Studie konstrukce víceúčelového stroje rychlého modelování

Bc. Radek Laušman

Studie konstrukce víceúčelového stroje rychlého modelování

Diplomová práce

2008

T E C H N I C K Á U N I V E R Z I T A V L I B E R C I

FAKULTA STROJNÍ KATEDRA VÝROBNÍCH SYSTÉMŮ

Obor : Konstrukce strojů a zařízení Zaměření : Obráběcí a montážní stroje

Studie konstrukce víceúčelového stroje rychlého modelování

KVS – OS – 297 VS

Bc. Radek Laušman

Vedoucí práce : Prof. Ing. Přemysl Pokorný CSc.

Počet stran : 65 Počet příloh : 3 Počet obrázků : 50 Počet tabulek : 8

Téma : Studie konstrukce víceúčelového stroje rychlého modelování Anotace :

V rámci diplomové práce byla navržena konstrukce víceúčelového stroje na základě studie prototypu na Katedře výrobních systémů.

První část se zabývá průzkumem stavu současné techniky podobné konstrukce, 3D CNC frézek pro modelování a možností konstrukčních provedení.

Druhá část se zabývá popisem stávající konstrukce, návrhem nové konstrukce, jejich porovnání a vyhodnocení.

Theme : The studies structure of multipurpose machine Rapid prototyping Summary :

This Diploma work concerns the structure of a multipurpose machine based on the study of a prototype at the Department of Manufacturing Systems.

The first part deals with the research of present techniques with a similar structure, 3D CNC milling machines for simulating, and possible types of construction.

The second part occupies with the description of existing structure, the design of new structure, their comparison and interpretation.

Klíčová slova : 3D CNC frézka, lineární pohon, víceúčelový stroj Keywords : 3D CNC milling machine, linear drive, multipurpose machine

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 o právu autorském, zejména §60 (školní dílo) a §35 (o nevýdělečném užití díla k vnitřní potřebě školy).

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé práce a prohlašuji, že souhlasím s případným užitím mé práce (prodej, zapůjčení apod.).

Jsem si vědom toho, že užít své diplomové práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem Technické univerzity v Liberci, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).

V Liberci dne 23. května 2008 ………

vlastnoruční podpis autora

Místopřísežné prohlášení

Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury pod vedením vedoucího diplomové práce.

V Liberci 23.května 2008 ………

vlastnoruční podpis autora

Poděkování

Chtěl bych poděkovat prof. Ing. Přemyslu Pokornému CSc, za trpělivost a vedení diplomové práce a za připomínky k jejímu řešení. Dále bych chtěl také poděkovat Ing. Petru Zelenému za konzultace a pomoc při vypracování řešení.

Rád bych také poděkoval kolegům, kamarádům za trpělivost, pomoc a náměty k řešení, které byli pro mě přínosem.

V neposlední řadě bych chtěl taky poděkovat rodičům za trpělivost.

Obsah

Seznam použitých zkratek a symbolů...- 14 -

1. Úvod...- 15 -

2. Cíl diplomové práce ...- 16 -

3. Přehled možností uspořádání modulové konstrukce...- 17 -

CNC stroje ...- 17 -

3.1. 3D CNC modelovací frézky...- 17 -

3.2. Typy zařízení podle výrobců ...- 17 -

3.2.1. Horbach technik ... - 17 -

3.2.2. ISEL... - 19 -

3.2.3. COMAGRAV ... - 21 -

3.3. Shrnutí a porovnání CNC frézek ...- 22 -

4. Rozbor typu používaných konstrukcí ...- 24 -

5. Lineární pohony ...- 27 -

5.1. Mechanické pohony...- 27 -

5.1.1. Tangenciální pohonné systémy ... - 28 -

5.1.1.1. Ozubený hřeben a pastorek... - 29 -

5.1.1.2. Řemenové pohony ... - 29 -

5.1.2. Kuličkové šrouby ... - 30 -

5.2. Lineární elektromotory ...- 31 -

5.3. Pneumatické přímočaré motory ...- 32 -

5.4. Shrnutí a porovnání ...- 34 -

6. Konstrukce rámu ...- 35 -

6.1. Alutec ...- 35 -

6.3. Lineární moduly ...- 39 -

7. Rozbor stávajícího zařízení ...- 41 -

7.1. Parametry zřízení ...- 42 -

7.2. Konstrukce rámu...- 42 -

7.3. Použité pohony os ...- 43 -

7.4. Parametry prototypového zařízení ...- 43 -

8. Návrh nové konstrukce ...- 44 -

8.1. Postup při návrhu konstrukce ...- 45 -

8.2. Návrh konstrukce z hlediska tuhosti...- 48 -

8.2.1.Teoretická rozvaha tuhostí rámů... - 48 -

8.2.2. Tuhost spojení... - 49 -

8.3. Modifikace rozměrů rámu při zachování tuhosti...- 49 -

8.5. Návrh lineárních vedení...- 51 -

8.6. Orientační výpočet tuhosti pracovního prostoru...- 56 -

8.6.1.Nově navrhovaná konstrukce... - 48 -

8.6.2.Původní konstrukce... - 49 -

9. Použití převodovky k propojení pohonů v ose Y ...- 63 -

10. Porovnání konstrukcí ...- 64 -

10.1. Porovnání rámu...- 64 -

10.2. Porovnání zastavěnosti prostoru ...- 65 -

10.3. Porovnání cen ...- 66 -

10.4. Porovnání hmotností...- 66 -

11. Závěr ...- 67 -

Použitá literatura...- 69 -

Seznam příloh ...- 70 -

Příloha I : Výkresová dokumentace...- 70 -

Příloha II : Kusovník ...- 70 -

Příloha III : Ukázka katalogu ITEM[12]...- 70 -

Seznam použitých zkratek a symbolů

2D dvojdimenzionální

3D trojdimenzionální

CAD Computer Aided Design (počítačová podpora v konstruování)

Catia V5 3D CAD software

CNC Computer numeric control (číslicové řízený počítačem)

DXF formát 2D dokumentace

d2 [mm] střední průměr závitu E [MPa] modul pružnosti v tahu

F [N] síla

FQ [N] osová síla ve šroubu

I [mm⁴] Průřezový modul setrvačnosti

IGES neutrální formát 3D dat

k [N/mm] tuhost

l [mm] délka

NC Numeric control (číslicové řízení)

RP Rapid prototyping

SMS Souřadnicové měřicí stroje

STL Sterolithografie nebo formát používaný pro RP

y [mm] deformace

γ [˚] úhel stupání šroubovice

φ´ [˚] třecí úhel

1. Úvod

V době globálního propojování průmyslu, dochází zároveň ke zkracování výrobních časů a urychlování vývoje. To vše probíhá za současného snižování výrobních nákladů.

Z tohoto důvodů vzniká potřeba odstraňovat vady výrobku a nedostatky již v průběhu vývoje a konstrukce. Některé vady však vyniknou až po vzniku výrobku.

V této fázi, by však překonstruování a oprava např. již vyrobených forem, lisovadel apod. bylo značně ekonomicky neefektivní. Takovéto opravy mohou navýšit náklady o desítky až stovky tisíc a další ztráty pak vznikají pozdějším uvedením výrobku na trh. To jsou hlavní důvody, proč je vhodné používat malé modelovací CNC frézky, případně víceúčelové CNC stroje schopné i nanášení materiálu Rapid Prototyping (dále RP) nebo skenování. Již v průběhu vývoje a konstrukce se vytvoří model výrobku a konstruktéři jsou díky tomu schopni zachytit případné vady či nedostatky konstrukce a přepracovat je. Tím se ušetří náklady za již vyrobené formy a také se tím zkrátí čas mezi prvním návrhem a uvedením finálního výrobku na trh.

V současnosti existuje na trhu řada zařízení schopných 3D obrábění z lehce obrobitelných materiálů. U některých zařízení je možné vyměnit koncový prvek za např. nanášecí hlavici RP, skenovaní zařízení či laserovou hlavici na řezání. Některá zařízení lze snadno upravit díky modulové konstrukci a změnit tím rozsahy, velikost uspořádání.

Tato zařízení se také často využívají pro výuku. Studenti na nich mohou zkoušet programování NC strojů, provádět měření atd.

2. Cíl diplomové práce

Cílem této diplomové práce je rozbor a návrh konstrukce víceúčelového CNC stroje pro aplikaci různých technologií a s možností adaptace rozměrů pracovního prostoru dle požadavků. Obdobné zařízení bylo navrženo na katedře výrobních systémů pro potřeby rychlého modelování RP a frézování lehce obrobitelných materiálů.

