DIPLOMAMUNKA. Készülék tervezése hegesztőrobot számára. 2016/2017 tanév. Egyetemi docens

Átírás

1 DIPLOMAMUNKA Készülék tervezése hegesztőrobot számára Készítette: G5CVK3 MSc szintű gépészmérnök hallgató Tervezésvezető: Dr. Szabó J. Ferenc Egyetemi docens Gép- és Terméktervezési Intézet 2016/2017 tanév

2 Tartalomjegyzék Bevezetés Az AUTOPRESS Kft Az Autopress Kft. jelentősebb megrendelői Az Autopress Kft. szervezeti felépítése Ipari robotok kialakulása Ipari robotok Elhelyezés Bővítő tengelycsoportok Robotmozgató tengelyek Munkadarab forgatók Több robotos cellák Több munkaterű cellák Korszerű kiegészítő berendezések Varratkeresés hegesztőhuzallal Lézeres varratkereső Kinetikus betanítás Korszerű vezérlőegység A robotcella bemutatása A tervezéshez szükséges információk A munkadarab Felépítése A bracket típusai A feladat meghatározása A kitételek Ahogyan eddig gyártották Készülék konstrukció tervezése Helyzet Tálca

3 7.3. Sorok száma Tálcák száma Vázszerkezet Keretes szerkezet Lamellás szerkezet Küllős kialakítás nagy tálcákkal Küllős kialakítás kis tálcákkal Készülék felfogatása Felfogatás a forgatótárcsára Felfogató modul alkalmazása Eredmények kiértékelése Ciklusidő számítás Leszorító szerkezet tervezése CLAM Leszorító V CLAM Leszorító V Szorító mechanizmusok Excentrikus szorítás V1-es szorító mechanizmusa V2-es szorító mechanizmusa Feszítő szorító Húzó szorító Szorító pofa kialakítása Lengő szorító tappancs Állítható menetes szár Szorító él A szorítók mozgathatósága Felnyíló szorítók Elfordítható szorító Eltolható szorító Eltávolítható szorító Szorítók rögzítése Eredmények kiértékelése

4 9.8. Szorítóerő meghatározása Leszorító erő meghatározása A leszorító terhelései Ütköztetési pontok meghatározása Ütköző konstrukciója Kompatibilitási probléma (Leszorító módosítás) Borda tervezése Igénybevétel A borda terhelése Borda merevítése Tálcaszerkezet strukturálása Toldókar konstrukciója Bordabővítő toldókar Toldókar ívelt alkatrészhez Szorítók lecsúszás elleni biztosítása Impulzusenergia számítás A végeredmény és ellenőrzése Térfogati vizsgálat Tömeg szempontú vizsgálat További javaslatok Összefoglalás Summary Köszönetnyilvánítás Irodalomjegyzék

5 1. Bevezetés Már gyermekkorom óta érdekelt, hogy hogyan működnek az engem körülvevő tárgyak, eszközök és sokszor tervezgettem és valósítottam meg olyan eszközöket, melyekre gyermekként szükségem volt. Édesapám mellett rengeteg gépészeti tapasztalatot szereztem és ez a gépek működésének megértéséhez is nagy segítséget adott ben elkezdhettem gépészmérnöki tanulmányaimat a Miskolci Egyetemen, ahol a BSc képzés hetedik féléve után kiváló minősítéssel végeztem. Ez idő alatt a szakmai gyakorlati időmet az Autopress Kft-nél töltöttem, ahol a gyakorlati időszakom végén álláslehetőséget ajánlottak, amit örömmel el is fogadtam. A BSc képzés előnyeit megtapasztalva elhatároztam, hogy folytatom a tanulmányaimat és egyetemi szintre emelem a képzettségemet. Az Autopress Kft rendelkezett egy ABB hegesztőrobottal, amit használtan vásároltak és már több, mint 5 éve kihasználatlanul állt az egyik csarnokban. Felkértek, hogy próbálkozzak meg azzal, hogy megírom egy alkatrész hegesztési programját és tervezzünk hozzá készüléket. Számos nehézség mellett végeredményként sikerült négy termék sorozatgyártását elindítani, ami hatalmas előrelépést jelentett. Az eredményen felbuzdulva a cég vásárolt néhány teljesen új, a legkorszerűbb kiegészítőkkel felszerelt hegesztőrobotot. A gépek kiválasztásában sok segítséget nyújtottak a frissen szerzett tapasztalatok. Diplomamunkámban egy olyan készülék megtervezését mutatom be, mely egy ikerrobotokkal ellátott, asztalforgatós, dupla cellás rendszer egyik oldalának állandó eszköze lesz. Ennek tervezése közben számos olyan problémát kellett megoldanom, amely a cég eddigi tapasztalatainak ellentmondott. 5

6 2. Az AUTOPRESS Kft A cég Autopress GMK néven alakult június 13-án. A magántulajdonú vállalkozás személy és tehergépkocsi fékalkatrészek gyártásával kezdett foglalkozni. Eleinte azok ferodolozása, majd vasalkatrészeinek gyártását végezte. A fémmegmunkálásból lakatosüzemmé vált, kipufogóval és lengéscsillapítóval is foglalkozott. A vállalkozás növekedésével az 500 m 2 -es csarnokból egy 6600 m 2 -es ipari terület 1200 m 2 -es üzemcsarnokba költözött ben KFT-vé alakult. A síklemez megmunkáláshoz gépparkját lemezollóval, présgépekkel, mélyhúzó és sajtológépekkel bővítette. A 2002-ben vásárolt lézervágó gép új üzleti teret nyitott től CNC élhajlítók, CNC lemezolló, fűrészgép, profilhenger, láng- és plazmavágó, hegesztőgépek, további lézervágó gépek, megmunkáló központok beruházására is sor került ben egy 1440m 2 -en daruzott lakatos és hegesztőboxok számára további csarnok épült ben a legmodernebb Mazak esztergáló és maró gépekkel bővült a géppark. A gyártás már igényelt egy saját szemcseszóró üzemet, amit 2012-ben egy 600 m 2 -es csarnok felépítése tett lehetővé. Ekkor még egy modern Fiber technológiájú lézervágó gép is munkába áll a telephelyen ben 2040 m 2 -es logisztikai csarnok segítette a komissiózást. [1] [2] év végére három új hegesztőrobottal bővítette tovább kapacitását a vállalkozás. A legkorszerűbb kiegészítőkkel felszerelt robotok 1-1 külső tengelyt, úgynevezett forgatót is kaptak. Az egyik robot egy kéttengelyes forgatóval párosítva üzemel egy cellában, míg a másik kettő 1-1 egytengelyes forgatóval ellátott ikercellában ikerrobotként tevékenykedik. A 2016-os év legnagyobb beruházása egy MAZAK HCN12800-as megmunkáló központ volt, valamint elkezdődött egy meglévő csarnoképület bővítése is Az Autopress Kft. jelentősebb megrendelői Hazai piacon [2]: Caterpillar Zrt. Lézer- és lángvágott, hajlított, hegesztett, forgácsolt alkatrészek Agrogép Kft. Lézer- és lángvágott, hajlított alkatrészek HAJDU Hajdúsági Iparművek Zrt. Lézervágott, hengerelt tartálypalástok Fém System Kft. Lézervágott, hajlított konzolok 6

7 Mátra Gépipari Kft. Lézer- és lángvágott, hajlított, hegesztett, forgácsolt alkatrészek Top Holding Kft. Lézer- és lángvágott, élhajlított alkatrészek Nemzetközi piacon [2]: Kroll & Ziller Gmbh. (Németország) Lézervágott, hegesztett, forgácsolt alkatrészei Hellmers Gmbh. (Németország) Tartályfelépítmények lézervágott kiegészítői 2.2. Az Autopress Kft. szervezeti felépítése 1 ábra. Az Autopress Kft szervezeti struktúrája [2] 7

8 3. Ipari robotok kialakulása Kezdetben az ember maga készítette szerszámait, ami azt jelenti, hogy a szerszámkészítés egyidős az emberiséggel. Az ősember hamar rájött, hogy a maga által készített kő, csont és fa eszközökkel megkönnyítheti mindennapi létszükségletű munkafolyamatait. Az általa fabrikált eleinte pattintással később csiszolással előállított eszközök ütésre, szúrásra, döfésre, kaparásra voltak alkalmasak. A halászó-vadászó-gyűjtögető életmódról való áttérés az állattenyésztésre és a mezőgazdaságra, valamint a fémek (réz, bronz, vas) megismerése lehetővé tette, hogy minél tökéletesebb és többféle funkciójú szerszámokat készítsenek. A fém szerszámkészítés úttörői az ókorban a sumérok voltak, akik Kr.e körül feltalálták a bronz előállításának módszerét, ezáltal pedig jelentősen fejlődött a megmunkálás, olvasztás, technikája. Az egyiptomiak főként a fa megmunkálásában jeleskedtek. A görgősor alkalmazásával hatalmas kőépítményeket tudtak építeni, különféle emelőszerkezeteik segítségével pedig az öntözés technikáját is fejlesztik, majd tudásanyagukat az európai civilizációk, kultúrák is átvették és alkalmazták. [3] Már az ókori görög társadalomban kialakul egy kevésbé megbecsült kézműves, iparos réteg. Ám ekkor még nem folyt tömegcikk termelés, házi iparra épült, a gépek szerepét, a nehéz munkát akkor még a rabszolgák látták el. A Római Birodalomban megjelenik a cégér, ahol főként a polgárok luxuscikk iránti igényét elégítették ki a mesteremberek. A ránk maradt régészeti leletek, emlékanyagok arról adnak tanúbizonyságot, hogy a használati tárgyak előállítása, a fémek megmunkálása és ötvözése, a mázas agyagedények előállítása, a vízvezeték-rendszerek, közművek és védőfalak kiépítése és még sorolhatnánk, mind-mind komoly szintű szakmai felkészültséget és mérnöki tudást feltételeznek. A középkorban, az érett feudalizmus időszakában az iparban (a malom elterjedése, a zsinórhajtás feltalálása) és a mezőgazdaságban (szügyhám, patkó, nehézeke alkalmazása) jelentős technikai újításokat vezetnek be, mely által a termelékenység tovább fokozható. Ebben az időszakban megjelennek az első céhek, az azonos mesterséget űző szakemberek érdekvédelmi szervezete. A céhek minden iparágban jelen voltak a kézműipartól a textiliparon át egészen a fémművességig. A céhes üzemben csak szakképzett emberek dolgoztak, annyi amennyi a munkájából meg tudott élni, és főként piacra termeltek. Jellemzője, hogy minden 8

9 munkafolyamatot egy mester végzett, aki a minőségre koncentrált, tehát kis mennyiségű, kiváló minőségű terméket állított elő. [4] A kora újkorban a nagy földrajzi felfedezések hatására a gazdasági és kereskedelmi kapcsolatok kibővülnek, interkontinentális méretűvé válnak, melynek következtében felgyorsult a gazdasági fejlődés, nőtt az ipari termelés, fellendült a kereskedelem. A céhek már képtelenek voltak kielégíteni a tömegtermelésre való igényt, ezért létrejött az ipari termelés új szervezeti formája a manufaktúra. Jellemzője, hogy a termelés kézi erővel folyt, a tulajdonos birtokában lévő szerszámokkal. A munkafolyamatokat már részekre bontották ezáltal nem kellett mindenkinek nagyfokú szakképzettséggel rendelkezni, és sokkal többet tudtak termelni. [5] Már az ókorban, valamint a középkorban a megterhelő emberi erőt igénylő munkafeladatokat állati erő (ökör később ló) alkalmazásával igyekeztek kiváltani. Az első gépek alkalmazására a XVIII. század második harmadában, az ipari forradalom kezdeti időszakában kerül sor, amelyek a szövés, fonás gépesítését szolgálták. James Watt remek találmánya a gőzgép az ipar minden ágazatában széles körűen alkalmazhatóvá vált (fúrók, fűrészek, esztergák meghajtására is), amely magával vonta a nehézipar, a közlekedés fejlődését is. A gőzgépeket a villamos energia váltotta fel, amely az 1800-as évek végére hazánkban is egyre több helyen lett elérhető. A XX. század robbanásszerű technológiai fejlődése hatalmas lendületet adott a termelő szférának is. Ennek elsődleges mozgatórigója a hadiipar volt, számos újítás innen került át a hétköznapi életbe. Megjelentek a számítógépek és fokozatosan leváltották a mechanikus számoló és vezérlő rendszereket. Az 1950-es években az USA-ban munkába állt az első NC 1 gép. Ebben az évtizedben adta be Clarence Walton Musser a hullámhajtásról szóló szabadalmát [6]. Ezzel a hatalmasnak számító áttételt és nyomatékátadás valósítható meg. Ilyen elven működnek a marsjáró autók meghajtó rendszerei és az ipari robotok csuklópontjai is 2. A robotok vezérléséhez elengedhetetlen egy gyors CPU 3, amely képes bonyolult számítások valós idejű elvégzésére. Ez a '70-es évekig váratott magára, amikor megjelentek a CNC 4 vezérlésű megmunkáló gépek. Minden technológiai feltétel adott volt, és napjainkban már rohamosan terjednek az ipari robotok, segítve ezzel az civilizációt. 1 NC: Numerical Control logikai vezérlésű 2 A KUKA KR 1000 TITAN egy tonnánál nagyobb tárgyakat is képes könnyedén mozgatni [7] 3 CPU: Central Processing Unit - központi műveletvégző egység 4 CNC: Computer Numerical Control (programozható mikroszámítógépet is tartalmaz) 9

10 Miskolci Egyetem 4. Ipari robotok Az ipari robotok rohamos térhódítása számos gyártót vonzott erre a területre. A legismertebb piacvezető robotgyártó cégek (ABB, FANUC, KUKA, YASKAWA) éles piaci versenye folyamatos kényszert helyez a tervezőkre. A piacon maradáshoz olyan fejlesztéseket, újításokat kell a termékbe integrálni, amelyek kezelhetőbbé, használhatóbbá, intelligensebbé teszik a gépeket. Ezek a fejlesztések egyre inkább univerzálissá tették a robotokat így számos területen bevethetővé váltak. Hans Keller és Jacob Knappich 1898-ban Augsburgban alapította a Keller Und Knappich Augsburg vállalatot, (K.U.K.A.). A cég először acetilénes fényszórókat, majd hegesztő berendezéseket gyártott ben dobták piacra az aprítós szemétszállító autót. Ezzel hatalmas találmánnyal nem csak Németországban, hanem egész Európában monopol piaci pozíciót alakítottak ki. Ilyen KUKA autók kerültek hazánkba is. Ez a márkanév került át a magyar köztudatba nem csak a szemétszállító autók, hanem a hulladéktároló edények 2. ábra Néhány ipari robotokat gyártó cég logója (abc sorrendben) megnevezésére is. A vállalat 2004 körül kezdett robotgyártásba. [8] Robotok csoportosítása funkcionalitásuk szerint: pakolás, rakodás, palettázás kenés, ragasztás festés, felületkezelés tisztítás, portalanítás, sorjázás hegesztés (ív-, lézer-, ponthegesztés, stb.) összeszerelés mérés, ellenőrzés egyéb célszerszámokkal ellátott robotok (pl.: vízsugaras vágószerszám, marószerszám, présszerszám, stb.) 10

11 Ezek a robotok jellemzően 5-6 vagy akár még több rotációs tengelyből álló emberi karra emlékeztető felépítésűek. Manapság már kapható kétkarú robot is (3. ábra), ami már kísértetiesen hasonlít egy emberi felsőtestre. Mozgásképessége nem csak megközelíti, de mozgástengelyei egyenként akár 360 -ban forgathatóak is. Kialakításukban nem csak a feladat, hanem a környezet is szerepet játszik. Speciális kivitelekkel bevethetőek, gyógyszeripari, robbanásveszélyes vagy vizes környezetben is. 3. ábra Yaskawa SDA10D robot (Slim Dual- Arm, kétkarú robot) Yaskawa [9] 4.1. Elhelyezés A robotok látható mozgékonysága kiemelkedő lehetőségeket nyújt a különböző alakú termékekkel való munkákhoz, különösen a nehezen elérhető pontok tekintetében. A gép munkatere adott, de ez a 3D tartomány optimalizálható úgy, ha csak azt vesszük figyelembe, hogy a kívánt pozícióban tartott szerszámfej a robotkar szempontjából mely tartományban a leghasználhatóbb. Ha ezt meghatároztuk, a robotot ennek megfelelően rögzíthetjük a padlózathoz, a mennyezethez, a falra vagy akár egy erre a célra tervezett tartószerkezetre is. 4. ábra Robottelepítés alapvető változatai 4.2. Bővítő tengelycsoportok Sok esetben a karok mozgékonysága viszont meglehetősen kevés a kívánt művelet kialakításához, ezért a robotokat egyéb kiegészítőkkel is el kell látni. Erre legfőképpen három megoldáscsoport vethető be: robotmozgató tengelyek, munkadarab forgatók, többrobotos cellák. 11

12 Robotmozgató tengelyek Kézenfekvő emberi megoldás, hogy ha nem érünk el valamit, akkor arrébb kell mennünk. Erre analóg módon a robot sínekre helyezve lineáris pályákon mobilabbá válik (5. ábra). Egymásra merőleges sínpályák beépítésével a mozgástér sokszorosára növelhető, amivel a feladatok megközelítési pontjai lényegesen kedvezőbbek lehetnek. 5. ábra Fanuc robot fali sínpályás megoldása [10] Munkadarab forgatók A legtöbb esetben kompakt, költséghatékonyabb megoldást jelent, ha a munkadarabot mozgatjuk, például egy hegesztőrobot előtt. Ehhez egy úgynevezett forgatókészüléket kell telepítenünk a robot elé. A YASKAWA MOTOMAN termékpalettájában többfélével is találkozhatunk. Jellemzően egy vagy két tengellyel ellátott forgatókészülékeket alkalmaznak, de ennél több tengelyes forgatók is vásárolhatóak. 6. ábra Egytengelyes Yaskawa forgatókészülék [11] Több robotos cellák Egyes munkadarabok esetében szükség lehet több robot összehangolt munkájára, ezt többrobotos cellákkal valósítják meg. Akár párhuzamos, szinkron vagy egymást segítő munkát végeznek, munkadarabot pakolnak vagy hegesztenek, elengedhetetlen az összehangolt programfuttatás. Hegesztő- vagy festőrobotok esetén legtöbbször nagyméretű, szimmetrikus munkadarabokon alkalmaznak ikerrobotokat vagy egyidejűleg akár 3-4-nél is több robotot (7. ábra). 12

