EME FIATAL M Ű S Z A K I A K TUDOMÁNYOS
ÜLÉSSZAKA
I .
Kolozsvár 1996. március 22-23.
RENDEZŐK
7Tnüfr
KlHHB w
Erdélyi Múzeum Egyesület
Kolozsvári Magyar Diákszövetség
Bolyai Társaság I.YAJ "l*ttSAS\(,
E71ÍN5T
Erdélyi Magyar Műszaki Tudományos Társaság i
EME
ELŐSZÓ
A tudományos munka ösztönzését szívügyüknek tekintő legfontosabb erdélyi társaságok fogtak össze azzal a céllal, hogy anyanyelvű fórumot biztosítsanak a műszaki tudományokat művelő fiatal mérnökök, kutatatók számára Első látásra eléggé szokatlannak tűnik a kezdeményezés olyan körülmények között, amikor az anyanyelvű műszaki oktatás még csak reményeinkben létezik, s nincs sok biztató jel arra, hogy a közeli jövőben megvalósul. Reményeinket feladni viszont tói nagy vétek volna, tegyük meg tehát legalább azt, ami csak tőlünk lUgg. Kezdeményezésünknek alapvetően kettős célja van. Egyrészt lehetőséget akar biztosítani a fiatat műszakiaknak, hogy munkájukról, eredményeikről számot adhassanak, egymásról tudomást szerezzenek. Ösztönözni szeretne annak felismerésére, hogv átmenetinek jellemzett napjainkban is érdemes és szükséges az alkotó tudományos munka még akkor is, ha a mindennapos tapaszíalat sokkai könnyebb, anyagiakban sokszor előnyösebb tevékenységek felé csábítja tehetséges fiataljainkat. Egymás eredményeinek megismerése, összehasonlítása egészséges versenyszellem kialakulását eredményezheti, s egészében véve nagymértékben hozzájárulhat a hazai magyar szakemberek szakmai szintjenek emeléséhez. Az Erdélyi Múzeum Egyesülethez évente befutó oszlőndíjpáJyazaíok magas száma bizonyítja, hogy fiataljaink szerteágazó, eredményeket is felmutatni képes munkát végeznek, kár volna, ha ezekről csupán a szűk körű bíráJó bizottságok vennének tudomást. Másik bevallott célunk a műszaki anyanyelv elsajátítására, gyakorlására való ösztönzés. Szeretnénk tudatosítani mindenkiben, hogy nem lehet valaki teljes értékű szakember, ha anyanyelvén nem képes szakterületéről, munkájáról beszélni, s nehézséget okoz a magyar nyelvű szakirodalom olvasása. Eléggé el nem ítélhetőnek tartjuk az olyan szakmai zsargont, amely csak a románból vagy angolból átvett szakkifejezésekkel képes magát kifejezni. A már említett ösztöndíjpályázatok viszont sajnos, erről tanúskodnak. Ülésszakunkat először csak hazai résztvevőknek szántuk, csakhamar kiderült viszont, hogy eredményesebb lenne azt az egész magyar nyelvterületre kiterjeszteni. Sokat tanulhatnának fiataljaink azoktól a társaiktól, akik "főállásban" is a magyar szaknyelvet használhatják, s sokszor jobb körülmények között is dolgozhatnak. Az ülésszakon kialakuló kapcsolatok, baráti szálak esetleg közös témaválasztásokhoz is vezethetnek, esetleg majdani ösztöndíjasaink beilleszkedését is elősegíthetik. Az eddig említetteken kívül a tudományos ülésszakot szeretnénk olyan fórumként is meghatározni, ahol a magyarországi ösztöndíjakra pályázókat személyesen is megismerhetjük, s ezáltal a pályázatok elbírálása is objektívebb árnyalatot nyer majd. .Az ülésszak konkrét lefolyását szakosztályokban terveztük. A beérkezett dolgozatok túlnyomó többsége viszont a gépészetet képviselik, ezért el kellett tekintenünk a szakosztályokra tagolástól. A reményeink szerint évente ismétlődő rendezvény szélesebb körben ismertté válik majd, mind többen fognak jelentkezni, s akkor létjogo2
EME
Meggyőződésünk, hogy kezdeményezésünkét nemes célok vezérelték, az eredmények most mái csak a rendezők és résztvevők munkájától függenek. Kívánunk tapasztalatokban és eredményekben gazdag munkát minden résztvevőnek, s találkozz»Hik jövőre még többen, ugyanitt.
Jodál Endre Kolozsvár, 1996 márciusa
3
EME
ÚJ LEHETŐSÉGEK AZ ORVOSTUDOMÁNYBAN AZ EKG JELEK FELDOLGOZÁSA TERÉN
Szilágyi Sándor Miklós, Moldován István Zoltán és Szilágyi László
Dolgozatunk bemutat egy saját koncepciójú és kivitelezésű számítógépes ritmusanalizáló rendszert, annak hardver és szoftver elemeit és alkalmazásának potenciális lehetőségeit. A rendszer elvégzi az EKG jel beolvasását, valós idejű monitorizálását és feldolgozását, automatikus szűrését és elemzését, a különböző jelenségek
felismerését és osztályozását,
a követett
paraméterek
kiszámítását,
illetve
tetszőleges
megjelenítését. A bemutatott rendszer képes on-line monitorizálási funkció mellett az elmentett regisztrátumok különböző hosszúságú
részének vagy egészének többszintű osztott feldolgozására ritmusanalízis céljából. Ez a
rendszer egy központi számítógépből és a páciensekhez kötődő jelbevitelt és előfeldolgozást biztosító mikrovezérlőkből áll. A rendszer elemei és működése A klinikai és kutatási vonalon egyaránt alkalmazható rendszer lehetővé teszi a beteg EKG jelének napi 24 órán történő mérését, miközben a beteg szabadon mozoghat egy meghatározott területen. E rendszer elemei egy mikrovezérlős adatgyűjtő kártyát tartalmazó központi számítógép és a betegek derekára erősített mintavételező készülékek. A beteg mellkasára helyezett érzékelők által szolgáltatott jelet egy nagy közös módusú elnyomású differenciál erősítőt követően egy 80535-ös mikrovezérlőbe beépített A/D konverter digitális formába alakítja. Miután a mikrovezérlő elvégzi az adatok tömörítését, egy kis hatótávolságú rádió adó-vevő segítségével tömbök formájában elküldi a számítógépbe épített mikrovezérlő memóriájába, ahonnan megfelelő pillanatokban a PC memóriájába kerül át. Az adattovábbításhoz frekvenciamodulációt alkalmaztunk. Az adatok egyenkénti helyességét Hamming-kódon alapuló bitjavító algoritmussal, az adatcsomagok integritásának ellenőrzését pedig CRC-CCITT szabvány szerint valósítottuk meg. Mivel a mintavételezés nem a számítógép feladata, az adatok biztonságosan elmenthetőek a háttértárolóba. A leírt rendszer előnyei a valós idejű Holter monitorizálás megvalósíthatósága viszonylag alacsony előállítási költségek mellett.
4
EME
pc G
+
Differenciál Erősítő
Elem (5V)
Mikrokontroller te 144 MHz ADÓ-VEVŐ
ADO-VEVO
Zajszűrés A mért jel elválaszthatatlan a zajoktól. Ezek nagy része az EKG jelet beolvasó, az átalakítást elvégző kártyától, illetve közvetlenül a környezetből származnak. Ilyenek például a környező elektromos hálózatok által okozott 50 Hz-es alapharmonikus és ezek felharmonikusai által geijesztett zavarok. Sajnos ezek minden kis jelű elektromos berendezésben jelen vannak és hatásukat megfelelő árnyékolással csak csökkenteni lehet, teljesen megszüntetni nem. Mivel az 50 Hz-es alapharmonikus benne van a hasznos EKG jel frekvenciaspektrumában, a kiszűrését a következő műveleteket alkalmazó algoritmussal biztosítottuk : - az EKG jelre elvégezzük az FFT-t, periódusnak tekintve a teljes mérési időtartamot [10], - a környező frekvenciatartományt leginkább jellemző amplitudóértékekből felbecsüljük az aktív EKG jelet alkotó 50 Hz-es frekvenciakomponens amplitúdóját, - elvégezzük a jel spektrumában a szükséges módosításokat (50 Hz-es komponens amplitúdójának és fázisának módosítása), - az IFFT transzformációval megkapjuk a becsült aktív EKG jelet. Az EKG jel ekvivalens áramköri zaja, valamint a mérőrendszerekben létrejövő zajok által előidézett telítődés okozta zavar szűrése nem lehetséges. A normális mozgás, izom-összehúzódás vagy légzés okozta zavarokat [11,12] a program az alábbi ábrákon látható módon szűri ki:
A—tj*
I
A magas frekvenciájú komponenseket tartalmazó zajok szűrése a túlmintavételezést, valamint egy IIR szűrőt alkalmaztunk. A zavarok szűrésére a sztochasztikus rendszerelméletben kifejlesztett szűrőalgoritmus is alkalmazható abban a megközelítésben, hogy a bemeneti geijesztő jelet nem ismeijük. A legismertebb ilyen típusú algoritmus a Kálmán szűrés, a genetikai algoritmus, illetve a Markov sorokkal való becslés [2,3,4,5].
5
EME Paraméterek becslése és jeltömörítés A szív paramétereinek becslése [6], valamint az EKG jel tömörítése megvalósítható a lineáris predikció alkalmazásával. Az EKG jel tömörítése két, egymástól lényegesen eltérő elven valósítható meg. A hiba nélküli tömörítést érdemes alkalmazni az EKG jelek archiválására, mivel ez esetben lehetőségünk van az eredeti jel későbbi tanulmányozására. Hátránya, hogy a tömörített jel viszonylag sok helyet foglal (az eredeti jel 15-20%-át). Mobil EKG-vel rendelkező mentők, valamint a hosszú távon megfigyelés alatt levő betegek esetén alkalmazzuk a visszaállítási hibával járó tömörítő algoritmust. Ez esetben az eredeti jelet csak megközelítőleg kapjuk vissza, de egy megfelelő "codebook" adatbázis segítségével a jel megfelelő minőségben visszaállítható. A tömörítési arány a hiba függvényében változik, általában a tömörített jel az eredeti hosszának 1-10%-át éri el. A hiba maximális értékét úgy kell megválasztani, hogy a követett paraméterek lehetőleg ne változzanak meg. Jelen pillanatig az EKG jel hiba nélküli tömörítési algoritmusán dolgoztunk. Megfelelő körültekintés után a paraméterbecslő módszereken alapuló algoritmusokat találtuk a leghatékonyabbaknak, az általunk írt program a lineáris predikción alapszik [1,9], A lineáris predikció segítségével meghatározhatjuk a követett paraméterek pontos értékét. A program iteratív módon közelíti meg a kiszámítandó paraméterek pontos értékeit. Az első lépésben egy ritka "hálóval" igyekszik lefedni az előre meghatározott értelmezési tartományt. A generált megoldások egy kis hányada, amely a legjobb értékeket szolgáltatta, változatlanul megmarad, majd ezeket egymással kombinálva (az eredeti értékek megőrzése mellett) létrehoz egy előre meghatározott számú megoldást. A gradiens módszeren alapuló becslés szolgáltatta megoldások kiegészítik az előbb kapott megoldáshalmazt. A "háló" módszer igyekszik a jó megoldások közelében kisebb lépésközzel választani a megoldásokat. A tapasztalat azt mutatja, hogy körülbelül 40 iteráció szükséges az optimálishoz közel álló megoldás értékéhez 11 kiszámítandó paraméter esetén. A kísérletek bebizonyították, hogy a becslési pontosság növekszik a kiszámítandó paraméterek számának az emelésével, valamint a felbontás növelésével. A jelre rátevődő zaj érezhetően rontja a megoldás pontosságát, valamint a kiszámított paraméterértékek megbízhatóságát. Emiatt szükségszerű a jel megfelelő szűrése a paraméterbecslés előtt. Az EKG jel feldolgozása Az EKG jel analízise a jel értelmezéséből és a diagnosztika elvégzéséből áll. Az EKG jel értelmezése során szükséges a jel karakterisztikáinak az azonosítása. Ez szükségszerű az amplitúdó és a periódus kiszámításakor. Az EKG modell automatikus felismerése szükségszerűen matematikai módszereket igényel. A megfelelő diagnosztikai pontosság érdekében szükségszerű a következő jelfeldolgozási feladatok optimális megvalósítása: a jel-zaj viszony javítása, az alapvonal meghatározása, a hullámok kijelölése és a döntési algoritmus kidolgozása [7,8], A programunk által alkalmazott feldolgozási módszerek három csoportba sorolhatóak: speciális feldolgozás, grafikus feldolgozás (hisztogram, scattergram. tachogram) és statisztikai feldolgozás. Ezek 6
EME kidolgozása orvosok segítségével és igényei szerint történt. Az algoritmusok kifejlesztéséhez felhasznált regisztrátumokat a marosvásárhelyi III-as klinikán vételeztük e rendszer egy korábbi, jelenleg üzemben levő változatával. IRODALOM [1] G. Nave, A. Cohen - ECG Compression Using Long-Term Prediction, IEEE Trans. Biomed, Eng., vol. 40, SEP 1993, pp 877-885. [2] Quizhen Xue, Yu Hen Hu, W. J. Tompkins - Neural-Network-Based Adaptive Matched Filtering for QRS detection, IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 39, APR 1992, pp 317-329. [3] D. A. Coast, R. M. Stern, G. C. Cano, S. A. Briller - An Approach to Cardiac Arrhythmia Analysis Using Hidden Markov Models, IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 37, OCT 1990, pp 826-836. [4] S. C. Tai - An Extensive Markov System for ECG Exact Coding, IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 42, FEB 1995, pp 230-232. [5] V. Krishnamurthy, R. Elliott - A Filtered EM Algorithm for Joint Hidden Markov Model and Sinusoidal Parameter Estimation, IEEE Trans. Signal Processing, vol. 43, JAN 1995, pp 353-357. [6] C. W. Therrien, C. H. Velasco - An iterative Prony Method for ARMA Signal Modeling, IEEE Trans. Signal Processing, vol. 43, JAN 1995, pp 358-361. [7] G. M. Friesen, T. C. Jannett, M. A. Jadallah, S. L. Yates, S. R. Quint, H. T. Nagle - A Comparison of the Nőise Sensitivity of Nine QRS Detection Algorithms, IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 37, JAN 1990, pp 85-97. [8] Ciuwei Li, Chongxun Zheng, Changfeng Tai - Detection of ECG Characteristic Points Using Wavelet Transforms, IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 42, JAN 1995, pp 21-27. [9] Kang-Ping Lin, W. H. Chang - QRS Feature Extraction Using Linear Prediction, IEEE Trans. Signal Processing, vol. 36, OCT 1989, pp 1050-1054. [10] J. M. Rius, R. de Porrata-Doria - New FFT Bit-Reversal Algorithm, IEEE Trans. Signal Processing, vol. 43., APR 1995, pp 991-993. [11] A. K. Barros, M. Yoshizawa, Y. Yashuda - Filtering Noncorrelated Nőise in Impedance Cardiography, IEEE Trans. Biomed. Eng., vol 42, MAR 1995, pp 324-327. [12] P. Strobach, K. Abraham-Fuchs, W. Harer - Event-Synchronous Cancellation of the Heart Interference in Biomedical Signals, IEEE Trans. Biomed. Eng., vol 41, APR 1994, pp 343-350.
Szilágyi Sándor Miklós, Moldován István Zoltán és Szilágyi László egyetemi hallgatók, Marosvásárhelyi Egyetem Cím: Str. Liszt Ferenc Nr. 8,4300 Marosvásárhely, Románia Telefon: 00-40-65-164490 7
Email:
[email protected]
EME
TÁMOLYGÓ ALAKÍTÓ PRÉS SZÁMÍTÓGÉPES TERVEZÉSE
eng. Torkos Csilla eng. Klementis Ottó S.C. Armatúra S.A. Kolozsvár dr ing. Sorin Grozav Kolozsvári műszaki egyetem
Ezen dolgozat egy támolygó-alakító prés számítógépes tervezéséhez készült programcsomagot mutat bc. A dolgozat a kolozs\ári műszaki egyetemen volt kidolgozva, és segítségével a prés és a technológiai folyamat teljes tervezést oldottuk meg annyira a számításokat mint a rajzokat illetően. A rendszer teljes dokumentálást biztosit és tartalmaz egy olyan adatbázis rendszert amely segítségével jelentősen csökken a tervezési ciklus. Automata táblázatkezelővel van ellátva
Bevezető A támolygó alakítás elméletét 1910-ben Edvvin Elionor Slick, a Midwale Steel & Ordance Company alelnöke szabadalmaztatta. 1929-ben Massey foglalkozik e témával, majd a '60-as években újra felfedezik ezt az elméletet és terveznek is ezen elmélet alapján működő szerszámokat Lengyelországban.
Japánban,
valamint
az
Amerikai
Egyesült
Államokban. A '70-es évektől kezdődően jelentős elméleti és gyakorlati kutatásokat végeztek az angliai és a japán egyetemeken. Leginkább tehát az Amerikai Egyesült államokban, Angliában. Lengyelországban és Japánban
foglalkoztak e témával, ezen országokban
készültek el
legsikeresebben ilyen gépek, viszont e kutatásokban lényeges különbségek 1. ábra. Támolygó alakítással nyert munkadarabok
vannak, ami a technológiai paraméterek kiválasztásának ajánlatait illeti. Romániában csak 15-20 éve kezdték a témát elemezni. Azóta sok prototípus és variáns készült el ami a támolygó alakító préseket illeti
Ezen megmunkálás során az anyagnak egyenletesebb és finomabb a szerkezete és a rostozata folytonos. Egyes esetekben a gazdasági hatékonyság magasabb mint más megmunkálási eljárások esetén. íoleg ami az anyag felhasználási mutatóit és az utólagos megmunkálás munkadíjának csökkenését illeti. Ezen eljárással különböző munkadarabokat készíthetünk el, a legegyszerűbbektől a legösszetettebbekig, olyanokat is, amelyek más megmunkálási eljárásokkal nehezen vagy szinte egyáltalán nem készíthetők el. A \égső
8
EME paraméterek
a
megmunkálandó
szerszámoktól, anyagtól
a
gépek
függnek.
Az
minőségétől eljárás
és a
leginkább
tömeggyártásra és sorozatgyártásra alkalmazható. A megmunkált anyag jól alakítható kell legyen és nagy alakváltozást kell biztosítson. Az 1. ábra ezzel a technológiával
előállítható
munkadarabokat mutat be 2. ábra. A bélyeg kinematikai mozgásai.
A megmunkálás során a bélyeg egy csigavonalon halad és ilyenformán egyszerre csak kis felületet munkál meg. A bélyeg kinematikai mozgásai az 2. ábrán láthatóak. Ennek alapján
megállapítható hogy a tervezett prés megmunkáló bélyege három mozgást kell végezzen: függőleges irányú préselő mozgás, a saját tengelykörüli mozgás és a fo tengelyhez képest egy ciklikus excentrikus mozgást. A prés a következő alapelemekből tevődik össze: •
a fo hidraulikus motor ( a prés felső részén);
•
a kidobó hidraulikus motor (az asztalba beépítve);
•
kapcsolószekrény;
•
a forgómozgást adó elektromos motor;
•
a támolygó mozgáshoz szükséges kinematikai lánc;
•
a bélyeg hidraulikus felfüggesztése
Ezen alegységek a kapott szerelvényrajzon (4. ábra) láthatók A továbbiakban a számítógépes rendszer ezen alapelemek méretezését és ellenőrzését végzi. A tervezés során alkalmaztuk a csoporttechnológia elveit. Ilyenképpen a tervezést az elképzelt kinematikai lánchoz rendeltük, tehát ezzel a rendszerrel egy meghatározott típusú és összetételű prés méretezhető és ellenőrizhető Egy más típusú prés esetén, még akkor is ha ugyanazt a technológiát alkalmazza, a rendszer egyes részeit át kell alakítani az új kinematikai lánc vagy az új kiképzés szerint. Ahhoz hogy a kidolgozott programcsomagból minél több részt fel tudjunk újból használni, a rendszer felépítése moduláris szerkezetű. Ez azt jelenti hogy a jelen rendszert olyan felépítési alapelemekre osztottuk fel amelyek teljes egészében felhasználhatóak más alkalmazások esetén is
Matematikai modellek A számításokat a gép előre meghatározott elméletek és képletek alapján végzi el amelyek általánosan ismertek és esetenként szabványosítottak. Mivel hogy a számítási rendszer moduláris kivitelezésű mindenik számítási modul külön-külön is használható A használt számítógép nyelvezet a FoxPro adatbázis-kezelő rendszer amely megengedi a programozást is. A bemenő és a kimenő adatok minden alkalommal egy adatbázisba kerülnek és így mindenik elvégzett és véglegesített számítás akármikor visszakérdezhető az adatbázis rendszerből
Ezen adatbázisok mindenik modul esetén különállóak, és
tartalmazzák mindazon adatokat amelyekből újra lehet látni azt a gondolatmenetet és közbeeső értékeket amelyekkel a tervező dolgozott, és amelyekből kiindulva a meghatározott tervet kapta. így a rendszer
9
EME összehasonlító kimutatásokat is tud végezni különböző esetekre. Ilyenformán a tervező több tervezési lehetőség közül ki tudja választani azt amely a pillanatnyi lehetőségeinek a legjobban megfelel. A számítási rendszer a következő elemek méretezését és ellenőrzését képes elvégezni: •
a bélyeg hidrosztatikus kenése;
•
a bélyeg méretezése és ellenőrzése;
•
a hidraulikus motorok méretezése és ellenőrzése;
•
a megmunkáló erő megállapítása;
•
a csigahajtás számolása és ellenőrzése;
•
a tengelyek ellenőrzése.
A számolási modulok közötti paraméterátadást a számítógép operációs rendszere segítségével oldottuk meg, de a grafikus rendszerbe a paramétereket a számítógép kezelő kell alkalmazza aki esetenként korrekciókat iktat be a lehetőségeknek és a pillanatnyi feltételeknek megfelelően. A számítási rész úgy van kivitelezve hogy bármely bemenő
adat
megváltoztatásával
kimenő
vagy
az
intermediáris automatikusan
a
ebből
következő
számítási
értékek
újraszámolódnak
vigyázva arra hogy az esetleges kerekítések alkalmazhatóak legyenek. Ilyenképpen az újraszámolás rendkívül gyors és ki van szűrve az esetleges hiba lehetősége is a számolási fázisban. A végértékek nem módosíthatók és ilyenképpen a kinyomtatott értékek minden esetben a bemenő értékeknek megfelelnek A modulok szerkezete A rendszer keretein belül mindenik modul a leírtaknak megfelelően több felépítő részből áll. Ezek kapcsolódását és az adatok áramlását a 3. ábra mutatja be Mindenik modul külön is tud működni és ki van képezve specifikus dokumentáló eszközökkel is. így mindenik képes alfanumerikus dokumentáció készítésére és esetleg a dokumentáció grafikus átadására az AutoCad rendszernek ( SCRIPT formátumban). Ez utolsó lehetőség jelentősen csökkenti a tervezési időt. és biztosítja a tervezett paraméterek pontos (mérethű) átadását is a grafikus rendszernek A grafikus dokumentálás A grafikus dokumentáció általában minden munkahelyen a fö dokumentum forma. Ennek az elkészítésére az AutoCad rendszer volt hozzáférhető és alkalmas. Segítségével a tervezett prés elemei grafikus alakban megkaphatok és az összekötő elemek is beiktathatok. A műhelyrajzokat minden esetben a végleges szerelvényrajzról határozzuk meg. Mivel hogy a grafikus rendszer dokumentálási lehetőségei megengedik, a dokumentáció elkészíthető annyira rajzgépen mind sornyomtatókon. Ezen dokumentálást a grafikus rendszerből végezzük A tervezés segítésére a román szabványokat használva olyan táblázatkitöltő rendszert készítettünk amely segítségével az órák munkáját igénylő táblázat kitöltést pár perc munkájára
10
EME csökkentettük le. Ehhez egy FoxPro programot használunk amely egy adatbázis rendszerrel van kapcsolatban szab\ányokat
amely
tartalmazza
amelyeket
ezen
mindazon táblázatok
kitöltésénél használhatunk. A paraméterátadás itt is Scnpt formátumban történik. Ez a modul is akárcsak a többiek külön is használható bármely tervező részleg keretein belül. A rendszer a megfelelő módosítások alkalmazásával a grafikus rendszer alól is indítható biztosítva ezáltal a gyors paraméterátadást és a folyamatos tervezést.
Következtetések A megvalósított rendszer segítségével jelentősen csökken a tervezési idő és bizonyos esetekben az újratervezés vagy tervmódosítás leegyszerűsödik. A tervezési idő csökkenésével jelentősen
csökkenhet a tervezési költség és
biztosítható a technológiai tervezés.
Szakirodalom [1] Oudin.J., Revalard,Y., Gelin, J.C., Verwaerde.G. -Force, Torque and Plastic Flow Annalysis in Rotary Upseting of Ring Shoped Billets - Int. Journal of Mechanical Science. Vol. 27, No. 11/12. pp. 761-780.
i. ábra. A kapott szerelvényrajz
[2] Manson.S., Standring, P M
-The
Graphical Simulation of Tool WorkPlace Kinematics and Deformation in Rotary Forging -Proc 2nd National Conference on Prod. Res . Edinburgh. Sept. 1986, pp. 386-405 [3] Grozav, S. si Achimas, G -Contributii privind determinarea fortéi de derormare in cazul procesului de presare la rece prin forjare orbitala, -in A 5-a Conferinta de tehnologii si utilaje pentru prelucrarea prin deformare plastica la rece. Buccuresti, 21-29. mai 1993, pag. 169-174
Torkos Csilla, str. Bistritei 32-33. Kolozsvár Románia, tel. 064 152406
11
EME
AZ EGYENESFOGÚ METSZŐKERÉK SZERSZÁMKAPCSOLÓSZÖGÉNEK OPTIMÁLÁSA Máté Márton A mctszőkcrckckct a szakirodalom olyan fogaskerekekként tárgyalja, amelyek profileltolása egyenesen arányosan csökken a kerék alapsíkjától számított távolsággal. Habár a szerszám fogának oldalfelületei cvolvens csavarfelületek, a vágóélek vetülete az alapsíkra a tökéletes evolvenstől eltér. A klasszikus elmélet szerint gyártott szerszám kapcsolószögét egyszerű képlettel számítják [1],amely a fogszámot nem veszi figyelembe, így a vágóéi vetületének görbületét sem. A fellépő profilhibák csak alacsony értékű homlokszög mellett maradnak a tűrésmezőn belül. A jelen dolgozatban egy olyan számítási módszer van ismertetve, amely a szerszámkapcsolószög meghatározását a vágóéi vetülete mentén észlelhető átlagos négyzetes profileltérés értékének minimálásán alapszik. A módszer alkalmazásásval elérhető a csúcshomlokszög megkétszerezése, és a profilhibák sem haladják meg a megengedett értéket.
A vágóéi vetületének parametrikus egyenletei. A metszőkerék vágóélei a szerszám forgácsolómozgása következtében egyenesfogú fogaskereket burkolnak. Ennek a keréknek a fogprofilja azonos a vágóéi egy tetszőleges, szerszámtengelyre merőleges síkra képzett vetületével. Ahhoz, hogy a metszőkerék tökéletes evolvensprofilú kereket burkoljon , szükséges, hogy a főmozgásban leírt kerék fogprofilja is evolvens legyen. Ez a feltétel, amint a szakirodalomból kitűnik, nem teljesül. Ennek következtében a gyártott kerék profilhibával készül. Általánosan elfogadott vélemény az, hogy az előbb említett szerszámhiba hasznos, mivel a vágóéi vetülete kívülről érinti a tökéletes evolvenst ennek osztókörön illeszkedő pontjában és ennek következtében a fogfej- illetve fogláblenyesést is elvégzi. Ahhoz, hogy a profilhiba a tűrésmezőn belül maradjon, a szerszámot a gyakorlatban általában 5°- os fejhomlokszöggel gyártják. Ez az érték a vágóéi mentén 2°- nál kisebb homlokszöget jelent, ami a forgácsolás szempontjából kedvezőtlen [2],
A szerszám forgácsképzésének javítása a homlokszög növelésével válik lehetségessé. A profilhiba csökkentése két módon lehetséges: az ősszerszám egyenes profiljának módosítása úgy, hogy a vágóéi vetülete tökéletes evolvens legyen, vagy pedig az egyenes vonalú ősszerszámprofil megtartása a szerszámkapcsolószög módosításával. Ez utóbbi változat technológiai megoldása egyszerűbb, azonban a profilhiba megmarad. A vágóéi vetülete ennek a szögnek a függvényében változik. A burkolt profil parametrikus egyenleteit célszerű egyszerű geometriai megfigyelések alapján levezetni. A vágóéi a szerszám fogának evolvens csavarfelületének és a homlokfelület nek metszete.Az utóbbi egyenes
12
EME körkúp, melynek tengelye a szerszám tengelyével egybeeső. így a homlokfelület metszete egy a szerszám tengelyére merőleges síksereggel egyenesen arányosan csökkenő sugarú körsereg, melynek sugarát a vágóéi paramétereként tekintünk. Az 1 sz. ábra alapján, a tetszőleges X-X síkban a profileltolás értéke C t p M ^ - ^ ^ t g Y t g a '
(1)
m
Az evolvenstrigonometria alapegyenletéből a vágóéi X-X síkjában levő pontja vetületéhez húzott sugár és az Ox tengely által bezárt szög a következő képletrend-szerrel számítható: / \
tjvPÍ =
.
, s(p) mz
mva. +
*(p)- — inva.
. inva„
(2)
+ 2m£(p)tga,
_VpEh Kb
- arccos
Ki P
Az (1) és (2) képletek alapján a szerszáméi vetületének (a továbbiakban a burkolt görbe) egyenletei a következőek: J * ( p ) = pcosTi(p) |y(p) = psinri(p)
(3)
1. sz. ábra A profilhiba számítása. Profilhiba alatt a burkolt görbe futópontja és az ezt érintő tökéletes evolvensgörbe az evolvensre normálirányban mért távolságot értjük. Megjegyezendő, hogy az elméleti evolvenssel kapcsolódó lécprofil szöge a megmunkálandó
fogaskerék
lécprofilszögóvel
mege-
gyező.
Amint a 2.sz. ábrából kitűnik, a profilhiba a BM és BN szakaszok különbsége. A BM szakasz hossza az OMB derékszögű háromszögből Pithagorasz tételével számítható. A BN szakasz hossza az AB körív hosszával megegyező. A viszonyító evolvens a burkolt profilt az osztókörön érinti Az érintkezési pont Ox tengelyhez viszonyított helyzetszöge a (2) képletekkel számítható, p=R értékre. A BM és BN szakaszok hossza a burkolt profil futópontjának sugarától függően a következőek:
13
EME BM = yjp1 - rb2
(4)
BN = r b [inva 0 + i ! ( R ) - r i ( p ) + l ( p ) ] A számítások elvégzése után a profilhiba kifejezése a következő alakot ölti: R-p Rí tga'tgy tga, +arccos arccos harccos A(p) = y[\l>2 - rb - rb i n v a o + 2 mz R, T\ 2 2 2 Vp -Rb VR -R Rb
Rb
(5)
/
Az (5) kifejezésből látszik, hogy a profilhiba az a s szerszámkapcsolószög és a p sugár függvénye. A szerszámkapcsolószög optimálása. A szerszám kapcsolószög optimális értékének azt az értéket tekintjük, amelyre a A(p) profilhiba négyzetes középértéke minimális lesz. Mivel a A(p) függvény p szerint az [ R j , R a ] intervallumon folytonos, a A(p) négyzetes középértékét az alábbi képlet adja:
V^* = JR„—- — J R
A 2 (p)dp
(6)
I R,
A (6) képlet egy olyan Riemann összeget jelöl, melynek minden tagja pozitív, és ezek szerint ennek a helyi szélsőérték - amennyiben létezik- csak minimum lehet. így a kapcsolószög optimum értéke a d
da.
(7)
-(,&) = 0
egyenlet megoldása a s -re. A deriválás elvégzése után a (7) egyenlet alakja a következő: (8) r, ahol a profilhibafüggvény as szerinti deriváltja
da,
« AL = - r M (R - p).ga', g y • R( cos a .
