Koncepcja mobilnego manipulatora przeznaczonego dla służb komunalnych

Transkrypt

1 Grzelak Krzysztof 1 Śnieżek Lucjan 2 Tchórz Tomasz 3 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego Koncepcja mobilnego manipulatora przeznaczonego dla służb komunalnych 1. WSTĘP W pracy przedstawiono projekt manipulatora będącego nośnikiem dla wymiennego osprzętu wykorzystywanego przez służby komunalne. Założono, że manipulator będzie współpracował z ciągnikiem rolniczym, który będzie stanowiącym jednocześnie źródło napędu dla pompy hydraulicznej zasilającej wszystkie układy robocze. Ruch obrotowy manipulatora będzie poprzez mechanizm śrubowy napędzany liniowym siłownikiem hydraulicznym. Maszyny do prac komunalnych przeznaczone są między innymi do pielęgnacji, ochrony i innych zabiegów związanych z utrzymaniem drzew, krzewów oraz trawników stanowiących pokrycie terenu. Często zdarza się, że dostęp do tych terenów jest utrudniony z powodu np. dużych pochyleń terenu, co wymusza zastosowanie specjalnych wysięgników. Najbardziej uniwersalnym spośród tego typu urządzeń jest kosiarka bijakowa, która umożliwia koszenie terenów zielonych a nawet rozdrabnianie materiałów, takich jak gałęzie drzew o średnicy do kilku centymetrów [3]. W celu zwiększenia możliwości ruchowych manipulatora kosiarki można zastosować w konstrukcji ramienia przegub obrotowy, co umożliwi jego pracę bez konieczności przemieszczania się pojazdu. 2. OPRACOWANIE MODELU GEOMETRYCZNEGO MANIPULATORA I ANALIZA WYTRZYMAŁOŚCIOWA WYBRANYCH ELEMENTÓW KONSTRUKCJI Opracowania modelu geometrycznego manipulatora poprzedzono obliczeniami wytrzymałościowymi, dla określonych granicznych stanów obciążeń konstrukcji. Obliczenia przeprowadzono dla układu, którego schemat przedstawiono na rys. 1. Poszczególne człony zaproponowanej konstrukcji tworzą łańcuch kinematyczny o pięciu stopniach swobody co umożliwia realizację założonych zadań maszyny komunalnej. 1 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego, Instytut Budowy Maszyn, Warszawa, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2 (kgrzelak@wat.edu.pl) 2 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego, Instytut Budowy Maszyn, Warszawa, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2 (lsniezek@wat.edu.pl) 3 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego, Instytut Budowy Maszyn, Warszawa, ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2 (tomasz.tchorz@wat.edu.pl)

2 Rys. 1. Układ ramion manipulatora Założono, że ramiona manipulatora wykonane zostaną ze stali stopowej o podwyższonej wytrzymałości S355J2G3. Właściwości wytrzymałościowe: (R e = 355 MPa; R m = 490 MPa; A c = 21 %) We wstępnym etapie obliczeń potraktowano manipulator jako belkę stałą utwierdzoną, którą obciążono siłą pochodzącą od masy osprzętu. W obliczeniach pominięto ciężar ramion manipulatora, oraz siły obciążające konstrukcję w procesie koszenia. Po wstępnych obliczeniach geometrii manipulatora wykonany został uproszczony model geometryczny układu w programie Catia V5, który umożliwił analizę kinematyki manipulatora. Wyniki tej analizy umożliwiły wyznaczenie sił i momentów tych sił obciążających poszczególne komponenty w kolejnych etapach pracy manipulatora. Przestrzenny schemat obciążeń konstrukcji podczas cyklu roboczego odpowiadający maksymalnemu obciążeniu elementów składowych przedstawiono na rys. 2. Rys. 2 Schemat ideowy przestrzennego obciążenia manipulatora (gdzie: Q W siła ciężkości wysięgnika; Q R siła ciężkości ramienia; Q K siła ciężkości kosiarki; F U siła uderzenia w przeszkodę)

3 Schemat sił działających na wysięgnik manipulatora w położeniu roboczym przedstawiono na rys. 3. Rys. 3. Schemat ideowy obciążeń działających na wysięgnik manipulatora Znając obciążenia zewnętrzne, wartości reakcji działających w poszczególnych węzłach konstrukcji przeprowadzono analizę numeryczną MES rozkładu naprężeń w konstrukcji nośnej. Wybrane wyniki tej analizy w postaci warstwic naprężeń w wysięgniku manipulatora przedstawiono na rys. 4. Rys. 4. Rozkład naprężeń w wysięgniku manipulatora Analizując mapę naprężeń występujących w wysięgniku manipulatora można zauważyć ich spiętrzenie w miejscu zastosowania blachy wzmacniającej konstrukcję. Naprężenia maksymalne nie przekraczają 186 MPa, a masa całego wysięgnika wynosi niespełna 57 kg. Na etapie obliczeń wytrzymałościowych przyjęto masę wysięgnika wraz z elementami układu hydraulicznego równą 200 kg. Nawet po zamontowaniu siłowników hydraulicznych masa ta z pewnością nie zostanie przekroczona. Analogicznie przeprowadzono analizę wytrzymałościową dla pozostałych elementów manipulatora.

