Инженерные исследования · Можно скачать

Совмещенная конструкция с толщиной пластины концевой оснастки, силой зажима и запасом прочности

Проверьте толщину пластины концевого инструмента, силу зажима и запас безопасности, начиная с минимального давления воздуха, контактных поверхностей, эксцентрических нагрузок и полной последовательности движения. Аналитические примеры, иллюстративные результаты метода конечных элементов, анализ чувствительности и планирование испытаний объясняют, как выбрать параметры конструкции и привода.

AUREK-RC-AR-003ВерсияV1.0Обновленные данные2026-09-07Прочитано около 18 минут

Технические исследования
Иллюстративное изображение темы; здесь не показано конкретное оборудование или сайт клиента
← Назад к каталогу
Основные выводы
  • Местотолщина пластины, сила зажима и запас безопасностив одной аналитической структуре, проверяя структуру, контакт, приведение в действие и условия работы вместе.
  • В использованной здесь модели изгиба смещение зависит оттретья степеньтолщины пластины. В тех случаях, когда требования к параллельности и позиционированию являются высокими, сначала проверяйте жесткость, а не просто увеличивайте прочность стали.
  • Основание фрикции-захват конструкции наминимальное гарантированное давление подачи (0.5 MPa); тяга цилиндра меняется в зависимости от квадрата диаметра отверстия.
  • Вакуумное захватывание часто регулируетсятангенциальное сопротивление скольжению с вертикальными присосками, поэтому проверить полную последовательность движения.
  • Контрольсмещение центра тяжестипри проверке поворотных нагрузок. Регулировка положения груза и рычага во время проектирования концепции для снижения требуемой силы привода.
Уравнения: Механические уравнения представлены в виде изображений; их номера соответствуют обсуждению в тексте. Свяжитесь с AUREK для получения полного документа с редактируемыми уравнениями.

Jiangsu Aurek Intelligent Technology Co., Ltd. · Цзянсу

Абстракт: В настоящем исследовании разработана связанная структура для толщины пластины, силы зажима и предела безопасности в структуре, контактных интерфейсах и приведении в действие индивидуальных конечных инструментов для пневматических промышленных манипуляторов. Материальные данные поступают из национальных стандартов, баз данных по материалам и литературы производителей, охватывающих конструкционную сталь, нержавеющую сталь, алюминиевые сплавы, подушки TPU и чугунные заготовки. Модели по отдельности оценивают трение, тягу цилиндра, изгиб, изгиб Эйлера, торсион, вакуумное сцепление и болтовые/сварные/шпильковые соединения. Три примера - 50 kg фрикционного захвата, 80 kg поворота на 90° и сравнение пластин 6/8/10 mm - объединяют иллюстративные результаты метода конечных элементов, анализ чувствительности и FMEA, чтобы объяснить рабочий процесс анализа, моделирования и тестирования. При консервативном исходном значении 0.5 MPa примеры показывают, что смещение меняется с третьей степенью толщины пластины, в то время как крутящий момент меняется линейно с эксцентриситетом. Эти геометрические факторы зачастую влияют на конструкцию более непосредственно, чем увеличение предела текучести материала. Вакуумные инструменты должны также проверяться на наличие тангенциального скольжения, когда присоски находятся в вертикальном положении. Эта система позволяет проводить раннее концептуальное тестирование; параметры проекта все еще требуют анализа и тестирования фактической структуры.

Ключевые слова: пневматический промышленный манипулятор; конечные инструменты; толщина пластины; сила зажима; предел безопасности; вакуумное захватывание; анализ чувствительности

Классификационный номер КЛК: TH137; TP242 Идентификационный код документа: A

Связанная конструкция толщины пластины, силы зажима и предела безопасности для конечных эффекторов пневматических манипуляторов с вспомогательным двигателем

(Компания " Цзянсу Аурек интеллиджент текнолоджи ко., лтд., Цзянсу, Китай)

Абстракт: В настоящем исследовании разработана связанная структура для толщины пластины, силы зажима и предела безопасности в структуре, контактных интерфейсах и приведении в действие индивидуальных конечных инструментов для пневматических промышленных манипуляторов. Материальные данные поступают из национальных стандартов, баз данных по материалам и литературы производителей, охватывающих конструкционную сталь, нержавеющую сталь, алюминиевые сплавы, подушки TPU и чугунные заготовки. Модели по отдельности оценивают трение, тягу цилиндра, изгиб, изгиб Эйлера, торсион, вакуумное сцепление и болтовые/сварные/шпильковые соединения. Три примера - 50 kg фрикционного захвата, 80 kg поворота на 90° и сравнение пластин 6/8/10 mm - объединяют иллюстративные результаты метода конечных элементов, анализ чувствительности и FMEA, чтобы объяснить рабочий процесс анализа, моделирования и тестирования. При консервативном исходном значении 0.5 MPa примеры показывают, что смещение меняется с третьей степенью толщины пластины, в то время как крутящий момент меняется линейно с эксцентриситетом. Эти геометрические факторы зачастую влияют на конструкцию более непосредственно, чем увеличение предела текучести материала. Вакуумные инструменты должны также проверяться на наличие тангенциального скольжения, когда присоски находятся в вертикальном положении. Эта система позволяет проводить раннее концептуальное тестирование; параметры проекта все еще требуют анализа и тестирования фактической структуры.

Ключевые слова: пневматический вспомогательный манипулятор; конечный эффектор; толщина пластины; сила зажима; предел безопасности; вакуумная адгезия; анализ чувствительности

00Введение

Конечные инструменты должны поддерживать проверяемый уровень безопасности при минимальном давлении подачи, с неблагоприятными поверхностями, максимальным эксцентриситетом и указанным временем такта. Опубликованные исследования показывают, что механизмы соединения и трения влияют на стабильность захвата при внешних возмущениях, в то время как геометрия уплотнительного кольца и канавки присоски влияет на локальное напряжение и удерживающую способность [1-2]. Поэтому при проектировании необходимо совместно оценивать траектории сил, распределение ограничений, структуру, контакт, приведение в действие, окружающую среду и последовательность движения. Увеличение силы зажима само по себе не может заменить эти проверки.

