Rozpoczynamy cykl artykułów o procesie projektowania w oprogramowaniu Autodesk, na przykładzie robota mobilnego z bardzo nietypowym napędem, zaprojektowanego oraz wykonanego w Inventorze.
Autor: inż. Damian Góral
Tematem wspomnianej pracy było zaprojektowanie oraz wykonanie robota mobilnego napędzanego dwiema wirującymi półsferami. Pomysł jak i koncepcja konstrukcji takiego napędu miała opierać się o zaproponowany w latach 30 XX w. [1] pojazd napędzany wirującą półsferą (rysunek 1).
Elementem przenoszącym napęd w takim układzie jest wirująca półsfera. Taka półsfera, wprawiona w ruch wirowy wokół osi prostopadłej do podłoża, pełni funkcję rezerwuaru energii kinematycznej. W momencie każdorazowego odchylenia osi półsfery, zgromadzona energia służy do wprawienia w ruch postępowy napędzany pojazd.
Oczywiście energia półsfery jest nieustannie uzupełniana przez napędzający ją silnik. Dzięki temu pojazd jest w stanie poruszać się z dużym przyspieszeniem, z niemal nieograniczoną możliwością natychmiastowej zmiany jego kierunku. Według obliczeń pojazd o takim napędzie z półsferą o średnicy rzędu kilku centymetrów potrafiłby rozwinąć prędkość rzędu 100 km/h z przyspieszeniem ponad 10 m/s2 będąc przy tym bardzo zwrotnym. Dzisiejsze możliwości cyfrowego prototypowania oraz dostępność komponentów mechanicznych jak i elektronicznych pozwoliła na nowo zająć się koncepcją pojazdu z takim napędem, potęgując jego zalety wprowadzając drugą wirującą półsferę.
Pierwszym zadaniem, które stanęło przed studentem było zaprojektowanie mechanizmu wychylania półsfer w dwóch wzajemnie prostopadłych osiach z zachowaniem przyjętych założeń. Do przedstawienia schematów proponowanych mechanizmów użyto narzędzia do kreślenia 2D, jakim jest AutoCAD. Poniżej przedstawiono zaproponowane przez studenta schematy mechanizmu wychylania półsfer.
| 1. Wychylanie półsfer za pomocą cięgien – Pierwszą propozycją jest mechanizm cięgnowy (rysunek 3) w którym człon 3 napędzany serwomechanizmem poprzez człon 2 wychyla półsferę. Mechanizm prosty w wykonaniu, natomiast wymagana sztywność konstrukcji przy takim rozwiązaniu nie zostałaby zachowana. Przenoszenie momentu poprzez cięgna wiąże się z podatnością na drgania. | bbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb |
| 2. Mechanizm gimbala o otwartym łańcuchu kinematycznym – Kolejną propozycją jest mechanizm (rysunek 4) znany z gimbali (urządzeń do stabilizacji kamery np. w dronach). Bezpośrednie przełożenie momentu eliminuje powstawanie dodatkowych drgań. |  |
| 3. Mechanizm gimbala o zamkniętym łańcuchu kinematycznym – Wprowadzenie naprzeciw każdego z napędów dodatkowego przegubu zapewnia dodatkową sztywność co jest bardzo istotne dla mechanizmu wychylania półsfer (rysunek 5). |  |
Ostatecznie, bazując na przedstawionych rozwiązaniach, zaprojektowano mechanizm, którego schemat przedstawiono poniżej:
Mając zaprojektowany mechanizm należało przygotować model 3D robota. Całość została zaprojektowana w programie Autodesk Inventor, czego końcowy efekt pokazano na rysunku 6. W kolejnych częściach cyklu przedstawimy proces modelowania robota jak i wykorzystanie modeli w produkcji elementów.
Źródła:
[1] Unknown. Hemisphere drive speedster. Mechanics and Handicraft, 1938, wolumen 5, numer 9, s. 23, 73. Przez Modern Mechanix, http://blog.modernmechanix.com/hemisphere-drivespeedster/.
[2] D. Góral. Konstrukcja robota mobilnego napędzanego dwiema półsferami, Praca inżynierska, Politechnika Wrocławska 2017