13 7. ábra 6 robotot alkalmazó hegesztőcella egy kiállításon [12] Több munkaterű cellák Mivel ezek a berendezések költséges beruházást jelentenek a cég életében, így minden vállalat igyekszik maximalizálni azok kihasználtságát. A megmunkálást végző robotok előtti munkadarabot a feladat befejezésével cserélni kell. A technológia mai szintjén még viszonylagos pontossággal kell elhelyezni az alkatrészt a munkatérben, ezért ezekhez készülékeket szokás alkalmazni. 8. ábra Dupla munkaterű ikerrobotos cella [13] 13

14 A készülékbe helyezés és az onnan kiemelés olyan mellékidőt jelent, amikor a robotegység nem végez munkát. Ezt az időkiesést megszüntethetjük és egyben a termelékenységet is megnövelhetjük, ha a munkadarab cseréje közben a robotot egy másik munkatérbe irányítjuk, és ott végeztetünk vele munkát (8. ábra). A munkadarabokat máshogyan is cserélhetjük, például az autóiparban előszeretettel használnak automatizált pályákon haladó készülékeket a karosszéria, vagy más alkatrészek továbbítására. Ekkor a munkadarab automatikusan elhagyhatja a cellát, míg eközben a következő elfoglalja a helyét (9. ábra). 9. ábra Vázszerkezet hegesztése robotkarokkal a Porsche gyárában Leipzig, Németország [14] 4.3. Korszerű kiegészítő berendezések Az első és legfontosabb szempont az emberi élet, majd a berendezések védelme. A dolgozók testi épségét a legegyszerűbben úgy óvhatjuk meg, ha megakadályozzuk, hogy az alkalmazott üzem közben a robot munkaterében tartózkodjon. Erre leggyakrabban rácsos szerkezetű térelválasztókat alkalmaznak. A gyártást csak a többlépcsős nyomógombos biztonsági rendszer aktiválásával lehet elindítani. Egy robotokat programozó kollégám a következőre hívta fel a figyelmem: A rács csak az embert tartja kint, a robotot nem tartja bent!. Ezzel érzékeltette számomra a robotok erejét, és hogy a programozónak nagy felelőssége van a munkafolyamat megtervezésekor. Az ember védelme érdekében, amíg a programozó a cellában tartózkodik, minden tengely sebességkorlátozás alatt mozoghat. A hegesztés során az összeillesztett alkatrészek akár több milliméteres pontatlanságot is mutathatnak. A varratok robotprogramhoz viszonyított helyzetét érdemes ±0,3 mm pontossággal biztosítani. Ez megtehető precíziós készülékkel, így viszont a jelentős költségnövekedés mellett valószínűleg újabb idomok beépítése is szükségessé válhat. A 14

15 bonyolultabb készülék további akadályt jelent a robot számára vagy akár el is lehetetleníti a kívánt mozgáspálya programozását Varratkeresés hegesztőhuzallal 10. ábra Varratkeresés hegesztőhuzallal [15] Ennek elkerülésére a korszerű robottechnika több megoldást is be tud vetni. Egyik ilyen eszköze a Seam Finding (varratkeresés, 10 ábra). A feszültség alá helyezett hegesztőhuzallal közelítünk két referenciaponthoz, amely az alkatrészhez érve az elektromos kisülés révén detektálja azt. Ezeket a referenciapontokat akár egy sarokvarrat két síkján is elhelyezhetjük. A mérés eredményével módosíthatjuk a megírt programot. Ez a technológia alkalmas varratkövetésre is. Nagyobb varratok esetében alkalmaznak lengető hegesztési módokat. A lengető hegesztés közben mért ívhossz diagramja egy szinuszos görbét ad és ennek eltolódásából számítható az eltérés, ami által már korrigálható is a program. Ennek a funkciónak elengedhetetlen kelléke az a kiegészítő, amely a mérések előtt a huzalhosszúságot egy adott hosszra visszavágja és minden esetben azonos huzalhosszal mérhetünk. Általában ez a modul tartalmazza a hegesztőpisztoly tisztítására szolgáló kiegészítőt is. A huzalos varratkeresés hátránya, hogy érzékeny az adagolt huzal változó görbeségére Lézeres varratkereső 11. ábra Lézeres keresés (illusztráció) [16] A lézeres szkennereknek vagy kameráknak már számos fajtája megtalálható robotokon, akár alkatrészek azonosítására is alkalmasak. A Yaskawa hegesztőrobotjaihoz kapható Axon Robot WELDFINDER lézeres varratkeresővel is korrekciózhatjuk a varratprogramot. Ennek folyamata során a kivetített lézersugár pályavonalán kereshetünk alkatrész éleket. A huzalos kereséshez hasonlóan a referenciapontoktól való eltéréseket alkalmazhatjuk a hegesztés mozgáspályájának módosításához. 15

16 Ez a kiegészítő sajnos nem használható hegesztés közben, mert a keletkező fény, gőz és füst ellehetetleníti a méréseket. Nehézségeket okozhat a felületek érdessége illetve szennyezettsége is. Tapasztalatom szerint a legnagyobb komplikációt a modul kialakítása jelenti. Szűk helyeken akadályozza a varrathoz való hozzáférést és mivel a lézerfej és a hegesztőpisztoly vége viszonylag távol helyezkedik el, így a nehezen elérhető helyekre a hegesztéshez és a lézeres méréshez is meg kell találni az optimális megközelítést. Sok mérés elhelyezésével jelentősen nő a programidő Kinetikus betanítás Az angol nyelv a robotprogramozást két elkülöníthető szintre tagolja. Külön tekinti a robot betanítását (teaching) és a betanított program kiegészítését szintaktikákkal, logikai és matematikai utasításokkal (programming). A betanítási fázis egyes robotoknál irányító nyomógombok, másoknál joystick segítségével végezhető választható mozgási sebesség mellett egy 3D térben. A Yaskawa robotjain már elérhető a Kinetiq Teaching technológia, amely lehetővé teszi magának a hegesztőfejnek a kézzel való mozgatását. A programozó kezével kifejtett erő vektorirányát érzékelve a robot szervo rásegítéssel követi a dolgozó kézmozgását. Ezzel jelentős betanítási időt takaríthatunk meg. 12. ábra Robot betanítás a Yaskawa hagyományos (bal oldalt) és Kinetiq Teaching (jobb oldalt) technológiájával [17] 16

17 Korszerű vezérlőegység 13. ábra Yaskawa DX200 vezérlőegysége [18] A Yaskawa DX200 vezérlőegysége (13. ábra) már a legfejlettebb programozói lehetőségeket nyújtja, amelyben többek között trigonometrikus számítások is végezhetőek és az előzőekben bemutatott varratkeresési módszerek eredményeit is a legkülönfélébb módon használhatjuk fel. Fontos megemlíteni, hogy a vezérlőegység rendelkezik PLC be- és kimenetekkel, amelyek szinte szabadon programozhatóak, így számos elektromos vagy pneumatikus kiegészítők is vezérelhetőek. A komplett robotcellánkat már programozhatjuk egy opcionálisan rendelhető CAM rendszerként funkcionáló szoftverben is. Az elkészült programot USB vagy Ethernet csatlakozáson keresztül is feltölthetjük. Ez a módszer viszont nem tekinthető 100%-ban megbízhatónak, így mindenféleképpen érdemes az így elkészült programot csak a helyszíni programozás megkönnyítésének tekinteni és nem annak kiváltására alkalmazni. 5. A robotcella bemutatása A készüléket az Autopress Kft. ikerrobotos, kétcellás munkaállomása számára kell terveznem. A cellák 1-1 egytengelyes, mm pofatávolságú forgatókészülékkel vannak ellátva, melyek terhelhetősége egyenként 1 tonna. A cella méreteit és pontos kialakítását az 1. melléklet tartalmazza 5. A cellában két darab MA2010 típusú YASKAWA robot dolgozik. A robot munkaterét a 2. melléklet mutatja be. A munkatér meghatározása sajnos nem feltétlenül lehet elegendő információ a robotos hegesztés tervezése során, mivel a munkadarabhoz való hozzáférhetőség és a pisztolytartás nehezen vehető figyelembe, nem is beszélve a kiegészítő elemek, például a WeldFinder lézeres keresőegységet, amelynek szintén megvannak a sajátos helyzetigényei. Léteznek szimulációs szoftverek, amelyekkel számítógépen is megtervezhető egy-egy program és az le is szimulálható (bár ezek a helyszínen némi igazításra szorulnak), de ilyen szoftver jelenleg nem állt rendelkezésre a cégnél. A YASKAWA egyik újítása viszont roppant módon 5 Forrás: Yaskawa géptelepítési dokumentáció 17

18 megkönnyíti a robotpozíciók megvalósíthatóságát, ugyanis a hegesztőhuzalt és a hegesztőpisztoly hűtésének ellátását is a robottesten belül, a forgástengelyeken keresztül vezették végig. A robotot egy DX200-as vezérlő működteti. A robotkart mintegy meghosszabbítva a nehezebben hozzáférhető helyek számára a cég egyedi hegesztőpisztolyokat kért a robotokhoz. Ennek fő paramétereit a 3. mellékletben mutatom be. A hegesztéshez szükséges áramot és huzalelőtolást EWM áramforrással és előtoló rendszerrel oldották meg. Ez sajnos nem volt a legjobb megoldás, mivel az előtoló rendszer túl nagy, ezért nehezíti a robot programozását. A YASKAWA a FRONIUS gépeket részesíti előnyben. Természetesen mindkettő alkalmas robot általi vezérlésre is. (A hegesztőhuzal jelenleg 250 kg töltetű hordóból kerül a varratba, ahonnan az előtoló gyakorlatilag kihúzza, és nem letekeri a huzalt. Ennek következménye, hogy a huzal sajnos tekergőző mozgást végez a varrat közelében, ami számos problémát okoz. Ez a probléma még megoldásra szorul.) További extra kiegészítőkkel rendelkezik ez a robotcella. Rendelkezésre áll a korábban bemutatott ívszenzoros kereső és varratkövető rendszer, illetve a lézeres WeldFinder detektor is. Mindkettő előnyei mellett sajnos számos hátrányt is hozott magával, de mindenképp hasznosak. A robotfejek ABICOL BINZEL ütközésérzékelővel vannak felszerelve, amelyek ütközés esetén megállítják a robotot, tompítva azt, megelőzve vagy mérsékelve a károsodást. 6. A tervezéshez szükséges információk Mielőtt nekilátnánk a tervezésnek, számos adatot és információt kell összegyűjteni ahhoz, hogy támpontot szerezzünk néhány alapvető kérdésre: 14. ábra Kérdések felhője 6.1. A munkadarab A rohamosan fejlődő Autopress Kft. egyik legnagyobb megrendelőjének olyan termékeket gyárt, amelyek túlnyomórészt munkagépek kanalainak, tolólapjainak alkatrészei. A tervezendő készülék a BRACKETS elnevezésű termékcsoport gyártásának egyik állomásán helyezkedik 18

19 majd el. A bracketek funkciója egy adott kanáltípus vagy tolólap rögzítése a munkagéphez. Ezek szolgáltatják azokat a pontokat, ahol a munkagép az illesztő tüskéi segítségével csatlakozhat a szerszámhoz és döntheti, fordíthatja azt. 15. ábra 16. ábra Bracketeket tartalmazó Caterpillar tolólap hátoldala [19] Kiemelt részlet egy bracketet tartalmazó tolólapról [19] Az ilyen tolólapokat dózer gépekkel használják talajegyengetésre vagy egyéb műveletekre. A 17. ábrán használat közben látható a tolólap alkalmazása. A talaj egyenességének biztosítása érdekében a tolólap lézeres szintezőrendszerrel látható el Felépítése 17. ábra Tolólap alkalmazása egy Caterpillar D6K munkagépen [20] A bracketek felépítése viszonylag egyszerű. Jellemzően egy talplemezből és a fülekből áll. A fülek legtöbb esetben párosával állnak, merőlegesen a talplemezre, de kivételes esetben szimpla füllel is találkozunk. Egy talplemezre épülhet egy vagy két pár fül is. Egyes típusoknál kábelvezetők, menetes szemek vagy ütközőtömbök is felhegesztésre kerülhetnek. Ezek az utóbbi években több alkalommal is módosultak. Már körvonalazódni látszik ennek a termékcsaládnak a sokfélesége, amely várhatóan okozhat majd olyan tervezési helyzeteket, ahol az univerzalitás adhat optimális tervezési irányt. 19

20 A backet gyártási szakaszai Szállítás MEO Tárolás Tisztítás Kontúrvágás Összeállítás Hegesztés Egyengetés MEO Tisztítás Forgácsolás Tisztítás MEO Tárolás Rakodás Szállítás Minden bracket fő alkotóelemei lemeztáblaként érkeznek a gyár területére, azokat minőségi ellenőrzés mellett vesszük át. A raktárból a szemcseszóró üzembe kerül, ahol a felületi szennyeződések és rozsdafoltok eltávolítása zajlik. A kontúrvágást lézer (18mm-es vastagságig) vagy lángvágó géppel (20mm-es vastagságtól) végezzük. Az ehhez szükséges kontúrokat digitális formában a megrendelő biztosítja, amelyeket a táblatervek készítése során a lehető legjobb anyagkihasználást szem előtt tartva forgatunk a táblatervekbe. Az alkatrészeket a hegesztőüzem kollégái az összeállítás során előkészítik a hegesztéshez, azok egymáshoz viszonyított pozícióját beállítják, tűző varratokkal rögzítik. A fülek túlzott elhajlását meg kell előzni, így azok ideiglenes rögzítő hidakat kapnak. Az összeállítást követően a műszaki rajzok követelményei szerint felkerülnek a hegesztések. Ez a szakasz robotizáltá válik, szakdolgozatomban ehhez tervezek készüléket. A hegesztési hőtől a szerkezet elvetemedik, ezért javításra szorul. Az egyengetési szakaszban a műszaki rajzok szerinti síklapúságok és párhuzamosságok elérése a feladat. Ha a bracket a minőségi elvárásoknak megfelel, a tisztítási fázisban eltávolításra kerülnek a hegesztéssel járó szennyeződések és apró egyenetlenségek. Ekkor eltávolítható a füleket összekötő rögzítő híd is. Ha a megrendelő a fülek furatainál megkíván bizonyos tűréseket és egytengelyűséget, akkor azokat forgácsolással biztosítjuk. A korszerű megmunkáló központokban elvégzett forgácsolás után a keletkezett sorját eltávolítjuk, és újabb ellenőrzést végzünk. Ha a termék megfelel, a logisztikai csarnokban tárolják, míg a megrendelés többi tétele is szállíthatóvá válik. Szállítás előtt kalodákba helyezik, majd kamionok rakományaként távozik a telephelyről. 20

21 A bracket típusai A bracketek pontos méretei nem publikálhatóak, ezért azokat csak a készülék tervezéséhez szükséges mértékig mutathatom be, amelyeket a 4. melléklet tartalmaz A feladat meghatározása Az Autopress Kft. gépészmérnök munkatársaként azt a feladatot kaptam, hogy tegyem alkalmassá a BRACKETS termékcsaládot hegesztőroboton való gyártásra. A feladat abban vált komplikálttá, hogy olyan célorientált készüléket kellett terveznem, amely gyakorlati szempontból meglehetősen flexibilis kell, hogy legyen. Természetesen az első ránézésre néhány komoly logikai probléma számos további kreativitási igényt és fizikai korlátot rejtett magában A kitételek A tervezés első lépéseit néhány iránymutató és egyben korlátozó követelmény határozta meg. 1. A készüléket a cég ikerrobotos robotcellájához kell tervezni, amely paraméterei rendelkezésre állnak 2. Maximalizálni kell az egyszerre felhelyezhető bracketek számát. 3. A fülek hosszanti varratait ~45 -os döntéssel, vályú pozícióban kell hegeszteni. 4. A robotcella jelenlegi gyártási ritmusába illeszkedő program megvalósítását tegye lehetővé, vegye figyelembe az ikercellás sajátosságokat. 5. Maximalizálja a komplett robotcella kihasználtságát egyemberes kiszolgálás mellett. 6. Igyekezzen a várhatóan hasonló, új termékek felhelyezésére is bizonyos mértékig alkalmas készüléket tervezni, legyen lehetőség az esetleges későbbi módosításra, bővítésre. 7. Vegye figyelembe egy régebbi, de kifutott bracket jellemzőit is. Elegendő, ha a készülék alkalmas ehhez az alkatrészhez is, módosítani nem kell, csak kiegészítőkkel ellátni. A feltételek körvonalazása máris tovább bonyolította a kezdeti képet, amelyhez még a robotcella megismerése további korlátokat társít. Ötletszerzésként meg kellett vizsgálnom azt, hogyan is gyártották eddig a termékcsalád tagjait. Az ötletszerzés legtöbb esetben tudat alatti csőlátásszerű tervezési irányhoz köti a fejlesztő gondolatait, ezért érdemes minden esetben néhány olyan elrugaszkodott ötleten elmélkedni, amely csaknem teljesen ellentétes az eddig ismertekkel, látottakkal. 21