Применения в общественной инженерной литературе включают изолированную передачу горячих чугунных деталей, вакуумную токарную обработку автомобильных потолков, обработку внутреннего расширения статоров двигателей и эксцентричное сцепление автомобильных сидений, после анализа, проектирования, обзора и производства. В этой статье эти сценарии используются для определения вводных данных проектирования и концепций приложений. Нагрузка, допуск и ход должны определяться индивидуально в зависимости от детали, инструмента, пути движения и факторов безопасности. Примеры применения не являются ни материальными константами, ни верхними пределами возможностей продукта.

В сферу охвата входит основная пластина инструмента на концевом фланце, челюсти/присоски, приводные или поворотные цилиндры, промежуточные рычаги/связки и соединения. Он оценивает статическую прочность, жесткость, устойчивость и безопасность во время захвата, обработки, поворота и освобождения. Срок службы усталости полной руки манипулятора, прочность установки фундамента и логика управления производственной линией выходят за рамки сферы применения.

01Проектные вводимые данные и источники данных

1.1 Инженерно-технические ресурсы

В таблице 1 перечислены инженерно-технические вводимые ресурсы. В этих примерах используется консервативный расчетный исходный уровень 0.5 MPa и контрольное давление 0.8 MPa. Остальные параметры являются иллюстративными аналитическими вводными данными и не должны рассматриваться как верхние пределы возможностей продукта.

Таблица 1 Инженерно-технические ресурсы, использовавшиеся в настоящем исследовании

Таблица 1 Инженерно-технические вводимые ресурсы - таблица данных
ПредметВводимые данные проектированияИспользование в настоящем исследовании
Номинальное рабочее давление0.5~0.8 MPaТипичный расчетный интервал; 0.5 MPa − консервативная исходная величина, 0.8 MPa − верхний предел проверки
ГрузоподъёмностьОпределение веса детали и инструмента, эксцентрической нагрузки и коэффициента безопасностиПримеры демонстрируют связанный анализ конечных инструментов
Рабочая зонаОпределить из имеющегося пространства, траектории движения и структурной конфигурацииБаланс веса инструмента, жесткости и рабочих усилий
Условия окружающей среды−15~50 °C; относительная влажность <90%Опубликованные окружающие условия эксплуатации; оценка горячих деталей отдельно
Опубликованные примеры примененияГорячие чугунные детали, автомобильные потолки, статоры и автомобильные сиденьяПредставляют высокотемпературные, вакуумные, эксцентричные нагрузки и внутреннее расширение приложений
Инженерный процессАнализ-проектирование-обзор-производствоОрганизует процесс проверки и предоставления информации, используемый в настоящем исследовании

Примечание: Общественные условия работы, давления и примеры применения в таблице все взяты с публичной страницы официального сайта производителя [3].

1.2 Источники данных и приоритет цитирования

Выберите конструктивные данные в соответствии с их назначением: национальные стандарты и официальные платформы предоставляют классы, зависящие от толщины минимальную прочность и методы испытаний [4-5]; руководства и базы данных предоставляют типичный модуль эластичности, отношение Пуассона, плотность и коэффициенты теплового расширения [6]; литература производителя предоставляет правила вакуумного захвата и выбора инструмента/привода [13]; и рецензируемые исследования объясняют стабильность захвата и эффекты геометрии присоски [1-2]. Определить типичные значения отдельно от значений, измеренных в поставленном материале, с тем чтобы избежать их смешения при инженерных проверках.

02Материальные параметры и теоретические модели

2.1 Символы

В таблице 2 определены символы и единицы, используемые в настоящем исследовании.

Таблица 2 Основные символы и единицы измерения

Таблица 2 Символы и единицы измерения - таблица данных
СимволЗначениеЕдиницаСимволЗначениеЕдиница
mМасса заготовкиkgPДавление подаваемого воздухаMPa
мгМасса инструмента/токарной головкиkgDДиаметр цилиндраmm
aУскорение движенияm/s²dДиаметр поршняmm
ФСИЛТеоретическая тяга цилиндраNiКоэффициент силы механизма—
ηmМеханическая эффективность—NΣОбщая численность обычных силN
μКоэффициент трения—SКоэффициент безопасности—
LДлина/расстояние консолейmmbЭффективная ширина пластиныmm
tТолщина пластиныmmIВторой момент площадиmm⁴
σНормальный стрессMPaτНапряжение сдвигаMPa
δСмещениеmmeСмещение центра массm
МДРасчетный крутящий моментN·mJТорсионный/полярный момент инерцииmm⁴
ΔpЭффективная разница вакуумного давленияkPaАэффЭффективная площадь всасыванияm²
ηsЭффективность уплотнения/вакуумного захвата—ПЦРКритическая нагрузка на изгибN

2.2 Параметры материалов и источники данных

Выбор материала должен сравнивать жесткость, термическую стабильность, износостойкость и процессы соединения. Увеличение предела текучести стали, как правило, не приводит к значительному изменению ее модуля эластичности, поэтому оно обеспечивает ограниченное улучшение деформации при неизмененной геометрии. Алюминиевые сплавы могут уменьшить массу, но их жесткость при той же геометрии обычно составляет около одной трети от стали [6]. На рисунке 1 показана взаимосвязь между толщиной пластины, приводом в действие, трением и запасом безопасности.

Связанные взаимоотношения силы захвата, жесткости пластины и нагрузки на поворот; английский ключ следует за рисунком.
Рис. 1 Связанные взаимосвязи проектирования. Давление P и диаметр цилиндра D определяют тягу цилиндра; передаточное число механизма i и эффективность ηm дают общую нормальную силу NΣ. Сравнить трение μNΣ с требуемым удерживающим усилием S·m(g+a). Толщина пластины t и длина консоли L влияют на второй момент области I, смещение δ и напряжение σ. Смещение e определяет крутящий момент Md; болты, сварные соединения и штифты завершают траекторию нагрузки.

