Konstrukce CNC gravírovacího stroje

Konstrukce CNC gravírovacího stroje

Diplomová práce

Studijní program: N2301 – Strojní inženýrství

Studijní obor: 2302T010 – Konstrukce strojů a zařízení Autor práce: Bc. Daniel Vaníček

Vedoucí práce: prof. Ing. Přemysl Pokorný, CSc.

Liberec 2018

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou diplomovou práci se plně vzta- huje 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 tom- to 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 mé diplomové práce a konzultantem.

Současně čestně prohlašuji, že tištěná verze práce se shoduje s elek- tronickou verzí, vloženou do IS STAG.

Datum:

Podpis:

5

Poděkování:

Je mou milou povinností poděkovat prof. Ing. Přemyslu Pokornému, CSc. jako vedoucímu diplomové práce, za odborné rady a vedení při řešení problémů týkajících se mého zadání. V neposlední řadě patří velké dík také mé rodině, která mě podporovala jak v průběhu celého studia, ale také při tvorbě této práce.

6

Téma: Konstrukce CNC gravírovacího stroje Abstrakt:

Diplomová práce shrnuje a podává ucelené informace o řešení problematiky a volbě nejvhodnějších komponent při stavbě gravírovacího stroje, respektive malých obráběcích strojů. Návrh zařízení je popsán od volby pohonů přes vedení, celkovou koncepci až po řídicí systémy. Součástí práce jsou kontrolní výpočty dokládající vhodná řešení. Poslední část je věnována samotné konstrukci stroje včetně rámu z hliníkových extrudovaných profilů.

Klíčová slova:

gravírování, CNC stroj, řídicí systém, lineární pohony, vřeteno, vedení

Theme: Design of CNC engraving machine Abstract:

This thesis summarizes and provide comprehensive information about solving problems and choosing the most suitable components during the construction of the engraving machine, or small machine tools. The design of the device is thoroughly described from choice of drives, linear guideways, overall concept, up to control systems. In the thesis there are also control calculations that prove suitable solutions.

The last part is dedicated to the construction of machine, including frame built from extruded aluminium profiles.

Key words:

engraving, CNC machine, control system, linear drive, spindle, linear guideways

7

Obsah

1 Úvod ... 11

2 Gravírování ... 12

2.1 Mechanické gravírování ... 12

2.1.1 Gravírování rotujícím nástrojem ... 12

2.1.2 Gravírování rytím ... 13

2.1.3 Gravírování tištěním ... 14

2.2 Laserové gravírování ... 14

2.3 Způsob zhotovování informačních tabulek ... 15

2.3.1 Rovinné 2D štítky ... 15

2.3.2 Prostorové 3D informační vložky ... 17

2.4 Nástroje a řezné podmínky při gravírování ... 18

3 Základní rozdělení lineárních pohonů ... 20

3.1 Kuličkový šroub ... 21

3.2 Řemenové pohony ... 25

3.3 Hřeben a pastorek ... 28

3.4 Lineární motory ... 31

3.5 Volba vhodného způsobu pohonu ... 33

4 Kinematické struktury uspořádání stroje ... 38

5 Vřeteno ... 40

5.1 Výpočet silových podmínek při gravírování ... 41

5.2 Výběr vhodného vřetene ... 42

6 Motory posuvů ... 45

6.1 AC servomotory ... 45

6.2 Krokové motory (KM) ... 46

6.3 Výběr vhodného typu motoru ... 49

7 Vedení ... 51

8 Návrh os stroje ... 52

8.1 Shrnutí požadavků a předběžný návrh komponent ... 53

8.2 Silový rozbor os ... 55

8

8.2.1 Osa X, Y ... 55

8.2.2 Osa Z ... 59

8.3 Posuvové šrouby: ... 61

8.3.1 Šroub os X, Y: ... 62

8.3.2 Šroubu osy Z: ... 64

8.4 Motory ... 65

8.4.1 Kontrola krouticího momentu: ... 65

8.4.2 Výpočet potřebné frekvence řídicího systému ... 66

8.5 Vedení ... 67

8.5.1 Osa X, Y ... 67

8.5.2 Osa Z ... 71

9 Konstrukce ... 74

9.1 Rám ... 74

9.2 Pracovní stůl ... 75

9.3 Koncové snímače ... 77

9.4 Výsledná sestava ... 78

10 CNC Řídicí systémy ... 79

10.1 Profesionální řídicí systémy ... 80

10.2 Hardwarové řídicí panely ... 81

10.3 PC base ... 81

10.3.1 LinuxCNC ... 81

10.3.2 Mach3 ... 82

10.3.3 Armote ... 83

10.4 Volba řídicího systému ... 83

11 Ekonomické zhodnocení ... 85

12 Závěr ... 88

Použitá literatura ... 90

Seznam obrázků ... 95

Seznam tabulek ... 97

Seznam příloh ... 98

9

Přehled použitých veličin a jednotek

Značka Jednotka Název

a [m·s^-2] Zrychlení

ae [mm] Šířka řezu

ap [mm] Hloubka řezu

b [mm] Vzdálenost těžiště

c [mm] Rameno řezné síly

C_DYN [N] Dynamická únosnost

C₀ [N] Statická únosnost

d [mm] Průměr posuvového šroubu

d_L [mm] Vnitřní průměr ložiska

d_N [mm] Průměr nástroje

d_S [mm] Střední průměr závitu šroubu

D [N] Setrvačná síla

DNfaktor [-] Otáčkový faktor šroubu

e_K [-] Exponent Kienzleho vztahu

f [-] Součinitel tření

fM [Hz] Frekvence signálů motoru

F [N] Síla

g [m·s^-2] Gravitační zrychlení

G [N] Tíhová síla

h [m] Dráha potřebná ke zrychlení

i [-] Převodový poměr

j [-] Počet mikrokroků

J [kg·m²] Moment setrvačnosti

kc [MPa] Řezný odpor

k_c1.1 [MPa] Měrný řezný odpor

k_d [-] Koeficient uložení

k_k [-] Koeficient uložení

k_M [-] Koeficient bezpečnosti motoru

k_s [-] Statický bezpečnostní faktor

K [m·rad^-1] Převodový poměr šroubu

10

L [km] Životnost

L_H [hod] Životnost v hodinách

m [kg] Hmotnost

M [N·m] Moment

n [min^-1] Otáčky

N [N] Normálová síla

p [MPa] Tlak

pM [-] Počet základních poloh motoru

P [W] Výkon

PE [N] Ekvivalentní zatížení

PM [N] Střední zatížení

Q [mm³·min^-1] Objem odebraného materiálu

R [N] Radiální síla

s [mm] Stoupání šroubu

t_r [s] Čas rozběhu

v [mm·min^-1] ; [m·s^-1] Rychlost

x [mm] Zdvih osy X

y [mm] Zdvih osy Y

z [mm] Zdvih osy Z

z [-] Počet břitů frézy

α [°] Úhel sklonu vedení

ε [rad·s^-2] Úhlové zrychlení

η [-] Účinnost

ω [rad·s^-1] Úhlová rychlost

11

1 Úvod

Myšlenka tématu diplomové práce vychází z poptávky firmy MODELÁRNA LIAZ spol. s r. o. Cílem práce je komplexní návrh konstrukce gravírovacího stroje s návodem pro zpracování technologické přípravy a potřeb pro zhotovování vizitek, štítků a vložek do forem s evidenčními informacemi, a návod postupu tvorby CNC programu. Pro koncepční návrh jsou nezbytné rozsáhlé informace především z oblasti použitých pohonů, vedení, řízení, i uspořádaní koncepce. Je tedy nezbytné analyzovat možnosti a vhodnost různých typů pohonů současně i s dalším výběrem či konstrukcí komponent. Rovněž je nutno připravit finanční rozbor pro ekonomické posouzení celkové strategie. Koncepce by měla směřovat k celkovému návrhu stroje sestaveného ze standardních hliníkových profilů.