22 Ahogyan eddig gyártották A robotizálást megelőzően is speciális készüléken történt a bracketek hegesztése. Egy kézi erővel forgatható asztalra egyszerre maximum 4 volt felhelyezhető. Számos fix rögzítési pont adott lehetőséget az alkatrészek rögzítésére, amiket pneumatikus szerszám segítségével, csavaros szorítókkal oldottak meg. (A szorítási pontok elhelyezéséhez gyakorlati tapasztalatot ad, valamint az is látszik, hogy a csavarok gyakran beleszakadtak az asztalba.) Jól látszik, hogy a gyakorlat során a fülek mellett elegendő lenne 1 szorítási pont, de minimum 2-t terveztek. És megtartom a minimum 2 fül melletti szorítás feltételét és ahol lehetséges, bővítem 3 pontra. 18. ábra Az eddig használt bracket hegesztő asztal. A 70 mm vastag asztallap jelentősége, hogy mérsékli a hegesztés hűlésekor keletkező deformációt, továbbá elvezeti a keletkezett hő egy részét. 7. Készülék konstrukció tervezése A letisztult, globális szinten átgondolt terméket nem komplex egységként kezdem felépíteni, hanem problémákat képezve részmegoldásokra bontom. Később az így született egységeket pontrendszerben rangsorolom és az optimum felé konvergálva építem ki a struktúrát. Egy tervező mindig a tökéletesre törekszik, de a jó tervező tudja, hogy igazából csak optimumokat találhat. Egyensúlyozni kell a méret, a választható anyagok, a kialakítható struktúrák, a gyárthatóság és a költséghatékonyság hálóján úgy, hogy megragadhassunk egy olyan megoldást, ami eleget tesz a követelményeknek. A mérnök rémálma, hogy a termék 22

23 használatbavételekor olyan kihagyott lehetőségek (vagy rosszabb esetben hibák) látnak napvilágot, amelyekre nem gondolt. Sajnos ez szinte minden esetben be is következik. Gondoljunk csak bele. Vegyünk egy egyszerű példát. A fakanalat tökéletesre tervezték? Alapjaiban véve igen, de mégis a legtöbb különbözik. Az egyik kissé öblösebb, a másik szára hosszabb, de van, amelyik kanál része szélesebb. Egy én úgy gondolom vagy a szimulációk azt mutatják vagy én azt tapasztaltam gondolattal máris jobb vagy adott célra alkalmasabb fejlesztést vittünk a termékbe. Persze ezt követően újra és újra tovább változik minden. Semmi sem tökéletes. A részproblémák megoldási elveit pontozásos rendszerben összegzem, így az egyes részek megfelelőségét számokban is ki tudom fejezni. A kapott értékeket összesítve kirajzolódik egy matematikai optimum. A rendszerben értékelem az egyes problémapontok meghatározó szerepét is, amivel összesítéskor a súlyozott eredmények révén mérlegelni tudok az esetleges további módosítások során. Pontozás: 0 10 (0 nem felel meg; 10 kiválóan megfelel) Súlyozás: (1 egyáltalán nem fontos; 100 kiemelten fontos) 7.1. Helyzet Ahány termék, annyi szál mentén feszülhetünk a problémának. Ebben az esetben a bracketeket kell előbb elhelyeznem egy üres térben. Az eset tovább egyszerűsíthető. Kezdetben kezeljünk csak egy bracketet, mégpedig a legnagyobb kiterjedésűt. A kitételek 3. pontja megköveteli, hogy milyen helyzetben legyen hegesztve. Bracket ábra A bracket hegesztéshez előírt 45 -os döntött helyzetei Ez a két pozíció egymásba forgatható. Ennek a forgástengelye pedig a lapra merőleges. 23

24 Bracket Bracket Forgató Forgató 20. ábra Bracket elhelyezése a forgató tengelyével párhuzamosan (bal oldal) és merőlegesen (jobb oldal) A 20. ábra szerint érzékelhető, hogy a forgató tengelye a párhuzamos beállítást követeli meg. Mivel az elhelyezés iránya kritikus probléma, ezért azt a maximális súlyossággal veszem. Értékelés 10 pontos rendszerben: Megoldás Forgatóval párhuzamos Forgatóra merőleges A 45 -os vályúban hegesztés támogatása /súly: 100/ 10 /1000/ 0 /0/ Pontszám Tálca Az asztal alapvető funkciókat lát el. Alátámasztja a munkadarabokat, kapcsolatot létesít a munkadarab és a forgató között és lehetővé teszi a forgatást, valamint merev hídként az elvárt pontossággal ismételhetően a robotok előtt tartja a munkadarabokat. Továbbá kötési pontokkal szolgál a munkadarabok rögzítését ellátó szerkezeteknek. Illetve szerepe lehet a keletkező hő elvezetésében is. 24

25 Első ötletet az eddigi gyártásból merítettem. A mostani gyakorlatban egy 70 mm vastag acéllap képzi a felfogó asztalt. Ez a megoldás láthatóan robosztus és súlyos, ezért érdemes egy kis kitérőt tenni és néhány számítást végezni. A cella ikerrobotos, a forgató maximális pofatávolsága mm, maximális teherbírása pedig kg. Az acéllap súlya: 409 kg (természetesen ez csak egy közelítő érték egy kezdetleges vázlat alapján) 21. ábra Acéllap asztal és a Bracket-002 Az épp vizsgált bracket súlya: 65,2 kg Ha a 3 méteres távolságba egyetlen bracketet helyeznénk el, az meglehetősen pazarló megoldás lenne, ráadásul az ikerrobotok igen nehézkesen dolgoznának egyszerre a munkadarabon. A termelékenység és a gépek kihasználtsága megköveteli, hogy mindkét robot egy időben végezzen munkát. Így két asztalra van szükség, amely így már 818 kg. Erre, ha csak két munkadarabot teszünk az további 130,4 kg, de célszerű lenne az asztal mindkét oldalára elhelyezni 1-1 bracketet, ekkor már a 4 munkadarab tömege 260,8 kg. Ez már meg is haladta a megengedett kg-ot, pedig még számos további alkatrészre szükség lenne. Úgy néz ki, ez a kiindulópont zsákutcához vezetne. Módosíthatjuk a tervet úgy, hogy az acéllapot véknyabbra választjuk, legyen csak 30 mm vastag. Így a 409 kg 175,3 kg-ra csökken. Ez akár már jó megoldás is lehet. A közel 1 m hosszú alkatrészből a kellő pozícióban a 3 m forgatóhosszban zsúfoltan 3 bracket is elférhetne. A két oldalon ez már 6 db, amihez három asztalra lesz szükség. Az összsúly már 976 kg körül alakulna, ebben viszont a leszorító szerkezetek súlya még nem szerepel. A maximálisan felszerelhető bracketek számát ebben az esetben 4-ben maximalizálom. Ha valamilyen struktúrával csökkenthető lenne az asztal súlya, talán sokkal több munkadarab is felhelyezhető lenne. Az asztal hővezető képessége egy hegesztőrobot mellet lehet, hogy nem is előny? A folyamatos hegesztés mellett ugyanis minimális a hűlési idő. Így pár ciklust követően inkább hő pufferként működne. Megpróbálkoztam elrugaszkodni az eddigi sémáktól és kerestem egy merőben más megoldást. Ne egy tömör, szokványos asztalt 25

26 képzeljünk el, inkább csak valami lamellás, bordás szerkezetet, amely a leszorítók és a hegesztés közben bekövetkező vetemedések által keltett erővonalak mentén tartalmaz bordákat. Most már épp csak a szükséges helyeken kell anyagot beépítenünk. A 22. ábrán látható 5 borda össztömege 16,5 kg lenne, de ez már egy túlságosan leegyszerűsített részlet, amely ebben a fázisban rengeteg kérdést rejtve közelítő becslésre sem alkalmas, de érzékelhetően messze áll 409 kg-tól, még a 175 kg-tól is. A hőelvezetés tekintetében a karcsú szerkezet kevesebb idő alatt hűlne le, jobb hőleadó-képessége kedvezőbb. Az elgondolás így sok előnnyel járhat. 22. ábra Bordás asztallap Értékelés 10 pontos rendszerben: Megoldás Kedvező tömeg /súly: 90/ Hőelvezetés, hőleadás /súly: 25/ Pontszám Acéllapos asztal 2 /180/ 6 /150/ 330 Bordás asztal 10 /900/ 8 /200/ Sorok száma Az elért súlycsökkentés mellett vizsgáljuk meg egyszerre hány bracket helyezhető fel a készülékre. Figyelembe kell venni a forgató teherbírását és a robotcella munkaterét. Hány sorban helyezzük el a bracketeket? A korábbi elemzéseket követve a forgató tengelyvonalával párhuzamos elhelyezést veszem csak figyelembe. Megvizsgáltam, hogy egyetlen sor pazarló lenne, a három viszont már zsúfolt és a robotok számára komplikáltabb lenne a feladatok elosztás is. 26

27 1 soros 2 soros 3 soros 23. ábra A készülékre helyezhető sorok száma Értékelés 10 pontos rendszerben: Felhelyezhető Megoldás darabszám /súly: 60/ 1 soros 3 /180/ 2 soros 6 /360/ 3 soros 9 /540/ Az ikerrobotos elrendezés számára kedvező /súly: 70/ 3 /210/ 9 /630/ 6 /420/ Pontszám Tálcák száma Az asztalokat fel kell szerelni a forgató készülékre. A motor forgatónyomatéka fordítja az asztalt vagy asztalokat az ideális pozíciók között. Ha a készülék és a felhelyezett alkatrészek együttes súlypontja a forgástengelyre esik, akkor meg tudjuk kímélni a motort a felesleges terhelésektől. A szimmetriát nem csak a klasszikus tükörszimmetrikus keresztmetszet létrehozásával érhetjük el. Jelen esetben több szempontból is kedvezőbb egy 180, 120, 90, vagy egy akármilyen szögben forgásszimmetrikus keresztmetszetet létrehozni. Figyelembe kell venni, hogy a munkadarabokkal ellátott készüléknek el kell férnie a forgatóban, annak forgatásakor is. 27

28 24. ábra A készülék tálcakiosztásának struktúrája a forgatószerkezetben lehetséges elfordulási henger alapján 28

29 Egyetlen tálca elhelyezése pazarló megoldás lenne, annak legalább mindkét oldalára kellene bracketeket helyezni. A 24. ábrán látható kiosztás szerint legfeljebb 5 tálca helyezhető el az elfordulási körben. Ez csak egy közelítő becslés, amely rámutat arra, hogy 6 már biztosan nem tudna elfordulni a forgató készülékben. A részmegoldás értékeléshez figyelembe kell venni egy kritikus feltételt: a készülék barcketekkel betárazott tömege nem haladhatja meg a forgató terhelhetőségét. A maximális tömeg becslésére a legnagyobb tömegű BR-001 bracketet veszem alapul (74,5 kg) és az előzőekben legkedvezőbb kétsoros esettel számolok. A bracketek mellett a készülék tömegével is számolnunk kell, de jelenleg annak még a struktúráját sem ismerjük, ezért vagy egy közelítő becsléssel kalkulálunk vagy egy feltételezett függvényrendszerben keresünk optimumot. Mivel a készülékbe tárazható tömeg a határtömeghez képest vett aránya jelentős mértékben változik, így függvényredszerben keresem az optimumot. Feltételezem, hogy a készülék tömegének alsó határa megegyezik a ráhelyezendő alkatrészek tömegével. b s t = b ö b ö = k b ö + k 1000 kg ahol: b : a legnehezebb BR-001 bracket tömege [kg] s : sorok száma és s ϵ Z (2) [-] t : tálcák száma és t ϵ Z (1..5) [-] bö : maximálisan felhelyezhető bracketek tömege [kg] k : a készülék tömege [kg] Az így kapott eredmény minimumát nem szeretném vizsgálat nélkül elvetni, ezért a készülék tömegének alsó határértékét tovább csökkentem és 0,75 b ö = k b ö + k 1000 kg arányban keresem az optimumot. Az egyenletrendszerünk a következő lesz: Implicit feltétel: k 1000 kg b ö + 0,75 b ö 1000 kg 1,75(b s t) 1000 kg 29

30 Explicit feltételek: 0 kg k 1000 kg 2 t 5 A függvény ábrázolása: k A készülék össztömegének becslése kg kg kg kg kg 800 kg 600 kg 400 kg t 200 kg 0 kg 0 tálca 1 tálca 2 tálca 3 tálca 4 tálca 5 tálca 6 tálca 1. diagram Tálcaszám meghatározás a készülék becsült össztömege alapján Az 1. diagramon látható, hogy a célfüggvény explicit feltételeit figyelembe véve a 4 tálcás megoldás már túl nagy, így maximálisan 3 betárazott tálca kerülhet a forgatóra. A későbbi tervezés során a körvonalazódó készüléktömeg már csak lefelé módosulhat. 30

31 Értékelés 10 pontos rendszerben: Betárazható Készülékben való Tömeghatárnak Megoldás bracketek száma forgathatóság megfelel Pontszám /súly: 80/ /súly: 80/ /súly: 90/ 1 tálcás 2 /160/ 10 /800/ 10 /900/ tálcás 4 /320/ 10 /800/ 10 /900/ tálcás 6 /480/ 10 /800/ 10 /900/ tálcás 8 /640/ 10 /800/ 0 /1/ tálcás 10 /800/ 10 /800/ 0 /1/ tálcás 12 /960/ 0 /0/ 0 /0/ 960 Az értékelési rendszer szerint is a 3 tálcás megoldás kínálkozik a legjobban, ami megerősíti a csak tömeg alapján történt választást. Az egyenletrendszer szerint kiszámítjuk a megengedett maximális készüléktömeget. k = 1000 b s t k = ,5 2 3 k = 553 kg 7.5. Vázszerkezet A tálcákat fel kell rögzíteni egy vázszerkezetre. Ez tartalmazza majd azokat a pontokat, amelyek révén a készülék a forgatószerkezetre lesz rögzítve. A váz jellegének megválasztásakor mind a robot, mind a dolgozó igényeit figyelembe kell vennünk. A készüléknek segítenie kell a munkadarabok cseréjét és a dolgozó számára az egyszerű hozzáférhetőséget. A hegesztőrobot számára a varrat megközelítését és a varratvonal egyszerű bejárását kell biztosítani amellett, hogy eleget teszünk annak a feltételnek is, hogy a hegesztéshez biztosítjuk a 45 -os dőlésszöget a kívánt kötés kialakításához. 31

32 Keretes szerkezet 25. ábra Keretes vázszerkezet jellegrajza két nézetből A keretes szerkezet kialakítása meglehetősen egyszerűnek és masszívnak tűnik. Az oldalak egymást támasztó dobozszerű szerkezete nem tartalmaz kiálló elemeket, a munkadarabcserét végző személy és a robot számára sem jelent akadályt Lamellás szerkezet 26. ábra Lamellás vázszerkezet jellegrajza két nézetből 32

33 A lamellás kialakításnak köszönhetően a felül lévő tálca alacsonyabbra helyezhető, illetve a robothoz közelebb is kerül. A túllógó tálcarészek viszont túlzott takarást okoznak, amely akadályt jelent az alkatrészek cseréje közben, kritikus mértékben nehezíti azt és annak idejét is növeli. A robot számára is jelentős hozzáférési nehézségeket okozhat. Látható, hogy ez a vázlat jóval több problémát rejt megában, mint előnyt Küllős kialakítás nagy tálcákkal 27. ábra Küllős vázszerkezet jellegrajza két nézetben, nagy tálcákkal A tálcák néhány oszlopon keresztül csatlakoznak egy központi gerincelemhez, mely lehet egy zártszelvény vagy más merevített szerkezet. A készüléket itt tekinthetjük egy teljesen fix konstrukciónak, de elképzelésem szerint oldható kötések alkalmazásával többet is ki lehetne hozni belőle. Amennyiben a tálcák az őket tartó oszlopokról leemelhetőek, úgy a lehegesztett alkatrészekkel felszerelt tálcákat jóval gyorsabban kicserélhetjük egy másik, előkészítettre. Ekkor a csereidőben a munkadarabok száma helyett csak a tálcák számával kell kalkulálni, továbbá a munkadarab leszorítását és azok oldását a robotcellán kívül végezhetjük. A cserélhető részek később újabb alkatrészek számára kialakított tálcákra is leválthatóak. A konstrukció hátránya az előzőekhez képest karcsúbb gerincrész, amely hajlamosabb a behajlásra. A tálca cserélhetőségével azok felhelyezésének ismétlési pontatlanságával is számolnunk kell. A munkadarab csereideje lényegében nő, de jelentős része kiszervezhető a 33

34 robotcellán kívüli területre. Meg kell vizsgálni az ikercella mindkét felének ciklusidejét, amiből kiderül, hogy alkatrészcseréhez mennyi idő áll rendelkezésre. A későbbiekben újabb tálcák felhelyezhetősége nem feltétlenül jelent előnyt. Ha a gerincszerkezet arányában véve csekély anyag- és munkaigényt tartalmaz, akkor talán nem számottevő költség egy új konstrukciónál ahhoz alkalmasabban kialakított új vázszerkezetet is készíteni. A levehető tálcák esetében a cseréhez szükséges még egy garnitúra tálcakészlet, amely lehetővé teszi a gyors cserét a robotcellában. Mindemellett a cellán kívül tartózkodó tálcák számára is biztosítani kell egy platformot, amely állványként szolgál. Ezek mind olyan járulékos költségek a készülék fejlesztésekor, amelyek szükségességét hangsúlyos indokokkal kell alátámasztani. Ilyen ok lehet például, ha a munkadarabok csereideje olyan mértékű, hogy a hegesztőrobot termelékenységét holtidő korlátozná Küllős kialakítás kis tálcákkal 28. ábra Küllős vázszerkezet jellegrajza két nézetben, nagy tálcákkal Az előbbi kialakításhoz hasonlóan számos előnnyel rendelkezik. További előnye, hogy a kisebb tálcák könnyebben kezelhetőek és valószínűleg kevesebb anyagot tartalmazna, így kisebb lenne a tömege. 34

