MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI ÉS INFORMATIKAI KAR MODELLGYÁRTÓ BERENDEZÉS TERVEZÉSE MSc CAD/CAM szakos gépészmérnök hallgató Tervezésvezető: Dr. Takács György Egyetemi docens Szerszámgépek Tanszék Konzulens: Lukács Zsolt Mérnök-tanár Szerszámgépek Tanszék Miskolc, 010
- 1 -
- -
NYILATKOZAT Alulírott, a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának hallgatója kijelentem, hogy a Modellgyártó című, és SZG-010-0M számon nyilvántartott diplomatervet saját magam készítettem. A diplomatervben minden olyan részt, melyet szó szerint, vagy azonos értelemben, de átfogalmazva más forrásból átvettem, egyértelműen a forrás megadásával megjelöltem. Miskolc-Egyetemváros, 010. május 7. Aláírás - 3 -
ABSTRACT Designing of Model Manufacturing Device In my Graduation Thes is the main aim was to design a Model Manufacturing Device and it s mechanical parts. I made a quest of bibliography in the first section, to get acquainted with different kind of Rapid ProtoTyping techniques. These researches contain enough information to create the main design of the machine. I had to make wide range of variations about the device, and it s geometrical buildup. This brought 4 possible solutions, so the next aim was to select the six best solutions. After that I selected the ideal solution, which lead me toward the whole process of design. The real work of designing came after the sections above and the pre-design works. The main job was to desing the leadings of the machine and to fit the drive system to the machine, which was bought from the ISEL Hungary Ltd. To improvem the accuracy of the device, I made calculations along the three orientation of the leadings. Than I summarized the results. The last task of designing for me was to create a 3D model and the necessary number of D assembly drawings from it. In the latest section I made some further development of the device, to improve reliability, and to reduce the costs of maintenance in the future. - 4 -
Tartalomjegyzék: 1. Bevezetés...7. Gyorsprototípus gyártó technológiák...8.1. A gyorsprototípus előállítása...10.. Lebontó RPT technológiák...13..1. High Speed NC Cutting (HSNC)...13... Laminated Object Manufacturing (LOM)...15.3. Felépítő technológiák...17.3.1. Stereolithography (SLA...17.3.. Fused Deposition Modelling (FDM...18.3.3. Selective Laser Sintering (SLS)...19.3.4. Solid Ground Curing (SGC)...1.3.5. 3D Printing (3DP)....3.6. Laser-engineered Net Shaping (LENS)...3.4. Gyorsprototípus gyártó technológiák összefoglalása...4.5. Újszerű megoldások...6 3. Léptetőmotoros CNC gépek...8 3.1. Konstrukciós elemzések...9 3.1.1. ISEL megoldások...9 3.1.. HobbyCNC megoldások...33 3.. Ideális konstrukció...40 4. Megoldásváltozatok...41 4.1. Mozgásmegosztás és rendűség...41 4.. Ideális megoldás kiválasztása...48 5. Előtolóhajtás számítása...50 5.1. X szánirány...51 5.1.1. Kinematikai tervezés...51 5.1.. Tehetetlenségi nyomatékok meghatározása...5 5.1.3. Az időállandó meghatározása...56 5.1.4. A körerősítési tényező...56 5.. Y szánirány...57 5..1. Kinematikai tervezés...57-5 -
5... Tehetetlenségi nyomatékok meghatározása...58 5..3. Az időállandó meghatározása...6 5..4. A körerősítési tényező...6 5.3. Z szánirány...63 5.3.1. Kinematikai tervezés...63 5.3.. Tehetetlenségi nyomatékok meghatározása...64 5.3.3. Az időállandó meghatározása...68 5.3.4. A körerősítési tényező...68 5.4. Összegzés...69 6. Geometriai tervezés...70 6.1 A munkadarab asztal...70 6. Vezető sin...70 6.3 Tartó szerkezet...7 6.4 Hajtás elemek...74 6.5 Golyós orsó...74 6.6 Szerelési és karbantartási útmutató...75 6.7 A berendezés teljes összeállítási rajza...78 7. Továbbfejlesztési lehetőségek...79 8. Összefoglalás...80 Felhasznált irodalom...81-6 -
1. Bevezetés A gyorsprototípus gyártás (Rapid ProtoTyping) [1] jelentése olyan technológiákból származik, melyek a számítógéppel segített tervezés (Computer- Aided Design - CAD) folyamatából közvetlenül képesek fizikai modell legyártására. A gyorsprototípus berendezéseknek köszönhetően a tervezőknek lehetőségük van a kész tervek közvetlen elkészítésére, így azonnal rendelkezésre áll egy prezentációsmodell. Mindezek mellett az elkészített alkatrészek technológiától függően terhelhetőek, valamint különböző szimulációs elemzésekre is alkalmasak. A gyorsprototípus gyártás kezdete az 1980-as évekig nyúlik vissza. Elérhetősége ekkor még igencsak korlátozott volt, nagy költségvonzata miatt. A 90-es évekre csökkenő költségeinek köszönhetően egyre több egyetem, és kutatólabor döntött hasonló technológia alkalmazása mellett. Felismerve, hogy az RPT eljárással mind idő, mind pedig jelentős költségek takaríthatók meg, napjainkra szinte minden fejlesztéssel rendelkező vállalat és intézet rendelkezik valamilyen gyorsprototípus gyártó technológiával. A legtöbb gyorsprototípus eljárás a CAD modell szeletekre való bontásával dolgozik. Az egyes megoldások természetesen különböznek mind a modellkészítés sebességét-, mind pedig a modell terhelhetőségét illetően. Általánosságban azonban elmondhatjuk, hogy mindegyik eljárással elkészített modell képes legalább a prezentációs szint elérésére. Természetesen az RPT technológia sem tökéletes. Az elkészített modellek mérete az esetek nagy többségében korlátozott, köszönhetően a gép munkaterének, ám amint majd azt a későbbiekben látni fogjuk, léteznek nagyméretű munkadarab készítésére alkalmas berendezések is. További hátrányként tekinthetünk az előállított modellek pontosságára is, melyek egyelőre a 0,01 mm-es pontosságot érik csak el. Reményteljesek azonban a különböző RPT eljárásokkal kapcsolatos fejlesztések, amelyeknek köszönhetően a jövőben, főleg a fém alapanyagból dolgozó gyorsprototípus eljárások, további pontossági növekedése várható. - 7 -
A gyorsprototípus technológia fizikai objektumok automatikus gyártását jelenti, testek szabad formázása útján, legtöbbször 1- darabos sorozatoknál. Az első gyorsprototípus gyártó (RPT Rapid ProtoTyping) technológiák az 1980-as években jelentek meg különböző testmodellek és prototípusok gyártására. Napjainkban jóval szélesebb körben használják a kis sorozatú gyártmányoktól a prezentációs modelleken keresztül egészen a szobrászatig. A gyorsprototípus technológia általában különböző CAD rendszerekből kapja a virtuális modelleket, melyeket szintén virtuális keresztmetszetekké oszt fel. A fizikai test ezekből az egymást követő keresztmetszetekből áll össze. Ezáltal az RPT technológia úgynevezett WYSIWYG (What You See Is What You Get = Amit látsz, azt kapod) [] folyamatnak nevezhető. A gyorsprototípus-gyártás információáramlását az 1. ábra mutatja: 1. ábra Az RPT technológia információ áramlása [3] - 8 -