4 2.1. Analiza geometrii i obciążenia osiowego w skojarzeniu Jednym z najważniejszych elementów mechanizmu obrotu jest wał z naciętymi dwoma wielowypustami, z których jeden jest nacięty pod kątem. Wał ten zapewnia możliwość zmiany ruchu posuwisto zwrotnego siłownika na ruch obrotowy części przegubu. Wielowypust nacięty pod kątem potraktowano jako gwint niesamohamowny, dla którego przyjęto: skok gwintu: P = 300 mm; pozorny kąt tarcia stali o stal dla połączenia smarowanego: ρ = 6º. Dobrano dwa wielowypusty serii lekkiej o wymienionych poniżej parametrach, z których jeden zostanie nacięty pod kątem. Liczba wypustów 8; Średnica wewnętrzna d = 46 mm; Średnica zewnętrzna D = 50 mm; Szerokość wypustu b = 9 mm; Minimalna średnica wcięcia w wale d 1 = 44,6 mm; Maksymalny wymiar fazy wypustu a = 0,4 mm; Maksymalny promień zaokrąglenia brzegu rowka wpustowego r = 0,3 mm; Widok wszystkich elementów wchodzących w skład ramienia manipulatora z wbudowanym mechanizmem obrotowym przedstawiono na rys. 5. Rys. 5. Widok rozłożonego ramienia manipulatora W celu sprawdzenia poprawności obliczeń uproszczony model mechanizmu śrubowego obciążono momentem skręcającym i poddano analizie MES w programie Catia V5. Wyniki analizy w postaci warstwic naprężeń przedstawiono na rys 6.

5 Rys. 6. Analiza wytrzymałościowa uproszczonego modelu mechanizmu śrubowego Odpowiednia budowa ramienia umożliwiła odciążenie mechanizmu śrubowego, tym samym nie podlega on obciążeniu momentem zginającym. Moment skręcający wywołany siłą ciężkości głowicy koszącej przenoszony przez śrubę wynosi M S = 1625 Nm. Najważniejszy element mechanizmu jakim jest śruba obciążony jest jedynie momentem skręcającym o wartości 1625 Nm. Maksymalne naprężenia występujące w śrubie nie przekraczają 180 MPa, i nie przekraczają naprężeń dopuszczalnych. 3. ANALIZA KINEMATYCZNA ZAPROJEKTOWANEGO MANIPULATORA Analiza kinematyczna modelu manipulatora dotyczy określenia maksymalnych prędkości liniowych występujących w skrajnych punktach węzłów ruchomych kosiarki. Prędkości te zostały określone dla trzech przypadków: - cyklu rozkładania manipulatora z pozycji transportowej do roboczej; - podnoszenia rozłożonego manipulatora za pomocą siłownika wysięgnika; - obrotu rozłożonego manipulatora. Widok manipulatora w położeniu roboczym przedstawiono na rys. 7. Zmiana położenia poszczególnych ramion manipulatora realizowana jest za pomocą siłowników hydraulicznych: siłownika obrotu, siłownika wysięgnika, siłownika ramienia, siłownika osprzętu.

6 Siłownik osprzętu Siłownik ramienia Siłownik wysięgnika Siłownik obrotu Rys. 7. Manipulator w pozycji roboczej Prędkości przemieszczania tłoczysk poszczególnych siłowników wynoszą: - siłownik obrotu V S1 = 0,05 m/s, - siłownik wysięgnika V S2 = 0,1 m/s, - siłownik ramienia V S3 = 0,1 m/s, - siłownik osprzętu V S4 = 0,05 m/s. Proces rozkładania manipulatora jest najbardziej skomplikowanym z rozpatrywanych przypadków jego pracy, ponieważ uczestniczą w nim jednocześnie wszystkie siłowniki. Każdy z siłowników wykonuje pełny zakres wysuwu, co dla założonych prędkości przemieszczania tłoczysk zajmuje 33 sekundy na realizację pełnego cyklu rozkładania. Jest to czas teoretyczny, w którym nie uwzględniono czasu rozpędzania i hamowania siłowników oraz czasu jaki potrzebuje operator na przełożenie ręki na kolejną dźwignię rozdzielacza [4]. Kolejność wysuwu siłowników dla cyklu rozkładania manipulatora jest następująca: Siłownik obrotu Siłownik ramienia Siłownik wysięgnika Siłownik osprzętu Wyniki obliczeń prędkości wypadkowej skrajnego punktu zewnętrznego kosiarki w cyklu rozkładania manipulatora przedstawiono na rys. 8.