Záměrem práce není pouhý návrh stroje, ale systematický návod k postupu řešení projektu s uvedením jednotlivých možností a výběr dílčích prvků konstrukce i vhodného systému řízení, a to nejen na základě technických parametrů, ale i podle jejich ceny. Koncepce stroje musí vycházet z požadavků na minimální velikost pracovního prostoru tj. 250×200×90mm dle obvyklých rozměrů štítků a vložek.

Požadovaným výstupem projektu jsou rovněž 3D data modelu sestavy, uložené v některém z normalizovaných formátů.

12

2 Gravírování

Obecně lze říci, že gravírování je technologie, pomocí které lze vytvářet grafické objekty na předmětech. Grafickými objekty můžeme rozumět například číslování či jiné označování předmětů, kterými mohou být štítky, reklamní předměty, vizitky a podobně.

Dále je možné vytvářet dekorativní reliéfy na dárkových předmětech, pamětních deskách, plaketách a medailích. Termín gravírování pochází z francouzštiny a původně označoval rytí do povrchu velmi tvrdých materiálů, jako jsou kovy, sklo nebo minerály.

Při gravírování se dnes využívá dvou základních postupů, a to konkrétně:

1. mechanické gravírování 2. laserové gravírování

2.1 Mechanické gravírování

Při mechanickém gravírování dochází k přímému kontaktu nástroje, kterým může být kovová fréza nebo diamantový hrot, s gravírovaným předmětem. Velikou předností klasického gravírování oproti laserovému je trvanlivost a odolnost proti vymazání gravírovaného objektu. Mechanické gravírování lze dále ještě rozdělit na: [1]

1. gravírování rotujícím nástrojem 2. gravírování rytím

3. gravírování tištěním

2.1.1 Gravírování rotujícím nástrojem

Jedná se v podstatě o třískové obrábění, které je velmi podobné frézování.

Nástroj se otáčí ve vřeteni, a vykonává tak hlavní řezný pohyb. Vedlejší pohyby, jsou způsobeny vzájemným pohybem mezi nástrojem a obrobkem. Kvůli kuželovitému tvaru gravírovacího nástroje, který odebírá pouze malé hloubky je řezný poloměr velmi malý.

Proto jsou kladeny vysoké nároky na otáčky vřeten, které dosahují i více než 30 000 otáček za minutu. Touto technologií lze gravírovat všechny třískově obrobitelné materiály, například kovy, plasty, dřevo atd. [2]

13 Obrázek 1 Rotační gravírování [2]

2.1.2 Gravírování rytím

Tato technologie je velmi podobná předešlé technologii, ovšem s tím rozdílem, že diamantový rycí hrot se neotáčí. Gravírovaný objekt je tvořen tenkými stopami po vlečeném a do materiálu neustále přitlačovaném nástroji. Výsledný obrazec je tedy tvořen spletí mnoha stop. Tato technologie je vhodná pro kovy, ale i pro velmi tvrdé materiály jako je sklo a je využívána především ve šperkařském průmyslu. [3]

Obrázek 2 Gravírování rytím [3]

14 2.1.3 Gravírování tištěním

Principielně je tato technologie velmi podobná jehličkové tiskárně. Ale je zde používán diamantový hrot, který pomocí vysokofrekvenční hlavy koná údery do materiálu a vytváří v něm velmi hustou síť bodů. Tato technologie je vhodná nejen pro vytváření nápisů, ale také pro gravírování fotek a obrázků. Tuto technologii lze aplikovat na kovy (zlato, stříbro, měď,...) a je hojně využívána například i pro tvorbu náhrobních kamenů. [4]

Obrázek 3 Gravírování tištěním [5]

2.2 Laserové gravírování

Princip této technologie spočívá ve využití tepelného účinku dopadajícího laserového paprsku na povrch gravírovaného předmětu. Koncentrovaným teplem dojde k odpaření materiálu. Hloubka gravírování je závislá na intenzitě paprsku a rychlosti pohybu laserové hlavy.

Výhodou technologie je, že nedochází k přímému kontaktu pracovního nástroje s obrobkem, což zabraňuje případných mechanických poškozením opracovávaného předmětu a opotřebení nástroje. Další významnou výhodou je kontrastnost laserového gravírovaní. Vlivem zahřátí materiálu laserovým paprskem dochází ke ztmavení vygravírované plochy. V neposlední řadě je nespornou výhodou i jemnost kresby,

15 protože průměr laserového paprsku je pouze několik mikrometrů. Nejdůležitější součástí gravírovacího zařízení je právě zdroj laserovacího paprsku. Existuje několik druhů a většina vznikla jako produkt amerického vojenského výzkumu. Pro gravírování se používají hlavně CO2 a Nd-YAG lasery. Laser je vhodný jak pro kovové materiály, tak i pro dřeva, plasty, kůži a další. [6]

Obrázek 4 Laserové gravírování [7]

2.3 Způsob zhotovování informačních tabulek

Na základě poznatků z rešerše se tato práce nadále zabývá pouze mechanickým gravírováním pomocí rotujícího nástroje. Tento způsob byl zvolen jako nejvhodnější pro výrobu informačních vložek a štítků forem.

2.3.1 Rovinné 2D štítky

Jedná se o tzv. popisové cedule, které se připevňují na formy dodatečně, až po jejich zhotovení, a můžeme na nich nalézt mnoho informací, jako je například jméno výrobce a zákazníka, název dílu pro který je forma určená, hmotnost, číslo výkresu či datum. Druhou možností jsou varovné cedule zvyšující bezpečnost a správnost používání dané formy. Základem štítku je plochý materiál, kterým může být plech nebo deska. Rozměr cedulí se pohybuje v rozsahu od 10×20 mm do cca 200×250 mm. Aby nápis více vynikl, lze použít eloxované plechy, nebo je možné vygravírovaný text, popřípadě obrázek, vybarvit dvousložkovou barvou.

16 Obrázek 5 Informační rovinné štítky z firmy Modelárna LIAZ

Postup při tvorbě 2D štítku:

Nejprve je nutné rozmyslet upořádání a druh informací na štítku. Následně je štítek navrhnut ve specializovaném CAD (Computer-aided design) programu, v tomto případě postačuje 2D program, například AutoCAD od společnosti Autodesk. Při vytváření je vhodné volit jedno-linkové fonty, které jsou určeny právě pro gravírování.

Poté je text převeden na geometrii (Convert to Geometry), čímž získáme křivky, jež použijeme pro tvorbu dráhy nástroje. Následně je námi vytvořený štítek exportován do tzv. CAM (Computer-aided manufacturing) programu, například EDGECAM, Surfcam a další. Jedná se o program, který slouží pro generování dráhy nástroje. Dráha je vytvořena právě pomocí importovaných křivek tvořících písmo a následně automaticky uložena do textového dokumentu ve formě normalizovaného ISO G-kódu, podle námi zvoleného postprocesoru. V poslední fázi je program nahrán do stroje a spuštěn.