Dílčí cíle diplomové práce:

Možnosti současných konstrukčních zařízení a jejich použití pro toto zařízení.

Typy používaných konstrukcí u obdobných zařízení.

Zjištění v současnosti používaných lineárních pohonů, porovnání jejich výhod a nevýhod.

Návrh uspořádání modulové konstrukce s výběrem lineárních pohonů.

Vyhodnocení technických možností a ekonomické efektivnosti.

Závěr, zhodnocení celkových přínosů a nedostatků.

3. Přehled možností uspořádání modulové konstrukce CNC stroje

3.1. 3D CNC modelovací frézky

V současnosti jsou od různých výrobců na trhu dostupná víceúčelová zařízení s podobným rozsahem pracovního prostoru. CNC víceúčelová zařízení se používají jako frézky pro modelování plastů, hliníku a gravírování, nebo také jako skenovaní a měřící zařízení. Podle těchto konstrukcí je pak uvažováno při návrhu konstrukce CNC víceúčelového stroje.

Frézky jsou propojeny s počítačem a pomocí něho jsou i řízeny. Většinou jsou určeny pro obrábění hliníkových, plastových, dřevěných dílů, dílů z umělého dřeva a gravírování.

Výrobci CNC frézek: Horbach[3], ISEL[4], Comagrav[5], Emco[22] atd.

3.2. Typy zařízení podle výrobců

3.2.1. Horbach technik

Jedním z 3D CNC frézek je firma Horbach[3] technik. Tato firma vyrábí 3D skenovací a frézovací frézky vhodné pro kusovou nebo malosériovou výrobu. Jsou to typy MDX 15 a MDX 20. Liší se rozsahem pracovního prostoru, jak je uvedeno

v tabulce 1. Typ MDX má portálovou konstrukci, kde se v ose X pohybuje stůl.

Používají se pro velmi malé obrobky z lehce obrobitelných materiálů a jak je vidět na obr. 1 mají poměrně špatně přístupný pracovní prostor a to především díky umístění vedení v ose Y. Na druhou stranu je jejich rám uzavřený, tudíž se vyznačuje vyšší tuhostí.

Standardní software dodávaný pro tyto frézky je kompaktabilní s Windows NT a Windows 98/2000/ME. Doporučované CAD jsou SolidWorks , Rhinoceros ,

VectorWorks , LightWave , VisualMill a 3d Studio Max. Podporuje formáty STL,IGES

a DXF. Obráběné materiály jsou tyto: akrylát, dřevo, plasty, polystyrén, umělé dřevo, modelovací vosk a lehké kovy jako je hliník a mosaz.

Paleta nástrojů zahrnuje stopkové čelní frézy, ořezávače nebo válcové čelní stopkové frézy pro dokončování. Pro skenování se používá měřící jednotka

s aktivním piezoelektrickým čidlem.

Jako pohony jsou krokovými motory, krokování je 0,05 mm.

Obr. 1 3D frézka MDX

Dále jsou nabízeny 4-osé frézky řady MDX-40R na obr.2 nebo Charly. U těchto dvou typů je kromě posuvů do třech os možnost ještě natočit vřeteno o určitý úhel. U typu MDX v rozsahu 15^º až 90^º a u typu Charly 180^º. Typ MDX a Charly jsou sestaveny do mostové konstrukce. Oba typy mají větší pracovní prostor a zároveň také lépe přístupný.

Obr. 2 MDX-40R

Obr. 3 Charly 3.2.2. ISEL

Dalším zahraničním výrobcem je firma ISEL[4]. V sortimentu tohoto výrobce jsou od malých modelových frézek až po středně velká 5-ti osá frézovací centra.

Nejmenší ucelenou řadou je ICP/ICV. Jsou to stolní frézky vhodné pro skenování a modelování i malosériovou výrobu.

Lineární vedení použitá pro pohyb os jsou pomocí kuličkových šroubů. Jako konstrukce je použita mostová konstrukce.

Obr. 4 Frézka série ICP/ICV

Dalším typy, které jsou vyráběny tímto výrobcem jsou typy FB2 / PA1 / PA 2 . Umožňují automatické umístění obrobků, frézování, vrtání atd. Pro pohyb

jednotlivých os jsou použity kuličkové šrouby s opakovanou přesností ± 0,01 mm.

Rozlišení je 0,0125mm (Step) nebo 0,01 (Servo). Na každé ose jsou dva koncové spínače. Řízení je možné přímo z PC.

Typ konstrukce odpovídá mostovému uspořádání s pohyblivým stolem. Je sestavena z modulárních systémů viz obr. 5. U těchto typů se standardně dodávají krokové motory, mohou se objednat i DC-servomotory.

Obr. 5 Frézky FB2 / PA1 / PA 2

Typ CFM 4433 je sestaven z hliníkových profilů, což umožňuje obrovskou variabilitu, jak je znázorněno na obr 6. Posuv os je i u tohoto typu realizován pomocí kuličkových šroubů o vysoké přesnosti až 0,01 mm. Slouží k přesnému frézování, vrtání, měření atd.

Obr. 6 typ CFM 4433

Pro pohon jsou u tohoto typu jsou použity krokové motory(CFM) nebo DC- motory (CFV).

3.2.3. COMAGRAV

Jedním z Českých zástupců výrobců 3D CNC frézek je firma COMAGRAV [5].

Tato firma vyrábí ucelenou řadu gravírek a routerů. Uplatňují se nejen při obrábění ale i při prostorovém skenování.

Stroj řady MT Profi má využitelnou plochu větší než A4. Standardní zdvih v ose Z 95 mm. Za příplatek lze dosáhnout až 220 mm. Tento zdvih vystačí

k převážné většině aplikací signmakingu. Frézka se skládá z HP profilů. Její stůl je pohyblivý a portál je pevný jak je zobrazeno na obr.7. K posuvu slouží přesné trapézové šrouby. V osách XYZ je přesné kuličkové vedení. Pro pohon jsou použity výkonné krokové motory. Mikrokrok je 0,003125 mm. Maximální rychlosti posuvu až 3 m/min.

Obr. 7 MT Profi

Stroje řady K jsou vybaveny robustními pracovními stoly. Jedná se o 3-osou frézku pro gravitování a frézování. Má velmi tuhou konstrukci s pohyblivým mostem.

Pro pohyb v osách XYZ je použito přesné kuličkové vedení. Realizace pohybu je provedena kuličkovými šrouby. Pro pohon jsou zvoleny krokové motory. Mikrokrok je

0,003125 mm. Standardem je také řídící systém PILOT a automatický senzor osy Z pro pohodlné nastavení povrchu materiálu.

Maximální rychlosti posuvu až 3 m/min. Rozdíl mezi typem K1 a K2 je ve velikosti pracovního stolu a počtu upínacích drážek.

Obr. 8 Řada K2 3.3. Shrnutí a porovnání CNC frézek

3D gravírovací a modelovací CNC frézky jsou počítačem řízené a jsou určeny pro širokou oblast použití. Jako příklad lze uvést :

• v průmyslu - na výrobu čelních a přístrojových panelů, mechanických komponent, popisování forem, modelů, desek plošných spojů, atd.

• v signmakingu - na gravírování a vyřezávání tabulek z mosazi, hliníku, dvouvrstvých gravírovacích plastů, akrylátu, plexiskla, výrobu raznic včetně oceli, na výrobu orientačních systémů, označování trofejí, jmenovek, frézování písmen a podobně, v reklamě při porývání předmětů jako jsou tabatěrky, zapalovače, placatky

• ve zlatnictví - na výrobu malých forem, knoflíků, modelů a na porývání téměř jakéhokoli materiálu diamantovým hrotem (nerezová ocel, sklo).

• v kontrole - po montáži snímače jde přeměřovat díly, skenování dílů, tvaru modelů a získávání dat pro kopírování, digitalizace dat

• ve vývoji - tvorba prototypů a modelů pro testování a zkoušení

• ve dřevovýrobě - gravitování, výroba log, modelů

• ve školství - výuka programování a ovládání CNC strojů, testování programů atd.

Tab. 1 Přehled CNC frézek

4. Rozbor typu používaných konstrukcí

Obr. 9 Rozdělení konstrukcí dle typu

• Konzolový typ konstrukce se vyznačuje dobrý přístupem pracovního prostoru. Nevýhodou je však nižší tuhost a z ní vznikající nepřesnosti, především v krajních polohách. Použití především u souřadnicových měřících strojích (dále jen SMS).