7 Rys. 11. Wykres zależności prędkości wypadkowej skrajnego zewnętrznego punktu kosiarki od czasu rozkładania manipulatora Analizując uzyskany przebieg krzywej zmian prędkości należy stwierdzić, że skrajny punkt zewnętrzny kosiarki osiąga największą prędkość w końcowej fazie pracy siłownika osprzętu. Prędkość ta wynosi około 1,75 m/s, i nie przekracza założonej prędkości dopuszczalnej. 4. WNIOSKI Zastosowanie mechanizmu obrotu w osi ramienia manipulatora kosiarki bijakowej pozwala zwiększyć jego funkcjonalność; Zastosowanie wielowypustu naciętego pod kątem bliskim 62º zapewnia samohamowność mechanizmu obrotu w przypadku uszkodzenia siłownika lub przewodu hydraulicznego. Pominięcie etapu rozruchu i hamowania siłowników nie ma wpływu na wartość maksymalnych prędkości elementów manipulatora wyliczonych w trakcie analizy kinematycznej. Streszczenie W artykule przedstawiona została koncepcja rozwiązania konstrukcyjnego mobilnego manipulatora będącego nośnikiem dla wymiennego osprzętu wykorzystywanego przez służby komunalne. Opracowana konstrukcja ma współpracować z ciągnikiem rolniczym, który będzie stanowił źródło napędu dla zewnętrznej pompy hydraulicznej, zasilającej wszystkie układy manipulatora i osprzętu. Jednym z istotnych wymagań zrealizowanych w pracy jest zapewnienie możliwości obrotu w osi ramienia manipulatora poprzez mechanizm śrubowy napędzany liniowym siłownikiem hydraulicznym. Podstawą do przygotowania opracowania było zapoznanie się z istniejącymi rozwiązaniami konstrukcyjnymi napędów hydrostatycznych i innych stosowanych w manipulatorach mobilnych i stacjonarnych, na podstawie których sformułowano założenia konstrukcyjne i funkcjonalne dla projektowanej maszyny. W kolejnym etapie wykonano obliczenia wytrzymałościowe konstrukcji manipulatora, opracowano jego model geometryczny w programie Catia V5, który poddano analizie wytrzymałościowej metodą MES. Opracowanie zakończone zostało analizą kinematyczną modelu manipulatora z zamontowanym osprzętem, mającej na celu określenie maksymalnych prędkości liniowych wybranych elementów konstrukcji. Słowa kluczowe: podstawy konstrukcji maszyn, przegub obrotowy, analiza MES, manipulator

8 The concept of a mobile manipulator designed for municipal services Abstract The purpose of the manipulators is to implement specific functions of the human upper limb. There are two types of keypad functions: handling, performed by the gripper and a reach, pursued by the manipulator arm. The article proposes a draft of the mobile manipulator chich Works as a carrier for removable attachment used by utilities. All appliances have to work with the vehicle being an agricultural tractor, which will be the source of power for accessories by driving an external hydraulic pump supplying all propulsion systems manipulator and accessories. One of the essential requirements is to ensure the rotation axis manipulator arm by a screw mechanism driven by linear hydraulic actuators. The basis for the preparation of the project was to get acquainted with the existing design solutions hydrostatic drives and other keypads used in mobile and stationary, on the basis of assumptions that define the structural and functional for the proposed machine. In the next stage, tere were performed several constructional calculations of the manipulator thanks to which the geometric model was developed in the Catia V5. Then the model was used to analyze the strength of final element elaborated in the same program. The last step consisted kinematic model of the manipulator mounted implement, designed to determine the maximum linear velocity occurring in the extreme points of the structure. Keywords: base construction machinery, rotary joint, FEM analysis, manipulator LITERATURA [1] Reymer B.: Poradnik mechanika. Tom 2. Wyd. 18. WNT, Warszawa [2] Niezgodziński M., Niezgodziński T.: Wzory, wykresy i tablice wytrzymałościowe. Wyd. 9. WNT, Warszawa [3] Wawrzecki J.: Teoria manipulatorów. Wyd. 2. Wydawnictwo politechniki Łódzkiej, Łódź [4] Borkowski W., Konopka S., Prochowski L.: Dynamika maszyn roboczych. Wyd.1. WNT, Warszawa 1996.