35 Hátránynak tekinthető viszont, hogy több elemet kell megmozgatni, ha a tálcarészt is le akarjuk emelni a cseréhez. Értékelés 10 pontos rendszerben: Megoldás Készülék anyagszükséglete /súly: 60/ Alkatrész hozzáférhetősége /súly: 100/ Cellában történő csereidő /súly: 80/ Teljes csereidő /súly: 80/ Pontszám Keretes szerkezet 8 /480/ 9 /900/ 6 /480/ 8 /640/ 2500 Lamellás szerkezet 8 /480/ 5 /500/ 4 /320/ 4 /320/ 1620 Küllős kialakítás nagy 3 /180/ 9 /900/ 10 /800/ 7 /560/ 2440 tálcákkal Küllős kialakítás kis 2 /120/ 9 /900/ 8 /640/ 6 /480/ 2140 tálcákkal Jelen esetben a két legjobb eredmény között kevesebb, mint 1% eltérés mutatkozik. A későbbiekben érdemes lesz mindkét esettel számolni! 7.6. Készülék felfogatása A készüléket egy forgatószerkezetre kell felrögzíteni, ez fogja az alkatrészekkel együtt a hegesztéshez kívánt pozícióba állítani. 35

36 A rögzítés céljai a következőek: a forgató át tudja adni a készüléknek azt a forgatónyomatékot, amellyel a programozott pozíciókba állítja azt megtartja a készülék és a rá elhelyezett munkadarabok súlyát esetleges készülékcsere után ismételten az adott pozíciók reprodukálhatóak legyenek. Problémát okozhat, hogy a készülék leszerelését és ismételt felhelyezését követően a helyzetismételhetőségnek tűrésezettnek kell lennie. Ezt a tűrésmezőt nekem kell megválasztanom. A döntéshez elengedhetetlen a későbbi munkakörülmények ismerete. A robotcella technológiai lehetőségei ismertek. Az eddigi robotprogramozási tapasztalataimat felhasználva és a hegesztett varratokkal ellátandó munkadarabok rajzdokumentációit ismerve a döntés meghatározása nem okoz különösebb nehézséget és előre láthatólag a lehető legegyszerűbb megoldás is elegendő lehet. A 4. mellékletben látható fülek közötti távolság ±1,5 mm-es intervallumban is elfogadott, illetve a fül és az alaplap egy adott éle közt ±1 mm eltérés a megengedett. Ebből könnyen látható, hogy a varrat pozíciójának módosulását legalább 5 mmen belüli eltéréssel kell figyelembe venni. Ebből már látható, hogy a hegesztőrobot keresési funkcióját (lézeres vagy huzalos) mindenképp alkalmaznom kell majd a programozás során. Vizsgáljuk meg a felfogatási lehetőségeket. A forgató gyári homloktárcsája tartalmaz pár menetes furatot, továbbá rendelkezésre áll a forgatóhoz kapott felfogató modul. Ezt a homloktárcsa előbb említett meneteivel rögzíthetjük Felfogatás a forgatótárcsára A felfogatáshoz a forgató mindkét végén egy-egy homloktárcsa szolgálhat, ezeken 8-8 db M12- es menet lehet segítségünkre (29. ábra). O 350 8x M O O O ábra A felfogató tárcsa látképe és néhány fontosabb mérete 36

37 Úgy gondolom, hogy a tervezés alatt álló készülék méretei és alakja lehetőséget ad majd számomra, hogy mind a 8-8 rögzítési pontot kihasználhassam. A megengedett 1 tonnás terhelést figyelembe véve meglehetősen túlméretezettnek tűnik a 16 db csavar. A tervezés végső szakaszában fény derül arra is, hogy maximálisan hány ponton tudom biztosítani a felfogatást, ezért célszerű meghatározni, minimálisan hány csavarra lesz szükség. Ehhez egy M12-es csavart nyírási igénybevételre méretezek. Az M12-es, 8.8-as csavar magmérete: d m = 10,25 mm, legyen d m = 10 mm A csavart nyírási erővel terheli a készülék, ami maximálisan kg, azaz N. Mivel mind a két oldalon fel kell fogatni, ezért az Fk készülék súlyából eredő érték: F k = N 2 = 5 000N 8.8 anyagminőségű csavart választok, ennek szilárdsági tulajdonságai [21]: A 8.8 jelölés első tagja a szakítószilárdság 1/100-ad részét adja meg N/mm 2 mértékegységben. Ennek értelmében R m = N mm 2 = 800 A két tag szorzata pedig a minimális folyáshatárt 1/10 részét adja meg. Így a folyáshatár R el = 8 N mm Méretezés nyírásra: = 640 N mm 2 N mm 2 τ ny τ meg A megengedett feszültség: τ meg = 0,9 σ meg = 0,9R el = 0,9 640 = 576 mm 2 A keletkező nyírófeszültség a csavar legkisebb keresztmetszetének (A) függvényében: τ ny = F k A Biztonsági tényező: = F k d 2 π 4 = 4F k d 2 π τ ny = = 2000 = 200 N 63,662 [ 10 2 π 100π π mm 2] N N mm 2 n = τ meg mivel n 1, belátható, hogy két csavar is τ ny 63,662 elegendő lenne a szerkezet megtartásához. 37

38 A felfogató csavarok beszereléséhez furatokat kell készíteni a készülék oldalfalaira. Ezen furatok az egyszerűbb, költséghatékonyabb gyártás érdekében lézergéppel lesznek elkészítve. A lézergép pontossága 2 db-os gyártáshoz legmegbízhatóbban ±0,1 mm tűréssel tervezhető. Erre, és a csavarok könnyű behelyezhetőségére tekintettel a felfogató csavarok számára 12,5±0,1 mm-es furatokat kell előkészíteni. 30. ábra DIN 7991 szabványú, süllyesztett fejű, hatlapú belső kulcsnyílással ellátott csavarok [22] Az előzőekben taglalt varrathelyek helyzetpontatlanságaihoz hozzáadódhat a felfogató csavarok furatainak laza illesztései. Ezzel a hibával újabb 1 mm körüli kisebb eltérés realizálódhat. A robot mérési technikái számára ez nem jelent különösebb nehézséget és a programidőt sem növelné jelentősen. Ennek ellenére ezt a jelenséget minimalizálom azzal, hogy süllyesztett fejű, belső kulcsnyílású csavarokat alkalmazok (23. ábra). Ezek kúposságának központosító tulajdonságát felhasználva töredékére csökkenthetem a csavarok laza illesztéséből származó hibát Felfogató modul alkalmazása A korábban említettek szerint a YASKAWA mellékelt a forgatóhoz egy felfogató modult. Ez 4 db M12-es csavarral kapcsolódik a forgató homlokfelületére, majd a modul segítségével a tárcsára merőleges idom segítségével fogathatjuk fel készülékünket. Belátható, hogy ezzel a modullal pontosabb felfogatás biztosítható, de amennyiben a készülék oldalfalát egy sík lemezként képzeljük el, akkor újabb, kiegészítő elemek tervezésére lesz szükség a felszereléshez. Az újabb egységek nem csak bonyolítják és plusz gyártási költséget jelentenének, de a korábbiakban számolt megengedett készüléktömegből is kalkulálnunk kell mind a felfogató modul, mind az újabb kiegészítő egységek számára. 31. ábra Felfogató modul a forgatókészülékhez 38

39 Értékelés 10 pontos rendszerben: Megoldás Kivitelezés egyszerűsége /súly: 80/ Tömeggazdaságosság /súly: 80/ Pontosság /súly: 50/ Pontszám Felfogatás a forgatótárcsára 10 /800/ 9 /720/ 6 /300/ 1820 Felfogató modul alkalmazása 6 /480/ 5 /400/ 9 /450/ Eredmények kiértékelése A tervezés első fázisában megvizsgáltam a készüléktest jellemző szerkezetének elméleti variációit és döntéstámogató táblázatokban értékeltem a felmerült ötleteket. A különböző felmerült konstrukciós pontokat összegyúrva javaslatot kaphatunk egy optimális kialakításra. Ezt az optimumot az eredmények tükrében elfogadhatjuk vagy néhány újonnan felszínre kerülő vélemény tükrében egy kedvezőbb változat felé tolhatjuk. Az értékelési rendszer összegzése: Konstrukciós pont Megoldások Forgatóra Forgatóval Helyzet merőleges párhuzamos (1) (1000) Tálca Acéllapos asztal (330) Bordás asztal (1100) Sorok száma 1 soros (390) 3 soros (960) 2 soros (990) Tálcák 5 tálcás 1 tálcás 2 tálcás 3 tálcás száma (1600) (1860) (2020) (2180) Lamellás Küllős kialakítás Küllős kialakítás Keretes Vázszerkezet szerkezet kis tálcákkal nagy tálcákkal szerkezet (1620) (2140) (2440) (2500) Készülék felfogatása Felfogató modul alkalmazása (1330) Felfogatás a forgatótárcsára (1820) 39

40 A vázszerkezet optimális struktúrájának keresésekor a pontozási rendszerben két elem elhanyagolható különbséggel zárta az értékelést. A döntés meghozatalában további vizsgálatra lesz szükség. A két változat között a legnagyobb különbséget a munkadarabok cseréjének módja és annak ideje jelenti. A küllős kialakítású készülékváz tálcáit komplett leemelve gyors, tárcsere szerű metódussal vihetjük cellán kívülre a munkadarabokat. Így rövidebb ideig tart a cellán belüli csereidő, viszont a cellán kívül is kell csereidőt kalkulálnunk. A keretes szerkezet esetében az összes csereidő rövidebb, de ez a cellán belül történik, addig viszont a robotok nem végezhetnek munkát ebben a cellában. Egyelőre a legmagasabb pontszámú verziót veszem alapul. Ennek függvényében vizsgálom meg a komplex rendszer ciklusidejét. A kezdeti brainstorming 6 után 5 Whys 7 technikával kiválasztott elemeket értékeltem és rendszereztem. Az ennek eredményeként megszületett, idealizált készüléktest a 32. ábra szerint képzelhető el. 32. ábra A készüléktest optimalizált látványterve 6 Brainstorming: ötletroham, általában több ember egy adott témában vagy probléma megoldására hirtelen felvetett megoldási lehetőségek a tervezés elindításához ad lehetőségtárat. 7 5 Whys: Miért...? kérdések ismételt alkalmazásával lefejthetjük a szimptómák egyes rétegeit a problémáról, míg el nem jutunk a kiváltó okig. Koncepció: Sakichi Toyoda, 1920-as évek [23] 40

41 8. Ciklusidő számítás A készüléket egy olyan ikerrobotos robotcellában kell installálnunk, amely két munkatérrel rendelkezik. Ennek gyakorlati lényege, hogy míg az egyes munkatérben hegesztés történik, a kettes munkatérben kicserélhetőek a munkadarabok. A hegesztőprogram végén a robotok átfordulnak a kettes munkatérbe és az egyesben folyhat az alkatrészek cseréje. A rendszer kihasználtságát úgy kell maximalizálni, hogy a ciklusok egymásutánisága alatt a robotok ne várakozzanak. A cella kettes munkaterében már el van helyezve egy készülék, melynek lecserélésével nem kell számolnom, mert abban a munkatérben csak egy bizonyos alkatrész gyártása folyik. Így meglehetősen egyszerű megtudni, hogy a másik munkatérben milyen műveletre mennyi idő áll majd rendelkezésre. A szükséges információkat egy stopper segítségével le is mérjük. A munkadarabok kidaruzásának átlagos ideje: 2:19 A munkadarabok bedaruzásának átlagos ideje: 2:47 A program futásideje: 22:26 Ahhoz, hogy a robotok várakozásmentes ütemben végezhessék a dolgukat, a két munkaterület összehangolásáról kell gondoskodnom. A kettes munkatér ciklusideje: Az alkatrészcsere összideje: A robotprogram ideje: A ciklus összideje: 2: : 47 = 5: 06 22: 26 5: : 26 = 27: 32 Belátható, hogy az egyes munkatér alkatrészcseréjére legfeljebb 22 perc 26 másodperc áll rendelkezésre. Mivel egyetlen dolgozónak kell ellátnia a teljes cellát, biztosítanom kell, hogy át tudjon érni az egyik oldalról a másikra. A kettes oldal csereideje jóval kevesebb, mint a programidő, a kb. 15 m-es távolság megtétele oda és vissza bőven belefér a bő 22 perces programidőbe. Így a kettes munkatér majdnem teljes programidejével gazdálkodhatok. A bracketekhez írt program számára érdemes meghatározni egy minimális futásidőt. Ehhez vegyük figyelembe azt, hogy az egyes cellában lévő Clam alkatrészek cseréje 5:06, amihez hozzákalkuláltuk a 2x15 m megtételéhez szükséges dolgozói mozgásidőt a két ajtó között. Erre becsléssel közel 1 perces (legyen 54 mp) intervallumot számolok, így a minimálisan elvárt bracket oldali programidő a következőképpen alakul: 5: : 54 = 6: 00 41

42 A készülék optimalizálása közben meghatároztam, hogy összesen hány bracket lesz felhelyezhető. A következő lépésben meg kellett mérnem, hogy átlagosan mennyi idő alatt lehet hegesztőkészülékkel lehegeszteni egy bracketet. Ehhez ki kellett választanom, hogy mely típus hegesztési idejére is vagyok egyáltalán kíváncsi. A legtöbb és a legkevesebb varratot tartalmazó bracket hegesztési idejét mértem le. Továbbá lemértem, hogy mennyi idő alatt cserélnek alkatrészt a most használt forgatóasztalon. A 3 füles Bracket-005 kézi hegesztési ideje: 6:16 A 3 füles Bracket-005 csereideje: 1:51 A 4 füles Bracket-002 kézi hegesztési ideje: 14:07 A 4 füles Bracket-002 csereideje: 2:14 A mért eredmények alapján a 6 db bracket becsült csereideje maximálisan: 6 2: 14 = 13: 24 Ez az idő jóval kevesebb, mint a Clam oldali program 22:26-os futásideje, tehát a bracketek cseréje kényelmesen elvégezhető a kívánt intervallumban. Következőképpen meg kell nézni, hogy a Clam-ek cseréjéhez is rendelkezésre áll-e a kívánt idő. A legkevesebb varratot tartalmazó bracketből a készülékre helyezett mennyiség jelenlegi ideje: 6 6: 16 = 37: 36 A hegesztőrobot programideje a hús-vér alkalmazott munkaidejétől jelentősen eltérhet, de mivel a mért idők helyzetbe forgatott munkadarabokon lettek felmérve minimális mellékidő mellet, ezért bátran merem állítani, hogy a kettes munkatér megközelítőleg 5 perces csereideje biztosan elvégezhető a megítélt intervallumban. Kétséget kizáróan megállapítható, hogy a ciklusidők egymással összhangban állnak majd és nem kényszerítik a gépeket kényszerpihenőre egy-egy ciklus között. A tálcák és a felhelyezhető alkatrészsorok helyes megválasztása ezúttal is bizonyítást nyert. A bracketek jelenlegi hegesztési folyamatának egyes részideje biztosan nem fog egyezni a robotra helyezést követően, de a kívánt következtetések támogatására elégséges információt adott. Az eltérés akár percekben is mérhető lehet majd. Amennyiben tovább növelnénk a felhelyezett bracketek számát, kétségessé válhatna azok megfelelő időben elvégezhető cseréje. A 6 felhelyezhető munkadarab száma csökkenthető lenne, az oldal programideje 4 brackettel is 42

43 biztosítaná a másik oldal csereidejét, de a tervezéshez előírt kitételek 2. pontjában foglaltak szerint a felhelyezhető mennyiséget maximalizálni kell. A 2. diagramon látható a tervezett rendszer teljes ciklusidő diagramja. 2. diagram A robotcella ciklusidő diagramja átlagos időkkel 9. Leszorító szerkezet tervezése A készülékre helyezett munkadarabokat rögzíteni kell, hiszen nem elegendő csak felhelyezni egy adott helyre. A hegesztési program során a forgató több pozícióba is állítani fogja a készüléket, így azt is biztosítani kell, hogy a munkadarabok a készülék körbeforgatása idején minden pozícióban a helyükön maradjanak. A hegesztőcella CLAM oldalában is használatosak önzáró leszorító szerkezetek, amelyeket szintén magam fejlesztettem. Az itt nyert tapasztalatok révén tudom, hogy a kereskedelemben kapható leszorító készülékek sajnos nem alkalmasak minden elváráshoz. A CLAM alkatrészek leszorításánál olyan igények körvonalazódtak ki, amelyek több ponton is megerősítették, hogy mindenképpen egyedi leszorítók tervezésére lesz szükség. Röviden ismertetem az eddigi tapasztalataimat. Nyitási és zárási időszükséglet Törekednem kellett a csereidő minimalizálására, ehhez a lehető legrövidebbre kellett csökkentenem a szorítók nyitásához és zárásához szükséges mellékidőt. A kereskedelemben kapható speciális szorítók több tekintetben is időigényes műveletet vontak magukkal. A legtöbb nagy teherbírású szorító csavaros mechanizmussal működtethető. Oldás után a szorítási pont vagy csekély mértékben emelkedik el az alkatrésztől vagy kifordítható, ekkor viszont a szorítás 43

