TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
Fakulta strojní
Studijní program M 2301 - Strojní inženýrství
Studijní obor: 2302T010 Konstrukce strojů a zařízení Zaměření: Sklářské a keramické stroje
Manipulátor pro manipulaci s plochým sklem v ultra vysokém vakuu
(Manipulator for manipulation of flat glass in ultra high vacuum)
KSR – .
Ladislav PEŠ
Vedoucí diplomové práce: Doc. Ing. František Novotný, CSc.
Konzultant diplomové práce: Ing. Marcel Horák, Ph.D.
Rozsah diplomové práce:
Počet stran: 65 Počet tabulek: 8 Počet obrázků: 51 Počet výkresů: 6 Počet příloh: 1 Počet modelů: 0
Datum odevzdání: 25. 5. 2012
2
3 Anotace
Cílem diplomové práce je zajistit automatickou manipulaci s přířezy plochého skla ve vakuových komorách na lince zušlechťování skla magnetronovým naprašováním částicemi ionizovaného plynu, které na skle vytvářejí tenkou vrstvu.
Proces je vázán na vysoké vakuum a je spojen se zvýšenou teplotou.
Jednoduchý manipulační cyklus je nutné zvládnout tak, aby nedošlo k ohrožení pracovního vakua parazitní kontaminací vzduchem a dalšími kontaminanty vázanými na zařízení či jeho pohony.
Klíčová slova:
Manipulace, ploché sklo, magnetronové naprašování
Annotation
The intention for this design project is to realize automatic manipulation withblank flat glass in vacuum chambers in superior line for flat glass treating by magnetron sputtering of lionized gas elements. This elements create thin layer on glass.
The whole requires process require high vacuum and temperature. Necessary condition for this simple manipulation cycle is to secure working vacuum from contamination with air or other contaminated elements which depend on appliance and its drives.
Key words:
Manipulation, flat glass, magnetron sputtering
4 Prohlášení
Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.
Datum
Podpis
5 Poděkování:
Rád bych touto cestou poděkoval svému vedoucímu diplomové práce panu doc. Ing. Františku Novotnému, CSc., za užitečné rady, náměty, odborné vedení, důkladné směrování této práce a trpělivost.
Dále bych rád poděkoval panu Ing. Marcelu Horákovi, Ph.D. za poskytnuté informace a vstřícný přístup.
Velké poděkování si také zaslouží má přítelkyně a její rodina, která mi poskytla zázemí a možnost dále studovat.
6
Obsah
Úvod ...12
1. Analýza požadavků a současného stavu ...13
1.1 Proces magnetronového naprašování ...14
1.2 Stupně vakua ...15
1.3 Úloha manipulátoru ...15
1.4 Popis dostupných technologií pracujících s mírou vakua ...16
1.5 Řešení pohonu ...17
1.5.1 Pohony uvnitř boxu s prostředím UHV ... 18
1.5.2 Pohony mimo box s prostředím UHV ... 21
I. Převod pomocí mechanických průchodek ... 21
a) Rotační průchodky s kovovým vlnovcem ... 21
b) Rotační průchodky s feromagnetickou kapalinou ... 22
c) Rotační průchodky s permanentními magnety ... 24
II. Převod pomocí spojek s permanentními magnety ... 26
a) Rotační diskové spojky s permanentními magnety... 26
b) Lineární magnetické spojky ... 27
2. Alternativní návrh koncepčního řešení manipulátoru ...27
2.1 Popis variant koncepčního řešení ...27
Varianta I. ... 28
Varianta II. ... 29
Varianta III. ... 33
Varianta IV. ... 34
Varianta V. ... 34
Varianta VI. ... 36
2.2 Výběr varianty pro konstrukční řešení ...37
3. Konstrukční řešení zvolené varianty manipulátoru ...39
3.1 Návrh hlavních rozměrových dispozic manipulátoru ...39
3.2 Parametry manipulace ...39
3.3 Určení tíhového zatížení ...42
3.4 Návrh kuličkového šroubu ...44
3.5 Návrh servopohonů ...49
3.5.1 Volba digitálního servozesilovače ... 53
7
3.6 Návrh ložisek ...54
3.7 Výpočet průhybu vedení ...55
A. Statickou metodou ... 55
B. Metodou konečných prvků (MKP) ... 58
3.8 Přehled výkresové dokumentace ...59
4. Zhodnocení přínosů ...60
4.1 Technické zhodnocení ...60
4.2 Ekonomické zhodnocení ...61
4.3 Úloha obsluhy ...61
4.4 Údržba manipulátoru ...62
Závěr ...63
Přehled použité literatury ...64
8 SEZNAM POUŽITÉHO OZNAČENÍ
označení jednotka název
y, x1, x2 [mm] proměnlivé parametry při pohybu efektoru r [mm] délka ramene manipulátoru
α [°] úhel natočení ramene
∆y [mm] změna délky vozíku
ms [kg] hmotnost přířezu plochého skla me [kg] hmotnost efektoru
mr [kg] hmotnost ramene
mv [kg] hmotnost vozíku
mč [kg] hmotnost čepu ramene
mm [kg] hmotnost matice kuličkového šroubu
mt [kg] hmotnost trubky
mk [kg] hmotnost kuličkového šroubu
muc [kg] celková hmotnost uchopovacího mechanismu na jedné straně
GM [N] zatížení od uchopovacího mechanismu GS [N] zatížení od přířezu plochého skla
G [N] maximální tíhové zatížení na jedno vedení ds [mm] průměr kuličkového šroubu
dk [mm] průměr hřídele kuličkového šroubu P [mm] stoupání závitu kuličkového šroubu αs [°] úhel stoupání závitu kuličkového šroubu Cdyn [N] dynamická únosnost
C0 [N] statická únosnost
ld [mm] délka kuličkového šroubu mezi ložisky lk [mm] maximální nepodepřená délka kuličkového
šroubu
9
η [-] účinnost
kk, kd [-] koeficienty uložení kuličkového šroubu nk [1/min] kritické otáčky kuličkového šroubu nmax [1/min] maximální otáčky kuličkového šroubu
vmax [m/s] maximální provozní rychlost matice kuličkového šroubu
v [m/s] rychlost posuvu
nm [1/min] střední otáčky kuličkového šroubu
Fk [N] vzpěrná tuhost
Fkmax [N] maximální vzpěrná tuhost
Fm [N] radiální zatížení kuličkového šroubu L [ot.] životnost kuličkového šroubu v otáčkách Lh [h] životnost kuličkového šroubu v provozních
hodinách
Fc [N] odporová třecí síla Fs [N] setrvačná síla Fa [N] celková axiální síla Dl [mm] vnější průměr ložiska dl [mm] vnitřní průměr ložiska B [mm] šířka ložiska
Cr [N] dynamická únosnost ložiska C0r [N] statická únosnost
P [N] ekvivalentní dynamické zatížení
X [-] koeficient radiálního dynamického zatížení Y [-] koeficient axiálního dynamického zatížení L10h [h] životnost ložiska v hodinách
M1 [N·m] rozběhový moment
ML [N·m] moment zátěže
10
M3 [N·m] brzdný moment
Mstř [N·m] střední moment
MN [N·m] jmenovitý moment pohonu Jm [kg·cm2] moment setrvačnosti motoru Jpř [kg·cm2] rmoment setrvačnosti převodovky nN [1/min] jmenovité vstupní otáčky
nL [1/min] zatěžující otáčky
Lk [mm] délka kuličkového šroubu
Jš [kg·cm2] moment setrvačnosti kuličkového šroubu ρ [kg/m3] hustota
ωš [rad/s] úhlová rychlost kuličkového šroubu ωš [rad/s] úhlová rychlost servomotoru
vmax2 [m/s] maximální dosažená rychlost matice v 2. kroku
manipulace
JL [kg·cm2] moment setrvačnosti zátěže JA [kg·cm2] moment setrvačnosti pohonu Dt [mm] vnější průměr trubky
dt [mm] vnitřní průměr trubky
Lc [mm] délka trubky
Ln [mm] nepodepřená délka trubky
E [MPa] modul pružnosti
F [N] zatěžující síla RA, RB [N] reakce v podporách
Mo [N·m] ohybový moment
Momax [N·m] maximální ohybový moment
MA, MB [N·m] momenty v krajních polohách Jx [m4] kvadratický moment
ymax [mm] maximální průhyb nosníku
11 Wo [m3] průřezový modul v ohybu
Re [MPa] mez kluzu
k [-] bezpečnost
σMo [MPa] mezní hodnota napětí v ohybu σDo [MPa] Dovolené napětí v ohybu σo [MPa] napětí v ohybu
12 ÚVOD
Cílem této diplomové práce je navrhnout nové koncepční řešení manipulátoru pro automatickou manipulaci s přířezy plochého skla na lince zušlechťování skla magnetronovým naprašováním v prostředí ultra vysokého vakua (UHV – ultra high vacuum). Tento manipulátor bude umístěn v pracovním boxu, kde nesmí nijak kontaminovat prostředí UHV, a musí odolávat teplotám dosahujícím 100°C .