Obrázek 6 Ukázka návrhu 2D štítku

17 2.3.2 Prostorové 3D informační vložky

Pokud je nutné označovat přímo výrobek vytvářený ve formě, používají se pro tento případ 3D informační vložky. Ve vstřikovací nebo vulkanizační formě se vytvoří kapsa, do které se následně zasadí informační vložka. Tento způsob urychluje a zlevňuje výrobu forem. Vložka musí mít přesný tvar výrobku, protože přímo nahrazuje odfrézovanou část formy. Do připraveného tvaru vložky se vygravíruje zrcadlový nápis, který se při výrobě obtiskne do výrobku. Tyto vložky je možné použít pouze v mírně zakřivených plochách, aby se písmo příliš nedeformovalo. Velikost vložek se zpravidla pohybuje do rozměru 100×100×90 mm.

Postup při tvorbě 3D vložek:

Začátek postupu je shodný s tvorbou 2D vložek, pouze s tím rozdílem, že je nutné použít 3D program. Nejprve se v rovině navrhne, opět nejlépe jednolinkovým fontem, požadovaný text. Následně je tento text standardní funkcí ozrcadlen, aby byl čitelný po obtisknutí do výrobku. Ve chvíli kdy máme ozrcadlený text, promítneme ho na již připravený povrch infovložky. Poté jsou, tentokrát prostorové křivky tvořící písmo, převedeny do CAM programu. Další postup již je téměř totožný s postupem návrhu rovinných štítků, až na nutnost použití funkce pro obrábění prostorových křivek namísto rovinných.

Obrázek 7 Ukázka návrhu 3D vložky

18

2.4 Nástroje a řezné podmínky při gravírování

Pro gravírovaní se používají nástroje malých průměrů, aby bylo možné vytvořit čitelný a esteticky vzhledný text či obrázek. S malým poloměrem úzce souvisí vysoké otáčky, aby byla zachována požadovaná řezná rychlost. Hloubka gravírování se pohybuje přibližně v rozmezí 0,15−0,5 mm. Pro velmi tvrdé materiály není výjimkou hloubka na jeden průchod 0,05 mm.

Typickým nástrojem je gravírovací hrot, někdy taky označován jako půlená fréza, který má nejčastěji tvar kuželu, s vybroušenou řeznou částí. Úhel kuželu a tvar zábrusu je specifický pro různé materiály a operace.

Obrázek 8 Gravírovací hroty od firmy 2L inc. [8]

V tabulce 1 jsou uvedeny doporučené řezné rychlosti a posuvy, vycházející z katalogu prodejce 2L-inc. Hodnoty jsou vztaženy k určité trvanlivosti nástroje. V praxi se velikosti posuvů snižují i o 50%, tím se zmenšuje i riziko uštípnutí špiček nástrojů.

Tabulka 1: Posuvy při gravírování hrotem [mm/min] [9]

Materiály 3000 [ot/min] 6000 [ot/min] 7500 [ot/min] 10 000+ [ot/min]

Slitiny hliníku 150 300 380 510

Mosaz/bronz 150 300 380 510

Měď 150 300 380 510

Litina 60 120 150 200

Hořčík 150 310 380 510

Plasty 230 460 570 760

Plexisklo 230 460 570 760

Ocel 80 150 190 250

Ocel tvrzená 40 80 100 130

Nerez 40 80 100 130

Titan 50 100 150 200

19 Druhou možností je gravírovaní tvrdo-kovovou frézou se spirálovým ostřím.

Tato varianta se využívá především pro vyřezávání a pro široké gravírované plochy, v nichž by gravírovací hrot musel vykonat několikanásobně více průchodů než právě zmiňovaná fréza. Přehled posuvů pro tvrdo-kovové frézy, opět od firmy 2L-inc, nalezneme v následující tabulce 2. Uvedené hodnoty je rovněž nutno korigovat podle možností stroje, udávají spíše orientační přehled. Při výpočtu posuvů se vychází z posuvu na zub. V tabulce jsou pro přehlednost zvoleny 2 nejobvyklejší druhy fréz a posuvy vyjádřeny již přímo v milimetrech za minutu.

Obrázek 9 Ukázka tvrdo-kovových fréz od firmy Sandvik Tabulka 2: Řezné podmínky pro gravírování tvrdo-kovovou frézou [9]

Typ frézy Fréza Ø 2 - 2 zuby Fréza Ø 3 - 4 zuby Materiály

Řezná rychlost [m/min]

Otáčky [min-1]

Posuv [mm/min]

Otáčky [min-1]

Posuv [mm/min]

Slitiny hliníku 270 42970 1090 28650 1460

Mosaz/bronz 80 12730 650 8490 860

Měď 200 31830 810 21220 1080

Litina 70 11140 230 7430 300

Hořčík 340 54110 2750 36080 3670

Plasty 240 38200 2910 25460 3880

Plexisklo 210 33420 2550 22280 3400

Ocel 140 22280 570 14850 750

Ocel tvrzená 40 6370 60 4240 90

Nerez 50 7960 80 5310 110

Titan 50 7960 120 5310 160

20

3 Základní rozdělení lineárních pohonů

V současné době se ve stavbě CNC obráběcích strojů využívá pro realizaci posuvu elektromechanická posuvová soustava nebo náhon lineárními motory. V případě elektromechanické soustavy je elektromotor napojen na posuvový mechanismus, kterým může být kuličkový šroub, řemenový pohon či pastorek. V případech kdy je nutné upravit moment a otáčky posuvového mechanismu, používáme vložený převod ať už v podobě planetové převodovky, páru ozubených kol nebo přídavného řemenového převodu. Není tedy výjimkou, že dochází ke kombinacím např. řemenového převodu s kuličkovým šroubem. [22]

Obrázek 10 Rozdělení lineárních pohonných jednotek

21

3.1 Kuličkový šroub

Obrázek 11 Lineární jednotka s kuličkovým šroubem [10]

Kuličkový šroub je zařízení pro převod rotačního pohybu na přímočarý. Sestava kuličkového šroubu se skládá ze šroubu a matice se zařízením zajišťujícím oběh kuliček. Může být poháněn šroub a matice zafixována proti otáčení, nebo naopak.

Nejpřesnější šrouby a matice jsou vyrobené z kvalitní oceli, jako je například 42CrMo4 nebo 14 109, následně povrchově zakalené na tvrdost 60 ± 2 HRC a následně broušené.

Na rozdíl od kluzných šroubů, které se vyznačují vyšším součinitelem tření a maximální účinností do cca 60%, přemění kuličkový šroub zpravidla přibližně 90% točivého momentu motoru na axiální posuvnou sílu. Hřídel je opatřena přesnou broušenou, okružovanou nebo válcovanou šroubovou drážkou. Drážka na hřídeli má v podstatě funkci vnitřní oběžné dráhy a drážka v matici odpovídá vnější oběžné dráze, po níž se odvalují přesné ocelové kuličky. Kuličky, které se pohybují v drážce mezi hřídelí a maticí, vyvolávají lineární pohyb hřídele nebo matice v závislosti na typu provedení, a následně se zpětnými kanálky vrací zpět na začátek závitu. Toto řešení minimalizuje mechanické opotřebení a zajišťuje spolehlivou funkci po celou dobu trvanlivosti šroubu.