Obr.10 Konzolová konstrukce Typy

konstrukcí

s pevným stolem

konzolová mostová

s pohyblivým stolem

portálová

stojanová pinolová

• Mostový typ konstrukce se vyznačuje vyšší tuhostí, což zvyšuje přesnost polohování. Také mají velký pracovní prostor. Používají se jako SMS, Obráběcí centra, Jeřáby atd.

Obr. 11 Mostová konstrukce

• Portálový typ konstrukce je varianta na mostový typ konstrukce, kdy lineární pohony jsou umístěny místo na stole (případně zemi) na portále.

Oproti mostové konstrukci se tím snižují pohybující se hmoty v jednotlivých osách, avšak v určitých polohách se může dosahovat nižší tuhosti. Díky nižším pohybujícím se hmotnostem se mohou použít menší servopohony či krokové motory. Používají se jako SMS, víceúčelové CNC stroje, obráběcí centra atd.

Obr. 12 Portálová konstrukce

• Stojanový typ konstrukce dosahuje vysoké tuhosti, což jí umožňuje dosahovat vysoké přesnosti. Nevýhodou jsou vysoké hmoty jednotlivých elementů a tudíž nutnost výkonnějších pohonů. Používají se jako svislé souřadnicové vyvrtávačky, obráběcí stroje a centra.

Obr. 13 Stojanová (sloupová) konstrukce

• Pinolový typ konstrukce má nižší tuhost než stojanový typ ale vyznačuje se lepší přístupem do pracovního prostoru. Tento typ konstrukce je používán u vodorovných vyvrtávaček.

Obr. 14 Pinolová konstrukce

Další varianty mohou vzniknout kombinací těchto konstrukcí.

5. Lineární pohony

V této kapitole jsou uvedeny možnosti pohonných systémů, které se dají aplikovat na navrhovaný víceúčelový CNC stroj. Lineární pohony obsahují několik různých typů. Mají rozdílné vlastnosti, různé výhody a nevýhody. Jsou zde uvedeny jejich principy a základní parametry.

Lineární pohony se rozdělují na mechanické pohony, lineární elektrické a pneumatické motory.

Obr. 15 rozdělení lineárních pohonů

5.1. Mechanické pohony

U mechanických pohonů se jedná o převod rotačního pohybu na lineární pomocí mechanismu. Na základě použitého pohybu je lze rozdělit:

Lineární pohonné systémy

Mechanické pohony

Lineární elektrické

motory

Pneumatické lineární motory

Obr. 16 Rozdělení mechanických pohonů

Pro pohon mechanických vedení jsou používány různé druhy motorů.

Nejčastěji to jsou krokové motory a servomotory.

Krokové motory pracují v otevřené smyčce bez odměřování. Tyto motory jsou citlivé na přetížení. Při přetížení může dojít ke ztrátě kroku. Krokové motory jsou pomalejší (zpravidla 1000 až 3000 ot/min). Jsou jednodušší a levnější. Používají se především tam, kde nehrozí přetížení. Např. u tiskáren a plotrů.

Servomotory pracují v uzavřené smyčce a jsou odměřovány. Dosahují poměrně vysokých rychlostí (až 6000 ot/min) a jsou schopny snést velké momenty.

Z toho vyplývá jejich vhodnost použití pro dynamické aplikace.

5.1.1. Tangenciální pohonné systémy

Tangenciální se nazývají proto, že jejich pohyb vychází z tečného kontaktu mezi lineárně se pohybujícím prvkem a rotujícím válcem. Jsou zde uvedeny dva typy. V kapitole 5.1.1.1 je popsán pastorek a hřeben a v kapitole 5.1.1.2 je uveden řemenový pohon

Mechanické pohony

Tangenciální systémy

Kuličkový šroub a matice

Řemenové pohony

Pastorek a hřeben

5.1.1.1. Ozubený hřeben a pastorek

Ozubený hřeben je vyráběn v různých roztečích zubů a pastorek může mít různé počty zubů a různé průměry. Hřeben je obvykle vyroben ve standardních délkách a podle potřeb se sesazuje z jednotlivých bloků za sebe pro dosažení žádané délky. Pohon je připojen k pastorku a jsou buď uloženy na vozíku, posouvají se po hřebeni, který je upevněn na rámu stroje nebo lineární pohyb koná hřeben uložený ve vedení a pastorek s pohonem jsou napevno.

Nevýhodou tohoto pohonu je nízké zatížení, protože je síla v jeden okamžik přenášena pouze přes jeden zub, dále pak nepřesnost vznikající vůlí v ozubení.

Seznam výrobců: TEA technik[6], Alpha getriebebau[7], INA[9], Elitex ok[8]

Obr. 17 Ozubený hřeben s pohonem 5.1.1.2. Řemenové pohony

Řemenový pohon se skládá z jednoho či více ozubených řemenů, kladek uložených na ložiscích. Kladky jsou opásané hřebenem, který je vysoké pevnosti v tahu. Je na něm upevněn vozík. Servomotor pohání jednu z kladek a vozík se pohybuje lineárně. Nejednodušší je použití s jedním řemenem. Více řemenů se používá při větších zatíženích.

U tohoto pohonu je nevýhoda, nutnost použití napínací kladky při velkých délkách pohonu a složitost sestavení při dodání rozloženého pohonu.

Další parametry ze kterých se vychází při vyhledávání vhodného pohonu jsou v příloze III.

Naopak výhodami jsou určitě nižší cena, vyšší rychlosti a zrychlení.

Seznam výrobců: INA[9], Rollon[10], Hepco Slide Systéme[11], ITEM[12], THK[13], Bosch-Rexroth Group[14]

5.1.2. Kuličkové šrouby

Princip kuličkového šroubu spočívá v odvalování kuliček, které se pohybují ve šroubovici mezi šroubem a matici. Oběžná dráha v matici je v několika závitech zaplněna kuličkami, které se odvalují a tím je kluzné tření nahrazeno valivým.

Odvalující se kuličky na konci matice naráží na deflektory, které usměrňují kuličky do převáděcích kanálů. Obvykle je poháněn šroub a matice se pohybuje lineárně.

Výhodami jsou vyšší tuhost, přesnost a schopnost přenést vysoké zatížení.

Nevýhodami jsou vyšší cena, nižší rychlost a zrychlení.

Obr. 18 Řemenový pohon

spojení

Boční víko Ozubená kladka

Ochranné víko Těsnící kroužky

Kuličkové ložisko Vrchní víko

Ozubený řemen kolejnice

Tažený profil

Plastové spojení Příruba pohonu Sada šroubů

vozík

Řemenová stěrka Boční lišty

Napínací šrouby řemenu Napínání řemenu Kladičkové saně

Obr. 19 Vedení s kuličkovým šroubem

Seznam výrobců: THK[13], Bosch-Rexroth Group Bosch[14], INA[9], Rollon[10]

5.2. Lineární elektromotory

Lineární motory mají stejný princip jako rotační elektromotory. Umožňují přímočarý pohyb bez dalších mechanických částí. Stator a rotor jsou rozvinuty do roviny jak je vidět na obr. 20. Tím je umožněn lineární pohyb. Jako u rotačních elektromotorů, kde vznikají elektromagnetické síly, které vytváří moment, tak u lineárních motorů vzniká síla v přímém směru.

Obr. 20 Znázornění rozvinutí rotačního motoru VUES Brno[15]

Příruba motoru

Kolejnice

maznice Vozík s integrovanou maticí

Kuličkový šroub

Příruba

Matice s drážkou

ložisko

Koncové těsnění těsnění

Kryt ložiska ložisko

Zpětný systém

Lineární motory lze rozdělit na motory s krátkou primární částí nebo na motory s krátkou sekundární částí. Primární díl obsahuje vinutí, které je napájeno

stejnosměrným proudem. Závisí na typu motoru, zda je vinutí uloženo v ocelových plechách nebo zalité v epoxidu. Sekundární díl obsahuje několik permanentních magnetů nebo feromagnetickou ocel.

Výhody lineárních motorů jsou schopnosti přenést velké zatížení, vysoké rychlost, zrychlení a opakovaná přesnost.

Nevýhody jsou především ve větších rozměrech, nutnosti chlazení, vyšší pořizovací náklady u delších drah, nižší konečná polohová tuhost.

