Robot a tre gradi di libertà

Transcript

1 Area di progetto 4AM 2008/2009 Robot a tre gradi di libertà ROTAZIONE: coppia ruota vite senza fine TRASLAZIONE orizzontale: vite a ricircolo di sfere TRASLAZIONE verticale: cilindro pneumatico a doppio effetto. AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 1 di 28

2 Sommario 1. Ragioni del lavoro (l idea per la classe quarta e l evoluzione del lavoro per la classe quinta) 2. Pulizia e Smontaggio (per la scoperta dei componenti e loro catalogazione) 3. COMPONENTI OGGETTO DI APPROFONDIMENTO (meccanico tecnologico) 4. VITI A RICIRCOLO DI SFERE 4.1. Descrizione del principio di funzionamento (vantaggi e svantaggi) 4.2. Unificazione e normazione 4.3. Misure caratteristiche 4.4. DISEGNO 2D e 3D (particolare e assemblato) 5. COPPIA RUOTA - VITE SENZA FINE 5.1. Descrizione del tipo di trasmissione (vantaggi e svantaggi) 5.2. Misure caratteristiche 5.3. DISEGNO 2D della vite senza fine 5.4. DISEGNO 3D della vite senza fine AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 2 di 28

3 1. Ragioni del lavoro (l idea per la classe quarta e l evoluzione del lavoro per la classe quinta) Il seguente lavoro, eseguito dalla classe 4AM, riguarda l utilizzo di un progetto, realizzato, e mai completato, dagli studenti dell anno scolastico 1994/1995 dell ITIS di Varese. Abbiamo prelevato il macchinario che era abbandonato nel magazzino dell istituto, perché ci ha reso curiosi per la parte meccanica e per gli eventuali sviluppi della relativa automazione. Il macchinario è un robot a forma di croce con organi meccanici annessi, che ne aiutano i vari movimenti. Questa croce (è l aspetto esteriore di tutta la macchina) presenta tre gradi di libertà: 1) ROTAZIONE di una COPPIA RUOTA -VITE SENZA FINE; AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 3 di 28

4 2) TRASLAZIONE ORIZZONTALE per mezzo di una VITE A RICIRCOLO DI SFERE; 3) TRASLAZIONE VERTICALE per mezzo di un CILINDRO PNEUMATICO a doppio effetto (manca però tutto il sistema dei finecorsa). Il lavoro complessivo del progetto eseguito dalla classe verrà svolto in due anni di corso. In quarta si procederà con lo smontaggio della macchina, intendendo studiare alcuni particolari meccanici come: la vite a ricircolo di sfere, e la vite senza fine. In quinta si procederà invece con lo studio, in sistemi e automazione industriale, degli elementi caratteristici che riguardano la movimentazione del robot, compresa la programmazione del PLC. 2. Pulizia e Smontaggio (per la scoperta dei componenti e loro catalogazione) Per scoprire le varie parti del robot, abbiamo eseguito lo smontaggio in modo tale da catalogare i vari elementi che lo compongono. Con l ausilio del signor Baffari, l assistente tecnico del laboratorio tecnologico meccanico, abbiamo appreso che prima di mettere mano ad un apparecchiatura, bisogno organizzare il modo opportuno di smontaggio, così facendo si estraggono con un buon criterio i vari componenti da poi analizzare. Nell elenco qui sotto sono elencati i vari elementi: N 1 Dado M12 per bloccaggio cilindro; N 1 Rosetta M12; N 1 Supporto distanziatore delle aste; N 2 Vite UNI M ,9; N 1 Bracci per movimento longitudinale; N 6 Vite UNI M ,9; AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 4 di 28

5 N 2 Spessori; N 1 giunto flessibile di precisione Heli-Cal; N 2 Cuscinetti ad una corona di sfere SKF6200-2RSI D=30 d=10 B=9 ; N 1 Vite senza fine; N 1 Ruota dentata; N 2 Supporti della vite. 3. Componenti oggetto di approfondimento (meccanico tecnologico) Dall esame dei pezzi smontati, prenderemo in considerazione in modo più dettagliato i seguenti componenti, ritenuti significativi: La vite a ricircolo di sfere La vite senza fine dell accoppiamento dentato AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 5 di 28