[11]

22 Obrázek 12 Princip kuličkového šroubu [12]

Při výběru kuličkového šroubu pro navrhovaný systém lze snadno přehlédnout či podcenit některý požadavek se zásadním významem. Takové opomenutí může negativně ovlivnit funkci daného zařízení. Musíme tedy zvážit všechny kritické faktory související s konkrétními aplikacemi. [13]

Kritickými faktory mohou být:

 zatížení

 rychlost (otáčky šroubu či matice)

 zrychlení

 velikost hnacího momentu

 okolní prostředí

 přesnost, opakovatelnost

 trvanlivost kuličkového šroubu

 tuhost

 hlučnost

Dalším problémem, na který je potřeba se zaměřit je vůle. Při změně směru působící síly či změně směru pohybu dochází vždy k určitému axiálnímu pohybu mezi šroubem a maticí. Tento pohyb se nazývá vůle v závitu a její velikost bývá do 50 μm, avšak podle potřeby může být i menší. Nežádoucí vůle zapříčiní chybu polohy. Obvykle se vůle odstraní zavedením předpětí do kuličkového šroubu. Tím se zvýší tuhost, odstraní se axiální vůle a současně se zlepší spolehlivost a přesnost polohování.

23 Předepínání je prováděno především u broušených a okružovaných šroubů.

U válcovaných lze vymezení vůle, popřípadě lehkého předpětí dosáhnout použitím kuliček s kladnou tolerancí. Důvodem problémů s předepínáním válcovaných šroubů je jejich větší výrobní nepřesnost. V extrémních případech by mohlo docházet až ke zadření šroubu. Horší přesnost válcovaných šroubů je vyvážena jednodušší výrobou, tedy i příznivější cenou. Předpětí přesnějších šroubů je dosaženo použitím předepjaté matice, kde axiální síla může být vyvinuta například dělenou nebo tandemovou maticí s distančním kroužkem, diferencí ve stoupání závitu či diferencí mezi jednotlivými chody závitu. [14]

Obrázek 13 Příklady vymezení vůlí a předepnutí kuličkových šroubů [14]

Důležitým parametrem kuličkového šroubu a matice je i jeho statická tuhost, která je ovlivněna nejenom samotnou konstrukcí šroubu, ale i způsobem axiálního uložení. Z hlediska tuhosti je výhodnější oboustranné axiální uložení, při kterém lze teoreticky dosáhnout až čtyřikrát větší tuhosti šroubu v tahu-tlaku než při jednostranném axiálním uložení. U oboustranného provedení je však nutno zvážit vliv dilatací a oteplování pohybového šroubu během provozu, které by mohly být příčinou problémů. Oteplování vzniká i vlivem valivého tření mezi maticí a šroubem. Při oboustranném axiálním uložení vznikají přídavné síly. V takových případech lze šroub ve "studeném" stavu předepnout na tah, během provozu (ohřívání) se nejprve eliminuje zmiňované tahové předepnutí a dalším ohříváním na provozní teplotu vznikne axiální tlakové předepnutí potřebné pro docílení požadované tuhosti posuvového systému. Toto řešení lze však využít jen na základě důkladné znalosti všech provozních parametrů soustavy. [15]

24 Konstrukční zásady pro uložení pohybového šroubu:

 minimalizovat počet stykových ploch

 připojovací a dosedací plochy mají být opracovány s vysokou jakostí povrchu

 všechny prvky uložení (příruby aj.) mají mít maximální tuhost

 jednotlivá ložiska je vhodné předepnout [15]

Obrázek 14 Poddajnostní model soustavy kuličkového šroubu [16]

Tabulka 3: Výhody a nevýhody kuličkových šroubů

VÝHODY

+

-

Velká zatížení Velký moment setrvačnosti Možnost nepřímého odměřování Nižší rychlost a zrychlení

Vysoká přesnost Možnost rozkmitu při dlouhých délkách

Nízká hlučnost Výrobní nepřesnosti

Vysoká účinnost Vliv tepelné roztažnosti Cenová dostupnost Nutnost mazání matice

25

3.2 Řemenové pohony

Obrázek 15 Lineární jednotka s řemenovým pohonem [17]

Další mechanismus, který převádí rotační pohyb motoru na přímočarý pohyb posuvové jednotky, je řemen. Hlavní výhodou ozubených řemenů je především jejich téměř neomezená délka a nižší nároky na přesnost výroby. Dalšími klady je čistota převodu, jelikož nevyžadují mazání, a tichý chod. Řemeny jsou vyráběny kontinuálním vytlačováním a jejich tažná vrstva je vyztužena lanky, která procházejí celou délkou řemenu tak, aby nikde nevystupovala na povrch a byla pokryta základním materiálem.

Výztužná lanka mohou být jednak ze skleněných vláken, kevlaru nebo nerezavějící oceli. Základní materiál je pryž či polyuretan. Pryž snese vyšší teplotu a je cenově dostupnější. Polyuretan za vyšší cenu ovšem nabízí řadu předností, jako je chemická odolnost, mechanické vlastnosti a odolnost proti opotřebení. Tepelný rozsah použitelnosti polyuretanových řemenů se nachází mezi −20 až +80°C. [18]

26 Nejčastěji se používají 2 konstrukční uspořádání řemenů:

1. Uspořádání s vratnou větví

Řemen je opásán přes 2 řemenice na koncích vedení a oba konce jsou pomocí tvarových příložek připevněny na pojezdovou jednotku. Jedna řemenice je hnací a je přímo spojena s motorem. Druhá řemenice je napínací a jejím úkolem je vyvodit v řemenu dostatečné předpětí. Toto uspořádání má nevýhodu v potřebě větší délky řemenu s čímž souvisí i nižší tuhost systému, která se projeví hlavně při odjezdu z krajní polohy, kde je délka tažné větve přibližně rovna dvěma délkám celého vedení. [19]

Obrázek 16 Uspořádání řemenového převodu s vratnou větví [19]

2. Uspořádání omega

Řemen je připevněn tvarovými příložkami na konci vedení a je veden přes 2 pomocné kladky k motoru, tak aby bylo dosaženo dostatečného opásání kladky motoru. Vzniklá smyčka, jak již sám název napovídá, připomíná písmeno omega. Motor je umístěn na sáních, což je jedna z jeho nevýhod. Velikou výhodou oproti prvnímu provedení, je poloviční délka řemenu, s čímž souvisí vyšší tuhost. [19]

Obrázek 17 Uspořádání řemenového převodu omega [19]

27 U konstrukce řemenových převodů k řízení polohy se vychází z obvodového zatížení převodu Te a z předpětí řemenu v nezatíženém stavu T_i. Dostatečné předpětí musí zajistit, aby v odlehčené větvi zůstalo minimálně 10–30% hnací síly, aby nedošlo k jejímu prověšení a nehrozilo naskočení zubů řemenu na zuby řemenice. Doporučená hodnota předpětí u lineárních posuvů je 100–200% největšího tahu, který může nastat v tažné větvi. Při dimenzování řemenu se berou v ohled 2 hlediska a to pevnost a tuhost.