+
_ ^R 2 - R 2 cos 1 a,) cos a .
(9)
képlettel számítható.
A (8) egyenlet integrálása igen bonyolult, a s -ben transzcendens egyenlethez vezet, amelynek megoldása numerikus módszerek alkalmazásával lehetséges. A megoldás egyszerűsítése végett a (8) egyenlet baloldalát a Simpson képlettel közelítjük, mely viszonylag kisszámú csomópontra felírva is elégségesen pontos közelítést ad. így a szerszámkapcsolószög optimális értéke az f ( 3 - ( - l ) j W p J ) A i [ i ( p J ) - ( A ( p 0 ) A ; ( ( p 0 ) + A(p20)A;i(p20)) = 0 j=n egyenlet gyöke, a pj értékek pedig az [ R j , R a ] intervallum 21 csomópontja.
14
(10)
EME Numerikus kiértékelés.
A felállított elmélet hatékonysága egy z = 40 fogú és m = 5mm modulú kapcsolószögének
a
klasszikus
és
az
előbbiekben
vázolt
módszerrel
metszőkerék
való
számításának
összehasonlításával válik érzékelhetővé. A klasszikus számítási módszer alkalmazásakor y =6° -os, a leírt módszer esetében pedig y =12° -os homloszöget tekintünk. A 3. sz. ábrán a profilhibák változása látható a p paraméter függvényében.
/
,0.00783319
A klasszikus módszerrel számított kapcsolószögü szerszám profilhibája gyakorlatilag a fog hegye fele növekvő, ezért előnytelen. Észlelhető, hogy a
Plj
maximális hibaérték kb 7 |am (felső görbe). Ezzel szemben az optimált kapcsolószögü
\\
\
szerszám
/
T
profilhibaeloszlása kedvezőbb, mivel a fogfejen
/
/
/
j
/
r
/
J
\
illetve a foglábon közel azonos értékűek, és
—
legnagyobb abszolút érték kb 4 ^m (alsó görbe). ,.-0.00216223 ^91.1116.,
A (10) egyenlet megoldása 10e-7 nagyságrendű hibával történt.
s.
/ J 09.612,
3.sz. ábra
IRODALOM l .HOLLANDA,D., A§chiere ;i scule a§chietoare, Institutul de ínváfámint Superior din Tirgu Mure§ 1982. 2.BOUZAKIS,K.,Erhöhung der Wirtschaftlichkeit beim Wálzstossen durch Optimierung der Zerspanprozesses und der Werkzeugauslegung, R.T.W.A. Aachen, 1976
Máté Márton egyetemi adjunktus Marosvásárhelyi Egyetem, N Iorga u., 1. sz., 4300 Marosvásárhely.
15
EME
SZERSZÁM AZ EGYENESFOGÚ EVOLVENSKEREKEK MEGMUNKÁLÁSÁRA HOSSZIRÁNYÚ HORDÓSÍTÁSSAL. Janka Zoltán
Máté Márton
A fogaskerekek fogainak megmunkálása a jobb hordkép elérése érdekében az elméleti evolvensprofiltól eltérően történik. A gyakorlatban ezt a fogalak úgynevezett hordósításával érik el, mely a fogprofil módosításával (fej- illetve láblenyeséssel ) történik, vagy pedig a fog alkotógörbéje görbületi sugarának változtatásával. Ez utóbbi módszer előnyei különösképpen a kapcsolószekrények felépítésében alkalmazott fogaskerekek esetében tűnnek ki. Ellentétben a fogalakmódosítással, a hosszanti hordósítás megvalósítása körülményes.
A jelen
dolgozatban
bemutatásra,
a
hosszanti
mely a fogaskereket
hordósítás
egyszerű
lefejtéssel munkálja
megvalósítását meg.
eredményező
szerszám
így elérhető egy viszonylag
kerül
egyszerű
technológiai berendezés alkalmazásával a célul kitűzött fogalakmódosítás.
A szerszám működési elve. Jelen esetben a javasolt szerszámnak egyszerre kell biztosítania mind a hordositást, mind pedig a fogaskerékkel való kapcsolódást. Az előbbi a szerszám geometriai sajátosságainak, az utóbbi pedig a mozgó
egyenes
elvén
történő
állandótengelyü és szögsebességű
evolvensképzés
szimulációjának
eredménye.
forgómozgásának következményeként
A
az élek által
származtatófelület a megmunkálandó kerék tengelyére merőleges szimmetriasíkban egy
szerszám burkolt állandó
sebességgel mozgó lécprofilt generál. A megmunkálandó kerék ezzel a futóprofillal kapcsol.
A futó lécprofil akkor képződik, ha a származtatófelület egy archimédeszi spirálra képzett vonalfelület. Ezzel viszont a kapcsolás csak az említett szímmetriasíkban tökéletes . Egy ezzel párhuzamos sikban a szerszám és a darab között csúszás lép fel, mely az archimédeszi vezérgörbe alakjából kifolyoóag történő lécprofil-irányváltozás következménye.Emiatt párhuzamos síkokban a szerszám többet vág le a fogból.Ezért a fog hosszirányban a szélek felé elvékonyodó lesz. Ez megfelel a hosszirányú hordósítás által előidézett fogalakváltozásnak, mely a hordképet a fog középső részére lokalizálja.Ennek következtében a hajtás kevésbé lesz érzékeny a szerelési pontatlanságokra.
16
EME L
m 2
„ + K0lRa0 - ( 0 + A)
2
j[P(u,ü] . ™tg«4l>(u,0)
+ (z,+R)
2
z, + R
A = arcig
(11)
P(u,9) y t B a , P ( u , e ) - ( z , + R)
A fogfelület parametrikus egyenleteit a (11) - nek a (7)- be való behelyettesítésével kapjuk.
IRODALOM 1. LITVIN, F., L., A fogaskerékkapcsolás elmélete, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1972.
Janka Zoltán egyetemi hallgató Máté Márton egyetemi adjunktus Marosvásárhelyi Egyetem , N. Iorga u., 1. sz., 4300 Marosvásárhely
17
EME kezdeti helyzetéhez képest tp2 szöggel fordul. Mivel aszerszám fogai egyetlen spirál mentén helyezkednek el, a (pl és tp2 szögek között az alábbi kapcsolat áll fenn:
(4)
ahol z a megmunkálandó kerék fogszáma. Az SÍ és S2 koordinátarendszerek közötti kapcsolat az alábbi mátrixszorzattal fejezhető ki:
M2I =
-sin(tp2-e)
0
-cos(
0 -1 0
cos(
COSíPj SlIKp, 0 0
b2 0 1
-sintp, COS(p, 0 0
0 0 1 0
0 0 (5)
ahol : a 2 = R • cos(
(6)
2
a • cos a 0 8 = inva0 + arctg — R + a • sina0 • cosa0 Az S2 rendszerben keletkező felületsereg egyenleteit az alábbi mátrixszorzatból kapjuk: r 2 = M 2 , x r,
(7)
A
(21) v i
-<ö 2 (z, + R ) • cos
jyj co 2 (z, + R ) - s i n ( p , - Q j X j
=
(8)
a) 2 (x I cos(p I - y, s i n t p , ) - G ) 2 R 0 A szerszám és a darab kapcsolódási egyenlete az SÍ rendszerben a legegyszerűbb, mivel a származtatófelület normálvektora a (3) egyenletekből könnyen felírható.
r (21) = n, v,
-(sinO + P • cosö) cosö-Psin0 -tga„ P
ví
2 , )
=o
(9)
ahol (10) ni
m
A (9) skaláregyenlet megoldható
18
?
/3
EME A származtató felület egyenletei. A származtatófelület alkotógörbéje egyenes, mely a lécprofilnak felel meg. Egyenletei az O x l y l z l rendszerben (l ábra) a következőek: xl = a - u cosa, yl = 0 zl = u c o s a , ,
2
(1)
Az alkotógörbének az archimédeszi vezérgörbe mentén /
*»»
s -
1
1
<*>/
/ f \
1
0 / \
v /
y
rA Jí r \
való
elmozdulása
matemetikailag
az
oxlylzl
rendszernek az oxyz- hez képest való elmozdulásával
\ 1
fejezhető ki, melynek mátrixa:
£ y
cosö
-sinö
0
sin0
COS0
0
0 0
0 0
1 0
R
o
+ y
Oj
cOS0
/
0
+
™elsine 2 0 1
)
(2)
1. ábra ahol Rq a spirál indulósugara, m a modul és a a fogasléc osztóvonalon mért negyedlépése. Az
(1) és (2) -bői a származtatófelület
parametrikus
egyenletei u és 0 paraméterekben a következőek: í \ m x = I C„ - u • sin a„ + — ö I - cos 0 V ° 2 J m 2 0 )l-sinö y = C o0 - u s i n a o0 + —
(3)
z = u • cosa0
ahol Co=a+RQ A megmunkált fogfelület egyenletei. A darab fogfelülete a szerszám forgómozgása következtében a darabhoz
kötött
felületsereg
burkoló
rendszerben
keletkező
felülete.Aszerszám
és
származtató a
darab
viszonylagos elmozdulása matematikailag ahozzájuk kötött koordinátarendszerek helyzetével fejezhető ki. Ez,illetve az elmozdulások a 2sz. ábrán láthatóak. A szerszámhoz kötött S1 = o l x l y l z l rendszer az álló S=OXYZ rendszerhez képest (pl szöggel fordul el. A darabhoz kötött S2=x2y2z2 rendszer a
19
V',
EME
A 2HD-S marás algoritmusa SFCAM környezetben történő CNC programozáshoz Magyar Attila A dolgozat b e m u t a t j a a számítógéppel segített műszaki tervezésnek ( C A M ) a számítógéppel integrált gyártástechnológiában betöltött szerepét. Betekintést ad az algoritmusba, mint a s z á m í t ó g é p e s felhasználás alapvető eszközébe. Felhasználói segítséget nyújt a napjainkban elterjedt t e r v e z ő r e n d s z e r , az S F C A M ( S h o p F l o o r C A M ) p r o g r a m o z á s i feladatainak ellátására. Igyekszik elősegíteni a 2ViD-s marás S F C A M környezetben t ö r t é n ő p r o g r a m o z á s á n a k alapszintű megismerését. A kecskeméti Gépipari és Automatizálási Műszaki Főiskola N C - t e c h n o l ó g i a szakirány tananyagában szerepel az S F C A M s z o f t v e r megismerése, melynek felhasználása során merült fel a 2V4D-S marás C N C p r o g r a m o z á s á h o z szükséges technológiai tervezésnek, valamint az S F C A M s z o f t v e r 2V6D-S m a r ó modul technológiai tervezésének az algoritmizálása. A hagyományos, és az S F C A M szoftverrel t ö r t é n ő technológiai tervezés összehasonlítása az utolsó fejezetben történik, egyszerűbb példákkal szemléltetve.
A gyártás automatizálásának mai eszközrendszere A gyártás automatizálásának mai eszközrendszerét az úgynevezett CIM - Computer Integrated Manufacturing (számítógéppel integrált gyártás) rendszereken keresztül célszerű tanulmányozni, mivel az anyag- és adatfeldolgozás automatizálásának egységét ma ezek a rendszerek valósítják meg a legmagasabb szinten. A CIM intelligens elektronikát alkalmazó gyártási rendszer, amely gyártóberendezések, informatikai rendszer és irányítási rendszer együttese. E rendszerek számítógéppel integrálják a gyártás mindazon funkcióit, a számítógépes gyártmány- és gyártástervezést, a termelésirányítást, a gyártást (beleértve a minőségellenőrzést, a szerelést és felületkezelést), a kiszolgálást, anyag- és termelőeszköz-szállítást, a készletezést és raktározást, amelyeket eddig külön alrendszerek kezeltek. A gyártási folyamatirányítás ( CAM ) a CIM rendszer egyik legösszetettebb informatikai alrendszere. CAM - Computer Aided Manufacturing: számítógéppel segített gyártás, közvetlen gyártásirányítást és felügyeletet ellátó funkció, amely szabályozza egy-egy gyártóberendezés működését. CIM intelligens elektronikát alkalmazó gyártási rendszer, amely gyártóberendezések, informatikai rendszer és irányítási rendszer együttese. E rendszerek számítógéppel integrálják a gyártás mindazon funkcióit, a számítógépes gyártmány- és gyártástervezést, a termelésirányítást, a gyártást (beleértve a minőségellenőrzést, a szerelést és felületkezelést) a kiszolgálást, anyag- és termelőeszköz-szállítást, a készletezést és raktározást, amelyeket eddig külön alrendszerek kezeltek. A CAM tevékenység a gyártástervezéssel indul. Ez magába foglalja a technologizálást, szerszámozást, stb. A 2lAD -s marás A 2 / 2 D - S marási mód azt jelenti, hogy a megmunkálás során a szerszámot két tengely mentén csak valamely síkban tudjuk mozgatni, a harmadik tengelyt pedig gyorsmenetre, vagy a munkadarab megközelítésére, illetve fogásvételre használhatjuk. A CNC marók síkban való mozgást igénylő alakzatok megmunkálására, két tengely menti interpoláció által nagybonyolultságú alakzatok kialakítására is alkalmasak, azonban térbeli alakzatok (3D) készítésére nem minden gép képes, mert ehhez már bonyolult matematikai összefüggések szükségesek. A 2VáD egy áthidaló megoldás, amelynél egy térbeli alakzatot két koordináta
20
2
EME
egyidejű használatával lehet kialakítani. Ez úgy történik, hogy a munkadarabot síkokra osztjuk, és ezen síkok mentén végezzük a megmunkálást. Ilyenkor a harmadik koordináta a ráállást végzi, így a síkbeli megmunkálás a harmadik tengely kiegészítő mozgása révén térbeli megmunkálássá alakul át. A megmunkálás pontossága a kiegészítő mozgást végző tengely lépésközeinek nagyságától függ. Minél több síkra osztjuk fel a munkadarabot, és ezek minél közelebb kerülnek egymáshoz, annál nagyobb pontosságot és jobb felületi minőséget érhetünk el. A gyártási folyamat kezdetét legjobban az indító információhalmaz megjelenítésével, befejezését a kész munkadarabban tárolt információhalmazzal tudjuk jellemezni. A marási mód megválasztásakor figyelembe kell venni a leválasztandó anyag mennyiségét, a munkadarab alakját és méreteit, valamint a megmunkálandó felület alakját (sík, horony, alakos felület stb.). A technológia megtervezésekor a bemenő adat: a gyártandó sorozat nagysága, a munkadarab és szerszám anyaga, tulajdonságai, a gyártási költségek, stb. A kimenő adat: a választott gép, szerszámok + paraméterek + technológia. Az információleképzés elemei A geometriai információ-feldolgozás és leképzés fő elemei a gyártási folyamatban: 1. gyártástervezés, gyártáselőkészítés például: művelettervezés, keszüléktervezés, stb., 2. gyártóeszközök előkészítése például: szerszámgépek, szerszámok, készülékek kiválasztása, 3. munkadarabgyártási folyamatok, melyek eleme a relatív mozgás a munkadarab és a szerszám között. A munkadarabra leképzett információkat a leképzés eszközein keresztül három részre lehet bontani : A = szerszámgépek (alapinformációtárolók); B = szerszámok; C = a gép irányításából származó információhalmaz; MI = a munkadarabra leképzett információk. így tehát, MI = A U B U C
Az algoritmusok A számítógépes felhasználás alapvető eszköze a számítógépes program, amely algoritmus alapján készül el. A programozás informatikai értelemben azt jelenti, hogy egy feladat megoldási módszerét úgy formálják, hogy azt egy számítógép végre tudja hajtani. A programozónak ehhez különféle megoldási módszereket (algoritmusokat) és adatstruktúrákat kell ismernie, amelyekkel a megoldást a legkedvezőbben lehet leírni. Az algoritmus, egy feladat számítógépen történő megoldására szolgáló eljárás. A feladat megoldásának lépésekre bontását algoritmizálásnak nevezzük. A gyártástechnológia tervezési folyamataiban is előfordulnak algoritmizálandó feladatok. Jelen esetben kétféle technológiai tervezés algoritmizálását kell vizsgálni. Az algoritmusok legfontosabb tulajdonságai 1.Végesség. Az algoritmus véges sok lépés után befejeződik. 2.Meghatározottság. Az algoritmus minden lépésének pontosan meghatározottnak kell lennie. A végrehajtandó utasításnak minden esetben világosnak és félreérthetetlennek kell lennie. 3.Bemenet. Az algoritmus olyan adatokat igényel, vagy nem, amelyeket az elindítása előtt meg kell adni. Ez az adat mindig meghatározott halmazokból kerülhet ki. 4.Kimenet. Az algoritmushoz egy vagy több kimenet tartozhat, amelyek meghatározott kapcsolatban állnak a bemenettel. 5.Elvégezhetőség. Az algoritmust végre lehessen hajtani. Az algorimus során végrehajtandó utasításoknak egyszerűnek kell lennie ahhoz, hogy az ember véges idő alatt pontosan végrehajthassa. Az algoritmusokban a lépések elrendezése néhány mintát követ. Ezek: műveletsorozat, elágazás, hurok (ciklus). Többféle szempont szerint lehet osztályozni az algoritmusokat, például: struktúra jellemző, vagy feladatok tárgyköre szerint. Ezek a felosztások nem teszik teljes mértékben lehetővé valamennyi algoritmus besorolását, de segítenek a tájékozódásban. A 2V2D-S marás technológiai tervezéséhez szükséges algoritmusokat a számítási folyamatábra segítségével célszerű elkészíteni.
21
EME A 2/2D-S marás technológiai tervezésének algoritmusai A CNC programozáshoz, a technológiai tervezés főbb részeinek megfelelően ötféle algoritmust kell elkészíteni. Ez a szerszámgép, a készülék, a szerszám, a technológiai paraméterek és a szerszámpálya kiválasztásának algoritmusa. Mindegyik algoritmusnál a bemeneti információkat a munkadarab jellemzői adják, úgymint: a munkadarab mérete, geometriája, darabszáma, felületi minősége, stb. A következő lépésekben feltételek segítségével lehet meghatározni a kimeneti információt, ami a kiválasztásra kerülő technológiai jellemző. Az 1.ábrán például a szerszámgép kiválasztásának algoritmusa látható.
A 2V2D-S marás technológiai tervezésének algoritmusai SFCAM környezetben Az algoritmusok segítségével végig tudjuk követni, hogy a tervezés során, a programban milyen műveleteket kell végrehajtani. Az algoritmusok között található egy fő ág, amely további mellékágakra oszlik. A fő ág tartalmazza a programozáshoz szükséges alapvető programozási műveleteket, valamint a program felépítését. A mellékágak részletes útmutatót adnak a műveletekről, például: programelindítás, szerszámkiválasztás, megmunkálási technológiák kiválasztása, stb. A mellékágakat bonyolultságuktól függően további ágakra lehet bontani. Az egyes algoritmusokban, a részalgoritmusokra való hivatkozás körök segítségével történik, ezekben található számok utalnak az elérendő algoritmusok hollétére. A 2.ábrán például a maró modul és a posztprocesszor kiválasztása algorimus látható.
© \
Válassza ki • maro modult'
A tel taa V Nm / »0t«T
F7 - PDyagcncriUs
6 - Modult vált
1-Maria
Valaxzakia poöproecmcrt!
Lép;eo a kiválasztandó pcGtpronsaanl (pl. NCT_90)
ENTER
© 2.ábra 1 .ábra
22
2
EME
Az Shop Floor C A M rendszer Az SFCAM olyan gyártási tervező rendszer, amely az NC/CNC gépek programozási feladatainak ellátására alkalmas. CNC alkatrészprogramok készíthetők marógép, esztergagép és szikraforgácsoló gépek számára. A szoftverrel létrehozhatunk egy geometriai adatbázist, és a rendelkezésre álló technológiák valamelyikét összerendelhetjük egy CNC program formájában, így az általunk kiválasztott NC/CNC gépre megszerkeszti a programot. Az SFCAM üzemmódjai A szoftver alapvetően három üzemmóddal rendelkezik: geometriai mód, szerkesztő mód, könyvtár mód. Az SFCAM a következő modulokat kezeli: maró modul, esztergáló modul, szikraforgácsoló modul, lemezmegmunkáló modul / nibbelő, lángvágó és laservágó /. Ha a geometriai alakzat a számítógép memóriájában van, egyszerűen válasszuk ki a szerszámunkat a szerszám könyvtárunkból, nevezzük meg a műveletet, és az SFCAM felkínálja a megfe lelő opciókat a megmunkálás teljesítésére. A szerszámpálya vagy azonnal megjelenik a grafikus képernyőn, vagy vonalasan a szerszámközéppont mozgását ábrázolva, vagy a szerszám alakjának megjelenítésével a megmunkálás animációjaként. -
Az általános szerszámpálya műveletek a következők: kezdési, szerszámcsere, befejezési eljárások, szubrutinok, paraméter-beállítás, az utolsó blokk vagy szekció ismétlése, eltolása, forgatása, posztprocesszor hívás, modul és posztpro-cesszor kiválasztás.
A 2V2D-S maró modul jellemző műveletei a következők: Fúrási ciklusok minden típusa. Horonymarás (egyenesek vagy formák mentén), gravírozás.Kontúrozás kiválasztott ráfutás és elhagyás módokkal. Nagyolóciklusok. Zseb- , és sziget-kialakítás. Idommarási ciklusok (kör, doboz, ívszelvények). A programozás lépései Az SFCAM programmal végzett munka négy fő lépésből áll: 1. A geometriának, vagy egy részének a felépítése. Nem szükséges a teljes geometria megszer kesztése a megmunkáló parancsok összetettségének köszönhetően. 2. A nyersanyag kiinduló méreteinek, és az általános megmunkálási paraméterek meghatározása. 3. A szerszámok kiválasztása, a megmunkáló ciklusok meghívása az egyes szerszámok számára. 4. Az alkatrészprogram lezárása a befejezés paranccsal. A posztprocesszor elindítása a kiválasz tott vezérléshez történő programgeneráláshoz. Az így előállított program közvetlenül átjuttat ható CNC vezérlőnkre. Irodalom [1] Dr. Tóth Tibor: Automatizált műszaki tervezés a gépgyártástechnológiában. Tankönyvkiadó, Budapest, 1990. [2] Dr. Tajnafői József: Szerszámgéptervezés I. Nemzeti Tankönyvkiadó, 1993. [3] Prof. Dr.-Ing. Horst Czichos: HÜTTE. A mérnöki tudományok kézikönyve. Springer Hungarica Kiadó Kft. , Budapest, 1993. [4] Shop Floor CAM. Referencia kézikönyv.
Magyar Attila / gépészmérnök MMG-AM Rt. Vezérléstechnikai gyár. Műszaki fejlesztés / H-6000 Kecskemét, Izsáki út 8. Tel.: 76/481-291 / Fax.: 76-481-268
23
EME
A SZERSZÁMGÉPEK MODULÁRIS TERVEZÉSE KOLOZSVÁRI ZSOLT ÖSSZEFOGLALÁS
Jelenleg a gépgyártásban, általában több tervezési módszert alkalmaznak, de ezek közül egyik sem bír kizáró jelleggel. A tervező nem tud valamit megtervezni anélkül, hogy csupán csak egyetlen egy tervezési módszerhez folyamodjon, mivelhogy a tervezési módszerek szorosan kapcsolódnak egymáshoz. A jelen dolgozatban, először rövid bemutatásra kerülnek a főbb tervezési módszerek, kiemelve mindegyik jellegzetességeit és alkalmazási területeit. Továbbá rátérünk a moduláris tervezés részletes bemutatására. Mit takar ez a fogalom, milyen alkalmazási lehetőségei vannak a szerszámgéptervezés terén, milyen kapcsolat fűzi a többi tervezési módszerekhez, melyek a perspektívái. Bemutatjuk, hogy melyek a moduláris tervezés kritériumai, ezen módszerrel tervezett szerszámgépek felépítésének a követelményeit, a modulok főbb csoportosítási (agregálási) típusait, szó esik a tipizált kinematikus tengelyrendszerről, az adatbázisok feltöltéséről és felhasználásáról. A dolgozat végső részében, egy szerszámgép orsófejének vázlatos tervezésének bemutatásával illusztráljuk a moduláris tervezést.
ÁLTALÁNOS TUDNIVALÓK A SZERSZÁMGÉPEK TERVEZÉSÉVEL KAPCSOLATBAN
Ahogy már az összefoglalóban említettük, a gépgyártás terén, általában, több tervezési módszert alkalmaznak, de viszont egyikük sem alkalmazható kizáró jelleggel a tervezés folyamatában, mivelhogy a tervezésben egy állandó kölcsönhatás észlelhető a különböző módszerek között, amelyeknek külön-külön megvan a maga sajátossága a különböző alkalmazási területeken. Manapság, a gépek többsége komplex felépítésű, magukban foglalnak mechanikus, pneumatikus, hidraulikus, elektromos, elektronikus komponenseket. Ezért, ezek tervezése csak egy jól felkészült szakemberekből álló csapattal lehetséges, amelynek tagjai különböző területeken dolgozó szakemberek (mérnökök, gazdasági szakemberek, informatikusok). A tervezés első szakasza a marketing kell hogy legyen, mert minden gyártmány első fontos tulajdonsága az kell legyen, hogy az illető termék igényelt legyen a piacon. Fontosabb tervezési módszerek közül megemlítendők a moduláris tervezés módszere, az inverzió módszere, D.F.M.A.. Az inverzió módszerén alapuló tervezés egy rendszer komponenseinek funkcionális szerepének, alakjának és viszonylagos helyzetének felcserélési lehetőségén, a moduláris tervezés a rendszerek modulokból való felépítésén, a D.F.M.A. pedig a rendszerek komponenseinek optimizálásán alapszik.
MODULÁRIS TERVEZÉSI MÓDSZER
A szerszámgépek moduláris tervezését, többféle előnye (úgy a száltító, mint a felhasználó szemszögéből nézve) miatt, jelenleg mint az egyik legtöbbet használt tervezési módszert tartják számon. 24
EME A rugalmas gyártórendszerek megjelenése után elképzelhetetlen ezek tervezése moduláris módszer alkalmazása nélkül. Minden, a moduláris tervezés elvén gyártott szerszámgép, modulokból áll, amelyek több, más szerszámgép bizonyos egységeiben is, más összeállításban megtalálhatók. A moduláris elven gyártott szerszámgépek lehetővé teszik egy meghatározott csoporthoz tartozó funkcionális szempontból autonóm, különböző méretű és funkciójú modulokból való összeszerelését, lehetővé téve így, hogy különböző szerszámgépeket hozunk létre, amelyek a követelményeknek megfelelően könnyen átalakíthatók, csupán az egyes modulok helyének változtatásával vagy éppenséggel helyettesítésével. Ennek a tervezési módszernek a következő előnyei vannak: -a tervezési idő csökkenése, -a termékek folyamatos tökéletesítése, -a költségek csökkenése, -a karbantartási és termelési körülmények javítása. Moduláris tervezéskor a szerszámgépeket a következő követelmények szerint csoportosíthatók: -tehnológiai kritériumok szerint a szerszámgépek lehetnek: -forgási felületek megmunkálására alkalmasak; -síkfelületek megmunkálására alkalmasak; -komplex felületek megmunkálására alkalmasak; -köpeny vázak megmunkálására alkalmasak. A fentebb csoportok mindegyike továbbosztható más kritériumok szerint. Például, ha a síkfelületek vagy köpenyvázak megmunkálására alkalmas szerszámgépeket vesszük figyelembe, akkor ezek lehetnek: -fúró - maró - dörzsölő gépek; -fúró - dörzsölő gépek; -fúró - maró - eszterga gépek, vagy más kritérium szerint csoportosíthatjuk: -egyorsós gépek; -többorsós gépek stb. A modulok kombinálása háromféleképpen lehetséges: -az első típushoz azok a rendszerek tartoznak, amelyek lehetővé teszik olyan szerszámgépek tervezését amelyek különböző méretű és anyagú, szimmetrikusan elhelyezkedő felületekkel bíró darabok megmunkálását teszi lehetővé; -a második típushoz tartozók már tökéletesebbek és lehetővé teszik olyan komplex darabok megmunkálását, amelyek nem csak méretben, hanem a megmunkálandó felületek térbeli elhelyezkedését illetően is különböznek; -a harmadik típushoz azok a rendszerek tartoznak, amelyek az előbb említett lehetőségeken kívül, még képesek különböző gyártási feltételeknek is eleget tenni, figyelembe véve a munkadarabok változatosságát is. A szerszámgépeknek tipizált modulokból való összeszerelésekor két fő kritériumot kell betartani: -a szerszámgépeket különálló modulokból kell összeszerelni, amelyeknek megvannak a maguk jól meghatározott szerepük, autonómak kinematikai szempontból; -az egyes modulok nem szabad átvegyék a szomszédos modulok szerepkörét; ezzel a gépek átalakíthatósága rendkívül megnő. Fontos tényező a szerszámgépek tervezésének terén, a szabványosított kinematikus tengelyremdszer, mivel hogy ez megkönnyíti a tervezést. Ilyen értelemben az egyenes mozgást végző tengelyek egy triéder alakú mértani koordinátarendszert képeznek, amelyben a főorsó elmozdulási iránya a Z tengely irányának felel meg, az X és Y koordináták pedig az asztal síkjában fekszenek. A szerszám forgási irányát az X,Y és Z tengelyek körül A, B, C -vei jelöjük. Mivel egyes szerszámgépek mozgásai elég összetettek lehetnek, a fentebb említett fő tengelyeken kívül,még szabványosítottak a másodrendű (U,V,Z) valimint a harmadrendű (P,Q,R) koordi nátarendszerek.
25
EME
AZ ADATBÁZISOK ÖSSZEÁLLÍTÁSA ÉS FELHASZNÁLÁSA
Egy előtolómű számítógépes tervezésekor, egy előre megírt adatbázisra alapuló programot lehet megírni. Tehát egy adatbázis felhasználása előtt, ezt létre kell hozni egy külső memóriaegységen. Ezen művelet feltételezi egy állomány létrehozását, amely memorálja az adatbázist és az adatbázissal kapcsolatos adatokat, mint struktúra, rögzítések száma, stb. Az adatbázis létrehozása nagyon fontos lépés egy informatikai rendszer létrehozásában. Egy ilyen rendszer tervezésekor két szakaszt különböztetünk meg: -az analízis szakasza - amikor az informatizálandó problémát tanulmányozzuk, meghatározzuk a rendszer általános jellemvonásait (bemenetek, kimenetek, a rendszer feladatai, az adatbázis a saját struktúrájával együtt, programokra való lebontás, stb.); -a programozás szakasza - amikor ténylegesen elkészítjük a rendszer programjait, létrehozzuk az adatbankot, stb. A modularizáció, tipizálás és szabványosítás a szerszámgéptervezés olyan elemei amely lehetővé teszi a főbb modularizálandó elemek adatbázisának a létrehozását, valamint a szerszámgépek egységeinek számítógépes tervezését. A mechanikai szerkezet megtervezésekor a következőket kell szem előtt tartani: -szerszám és munkadarab kölcsönhatását; -előtolás hossza; -meghajtást. Egy tervezési program bemeneti adatai a következők: -a szán előtolási hossza, amely szerint választják meg a vezérorsó hosszát illetve a vezeték méreteit; -a munkafej előtolási sebessége, amely értékétől függ a meghajtás milyensége (legyen vagy sem átviteli arány) illetve a motor típusa; -az előtolás pontossága (BLU-ban mérve), ami a jelátalakítók megválasztásánál illetve felépítésénél és a kinematikus tengelyrendszer felépítésénél játszik közre. A mechanikai struktúra a forgácsolás általi megterhelése fő paramétere a mechanikai struktúra, a vezeték, vezérorsó és a motor, megválasztásának. Ahhoz hogy minél jobb programokat állítsunk össze, az adatbázis minél több adattal való feltöltése, valamint a programnak egy grafikus tervezőprogramhoz (pl. ACAD) való hozzákapcsolása szükséges, ilyenképpen lehetővé téve a teljes dokumentáció biztosítását a mechanikai struktúra tervezéséhez.
