenia medzi čeľusťou

a súčiastkou bude 20,015,0 . Uvažujeme aj so súčiniteľom bezpečnosti, ktorý je pre 2

uchopovacie čeľuste rovný K=20.

Výpočet skutočnej uchopovacej sily Fu:


43

KgmFu (6-1)

2081,95,0 Fu

NFu 1.98

6.1.1 Mechanická pneumatická uchopovacia hlavica

Prvým typom použitého efektoru je mechanická uchopovacia hlavica MHZ220 od firmy SCM

(Obr. 6.2). Pripojovacie rozmery tejto hlavice vyhovujú pripojovacím rozmerom, ktoré sa

nachádzajú na nadstavbe. Tento efektor sa na nadstavbu pripevní pomocou dvoch skrutiek

M5x12 s vnútorným šesťhranom.

Jedna čeľusť uchopovacej hlavice typu MHZ220 vyvinie pri tlaku vzduchu 0,6 MPa a dĺžke

ramena 20 mm uchopovaciu silu Fu=50N. Pre dve čeľuste je uchopovacia sila Fu=100N čo

vyhovuje nášmu zadaniu.

Jedná sa o pneumatický efektor, preto bude treba pri použití tohto typu efektora zabezpečiť aj

zdroj stlačeného vzduchu.

Obr. 6.2 Mechanické uchopovacie hlavice MHZ od firmy SMC – pneumatické

6.1.2 Mechanická elektrická uchopovacia hlavica

Ďalším typom mechanického efektoru je elektrický mechanický efektor GEP1402 (Obr. 6.3)

od firmy Sommer-automatic.


44

Uchopovacia hlavica typu GAP1402 vyvinie uchopovaciu silu Fu=140N. Teda vyhovuje

nášmu zadaniu.

Obr. 6.3 Mechanická uchopovacia hlavica GAP1402 od firmy Sommer-automatic- elektrická

Pripojovacie rozmery hlavice GAP1402 (Obr. 6.4) nevyhovujú pripojovacím rozmerom,

ktoré sa nachádzajú na nadstavbe. Bude preto potrebne vyrobiť pripojovaciu prírubu.

Obr. 6.4 Pripojovacie rozmery GAP1402

6.2 Podtlaková uchopovacia hlavica

Ďalšou možnosťou použitia uchopovacej hlavice pre daného robota je použitie podtlakovej

uchopovacej hlavice. Aj pri tomto type sme uvažovali s maximálnou hmotnosťou súčiastky

do 0.5 kg. Rozmer vhodnej prísavky sme potom vypočítali zo vzorca pre výpočet priemeru

prísavky D (6-2).


45

npsgmD

10004 (6-2)

D – priemer prísavky (mm)

p - vákuum (kPa)

m- hmotnosť súčiastky (kg)

g – gravitačne zrýchlenie (g = 9.81 ms-2)

n – počet prísaviek (ks)

s – súčiniteľ bezpečnosti (pre zvislý a vodorovný pohyb 4)

1651000481,95.04

D

mmD 6.19 zvolili sme prísavku ZP20BF s priemerom priemer 20

mm.

Prísavka sa na nadstavbu pripája priamo pomocou závitu M6.


46

7 Záver

Diplomová práca sa zaoberá problematikou mechanizmov s paralelnou a hybridnou

kinematikou pre použitie v robotických aplikáciách..

V prvej časti sme sa zamerali na všeobecný prehľad sériovej, paralelnej a hybridnej

kinematiky. Ďalej je uvedený prehľad používaných manipulačných efektorov.

Nasleduje návrh hybridnej kinematickej štruktúry s využitím tripodickej paralelnej

kinematiky, ktorý je v súčasnosti riešený na Katedre automatizácie a výrobných systémov

Strojníckej fakulty ŽU v Žiline.