6 4. VITI A RICIRCOLO DI SFERE 4.1. Descrizione del principio di funzionamento Caratteristiche delle viti a ricircolo di sfere (VRS) Una vite a ricircolazione di sfere (VRS) è un componente meccanico atto a trasformare un moto rotatorio in lineare e viceversa. Una VRS è costituita da un albero filettato, da un sistema a chiocciola con il ritorno delle sfere e dalle sfere. La trasformazione del moto è realizzata grazie al rotolamento delle sfere interposte tra il filetto della chiocciola e quello della vite. Nelle viti trapezoidali la stessa trasformazione del moto è invece attuata attraverso lo strisciamento tra i filetti della vite e quelli della chiocciola. Il rendimento meccanico, che nelle viti trapezoidali raggiunge un massimo del 50%, sale fino al 96% con le VRS poiché l attrito radente dovuto agli strisciamenti fra le superfici a contatto, presente nelle viti convenzionali, è sostituito dall attrito volvente fra le sfere e le piste di rotolamento così come accade nei cuscinetti a sfere. La riduzione degli attriti in gioco comporta minore potenza dissipata in calore e minore usura delle parti. Basse temperature di esercizio si traducono in dilatazioni termiche contenute e alta precisione di posizionamento. La possibilità di annullare il gioco assiale di una VRS mediante il precarico, permette di ottenere alta rigidezza del sistema e precisione di posizionamento mantenendo al contempo un funzionamento dolce e regolare. Ridotta usura, associata alla qualità delle materie prime impiegate e ad appropriati trattamenti termici, assicura VRS di lunga durata. Queste caratteristiche rendono le VRS componenti base di tutte le applicazioni nelle quali sono richiesti spostamenti rapidi, precisi e affidabili. AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 6 di 28

7 Campi di impiego Le viti a sfere vengono impiegate con successo nei seguenti settori: Macchine utensili (comando degli assi orizzontali e verticali principalmente sulle macchine a controllo numerico come torni, frese, rettificatrici), industria automobilistica, industria aeronautica e spaziale, apparecchiature militari, apparecchiature mediche. Profilo della filettatura Le VRS utilizzano spesso un profilo della filettatura di tipo ogivale ottimizzato in maniera da garantire un elevata durata di funzionamento e un attrito minimo per ogni tipo di carico applicato. Il profilo ogivale, chiamato anche gotico, permette inoltre, nel caso di sistemi non precaricati, di garantire un funzionamento con giochi minimi. L ottimizzazione delle pressioni di contatto piste-sfere e quindi della portanza al carico assiale è ottenuta con un accurato studio del profilo della gola: i due archi di circonferenza che formano il profilo gotico sono in rapporto con il raggio della sfera tale da generare un angolo di contatto ottimale. AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 7 di 28

8 Durata di una VRS La durata (o vita) di una VRS è il numero massimo di rivoluzioni che l albero compie rispetto alla chiocciola senza presentare evidenza di usura nei materiali della vite, della chiocciola o dei corpi volventi. La durata nominale è la durata, espressa in numero di rotazioni, che una o più VRS, apparentemente identiche operanti alla stesse condizioni, può raggiungere con il 90 % di probabilità. Sistemi di ricircolo delle sfere Durante la rotazione della vite, le sfere all interno della chiocciola hanno una velocità istantanea di traslazione pari alla metà della velocità periferica della vite, tenderebbero pertanto a rimanere arretrate rispetto alla chiocciola e ad uscire da questa. E necessario un sistema per convogliare le sfere nella posizione di partenza per evitarne la fuoriuscita e garantire la continuità del moto. Gli elementi che svolgono questo compito sono chiamati ricircoli e assicurano la circolazione ininterrotta delle sfere. A) Ricircolo interno Nelle viti a ricircolo interno, le sfere compiono un solo giro sull albero. Queste vengono riportate nella posizione iniziale, cioè nella pista adiacente, tramite il ricircolo o deflettore situato in una cavità all interno della chiocciola. Questo sistema offre la possibilità di avere un ridotto ingombro radiale della chiocciola. B) Ricircolo interno ad inserto Le sfere compiono più giri intorno all albero per poi ritornare al punto iniziale e ricominciare il ciclo. Il funzionamento è particolarmente silenzioso grazie al distacco tangenziale delle sfere dalla pista con una sola entrata ed uscita delle sfere stesse dalla chiocciola. Le sfere deviate AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 8 di 28