EGY ELŐTOLÓMŰ MODULÁRIS TERVEZÉSÉNEK FELVÁZOLÁSA
Egy szerszámgép előtolómű vének számítógépes tervezésekor az adatbázis magába kell foglalja a motor, vezérorsó és a vezeték méreteit. Tehát egy ilyen adatbázist ezeknek az elemeknek az adataival kell feltölteni. Szán
Vezeték
Meghajtás
Vezérorsó 1. sz. ábra
26
EME
Egy egyszerű elotolómű (1. sz. ábra) tervezési folyamatát a 2. sz. ábrán szemléltetjük. Egy elotolómű tervezésének moduláris tervezésekor figyelembe veszünk egy már adott adatbázist, amely tartalmazza a tipizált motorok, vezetékek és vezérorsók adatait. A bemenő adatok (forgácsoláskor fellépő erők, előtolás maximális hossza, előtolási sebesség) birtokában egy számítógépprogram kiszámítja a motor szükséges fordulatszámát, a vezeték méreteit illetve a vezérorsó minimális átmérőjét és hosszát. Ezeket az eredményeket összehasonlítva az adatbázisban tárolt értékekkel, a program segítségével kiválasztjuk a megfelelő motort illetve a megfelelő méretű vezérorsót valamint vezetéket. Ha a kiválasztott alkatrészek nem kielégítőek, akkor a program visszatér az adatbázishoz és kiválasztja az következő nagyobb méretű alkatrészeket.
Kolozsvári Zsolt oki. gépészmérnök str. Dumbrava Ro§ie 37, Kolozsvár Tel.: 137913 27
EME
CAD/CAM RENDSZEREK FELÉPÍTÉSE
Tóth Gábor
Dolgozatom célja rövid áttekintést adni a számítógéppel támogatott ipari tervező- és gyártórendszerek müködéséröl, azok alkalmazási lehetőségeiről a gépészet területén. A témakör összefoglalásával segítséget próbálok adni a főiskolán még meglehetősen gyerekcipőben járó oktatási gyakorlat számára. A tanulmány első fejezetében megkísérlem bemutatni az CAD/CAM rendszerek feladatát és helyét az ipari. A második részben a kecskeméti Gépipari és Automatizálási Műszaki Főiskolán található microCADDS és SFCAM rendszereket próbálom elemezni a felhasználó oldaláról.
A CAD/CAM rendszerek helye és feladata az ipari környezetben Az ipari folyamatok során igényelt és keletkező információkat legcélszerűbb számítógép alkalmazásával feldolgozni. Mintegy 25-30 éves fejlesztés eredményeképpen, ma a tervezők és technológusok számára olyan számítástechnikai eszközök állnak rendelkezésre, amelyek segítségével az üzem vagy technológiai környezet mindennemű információja feldolgozható. Amikor a CAD-et vagy a CAM-et említjük legtöbbször csak egy geometriai és egy technológiai tervezőszoftverre gondolunk. Bizonyos körülmények között ez elég is lehet, de ezzel nem aknáznánk ki a rendszerben rejlő mélyebb lehetőségeket. Először is látni kell, hogy a két folyamat egymástól nem különíthető el. Ez azt jelenti, hogy igen jól kell definiálni a közöttük lévő csatlakozási, átmeneti felületet. Másodszor pedig, figyelembe kell venni azt, hogy a már bevitt adatokat minél sokoldalúbban, hatékonyabban lehessen felhasználni.
Szabványok, normák
Gépállomány
1. ábra
28
2
EME
Az 1. ábrán tekintsük át egy üzem informatikai felépítését. A tervezők, technológusok és az üzem egy adatbázisra támaszkodva végzik tevékenységüket. Az adatbázisnak ezért részben közös, részben pedig az egységekre jellemző információkat kell tárolnia. A közös információk igénye a szervezeti egységek határvonalán jelentkezik a legélesebben. A CAD/CAM rendszerek feladata a tervezők és technológusok támogatása. Ennek megfelelően biztosítaniuk kell egy olyan matematikai alapokon nyugvó geometriai modellt, mellyel az üzemi feladatok megoldhatók, és létre kell hozniuk, egy az üzemi berendezések számára érthető kódrendszerben leírt technológiát. Az alkatrész geometria leírására három módszer (huzalváz-, felület-, testmodell) van elterjedve, azonban a rendszerek tervezői heterogén adatstruktúrával ábrázolják a geometriát. Ennek oka az, hogy a különböző algoritmusok más-más modellel működnek hatékonyan. Az adatstruktúra felépítésére nem tudtak megfelelő irányelveket deklarálni, mivel a tervező rendszerek megírói teljesen önálló koncepció alapján dolgoznak. A geometria leírására szolgáló ajánlások csak az adatinterfészek területén terjedtek el (IGES, DXF, CADL, STEP, stb.). A geometriai modell létrehozását a CAD rendszerek és folyamat támogatja. A CAD képviseli a geometriai modell matematikai megfogalmazását, és koncepcionálisan bele vannak építve a tervezési folyamat elemei (modell alkotási, mérnöki módszerek). A tervező rendszerek és az üzemi berendezések közötti kapcsolatot a DIN 66025/2 számú ajánlás megfelelő módon biztosítja. Ez az ajánlás utal a CNC kód formátumára, szintaktikájára, az utasítások kódjára. A technológia kidolgozása a CAM folyamat segítségével történik. Az adatbázis tömörsége és a felhasználó központúság miatt a CAM-et leggyakrabban modulszerűen egybe integrálják a CAD-el. A CAM modul biztosítja a technológiai jellemzők (szerszámpálya, mozgási paraméterek, stb.) beillesztését az adatbázisba, és az azoknak megfelelő CLDATA file létrehozását. A CLDATA formátum (DIN 66215) biztosítja a technológia vezérlésfüggetlen leírását, és ezt a fájlt tudja a posztprocesszor feldolgozni. A posztprocesszor, mely nem feltétlenül integráns része a CAM-nek, rendelkezik az adott berendezés számára szükséges CNC kód formátumára vonatkozó információkkal.
Az SFCAM és a microCADDS CAD/CAM rendszerek elemzése A 2. és a 3. ábrán a microCADDS és az SFCAM szoftverek vázlata látható. Az ábrák a felhasználó számára látható összefüggésekben ábrázolják a rendszereket.
29
3
EME
A rendszerek elemzésekor figyelembe kell venni azt a tényt, hogy a két szoftver nem azonos igények kielégítésére készült. Mindkét szoftver PC konfiguráción működött, de a microCADDS eredetileg UNIX operációs rendszerre készült. A vizsgált rendszer egy DOS alatti verzió, mely lényegesen redukált képességű az eredetihez képest. Ami az SFCAM-et illeti, ez a program kifejezetten PC-re készült. Az SFCAM tulajdonképpen egy CAD funkciókkal támogatott műhelyszintű (ShopFloor) CAM program. A két programrendszert a kecskeméti Gépipari és Automatizálási Műszaki Főiskola Gépgyártástechnológia Tanszéke használja. Körülbelül egy időben kerültek oda, és a működtetés begyakorlása közbeni tapasztalatok eredményét foglalnám össze. A microCADDS rendszer jellegzetességei A rendszer alapjául egy keretprogram szolgál, mely lehetővé teszi az adatbázis elérését és különböző műveletek végrehajtását. A keretprogram biztosítja azokat a funkciókat, mellyel létre lehet hozni egy felhasználói felületet (ikonok, menük, müveletek). A rendszer alapbeállításában, egy a rendszertervezők által létrehozott felhasználói felület jelenik meg. A felhasználók többségének elegendőek ezek a lehetőségek, de létre lehet hozni egy saját igényekre illesztett rendszert is. A keretprogram teremt lehetőséget a geometriai modell létrehozására. A felhasználó az alkatrész modell létrehozásához felületeket és egyszerű geometriai elemeket (vonal, kör, ív, stb.) használhat. Ez alapján a rendszer felületmodellező képessége emelhető ki, melynek a CAM folyamatban van jelentősége. A rendszer grafikus szerkesztője lehetővé teszi a modell kívánt részletének a nagyítását, az entitások (modell elemek) módosítását, méretezését, feliratozását. A felületelemek láthatóságát a vezérvonalakkal fokozza, de a felhasználó rendelkezésére áll egy árnyékolt kép generálását támogató utasítás is. A rendszer lehetővé teszi, hogy gyakran alkalmazott alkatrészeket könyvtárakban tároljunk. A microCADDS rendszer CAM modulja egybe van integrálva a grafikus keretprogrammal. Itt találhatók meg azok a menüpontok, melyek lehetővé teszik a különböző technológiák számára szükséges ún. pályaszekvenciák létrehozását. A főiskolán elérhető program lehetőséget ad eszterga és marógépekre történő technológiák kidolgozására, de megoldható pontról-pontra történő vezérlések (láng-, lézervágó) programozása is. Különböző modulok állnak a felhasználó rendelkezésére, a kész adatbázisok tovább történő feldolgozására, illetve kommunikációs kapcsolatok létrehozására. Külső modul biztosítja az IGES, DXF formátumú fájlok fogadását, létrehozását, a posztprocesszor létrehozását, illetve foto-realisztikus kép szerkesztését. Az SFCAM rendszer jellegzetességei Amint már említettem, az SFCAM egy CAD funkciókkal támogatott technológiai tervező rendszer. Ennél a rendszernél nem található meg az a keretprogram mely a nagy tervező rendszereknek sajátossága, hanem egy teljesen egységes programmal találkozik a felhasználó. Ennek ellenére egy makro-nyelv segítségével bővíthető a program szolgáltatása. Igaz ugyan, hogy a program lehetővé teszi a grafikus szerkesztést, és számos olyan grafikus funkciót tud, melyek ritkán fordulnak elő más grafikus környezetben (pl. evolvens szerkesztés), de grafikus felületének nehezen kezelhetősége lassítja a tervezői munkát. A probléma részben
30
EME
4
áthidalható a grafikus interfészek (DXF, IGES, CADL) használatával, azonban a program nem képes 3D-s grafikus objektumok szerkesztésére, kezelésére. A program igen változatos technológiai feldolgozást tesz lehetővé (eszterga, maró, nibelő, lángés lézervágó). A CAD és a CAM folyamat egyetlen egységként jelenik meg a felhasználói felületen, és koncepcionálisan biztosítja a technológia helyes felépítését. A CAM folyamat eredményeképpen egy CLDATA jellegű leíró fájlt generál a rendszer, mely ugyan nem felel meg az ajánlásoknak, de jól áttekinthető formában tartalmazza a technológiai paramétereket, mozgásviszonyokat. A CNC kód generálását a rendszerbe épített posztprocesszor végzi, mely rendkívül sok vezérlés számára tud megfelelő kódot generálni. A rendszer, makro-nyelv segítségével lehetőséget biztosít a posztprocesszor készlet bővítésére. A következő táblázatban összefoglaltam a két rendszer képességeit. Jellemző:
microCADDS
J
SFCAM
Grafikai m o d e l l e z é s 2D tervezés 3D tervezés zoom entitások editálása
+
+
felQletmodellezés könnyű
huzalvázmodellezés nehézkes
++ ++ ++ ++
+ + ++
méretezés feliratozás árnyékolt kép fotorealisztikus kép
rendszeren kivQl
beépített formák
csavarkötések
CAD kommunikáció
a DOS rendszerből történik
+-Kmono) pl. evolvens szerkesztés (fogaskerék), parametrikus görbék (spirális) stb. DXF, IGES, CADL
CAM folyamat pályaszekvenciák editálási lehetősége
nehézkes
interaktív képesség
nehézkes, de sorrendiséget felajánl technológiai információt hordoz
animáció, szimuláció előgyártmány
több nézet is, vonalas definiálható
posztprocesszor készlet
PGEN segédprogrammal bővíthető
több nézet is, árnyékolt ( csak 2inD) téglatest Változatos, de nehezen bővíthető (pl. Fanuc , NCT_90, stb.)
Következtetés A microCADDS program számítástechnikában, technológiában gyakorlottabb, szélesebb látókörű felhasználók számára ideális megoldás, míg az SFCAM rendszerrel a felhasználó jobban összpontosíthat a technológiai megoldásokra. Az SFCAM rendszer alkalmazása műhelyszinten célszerű, ahol a felhasználóknak nincs gyakorlatuk illetve lehetőségük a mélyebb szintű számítástechnikai ismeretekre. Irodalom: [1] J. Encarna?áo — E. G. Schlechtendahl: CAD, számítógéppel segített tervezés, MK 1987 Bp. [2] Nagyné dr. Szilvási Márta: CAD iskola, TypoTex 1991Bp. [3] Tóth Gábor: CAD/CAM rendszerek felépítése, TDK dolgozat GAMF GTT 1994 Kecskemét Tóth Gábor / gépész üzemmérnök, főiskolai hallgató Gépipari és Automatizálási Műszaki Főiskola Gépgyártástechnológia Tanszék / H-6000 Kecskemét Izsáki út 10. Tel: 76/481-291 Fax: 76/481-304 31
EME
KORSZERŰ SZERKESZTÉSI- ÉS TEHNOLÓGIATERVEZŐ RENDSZEREK Ing. Gergely Lstván 1. Be vezető: Az utóbbi években az ipari termékek tervezése és fejlesztése forradalmi változásokon ment keresztül. A versenyképes terméktervezés módszereire alapuló új tervezési és gyártási eljárások talán legkiválóbb képviselői a DFA szereléshelyes tervezőrendszer, és az egyik legjobb testmodelező rendszer, a Pro/ENGINEER. Munkám során e két korszerű tervezőrendszert alkalmaztam a közepes és nagyméretű fémszerelvények szerkezeti és gyártási fejlesztése érdekében. Célom a fémszerelvény szerkezeti és egyben tehnológiai optimálása volt. és ennek eredményeként a kézi szerelési folyamat költségeinek és idejének csökkentése.
2. A DFA és a Pro/ENGINEER rendszerek rövid ismertetése: A DFA (Design for Assembly) szereléshelyes
és
tervezőrendszer
kÖltségorientált a
versenyképes
terméktervezés elvein alapuló, a szerelési folyamat becsült költségeinek és idejének optimáló módszere. Az optimálási folyamat eredményeként hatékonysági
kiszámolt mutató
alapján
szerelési eldönthető,
hogy szükséges-e vagy sem az alkatrészek konstruktív és funkcionális áttervezése a szerelési folyamat költségeinek és idejének optimálása, és ezáltal a termék korszerűbbé válása érdekében. A
Pro/ENGINEER
ezzel
szemben napjaink talán legkiválóbb 3D-s 1. ábra: Az eredeti fémszerelvény 3D-s testmodellje testmodelező rendszere, amely végigköveti a
32
EME teljes tervezés-gyártás automatizálási folyamatot. A szoftver magját képező alapmodul szokatlanul gazdag eszköztárat tartalmaz a 3D-s testmodellezéshez, a 2D-s rajzok automatikus generálásához és a szerelvények kezeléséhez. Ezen tulajdonságai alapján a Pro/ENGINEER kitűnően kiegészíti a DFA szerelés és költségorientált tervezőrendszert a gyártmányok és szerelvények szerkezeti áttervezésében.
3. Közepes és nagyméretű fémszerelvények szerelés és költségorientált elemzése:
Jelmagyarazat:
i •
alkatrész;
•
szerelési müveletelem;
i
j
szerszám.
2. ábra: Az eredeti fémszerelvény szerelési folyamatábrája
33
EME Kiindulva tradicionális
egy
alapszerkesztésű
gyártástehnológiával
fémszerlvényből.
a
DFA
és
előállított
modul
segítségével
meghatároztam a szerelés hatékonyságát. A vizsgálat tárgyát egy romániai cég (S.C. ARMATÚRA
S.A.
Zalau)
által
évi
500
000
darabszámmal gyártott nagyméretű áteresztő szelep (1. ábra) képezte. A gyártócégtől
DFA
analízis
származnak.
bemenő
ezek
adatai
a
tartalmazzák
a
szerelvény alkatrészeinek elnevezését, darabszámát, a kézi
szerelési
vonatkozó
időket és költségeket,
megjegyzéseket,
és
az
a szerelésre
alkatrészenkénti
gyártási és szerszámozási költségeket. A DFA analízissel párhuzamosan elkészült egy egyszerűsített szerelési folyamatábra (2. ábra). 3. ábra: Az áttervezett fémszerelvény
amel
y szemlélteti a kézi szerelés műveletelcmeit és az
esetleges szerszámhasználatot.
robbantott ábrája
A
21
alkatrészből
álló,
tradicionális
gyártástehnológiával előállított fémszerelvény DFA analízise a következő szerelési paramétereket eredményezte: •
kézi össz-szerelési idő: 380 s;
•
szerelési műveletelemek száma: 51;
•
alkatrészek, vagy az előre összeszerelt darabok elméletileg legkisebb száma: 16;
•
szerelési hatékonysági mutató: 12%.
Mindezeket figyelembe véve észrevehető a viszonylag nagy alkatrészszám (21). és az ebből adódó nagy szerelési idő (380 s) és alacsony szerelési hatásfok (12%).
4. A szerelvény konstruktív újratervezése és DFA analízise: Az alacsony szerelési hatásfok (12%) szükségessé tette az alkatrészek funkcionális és konstruktív
újratervezését
a
Pro/ENGINEER
testmodelező
rendszerrel.
majd
összehasonlításképpen az áttervezett fémszerelvény újabb DFA analízisét. Az eredeti fémszerelvény alkatrészeinek áttervezése során újraértelmeztem ezek funkcionális és konstruktív szerepét. Igyekeztem csökkenteni az alkatrészek számát, bár ezáltal az egyes alkatrészek szerkezetileg bonyolultabbakká váltak.
34
EME A Pro/ENGINEER „feature-based" testmodelező rendszer segítségével elkészítettem az alkatrészek 3D-s testmodelljét, majd figyelembe véve ezek konstruktív és funkcionális sajátosságait a Pro/ENGINEER segítségével összeszereltem őket, létrehozva ezáltal az áttervezett fémszerelvény 3D-s testmodelljét (3. ábra). Összehasonlításképpen elvégeztem az új fémszerelvény DFA analízisét; a bemenő adatok típusai ugyanazok maradtak mint az eredeti fészereivény esetén. Az újratervezés által a nagy szerelési időt kívánó alkatrészek nagyrészét sikerült kiiktatni.így az alkatrészek számával nagymértékben csökkent az össz-szerelési idő (380 s-ról 280 s-ra), ugyanakkor nőtt a szerelés hatékonysága. A DFA analízis eredményeként a következő szerelési adatokat kaptuk: •
kézi össz-szerelési idő: 280 s;
•
szerelési műveletelemek száma: 37;
•
alkatrészek, vagy az előre összeszerelt darabok elméletileg minimális száma: 16;
•
szerelési hatékonysági mutató: 16%.
Összevetve az eredeti
és az áttervezett
fémszerelvények
DFA
analíziseinek
eredményeit észrevehető, hogy a szerkezeti és funkcionális áttervezés eredményeként nőtt a termékek versenyképessége, a szerelési és gyártási idők csökkentek, az előállítási tehnológia pedig ezáltal korszerűbbé vált.
Irodalomjegyzék:
1. Boothroyd G., Dewhorst P.: Product Design for Assembly-Wakefield. 1991 2. Gyenge Cs., Marcu V.: Beszámoló a DFMA módszer bevezetéséről a romániai felsőoktatásban-DFMA Felsőoktatási Fórum, Székesfehérvár. 1994 október 13 3. Boothroyd G., Dewhorst P., Knight W.: Design for Manufacture and AssemblyMarcel Dekker Inc., 1994 4. Marcu V., Gyenge Cs., Gligor E., Bálc N.: Proiectarea cu DFA-Transilvania Press, Cluj-Napoca, 1995 5.Parametric Technology Corporation: Pro/ENGINEER00 Fundamentals. Part Modeling User's Guide. Assembly User's Guide 6. Gyenge Cs., Gergely I.: Fémszerelvények szerkezeti és gyártási fejlesztése a DFA és Pro/ENGINEER szoftverek segítségével-microCAD konferencia. Miskolc, 1996 február 29. Gergely István / oki. gépészmérnök Miskolci Egyetem, Gépgyártástehnológia Tanszék, 3515 Mi skolc-Egy etem város Tel./Fax: (00 36)-46-364-941
35
EME
A ROBOTIZÁLÁS ALAPJAI A GYÁRTÁSBAN ÉS SZERELÉSBEN Kismihály János Összefoglalás Az ARMATÚRA szerelvénygyár nagysorozatban gyárt összekötöelemeket víz-, gáz-, göz- és olajvezetékekhez, fürdőszoba felszereléseket, nyomásszabályozókat, csapokat stb. A munkadarabok különleges formáit és a termelés jellegét figyelembe véve indokolt a megmunkálóközpontok és agregátok használata. Ezek a szerszámgépek, a termelékenység maximális kihasználása érdekében, megkövetelik az automatikus munkadarabadagolást, mely még egy megoldatlan probléma a cégnél. Hasonló a helyzet a szerelörészlcgen alkalmazott célgépek esetében is melyeket futószalag köt össze Mindezeket figyelembe véve a dolgozat ismerteti a/.okat a fő elveket, melyek belartára rendkívül fontos a roboti/.álás valamint az automatizálás esetén és bemutat egy elméleti robotizált szerelö-tesztelö rendszert külömbözö típusu csapok szerelésére, melyet közösen terveztünk a Műszaki Egyetem szakembereivel.
1. Általános problémák 1.1. Rugalmas gyártórendszerek jellemzői Egy rugalmas gyártórendszer részére az u n. minimális sorozatnagyság akár egy-egy munkadarab is lehet. Az 1.ábrából a különféle rugalmasságú gyártóeszközök alkalmazási kritériumai olvashatók le. Egy rugalmas gyártórendszer két szempontból lehet
Mdb.
rugalmas:
GÉPSOR
-adott gyártási feladatra történő átálláskor,
GYÁRTÓ RENDSZER
-tetszőleges sorrendben érkező munkadarabok
GYÁRTÓCELLA
megmunkálására történő átálláskor. CMC GÉPEK
Rugalmasság
Fontosabb gazdaságossági feltételek: -automatikus
egy
alkatrészcsaládnak, -alkalmazkodás a piac igényeihez,
l ábra. Különféle rugalmasságú gyártóeszközök alkalmazási kritériumai. -egyes elemek kiesésekor, azok feladatának
gyártása
-a berendezés bővitése leállás nélkül, automatikusan átvétele más elemek által,
A gazdaságos gyártás alappillérei: -az NC és CNC szerszámgépek rugalmasságának és termelékenységének kihasználása, -átállási idők csökkenése, -a munkadarabok és szerszámok automatikus cseréje. Autonóm szerszámgépeket azonos munkadarabok közepes és nagysorozatú gyártásnál alkalmazunk. A gépek között közbülső tárolás szükséges, az anyagmozgatás pedig kézi. 36
EME
Eltérő munkadarabok gyártásánál, ahol a pontosság nem engedi meg a többszöri befogást a megmunkáló központ ajánlott. Már ebben az esetben is lehetőség van az automatikus munkadarabbeállításra és a robotos kiszolgálásra. Még szigorúbb követelményeknél (többféle munkadarab, kis sorozat, a rendelés állandó változása) szükség van a gyártóeszközök rugalmasságára. A fö probléma az, hogy minden munkadarabnál a megfelelő program, készülék és szerszám, a megfelelő szerszámgépen legyen 1.2. Munkadarab beállítás ipari robotokkal Az ipari robotok (IR) által kiszolgált szerszámgépek (SzG) és ezek perifériái oly módon SZT
legyenek
anyagmozgatási
elhelyezve,
feladatot
az
hogy IR
az
optimális
mozgássorozattal tudja elvégezni. Sokféle IRSzG telepítési vázlat alakult ki. Legegyszerűbb esetben a SzG olyan módon telepíthető, hogy annak munkatere (SzGM), valamint a szállítótároló egység (SzT) az IR munkaterében legyen 2. ábra. Szerszámgéptelepités: a SzGM és a SzT az IR munkaterében helyezkedik el.
(2. ábra). Fogazógépeknél
elterjedt, hogy
egy
átrakó
egység (ÁE) segíti az IR-SzG kapcsolatot (3. ábra). A SzG nehezen hozzáférhető munkaterébe az ÁE nyúlik be. Az esztergáknál a portál típusú IR alkalmazása előnyös, így a robot teljes munkatere kihasználható. Szintén az ilyen típusú IR valósítják meg legkönyebben a ki-berakáshoz szükséges függőleges irányú mozgást (4. ábra). SZT
IR
\ ©
—SZGM
3.ábra. Átrakó egység (ÁE) segití az IR-SzG kapcsolatot.
4. ábra. Portál típusú IR alkalmazása esztergáknál.
2. Gyakorlati megvalósítások A robotok alkalmazása a romániai üzemekben még elég kezdeti szakaszban van. Cégünknek kooperációs kapcsolata van a Kolozsvári Műszaki Egyetem Gépgyártástechnológia Tanszékével, melynek eredményeként jött létre a 5. ábrán látható csap automatikus szerelésénak teve. Az automatikus szerelősor alegysegei a 6. ábra szerint:
37
EME
L1,L2
- alrendszerek,
T I , T2
- munkaállomás,
TL1, TL2
- szállítószalag;
R1...R6
- ipari robotok;
DA1...DA8 - rezgő adagolók; D F1, D F8
- csava rozó készü lékek;
P l , P2
- préselő készülékek;
DM
- speciális préselő készülék;
S l , S2
- tesztelő munkaállomások,
DP1,DP2
-bemenetel/kimenetel,
A szerelőrendszer, a szilárdság- és záráspróbán kivül telyesen S
70
automatizált. Ezen a két munkahelyen egy-egy operátorra van szükség, aki felügyeli és irányítja a tesztelő készüléket. Gazdasági okok miatt a terv gyakorlati része nem valósult meg. Tekintettel a jelenlegi gazdasági helyzetre a gyár a mai napig sem rendelkezik azon pénzügyi forrásokkal, melyek a terv kivitelezését lehetővé tenné. A másik
5.ábra. Az E8HM83 -as csap. felmerülő probléma az, hogy annak ellenére, hogy újraterveztük a 1-csavar, 2-alálél, 3-kerék, 4termék összes elemét a robotizált szerelés céljainak megfelelően, a szoritócsavar, 5-lömszelence, 6orsó, 7-felsö-rész. 8-szelep, 9- létező megmunkálógépek pontossága nem elégíti ki az automatikus lömilés, 10-csapház. szereléshez szükségeset. Összehasonlítva a jelenlegi- és a tervezett szerelőrendszert, a műveletelemek sorrendjét az alkalmatott munkahelyekkel együtt az 1. táblázat foglalja össze.
ű DA2
•
r-( T T "
0 3
DA3 <
Ö „ lg Lr-íJ-J
L1 IDFl R3
r
n
ó.ábra. Az E8HM83-as típusú csapok automatizált szerelőrendszere. 38
DPI
EME 1. Táblázat MÜVELETELEM
SORSZÁM 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8 9 10 11. 12. 13. 14. 15 16. 17. I
1
18
19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28.
JELENLEGI TECHNOLÓGIA
UJ T E C H N O LÓGIA DPI DA2 RÍ DA2 R2 DF2 DA3 R3 R4 DF2 DA4 P2 DA5 R5 DF3 TI TL2 SÍ T2 S2 DM DA6 R6 DA7 DA8 DF4 TLl DP2
Csapház adagolása Orsó adagolása Orsó zsírozása Felső-rész adagolása Orsó behelyezése a felsö-részbe Orsó becsavarása és peremezése Szelep adagolása Szelep beprcselése az orsóba Tömítés ráhelyezése a felsö-részre Felső-rész becsavarása a csaphá/ba Tömszclence ráhúzása az orsóra Tömszelence préselése a felső-részbe Szorítócsavar adagolása Szorítócsavar ráhúzása az orsóra Szorítócsavar becsavarása Csap zárása Átrakás Záráspróba Csap nvitása Szilárdsági próba Csap zárása Kerék adagolás Kerék ráhúzása az. orsóra Alátét adagolása Csavar adagolása Csavar becsavarása Szerelt csapok átrakása Konténerbe rakás
-
kézi -
kézi csavarókészülék -
prés kézi csavarókészülék kézi
1
-
kézi csavarókészülék csavarókészülék konténer próbapad kézi próbapad kézi
I | | 1
-
kézi -
csavarókészülék -
kézi
Irodalom: [1]
GYENGE, robotics
CS., at
the
BILC,
N Education
Faculty
of
and
Machine
research
Building,
activities
Technical
in
the
University
fíeld of
of
Cluj-
Napoca. RAA'94, Bled, Slovenia, july 7-9. [2]
GYENGE, és
CS.,
számitógépes
KISMIHÁLY, program
J„ az
KLEMENTIS.O.: optimális
műveleti
microCAD'95, Miskolc, 1995.febr.23-25. [3]
ARTS, G.: Rugalmas gyártócella rendszerek. BME, 1991.
KISMIHÁLY JÁNOS okleveles gépészmérnök ARMATÚRA RT Garii u., 19 sz., Kolozsvár Tel. 64-13.27.37 Fax. 64-19.42 41
39
Továbbfejlesztett sorrend
algoritmus
meghatározására.
EME
SZÉNHIDROGÉN-SZÁLLÍTÓ CSŐVEZETÉKEK MEGHIBÁSODÁSÁNAK JAVÍTÁSI MÓDSZEREI Demeter Andrea
Bevezetés
A szénhidrogén-szállító csőtávvezetékeken üzem közben hibák keletkezhetnek. Az előforduló hibák csoportosítását, elemzését
elvégezve
[1], vizsgálva
az egyes hibatípusok
veszélyességét
[2]
megállapítható, hogy a megjelenő hibák típusaitól és veszélyességétől függő javítási módszerek kifejlesztésére, alkalmazhatósági feltételeik kidolgozására nagy hangsúlyt célszerű fordítani.
Csővezetékeken alkalmazott javítási módszerek
A csővezetékeket üzemeltetők jól követhető metodikát alkalmaznak részben a hibagyanús helyek kezelésében, feltárásában, részben a megfelelő javítási megoldások alkalmazásában [3, 5]. A kidolgozott metodikák mindenkor alkalmazkodnak az adott csővezetékeket üzemeltetők sajátos körülményeihez, amely körülmények viszont nem egységesek és egyesíthetők, így egy - egy rendszer egészében vagy részleteiben nem, vagy csak kísérletekkel leellenőrzött, a feltételrendszereket pontosító vizsgálatok elvégzése után vehető át. Tanulmányozva az e témakörben a megjelent hazai illetve külföldi publikációkat az megállapítható, hogy a karbantartási, javítási módszerek tökéletesítésére, újabb módszerek, technológiák kidolgozását vonta maga után. Az 1. ábra egy hibagyanús hely kezelésénak folyamatát mutatja be. Az algoritmuson belül kiemeltük a javítási módszereket, amelyeket a későbbiekben részletesen mutatunk be [9].
40
EME A hiba észlelése
í
Felületi javítás: - szigetelés eltávolítása, felületi hiba dtávolitasa simára csiszolással, - folyadékbehatolásos vagy mágneses
A nyomái caAkktatéa* üzem nyomás 80%-ra
- újra szigetdes, visszatakarás Részletes hibafeltárás: - szigcldes dtavolitasa - tisztítás -oWószetrd. -fdulettisztitás rostos kefcvd
Javítási mód etdftntése:
(kenj vr -drótkefe,
• fdüleü javítás, •hegesztéses javítás, -hegesztes ndkub |avitás - a csó duvoiitasa (bvaltasa)
alkalmazását)
A hiba osztályozása
Jdentéktden hiba A hiba kiterjedése: jelentéktelen vagy jdentós, - szivárgó vagy nem sóvárgó, - korlátozott vagy nagy kiterjedésű, mely vagy sekdy. - hosszanti
i
Jelentős hiba 1
Maradó szilárdság becslése, ha
Javítás folyamata: nyomás csökkentése az üzemi nyomás 67*/. -ra, javítás dvégzéae vagy a vezetek kiszakaszolasa. kiváltása, dlenóórzes. jjr» szigetdes. üzembe helyezés
A hiba jellege: -
gyártási eredetű. környezeti hatas okozta. konstrukciós. kiilsó mechanikai hatás. varratra kitetjedó. csótestre kiterjedő
-
atmeró. falvastagsag, minőség. összetetd. varrat típusa, szívósság, törési dlenállas
A csó paraméterei:
1. ábra A hibagyanús hely kezelésének folyamata
Hibahely javítása felületi kiigazítással Jelentéktelen illetve közepes méretű hibák esetén gyakran alkalmazott javítási módszer a hibás felületek kiigazítása [5, 6]. Ennek célja a hibás felület helyi hibáinak éles átmeneteit különféle felületmegmunkáló módszerekkel. A javítás kivitelezése során a helyi hibák kiigazításával sima, hibamentes felület, egyenletes falvastagságátmenet alakítható ki.