В таблице 3 кратко излагаются репрезентативные свойства материалов, использованные в примерах.

Таблица 3 Репрезентативные параметры материала

Таблица 3 Репрезентативные свойства материала - таблица данных
МатериалЕ/ГПаνρ/(кг м−3)σy/МПаα/(10−6·℃−1)Записки по проекту
Конструктивная сталь Q235190~2100.27~0.307 850235≈12Компоненты сварных пластин общего назначения
Низколегированная сталь Q355190~2100.27~0.307 850355(≤16);345(>16~40)≈12Более высокая прочность; жесткость, аналогичная обычной конструкционной стали
45 стальной190~2100.27~0.307 850≈355≈12Подходит для штырей и стержней
Нержавеющая сталь 3041930.298 00021517.3Коррозионная стойкость; относительно высокое термическое расширение
Алюминиевый сплав 6061-T668.90.332 700276≈23Меньше масса, но значительно меньше жесткость
ТПУ 95A-типа колодкиПримерно 0.14—1 210——Соответствующий контактный слой; учет ползучести
Чугунная деталь80~1600.2~0.36 900~7 400Зависит от класса11~14Горячие части требуют изоляции и понижения температуры

Примечание: типичные диапазоны E, ν, ρ и α для конструкционной стали и стали марки 45 взяты из приложения по материалам[6]. Предел текучести Q355 в зависимости от толщины приведён по GB/T 1591-2018[5]; свойства 304 и 6061-T6 — по опубликованным данным[7-8]; данные TPU относятся к Elastollan C95A[9]; диапазоны свойств чугуна при комнатной температуре — по справочнику NIST[10]. Эти значения предназначены для предварительного проектирования. Для расчётов проекта используйте сертификаты материала и соответствующие проверки образцов.

Гибкие прокладки TPU влияют на передачу нагрузки, а также на ощущение контакта. Опубликованные данные по Elastollan C95A дают модуль растяжения около 140 MPa, твердость Shore A около 96 и кривую модуля ползучести/времени при 23 °C. Таким образом, устойчивое схватывание и повторяющиеся циклы могут привести к зависимой от времени комплементарности и расслаблению напряжения [9]. Компиляция NIST дает модуль Юнга для чугунных сплавов при комнатной температуре около 80—160 GPa и тепловое расширение около 11—14 × 10−6·℃−1. Нагрев изменяет условия контакта и размерные отношения. Опубликованные приложения горячего литья используют изоляцию и охлаждающие воздушные контуры для ограничения этих эффектов [10][3].

2.3 Фрикционное сцепление и тяга цилиндра

В случае двустороннего трения, при котором не учитываются локальные колебания контактного давления, основное условие сопротивления скольжению составляет:

Формула (1)(1)

Общая нормальная сила, требуемая для

Формула (2)(2)

Для симметричного захвата нормальная сила с каждой стороны составляет:

Формула (3)(3)

Различают усилие на челюсть и общее усилие захвата. Некоторые стандарты определяют силу зажима для одной стороны, в то время как сопротивление скольжению зависит от суммы двух нормальных сил. В настоящем исследовании для общей нормальной силы используется NΣ, а для силы с одной стороны - Nside. В документе T/SZRA 001-2024 рекомендуется рассчитывать полезную нагрузку с коэффициентом трения не более 0.2 и коэффициентом безопасности не менее 2 [11]; эти значения представляют собой консервативную предварительную основу для расчета, используемую в настоящем документе.

Теоретическая сила цилиндра определяется из давления и эффективной площади поршня. Для выдвижения и увода, соответственно:

Формула (4)(4)Формула (5)(5)

В случае использования рычага, клинка или соединения имеющаяся общая нормальная сила составляет:

Формула (6)(6)

Здесь i - это соотношение сил механизма, а ηm - механическая эффективность, учитывающая потери уплотнения, направляющей и механизма [12]. Определить трение путем проверки фактического состояния заготовки, поверхности и загрязнения. Опубликованные заводом-изготовителем исходные значения составляют приблизительно 0.1 для масляных поверхностей, 0.2-0.3 для влажных поверхностей, 0.5 для сухих древесины/металла/стекла/камня и 0.6 для шероховатых поверхностей [13].

2.4 Модели изгиба, смещения, изгибания и кручения

При приближении основной пластины инструмента как прямоугольный консольный брус дает второй момент площади, максимальное напряжение изгиба корня и смещение свободного конца:

Формула (7)(7)Формула (8)(8)Формула (9)(9)

При аппроксимации консольного балка выше, уравнения (8) и (9) показывают, что напряжение уменьшается с t квадратом и смещение с t кубом. В тех случаях, когда параллельность захвата, точность позиционирования и устойчивость поворота имеют решающее значение, сначала измерьте толщину пластины на жесткость, а затем проверьте прочность. Тонкие сжатые элементы и тонкостенные опоры также требуют проверки на вывих Эйлера. Токарные валы, фланцевые втулки и штифты могут использовать соотношение кручения Сен-Венанта

Формула (10)(10)Формула (11)(11)

Поскольку модуль эластичности большинства сталей составляет 190–210 GPa, разница в E между конструкционными и высокопрочными сталями намного меньше, чем разница в пределе текучести. Соответственно, увеличение сорта стали обычно уменьшает смещение гораздо меньше, чем увеличение толщины пластины или сокращение консоли. Напротив, 6061-T6 имеет E только около 68.9 GPa; с неизмененной геометрией, отклонение алюминиевых инструментов порядка 3 раз больше, чем у стали [6].

