Abstrakt: Abstract: Klíčová slova: Key words:

:=73/ª9©)2®8)',2-'/ª:&62 &62392-:)67-8=3*8)',2303+=

*%/908%7863.2®,3-2p)2¾678:® »78%::¾63&2®',7863.º7=78ª1º% 63&38-/= *%'908=3*1)',%2-'%0)2+-2))6-2+ -278-898)3*463(9'8-321%',-2)77=78)17%2( 63&38-'7

3(/0¢(%'®>%¹®>)2®463:¾122ª,0%:= 3&6¢&'®,3')286% 78%'/-2+():-')*366)40%')%&0),)%(73*1%',-2+')28)6

(-40313:¢46¢') (-4031%8,)7-7

%983646¢')

.37)*:©)0-'%

%98,36

:)(39'®46¢') 794)6:-736

&623

-RK*6%28-l)/&6%(¢©4L(

Abstrakt: Diplomová práce se zabývá vyřešením automatické výměny hlav ve vysokorychlostním obráběcím centru, tak aby nebylo při této výměně zapotřebí lidského faktoru. To znamená, že budou použité prvky automatické připojené přímo k programu, jako jsou kuličkový šroub, lineární vedení, hydraulické prvky atd.

Abstract: Diploma work deal winth resolution automatic heads for high-speed shaping centers exchangas, so there was not those exchanges need of the human factor. It meaning that will using element automatic interface directly to programme as are Ball screw drives, ball rail systems, hydraulic element atc.

Klíčová slova: vysokorychlostní frézovací centra, automatická výměna frézovací hlava

Key words: High-speed machining centers; replaceable hrade, automatic milling heads changing

Bibliografická citace mé práce: VČELICA, J. Odkládací zařízení pro výměnné hlavy obráběcího centra. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2009. 58 s. Vedoucí diplomové práce Ing. František Bradáč, Ph.D.

Místopřísežné prohlášení:

„Místopřísežně prohlašuji, že jsem byl seznámen s předpisy pro vydávání diplomové práce a že jsem celou Diplomovou práci včetně příloh vypracoval samostatně. Ustanovení předpisů pro vydání Diplomové práce jsem vzal na vědomí a jsem si vědom toho, že v případě jejich nedodržení nebude vedoucím Diplomové práce moje práce přijata.“

Brno, 17.10. 2008

Josef Včelica

Poděkování:

Na tomto místě bych chtěl poděkovat za přínosnou spolupráci při řešení Diplomové práce panu Ing. Radimu Andrýskovy z firmy Trimill, panu Ing. Františku Bradáčovy za předávání cenných informací i mimo pracovní hodiny. Také bych rád poděkaval rodičům za silnou podporu v průběhu zpracování diplomové práce.

Ústav výrobních strojů, systémů a robotiky Str. 9

DIPLOMOVÁ PRÁCE Obsah 1 Zadání .................................................................................................................... 11 2 Úvod....................................................................................................................... 12 2.1 Několik slov o zadavatelské firmě.................................................................... 12 2.2 Ukázka produktů firmy TRIMILL ...................................................................... 12 3 Popis obráběcích hlav ............................................................................................ 14 3.1 Koncepce obráběcích hlav .............................................................................. 15 3.1.1 Konstrukční řešení osy A .......................................................................... 15 3.1.2 Konstrukční řešení osy C .......................................................................... 16 3.2 Přehled firem vyrábějící obráběcí hlavy........................................................... 17 3.3 Upínání nástrojů .............................................................................................. 18 3.4 Požívané nástroje při frézování ....................................................................... 18 3.5 Automatická výměna nástroje.......................................................................... 20 4 Rozbor řešení......................................................................................................... 21 4.1 Umístění odkládacího zařízení ........................................................................ 21 4.2 Popis použitých obráběcích hlav a jejich vlastnosti ......................................... 22 4.3 Popis dosavadního řešení v praxi.................................................................... 23 5 Návrh pohonu posunového mechanizmu ............................................................... 25 5.1 Elektrické (elektromechanické) pohony ........................................................... 25 5.2 Mechanický pohon: pastorek – ozubený hřeben: ............................................ 26 5.3 Hydraulický pohon: .......................................................................................... 26 5.4 Návrh pohonu kuličkovým šroubem................................................................. 27 6 Návrh uložení obráběcích hlav............................................................................... 29 6.1 Navrhnutí skříně .............................................................................................. 29 6.2 Uložení na středící a ustavovací čepy ............................................................. 30 7 Návrh pohonu......................................................................................................... 32 7.1 Výpočet kuličkového šroubu ............................................................................ 32 7.1.1 Výpočet trvanlivosti kuličkového šroubu:................................................... 33 7.1.2 Uložení kuličkového šroubu: ..................................................................... 34 7.1.3 Návrh a volba motoru................................................................................ 37 Charakteristiky lineárního valivého vedení:........................................................ 37 7.2 Koncepce pohonu pomocí hydraulického válce a dorazu................................ 39 7.3 Vyhodnocení správné polohy zařízení............................................................. 41 7.4 Konstrukce svařované základny pro hydraulický pohon: ................................. 43 7.5 Lineární vedení ................................................................................................ 44 7.5.1 Konstrukční návrh valivého vedení: .......................................................... 44 7.5.2 Návrh valivého hnízda:.............................................................................. 45 8 Ochranné a krytovací prvky.................................................................................... 47 8.1 Krytování pojezdové plochy............................................................................. 47 9 Konstrukční úpravy základové plochy: ................................................................... 49 10 Porovnání variant ................................................................................................. 50 10.1 Porovnání z hlediska kladů a záporu ............................................................. 50 10.2 Porovnání z hlediska ekonomické nákladovosti: ........................................... 51 10.2.1 Nákladovost stávajícího řešení: .............................................................. 51 10.2.2 Nákladovost varianty s hydraulickým pohonem: ..................................... 51 10.2.3 Nákladovost varianty pohonem kuličkovým šroubem:............................. 52 11 Závěr .................................................................................................................... 53 12 Použitá literatura a elektronické zdroje ................................................................ 54 13 Seznam použitých značek.................................................................................... 56


DIPLOMOVÁ PRÁCE 14 Seznam příloh a výkresové dokumentace ........................................................... 58


DIPLOMOVÁ PRÁCE 1 Zadání Navrhněte odkládací zařízení pro tři výměnné hlavy obráběcího centra. Zařízení bude určeno pro hrubovací, úhlovou a naklápěcí hlavu. Zadání se skládá z návrhu uložení výměnných hlav, posuvného mechanizmu pro transport zařízení do výměnné polohy a krytování posuvného mechanizmu při dodržení níže uvedených parametrů a příslušných norem bezpečnosti práce. - přesnost polohování 0,05 mm - pojezd 1000 mm - rychlost 5m/min - zrychlení 0,5 m/s2 - hmotnosti hlav: 900, 950 a 500 kg


DIPLOMOVÁ PRÁCE 2 Úvod 2.1 Několik slov o zadavatelské firmě Společnost TRIMILL, a.s. byla založena v první polovině roku 2000 jako akciová společnost se sídlem ve Zlíně – CZ. Ve Zlínském regionu je dlouhodobá tradice výroby obráběcích strojů od roku 1903, včetně základny mnoha vynikajících odborníků ve strojírenském oboru, jež řada z nich nachází uplatnění i v naší společnosti. Firma má i kancelář v Německu, která zajišťuje přímé spojení s německými a západoevropskými zákazníky. Firma Trimill, a.s. převzala v počátku jejího vzniku výrobu jednoho úspěšně zavedeného obráběcího centra, které dále vyvíjela. Ve stejnou dobu pracovala její konstrukční kancelář s mimořádným nasazením na vývoji celé řady obráběcích center, které si získaly velmi dobrou pověst pro svoje vysoké technické parametry, přesnost a spolehlivost a zvláště na německém trhu se ukázaly jako velmi úspěšné. Již na konci roku 2000 předvedla firma Trimill, a.s. nový prototyp pětiosého vertikálního obráběcího centra Depomill, které na brněnském veletrhu v roce 2001 získalo zlatou medaili a na podzim roku 2001 představili větší horizontální obráběcí centrum. Posléze přidali i další obráběcí centra a tím se jejich sortiment čím dál více rozrůstal. Nosnými programy společnosti TRIMILL, a.s. jsou vývoj, konstrukce, montáž, prodej a servis obráběcích center. Servisní činnosti věnuje mimořádnou pozornost a patří k silné stránce programu společnosti. Specializují se zejména na výrobu a dodávku vysokorychlostních obráběcích center pro výrobu lisovacích nástrojů, forem, přípravků a zápustek pro automobilový, letecký a plastikářský průmysl. Obr. 2-1 Předváděcí středisko firmy TRIMILL

2.2 Ukázka produktů firmy TRIMILL V současné době vyrábí vysokorychlostní vertikální a horizontální obráběcí centra s rozjezdy v osách x, y, z od 1000 / 1100 / 700 mm až do rozjezdů 4500 / 2500 / 1250 mm s možnostmi obrábění ve třech až sedmi CNC řízených osách. Konstrukční kancelář současně pokračuje velmi aktivně ve vývoji dalších nových typů obráběcích center pro pokrytí většího sortimentu nejnáročnějších výrobních aplikací.