Pevnost se ještě posuzuje ze 2 hledisek a to s ohledem na pevnost tažné vrstvy, která by měla být 4–10krát vyšší, než je maximální tah v řemenu T1, a pevnosti zubů. Tvar zubů a šířku řemenu volíme tak, aby přípustná síla na zuby nebyla překročena součtem vnějších sil Fw, sil potřebných k překonání setrvačnosti Fa a třecích odporů Ff. [19]

Obrázek 18 Rozbor sil v řemenovém převodu [19]

28 Tabulka 4: Výhody a nevýhody řemenových převodů

VÝHODY

+

-

Vyšší rychlost a zrychlení Malý převodový poměr Téměř neomezená délka řemenu Nízká tuhost Nižší nároky na přesnost uložení kladek Menší zatížení

Nízká hlučnost Nižší přesnost

Bezúdržbový provoz Složitější odladění systému z důvodu pružnosti Nízká cena Zatížení ložisek vlivem předepnutí

3.3 Hřeben a pastorek

Obrázek 19 Lineární jednotka s pastorkem [20]

29 Princip spočívá v odvalování pastorku po ozubeném hřebenu s lichoběžníkovým profilem. Profil je připevněn na rámu stroje nebo na supportu a otáčením pastorku dochází k vzájemnému přímočarému pohybu. Pastorek je ve většině případech spojen s elektromotorem převodovkou, pomocí které dosáhneme vyššího kroutícího momentu.

Používá se pro dlouhé zdvihy, kde již není možné použít posuvové šrouby. Má proti šroubu a matici menší převod, lepší účinnost, ale také nižší tuhost a je nesamosvorný.

Při návrhu se vychází z kontrolních výpočtů ozubených kol dle normy ČSN 01 4686, neboli kontrola na otlačení a ohyb zubů pastorku.

Stejně jako u posuvových šroubů, je zde vhodné vymezit vůli, což v tomto případě ovšem poměrně dramaticky zvyšuje cenu pohonu. Vymezení je možné dosáhnout několika způsoby. [21]

1) První způsob je mechanické vymezení s jedním motorem. Buď je možné využít jednoho hřebenu a dvou pastorků, připojených na jeden motor, které jsou od sebe vzájemně odtlačovány pružinou, čímž vzniká potřebné předpětí. Nebo pro posuvy stolů o velkých rozměrech použít duplexní pastorek a hřeben. Tento princip využívá použití dvou přesazených hřebenů a sklony šikmých zubů mají opačný smysl, čímž jsou vyrovnány i axiální síly. [22]

Obrázek 20 Předepnutí pružinou [22]

30 2) Druhým způsobem je elegantní využití moderních řídicích systémů.

K elektronickému předepnutí jsou zapotřebí dva elektromotory v režimu "Master and Slave". Při nulové zátěži vyvíjí oba motory momenty stejné velikosti, ale opačného smyslu. Pokud začne působit vnější síla, například v kladném směru, nejprve se začne snižovat hodnota předepnutí ve směru působící síly a následně budou působit oba motory ve stejném záporném směru proti vnější síle. Obdobný případ nastává i při rychloposuvu, kdy není potřeba předpětí. [22]

Obrázek 21 Předepnutí Master and slave [22]

Tabulka 5: Výhody a nevýhody ozubeného pastorku s hřebenem

VÝHODY

+

-

Velké pracovní zdvihy Velký moment setrvačnosti Velká zatížení (možnost více pastorků) Nutnost mazání ozubeného pastorku

Možnost nepřímého odměřování Opotřebování komponent

Možnost vymezení vůle Nesamosvornost

Široký rozsah převodových poměrů Vyšší hlučnost

31

3.4 Lineární motory

Obrázek 22 Lineární jednotka s lineárním motorem [23]

Lineární motor je založen na indukčním principu a je to v podstatě rotační, bezkartáčový, synchronní servomotor rozvinutý do roviny. U lineárních motorů je jako stator označován primární díl, a sekundární díl je paralelou rotoru. Tyto části jsou odděleny vzduchovou mezerou, tudíž nedochází k mechanickému opotřebení. Primární část je tvořena feromagnetickým svazkem elektrotechnických plechů, v jejichž drážkách je uloženo trojfázové vinutí. Sekundární díl je tvořen permanentními magnety ze vzácných zemin (např. Nd–Fe–B), které jsou přišroubované na kovové podložce a zality pryskyřicí. Přivedením proudu do primární části, vznikne mezi oběma částmi magnetické pole a dojde k pohybu jezdce. Rychlost a síla pohybu je dána velikostí přivedeného proudu. Působením elektromagnetických sil se elektrická energie mění na lineární mechanickou energii a to s vysokou účinností. [24]

32 Obrázek 23 Fyzikální princip lineárního motoru [24]

Lineární motory produkují posuvovou sílu i v klidovém stavu, proto není jeho rozměr dán výkonem jako u rotačních motorů, ale čistě silou. Některé lineární motory musí být opatřeny vodním chlazení primárního dílu, které je podmíněno prostředím, rozměrem, typem, druhem aplikace a velikostí zátěže motoru. [25]

Veliká výhoda těchto motorů je konstrukce, u které není třeba používat přídavné převodové mechanismy, jako u rotačních motorů, kde je nutné převádět rotační pohyb na lineární, pomocí kuličkového šroubu, šneku nebo řemenového převodu. Tím se eliminují potenciální zdroje poruch, mechanické vůle, šetří se prostor, mají tišší chod a jednodušší údržbu. Absence mechanických převodů má výhodu také ve snížení setrvačných hmot, ale na druhou stranu ztrácíme možnost zvýšení posuvové síly převodem do pomala. Další výhodou je vysoká rychlost pohybu, práce bez mechanického opotřebení, přesnost a opakovatelnost, která není závislá na výrobních nepřesnostech, ani na tepelné roztažnosti motoru, ale pouze na přesnosti odměřovacího systému a reakční době zpětné vazby řídicího systému. Naopak negativní stránkou je vyšší pořizovací cena, nutnost přídavného lineárního odměřování, pohyblivé přívodní kabely, pohyblivý přívod a odvod chladicí kapaliny. [26]

33 Tabulka 6: Výhody a nevýhody lineárních motorů

VÝHODY

+

-

Vysoká přesnost Nižší zatížení, způsobená absencí převodu Fenomenální dynamika stroje Oteplování motoru procházejícím proudem Velké pracovní zdvihy (spojení modulů statoru) Otevřená magnetická struktura

Žádné další pohybující se díly Nevhodné pro vertikální osy (nutná brzda) Bezkontaktní pohyb Nutnost lineárního odměřování Téměř neomezená životnost Vysoká pořizovací cena

3.5 Volba vhodného způsobu pohonu

Na základě získaných informací o lineárních pohonech, a jejich přibližných cenách, které vychází z cenových nabídek poskytnutých firmou ETEL, RAVEO a cen produktů nalezených na internetových obchodech (e-shopech) www.CNCshop.cz a www.cnc.inshop.cz, je provedeno zhodnocení jednotlivých variant. Všechny uvedené ceny jsou včetně DPH.

Porovnávání bude mezi kuličkovým šroubem, řemenovým převodem a lineárním motorem. Aby byla kalkulace srovnatelná, uvedené ceny jsou vztaženy k potřebám 300 mm dlouhé osy. V porovnání je zahrnut pouze samotný pohybový mechanismus, nikoli vedení a rám dané osy, jež budou finančně velmi podobné pro všechny uvedené možnosti.

Hřeben s ozubeným pastorkem byl shledán jako nevhodný pro použití v tomto stroji a to z důvodů krátkých zdvihů, malých zatěžujících sil, a požadavků na vysokou dynamiku s častou reverzací pohybu. Proto není do srovnávání zařazen.