2.5 Модель вакуумного захвата

Нормальное удерживающее усилие вакуумного захвата происходит от разницы давлений

Формула (12)(12)

В данном случае Δp − эффективная разница давлений, Aeff − эффективная площадь всасывания, а ηs − эффективность уплотнения. Процент вакуума измеряется относительно давления окружающей среды. При атмосферном давлении примерно 101.3 kPa на уровне моря 60%вакуум соответствует Δp≈60.8 kPa [14]. Следующие уравнения охватывают вертикальный подъем с горизонтальными чашками, горизонтальное перемещение с горизонтальными чашками и неблагоприятный случай вертикальных чашек, несущих вертикальную нагрузку.

Формула (13)(13)Формула (14)(14)Формула (15)(15)

Если используется n присоток, то теоретическая сила удержания, требуемая для одного присоска, составляет:

Формула (16)(16)

Оценка наиболее неблагоприятного случая нагрузки в полной последовательности обработки. Использовать коэффициент безопасности, составляющий не менее 1.5 для гладких, непористых поверхностей и 2.0 или более для пористых, шероховатых, маслянистых или неоднородных поверхностей. Для пористых материалов обеспечить компенсирующий утечку поток в диапазоне вакуума от 30% до 55%; для непористых поверхностей может использоваться вакуум от 55% до 80% для повышения силы удержания [13,15].

Еще один пример иллюстрирует влияние ориентации: при наличии 6 присосек диаметром 60 mm, 60%вакууме и ηs=0.85 теоретическая нормальная сила на присоску составляет приблизительно:

В дополнительном примере показана общая нормальная сила, составляющая приблизительно 876 Н, и коэффициент статической нагрузки, составляющий приблизительно 3.57 для непористой панели весом 25 kg. Поэтому рассмотрение только вертикального подъема может переоценить пригодность. В наихудшем случае, когда присоски расположены вертикально и нагрузка действует по касательной вдоль панели, μ=0.25, a=1 m/s² и S=2 дают требуемое общее удерживающее усилие приблизительно 2 162 Н; 6 присоски ϕ60 недостаточно. Поэтому вакуумные инструменты должны проверяться на протяжении всей последовательности движений, а не только при подъеме.

2.6 Проверка соединений

Проверка соединений должна охватывать номинальную емкость, ослабление, повреждение отверстий подшипников, усталость и изменения в сборке. Следующие формулы для среднего напряжения болта сдвига, напряжения отверстия подшипника и среднего напряжения штыря сдвига в двойной сдвиг поддержки скрининг первого порядка:

Формула (17)(17)Формула (18)(18)Формула (19)(19)

Эффективная толщина горла, эффективная площадь и номинальное напряжение сдвига сварного шва филе являются

Формула (20)(20)Формула (21)(21)

Опубликованные рекомендации по проектированию сварных соединений обычно приближают эффективную горловину сварного соединения к 0.707z [17]. В случае болтовых соединений с противоскользящим покрытием коэффициент скольжения определяется на основе результатов репрезентативных испытаний поверхности [16].

03Обработанные примеры и анализ конечных элементов

Во всех трех примерах используется окно подачи 0.5–0.8 MPa с давлением 0.5 MPa в качестве консервативной базовой линии проектирования. В предварительном проекте фрикционного захвата используются μ≤0.2 и S≥2 [3,11]. Геометрия, эффективность механизма и эксцентриситет являются инженерными примерами, выбранными для разъяснения метода, а не окончательными параметрами проекта.

3.1 Пример 1: Двустороннее фрикционное захватывание 50 kg

Для заготовки весом 50 kg, удерживаемой двусторонним фрикционным захватывающим приспособлением, используются a=1.0 m/s², μ=0.20, S=2.0, i=3.0 и ηm=0.85. Расчет производится следующим образом.

Сопоставление потенциальных диаметров отверстий показано в таблице 4.

Таблица 4 Пример 1: сопоставление диаметра цилиндра и давления

Таблица 4 · Пример 1: сопоставление диаметра цилиндра и давления - таблица данных
Диаметр отверстияДавление/МПаFcyl/Нi ηm Fcyl/НИмеющееся усилие/требуемое усилие
ϕ630.51 5593 9740.74
ϕ630.61 8704 7690.88
ϕ630.72 1825 5641.03
ϕ630.82 4946 3591.18
ϕ800.52 5136 4091.19
ϕ800.63 0167 6911.42
ϕ800.73 5198 9721.66
ϕ800.84 02110 2541.90

При исходном значении 0.5 MPa ϕ63 является недостаточным, а ϕ80 обеспечивает полезный запас. Даже при стабильном подаче 0.8 MPa φ63 имеет запас только около 1.18 и не подходит для консервативного проектирования. Этот пример показывает, что минимальное гарантированное давление должно быть установлено до выбора диаметра баллона; максимально возможное давление не может заменить расчетную базовую линию.

3.2 Пример 2: поворот заготовки весом 80 kg на 90°

Заготовка весом 80 kg поворачивается на 90° при смещении центра тяжести e=0.30 м. Поворотная головка и соответствующие компоненты имеют массу mg=15 kg и смещение eg=0.15 м. Использовать совокупный расчетный коэффициент поворота κM=2.2, эффективный рычаг r=0.12 м и механический коэффициент эффективности ηm=0.85.

Сопоставление потенциальных диаметров отверстий показано в таблице 5.

Таблица 5 Пример 2: сопоставление диаметра цилиндра и давления

Таблица 5 · Пример 2: сопоставление диаметра цилиндра и давления - таблица данных
Диаметр отверстияДавление/МПаFcyl/НИмеющийся крутящий момент/(Н·м)Имеющийся крутящий момент/требуемый момент Md
ϕ1000.53 927400.60.71
ϕ1000.64 712480.70.85
ϕ1000.75 498560.80.99
ϕ1000.86 283640.91.13
ϕ1250.56 136625.91.10
ϕ1250.67 363751.01.33
ϕ1250.78 590876.21.55
ϕ1250.89 8171 001.41.77

В этом примере поворота на 90° уменьшение эксцентриситета непосредственно уменьшает крутящий момент нагрузки. Уменьшение эксцентриситета с 0.30 м до 0.20 м при всех других неизменных условиях приводит к снижению статического гравитационного момента приблизительно на 30%. Это геометрическое изменение уменьшает нагрузку поворота более непосредственно, чем модернизация пластины с Q235 на Q355.