41
EME Hibahely javítása helyi felhegesztéssel
Jelentéktelen, illetve közepes méretű hibák esetén alkalmazott megoldás a helyi hibák úgynevezett helyi felhegesztéses javítása [3, 4, 6], Az így javítható hibák a cső anyagának minőségével megegyező minőségű hegesztőanyag alkalmazásával helyi felhegesztéssel kerülnek javításra [1, 4] ).
Hibahely javítása hegesztéses foltozással
Gyakran alkalmazott megoldás közepes méretű karcok, horpadások, általános illetve helyi korróziós hibahelyek javítására a helyileg alkalmazott hegesztéses foltozásos technológia. Az előkészített hibahelyet a cső anyagával megegyező, a hiba méretétől függő méretű és kialakítású, a cső geometriájához igazodó folt felhegesztésével javítják [4],
Hibahely javítása két félből álló hegesztett csőszeletes foltozással
Üzemelő
csővezetékeken
előforduló
különféle
hibák
(geometriai,
fém veszteséggel
járó,
anyagfolytonossági hiányok okozta) javítására elterjedten alkalmazott módszer különféle geometriai kialakítású hegesztett csőszeletes foltozással végrehajtott úgynevezett javítóhüvelyek alkalmazása [3, 4, 5, 6]. A hibák típusától, veszélyességétől függően különféle kialakítású javítóhüvelyek alkalmazásával találkozhatunk a csővezetékeket üzemeltető karbantartási javítási gyakorlatban.
Hibahely javítása csővezetékre felhegesztett leágazás elkészítésével
Üzemelő csővezetékeken előforduló különféle nem szivárgó hibák (geometriai, fémveszteséggel járó, anyagfolytonossági hiányok okozta) javításra alkalmazható módszer lehet a nyomás alatt levő vezetékekre felhegesztett különféle kialakítású leágazás elkészítése [3, 4, 5, 7, 8].
Hibahely javítása epoxigyantával kitöltött köpeny alkalmazásával
A módszer alkalmazható minden nem szivárgó csővezeték sérülésre és kiküszöböli a költséges javításokat. Az epoxigyantával töltött köpenyek tartós javítást biztosítanak a csővezeték meghibásodások széles körében, beleértve a homorulatokat, behorpadásokat, repedést és korróziót, valamint kiküszöbölik a költséges hegesztési és illesztési problémákat. A kijavítás költséges lehet, hogyha a megsérült csövet a termék áramlásának megszakítása nélkül kell kivágni. Az epoxigyantával töltött köpenyek kevésbé költséges és könnyen alkalmazható alternatívát jelentenek a kivágással szemben. 42
EME
Hibahely javítása Cloek Spring segítségével
A hegesztés nélküli javítás egyik gyors és olcsó alternatívája az amerikai gyártmányú Clock Spring. A Cloek Spring nem szivárgó sérülések esetén alkalmazható, amely nem más mint egy szálerősítésű műgyanta tekercs, amelyet ragasztóanyag felhordásával rögzítenek a sérült csőszakaszra, annak alapos megtisztítása után.
Irodalomjegyzék:
[1] Szakértői rendszer elemeinek kifejlesztése csővezetékek biztonságos üzemeltetésének megítélésére, C. melléklet, A csővezetéken előforduló hibák ME MTT, EK: 593006 sz. jelentés 1993. [2] Szakértői rendszer elemeinek kifejlesztése csővezetékek biztonságos üzemeltetésének megítélésére, E. melléklet, Kísérleti csőszakaszok vizsgálata, ME MTT, EK: 593006 sz. jelentés, 1993. [3] KIEFNER, I.F.: Criteria Set For Pipeline Repair. Oil and Gas Journal, Aug. 7. 1978. p. 104 - 118. [4] ASME Guide for Gas Tramsmission and Distribution Piping Systems. ASME B 31.4 - 1989. [5] Procedures For Inspection and Repair of Damaged Steel Pipelines Designed to Operate at Pressures Above 7 Bar. British Gas Engineering Standard BGC/PS/P11,1983. [6] RONSKY, N.D. - TREFANENKO, B.: Inegrity Management, the Cost Effective Alternative. Pepeline Rehabilitation Seminar, January 28 - 31.,1992. Houston, Texas. [7] Szakvélemény a Testvériség gázvezeték gyöngyösi leágazásánál bekövetkezett törésről. NME, MTT, Szm 167 - XXIX - 20/80., 1983. [8] Zárójelentés a nyomás alatti csővezetéken történő hegesztés kidolgozása témában. NME, MTT, Szm 188 - XXIX/84., 1985. [9] DEMETER A. : Repairing methods of damaged hydro-carbon transporting pipelines. Ms.C thesis 1995. London, England.
Demeter Andrea Ph.D hallgató Miskolci Egyetem/ Miskolc Egyetemváros 3515, Magyarország Tel: 46/366-111 (17-90)
43
EME
FOGFELI ILETEK KÉPZÉSÉ HIPOID KEREKEKNÉL Dr. Gyenge Csaba
Kismihály János összefoglaló
A hipoid hajtópárokat kitérő tengelyű, a tengelytávú kúpkerekek alkotják. Forgástengelyeik általában merőlegesek (ortogonálisak), de léteznek nem ortogonális hipoid hajtópárok is. Kizárólag ívelt fogazattal készülnek. Fogoldalaik bonyolúlt térbeli felületek ezért tervezésük, legyártásuk és elenörzésük nehéz feledatok elé állítja a mérnököket. A dolgozat
ismerteti
a
hipoid
fogaskerekek
egymást
kölcsönösen
burkoló
fogfelületeinek
vonalmenti
kapcsolódásának feltételeit, bemutatja a lehetséges elméleti fogazási eljárásokat, párhuzamot vonva a párhuzamos tengelyű hengeres fogaskerekekkel és elemzi az elméleti fogazási módszerek gyakorlati
megvalósításának
lehetőségeit.
1. Bevezetés Tételezzünk fel egy kitérő tegyelyű hajtópárt, melynél az l-es és 2-es tengelyek I szöget zárnak be egymással (l.ábra). Ha a tengelyek normáltranzverzálisa merőleges a papír síkjára akkor a 2
szög a
valódi nagyságban jelenik meg. Ahhoz, hogy lehetséges legyen a mozgás átvitele az l-es tengelyről a 2-re, léteznie kell két forgásfelületnek, melyek a g csavartengely mentén érintkeznek. A csavartengely a forgástengelyekkel a, valamint o 2 szöget zár be, tehát a forgásfelületek a v, és v2 sebességekkel, valamint az tű| és co2 szögsebességekkel jellemzett egyköpenyű forgáshiperboloidok, melyeket axoidoknak nevezünk. Az axoidok felületei síkban nem kiteríthető felületek, tehát analitikusan és grafikusan is meghatározható a disztribúciós paraméterük [1]: V. c o s o
P\ =
co, s i n o
cű2 sin a 2
(1)
(2)
Következik, hogy egymást kölcsönösen burkoló felületek disztribúciós patamétere egyenlő. Az axoidok
helyes
kapcsolódására még egy feltételnek telyesülnie kell a h12 12 l.ábra. Hipoid hajlópár kinematikája.
44
EME
12
relatív csavarparaméter szerint [ 1 ], [4]:
(3)
03 12
hn = a, t a n a , = a z t a n a 2
(4)
Ahhoz, hogy az axoidokon kívül, a hozzájuk rendelt fogfelületek is egymást kölcsönösen burkoló felületek legyenek telyesülnie kell a 2-es és 4-es összefüggéseknek. 2. A fogfelületek előállítása Ismert, hogy párhuzamos tengelyű hengeres kerekek S,
és
S2
fogfelülete előállítható
az
rs
szerszám-
osztókörhöz rendelt S s felülettel, mely csúszás nélkül gördül le az r, valamint az r2 fogaskerék-osztókörökön (2.ábra). Az S,-S 3 és az S 2 -S 3 felületek páronként egymást kölcsönösen 2.ábra. Hengeres fogaskerekek fogfelületképzése.
burkolják,
kapcsolóvonaluk
egybeesik,
következik, hogy az S, fogfelület burkolja az S2-t
2.1. Hiperboloid eljárás Hasonlóan a hengeres kerekekhez vegyük fel a H3 szerszám-hiperboloidot, mely a g alkotó mentén érintkezik a H, és H2 axoidokkal és azokon csúszás nélkül gördül le így létrejön a 3. ábrán látható H,-H 3 és H2-H3 hiperboloidpár. Ha a H3 megfelelő fogazattal van ellátva, a relatív mozgás következtében leképezi a H,-en az S, fogfelületet, a H2-n pedig az S 2 fogfelületet. Az S, és S 2 közötti kapcsolódás vizsgálatára, a 2. egyenlet szerint, a szerszám-hiperboloidot úgy kell felvenni, hogy az a3 és o 3 kielégítse a következő feltételeket [1]: a a. tana,
a,
tancr 2
tana.
P\ = Pi = Pi
(5)
valamint a 4. egyenlet alapján: = a, t a n a 3 = a 3 t a n a , ^23
(6)
- a
2 t a n a 3 = a} t a n a 2
(7)
hn * h23 * hn
(8)
Következik: Annak ellenére, hogy a H,, H2, H3 egymást kölcsönösen burkolja, a 6-os és 7-es egyenlet szerint a distribuciós paraméterük
nem
egyenlő,
következik,hogy
az
S,-S 2 ,
valamint az S 2 -S 3 között vanalmenti éritkezés van, de az S,S 2 között pontszerű. 3.ábra. A hiperboloid eljárás elve.
45
EME 2.2. Platóid módszer Kutatásai során Wildhabert talált olyan S 3 szerszám-felületet, mely a H,-el, valamint a H2-vel való kapcsolódásában teljesiti a p 1 =p 2 =p 3 =p
és h 13 =h 23 =h 12
feltételeket [2],
Ebben
az esetben
a
hiperboloidokhoz rendelt S] és S 2 fogfelületek között vonalmenti érintkezés lesz. Az
S3
egy
bonyolult
térbeli
alakzat,
mely
a
következőképpen jön létre: alakítva egy vékony acélszalagot
m
?
^
két hengeres kerék fogai között előáll a fogasléc alakzat, két kúpkerék között pedig előáll a síkkerék. Hasonlóan, ha az acélszalagot két kitérő tengelyű fogaskerék között alakítjuk, egy
csigalépcsőhöz
hasonló
alakzatot
kapunk,
melyet
Wildhabert platóidnak nevezett (4 ábra) Az eljárás matematikai alapjainak letétele Capelle nevéhez fűződik [3], A 3-as tengelyű
S 3 szerszámfelület a 3 ,
c 3 , p3, h3
paramétereinek meghatározására abból a feltételből indulunk ki, 4.ábra. A Wildhabert által elnevezett platóid.
hogy
az
eredő
v13
sebesség-
és
az
co13
szögsebességvektorok párhuzamosak a g közös alkotóval (5. ábra). Sajátos esetben, mikor az l-es és 2-es tengelyek merőlegesek a [4] szerint: tana, =
co,
CTj = 90° - a ,
0), űr, = űr sin
hu = h n
o
a2 = a - űr, a = - — sin 2a ]
a h,3 - — sin 2 a . 2 (ű i = <w, sin CT,
(jobb
a} = ÚTCOS2C7, (bal oldal) oldal)
V3 = űf,íü, COSCT,
Ezen elv szerint működő fogazógépek fö mozgásai: a fogazandó kerék egyenletes forgó mozgása és a késtartó csavar mozgása. Ezek a gépek nincsenek elterjedve, annak ellenére, hogy több találmány született ebből a célból. Gondot jelent az állítható csavarparaméterű késtartó megvalósítása, mely technológiailag megoldható, de bonyolultsága miatt csökkenti a gép szilárdságát és pontosságát.
5.ábra. A platóid, eljárás kinematikája általános esetben.
46
EME 2.3. Félig lefejtett eljárás A Gleason cég belátva, hogy kitérő tengelyű fogaskerekek megmunkálásánál a hiperboloid és a platóid módszer nem biztosítja a fogak vonalmeni érintkezését, kidolgozta a félig lefejtett
eljárást
Lényege, hogy az szerszám-felületet azonosítja a tányérkerékkel (S2=S3), melynek fogárkát legördülés nélkül profilozással alakítják ki. A módszer nagyon termelékeny,
6 ábra. A félig lefejtett eljárás elve: a. legördüléssel (száraskerék) b. profilozással (tányérkerék)
megfelelő
marófejkiképzéssel
megoldható a késtartó visszahúzása nélküli osztás is (6.ábra).
Legördüléssel, csak a száraskerék fogai készülnek, biztosítva a ca]/co2=z]/z2 relatív mozgást közte és az S 2 szerszám között. Ezen az elven működnek a Gleason-Formate fogazógépek. Ez az egyedüli gyakorlati eljárás, mely biztosítja a fogoldalak vonalmenti érintkezését.
IRODALOM [1]
Lévai, 1.: Fogazatok kapcsolódásának kinematikai elmélete és alkalmazása a hipoidhajtások tervezésére. Doktori értekezés, Miskolc, 1997
[2]
Wildhabert, E.: Basic Relationship of Hypoid Gears. Amerivan Masinist, 1946.
[3]
Capelle, I.: Theorie et calcul des angrenages hypoide. Editoré Dunod, Paris, 1949.
[4]
Sejlv, M.: Allgemeine kinematische Theoreme für das Frasen von Hypoidgetriebere. Acta Tehnica CSAV, 1968, Nr. 4. 426/448.
[5]
Gyenge, Cs., Kismihály, J :Cinematica si tehnologia danturilor conice hipoide
Conferinta
Intemationala Masini si Tehnologii Moderne 93, Cugir, 12-13.oct.1993, p. 259/264. [6]
Kismihály, J., Koncz, Zs.:Hipoidhajtások kinemaikája és modern technológiája. Tudományos Diákköri Konferencia, Kecskemét, ápr,1993.
KISMIHÁLY JÁNOS okleveles gépészmérnök ARMATÚRA RT Garii u„ 19 sz., Kolozsvár Tel. 64-13.27.37 Fax. 64-19.42.41
Prof. dr. GYENGE CSABA okleveles gépészmérnök Kolozsvári Műszaki Egyetem, Muncii u., 15 sz. Tel. 64-41.50.51/170
47
Országos
EME
Fázisátalakulások és belső feszültségek Johanyák Edit A dolgozat bemutatja a belső feszültségek keletkezésének okait, különös tekintettel azokra, amelyek acélok hőkezelésekor maradnak a munkadarabban, valamint rámutat néhány olyan külső és belső befolyásoló tényezőre, amely nagymértékben meghatározza a munkadarabban visszamaradó feszültségek nagyságát és milyenségét.
A szerkezetek és gépek tervezésekor nagyon fontos, hogy kellő figyelmet szenteljenek a belső feszültségek jelenlétére, mert ezek ismeretében pontosabban lehet méretezni, nő a biztonság és csökken az anyagfelhasználás. A belső feszültségek a munkadarabot járulékosan terhelik. A külső és belső feszültségek összeadódnak és az eredő feszültségi állapot határozza meg a munkadarab igénybevételét, alakváltozását, fizikai vagy kémiai tulajdonságait A belső feszültségek általában többtengelyűek, ami elősegíti a ridegtörésre való hajlamot. Bizonyos hőkezelési eljárásokkal szándékosan keltünk nagy belső feszültséget a munkadarabban, mert ezek kedvező eloszlása esetén növelhető a terhelhetőségük (pl. betétedzés, karbonitridálás, más felületi kezelések, felülettömörítő alakítási eljárások ennek következtében növelik a kifáradási határt.) [1] Hőkezelés közben mindig keletkeznek belső feszültségek, amelyek gyakran méretváltozást okoznak, ezért fontos ismerni a belső feszültségek keletkezésének okait és azokat a tényezőket, amelyek befolyásolják azt. Az 1. ábrán látható az alkatrész használati tulajdonságait befolyásoló tényezők kapcsolatrendszere hőkezeléskor [1],
1. ábra Ha a darabban kis belső feszültségek ébrednek, ezek nem okozzák a darab méretváltozását, alakváltozását, ezek azonban megmaradnak a darabban, maradó feszültségként. Az ilyen munkadarab egy részének lemunkálása után az egyensúlyi állapot megbomlik és a darab vetemedik. Hőkezelés folyamán a munkadarabokban ébredő feszültségek keletkezésük alapján kétfélék lehetnek: hőfeszültségek és átalakulási feszültségek.
48
EME A hőfeszültségek
a hőtágulás következményei. A fémes
anyagok sűrűsége a hőmérséklettel változik, ezért az egész tömegében
nem
egyenletesen
hevített
vagy
1000 CM
500
hűtött
munkadarabban belső feszültségek ébrednek.
is alkalmaznak,
amelyek
M
m HD
A visszamaradó feszültségek számítására többféle módszert a darabban a hűtés során
oárty
(fi -500
Az 2. ábra egy 35 mm-es szobahőmérsékleten is ausztenites
1
henger axiális hőfeszültségének változását mutatja az idő vízhűtés
esetén.
Mivel
a
m^mmm
N
végbemenő folyamatok leírásán alapulnak.
függvényében,
a mag
2.
10
idő,s
ábra
darabban 1000
térfogatváltozást előidéző átalakulás nem játszódik le, a hűtés
kezdeti
fázisában
húzófeszültségek
a
jelentkeznek
nyomófeszültségek
ébrednek.
kéregben és
a
Ezek
(felületen)
magban a
CSI
pedig
feszültségek
meghaladják az anyag folyáshatárát és a kéreg a maghoz
500
o HU +cn -> i—I :d N
képest megnyúlik (megfolyik). Ahogy a hőmérséklet a
cn
O)
kéreg és a mag között kezd kiegyenlítődni a hőfeszültségek
4
F
-500
<árHy whd ma G
i
-1000 10'.
lecsökkennek de értékük nem lesz nulla. Mivel a kéreg a maghoz
képest
megnyúlt
magas
hőmérsékleten,
idő,s
a
3. ábra
következmény az lesz, hogy szobahőmérsékleten a kéregben 1000
nyomó-, a magban pedig húzófeszültség fog visszamaradni. A hőfeszültségek nagysága függ az anyag hőtágulási együtthatójától,
a darab
méretétől
és a
hőmérséklet
%
750
kéreg
O) I—I 500 Jí. -cd (fi C-i
gradienstől. Átalakulási feszültségek Szilárd halmazállapotú
CJ c
átalakulások
(fázisátalakulások)
Hl) E
f
\\
2S0
r.
típusai: - Az egyik fázis úgy alakul át más fázissá, hogy összetétele ugyanaz marad: martenzites átalakulás. - Új fázis alakul ki, amely összetételében és
W'
XT
1
4.
10
\
10'
idő,s
ábra
szerkezetében eltér az eredeti fázistól, az eredeti fázis is megmarad: kiválásos reakciók. - Egy fázis két új fázissá alakul át, és mind a kettő összetétele eltér az eredetitől: eutektoidos átalakulás. - Egy szilárd és egy gáznemű anyag reakciójából keletkező új fázis amely megváltoztatja a szilárd test összetételét. Az átalakulási feszültségek annak következtében keletkeznek, hegy a különböző fázisoknak más és más a sűrűségük. Például edzés folyamán az acélban v->a' átalakulás megy végbe, tehát az ausztenit átalakul
49
EME martenzitté. Minden karbontartalmú vasötvözet fajtérfogata auszterutes állapotban a legkisebb, perlites állapotban nagyobb és martenzites állapotban a legnagyobb. Tehát edzéskor az acél fajtérfogata növekszik, amely növekedést az okozza, hogy a rácsátalakulás következtében a karbon atomok interszticiósan bennmaradnak a rácsban, gyors hűtés miatt diffúziómentes a folyamat és ezek az atomok feszítik a rácsot. A 3. ábrán látható, hogy 20 mp-nél a martenzites átalakulás okozta feszültségcsúcs ébred. Ezen átalakulás következtében a folyási feszültség a felületen (kéregben) nagymértékben
megnő, az ausztenites
szövetszerkezetű maghoz képest. Másrészről ez a plusz térfogatbeli változás a magnak képlékeny hossznövekedését eredményezi a kéreghez képest. Továbbá látható, hogy 40 mp-nél a martenzites átalakulás megkezdődik a magban is ami méretnövekedéssel jár, tehát a mag mérete növekszik és a magban a húzófeszültségek csökkennek. A magnak magas hőmérsékleten végbement képlékeny növekedése a kéreghez képest 20 °C - on a magban nyomó maradó-, a kéregben pedig húzó maradó feszültséget eredményez. Ez az axiális maradó feszültségek egy tipikus eloszlását mutatja 30 mm átmérőjű teljesen átedzett darabban, a 4. ábrán látható hűtésnek megfelelően. [1] Az ötvözetlen acélok magasabb hőmérsékleten alakulnak át. Itt az acél képlékenyebb, a fázisátalakulás okozta feszültségek nagy része alakváltozással ki tud egyenlítődni. Az Ms-Mf hőmérséklet függ az acél karbontartalmától. A feszültségi állapot a fentiektől eltérően alakul, ha a munkadarab felületi rétege dekarbonizálódott vagy cementálódott (eltérő hőtágulási együttható és Ms hőmérséklet). Amennyiben egy 200 mm-es acélhengeren 20%-os előzetes képlékeny alakváltozást idézünk elő, az edzés után visszamaradó, tengelyirányú feszültségek alakulását összevetve az alakítatlan
edzett henger
feszültségeloszlásával, lényeges különbségeket észlelünk [2], Ezt szemlélteti az 5. ábra. a z , MPa
1 SOO
2. alakított edzett
j
T.'t
C
1. alakítatlan edzett
woo
Hűtési sebesség 0.02 fok/mp !
«
3. alakítatlan edzett
4 - í /J
Hűtési sebesség 0.057 fok/mp. 10
t, s
-1000
0,0!
5. ábra Az acél átalakulási diagramjából jól kivehető, hogy alakítatlan esetben (folytonos vonal) a 0.02fok/mp hűtési sebesség esetén a perlites szövet megjelenik a darabban, míg az alakított darabban (szaggatott vonal) bénites átalakulás megy végbe, tehát a feszültségcsúcs nagyobb lesz. Régebben a maradó feszültségek és a vetemedés tanulmányozását túlnyomórészt kísérleti úton végezték, amely módszerek sok időt és munkabefektetést igényeltek. Ezáltal nagyon nehéz volt a különböző befolyásoló tényezők hatásának az előrejelzése mivel ez a tanulmányozás eredményén alapult. Ezzel szemben
a számítógépes módszerek lehetővé teszik, hogy a befolyásoló tényezők változásának
figyelembevételével tanulmányozzuk a folyamatot, előre jelezve ezek hatását. Ehhez ismernünk kell az illető anyag tulajdonságait a kezdeti szakaszban, valamint a peremfeltételeket. Amint láttuk az acél alkatrészek
50
EME edzésekor fázisátalakulások játszódnak le a darabban. A hőmérséklet változás hatására végbemenő térfogati tágulások, valamint az ezt követő átalakulások figyelembe vételével modellezni lehet az edzési folyamatokat [3], A modellezéshez szükséges a hőmérséklet-, feszültségeloszlás és az átalakulás tanulmányozása. Hengeres alkatrészek méretének belső feszültséget befolyásoló hatását vizsgálja, valamint az átalakulás folyamatát közelítő egyenlettel leírja Toshioka [4]. Hőeloszlás az acélhengerben edzés alatt:
( T
r =
T
0
+
N 2
X ^
(D W
T0
- hőmérséklet a henger közepén (°C)
Tr
- hőmérséklet a henger közepétől r távolságra (°C)
B
- hőmérséklet gradiens tényező
(r/R)2
- pozícióparaméter
Az átalakulás folyamata:
e=Ae - 1 -
(2) [4] \T
S
~ Tf j
e
- alakváltozás edzés közben (mm/mm)
Ae
- az átalakulást követő összes alakváltozás (mm/mm)
T„
- a martenzites átalakulás kezdeti hőmérséklete (°C)
Tf
- a martenzites átalakulás végső hőmérséklete (°C)
Az edzési folyamatok számítógépes modellezésével kapcsolatban számos kutatási eredmény áll rendelkezésre. A vizsgálatok különböző hőkezelési eljárások különböző összetételű, alakú és méretű darabok esetén mutatják be a végső szövetszerkezet kialakulását, a belső feszültségek eloszlását a darabban és a deformáció, vetemedés mértékét [2][3][5], A következő ábra mutatja edzés során a fizikai mennyiségek és szövetszerkezeti változások kapcsolatát:
1. hőfeszültségek, 2. a deformáció eredményezte hőtermelések,
51
EME 3. hőfokfuggő fázisátalakulások, 4. fázisátalakulás eredményezte hőtermelések, 5. fázisátalakulás eredményezte térfogati tágulások, 6. feszültségfüggő fázisátalakulások. Az elemzések figyelembe veszik a hőmérséklettől és a szerkezettől való függőséget, valamint a hőtermeléseket is. A deformációt követő hőtermelés egyes irodalmak szerint elhanyagolható [2], A GAMF Mechanikai Technológiai Tanszéke több éve foglalkozik szerkezeti és szerszámacélok edzési méretváltozásának vizsgálatával. Az elvégzett kísérletek eredményei [6] is azt mutatják, hogy a méretváltozás, vetemedés, feszültségek - az átalakulási viselkedéseken, a szövetszerkezeti változásokon keresztül - csak bonyolult egymásra hatással, kapcsolatrendszerben kezelhetők, figyelembe véve a munkadarab használati tulajdonságait is. A doktori kutatásom része a belső feszültségek tanulmányozása, az edzési méretváltozások előrejelzése. Napjainkban már elteijedtek azok a végeselemes számítógépes programok, amelyek segítségével meghatározható a fázisátalakulás okozta feszültségek eloszlása, azonban a modellezés során nehézségek adódnak az említett bonyolult kapcsolatrendszer, valamint a befolyásoló tényezők hatásának leírásában. Tehát munkám során próbálkozom bevinni a modellezésbe a lehető legtöbb befolyásoló tényező által kifejtett hatást, mert ezáltal a számított valamint a kísérlettel kapott eredmények között kisebb lesz az eltérés és lehetővé válik a méretváltozás pontosabb előrejelzése.
Felhasznált irodalom: [1]
STEEL: A handbook for Materials Research and engineering
[2]
S. Kamamoto, T.Nishimori, S.Kinoshita: Analysis of residual stress and distortion resulting from quenching in large low-alloy steel shafts. Material Science and Technology, October 1985 Vol. 1.
[3]
D. Pont, J.M. Bergheau: Numerical determination of residual stresses induced by laser surface treatments. Institut de Sudure, Francé.
[4]
Toshioka Y.: Calculation of Internál Stress of Steel Induced during Quenching. Transactions ISIJ, vol. 12, 1972
[5]
S. Ray: Study of residual stresses in welding. Indián Welding Journal, 1984IV/2/16.
[6]
Fazekasné dr. Berta Mária, Johanyák Edit: Méretváltozás edzésnél microCAD 94 Informatikai Nemzetközi Konferencia, Miskolc 1994, Konferencia Kiadvány, 9-17 old.
Johanyák Edit tud. s. munkatárs Gépipari és Automatizálási Műszaki Főiskola Mechanikai Technológiai Tanszék 6000 Kecskemét, Izsáki út 10, Magyarország
Tel.: 00 36 76 481291, Fax: 00 36 76 481304
52
EME
Számítógéppel segített hiba-lehetőség és hiba-hatás elemzés Johanyák Zsolt Csaba
Az előadás két részre tagolódik. 'Az első rész a konstrukciós hiba-lehetőség és hiba-hatás elemzés (FMEA) eredetének és céljainak ismertetése után bemutatja a konstrukciós FMEA módszerét. A második rész a számitógépes támogatás szükségességét emeli ki, valamint taglalja - az előadó doktoranduszi kutatási témáját képező - a CAD rendszerrel integrált konstrukciós FMEA szoftver megvalósításának alapelveit és modelljét.
Az erősödő versenyhelyzet és a növekvő pénzügyi kockázat minden vállalatot arra késztet, hogy az általa végzett tevékenység minőségét szabályozó és irányító rendszerbe minél több olyan mechanizmust építsen be, mely felismeri a lehetséges hibákat és azok következményeit még a termék vagy szolgáltatás előállítási folyamatának kezdeti szakaszában, minimálisra csökkentve ezáltal a szükséges változtatások költségeit, a hiba-lehetőség és hiba-hatás elemzés (FMEA) kiválóan alkalmas e feladat ellátására. Mire jó az FMEA? Az FMEA-t az USA-ban fejlesztették ki a repülőgépipar és űrhajózás-technika területén, ahol a legkisebb hiba is végzetes következményekkel járhat, ezért igen nagy hangsúlyt helyeznek a megelőzésre. A 70-es években már széleskörűen alkalmazták az autóiparban, ami hamarosan maga után vonta az eljárás szabványosítását [1] is. Az autógyártó cégek nagyon szigorú elvárásokat támasztanak beszállítóik minőségbiztosítási rendszereivel szemben (pl. [2]), ez jelentős mértékben hozzájárult az eljárás széleskörű elteijedéséhez. így a minőségirányítással és a minőségügyi rendszerek elemeivel foglalkozó ISO 9004 már a tervezés minősítésének és jóváhagyásának egyik lehetséges eszközeként ajánlja ezt a módszert. Az elemzés célja az egyes hibalehetőségek felismerése a termék életciklusának minél korábbi szakaszában, a hiba előfordulásának megelőzése, és az esetlegesen előforduló hibák vevőhöz való eljutásának megakadályozása, s ezáltal egyrészt közvetlen költségmegtakarítás elérése, másrészt a vállalat jó hírnevének megőrzése. A megvizsgált terület szempontjából az elemzés két alaptípusát különböztetjük meg: •
Konstrukciós FMEA. Célja a konstrukciós megoldásokból és a tervező által készített előírásokból eredő hibák feltárása és kiküszöbölése.
53
EME •
Folyamat FMEA. Célja a gyártás során az anyagbeszerzéstől a csomagolt áru kiszállításáig a gyártási technológiából, anyag-, gép-, és eszközhibából, valamint emberi mulasztásból eredő hibák feltárása és kiküszöbölése.
A szabvány csak az eljárás keretét határozta meg, tág területet hagyva a körülményekhez, feladatokhoz való rugalmas alkalmazkodás számára, így az idők folyamán különböző FMEA altípusok fejlődtek ki. Ezek közül széles körben alkalmazzák a termék-, a rendszer- és a környezet elemzésre szakosodott változatokat. Az elemzés folyamata hasonló az összes típus esetén, ezért a továbbiakban csak a konstrukciós FMEA-val foglalkozunk. Konstrukciós FMEA Az elemzés folyamata három szakaszra tagolódik (1. ábra). A módszer csoportmunkára épül, ezért a hatékonyság érdekében különösen fontos szerepe van az előkészítésnek. Ez magába foglalja a csoport összetételének és létszámának kialakítását, valamint szükség esetén a résztvevők képzését. Az oktatást nem szabad elhanyagolni, mert mint minden új módszer esetében, itt is csak akkor számíthatunk sikerre, ha mindenki hisz az eljárás jóságában, és nem csak a főnöki utasítás kényszerének engedelmeskedve alkalmazza azt. A második szakasz a konstrukció első átvizsgálását foglalja magába. Itt első lépésként alkotó elemeire bontják azt, majd minden egyes elem esetén megkeresik a hiba lehetőségeket, azok okait és következményeit, felállítva ily módon az ún. elem-hiba-okkövetkezmény láncolatokat, melyek egy-egy összetartozó információsort
kötnek
egy
csoportba.