Obr. 21 Lineární asynchronní motor firmy VUES[15]

Přehled výrobců : VUES Brno[15], HIWIN[16], Bosch-Rexroth Group[14]

5.3. Pneumatické přímočaré motory

Pneumatické přímočaré pohony se používají při mechanizaci a automatizaci technologických pohonů, zejména při pomocných a manipulačních procesech.

Existují různé typy přímočarých pneumatických motorů jak je vidět na obr.15.

Obr. 22 Základní rozdělení přímočarých pneumotorů

Dále lze přímočaré pneumotory rozdělit na pístnicové a bezpístnicové, jak je ukázáno na obr.23 a obr.24.

Obr. 23 Pístnicový přímočarý pohon DFP firmy Festo[17]

Přímočaré pneumotory

jednočinné dvojčinné speciální

Obr.24 Bezpístnicový motor DGC od firmy Festo[17]

Výhody pneumotorů jsou v možnostech přetížení motoru bez

poškození,možnost snadného dosažení rychlých přímočarých pohybů, snadná údržba.

Nevýhody jsou především v obtížnosti udržení rovnoměrného pohybu, řízení rychlosti podél zdvihu a obtížnosti zastavování v poloze uvnitř zdvihu.

Výrobci přímočarých pneumotorů: Festo[17], Bosch-Rexroth[14], Fabco – Air[18]

5.4. Shrnutí a porovnání

V této kapitole jsou porovnány parametry jednotlivých pohonů uvedených v předchozích kapitolách.

Při vyhledávání vhodného pohonu vyniklo několik poznatků, které se dají použít jako doporučení. Vždy je potřebné znát přibližné zatížení, které na pohon bude působit. Z této hodnoty se vychází při vyhledávání v katalozích, které jsou vidět v příloze III. Dále je nutné vybírat podle potřebných rychlostí, které by měli být dosahovány.

Je nutné také posoudit zda pohon, který byl vyhledán splňuje parametry přesnosti a opakované přesnosti.

Pro porovnání parametrů byli zvoleny pohony rozsahem zdvihu 500 mm. Pohony byli vybrány z katalogů, tak aby dosahovali zdvihu alespoň 500 mm.

Typ pohonu Ozubený hřeben a

pastorek Řemenový pohon Kuličkový šroub Lineární motor Pneumatický motor

Maximální síla [N] 1 450 520 3 240 2 800 3 000

Maximální rychlost

[m/min] 208 180 63 102 180

Přesnost [µm] 12 n 25 5 n

Opakovaná přesnost

[µm] n 100 ± 3 ± 2 20

Délka zdvihu [mm] 500 500 540 517 500

n…….hodnoty nezjištěny

Tabulka 2. Parametry lineárních modulů

Jak je vidět v tab. 2 jako nejlepší s pohonů co se týče parametrů vychází lineární motor. Jeho značnou nevýhodou je však nutnost chlazení a také vysoká cena.

6. Konstrukce rámu

Rám by měl být pokud možno co nejvíce variabilní, aby mohlo docházet k různým úpravám a změnám konstrukce podle potřeb použití tohoto zařízení.

Nejvhodnější se proto ukazují standardizované díly profilů a lineárních pohonů. Tato kapitola obsahuje rozbor nabídky, možnost jejich spojování a aplikaci.

V současné době existuje na trhu několik dodavatelů přesných tažených hliníkových profilů, lineárních vedení, i modulů s lineárními motory. Propojování je možné pomocí šroubových a tvarových spojů bez použití svařování, což umožňuje jejich snadnou a rychlou montáž i demontáž. Tím je dosaženo značné variability.

6.1. Alutec

Jedním z dodavatelů těchto profilů je firma ALUTEC[19]. Tento dodavatel zastupuje několik italských výrobců AL systémů. V její nabídce je mnoho tažených AL profilů a spojovacích materiálů.

Obr. 25 Příklad použití profilů ALUTEC[19]

Jsou nabízeny řady 30, 40, 45 což jsou šířky profilů. K jejich vzájemnému propojování se používají různé typy spojek a šroubů. Tato spojení dosahují velmi vysoké tuhosti. Díly jsou normalizované a jsou zaměnitelné. V nabídce firmy jsou i pohony poháněné kuličkovým šroubem, řemenem. Z těchto profilů je možné navrhovat konstrukce zařízení a strojů a montážních či dopravních linek apod.

typ cena [Kč/m]

deformace [f] dle výpočtu ITEM[mm]

Alutec 40x40 310 3,49

Tab. 3 Cena profilu Alutec[19]

Výpočet deformace jednostranně vetknutého profilu dle ITEM [12]

y F l⋅³ 3 E⋅ ⋅I

:= mm

Pro výpočet deformace profilu dle uvedeného vzorce byli použity následující hodnoty:

F = 100 N l = 1000 mm E = 0,7 . 10⁵ MPa

I = 13,65 cm⁴

6.2. ULMER

Dalším takovým dodavatelem je firma ULMER[20], která zastupuje německou firmu ITEM[12] v České republice. ITEM[12] nabízí katalog, který obsahuje prvky a díly vhodné pro konstrukci nejrůznějších jednoúčelových a víceúčelových strojů, linek a dopravníků. Tyto díly jsou normalizované, což umožňuje jejich zaměnitelnost a variabilitu.

Obr. 26 Příklad použití profilů ITEM[12]

Základem tohoto systému jsou přesné tažené hliníkové profily s podélnými drážkami a otvory pro upevnění spojovacích prvků. Jsou nabízeny řady 5,6,8, 12 což značí šířku podélné drážky. Tomu odpovídají rozměry profilů 20, 30,40, 60 a 80mm.

V podstatě platí, že řada P5 má základní rozměr profilu 4-násobek své drážky, řada P6 má základní rozměr profilu jako 5-násobek, P8 jako 5-násobek atd. Výběr

v katalogu se provádí odečtem profilu z grafu[Příloha III.] nebo orientačním výpočtem z tuhostí. Jak je vidět v kapitole[8.3].

Obr. 27 hliníkové profily ITEM[12]

typ cena [Kč/m]

deformace dle výpočtu

ITEM [mm]

Plocha [cm2]

ITEM P8-40x40 333,4 3,41 9,16

Tab. 4 Cena profilu ITEM[12]

Výpočet deformace jednostranně vetknutého profilu dle ITEM [12]

y F l⋅³ 3 E⋅ ⋅I

:= mm

Pro výpočet deformace profilu dle uvedeného vzorce byli použity následující hodnoty:

F = 100 N l = 1000 mm E = 0,7 . 10⁵ MPa

I = 13,96 cm⁴

Cena ITEM[12] je o něco vyšší než u Alutecu[19] jak je vidět v tab. 3 a tab. 4., naopak deformace vychází lépe u profilu ITEM [12]. Nabídka profilů ITEM[12] je také mnohem širší a propracovanější, čímž se nabízí mnohem větší výběr profilů pro konstrukci. V katalogu je například uveden základní výpočet deformací při

nejčastějších zatíženích, jsou tam také uvedeny grafy ze kterých lze orientačně odečíst deformaci profilu a na internetu lze přímo zadat zatížení a zkontrolovat, zda vybraný profil zatížení unese.

6.3. Lineární moduly

Jednotlivé prvky stavebnice ITEM[12] umožňují také sestavit řemenové lineární pohony a pohony s kuličkovým šroubem. Díky tomu se zvyšuje variabilita kompatibilita systému. K dispozici je i online knihovna 3D CAD prvků, ze kterých lze vytvořit konstrukci a případně otestovat a upravit podle potřeb ještě před objednáním.

Obr. 28 Příklad použití pohonů z dílů firmy ITEM[12]

Další možností jak sestavit pohony jednotlivých os umožňují další firmy. Jsou to například firmy THK[13], HIWIN[16], INA[9], Rollon[10] a další. Mají v nabídce kromě dalších prvků i kompaktní lineární moduly. Moduly umožňují rychlé a jednoduché řešení při přenosu rotačního pohybu na přímočarý.

Tyto moduly jsou kompaktní jednotky s integrovaným kuličkovým nebo

kladičkovým vedením a vozíkem. Vozík je poháněn kuličkovým šroubem, ozubeným hřebenem či ozubeným řemenem. Tyto moduly jsou uzavřené v hliníkovém profilu.

Velikosti těchto profilů jsou různé. Profily mohou být otevřené či uzavřené, s kryty nebo bez krytu.