3.3 Пример 3: Сравнение пластин 6/8/10 mm

Сравните толщины 6/8/10 mm для одной и той же основной плиты, смоделированной как прямоугольная консольная балка. Использовать эффективную ширину b=160 mm, длину консоли L=150 mm, эквивалентную конечную нагрузку F=1 000 Н и E=210 GPa. В таблице 6 приводятся результаты, полученные с помощью уравнений (7) - (9).

Таблица 6 Пример 3: сопоставление толщины листов

Таблица 6 Пример 3: сопоставление толщины листов - таблица данных
Толщина пластины/ммI/мм4σмакс./МПаδмакс./ммОтносительная жесткость
62 880156.31.861.00
86 82787.90.7852.37
1013 33356.30.4024.63

При технологическом пределе в 0.50 mm отклонения конца пластина толщиной 10 mm отвечает требованию, а пластины толщиной 8 mm и 6 mm превышают этот предел. Максимальное изгибающее напряжение в 6 mm пластине составляет 156 MPa, что ниже типичного предела текучести Q235, равного 235 MPa, однако смещение уже превышает этот предел. Сдача испытания на прочность не заменяет сдачи испытания на жесткость.

3.4 План моделирования методом конечных элементов

Использовать аналитические модели для определения толщины пластины, диаметра цилиндра и размеров, а затем разработать подробную модель с использованием конечных элементов в соответствии с таблицей 7. Быстрые расчеты не могут заменить моделирование фактической конструкции.

Таблица 7 Рекомендуемая модель с использованием конечных элементов

Таблица 7 Рекомендуемая модель с использованием конечных элементов - таблица данных
ПредметРекомендуемые настройки
МодельТрехмерная твёрдая модель основной пластины, фланца, штырей, соединительного крепления и опоры челюсти
МатериалДля конструкционной стали использовать репрезентативные значения E=206 GPa, ν=0.30 и ρ=7 850 kg·м−3 в пределах опубликованных диапазонов; использовать значения таблицы 3 для 304 или 6061-T6.
ЭлементыТетраэдральные или шестиугольные элементы второго порядка; общее отверстие 4–5 mm, уточнено до 1–1.5 mm на краях отверстий, филетах и корнях канатов
КонтактыФрикционный контакт челюсти/заготовки; сначала объединить сварные участки, затем использовать локальные подмодели сварных швов
ОграниченияПолное ограничение круга отверстий для болтов на конце фланца; использование ограничений для штифта или соединения на фактической оси поворота
ГрузыГравитационное притяжение, эквивалентная нормальная сила захвата, эксцентрический момент и инерция поворота; в соответствующих случаях включают усиление бокового удара
РезультатыОбщее смещение, напряжение фон Мизеса, максимальное основное напряжение, контактное давление, напряжение на краю отверстия/на корне отверстия и нагрузки на соединение
Независимость сеткиУточнение локальной сетки приблизительно на 30%; принятие, когда ключевые результаты напряжения и смещения изменяются на <5%

Предварительные моделирования используют значения E и ν конструкционной стали в типичных диапазоне приложения по материалам: модуль упругости 190–210 GPa и отношение Пуассона 0.27–0.30 [6]. Эти значения подтверждают результаты предварительных сопоставлений и не означают, что были получены конкретные измерения по классам. На рисунке 2 показан предлагаемый подход к моделированию и местонахождение " горячих точек " стресса.

Иллюстративная модель с использованием конечных элементов с ограниченным фланцом, краем отверстия и горячими точками напряжений между зубцами и корнями; английский ключ следует за рисунком.
Рис. 2 Предлагаемая модель с использованием метода конечных элементов и " горячие точки " напряжения. Красный цвет обозначает более высокое напряжение фон Мизеса, а синий - более низкое. Левый фланец полностью ограничен; горячие точки возникают на краях отверстий и на корнях штифтов. Эквивалентная сила захвата, эксцентрический момент и сила тяжести действуют в направлении захвата/поворота.

Приведенные ниже значения конечных элементов иллюстрируют методы моделирования и сопоставления. Фактические проекты требуют проверки на соответствие CAD-геометрии, материалам, соединениям и нагрузкам; иллюстративные результаты не могут заменить анализ или приемочные испытания. В этих примерах сопоставляются пластины толщиной 6/8/10 mm с результатами, приведенными в таблице 8.

Таблица 8 Примерные результаты метода конечных элементов

Таблица 8 Примеры результатов, полученных с помощью метода конечных элементов - таблица данных
Толщина пластины/ммНаглядный пример максимального напряжения фон Мисеса/МПаПримерное максимальное смещение/ммСоотношение напряжения к Q235Основные горячие точки
6≈170≈1.930.72Края отверстия фланца и цилиндра носок корень
8≈96≈0.810.41Переходное филе края отверстия
10≈61≈0.420.26Местная область фланцевого соединения

Показательные значения по методу конечных элементов имеют такой же порядок, что и аналитические результаты: смещение уменьшается с t в кубическом выражении, а напряжение с t в квадратном выражении. Геометрические несоответствия на краях отверстий и в корнях отверстий создают локальные концентрации напряжений с пиковыми значениями, немного превышающими значения, полученные в результате моделирования. Анализ проекта должен по крайней мере уточнить сварные наконечники и углы вырезов и перерассчитать предварительное натяжение болта и нелинейный контакт. Высокотемпературные приложения также требуют термических нагрузок и термического понижения контактных интерфейсов.

04Анализ чувствительности, тестирование и МЭКП

4.1 Анализ чувствительности

Эти модели дают следующие соотношения первого порядка для предела безопасности захвата, смещения пластины и поворотного момента:

В таблице 9 кратко излагаются соответствующие показатели чувствительности.

