Hammasvaihteistojen suunnittelu robottikäteen

Abstract

Insinöörityössä suunniteltiin hammasvaihteistot robottikäteen, joka on tarkoitettu ohjelmoinnin opetusvälineeksi. Suunnitteluvaiheen alussa robottikäden hammasvaihteistolle asetettiin seuraavat vaatimukset: kompakti koko, keveys ja kustannustehokkuus. Insinöörityön toimeksiantajana oli Electria, joka on Metropolia Ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehitysyksikkö.

Insinöörityö alkoi määrittämällä robottikäden fyysiset ominaisuudet, joiden perusteella aloitettiin hammasvaihteistojen suunnittelutyö. Fyysisten ominaisuuksien määrittelyn jälkeen hammasvaihteistolle mitoitettiin moottori ja vaihteistolle määriteltiin alustava välityssuhde.

Moottoreiden mitoituksen jälkeen hammasvaihteiston sisällä oleville hammaspyörille määriteltiin hammasluvut ja -moduulit. Seuraavaksi hammaspyörille tehtiin lujuuslaskenta, jolla varmistettiin hammaspyörien kestävän sille kohdistuvia rasituksia. Myös hammasvaihteistojen akseleille tehtiin lujuuslaskenta. Hammaspyörien lujuuslaskennoissa käytettiin Lewisin kaavaa. Hammasmoduuleja ja -lukuja sekä välityssuhdetta iteroitiin, kunnes lujuuslaskennasta saatiin halutut tulokset. Lopputuloksena kehitettiin viisi erilaista hammasvaihteistoa robottikädelle.

Laskentaosuuden jälkeen hammaspyörät mallinnettiin CAD-mallinnusohjelmalla. Hammasvaihteen komponentit asetettiin haluttuun järjestykseen CAD-avaruuteen, jossa mallinnettiin hammasvaihteen kotelo. Valmis kotelo tulostettiin 3D-tulostimella.

Lopuksi hammasvaihteistot testattiin laboratorio-olosuhteissa kuormattomana ja kuormallisena. Testien perusteella hammasvaihteistot toimivat suunnitellusti niille asetuille kuormituksille.

This Bachelor’s thesis describes the design process of creating gearbox models for a robot hand which will be used as an educational tool for programming. At the beginning of the design phase, the following requirements were set for the gearbox of the robot hand: compact size, light weight and cost-effectiveness. This thesis was commissioned by Electria which is the research and development unit of Helsinki Metropolia University of Applied Sciences.

The thesis was started by defining the physical properties of the robot hand. After defining the physical properties, a motor was dimensioned for the gear teeth and a pre-gear ratio was defined for the gearbox.

After the dimensioning of the motor, the numbers of the gear teeth and modules were defined for the gears located inside the gearbox. Secondly, strength calculations were made to gears in order to ensure that the gears have enough strength for the designed requirements. Strength calculations were also carried out for the axis of the gears. Lewis factor equation was used in strength calculations. The module and gear ratio were iterated until the wanted results were obtained in strength calculation. In conclusion, five different gearbox models were designed for the robot hand.

After the strength calculation phase, the gears were 3D modeled using CAD software. The components of the gearbox were placed in the wanted position in the CAD space, where the case of the gearbox was modeled. The case of the modeled gearbox was printed with a 3D printer.

Finally, the gearboxes were tested in a laboratory environment with and without a load. As a result, it was discovered that the gearbox works according to the designed requirements.