Az RPT technológiának két fő típusa létezik: Lebontó - és Felépítő technológiák A felépítő technológiák esetében a berendezés a CAD modellekből kiolvasott keresztmetszeteket folyékony vagy porszerű alapanyagba viszi fel és a keresztmetszetek összességéből hozza létre a kész testet. A rétegek egymáshoz rögzítése ragasztással vagy egymáshoz olvasztással valósulhat meg (automatikusan). E módszer egyik legnagyobb előnye, hogy segítségével szinte bármilyen geometria előállítható. Léteznek olyan felépítő módszerek is, melyek az alapanyag mellett segédanyagot is használnak az esetlegesen lehajló részek megtámasztására. A segédanyag olvadási hőmérséklete általában jóval az alapanyag olvadási hőmérséklete alatt van, így az elkészült munkadarab utólagos hőkezelése alatt az ideiglenes támasztékot nyújtó segédanyag kiolvad. A lebontó technológiák esetében a megmunkálás szintén megvalósulhat generált keresztmetszetek alapján, valamint adott szerszámpályák mentén is (CNC program). A gyorsprototípus technológia gyártási sebessége a néhány perctől a több tíz óráig is terjedhet, függően az alkalmazott módszertől, az alapanyagtól és legfőképp a létrehozandó modell méretétől. Napjainkra a gyorsprototípus (RPT) technológia az egész világon elterjedt módszerré vált, nemcsak a termékgyártás, de a művészetek területén is. Sikerét a következő tulajdonságainak köszönheti: Kipróbálható és tesztelhető modell: a kész munkadarabok terhelhetőségüktől függően kipróbálhatók, tesztelhetők, adott szilárdság esetén akár a tényleges terheléssel is. Ideiglenes gyártóeszköz: az elkészült kis szilárdságú modell, különböző szerszámok mintájaként szolgál, mely segítségével később a valódi szerszámot legyárthatják. Segítségükkel készíthetőek például - 9 -
fröccsöntő szerszámok pozitív darabjai, amik után hőálló anyagból elkészíthető a szerszám negatívja. Termék vizualizáció: a modell 1:1 méretarányban szabadon vizualizálható, ráadásul teljes értékű 3D-s hatást ad. Végleges gyártóeszköz: nagyszilárdságú alapanyagok (fémporok) használata esetén az elkészült modell szerszámként is használható, bizonyos terhelési határok között..1. A gyorsprototípus előállítása A prototípus egyetlen lépésben, közvetlenül a geometriai modell alapján állítható elő. Nincs szükség folyamattervezésre, speciális berendezésre az anyagok kezeléséhez, szállításra az egyes megmunkáló állomások között stb. Lépései: 1. A gyártani kívánt objektum keresztmetszeteinek előállítása.. A keresztmetszetek rétegenkénti egymásra fektetése. 3. A rétegek egyesítése. A gyorsprototípus-gyártás folyamatának legáltalánosabb lépéseit (a teljesség igénye nélkül) a. ábra szemlélteti: - 10 -
. ábra A gyorsprototípus-gyártás elvi folyamata [3] A gyorsprototípust előállító berendezések a következő módszerek egyikét alkalmazzák a keresztmetszetek rétegeléséhez és egyesítéséhez: Megfelelő műgyanta polimerizációja lézerrel vagy más fényforrással. Szilárd szemcsék vagy por szelektív megkeményítése lézersugárral. Folyékony vagy szilárd szemcsék összekötése ragasztással vagy hegesztéssel. Vékony anyag kivágása és laminálása. Olvasztás és újra megszilárdítás. Az RPT technológiákat modellépítés szempontjából két csoportba sorolhatjuk: Lebontó technológiák Felépítő technológiák Az csoportokba való besorolásokat a 3. ábra szemlélteti: 3. ábra - 11 -
RPT technológiák csoportosítása[3] A gyorsprototípus technológiák modellanyag szerinti csoportosítását a 4. ábra mutatja: 4. ábra Modellanyag szerinti csoportosítás[3] - 1 -
.. Lebontó RPT technológiák [4]..1. High Speed NC Cutting (HSNC) A nagysebességű NC marás a lebontó technológiák közé sorolandó. A létrehozott modellek szélsőséges technikai adatokkal dolgozó NC gépeken készülnek. Az előtoló- és a forgácsolási sebesség a hagyományos megmunkálások sebességénél egy nagyságrenddel nagyobb. A szükséges teljesítmény: P = Mω A nagysebességű megmunkálásoknál a teljesítmény általában nem változik, ellenben nő a fordulatszám (és ez által a szögsebesség) és csökken a nyomaték. Emiatt könnyebb szerkezetű gépek építésére válik lehetőség, és egyben kezelni lehet a nagysebességű mozgásokból adódó dinamikus terheléseket is. Az 5. ábra egy HSNC gépet mutat be munkadarabbal: 5. ábra Nagysebességü NC marás - 13 -
A hagyományos gépeken a nagy előtoló sebességek miatt nagy menetemelkedésű golyósorsókat, vagy lineáris motorokat kell alkalmazni a mellékhajtásokban. Az NC vezérlésnek képesnek kell lennie a nagyobb sebességű pályaadat számításra. Amennyiben ez nem megoldható, úgy a CAD szoftverben előre le kell generálni a szerszámpálya adatokat és azt betáplálni a vezérlésbe. A HSNC technológia speciális anyagot kíván, mely által a forgácsoló erő nem növekszik. Erre a célra habosított műanyagot, műfát használnak, amit tömb- vagy lemezszerű kivitelben használnak fel. A nagysebességű NC marás, valamint a hagyományos megmunkálás között fellelhető különbségeket az 1. táblázat mutatja be. A technológiai adatok egy alumínium présszerszám-üreg megmunkálásából származnak. Hagyományos megmunkálás HSNC Fordulatszám 3000 [1/min] 40000 [1/min] Elotolás 800 [mm/min] 6000 [mm/min] Fogásmélység 3 [mm] [mm] Fogásszélesség 1 [mm] 1 [mm] Marási ido (egységnyi) 5,5 [egység] 1 [egység] 1. táblázat Megmunkálási típusok összehasonlítása - 14 -
... Laminated Object Manufacturing(LOM) A LOM technológia rétegek egymásra ragasztásával alakítja ki a modellt. Az egyes rétegeken lézersugár vágja át a papírt. A modell térfogatán kívüli területet rétegenként megegyező helyen rácsszerűen fel kell szelni. Ez segíti a modell kibontását a modelltömbből. Alapanyaga általában papír, amit tekercs formájában használnak. A rétegelt darabgyártás egy modelljét, valamint a technológiai eljárást a 6. ábra valamint a 7. ábra szemlélteti. 6. ábra LOM modell [5] A papírtekercsre a ragasztó előzetesen fel van hordva, így a LOM berendezésnek csak meg kell melegíteni azt a kötési hőmérsékletig és a lamináló hengerrel rétegenként le kell hengerelni. A modelltömb megtartja a modellt a gép munkaterében, ezért ideiglenes megtámasztásról nem kell gondoskodni. A papírrétegek sorozatos egymásra ragasztásával halmozott magassági hiba keletkezik, emiatt általában minden réteg után megmérik a tömb valódi magasságát és a következő réteg kontúrjait a megmért magasság alapján generálják a CAD - 15 -
modell szeletelésével. - 16 -
7. ábra LOM technológia A Laminated Object Manufacturing folyamat lépései: 1. Minden egyes lapot laminálással hozzáragasztunk az alkatrész tömbhöz.. A lézer végighalad az aktuális keresztmetszet körvonalán. A kontúron kívüli részeket a lézer apró rácsokra osztja. 3. A hengert egy rétegvastagsággal lesüllyesztjük, lehetővé téve egy újabb lap laminálását. 4. A -3 lépést mindaddig ismételjük, amíg az alkatrész el nem készül. 5. Az összes réteg laminálása és kivágása után az alkatrészt ki kell bontani az alkatrész tömbből. Az így előállított alkatrészek ragaszthatók, polírozhatók, lakkozhatók. Jó felületi minőség érhető el csiszolással és lakkozással. Az alkatrészek kis felületi - 17 -
keménységük miatt kevésbé terhelhetők. Az elérhető pontosság: 0.1 0. mm.3. Felépítő technológiák [4].3.1. Stereolithography (SLA) A sztereolitográfia az egyik legnépszerűbb gyorsprototípus előállítási módszer, és a testmodellező rendszerekhez kifejlesztett interfésze szabvánnyá vált a többi eljárás számára is. Alapanyaga folyékony polimer-gyanta, melyből lézersugár impulzusok segítségével keményítik ki rétegenként a modellt. Mind a gép, mind pedig az alapanyag elég drága, viszont jó felületi minőséget, és kiváló részletpontosságot kapunk cserébe. Az így előállított alkatrészek ragaszthatók, polírozhatók, lakkozhatók, azonban kevéssé terhelhetők. A sztereolitográfia módszerének elvi vázlatát a 8. ábra mutatja: 8. ábra Az SLA eljárás vázlata [1] Lassabb eljárás mint a LOM, mivel itt a kontúron belüli részeket is meg kell szilárdítani, ellentétben a rétegelt darabgyártással, ahol elég volt a munkadarab kontúrját pásztázni. A nagyobb szilárdság elérése érdekében a kész darabot - 18 -