Таблица 9 Чувствительность первого порядка основных переменных

Таблица 9 Чувствительность первого порядка - таблица данных
ПеременнаяОсновные меры реагированияМатематическая чувствительностьРеакция на изменение переменной величины на +10%
Давление подаваемого воздуха PЗазор безопасности при зажиме+1+10%
Диаметр отверстия DЗазор безопасности при зажиме+2+21%
Коэффициент трения μЗазор безопасности при зажиме+1+10%
Коэффициент силы механизма iЗазор безопасности при зажиме+1+10%
Механический КПД ηeЗазор безопасности при зажиме+1+10%
Масса заготовки mЗазор безопасности при зажиме−1−9.1%
Толщина пластины tСмещение−3−24.9%
Длина консоли LСмещение+3+33.1%
Модуль упругости EСмещение−1−9.1%
Эксцентриситет eПоворотный момент+1+10%

Таблица 9 помогает определить приоритетность концептуальных изменений. Диаметр цилиндра квадратично влияет на тягу и является ключевым геометрическим параметром безопасности захвата. Толщина пластины и длина консолей влияют на кубическое смещение и являются центральными для проверки жесткости. Эксцентриситет напрямую влияет на крутящий момент, поэтому контролируйте центр тяжести во время расположения, а не компенсируйте неблагоприятную геометрию, увеличивая давление в конечной точке.

4.2 План испытаний

T/SZRA 001-2024 определяет условия испытания захвата 20±2 °C, 20%- 80%относительной влажности и давления окружающей среды 86–106 kPa, с адекватным прогревом и статистическими данными из 50 циклов для контроля силы, повторного позиционирования и пикового крутящего момента [11]. GB/T 34878-2017 содержит ссылку на испытание на вакуумную утечку [18]. Испытания на осевую усталость с постоянной амплитудой ASTM E466 могут дополнять оценку материала или репрезентативного компонента [19]. В таблице 10 приводится предлагаемая последовательность испытаний.

Таблица 10 Рекомендуемая последовательность испытаний

Таблица 10 Рекомендуемая последовательность испытаний - таблица данных
ЭтапЦельОсновное оборудование/инструментыРезультаты
Проверка поступающих материаловПроверка толщины пластины, материала и состояния термической обработкиСумки, ультразвуковые толщиномеры, тестеры твердости, сертификаты материаловИзмеренная толщина t и состояние материала
Калибровка силы зажимаУстановить кривую силы давления-зажимаДатчик давления, датчик нагрузки на растяжение/сжатие и система сбора данныхКривая P-N
Испытание на устойчивость к скольжениюРассчитать эквивалентный коэффициент трения μeq на основе результатов испытанияВертикальные погрузочные инструменты, грузовой/серво-погрузчик, датчик смещенияСкользящая нагрузка и μeq
Испытание на смещениеПроверка выбора толщины пластиныЛазерный измеритель смещения, стандартный блок нагрузкиКривая F-δ
Испытание на поворотПроверить момент 0°/45°/90°Датчик крутящего момента, блок имитации инерции, кодировщик углаКривая M-θ и перекос
Тест повторяемостиИзмерение изменений в захвате и позиционированииАвтоматическая велосипедная установка и камера/датчик смещенияОшибка позиционирования более 50 повторений
Испытание на вакуумное захватываниеПроверка удержания вакуума и утечкиВакуумные измерители, расходомеры, оборудование для обнаружения утечекКривая времени падения давления, эффективная разница давлений
Прочность и усталостьОценка риска на протяжении всего срока службыЦиклический испытательный стенд; при необходимости дополняется испытанием на усталость купоновКривая срока службы и порог ослабления

Калибровка статического усилия захвата при 0.5, 0.6, 0.7 и 0.8 MPa с использованием ≥5 устойчивых точек при каждом давлении. Нагрузки, испытываемые в ходе испытания на скольжение, применяются к фактическим заготовки или репрезентативным образцам, и мкэк рассчитываются отдельно для сухих условий комнатной температуры, слегка маслянистых условий, условий, сопряженных со шлифовальной пылью, и высокотемпературных условий. Используйте испытания на смещение и поворот для сравнения аналитических и имитационных тенденций с циклами повторяемости ≥50. Проверка удержания вакуума и утечки при различных уровнях вакуума и определение эффективного падения разницы давлений на основе кривой давления/времени. Измеренные значения μ, ηm и κM вводятся в аналитическую модель [11].

4.3 Анализ типа и последствий неисправностей (АМН)

В таблице 11 приводятся рекомендации МЭБФ в отношении инструментальных средств для конечного эффектора. S, O и D находятся в диапазоне от 1 до 10, а число приоритета риска RPN = S × O × D.

Таблица 11

Таблица 11: МЭБК для конечного инструмента - таблица данных
Режим отказаОсновные причины/последствияSODРПНРекомендуемые меры
Фрикционное скольжениеУменьшение μ, загрязнение маслом или низкое давление / падение заготовки1044160Измерение μ на фактическом заготовки; использование исходной линии 0.5 MPa; добавление нескользящих зубьев или покрытий
Чрезмерное смещение пластиныНедостаточная толщина или чрезмерная длина консолей/ошибка центровки854160Приоритетное утолщение или сокращение консоли; добавление ребер вместо простого повышения качества стали
Недостаточный крутящий моментНедооценка эксцентриситета или отсутствие динамических нагрузок/задержка поворота935135Сначала измерить центр тяжести; ввести κM; оставить достаточный запас
Сварные усталостные трещиныКонцентрация напряжений на сварном наконечнике, остаточные напряжения/разрыв936162Переоценка сварных швов, гладких филе и усталости в горячих точках
Потеря предварительного натяжения болтаВибрации, оседания, термические циклы/ослабление755175Контроль за крутящим моментом при затягивании; принятие мер по предотвращению ослабления и периодическая проверка/повторное затягивание
Износ штыря и увеличение зазораЧастое точение, недостаточная смазка/снижение точности745140Сменная втулка; улучшить поверхностную твердость
Утечка вакуумаСтареющие чашки или неровные поверхности / упавшие заготовки1034120Испытание на удержание вакуума, отдельные вакуумные зоны и плановая замена
Высокотемпературное уплотнениеНедостаточная теплоизоляция/дрейф силы зажима836144Термическая защита, контуры охлаждающего воздуха, жаропрочные материалы и понижение температуры