Minden
egyes
láncolatot három szempont szerint külön-külön értékelnek 1 és 10 közé eső számokkal, figyelembe véve a jelenlegi állapotot, azaz a már beépített ellenőrzési és megelőiő intézkedéseket. Többféle módszer teijedt el
a három
kockázati mérőszám által nyújtott információ értelmezésére. A legáltalánosabb a kockázati tényező (KT) kiszámítására épül, melyet aztán egy Pareto elemzés keretén belül
1. ábra. Az elemzés lépései
használnak fel. A Pareto elemzés célja lényegében egy fontossági sorrend felállítása a különböző láncolatok között. A megállapított sorrendet követve a munkacsoport minden egyes láncolat esetén meghatározza a kockázat csökkentése érdekében szükséges
54
EME teendőket (terv átdolgozása), a végrehájtásért felelős személyt és a megvalósítás határidejét. A harmadik szakasz a visszatérő elemzés, ami a határidő lejártakor következik. Ekkor megvizsgálják az előírt intézkedések megvalósítását és annak hatásait. Újból kiszámolják a kockázati számokat és magát a kockázati tényezőt. Amennyiben ennek értékét még mindig túl magasnak találnák, újabb intézkedést javasolnak a probléma megoldására. Kedvezőtlen esetben a harmadik szakasz egy láncolat esetén többször is megismétlődhet. A konstrukció gyakorlati megvalósítása, legyártása csak azután következhet be miután a munkacsoport az összes kockázati tényezőt elfogadhatóan alacsony értékűnek ítélte meg. Számítógépes támogatás Az FMEA-t alkalmazó vállalatok többsége két oldalról is nyomás alatt áll. Egyrészt a minőségügyi és biztonságtechnikai követelmények teljesítése érdekében törekedni kell arra, hogy az elemzés lehetőleg mindenre teijedjen ki, másrészről ott vannak a szorító határidők és pénzügyi keretek, és az FMEA hatása csak közép vagy hosszútávon mutatkozik meg. A hagyományos módon végrehajtott eljárásnak számos gyenge pontja van. Körülményes a dokumentálás, nehézkes a korábban elvégzett elemzésekbe beépített tudásanyag
visszakeresése.
Az erőforrások optimális
kihasználása
ebben
az
esetben
csak
a
számítástechnika bevetésével érhető el. Egy ilyen célból készült szoftverrendszer legalább a következő szolgáltatásokat kell nyújtsa: •
adatbázis-kezelési lehetőségek az egyes alkotó elemekhez kapcsolódó típushibák eltárolására, visszakeresésére, valamint az adatok karbantartására;
•
hiba lehetőségek, okok, következmények és javító CAD
rendszer
intézkedések listájának automatikus előállítása, ha tervező
egy olyan elemet vizsgálunk, melyre korábban már FMEA munkacsoport -J szakértői - autóm, lista kiértékel. rendszer - elemzés,döntéshozatal e
végrehajtottuk az elemzést; •
határidő-figyelés;
•
adatvédelem és -titkosítás;
•
elemzés kinyomtatása;
•
könnyen tanulható és kezelhető, felhasználóbarát
nyomtatása
2. ábra. CAD rendszerrel integrált FMEA programcsomag
felület. Tudásalapú FMEA rendszer Még ma is nagyon gyakran előforduló probléma, hogy ha egy sok tapasztalattal rendelkező szakember megválik a vállalattól, hamarosan beáll a káosz. Rengeteg részletkérdés nincs dokumentálva, mert vagy nem tartották fontosnak, vagy egyszerűen nem volt rá idő. Ilyenkor sok idő és pénz kell arra, hogy mindent újra kiderítsenek. Egy másik probléma, hogy az emberek felejtenek, vagy nem ott és akkor jut eszükbe a megfelelő információ amikor arra szükség lenne. A módszer gyenge pontjait felismerve tanszékünk 1994-
55
EME ben elindított egy projektet egy konstrukciós FMEA programrendszer megvalósítása érdekében. A feldolgozandó tudásanyag sokrétűsége és nagy mennyisége következtében egy CAD rendszerrel integrált tudásalapú szoftver alapelveinek kidolgozása lett célként meghatározva. A rendszer nem helyettesíti az elemzést végző munkacsoport szakértőit, az emberi kreativitás nélkülözhetetlen. A rendszer feladata "mindössze" annyi, hogy könnyebbé, gyorsabbá és hatékonyabbá tegye az elemzést végző szakértő csoport munkáját. A CAD rendszer segítségével a tervező elkészíti a konstrukciós tervet. Ez tartalmazza az egyes elemekre vonatkozó geometriára és anyag-kiválasztásra vonatkozó . Ezek az információk bekerülnek az adatbázisba, ami lehet önálló vagy a vállalati információs rendszer része. A konstrukció teljes leírásához szükségesek még az egyes elemek feladatát, működését meghatározó információk. Ezt a tervező adja meg a szakértői rendszer interfészprogramja segítségével. A tudásalapú rendszer elemenként haladva előveszi a tervezési információt az adatbázisból, megvizsgálja, hogy készült-e már ugyanilyen, vagy hasonló paraméterekkel rendelkező elemre vonatkozó elemzés, és ha igen akkor automatikusan közli az elemző csoporttal a korábban felismert hibalehetőségeket, okokat és következményeket, azok értékelését, esetleg a korábban tapasztalt meghibásodásokhoz kapcsolódó költségeket, és felkínál egy vagy több, korábban már bevált javító intézkedést. A munkacsoport ezt elfogadja, vagy az időközben szerzett újabb tapasztalatokra, változásokra való tekintettel megváltoztatja esetleg elveti azt. Ezután következik a kockázati tényezők szokásos értékelése, amit a szakértő rendszer az adatbázisban található minőség költség adatok kikeresésével segít, majd egy automatikus Pareto elemzés a határidők fontossági sorrendben történő megállapítása érdekében. Amennyiben a rendszer nem talál ugyanolyan vagy hasonló elemre vonatkozó korábbi adatot, az elemzés a hagyományos módszerrel folytatódik. Az FMEA eredménye mindig hozzáadódik az ismeretbázishoz. Az alkalmazott modell talán legérdekesebb kérdése a hasonlóság vizsgálata és a hiba-lehetőség lista összeállítása. Egy idő után a tapasztalati tudást jelképező információhalmaz meglehetősen nagy méreteket ölt, ezért egy olyan adattárolási módszerre van szükség, mely biztosítja úgy a gyors elérhetőséget, mint a folyamatos bővíthetőséget. Erre fastruktúraszerű ohjektumhierarchia kínálkozott a legjobb megoldásnak. A fastruktúra minden "levele", azaz végpontja egyegy elem azon tulajdonságait
tartalmazza, melyek csak rá jellemzőek. A csomópontok csoportokat
jelképeznek. A csoportok olyan tulajdonságok tárolására szolgálnak, melyek a csoport minden tagjára jellemzőek. A tárolt információmennyiség növekedésével a hierarchia többszintűvé válik. Egy új elem vizsgálata esetén'a rendszer az előre megadott tulajdonságok alapján megpróbálja besorolni azt valamelyik csoportba. Ha ez sikerül, és az adott csoportban talál egy a vizsgálat tárgyával teljesen megegyező elemet, akkor készít egy teljes elem-hiba-ok-következmény láncolat listát a korábbi tapasztalatok alapján. Ha teljesen azonos elemet nem talál a rendszer, de valamelyik csoportba sikerül besorolni az elemet a hasonlósági kritériumok alapján, akkor egy részleges, a csoportra jellemző listát kapunk. Ez természetesen kisebb értékű mint az előző, de kiindulópontként nagy segítséget nyújthat. Amennyiben sehova se sikerül besorolni az új elemet, a rendszer egy új főcsoportot nyit számára. Természetesen egy-egy elem
56
EME besorolásánál és hasonlósági vizsgálatánál nem vehetjük figyelembe annak összes tulajdonságát. Ezért felelősségteljes szerepe van annak aki megállapítja, hogy egy adott alkalmazási területen melyik az a néhány jól körülhatárolt tulajdonság típus, amit figyelembe veszünk a besorolás folyamán. A projekt jelenleg a szakértői rendszer kidolgozásának fázisában van. Az alkalmazott szakértői shell a Kappa-PC 2.3.
Irodalomjegyzék [1]
DIN 25448: Ausfalleffektanalyse (Fehler -Möglichkeits- und -Einfiuss - Analyse), 1990.
[2]
Q101 Qualitatssystemrichtlinie, Ford AG, Köln, 1985.
[3]
Deckers, Jürgen - Schábe, Hendrik: FMECA rechnergestüztz erstellen, Qualitat und Zuverlássigkeit, 1992, s. 366-369.
[4]
NedeB, Christian - Nickel, Joachim: FMEA wissensbasiert erstellen, Qualitat und Zuverlássigkeit, 1993, s. 689-693.
[5]
Leistungsfahiges FMEA-System, Qualitat und Zuverlássigkeit, 1994, s. 235.
[6]
Pfeifer, tilo - Spiekermann, Jürgen - Zenner, Thomas: Konsequente Fehlervermeidung durch FMEA, Qualitat und Zuverlássigkeit, 1994, s. 285-291.
Johanyák Zsolt Csaba, minőségügyi mérnök Gépipari és Automatizálási Műszaki Főiskola, Informatika Tanszék, H6001 Kecskemét Pf. 91. Tel.>36-76-481 291 Fax:-36-76-481 304 e-mail: [email protected]
57
EME
TUDÁSALAPÚ RENDSZER TÖMÖR TÉRFOGAT-ALAKÍTÓ TECHNOLÓGIÁK MŰVELETI SORRENDTER VEINEK ELŐÁLLÍTÁSÁRA dipl. eng. Klementis Ottó, S.C Armatúra S. A. Kolozsvár, Románia prof dr Tisza Miklós, Miskolci egyetem, Mechanika technológia tanszék, Magyarország prof. dr. Pálfalvi Attila, Kolozsvári Műszaki Egyetem, Anyagtechnológia tanszék, Románia Ez a dolgozat egy hideg képlékenyalakitási folyamatok technológiai tervezésére kiképzett tudásalapú rendszert szeretne bemutatni. A teljes rendszer felépítési diagramja az 1. ábrán látható. A rendszer fő moduljait az anyagválasztó, a geometriai meghatározó, a technológiai sorrendtervező és a szerszámtervező modulok képezik Jelen dolgozatunkban megemlítjük mindenik modul szerepét és a felhasználási határait , részletesebben foglalkozva a geometriai meghatározó és technológiai sorrendtervező modullal.
Bevezető A Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai tanszékén hosszabb ideje folyik szisztematikus fejlesztő tevékenység különféle képlékenyalakító eljárások integrált számítógépes tervezőrendszerek kidolgozására. A Kolozsvári Műszaki Egyetemen folyó hasonló célú kutatómunkához kapcsolódóan a két intézmény együttműködése keretében egy tudásalapú rendszer kidolgozása van folyamatban amely jelenleg elsősorban zárt matricákban végzett térfogat alakító eljárásokkal gyártható, tömör, forgásszimmetrikus alkatrészek technológiai tervezését támogatja
Mivel hogy a végleges rendszer térfogat alakító és
lemezalakító eljárásokat kell tervezzen a rendszer felépítése és a munkadarabok komplexitásának határai ezen műveleteket kell figyelembe vegyék. A rendszer moduláris kivitelezésű és rendszertechnikai felépítése az 1. ábrán látható A tudásalapú tervezőrendszer felépítése. Az anyagválasztó modul úgy van felépítve hogy segítségével ki lehessen \álasztani a felhasznált munkadarabra jellemző, vagy a szerszámnak szükséges anyagot. A rendszer adatbázis rendszere egységes és a benne található anyagok olyan szűrők által \ annak ki\álasztva. amelyek segítségével minden konkrét esetben csak azon anyagokat lehet kiválasztani vagy csak azok az anyagok kerülnek kiírásra kiválasztás céljából amelyek a pillanatnyi munkafázisnak megfelelnek Ha kiválasztásról \an szó a pillanatnyi adat rögzítő struktúrát használva az eredmények az állandó adattároló rendszerben vannak tárolva, de ugyanakkor megtalálhatók és hozzáférhetők a számítógép belső memóriájában is. Ezzel a működési móddal biztosítva van a rendszer egyidejű működése különböző gépeken a tervezés különböző fázisaiban. Mivel a rendszer interface-el is el van látva, a \álasztott vagy számolt adatok külső adatbázis-kezelő rendszerek segítségével is elérhetők és esetleg módosíthatók is 58
EME Adatbázis fejlesztés, bővítés vagy javítás esetén a módosítások a központi egységes adatbázis rendszerben vannak végrehajtva, ez esetben csak a szükséges biztonsági másolatot hozzuk létre arra az esetre, ha a régi adatbázist újra érvénybe akarjuk helyezni, lemondva a végrehajtott és már rögzített módosításokról.
1. ábra. A rendszer felépítési sémája Az alak-meghatározó modul a tervezendő alkatrész teljes geometriai meghatározására volt kifejlesztve Olyan belső szűrőrendszerrel van ellátva, amely nem engedi azokat a munkadarabokat meghatározni amelyek nem valósíthatók meg képlékenyalakítással vagy forgácsolással. Ez a szűrőrendszer kívülről konfigurálható táblázat formájában. A működés során, a szűrő két egymás után következő elem geometriai méretei közötti összefüggéseket szabályozza, úgy, hogy csak a megadott összefüggések betartása mellett lehet a munkadarab geometriai alakját meghatározni A rendszerben minden tengelyszimmetnkus elem 11 elemi geometriai alapelemből tevődik össze A meghatározott munkadarab terve ettől a modultól kezdve megmunkálás-specifikus szűrőkön és alak átalakítókon halad keresztül Ezek után olyan munkadarab geometriát kapunk, amelyből a megfelelő végső munkadarab kivitelezhető esetleges utólagos megmunkálásokkal, viszont a kapott alakú munkadarab kivitelezhető az adott tervezett technológiával, amely az adott esetben képlékenyalakító technológiák csoportjára vonatkozik Ez a szűrő modulrész a geometriai előalakító, amely a minimális csatolási sugarak elhelyezését is elvégzi, úgy hogy a kapott munkadarab alakja fedő felszínt képez a keresett alak számára. A minimális csatolási sugarakat a rendszer az anyag és az anyagra vonatkozó határértékek alapján automatikusan kiszámolja vagy kiválasztja és elhelyezi a munkadarabon automatikusan vagy interaktív beavatkozással. A technológiai határparaméterek minden anyag vagy anyagcsoport esetén az anyagkezelő
59
EME adatbázisban vannak eltárolva, és csak abban az esetben hozzáférhetők amikor az általános anyagbázis kezelővel dolgozunk, vagy aktiválva van a technológiai előalakító/tervező modul. A leglényegesebb és legigényesebb része a tudásalapú rendszemek a technológiai sorrendtervező modul,
amely
segítségével
megkapjuk
a
közbeeső
technológiai formákat. Pillanatnyilag ez a rendszer csak tömör munkadarabokra van kiképezve, de a bővítési lehetőségek léteznek és az előző modulok is úgy vannak kiképezve,
hogy
üreges
munkadarabokat
is
képesek
meghatározni és alakítani Ez a modul figyelembe veszi azt. hogy különböző alakítási folyamatok milyen más alakítási folyamatok után következhetnek és milyen más müveletekkel végezhetők el egy időben
A pillanatnyilag beépített technológiák a
zömítés, redukálás, folyatás és kalibrálás így például egy
-ÍM I
II
III
munkadarab
esetén,
feltételezve egy
nyersanyag
átmérőt, meghatározhatók a munkadarabon azok a részek, amelyek
átmérőcsökkenéssel
vagy
átmérő-növekedéssel
érhetők
el
elemi
alkotóelem
így
minden
esetén
meghatározható egy kódolási rendszer amellyel rögzíthető a
2. ábra Lehetséges műveleti sorrendtervek
neki megfelelő müvelet. amellyel meg lehet ezt valósítani.
különböző kiinduló alakokra és különböző
Mivel zárt matricában végrehajtott müveletek lesznek
kiinduló nyersanyagtípusokkal. I-
figyelembe véve, a munkadarab alakja egy maximális
geometriai meghatározás. II-
átmérőjű elemet és a két végpont felé szigorúan csökkenő
technológiailag szűrt alak és kiinduló
átmérőjű elemeket tartalmazhat a legbonyolultabb esetben
nyersanyag átmérők. III- lehetséges
is. Mielőtt az alakítási folyamatokat hozzárendelnénk a
sorrendtervek
munkadarabhoz, a rendelkezésre álló határértékek szerint (ami az anyagra vagy a felhasznált összefüggésekre vonatkozik), meghatározhatók azok az átmeneti kúpos elemegységek, amelyek szükségesek átmérőugrás esetén. Ebben az esetben, figyelembe véve a térfogat-állandóságot, meg lehet állapítani a szükséges alakkalibráló müveleteket és a félkész termék alakokat. Természetesen, a közbeeső alakok meghatározásánál automatikusan generálódik az alak megmunkálásához szükséges szerszám geometriájának egy része is. Ez a geometria kezdeti fázisban csak az aktív részekre vonatkozik, a többi része csak abban az esetben lesz megtervezve és meghatározva ha a megfelelő variáns végleges marad. Ilyenformán, átmérő csökkenés esetén a redukálást vagy folyatást, átmérő növelés esetén a zömítést alkalmazza a rendszer. Az átalakítás során a rendszer virtuális negatív térfogatú elemekkel is dolgozik, ahhoz, hogy a döntéseire magyarázatot tudjon adni Minden belső müvelet meg van magyarázva és teljes grafikus és alfanumerikus dokumentáció van létrehozva minden variáns esetén. A 2. ábra példát mutat be különböző munkadarabok lehetséges
60
EME műveleti sorrendterveire bemutatva a tervezés három fö lépését: meghatározás, előszűrés és műveleti sorrendtervek leképzése. Minden alakítást és tárgyalást a rendszer automatikusan vagy interaktív módon tud végrehajtani a felhasználó opcióinak megfelelően. A modul működésbe lépésénél a rendszer automatikusan meghatározza azokat a lehetséges nyersanyag átmérőket, amelyekből létrehozható a megfelelő munkadarab vagy amely létezik azon a megmunkáló részlegen amelyet a rendszer kiszolgál. Minden egyes lehetséges átmérőre létrehozza a lehetséges megmunkálási variánsokat és ezek között egy elsőbbségi sorrendet állít fel, ami a hőkezelésre, munkahelyi kapacitásokra vagy megmunkálási fázisok számára vonatkozik. így a teljes rendszer egy megmunkálás optimalizálást végez el és képes létrehozni és véglegesíteni azt a megmunkálási variánst, amely a legegyenletesebb alakítási mértéket eredményezi az egész munkadarabban [8], Az egész rendszer működését a megmunkálási stratégiák módosításá\al állíthatjuk át. A végső \álasztott technológiai folyamatnak megfelelő szerszámokat a megmunkáló prés függvényében a rendszer automatikusan tervezi és elvégzi a szükséges dokumentálást is. Mivel ebben a fázisban a rendszer méretezési paramétereket használ, a végleges meghatározás után a rendszer újraszámolja ezeket és egy új tervezés során ezekkel az értékekkel fog dolgozni, biztosítva ez által a folyamatos "tanulási" lehetőséget is. Következtetések A rendszer segítségével jelentős idő és munka megtakarítást lehet elérni a tervezés során. Az eredmények figyelembe veszik a létező, tervezett technológiákat is, amelyek a rendszer tudásbázisában vannak eltárolva. A rendszer az általánosan elismert képlékenyalakítási elméleteket használja, de lehetőség van utólagos elméleti összefüggések beépítésére is. Referenciák [1] Tisza, M„ A CAD System for Deep-drawing Processes, 2nd ICTP Conf Stuttgart. 1987. p. 145152. [2] Romvári, P. Tisza, M. Rácz. P , A Complete CAD/CAM Package for Sheet Metál Forming, 26th MTDR Conf. Manchester. 1986. P. 33-38. [3] Tisza, M., A knowledge Based Expert System for Wire-drawing Processes. 3rd ICTP Conf.. Kyoto. 1990.p. 539-544 [4| Tisza, M. Rácz, P.. Lemezalakító számítógépes tervezőrendszer. MicroCAD'88. Miskolc, 1988 [5] Tisza, M.. An Integrated CAD/CAM System for Sheet Metál Forming, 4 t h MDP Conf. Cairo, 1988. [6] Rácz. P., Tisza, M., CAE System for Metál Forming Processes, MatTeh"90 Helsinki. 1990 [7] Iosif Tápálagá. Petru Berce. Gheorghe Achima§. Extrudarea metalelor la rece. Editura Dacia, Cluj Napoca, 1986. [8| Billigmann Feldmann. Sajtolás és zömítés, Műszaki kömvkiadó, Budapest. 1977 Klementis Ottó, doktorandus. S.C.Armatúra S.A. Kolozsvár, str Garü nr. 9. tel. 132373, fax 194241 tel. 064 152406. str Bistritei 32-33, Kolozsvár. Románia.
61
EME
SZEKVENCIÁLIS VEZÉRLÖK PROGRAMOZÁSÁNAK OKTATÁSA Szőcs Gábor , Benkő Attila Összefoglalás: A dolgozat a gyártástechnológiában, vegyiparban és ma már a környezetvédelemben valamint az épületgépészetben is használt fix és programozható logikájú vezérlők működésének számitógéppel segített tesztelésével foglalkozik. A dolgozat bemutatja a berendezések számítógépes szimulációjának lehetőségeit, a szimuláció adta előnyöket ipari és oktatási alkalmazások esetén.
Berendezések működésének szimulációja Az ipari automatizálás egyre nagyobb térhódítása szükségessé tette az általános célú, a felhasználó által programozható logikai vezérlők ( PLC )
alkalmazását. Felhasználásuk igen széles körű;
CNC
szerszámgépek kapcsolási funkcióinak (szerszámcserélő, szerszámtár, hűtés, osztóasztal, palettacserélő stb.) vezérlését látják el, az integrált gyártórendszerek anyagmozgató berendezéseinek (robotkocsi, magasraktár stb.) irányítását végzik, vegyipari,
környezetvédelmi, épületfelügyeleti és épületgépészeti
rendszerekben is előszeretettel alkalmazzák már őket. A fix logikájú vezérlők építése, a PLC-k programozása rutin feladattá vált. Problémát jelent azonban e vezérlések működésének tesztelése, mert a vezérelt berendezések nagyértékűek és a hibás működés jóvátehetetlen kárt okozhat. Szükséges egy olyan berendezés szimulátor, amely vizuálisan megjeleníti a vezérelt objektumot, és generálja illetve fogadja a vezérlő berendezés ( PLC ) jeleit. A szimulátor lehetővé teszi az adott program működésének teljes ellenőrzését, így a programozási hiba kideríthetővé válik anélkül, hogy a sokszor több százezer vagy millió forintot érő vezérelt berendezés megsérülne. Ezen túlmenően megvizsgálható, hogy a vezérlő program "fel van-e készülve" váratlan események (Pl: egy érzékelő elszennyeződése vagy egy vezeték szakadása) altal kiváltott - a helyes működés közben elő nem forduló - hibák figyelésére és megfelelő szintű kezelésére.
62
EME
A berendezés szimulátor alkalmazása Az általunk kifejlesztett szimulátor kitűnően használható a gyártóberendezések pótlólagos automatizálása során beépített PLC-k programjainak elkészítésénél és belövésénél, valamint a már korábban automatizált gépek elavult relés és léptetőgépes vezérléseinek cseréjénél. A berendezés szimulátor segítségével rendkívül egyszerűvé válik új vezérlések fejlesztése. A későbbi fejezetekben bemutatandó szimulátor segítségével fejlesztettük ki az LS8-XXX felvonó vezérlő családot, amely legyűjtő, összegyűjtő, vagy egyparancsos, maximum nyolcmegállós, egy és kétsebességes, automata és félautomata ajtós felvonók irányítására alkalmas. Az ipar számos területén alkalmazott vezérlőberendezések kezelése jól felkészített szakembereket igényel. Vezérlőberendezések programozásának oktatásával több éve foglalkozunk. Probléma volt eddig, hogy a programozás színvonalas oktatásához nem állt rendelkezésre - elsősorban anyagi okok miatt - megfelelő számú és bonyolultságú vezérelhető berendezés. így a folyamatot csak elképzelve, tesztkapcsolósort alkalmazva bemenetként és a PLC kontroll led-jeinek megtekintésével lehetett ellenőrizni a programok működését. A Budapesti Műszaki Egyetem Gépgyártástechnológia Tanszékének hallgatóival és a Budapesti Móricz Zsigmond Szakközépiskola tanulóival végzett kísérleteink bizonyították, hogy a szakképzésben is jól használható rendszert alkottunk. Két csoportra osztottuk az egyetemistákat és a középiskolásokat is. Mindkét helyen mindkét csoportnak ugyanazt a tananyagot mondtuk el. Azok a csoportok amelyek az órák során használhatták a berendezés szimulátort, lényegesen jobb eredményeket értek el a vizsgán, mint azok a csoportok akiknél a teljes vizuális élmény helyett, csak tesztkapcsolók és kontroll led-ek álltak rendelkezésre a programok írásánál és ellenőrzésénél. A berendezés szimulátor Az 1. ábrán látható, hogy egy személyi számítógép (IBM PC) és egy illesztőegység (PLCM-16) együttesen alkotják a berendezés szimulátort. A PC és a PLCM-16 RS232 vonalon kommunikál egymással. Az adott modellnél és programozási feladatnál a vezérlő berendezést (itt pl. egy MICRO 1 típusú PLC-t ) kábelekkel kell összekötni a PLCM-16 illesztőegységgel. Az illesztő egység A vezérlő berendezés be és kimenő jeleit valamilyen módon be kell juttatni a PC-be. Mivel viszonylag nagy számú I/O csatorna jeleit kell fogadni, a PC-be épített párhuzamos portok nem lennének elegendők Kielégítő megoldás volna egy sokcsatornás I/O kártya használata. Azonban ebben az esetben ahhoz a számítógéphez kötjük a berendezések szimulációját amelyik tartalmazza azt az I/O kártyát.
63
EME
SZEMELYI
SZAMITDGEP
1. ábra. Sokkal könnyebben használható egy már létéző I/O portjára
mobilizálható illesztőegység, amely a PC valamelyik alpkiépítésben
csatlakozik. Az illesztőegységet egy gyári - szórakoztató elktronikákhoz
használatos - hálózati adapter látja el 9V-os törpefeszültséggel, így ez megfelel az érintésvédelmi előírásoknak is. Az illesztőegységen 16 be- és 16 kimenő csatorna lett kialakítva, amelyek elegendőek igen bonyolult berendezések jeleinek kezeléséhez is. Az I/O csatornák állapotát kontroll led-ek is jelzik. Minden ki és bemenő csatorna fordított polaritás ellen védett. A szimulációs programok A szimuláció minél tökéletesebb és élethűbb megvalósítására olyan programot dolgoztunk ki, amely képes értelmezni a külön fíle-okban elhelyezett berendezés modelleket , biztosítja a mozgások megjelenítéséhez szükséges grafikus animációt, generálja illetve fogadja a ki- és bemenő valós idejű jeleket és kapcsolatot tart az illesztő egységgel. Elkészítettük a program DOS és WINDOWS operációs rendszer alatt futó változatát.
64
EME A programok fentről legördülő menürendszerek segítségével kezelhetők. Kiválasztható a szimulálni kívánt berendezés modellje, a kommunikációs port. Az egyes I/O csatornákhoz szimbólumok rendelhetők. A modellek mozgása közben a képernyőn is láthatók a be és a kimenetek állapotai. A modellek szimulációs sebessége egy minimális és egy maximális érték között változtatható. A szimuláció közben kiválasztható az a nézeti kép, amelyből a legjobban látható a modell mozgása. A programok biztosítják a modellek vezérlő berendezéstől független - a PC billentyűzetéről történő - mozgatását, amire hibás működés utáni visszaállás, vagy kezdeti pozíció beállításakor lehet szükség. Az elkészült modellek közül a 2. ábrán láthatunk négy - az oktatásban jól bevált - példát. 11• mim !«• i n n m ,
KOMIiKOCSI z-tvwW IN t»Ut
OUT
O °0 O iO o «o O IO o «o O IO o *o o »o o »o o »o o»o 0"0 0"0 OUO o»«o o«o
o» >i O•
10 "O •o IO •o »o o«o 0"0 OUO OuC 0"0
o«o 2.a ábra Pneumatika CaohalMM u l v a l
Ttrdó
Szívót*
2.b ábra Robotkocsi UEOVtFMU AOAOOLO-KCUDSO Z - t m i t l
IH out O 0* O lO O lO o >o O 4* o »o o »o o »o o «o o »o OmO OiiO OuO OUO 01«0 0"0
IN OUT O U* O iO o >» O IO o «• o »• o «o o *o o «o o »o OuO 0"0 OUO o«o OMO OtsO
2.c ábra Töltőszivattyú
2.d ábra Vegyipari adagoló
A szimulációs rendszerhez tartozik még egy önálló modellszerkeztő program is, amivel a modellek megszerkezthetők.
Szőcs Gábor oki. gépészmérnök tud. smts. Budapesti Műszaki Egyetem Gépgyártástechnológia Tanszék / H-l 111 BUDAPEST, Egry J. u. 1 Tel: (+36-1) 463-2510 Fax: (+36-1) 463-3178 E-mail: [email protected]
65
EME
AZ ULTRAHANGOS DEFEKTOSZKÓPIA TANULMÁNYOZÁSA. ULTRAHANG-GENERÁTOR LAPKA ÉS ADATGYŰJTŐ INTERFÉSZ TERVEZÉSE Égly István
A dolgozat bemutatja az ultrahangos defektoszkópia felhasználását a fémekben található esetleges hibák felderítésében, majd kiemelve a jelek digitális feldolgozásának előnyeit a hagyományos (analóg) eljárással szemben, rámutat egy mikroprocesszorral működő defektoszkóp előnyeire. A továbbiakban a dolgozat bemutatja egy ultrahang-generátor lapka és ezt egy IBM PC-vel (vagy ezzel kompatibilis számítógéppel) összekötő adatgyűjtő interfész tervezését. Az ultrahang-generátor lapkáról kapott analóg jelet az adatgyűjtő interfész digitális jellé alakítja át, majd egy 8 koktetes memóriában tárolja. A számítógép átveszi a jeleket, majd egy megfelelő program segítségével feldolgozza. Az így létrehozott "digitális" defektoszkóp teljesítménye felülmúlja a hagyományos defektoszkópét,mivel új lehetőségeket biztosít, mint: az adatok tárolása, az adatok digitális feldolgozásának lehetősége (különböző digitális szűrések), az eredmények távolságra való továbbításának lehetősége, stb. A szerző hozzájárulása a két funkcionális lapka tervezéséből, kísérletezéséből és gyakorlati megvalósításából áll.
A FÉMEK ULTRAHANGOS VIZSGÁLATA
A ultrahangos vizsgálat egy viszonylag új módszer a fémtárgyak ellenőrzésében, melynek során az ellenőrzés alá vett fémtárgy belsejében található esetleges hibákat ki lehet mutatni. Az ultrahangos vizsgálat lényege abból áll, hogy egy ultrahang-generátor segítségével ultrahangos rezgéseket továbbítanak az ellenőrizendő tárgyba. A tárgyban ezek a rezgések egy bizonyos formában megváltoznak, és a mérőrendszer által kapott eredményt az arra szakosított személy (operátor) értelmezi. A leginkább használt módszer a visszavert impulzus módszere, amely egyetlen elektroakusztikus átalakítót használ fel, amely egyszerre adó és vevő is. Az ultrahang impulzusok behatolnak az ellenőrzésnek alávetett tárgyba, és az impulzusok közötti időintervallumban vételezik a visszatérő ultrahangokat. Az intermitensen küldött ultrahangok behatolnak a tárgyba és vagy a fém esetleges diszkontinuitásairól, vagy pedig a fémtárgy hátsó faláról visszaverődnek. A visszavert jeleket az elektroakusztikus traduktor elektromos jellé alakítja, majd erősítés után az oszcilloszkópon megjelentethetők a jelek. Az elektroakusztikus traduktor egyik legfontosabb paramétere a központi frekvenciája (az úgynevezett rezonancia frekvenciája). Ha egy traduktor a rezonancia frekvenciájával megegyező frekvenciájú impulzusokat kap, az általa generált ultrahang amplitúdója a lehető legnagyobb lesz (ami azt jelenti, hogy az ultrahang energiája ebben az esetben a lehető legnagyobb lesz). Az ultrahangok jól terjednek szilárd és folyékony közegben, de a levegő kis akusztikus impedanciájával egy majdnem kifogástalan árnyékolást jelent az ipari ultrahangos vizsgálatnál 66
EME használt frekvenciákra. A gyakorlatban a folytonosság biztosításáért egy úgynevezett összekötő közeget használnak, melynek az a szerepe, hogy kiiktassa a tárgy felületén levő levegőt (amely a tárgy és a traduktor közé kerülne). A gyakorlatban leggyakrabban használt közegek a víz, az olaj, a vazelin , stb. Jelenleg a defektoszkópiai laboratóriumokban nagyobbrészt analóg elven működő mérőműszereket használnak, amelyek az elektroakusztikus traduktor által vett jeleket egy katódcső segítségével vizualizálják. A modern mérési módszerek feltételezik egyes, az adatok feldolgozásában használt digitális módszerek felhasználását (szűrés, analóg-digitális átalakítás, stb.) valamint "intelligens", processzor típusú elemek felhasználását, melyek az ellenőrzés folyamatát automatikussá teszik. Egy mikroprocesszor felhasználása a mérőműszert új tulajdonságokkal gazdagítja, mint például: - a begyűjtött adatok tárolása - az eredmények távolságra való küldésének lehetősége - a begyűjtött adatokat különböző digitális feldolgozások alá lehet vetni (például digitális szűrések).