Dále je možné k těmto modulům přimontovat koncové spínače, snímače pohybu. Na konci profilu jsou osazeny přírubou pro připojení převodovky a motoru.

Obr. 29 Lineární moduly

Moduly lze použít buď samostatně nebo v sestavách dvou, tří či více-osových systémech lineárních polohovacích systémů.

Obr. 30 Příklady montáží lineárních modulů THK[13], Rollon[10]

Výběr vhodného lineárního modulu závisí na mnoha faktorech. Především na druhu velikosti, umístění a směru vnějších zatíženích. V katalozích výrobců jsou uvedeny parametry potřebné pro správný výběr lineárního modulu.

Obr. 31 Příklady zařízení z lineárních modulů

7. Rozbor stávajícího zařízení

Na katedře výrobních systémů Technické univerzity Liberec bylo sestaveno zařízení, které je v současné době zkoušeno v rámci projektu vývoje víceúčelového CNC stroje.

7.1. Parametry zařízení

Pro stanovení potřebných parametrů je nutné znát předpokládanou funkci zařízení.

Zařízení, které bylo navrženo na Katedře výrobních systémů má plnit tyto účely:

- metody Rapid prototyping

- obrábění lehce obrobitelných materiálů (např.hliník, umělé dřevo atd.) pomocí CNC ovládaného vřetene

- stavba modelů pomocí metody nanášení materiálů

Z těchto funkcí vyplývají především rychlosti posuvů a rychloposuvů.

Požadavky na zařízení:

- dostupný pracovní prostor (X x Y x Z) 225 x 230 x 130 mm - lineární rychlost posuvů až do 20 m / min

- možné zrychlení až do 20 m / s² - maximální průměr frézy 10 mm

- maximální silové zatížení vznikající z obrábění 100 N

Na stávajícím zařízení sestaveném a odzkoušeném byli při testech zjištěny parametry uvedené v tabulce 5. Dále byli také zjištěny určité nedostatky, které by se měli rámci této diplomové práce odstranit.

Obr. 32 CNC zařízení včetně elektrovřetene

U použitých řemenových lineárních pohonů byla zjištěna nižší tuhost, která je způsobena natahováním řemene při rozjezdu a dobrždění.

Z tohoto důvodu dochází k horší přesnosti polohování. Dalším nedostatkem

konstrukce je nevhodně zvolená konstrukce nerespektující pracovní prostor. Z tohoto důvodu je pracovní stůl v přední části nepodepřen, čímž dochází k jeho chvění.

Z toho vyplývají další nepřesnosti především při obrábění a také horší kvalita obráběného povrchu. Jedním z nedostatků je také značné předimenzování osy Z.

Díky tomuto nedostatku je zbytečně zvýšena hmotnost konstrukce a z toho vyplívající použití silnějších a dražších pohonů.

7.2. Konstrukce rámu

Konstrukce rámu byla navržena z hliníkových tažených profilů firmy ITEM[12], které byli zvoleny pro jejich snadnou sestavitelnost. Jsou vhodné zejména pro stavbu jednoúčelových strojů a zařízení. Základním stavebním prvkem jsou přesné tlačené profily, které jsou spojovány pomocí spojovacích dílů a drážek. Profily dosahují poměrně vysoké pevnosti a tuhosti. Tyto profily byli zvoleny především pro obrovskou variabilitu a snadnou přestavitelnost zařízení.

Jak je patrné obrázku, konstrukce rámu je sestavena jako portálová.

Obr. 33 detail konstrukce 7.3. Použité pohony os

Pro pohony jsou v jednotlivých osách vybrány řemenové pohony

s kladičkovým vedením. Jsou sestaveny s dílů firmy ITEM[12]. Pro náhon těchto pohonů jsou použity servopohony Yaskawa[21].

7.4. Parametry prototypového zařízení

Parametry prototypu víceúčelového stroje, které byli zjištěni dosaženy při testování jsou uvedeny v tabulce 5.

Tab.5 Parametry prototypového zařízení

8. Návrh nové konstrukce

8.1. Postup při návrhu konstrukce

Pro návrh konstrukce je důležité její předpokládané využití. Rozbor jednotlivých konstrukcí používaných u strojů s podobným použitím je podrobně uveden v kapitole 4.

V kapitole 3. je proveden rozbor zařízení od různých výrobců. Které mají podobné parametry jako navrhované zařízení. Je tam vidět několik typů konstrukcí.

Tyto typy závisí především na účelu použití daného zařízení.

Některé jsou vhodné pro sériovou výrobu, jelikož mají vyráběné rámy sestavené z ohýbaných profilů sestavených do uzavřených konstrukcí. Díly jsou pospojovány pomocí šroubů a nebo svarů. Příkladem takového stroje je například frézka od firmy Horbach Technik [3] MDX-40 jak je vidět na obr. 34.

Obr. 34

Pokud se však jedná pouze o výrobu několika kusů nebo v případě prototypového zařízení pouze výroby jednoho kusu, je vhodnější použití

normalizovaných součástí vyráběných renomovanými výrobci. Příklad takovéhoto stroje je znázorněn na obrázku 35. Avšak ani v tomto případě se nejedná o frézku vyrobenou v kusové sérii, nýbrž zde je profilů použito z hlediska zakomponování frézky do automatizovaného výrobní linky. Na obrázku 35. je znázorněna frézka FB2 od firmy ISEL [ 4].

Obr. 35

Z rozborů v kapitolách 3, 4 a 7.1 lze tedy vysledovat, že nevhodnějšími typy konstrukcí pro uvažovaný typ zařízení je mostová a nebo portálová konstrukce. Je to především proto, že se uvažuje o použití zařízení jako souřadnicového měřícího stroje a 3-osé frézky.

Výhody portálové varianty s pevným stolem spočívají v pohybu nižších hmot ve všech osách, což umožňuje menší dimenzování pohonů. To pak snižuje náklady.

Nevýhodou může být nižší tuhost konstrukce. Vlivem této příčiny dochází k chybám v polohování. Tato chyba se však dá odstranit nastavením pohonů, tak jako například u již hotového prototypového zařízení, které je na katedře výrobních systémů.

Druhá varianta s pohyblivým stolem je tužší. Na rámu se pohybují dvě osy, což jsou dva stupně volnosti a stůl se pohybuje samostatně. Pohyblivý stůl, je masivnější, což zvyšuje tuhost. Z těchto důvodů jsou pak menší deformace

konstrukce a tedy menší chyby v polohování. Tato varianta je přesnější, z důvodů výše uvedených, avšak vlivem vyšší hmotnosti stolu je třeba použít silnější pohon, který snese vyšší zatížení. To pak zase zvyšuje náklady konstrukce.

8.2. Návrh konstrukce z hlediska tuhosti 8.2.1 Teoretická rozvaha tuhostí rámů

Pro návrh konstrukce obráběcího stroje je z hlediska přesnosti výroby a životnosti nástrojů nutné uvažovat tuhost pracovního prostoru.

U strojů s otevřeným pracovním prostorem (a uzavřeným pracovním

prostorem nesouměrně zatíženým) převládá při volbě tuhostí požadovaná přesnost výrobku a životnost nástrojů. Kritériem přesnosti je např. úhlová

tuhost [N/rad].

U strojů s uzavřeným pracovním prostorem souměrně zatíženým převládá při volbě tuhosti vliv jehož kritériem je tuhost pracovního prostoru [N/mm].

Poddajnost ideálně pružného pracovního prostoru v druhém případě pak tedy bude vyjádřena rovnicí:

1 k

1 k_r

1 k_m + :=

kde kr je tuhost rámu, km je tuhost mechanismu.

Poddajnost mechanismu:

1 k_m

1 n

i

1 k_i

∑

kde ki jsou dílčí tuhosti (např. pinola, tuhost spojení atd.) n je počet součástí mechanismu.

Tuhost pracovního prostoru k je limitována tuhostí mechanismu km a horní hranice tuhosti rámu kr je omezena zejména ekonomickými hledisky.

Graf 1 Tuhost pracovního prostoru

Dílčí tuhost rámu má význam zvyšovat pouze do určité míry, pokud přírůstek tuhosti pracovního prostoru k, daný dílčím zvýšením tuhosti rámu, bude se zřetelem k hmotnosti a rozměrům rámu ještě ekonomicky únosný.

Tuhost mechanismu km je limitována nejméně tuhým členem soustavy mechanismu a tento nejméně tuhý člen bude výchozím členem pro konstrukci mechanismus – rám. V grafu 1 byla zvolena tuhost výchozího členu mechanismu km=1.