Результаты RPN в этой таблице определяют приоритет потери предварительного натяжения болта, усталостных трещин сварных швов, чрезмерного смещения пластины и трения скольжения. В этих местах, возможно, не наблюдается самых высоких средних напряжений, однако совокупное воздействие циклов, температуры, загрязнения и изменений в сборке может увеличить риск отказа. Согласование мер по инспекции и проверке с конкретными причинами.

05Обсуждение

Эта система поддерживает предварительный инженерный анализ и не заменяет полные расчеты для фактического трехмерного продукта. Большинство значений E, ρ, ν и α в таблице материалов являются типичными значениями. Формальный анализ должен подтвердить их с поставщиками материалов в свете производственных процессов, дефектов, температуры и истории нагрузки. Данные 304 и 6061-T6 применяются к указанным условиям материала. Области сварки алюминиевого сплава могут смягчаться, поэтому свойства материнского металла не могут представлять область после сварки [6] [7-8].

В моделях трения и вакуума используется аппроксимация первого порядка кулоновского трения плюс эффективная разница давлений. Руководящие указания изготовителя требуют, чтобы коэффициент трения устанавливался путем испытания оригинальных деталей и уровня вакуума с учетом проницаемости поверхности [13-15]. Эти модели позволяют сравнивать различные показатели чувствительности, однако по-прежнему необходимо проводить калибровку в реальных условиях поверхности, температуры и загрязнения. Для горячих отливок сначала оцените изоляцию, охлаждение и уплотнение; увеличение силы зажима недостаточно [10][3].

В иллюстративных результатах метода конечных элементов указываются пограничные условия и горячие точки; они не являются отчетами о приемке. Проектирование должно также охватывать четыре области: геометрию сварки и остаточные напряжения; предварительное натяжение болтов и контактное скольжение; вязкоэластичность или ползучесть гибких подушек; и комбинированные тепловые и циклические нагрузки. Просмотрите их вместе с испытаниями на месте до создания основы проекта.

06Выводы

(1) Проверьте толщину пластины, силу зажима и запас безопасности вместе. В использованной здесь модели смещение зависит от третьей степени толщины пластины. В тех случаях, когда требуется параллельность и низкая вибрация, сначала проверяют условия жесткости.

(2) Модернизация стальных инструментов от Q235 до Q355 в основном увеличивает предел текучести и имеет ограниченное влияние на жесткость при неизмененной геометрии. Чтобы уменьшить смещение, сначала сравнить геометрические меры, такие как более толстые пластины, более короткие консоли и уменьшенный эксцентриситет.

(3) В примере фрикционного захвата 50 kg при давлении 0.5 MPa и μ=0.20 диаметр цилиндра ϕ80 отвечает требованию, а диаметр ϕ63 является недостаточным. Для сравнения скважин используется минимальное гарантированное давление подачи, а не максимально возможное давление.

(4) Пример поворота на 90° заготовки весом 80 kg показывает, что масса, эксцентриситет и совокупный коэффициент динамической нагрузки совместно определяют нагрузки при повороте. Особое внимание следует уделять эксцентриситету в процессе планировки.

(5) Вакуумный захват должен проверяться на протяжении всей последовательности движений с уделением особого внимания сопротивлению тангенциальному скольжению, а не только вертикальному подъему. Коэффициенты трения и коэффициенты безопасности должны калиброваться путем испытания на фактических заготовки. Сначала определите реальные условия эксплуатации, а затем используйте анализ, моделирование и тестирование для определения толщины пластины, диаметра цилиндра, соединений и параметров поверхности [6]. Этот процесс показан на рисунке 3.

Последовательность проектирования от ввода заготовки до анализа, моделирования, испытания и утверждения проекта; английский ключ следует за рисунком.
Рис. 3 Последовательность проектирования и проверки: масса, размеры, поверхность и температура заготовки; принцип захвата; аналитический расчет; анализ параметров и чувствительности; модель с использованием метода конечных элементов; изготовление прототипа и статическое испытание; калибровка μ, ηm и κM; пересмотренная толщина пластины, диаметр цилиндра и соединения; утвержденная конструкция и критерии приемлемости.

Ссылки

[1] BELTER J T, DOLLAR A M. Захват и его устойчивость при использовании недоприводных механизмов с фрикционной связью[C]//2011 IEEE International Conference on Robotics and Automation. Shanghai: IEEE, 2011: 5895-5900.

[2] Сипэн, Цун Цянь, Е Шаобо и др. Бионическая конструкция и анализ вакуумного захвата вакуумных присосок [J]. Journal of Jilin University (Engineering Edition), 2025, 55(1): 382-391.

[3] Jiangsu Aurek Intelligent Technology Co., Ltd. Общедоступная техническая информация о пневматических промышленных манипуляторах, индивидуальных инструментах, вакуумных подъемниках и типичных случаях применения [EB/OL]. [2025-06-01]. https://www.aurek.cn/.

[4] Национальный технический комитет по стандартизации стали. Углеродная конструкционная сталь: GB/T 700-2006 [S]. Beijing: China Standards Press, 2006.

[5] Национальный технический комитет по стандартизации стали. Низколегированная высокопрочная конструкционная сталь: GB/T 1591-2018 [S]. Пекин: China Standards Press, 2018.

[6] Экспериментальный центр конструкционного и мостового строительства Юго-Восточного университета. Часто используемые параметры свойств материала [Z]. Нанкин: Юго-Восточный университет, 2020.