9 dall inserto tornano al punto iniziale attraverso un foro longitudinale all interno della chiocciola. Con questa tipologia di ricircolo la chiocciola è più rigida e corta rispetto ai tipi già descritti a parità di capacità di carico. Il ricircolo interno ad inserto è utilizzato prevalentemente nelle viti a passo lungo e a più principi. C) Ricircolo esterno La ricircolazione delle sfere avviene, come per l inserto frontale, dopo più giri intorno all albero. Le sfere vengono prelevate dal tubo che, tramite un apice di deviazione integrato, le riporta al punto iniziale. E necessario in questo caso lavorare il supporto per consentire l alloggiamento dei tubi. Precarico In molte applicazioni, prime fra tutte le macchine utensili a controllo numerico, per ottenere una buona precisione di posizionamento delle parti in moto è necessaria l assenza di qualsiasi forma di gioco assiale. Per questa ragione si ricorre all utilizzo di chiocciole precaricate le quali hanno inoltre lo scopo di aumentare la rigidità dell insieme. E molto importante che il valore del precarico venga determinato con estrema cura. Bassi valori di precarico potrebbero essere annullati dal carico di lavoro facendo riacquistare alla VRS un gioco assiale indesiderato. Al contrario, valori AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 9 di 28

10 elevati di precarico assicurano giochi nulli in ogni situazione di carico aumentando la resistenza al moto. Specialmente alle alte velocità un precarico eccessivo, può provocare surriscaldamenti tali da compromettere la durata della vite e la precisione di posizionamento. Per le applicazioni comuni il valore massimo di precarico è pari al 10% della capacità di carico dinamico riportato sulle tabelle. Trattamenti termici I componenti delle viti sono prodotti con materiali sempre controllati e testati al fine di garantire il miglior rendimento e la maggiore durata della vite stessa. Il trattamento termico e la relativa durezza superficiale determinano la qualità del prodotto. L albero filettato subisce un trattamento di tempra a induzione che determina una durezza superficiale di HRC. La chiocciola subisce un trattamento di tempra a induzione o una carbonitrurazione determinando una durezza superficiale di HRC Le sfere sono temprate e rinvenute secondo gli standard di produzione con una durezza superficiale di HRC. Supporti per viti a ricircolo di sfere La vite a ricircolo di sfere ha due estremità: alla prima viene applicato il momento torcente mediante un motore o un organo di trasmissione, mentre la seconda rimane libera; il supporto serve per fissare questa estremità, al fine di tenere l asse della vite centrato e di conferire maggiore rigidezza alla vite e maggior precisione al movimento. È costituito da uno o più cuscinetti a sfera. Sistemi di montaggio Le VRS sono componenti di precisione e devono essere montate e smontate con estrema cura. Per il montaggio in macchina è necessario controllare che fra i supporti della vite e la sede della chiocciola non si abbiamo errori di allineamento. In fase di montaggio è indispensabile evitare colpi accidentali che potrebbero danneggiare la parte filettata. Per eseguire lo smontaggio di una chiocciola occorre porre un tubo all inizio della vite in modo che quando la chiocciola viene estratta le sfere non vengano disperse. AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 10 di 28

11 Vite utilizzata La vite a ricircolo di sfere utilizzata è una SKF SH 10X3R Nel nostro caso essa permette il movimento del braccio meccanico lungo l asse orizzontale. Vite: Questa vite è classificata come una vite di piccole dimensioni che può sopportare carichi limitati; Essa è stata creata mediante processo di rullatura (deformazione plastica a freddo) perciò non ha elevata precisione, ha un solo principio ed è fissata dal lato libero grazie ad un supporto. Chiocciola: Il sistema di ricircolazione delle sfere avviene mediante un tubo interno alla madrevite. La chiocciola grazie alle ridotte dimensioni permette un ridotto ingombro radiale e, il terminale filettato permette un montaggio è rapido e facilitato. AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 11 di 28