Optimalizace soustavy se zřetelem k dosažení maximální tuhosti a minimální hmotnosti je podmíněna:

1. minimální rozměry výchozího členu soustavy se zřetelem k daným prostorovým možnostem,

2. maximální tuhostí výchozího členu při minimálních rozměrech, 3. ekonomickým poměrem tuhosti rámu a mechanismu.

Zpravidla se vychází z bilancí tuhostí provozně a ekonomicky osvědčených strojů, získaných experimentálně.

Bilanci tuhostí a deformací lze znázornit sloupkovými diagramy jak je vidět na obr.36

Obr.36

Z grafu 1 a diagramů na obr.36, pak můžeme čerpat ideální poměry tuhostí pro návrh konstrukce pracovního prostoru.

k 2

3⋅k_m :=

k :=32 k⋅ k_r:= 2 k⋅ _m kde k je tuhost pracovního prostoru [N/mm], km je tuhost mechanismu [N/mm],

kr je tuhost rámu [N/mm].

8.2.2. Tuhost spojení

Spojené součásti se spolu stýkají na souvislé rovinné, válcové nebo kuželové ploše.

Má-li být spojení dostatečně tuhé, musí být předepnuto.

Předepnutí šroubového spoje se docílí dotažením na utahovací moment. Ten se získá ze vztahu:

M_U 3

4⋅d₂⋅F_Q⋅tan

( )

:= N m⋅

kde d2 je střední průměr závitu v [mm], FQ je osová síla ve šroubu v [N],

γ je úhel stupání šroubovice ve [˚], φ´ je třecí úhel ve [˚].

8.3. Modifikace rozměrů rámu při zachování tuhosti Tuhost v ohybu se vypočítá ze vztahu:

k F

:= y kde F je působící síla v [N],

a y je průhyb nosníku [mm].

Pokud chceme zachovat stejnou tuhost při zvětšování rozměrů konstrukce musíme zachovat stejnou deformaci. Deformaci v ohybu jednostranně vetknutého nosníku dostaneme ze vztahu:

y F l⋅³ 3 E⋅ ⋅I

:= mm

kde F - je působící síla [N], l - je délka nosníku [mm],

E - je modul pružnosti v tahu [MPa], I - je kvadratický moment průřezu [mm⁴]

Z dané rovnice pro výpočet deformace vyplývá poměr mezi zvětšením délky a zvětšením kvadratického momentu průřezu. Jestliže se zvedne délka nosníku na dvojnásobek, pak pro zachování stejné tuhosti nosníku je nutné zvednout velikost kvadratického momentu průřezu na osminásobek. Porovnání nárůstu délky

v porovnání s kvadratickým momentem průřezu u jednostranně vetknutého nosníku je vidět v grafu 2.

Graf 2

Z grafu 2 je viditelné, že s každým násobkem délky exponenciálně narůstá velikost kvadratického momentu průřezu.

8.4. Konstrukce nového rámu

Jak vyplývá z rozboru v kapitole 7.1. jedná se o prototypové zařízení u kterého není předpoklad následné sériové výroby. Tento důvod je důležitý při volbě

jednotlivých dílů a jejich výroby. V tomto případě se jako vhodné jeví použití

hliníkových tlačených profilů. Jejich podrobnější rozbor je uveden v kapitole 6. Pro konstrukci byli vybrány profily od firmy ITEM[12] a to především z důvodu širší nabídky a vyšší tuhosti profilů.

Při návrhu byla inspirace čerpána z podobných existujících gravírovacích a modelových frézek jejichž přehled je v kapitole 3. Stojanový a pinolový typ je vhodný spíše pro velké obráběcí stroje, konzolový typ naopak pro svou nižší tuhost je

vhodný především pro SMS. Ze stávajících konstrukcí se tak objevují jako vhodné především konstrukce mostová a portálová. Z důvodu uvedených v kap. 8., je pak vhodnější varianta portálová.

Dále bylo také přihlédnuto k již stávající konstrukci, zda je nutné

překonstruování celého rámu, kvůli navrhované změně lineárního vedení, které je uvedeno v následující podkapitole 8.5. Také je přihlédnuto k velikosti zastavěného prostoru při splnění požadovaných nebo již dosažených parametrů, případně je přihlíženo ke zjištěným nedostatkům prototypu uvedených v kapitole 7.1.

Po tomto vyhodnocení byla jako konstrukce opět navržena portálová

konstrukce, protože tento typ konstrukce je pro dané zařízení vyhovující, jak vyplývá z výše uvedených důvodů. Vzhledem k nedostatečnému využití zastavěného

prostoru s přihlédnutím na pracovní prostor staré konstrukce byla celá konstrukce přepracována jak je vidět na obr. 37.

Obr. 37 Konstrukce rámu v software CATIA V5

Došlo k překonstruování rámu a to především s přihlédnutím k pracovnímu prostoru a nutnosti podepření základní desky, aby bylo odstraněno chvění ke

kterému dochází na nepodepřeném konci pracovního stolu u staré konstrukce. Dále byla také konstrukce upravena, aby lépe reflektovala pracovní prostor a zároveň při splnění podmínek velikosti pracovního prostoru došlo ke zmenšení zastavěnosti.

8.5. Návrh lineárních vedení

Možností uspořádání konstrukce lineárních vedení je několik. Některé typy mají například kolejnici uvnitř profilu jak je vidět na obr.38. kde je zobrazen profil od firmy INA[9].

Obr.38 Pohon od firmy INA[9]

Další pohony mají například kladičkové vedení uvnitř nebo vně profilu jak je vidět na obr.39 kde je zobrazen pohon od firmy Rollon[10].

Obr.39 Pohon od firmy Rollon[10]

Typ lineárního pohonu od firmy THK[13] má zase kuličkové vedení uvnitř profilu, kde se kuličky odvalují přímo po profilu jak je zobrazeo na obr.40.

Obr.40 Pohon od firmy THK[13]

Dalšími výrobci jsou např. Bosch-Rexroth[14], FESTO[17].

Pro jejich výběr je důležité stanovit přibližné ohybové momenty které působí na vozík v jednotlivých osách jak je vidět na obrázku 41.

Obr.41 Směry jednotlivých ohybových momentů

Tab. 6 Hodnoty ohybových momentů z katalogu THK[13]

Hodnoty ohybových momentů jsou vidět v tabulce 6, kterou obsahuje katalog od firmy THK[13]

Nejčastěji jsou vyráběna vedení s přírubou pro připevnění převodovky a motoru.

Z těchto typů bylo vybráno použité lineární vedení. Lineární vedení od firmy THK[13], typ KR, který je dodáván jako celý modul. Tento typ byl vybrán především pro nižší hmotnost a menší rozměry než mají pohony u výrobce INA[9]. Pohon se sestává z hliníkového profilu v kterém se pohybuje vozík poháněný kuličkovým šroubem. Lze si vybrat ze dvou průměrů kuličkových šroubů. Pro vedení vozíku uvnitř profilu je použito kuličkové vedení. Součástí modulu je i příruba pro připojení motoru či převodovky.

Při výběru jednotlivých modulů bylo přihlíženo jednak k rozsahu zdvihů z důvodu zajištění požadované velikosti pracovního prostoru, k dosahovaným rychlostem, kvadratickým momentům průřezům pro zjišťování tuhosti.

Porovnání pohonů bylo provedeno v kapitole [5.4]. Jako nejvhodnější pohon vychází lineární elektromotor, ale z důvodu vysoké ceny, složitosti a velkých nároků na chlazení není použit. Z hlediska přesnosti a zatížení byl vybrán pohon

s kuličkovým šroubem.

Snese nejvyšší zatížení. Rychlost má sice nejnižší z porovnávaných pohonů, přesto je tato hodnota dostačující pro dané použití. Kuličkový pohon je přesnější než řemenový, jelikož u něho nedochází k nepřesnostem vznikajících při napínání

řemenu.

Obr. 42 Konstrukce včetně pohonů

Další nespornou výhodou je dodání pohonů s kuličkovým šroubem jako celkového modulu, čímž odpadá nutnost jeho sestavení. Kuličkové vedení zároveň zvyšuje tuhost celého vedení.