DIPLOMOVÁ PRÁCE Jeden z prvních produktů - DEPOMILL: - pětiosé (3+2) centrum, 4. a 5. osa pro řízení univerzální frézovací hlavy - vysokofrekvenční motor hlavního vřetena 25 kW, 12.000 min-1, 200 Nm s upínacím kuželem HSK 100 - řídící systém HEIDENHAIN iTNC 530 - vnitřní chlazení nástroje středem vřetena – vzduchem - automatický výměník pro 10 nástrojů Technické údaje: Pracovní pojezd osy X, Y, Z: 2.300 mm, 1.200 mm, 800 mm Hmotnost obrobku: max. 15.000 kg Rychloposuv osy X, Y, Z: 30 m/min Zrychlení osy X, Y, Z: do 3 m/s2 Hmotnost stroje 23.000 kg Přesnost polohování (X, Y, Z) 0,008 mm Opakovaná přesnost (X, Y, Z) 0,006 mm Průměr nástroje: max. 110 mm Délka nástroje: max. 300 mm

Obr. 2-1 stroj DEPOMILL Dodávaný stroj s největší pracovním prostorem - VF 4525: -

Největší pětiosé portálové obráběcí centrum Pojezd v ose X - 3.500 až 6.500 mm Vidlicová hlava indexovací nebo pro souvislé obrábění Vysoký výkon, tuhost a přesnost obrábění Konstruované jako „horní Gantry“ pro hrubovací i jemné dokončovací operace Automatický výměník pro 30 nástrojů

Obr. 2-2 stroj VF 4525

Technické údaje VF 4525: Pracovní pojezd osa (X, Y, Z): 4.500 mm, 2.500 mm, 1.250 mm Hmotnost obrobku: max. 10.000 kg/m2 Pracovní posuv Osy X, Y, Z : max. 20.000 mm/min Zrychlení Osy X, Y, Z 2,5 m/s2 Hmotnost stroje: 67.000 kg Přesnost polohování (X, Y, Z) 0,008 mm Opakovaná přesnost (X, Y, Z) 0,006 mm


DIPLOMOVÁ PRÁCE 3 Popis obráběcích hlav Pro zvýšení výrobních možností a dovedností obráběcích strojů se čím dál častěji používají rotační adaptéry nástrojů. Díky těmto rotačním adaptérům nástrojů, kterým se také říká obráběcí hlavy lze provádět snadněji tyto operace: - vrtání a řezání závitů i mimo osu rotace upínací desky - frézování vodorovně nebo kolmo na upínací desce - broušení obecných tvarů - frézování obecných tvarů pod jakýmkoliv úhlem k upínací desce - výkonné i přesné soustružení válcových (vnitřních a vnějších), kuželových, čelních a obecných ploch

Obr. 3-1 Popis os obráběcí hlavy [11] V dnešní době, která umožňuje plynulé NC řízení pohybů os poháněných servomotory, se stále častěji prosazuje použití obráběcích hlav pro víceosé obrábění. Nejnovější obráběcí hlavy nám umožňují zvýšit počet os obráběcího centra o jedno nebo i o dvě osy. Do jednoosých nebo dvouosých obráběcích hlav se pak upínají nástroje pevné (např.: soustružnické nože, …) nebo rotační (např.: frézy, vrtáky, …) Rozdělení obráběcích hlav dle stavebnicové systémovosti: a) Jedno vřeteno trvale namontované ve frézovací hlavě b) Poloautomatická výměna vřetene c) Plně automatická výměna vřetene – umožňující bezobslužnou výměnu

Obr. 3-2 Výměna vřetene ve frézovací hlavě [11]


DIPLOMOVÁ PRÁCE Rozdělení podle použití: a) Hrubovací - Speciálně určeno pro vysokorychlostní obrábění (slévárenské slitiny, ocel a titan). b) Univerzální - pro všechny obráběcí operace na hliníkových součástech, kompozitní materiály, na hrubování ocelí a odlitků. c) Dokončovací - vysoké otáčky vřetene, jemné kopírování a nejvyšší kvalita povrchu.

3.1 Koncepce obráběcích hlav 3.1.1 Konstrukční řešení osy A A) Hlavy s ortogonální osou A: Těleso hlavy zajišťující pohyb v ose A je skříňového tvaru, na jeho boční ploše je otočně uložená vřetenová jednotka. Pohon takto navržený z jedné strany není příliš vhodný z hlediska tuhosti. Je proto vhodný spíše pro menší typy hlav o nižších výkonových parametrech. Velké uplatnění nachází u měkkých materiálů, zejména jako je plast dřevo a měkké kovy.

Obr. 3-3: Hlava s univerzální osou od firmy Fidia [12] B) Hlavy s vidlicovou osou A Těleso hlavy je tvarováno tak, že vřeteník je v něm uložen oboustranně. Při pohonu osy A torque motoru je výhodné pohánět osu A z obou stran. Při mechanickém náhonu ozubeným soukolím je náhon většinou jednostranný. Pohyblivost vřeteníku v ose A je podobná jako u předchozího řešení, ale má vyšší tuhost. Je vhodné jak pro přesné dokončovací operace, tak pro výkonné obrábění oceli a jiných materiálů.


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 3-4 Hlava s univerzální osou od firmy CyTec [13] B) Hlavy s univerzální osou A Díky otočnému klínovému mezičlenu, jehož plochy svírají úhel 45°, je možné osu A přetočit jak do svislé, tak do vodorovné polohy. Vřetenová jednotka se může v ose A otáčet o ±180°. Uvedeným uspo řádáním lze dosáhnout libovolné polohy nástroje.

Obr. 3-5 Hlava s univerzální osou od firmy CyTec [13] 3.1.2 Konstrukční řešení osy C Pohon rotace hlavy kolem osy C může být proveden ve třech variantách: - servomotorem přes šnek a šnekové kolo - servomotorem přes ozubené soukolí - torque motorem Nejpoužívanější řešení je v naprosté většině torque motor, méně už zbylé dvě řešení. Je to způsobeno nespornými výhodami tohoto řešení torque motorem, které jsou: - Vysoké technické parametry torque motoru, především kroutící moment i při malé délce motoru. Tato vlastnost je zapříčiněna jeho velkým průměrem. - Odpadá problém s vymezováním vůlí. - Malé zástavbové rozměry pohonu. - Přívod médií středem motoru. - Možnost provedení motoru s vnějším nebo vnitřním provedením.


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 3-6 Obráběcí hlava se dvěma osami od firmy CyTec [14]

3.2 Přehled firem vyrábějící obráběcí hlavy Firma CyTec Firma CyTec je největším specializovaným výrobcem obráběcích hlav s nejširším a nejrozmanitějším výrobním programem v této oblasti. Na svých internetových stránkách (www.cymill.de) poskytuje detailní vizuální zpracování svých produktů a velké množství informací o rozměrech, výkonových parametrech, včetně náhledů řezů dodávaných hlav. Firma Franz Kessler Německá společnost vyvíjející individuální řešení podle požadavků zákazníka. Za povšimnutí stojí také to, že jako jediná měla svůj katalog ve formátu PDF v českém jazyce. Firma FIDIA Italská společnost, která se od svého vzniku zabývá vývojem náročných numerických řídících systémů pro obrábění tvarově složitých forem a zápustek. Od počátku 90. let se firma orientuje na vývoj vysokorychlostních frézovacích systémů, které dnes představují nejdůležitější oblast její výroby. [15]


DIPLOMOVÁ PRÁCE 3.3 Upínání nástrojů Nezbytnou součástí vřeten je rychloupínací systém pro upínání nástrojových jednotek. Hlavní požadavky na rychloupínací systémy jsou: -

Vysoká přesnost upnutí Bezpečný přenos vysokých kroutících momentů na nástrojovou jednotku Vysoká statická a dynamická tuhost Minimální hmotnost a délka Jednoduchá obsluha Bezpečný přívod chladícího média středem nástroje do místa řezu.