Vlastní diplomová práce je rozdělena do čtyř kapitol, které postupně řeší tento problém z hlediska přístupů, jež jsou v současné době k dispozici.
V první kapitole jsou popsány podmínky, při kterých bude probíhat samotná úloha manipulátoru. Dále následuje popis technologií pracujících s mírou vakua v prostoru odděleného od komunikace s vnějším prostředím.
Druhá kapitola navazuje alternativním řešením manipulátoru, kde je popsáno šest variant umožňujících manipulaci s minimální kontaminací pracovního vakua.
Následně byla prostřednictvím rozhodovací analýzy vybrána varianta nejvhodnější pro konstrukční řešení.
V kapitole třetí je popsáno vlastní konstrukční řešení vybrané varianty doložené výpočty, výkresy sestav a podsestav.
Čtvrtá kapitola je věnována souhrnu podrobného zhodnocení přínosů, předpokládaných nákladů a podmínek pro správnou obsluhu s předpokladem pro trvalý provoz.
13 1. ANALÝZA POŽADAVKŮ A SOUČASNÉHO STAVU
V úvodní části této kapitoly je popsán proces depozice vrstev, který udává hlavní podmínky důležité pro vhodné navržení koncepčního řešení manipulátoru.
Zbývající část pojednává o manipulační úloze a popisuje technologie současného stavu, umožňující její realizaci.
1.1 Proces magnetronového naprašování
Jedná se o ekologicky nejšetrnější metodu depozice vrstev (PVD - Physical Vapour Deposition), založenou na fyzikálních principech odprášení materiálu, kdy dojde k ionizaci částic plynu (inertní plyn – nejčastěji argon), které poté narážejí do terče umístěného naproti skleněnému substrátu. Energie částic ionizovaného plynu je dostatečně velká, aby uvolnila částice materiálu z terče. Tyto částice pak dopadají na plochu skla a vytvářejí tak tenkou, velmi komplexní a adhezní vrstvu s vysokou hustotou nanesených částic (viz obr. 1).
Obr. 1 - Proces magnetronového naprašování (www.umms.sav.sk)
14 Terč je z vodivého materiálu a je přiveden na vysoký záporný potenciál řádově tisíce voltů. Pracovní plyn se do komory přivádí přes jehlový ventil. Magnetronové naprašování je zdokonalená technologie klasického naprašování, kdy je před terčem vytvořeno magnetické pole definovaného tvaru. Elektrony, které při klasickém naprašování unikají z prostoru před terčem, se v tomto případě v důsledku Lorentzovy síly musí pohybovat po šroubovici podél siločar. Tím pádem se výrazně prodlužuje doba jejich setrvání v oblasti výboje, a zvyšuje se pravděpodobnost ionizace dalších atomů pracovního plynu. To umožňuje udržet výboj při nižším tlaku i při nižším napětí. Zejména nižší tlak se pozitivně projevuje ve větší čistotě nanesených vrstev.
Pokud potřebujeme rozprašovat terče z nevodivých materiálů, kde na povrchu vzniká elektrický náboj, který zabraňuje dalšímu bombardování, použijeme střídavý vysokofrekvenční signál, díky kterému se během jedné půlperiody rozprašuje terč a během druhé půlperiody opačná polarita vede k neutralizaci nahromaděného náboje dopadajících iontů. V důsledku toho můžeme rozprašovat i materiály jako jsou např. růžné keramiky.
Podmínky procesu
• proces probíhá v prostředí vysokého vakua při teplotě 100 - 600°C
• přítomnost inertního plynu - argon
Výhody
• možnost tvorby přesných tlouštěk vrstev v závislosti na čase
• přesně definované chemické složení povlaku
• vysoká hustota povlaku
• neovlivní konečné rozměry výrobku
• možnost vytvoření mnoho druhů (kombinací) vrstev
• ekologicky nejšetrnější metoda depozice vrstev => žádné toxické látky
Nevýhody
• je třeba řídit mnoho procesních parametrů
• za určitých podmínek mohou být v povlaku vytvořena nadměrná zbytková tlaková pnutí => čím silnější vrstva tím větší pnutí
15 1.2 Stupně vakua
V případě tohoto zadání bude proces depozice vrstvy probíhat v prostředí ultra vysokého vakua, jehož hodnoty tlaku jsou uvedeny a porovnány v tabulce se všemi typy vakua.
Tab. 1 - Stupně vakua
Pásmo Tlak v Pa
Atmosférický tlak 1.01×105
Hrubé vakuum 10+4 - 10+2
Jemné vakuum 10+2 - 10-1
Vysoké vakuum (HV) 10-1 - 10-5 Ultra vysoké vakuum (UHV) 10-5 - 10-10 Extrémně vysoké vakuum (XHV) <10-10
1.3 Úloha manipulátoru
Na počátku pracovního cyklu jsou během jednoho kroku do komory dopraveny dva přířezy plochého skla na pozici A a B. Následně se komora hermeticky uzavře a vytvoří se prostředí ultra vysokého vakua. Skrze jehlový ventil se do komory vpustí inertní plyn (Argon), pomocí odporových topných spirál se dostaneme na požadovanou teplotu a započne proces depozice vrstvy magnetronovým naprašováním. Po skončení tohoto procesu přichází samotná úloha manipulátoru, který má za úkol uchopit přířez plochého skla z pozice A, změnit jeho vertikální polohu vůči dopravníku, přesunout ho nad pozici B změnou horizontální polohy a položit ho na další přířez plochého skla s již naprášenou vrstvou.