AZ ULTRAHANG-GENERÁTOR LAPKA TERVEZÉSE
Az impulzusgenerátor egy változtatható hosszúságú impulzust generál, melyet úgy kell beállítani, hogy az impulzus frekvenciája megegyezzen az elektroakusztikus traduktor rezonanciafrekvenciájával. Ebben az esetben az elektroakusztikus traduktor maximális energiával töltődik fel, vagyis a gerjesztett ultrahangnak maximális lesz a teljesítménye, tehát az amplitúdója is (egy adott tápfeszültség esetén). Az ultrahang-generátor bemenetére a traduktor rezonanciafrekvenciájára hangolt impulzus érkezik. Ezt az impulzust az elektroakusztikus traduktor egy csillapított rezgéssé alakítja, amely akusztikus hullámmá alakul. Az ultrahang behatol az ellenőrzendő anyagba és a visszavert ultrahangot (amely sokkal kisebb amplitúdójú mint a beeső hullám) a traduktor visszaalakítja elektromos rezgéssé. Az erősítő és limitáló (határoló) egységnek az a szerepe, hogy a kis amplitúdójú (visszavert) elektromos rezgést annyira erősítse fel, hogy a következő funkcionális egységek optimálisan dolgozhassák fel. A viszonylag nagy amplitúdójú beeső elektromos rezgést - melyet az elektroakusztikus traduktor generál az impulzus hatására - határolni kell, ellenkező esetben ez a következő egység meghibásodásához vezetne. Ahhoz hogy az analóg jelet vissza lehessen állítani a szaggatott jelből, Shannon tétele értelmében a szaggatási frekvencia legkevesebb kétszerese kell legyen az analóg jel maximális frekvenciájánál. A jelen esetben egy 2MHz-es szinuszjelünk van, tehát Shannon tétele értelmében ahhoz, hogy a jelet vissza lehessen állítani a szaggatás után, a minimális szaggatási frekvencia 4MHz kell legyen. Mivel a kuantizálási (digitalizálási) hiba annál kisebb minél nagyobb a szaggatási frekvencia, a digitális-analóg átalakítás után kapott jel annál inkább
67
EME hasonlít az eredeti jelre minél nagyobb a szaggatási frekvencia. Mivel ez az alkalmazás nagy pontosságot igényel a visszaállított jel szempontjából, a szaggatás 25MHz-en történik. Gyakorlatilag ez azt jelenti, hogy a használt szűrő csillapítása 12MHz-en legkevesebb 54dB kell legyen. Mivel a hasznos jel 2MHz-es, ezt a feltételt egy negyedfokú sáváteresztő szűrővel lehet optimálisan megoldani.
AZ ADATGYŰJTŐ INTERFÉSZ
BEMENET STAWT
CIKLUS,
A/D KONVERTER
CIKLUS D0-D7
c= KVARC
KVARCCAL VEZÉRELT ÓRAGENERÁTOR
CONV TAMPON MEMÓRIA
CONV
RST 1)0-1)7 , CIKLUS CON1 RENDSZERCÍMEK
CÍMOEKÓDOIXI, RJ T SZELEKTÁLÓ CSŐI I> JELEK GENERÁLÁSA
CÍMGENERÁTOR (SZÁMLÁLÓ)
MEMÓRIA A0-A12
CSŐRI)
BUFFER AZ ADATRUS-HOZ
RENDSZERADATOK
CSŐRI)
AZ A D A T G Y Ű J T Ő I N T E R F É S Z B L O K K R A J Z A
A szaggatási frekvencia meghatározza (fordított arányban) a szaggatott jel időtartamát (hosszát). Vastag anyagok esetén kívánatos egy hosszabb szaggatási időtartam a szaggatási frekvencia hátrányára. Egy nagyobb frekvencia jobb felbontást biztosít, ezért ezt előnyös vékony anyagok esetén használni. A szaggatott jel időtartamát a használt buffer (tampon memória) mérete határozza meg. A memória méretezésénél a szaggatási frekvencia értékét, az ultrahang terjedési sebességét különböző anyagokban és a vizsgálandó tárgy maximális méretét kell figyelembe venni. A szükséges memória nagyságát a következő képlet adja meg: M = (21/v)*f ahol:
M - a szükséges memória (byteokban)
68
EME 1 - az anyag vastagsága (a traduktor által vett jel kétszer teszi meg az anyag vastagságának megfelelő u t a t ! ) - legtöbb l m v - az ultrahang terjedési sebessége az anyagban (0,6 - 15mm/us) f - a szaggatási frekvencia - 25MHz Mindezek alapján egy 8 koktetes memória felhasználása a legoptimálisabb. Az egy szaggatásnak megfelelő digitális információ egy byte nagyságú lesz, amely 1/256-os amplitúdó felbontást tesz lehetővé. Az analóg-digitális átalakítás szempontjából optimális amplitúdójú jel egy nagy sebességű TDA8703-as analóg-digitális átalakító bemenetére kerül. Ez az átalakító 8 bites, tehát 256 szintes kuantizálást tesz lehetővé, amely elegendő ehhez az alkalmazáshoz. A szaggatási frekvencia 25MHz. Az átalakítás után kapott oktetek a 74LS245 -ös bufferen keresztül betöltődnek a 8 koktetes memóriába. A 6264-es típusú memóriák hozzáférési ideje általában nagyobb, mint a szaggatás periódusa, amivel dolgozunk. Ezért a nagyfrekvenciájú digitális oszcilloszkópoknál használt speciális adatgyűjtési és memorálási technikát kell alkalmazni, éspedig: egy periodikus jel szaggatása több ciklust elolvasva történik, mindegyik ciklus más és más időegységgel van eltolva a triggeráló jelhez képest. Jelen esetben egy ciklus visszaállítása 4 egymás után következő ciklus beolvasásával történik. Ily módon a memória hozzáférése (80ns) belefér az átalakítás/írás ciklusba. A memória címzése, úgy az írásnál mint az olvasásnál számlálók segítségével történik. Ezek a számlálók alkotják a címgenerátor blokkot. Az interfészt a számítógép úgy kezeli mint egy periféria lokációt. Az adatok gyors hozzáférhetőségének biztosítása érdekében egy periféria olvasó parancsot használunk. A dekódoló egység dekódolja a rendszer címbusát, ezen az egységen keresztül valósul meg az adatgyűjtő interfész címzése a számítógép által. A kiválasztó (szelektáló) jeleket generáló egység adja azokat a jeleket, melyek segítségével beállítódnak az adatgyűjtés paraméterei és megindul az adatgyűjtés. A kvarccal vezérelt órajelgenerátor állítja elő a szinkron áramkörök (analóg-digitális átalakító, számlálók) működéséhez szükséges órajeleket.
Bibliográfia: 1. A.P. French - Vibrations and Waves (Thomas Nelson Ltd. London) 2. M. Scheffel, P. Stiuca - Dispozitive cu ultrasunete (Ed. Tehnicá, Bucure§ti, 1989) 3. G. Amza, D. Barb - Sisteme ultraacustice (Ed. Tehnicá, Bucure§ti, 1988) 4. Dascálu - Dispozitive §i circuite electronice (EDP, Bucure§ti, 1982)
Égly István, oki. villamosmérnök Tel.: 064-167787
69
EME
HEGESZTETT SZEKRÉNYSZELVÉNYŰ DARUFŐTARTÓ OPTIMÁLIS MÉRETEZÉSE Adorján Gábor
Az acélszerkezetek méretezésével foglalkozó szakirodalmak tanulmányozása során azt vehetjük észre, hogy Magyarországon a hagyományos méretezési eljárásokkal szemben még nincs széles bázisa az optimális méretezésen alapuló szerkezetméretezési eljárásoknak, pedig a gyakorlati tapasztalatok azt mutatják, hogy a matematikai optimáló módszerek a műszaki gyakorlat szinte minden területén, így fémszerkezetek méretezése terén is eredményesen alkalmazható és ezeknek az eljárásoknak az alkalmazásával jelentős költség, tömeg ill. anyag-megtakarítás érhető el. További előnye az optimális méretezésnek, hogy rendszerezett célfüggvény és méretezési feltétel rendszer kidolgozását igénylik, ugyanakkor reális alapot ad az egyes konstrukcióvázlatok összehasonlítására, ami a tervező számára rengeteg hasznos információt adhat.
Szemléltetésül elvégeztem egy egyszeresen asszimetrikus szekrényszelvényű darufőtartó optimális méretezését. A méretezés elvégzéséhez készítettem egy számítógépes programot, mely a DIN 15018 és DIN 18800 szabványok illetve a Rosenbrock-féle Hillclimb algoritmus felhasználásával végzi a szekrényszelvényű darufőtartó méretezését merevített és nem merevített szelvény alkalmazása esetén. Különböző paraméterekkel futtatásokat végeztem, mely során vizsgálom az egyes tényezők hatását a szerkezetoptimumra, illetve az egyes költségtényezőkre illetve az összköltsége. 1. A szerkezetméretezés menete A probléma megfogalmazása: egyszeresen aszimmetrikus, merevített szekrényszelvényű futódaru optimális méretezése adott fesztáv, terhelés és anyagminőség esetén. (1. ábra ) A cél megfogalmazása: az anyagköltségnek, a felületelőkészítési költségnek, a festési költségeknek, az élelőkészítési költségnek, a hegesztési költségnek az összköltségnek, illetve az össztömegnek minimálisnak kell lennie. Ezek a célfüggvények.
70
EME
Modellalkotás: kétfőtartós, szabadon felfekvő, hosszirányban hegesztet szekrénytartó.
Terhelés:
egyenletesen megoszló az önsúlyból, a kezelőjárda és a sin tömegéből, koncentrált erő a hasznos teherből. Vízszintes terhelés a daruhíd és a futómacska gyorsításából és lassításából adódik. A szerkezet rugalmas feszültségi tartományon van. A gátolt csavarást elhanyagoljuk.
2. Analízis a DIN 15018 és DIN 18800 szabványok szerint
1.) Az aszimmetrikus szelvény geometriai méreteinek meghatározása; 2.)A terhelések meghatározása; 3.) A létrejövő feszültségek meghatározása; 4.) Statikus feszültségellenőrzés főterhelésre; 5.) A hegesztési varratok feszültségellenőrzése főterhelés esetén; 6.) A fáradási feltétel ellenőrzése főerőkre; 7.) Stabilitási feltételek ellenőrzése (DIN 18800 alapján); 8.) Lehajlási feltételek ellenőrzése; 2. A Rosenbrock-féle Hillclimb algoritmus ( H i l l ) Maximálja az y =
f ( x , x
2
,x
3
,
X
N
)
függvényt, a következő feltételek esetén:
az explicit feltételek xf < x{ < x",i = 1,2,3,
N
az implicit feltételek x\ <X{ < xf ,i = N+ Í,N+2,
N +M
ahol M az implicit feltételek száma, xf az alsó, x!' a felső határérték.
A célfüggvény többváltozós, nemlineáris, a méretezési feltételek pedig nemlineáris többváltozós, egyenlőtlenségi feltételek, N
a változók száma(explicit változók), M a feltételek száma, (implicit
változók). Az explicit változók a szerkezet fizikai-geometriai paraméterei lehetnek (tartóméretek, lemezvastagságok stb.) Ezért is lényeges az X{ > 0 egyenlőtlenség, mely csak pozitív értékeket enged
71
EME meg a változókra. A program megkeresi a célfüggvény extrénumát a feltételek teljesülése esetén. Az extrénum általában a minimális tömeget, minimális költséget, maximális megbízhatóságot stb. jelenti. Az implicit változók,
XN+M függvényei az explicit független változóknak.
Az eljárás Rosenbrock (1960)
kereső módszerén alapul. A koordinátarendszer forgatáson alapuló
módszer a Hooke and Jeeves
(1961)
algoritmus továbbfejlesztésének tekinthető. Az algoritmus a
koordináta rendszert forgatja a minimálás minden egyes lépésében olyan módon, hogy az első irány a célfüggvény-felület legmeredekebb változása felé mutat, a többi irány pedig merőleges az első irányra. A módszer deriválást nem végez. 3. Általánosítás, összefoglalás, értékelés A különböző futtatások alapján levonható következtetések: a döntéstámogató programrendszer hatékonyan használható a daru hídfőtartó méretezésére. Az egyes tényezők változtatásával kapott optimumok lehetőséget adnak a tervezőnek, hogy válogasson az optimumok között vagy esetleg más, kevéssé megfogható szempontot (pl: esztétikai) vegyen figyelembe.
l.)Nem merevített illetve merevített szelvény alkalmazásával kapott költségek összehasonlítása A futtatási eredményekről a 2., 3., 4., 5., 6., 7 .ábrák nyújtanak szemléletes képet. (0 •P rH o M •H tf] +J N tf)
(ÍJ Di 0) Xí 10
15
20
horogteher
25
30
10
35
15
20
25
horogteher
(t)
30
(t)
3. ábra
2. ábra 73000 68000 63000 58000 53000 48000 43000 38000 33000 § 28000 23000
1200 j
£ ~ O, •O £ ÍO
2
1000--
OJ
e
c
15
20
horogteher
10
25
15
20
25
horogteher
(t)
5. ábra
4. ábra 72
(t)
30
35
EME _
65500 55500 4 5500 35500 25500 15500 5500 10
15
20
horogteher
10
25
15
20
horogteher
(t)
6. ábra
25
30
(t)
7. ábra
Ezek szerint merevített szekrényszelvényű darufőtartó alkalmazása esetén az összköltség átlagosa 6-10%al, az anyagköltség 3-7%-al, míg a tömeg, hegesztési költségek, élelőkészítési költségek kb.4-10%-al csökkennek. Ugyanakkor az is észrevehető (7. ábra), hogy a felülettel arányos költségek 4-5%-os növekedésével kell számolnunk merevített szelvény alkalmazása esetén.
Ez elsősorban azzal magyarázható, hogy a számításba vett költségtényezők közül az anyagköltség után a hegesztési költségek szerepelnek a legnagyobb súllyal. Ennek következtében az optimálás során a program igyekszik a fő és gerinclemezek vastagságát csökkenteni (így csökken a lemezvastagságtól függő hegesztési és élelőkészítési költség), míg a méretezési (lehajlási, feszültségi, stabilitási) feltételek kielégítése érdekében az övlemez szélességet és gerincmagasságot növelni. Az övlemezszélesség és gerincmagasság növekedése esetén növekszik a felület is és így a felülettel arányos költségek is. Tehát merevített szekrényszelvényű darufőtartó alkalmazása, ha a lehetőségek ezt megengedik mindenképen célravezetőbb. Igaz, hogy a felület és a felülettel arányos költségek növekednek de az összes többi, számításba vett költség és az összköltség is csökken. A felhasznált irodalmak jegyzéke
[1]
Rosenbrock H.H :An automatic method for finding the greatest or least value of a function . Computer Journal 1960 vol.3; No 3; p: 175-184.
[2]
Jármai Károly:A Rosenbrock-féle Hill-algoritmus,a Pappas-féle DSFD algoritmus hegesztett szelvényből
álló egyhajós csarnokkeret
fejezet. Számjtógéppel segített
hegesztés
BME,Mérnöktovábbképző Intézet jegyzete 1989 [3]
DIN 15018 és 18800 szabvány gyűjtemény
[4]
J.Lindner, J.Scheer,H.Schmidt: Stahlbauten Erlauterungen zu DIN 18800 Teil 1 bis Teil 4
Adóiján Gábor Miskolci Egyetem , Miskolc, Egyetemváros 3515 Tel:(06)-46-365-l 11/18-43 73
CAW
EME
MINŐSÉGBIZTOSÍTÁSI RRRNDSZRRRK ÁLTAL MEGOLDHATÓ FELADATOK
Bíró Zsolt
Összefoglalás
Értekezésem
első
részében
a
minőségbiztosítás
szerepéről
szólok.
A
folytatásban
a
SINIC-Q
minőségbiztosítási rendszer által végrehajtható feladatokat részletezem. Ezt követően a SNAP minőségbiztosítási rendszer által megoldható problémákkal foglalkozom Fzután összehasonlítom a két minőségbiztosítási rendszert
A minőségbiztosítás a modem ipari tevékenységek egyik kulcsfontosságú mementuma. Kgy jól
kidolgozott
minőségbiztosítási
rendszer
biztosítja az egyenletes, j ó
minőségű
termék
előállításának reprodukálhatóságát szervezetebbé teszi a termeléssel összefüggő részfeladatokat, racionalizálja az összetett folyamatokat, nem beszélve a szervezett és racionált következteben
elérhető
költségmegtakarítási
lehetőségekről.
A
modem
termelés
minőségbiztosítás
természetesen komputerprogramok által a legelőnyösebben kivitelezhető.
A számítógépes minőségbiztosítás legfontosabb előnyei:
- a helytakarékosság - az archiválhatóság - az egyszerű cs komfortos felhasználhatóság - a munkaidőmegtakarítás
A számítógépes
minőségbiztosítás
fejlődésével számos
minőségbiztosítási
rendszert
fejlesztettek ki. A különböző rendszerek természetesen más és más minőségbiztosítási részfeladatra
74
EME alkalmazhatók legmegfelelőbben. E munka a SINIC-Q és a SNAP minőségbiztosítási szoftverrel megoldható feladatokat vizsgálja.
A SINIC-Q minőségbiztosítási szoftvert mostani tormájában 1994-ben fejlesztette ki a németországi SINIC Computertechnik G m b H Friedrichsdorfban. A szoftver pontos elnevezése CAQ-System QSi 3.0.
A rendszer szolgáltatásai:
- Idegenáru átvétel /WEA/ dokumentálása - Beszállítók értékelései /LB W/ - Minőség-management elemzés /QMA/ - Statisztikus folyamatszabályozás /SPC/ - Reklamáció /REK/ - Folyamatképesség megállapítása /PMF/ - Dokumentáció kezelés /DOK/ - Hiba- és hatásanalízis /FMEA/ - Prototípusvizsgálat /EMP/ - Vizsgálóeszköz dokumentálás /PMV/
A szoftver menüpontjai:
- Törzsadatok. Itt történhet az új adatok felvétele, az adatrögzítés, adattörlés.
- Kiértékelés Az almenüpontokban lehetőség van a fennálló vizsgálatok, a várható felhasználás, a felhasználás „története", visszakövetelések, a mérőeszközök „történetének", költségeknek, a költséggyakoriságoknak, költségellenőrzés táblázatba foglalására.
- Statisztika Ebben az almenüpontban történik a jellemző értékek (pl. szórás, teijedelem) számítása, szabályozókártya ábrázolása, hibaszázalékok számítása, eloszlásvizsgálat
75
folyamatábra
EME készítése,
felhasználó-,
termék-,
hibafajták
szerinti
hibaelemzés,
hibaosztályok
megállapítása, költségek különféle diagramos ábrázolása.
- Q-Management Ebben a menüpontban megvalósítható a hiba-fejlődése elemzés, illetve az összesílelt hibacicmzes.
- Reklamáció A menüpont scgítscgcvcl csoportosíthatjuk a reklamációk típusát, alapját intézkedéseinket, cég vagy munkadarab szerinti megoszlását.
- Mérőeszköz A menüpont alapján követhető a mérőeszközök kiadása, bevétele, a vizsgálati terv, a vizsgálati
utasítás,
a
mérőeszközök
szabályozókártyás
ellenőrzése,
az
eszközök
alkalmazásának helye, a mérőeszközökhöz kapcsolódó költségek.
A SNAP /Statystyczne Nadzorowanie Analiza Processzov/ a Lengyelországban található Politechnika
Poznanska
Gépgyártástechnológiai
Tanszékének
fejlesztése
kifejlesztett minőségbiztosítási szoftver.
A program alkalmazási és működési területei:
- marketing analízis - gyártástervezés - folyamatirányítás és képességvizsgálat - a minőség színvonalának meghatározása - adatelemzés - selejtanalízis
A szoftver menüpontjai:
- Szabályozókártya-választás A szabályozókártyák választékából kiválaszthatjuk a megfelelő típust.
76
eredményeképpen
EME A szabályozókártyák típusai: X-R, X-S, X, R, S - Szabályozókártya adatainak beállítása A program különböző felépítésű tűrésmezők beállítását teszi lehetővé.
- Vizsgálati időpont kiválasztása A vizsgálatokat különböző időterminusokban végezhetjük el.
- Hisztogramok A mérési eredmények eloszlását tanulmányozhatjuk. A program Gauss-eloszlás alapján közelítő görbéket állít elő.
- Hibaelemzés A selojtes gyátmányok előbukkanását különféle szempontok alapján vizsgálhatjuk.
- Szabályozandó méretek kiválasztása Beállíthatjuk a vizsgálni kívánt paramétereket.
A két minőségbiztosítási
rendszer vizsgálata
után
elmondható,
hogy
a
SINIC-Q
minőségbiztosítási rendszer szélesebb körű vizsgálati lehetőségeket biztosít. Ez következik abból is, hogy a két rendszer különböző feladatok megoldására készült. A SINIC-Q szollver az idegen áru átvétel a beszállítók értékelése. A reklamációk könyvelése területén a SNAP minőségbiztosítási rendszertől eltérően dokumentálási lehetőségeket biztosít. A szoftverek kezelhetősége mindkét rendszernél jónak mondhatók. A grafikus megjelenítés a SINIC-Q szoftvernél kedvezőbbnek tünt.
Bíró Zsolt Miskolci Egyetem, H-3515 Miskolc-Egyetemváros Gépgyártástechnológiai Tanszék (46) 365-111/1586
77
EME
Az alkalmazott számítástechnikai eszközökháttér az 1. ábrán látható. 8 db PC/AT 4»Dx2AB6Mhz 16 Mb 250 Mb
j
Q
l
INDY R4600 32 Mb
J i l d L
j
Q
l
INDIGÓ R4000 32 Mb
Ji i h l
Ji
INDY R4600 32 Mb
1. ábra. A gyártástervezői C AD/C AM labor számítógépei
A rendelkezésünkre álló CAD/CAM és gyártástervezői rendszerek a tervezési feladatok megoldására többféle módon, számos variációban alkalmazhatóak. Egyik lehetséges változatban a tervezés menete az alábbi: 1.
Az alkatrészek 3D-s modelljeinek leképzése az EUCLID3 rendszerben
2.
A rajzok módosítása, esetleg az alkatrészmodell változtatása
3.
A rajzdokumentációk elkészítése (műhely-, összeállítási-, robbantott rajzok)
4.
GLEDAFT programmal az alkatrészek műveleti sorrendjének az elkészítése, a technológiai változatok kidolgozása
5.
TAUPROG rendszerrel az egyes műveletek teljes megtervezése
6.
EUCLID3 A megmunkálóprogram előállítása, szimulálása, posztprocesszálása az MKC500 megmunkálóközpontra A geometriai modellezés és megmunkálás-szimuláció eredményei képernyőn megjeleníthetőek. Erre mutat
példát a 2. ábra.
78
EME
EME
3. ábra. Szabad formájú felületekkel határolt alkatrész modellje. A mai ipari formatervezés során a tervezők szinte teljesen elkerülik a fontos felületeken az egyenes vonalakat és sík felületeket. (Pl. HI-FI torony, televízió, autó, vasaló...) Az igazi problémát az okozza, hogy a kovácsdarabok és az öntvények mind igen bonyolult felületelemekből épülnek fel. Nem lehet tökéletesen beméretezni, mindig maradnak olyan felületelemek, amelyeket a programnak magának kell besimítania a felületbe, (befoltoznia) Ehhez nagyon nagy segítséget nyújt az EUCLID, ahol a felületet határoló görbékből számtalan típusú felületelemet (foltot) lehet hozzáilleszteni az alkatrészhez. Ilyen bonyolult kovácsdarabot szemléltet a 3. ábra. A fentiekhez hasonló, bonyolult felületekkel határolt alkatrészek NC megmunkálásának tervezése nagyteljesítményű CAD/CAM rendszerek nélkül elképzelhetetlen, az NC vezérlőprogram elkészítése manuálisan rendkívül munkaigényes és hosszadalmas. Fontos tehát, hogy a jövő mérnökei megismeijék a rendszerek nyújtotta lehetőségeketés felkészüljenek alkalmazásukra.
3.
Irodalomjegyzék
[1]
Matra Datavision, Francé, Paris, EUCLID3 Referenc Manual, 1994
[2]
TAUPROG program felhasználói kézikönyv, ITC-AMT Kft, Budapest, 1988
[3]
GLEDAFT program felhasználói kézikönyv, ITC-AMT Kft, Budapest, 1988
Gádori Attila okleveles gépészmérnök 3515, Miskolc-Egyetemváros, Gépgyártástechnológiai Tanszék Tel ./Fax.: (00-36) 46 364-941
80
EME
A homogenizációs technika alkalmazása porózus anyagokra *
Fülöp Tibor 1.
Bevezetés Az elmúlt évtizedben számos kutatás folyt a klasszikus anyagtörvények kiterjesztésére, képessé
tételére heterogén testek kezelésére. A kifejlesztett eljárások közül a legmegfelelőbbeknek a homogenizációs technikák [1] tűnnek. Ezek közös elvi alapja a heterogén test felosztása apró elemi cellákra, amelyeken belül a vizsgált tulajdonságok már homogénnek tekinthetőek. Ez a lépés a lokalizáció. Az elemi cellák lokális (helyi) tulajdonságaiból állíthatjuk elő a heterogén darab (globális) tulajdonságait, ezt homogenizációnak nevezünk. A gyakorlatban három jelentősebb homogenizációs technika terjedt el: •
növekményes (differential method),
•
önbeálló (self consistent),
•
és Mori - Tanaka módszer. Az első két módszer közös jellemzője, hogy az elemi cella - porózus anyag esetén egy izolált
üreg és a környező anyag - viselkedésének elemzésére alkalmas fizikai modellek segítségével meghatározott tulajdonságokat terjeszti ki a teljes testre. A kiterjesztés többé kevésbé összetett matematikai eljárások felhasználásával történik, és általában viszonylag egyszerű eredményre vezet. A Mori-Tanaka módszer fizikai alapokkal nem rendelkezik, az eredményt általában összehasonlításként, illetve ellenőrzésként használják. Jelen munkában a vizsgálatok körét a porózus (mikroüregeket tartalmazó) anyagokra szűkítjük, figyelembe véve a diffúziós folyamatok és a képlékeny alakváltozás hatását is. Ilyen anyagok tulajdonságainak ismeretére van általában szükség egyes melegalakváltozási folyamatok (kúszás, szuperképlékeny alakítás) modellezésénél, illetve a porkohászati eljárások vizsgálatánál. A lokalizációs feladat megoldása után a homogenizáció egy lehetséges módját mutatjuk be.
* Doktorjelölt, Miskolci Egyetem, Mechanikai Technológiai Tanszék Tudományos vezető: Prof.Dr. Tisza Miklós
81
EME Z
.CTra= 0
V
10.0
t f M
tr = 1 Mpa m = 1.0
Avec diffusion
C-12 a =0
oá 5.0
oá szemcsehatár
a
_
/ \
b
//
o.o o.o
o„=0
1. ábra Szemcsehatáron elhelyezkedő izolált mikroüreg
2.
//
Sans diffusion
0.5
1.0
2. ábra A diffúzió hatása az üreg növekedési sebességére
A lokalizációs feladat megoldása A heterogén anyagokra vonatkozó anyagtörvény kidolgozásának első lépése a lokalizációs
feladat felírása, illetve megoldása. A feladat leírása az 1.ábrán látható, az izolált mikroüreg növekedésének vizsgálatánál figyelembe vesszük a szemcsehatáron lejátszódó diffúzió [2] és az üreget körülvevő mátrix képlékeny [4] alakváltozásának hatását is. A kiinduló, üreget nem tartalmazó mátrix merev viszkoplasztikus képlékeny, és teljesül rá a térfogat-állandóság feltétele. A feladat zárt alakban sajnos nem oldható meg, ezért a virtuális munka tételének RlCE által felírt alakját használjuk [3]. Az optimalizáláshoz felhasznált sebességmező alakja: ü = aük + $üd,
(1)
ahol a és b m e g h a t á r o z a n d ó paraméterek, ük a BUDIANSKY és TSAI. [4] által képlékeny és üd a CHUANG és TSAI. [2] által d i f f ú z i ó s növekedésre adott m e g o l d á s . A z e g y e s s e b e s s é g m e z ő k e t az [5] referencia tartalmazza. A feladat, mivel az optimalizálásnál két paramétert a l k a l m a z u n k , és ezek között az a+b = 1 ö s s z e f ü g g é s írható fel, visszavezethető az
F - A,a m+' + A2a2 + A:a + A, nemlineáris
(2)
egyenlet
megoldására.
sebességérzékenység (a=kém),
Itt
m
a
viszkoplasztikus
mátrixra
jellemző
a az ismeretlen amplitúdó, A, pedig a Rice-féle funkcionálból
határozható meg elemi, bár kissé hosszadalmas számítások után:
A,=
n
B
n +1
:
M+l S
>/3éV +4B 2 Er
—drdz\ R
82
(3)
EME
'
x
Ű 24/? é
'
»2 4 r r ( ^ ~hí)CT 2/? e
3
>2
• 2
2
Í J
-3 J
CT 2/? é
L \2R i
Z 24/?*é
Imi v
v
rf
-1) 3 - ' CT
1 ) 2/Té
O. ** 1-2 ' CT 2/? é v
;
(5)
7
A (3-6) egyenletekben található paraméterek értelmezése az 1 .ábrán található. A (2) - ben található egyenlet zárt alakban csak m speciális értékeire oldható meg. Az általános megoldás numerikus eljárás segítségével határozható meg.
3.
Az alkalmazott homogenizációs eljárás A Bevezetésben említett homogenizációs technikák közül a legegyszerűbben kivitelezhető a
növekményes módszer. RlCE (1970) munkája alapján a globális feszültségpotenciált a helyi potenciállal az alábbi összefüggés kapcsolja össze:
!r 0(Z)=-
(7)
Jk ahol VR egy üreg térfogata, V V a teljes térfogat üregek által elfoglalt része. D u v a
és
HUTCHINSON [6], illetve LEE és MEAR [7] a fenti összefüggésre támaszkodva írta fel a képlékeny potenciál változását néhány üregnek az anyagban történő eloszlatásakor:
(2) + / ^ , 3/
(8)
ahol d^V/df a lokalizáció során számítható. Megmutatható, hogy a Rice féle funkcionál használata esetén a képlékeny potenciál változása kielégíti a következő összefüggést: —
=
df
(9)
Vc Itt
a mátrix képlékeny potenciálja és Fmin a Rice funkcionál minimum-értéke. A
lokalizációs feladat megoldása szolgáltatja ezt a minimum értéket. A mátrixra a képlékeny potenciál értékét a jól ismert í
q>(o) =
"\n+l
CT.
(10)
n +1 VCToy összefüggés segítségével határozható meg. Itt n=l/m.
83
EME
4.
Eredmények A lokalizációs és a h o m o g e n i z á c i ó s f e l a d a t m e g o l d á s a j e l z i , h o g y a z á t m e n e t i n ö v e k e d é s i m ó d ,
v a g y i s a d i f f ú z i ó é s a k é p l é k e n y a l a k v á l t o z á s e g y ü t t e s h a t á s a a z ü r e g e k n ö v e k e d é s i s e b e s s é g é n e k , így a p o r o z i t á s n a k is a j e l e n t ő s n ö v e k e d é s é t o k o z z a . A 2. á b r á n e g y izolált ü r e g d i m e n z i ó t l a n í t o t t s u g a r á n a k v á l t o z á s á t m u t a t j u k be. A n ö v e k e d é s m a g y a r á z a t á t a d i f f ú z i ó s f o l y a m a t s o r á n a z ü r e g e t a s z e m c s e h a t á r o n elhagyó
atomok
szemcsehatárt
torzító,
így
a
helyi
feszültségkoncentrációt
növelő
hatásának
tulajdoníthatjuk. A z anyagtörvény állandóinak változása ezen tendencia meglétét igazolja.