Obr.3-7 Rychloupínací systém od firmy OTT-JAKOB

Použitý rychloupínací systém je vždy charakterizován typem a velikostí upínacího kužele. Mezi nejčastěji používané patří držáky nástrojů s kužely HSK, SK, ISO, DIN. Mezi další směrodatné technické parametry patří upínací síla, která je měřítkem maximálního přenášeného výkonu na nástroj, provozní tlak hydraulického oleje, maximální otáčky vřetene a maximální průměr stopky nástroje.

Obr.3-8 Redukční pouzdra s dutinou MORSE od firmy [16]

3.4 Požívané nástroje při frézování Používané redukční pouzdra slouží k upnutí nástrojů. V mém případě se zaměřím především na frézy. Zejména proto, že stroje vyráběné firmou TRIMILL slouží především k frézovacím operacím.


DIPLOMOVÁ PRÁCE Rozdělení podle způsobu upnutí -stopkové --s kuželovou stopkou --s válcovou stopkou -nástrčné -oba druhy mohou být: --válcové --tvarové Rozdělení podle tvaru hlavy -kulové -válcové -stromové -kuželové -tvarové (frézují podle typu hlav) Rozdělení podle obráběcí plochy frézy -obvodové -celoplošné -kombinované Rozdělení podle materiálu -tvrdokov (kvalitnější a vyšší životnost) -HSS rychlorezná ocel

Obr.3-9 Přehled nejmodernějších fréz od firmy PRAMET Tools s.r.o.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 3.5 Automatická výměna nástroje Systémy se skladovými zásobníky Tyto zásobníky mají pouze skladovací funkci. Pro práci s nástroji je nutné nejprve nástroj vyjmout ze zásobníku a vsadit do vřetena (u strojů kde hlavní řezný pohyb vykonává nástroj ) nebo na nosič nástroje( u strojů kde hlavní řezný pohyb vykonává obrobek ). Počet úložných míst v zásobníku

a)

b)

- diskovém (a)

10 - 30

- regálovém (b)

100 - 200

- řetězovém (c)

40, 60, 80

- meandrovém (d)

80 ,100, 120

c)

d)

Obr.3-10 Výměníky nástrojů [17]

Automatická výměna nástrojů je koncepčně řešena jako samostatně stojící konstrukční uzel, který je tvořen zásobníkem nástrojů a manipulátorem s otočnou dvouramennou rukou.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 4 Rozbor řešení 4.1 Umístění odkládacího zařízení Základem posunové jednotky je stůl, na který se usazují tři obráběcí hlavy. Odkládací zařízení je umístěno v zadní časti stroje za upínacím stolem. Za stolem je také umístěn dopravník třísek, proto zde nemůže být odkládací skříň umístěna trvale. Musí být zvolen vhodný pohon odkládací skříně tak, aby byl co nejvíce ekonomický, ale zároveň splňoval zadané parametry. Nejdůležitějším parametrem je přesnost.

Obr. 4-1 Podélný řez strojem s umístěním odkládacího zařízení

POŽADAVKY NA POSUVOVOU JEDNOTKU: Posunová jednotka musí splňovat požadovanou přesnou polohu v koncové poloze, s dráhou posuvu minimálně 1 050mm, a dosahovat předepsané rychlosti a zrychlení. Konstrukce by měla být realizována jednoduše v minimálních nákladech na výrobu, údržbu a provoz.


DIPLOMOVÁ PRÁCE

4.2 Popis použitých obráběcích hlav a jejich vlastnosti S vertikálním vřetenem: P = 52 Mk = 1000 n = 2 500 m = 900

kW Nm 1/min. kg

Souvisle řízená: P = 25 kW Mk = 195 Nm n = 10 000 1/min. m = 950 kg

S horizontálním vřetenem: P = 25 Mk = 195 n = 10 000 m = 500

kW Nm 1/min. kg


DIPLOMOVÁ PRÁCE 4.3 Popis dosavadního řešení v praxi Samotná výměna obráběcí hlavy není dnes samozřejmostí. Převážná většina dnešních obráběcích strojů používá jen jednu hlavu, která je trvale upnutá ve vřeteníku. Výměna se začala dělat až v poslední době. Univerzálnost stroje, zejména z pohledu možné volby vřetenových hlav, umožňuje maximální přizpůsobení stroje technologickým požadavkům. Optimálním způsobem je možné zvolit typ vřetenové hlavy pro danou operaci a využít tak možnost maximálních řezných podmínek a pracovního prostoru stroje. Vysoký výkon a krouticí moment na vřetenu u vřetenových hlav s mechanickým náhonem vřetena se uplatní při hrubovacích operacích. Doposud má firma TRIMILL řešenou výměnu obráběcích hlav pomocí ručního zavážení na vozících speciálně tomu uzpůsobených podobně jako to mají jiné firmy, které se specializují na velké a složité obrobky u kterých by bylo obrábění za pomoci jedné hlavy nehospodárné. Toto řešení je velice zdlouhavé. Další problém nastal, když chtěli začít dodávat do svých strojů větší, výkonnější hlavy na obrábění. Nastalo to především u nové řadou stojů VF. Váhy předchozích hlav se pohybovali do 500 kilogramů. Ukázka podobného systému zavážení používá i firma TOS Kuřím a.s viz. obrázek.

Obr.4-2 Řešení výměny obráběcích hlavu firmy TOS Kuřim Firma TOS Kuřím však má u svého stroje použité „spodní gántry“ a proto má i více místa pro umístění dvou odkládacích zařízení. U mého řešení je v zadní části stroje umístěn dopravník třísek a není tedy možné mít zde trvale umístěné dvě či více zařízení pro výměnu hlavy, proto navrhuji navrhnout obslužné zařízení se zdvihem. Zavážecí vozík vypadal trochu jako „popelnice“ na které byla hlava usazená do středících čepů. Tato skříň byla na kolečkách pro snadnější manipulaci při přepravě hlavy. Ta se pak zasouvala do přesného vedení a následně zajišťovala čepem nebo jiným vystřeďujícím mechanizmem. Použití této metody u strojů navržených firmou TRIMILL vyžadovalo zastavit obrábění, zavést skříň pro odložení obráběcí hlavy, spustit fázi odložení výměny, odvést obráběcí hlavu, dovést novou, vykonat nasazení hlavy a odvést odkládací zařízení s prostoru pro obrábění tak, aby nebránilo obrábění. Poté se znovu mohlo pokračovat v obrábění. Takto prováděná výměna


DIPLOMOVÁ PRÁCE vyžadovala velkou fyzickou námahu obsluhy, aby se jim takto těžkým ústrojím podařilo pohnout. Dnešní obráběcí hlavy, které firma používá, váží 900 a 950 kilogramů. V době kdy zhotovuji tuto diplomovou práci na téma automatické výměny hlav, firma TRIMILL konstruovala levnější konstrukční variantu pro výměnu hlavy za pomoci portálového jeřábu. I tato výměna není příliš hospodárná. Času moc neuspoří, nehledě na to, že je zapotřebí portálového jeřábu a šikovného jeřábníka, který by přesně usadil hlavu na středící čepy. Vznikají tak rizika možného úrazu přiskřípnutí přivření nebo dokonce i ustřihnutí prstu při neopatrném ustavování. Pěknou ukázkou je nově uvedený stroj od firmy TOS Kuřim. Výměnné vřetenové hlavy se automaticky upínají na čelo vřeteníku.