Obr. 2 - Znázornění manipulačního procesu PROCES DEPOZICE VRSTVY
MANIPULAČNÍ PROCES
16 1.4 Popis dostupných technologií pracujících s mírou vakua
Pro manipulaci v ultra vysokém vakuu se v dnešní době používají různé polohovací systémy, které se principem nijak neliší od polohovacích systémů používaných v běžném prostředí. Avšak rozdílem je použití speciálních materiálů, jako jsou např. materiály s nízkou tenzí par, suchá (tuhá) maziva, izolační materiály atd. V konstrukci těchto vakuových komponentů se nesmí nacházet žádné dutiny, z kterých by se později mohly uvolnit kontaminanty. Dále tyto komponenty podléhají různým povrchovým úpravám a v neposlední řadě se v pecích vystavují vysokým teplotám pro další snížení rizika kontaminace. Tyto konstrukční prvky jsou potom schopné splňovat svou funkci v prostředí ultra vysokého vakua bez toho, aniž by došlo k jeho kontaminaci. Přesto se vzhledem k nezávislosti na náročné a nákladné výrobě komponentů pořád vyskytuje riziko kontaminace. Významným zdrojem kontaminace je totiž také voda ve formě vodní páry (vlhkost vzduchu), která na povrchu tvoří tenkou vrstvu a je schopna absorbovat vše z okolního prostředí, když je komora otevřena. V tomto směru stále platí pravidlo, že důležitější než objem komory je velikost její celkové vnitřní plochy. Z tohoto důvodu je při konstrukci kladen důraz na to, aby manipulátor byl co nejjednodušší, skládal se s co nejmenšího počtu jednotlivých dílů a samozřejmě disponoval co nejmenší celkovou plochou.
Obr. 3 - Polohovací systémy do prostředí UHV (společnost PI miCos GmbH)
Vzhledem k takto náročným podmínkám bude samotné uspořádání manipulátoru zcela závislé na možnostech volby pohonů a jiných zařízení popsaných v následujících podkapitolách.
17 1.5 Řešení pohonu
Jednou z problematik tohoto zadání diplomové práce je správné zvolení pohonu manipulátoru a jeho následného umístění, tak aby nedošlo ke kontaminaci UHV, a tím pádem i k narušení procesu magnetronového naprašování (vytváření zmetků). Pokud by se pohon vyskytoval uvnitř boxu, musíme vyloučit pneumatické a hydraulické pohony kvůli jejich nežádoucí propustnosti. Zbývá tedy možnost elektrického či elektromagnetického pohonu. V jiném případě se musí pohon zcela oddělit od prostředí UHV a mechanický pohyb převést skrz stěnu komory prostřednictvím dalšího zařízení.
Obr. 4 - Rozdělení způsobů převodu mechanického pohybu či elektrické energie podle umístění pohonů
S vyřešením převodu mechanického pohybu skrz stěnu komory se výrazně zvyšují možnosti k volbě pohonů a následně i variant koncepčního řešení manipulátoru.
Uvnitř boxu s prostředím UHV
Vícenásobné s vidlicemi
Přes mechanické průchodky
Přes magnetické spojky
Diskové (rotační) Lineární S kovovým vlnovcem
S feromagnetickou kapalinou
S permanentními magnety Mimo box s prostředím UHV
P O H O N Y
Přes elektrické průchodky
Koaxiální Proudové a napěťové
Termoelektrické
18 Obr. 5 - Rozdělení použitých pohonů dle jejich umístění
1.5.1 Pohony uvnitř boxu s prostředím UHV
Pohon je zajištěn speciálním motorem, který je vyvinut pro aplikace v prostředí UHV, a zároveň dokáže odolávat i vysokým teplotám (rozsah teplot se uvádí dle různých výrobců od -20°C až do 300°C). Tyto motory jsou konstruová ny z materiálů s nízkou tenzí par (low-outgassing materials) a navrhovány tak, aby se při vytváření vakua co nejrychleji a nejsnadněji odplynily a nezadržovaly tak vzduch, který by se mohl později uvolnit při zvyšující se teplotě daného procesu vlivem rozpínavosti plynů, a kontaminovat tak prostředí UHV. Snadné odplynění motoru bývá zajištěno např. různými otvory.
Obr. 6 - Vakuové motory firmy PI miCos Obr. 7 - Vakuové motory firmy Wittenstein
UVNITŘ BOXU S PROSTŘEDÍM UHV
Přes mechanické průchodky
Přes magnetické spojky Diskové (rotační)
Lineární
P O H O N Y
Přes elektrické průchodky
- servopohony s kuličkovými šrouby do UHV
- servopohony s kuličkovými šrouby do UHV
- s kuličkovými šrouby - s ozubenými řemeny - motory do UHV se speciálními lineárními moduly
a kuličkovými šrouby
MIMO BOX S PROSTŘEDÍM UHV
19 Kabely jsou izolovány speciálním materiálem uváděného pod názvem Kapton®. Tento materiál vyrábí společnost Dupont a používá se např. v leteckém průmyslu nebo i na vnější vrstvy skafandrů. Jedná se o polyamidovou folii, která je specifická svými jedinečnými elektrickými, tepelnými, chemickými a mechanickými vlastnostmi, jež si dokáže zachovat v širokém rozsahu teplot (-269°C až 400°C).
Obr. 8 - Kaptonová folie
Avšak tyto kabely je nutné vyvést ven skrz stěnu komory, aniž bychom kontaminovali ultra vysoké vakuum. Zde se používají tzv. elektrické feedthrough příruby (průchodky), které se rozdělují dle typu konektoru.
• kabely s kaptonovou izolací
• konektor - sklo-keramika
• piny - zlato
• feedthrough příruba (průchodka) - nerezová ocel
prostředí ultra vysokého vakua atmosférické prostředí
• standardní konektor
• standardní kabely
Obr. 9 - Schéma zapojení konektorů elektrické průchodky (společnost PI miCos GmbH)
20 Na obr. 8 je uveden jeden z lineárních modulů společnosti PI miCos GmbH, který je vyroben převážně z hliníku, jehož povrch byl eloxován. Eloxování je druh povrchové úpravy kovů a některých slitin. Jedná se o elektrochemický proces, kdy se na povrchu kovu (hliník a jeho slitiny), který je umístěn v elektrolytické lázni a zapojen jako anoda, vytvoří rovnoměrná komplexní vrstva oxidu, která je výrazně tvrdší a chemicky odolnější než kov sám, a zlepšuje tak mechanické i chemické vlastnosti.
Asi nejznámější a nejrozšířenější je eloxování hliníku, kdy na jeho povrchu vzniká vrstva oxidu hlinitého se strukturou korundu silná 5 - 25 mikrometrů.
Další součástky jako např. šrouby atd. jsou vyrobeny z nerezové oceli. Kabely jsou izolovány podobně jako u vakuových motorů a konektory jsou zde vyrobeny z teflonu. V celé konstrukci je vytvořena řada otvorů pro snadné odplynění. Modul odolává teplotám až 120°C. Všechny tyto rozdíly se ale ve výsledku samozřejmě projeví na nemalé ceně těchto lineárních modulů.