5.
Következtetés Jelen m u n k a a m e r e v - v i s z k o p l a s z t i k u s m á t r i x b a n e l h e l y e z k e d ő ü r e g n ö v e k e d é s é t , illetve a z
anyag tulajdonságainak változását vizsgálta. Két növekedési módot vettünk figyelembe, az egyik az üreget
elhagyó
atomok
diffúziójából,
míg
a
másik
az
üreget
körülvevő
mátrix
képlékeny
a l a k v á l t o z á s á b ó l a d ó d ó ü r e g n ö v e k e d é s . A s z á m í t á s o k során a z ü r e g t o r z u l á s á n a k hatását e l h a n y a g o l t u k , feltételezve, h o g y a k e z d e t b e n t e n g e l y s z i m m e t r i k u s ü r e g e k m e g ő r z i k e g y e n s ú l y i a l a k j u k a t a t e l j e s a l a k v á l t o z á s során. A z e r e d m é n y e k j ó l m u t a t j á k , h o g y a két n ö v e k e d é s i m ó d e g y ü t t e s f i g y e l e m b e v é t e l e a n ö v e k e d é s i sebességnek
a
diffúziós
atommozgás
szemcsehatárdúrvító
hatásából
következő
növekedését
eredményezi.
6.
Köszönetnyilvánítás Jelen m u n k a részben a F r a n c i a K o r m á n y kutatási ö s z t ö n d í j n a k k ö s z ö n h e t ő e n a z E c o l e d e s M i n e s
d e S a i n t - E t i e n n e l a b o r a t ó r i u m á b a n f o l y t ; a s z e r z ő k ö s z ö n e t t e l t a r t o z i k D r . H e l m u t h K l ö c k e r n e k , aki a m u n k a e z e n r é s z é n e k irányítását v é g e z t e .
7.
Irodalom
[1] CHRISTIENSEN,
J. Mech. Phys. Solids, V 3 8 , N o . 3 . , p p . 3 7 9 - 4 0 4 , 1990 Acta. Metall. V 2 7 p p . 2 6 5 - 2 8 4 , 1979
[2] CHUANG-KAGAWA-RICE-SILLS,
[3] NEEDLEMAN-RICE, Acta. Metall. V28 ppl315-1332, 1980
[4] BUDIANSKY-HUTCHINSON-SLUTSKY, "Mechanics of Solids", The R. Hill 60th anniversary volume, Ed. H o p k i n s H.G., Sewell M.J., p p . 1 3 , 1982
[5] FÜLÖP, RoPM'96, 1996, Megjelenés
alatt
Mech.Mater., V 3 , p p . 4 1 , 1984 [7] LEE-MEAR, J. Mech. Phys. Solids, V40, pp.1805, 1992 [6] DUVA-HUCHINSON,
8.
A szerző adatai
Fülöp Tibor, doktorjelölt Miskolci Egyetem, Mechanikai Technológiai Tanszék H3515, Miskolc-Egyetemváros, Magyarország Tel.:(36-46) 365-111/18-46 ; Fax.: (36-46)363-929
84
EME
MUNKAHENGER SOROZAT TERVEZÉSE ÉS MODELLEZÉSE A PARAMETRIKUS TERVEZÉS LEHETŐSÉGEINEK FELHASZNÁLÁSÁVAL Szerző: Zsámboki Sándor
Összefoglalás Egy terméktípusra szakosodott gyártócég gyakran kényszerül kisebb-nagyobb változtatásokat végezni a vevő kívánságára, amely az egész konstrukcióra kihat. Szerencsés, ha a termék modellje számítógépen tesztelhető, az együtt dolgozó tervező és gyártó mérnökök a kezdeti elképzelést bármikor módosíthatják, visszatérhetnek akár a modellépítés alapját képező síkbeli vázlathoz is. A versenyképes mérnöki tevékenység olyan programcsomagokat kíván, amelyekkel a tervezés első szakaszától kezdve a megmunkálások tervezésén és a mérnöki analízisen át minden elvégezhető. A magas szintű eszközök - a parametrikus tervezés, a különböző kényszerek definiálása, az alaksájátosságokon alapuló elemek beillesztése, az asszociativitás - megadják az alapjait, hogy terveinket valóban mérnöki módon állítsuk elő. A módosítás elvégzése után a rögzített lépések alapján a rendszer automatikusan újragenerálja a kívánt változtatásokat
magában foglaló modellt.
Az alkatrésztervezés
bármely
fázisában
tesztelhetjük a konstrukciót, és így a prototípus megszületéséig jelentős időt és pénzt takaríthatunk meg.
1. ábra Dolgozatom egy munkaállomáson használt tervezőrendszeren kifejlesztett munkahenger sorozat parametrikus testmodellezése. A megkívánt erő, nyomás és lökethossz függvényében a konstrukció automatikusan változtatható. A konstrukciós változtatásoknak megfelelően az összeszerelés elemei is változtathatóak, tetszés szerint variálhatóak. A változtatások megjelennek a termék dokumentációiban (gyártási dokumentációk, műhelyrajz). Egyes elemek (gömbcsukló, dugattyúrúd) analízise, az optimális
85
EME geometria megállapítása végeselem módszer segítségével elvégezhető. Az I-DEAS rendszer kiválasztásakor ezen lehetőségeket egy tervezőrendszerbe integrálva találtam meg. Néhány szó az I-DEAS rendszerről
[1]
Az I-DEAS Master Series nagyteljesítményű CAD/CAM szoftvercsaládot az Egyesült Államokban található Structural Dynamics Research Corporation (SDRC) fejleszti. Az I-DEAS CAD/CAM rendszer több mint
70 feladatorientált modulból
áll és további
18-20 interface-modul biztosítja más
szoftverrendszerekkel ill. prototípus-gyártó rendszerekkel a tervezés eredményeinek átadására szolgáló kapcsolatot. Az I-DEAS Master Series teljes mértékben automatizálja a mechanikai termékek fejlesztési folyamatát a tervezéstől kezdve a rajzdokumentáció készítésén, a funkcionális szimuláción keresztül egészen a gyártás előkészítéséig. Az I-DEAS nem csak hatékony szoftver, de használata a jól definiált grafikus felhasználói felülete következtében könnyen elsajátítható, egyszerű, hiszen 70%-al kevesebb parancsot használ mint más CAD/CAM rendszer. Az együttműködő mérnöki tevékenység során - a számítógép adta lehetőségek maximális kihasználásával - 3 dimenziós szilárdtest modelleken, szimuláció-vezérelt tervezés segítségével integrálták a hagyományos CAD/CAM tervezés különálló fázisait. A konkurens tervezési módszert kombinálták az un. variációs tervezési technológiával. A variációs tervezés lehetővé teszi, hogy ne foglalkozzunk a méretek és a geometriai kényszerek minden részletre kiteijedő alapos megadásával. így az elkészült vázlat megvitatása után is részletezhetjük elképzelésünket. Konkurens tervezés A hagyományos tervezés során a tervezés egyes lépései között nincs közvetlen kapcsolat, azaz a koncepció, a rajzos tervezés, a modell vizsgálata, a prototípus gyártás elkülönülő fázisokban kerülnek végrehajtásra. Az 2. ábra a hagyományos tervezés időfaló megvalósítását ábrázolja, a szükséges nagyszámú terv és modell tárolását az ugyancsak nagyszámú adatbázisban.
86
EME 3. ábra Konkurens tervezés [2]
i vagy páiliu/amus le wzte felszabadiLja a mérnökükét a lépésröl-lé
A konkurens, e^
történő termékfejlesztéstőljnelyben egy folyamat akk >r kezdődhetett, ha egy orábbi folyamat összes 1 :pese befejeződött. Tehát ha a tertnék folyamatos konzul áció során készül, pél Iául az esetleges technológia szempontból hibás megolaasokat a technológus azonnal észlelheti, és javasolhatja a korrekciót. így a fejlesztés során a rossz irányokat csírájukban lehet elfojtani. A tapasztalatok szerint a tevékenységek párhuzamos végzése következében kb. 35 10% kai coökkonhot a toljoo tormókfojlo3ztC3re fordított időt. A 3. ábrán látható, hogy a konkurens tervezésnek két sarokköve van: - Egy informálisan tqmör testmodell támasztja alá az összes fázist a tervezéstől a gyártásig. - Egy termék adatbázis szolgál az összes termékösszetevő adatának tárolására.
Modellkészítés az I-DEAS rendszerben Az alkatrészek testmodelljénél használt legfontosabb méretezési paraméterek: Minimális falvastagság: A hengerfedél vastagsága: Vmm m,n =
D "P 2 crmeg - p
h = 0,6Dn |
K
= 0,6Dn f^V 422 V 1,6
A menethossz ellenőrzése felületi nyomásra:
Pmcg — P .
Fp +I-e15f«zítS n2_H2
Dn
F
P + cia
A kihajlás ellenőrzése a rugalmas tartományban Euler szerint.
rP'FA
F
ahol n tö a biztonsági tényező, n tö > 5 . 8. A munkahengerek felfüggesztésére több változatot is kidolgoztam mind a: rúdfej oldalon, mind a hengerfej oldalon. A konstrukciós alaksajátosságoknak köszönhetően a munkahengerek széles skáláját le sikerült fedni. A két legjobban különböző munkahengerre az 1. ábra mutat példát. A választásoknál figyelembe vehetjük azt is, hogy a dugattyú és a rúdtömítések elrendezése, ennek következtében a hengerfej és dugattyú konstrukciója függhet a nyomástól. Nagyobb nyomás esetén a fokozott tömítőhatás érdekében több tömítőelem választható. A tömítőgyűrűk katalógus szerinti méretváltozását C programnyelven megírt feltételekkel értem el.
—iIK
87
_
J>
EME A kihajlás ellenőrzése után a termékcsalád:
A tervezőrendszernek elvileg elegendő bemenőinformáció lenne a szükséges erőkifejtés és a lökethossz. Az általam használt I-DEAS rendszer katalógusszerű tervezést nem tesz lehetővé, ezért a mellékelt táblázatból kell kiválasztani a megfelelő munkahengert, és bemenőinformációként a nyomást, belső csőátmérőt, rúdátmérőt és lökethosszt megadni. A paraméteres modell lehetőséget biztosít termékcsaládok tervezéséhez. Az összeállítás alkotóelemei parametrikus kényszerek segítségével szerelhetők össze. így mozgástanulmányok, ütközésvizsgálatok és tűrésanalízisek is végezhetők az összeállításokkal.
4-5. ábra Példa műhelyrajzra és megmunkálásra A geometriai tervezés és a végeselemes analízis összekapcsolásával lépést tett az SDRC a komplex mérnöki tervezés teljes körű megvalósítása felé. A végeselem modulnak a CAD/CAM rendszerbe való beintegrálása biztosítja, hogy ne veszítsük el a teljeskörű asszociativitást, mind geometriai és modul szinten, tehát a tervezés tetszőleges fázisában módosíthatjuk a tervet.
[1]
SDRC I-DEAS Master Series
1995. 10-20. oldal
[2] oldal
szerkesztette: Horváth Imre CAD - FEM eszközök és módszerek 1995.
Falmann László 77.
Zsámboki Sándor okleveles gépészmérnök, doktorandusz hallgató Budapesti Műszaki Egyetem, Gépgyártástechnológia Tanszék Tel.: (36 1) 463-3180
Fax: (36 1) 463-3178
88
H-1521 Budapest, Pf. 91.
EME
Váltólapkák tervezése és gyártása
Szerző: Turi Péter
Tartalmi kivonat: A korszerű, gazdaságos forgácsolás elképzelhetetlen megfelelő minőségű szerszám nélkül. Mind a szerszám anyagának, mind geometriájának meg kell felelnie a követelményeknek. A dolgozat az esztergaszerszámok
példáján keresztül a ma már általánosan használt
váltólapkák
homlokfelületének tervezési és gyártási problémáival foglalkozik. A homlokszög nagyságával és a homlokfelület kialakításával szabályozható a forgácsolóerő nagysága, a lapka forgácstörő képessége, a forgács feltapadási hajlama, a lapka hőterhelése, stb. A homlokfazetta léte, illetve mérete attól függ, hogy a lapkát nagyoló, elősimító, vagy simító műveletek során kívánják-e felhasználni. A lapka gyártása porkohászati
módszerrel
történik:
A sajtolószerszám negatívja testesíti
meg
a
homlokfelület geometriáját. A sajtolószerszám anyaga keményfém, gyártása szikrácsolással történik. Az alapfeladat tehát végsősoron a szikrácsoló elektróda elkészítése. Egyszerűbb geometriájú homlokfelület esetén az elektróda marásához szükséges NC program könnyedén elkészíthető, egy bizonyos bonyolultsági fok felett viszont már csak CAD/CAM rendszer használatával oldható meg a feladat. A technológia sajátossága továbbá, hogy a szerszám csak akkor működhet tökéletesen, ha az elektróda felületén a megmunkálásból maradó nyomok
meghatározott
orientációval rendelkeznek. Ezen tulajdonság biztosítása különleges - szinte megoldhatatlannnak
látszó -
követelményt állít a megmunkálást tervező CAM rendszer elé. A szerző által kidolgozott módszer lehetővé teszi e probléma megoldását.
Bevezetés A korszerű, gazdaságos forgácsolás ma már szinte csak váltólapkák alkalmazásával képzelhető el. A forgácsolási tulajdonságokat meghatározó tényezők: •
lapka anyaga
•
lapka geometriája
•
lapka bevonatolása
89
EME Jelen előadásban a geometria - elsősorban a homlokfelület geometriájának - hatását elemzem, megvizsgálom,
hogy egyes jellemző tulajdonságok hogyan
befolyásolják a
forgácsolásra való
alkalmasságot, valamint bemutatom azt, hogy a gyártás milyen fő lépésekre tagozódik, s ezek során melyek a legfontosabb betartandó szabályok. A homlokfelület kialakítása A forgácsolási feladatokat alapvetően három típusra oszthatjuk: nagyolás, elősimítás, simítás. A forgácsolási feladathoz igazodik a lapka geometriai kialakítása. A homlokfelület geometriájának tervezésekor bonyolult feltételrendszert kell figyelembe venni [1]: Az éltartam szempontjából az a kedvező, ha a csúcssugár értéke maximális. A felső határt az alkatrészen előforduló legkisebb belső rádiusz határozza meg. Mivel a nagyolás során ez nem olyan fontos szempont - a darabon úgyis marad ráhagyás
ezért a nagyolólapka csúcssugara nagyobb lehet
(0.8 .. 2.4 mm), míg a simítólapka csúcssugara kisebb (0.2 .. 0.8 mm). A nagyoló lapka nagyon vastag forgácsolt távolít el, ugyanakkor a felületi érdességgel szemben csekélyek a követelmények. Az él terhelhetőségének javítása érdekében kis homlokszöget és/vagy
élfazettát alkalmazunk. (Az
1. ábra Simító és nagyolólapka ortogonálmetszete
élfazetta a homlokfelületnek az élnél kialakított negatív, vagy nulla homlokszöggel rendelkező része.) Elősimításkor is célszerű az élfazetta alkalmazása. Ügyelni kell viszont arra, hogy amennyiben a fazetta mérete nagyobb, mint a forgácsvastagság, akkor az már nem fazettaként működik, hanem úgy, mintha az lenne a homlokfelület. Az élfazetta méretét úgy kell tehát megválasztani, hogy az kisebb legyen, mint az elősimításkor használt szokásos forgácsvastagság értéke. A simítás során szükséges felületi minőséget általában csak élfazetta alkalmazása nélkül érhetjük el. A homlokszög növelése csökkenti a forgácsolóerőt és javítja a forgácsolt felület felületi érdességét. Fontos feladat a forgács törése. A primer forgácstörés során a homlokfelületen elhelyezett forgácstörő elem, vagy a homlokfelület éltől távolabbi részének megfelelő kialakítása folytán a forgács görbületi sugara csökken, ennek hatására pedig növekszik a forgácsban kialakuló feszültség. Ha ez elér egy kritikus értéket, akkor a forgács magától eltörik. Belátható, hogy vastagabb forgács esetén nagyobb görbületi sugár is elegendő a jelenség bekövetkezéséhez, vagyis nagyoló lapka esetén a forgácsszabályozó rész nem olyan meredek, mint simítólapkánál (1. ábra). Gondosan kell meghatározni azt is, hogy ez a forgácstörő rész mennyire nyúljon be a csúcs közelébe. Nagyoláskor a forgács általában széles, a forgácstörő elem egészen távol kerülhet a csúcstól. Simításkor viszont a forgácsszélesség csekély, a forgácstörő rész csak akkor működik hatásosan, ha a csúcshoz egészen közel helyezkedik el. A leváló forgács a homlokfelületen súrlódik. Ez káros, mert ezáltal koptatja a homlokfelületet, a súrlódás melegíti a lapkát, valamint kellően nagy nyomás esetén a forgács akár fel is tapadhat a homlokfelületre. Mérsékelhetjük ezeknek a káros jelenségeknek a hatásait, ha csökkentjük a forgács és a homlokfelület érintkezési felületének nagyságát. Ez dudor, kiemelkedés elhelyezésével, vagy a homlokfelület hullámossá tételével oldható meg.
90
EME
A váltólapka gyártása A gyártás porkohászati úton történik. Az összetételnek megfelelő port (WC, TiC, TaC, Co) keverik, majd a kívánt alakra sajtolják. Előzsugorítás után lehetőség van még a krétakeménységű darabok megmunkálására (erre viszont váltólapkáknál általában nincs szükség), majd a zsugorításkor nyeri el a darab a végső méretét. A kialakuló homlokfelület-alakot a sajtolószerszám geometriája határozza meg. A sajtolószerszám is keményfémből van, a megfelelő alakzat kialakítása tehát nem is olyan egyszerű. Az általánosan használt megmunkálási mód a szikrácsolás. Tehát tulajdonképpen egy lapka alakú szikraforgácsoló bélyegre van szükség, amivel elkészül a sajtolószerszámban a homlokfelület negatívja. Ennek akkorának kell lennie, hogy a zsugorítás után kapott lapka éppen a megfelelő méretű legyen (a zsugorodás mértéke általában 18-20%). A sajtolószerszámot a szikrácsolós után gyémántpasztával polírozzák, hogy a felülete minél fényesebb, simább legyen. Erre azért van szükség, mert ellenkező esetben a por - főleg azokon a részeken, ahol a felületi normális a sajtolási iránytól jelentősen eltér - feltapadhat a bélyeg felületére a szerszám nyitásakor. Legkényesebb ilyen szempontból az él környéke, hiszen ennek épsége a legfontosabb kívánalom, ugyanakkor bármilyen rendellenesség (pl. sorja a szikrácsoló elektródán), ami annak környezetében található, feltapadást okozhat.
ni 2. ábra A homlokfelület CAD modellje
3. ábra Metszetek a kontúr mentén
4. ábra A loft típusú felület
5. ábra A spirális alakú szerszámpályák
A tapasztalat szerint csak akkor kapunk megfelelő szerszámot, ha az elektróda marása során a marószerszám éle mindig a kontúrnak megfelelő görbe mentén halad, ekkor ugyanis nincs se kilépés, se 91
EME belépés. Ha a lapka keresztmetszete mindenhol ugyanaz, akkor ennek a feltételnek a tartása nem is olyan nehéz, hiszen csupán a szerszám helyzetét kell meghatározni úgy, hogy érintse ezt a metszetet, a mozgás pedig az élnél egyenes, a csúcsnál pedig kör mentén történik. Ilyen NC programot akár házilag írt célsoftware-rel is lehet készíteni, CAD modell elkészítése nélkül. Ha azonban pl. a forgács feltapadását megakadályozó hullámokat is szeretnénk a homlokfelületen, akkor ez a módszer már nem alkalmazható. Ilyenkor el kell készíteni a homloklap CAD modelljét - bonyolultsága miatt ez általában csak felületmodellezéssel történhet -, majd ezt a modellt (2. ábra) kell a megfelelő szerszámmal és stratégiával megmunkálni. Mint a fentiekben láttuk, a "megfelelő stratégia" tulajdonképpen azt jelenti, hogy a szerszámpálya felülnézetben úgy néz ki, mint egy - a külső és a belső kontúr közötti - spirális (5. ábra). Minél több "menete" van ennek a spirálisnak, annál közelebb vannak egymáshoz a szerszámpályák, annál finomabb lesz a kapott felület. A probléma az, hogy a CAM rendszerek nem teszik lehetővé, hogy egy bonyolult, több felületből álló modellt a fenti kívánalmaknak megfelelően munkáljunk meg. Egyetlen felületnél ez lehetséges lenne, s végülis ez adta az ötletet a megoldáshoz: a bonyolult, sok felületből álló modellt át kell alakítani egyetlen felületté. Az általam használt CAD/CAM rendszer segítségével a modellről olyan metszetek sorozatát készítettem el, melyeknél a metszősíkot a külső és belső kontúr megfelelő pontjai határozzák meg (3. ábra). Nagyon sok (6-800 db) ilyen metszet már megfelelő pontossággal jellemzi a felületet. A metszetekre azután egy loft típusú spline felületet illesztve előáll a homlokfelületet reprezentáló egyetlen felület (4. ábra), amely már alkalmas a kívánt tulajdonságú szerszámpályák generálására (5. ábra).
Összefoglalás Három - az ismertetett elvek alapján tervezett - lapkageometria sajtolószerszámaihoz a szerző által kidolgozott elv alapján elkészült az NC program, a lapkák gyártása jelenleg a Magyarországon váltólapkák gyártásával foglalkozó egyetlen vállalatnál, a PORKORIT Kft-nél folyamatban van. Jelenleg is folyik a munka a pozitív lapkák sajtolása során felmerülő problémák kiküszöbölésére.
Felhasznált irodalom: [1]
I. S. Jawahir and C. A. van Luttervelt Recent Developments in Chip Conrtol Research and Applications CIRP Vol. 42/2/1993 659-693 old.
Szerző adatai: Turi Péter PhD hallgató Budapesti Műszaki Egyetem Gépgyártástechnológia Tanszék, 1521 Budapest Pf. 91. Tel.:+36 1 463 2515 Fax:+36 1 463 3178
92
EME
FOGAZOTT FELÜLETPÁROK KAPCSOLÓDÁSGEOMETRIAI ÉS GYÁRTÁSGEOMETRIAI FELADATAINAK MEGOLDÁSA A SURFACE CONSTRUCTOR PROGRAMMAL
D u d á s László
KIVONAT Kapcsolódó felületpárok ismeretlen tagjának burkoló eljárással való meghatározására, valamint diszkrét élekkel rendelkező szerszámokkal való előállításának modellezésére alkalmas szoftver, a Surface Constructor kerül bemutatásra a cikkben. A szoftver által alkalmazott matematikai modell a szerző kutatásának eredménye, eltér a szokásos, pl. Litvin-féle
modelltől. Alkalmas az érintkezési vonal, a burkolt felület és a fellépő alámetszések
meghatározására, szabadon választható származtató felület és relatív mozgás esetén. A program további újdonsága a szimbolikus számítás alkalmazása, melynek révén magát a kinematikai modellalkotási folyamatot modellezi, és konkrét felülettől és mozgásviszonytól független tervezői keretrendszerként működik. Az említett geometriai objektumok meghatározásán és megjelenítésén túl mozgásszimulációra is alkalmas. A lehetőségek egy részét a következő
eredményeken
keresztül
csigakerékfog-felület meghatározása
mutatjuk
be:
ellipszis
tengelymetszeti
profilú
, spiroid tányérkerék lefejtőmarása és globoid
csigával csiga
kapcsolódó
köszörülésének
modellezése.
BEVEZETÉS Kapcsolódó konjugált felületpárok ismeretlen tagjának meghatározására több eljárás ismeretes: •
a Gohman-féle differenciálgeometriai módszer, valamint
•
a kinematikai módszer, mely az n -v1,2 = 0 feltételt alkalmazza a kapcsolódás szükséges feltételeként, ahol n a felületi normálvektor, v'2 pedig a vizsgált pontbeli relatív sebesség vektora.
A Surface Constructor (továbbiakban: SC) programban alkalmazott elérés modellről a terjedelmi korlátok miatt csak a következőket mondhatjuk: az FI származtató felület adott a KI Descartes koordinátarendszerben (továbbiakban: KR), valamint a k görbevonalú KR-ben. Mindkét KR és FI is rögzített. A k KR speciálisan van megalkotva: koordinátairányai közül az R és a T a feladathoz igazodóan, a G> pedig olymódon van felvéve, hogy a 0 = 0 koordinátafelületbe eső pontokból kiinduló <E> koordinátavonalak ugyanezen pontoknak az F2 keresett felületet tartalmazó tér mozgatásakor leírt mozgáspályáit adják.
93
EME Ennek, és az alkalmazott elérés-folyamatnak köszönhetően egy F2 felületi pont megtalálása egyváltozós függvény
egy
lokális minimumának megtalálására vezet. A minimumfeladat diszkussziója
megadja a lokális alámetszések összes formáját, a minimumfeladat megoldásának kiterjesztése egy adott mozgás-, ill. időtartományra pedig elvezet a globális elmetszés jelenségéhez, amely lehetővé teszi az interferencia nagyságának számszerűsítését is. Mindez részletesen megtalálható az [1] irodalomban. A továbbiakban az Elérés-modellre épülő SC program kerül bemutatásra. Az SC az F2 keresett felület meghatározására az R=R(G>) függvény diszkrét kinematikai szimulációval előállított pontjait használja.
Az SC program fontos tulajdonsága, hogy az FI származtató felület és az FI és F2 közötti kinematikai viszony megadására szimbolikus algebrai eszközrendszert használ. Képes az F1 felület létrehozására egy szimbolikus formában megadott térgörbe és a térgörbe mozgásának ismeretében, elvégezve egy szimbolikus mátrix-vektor szorzást. Az összes összetett kinematikai láncot elemi KR-viszonyok, mint homogén koordinátás szimbolikus mátrixok szorzásával, ill. invertálással származtatja. Ilymódon az SC egy kinematikai modellek megalkotására alkalmas keretrendszer, mely magát a modellalkotási folyamatot modellezi, és "paramétereinek", a szimbolikus geometriai és kinematikai összefüggéseknek a megadásával egy adott feladat kinematikai modelljének alakját ölti, mely a numerikus változóinak, paramétereinek történő értékadás után képes egy valóságos folyamat geometriai leírására, szimulálására. Az elmélet és a program használhatóságát a következőkben példákon keresztül mutatjuk be.
ELLIPSZIS SZÁRMAZTATÓGÖRBÉJŰ CSIGAHAJTÁS VIZSGÁLATA
A csigahajtások kapcsolódási tulajdonságainak javítása §
folyamatos igény. A csiga tengelymetszetében körív generálógörbével rendelkező csigahajtás jó kapcsotí
lódási jellemzőiről több publikációban számoltak be. Az SC programmal megvizsgálhatjuk egy tengelymetszetben ellipszis generálógörbével rendelkező hajtás geometriai tulajdonságait. Az alkalmazott kinematikai modell az 1. ábrán látható. Az ellipszis generáló görbe a K20 KR-ben adott. Az FI származtató csavarfelület a KI, a számított F2 csigakerékfog-felület a K3 KRben rögzített. Az alkalmazott globális számítási mód a valós kerékfog-felületet adja az esetleges elmetszésekkel együtt. A program bármely állónak választott KR-ben képes szimulálni a felületek és a KR-ek
l.ábra
A csigahajtás kinematikai modellje
— mozgását, megjeleníteni a vándorló érintkezési görbét.
94
EME Szemléltethetjük a származtatott F2 fogfelületet érintkezési vonalak adott sűrűségű seregeként is, amint a 2. ábra mutatja. Az éppen
érintkezésben
görbeív
a
lévő
képernyőn
két
villog.
Amikor a két görbeív a fog közepén
összeér,
egy
X
alakú
érintkezési mintázat jelenik meg egy pillanatra. A fog bal szélén 2. ábra Az érintkezési vonalak seregeként adódó fogfelület
elmetszés nyomai láthatók.
A L E F E J T Ő M A R Ó FOGSZÁMÁNAK HATÁSA A FOGAZOTT FELÜLET HIBÁJÁRA
A vizsgálatot spiroid hajtópár kerekének lefejtése esetére végeztük el. A spiroid tányérkerék egy hipoid fogaskerékre emlékeztet, de a vele kapcsolódó elem egy kúpos csiga. A kerék fogazásánál használt lefejtőmaró is kúpos, emlékeztet egy Klingelnberg lefejtőmaróra. A spiroid kerék lefejtett felülete a maró egyes élei által súrolt felületdarabok láncolataként adódik, és eltér az elméleti fogfelülettől, amint a
3. ábra is mutatja. A
lefejtés maximális hibája a maró fogszámának függvénye. Az alkalmazott kinematikai modell a 4. ábrán IS 90°
22 60°
29 45°
36 36°
4 3 Marófogak száma 30" A fogak közötti szög
3. ábra A hiba függése a marófogszámtól
látható. A K2(x2,y2,z2) KR-ben adott kerék áll és a maró saját tengelye körül is forogva körbejárja. A kerék tengelye a függőleges x2. Az ábra a maró egyik éle által súrolt
térbeli
felületet
is
mutatja. Minden egyes marófog által forgácsolt fogfelületrész más színnel jelenik meg a képernyőn. A vizsgálat eredményeként kapott hibafüggvény a látható. 4. ábra Spiroid tányérkerék fogazásának modellje egy kész fogfelülettel
95
3. ábra
alján
EME K Ö S Z Ö R Ű K O R O N G FELÜLETÉNEK SZÁMÍTÁSA
A globoid és a spiroid csigák elméleti pontosságú megköszörülésének egyik új lehetőségét jelenti a szerző találmánya. Ezen csigatípusok köszörülésénél nem alkalmazhatók a forgásfelület alakú korongok, mivel a csigák görbületi jellemzői menetről menetre változnak. Az 5. ábrán bemutatott köszörűgép olyan korongot alkalmaz, melynek ugyanannyi menete van, mint a köszörülendő csigának. Egyforma szögsebességgel forognak, de az eltérő átmérő miatt az érintkezési pontokban csúszás van, amely szükséges az anyagleválasztáshoz.
A 6. ábra mutatja az adott globoid csiga felületet és a korong számított
működőfelületét. Az SC programmal meghatározható a korongfelület spiroid csigák köszörüléséhez is.
5. ábra Az új típusú köszörűgép felépítése
6 ábra
A k ö s z ö r ü l é s m o dellje
IRODALOMJEGYZÉK 1. Dudás László: Kapcsolódó felületpárok gyártásgeometriai feladatainak megoldása az elérés modell alapján Kandidátusi értekezés, MTA-TMB, Budapest, 1991.
Dr. Dudás László egyetemi adjunktus, a műszaki tudomány kandidátusa Miskolci Egyetem Alkalmazott Informatikai Tanszék, Miskolc-Egyetemváros, Magyarország, H-3515 Tel.: (36) (46) 365-111/21-12
Fax:(36) (46) 369-554
E-mail: dudaas@iit. uni-miskolc. hu
96
EME
AUTOMATIKUS SZERSZÁM- ÉS MEGFOGÓCSERÉLŐ FEJLESZTÉSE IPARI ROBOTOKHOZ
Mihálcz István
Összefoglalás: Szerelörobotoknál a műveletek gyors elvégzéséhez gyakran kell a megfogókat vagy a szerszámokat cserélni. A cserélendő eszközöket automatikusan kell működtetni és ezektől információkat kell átvenni. A cserélőn keresztül meg kell valósítani az energia és adatok áramlását a robotvezérlö és a cserélő között. Egy ilyen univerzális cserélő nagyon költséges, ezért álltam neki egy ilyen eszköz fejlesztésének. A dolgozat ismerteti a tervezési szempontokat, a cserélő működési elvét és a rendszer számítógépes dinamikai analízisét. A cserélő 4 pneumatikus-, 9 jel- és 2 elektromos teljesítménycsatornát tartalmaz, lehetőség van pneumatikus és elektromos szerszámok működtetésére és vezérlésére. A cserélő úgy van kialakítva, hogy egyaránt működtethető elektromos és pneumatikus úton. A nyitásizárási műveletek optoelektronikus szenzorral vannak felügyelve.