Obr.4-3 Portálové obráběcí centrum FRPQ - TOS Kuřím Zde jsou sloupy ukotveny nepohyblivě a pohybuje se jen stůl s obrobkem. Dva vřeteníky mají odkládací skříň umístěnou hned vedle sloupů a není u nich potřeba žádný pomocný pohyb pro výměnu, jen pohyb vřeteníku po příčníku a svislý pohyb, který je realizován na sloupech. V praxi může hlava simulovat i funkci k upínání řezných nástrojů, ale také jako koník. Příkladem multifunkčního zařízení je od firmy Mazak Integraf i150. Může sloužit buď jako svěrák pro frézování a pro opracování zadní strany, nebo jako koník pro opření dlouhého obrobku při frézování nebo soustružení. Obr.4-4 Multifunkční obráběcí hlava od firmy Mazak


DIPLOMOVÁ PRÁCE 5 Návrh pohonu posunového mechanizmu 5.1 Elektrické (elektromechanické) pohony Použití moderního posuvového mechanizmu – lineárními motor: K velkému rozvoji výroby a k praktickému uplatnění lineárních motorů a pohonů došlo až v posledních letech. Vlivem technického vývoje a tvrdšího konkurenčního boje mezi výrobci rostou požadavky na vyšší přesnost výroby a na dynamické vlastnosti výrobních strojů. Stále vyvíjející se elektronické prvky, které umožňují plynulé řízení rychlosti a zpřesňují polohování celého lineárního sytému, poskytují výrobcům širší prostor v oblasti technického využití lineárních motorů. Možnosti klasických rotačních motorů s mechanickým převodem z pohybu rotačního na pohyb lineární jsou totiž v řadě průmyslových aplikací využívány na mezi dynamiky danou setrvačnými hmotami a na mezi přesnosti dané mechanickými vůlemi a postupným opotřebením. Klasický pohon vykazuje v místech převodu (rotační motor-kuličkový šroub-lineární vedení) značné tření, pružnost a vůli. U lineárního motoru tyto nevýhody odpadají a přesnost polohování je závislá na typu odměřovacího systému.

Obr.5-1 Fyzikální princip lineárního motoru Princip lineárních motorů Lineární motor pracuje na indukčním principu. Můžeme si ho představit jako klasický rotační motor rozvinutý do roviny, který umožňuje přímočarý pohyb bez prostředkujícího převodu. Statorem je u lineárních motorů označován primární díl a rotorem sekundární díl. Primární část je tvořena stejně jako u klasických strojů feromagnetickým svazkem složeným z elektrotechnických plechů a trojfázového vinutí uloženého v jeho drážkách. Proti primárnímu dílu je konstrukčně uspořádána sekundární část tvořená permanentními magnety, které jsou nalepené na ocelové podložce. Pokud přivedeme do primární části (jezdec) řídicí proud, vznikne magnetické pole mezi oběma částmi a dojde k pohybu jezdce. Úrovní proudu můžeme ovládat rychlost pohybu.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 5.2 Mechanický pohon: pastorek – ozubený hřeben: Nevýhodou této kinematické dvojce je její nesamosvornost, což vyžaduje většinou aplikaci brzdy. Jak pro svislé osy, tak pro výpadek pohonu. Pro vymezení vůle lze použít dvojici pastorků s opačným sklonem šikmých zubů. Tím se mechanizmus značně komplikuje.

Obr.5-2 Pohon pomocí pastorku a ozubeného hřebene [Marek]

5.3 Hydraulický pohon: Přenos a řízení parametrů energie v tekutinových mechanismech umožňují prvky, které svým konstrukčním uspořádáním a zapojením zabezpečují přestup energie mezi pevnými členy a tekutinou. Velké množství různých tekutinových prvků vyráběných v nejrozmanitějších konstrukčních provedení, tvarech, velikostech a parametrech, lze rozdělit do několika skupin podle funkce, kterou v tekutinovém mechanismu vykonávají. Výhody: - přenos energie na vzdálenost řádově desítek metrů, při libovolném prostorovém uspořádání - snadné řízení veličin (tlak, průtok) v širokém regulačním rozsahu - možnost přenosu velkého výkonu (sil) - jednoduchá ochrana proti přetížení a vysoká přetížitelnost - dokonalé mazání - odvod tepla pracovní kapalinou - možnost vytváření libovolné struktury uspořádání typizovaným prvků - možnost práce i ve výbušném a zápalném prostředí Nevýhody: - nezanedbatelné ztráty - vysoké parametry na geometrickou přesnost a minimální vůle pohybujících se součástí - závislost vlastností mechanizmů na vlastnostech pracovní kapaliny (teplotní roztažnost, stárnutí) - citlivost na nečistoty obsažené v kapalině - ekologické škody při úniku pracovní kapaliny do přírody


DIPLOMOVÁ PRÁCE 5.4 Návrh pohonu kuličkovým šroubem Pro pohony posuvů jsou nejčastěji používané tyto koncepce: A) Koncepce sestavení bez vloženého převodu (otáčí se kuličkový šroub): Tato koncepce je výhodná v tom, že je možné použít nepřímé odměřování a ušetří se tak zástavbový prostor, protože není použito převodového stupně.

Obr. 5-3 Koncepce pohonu posuvu bez vloženého převodu

B) Koncepce sestavení s vloženým převodem (otáčí se kuličkový šroub): Tato koncepce nám umožňuje především využít motorů s vyššími nominálními otáčkami a v důsledku toho pro stejný kroutící moment jako u koncepce předchozí nám vyjde motor s menším momentem setrvačnosti, což znamená i menší velikost motoru a ceny motoru. Vložený převod má nespornou výhodu v tom, že nepřenáší tolik vibrací způsobené v motoru do pohonu kuličkového šroubu. Na druhé straně je jeho nevýhoda v tom, že musíme použít přímé odměřování polohy.

Obr. 5-4 Koncepce pohonu posuvu s vloženým převodem


DIPLOMOVÁ PRÁCE Rozhodnutí u použití pohonu: Nejvíce příhodný pohon pro tento příklad se jeví použití kuličkového šroubu s nepřímým odměřováním. Nebo použití hydraulického pohonu s využitím dorazu, kde bude potřeba vyhodnocovat polohu pro výměnu hlavy. Pro výpočet konkrétního pohonu je napřed důležité navrhnou uložení hlav. Z této konstrukce zjistíme celkovou pohybovou hmotu potřebnou k samotnému výpočtu.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 6 Návrh uložení obráběcích hlav 6.1 Navrhnutí skříně Před samotným návrhem a výpočty pohybující jednotky je zapotřebí určit hmotnost pohybujících se častí. Ty dostaneme sečtením hlav a konstrukce skříně, na které budou hlavy umístěny. Skříň jsem navrhl svařovanou z jeklů s profilem TR 4HR 80x8 – ČSN 42 5720. Na horní straně ně jsou přivařené podložky, které budou obrobené po přivaření. Do těchto podložek budou umístěny středící a ustavovací čepy.

Obr. 6-1 Navržená skříň


DIPLOMOVÁ PRÁCE Rozměry navržené skříně: 1320,10 2840,00

0° 45,0

900,00

650,00

740,00

Obr. 6-2 Rozměrový návrh skříně

Kontrolu skříně na statickou únavu jsem provedl v programu Autodesk Inventor 2008. Výsledky ale nebyly příliš vypovídající. Program Ansys se hodí pro vyhodnocení lépe. Moje znalosti s tímto programem jsou jen okrajové. Proto jsem se domluvil, že v případě realizace mojí diplomové práce, bude pro posouzení z hlediska statické únosnosti dána na kontrolu od firmy Trimill svému externímu dodavateli. V případě velkých deformací je možné zvýšit tloušťku plechu mezi jednotlivými jekly, které jsou přivařené, tak aby se deformace více minimalizovali.

6.2 Uložení na středící a ustavovací čepy Rozhodl jsem se použít uložení na čep, který bude odpružený talířovými pružinami. Každá hlava je uložena na čtyřech čepech, vždy na dvou středících bez možnosti výškového nastavení a dvou ustavovacích s možností výškového nastavení viz. obrázek níže. Středící čepy bezpečně navedou hlavu do požadované polohy a pomocí ustavovacích čepů se vymezí vůle, tak aby obráběcí hlava bezpečně seděla na všech čtyřem čepech. Toto nastavení ustavovacího čepu se provádí před prvním použitím. Uvnitř čepů se nachází talířová pružina, která je tam z bezpečnostních důvodů. Mezi stykovými plochami obráběcí hlavy a čepu by se mohla vyskytnout nečistota. Talířová pružina je v tomhle ohledu ideální, zajišťuje poddajnost čepu a je schopná přenášet velké váhové zatížení a naproti tomu jen malou míru odpružení.