Obr. 10 - Lineární modul LS-180 UHV (společnost PI miCos GmbH)
K řešení tohoto zadání mohou být použity např. i kuličkové šrouby od firmy Steinmeyer, která v březnu roku 2011 představila novou řadu kuličkových šroubů vyrobených ze speciálních materiálů splňujících podmínky ultra vysokého vakua.
Jedná se o revoluční technologii ETA+, kdy je dosaženo o 50% větší tuhosti a to při 67% snížení tření, což zvýší celkovou výkonnost manipulátoru. Tyto kuličkové šrouby
21 jsou vyrobeny z nerezové oceli, kde je jako suché mazivo použit povlak molybden disulfidu či wolfram disulfidu. Kuličky jsou vyrobeny z nitridu křemíku.
Obr. 11 - Kuličkový šroub určený pro UHV (společnost Steinmeyer)
1.5.2 Pohony mimo box s prostředím UHV
Zde se vyskytuje otázka, jak převést mechanický pohyb skrz stěnu komory a nenarušit hermeticky uzavřený box s prostředím ultra vysokého vakua. Nabízejí se dva způsoby převodu mechanického pohybu do vakuové komory.
I. Převod pomocí mechanických průchodek
Převod mechanického pohybu je řešen pomocí hřídele, která je poháněná elektromotorem, a prochází skrz stěnu komory prostřednictvím mechanické rotační feedthrough příruby (průchodky) jenž je opatřena těsněním. Pro tyto účely musí být použito speciálního těsnění, které musíme aplikovat jak k utěsnění rotující hřídele, tak i k utěsnění samotné příruby.
Rozdělení mechanických rotačních průchodek
a)Rotační průchodky s kovovým vlnovcem
Tyto průchodky jako první umožňovaly přenos rotačního pohybu do komory s prostředím ultra vysokého vakua. Utěsnění je zde provedeno za pomocí navařeného kovového vlnovce, který odděluje vakuum od atmosférického prostředí (viz obr. 12).
Toto těsnění však podstupuje značné mechanické námaze, což výrazně zkracuje jeho životnost. Maximální otáčky se pohybují kolem 300 min-1 a teplotní odolnost sahá do 230°C.
22 Obr. 12 - Princip rotační průchodky s kovovým měchem
(www.rigaku-mechatronics.com)
b) Rotační průchodky s feromagnetickou kapalinou (ferrofluid)
Jako těsnění se zde používá feromagnetická kapalina tvořená ze suspenze magnetických nanočástic (méně než 10 nm), povrchově aktivní látky (surfaktantu) a rozpouštědla (např. olej). Magnetickou složkou nejčastěji bývá práškový Hematit nebo Magnetit. Tato kapalina je umístěna mezi stacionárními pólovými nástavci a magneticky propustnou hřídelí, na které jsou vytvořeny radiální kruhové mezery. Za působení magnetického pole generovaného permanentním magnetem se orientace částic magnetické kapaliny ztotožní se siločárami magnetického pole, čímž se vytvoří kruhová těsnící vrstva ("tekuté O-kroužky").
Obr. 13 - Princip rotační průchodky s feromagnetickou kapalinou (www.ferrotec.co.jp) víko opěrný
kroužek
kuličkové ložisko těsnící O-kroužky
(Viton)
těsnění
"tekutý O-kroužek"
magnetická kapalina
permanentní magnet CF příruba
(nerezová ocel)
hřídel
siločáry magnetického pole
pólový nástavec kovový měch mezi-hřídel
hnaná hřídel hnací hřídel
VAKUUM ATMOSFÉRA
23 Obr. 14 - Detailní schéma principu těsnění feromagnetickou kapalinou
(www.rigaku-mechatronics.com)
Tento typ dynamického těsnění je velmi spolehlivý, pracuje zcela bez tření (možnost vysokých otáček - až 30 000 min-1) a není náročný na údržbu. Problém však nastává při použití těchto kapalin za vysokých teplot, kdy mají poměrně velkou tenzi par, a zvyšují tak riziko kontaminace prostředí UHV. Proto je nutné tento systém těsnění chladit vodou a jako příměsi magnetické kapaliny volit oleje s co nejnižší tenzí par, kterou si dokážou uchovat i za vysokých teplot. Provozní teploty jsou tedy závislé na typu feromagnetické kapaliny a správném způsobu chlazení. Bez chlazení nesmí teplota přesáhnout 60°C. Permanentní magnet ztrácí svojí magn etickou vlastnost s teplotou překračující 120°C.
Pro dosažení vyšších pracovních teplot se nabízí možnost použit tzv.
odlučovače, kde je zapotřebí použít speciálního typu průchodek s feromagnetickou kapalinou (viz obr. 15).
Obr. 15 - Rotační průchodka s feromagnetickou kapalinou se spojkou k připojení odlučovače (www.rigaku.com)
hřídel siločára magnetického pole
permanentní magnet
pólový nástavec
těsnění
"tekutý O-kroužek"
přívod chladicí kapaliny
spojka k odlučovacímu systému CF příruba
24 Mezi těsněním a přírubou je vytvořen otvor, skrze který je průchodka napojena na systém, který odlučuje různé kontaminanty z magnetické kapaliny vzniklé odpařováním vlivem působení vyšších teplot (viz obr. 16).
Obr. 16 - Ukázka zapojení rotační průchodky s feromagnetickou kapalinou a odlučovačem (www.rigaku.com)
c) Rotační průchodky s permanentními magnety
Poslední a nejefektivnější variantou v oblasti rotačních průchodek je převod mechanického pohybu pomocí permanentních magnetů ze vzácných zemin skrz válcovou stěnu průchodky (viz obr. 17).
Obr. 17 - Princip rotační průchodky s permanentními magnety (www.rigaku-mechatronics.com)
permanentní magnety
hnaná hřídel hnací hřídel
VAKUUM ATMOSFÉRA
25 Celá konstrukce je vyrobena z nerezové oceli a samotná CF příruba je zhotovena z jednoho kusu materiálu, čímž je zajištěna integrita. Dále tato kompaktní a robustní konstrukce disponuje mimořádně velkou torzní tuhostí a vzhledem k permanentním magnetům zde odpadají různá těsnění, jako jsou měchy, o-kroužky či magnetické kapaliny. Díky tomu jsou tyto rotační průchodky plně kompatibilní s prostředím UHV a standardně odolávají teplotám 250°C. Při použití speciálních materiálů odolají teplotám až 450°C. Tyto průchodky na trhu prezentuje např.
společnost UHVdesign, a to pod názvem MagiDrives. Tato společnost je nabízí ve dvanácti provedeních dle velikosti přírub a parametrů pro různé aplikace. Ve čtyřech velikostech jsou k dispozici dva druhy rozdělené na Sealed-end typy, které mají pevné hřídele a Open-end typy, které mají duté hřídele. Série s dutými hřídeli nabízí až čtyři na sebe nezávislé osy rotace. Tento způsob převodu mechanického pohybu, ačkoliv s ním v oblasti rotačních průchodek dosahujeme nejlepších výsledků, má pořád své nevýhody. Jednou z nich je nutnost použit speciálních ložisek s co nejnižší tenzí par jako u předchozích typů. Z nabídky je možnost vybrat si z třech typů ložisek.