[7] MatWeb. Лист данных по материалам из нержавеющей стали 304 [EB/OL]. [2025-06-01]. https://www.matweb.com/.

[8] < < АСМ интернэшнл > >. Алюминий 6061-T6/6061-T651 материал лист данных [EB/OL]. [2025-06-01]. https://www.matweb.com/.

[9] БАСФ. Характеристики материала Elastollan C 95 A (TPU) [EB/OL]. [2025-06-01]. https://www.materialdatacenter.com/.

[10] НИС. Термофизические свойства материалов[R/OL]. Gaithersburg: Национальный институт стандартов и технологий, [2025-06-01]. https://materialsdata.nist.gov/.

[11] Сучжоуская ассоциация робототехники. Технические характеристики и методы испытания вращающихся электрических захватывателей: T/SZRA 001-2024[S]. Сучжоу: Сучжоуская ассоциация робототехники, 2024.

[12] Корпорация < < СМС > >. Наилучшие технические данные пневматики: теоретическая мощность пневматических цилиндров [EB/OL]. [2025-06-01]. https://www.smcworld.com/.

[13] Шмальц. Теоретическая сила удержания присоски [EB/OL]. [2025-06-01]. https://www.schmalz.com/.

[14] Фест. Основные принципы вакуумной технологии [EB/OL]. [2025-06-01]. https://www.festo.com/.

[15] КОВАЛЬ. Производительность присоски [EB/OL]. [2025-06-01]. https://www.coval.com/.

[16] KULAK G L, FISHER J W, STRUIK J H A. Руководство по критериям проектирования болтовых и заклёпочных соединений[M]. 2-е изд. Chicago: AISC/RCSC, 2001.

[17] Университет Пердью. Прочность сварки и эффективное горло: записки к лекции CE 470[Z]. Лафайетт, США: Purdue University Press, 2013.

[18] Национальный технический комитет по стандартизации вакуумной технологии. Испытание на утечку клапана вакуумной технологии: GB/T 34878-2017 [S]. Пекин: Китайская стандартная пресса, 2017.

[19] ASTM International. Стандартная практика проведения испытаний металлических материалов на осевую усталость с постоянной амплитудой и контролируемой силой: ASTM E466[S]. Уэст-Консохокен: ASTM International, 2021.

Нужна поддержка дизайна индивидуальных инструментов? Совместное использование данных о весе детали, размерах, смещении центра тяжести, состоянии поверхности и времени цикла. AUREK может использовать эту платформу для оценки конфигураций инструментов и необходимых проверок конструкции.
Download Full PDFEN Просмотр специального инструмента

Частые вопросы

Должна ли толщина пластины выбираться сначала для прочности или жесткости?

В тех случаях, когда параллельность захвата, точность позиционирования и устойчивость в повороте имеют решающее значение, сначала проверяется жесткость по отношению к пределу смещения, а затем проверяется прочность. В использованной здесь модели смещение уменьшается с кубической величиной толщины пластины, а напряжение с квадратной величиной толщины. Таким образом, смещение может превышать свой предел, даже если напряжение остается ниже текучести.

Модернизация от Q235 к Q355 делает инструмент более жестким?

Модуль упругости стали обычно составляет 190–210 GPa. Более высокий сорт в основном увеличивает предел текучести и незначительно влияет на жесткость при неизменной геометрии. Более толстые пластины, более короткие консоли, уменьшенный эксцентриситет и ребра обычно являются более эффективными способами уменьшения отклонения.

Какое давление следует использовать для выбора диаметра цилиндра?

Используйте минимальное гарантированное давление подачи на объекте; в настоящем исследовании используется давление 0.5 MPa. Тяга варьируется в зависимости от диаметра отверстия. В примере фрикционного захвата 50 kg диаметр отверстия ϕ80 удовлетворяет требованиям, а диаметр ϕ63 недостаточен.

Установит ли успешное вертикальное поднятие безопасность вакуумного захвата?

Одного лишь взлета недостаточно. Вакуумные инструменты должны проверяться на протяжении всей последовательности движений. Тангенциальное сопротивление скольжению, как правило, менее благоприятно, когда присоски вертикальны и несут вертикальную силу. Коэффициенты трения и коэффициенты безопасности должны калиброваться путем испытания фактических заготовок в реальных условиях поверхности и загрязнения.

Связанные ресурсы

Открыть материалы
Подбор и решения

AUREK-RC-AR-001Можно загрузить

Оценка пригодности к работе с вакуумом

Оцените вакуумное сцепление с поверхностью заготовки, пористость, вес и жесткость, включая расположение чашки, согласование подачи воздуха и вспомогательную опору.

Подбор и решенияВерсия V1.0Обновлено 2026-09-07

Подбор и решения

AUREK-RC-AR-002Можно загрузить

Теплоизоляция и защита при работе с деталями при высоких температурах

Оцените термические риски и конфигурации манипуляций с помощью изоляции захвата, защиты компонентов, схемы установки и рабочего расстояния.

Подбор и решенияВерсия V1.0Обновлено 2026-09-07

Подбор и решения

AUREK-RC-SL-001Можно загрузить

Руководство по выбору промышленного пневматического манипулятора

Методы выбора общей нагрузки, рабочего диапазона, подъемного хода, оснастки и установки, с информацией о применении и точками сравнения конструкций, организованными вокруг репрезентативных заготовок.

Подбор и решенияВерсия V1.0Обновлено 2026-09-07

Нужны документы или предложение с учётом условий на вашем производстве?

Для документов, чертежей или предложения по выбору, специфичного для вашей заготовки и условий площадки, поделитесь подробностями заготовки и рабочей станции, и инженер свяжется с вами напрямую.

QR-код WeCom компании AUREK
WeComОтсканируйте код, чтобы связаться с инженером и отправить чертежи, фотографии или видео производственного участка. Также можно написать на sales@aurek.cn.