Obr. 6-3 Středící a ustavovací čepy


DIPLOMOVÁ PRÁCE Parametry talířové pružiny:

Obr. 6-4 Uložení talířových pružin

Volím talířovou pružinu: PRUŽINA 40 x 20,4 x 2,5 x 3,45 ČSN 02 6063 Parametry pružiny: D = 40 mm = 20,4 mm d = 2,0 mm t h = 1,1 mm = 3,10 mm H = 1,10 mm s = 7 399 N F = 1 600 MPa σmax

… … … … … … … …

vnější průměr vnitřní průměr tloušťka materiálu volná výška komolého kužele nezatížené pružiny (zdvih) volná výška nezatížené pružiny ( h + t ) průhyb pružiny síla vyvinutá pružinou maximální napětí v pružině

Tab. 6-1 Uložení talířových pružin do sady s uložením protilehlým (skládané proti sobě). Uložení si lze dobře prohlédnout na obr. 6-4 nebo viz. výkres sestavy. Počet talířových pružin je 14ks pro každý středící i ustavovací čep.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 7 Návrh pohonu 7.1 Výpočet kuličkového šroubu Rozhodl jsem se pro koncepci bez vloženého převodu, tak abych nemusel použít externí odměřování (lineární pravítko).

Obr.7-1 Schéma uložení kuličkového šroubu a matice: 1- otáčející se šroub, 2 – opěrná podpora, 3 – kuličkový závit, 4 – kuličková matice, 5 – pouzdro na matici, 6 – koncová podpěra Pro výpočet budu uvažovat tyto hodnoty valivých odporů: Kuličkového šroubu: µ1 = 0,004 [TOS Kuřim] Valivého vedení: µ2 = 0,004 [TOS Kuřím] Tyto hodnoty se pohybují v rozmezí 0,002 až 0,006 (z údajů výrobců) a nelze je stanovit přesně. Záleží především na velikosti předepnutí. Na celkový výsledek však takto malé odchylky zanedbatelný charakter.

Obr.7-2 Rozměrové hodnoty kuličkového šroubu a matice [18]


DIPLOMOVÁ PRÁCE Volím kuličkový šroub od firmy Bosch Rexroth: průměr šroubu stoupání průměr kuliček počet oběžných drážek dynamická únosnost statická únosnost délka šroubu mezi uložením

d0 P Dw i Cdyn Cst L8

= = = = = = =

63 mm 10 mm 6 mm 6 88 800 N 214 300 N 1360 mm

7.1.1 Výpočet trvanlivosti kuličkového šroubu: Kritické otáčky kuličkového šroubu

nkrit = K d .

d .108.2,71 2 L8

:

nkrit = 9230,6 min =1

levý konec

pravý konec

Kd

axiálně uložen axiálně uložen axiálně uložen radiálně uložen

axiálně uložen radiálně uložen volný konec radiálně uložen

1 0.692 0.147 0,446

Maximální přípustné otáčky:

n př = nkrit .0,8

n př = 7384,5 min =1

levý konec

pravý konec

kk

axiálně uložen axiálně uložen axiálně uložen radiálně uložen

axiálně uložen radiálně uložen volný konec radiálně uložen

1 0.5 0.00625 0,25

Provozní otáčky:

n prov = 500 min −1 Provozní rychlost:

v prov = n prov .s

v prov = 5

m min

Max. teoretická dovolená axiální síla:

Fkrit = k k .

d4 .105.4,072 L2

Fkrit = 3468104 N

Max. přípustná axiální síla

Fkrit 2 = 1734052 N ≈ 1734kN

Fpř = k k F prř

F př = 1734052 N

Výpočet trvanlivosti (pro konstantní otáčky):


DIPLOMOVÁ PRÁCE Fa (1),( 2 ) = 773,75 N

q j = 100%

Fma (1),( 2 ) = Fa (1),( 2 ) j

Fma (1),( 2 ) = 773,75 N

Pro konstantní otáčky Fa…………..vnitřní axiální síla působící na kuličkový šroub Fv…………..síla předepnutí (standardně Fv = 0,1 . Ca) F1,2j…………je síla axiálního zatížení, indexy 1 a 2 označují směr zatížení fm ………….koeficient vlivu jakosti a stavu materiálu (standart: fm = 1,25) Trvanlivost v otáčkách: 3

L1, 2

 C .f  =  a m  .10 6 F   ma (1),( 2 ) 

L1, 2 = 295.1012 ot

Trvanlivost v hodinách:

Lh =

L1, 2 n prov .60

Lh = 3280hod

7.1.2 Uložení kuličkového šroubu: Při volbě typu ložiska je potřeba vzít v úvahu především následující skutečnosti: • velikost a způsob zatížení • konstrukci uložení a způsob mazání ložiska • provozní parametry ložiska (otáčky, tepelné poměry, ...) • požadavky na přesnost • požadavky na montáž a demontáž Výpočet sil působící na ložiska: Známé hodnoty: hmotnost šroubu hmotnost stolu: hmotnost hlavy s vertikálním vřetenem: hmotnost hlavy souvisle řízené: hmotnost hlavy s horizontálním vřetenem:

mšr = 6,76kg mst = 638 kg mh1 = 900 kg mh2 = 950 kg mh3 = 500 kg

celková hmotnost:

m celk . = m šr + m st + m h1 + m h 2 + m h 3 axiální síla:

Fa =

m c .a = 773,75 N 2

Fa = 773,75 N

mcelk . ≈ 3095 kg


DIPLOMOVÁ PRÁCE radiální síla:

Fr = 0,5.Fšr

Fr = 33,18 N

Fšr = mšr .g

Fšr = 66,32 N

místo A: volím kuličkové jednořadé ložisko SKF 6010-2Z

d D B C Co Pu Otáčky hmotnost mm mm mm kN kN kN ot/min kg 50 80 16 22,9 16 0,71 18000 0.26

Fam

 ν .n  = kr    1000 

2/3

d  . m   100 

2

Fam = 0,04856kN

kr, A = součinitel minimálního zatížení ložisek (tabulky) ν = viskozita oleje při provozní teplotě [mm2/s] z katalogu 15 mm2/s n = otáčky [min-1] dm = střední průměr ložiska = 0,5(d+D) [mm]) Ekvivalentní dynamické zatížení ložiska

Fa 773,75 = = 0,0484 → e = 0,26 C 0 16000 P = 0,56.Fr + 1,6 Fa P = 486,388 N f0 =

Ekvivalentní statické zatížení ložiska

P0 = 0,6.Fr + 0,5 Fa C L F 10 =  P 

   

P0 = 480,84 N

3

C LF 10 h =   P

LF 10 = 108.10 3 ot 3

 10 6   . 60 . n  

LF 10 h = 3,6.1018 hodin

místo B: volím kuličkové jednořadé ložisko SKF 6010-2Z

C Co Pu Otáčky hmotnost kN kN kN ot/min kg 36,4 26 1,1 10000 0.36


DIPLOMOVÁ PRÁCE Fam

 ν .n  = kr    1000 

2/3

d  . m   100 

2

Fam = 1,379kN

Ekvivalentní dynamické zatížení ložiska

Fa 773,75 = = 0,0297 → e = 0,24 C 0 26000 P = 0,56.Fr + 1,8 Fa P = 1411,33 N f0 =

Ekvivalentní statické zatížení ložiska

P0 = 0,6.Fr + 0,5 Fa C L F 10 h =   P

3

 10 6   .  60.n 

P0 = 406,783 N LF 10 h = 572 ⋅ 10 3 hodin

Ukončení kuličkového šroubu volím: TYP 41 ukončení strany A

Volba pouzdra pro uložení ložiska:

Volím pouzdro od firmy Bosch Rexroth s označením R1590 650 00


DIPLOMOVÁ PRÁCE TYP 82

-

ukončení strany B

Obr. 7-3 uložení kuličkového šroubu Volba pouzdra pro uložení ložiska: Volím pouzdro od firmy Bosch Rexroth s označením R1590 040 30 7.1.3 Návrh a volba motoru Charakteristiky lineárního valivého vedení: úhel sklonu převodový poměr součinitel tření ve vodících plochách součinitel tření v KŠM redukovaný na poloměr šroubu součinitel tření v KŠM redukovaný na poloměr čepu délka pojezdu

ηc = η S .ηV .η Lj .η P

ηc = 0,79

K navržení pohonu jsou zapotřebí tyto veličiny: horizontální pojezd rychlost 0,5 m/s zrychlení 0,5 m/s^2 průměr kuličkového šroubu 63 mm stoupání 10 mm koeficient tření 0,25 hmotnost zátěže 3095kg

α i f1 f2 f3 L

= = = = = =

0° 1 0,005 0,003 0,003 1m


DIPLOMOVÁ PRÁCE Grafické znázornění veličin:

Obr.7-4 Graf průběhu rychlosti

Úsek

Čas [s]

1 2 3

0,33 5,92 0,33

Počáteční otáčky [ot/min.] 0 500 500

Koncové otáčky [ot/min.] 500 500 0

Kroutící moment bez J – motoru [Nm] 18,78 12,10 5,41

Kroutící moment bez J – motoru [Nm] 21,29 12,10 2,90

Tab. 7-1 Tabulka časové a momentové závislosti Grafy na obrázku 7–4 vznikl po dosazení do programu, který má firma Siemens na svých webových stránkách volně ke stažení. Je naprogramován přímo pro pohony od této společnosti, aby urychlil a usnadnil navržení vhodného servopohon. Graf ukazuje aktuální moment v časové závislosti – při zrychlování konstantní rychlosti a při zpomalování. Aktuální kroutící momenty jsou pak vyneseny do tabulky 7–1.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 7.2 Koncepce pohonu pomocí hydraulického válce a dorazu Návrh hydraulického válce: Je třeba zjistit průměr pístu a provozní tlak, tedy hodnoty, ze kterých budeme dále vycházet při návrhu hydraulického válce. Zvolíme si průměr pístu a vypočítáme tlak. Zjistíme, zda-li vyjde tlak ve vhodných mezích. Pokud ne, zmenšíme nebo zvětšíme průměr pístu a vypočítáme znovu. Dokud nám nevyjde správné řešení. Volím typ ZH2T s tlumením na obou stranách od firmy Hydraulics a.s. TECHNICKÉ PODMÍNKY: Pracovní kapalina – hydraulický minerální olej (OH-HM 32, OH-HM 46, OHHM 64) Požadovaná filtrace – doporučená hodnota 25 µm Teplotní rozsah – kapaliny -20°C ÷ +80°C – okolí -20°C ÷ +70°C Klimatická odolnost – mírné klima N12 Jmenovitý tlak – 20 MPa Maximální tlak – 25 MPa Zkušební tlak – 32 MPa Pracovní rychlost – maximální 0,5 m/s Stanovení průměru vnitřního válce: Fa = 773,75 N v max = 0,5m / s s = 1050mm p = 200bar (20 MPa ) Výkon: P = F ⋅v Plocha pístu: F Ap = p Průměr pístu: 4 ⋅ Ap dp =

π

P = 386,8 W A p = 0,03869 mm 2

d p = 49,3mm


DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 7-5 Rozměry hydrmotoru

Z katalogu volím průměr pístu D = 90 mm s d = 55 mm s ohledem na jeho vzpěrnou pevnosti podle Eulera.

Obr. 7-6 Schéma navržení hydromotoru Pístnice, ale není katalogová a musí se nechat vyrobit na zakázku. Netypické je především uchycení, kdy je ve vzdálenosti 620 mm od čela kruhový návarek a na něm je další přivařený čtvercový profil.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 7.3 Vyhodnocení správné polohy zařízení Při použití dorazu je ještě zapotřebí ověření zda-li se nachází výměnný mechanizmus v požadované poloze. Při použití kuličkového šroubu by šlo použít lineární pravítko nebo přímého odměřování, které pro danou aplikaci dostačující. Při použití hydraulického pohonu je zapotřebí dát systému informaci jiným způsobem o tom, že se nachází v požadované poloze. Mnou uvažované varianty byly dvě. První úvaha byla použít na obou stranách malé písty, které by středili zařízení v pracovní poloze. Zasouvali by se do dvou kalených pouzder a pístní tyč by tvořila jakoby čep, který by měl středící funkci. Pístnice by byla opatřena v krajní poloze čidlem, které by dalo signál systému, že může dojít k bezpečnému vyměnění obráběcí hlavy. Druhá varianta byla ta, že použiji doraz, na kterém bude ofuk kvůli případným nečistotám. Ověřování polohy by se provádělo pomocí opto-elektrického snímače tvz. Vidlicové optické závory. Ta snímá náběžnou hranu viz. obr.

Obrázek 7-7 Opto-elektrický snímač od fy. Balluff Jednocestné optické závory jsou nepřekonatelné v jejich schopnosti rozlišovat malé díly a jemné detaily, stejně jako v provozní spolehlivosti. Nevýhody jsou pouze v jejich montáži a nastavení. Vlastnosti: • Integrovaná vyhodnocovací elektronika • Připojení pouze jedním kabelem • Vysoká spínací frekvence • Nastavitelná citlivost • Vysoké rozlišení • Přepínatelný spínací / rozpínací výstup • Indikační LED viditelná ze všech stran • Možnost zvolit typ s červeným světlem nebo laserem Pro tuto konstrukci jsem použil spínací výstup. Kdybych použil rozpínací výstup, neboli spínaní signálu na běžné hraně, mohla by vzniknout určitá rizika. Jedním


DIPLOMOVÁ PRÁCE z nich je, že při posuvu může paprsek chvilkově přerušit nečistota a tím vyslat signál k výměně obráběcí hlavy. V případě, že použiji spínací signál, tak dojde k impulzu pro výměnu, až poté, co projde signál do přijímače a to nemůže nastat dříve než když snímač sjede z hrany. Pro minimalizování vlivů nečistot jsem snímač umístil do skříňky, do které je přiveden pod tlakem vzduch. Proud vzduchu odfukuje případné nečistoty (prach, olej atd.) z blízkosti opto-elektrického snímače viz. obrázek.

Obrázek 7-8 krabička pro opto-elektrický snímač Pro montáž je také nezbytné, aby šel snímač, který je uložen v kravičce, na hranu přesně naštelovat. To se provede tak, že tuto krabičku přichytíme ke čtyřhrannému profilu. Ten je vsunutý do protikusu, ve kterém je vyfrézována a posléze přesně vybroušená drážka. Vlastní seřízení se děje šroubem. Ten má na jedné straně levotočivý závit a na druhé pravotočivý tak, aby se při otáčení dal přesně seřídit. Pro lepší štelování je na jedné straně šroub zakončen čtyřhranným profilem 10 mm. Na šroubu je jemný závit M14x0,5 - 6g. Při jedné otáčce se šroub posune o 1 mm. Při otočení o úhel 10° se posune sníma č 0,0277 mm.