44 előtt pozícionálni kell. A csavaros megoldáshoz csavarhúzó gépre is szükség lenne, amely energiaellátását is biztosítani kell. Pneumatikus vagy elektromos esetben is csövekre, kábelekre lenne szükség. Amennyiben nem lenne más megoldás, természetesen én is valamilyen csavaros megoldást alkalmaznék, mert kompakt és nagy erő kifejtése valósítható meg vele. Terhelhetőség A gyorsszorítók karos mechanizmussal működtethetőek, viszont a terhelhetőségük nem volt elegendő. A CROMWELL TOOLS LTD. magyarországi képviseletének katalógusában található szorítók méretükben vagy terhelhetőségük miatt nem feleltek meg. Strapabíróság A terhelhetőség mellett azt is figyelembe vettem, hogy ezen szorítók strapabírósága meglehetősen mérsékelt, főleg maximális terhelés mellett. A szorítót használó dolgozók a legtöbb esetben megoldásokat keresnek arra, hogyan lehetne kevesebb erőbefektetéssel, kevesebb idő alatt ellátni a feladatot. Korábban megfigyelhető volt, hogy egyes gyorsoldású eszközöket vasdarabokkal való ütésekkel oldottak. A kereskedelmi gyorsszorítók ezeket az igénybevételeket sem bírnák. A cél így a túlméretezés felé mutatott. Méret A hegesztőrobotok munkaterébe szánt eszközök tervezése nagy körültekintést igényel. A nehezítő körülményeket maga a robot okozza. Az alkalmazott robotok fix telepítésűek, nem rendelkeznek sínpályával, nem képesek helyváltoztatásra. Egy adott pontról kell elérniük minden varratot, alkalmas pozícióval. Míg egy ember könnyedén kikerül akadályokat, megold bonyolult helyzeteket, a kötöttebb lehetőséggel bíró robotok számára nem csak a szükséges hozzáférhetőséget kell megteremteni. A leszorítók esetében is törekedni kell arra, hogy a lehető legkevesebb akadályt képezzük. A hegesztőprogram készítésekor váratlan gondokkal nézhetünk szembe akár a huzalos vagy lézeres keresések alkalmazásakor, de előfordulhat, hogy az előre eltervezett robotpozícióban az egyik tengely túlfordulása miatt módosítani kell a megközelítést. A CLAM alkatrész készülékhez való szorításához kétféle leszorítót kellett terveznem, mert a két különböző típusú szorítási pont sajátossága eltérő volt. Egy probléma mindenképpen közösnek tekinthető. Egyik sem lóghatott a varratok fölé. A CLAM alkatrészt rögzítő V1.2 és V2 leszorító üzem közbeni képét az 5. melléklet tartalmazza. 44

45 9.1. CLAM Leszorító V1 A részletes ismertetéseket mellőzve, a CLAM alkatrész egy öntöttvasból készült lemezalkatrészén választottam három szorítási pontot. A rendelkezésre álló hely meglehetősen szűkös volt, ráadásul a szorító fölötti munkatérre is szüksége volt a robotoknak, mivel a szorítókon áthajolva is kellett varratokat készíteni. Így a karos mechanizmus sem rendelkezhetett akármekkora erőkarral. A szorítási pontnak állíthatónak kellett lennie a beépítés utáni kalibrálhatóság miatt. A szorítók tervezésekor olyan erő kifejtését vettem irányadónak, amely megközelíti a teljes alkatrész tömegét. Erre azért volt szükség, mert a dolgozó figyelmetlenségből elkövethet olyan hibát, hogy 1-1 szorító erősségét nem pontosítja a hosszú használati idő során. Így, ha több leszorító sem fejt ki kellő erőt, a folyamat továbbra is biztonsággal üzemelhet. 33. ábra V1 leszorító szerkezet látványterve Látható, hogy a V1 szorító oldás során a szorító pontját elemeli az alkatrésztől. Mivel a munkadarab egy megvezető mellett kerül a helyére, ennek a kiemelkedésnek nem is kell nagynak lennie. Az alkatrészcsere függőleges helyzetben történik, így a szorítás oldását követően a leszorítók a gravitációs erő hatására nyitva is maradnak, ezzel is elősegítve az újabb munkadarab könnyebb behelyezését. A szorító által kifejthető erőt a tervezés során egyszerűsített számítással jósoltam meg. Amennyiben a működtető kar markolatára erőt fejtünk ki, annak a mozgáspályáján történő végponthoz közeli elmozdulását összevethetjük a leszorító pont pályájának végponthoz közeli elmozdulásának arányosításával. 45

46 34. ábra A V1 leszorító záródás előtti két pontban mért elmozdulásból származó méretei A mért értékeket felhasználva a következőképp számítható hozzávetőleges szorítóerő: A dolgozó által befektetett Fdolgozó erő megközelítőleg annyiszorosára növelt Fszorító erővé alakul át, ahányszorosa a dolgozó által a fogantyún keltett elmozdulása a szorító csavarzat elmozdulásához képest. A markolat körpályán való mozgást végez, de a számítás egyszerűsítése érdekében a rövid szakaszon történő elmozdulást egyenes vonal menti elmozdulássá redukálom. Legyen F dolgozó = 200 N így 68,49 mm 46,22 mm = 22,27 19 mm 18 mm 1 22,27 1 = F szorító = F szorító F dolgozó 300 N F szoritó = 22, N = N N 9,81 m s 2 = 454 kg Tehát a V1 leszorító közel 450 kg-nak megfelelő erővel képes szorítani. A CLAM tömege 194 kg, tehát érezhető, hogy a kifejtett erő elegendő lesz. Ám a gyakorlati alkalmazás során a szerkezet nem felelt meg. A számítások helyessége nem volt elegendő, ugyanis nem számoltam az alkatrészek jelentős görbeségével. Ez azt eredményezte, hogy az egyik oldali szorítás után egyes munkadarabok másik vége 20 mm-t is meghaladó távolságban volt az alaplemeztől. Így a szorításhoz sokkal több erő kellett, amelyet a kritikus tengelyek sem bírtak és a hajtókar is rövidnek bizonyult. A dolgozó egy vasrúd 46

47 alkalmazásával túlterhelte a szorítókat, amelyeken aggasztó szintű deformáció keletkezett. Továbbá látható volt az is, hogy a szorítók oldását sem az elvárt módon, puszta kézzel oldotta meg, hanem a korábban említett vasdarabot használva nagy ütést mérve a markolatra oldotta a szorítást. Miért is járt el így? Valószínűleg ezzel a módszerrel tudott olyan erőt kifejteni, ami oldotta azt a szorítóerőt. Illetve valószínűsíthető, hogy ez a módszer kényelmesebb is volt a számára. Úgy döntöttem, hogy ezt a dolgozói kreativitást nem tilalom alá helyezem, hanem megpróbálom beépíteni a továbbfejlesztett leszorítóba, ezzel alkalmazkodva az ő igényeihez. A gyengének bizonyult tengelyeket erősebbre tervezhettem, de az erőkart nem növelhettem meg, mert nem fért volna el tőle a robot. Úgy döntöttem, hogy a markolatot eltávolítom és azt egy hosszabb erőkarra helyezem, amely levehető. Így a szorító erősebb lett és kisebb is. A levehető kart alkalmazva a csereidő néhány másodperccel növekedett, de ez elkerülhetetlenné vált. A módosított leszorító V1.2 a 36. ábrán látható. 35. ábra A módosított, levehető karos V1.2 leszorító látványterve A hosszabb, levehető erőkar jelentősen megnöveli a dolgozó által kelthető leszorító erőt. Ez az előzőekhez képest annyiszorosára növeli a szorítási erőt, ahányszorosára növekedett az erőkar (ezt a 37. ábrán láthatjuk). 47

48 Az megnövekedett szorítóerő meghatározása: 637,12 206,73 = F szoritó V1.2 = F szoritó V1.2 F szoritó V N = 3,082 F szoritó V1.2 = N 3,082 = ,228 N N 9,81 m kg s 2 A levehető karral a V1.2-es változattal kifejthető elméleti szorító erő kg-ra növekedett. 36. ábra A V1 és V1.2 változat erőkarjainak méretei 9.2. CLAM Leszorító V2 A felső sarokpontokon történő szorítás tervezésekor két fontos dolgot kellett szem előtt tartanom. A szorító varrat közelében volt, így takarékoskodnom kellett az elfoglalt hellyel illetve a fogantyú helyzetére is oda kellett figyelnem, mind a hegesztőrobot mozgásterét, mind a forgató átfordulási körét tekintve. 37. ábra A V2 típusú leszorító nyitott és zárt állapotának ábrázolása További nehezítő körülmény volt, hogy a készüléket nem egyetlen alkatrész gyártására tervezték, hanem számos, különböző méretű CLAM alkatrész felfogatására alkalmas. Ehhez egyes elemeket le kell cserélni, ezért a V2-es leszorítónak is alkalmazkodnia kell a változatok igényeihez. Ezért a leszorítóhoz egy külön alapzatot is kellett tervezni és azt toronyszerűen helyeztem el rajta. A V1-es szorítóval szemben a V2-es mechanizmusa lehetővé teszi, hogy akár több cm-es tartományban állítható legyen a szorítási pont magassága. Ezt a hátsó csavarzat állításával érhetjük el, így a tervezéskor jelen lévő összes CLAM rögzítésére alkalmas. Amennyiben a későbbiekben bővülő termékpaletta igényli, a távtartó oszlop módosításával is számolhatunk. 48

49 9.3. Szorító mechanizmusok A bracketek leszorításához értékelnem kell a meglévő megoldásokat és némi kreativitást használva újabb lehetőségek felvetésével további lehetőségeket adok a döntés teljességéhez Excentrikus szorítás 38. ábra Excentrikus szorítás mechanizmusa Záródás közben az alkatrészt eltolhatja. Ez lehet hasznos, amennyiben az ütköztetési pont felé tolódna a munkadarab, de ellenkező esetben kimondottan hátrányos tulajdonság. Belátható, hogy nem alkalmas minden irányból történő alkalmazáshoz. Erős felületi súrlódás lép fel a munkadarab felületén. Ez csökkenti a hatásfokát, illetve nemkívánatos felületi sérüléseket okozhat a munkadarabon. A kis működési magasság miatt az alkatrész nehezen helyezhető alá. Karos működtetése gyors oldást és zárást biztosít V1-es szorító mechanizmusa 39. ábra Leszorító V1 mechanizmusa Jellemzően csak függőleges erőt fejt ki a munkadarabra, nem keletkeznek a súrlódási erővel párhuzamos hatások. A működtető kar lerövidítheti az alkatrészcserét, a szorítóerő növelhető a 49

50 kar bővítésével. Az önzáró mechanizmus a keletkező szorítóerővel azonos mértékben növekszik, így az csak nulla szorítóerő mellett képes önmagától oldódni. Nyitott állapotban nagyobb mértékben távolodik el a munkadarabtól, így könnyebb annak be- és kihelyezése. A csuklópontok átszervezésével elérhető nagyobb nyílási magasság, de ekkor az erőkart is növelni kellene ugyanakkora szorítóerő biztosításához V2-es szorító mechanizmusa 40. ábra Leszorító V2 mechanizmusa A szorítás mellet minimális behúzó hatást is kifejt az alkatrészre. Tapasztalatok szerint az alkatrész elcsúszása nem következik be. A szorítópofa nyitott és zárt állapota között alacsony a szintkülönbség, ezért ezt a mechanizmust is érdemes elfordítható alapzatra építeni, hogy a munkadarab egyszerűbb pozícionálását elősegítsük. Ebben az esetben a kézi kar a munkadarab fölé hajolhat Feszítő szorító 41. ábra A feszítő szorító mechanizmusa 50

51 A 42. ábra jól szemlélteti, hogy ez a változat már sokkal kompaktabb megoldást biztosít. A szorítási magassága viszont meglehetősen korlátozott. A bracket hegesztőkészülékének bordás tálcáira különösképp jól integrálható lenne. A mechanizmus ereje a menetes csavarokon átvihető forgatónyomatékon keresztül keletkezik, ehhez szerszám szükséges és emiatt időigényesebb az alkalmazása is Húzó szorító 42. ábra A húzó szorító mechanizmusa A feszítő szorítóhoz hasonlóan kompakt és egyszerű szerkezet, de ez esetben a leszorító csavarzat kapaszkodik az alapzat alsó oldalán. Valamint nyitott állapotban itt sem érhető el nagy szabad tér. A szorítás szintén csavaros megoldással valósul meg. Értékelés 10 pontos rendszerben: Megoldás Kompakt /súly: 80/ Használat gyorsasága /súly: 60/ Szorítás megfelelősége /súly: 100/ Pontszám Excentrikus szorító 7 /560/ 9 /560/ 4 /400/ 1520 Leszorító V1 5 /400/ 9 /560/ 10 /1000/ 1960 Leszorító V2 6 /480/ 9 /560/ 8 /800/ 1840 Feszítő szorító 9 /720/ 7 /420/ 10 /1000/ 2140 Húzó szorító 9 /720/ 9 /420/ 10 /1000/

52 A feszítő és húzó szorító egyenlő eredményeket ért el, így a döntést a továbbiakban, a felhelyezhetőség vizsgálatának eredménye tükrében fogom eldönteni Szorító pofa kialakítása Meg kell vizsgálni a szorítók munkadarabbal érintkező elemét. Mivel a húzó és feszítő szorító látszik alkalmasnak a feladatra, azokhoz megfelelő kialakítást kell választanom. A szorítási pontok meghatározottak és tapasztalható, hogy egyes helyeken a szorító kimondottan közel helyezkedik el a varrathoz. A maradék térben kell majd elhaladnia a hegesztőpisztolynak a megfelelő szögben, ezért minimális térfoglalásra kell törekedni a leszorító pofájának kialakításakor Lengő szorító tappancs 43. ábra Lengő szorító tappancs Előnye, hogy szorításkor az erőhatás nem pontszerű, önbeálló módon, nagy felületen képes lefogni az alkatrészt Állítható menetes szár 44. ábra Állítható menetes szár 52

53 A szorítási erő a szorítófejbe épített csavarzattal beállítható. Hátránya, hogy a rendelkezésre álló térhez képest meglehetősen magas, nagy teret foglal el Szorító él 45. ábra Szorító él A sematikus ábrán pontként látható, élszerű szorítási szakasz a legkevesebb helyet igényli. Az állíthatóság így ezen a ponton nem valósítható meg. Mivel a bracketek alaplemezének vastagsága legfeljebb pár mm-es tartományban változhat, ez nem is szükséges. A szorítási pont a munkadarab széléhez közel helyezkedik el, így még nagyobb teret tud biztosítani a hegesztőpisztoly részére. Értékelés 10 pontos rendszerben: Megoldás Kompakt /súly: 100/ Lengő szorító 6 tappancs /600/ Állítható menetes 3 szár /300/ Szorító él 10 /1000/ Állíthatóság /súly: 30/ 1 /30/ 9 /270/ 1 /30/ Pontszám Ez az eredmény is arra mutat, hogy a legkompaktabb és célravezető megoldás ebben az esetben a legegyszerűbbet követeli meg. A húzó és feszítő szorítók esetében az egyszerű szorító él alkalmazása az optimális kialakítás az igényelt funkció számára. Más szorító szerkezetek kialakítása ugyan gyorsíthatja a munkadarabok le- és felszerelését, de különösen megnehezítenék a hegesztő eljárást. Éppen ezért sajnos a csereidő rovására olyan megoldás látszik iránymutatónak, amely csavaros kivitele nem csak plusz szerszámot igényel a művelethez, de meg is növeli annak idejét. Ezzel a kompromisszummal meg kell elégedni. 53

54 Visszatekintve látható, hogy a bracketek kézi hegesztésénél használt forgatóasztalon is hasonló típusú megoldás volt használatos A szorítók mozgathatósága Mielőtt választanék a húzó és a feszítő szorítók között, meg kell valósítanom annak a lehetőségét, hogy az alkatrész ki- és behelyezhető legyen a készülékbe, a szorítók alá. A készülék bracketet fogadó felülete nem egy homogén, összefüggő síkfelület. A készülék tömegcsökkentésének érdekében úgynevezett bordák fogják alátámasztani a munkadarabot, tehát az egybefüggő sík helyett térközökkel ellátott sávok biztosítják az alátámasztást A szorítókat erre a bordára kell rögzíteni, ezen kell azokat mozgatni. A bracketeket a tálcára merőleges, függőleges irányba kell kiemelni, így ennek megfelelően kell számára a teret biztosítani. Érdemes lehet figyelembe venni azt is, hogy mennyi időt vesz igénybe az eltérő méretű bracketekhez való átszerelés Felnyíló szorítók 46. ábra Felnyitható szorítók A szorítókat el kell távolítani a munkadarab felől. Ez megoldható úgy is, ha kellő mértékig hátra tudjuk hajtani. Ehhez egy billenő szerkezettel kell ellátni a szorító felfogatási részét, továbbá biztosítani kell azt is, hogy ebben a billentett helyzetben rögzíteni lehessen azt, hogy ne akadályozza a munkadarabok cseréjét Elfordítható szorító 47. ábra Elfordítható szorítók Másik megoldás, hogy az alkatrész felől egyszerűen kifordítjuk a szorítókat. Az előző esethez hasonlóan, itt is biztosítani kell egy forgáspontot, amelyen lehetővé válik a kifordítás. Az elfordított helyzet rögzítése akár tekinthető megoldottnak is, mivel a gravitációs erő nem fogja visszabillenteni. 54