hőkezelni szükséges. - 19 -
Az eljárás további hátránya, hogy bizonyos esetekben a modell felborulhat, ha nincs megfelelően kialakítva a CAD modell. Ezért sok esetben támasztó szerkezet szükséges. Néhány alátámasztási példát mutat a 9. ábra. 9. ábra Alátámasztási esetek [1].3.. Fused Deposition Modelling (FDM) Az alakra hegesztő eljárás (FDM) általában műanyag huzalból (hőre lágyuló) dolgozik, de ismert fémhuzalos változata is. Az alapanyagot egy melegített fúvókán keresztül vezetik. A fúvókán áthaladó alapanyag megolvad és apró folyékony cseppekké alakul, miközben hőmérséklete csak kicsivel van a megszilárdulási hőmérséklete fölött. A modellt rétegenként építi fel a berendezés. A teljes keresztmetszeten végig kell haladnia a szerszámnak, emiatt lassabb eljárás, mint a LOM. Az elkészített alkatrészek terhelhetők és funkcionális modellként is használhatók. A modell színeit a huzalszínek határozzák meg. Alapanyaga jellemzően olcsó. - 0 -
A modellkészítés során fennáll a borulás veszélye ezért segédlábak, és felületek használata szükséges lehet. Az FDM technológia vázlatát a 10. ábra mutatja be. 10. ábra Az FDM elvi vázlata [6].3.3. Selective Laser Sintering (SLS) A lézeres szinterezés (SLS) alapanyaga finomra őrölt műanyagpor, melyet lézersugár impulzusok sorozatával rétegenként összeolvaszt a berendezés. A modell teljes keresztmetszetén kell pásztázni, mert a kontúron belüli részeket is meg kell olvasztani. Ezért lassabb eljárás, mint a LOM. A modell porózus szerkezetű, általában matt fehér színű. Impregnálással növelhető a szilárdsága. Létezik fémporos változata is. Impregnálás után az elkészített alkatrészek jól terhelhetők és funkcionális modellként is használhatók. Előnyei: A modell nem borul fel, mert a szinterezetlen por megtartja a darabot. Az alapanyag olcsó. - 1 -
A Selective Laser Sintering technológia folyamatát, valamint berendezésének elvi vázlatát a 11. ábra szemlélteti. 11. ábra Az SLS technológia vázlata A munkadarab létrehozásának folyamata: 1. Az alkatrész hengert úgy pozícionáljuk, hogy a rétegvastagságnak megfelelő por szétteríthető legyen.. A lézer végigpásztázza a por réteget. Ahol a keresztmetszetben anyag van, ott felhevíti a port, és a szemcsék összetapadnak. 3. A hengert egy rétegvastagsággal lesüllyesztjük, lehetővé téve egy újabb porréteg szétterítését. 4. A -3 lépést ismételjük mindaddig, amíg az alkatrész el nem készül. 5. Egyes anyagoknál szükség lehet utókeményítésre. Az SLS módszerrel elérhető pontosság: 0.03 0.38 mm. - -
.3.4. Solid Ground Curing (SGC) [7] Ellentétben a sztereolitográfia módszerével, az SGC technológia lézer helyett erős UV lámpával exponálja a rétegeket egy maszkon keresztül, így az egész keresztmetszet egyszerre keményedik meg. Alapanyaga fotopolimer, mely UV fény hatására keményedik meg. Utókeményítésre nincs szükség. Előnyei: Nincs szükség támasztó szerkezetre. Gyorsabb eljárás, mint az SLS, mivel a teljes keresztmetszet egyszerre készül el. A Solid Ground Curing módszerével elérhető pontosság: 0.03 0.5 mm. Az eljárás lépéseit a 1. ábra szemlélteti: 1. ábra A Solid Ground Curing technológia lépései - 3 -
.3.5. 3D Printing (3DP) A 3D-s nyomatatás alapanyaga finomra őrölt műanyag vagy kerámia por, melyet a rétegzett por felületére lövellt ragasztó impulzusok sorozatával rétegenként összeragaszt a berendezés. Szintén lassabb eljárás, mint a LOM, mivel ennél a technológiánál is végig kell pásztázni a keresztmetszet teljes területét. A modell színezését az alapanyag színének megválasztásával érhetjük el. Az elkészült modell fényes felületű. Előnyei: A modell szilárdsága nagyobb, mint az SLS eljárás esetében. A modell nem borul fel, mert a ragasztatlan por megtartja a darabot. Az alapanyag viszonylag olcsó. A 3D-s nyomtatás folyamatát a 13. ábra mutatja: 13. ábra A 3D printing lépései A modellkészítés menete: 1. Az asztalt úgy pozícionáljuk, hogy a rétegvastagságnak megfelelő kerámiapor szétteríthető legyen.. A nyomtatófej végigpásztázza a por réteget, és ahol a keresztmetszetben anyag van, ott folyékony kötőanyagot fecskendez ki, és a szemcsék - 4 -
összetapadnak. 3. Az asztalt egy rétegvastagsággal lesüllyesztjük, lehetővé téve egy újabb porréteg szétterítését. 4. A -3 lépést ismételjük mindaddig, amíg az alkatrész el nem készül. 5. Az alkatrész megszilárdításához utó-hőkezelés szükséges lehet..3.6. Laser-engineered Net Shaping (LENS) A LENS technológia alapötlete, hogy nagy energiájú lézersugárral fémport olvasztunk meg, ami így egy testté áll össze. Az energia nagyságát tükrözi, hogy e módszer szinte akármilyen sűrűségű fém porát képes megolvasztani és alakítani. Az eljárást, illetve a berendezést a 14. ábra mutatja: 14. ábra A LENS berendezés elvi felépítése [1] A nagy energiájú sugár a fémport a kúpos kiképzésű fejegységben olvasztja meg, közvetlenül az előzőleg elkészült réteg fölött. A lézersugarat a nagy energia miatt csak a kúpos fejben fókuszálják. Nagy hőtermelése miatt a fejet hűtővízzel hűtik, a megolvadó fémport pedig védőgázzal óvják a környezeti behatásoktól. Az - 5 -
eljárással elérhető pontosság: 0.01-0.03 mm. A módszer az FDM technológiához hasonló elven, a tárgyasztal mozgatásával, pozícionálja a készítendő munkadarabot és annak rétegeit. Az eljárás előnyei: Valós terhelést elviselő munkadarabok készíthetőek. Végleges gyártóeszköz hozható létre.4. Gyorsprototípus gyártó technológiák összefoglalása Az alábbiakban összegzésre kerül minden egyes technológia előnye és hátránya, valamint a modellépítéshez használt alapanyagok. High Speed NC Cutting: Alapanyaga: Előnyök: Hátrányok: habosított műanyag (műfa) - gyors megmunkálási sebesség - nagy pontosság - speciális alapanyagot igényel - összetett alkatrészek nem építhetőek Laminated Object Manufacturing: Alapanyaga: Előnyök: Hátrányok: Stereolithography: Alapanyaga: Előnyök: Hátrányok: papír, vagy egyéb fóliák - gyors - olcsó alapanyag - nem vetemedő modell - nincs szükség támasztószerkezetre - halmozott magassági hiba keletkezhet folyékony polimergyanta - jó felbontás - bonyolult modell építhető - speciális és drága alapanyagot igényel - 6 -
- drága a berendezés - gondoskodni kell a modell megtámasztásáról - lassú modellépítési sebesség Fused Deposition Modelling: Alapanyaga: műanyag-, viasz- vagy fémhuzal Előnyök: - változatos színek - jó modellszilárdság - jó felbontás Hátrányok: - lassú építési sebesség -támasztószerkezet szükséges Selective Laser Sintering: Alapanyaga: Előnyök: Hátrányok: műanyag- vagy fémpor - olcsó alapanyag - nagy pontosság - nincs szükség támasztószerkezetre - jó felbontású összetett alkatrészek építhetők - lassú megmunkálási sebesség - impregnálással kell növelni a modell szilárdságát Solid Ground Curing: Alapanyaga: Előnyök: Hátrányok: 3D Printing: Alapanyaga: Előnyök: műanyag por (fotopolimer) - közepes építési sebesség - támasztószerkezet nem szükséges - jó felbontású modell - speciális alapanyag műanyag- vagy kerámiapor - olcsó alapanyag - támasztószerkezet nem szükséges - jó felbontású modell - 7 -