• Standardní ložiska - jako standard se používají vysoce výkonná ložiska s tuhou (suchou) mazací vrstvou molybden disulfidu poskytující dlouhou životnost a plnou kompatibilitu s prostředím UHV.
• Keramická ložiska - ložiska jejichž, kuličky jsou vyrobeny s nitridu křemíku (SiN). Nevyžadují žádné mazání a poskytují hladký a ultra-čistý chod.
• Suchá ložiska - tato ložiska poskytují extrémně dlouhou životnost, a to i v extrémních podmínkách.
Obr. 18 - Rotační průchodky MagiDrive (UHVdesign)
26 II. Převod pomocí spojek s permanentními magnety
Jedním z nejefektivnějších řešení je převod mechanického pohybu pomocí magnetických spojek, které převádí mechanický pohyb přes stěnu komory prostřednictvím permanentních magnetů. Stěna komory musí být samozřejmě vyrobena z nemagnetického materiálu (např. z nerezové oceli), což je v našem případě ideální materiál pro prostředí UHV. Další jejich výhodou je, že díky vzduchovým mezerám pracují zcela bez tření, a nepodléhají tak žádnému opotřebení (dlouhá životnost). Tyto spojky jsou k dispozici hned v několika provedeních.
a) Rotační diskové spojky s permanentními magnety b) Lineární spojky s permanentními magnety
a) Rotační diskové spojky s permanentními magnety
Tyto magnetické spojky umožňují přenos velkých krouticích momentů, aniž by muselo být použito rotačních průchodek se speciálními těsnicími prostředky. Na straně jedné, kde se vyskytuje atmosférické prostředí, máme na hřídeli poháněné elektromotorem vždy disk s permanentním magnetem, a na straně druhé, kde se vyskytuje prostředí UHV, můžeme použít buď stejný disk s permanentním magnetem, nebo disky z různých materiálů (nejčastěji měkkého kovu). Z tohoto hlediska je možné rozdělit magnetické spojky do tří skupin (viz příloha).
Obr. 19 - Synchronní disková spojka
permanentní magnety
nemagnetický materiál stěna vakuového boxu
(nerezová ocel – nemagnetická)
ATMOSFÉRICKÉ PROSTŘEDÍ ULTRA VYSOKÉVAKUUM
27 b) Lineární magnetické spojky
Lineární magnetické spojky umožňují vzhledem ke svému uspořádání permanentních magnetů přenos mechanického pohybu v ose vedení. Tím vznikají další možnosti řešení této úlohy manipulátoru. Podobně jako u diskových spojek i zde máme tři typy lineárních magnetických spojek, které zajišťují spojku proti radiálnímu posunu.
Obr. 20 - Lineární magnetické spojky (společnost Dexter) synchronní, hysterezní, s vířivými proudy
Díky těmto magnetickým lineárním spojkám lze pohon včetně celého lineárního vedení zcela oddělit od prostředí ultra vysokého vakua prostřednictvím trubky z nerezové oceli, která prochází skrze vakuovou komoru. Tím pádem lze použít standartních pohonů oproti finančně náročným komponentům ze speciálních materiálů a jejich povrchových úprav. Toto řešení pohonu a vozíky, které se uvnitř vakuové komory pohybují téměř bez tření, vede ke snížení rizika kontaminace.
2. ALTERNATIVNÍ NÁVRH KONCEPČNÍHO ŘEŠENÍ MANIPULÁTORU Tato kapitola popisuje šest různých variant koncepčního řešení umožňující manipulaci s minimální kontaminací pracovního vakua. V závěru je prostřednictvím rozhodovací analýzy vybrána varianta vhodná pro konstrukční řešení.
2.1 Popis variant koncepčního řešení
První čtyři varianty jsou navrženy převážně ze speciálních vakuových komponentů a zbylé dvě umožňují manipulaci s úplným oddělením pohonů a hlavních funkčních ploch manipulátoru.
28 VARIANTA I. - Řešení manipulátoru s použitím lineárních modulů do UHV
Pohyb je zde realizován pomocí již zmíněných speciálních lineárních modulů vhodných do prostředí ultra vysokého vakua, které jsou poháněný vakuovými motory.
Uspořádání těchto lineárních modulů je uzpůsobeno k bezproblémovému zvládnutí manipulační úlohy (viz obr. 21). Oba synchronně pohybující se efektory uchopí přířez plochého skla za boční hrany, kombinací vertikálního a horizontálního pohybu ho přesunou nad druhý přířez plochého skla, kde jej opatrně položí.
Obr. 21 - Řešení pomocí lineárních modulů vhodných do UHV
vakuové motory
lineární moduly do UHV
el. kabely s izolací efektor
dopravník přířez plochého
skla
29 Izolované kabely vakuových motorů jsou vyvedeny ven skrz stěnu komory prostřednictvím elektrických průchodek (viz kapitola 1).
I když tyto komponenty splňují podmínky ultra vysokého vakua, je zde velké množství nevýhod. Velkou nevýhodou je vysoká pořizovací cena komponentů vzhledem k jejich náročné výrobě. Dále se výrazně zvětšuje velikost celkové plochy uvnitř boxu, z čehož vyplývá delší doba potřebná k vytvoření vakua a větší riziko kontaminace.
VARIANTA II. - Řešení manipulátoru s použitím vakuových komponentů
Tato varianta je navržena též z vakuových komponentů, jejichž uspořádání se oproti předchozí variantě značně liší. Místo lineárních modulů je zde použito čtyř speciálních kuličkových šroubů (viz kapitola 1), uložených v domkách se suchými kuličkovými ložisky a poháněných vakuovými motory (viz obr. 22).
Obr. 22 - Zjednodušené schéma řešení pomocí vakuových komponentů Výhody
• výborná přesnost polohování
• vysoká torzní tuhost
• minimální tření => větší účinnost
• možnost různých zdvihů
Nevýhody
• vysoké pořizovací náklady
• velké množství funkčních ploch
• delší doba potřebná k vytvoření vakua
kuličkový šroub určený do UHV elektrická průchodka
vozíky otvor do vakuové komory s CF přírubou
motor do UHV
Izolované el. kabely vodící tyč
30 Způsob manipulace
Každý ze dvou efektorů je propojen se dvěma vozíky prostřednictvím kinematické vazby, což umožňuje nejen lineární pohyb v ose trubky, ale i pohyb k ní horizontálně kolmý. Díky tomu můžeme uchopit přířez plochého skla za boční hrany, a následně změnit jeho horizontální polohu.
Obr. 23 - Propojení efektorů s vozíky prostřednictvím kinematické vazby
Avšak před tím je nutné změnit i jeho svislou polohu od dopravníku. To lze vyřešit pouhou konstrukční úpravou efektorů, a to tak, že je opatříme šikmou plochou. Tyto šikmé plochy nám zajišťují, že v momentě, kdy se efektory po kontaktu s přířezem plochého skla budou pohybovat směrem k sobě, začne zároveň tabule skla po těchto šikmých plochách měnit svou vertikální polohu vůči dopravníku (viz obr. 24).