55 Eltolható szorító 48. ábra Eltolható szorítók Nincs szükség különböző forgástengelyek alkalmazására, amennyiben a teljes szorítót hátra tudjuk tolni. Kihasználva a tálca bordázott jellegét, ezt könnyen meg is valósíthatjuk. Itt viszont figyelnünk kell arra, hogy legyen elegendő hely a leszorító hátratolására, ami viszont szélesítheti a készüléket, ezzel egyidejűleg növelve is annak tömegét Eltávolítható szorító 49. ábra Eltávolítható szorítók Triviális megoldásként le is szerelhetjük a szorítókat. Az előbbi példához hasonlóan ezt is az adott bracket méretétől függetlenül tudjuk alkalmazni, szabadon pozícionálható, de lássuk be, nem elegáns megoldás. Továbbá jelentős mellékidőt generál a szorítók leemelése, félre tétele, majd ismételt felhelyezése és rögzítése. Ezt a megoldást csak akkor alkalmaznám, ha más megoldás nem lehetséges. Értékelés 10 pontos rendszerben: Megoldás Működtetés komplikáltsága /súly: 80/ Mellékidő generálás /súly: 90/ Alkatrész méretéhez igazíthatósága /súly: 80/ Pontszám Felnyíló szorító 6 /480/ 6 /480/ 5 /400/ 1360 Elfordítható szorító 8 /640/ 8 /640/ 5 /400/

56 Eltolható szorító 10 /800/ 10 /900/ 10 /1000/ 2700 Eltávolítható szorító 4 /320/ 2 /180/ 10 /1000/ 1500 A pontrendszer értékelése szerint az eltolható szorító kiemelkedő eredménnyel tekinthető optimumnak. Megfigyelhető, hogy a szorító kialakítása ebben az esetben is a legegyszerűbb szerkezeti kialakítást részesíti előnyben Szorítók rögzítése Többféle megoldással helyezhetjük fel a szorítókat a sínekre. Mivel a korábbi elemzések erősen iránymutatóak, ezért nem tartom fontosnak a felfogatás túlzott elemzését. 50. ábra Szorítók felhelyezése és áthelyezése a készülék bordázatán Érzékelhető, hogy a furatokon rögzített szorítók fel- és leszerelése, valamint az állítása meglehetősen időigényes. További hátránya az is, hogy csak korlátozottan pozícionálható. A bordázat furatokkal való ellátása ugyan a készülék össztömegét csökkentheti, de gyengíti is azt. A csúsztatható szorítók a borda teljes hosszában szabadon pozícionálhatóak, szerelése egyszerű, és a borda szerkezetét sem kell meggyengíteni. Értékelés 10 pontos rendszerben: 56

57 Megoldás Pozícionálhatóság /súly: 90/ Szerelési mellékidő /súly: 90/ Kialakítás egyszerűsége /súly: 30/ Pontszám Furaton rögzített szorító 5 /450/ 6 /540/ 5 /150/ 1140 Csúsztatható szorító 10 /900/ 10 /900/ 10 /300/ Eredmények kiértékelése A bracketek rögzítéséhez leszorítókra is szükség lesz. Az eddig tervezett leszorítóimon keresztül szerzett tapasztalatokat felhasználva kerestem az optimális megoldást az adott feladathoz. Az elemzés folyamán bizonyos tekintetben ismétlődő eredmények megerősítettek a tervezés iránymutatásának helyességében. Az értékelési rendszer összegzése: Konstrukci ós pont Megoldások Mechaniz- Excentrikus Leszorító V2 Leszorító V2 Húzó Feszítő mus (1520) (1840) (1960) (2140) (2140) Pofa kialakítása Állítható menetes szár (570) Lengő szorító tappancs (630) Szorító él (1030) Mozgatha- Felnyíló Eltávolítható Elfordítható Eltolható tóság (1360) (1500) (1680) (2700) Rögzítés Furatokon (1140) Sínszerű (2100) Az összesítést követően felmerülhet a kérdés, hogy a húzó vagy a feszítő mechanizmust kellene választani. A konstrukciók sematikus ábrája választ is ad a döntéshez. A húzó szorítónak valamihez képest húzó erőt kell kifejtenie. A 43. ábrán látható, hogy a szükséges erőt a bordán keresztül, furatokon átvezetett csappal valósíthatjuk meg. Mivel a borda furatolását a szorítók rögzítésének vizsgálatakor elvetettem, így a feszítő szorító vált alkalmas megoldássá. 57

58 51. ábra A leszorító látványterve 9.8. Szorítóerő meghatározása A munkadarabokat hozzá kell rögzítenünk a hegesztőkészülékhez. Legfőképp azért, hogy az ne mozdulhasson el. Mivel a készüléket akár 360 -ban meg is forgathatjuk, ezért arról is gondoskodnunk kell, hogy a szorítók a körpályán történő mozgatás közben se engedjék el az alkatrészt. A viszonylag lassú forgási sebesség miatt a centrifugális erőt elhanyagolhatjuk. Biztonság növelése miatt szeretném, ha a szorítók egyenként is képesek lennének a munkadarab súlyának kétszeresével megegyező szorítóerő kifejtésére. A legnehezebb bracket (BR-001) súlya ~745 N, így a kívánt szorítóerő minimum ~ N legyen. A rögzítés másik funkciója lehet a hegesztés után bekövetkező deformáció elleni védelem. Ugyan a célkitűzések nem követelik meg a munkadarabok deformációmentes hegesztését, de mindenképpen számolnom kellett a jelenséggel, hiszen ez az erő a szorítás közben a szorítási erőt növelő tényezővé válik. Amennyiben a szorító ezt a megnövelt igénybevételt nem képes elviselni, károsodhat, eltörhet, az alkatrész adott ponti szorítása megszűnhet. Ezt a jelenséget meglehetősen bonyolult matematikailag meghatározni, és nem is elvárás a torzulásmentesség elérése, így én ezt egy egyszerű feltételezéssel, részlegesen veszem figyelembe. 58

59 Leszorító erő meghatározása Alapfeltételezésként a kihajlás mértékét úgy veszem fel, hogy a varrattól a varratra merőleges irányban 100 mm távolságra az alaplemez 1 mm-t fog felhajolni. Ezzel az alakváltozási energiával ellentétes erőt kell elviselnie a szorítónak. Így a leszorítás alatt lévő munkadarab varratának dermedése közben nem lesz akkora az elhajlás, mint leszorítás nélküli állapotban. A leszorító erő meghatározását végeselemes módszerrel a következőképp láthatjuk, ha azt az alkatrész egy szeletén megvizsgáljuk. 52. ábra Végeselemes szimuláció alakváltozási eredménye N leszorító erő mellett A szimuláció alapján az 1mm közeli lehajlás eléréséhez N leszorító erőre lesz szükség. Ezt két ponton helyeztem el a varratvonaltól 100 mm távolságra. Az így kapott eredmény jóval meghaladja az előzőekben kívánt értéket, így innentől ezt az erőt veszem alapul. 59

60 A meghatározott szorító erőt kell elviselnie a szorítóknak és ezt az értéket a későbbiekben figyelembe vehetem a tálcák bordázatának tervezésekor is A leszorító terhelései Az előbbiekben meghatározott leszorító erőt ki kell tudnunk fejteni az alkatrészre. A N terhelés már jelentős igénybevételt okozhat a leszorítóra és annak csavarzatára egyaránt. Szerencsére a leszorítási pont közel esik a szorító kapaszkodási pontjához, a szorítást eredményező húzó erő pedig viszonylag távol helyezhető ettől. Így, a szorító erő töredékét kell csak elviselnie a csavarzatnak. Az húzó erőt nem láthatom el bármekkora erőkarral, hiszen a túl nagy szorítók miatt növelnem kellene a bordák hosszát, ezzel növekedne a készülék szélessége és így annak tömege is. Ne feledkezzünk meg arról, hogy a célkitűzések eléréséhez kritikus problémát jelent a készülék össztömege. Az 54. ábra segítségével vizsgáljuk meg a szorítóra ható erőket! 53. ábra A leszorító terhelésének sematikus ábrázolása 60

61 Az Fny nyomóerő erőkarjának minimum kétszeresével tervezem az Fh húzóerő erőkarját. Így a húzóerő nagysága a következőképpen alakul: Forgatónyomatékok: ΣM A = 0 = 2aF By 3aF Cy ΣM B = 0 = 2aF Ay af Cy ΣM C = 0 = 3aF Ay af By A leszorítás közben kialakuló elfordulást elhanyagolva megfigyelhető, hogy x tengely vonalában nem keletkezik erőhatás, így azok sorra nulla értékűek. A forgatónyomatékok rendre a következőképp egyszerűsödnek: ΣM A = 0 = 2aF By 3aF Cy I.) 2F By = 3F Cy ΣM B = 0 = 2aF Ay af Cy II.) 2F Ay = F Cy ΣM C = 0 = 3aF Ay af By A leszorító kívánt Fny nyomóerejével ellentartó FCy értéke N (ey) I.) egyenletbe helyettesítve: N = 2F By N = F By (-ey) II.) egyenletbe helyettesítve: N = 2F Ay 5 000N = F Ay = F h (+ey) Az Fh minimális erőkarja mellett a csavarzatot érő nyomóerő maximuma N lesz. Terhelés közben a csavart forgatni, csavarni is kell mind a szorításhoz, mind a szorítás oldásához, ezért a csavarvég, a bordázat felülete is nagy súrlódási igénybevételnek lesz kitéve. Ez hamar jelentős nyomásalakzatok megjelenéséhez vezethet a borda felületén. Ennek elkerülése érdekében a csavarzatot 12.9-es anyagminőségből, legömbölyített csavarvéggel, a bordázat felső elemét pedig HARDOX anyagból tervezem. A keményebb felületek sokkal jobban ellenállnak majd a felületi sérüléseknek. 10. Ütköztetési pontok meghatározása A bracketek felhelyezése a tálcákra bizonyos tűrések mellett ismételhető pontosságú kell, hogy legyen. A korábban említett robottechnológiai sajátosságok miatt ezt a pontosságot akár 8 Hardox 400 anyag adatlapját a 6. melléklet tartalmazza [24] 61

62 több milliméteres értékben is meghatározhatnám. A pozíció ismételhetőségét is biztosítani kell. Mivel nem kívánhatjuk, hogy a dolgozó minden egyes felhelyezés után mérésekkel pontosítsa a munkadarab helyes felhelyezését, ezért azt valamilyen geometriai illesztési felület kialakításával kell lehetővé tenni. Egy síkra fektetett test helyzetének meghatározásához 3 pont definiálása elegendő. A 3 pontot 3 hengeres testtel fogom biztosítani, ezek közül 2-t a munkadarab egy egyenes kontúrjához illesztve, 1-et pedig egy az előzőre merőleges élhez illesztve. A számos munkadarab részére célszerű egyazon ponthalmazt alkalmazni, ezzel megspórolhatjuk azok átszerelési idejét, ha más típus hegesztésére térünk át. Ehhez meg kell vizsgálnom, hogy az alkatrészek kontúrja lehetővé teszi-e ezt. Ehhez elsőként két nagy csoportba sorolom a bracketeket. Az első csoportba a nagyobb méretű, négyfüles példányokat, a másodikba a kisebb alapméretű két-három füles egyedeket teszem. Ezeket olyan módon forgatom össze, hogy a leghasonlóbb helyzeteket érjem el úgy, hogy közben azok pozíciója alkalmas legyen az előzőekben taglalt 3 pontos illesztéshez, ugyanazon pontokon. Az 55. ábrán jól látszik, hogy kevés erre alkalmas élpárt találhatunk a bracketeken. A két csoporton kijelölt pontok azonosnak tekinthetőek, amiből az is következik, hogy mindkét csoport számára megfelelő ütköztetési helyeket sikerült találni. Tehát a munkadarabok felhelyezésének ismételhetőségére elegendő lesz három olyan pont, melyen ütköztethetjük azokat és átálláskor nem lesz szükség azok szerelésére. 54. ábra A bracketek ütköztetési pontjainak ábrázolása 62

63 10.1. Ütköző konstrukciója Ezen ütköztetési pontokat is el kell tudnunk helyezni a tálcaszerkezetben. A legegyszerűbb megoldás, ha a bordák felületére helyezzük el ezeket. Legyen 1-1 furat azokon a bordákon, amelyekre elképzelhető az ütközők felhelyezése. A furaton keresztül egy belső kulcsnyílású csavar rögzítésével egy adott ütköztetési pont egyszerűen meg is valósítható. Ez a módszer ugyan néhány tized mm pontatlanságot eredményezhet, de a feladatban résztvevő hegesztőrobottal végezhető mérési lehetőségek mellett ez is megengedhető. A furatokba helyezett ütköztetési pontok eltávolíthatóak, így a munkadarabok felfektetésére szánt sík akadálymentesíthető további alkatrészek számára. A csavar és a behegesztett anya 10.9 minőségű legyen, ezzel minimalizálva a használatból adódó csavarfej deformációt (illetve a menetek is tartósabbak lesznek) Kompatibilitási probléma (Leszorító módosítás) Az ütköztetési pontok konstrukciója egyszerű és a célnak tökéletesen megfelel, ám több szempontból körbe kell járni. 55. ábra Ütköztetés jellege egy rövid bordaszakaszon 56. ábra Csavaranya meghatározott pozíciója A bordák aljára felhegesztett csavaranyákat olyan pozícióba kell állítani, hogy a leszorítók kapaszkodó füleinek közlekedését a legkevésbé akadályozzák (57. ábra). Sokkal súlyosabb problémát okozhat az, hogy az ütközőként használt csavar feje és a leszorítandó lemez magassága közel azonos lehet. Ennek következményeként elképzelhető az a szituáció, amiben a dolgozó figyelmetlenül végzi el a leszorítást, amely során a szorító él nem a munkadarabon, hanem az ütközőként használt csavar fején valósul meg. 63

64 57. ábra Hibás leszorítás bemutatása Ez a jelenség az 58. ábrán is nehezen fedezhető fel, éppen ezért valós a veszély. Ha a szemléltető ábra sem érzékelteti kellőképp a problémát, akkor munka közben a dolgozó figyelmét is elkerülheti. Okvetlenül korrigálni kell a komplikációt. A megoldást a szorító él megbontásában találtam. Így ezt az élt két kisebb szakaszra bontom és a korábban optimált eredményeket szem előtt tartva átalakítom a konstrukciót. A nem megfelelően elhelyezett szorítók könnyebben észlelhetőek, s ezzel a prevenciós módosítással mérsékelhettem a gyártási hibákat. További átalakításokat kellett végeznem. A hegesztőpisztoly munkaterét megnöveltem azzal, hogy a szorítót megnyújtva hátrébb helyeztem a csavart (ezzel nőtt a kifejthető szorítási erő is). Az egyszerűbb kezelhetőség érdekében hátsó vitorlákat építettem be. Ennek szükségességét azért láttam indokoltnak, mert azok a csúszó geometriák hajlamosak megszorulni pályájukon, amelyek sebességvektorára merőleges felütköző mérete szélesebb a sebességvektorral azonos felfekvő mérethez képest. Így a terelő vitorlákkal a megszorulásra való hajlamosság csökkenthető. Az új konstrukciót mutatja be az 59. ábra. 58. ábra Az átalakított szorító látványtervei 64

65 11. Borda tervezése A készülék tálcaszerkezete egy olyan munkasíkot képez, amely nem egy egybefüggő felület által jön létre. A hegesztőkészülék forgatását biztosító forgató teherbírása Kg-ban limitált, amely a készülék és a munkadarabok össztömegét korlátozza. A felhelyezhető munkadarabok maximalizálása érdekében a készülék tömegét kell minimalizálni. Az egybefüggő munkapadot ki kell könnyíteni. Ennek megvalósítására bordaszerkezetet alakítottam ki. A bordák lényegében az alkatrészek leszorításakor ébredő erővonalakban helyezkednek el Igénybevétel A bordák kialakításakor annak igénybevételeit szem előtt tartva kell törekednem annak súlycsökkentésére. Vizsgáljuk meg milyen igénybevételek ébredhetnek a bordákban! Ennek elemzésére kiemelek egy meghatározó helyen elhelyezkedő bordát és azon végzem el a vizsgálatot. Az előzőekben megállapítottam a leszorítóktól elvárt legnagyobb leszorítási erőt, ami N. 59. ábra Leszorítási erők egy választott bordán A 60. ábrán kiválasztott bordán két pontot ér leszorítási erő. A munkadarab hegesztés közben vetemedik és a szorítókra az Fleszorító erővel ellentétes erőt fejt ki. Ezzel a borda közepét lefelé feszíti, míg a szorítási pontokon felfelé hajlítja azt. A bordára ható többi erőt egyszerűsített ábrázolással a legkedvezőtlenebb helyezve vizsgáljuk tovább. pontokra 65

66 60. ábra A bordában ébredő erőrendszer egyszerűsített ábrázolása A 61. ábra szemléltetésével könnyebben elképzelhetőek az igénybevételek. A hegesztendő fülek száma, helyzete is változatos, ezért azt egyetlen füllel helyettesítettem, amit a kritikus terhelés vizsgálatához a két szorítótól a legnagyobb távolságra helyeztem el. Mivel minden erőhatás bázisa a borda, ezért belátható, hogy az alátámasztási pontok jelentősége a borda igénybevételeinek vizsgálatakor elméleti síkon elhanyagolható. Meg kell határoznunk egy mozdulatlannak tekintendő, fix pontot. Ekkor észrevehető, hogy a feszítő erők egyike által keltett elmozdulás nullává redukálódik. Én ezt a pontot a lefelé ható feszítőerő hatásvonalában helyeztem el, így a felfelé ható erők maximumát egyszerűen egyenlővé tehettem a leszorító erő maximumával. max F leszorító = maxf feszítő (fel) = N A borda terhelése A kezdetben felvázolt bordát ezzel az igénybevétellel terhelve a következő eredményt kapjuk. Ebből látszik, hogy ez maradó alakváltozást szenvedne, így alkalmatlan, további tervezést igényel. 66