Obrázek 7-9 Seřízení opto-elektrického zařízení


DIPLOMOVÁ PRÁCE 7.4 Konstrukce svařované základny pro hydraulický pohon:

Obr. 7-10 Návrh základny

V levé časti, lze vidět návarek pro uchycení pístnice, napravo je doraz pro ustavení přesné polohy. Na bocích jsou obdélníkové profily, ve kterých jsou vyfrézované a posléze broušené drážky. V těchto drážkách je přišroubované lineární vedení, které zajišťuje přesnou polohu ve směru kolmém na směr pohybu. Základna je do roviny ustavována stavěcími patkami a dotažena k zemi kotvami, které jsou zabetonované v podlaze.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 7.5 Lineární vedení 7.5.1 Konstrukční návrh valivého vedení: U navrhování lineárního vedení je zásadní úvaha při řešení, že těžiště celé skříně s uloženými hlavami není ve středu vozíků. Proto nebude zatížení na jednotlivé vozíky stejné. Známé hodnoty: hmotnost stolu: hmotnost hlavy s vertikálním vřetenem: hmotnost hlavy souvisle řízené: hmotnost hlavy s horizontálním vřetenem:

mst = 638 kg mh1 = 900 kg mh2 = 950 kg mh3 = 500 kg

celková hmotnost:

mcelk . = mst + mh1 + mh 2 + mh 3

mcelk . = 3088 kg

Obr. 7-11 Rozložení zatížení na vozíky - [19]

a = 30mm

c = 2795mm

b = 300mm

b = 600mm

Výpočet jednotlivých sil působících na vozík: G G⋅ a G⋅ b F1 := + + 4 2⋅ c 2⋅ d G G⋅ a G⋅ b F2 := + − 4 2⋅ c 2⋅ d G G⋅ a G⋅ b F3 := − + 4 2⋅ c 2⋅ d G G⋅ a G⋅ b F4 := − − 4 2⋅ c 2⋅ d

F1 = 24188.71N F2 = −4653.302N F3 = 20736.208N F4 = −8105.804N


DIPLOMOVÁ PRÁCE Volba valivého vedení: Volím lineární vedení od firmy Bosch Rexroth

Obr. 7-12 Definování statických momentů pro lineární pohybové systémy – [19]

Firma: BOSCH Typ: Standard Guide Rails R1622.6… Velikost: 35 Délka: 2396 mm Třída přesnosti: SH Obr. 7-13 Model kolejnice

7.5.2 Návrh valivého hnízda: Firma : Typ: Standart provedení : Velikost : Třída přesnosti :

Bosch Rexrot FNS R 1651 35 SP

Postup při montáži: Jelikož zařízení je v těsné blízkosti obráběcího stroje, je vystaveno vibracím a rázům a může dojít ke vzájemnému posunutí kolejnice a vozíku. Aby se předešlo tomuto problému a dosáhlo vysoké přednosti vedení je nutné dodržet postup doporučený výrobcem.


DIPLOMOVÁ PRÁCE (1.)

Před zahájením montáže nejprve odstraňte veškeré nečistoty z povrhu stroje.

(2.) Profilovou kolejnici opatrně položte na lože a pevně přiložte k dorazové hraně. (3.)

(4.)

(5.)

(6.)

Při úpravě polohy profilové kolejnice na loži zkontrolujte, zda závity použitých šroubů zabírají. Utáhněte postupně jednotlivé upínací šrouby tak, aby byl zjištěn dobrý kontakt profilové kolejnice s dorazovou hranou. Upínací šrouby kolejnice utáhněte pomocí momentového klíče ve přestupních až do stanoveného momentu. Stejným způsobem proveďte montáž druhé profilové kolejnice.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 8 Ochranné a krytovací prvky Umístění v zadní časti stroje a sním spojené úpravy základové plochy (podlahy) je nezbytnou součástí. Manipulátor na výměnu hlav musí být oplocen, aby nevzniklo při pohybu vniknutí obsluhy do tohoto prostoru.

8.1 Krytování pojezdové plochy Krytování lineárního vedení a pouzdra (vozíku) je nezbytné, aby nedošlo ke styku s nečistotami. Jde především o prach z vnějšího prostředí. Z vnitřního prostoru stroje hrozí poškození od chladících kapalin a žhavých třísek. Tyto dvě složky mají za následek i teplotní ohřívání celé soustavy. Soustava má proto rozměrové výkyvy. Jedním z faktorů jak těmto rozměrovým výkyvům zamezit je krytování. Dalším je trvalý přísun vzduchu na místa s největšími teplotními výkyvy. K těm největším výkyvům dochází na třech místech: v místě, kde se nachází doraz u hydraulického řešení, na krajích kde se nacházejí nosné profily s lineárním vedením a dalším nezanedbatelným místem je kryt umístěný na pohybující se skříni. Poslední místo je do značné míry eliminováno jeho konstrukcí. Ta je navržena tak, aby mezi krytem a pojezdovou skříní mohl kolovat vzduch jak je vidět na obrázku.

Obr. 8-1 Eliminace teplotní deformace se minimalizuje vzduchovým ofukem, který je na místo přiveden a brání tak i nečistotám, aby se nacházeli na místech koncového dorazu na pojezdové skříni a dorazu na pojezdové základně. Pro krytování lineárního vedení a dorazu jsem navrhnul použít kryt od společnosti HESTEGO viz obr. 8-2


DIPLOMOVÁ PRÁCE Navržené parametry krytování pojezdu: Požadovaný tvar:

Požadovaný tvar:

Sražená délka L min: Maximální roztažená délka L max: Přesah největšího krytu z1: Přesah nejmenšího krytu z2: Rychlost pojezdu: Zrychlení pojezdu: Materiál: Šířka krytu: Výška ramene krytu pravá Rkp: Výška krytu nad ložem Kv:

215 mm 1200 mm 25 mm 25 mm 5 m/s 0,5 m/s2 Normální ocel 150 mm 120 mm 120 mm

Obr.8-2 Krytování lineárního vedení


DIPLOMOVÁ PRÁCE 9 Konstrukční úpravy základové plochy: Za stolem se nachází šachta ve které j e umístěn dopravník třísek. Šachta má hloubku 500 mm a šířku 620 mm. Vedle šachty se nachází vybrání pro manipulátor o rozměrech 2 650 x 3 560 mm a hloubky 270 mm, pro snížení výšky tak, aby vřeteník mohl pohodlně odebrat jakoukoliv frézovací hlavu.

Obr.9-1 Část kolem celého manipulátoru je obehnána plotem, tak aby se předešlo možnému kontaktu obsluhy s pohyblivými částmi manipulátoru.

Obr.9-2 Prostor nad obráběcími hlavami je zakrytován tenkým plechem tak, aby případný prach a nečistoty se nedostávali ve větší míře na místo, kde se nachází styková plocha hlavy s vřeteníkem.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 10 Porovnání variant 10.1 Porovnání z hlediska kladů a záporu

varianta inovace

Původní varianta

výhody

nevýhody

- nízká pořizovací cena - konstrukčně jednodušší

- zastavování stroje během výměny - vyšší riziko úrazu - fyzická náročnost - delší čas výměny - riziko poškození hlavy při neodborné manipulaci

- zkracování časů - automatizovanost - urychlení výměny - není potřeba zastavovat stroj - úspora času obsluhy - minimální poruchovost - autonomní (nezávislý) systém

- vyšší pořizovací cena - zajištění servisu - konstrukčně náročnější


DIPLOMOVÁ PRÁCE 10.2 Porovnání z hlediska ekonomické nákladovosti: 10.2.1 Nákladovost stávajícího řešení: Stávající varianta má velmi malé náklady. Je zapotřebí pro tři hlavy tři odkládací skříně, čepy na jejich vystředění a jeden mechanizmus na vystředění v případě použití jeřábu. Protože jde o obrábění velkých kusů do obráběcího prostoru, je zřejmé, že obrobna, do které je stroj určen bude tímto jeřábem vybavena, proto se do pořizovacích nákladů nebude započítávat. V případě ručního zavážení je ještě zapotřebí zavážecí kolejnice. Tyto celkové náklady na pořízení se pohybují kolem osmnácti tisíc korun. 10.2.2 Nákladovost varianty s hydraulickým pohonem: Jde jen o pořizovací náklady, které je zapotřebí k sestrojení mechanizmu pro výměnu obráběcí hlavy. V případě výpočtu návratnosti investice by jsme museli počítat ještě úsporu nákladů za pracovníky a zvýšení produktivity práce z důvodů časové úspory potřebné pro realizaci výměny hlavy.