Cieľom diplomovej práce bolo spracovať konštrukčný návrh nadstavby so sériovou

kinematikou pre nasadenie na paralelnú časť trivariantu a návrh manipulačných efektorov

a ich pripojenia na sériovú nadstavbu. Nadstavba bola riešená z hľadiska konštrukcie, ktorá

zahŕňa riešenie jednotlivých rotačných osí, ich pohon a prevodový mechanizmus. Ako pohony

boli použité jednosmerné servomotory. Tieto motory boli vybraté kvôli zjednodušeniu

riadiaceho systému, pretože pohony na paralelnej časti sú navrhnuté tiež ako jednosmerné.

Pre prenos krútiaceho momentu bolo najvhodnejšie navrhnúť prevody s ozubených remeňmi,

ktoré spájajú výhody remeňových a reťazových prevodov, pretože nemajú sklz a majú

zaručený presný prevodový pomer. Hlavné požiadavky na sériovú nadstavbu boli

jednoduchosť konštrukcie, malé rozmery a nízke finančné nároky na výrobu jednotlivých

častí. Nadstavba má tri stupne voľnosti, rotácia celej nadstavby je v rozsahu ± 180 stupňov,

vyklonenie manipulačného efektoru je v rozmedzí ± 90 stupňov. Rotácia koncového člena je

prakticky neobmedzená, ale do budúcna bude potrebné riešiť problém prívodu médií

(elektrickej energie, vzduchu, ...) ku koncovému efektoru.

V prílohe sa nachádza zostavný výkres sériovej nadstavby, výrobné výkresy hlavných častí

a CD nosič s 3D modelom nadstavby spracovanej v systéme Pro/ENGINEER.


47

Použitá literatúra:

[1] POPPEOVÁ, V. et al.: Automatizácia strojárskej výroby. 1. vydanie, EDIS ŽU

v Žiline, 2002, 230 s., ISBN 80-8070-009-5

[2] KNOFLÍČEK, R., PLŠEK, L.: Paralelní kinematické struktury výrobních strojů

a průmyslových robotů. Brno, VUT Brno, 2006

[3] Merlet, J.-P.: Parallel robots. Kluwer Academic Publisher, Dordrecht, 2000, p.

327, ISBN 0-7923-6308-6

[4] RUMÍŠEK, P.: Automatizace (roboty a manipulatory), VUT Brno, 2003

[5] PALKO, A.,SMRČEK, J., TULEJA, P.: Koncové efektory pre roboty IV

,Strojarstvo,03/2006, ISSN1335-2938

[6] GALIK, I.: Konštrukčný návrh školského hexapodu, Diplomová práca, ZU Žilina

2005

[7] http://www.kovosvit.cz/trijoint/czech/cpopis.php

[8] MAREK, J.: Obráběcí centra s nekonvenční kinematickou strukturou. In: MM

Průmyslové spektrum, speciální vydání – Konstrukce CNC obráběcích strojů -

Září 2006, Praha, MM publishing, p. 234-243, pp. 282, ISSN 1212-2572

[9] http://www.parallemic.org/Material//GoughPlatform.gif

[10] KMECOVÁ, S.: Spracovanie výučbového systému o paralelných kinematických

štruktúrach strojov, Diplomová práca, ZU Žilina 2002, str. 8

[11] http://www.parallemic.org/Material//PI-M-850-hexapod.jpg

[12] http://www.abb.com

[13] http://www.parallemic.org/Reviews/Review002.html

[14] http://www.abb.com

[15] http://www.snailinstruments.com

[16] http://www.smc.sk

[17] http://www.skf.com

[18] http://www.sommer-automatic.de

[19] LIENVEBER, J., ŘASA, J.,VÁVRA, P.: Strojnicke tabulky. 3. vydanie, Scientia

Praha, 1999, 985 s., ISBN 80-7183-164-6


48

Zoznam príloh:

[1] Výkresová dokumentácia

[2] CD médium

Documents

Obsah - UNIZA