- megfelelő szilárdságú Hátrányok: - lassú építési sebesség Laser-engineered Net Shaping: Alapanyaga: Előnyök: Hátrányok: fémpor - közepes építési sebesség - támasztószerkezet nem szükséges - jó felbontású modell - speciális és drága alapanyag - nagyon nagy energiaszükséglet.5. Újszerű megoldások A leendő módszerrel szemben támasztott követelmények: Olcsó alapanyag Egyszerűen megvalósítható berendezés Viszonylag gyors megmunkálási sebesség Ne legyen szükség utólagos műveletekre Alkalmas legyen prezentációs szintű modellek készítésére - 8 -
15. ábra Összefoglaló táblázat - 9 -
3 Léptetőmotoros CNC gépek Napjainkra a CNC technológia olyannyira alaővető megmunkálási eljárássá vált, hogy már nem csupán a professzionális, ipari körülmények között alkalmazzák, hanem barkács valamint hobby felhasználás területén is. Az ipari, nagypontosságú folyamatokkal ellentétben a hobby szintű megmunkálások esetén nincs szükség µmes pontosságra, éppen ezért ezen gépek ipari társaikhoz képest jóval kisebb költségből valósíthatók meg. Általánosságban elmondható, hogy a hobby felhasználásra épített gépek 1- nagyságrenddel kisebb pontossággal rendelkeznek az ipari folyamatokban alkalmazott gépekhez képest. A felhasználási célokat figyelembe véve ezek a CNC gépek házilag elkészíthetők, függetlenül valamint kész gépként a piacon megkaphatóak. Beszerzéstől elmondható azonban, hogy nagyobb teljesítmény-szükséglet esetén szervo motorokkal- míg alacsonyabb terheléseknél léptetőmotorokkal szerelik ezen gépeket. Ahogy az már a bevezetés, illetve az előző fejezet során kiderült, a tervezés során kis terhelő erőket veszünk alapul, így ebben a fejezetben a piacon készen megvehető, lehetőleg léptetőmotoros CNC maró- és gravírozógépek kerülnek majd bemutatásra, elemezve azok konstrukciós kialakítását is. Természetesen a léptetőmotoroknak a feladat szempontjából elégséges teljesítményét egy későbbi fejezetben számításokkal is igazolni fogjuk. Az alábbiakban megemlítésre kerül néhány konstrukciót érintő tétel, amiket hamarosan elemezni fogunk az egyes megoldásoknál: Hajtómotor: Szervo motor Léptetőmotor Meghajtási módok: Fogazottszíj-hajtás Fogaskerék-fogasléc hajtás Bowdenes hajtás Golyósorsó-golyósanya kapcsolat A hobby szintű CNC gépek konstrukciós elemzésének forrásai: ISEL Hungária Kft. www.hobbycnc.hu - 30 -
3.1. Konstrukciós elemzések 3.1.1. ISEL megoldások [8] CNC-Pure: Az ISEL Hungária Kft 3 tengelyes CNC gravírozógépe portálmaró alapokon nyugszik. Egyik kiemelkedő jellemzője a csavarodásmentes alumínium öntvény portál, mely a berendezés párhuzamosságának, valamint merőlegességének fő alapköve. A fa, műfa, valamint műanyag megmunkálására is alkalmas gravírozógépet a 16. ábra szemlélteti: Konstrukció: Fekvőágyas kivitel Alumínium öntvény portál Léptetőmotoros hajtás 16. ábra CNC-Pure gravírozógép [6] Siklócsapágyas vezeték (X, Z tengelyek) Lineáris vezeték (Y tengely) Zsinórmentesen orsó (10 x 3 mm; X, Z tengelyek) Golyósorsó (16 x 4 mm; Y tengely) - 31 -
FB: Az ISEL fekvőágyas CNC gépe építőkocka elv szerint készült, melynek köszönhetően a változó igényeket könnyen ki lehet elégíteni. A géppel nem csupán fa és műanyag megmunkálására van lehetőség, hanem erőteljes léptetőmotoros hajtása miatt akár alumínium megmunkálásra is. A könnyűfém építőelemek alkalmazásával nagy pontosság érhető el kis tömegű szerkezettel. Az FB típusú gépet a 17. ábra mutatja: Konstrukció: Fekvőágyas kivitel Alumínium építőelemek Léptetőmotoros hajtás Lineáris vezetékek 17. ábra ISEL FB [6] Előfeszített lineáris csapágyazás Golyósorsós hajtás átvitel (16 x 4 mm) A golyósorsók pontossága ± 0,01 mm A berendezés az építőkocka elvnek köszönhetően (csereszabatos részegységek), alapjául szolgálhat különböző gravírozó-, fúró-, maró-, illetve mérőgépeknek. - 3 -
ICV 4030: A berendezés kis mérete miatt a kompakt gépek közé sorolható. Zárt munkaterének köszönhetően akár kis szériás ipari feladatok megoldására is alkalmas porelszívással egybekötve. Erőteljes hajtásából kifolyólag alumínium, és bronz alapanyagok is megmunkálhatóak vele. Mivel a gép csavarozott vázból épül fel, ezáltal a jobb szervizelhetőség mellett a rezgési tulajdonságai is optimálhatóak. Az ISEL kompakt CNC gépét a 18. ábra mutatja Konstrukció: Portál-típusú berendezés Alumínium vázépítő-elemek 18. ábra ISEL ICV 4030 [6] Léptetőmotoros vagy DC szervomotoros hajtás Lineáris vezeték (precíziós acéltengely csúszkával) - 33 -
Golyósorsós hajtás átvitel (16 x 4 mm) Euromod-F alapberendezés: Az Euromod alapberendezés kiinduló pontja lehet minden normál vagy speciális igényt felmutató eljárásnak. Mechanikai bázisát gépépítő elemekből kialakított acél-alumínium konstrukció alkotja, mely révén a gép mechanikája egyetlen nagy egységgé áll össze. Az Euromod-F típus, mozgó portállal rendelkezik, emiatt különösen alkalmas nehéz munkadarabok megmunkálására, mely lehet fúrás, marás, lézer-, illetve vízsugaras vágás, valamint mérés is. A gép kialakítását a 19. ábra szemlélteti: 19. ábra ISEL Euromod-F [6] Konstrukció: Mozgó portálú berendezés Alumínium és acél vázépítő-elemek Léptetőmotoros vagy DC szervomotoros hajtás Lineáris vezeték Előfeszített lineáris csapágyazás - 34 -
Golyósorsós hajtás átvitel (16 x 5 mm) 3.1.. HobbyCNC megoldások [9] Kuplungok: A kuplungok feladata a hirtelen dinamikus hatások csökkentése, valamint a motor és az orsó egytengelyűségi hibáinak kompenzálása. CNC gépeknél a kuplungokkal szemben támasztott követelmények: irányváltás esetén is biztosítson kottyanás-mentességet, valamint tehetetlenségi nyomatékuk a lehető legkisebb legyen. Hobby szintű CNC gépek erőátvitelénél, konstrukciótól függően, szükség lehet valamilyen kuplung szerkezet beépítésére. A beépítés szükségességét a hajtás módja határozza meg. Míg közvetlen hajtás esetén (a léptetőmotor közvetlenül a golyósorsót hajtja) mindenképpen célszerű a kuplungok alkalmazása, addig közvetett hajtás esetén használatuk elhagyható, lévén ilyenkor valamilyen szíjhajtás kerül alkalmazásra a léptetőmotor és a golyósorsó között. Ekkor a szíj egyben csökkenti a dinamikus hatásokat, másrészt a tengelyek szöghibáját is kiküszöböli. Barkács szintű CNC megoldások esetében két könnyen kivitelezhető kuplung típus kerül bemutatása, melyek alacsony költségvonzatuk miatt ideális megoldások lehetnek: Membrán kuplungok Rugalmas csőkuplungok Membrán kuplungok: Egy házi készítésű membrán kuplungot szemléltet a 0. ábra. 0. ábra - 35 -
Membrán kuplung A membrán kuplungok fő elemei a két befogó rész között elhelyezkedő membrán elemek, melyek képesek felvenni a főleg csavarásból származó dinamikus terheléseket és egyben kiegyenlítik a szöghibákat is. Rugalmas csőkuplungok: A rugalmas csőkuplungok általában egy anyagból kimunkált alkatrészek, melyekbe a befogórészek között különböző típusú bevágások kerülnek kimunkálásra. Ezek iránya lehet csavarvonal menti-, vagy a kuplung hossztengelyére merőleges elrendezésű. Működési elve azonban mindkét megoldásnak azonos: a dinamikai csillapításra és a szöghibák kiegyenlítésére egyaránt a kigyengített anyag rugalmasságát használja fel. Egy alumínium rugalmas csőkuplung beépítésére mutat kiváló példát a 1. ábra. 1. ábra Alumínium rugalmas csőkuplung - 36 -