V konstrukci byli navrženy tyto pohony :

• pohyb v ose X - lineární modul KR45A; délka vedení 540 mm; průměr kuličkového šroubu 12mm

• pohyb v ose Y – 2x lineární modul KR45A; délka vedení 440 mm;

průměr kuličkového šroubu 12mm

• pohyb v ose Z – lineární modul KR46D; délka vedení 300 mm; průměr kuličkového šroubu 10mm

8.6. Orientační výpočet tuhosti pracovního prostoru 8.6.1. Nově navrhovaná konstrukce

Nejprve je nutné sestavit vhodný náhradní model pro výpočet tuhostí. Tento model je zobrazen na obr.43.

Obr.43 Náhradní model tuhostí

Tuhost mechanismu km je limitována nejméně tuhým členem soustavy mechanismu a tento nejméně tuhý člen bude výchozím členem pro konstrukci mechanismus – rám. V náhradním modelu je k1 tuhost pinoly a k2 tuhost příčníku.

Nejprve je však nutné vybrat pohon, který bude použit na pinole a z jeho parametru zjistit deformaci která se pak použije k výpočtu tuhosti.

Výběr pohonu byl proveden z rozboru v kapitole 5 a 8.5. Při posuzování byli využity požadované parametry stanovené v kapitole 7.

Jako pinola byl vybrán pohon KR4610D s délkou vedení 300 mm od firmy THK[13]. Rozhodnutí pro výběr pohonu od této firmy byl proveden z důvodu rozměru a parametrů.

Výpočet tuhosti pinoly:

k₁ F y₁ :=

k₁ 9734 N

= mm

kde síla F je 100 [N],

y1 [mm] je deformace v průhybu, která se vypočítá z rovnice:

y₁

F l^⋅

( )

3 E⋅ ⋅I₁ :=

y₁ = 0.01 mm kde l1=173 [mm] je délka pinoly ve vysunutém stavu, 3 je součinitel uložení jednostranně vetknutého nosníku, E=0,7 . 10⁵ [MPa] je modul pružnosti v tahu pro hliník,

I1=2,4 . 10⁵ [mm⁴] je kvadratický modul v průřezu, získaný z tabulky7. uvedené v katalogu firmy THK[13]

Tab. 7 Kvadratické momenty průřezu z katalogu THK[13]

Výpočet tuhosti příčníku:

k₂ F y₂ :=

k₂ 41813 N

= mm kde síla F je 100 [N].

y2 [mm] je deformace, která se vypočítá z rovnice:

y₂

F l^⋅

( )

192 E⋅ ⋅I₂ :=

y₂ = 0.002 mm kde l2=300 [mm] je délka pinoly ve vysunutém stavu, 192 je součinitel uložení nosníku oboustranně vetknutého, E=0,7 . 10⁵ [MPa] je modul pružnosti v tahu pro hliník,

I2=8,4 . 10⁴ [mm⁴] je kvadratický modul v průřezu, získaný z tabulky z katalogu firmy THK[13].

Výpočet tuhosti mechanismu se spočítá ze vztahu:

k₄

k₁⋅k₂ k₂ + k₁ :=

k₄ 6552 N

= mm

kde k4=km je celková tuhost mechanismu v [N/mm].

Pak celková tuhost pracovního prostoru k=k5[N/mm] dle vztahu odvozeného v kapitole 8.2.1. je:

k₅ 2 3⋅k₄ :=

k₅ 4368 N

= mm

Tuhost rámu kr=k6[N/mm] vyplývá ze vztahu odvozeného v kap.8.2.1.:

k₆:= 2 k⋅ ₄ k₆ 13104 N

= mm

Z tuhosti pracovního prostoru pak získáme kvadratický moment průřezu I3:

I₃

l₃

( )

I₃ = 12.48 cm⁴ kde l3=200 [mm] je délka stojny.

k3 je tuhost jedné stojny rámu v [N/mm], která se získá ze vztahu:

k₃ k₆ := 4

3 je součinitel uložení nosníku,

E=0,7 . 10⁵ [MPa] je modul pružnosti v tahu pro hliník.

Pro dodržení vhodného rozvržení bilance tuhostí je nutné vyhledat vhodné profily jejichž kvadratický moment průřezu se blíží vypočítanému kvadratickému momentu průřezu.

Vypočítanému kvadratickému momentu průřezu odpovídá přibližně profil P8- 40x40 od firmy ITEM[12], který má velikost kvadratického momentu průřezu I=13,96 cm⁴.

8.6.2. Původní konstrukce

Náhradní model pro výpočet tuhostí původní konstrukce je zobrazen na obr.44.

Obr. 44 Náhradní model tuhostí

Tuhost mechanismu km je limitována nejméně tuhým členem soustavy mechanismu a tento nejméně tuhý člen bude výchozím členem pro konstrukci mechanismus – rám. V náhradním modelu je k1 tuhost pinoly a k2 tuhost příčníku.

k₁ F y₁ :=

k₁ 8448 N

= mm

kde síla F je 100 [N].

y1 [mm] je deformace, která se vypočítá z rovnice:

y₁

F l^⋅

( )

3 E⋅ ⋅I₁ :=

y₁ = 0.012 mm kde l1=360 [mm] je délka pinoly ve vysunutém stavu,

3 je součinitel uložení nosníku jednostranně vetknutého, E=0,7 . 10⁵ [MPa] je modul pružnosti v tahu pro hliník,

I1=187,7 . 10⁴ [mm⁴] je kvadratický modul v průřezu, získaný z katalogu ITEM [12].

Výpočet tuhosti příčníku:

k₂ F y₂ :=

k₂ 18254 N

= mm kde síla F je 100 [N].

y2 [mm] je deformace, která se vypočítá z rovnice:

y₂

F l^⋅

( )

192 E⋅ ⋅I₂ :=

y₂ = 0.005 mm kde l2=800 [mm] je délka pinoly ve vysunutém stavu, 192 je součinitel uložení nosníku oboustranně vetknutého, E=0,7 . 10⁵ [MPa] je modul pružnosti v tahu pro hliník,

I2=69,54 . 10⁴ [mm⁴] je kvadratický modul v průřezu, získaný z katalogu ITEM [12].

Výpočet tuhosti mechanismu se spočítá ze vztahu:

k₄

k₁⋅k₂ k₂ + k₁ :=

k₄ 5775 N

= mm

kde k4=km je celková tuhost mechanismu v [N/mm].

Pak celková tuhost pracovního prostoru k=k5[N/mm] dle vztahu odvozeného v kapitole 8.2.1. je:

k₅ 2 3⋅k₄ :=

k₅ 3850 N

= mm

Tuhost rámu kr=k6[N/mm] vyplývá ze vztahu odvozeného v kap.8.2.1.:

k₆:= 2 k⋅ ₄ k₆ 11551 N

= mm

Z tuhosti pracovního prostoru pak získáme kvadratický moment průřezu I3:

I₃

l₃

( )

3 E⋅ :=

I₃ = 11 cm⁴ kde l3=200 [mm] je délka stojny,

k3 je tuhost jedné stojny rámu v [N/mm], která se získá ze vztahu:

k₃

k₆ := 4

3 je součinitel uložení nosníku,

E=0,7 . 10⁵ [MPa] je modul pružnosti v tahu pro hliník.

Pro stojny rámu stávající konstrukce byl použit profil P8-40x40 light jehož kvadratický moment průřezu I=9 [cm⁴] dle katalogu ITEM [12]. Což je nižší než doporučená hodndota z vypočítaného kvadratického momentu průřezu.

9. Použití převodovky k propojení pohonů v ose Y

Dodatečně byl řešen problém propojení lineárních modulů pro pohyb v ose Y.

Vzhledem k použití dvou modulů v této ose musel být vyřešen jejich souběžný pohyb. Nabízejí se dvě varianty.

Buď použitím dvou servopohonů. Ovšem zde vzniká problém v řízení tak, aby se spouštěli stejně bez zpoždění jinak by mohlo dojít ke zkřížení pohonů a zastavení pohybu. Tento problém by však bylo možné vyřešit softwarově. Ovšem proti tomuto řešení svědčí především vysoká cena pohonů.

Druhá varianta, která se nabízí je použití převodovek s kuželovým soukolím a jejich propojeni pomocí hřídele jak je vidět na obr. 45.

Obr. 45 Detail propojení převodovek

Pro spojení s lineárními pohony bylo nutné vyrobit dvě desky, které se nejprve přišroubují k převodovkám a to celé pak k modulu. Mezi sebou jsou převodovky propojeny tyčí a spojkami MK2-20-35-10H7-10H7. Spojky MK2-20-44-10H7-8H7 jsou použity u propojení hřídelí převodovek a lineárního modulu. Tyto spojky jsou

nakoupeny od firmy THK[13].