Položka Středící a ustavovací čepy Matice, šrouby, podložky

Mn. [ks] 12 155, 68, 32

Ustavovací kotva do betonu Ustavovací patka pod konstrukci Lineární vedení Lineární vozíky Hydraulická pístnice Krytování pojezdu a dorazu Krytky Víka Svařovaná skříň Svařovaná základna Hadice na hydrauliku Hadice pro přívod ofuku Kabeláž Opto-elektronický snímač Krytka na snímač Štelovací zařízení pro snímač Rozvaděč Celkové náklady na jednotku

8 8 2 4 1 5 4 3 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Cena [Kč] 190,00 cekl. 1058,00 65,00 250,00 1800,00 800,00 25 000,00 2 500,00 100,00 145,00 5800,00 7 800,00 3 120,00 230,00 570,00 1 550,00 150,00 680,00 18 000,00 88 893,00

Softwarově se tato osa řídí vnitřním cyklem přímo ve vlastním programu konkrétní součásti a není tedy zapotřebí dokupovat žádnou programovou podporu. Celkové náklady na realizaci posuvové jednotky:

88 893 Kč


DIPLOMOVÁ PRÁCE 10.2.3 Nákladovost varianty pohonem kuličkovým šroubem: Položka Středící a ustavovací čepy Matice, šrouby, podložky Ustavovací kotva do betonu Ustavovací patka pod konstrukci Lineární vedení Lineární vozíky Krytování pojezdu Krytování kuličkového šroubu Krytky Víka Svařovaná skříň Svařovaná základna Hadice pro přívod ofuku Kabeláž Spojka Ložisko Pojistný kroužek Servopohon Kuličkový šroub Bosch Rexroth Kuličková matice Bosch Rexroth Pouzdra na uchycení šroubu Bosch Rexroth

Mn. [ks] 12 1 8 8 2 4 4 2 4 3 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 2

Celkové náklady na konstrukci jednotky

Cena [Kč] 190,00 cekl. 1058,00 65,00 250,00 1800,00 800,00 2 500,00 1890,00 100,00 145,00 5800,00 7 800,00 230,00 870,00 350,00 350,00 17,00 18 000,00 8 300,00 2 600,00 820,00 73 142,00

K celkovým nákladům na konstrukční provedení je potřeba ještě připočítat modulární podporu pro řízení této osy. Osa se řídí stejně jako kterákoliv jiná pracovní osa stroje. Cena tohoto zásuvného modulu se pohybuje asi kolem osmdesáti tisíc korun pro každou novou řízenou osu. Tím nám náklady na realizaci stoupnou na dvojnásobek. Celkové náklady na realizaci posuvové jednotky:

153 142 Kč


DIPLOMOVÁ PRÁCE 11 Závěr Nejdůležitější z pohledu mého zadání bylo nevrhnout pohon. Postupoval jsem tak, že jsem zvolil čtyři možné pohony, zhodnotil jsem jejich klady a zápory. Z tohoto výběru mě vzešly dvě varianty. Varianta s KŠM a s hydraulickým pohonem. Při návrhu jsem dbal, aby konstrukce byla co nejjednodušeji sestavitelná. Montáž se totiž bude dělat až u koncového odběratele stroje a dlouhé montážní operace by výjezdy pracovníků značně protáhli. Proto jsem navrhnul uložení na lineární vedení. Odkládání výměnné hlavy musí být co nejšetrnější, aby nezpůsobila poškození hlavy nebo samotné vřeteníku, na který se hlava upíná. Vřeteník nejdražší částí stroje a proto jakákoliv nepředpokládaná kolize tohoto vřeteníku by mohla vřeteník poškodit. První varianta vycházela, z hlediska bezpečnostních nejlépe. Vždy jsme totiž měli přehled o aktuální poloze výměníku. Ale značně se prodražila. Proto jsem nakonec vydral sice pomalejší variantu výměny, ale zato s takřka polovičními náklady. Po návrhu hydraulického pohonu bylo ještě navrhnout zařízení, které by pro toto variantu zajistilo zpětnou kontrolu polohy při výměně hlavy.


DIPLOMOVÁ PRÁCE 12 Použitá literatura a elektronické zdroje [1]

BORSKÝ, V. Obráběcí stroje. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 1992

[2]

KOLÍBAL, Z. Průmyslové roboty I. Konstrukce průmyslových robotů a manipulátorů. Brno: VUT Brno, 1993

[3]

MM SPEKTRUM. Konstrukce CNC obráběcích strojů-speciální vydání. 2006, ISSN1212-2572

[4]

SVOBODA P. – BRANDEJS J. – PROKEŠ F. Základy konstruování. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2003. ISBN 80-7204-306-4

[5]

Ing. FLIEGER J., Ing. VYŠÍN M. Studijní opora do předmětu hydraulické a pneumatické mechanismy - Návody do laboratorních cvičení, řešené příklady. Brno, 2004

[6]

SVOBODA P. – KOVAŘÍK, R. –BRANDEJS J. Základy konstruování - Výběr z norem pro konstrukční cvičení. Brno: Vysoké učení technické v Brně, 2003. ISBN 80-7204-306-4

[7]

BoschRexroth Group – katalog. Drive Units with Ball Screw Drives, R310A 3304 (03.2006). URL:

[8]

BoschRexroth Group – katalog. Electromechanical Cylinder EMC, URL:

[9]

BoschRexroth Group – katalog. Precision Ball Screw Assemblies End Bearings and Nut Housings. R310A 3301 (2005). URL:

[10]

BoschRexroth Group – katalog. Screw-in Single Nut ZEV-E-S, URL:

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]


DIPLOMOVÁ PRÁCE [19]

< http://www.teatechnik.cz>

[20]

[21]

[22]

[23]

[24]


DIPLOMOVÁ PRÁCE 13 Seznam použitých značek Značka Veličina α - úhel sklonu - viskozita oleje při provozní teplotě ν - valivý odpor kuličkového šroubu µ1 µ2 - valivý odpor valivého vedení σmax - síla vyvinutá pružinou, maximální napětí v pružině a - vzdálenost těžiště Ap - plocha pístu b - vzdálenost těžiště c - vzdálenost těžiště Cdyn - dynamická únosnost - statická únosnost Cst d - vzdálenost těžiště d0 - průměr šroubu d1 - vnitřní průměr dm - střední průměr ložiska dp - průměr pístu D - vnější průměr - průměr kuliček Dw fm - koeficient vlivu jakosti a stavu materiálu f1 - součinitel tření ve vodících plochách f2 - součinitel tření v KŠM redukovaný na poloměr šroubu f3 - součinitel tření v KŠM redukovaný na poloměr čepu F - průhyb pružiny F1, F2, F3, F4 - síla působící na vozík vedení F1,2j - síla axiálního zatížení Fa - vnitřní axiální síla působící na kuličkový šroub Fkrit - max. teoretická dovolená axiální síla Fpř - max. přípustná axiální síla Fr - radiální síla Fv - síla předepnutí h - volná výška komolého kužele nezatížené pružiny H - zdvih i - počet oběžných drážek kr - součinitel minimálního zatížení ložisek (tabulky) L - délka pojezdu L1,2 - trvanlivost kuličkového šroubu v otáčkách L8 - délka šroubu mezi uložením Lh - trvanlivost kuličkového šroubu v hodinách m - hmotnost obráběcí hlavy mh1 - hmotnost hlavy s vertikálním vřetenem mh2 - hmotnost hlavy souvisle řízené mh3 - hmotnost hlavy s horizontálním vřetenem mcelk - celková hmotnost soustavy mst - hmotnost stolu mšr - hmotnost šroubu Mk - kroutící moment obráběcí hlavy n - otáčky obráběcí hlavy

Jednotka [°] [mm2/s] [-] [-] [MPa] [mm] [mm2] [mm] [mm] [N] [N] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [mm] [-] [-] [-] [-] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [N] [mm] [mm] [-] [-] [m] [ot] [mm] [hod] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [kg] [Nm] [min-1]


DIPLOMOVÁ PRÁCE nkrit npř nprov p P s sv t vprov

- kritické otáčky kuličkového šroubu - Maximální přípustné otáčky - provozní otáčky - pracovní tlak - výkon obráběcí hlavy - volná výška nezatížené pružiny ( h + t ) - zdvih - tloušťka materiálu - provozní rychlost

[min-1] [min-1] [min-1] [Pa] [kW] [mm] [mm] [mm] [m.min-1]


DIPLOMOVÁ PRÁCE 14 Seznam příloh a výkresové dokumentace Příloha č.1 - konečný návrh výměníku Příloha č.2 – umístění dopravníku ve stroji: Příloha č.3 - znázornění výchozí polohy

Seznam výkresové dokumentace Výkres sestavy – 08 – 0 – M1000 – 000 Výkres základny – 08 – 1 – M1100 - 000 Výkres skříně – 08 – 1 – M1200 – 000

PŘÍLOHA č.1 - konečný návrh výměníku

PŘÍLOHA č.1 - umístění ve stroji:

PŘÍLOHA č.1 - znázornění výchozí polohy

Abstrakt: Abstract: Klíčová slova: Key words:

Recommend Documents