Obr. 24 - Pohyb přířezu plochého skla vůči efektorům
31 Hodnota zdvihu vlivem šikmých ploch je tedy závislá na jejich šířce a úhlu, který z důvodu bezpečného a plynulého úchopu není příliš velký. Při optimálních rozměrech efektorů dosáhneme tímto způsobem zdvihu maximálně 4 mm, a to v čase jejich dostředného pohybu. To ovšem nestačí k dosažení potřebné úrovně, nutné k přesunutí přířezu plochého skla nad druhý. Požadovaného rozdílu úrovní mezi oběma přířezy plochého skla můžeme dosáhnout následujícími způsoby:
A. Za pomoci dopravníku
V prvním případě máme válečkový dopravník, kde jsou válečky uspořádány tak, aby při horizontálním pohybu přířezu plochého skla došlo k plynulému přechodu do nižší úrovně (viz obr. 25). Tato varianta však prodlužuje celkovou délku vakuového boxu.
Obr. 25 - Snížení úrovně přířezu plochého skla pomocí válečkového dopravníku
Další možností je, že část válečkového dopravníku bude schopna automatického polohování ve vertikálním směru, tudíž změní polohu přířezu plochého skla nad úroveň druhého. Z této polohy ho manipulátor přesune nad druhý přířez plochého skla, kde jej následně položí. Vzhledem k takovýmto možnostem dopravníku není nutné v případě úchopu používat šikmých ploch efektorů, neboť po uchopení přířezu plochého skla za boční hrany s ním dopravník změnou polohy již nebude v kontaktu. Avšak tyto šikmé plochy mají důležitou roli i v poslední fázi manipulace, kdy zajišťují plynulejší pokládání přířezu plochého skla na druhý.
Obr. 26 - Zvýšení úrovně přířezu plochého skla pomocí polohovacího dopravníku
B. S použitím obloukového vedení
Tato varianta je řešena v nezávislosti na válečkový dopravník, který během jednoho kroku dopraví do vakuového boxu dva přířezy plochého skla v jedné rovině.
32 Vertikální poloha uchopeného přířezu plochého skla se mění v průběhu jeho horizontálního pohybu, kdy celý uchopovací mechanismus stoupá po obloukovém vedení (viz obr. 27) vyrobeného z austenitické nerezové oceli, která se dá dobře tvářet za tepla.
Obr. 27 - Změna svislé polohy přířezu plochého skla pomocí obloukového vedení Každý vozík se skládá ze dvou částí, z nichž první část je standardně poháněna kuličkovým šroubem, po kterém je vedena. Druhá část je propojena s první částí prostřednictvím krátkého lineárního vedení, po kterém může stoupat ve svislém směru vlivem horizontálního pohybu po obloukovém vedení. Obě druhé části vozíků jsou drženy v rovnoběžné poloze též lineárním vedením, po kterém mohou vykonávat lineární pohyb důležitý pro správnou funkci efektoru. Celý uchopovací mechanismus je potom volně zavěšen pomocí kladky umístěné uprostřed.
Obr. 28 - Zjednodušené schematické znázornění polohovacího mechanismu s obloukovým vedením
vozík – 1. část vodící trubka
kladka lineární vedení
tabule skla efektor rameno efektoru dopravník vozík – 2. část
obloukové vedení
33 VARIANTA III. - Řešení manipulátoru s použitím mechanických průchodek
Oproti předchozí variantě je zde místo elektrických průchodek použito rotačních mechanických průchodek s permanentními magnety, které převádějí rotační pohyb skrz stěnu komory a díky kterým je možné použít levnější standardní motory, čímž se sníží celkové pořizovací náklady manipulátoru.
Obr. 29 - Zjednodušené schéma řešení pomocí rotačních mechanických průchodek Výhody
• výborná přesnost polohování
• minimální tření => větší účinnost
• menší zástavbový prostor oproti předešlé variantě
Nevýhody
• velké množství funkčních ploch
• nutnost použití speciálních ložisek
kuličkový šroub určený do UHV mechanická rotační průchodka
vozíky mechanická rotační průchodka s CF
motor
otvor do vakuové komory s CF přírubou vodící tyč
Výhody
• nižší pořizovací náklady
• výborná přesnost polohování
• minimální tření => větší účinnost
• oddělení motorů od vakua
Nevýhody
• velké množství funkčních ploch
• použití dalších speciálních ložisek u rotačních průchodek
• delší doba potřebná k vytvoření vakua
34 VARIANTA IV. - Řešení manipulátoru s použitím magnetických diskových spojek
Tato varianta nabízí úplné oddělení pohonů od prostředí ultra vysokého vakua bez použití různých průchodek a těsnících prostředků. Rotační pohyb je převeden skrz stěnu komory prostřednictvím magnetických diskových spojek, které nejsou tak finančně nákladné.
Obr. 30 - Zjednodušené schéma řešení pomocí magnetických diskových spojek
VARIANTA V. - Řešení manipulátoru s použitím lineárních magnetických spojek a standartních kuličkových šroubů
U tohoto typu pohonu jsou uvnitř trubek z nerezové oceli umístěny kuličkové šrouby, jejichž matice je s vnějším vozíkem propojena silovým působením permanentních magnetů. Zde se vyskytuje problém se zajištěním matice proti
kuličkový šroub určený do UHV magnetická disková spojka
vozíky motor vodící tyč
Výhody
• výborná přesnost polohování
• nižší pořizovací náklady
• úplné oddělení motorů od vakua
Nevýhody
• velké množství funkčních ploch
• delší doba potřebná k vytvoření vakua
35 protáčení, vzhledem k malému prostoru uvnitř trubky. Ačkoliv se v tomto případě jedná spíše o překonání pasivních odporů, je třeba zajistit plynulý a přesný pohyb jezdce.
Obr. 31 - Manipulátor s kuličkovými šrouby a servopohony
Zajištění matice proti protáčení
Vzhledem k dlouhému vedení nelze uvnitř trubky podélně vyrobit drážku a další mechanická řešení, jako jsou různé vodicí tyče atd., vedou jen k větším zástavbovým rozměrům. Protože se jedná jen o překonání pasivních odporů, lze k řešení tohoto problému opět využít permanentních magnetů, které nejen že spojují matici s vnějším vozíkem, ale také vlivem jejich jiného uspořádání v krajních polohách zabraňují protáčení matice v ose vedení (viz obr. 33).
Obr. 32 - Matice kuličkového šroubu Obr. 33 - Uspořádání perm. magnetů potřebné k zajištění matice proti protáčení
36 VARIANTA VI. - Řešení manipulátoru s použitím lineárních magnetických spojek a
řemenovými pohony
Zde je pohyb vozíků vyřešen pomocí čtyř ozubených řemenů poháněných servopohony. Vnitřní a vnější vozíky jsou stejně jako u předešlé varianty propojeny skrze lineární magnetické spojky.
Obr. 34 - Zjednodušené schéma řešení pomocí ozubeného řemene Výhody
• výborná přesnost polohování
• vysoká torzní tuhost
• úplné oddělení pohonů a hlavních mechanických částí
• nižší pořizovací náklady oproti předešlým variantám
•
Nevýhody
• nutnost zajištění matice proti protáčení
• větší zástavbové rozměry oproti předešlým variantám
• složitější montáž
vozík Vedení (trubka)
motor
řemen
37 2.2 Výběr varianty pro konstrukční řešení
Výběr varianty vhodné pro konstrukční řešení je proveden objektivní metodou rozhodovací analýzy.