Obr. 46 Kuželová převodovka od firmy TEA technik[6]

K propojení byli použity dvě kuželové převodovky od firmy TEA technik[6].

Jsou to LM 60 -1D, která má tři výstupy a LM 60 -1R se dvěma výstupy jak je patrné z obr. 45.

Kuželové převodovky typ LM s převodovým poměrem 1:1 nebo 1:2 s kroutícím momentem do 40 Nm. Jako materiál skříně je použita slitina hliníku. Kola jsou

vyrobena z vysokojakostní oceli s přímým ozubením. Smysl otáčení je oboustranný

10. Porovnání konstrukcí

V této kapitole jsou porovnány obě varianty z několika hledisek.

10.1. Porovnání rámu

Rám byl na základě odzkoušení prototypu navržen vzhledem k lepšímu využití prostoru.

Obr.47 Původní rám

Obr. 48 Upravený rám

Jak je patrné z obou obrázků, rám byl zcela překonstruován. U původního rámu jsou v ose Y součástí portálu řemenové lineární pohony. U nové konstrukce tam jsou umístěny profily jako základna pro upevnění lineárních modulů s kuličkovým šroubem. Byla také změněna základná celého rámu na základě potřeb pracovního prostoru. U nového rámu více odpovídá rozsahu pracovního prostoru a podepření základní desky. Vzhledem k šířce lineárních modulů byli také použity širší profily jak na stojny, tak na rovnoběžné díly v základně rámu. Z tohoto důvodu se zlepší tuhost konstrukce.

10.2. Porovnání zastavěnosti prostoru

Zastavěnost konstrukcí byla měřena za vysunutí osy Z do maximální polohy nahoru. Hodnoty jsou uvedeny v tab. 6 v kapitole 12.

Obr. 49 Původní konstrukce

Obr. 50 Upravená konstrukce

10.3. Porovnání cen

Jak je zřejmé z kapitoly 11.1 rámy obou konstrukcí byli zkonstruovány z profilů ITEM[12]. Avšak změnily se velikosti a délky použitých profilů. Pro pohon os byli u prototypové konstrukce použitý řemenové pohony sestavené z profilů firmy ITEM[12].

U nově navržené konstrukce byli použity lineární moduly s kuličkovým šroubem a kuličkovým vedením od firmy THK[13]. Dále tam také byli použity navíc dvě kuželové převodovky. U všech těchto komponent byla zjištěna cena pro

následné porovnání.

Cena původní konstrukce : 159 284 Kč Cena nově navržené konstrukce : 220 804,5 Kč

10.4. Porovnání hmotností

Při porovnání hmotností konstrukcí nejsou započítány servopohony. Byli stanoveny součtem jednotlivých prvků, které jsou v osách včetně rámu.

Celková hmotnost původní konstrukce : 64,31 kg Celková hmotnost nové konstrukce : 55,35 kg

Rozdíl v hmotnostech je způsoben vahou řemenových pohonů v jednotlivých osách. Hmotnosti pohonů s kuličkovými šrouby jsou menší. U původní konstrukce byla váha počítána bez servomotorů, aby ji bylo možno porovnat s novou konstrukcí, která v sobě nemá zahrnuty servomotory.

Například řemenový pohon v ose X u původní konstrukce váží 10,5kg.

11. Závěr

V rámci této diplomové práce byla navržena konstrukce víceúčelového CNC stroje. V rámci návrhu byli zohledněny požadavky, které byli zjištěny při testování již existujícího pototypu na Katedře výrobních systémů. Srovnatelné parametry jsou uvedeny v tabulce 4.

původní

konstrukce nová konstrukce zastavěný prostor

XxYxZ [mm] 1080x560x970 640x788x711

pracovní prostor

XxYxZ [mm] 229x234x127 230x313x173

hmotnosti [kg] 64,31 55,35

tuhost v ose

[N/mm] 3850 4368

cena [Kč] 159284 220804,5

Posuv [m/min] 10 63 *

Zrychlení [m/s2] 0,5 15 *

přesnost polohování [mm]

X±0,08 Y±0,04 Z±0,04

X±0,01 Y±0,01 Z±0,01 *

* ………teoretické hodnoty

Tab.8 Porovnání konstrukcí

Z tab. 8 je vidět, že se změnila zastavěnost prostoru při současném zvětšení pracovního prostoru. Byla také snížena hmotnost celé konstrukce, použitím

vhodnějších modulů v jednotlivých osách. Při respektování požadavku na rozsah pracovního prostoru a sestavení jednotlivých os byla optimalizována konstrukce tak, aby vzrostla tuhost celé konstrukce. Použitím lineárních modulů s kuličkovým

vedením, poháněných kuličkovým šroubem vzrostla také tuhost vedení, což se

projevilo v zlepšení opakované přesnosti. Kuličkový šroub také umožňuje

dosahování větších rychlosti a zrychlení než stávající pohony, tyto hodnoty jsou však pouze orientační, protože je u nich vycházeno z parametrů uvedených výrobcem.

Nevýhodou této varianty však může být cena, která se především díky lineárním modulům vyšplhala vzhůru takřka o 40%.

Diplomová práce je rozdělena do dvou částí. První část je teoretická, kap. 3 až kap.6 a zabývá se průzkumem stavu současné techniky podobné konstrukce, 3D CNC frézek pro modelování a možností konstrukčních provedení.

Druhá část, kap. 7 až kap. 11 se zabývá popisem stávající konstrukce, návrhem nové konstrukce a jejich porovnání.

Součástí práce jsou také přílohy obsahující výkresovou dokumentaci a kusovník.

Přínos této diplomové práce je návrhu konstrukce, která by měla eliminovat nedostatky stanovené v kapitole 7 a také v porovnání dvou typů lineárních pohonů a jejich technických a ekonomických parametrů.

Vzhledem k výsledkům uvedeným v tab.8 je tedy otázkou zda by změna pohonů a zvýšení tuhosti bylo dostačující vzhledem k nárůstu ceny.

Zda by nepostačilo pouze vyměnit profily rámu za tužší P8-40x40 jak vyplývá z výpočtu v kapitole 8.6.2.

Dále z této práce vyplývají jistá doporučení pro případnou změnu rozměrů navrhované konstrukce. Tato rozvaha je uvedena v kap. 8.3. V grafu 2 je vidět jakým způsobem se musí zvětšovat kvadratický moment průřezu, při zvětšování délky vedení v jednotlivých osách, při udržení stejné tuhosti.

Použitá literatura

[1] Prof. Ing. Přemysl Pokorný; Souřadnicové měřící stroje; TU Liberec, katedra výrobních systémů, 1998

[2] Prof. Ing. Přemysl Pokorný; Výrobní stroje 2 Tvářecí stroje; TU Liberec, katedra výrobních systémů; 2001

[3] Horbach GmbH; http://www.horbach-giesstechnik.de/

[4] ISEL Group; http://www.isel.com/en/

[5] COMAGRAV; http://www.comagrav.com/cz/

[6] TEA technik s.r.o; http://www.teatechnik.cz/

[7] Alpha getriebebau GmbH; http://alphagetriebe.de/en/index.html [8] Elitex Ok s.r.o; http://www.elitexok.cz/

[9] INA; http://www.ina.com/content/en/index.jsp

[10] Rollon Corporation; http://www.rollon.com/english/rollon.htm

[11] Hepco Slide Systems Limited; http://www.hepcomotion.com/index8.php [12] ITEM; http://www.item-international.com/en/index.php

[13] THK LM Systems; http://www.thk.de/EN/

[14] Bosch-Rexroth;

http://www.boschrexroth.com/country_units/europe/czech_rep/cs/index.j sp

[15] VUES Brno a.s.; http://www.vues.cz/linearni_motory.phtml?jazyk=cz [16] HIWIN Linear technology; http://www.hiwin.cz/sra.php

[17] FESTO AG & Co.,

http://www.festo.com/INetDomino/cz/cs/company_portal_cz.htm [18] Fabco-Air; http://www.fabco-air.com/

[19] Alutec K&K s.r.o; http://www.aluteckk.cz/

[20] ULMER s.r.o; http://www.ulmer.cz/

[21] Yaskawa; http://www.yaskawa.com

[22] Emco Maier GmbH; http://www.emco.at/index.php?changelang=en