34 Tabulka 7: Cenová relace pohonu s kuličkovým šroubem

VÝROBCE KOMPONENTY CENA

HIWIN Kuličkový šroub 16×5 (300 mm) 950 Kč

HIWIN Matice 16×5 3 255 Kč

SYK Držák matice 1 390 Kč

SYK Ložisková jednotka, pevná 1 490 Kč

SYK Ložisková jednotka, volná 820 Kč

COUP-LINK Pružná spojka 565 Kč

Yaskawa AC servomotor 200w 7 500 Kč

CELKEM 15 970 Kč

Do porovnání byl vybrán válcovaný kuličkový šroub se standardní třídou přesnosti IT7 (max. úchylka stoupání 0,052/300 mm). Aby bylo možné porovnat s lineárními motory, byl do kalkulace zařazen servomotor, který je na stejné úrovni řízení. Ve skutečnosti by bylo možné osadit pohon krokovým motorem, čímž by se cena podstatně snížila. Velikosti jednotlivých komponent byly zvoleny předběžně.

Tabulka 8: Cenová relace pohonu s ozubeným řemenem

VÝROBCE KOMPONENTY CENA

HTD 2×Řemenice 5M 820 Kč

HTD Řemen 250 Kč

HTD Upínací příložka 80 Kč

Yaskawa AC servomotor 200w 7 500 Kč

Raveo Planetová převodovka 4 200 Kč

CELKEM 12 850 Kč

Do kalkulace bylo nutno zahrnout planetovou převodovku, z důvodu nízkého převodového poměru samotnou řemenicí. I při použití nejmenší řemenice s 12 zuby, při rozteči zubů 5 mm by jedna otáčka motoru byla rovna 60 mm posuvu suportu. Je také nutno podotknout, že cena je pouze za součásti samotného mechanismu bez uložení, na rozdíl od kuličkového šroubu. Skutečná cena pohonu bude ještě o něco vyšší po přičtení nákladů na výrobu dále potřebných komponent. Mezi tyto díly patří například samotné uložení řemenic, kde jedna musí být posuvná, aby bylo možné převod řádně napnout.

35 V řemenicích bude nutné vyvrtat a obrobit otvory, vyrobit čepy řemenic a podobné záležitosti k řešení. Rovněž by zde mohl být použit krokový motor, čímž by se ponížila výsledná cena.

Tabulka 9: Cenová relace pohonu s lineárním motorem

VÝROBCE KOMPONENTY POPIS CENA

ETEL LMG 15-050 (F=271 N) Primární díl 21 400 Kč

ETEL MDW 050 Sekundární díl 9 400 Kč

CELKEM 30 800 Kč

ETEL LMG 20-050 (F=378 N) Primární díl 27 600 Kč

ETEL MDW 050 Sekundární díl 9 400 Kč

CELKEM 37 000 Kč

Kollmorgen ICH11-050 (F=299 N) Primární díl 28 800 Kč

Kollmorgen MCH050 Sekundární díl 22 350 Kč

CELKEM 51 150 Kč

V případě lineárních pohonů bude dále nutné doplnit systém přímým odměřováním. Cena miniaturizovaného magnetického nezapouzdřeného snímače od tuzemské firmy Jirka& spol. se podle požadované přesnosti pohybuje v cenové relaci 3500–5000 Kč. Nepodstatnou položkou je i servodriver, řídící lineární motor. Digitální servozesilovač od firmy KOLLMORGEN stojí 30 250 Kč. Po sečtení všech položek, vychází cena jedné osy bez vedení na více než 65 000 Kč.

Další možností je zakoupení celých modulů jednotlivých os včetně vedení, pohonů, energetických řetězů, snímačů a dorazů. Tyto jednotky se pouze přišroubují na sebe, nebo jiným vhodným způsobem spojí v kompaktní celek. Také je možné zakoupení přímo křížových stolů či tzv. gantry systémů. Gantry systémy jsou více-osé předhotovené jednotky, navržené dle požadavků zákazníka. Ve většině případů je nutné pouze definovat délku a velikost osy, typ pohonu, způsob odměřování a další požadované doplňky jako například energetický řetěz, krytování a tak podobně.

V tabulce 10 jsou uvedeny ceny lineárních modulů od firmy Raveo s. r. o. Do kalkulace jednotek s kuličkovými šrouby a řemeny nejsou započítány ceny motorů.

36 Tabulka 10: Lineární jednotky od firmy RAVEO

Jednotka BAHR DSM 160 Typ pohonu Lineární motor Max. síla / špičkově 271/607 N

Zdvih 300 mm

Přesnost polohování 0,05

Cena 115 000 Kč

Jednotka BAHR DSK 120 Typ pohonu Kul. Šroub Max. síla / špičkově 800/900 N

Zdvih 300 mm

Přesnost polohování 0,025

Cena 71 000 Kč

Jednotka BAHR DSZ 120 Typ pohonu Řemenový Max. síla / špičkově 900/1000 N

Zdvih 300 mm

Přesnost polohování 0,1

Cena 53 500 Kč

Jednotka BAHR ELZU 40 Typ pohonu Řemenový Max. síla / špičkově 390/480 N

Zdvih 300 × 300 mm

Přesnost polohování 0,1 Cena (2 osy) 99 500 Kč Jednotka BAHR LSZ 60 Typ pohonu Řemenový Max. síla / špičkově 900/1000 N

Zdvih 300 mm

Přesnost polohování 0,1

Cena 27 400 Kč

37 Z analýzy vyplývá, že modulové řešení je rychlé, kompaktní, univerzální a usnadňuje konstruktérovi práci, ale jak tabulka potvrzuje, je také velice nákladné.

Z tohoto důvodu se nejedná o nejvhodnější řešení této práce.

Po zvážení všech aspektů byl vybrán, jako nejoptimálnější, pohon pomocí kuličkového šroubu. A to z důvodu ceny, která je podstatně nižší oproti lineárnímu motoru a nevýrazně vyšší oproti řemenovému převodu. Lineární motor by v našem případě nepřinesl žádné výhody, jelikož rychlost gravírovacího stroje je omezená samotnou rychlostí gravírování, která jak je vidno z tabulky 1 a 2 dosahuje maximálně hodnot 4000 mm/min. Této rychlosti lze snadno dosáhnout i kuličkovým šroubem.

Vysoké rychlosti se nevyužije ani při rychlo-posuvových přejezdech, které budou velice krátké. Kuličkový šroub byl upřednostněn oproti řemenovému převodu hlavně z důvodu pružnosti řemenu, která by mohla mít negativní vliv na výsledný gravírovaný objekt.

38

4 Kinematické struktury uspořádání stroje

Nyní je nutné zvolit vhodný typ kinematické struktury stroje. Tato volba je klíčovou, a to hned z několika důvodů. Značně ovlivňuje celkovou statickou tuhost stroje, dynamickou stabilitu, určuje potřebný zástavbový prostor a udává předpoklad k nákladnosti daného řešení.

V praxi rozlišujeme dva typy rámů, viz tabulka 11. První je otevřený (typ C), který se obecně vyznačuje nižší tuhostí, ale o to snadnější manipulací s obrobkem.