Na stobodové stupnici jsou porovnávána čtyři kritéria, kdy optimu každého z nich je přiřazeno 100 bodů. Pokud je jednotlivé alternativy nedosáhnou, je buď exaktně kvantifikovaná míra jejich splnění danou alternativou, nebo technickým odhadem ohodnoceny. Míra splnění kritéria je vyjádřena v %, tj. opět ve stobodové stupnici.
Vynásobením prostých hodnot váhou příslušného kritéria je dosaženo hodnoty vážené užitnosti. Jejich součet, přes všechna kritéria, vyjadřuje absolutní užitnost každé alternativy.
Relativní hodnoty užitnosti alternativ je dosaženo podělením absolutní užitnosti hodnotou maximálního teoreticky dosažitelného počtu bodů (tj. fiktivní alternativa splňující všechna kritéria na 100%). Relativní hodnota užitnosti pak bývá často vyjadřována opět v %.
Po vyhodnocení všech zvolených kritérií (tab. 2) vyšla nejlépe varianta V., která zajišťuje nejmenší riziko kontaminace a výbornou přesnost polohování.
Výhody
• dobrá přesnost polohování
• nízké pořizovací a provozní náklady
• menší zástavbové rozměry
• tichý chod
Nevýhody
• nutnost dopínání řemenu
Přehled porovnávaných variant
Varianta I. – řešení manipulátoru s použitím lineárních modulů do UHV Varianta II. – řešení manipulátoru s použitím vakuových komponentů Varianta III. – řešení manipulátoru s použitím mechanických průchodek Varianta IV. – řešení manipulátoru s použitím magnetických diskových spojek
Varianta V. – řešení manipulátoru s použitím lineárních magnetických spojek a standartních kuličkových šroubů Varianta VI. – řešení manipulátoru s použitím lineárních magnetických spojek a řemenových pohonů
Tab. 2 - Rozhodovací analýza
Párové srovnání kritérií Matice užitnosti alternativ
Poř. Název kritéria
Počet voleb
Pořadí
významnosti Váha Hodnota X Varianta I. Varianta II. Varianta III. Varianta IV. Varianta V. Varianta VI.
prostá vážená prostá vážená prostá vážená prostá vážená prostá vážená prostá vážená prostá vážená
1 kontaminace Riziko 3 1 4 100 400 30 120 50 200 60 240 70 280 100 400 100 400
2 Zástavbový
prostor 2 2 3 100 300 20 60 80 240 70 210 75 225 60 180 80 240
3 polohování Přesnost 1 3 2 100 200 100 200 100 200 100 200 100 200 100 200 50 100
4 Finanční náklady 0 4 1 100 100 10 10 40 40 50 50 60 60 70 70 80 80
Celkem 1000 390 680 700 765 850 820
Užitnost v relativním vyjádření 100% 39% 68% 70% 76.5% 85% 82%
Pořadí alternativ podle užitnosti 6 5 4 3 1 2
39 3. KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ ZVOLENÉ VARIANTY MANIPULÁTORU
Tato kapitola obsahuje konstrukční řešení manipulátoru s uvedením výrobních výkresů sestav a podsestav doložené výpočty.
3.1 Návrh hlavních rozměrových dispozic manipulátoru
Na obr. 35 jsou uvedeny hlavní rozměrové dispozice manipulátoru, potřebné k provedení kontrolních výpočtů.
Obr. 35 - Návrh rozměrových dispozic manipulátoru
3.2 Parametry manipulace
Samotná manipulace je rozdělena do čtyř kroků (viz obr. 36) s proměnlivými otáčkami a zatížením. V prvním kroku dochází k uchopení přířezu plochého skla, kdy se v okamžiku jeho oddělení od dopravníku vlivem šikmých ploch efektorů mění zatížení manipulátoru. V kroku druhém dochází k přesunu přířezu plochého skla nad druhý a zároveň je dosaženo nejvyšších otáček při plném zatížení manipulátoru.
V kroku třetím dojde k položení přířezu plochého skla, kdy je manipulátor plně zatížen až do okamžiku přerušení kontaktu mezi efektory a plochým sklem. Ve čtvrtém a posledním kroku se efektory přesunou do výchozí polohy s dosažením celkově nejvyšších otáček.
40 Obr. 36 - Jednotlivé kroky manipulace
Před provedením kontrolních výpočtů je nutné znát otáčky a zatížení v jednotlivých krocích manipulace. Tudíž se musí stanovit vzdálenosti, které urazí jeden vozík během celé manipulace. Všechny čtyři vozíky se pohybují současně.
Na rozdíl od druhého a posledního kroku, kdy se efektor pohybuje v ose vedení, čímž je změna polohy vozíku dána hodnotou vzdálenosti potřebné k přesunutí přířezu plochého skla nad druhý, se v prvním a třetím kroku efektor pohybuje v ose horizontálně kolmé od osy vedení a změny polohy vozíku se musí vypočítat (viz obr. 37)
Obr. 37 - Proměnlivé parametry při uchopení a pokládání
Zvolením základní polohy efektoru jsou dány výchozí parametry. Hodnoty těchto parametrů se pak mění v průběhu úchopu a pokládání přířezu plochého skla.
Změnou hodnoty X1 resp. X2 se mění úhel natočení ramene a vzdálenost v ose vedení mezi body A a B. Rozdíl těchto distancí v jednotlivých krocích úchopu a pokládání určuje vzdálenost posuvu vozíku. Z těchto vzdáleností a zvolených časů nutných na jejich překonání se potom určí potřebné otáčky kuličkového šroubu.
Obr. 38 - Vzniklý pravoúhlý trojúhelník UCHOPENÍ
Krok 1
PŘESUN Krok 2
POLOŽENÍ Krok 3
NÁVRAT Krok 4
41 Z pravoúhlého trojúhelníku (viz obr. 38) se pomocí goniometrických funkcí vypočtou následující hodnoty:
Úhel natočení ramene pro r = 140 mm
- pro x1 = r je úhel natočení ramene roven nule, tudíž je rameno natočeno kolmo k ose vedení - tento případ však pro správnou funkci manipulátoru nesmí nikdy nastat
(1)
Vzdálenost v ose vedení mezi body A a B
(2)
Tab. 3 - Proměnlivé parametry v jednotlivých fázích úchopu a pokládání
Proměnlivé parametry [mm] x1 x2 y
V základní poloze (výchozí parametry) 85 45 111.243 Při kontaktu efektoru s plochým sklem 110 20 86.603
V poloze úchopu 130 0 51.962
Při přerušení kontaktu efektoru s plochým sklem 96 34 101.902
Z vypočtených hodnot jsou v tab. 4 určeny skutečné vzdálenosti, které vozík urazí během prvního a třetího kroku manipulace. Pro kontrolní výpočty jsou tyto hodnoty zaokrouhleny nahoru na celá čísla.
Tab. 4 - Vypočtené změny polohy vozíku v prvním a třetím kroku manipulace
Krok Změna polohy vozíku [mm] ∆y
1
Do kontaktu efektoru s přířezem plochého skla │y1-y2│ 25Do úchopu │y2-y3│ 35
3
Do přerušení kontaktu efektoru s plochým sklem │y3-y4│ 50 Do výchozí polohy efektoru │y4-y1│ 10=
= ∙
42 Z rozměrů uvedených na obr. 35 je zřejmé, že v 2. a 4. kroku manipulace musí vozíky změnit svou polohu o vzdálenost 1000 mm, aby došlo k přesunutí přířezu plochého skla nad druhý.