12 4.2. Unificazione e normazione La designazione di una vite a ricircolo di sfere consiste in una sigla in cui al suo interno si possono trovare i vari parametri dispensabili per la scelta della nostre vite adatta per la lavorazione. All interno della designazione possiamo trovare in primo luogo la serie della vite che può essere di vari tipi: standard, miniaturizzata, a passo lungo passo fine Successivamente le varie tipologie di chiocciole che in questo caso sono segnate solo una piccola parte di quelle esistenti seguito dalla flangia che può essere di tre tipi e il passo. Dopo si presenteranno i simboli riguardanti la direzione dell elica e il materiale delle sfere. Poi alcuni tra i parametri più importanti ovvero dimensione sfera, il numero di giri, Lunghezza filettata e lunghezza totale. Infine gli ultimi numeri e simboli riguardano la tipologia di vite, classe di precisione e gioco assiale. AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 12 di 28

13 Prospetto riassuntivo: AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 13 di 28

14 4.3. Misure caratteristiche Le viti a ricircolo di sfere sono quindi in grado di raggiungere un numero elevato di rotazioni e consentono il raggiungimento di un fattore di velocità limite (D x N) massimo di ed in alcuni casi particolari Esistono sul mercato viti con due differenti tipologie di geometrie di contatto gola-sfera-gola: ad arco circolare (standard) ad arco gotico la nostra vite ha un profilo ad arco gotico, poiché offrono i seguenti vantaggi: Ottime caratteristiche di rotolamento Riduzioni dei giochi Alta rigidità Angolo di contatto ottimale, valore teorico = 45 Riduzione dell'attrito Minimo sviluppo di calore alle alte velocità E' importante ricordare che le viti a ricircolo di sfere sono studiate e progettate per sopportare esclusivamente carichi di tipo assiale. Verificare quindi in fase di progetto che sulle viti non gravino forze radiali, specialmente quelle generate da un non corretto allineamento in fase di montaggio dell'asse, che potrebbe generare errori di eccentricità tra asse vite e supporto chiocciola. AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 14 di 28

15 MISURE CARATTERISTICHE (geometriche) d 0 = diametro nominale (mm) d 1 = diametro di cresta (mm) d 2 = diametro di fondo (mm) Ph= passo destroso (mm) l= lunghezza massima (mm) Numero di circuiti di sfere:-- Gioco assiale massimo e minimo: (mm) AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 15 di 28

16 MISURE CARATTERISTICHE (profilo gotico) Dw= diametro della sfera Rg= raggio della gola α= angolo di contatto L= goticità Ga=gioco assiale MISURE CARATTERISTICHE Ca = capacità di carico dinamico (kn) Cs = capacità di carico statico (kn) M = massa della madrevite (kg) M = massa della vite (kg/m) I = inerzia della vite a metro lineare (kg mm2) AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 16 di 28

17 4.4. DISEGNO AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 17 di 28

18 AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 18 di 28

20 5. COPPIA RUOTA - VITE SENZA FINE 5.1. Descrizione del tipo di trasmissione Questo ingranaggio è costituito da una ruota dentata cilindrica con denti elicoidali che ingrana su una vite senza fine; tale accoppiamento meccanico viene usato per trasmettere un moto rotatorio da parte di un meccanismo, ad un'altro. Descrizione dei due componenti meccanici: 1) Ruota dentata cilindrica con denti elicoidali La ruota dentata cilindrica con denti elicoidali è un miglioramento rispetto a quella semplice; è provvista di denti non paralleli all'asse di rotazione che sono tagliati con un certo angolo rispetto al piano, in modo che la AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 20 di 28