Druhý je uzavřený rám (typ O), který je opakem otevřeného, tedy vyšší tuhost za cenu horší dostupnosti a manipulovatelnosti s obrobkem. [27]

Tabulka 11: Kinematické struktury rámů Otevřená struktura

(pinolová) b. Parametry

(váha) b. Uzavřená struktura (portálová) 1 Tuhost (8) 3

3 Finanční

nákladnost (10) 2 5 Velikost zástavb.

prostoru (5) 5 63 Vážené

hodnocení 69

2 Tuhost (8) 4 3 Finanční

nákladnost (10) 3 3 Velikost zástavb.

prostoru (5) 3 61 Vážené

hodnocení 77

3 Tuhost (8) 5 3 Finanční

nákladnost (10) 3 1 Velikost zástavb.

prostoru (5) 1 59 Vážené

hodnocení 75

39 V tabulce bylo rovněž provedeno porovnání jednotlivých řešení pomocí 3 kritérií, kterým byla přidělena příslušná váha dle požadavků na navrhovaný stroj. Jako nejvhodnější řešení vychází uzavřená struktura portálového uspořádání s posuvným stolem v jedné ose. Tím se zvětší zástavbový prostor, ale zjednoduší se a finančně zlevní dané řešení, oproti portálovému uspořádání s pevným stolem. V něm by bylo nutné použít vedení na obou sloupech portálu a synchronizovat pohyb obou sloupů, aby nedocházelo ke vzpříčení. Synchronizace je možné dosáhnout jednak vyrovnávacím členem, který sjednotí rychlost posuvů obou pohonných jednotek. Nebo osazení každé osy svým vlastním motorem, pro tyto případy výrobci řídicích systémů často umožňují řídit 4 osy. Při volbě synchronizace je vždy nutno přihlédnout k dané situaci a finančnímu rozboru.

V případě křížového stolu, již dochází ke zvětšení zástavbového prostoru na čtyřnásobek oproti pevnému stolu. Toto řešení je často aplikované pro profesionální, komerčně vyráběné obráběcí centra a frézky, jako jsou například MAS MCV, HAAS VF1 a mnoho dalších. Zde jsou kladeny vysoké nároky na tuhost a přesnost stroje.

Výhodou křížového stolu je i dobrý předpoklad pro poměrně jednoduché krytování stroje.

40

5 Vřeteno

Vřetenem rozumíme strojní součást vykonávající přesný rotační pohyb. Unáší nástroj či obrobek, čímž zprostředkovává řeznou rychlost, způsobenou vzájemným pohybem mezi obrobkem a nástrojem. Úkolem vřetena je zajistit takový pohyb, při němž se dráhy jednotlivých bodů rotujícího předmětu, co nejvíce podobají kružnicím, popřípadě se liší jen v přípustných mezích. Vřeteno a jeho uchycení musí být dostatečně tuhé, aby bylo dosaženo klidného a přesného obrábění bez vibrací. [22]

Při výběru vřetena jsou limitními parametry především rozsah otáček a výkon vřetena, s čímž úzce souvisí i jeho momentová charakteristika udávající průběh výkonu a momentu v závislosti na otáčkách. Přenos výkonu z motoru na vřeteno je možný následujícími způsoby. [28]

1. Náhon s vloženým převodem - vhodný pro přenášení velikých výkonů, mohou vytvářet vibrace

2. Elektrovřeteno - rotor je nalisován přímo na vřetenu, ve vnějším plášti je vinutí s chlazením

3. Přímý náhon - používá se na vysokorychlostní obrábění, je dynamicky stabilní

Obrázek 24 Možnosti přenášení výkonů na vřeteno [28]

41

5.1 Výpočet silových podmínek při gravírování

Pro správnou volbu vřetene je proveden výpočet potřebného výkonu a radiální síly působící na nástroj při gravírování, která je zapotřebí při návrhu pohonů a vedení os stroje. Vstupní parametry výpočtu se vztahují k nástroji vycházející z kapitoly 2.4, konkrétně z tabulky 2 pro větší frézu o průměru 3 mm se 4 zuby.

Výpočtové vztahy jsou převzaty z katalogu výrobce obráběcích nástrojů firmy Dormer&Pramet [29]. Podle nich jsou vypočteny výkony pro vybrané druhy materiálů, aby bylo možné objektivně posoudit případ nejzatíženějšího vřetene. Výchozí hodnoty výpočtu, kterými jsou měrné řezné odpory pro tloušťku třísky 1 mm označovány kc1.1, vychází z katalogů firmy Sandvik [30], zabývající se rovněž nástroji na obrábění.

Tabulka 12: Parametry gravírovací frézy

Parametr Hodnota

Průměr nástroje, dN 3 mm

Počet břitů, z 4

Hloubka řezu, ap 0,5 mm

Šířka řezu, ae 3 mm

Následuje ukázkový výpočet pro gravírování hliníkových slitin, s měrným řezným odporem kc1.1=700 MPa a exponentem Kienzleho vztahu eK=0,25. Doporučené parametry pro frézu o průměru 3 mm s 4 zuby při obrábění hliníku jsou otáčky n=28 650 ot/min a rychlost posuvu vf=1460 mm/min.

Střední tloušťka třísky na jeden zub (plný záběr):

Řezný odpor:

Síla na zub frézy:

42 Objem odebraného materiálu:

Výkon při frézování:

Tabulka 13: Silové parametry při gravírování

Materiál Otáčky Posuv Měrný řezný odpor

Exponent K. vztahu

Řezný odpor

Síla na

zub Výkon

Značka n vf kc1.1 eK kc F P

Jednotky [ot/min] [mm/min] [MPa] - [MPa] [N] [W]

Slitiny

hliníku 28650 1460 700 0,25 2073 13 75

Mosaz

/bronz 8490 860 550 0,25 1379 17 30

Měď 21220 1080 1100 0,25 3275 21 88

Litina 7430 300 1200 0,28 4346 22 33

Ocel 14850 750 1700 0,25 5071 32 95

Ocel

tvrzená 4240 90 3200 0,25 11856 31 27

Nerez 5310 110 2000 0,21 6040 16 17

Titan 5310 160 1400 0,23 4309 16 17

5.2 Výběr vhodného vřetene

Jak vyplývá z tabulky 13, potřebný výkon vřetene nepřesahuje 100W. Jako nejvíce zatěžující případ se jeví gravírování oceli s potřebným výkonem P = 95W a řeznou silou F = 32N. Na tomto základě byly vybrány možné typy vřeten, které jsou prezentovány v následující tabulce 14. Lze vybírat z těchto možností:

1. Vřeteno Kress 800 je nejmenší z řady FME s plně elektronickým ovládáním pro konstantní otáčky a výkon. Zaručuje pozvolný start a disponuje elektronickou ochranou proti přetížení. Mezi staviteli malých strojů je velice oblíbený pro kvalitní tuhé provedení s příznivou cenou a také kvůli referenční kovové válcové ploše, která zabezpečuje přesné ustavení. [31]

43 2. Teknomotor SB-P-ER20 je profesionální vyvážené frézovací vřeteno pro převládající radiální zatížení s jednoduchým čelním ložiskem. Součástí dodávky je i vyvažovaná matice. Vřeteno obsahuje integrované vzduchové chlazení umožňující dlouhodobé zatěžování. O regulaci otáček se stará AC frekvenční měnič s vestavěnou PID regulací. [32]

3. Vřetena VFM od firmy STEP-FOUR dávají vysoký výkon při nízkých hmotnostech. Umožňují plynulou regulaci otáček přímo z řídicího systému přes frekvenční měnič, čímž zaručují stabilitu otáček i při vysokém zatížení. Ochrana proti přetížení a plynulý start jsou samozřejmostí. Poháněcí agregát je bezkartáčový motor pracující bez vibrací a s minimální údržbou. Možným příslušenstvím je i ofuk ložisek prodlužující životnost vřetene. [33]

4. Další možností je použití univerzální ruční brusky, například od firmy Dremel nebo Proxxon. Tato zařízení disponují dostatečným výkonem a velmi příznivou cenou. U těchto zařízení je také možné nastavovat otáčky v širokém rozsahu.