Szánszerkezetek: A különféle szánmozgató mechanizmusoknak feladata az alkatrész, a tárgyasztal, esetleg egy egész szán mozgatása az előírt pontossági követelmények betartása mellett. Két fő komponense a lineáris egység, amely a kötött pályás elmozdulás kényszereit biztosítja, valamint a mozgató mechanika, amely a motor mozgását közvetíti a mechanizmus felé. Mivel e két komponens szorosan kapcsolódik egymáshoz, ezért elemzésük egyszerre történik. A lineáris egység lehet: Siklócsapágyas, illetve Gördülőcsapágyas kivitelű A mozgató mechanika lehet: Közvetett, illetve Közvetlen kivitelű Az eroátvitel történhet: Szíjhajtással Golyósorsó - golyósanya kapcsolattal Menetes szár anya kapcsolattal Menetes szár görgős anya kapcsolattal Gördülőcsapágyas lineáris egység: A. ábra egy gördülőcsapágyas megoldású szánszerkezetet mutat be. - 37 -
. ábra Görgős szánszerkezet A gördülőcsapágyas szánszerkezetek előnyei: Kis előtoló erő szükséglet Pontos mechanika Nincs akadozó csúszás Hosszú élettartam Egyszerű karbantartás A gördülőcsapágyas szánszerkezetek hátrányai: Költséges megvalósítás Bonyolultabb konstrukció Siklócsapágyas lineáris egység: Siklócsapágyas lineáris egységekből 3 különböző kerül bemutatásra: Szíjhajtású, menetes szár anya kapcsolattal ellátott, illetve golyósorsó golyósanya kapcsolatú. Ezek közüll kisebb terhelések esetére a szíjhajtás, valamint a menetes száras megoldás ajánlható, melyeknek megvalósítási költségük alacsony. Nagyobb terhelések-, valamint pontosság esetén a golyósorsós megoldás beépítése javasolt, ám ekkor érdemes nagyobb konstrukciós költségeket figyelembe választástól függetlenül, mindhárom esetre érvényesek a siklócsapágyas egység előnyei: Olcsó előállítás Egyszerű megvalósítás Nagy pontosság (rendszeres karbantartás esetén) Míg hátrányai: Szíjhajtás: Akadozó csúszás (kis sebességeknél) Nagy előtoló erő (karbantartás hiányában) Rövid élettartam Időigényes karbantartás - 38 - venni. A lineáris Kis teljesítményű hobby CNC gépeknél gyakori megoldás, melynek előnye a
kis költségigény, valamint az egyszerű konstrukciós kialakítás. Használata esetén elhagyható a kuplung alkalmazása, mivel a szíj jó hatásfokkal nyeli el a dinamikus rezgéseket. Amennyiben fontos a szánszerkezet motortól való elszigetelése, mind rezgés-, mind pedig a különböző hőhatások miatt, akkor szintén egy jó megoldásként kínálkozik a szíjhatás. A nem professzionális célú CNC gépek esetében, és ipari CNC gépek esetén is, fogazott szíjakat alkalmaznak, az esetleges szíjmegcsúszások elkerülése végett. Fogazott-szíj hajtás és siklócsapágyas lineáris egység kombinációját mutatja a 3. ábra. Menetes szár hajtás: 3. ábra Fogazott-szíj hajtás Ipari alkalmazásban nem fordul elő. Olcsó megvalósíthatósága miatt az amatőr CNC gépépítők körében kedvelt megoldás. Olcsósága ellenére van lehetőség előfeszített, un. kottyanásmentes hajtás építésére. Ennek során, a menetes száron lévő két hagyományos hatlapú anyát egy nyomó csavarrugóval szétfeszítik egymástól, minek következtében irányváltáskor sem keletkezik hézag a hatlapú anyák és a menetes szár menetprofiljai között. Így kis költségnövekedés csökkenthető a szánszerkezet pontatlansága. árán jelentősen - 39 -
Hátrányaként lehet megemlíteni a pontatlanabb konstrukciót, valamint a csavarmenet keménységéből eredő gyorsabb elhasználódást is. Ez utóbbit rendszeres karbantartással lassíthatjuk. Menetes szár által hajtott siklócsapágyas szerkezetet mutat a 4. ábra. megoldású Golyósorsó-golyósanya kapcsolat: 4. ábra Menetes szár alkalmazása A legelterjedtebb megoldás. Mind a nagyipari, professzionális CNC gépek, - 40 -
mind pedig a hobby szintű CNC gépek esetén legtöbbször alkalmazott konstrukció. A megoldást a 5. ábra mutatja: 5. ábra Golyósorsós megoldás Előnyei között érdemes megemlíteni, hogy rendkívül nagy teherbíró képességgel rendelkezik (teherbírása többek között függ az alkalmazott orsó és anya átmérőjétől, anyagtulajdonságától, stb.), valamint nagyon nagy pontosság érhető el vele. Létezik előfeszített és előfeszítés nélküli megoldása is, ám az előfeszítés nélküli konstrukció alkalmazásával is könnyedén elérhető az előző két megoldás pontossága. Hátrányai a bonyolultabb konstrukciós kialakítás, illetve a magasabb költségvonzat. Speciális megoldás: Érdemes megemlíteni egy speciális megoldást, melyet hobby CNC gépeknél sokan nagy szeretettel alkalmaznak. Ez a megoldás a görgős anya és menetes szár kapcsolata. Ennek lényege, hogy a menetes szár köré 3 vagy több csapágyazott, menetprofilos (de nem menetes) görgőt helyeznek, így az előtolásból adódó surlódási erő jelentős mértékben gördüléssé alakítható. A megoldás nagy hátránya, hogy bonyolult kialakítású és nagy helyigényű konstrukció. Egy görgős anyás megoldást szemléltet a 6. ábra. - 41 -
6. ábra Görgős anya 3.. Ideális konstrukció Az ideális konstrukciós kialakításnál célszerű figyelembe venni a későbbi megvalósíthatósági követelményeket: relatíve olcsó megoldás, egyszerű megépíthetőség és a körülményekhez képest a lehető legnagyobb pontossággal üzemelő szerkezet. Ezek alapján a választás a következő tulajdonságokkal rendelkező szánszerkezet megépítésére esett: Közvetett hajtás: segítségével csökken a szerkezet helyigénye, nincs szükség kuplung alkalmazására, valamint a kuplung hiányából fakadóan csökken a beépítésre kerülő tehetetlenségi nyomaték is. Golyósorsó-golyósanya kapcsolatú erőátvitel (nem előfeszített): nagyobb elérhető pontosság, de az előfeszítetlen anya miatt mégis alacsonyabb költségek. Siklócsapágyas lineáris egység: ezáltal egyszerűbb kialakítás érhető el kis költségek árán.. - 4 -
4. Megoldásváltozatok A struktúrák kidolgozásának alapja egy soros kinematikájú 3D-s megmunkáló központ, egyedi megoldásokkal bővítve [10]. 4.1. Mozgásmegosztás és rendűség Sorszám Képlet. 1. X (s,1) Y (s,) Z (s,3). X (s,1) Y (s,3) Z (s,) 3. X (s,) Y (s,1) Z (s,3) Mozgásmegosztás 4. X (s,) Y (s,3) Z (s,1) 5. X (s,3) Y (s,1) Z (s,) 6. X (s,3) Y (s,) Z (s,1) ----------------------------------------------------------------------------------------- 7. X (m,1) Y (m,) Z (m,3) 8. X (m,1) Y (m,3) Z (m,) 9. X (m,) Y (m,1) Z (m,3) Mozgásmegosztás 10. X (m,) Y (m,3) Z (m,1) 11. X (m,3) Y (m,1) Z (m,) 1. X (m,3) Y (m,) Z (m,1) ----------------------------------------------------------------------------------------- 13. X (s,1) Y (s,) Z (m,1) 14. X (s,) Y (s,1) Z (m,1) 15. X (s,1) Y (m,1) Z (s,) 16. X (s,) Y (m,1) Z (s,1) 17. X (m,1) Y (s,1) Z (s,) 18. X (m,1) Y (s,) Z (s,1) ----------------------------------------------------------------------------------------- 19. X (s,1) Y (m,1) Z (m,) 0. X (s,1) Y (m,) Z (m,1) Mozgásmegosztás + rendűség 1. X (m,1) Y (s,1) Z (m,). X (m,) Y (s,1) Z (m,1) 3. X (m,1) Y (m,) Z (s,1) 4. X (m,) Y (m,1) Z (s,1) - 43 -
1. változat:. változat: 7. ábra 8. ábra X (s,1) Y (s,) Z (s,3) X (s,1) Y (s,3) Z (s,) 3. változat: 4. változat: 9. ábra 30. ábra X (s,) Y (s,3) Z (s,1) X (s,) Y (s,1) Z (s,3) - 44 -