21 superficie di spinta tra i denti sia maggiore e il contatto avvenga più dolcemente. 2) Vite senza fine La vite senza fine è di fatto un cilindro di piccolo diametro con un filetto trapezoidale, provvisto di uno o più denti elicoidali continui che ingranano con i denti di una ruota dentata elicoidale. La vite differisce dalla ruota elicoidale poiché i suoi denti scivolano fra i denti della ruota condotta; la vite senza fine viene così definita perché la sua rotazione ha il solo scopo di trasmettere il movimento. Il passo della vite può essere a uno o più principi, nel nostro caso è ad un principio. Principio di funzionamento dell accoppiamento meccanico vite senza fine - ruota dentata elicoidale Questo tipo di accoppiamento viene utilizzato quando il rapporto di trasmissione abbia un valore molto piccolo; influiscono su questo rapporto l'inclinazione del filetto della vite e il numero dei denti della corona. La vite senza fine è sempre l elemento conduttore, la ruota dentata è sempre l elemento condotto, questo perché il sistema non è reversibile, in parole povere: "la ruota non può muovere la vite"; tuttavia esistono accoppiamenti dove la vite e la corona hanno una inclinazione del filetto e dei denti tale da permettere la reversibilità. Vantaggi e svantaggi di questo accoppiamento meccanico Alcuni vantaggi: AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 21 di 28

22 la possibilità di realizzare bassissimi rapporti di trasmissione; una maggiore silenziosità; la vite senza fine è soggetta a un'usura minore, per cui la longevità della stessa è notevolmente superiore. Alcuni svantaggi: produzione di una forza risultante lungo l'asse dell'ingranaggio, che deve essere sostenuta da un apposito cuscinetto a sfere; per ottenere un accoppiamento che consenta un sistema reversibile ed irreversibile occorre dare un cerca inclinazione sia hai denti della ruota elicoidale sia al filetto della vite senza fine Misure caratteristiche Per una trasmissione di questo tipo occorre precisare che vengono presi in considerazione diversi passi (come da figura): Come si può notare dall immagine, per quanto riguarda la ruota a denti elicoidali, si possono rilevare tre tipi di passi differenti: AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 22 di 28

23 Pf Pn Pe Passo frontale Passo nominale Passo elicoidale rilevato normalmente all asse della ruota. Rilevato normalmente all angolo d inclinazione dell elica Rilevato parallelamente all asse della ruota Definendo le misure della vite è semplice ricavare quelle della ruota perché essendo un accoppiamento, alcune quote devono risultare uguali. La vite in questione è ad 1 principio. Le sue misure caratteristiche sono le seguenti: Modulo normale Modulo circonferenziale Diametro primitivo Passo assiale vite Passo normale vite Coefficiente d attrito interasse Modulo preso normalmente all angolo di inclinazione dell elica Modulo utilizzato per facilitare i calcoli di accoppiamento con la ruota Diametro dal quale si ricava il dente Passo misurato parallelamente alla vite Passo misurato perpendicolarmente all angolo dell elica Coefficiente dato dal tipo di finitura È la misura tra l asse della vite e quello della ruota 1.5 mm mm 15 mm 4,73 mm 4.71 mm mm Avendo le quote sopraelencate possiamo calcolare le misure dei denti della vite e quindi della ruota. I calcoli verranno eseguiti utilizzando il modulo circonferenziale per facilitarne lo svolgimento. Dal tipo di proporzionamento rilevato possiamo dire che la dentiera di riferimento a cui fa riferimento la vite è la seconda, per cui: a=m h=(13/6)m AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 23 di 28

24 d=(7/6)m dove a, h, d son rispettivamente addendum, dedendum e altezza del dente mentre m è il modulo. Risulta quindi: a=1.507 mm h=3.31 mm d=1.80 mm Utilizzando questi dati possiamo quindi definire le misure dei denti sia della vite che della ruota. Della ruota sappiamo che è un ingranaggio di ghisa costituito da 100 denti, il cui diametro primitivo è di mm, quindi: Dt= Dp+2a Dove Dt è rappresenta il diametro di testa. Mentre quello di piede risulta: Dpi= Dp-2d Di conseguenza i due diametri risultano: Dt=153.7 mm Dpi= mm Se si sommano il raggio della circonferenza di testa della ruota e quella della circonferenza di piede della vite si ottiene un valore di poco inferiore (3 decimi di millimetro) ad 82 mm, che rappresenta il valore dell interasse. Questo è dovuto al fatto che la testa del dente non deve mai strisciare con il fondo dell incavo con cui è accoppiato. AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 24 di 28

25 5.3. DISEGNO 2D della vite senza fine AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 25 di 28

27 5.4. DISEGNO 3D della vite senza fine AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 27 di 28

28 classe 4Ameccatronica 2008/2009 AREA di PROGETTO classe 4AM 2008/2009 Pagina 28 di 28