V brusce je implementována elektronika pro udržování dostatečného výkonu při zatížení. Nevýhodou může být absence referenční plochy, s níž souvisí složitější a méně přesné ustavení vřetene na stroj. [34]

5. Zařízením, velice podobným univerzální brusce, je ohraňovací frézka od firmy Makita. Tato frézka sebou přináší obdobné výhody a nevýhody jako výše zmiňovaný Dremel. Jedná se o výkonnější, robustnější, ale zároveň těžší provedení. [35]

6. Posledním zvažovanou variantou jsou čínská vřetena poháněné DC vzduchem chlazeným motorem. Zde je součástí balení i příruba pro uchycení. Hlavní výhodou tohoto řešení je bezesporu cena a snadné upevnění vřetene na stroj, naopak za nevýhody považuji malý rozsah otáček a absenci záruky. [36]

44 Tabulka 14: Porovnání vřeten

Výrobce Kress Teknomotor STEP- FOUR

STEP-

FOUR Dremel Makita Čína Typ 800 FME SB-P-ER20 VFM 300 VFM 160 4000 RT0700 5SWZ

Obrázky

Výkon [W] 420 330 300 160 175 710 400

Otáčky

[min^-1/1000] 10–30 0,1–18 5–60 5–50 5–35 10–30 3–12 Max nástroj

[mm] 8 16 6 3,175 3,2 8 7

Hmotnost

[kg] 1,4 2,8 1,8 0,4 0,66 1,8 0,4

Průměr

vřetene [mm] 70 80 42 40 43 90 52

Délka

vřetene [mm] 260 250 180 160 230 200 190

Provedení Ocel Ocel Al Al Plast Al Al

Regulace otáček

Ruční -

integr. Frekv. měnič Frekv.

měnič Frekv.

měnič

Ruční - integr.

Ruční - integr.

PMW řízení Cena [Kč] 5 000,- 12 500,- 14 800,- 9 500,- 2 500,- 2 700,- 2 000,-

Po zvážení všech parametrů je jako nejvhodnější zvolena univerzální ruční bruska Dremel 4000. Vyhovuje především z důvodu širokého rozsahu otáček, kompaktnosti s nízkou hmotností a v neposlední řadě také ceny. V nevyhovujícím případě lze vřeteno snadno vyměnit bez složitých zásahů do konstrukce.

45

6 Motory posuvů

V dnešní době, motorům sloužícím pro pohon posuvů malých CNC strojů, drtivě dominují následující dva typy:

6.1 AC servomotory

Obrázek 25 Ukázka AC servomotorů [37]

Jedná se o střídavé synchronní (rotor se otáčí stejnou rychlostí jako točivé magnetické pole ve statoru), bezkartáčové motory s permanentními magnety na rotoru a třífázovým vinutím na statoru. Tvoří kvalitativně vyšší typ bezkartáčových elektromotorů založených na současném řízení tří svorkových proudů, které mají harmonické průběhy. Jejich vývoj a optimalizace přišly s použitím nových magnetických materiálů (neodym–železo–bór). [22]

Obrázek 26 Řez bez-kartáčového motoru [37]

46 Motor pracuje výhradně v uzavřené smyčce, která je nejčastěji realizována pomocí resolveru nebo enkodéru. Zpětná vazba zajišťuje přesnou polohu, a nemůže díky ní dojít jako u krokových motorů ke ztrátě synchronizace. S tím však souvisí složitější propojení s řídicím systémem a následně i jeho odladění.

Kvůli velice dobrým dynamickým vlastnostem motoru, ploché momentové charakteristice a možnému až pětinásobnému momentovému přetížení motoru, se jedná o nejčastěji používaný pohon posuvů profesionálních strojů. [22]

6.2 Krokové motory (KM)

Obrázek 27 Ukázka krokových motorů [38]

Jedná se o stejnosměrné synchronní, bezkartáčové a jediné, zcela digitální, motory. Řídící pulzy postupně spínají napájení jednotlivých pólových dvojic a tím vytváří točivé magnetické pole. Rotor se tedy pohybuje po krocích, které jsou dány konstrukcí krokového motoru. Reverzace pohybu je uskutečněna změnou sledu impulzů do jednotlivých fází a rychlost je přímo úměrná frekvenci impulzů. [39]

47 Obrázek 28 Princip krokového motoru [39]

Krokové motory jsou velice oblíbené především u stavitelů menších strojů a to z důvodu schopnosti práce v otevřené smyčce (bez zpětné vazby) a jednoduchosti řízení. Absencí zpětné vazby ale hrozí ztráta kroku, která může být způsobena buď vysokou frekvencí přepínání fází, kde točivé magnetické pole "ujede" rotoru, nebo momentovým přetížením motoru. Pro zamezení ztráty kroku je nutné krokový motor v ideálním případě předimenzovat s bezpečností alespoň 1,5. V dnešní době již existují i krokové motory se zpětnou vazbou, díky níž lze detekovat ztrátu synchronismu. Tyto speciální krokové motory se pak více přibližují servomotorům.

U KM s rostoucími otáčkami klesá točivý moment motoru a je proto nutné při návrhu kontrolovat potřebný moment při maximálních požadovaných otáčkách, podle momentové charakteristiky příslušného motoru. [39]

Z konstrukčního hlediska lze rozlišit 3 základní koncepce krokových motorů:

1. S pasivním rotorem

Označované také jako reluktanční, reakční nebo s proměnou reluktancí.

Rotor je vyroben ze železa a připomíná tvar ozubeného kola se zuby. Připojením proudu ke statorovému vinutí se aktivuje magnetické pole jednoho páru pólů a dojde přitažení nejbližších rotorových zubů. Následně se proud přeruší a zmagnetizuje se další pólový pár. Podmínkou funkce toho typu motoru je rozdílný počet zubů (pólů) na rotoru a statoru. Motor dosahuje vysokých rychlostí, ale za cenu nízkého krouticího momentu. Dnes už se tento typ téměř nepoužívá. [40]

48 2. S aktivním rotorem

Tyto motory jsou někdy nazývány KM s permanentními magnety. Zde je naopak rotor hladký s integrovaným permanentním magnetem. Stator se skládá ze dvou desek s vyraženými zuby. Po přivedení proudu na příslušnou cívku, motor vykoná jeden krok. Mají rovněž rozdílný počet pólů na statoru a rotoru.

Proti reakčním se vyznačují vyššími točivými momenty a dobrými tlumícími vlastnostmi, ale naopak mají velice hrubý krok (7,5°–18°). V dnešní době se používají pouze pro aplikace s menšími nároky na přesnost, jako je například ovládání klapek klimatizací a podobně. [40]

3. Hybridní

Jedná se o kombinaci předchozích dvou typů spojující v sobě jejich výhody. Statorové vinutí je provedeno obdobně jako u reakční KM. Obvykle se skládá z osmi statorových pólů, opatřenými zuby. Kolem každého pólu statoru jsou dvě vinutí, aby magnetické pole mohlo být podle směru proudu jižní či severní. Rotor obsahuje permanentní magnety z neodymu a je tvořen dvojicí ozubených kol, přesazených o jednu polovinu rozteče zubu, s opačnou magnetickou polaritou. Co se četnosti týče, jedná se o jasně nejpoužívanější typ krokových motorů. Hybridní motory mohou být dvoufázové (2f), třífázové (3f) a pěti fázové (5f). [40]

Obrázek 29 Řezy KM [40]