5. változat: 6. változat: 31. ábra 3. ábra X (s,3) Y (s,) Z (s,1) X (s,3) Y (s,1) Z (s,) 7. válozat: 8. változat: 33. ábra 34. ábra - 45 -
X (m,1) Y (m,3) Z (m,) X (m,1) Y (m,) Z (m,3) 9. változat: 10. változat: 35. ábra 36. ábra X (m,) Y (m,1) Z (m,3) X (m,) Y (m,3) Z (m,1) 11. változat: 1. változat: 37. ábra 38. ábra X (m,3) Y (m,1) Z (m,) X (m,3) Y (m,) Z (m,1) - 46 -
13. változat: 14. változat: 39. ábra 40. ábra X (s,1) Y (s,) Z (m,1) X (s,) Y (s,1) Z (m,1) 15. változat: 16. változat: - 47 -
41. ábra 4. ábra X (s,1) Y (m,1) Z (s,) X (s,) Y (m,1) Z (s,1) 17. változat: 18. változat: 43. ábra 44. ábra X (m,1) Y (s,) Z (s,1) X (m,1) Y (s,1) Z (s,) 19. változat: 0. változat: - 48 -
45. ábra 46. ábra X (s,1) Y (m,1) Z (m,) X (s,1) Y (m,) Z (m,1) 1. változat:. változat: 47. ábra 48. ábra X (m,) Y (s,1) Z (m,1) X (m,1) Y (s,1) Z (m,) 3. változat: 4. változat: - 49 -
49. ábra 50. ábra X (m,1) Y (m,) Z (s,1) X (m,) Y (m,1) Z (s,1) 4.. Ideális megoldás kiválasztása Kiválasztásnál a következők lettek figyelembe véve: A mozgások lehetőleg legyenek megosztva a szerszám és a munkadarab között. Kerüljük a szánok túlzott egymásra építését. Ne legyen túl bonyolult a szánok szerkezete. A szerszám, munkadarabhoz viszonyított nagy tömege miatt, lehetőleg két irányban mozogjon. A szerszám mozgatása a két vízszintes tengely mentén történjen, mivel a kis mozgatandó tömeg miatt szükségtelen a gépváz vízszintes irányú megerősítése a merevség fokozása végett. A két vízszintes irányú mozgás közül a gép hossziránya felé az X mozgásirány essen, tartva az ábrákon jelölt jobbsodrású Descartes koordináta rendszert. Egyszerűen lehessen előállítani, vagyis a lehető legkevesebb egyedi gyártású alkatrészt tartalmazza. A fentiek alapján ígéretesnek mutatkozó megoldások: 13. változat: X (s,1) Y (s,) Z (m,1) 14. változat: X (s,) Y (s,1) Z (m,1) 16. változat: X (s,) Y (m,1) Z (s,1) 17. változat: X (m,1) Y (s,1) Z (s,) 18. változat: X (m,1) Y (s,) Z (s,1) 3. változat: X (m,1) Y (m,) Z (s,1) 4. változat: X (m,) Y (m,1) Z (s,1) A hét legjobbnak ígérkező változat közül, az egyszerű megvalósíthatóságot figyelembe véve, a következő egyenlettel rendelkezők jöhetnek számításba: - 50 -
13. változat: X (s,1) Y (s,) Z (m,1) 14. változat: X (s,) Y (s,1) Z (m,1) 16. változat: X (s,) Y (m,1) Z (s,1) 18. változat: X (m,1) Y (s,) Z (s,1) Figyelembevéve a szánok egymáshoz viszonyított helyzetét, valamint gyorsprototípus gyártó gép megvalósításának lehetőségeit, a legjobbnak az alábbi egyenlettel megadott megoldásváltozat adódott: 13. változat: X (s,1) Y (s,) Z (m,1) A fenti változat jelképes rajzát az 51. ábra mutatja be: 51.ábra X (s,1) Y (s,) Z (m,1) - 51 -
5. Előtolóhajtás számítása Az alábbiakban a 4. fejezetben kiválasztott megoldás kinematikai tervezése történik, melynek során kiszámításra kerül az adott szánszerkezet körerősítési tényezője. A korábban kiválasztott megoldás további két változatra lesz felosztva: egy pontatlanabbra, illetve egy pontosabbra, ezzel demonstrálva a nagyobb pontossággal járó kisebb vagy nagyobb körerősítési tényező eltéréseket. Az előtolóerő minden esetben a műanyag habok forgácsolással szembeni kis ellenállásán alapul. Vizsgálandó változatok: a. s =,5 mm, a léptetőmotor és golyósorsó között k = 0,5 (i = ) hajtóviszonyú fogazott szíjhajtással b. s =,5 mm, a léptetőmotor és golyósorsó között k = 1 hajtóviszonyú fogazott szíjhajtással Főbb számítási adatok (összes szánra): Maximális szánsebesség: v max = m/min Maximális gyorsulás: a max =,5 m/s Súrlódási együttható: m = 0,1 Hatásfok (szíjhajtás): h szíj = 0,8 Orsó menetemelkedése ( a eset): s =,5 mm Orsó menetemelkedése ( b eset): s =,5 mm - 5 -
5.1. X szánirány 5.1.1. Kinematikai tervezés A szán tömege: ρ = 700 kg / m 3 sűrűséget véve alapul: 3 kg. Terhelőerő (szán + munkadarab): F t = 80 N Előtoló erő: F e = 8 N A nyomaték: A szükséges M E forgatónyomaték számítása a következő egyenlettel történik. M F = 10 e E 3 s πi η a, 8,5 M E = = 0,0019 0, 00Nm 3 10 π 0,8 b, 3,5 M E = = 0,0039 0, 004Nm 3 10 π 1 0,8 A fordulatszám: Tengelyirányban m/min sebességet kell biztosítani, ezzel a szükséges motorfordulatszám a következőképpen számítható. i s 3 max 10 n M = ν a, n M = 10,5 3 = 1600 1 min b, n M A választott motorok: 1 10 =,5 3 = 800 1 min - 53 -
a, 3-SH56-04-8W: M E = 1,0 Nm b, 3-SH76-040-8W: M E = 1,5 Nm 5.1.. Tehetetlenségi nyomatékok meghatározása Minden nyomatékot a motor tengelyére redukálunk a számítások során. A szán tehetetlenségi nyomatéka: Számítása a következő képlettel történik. a, b, J L J L J L G = g s 1 π 4 10 i 50 = 9,81 10 50 = 9,81 10,5 π 1 5 7,017 10 Ncms,017 10 4 = =,5 π 1 1 5 7 = 8,069 10 Ncms = 8,069 10 4 kgm kgm Az orsó tehetetlenségi nyomatéka: A számított orsóhossz: l = 500 mm J s = D 4 l π γ 11 3, 10 g i ahol γ az alumínium fajsúlya (γ = 7 N/dm3) a, J s 4 16 600 π 7 = 11 3, 10 9,81,656 10 4 Ncms =,656 10 6 kgm b, J s 4 16 600 π 7 = 1,06 10 11 3, 10 9,81 1 A motorok tehetetlenségi nyomatéka: 3 Ncms = 1,06 10 5 kgm a, J M = 0,000 kgm b, J M = 0,0006 kgm A szíjtárcsák tehetetlenségi nyomatéka: A motorok teljesítményei: a, P = M E π n = 0,168 kw = (0,3 LE) - 54 -
b, P = M E π n = 0,15 kw = (0,17 LE) A motorteljesítmények alapján az 5,08 mm-es fogosztású szíj nagy biztonsággal nyújt megfelelő teljesítményt. Az előzetesen számított tengelytáv: a = 60 mm Szíjszámítás az a változatra: Előzetesen felvett szíjtárcsák: 1, z = 10; d k = 15,67 mm; d 0 = 16,17 mm z = 0; d k = 31,84 mm; d 0 = 3,34 mm Szíjhossz számítása: ( d + d ) 01 0 L B = π ( d 01 + d0 ) + a + 198mm 4 a Szabványos szíjhossz: SKF 76 - Xl; L B = 03, mm Fogszámok a szíjon: Z B = 03, / 5,08 = 40 Fogszám különbségek: Z B z 1 = 30 z z 1 = 10 Átfogási fogszám: a modul: m = 1.617 ( z z) 1 m sinα = α 7,7 a β = 180 α 164,6 z A valós tengelytáv: A szíjsebesség: e z1 β = = 4,57 4 360 d01 π d0 π a = LB β = 4 180 180 ( 180 + α ) / 6, mm P S 10 0,3 1,5 10 b = = 1,38mm b = 6,4mm P Z 0,633 4 SP e - 55 -
Ahol: P - teljesítmény [LE] S biztonsági tényező P SP módosító tényező Z e átfogási fogszám A szabványos szíjszélesség alapján a választott szíjtárcsa-szélesség B = 14,3 mm A tárcsák tömegei: ρ = 700 kg / m3 sűrűség esetén (Alumínium) 1, m 1 = 0,0075 kg, m = 0,03 kg A tehetetlenségi nyomatékok: 1,, J J 1 d k 7 t1 = m1 =,3 10 kgm 1 d k 1 7 t = m = 9,5 10 i kgm Szíjszámítás az b változatra: Előzetesen felvett szíjtárcsák: 1, z = 15; d k = 3,76 mm; d 0 = 4,6 mm, z = 15; d k = 3,76 mm; d 0 = 4,6 mm Szíjhossz számítása: Szabványos szíjhossz: ( d + d ) 01 0 L B = π ( d 01 + d0 ) + a + 196mm 4 a SKF 70 - Xl; L B = 03, mm Fogszámok a szíjon: Z B = 03, / 5,08 = 40 Fogszám különbségek: Z B z 1 = 5-56 -
z z 1 = 0 Átfogási fogszám: a modul: m = 1,617 z z1 m sinα = α 0 a β = 180 α 180 z e z1 β = = 5 360 A valós tengelytáv: A szíjsebesség: b = d01 π d0 π a = LB β = 5 180 180 ( 180 + α ) / 63, mm P S 10 0,17 1,5 10 = 0,8mm b = 6,4mm P Z 0,633 5 SP e Ahol: P - teljesítmény [LE] S biztonsági tényező P SP módosító tényező Z e átfogási fogszám A szabványos szíjszélesség alapján a választott szíjtárcsa-szélesség B = 14,3 mm A tárcsák tömegei: ρ = 700 kg / m3 sűrűség esetén (Alumínium) 1, m 1 = 0,017 kg, m = 0,017 kg A tehetetlenségi nyomatékok: 1,, J J 1 d k 6 t1 = m1 = 1, 10 kgm 1 d k 1 6 t = m = 1, 10 i kgm Az össztehetetlenségi nyomatékok: - 57 -