Tab. 5 - Změna polohy vozíku v závislosti na zatížení
Krok Změna polohy vozíku [mm] Zatížení vedení
1
Do kontaktu efektoru s přířezem plochého skla 25 GmDo úchopu 35 Gm + Gs
2
Přesun nad druhý přířez plochého skla 1000 Gm + Gs3
Do přerušení kontaktu efektoru s plochým sklem 50 Gm + GsDo výchozí polohy efektoru 10 Gm
4
Do výchozí polohy manipulátoru 1000 GmZatížení vedení je dáno vlastní tíhou celého uchopovacího mechanismu a mění se v průběhu manipulace o tíhu přířezu plochého skla.
3.3 Určení tíhového zatížení
V tab. 6 jsou uvedeny hodnoty hmotností jednotlivých částí manipulátoru, ze kterých je následně určeno skutečné zatížení vedení.
43 Tab. 6 - Hmotnosti jednotlivých částí manipulátoru
Zatěžující prvek Materiál Označení Hmotnost [kg]
Přířez plochého skla (800x600x4 mm) sklo ms 4.2
Efektor Al 6061-T6 me 0.6
Rameno Al 6061-T6 mr 0.15
Vozík Al 6061-T6 mv 1.8
Čep ramene ocel AISI 304L mč 0.08
Matice kuličkového šroubu ocel 14 109 mm 1
Trubka 46x3 - 2040 mm ocel AISI 304L mt 6.4
Kuličkový šroub ocel 14 260 mk 3
- hodnoty hmotností matice a vozíku jsou uvedeny včetně hmotnosti permanentních magnetů
Celková hmotnost uchopovacího mechanismu na jedné straně
(3)
Zatížení od uchopovacího mechanismu na jedno vedení - zatížení je rozděleno mezi obě vedení na jedné straně
(4)
Zatížení od přířezu plochého skla na jedno vedení
- při uchopení přířezu plochého skla se zatížení jeho vahou rozděluje na každé ze čtyř vedení
(5)
Maximální tíhové zatížení na jedno vedení
(6)
= + 3 ∙ + 2 ∙ + 6 ∙ č = 5.13 !"
#$= ∙ "
2 = 25.2 %
#& =&∙ "
4 = 10.3 %
# = #$+ #& = 35.5 %
44 3.4 Návrh kuličkového šroubu
Předběžná volba kuličkového šroubu
- v závislosti na délce vedení a přesnosti polohování byl zvolen okružovaný kuličkový šroub o nejmenším možném průměru 16 mm a maximální délce 3000 mm od firmy HIWIN s.r.o.
průměr šroubu )* = 16
průměr hřídele )+ = 13.5
stoupání závitu , = 5
dynamická únosnost -./0 = 9600 %
statická únosnost -2 = 12700 %
třída přesnosti 45 5 0.023 300⁄
délka šroubu mezi ložisky 7. = 2048
maximální nepodepřená délka hřídele 7+ = 1700
účinnost η = 0.88
Úhel stoupání šroubovice
(7)
Po úpravě vztahu (9)
(8)
Volba koeficientů uložení
Obr. 39 - Koeficienty uložení dle uložení konců tan & = ,
= ∙ )&
& = ,
= ∙ )& = 5.681°
uložení konců pevné
volné letmé
45 - vzhledem k délce kuličkového šroubu bylo zvoleno pevné uložení konců
Stanovení maximálních provozních otáček kuličkového šroubu
(9)
(10)
Znázornění kritických otáček na grafu pro pevné uložení kuličkového šroubu
Obr. 40 - Diagram kritických otáček v závislosti na délce mezi ložisky
+ = !. ∙ )+
7+?∙ 10@ = 1279.9 AB
$CD = +∙ 0.8 = 1023.9 AB
46 Maximální provozní rychlost matice kuličkového šroubu
(11)
Stanovení časových vazeb
Po zvolení středních otáček v každé fázi jednotlivých kroků manipulace byly z následujících vztahů odvozeny potřebné časy k překonání již uvedených úseků (tab. 5) s ohledem na maximální otáčky kuličkového šroubu. Z důvodu opatrného uchopení a položení přířezu plochého skla jsou v 1. a 3. kroku manipulace zvoleny nižší otáčky, které se budou moci zvýšit po úspěšném testovacím chodu.
Rychlost posuvu
(12)
Otáčky potřebné k dosažení požadované rychlosti matice pro P = 5 mm
(13)
Tab. 7 - Zvolení časových vazeb v závislosti na otáčkách
Krok Fáze Změna polohy
vozíku [mm]
Doba změny polohy [s]
Celková doba kroku [s]
Střední otáčky [min-1]
1
rozběh
60
1
6.3
75
konstantní rychlost 3.3 150
brždění 2 75
2
rozběh
1000
5
19.8
420
konstantní rychlost 8.8 840
brždění 6 420
3
rozběh
60
2
7.3
75
konstantní rychlost 2.3 150
brždění 3 75
4
rozběh
1000
2
12.3
510
konstantní rychlost 7.3 1020
brždění 3 510
Celková doba pracovního cyklu manipulátoru i s prodlevami mezi jednotlivými kroky činí 46.6 sekund.
E$CD = $CD ∙ ,
60000 = 85.3 /
=E ∙ 60 , E =∆
47 Obr. 41 - Grafické znázornění otáček v závislosti na čase během celého pracovního cyklu
Kontrola životnosti
Životnost kuličkového šroubu závisí na spektru jeho zatížení v čase, plynulosti chodu, čistotě prostředí, dostatečném mazání, vibracích a rázech a na mnoha dalších faktorech.
Výpočet středních otáček
(14)
Kontrola vzpěrné tuhosti
(15)
(16)
$ = H I
D IJ
∙ I
100 = 234.5 AB
K+ = !+∙)+L
7+? ∙ 10M = 4666.2 %
K+$CD = K+∙ 0.5 = 2333.1 %
48 Výpočet radiálního zatížení kuličkového šroubu
- jelikož je celé zatížení od uchopovacího mechanismu a přířezu plochého skla přenášeno vedením v podobě trubky z nerezové oceli, samotný kuličkový šroub je v radiálním směru zatížen pouze vlastní tíhou a tíhou matice
(17)
Výpočet životnosti v otáčkách
(18)
Životnost v provozních hodinách
(19)
Výpočet odporové třecí síly mezi vozíkem a vedením
(20)
Výpočet setrvačné síly
- tato síla působí na matici v axiálním směru vlivem zrychlení či zpomalení, tj.
pouze při rozjezdu nebo brždění
(21)
Výpočet celkové axiální síly působící na matici
- vzhledem k propojení matice kuličkového šroubu s vozíkem prostřednictvím permanentních magnetů musí matice při rozjezdu překonat vzniklou třecí a setrvačnou sílu
(22) K$ = ++ $ ∙ " = 39.2 %
N = O-./0
K$ PQ∙ 10R = 1.466 ∙ 10S .
NT = O-./0
K$ PQ∙ 10R
$∙ 60 = 1.042 ∙ 10U ℎ).
KW = 4 ∙ X ∙ #
K& = ∙
KC = KW+ K&