67 61. ábra Kezdetben ábrázolt borda terhelése A borda igényelt teherviselési jellemzőit több módon befolyásolhatjuk, lehet az térfogati vagy anyagminőségi változtatás. Mindkét opciót figyelembe kellett vennem, ugyanis az anyagminőség meghatározásával úgy növelhetem a szerkezet szilárdságát, hogy gyakorlatilag figyelmen kívül hagyhatom a tömeg változását. Ár/érték arányt és a cégvezető döntését figyelembe véve az S355J2 (7. melléklet [25]) anyagminőség mellett döntöttem. Tovább növelhetem a szilárdságot a keresztmetszeti geometria módosításával. Meg kell határoznom a borda szélességét és hosszát is. A szélességet leginkább a szorító számára kell optimálni. Mivel az M20-as csavart fog tartalmazni, ezért a 25 mm-es szélesség megfelelőnek tűnhet. Az előbbiekben felvázolt borda gyengének bizonyult, ezért biztosan el kell azt látni valamilyen merevítéssel. Hogy a szorítók akadálytalanul csúsztathatóak legyenek és szorításkor megfelelő módon tudjanak kapaszkodni, a borda szélességét 45 mm-re módosítom. A borda vastagságát is szeretném csökkenteni, ezt szimulációval ellenőrzöm egy 100 mm-es szakaszon. 67

68 62. ábra Bordaszelet szorító általi terhelése (bordavastagság 12 mm) A 63. ábra adatain látható, hogy a kihajlás minimális. A maximálisan ébredő 580 MPa feszültség az elvárt terhelés kétszeresénél ébred. A Hardox 400 anyagminőség MPa folyáshatárt takar, így a borda vastagságának csökkentése megengedhető. 63. ábra Bordaszelet szorító általi terhelése (bordavastagság 10 mm) 68

69 A lemezvastagságot 10 mm-re csökkentve a kívánt terhelés kétszerese mellett az ébredő legmagasabb feszültség 635 MPa. Jóval az alapanyag folyáshatára alatt maradva nem kívánom tovább csökkenteni a vastagságot, nyitva hagyva azt a lehetőséget, hogy a későbbiekben a szorítóerő növelhető legyen. 64. ábra Bordaszelet szorító általi terhelése (bordavastagság 8 mm) A 8 mm-es borda esetén létrejövő feszültség még elfogadható lenne, de megtartom a 10 mm-es lemezvastagságot. Az előző szimulációban fellépő csúcsértékek ugyan pontszerűek, de nemcsak a bordát, hanem ugyanakkora mértékben a szorító kapaszkodó elemét is terhelik. Belátható, hogy a szorítónak ezt az elemét is ilyen anyagból célszerű elkészíteni. Ezen csúcsértékű pontok igénybevétele a bordában kedvezőbb eloszlásúak, vizsgálható lenne gyengébb anyagok alkalmassága, de ezt mellőzöm és megtartom ezt az anyagválasztást a következő szempontok érdekében: az igénybevételek a szorítások és oldások következtében ciklikusan ismétlődnek a leszorító csavarzata nagy terhelés mellet súrló hatást fejt ki a felületen, amely komoly kopásállóságot kíván meg a bracket hegesztéséhez célszerűnek tartanám az előfeszített állapotú leszorítást (noha ez nem elvárás a készülékkel szemben, az opciót nem zárnám ki) a szerkezet univerzitását nézve a készülék terhelhetőségében terhelési tartalékokat szándékozom hagyni 69

70 11.3. Borda merevítése A merevítést a keresztmetszeti geometria módosításával is elérhetjük. A korábban tárgyalt Ffeszítő erők változó eloszlásban és pozícióban lépnek majd fel, így egy általánosított rendszernek kell megfelelnie. Az általánosított rendszerben (61. ábra) a felfelé irányuló feszítő erők távolsága megegyezik a borda hosszúságával. Ehhez meg kell határozni a bordák hosszúságát. A bordák által képzett munkasíkra kell felhelyezni a bracketeket. Elvárás, hogy nemcsak a gyártásban szereplő, hanem egyes kifutott típusokat is fel lehessen helyezni. A BR- 001 számú bracket egyik oldalán lehajtás található. Ennek felhelyezése többféle megoldással történhet. Egy bonyolultabb lehetőség, hogy egy külön állványzattal helyezzük fel a bordákra, de ez újabb készüléket és további többletsúlyt jelentene. Jobb megoldás lehet, ha egyszerűen a lehajtott részt lelógatjuk az asztalról. A lelógó élhez viszont külön toldókat kellene felszerelni azok leszorításához. Amennyiben a többi brackethez szükséges szélességű tálcáról lógatnánk le, és arra szerelnénk a toldókat, akkor a szerkezet számára már kicsinek bizonyulna a rendelkezésre álló fordulókör. Ezért a hajlított élű bracket számára kell tervezni a bordázat hosszát és mind a lehajtott, mind az egyenes alappal rendelkező bracketek egyik éléhez szükséges leszorítókat toldó karra kell helyezni. 65. ábra Borda hosszának meghatározása Az így meghatározott borda hossza 578 mm, amellyel már végeselemes szimulációk végezhetőek. A vizsgálathoz négyféle keresztmetszetet veszek: laposvas, tömbszelvény, I- szelvény és T-szelvény (67. ábra). 70

71 66. ábra A vizsgált idomok 67. ábra Bordák vizsgálata A terhelések a bordát két legszélső élén N erővel feszítik felfelé, így az előforduló leginkább kedvezőtlen terhelésnek tesszük ki az elemeket. A laposvas az előző 71

72 vizsgálatok során sem bizonyult megfelelőnek, a tömbvas pedig érezhetően nem a legjobb anyag-felhasználási tulajdonságokat hordozza magában. A Steiner-tétel ismeretében célszerű a keresztmetszet súlypontját a leginkább terhelt rész felé orientálni, vagyis növelni a keresztmetszetet ott, ahol a legnagyobb igénybevétel ébred. Ezért kiváló megoldás lehet az I-szelvény alkalmazása. Az értékek azt mutatják, hogy a vizsgálat során az I- és a T-szelvény sem tesz 1 mm-nél nagyobb kihajlást. Mivel a T-szelvény előállítása lényegesen kevesebb munkát és anyagot igényel, érdemes jobban összevetni a két típust. Az I-szelvény magasságának csökkentésével tömege is mérséklődhetne, de figyelembe kell venni, hogy a bordán szorítókat kell mozgatni, azok számára kényelmes helyet kell biztosítani, valamint az összeállítása során jelentősen több varratot kellene elhelyezni. Ezzel szemben az adott terheléssel, azonos merevítő magasság mellett elhanyagolható a jobb merevsége a T-szelvénnyel szemben. A T-szelvény kevesebb alapanyagot és hegesztést igényel. A választott szerkezetet a többitől elkülönítve, önálló vizsgálat alá vetettem. 68. ábra A T (70 mm) bordaszerkezet terhelés szimulációja A vizsgálat eredményét felvázoló 69. ábra Von Mises terhelésábrázolása jól mutatja az önálló bordában ébredő erőket. A kritikus keresztmetszetnél ébredő maximális terhelés elérheti a 271 MPa-t is. Az s355j2 anyagtáblázatából (7. melléklet) kiolvasható, hogy a rá jellemző minimális folyáshatár RpL = 275 MPa. Ez nagyon közel áll a szimulációval kimutatott értékhez, ezért ezt orvosolni kell. Első lépésben megnövelem a borda merevítésének magasságát 70 mmről 80 mm-re. 72

73 69. ábra A T (80 mm) bordaszerkezet terhelés szimulációja A túlterhelt alkotóelem magasságát megnövelve már lényeges javulás tapasztalható. Az így mért maximumot n = 1,2 biztonsági tényezővel figyelembe véve: σ max = σ n = 218 Mpa 1,2 = 261,6 Mpa σ max = 261,6 Mpa < σ meg = 275 Mpa Tehát a bordaszerkezet így már megfelelő. A teherviselő képessége nem túlzott, ez utal arra, hogy a túlméretezésből származó tömegfeleslege kevésnek tekinthető. Mivel a borda fő paraméterei már ismertek, azt beépíthetjük a tálcaszerkezetbe. 70. ábra A készülék vázára helyezett borda vizsgálata 73

74 A 71. ábra tanúsítja, hogy a jelen lévő feszültségi csúcsérték a megengedhető tartományon belül marad. Több alkatrész egyidejű vizsgálatát végeztem, ebben az esetben meg kell vizsgálni azt is, hogy az egyes elemeknél ébredő kritikus csúcsérték milyen alapanyagot kíván meg. A borda anyaga már a korábbiakban meg lett határozva és ez a vizsgálat is megerősíti a Hardox 400-as anyag alkalmasságát. A merevítő esetében korábban s355j2 anyagtípust választottam, annak csúcsértékét itt is érdemes górcső alá venni. A rá ható hajlító nyomaték a kritikus keresztmetszetben közel 170 MPa értékű feszültséget generál, ami bőven a megengedhető határérték alatt marad. A borda felső síkján ébredő maximális terhelést érdemes lenne alaposabban megvizsgálni, hogy milyen jelenség állhat a kis kiterjedésű csúcsérték kialakulásának hátterében. 71. ábra A borda felső síkjában kialakuló feszültségcsúcs nagyítása Jól látható, hogy él menti maximumok jöttek létre, amely oka a borda terhelés alatti elhajlása, így a szimuláció számára elhelyezett terhelést átadó tömb két éle a borda elhajlásából származó ív két pontjának érintéséből adódik. Ideje tehát ezt az idomot lecserélni és a további szimulációk elvégzéséhez az egyik bracketből készített mintaszelettel helyettesíteni. Ezzel még közelebb kerülünk a valós terhelési viszonyok felderítéséhez. 74

75 Nagyon fontos figyelembe venni azt a tényt, hogy a gyártás ezen szakaszában megmunkálásra kerülő munkadarabon milyen módosításokkal kell számolni. Az összeállítási műveletben egy úgynevezett távtartó elemet hegesztenek a bracket füleinek felső részére. 72. ábra Vizsgálat merevítő nélküli brackettel Ennek gyakorlati jelentősége pont a hegesztés közben van, amikor a varratok zsugorodása miatt a fülek elhajlanának és az egyengetési fázisban többletmunka keletkezne. Ezzel a beépülő elemmel viszont foglalkoznom kell. A 73. ábra utal ara, hogy a maximális terhelés alacsony, a fülek viszont szabadon elhajolhatnak. Az ilyen elhajlások minimalizálhatóak összekötő elemek felhelyezésével, amiket a későbbiekben eltávolítanak az alkatrésztől. 73. ábra Bordaterhelés egy bracket szelvény ábrázolásával A 74. ábra olyan bracketszelvényt tartalmazó vizsgálat eredményét prezentálja, amely rendelkezik felső összekötő elemmel. Ez esetben a hajlító nyomaték által keltett feszültség maximuma közel kétszeresére növekedett ugyan, de így is jóval a megengedett értéken belül marad. Az összekötő dobozszerű merevítést képez, s így a borda középső szakaszát valamelyest tehermentesíti, ugyanakkor a kritikus helyen megnöveli a hajlító nyomatékból származó feszültséget. Szerencsére ezt a kedvezőtlen hatást a szerkezet bőven elviseli, mindamellett, hogy a szorítási pontokon fellépő erőket szándékosan messze helyeztem az alkatrésztől, ami a 75

76 74. ábra Szorítási pontok bentebb helyezése szélsőséges igénybevételeket veszi figyelembe. Amennyiben ezek a szorítási pontok bentebb kerülnek, úgy az igénybevétel maximuma is csökkenni fog. Az előzőekben láthattuk, hogy a borda merevítőjének igénybevétele elmarad attól, amit a kiválasztott anyag még biztosan képes lenne elviselni. Törekednem kell a teljes készülék tömegének csökkentésére, így ezt a merevítőt ki kell könnyíteni, amit kör alakú kivágásokkal fogok megtenni. Tekintettel kell lenni arra, hogy a merevítő elem felső része nyomott, az alsó húzott, viszont a terheléseloszlások nem lineáris mintázatban rendeződnek. A Von-Mises terhelés színskáláját egy vonalszerűen ábrázoló Iso 9 Contour grafikai megjelenítéssel ábrázolva ezt jobban átláthatóbbá tehetjük. 75. ábra Von-Mises terhelésvizsgálat Iso Contour ábrázolásban A fülek közötti sáv felső részének minimális terhet kell elviselnie, ezért az itt lévő anyagmennyiséget ki is lehetne venni, de körültekintőbbnek kell lennünk. A bracketek mérete és a fülek elhelyezkedése is igen változatos. Ezek szerint azok eltolódhatnak akár mindkét irányba is, így az eltávolíthatónak vélt anyagrész már nem vehető ennyire triviálisnak. Ezzel ellentétben én a síkban ébredő változó erővonalú hatások számára kiváló, kör alakú kimetszéseket a merevítő középvonalában fogom elhelyezni. Ezek méretét kezdetben esztétikai módszerrel helyezem el. 9 Iso görög eredetű szó, isos jelentése egyenlő. [26] 76

77 Szép az, ami jó lévén kellemes. (Arisztotelész 10 ) [27] A ránézésre megfelelő arányokat majd úgy igazítom, hogy az környezettudatos legyen. A lézervágás során kieső körökhöz hasonló méretű kör alakú alkatrészeket gyakran rendel a cégtől az egyik partnere, így alkalmassá teszem a kieső elemeket arra, hogy a táblaterveket készítő kollégák azokba el tudják helyezni ezeket az elemeket. A kieső elemek ilyen módú újrahasznosításával kis mértékben ugyan, de csökkenthetem a környezetterhelést és költséghatékony is. 76. ábra Könnyített bordaszerkezet terhelésvizsgálata Az igénybevétel erővonalai láthatóan átstrukturálódtak és a feszültségi maximum is hatalmas növekedést ábrázol. A keletkező 263 MPa tetőpont a megengedhető 275 Mpa alatt van, de biztonsági tényező nélkül. 77. ábra Megváltoztatott középső körív geometria 10 Arisztotelész: Platón tanítványa, görög tudós és filozófus.(i.e. 384 i.e. 322) [28] 77

78 A középső körív geometriáját kis mértékben megváltozattam, így a terhelt keresztmetszet megnövekedett és jobb teherviselővé vált. Az is észrevehető, hogy a csúcsérték áthelyeződött a két szomszédos körívre. Ennek értéke viszont már n = 1,2 biztonsági tényező mellett is elfogadható, ezért további módosításokat nem igényel. σ max = σ n = 222 Mpa 1,2 = 266,4 Mpa σ max = 266,4 Mpa < σ meg = 275 Mpa Amennyiben a végső tömeg meghatározásakor nem kapunk elfogadható értéket, akkor tudnunk kell, hogy ezen a ponton még további tömegeket takaríthatunk meg, mivel nagy mennyiségben fog ilyen bordákat tartalmazni a kész szerkezet. 78. ábra A borda látványterve 12. Tálcaszerkezet strukturálása Ismeretessé váltak a bordák, tudjuk, hogy hány bordával támasztunk alá egy munkadarabot, meghatároztuk, hogy egy tálcán hány alkatrészt helyezhetünk el, és hogy mennyi tálca képzi a komplett készülék szerkezetét. Ezzel viszont nem készültünk még el. Szükség van további bordák elhelyezésére is. A keresztirányú 79. ábra A készülék bordaszerkezetes látványterve 78

79 szorítások mellett nélkülözhetetlen néhány hosszanti szorítási pont elhelyezése is. A bracketek eltérő méretei itt sem könnyítik meg a feladatot. A jelenlegi szerkezet tömegét célszerű ellenőrizni, hogy hogyan is gazdálkodtunk a rendelkezésre álló tömeggel. A mostani állapot 276,6 kg beépült tömeget mutat. A készülék számára megengedhető legnagyobb tömeg az előzetes számítások értelmében 553 kg. Ezek szerint eddig csak a határérték 50 %-ánál tartunk, tehát eddig megfelelő munkát végeztem és még kimondottan sok mozgásterem van a további modulok számára. Vizsgáljuk meg, hová is lenne célszerű hosszanti szorítási pontokat biztosítani! Ezt a hét bracket egyenkénti analizálásával 7 lépésben fejtem ki úgy, hogy az egyes szorítási pontokhoz szükséges bordákat elhelyezem a megfelelőnek tűnő vonalban, majd a következő bracket számára, ha szükséges, újabb csúszópályát telepítek. 80. ábra Hosszanti csúszópályák meghatározása 7 lépésben A 81. ábra jól reprezentálja, hogy az alkatrészek egyik végén mind azonos helyen szoríthatóak. Ez persze nem teljesen véletlen, hiszen korábban deklarálnom kellett az ütköztetési pontokat, melyek egyike pontosan e hosszanti szorító mozgásvonalába esik. A munkámat ez az azonosság ezen az oldalon jelentősen megkönnyítette. 79

80 A másik oldal ezzel ellentétben a várt bonyolultságot mutatja. A 7. lépésben már összesen 5 csúszósín szükségességét tártam fel. Ezeket mind a hat felszerelhető munkadarab pozíciójában biztosítani kell, ami számottevő tömegnövekedést okozhat. Mivel minden esetben csak 2-3 hosszanti irányú szorítási ponttal kell számolnunk, így vagy leszerelhetővé tesszük az éppen szükségteleneket vagy ahol ez lehetséges akár többletszorítást biztosítva további szorítók helyezhetőek el. Elsősorban ezt a végleges össztömeg függvényében állapíthatjuk meg. Jelen esetben a korábban felvázolt tömegkihasználtság szintje mellett én azt a döntést hozom, hogy minden hosszanti sínt fixen telepítek a készülékbe. Ha túl nehézzé válik a kész készülék, erre a pontra visszanyúlva találhatok korrekciós lehetőséget. A 82. ábrán látható állapot tömege 330,7 kg, így a beépíthető tömeg 59,8 %-ban kihasználtnak tekinthető. 81. ábra Hosszanti bordázattal ellátott készülék félig átlátszó ábrázolásban 13. Toldókar konstrukciója A készülék váza már-már a végső formáját mutatja, de még nem teljes. A két legnagyobb bracket jelenleg nem fér rá a tálcákra. Ezzel a problémával már a tervezés első lépéseiben tisztában voltam, gyakorlatilag szándékosan így lett kialakítva a konstrukció. A tervezés feltételei között szerepel egy olyan kitétel, miszerint a készüléknek alkalmasnak kell lennie a korábban gyártott, de a gyártásból kikerült bracketek hegesztéséhez is. A 83. ábra érzékelteti, hogy ezen probléma megoldása talán nem oldható meg egyféle toldókarral, hiszen a két bracket túlnyúlása teljesen más jellegű. A BR-001 számú bracket lehajló, míg a BR-002 számú egyenes kifutását kell leszorítani. 80