a, J T = J M + J S + J K + J 4 t1 + J t =,061 10 kgm =,061 10 Ncms b, J T = J M + J S + J K + J 4 t1 + J t =,738 10 kgm =,738 10 Ncms 5.1.3. Az időállandó meghatározása A motorok gyorsulási nyomatéka: a, M B = 1, Nm b, M B = 1,8 Nm Ezek alapján az időállandók: nm J T a, Tm = 1,05 60ms M η B suíj nm J T b, Tm = 1,05 7ms M η B suíj A gyorsulás: A gyorsulás számítása a következő képlettel történik: a = 16,67 v max T m m a, a = 16,67 = 0,55 60 s m b, a = 16,67 = 1,3 7 s A fentiekből látszik, hogy mind a k = 1 -es, mind pedig a k = 0,5 ös hajtóviszonnyal megvalósított szíjhajtás esetén a megengedett határon belül marad a gyorsulás. Akármelyik változat alkalmazható a tervezés során. 5.1.4. A körerősítési tényező A pályapontosság betartásához egyformán nagy Kv tényező szükséges minden - 58 -
tengelyirányban. 60 a, K v 1 T = m 60 b, K v, T = m Figyelembe véve, hogy a továbbiakban az Y, illetve Z irányban is szükséges számításokat végezni, a változatok közötti mérlegelésre a teljes számítási folyamat végén kerül sor. 5.. Y szánirány 5..1. Kinematikai tervezés A szán tömege: ρ = 700 kg / m 3 sűrűséget véve alapul: 3 kg. Terhelőerő (szán + munkadarab): F t = 30 N Előtoló erő F e = 3 N A nyomaték: A szükséges M E forgatónyomaték számítása a következő egyenlettel történik. M F = 10 e E 3 s πi η a, 3,5 M E = = 0,0007 0, 001Nm 3 10 π 0,8 b, 3,5 M E = = 0,009 0, 0015Nm 3 10 π 1 0,8 A fordulatszám: Tengelyirányban m/min sebességet kell biztosítani, ezzel a szükséges motorfordulatszám a következőképpen számítható. i s 3 max 10 n M = ν a, n M = 10,5 3 = 1600 1 min - 59 -
b, n M = 1 10,5 3 = 800 1 min A választott motorok: a, 3-SH56-04-8W: M E = 0,5 Nm b, 3-SH76-040-8W: M E = 1,0 Nm 5... Tehetetlenségi nyomatékok meghatározása Minden nyomatékot a motor tengelyére redukálunk a számítások során. A szán tehetetlenségi nyomatéka: Számítása a következő képlettel történik. a, b, J L J L J L G = g s 1 π 4 10 i 14 = 9,81 10 14 = 9,81 10,5 π 1 6 8 = 5,648 10 Ncms = 5,648 10 4,5 π 1 1 5 7 =,6 10 Ncms =,6 10 4 kgm kgm Az orsó tehetetlenségi nyomatéka: A számított orsóhossz: l = 500 mm J s = D 4 l π γ 11 3, 10 g i ahol γ az alumínium fajsúlya (γ = 7 N/dm3) a, J s 4 16 500 π 7 = 11 3, 10 9,81,14 10 4 Ncms =,14 10 6 kgm b, J s 4 16 500 π 7 = 11 3, 10 9,81 1 A motorok tehetetlenségi nyomatéka: 8,854 10 4 Ncms = 8,854 10 6 kgm a, J M = 0,00015 kgm - 60 -
b, J M = 0,000 kgm A szíjtárcsák tehetetlenségi nyomatéka: A motorok teljesítményei: a, P = M E π n = 0,083 kw = (0,114 LE) b, P = M E π n = 0,083 kw = (0,114 LE) A motorteljesítmények alapján az 5,08 mm-es fogosztású szíj nagy biztonsággal nyújt megfelelő teljesítményt. Az előzetesen számított tengelytáv: a = 50 mm Szíjszámítás az a változatra: Előzetesen felvett szíjtárcsák: 1, z = 10; d k = 15,67 mm; d 0 = 16,17 mm, z = 0; d k = 31,84 mm; d 0 = 3,34 mm Szíjhossz számítása: ( d + d ) 01 0 L B = π ( d 01 + d0 ) + a + 178mm 4 a Szabványos szíjhossz: SKF 76 - Xl; L B = 193,04 mm Fogszámok a szíjon: Z B = 193,04 / 5,08 = 38 Fogszám különbségek: Z B z 1 = 8 z z 1 = 10 Átfogási fogszám: a modul: m = 1.617 A valós tengelytáv: ( z z ) 1 m sinα = α 9,3 a β = 180 α 161,4 z e z1 β = = 4,48 4 360-61 -
A szíjsebesség: d01 π d 0 π a = LB β = 1 180 180 ( 180 + α ) / 57, mm P S 10 0,114 1,5 10 b = = 0,7mm b = 6,4mm P Z 0,633 4 SP e Ahol: P - teljesítmény [LE] S biztonsági tényező P SP módosító tényező Z e átfogási fogszám A szabványos szíjszélesség alapján a választott szíjtárcsa-szélesség B = 14,3 mm A tárcsák tömegei: ρ = 700 kg / m3 sűrűség esetén (Alumínium) 1, m 1 = 0,0075 kg, m = 0,03 kg A tehetetlenségi nyomatékok: 1,, J J 1 d k 7 t1 = m1 =,3 10 kgm 1 d k 1 7 t = m = 9,5 10 i kgm Szíjszámítás az b változatra: Előzetesen felvett szíjtárcsák: 1, z = 15; d k = 3,76 mm; d 0 = 4,6 mm, z = 15; d k = 3,76 mm; d 0 = 4,6 mm Szíjhossz számítása: ( d + d ) 01 0 L B = π ( d 01 + d0 ) + a + 176mm 4 a - 6 -
Szabványos szíjhossz: SKF 70 - Xl; L B = 177,8 mm Fogszámok a szíjon: Z B = 177,8 / 5,08 = 35 Fogszám különbségek: Z B z 1 = 0 z z 1 = 0 Átfogási fogszám: a modul: m = 1.617 z z1 m sinα = α 0 a β = 180 α 180 z e z1 β = = 5 360 A valós tengelytáv: d01 π d0 π a = LB β = 8 180 180 A szíjsebesség: b = ( 180 + α ) / 50, mm P S 10 0,114 1,5 10 = 0,55mm b = 6,4mm P Z 0,633 5 SP e Ahol: P - teljesítmény [LE] S biztonsági tényező P SP módosító tényező Z e átfogási fogszám A szabványos szíjszélesség alapján a választott szíjtárcsa-szélesség B = 14,3 mm A tárcsák tömegei: ρ = 700 kg / m3 sűrűség esetén (Alumínium) 1, m 1 = 0,017 kg, m = 0,017 kg A tehetetlenségi nyomatékok: - 63 -
1,, J J 1 d k 6 t1 = m1 = 1, 10 kgm 1 d k 1 6 t = m = 1, 10 i kgm Az össztehetetlenségi nyomatékok: a, J T = J M + J S + J K + J 4 t1 + J t = 1,535 10 kgm = 1,535 10 Ncms b, J T = J M + J S + J K + J 4 t1 + J t =,115 10 kgm =,115 10 Ncms 5..3. Az időállandó meghatározása A motorok gyorsulási nyomatéka: a, M B = 0,6 Nm b, M B = 1, Nm Ezek alapján az időállandók: nm J T a, Tm = 1,05 89ms M η B suíj nm J T b, Tm = 1,05 31ms M η B suíj A gyorsulás: A gyorsulás számítása a következő képlettel történik: a = 16,67 v max T m m a, a = 16,67 = 0,375 89 s m b, a = 16,67 = 1,075 31 s - 64 -
A fentiekből látszik, hogy mind a k = 1 -es, mind pedig a k = 0,5 ös hajtóviszonnyal megvalósított szíjhajtás esetén a megengedett határon belül marad a gyorsulás. Akármelyik változat alkalmazható a tervezés során. 5..4. A körerősítési tényező A pályapontosság betartásához egyformán nagy Kv tényező szükséges minden tengelyirányban. 60 a, K v 0, 67 T = m 60 b, K v 1, 93 T = m 5.3. Z szánirány 5.3.1. Kinematikai tervezés A szán tömege: ρ = 700 kg / m 3 sűrűséget véve alapul: 3 kg. Terhelőerő (szán + munkadarab): F t = 30 N Előtoló erő: F e = 33 N A nyomaték: A szükséges M E forgatónyomaték számítása a következő egyenlettel történik. M F = 10 e E 3 s πi η a, 33,5 M E = = 0,008 0, 009Nm 3 10 π 0,8 b, 33,5 M E = = 0,0164 0, 017Nm 3 10 π 1 0,8-65 -
A fordulatszám: Tengelyirányban m/min sebességet kell biztosítani, ezzel a szükséges motorfordulatszám a következőképpen számítható. i s 3 max 10 n M = ν a, n M = 10,5 3 = 1600 1 min b, n M = 1 10,5 3 = 800 1 min A választott motorok: a, 3-SH56-04-8W: M E = 0,5 Nm b, 3-SH76-040-8W: M E = 1,0 Nm 5.3.. Tehetetlenségi nyomatékok meghatározása Minden nyomatékot a motor tengelyére redukálunk a számítások során. A szán tehetetlenségi nyomatéka: Számítása a következő képlettel történik. a, b, J L J L J L G = g s 1 π 4 10 i 30 = 9,81 10 = 30 9,81 10,5 π 1 5 7 = 1,1 10 Ncms = 1,1 10 4,5 π 1 1 5 7 = 4,841 10 Ncms = 4,841 10 4 kgm kgm Az orsó tehetetlenségi nyomatéka: A számított orsóhossz: l = 350 mm J s = D 4 l π γ 11 3, 10 g i ahol γ az alumínium fajsúlya (γ = 7 N/dm3) - 66 -
a, J s 4 16 350 π 7 = 11 3, 10 9,81 = 1,55 10 4 Ncms = 1,55 10 6 kgm b, J s 4 16 350 π 7 = 11 3, 10 9,81 1 A motorok tehetetlenségi nyomatéka: = 6,198 10 4 Ncms = 6,198 10 6 kgm a, J M = 0,00015 kgm b, J M = 0,000 kgm A szíjtárcsák tehetetlenségi nyomatéka: A motorok teljesítményei: a, P = M E π n = 0,168 kw = (0,114 LE) b, P = M E π n = 0,15 kw = (0,114 LE) A motorteljesítmények alapján az 5,08 mm-es fogosztású szíj nagy biztonsággal nyújt megfelelő teljesítményt. Az előzetesen számított tengelytáv: a = 50 mm Szíjszámítás az a változatra: Előzetesen felvett szíjtárcsák: 1, z = 10; d k = 15,67 mm; d 0 = 16,17 mm z = 0; d k = 31,84 mm; d 0 = 3,34 mm Szíjhossz számítása: Szabványos szíjhossz: - 67 - ( d + d ) 01 0 L B = π ( d 01 + d0 ) + a + 178mm 4 a SKF 76 - Xl; L B = 193,04 mm Fogszámok a szíjon: Z B = 193,04 / 5,08 = 38 Fogszám különbségek: Z B z 1 = 8 z z 1 = 10 Átfogási fogszám: a modul: m = 1.617
( z z) 1 m sinα = α 9,3 a β = 180 α 161,4 z A valós tengelytáv: A szíjsebesség: e z1 β = = 4,48 4 360 d01 π d 0 π a = LB β = 1 180 180 b = ( 180 + α ) / 57, mm P S 10 0,114 1,5 10 = 0,7mm b = 6,4mm P Z 0,633 4 SP e Ahol: P - teljesítmény [LE] S biztonsági tényező P SP módosító tényező Z e átfogási fogszám A szabványos szíjszélesség alapján a választott szíjtárcsa-szélesség B = 14,3 mm A tárcsák tömegei: ρ = 700 kg / m3 sűrűség esetén (Alumínium) 1, m 1 = 0,0075 kg, m = 0,03 kg A tehetetlenségi nyomatékok: 1,, J J 1 d k 7 t1 = m1 =,3 10 kgm 1 d k 1 7 t = m = 9,5 10 i kgm Szíjszámítás az b változatra: Előzetesen felvett szíjtárcsák: - 68 -
1, z = 15; d k = 3,76 mm; d 0 = 4,6 mm, z = 15; d k = 3,76 mm; d 0 = 4,6 mm Szíjhossz számítása: ( d + d ) 01 0 L B = π ( d 01 + d0 ) + a + 176mm 4 a Szabványos szíjhossz: SKF 70 - Xl; L B = 177,8 mm Fogszámok a szíjon: Z B = 177,8/ 5,08 = 35 Fogszám különbségek: Z B z 1 = 5 z z 1 = 0 Átfogási fogszám: a modul: m = 1,617 z z1 m sinα = α 0 a β = 180 α 180 z e z1 β = = 5 360 A valós tengelytáv: d01 π d0 π a = LB β = 8 180 180 ( 180 + α ) / 50, mm A szíjsebesség: P S 10 0,114 1,5 10 b = = 0,55mm b = 6,4mm P Z 0,633 5 SP e Ahol: P - teljesítmény [LE] S biztonsági tényező P SP módosító tényező Z e átfogási fogszám A szabványos szíjszélesség alapján a választott szíjtárcsa-szélesség B = 14,3 mm A tárcsák tömegei: ρ = 700 kg / m3 sűrűség esetén (Alumínium) - 69 -
1, m 1 = 0,017 kg, m = 0,017 kg A tehetetlenségi nyomatékok: 1,, J J 1 d k 6 t1 = m1 = 1, 10 kgm 1 d k 1 6 t = m = 1, 10 i kgm Az össztehetetlenségi nyomatékok: a, J T = J M + J S + J K + J 4 t1 + J t = 1,59 10 kgm = 1,59 10 Ncms b, J T = J M + J S + J K + J 4 t1 + J t =,09 10 kgm =,09 10 Ncms 5.3.3. Az időállandó meghatározása A motorok gyorsulási nyomatéka: a, M B = 0,6 Nm b, M B = 1, Nm Ezek alapján az időállandók: A gyorsulás: nm J T a, Tm = 1,05 89ms M η B suíj nm J T b, Tm = 1,05 30ms M η B suíj - 70 -
A gyorsulás számítása a következő képlettel történik: a = 16,67 v max T m m a, a = 16,67 = 0,37 60 s m b, a = 16,67 = 1,11 7 s A fentiekből látszik, hogy mind a k = 1 -es, mind pedig a k = 0,5 ös hajtóviszonnyal megvalósított szíjhajtás esetén a megengedett határon belül marad a gyorsulás. Akármelyik változat alkalmazható a tervezés során. 5.3.4. A körerősítési tényező A pályapontosság betartásához egyformán nagy Kv tényező szükséges minden tengelyirányban. 60 a, K v 0, 67 T = m 60 b, K v T = m 5.4. Összegzés Amint azt az előbbi számításokból is láthattuk, a körerősítési tényezőt sok tényező befolyásolja. Ezek között említhetjük elsősorban a mozgatott munkadarab tömegét (esetünkben elhanyagolható), a mozgatott szánszerkezetek tömegét, a motorok hajtónyomatékát, valamint az egyes irányokban különbözőképpen jelentkező súrlódási tényezőket. A szánirányoknál számított körerősítési tényezők: X: Kv =,00 Y: Kv = 1,93-71 -
Z: Kv =, Ezek alapján az Z irányú szánszerkezetre érvényes körerősítési tényező értékét csökkenthetjük extra tömeg alkalmazásával, vagy erősebb motor használatával. Az Y irányt vettem alapul, így ennek értékén nem szükséges változtatni. Ehhez az értékhez közelítem a másik két szánszerkezet körerősítési értékét. A Z irányban növelhetjük az értéket gyengébb motor, vagy nehezebb szerkezet alkalmazásával. Mindezeket figyelembe véve, a vezérléshez választott szoftver segítségével tovább szabályozhatók az egyes körerősítési tényezők, és egyben a motorok gyorsításai illetve sebességei, így a körerősítési tényezők finomhangolhatók. 6. Geomatriai tervezés Jelen fejezetben a geometriai tervezés néhány lépése kerül bemutatásra a teljesség igénye nélkül. A berendezés teljes összeállítási-, valamint metszeti rajzai elérhetőek mellékletként (SZG-010-0M D1 SZG-010-0M D4 mellékletek). A D-s összeállítási rajzok azonban nem szolgálnak információval sok kiegészítő alkatrész elhelyezkedésével kapcsolatban. Ennek kiküszöbölésére rendelkezésre áll a teljes modellgyártó berendezés 3D-s modellje, összeállítással, digitális formában (SZG-010-0M M-es melléklet). 6.1 A munkadarab asztal - 7 -
A munkadarab PT profilú nútlap asztal, melynek forrása az ISEL Magyarország KFT. [8] Méretei a következők : 350x50x50 mm, anyaga natúr eloxált alumínium, mindkét oldala síkba mart. Súlya: 3,374 kg. Az asztal méreteit a 53. ábra mutatja. 53. ábra Munkaasztal 6. A vezető sin A vezető sin lineáris vezető sín, melynek forrása az ISEL Magyarország KFT. [8] A csúszó felület db átmérő 1 mm-es precíziós acéltengely, amely csavarási igénybevétellel ellenálló. A két acéltengely natúr eloxált tengelytartó profilra van rögzítve. A tengelytartó rögzítése alulról menetes sínnel vagy a fentről M6 átmenő furaton 50 mm-es osztásban lehetséges. Méretei: szélesség 36 x magasság 4.5 mm, súlya:.9 kg/m. A vezetősínre egy WS 8 típusú csúszka van rögrítve, amely játékmentesen beállítható köszörült acéllap kenési lehetőséggel. - 73 -
54. ábra vezetősín Terhelési adatok: Behajlás: 55. ábra Terhelési adatok - 74 -
6.3 Tartó szerkezet 56.ábra Behajlás A modellgyártó berendezés felépítése miatt a gépváz, valamint a szánszerkezetek külön-külön egységet alkotnak. A moduláris felépítés miatt lehetőség van a gépkialakítás megváltoztatására, bizonyos ésszerűségi határokon belül. A gép tartó szerkezet ISEL PS 80-as és a ISEL PS 50 profilú natúr eloxált alumínium szelvények alkotják, forrása az ISEL Magyarország KFT. [8] 57. ábra Technikai adatok - 75 -
58. ábra Tartó szerkezet A profilok rögzítése az ISEL Magyarország KFT. [8] által forgalmazott profil gyors összekötők segítségével történt. 59. ábra - 76 -
6.4 Hajtás elemek A profilok egymáshoz rögzítése Választott léptető motorok: a: 3-SH56-04-8W-6.35-6.35-1.3 M E = 1.3 Nm b: 3-SH76-040-8W-6.35-6,35-1.9 M E = 1.9 Nm 60. ábra Léptető motor [11] 6.5 Golyós orsó Jellemzők: Ø16 mm, hengerelt, keményített és polírozott Anyaga CF 53, induktív eljárással keményített (HRC 60±); (a vonatkozó információkat a DIN 171 szabványban találja) Menetelelkedés:,5/4/5/10 és 0 mm Max. Szállító hossz 305 mm Végmegmunkálás isel-standard szerint vagy vevőspecifikáció alapján Gyártás a DIN 69051 szabvány 3 része szerint, Toleranciaosztály 7-77 -
61. ábra Golyós orsó 6.6 Szerelési és karbantartási útmutató Golyósanya összeszerelés: A holtjátékot az anya és az orsó között a beállító csavarral (6. ábra) állítjuk be. Meg vizsgáljuk a játékot az orsó teljes hosszában (a tengelyirányú játék radiális szorítással állítható). A golyósorsót radiális feszítéssel kell beszerelni: mialatt a csapágyat rátesszük, a szánt mozgatjuk oda vissza. Kenési utasítás: Üzembe helyezés előtt feltétlen be kell kennünk az orsót a teljes menethosszon az anya segítségével (6. ábra). Kenőanyagnak szokásos - 78 -