81 82. ábra Túlnyúló bracketek ábrázolása Bordabővítő toldókar Az újabb, Bracket-002 alkatrészhez használandó toldókar tervezésével kezdem, mert ez egyszerűbbnek tűnik. Vegyük észre, hogy mindössze a borda meghosszabbítása elegendő is lehet. 83. ábra Borda bővítő toldókar a Bracket-002 alkatrészhez A toldókar alátámasztását egy felhegesztett adapterrel biztosítottam és egy pár merevítő karral még stabilabbá tettem azt. A merevítésnél ügyelnem kellett arra, hogy a csavarok számára biztosítandó furatokat úgy helyezzem el a bordán, hogy az a legkevésbé módosítsa annak teherbírását. Ezért olyan területeken helyeztem el, ahol maximális terhelés mellett is viszonylag alacsony feszültségi szintek jelennek meg. 84. ábra Toldókar látványterve 81

82 13.2. Toldókar ívelt alkatrészhez A feladat meghatározása során a készülékkel szemben támasztott elvárásokat pontokba szedtem. A kitételek egyik pontja a következő volt: Vegye figyelembe egy régebbi, de kifutott bracket jellemzőit is. Elegendő, ha a készülék alkalmas ehhez az alkatrészhez is, módosítani nem kell, csak kiegészítőkkel ellátni. Ennek értelmében a készülék már meg is felel, hiszen a Bracket-001 szorítás nélkül már felhelyezhető, de a leszorításhoz nélkülözhetetlen egy újabb eszköz tervezése. Ezen kiegészítő vázlatát viszont mindenképp át kell gondolni, hiszen annak felhelyezését is meg kell oldani, amihez némi módosítás is szükséges lehet. A leszorító erő kifejtését a 86. ábra szerinti helyen nehézkes megvalósítani, ezért ennek áthelyezését tervezem. A varratok zsugorodásából származó erő forgatónyomatékként is ábrázolható, ennek segítségével könnyedén belátható egy adott pontbeli iránya. A leszorító erejét továbbra is szeretném az alkatrész egy választott felületére merőleges irányba kifejteni. 85. ábra A kiválasztott szorítási pont és annak erőviszonyai Az erőviszonyokat elfogadhatónak tartom, a leszorítás elvégezhető. Mivel a toldókar számára már elhelyeztem egy rögzítésre alkalmas furatsort, ezért ezt a bővítő elemet is célszerűen erre próbálom meg elhelyezni úgy, hogy a munkadarab annak leszerelése nélkül kiemelhető legyen. Egy elképzelt megoldás vonalrajzát a 87. ábra, modelljét pedig a 88. ábra szemlélteti. 86. ábra Hajlított elem leszorítójának elvi vázlata 82

83 87. ábra A Bracket-001-hez külön készítendő leszorító látványterve. 14. Szorítók lecsúszás elleni biztosítása Azok a leszorítók, amelyek a bordákat sínként használva mozgathatóak, oldott állapotban a készülék forgatása során önállóan elmozdulhatnak és le is eshetnek. Ez veszélyt hordoz magában, hiszen ha a leszorító leesik, olyan helyre kerülhet, ahol nem kívánt akadályt képezhet. A készülék forgatásakor nem tartózkodhat dolgozó a forgató munkaterében, de elképzelhető, hogy a leszorító a sínpályát elhagyja, megakad, majd később, mikor a dolgozó munkadarabot cserél és rezgéseket kelt, egy elakadt leszorító elszabadul, és a lábára esik. Biztosítani kell azt is, hogy a leszorítók viszonylag egyszerűen le- és felszerelhetőek legyenek a bordákra. A gond orvoslását két helyen képzelhetjük el. Elláthatjuk az összes leszorítót olyan mechanizmussal, amely megakadályozza annak forgatás közbeni lecsúszását. Az elmozdításhoz pedig valamilyen módon ezt oldani kell. Így elkerülhető annak bármiféle kontrollálatlan mozgása. Ennek meghibásodásakor a veszély ismét fennáll. 88. ábra Szorítóra szerelt rögzítő mechanizmus ábrázolása 83

84 A szorítókat a munkadarabok cseréjekor kívánjuk oldani és az újabb munkadarab felhelyezését követően ismét rögzítjük azokat. Elegendő lehet, ha a bordákra végütközőket helyezünk, amelyek meggátolják a szorítók túlcsúszását. Így a nem rögzített leszorítók melletti forgatás során azok nem szaladhatnának le a bordákról. Mivel a forgató működtetése közben nem tartózkodhat személyzet a cellában, így nem jelentene veszélyt a szabad mozgás. A végütközők kialakításának lehetőségeit a 90. ábra szerint képzeltem el. 89. ábra Biztosítási lehetőségek Vizsgáljuk meg az egyes eseteket alkalmasságuk szerint! A kábeles biztosítás lényegében egy a bordákon átfűzött és kifeszített kábel, ami megakadályozza a szorítók leesését. Minél több bordán fűzünk át egy kábelt, annál időigényesebb lehet azok oldása egy csere vagy áthelyezés esetén. Előfordulhat az is, hogy a kábel meglazul vagy elszakad, ekkor egyszerre több szorító is biztosítás nélkül marad. A vertikális csavarbiztosítás egyenként elhelyezhető a bordák végén. Megfelelő ütközési pont lehet, de kérdéses, hogy a használat során a menetek rongálódhatnak-e, amivel hamar javítást igényelnének. A munkadarabok cseréje során bizonyára akadályt jelentene a dolgozó számára is, mivel ezek felett áthajolva keze, könyöke vagy ruházata is beakadhatna a felfelé álló csavarokba. A mindennapos munka bosszantó pontjává válhat. 84

85 A horizontális csavarbiztosítás már nem okoz problémát a dolgozó számára. A csavarhoz szükséges anya akár fel is hegeszthető. Ám ez a menet is ki van téve a szorítóval való ütközés károsító hatásának, amely a menetek korai tönkremenetelét okozhatja. Az előzőekben feltárt hibalehetőségek egy része mindenképp kiküszöbölhető stift 11 biztosítással. Nem tartalmaz sérülékeny menetet, egyszerűen kezelhető, szerelése nem igényel szerszámot és a dolgozó munkáját sem nehezíti, viszont tömege jelentősen nagyobb lehet az előző megoldásokhoz képest. Értékelés 10 pontos rendszerben: Megoldás Rövid szerelési idő /súly: 80/ Strapabíróság /súly: 80/ Használhatóság /súly:80/ Pontszám Kábeles biztosítás 5 /400/ 6 /480/ 7 /560/ 1440 Vertikális csavarbiztosítás 6 /480/ 7 /560/ 5 /400/ 1440 Horizontális csavarbiztosítás 6 /480/ 7 /560/ 7 /560/ 1600 Stift biztosítás 9 /720/ 9 /720/ 10 /1000/ 2440 Az táblázat alapján kapott értékek is azt mutatják, hogy a biztosító stift alkalmazása lesz a leginkább célravezető megoldás. A biztosító stiftet a számára szánt furatban kell tartani, amelyet egy DIN11024 szabvány szerinti rugós biztosító csappal oldok meg. 90. ábra Biztosító stift látványterve Fontos, hogy a biztosító elem képes legyen elviselni a rá ható igénybevételi erőket, ezért a stift teherbírásának méretezése elengedhetetlen. 11 Stift: német eredetű szó, ide vonatkozó jelentése szög, pecek [29] 85

86 91. ábra A biztosító stift használatának látképe Impulzusenergia számítás Az igénybevételt a szorító szerkezet ütközése fejti ki. Az ellenőrzéshez meg kell határozni azt a maximális erőt, amellyel a szorító nekicsapódhat a biztosító stiftnek. Ezt úgy fejezem ki, hogy a leszorító tömegét egy borda teljes hosszával egyenlő magasságból leejtve kiszámítom annak becsapódási energiáját. A leszorító által a biztosító csapnak átadódó impulzusenergiája: I = mv Ahol I : impulzus (lendület) [kgm/s] v : a zuhanó test becsapódási sebessége m : a leszorító szerkezet tömege 1,464 kg A H magasságból szabadesést végző test becsapódási sebessége: H = g 2 t2 t = 2H g A borda teljes hossza: l = 578 mm A bordahossz alapján a szabadesés magassága: H = l H = 578 mm, legyen H = 600 mm = 0,6 m 86

87 Ahol H : szabadesés elméleti úthossza g : nehézségi gyorsulás (9,81 m/s) t : a szabadesés időtartama t = 2H g = 2 0,6 m 9,81 m = 0,34975 s s 2 Az szabadesés ismert időtartama alapján kifejezhető a becsapódási sebesség: t = v g v = g t = 9,81 m s 2 0,34975 s = 3,431 m s Tehát: I = mv = 1,464 kg 3,431 m s = 5,023 kg m s 5 J Mivel az F hajlító erő mértékegysége N (Newton: N = kg m s 2 ), ezért meg kell állapítani, hogy mennyi idő alatt lassítja le a biztosító csap a leszorítót. Ennek ideje legyen t = 0,01 s, amely biztosan elegendően rövid idő. Tehát F = 5 J = 500 N 0,01 s Tekintsük a biztosítócsapot egy befalazott tartónak és vizsgáljuk meg! 92. ábra Biztosító csap mint befalazott tartó feszültségeloszlása és néhány fontosabb méret 87

88 A befalazottnak tekinthető idom kritikus keresztmetszete a rugós biztosító számára elhelyezett furat egyik középsíkja. Ezt a kiképzést a legkedvezőtlenebb feltételek mellett veszem figyelembe a számításoknál. Ebben a keresztmetszetben ébredő x és z tengely menti feszültségeloszlást a 93. ábra bal oldalán láthatjuk. Az előzőekben kiszámolt F erőt teljes egészében a stift egyetlen oldalára helyezve végzem a vizsgálatot. Az itt érvényes inercianyomaték a következőképp számítható: I y = I y = D4 π 64 Ahol 3,5 mm (14 mm)3 12 D : a keresztmetszet átmérője [mm] I y = (14 mm)4 π 64 3,5 mm (14 mm)3 12 = 1085,4 mm 4 Az F erőből számítható forgatónyomaték: M hz = l F ahol l : az F erő befalazástól mért maximális távolsága [m] és F merőleges az l távolságra. M hz = 0,026 m 500 N = 13 Nm Az ébredő maximális hajlítófeszültség: σ h = M hz I y D Nmm 14 mm = 83,8 1085,4 mm4 2 N mm 2 S235JR 12 anyagminőség szerint: σ meg = R P0,2 min = 185 MPa σ h = 83,8 N mm 2 σ meg = 185 N mm 2 Az így kapott hajlítófeszültség alapján csökkenthető a keresztmetszet, de ezt csak akkor fontolnám meg, ha annak tömegét kénytelen lennék csökkenteni. A jelenleg tapasztalható dolgozói mentalitás indokolttá teszi számomra a kellőképp strapabíró elemek alkalmazását. Anyagválasztás szempontjából egyszerű dolgom van, egy olcsó S235-ös anyagminőség megfelelő az alkatrész számára. 12 Az S235JR anyagminőség adatlapját a 8. melléklet tartalmazza [31] 88

89 15. A végeredmény és ellenőrzése A készülék teljes egésze végső formáját ölti, ám annak véglegesítése előtt érdemes újból kritikus szemmel az elejétől végigvenni a tervezés menetét, keresni azokat a pontokat, ahol tovább fejleszthető. Ha ezzel is megvagyunk, egy végső ellenőrzés keretében végezzük el a készülék robotcellába installálhatóságát. Ezt a szemlét a legnagyobb, legnehezebb alkatrészekkel együtt végezzük. Végeztem is néhány apróbb módosítást, néhány biztosító stiftet arrébb helyeztem, pár bordakönnyítést átalakítottam, egy-két kontúrvonalat igazítottam. Lényeges áttervezésre viszont úgy láttam, hogy nincs szükség. A végeredmény a 9. mellékletben tüzetesebben szemügyre vehető Térfogati vizsgálat A robotcella forgatószerkezete korlátozott elfordulási kört tud biztosítani a készüléknek. Ehhez a legterjedelmesebb módon kell felszerelnem a készüléket és úgy vizsgálnom. A Bracket-002 készülékre helyezéséhez a bordabővítő toldókarokat is fel kell szerelni. A 94. ábrán jól látszik, hogy a készülék a kiválasztott kiegészítőkkel és felhelyezett alkatrészekkel együtt is kényelmesen elfér és elfordul a rendelkezésre álló térfogatban. 93. ábra A felszerelt készülék számára szükséges hely és forgáshenger 89

90 94. ábra A forgatóba helyezett konstrukció látványterve Tömeg szempontú vizsgálat A forgatókészülék teherbírása limitált, de nem csak a rászerelhető tömeggel kell kalkulálni. Ezt a tömeget meg is kell forgatni, ezért a rendelkezésre álló forgatónyomatékot is figyelembe kell venni. Először vizsgáljuk meg, hogy maximálisan mekkora tömeget helyeznénk a forgatókészülékre. Szedjük össze a maximális össztömeget képző elemeket. Hegesztőkészülék önsúlya: 402,5 kg Rögzítő csavar önsúlya (M12x25 Süllyesztett fejű, BKNY): 0,028 kg Leszorító önsúlya: 1,464 kg Ütköztető csavar önsúlya (M12x25 Hengeres fejű BKNY): 0,042 Kg Biztosító stift önsúlya: 0,073 kg A hegesztőkészülékre nem biztos, hogy a legnehezebb brackettel kell számolnunk, mivel két olyan bracket kerülhet felhelyezésre, amely bővítőkarokat igényel, ezek súlya viszont eltérő. Bracket-002 önsúlya: 65,191 kg Bordabővítő toldókar önsúlya: 3,585 kg Bracket-001 önsúlya: 74,417 kg Toldókar ívelt alkatrészhez: 2,44 kg 90

91 Össztömeg kalkuláció a két esetre: Elem Bracket-002 Bracket-001 Készülék 1 db 1 db 394,5 kg 394,5 kg Rögzítő csavar 8 db 8 db 0,224 kg 0,224 kg Ütköztető csavar 18 db 0, db 0,756 Bracket súlya 6 db 6 db 391,146 kg 446,502 kg Bővítő tag max 18 db max 18 db 64,53 kg 43,92 kg Leszorító max 90 db max 72 db 131,76 kg 105,408 kg Biztosító stift 90 db 72 db 3,285 kg 2,628 kg Összesen: 986,201 kg 993,938 kg A maximális össztömegek igen közel vannak a forgató 1 tonnás határértékéhez, viszont a leszorító szerkezetek maximálisan felhelyezhető mennyiségével számoltam, amelyre valószínűleg nem lesz szükség. Az össztömeg tehát megfelelő. Vizsgáljuk meg, hogy elegendő forgatónyomatékot tud-e biztosítani a forgató. Mivel a készülék forgásszimmetrikus, így annak megforgatásához szükséges nyomatékot garantáltan tudja biztosítani a forgató. Fontosabb megvizsgálni azt, hogy meg bírja-e forgatni abban az esetben, ha éppen csak az egyik oldal van felszerelve bracketekkel. Ennek számítását a nehezebb, Bracket-001 munkadarabbal végzem el. A számításhoz csak az oldalon elhelyezett két bracket tömegét és azok tömegközéppontjának a forgástengelytől számított távolságát veszem figyelembe. Ez esetben a szükséges forgatónyomaték statikus helyzetben a következőképp kalkulálható: M = m g l Ahol M : forgatónyomaték [Nm] m : az alkatrészek tömege (kg) 91

92 l : az alkatrészek tömegpontjának távolsága a forgástengelytől (m), mérése szimulációs modellezéssel M = 2 74,417 kg 9,81 m s2 0,269 m = 392,8 Nm 390 Nm A készülék össztömegét is figyelembe vevő ellenőrző számítás: M = 695,964 kg 9,81 m s2 0,057 m = 389,2 Nm 390 Nm 390 Nm 2080 Nm A forgatókészülék statikus helyzetben 2080 Nm-es forgatónyomatéka tehát ilyen esetben is biztosan meg tudja tartani álló helyzetben a készüléket és biztosan meg is tudja forgatni azt. 16. További javaslatok 95. ábra Kép a robotcellába helyezett készülékről A készülék megtervezését követően szeretném néhány olyan pontra felhívni a figyelmet, amely a készülék használatát kényelmesebbé, könnyebbé teszi. A robot kiszolgálását mindkét cella számára forgódaruk segítik. Korábbi tapasztalatok szerint ezek nagyon nehezen használhatóak a be- és kitárazásra. Érdemes lenne meggondolni ezek lecserélését lineáris pályájú darukra. Ez nagymértékben könnyítené a dolgozó munkáját, valamint a cella kerítéselemeinek amortizációját is mérsékli: kevesebbszer ütköznének alkatrészek a kerítéselemekhez. Másik észrevételként emelvényt javasolnék a forgatószerkezet elé, hogy a dolgozó magasabb pozícióból, kényelmesebben tudja helyére igazítani a munkadarabokat és jobban kézre essenek a szorítók, azok kezelésekor. 92