Bevezetés: Gyakran előfordul hegesztő, szerelő, festő és technológiai robotoknál, hogy a szükséges feladatokat egy megfogóval már nem lehet elvégezni, illetve az illesztési műveletek végrehajtásához célszerszámok szükségesek. Sokszor olyan bonyolult a szerelési feladat, hogy a probléma univerzális vagy többszerszámos cserélőfejjel sem oldható meg. Ilyen esetekben megoldás lehet a szerelőeszközök automatikus cseréje. Természetesen mindez nem zárja ki, hogy a cserélendő eszközök is lehetnek többfunkciósak, vagyis korlátozottan univerzálisak. Egy másik lényeges szempont, a
robotok
hatékonyságának a növelése. Sok esetben, amikor egy univerzális robotot alkalmaznak, meg kell teremteni annak a feltételét, hogy a robot gyorsan tudjon alkalmazkodni az adott feladat elvégzéséhez. Ezt meg lehet valósítani szoftveres és mechanikai úton. Szoftveres úton általában pályaoptimalizálással lehet csökkenteni az időt. Mechanikai úton főleg a nagy tartományban változó különböző méretű
97
EME szerszámok vagy munkadarabok megfogása vagy felvétele jelent időveszteséget. Ezt a problémát úgy lehet kiküszöbölni, hogy egy automata cserélöt alkalmazunk. Egy
KiSzerszám és megfogó raktór
o o
szerszám-
megfogócserélö
Villamos energia
Pneumatikus energia
automata
es bemeneti interface J
o o
Központi egység (számítógép) -program(forditó) —monitor -billentyűzet -floppy
ábrán
sémája
látható.
A
energiaellátásához
az
és 1.
rendszer
villamos- és
pneumatikus energia betáplálása szükséges. A robot és, a cserélön keresztül, a megfogok meg a szerszámok a központi egységről vezérelhetöek. A cserélő minden
E—energia J—jel vagy a d a t
esetben
egy
legalább
kettő
robot-oldali
és
megfogó-oldali
adapterből áll (lásd 2. ábra). A 1. ábra
megfogó-oldali adapterre erősítik
fel a megfogókat és a szerszámokat. Az utolsó robotcsuklóra felszerelt robot-oldali adapter ezeket veszi fel kapcsolódáskor. A szerszámok működéséhez szük-séges energia átvitele, illetve ha a szerszámban léteznek érzékelök, az érzékelök által szolgáltatott jelek továbítása az
adapterbe
csatlakozókon megfogok
át
és
beépített történik.
a
A
szerszámok
nyugalmi hely-zetükben egy erre a Helyzetben tortús
Erő/nyomaték Otadös
Energia
Jel/adat
átadás
ótadús
célra
kialakított
helyez-kednek el.
2. ábra
Tervezési szempontok: -rövid felcsatolási idő az időveszteségek csökkentésére, -energiakimaradás esetén is megmaradó kapcsolódás (biztonsági okokból), - a csatlakozás legyen merev, tudjon erőt meg nyomatékot közvetíteni, -a csatlakozási felületen lehessen energiát közvetíteni (pl. villamos és pneumatikus),
98
tárolóban
EME -a felcsatolás legyen ellenőrizhető a robotot vezérlő számítógép által, -csak kis mértékben csökkenjen a robot poziciónálási hibája a cserélő használatával, -a cserélő legyen könnyű és kisméretű, hogy ne terhelje feleslegesen a robotot, -könnyen felszerelhető legyen több tipusú robotra, -ismeije fel a robot a felvett szerszámot vagy megfogót, -a cserélő méretei ne korlátozzák a robotot mozgásában. Ezen tervezési szempontok alapján, és figyelembevéve az ISO 9409-1 szabvány ajánlásait, a cserélő leg optimálisabb formája a köralakú. A felhasználási szempontokat elemezve azt a következtetést vontam le, hogy 4 pneumatikus-, 9 jel- és 2 elektromos teljesítménycsatorna elegendő minden feladat elvégzéséhez, így lehetőség van pneumatikus és elektromos szerszámok és megfogok működtetésére. Az elektromos jelátvitel optikai uton történik 9 biten, mert erőssen savas vagy olajos környezetben a villamos csatlakozók bizonytalan érintkezést biztosítanak.
A cserélő működtetése: A cserélő úgy van kialakítva, hogy egyaránt működtethető elektromos vagy pneumatikus úton. Az összecsatolás alakkal való zárás útján történik. A pneumatikus vezérlés egy FESTŐ gyártmányú miniatűr hengerrel (015036 EGZ-10-5) történik 6 bar nyomással. Az elektromágneses vezérlés nem volt kipróbálva, csak a terv készült el. A számítások szerint, mivel elég nagy erőt kell kifejteni, 16 W hőenergia szabadul fel másodpercenként, a használata nem ajánlott. A működtető egy olyan szpeciális alakú hengeres felületet mozgat, amely alkalmas két radiálisán elhelyezett csapágy golyó kilökésére. Ezek a golyók véghelyzetükben egy ferde falnak ütközve meggátolják a cserélő szétkapcsolódását. Ez a pozíció egyébként a golyók nyugalmi helyzete. Fel- meg lecsatoláskor, a hengeres felület elmozdulása lehetővé teszi, hogy a golyók szabadon visszahúzódjanak a csatornájukba, megengedve a két csatlakozási felület szétválását. A hengeres felület kialakításánál figyelembe volt véve, hogy mozgatásánál a golyóknak ne legyenek nagy sebességugrásai.
Dinamikai rendszeranalizis: A dinamikai rendszeranlizishez egy másodrendű modellt alkottam. Feltételeztem, hogy a dugattyú belsejében a nyomás egyből jelenik meg, a golyók és a fal között nem rugalmas az ütközés. A rendszeregyenlet a következőképpen írható: ahol:
mx + bx + kx = F(t)
m - az összes mozgatott tömeg, b - az eredő súrlódási együttható, k - a hengerben elhelyezett rugó állandója, F(t) - a henger által kifejtett erő, x - a dugattyú által megtett út.
99
EME A rLOTl: XI -Z.M6M z ooeoe
Cserelo
szimulációt
a
TUTSIM
7.0
nevű
programmal végeztem el és eredménye a 3.
szlMuUclo
ábrán látható. A szimuláció eredményeiből
PL0T2: Xe
-5.MMM-1
látható,
hogy
a
rendszernek
nagy
a
csillapítása és elég gyors a működése. A -
felcsatolási
időszükséglet
0.3
s.
Ez
a
valóságban nagyobb, mert figyelembe kell venni
a
robot
poziciónálási
idejét,
a
jelfeldolgozási és a végrehajtási időket. -
t.llllll
TiftE
oeoeeE 1
A cserélő használatát tovább bővítettem egy 6 komponenses erő- és nyomatékmérővel,
3. ábra
ami
lehetőséget
adott
új
műveletek
elvégzéséhez, mint például: -az ütközések észlelése manipulálás vagy szerelés közben, -erő és nyomatékok ellenőrzése munka közben, túlterhelés megakadájozása, -2D-s pályakövetés egy tappintó segítségével, -a megfogó vagy a szerszám pozicionálása a munka megkezdése előtt. Egy ilyen automatikus megfogó- és szerszámcserélő egy speciális tároló kialakítását is feltételezi amiben el vannak helyezve a különböző szerszámok és a megfogok.
Irodalonvjegyzék: 1. Alpek, F.: Greifer- und Werkzeugwechselsysteme Steigerung der Flexibilitát von Montagerobotern, e&i, vol. 3, Nr. 6/1994, 305-309 oldal. 2. Alpek, F.; Csibi, V.; Gyenge, Cs.; Mihálcz ,1.: Entwicklung und Einsatz der Mechanischen Peripherien von Industrierobotern, DAAAM-95 szimpózium, Krakkó 1995 október 26-28, 9-10 oldal. 3. Mihálcz István: Szerszám- és megfogócserélő valamint flexibilis megfogó tervezése ipari robotokhoz, diplomamunka, Kolozsvári Műszaki Egyetem 1995.
Mihálcz István okleveles gépészmérnök, doktorandusz hallgató Budapesti Műszaki Egyetem, Finommechenikai és Optikai Tanszék, H-1521 Budapest, Pf.91. Tel:(..36-1) 463-2088, Fax:(..36-1) 463-3787 E-mail: [email protected]
100
EME
MEGMUNKÁLT FELÜLETEK MINŐSÍTÉSE NEURÁLIS HÁLÓ ALKALMAZÁSÁVAL
Viharos Zsolt János
Összefoglalás
A mérnöki gyakorlatban az egyes technikai felületek előállítása és alkalmazása igen nagy jelentőséggel bír. Kutatásom során ezzel a területtel foglalkozom. Célom egy olyan rendszer kidolgozása, mely a megrendelő által előírt felületi tulajdonságok előállításának módjára tanácsot ad, ill. gépbeállítást végez el. Ezen kívül szeretnék egy olyan rendszert létrehozni, mely később a felhasználó szempontjából kiküszöböli a megmunkált felületre vonatkozó információkat. Ezen információk a rendszerben " rejtve " maradnak, a felhasználó csupán a saját gyakorlati igényeit akaija maximálisan kielégíteni. Később ezen módszert szeretném a gépgyártás más területeire is alkalmazni. A munkám során ilyen módszerrel próbálok szakmai tudást is szerezni. A kutatás eszköze a neurális hálók alkalmazása, azaz a rendszerből egy neurális háló segítségével tudok információt szerezni. Az általam alkalmazott neurális háló az ún. Adaptive Resonance Theory, azaz ART háló. Az ART hálók a felügyelet nélküli hálók közé tartoznak. A felmerülő alkalmazási igények miatt a hálót több ízben is módosítanom kellett.
Célkitűzés A neurális hálóknak a gépgyártástechnológiában már több alkalmazása is ismert. A neurális hálók alkalmazhatóságának kérdése ma még nem triviális, ezért munkám elején ki akartam próbálni, hogy az első próbálkozások milyen eredményre vezetnek. így két célt tűztem ki magam elé : •
Egy kezdeti célt: A mérhető felületi mérőszámok alapján a neurális háló segítségével próbáltam a felület megmunkálási módjára következtetni. Itt 4 módon állítottam elÖ fémfelületeket : Fúrással, esztergálással, sík- és homlokmarással. így a felületi jellemzők alapján arra következtettem, hogy az adott felület milyen módon lett előállítva. Ezt a feladatot már elvégeztem.
•
Egy későbbi, most kidolgozás alatt álló célt : Nem a felület megmunkálási módjára szeretnék
következtetni, hanem egy megmunkálási típuson belül a megadott felületi jellemzők alapján a megmunkálási paraméterekre kívánok következtetni.
101
EM
Az alkalmazott neurális háló leírása Os ísztályzószi ant
Munkámban az ún. ART2 neurális háló
F2 Szint
általam módosított változatát használtam,
FI Szint
o |o|...
o
01o|
0
ld. [1][2] Az ART hálók a felügyelet nélküli hálók közé tartoznak. Ez azt jelenti, hogy az osztályzás során a háló maga hozz Orienting
.
létre az osztályokat ill. maga osztályoz. Itt Subsystem Tanulómátrix
az alkalmazott felületi jellemzők a háló
Mintavektor
bementét, míg a megmunkálási módszerek 0 0 ...
Az F3 szint:
0
Mivel célkitűzésem során az osztályok adottak, ezért módosításokat kellett a hálón végrehajtanom. Ez a negatív
Az F2 szint:
) 0 0 0
...
0
komponensű vektorok kezelése és egy harmadik szint bevezetése volt. így a felügyelt tanulás irányába tettem
Az FI Szint:
0 0
...
0 1 lépéseket, ld. [3]
Az alkalmazott mérési módszer Manapság a megmunkált technikai felületek mérésére és minősítésére több klasszikus módszert használunk. Az általam vizsgált felületek kivétel nélkül fém felültek voltak. A leggyakoribb módszer a fém felületek mérésére az ún. metszettapintós eljárás. Itt a felületet induktív érzékelővel ellátott, a felületen végigfutó gyémánttűvel, csupán síkban, két dimenzióban, egy adott szakaszon méijük. Én is ezt a mérési módszert alkalmaztam, bár sokkal előnyösebb lenne egy három dimenzióban történő adatfelvétel. Az általam használt mérőműszer egy Perth-O-Graph metszettapintó műszer, melynek csúcssugara : 3 pm. Gondom volt, hogy a megmért felületek Ra-ja is kb. ilyen tartományban mozgott. Lényegesen pontosabb eredményre vezetne, ha a csúcssugár sokkal kisebb lenne. Ezt az igényt ki lehetne elégíteni pl. az ún. Atom-Kraft Mikroszkóppal. Diplomamunkámban szeretném ezt a mikroszkópot használni, bár az alkalmazhatósági kérdések még nyitottak. Eddig a Perth-O-Graph-on a mérendő hosszt mindegyik felületnél 10 mm-re választottam. A mérési eredményeket kétféleképpen állítottam elő : • A műszer előállít öt mérőszámot. Ezek a német szabvány jelölése szerint: Rp, Rv, Ra, Rs, Rt. • A műszer tudja a felületet papírra regisztrálni. így az egyes felületek regisztrátumát kézi scanner segítségével számítógép számára olvasható adathalmazzá alakítottam. Az adathalmazból egy általam megírt software segítségével tudtam a felületi koordinátákat előállítani. Erre a módszerre azért volt szükség, mert a mérőgép nincs számítógéppel összekötve.
102
EME Az alkalmazott felületi jellemzők A felületek értékelésére háromféle módszert próbáltam meg : •
A neurális hálónak megmutatott adatvektorokat a mérőgépből közvetlenül nyert mérőszámokból állítottam össze : Rp, Rv, Ra, R*, Rt.
•
A felületek osztályzását a különböző frekvenciákon előállított Fourier-együtthatókból képzett vektorok hosszai alapján próbáltam meg. Itt az adatvektorok komponensei a különböző frekvenciákhoz tartozó sin() és cos() együtthatók négyzetösszegeinek gyökei voltak. Egy felülethez összesen 104 db. frekvenciához tartozó együtthatót állítottam elő.
•
A felületeket az Abbott görbéjük alapján próbáltam osztályozni. Itt az adatvektorok komponensei a felületek Abbott görbéinek bizonyos helyeken vett értékei voltak. Itt az Abbott görbe felületre merőleges tengelyét egyenletesen felosztottam 15 részre és itt vettem a helyettesítési értékeket.
Az információnyerés módja Az F3 szintnek a fenti ábrán látható megjelölt részt nevezem. Nevezzük a háló által az F2 szintnél létrehozott osztályokat clustereknek és az általam megkívánt osztályokat nevezzük továbbra is osztályoknak. A hálót úgy lehetett felügyelné tenni, hogy addig változtattam az osztályzás finomságát befolyásoló p paraméter értékét, míg az osztályzás hibátlan vagy kicsit hibás nem lett., azaz a háló nem sorolt azonos clusterbe általam különbözö osztályba sorolandó adatvektorokat. Ekkor a létrejött clusterek csak azonos osztályokba tartozó mintavektorokat reprezentáltak. Az F3 szint annyi neuronból áll, ahány osztályba mi az adatvektorokat sorolni akaijuk. Az F3 szint egy neuronjával azokat az F2-beli neuronokat kötöttük össze amelyek azokat a clustereket képviselik amelyekbe a háló az általunk azonos osztályba sorolandó adatvektorokat sorolta. így az F3 szint egyes neuronjaihoz tartozó osztályokat hasonlítjuk össze. Ezen összehasonlítást grafikus megjelenítés segítségével végeztem el, és így próbáltam információhoz jutni.
Az ART neurális háló alkalmazásának eredményei, értékelése
• Az Abbott görbe alapián : A fúrást a többi osztálytól jól el lehetett különíteni, mert a fúrás Abbott görbéje teltebb mint a többi megmunkálásé. A későbbi paraméterbecslést valószínűleg annál a megmunkálási módnál tudjuk jól alkalmazni, ahol az adott mintavektorok a legszélesebb tartományt fogják át. Az Abbott görbe esetén ez a homlokmarásnál jelentkezett. •
A Fourier analízis alapián : Arra az eredményre jutottam, hogy az egyes megmunkálások közti különbségek csak a magasabb frekvenciáknál adódtak. Ezzel a módszerrel esetleg egy jó határt lehetne húzni a hullámosság és az érdesség közt. A megmunkálások közül a mart felületek különültek el
103
EME legjobban a többi felülettől. Az esztergálás spektruma lapos, a marásé csúcsos lett. A fúrásé a kettő között helyezkedett el. Paraméterbecslésre valószínűleg a homlokmarás lesz alkalmas. • A hagyományos mérnöki mérőszámok alapián : Az osztályzás során a legjobb eredményt e módszer alkalmazásakor kaptam. Öt értéket mértem minden felület esetén. Ezekből állítottam elö a mintavektorokat. Már az osztályzás elején kitűnt, hogy az esztergálás a többi megmunkálási módszertől jól elkülönül. A fent leírt neurális hálós módszerrel ki is tudtam mutatni az elkülönülés okát: Hasonló arányú Rt, Rv, R a , Rs esetén az esztergálás nagyobb Rp értéket szolgáltat mint a többi megmunkálási fajta. A további vizsgálatokból kiderült, hogy a marás elkülönülésekor az elkülönülés okai az Rt és Rv értékek voltak. Fontos még, hogy az esztergálás során egy ízben berezgés lépett fel. A háló ezt a berezgést rögtön észlelte, és az adott mintát elkülönítette a többitöl. A legnagyobb probléma e módszer esetén a homlok- és a palástmarás elkülönítésekor adódott, így ezeket ezzel a módszerrel nem igazán tudtam elkülöníteni. így az elkülönülés okait szemlélve, információtartalom alapján sorbaraktam a mért mérnöki mérőszámokat: 1. Rp 2. Rv 3-4. R^Rj 5. R a adódott.
További feladatok
Jelenleg a fent második célként megjelölt feladat elvégzése folyik, azaz a gyártási paraméterek becslését próbálom megvalósítani. Szeretném még az ART2 neurális háló ún. Learn mátrixát görbe vonalú koordinátarendszerbe helyezni, hogy a háló még inkább közel álljon a felügyelt hálókhoz, de a felügyelet nélküli hálók előnyeivel is rendelkezzen. A tanszékünkön lévő mérőgépet már összekötöttük számítógéppel, ám az ehhez tartozó software-t még el kell készítenem. Célom még a pontosabb mérőgép, az Atom-Kraft Mikroszkóp alkalmazása. A felületi mérőszámokon kívül szeretnék még más jellemzőket is mérni : anyagjellemzők, rezgések, környezeti jellemzők, stb. Célom még a kiértékelés során alkalmazott grafikus kiértékelés egzaktabbá tétele, azaz számítással történő elvégzése. Irodalomj egyzék
[1]Gail A. Carpenter and Stephen Grossberg : A Massively Parallel Architecture for a Self-Organizing Neural Pattern Recognition Machine, Computer Vision, Graphics, and Image Processing 37/1987,54-115 [2]J Klaus : Entwurf und Realisierung eines neuronalen Netzwerkes nach der " Adaptive Resonance Theory " in C, Diplomarbeit an der Universitát Gesamthochschule Padeborn, 1991 [3]Alpek F. ;Vibaros Zs. J. : Erfahrungen am Einsatz von Neuronalen Netzen zur Bewertung der Oberfláchenqualitát, DAAAM 1995, Krakkau, 011
Viharos Zsolt János, Egyetemi Hallgató, Szakirányok : Matematikus-Mérnök, Gépgyártástechnológia Budapesti Műszaki Egyetem, Gépgyártástechnológia Tanszék 0H-1111 Budapest,Műegyetem rkp.3.« 36 (1) 4632518, E-Mail: [email protected]
104
EME
A GYORS PROTOTÍPUS KÉSZÍTŐ ELJÁRÁSOKKAL KAPCSOLATOS TECHNIKAI PROBLÉMÁK ÉS AZOK MEGOLDÁSI LEHETŐSÉGEI Németh Károly
Az egész világon egyre növekvő igény tapasztalható - a folyamatosan élesedő versenyhelyzetnek kitett termékgyártó vállalatok részéről - a termékfejlesztési folyamatok felgyorsítására. Ennek érdekében egyre több helyen vezetik be a korszerű, számítógéppel segített tervezési-, vizsgálati- és gyártási megoldásokat, melyek segítségével elérhető az új termékek piacra juttatási idejének drasztikus csökkentése. A gyors prototípus készítő eljárások fejlődése szintén ezt a folyamatot segíti. A módszerek számával együtt nőtt az általuk elérhető pontosság és a felhasználható anyagok köre is. Az ezen technológiák által nyújtott előnyöket azonban csak akkor tudjuk kihasználni, ha az alkatrész számítógépes modellje és a berendezés számára szükséges adatformátum közötti átvitel zökkenőmentesen mehet végbe. Az átviteli adatformátumok (STL, CFL, stb) tökélesítésére és a folyamat automatizáltsági fokát növelő szoftverek kifejlesztésére van szükség. A cikkben a gyors prototípus készítő eljárásoknál előforduló adatátviteli problémákat és azok megoldási lehetőségeit tárgyaljuk.
Bevezetés Magyarországon a korszerű, számítógéppel segített tervezési módszerek (CAD/CAM/CAE) egyre nagyobb teret nyernek, ami biztosíthatja felzárkózásunkat a fejtót ipari országokhoz. A termékfejlesztési folyamatnak azonban van egy hazánkban mindeddig méltatlanul elhanyagolt eleme - ez a prototípus előállítása - aminek korszerűtlensége lassítja a különböző termékek piacra kerülését. Ezt a problémát oldják meg a gyors prototípus gyártó (Rapid Prototyping - RPT) eljárások. Minden RPT eljárásnak az az alapja, hogy a CAD rendszerben elkészített 3D-s modellt egy szoftver modul segítségével párhuzamos szeletekre osztjuk fel. Ezeknek a szeleteknek a vastagságát az alkalmazott, különböző RPT eljárások által előállítható rétegvastagságokkal kell összhangba hozni. Az RPT berendezés a számítógéppel előállított geometriának (a szelet kontúrja, a szelet vastagsága) megfelelő rétegeket képez, azokat egymásra építi, kialakítva a kézbevehető, az alkatrészgeometriát megtestesítő háromdimenziós prototípust, próbatestet. A különböző CAD-rendszerekkel előállított 3D-s modellek szeletelésére az egész világon nagyjából azonos módszer terjedt el. A módszer lényege, hogy a 3D-s modell felületét elemi lapkákkal (facet) közelítik annak érdekében, hogy a 3D-s modell síkokkal történő szeletelésekor mindig egyenesekből felépülő, zárt poligonnal határolt kontúrt kapjunk eredményként (1. ábra). 105
EME Szelet Háromszögelt 3D-s modell
Metsző sík Alapsík
1. ábra A CAD modell háromszögelése (STL) és szeletelése A 3D-s modellből elemi lapkák segítségével származtatott közbenső modellváltozatok, illetve az ilyen módon leírt 3D-s modellek egyik szabványosnak nevezhető formátuma az STL. A mai korszerű CADrendszerek mindegyike rendelkezik STL kimenettel. Az STL formában leírt 3D-s modellt a gyors prototípus gyártó berendezések vezérlő szoftverei szeletelik, így állítva elő az adott RPT eljárásnak megfelelő, az egyes szeletekhez, rétegekhez tartozó geometriai adatokat. Az egyes rétegeket leíró adatállományok formátuma berendezésenként változó. A fentiekben vázolt gyors prototípus gyártási folyamatban az adatátvitel során olyan hibák keletkezhetnek, amelyek nagymértékben befolyásolják a prototípus előállíthatóságát, illetve annak pontosságát. A síklapokkal közelített modellt leíró STL fájl Az STL fájl szintaxisát tekintve igen egyszerű: a háromszögeket egymás után, csúcsaik és normálisuk megadásával íija le. A szintaxistól eltekintve, ennek a leíró nyelvnek csak négy szabálya van: • A háromszögek csúcspontjait megadó koordináták sorrendjének utalnia kell a síklap normálisának irányára, vagyis két egymás után következő él vektorának keresztszorzata a normálissal azonos irányú vektort kell eredményezzen. • A normál vektornak a test belsejéből kifelé kell mutatnia. Ez segít abban, hogy meghatározzuk azt, hogy hol a test belseje. Itt az ún. "jobbkéz szabály" érvényesül. • A háromszögek csak a közös élek és csúcsok mentén érintkezhetnek. • Minden háronszögnek pontosan három szomszédja van; minden oldal mentén egy, tehát nincsenek szabad élek. Az első két szabály következtében az STL fájlok az adatokat jelentős ismétlődéssel (redundancia) tárolják. Egy csúcspont annyiszor van megadva, ahány háromszög használja azt. A harmadik és negyedik szabályból következik, hogy az STL fájlok csak testmodelleket írhatnak le.
106
EME
Ez a formátum csak háromszöglapkák alkalmazását engedélyezi. A modellek jelentős része tartalmaz olyan sík felületeket, melyek jól leírhatóak lennének egy sokszögű lapkával, az STL fájlban mégis sok háromszögre osztódnak. Ráadásul, bizonyos síklap generáló algoritmusok négyszöglapkákat hoznak létre, ezeket kétfelé kell osztani, miáltal a lapkák száma megduplázódik. Mindazonáltal ez a formátum jól működik a gyakorlatban és a gyors prototípusgyártó eljárások területén az adatátvitel szabványának tekinthető. A tervezőrendszer és a prototípus készítő berendezés közötti adatátvitel problémái A gyors prototípus készítő eljárások fő előnye a hagyományos technológiákkal szemben a sebességükben rejlik. Tulajdonképpen ez az, ami használatukat gazdaságossá teszi. Gyakran azonban az adatelőkészítés felemészti az így nyert idő jelentős részét. Ha az adatok készen állnak a gyártási idő viszonylag rövid. Az adatok közvetítése általában úgy történik, hogy a tervező a modellt valamely semleges formátumban (STL, VDAFS, IGES) juttatja el a gyártóhoz. Ha mind a tervező, mind a gyártó hozzáférhet ugyanahhoz a CAD rendszerhez, a szoftver belső leíró nyelve is használható. A gyártónak a következő kérdésekre kell választ adnia: • Helyes-e a modell? • Ha nem, milyen természetű hibákat tartalmaz, és megoldhatóak-e ezek a modell újbóli felépítése nélkül? • Ha ő nem tudja megoldani ezeket a hibákat, hogyan írja le azokat a tervezőnek? Mivel a gyors prototípus gyártó gépek még nem mindennaposak a gyakorlatban, a tervező és a gyártó közti távolság - a kommunikációs nehézségek miatt - jelentős befolyásoló tényező lehet a gyártási idő alakulásában. A gyártási költségek szorosan összefüggnek az adatelőkészítésre és konkrét gyártásra fordított idővel. Szükség van tehát olyan szoftverekre, amelyek képesek a kapott modellfájlban fellelhető hibák korrigálására, ezáltal a tervező és a gyártó között szükséges kommunikáció csökkentésére. A modellben található réshibák A számítógéppel készített modellek gyakran tartalmaznak réseket az elméletben azonos élek mentén. Ezek a rések nagy valószínűséggel megjelennek a sííklapokkal közelített modellen is, igy a szeletelés eredményeként kapott kontúrok is hiányosak lesznek. Ebben az esetben a réteg belső szerkezetének kialakításakor hibás, a kontúron túlnyúló rácsminta alakulhat ki (2. ábra). Ennek a hibának azért nagy az előfordulási valószínűsége, mert a technológiák többségénél használt lézersugár átmérője igen kicsi (kb. 0,2 mm). Ez nagymértékben rontja az elkészített alkatrész pontosságát.
107
EME A szelet kontúija Rácsminta
/
Hibás rácsvonalak
2. ábra Hibátlan illetve hibás modell Az STL állomány hibái az elemi háromszögek képzésénél keletkeznek. Mivel az alkalmazott CAD rendszer, illetve annak felület- és szilárdtest modellezési algoritmusa alapvetően befolyásolja a 3D-s modellt, ezért a következő fázisban létrejövő STL állomány hibáit a 3D-s CAD modell alapvetően determinálja. Az STL állományok egyes hibáira csak azok szeletelése után derül fény. A modell szeletelt változatát leíró állományokat általában az adott gyors prototípus gyártó berendezéshez tartozó szoftver állítja elő, felhasználva a CAD rendszer 3D-s modelljét, pontosabban annak STL formátumú reprezentását. Általában az adott RPT berendezés vezérlő szoftvere megvizsgálja az STL formátumú 3D-s modell szeletelhetőségét, de nem vizsgálja annak okait, hogy az STL formátumú modellt miért nem lehet korrekt, pontosan legyártható szeletekre bontani. A jelenlegi gyakorlat szerint hibás, nem gyártható szeletelt állományok keletkezése esetén az alkatrész 3D-s modelljét generálják újra, ez viszont rontja a RPT-technológia hatékonyságát, megnövelve a prototípuskészítés idejét és költségeit. Kutatási célkitűzéseink közül azt taijuk a legfontosabbnak, hogy az STL formátumú 3D-s modell gyors prototípus gyártási módszerrel történő "megmunkálhatóságának"
vizsgálatánál ne csak az STL
formátumban található hibákat és azok keletkezési forrásait tárjuk fel, hanem egy adott RPT berendezés vezérlő szoftverének részletes ismeretében a szoftver által generált, a modellt rétegenként leíró állomány hibáit is vizsgáljuk és javítsuk. Meg kell jegyezni, hogy vannak arra irányuló törekvések, hogy a számítógépes modellt közvetlenül lehessen szeletelni. így nem csak a közbenső síklapokkal közelített modell előállításához szükséges időt és munkát lehetne megtakarítani, de a pontosság is jelentős méitékben növekedne. Irodalomj egyzék [1], P. F. Jacobs: Radip Prototyping & Manufacturing: Fundamentals of Stereolithography. SME, 1992. [2]. A. Dolenc: Software Tools for Rapid Prototyping Technologies in Manufacturing, Helsinki, 1993. [3], 3D Systems, Inc. Stereolithography Interface Specification, July 1988. Németh Károly okleveles gépészmérnök, doktorandusz hallgató Budapesti Műszaki Egyetem Gépgyártástechnológia Tanszék, H-1521 Budapest, Pf. 91. Tel:(36 1)463-2515, Fax:(36 1)463-3178 108
EME
INFORMÁCIÓS RENDSZEREK SZEREPE A FORGÁCSOLÁSI ADATOK MEGHATÁROZÁSÁNÁL Vajda Gyula Összefoglalás A technológiai tervezésben az optimális forgácsolási paraméterek meghatározása rendkívüli jelentőségű. Az üzemi célokat és a gazdaságossági szempontokat kielégítő technológiai adatok helyes megválasztása a gyártáselőkészítés fontos feladata. Az 1960-as évektől kezdődően a forgácsolás területén a szerszámgépek, szerszámok, szerkezeti anyagok, megmunkálási módozatok tekintetében végbemenő nagymértékű fejlődés hatására olyan nagy mennyiségű adathalmaz áll a gyártástervezők rendelkezésére, amely szükségessé teszi az adatfeldolgozás automatizálását. A számítógépek és számítógépes hálózatok elteijedésével fokozatosan építettek ki információs rendszereket. A technológiai információs rendszerek működésének feltétele a forgácsolási adatok számításához szükséges alapadatok összegyűjtése, képzése, egységesítése, kezelése, karbantartása - számítógéppel kezelhető adatbázissá szervezése. A kiépített adatbázisra támaszkodva, a kidolgozott különböző módszerek, számítógépi programok, optimáló eljárások segítségével végzik - a felhasználói igényeknek megfelelően - a szolgáltatásokat. A cikk az adatbankok rendeltetését, összetevőit és működési mechanizmusát foglalja össze. Részletesebben foglalkozik az adatmeghatározás alapjául szolgáló matematikai modell felépítésével. Bevezetés A gépiparban a megmunkáló gépek megjelenése óta örökös törekvés a termelékenység növelése. A mechanikus automaták kifejlesztése révén az 1950-es évekig az automatizálás igen magas szintet ért el. Ezek legnagyobb hátránya, hogy gazdaságosan csak nagysorozat- és tömeggyártás esetén voltak alkalmazhatók. A
számjegyes
vezérlés
megjelenésével,
majd
a
számítástechnika
gépgyártástechnológiai
alkalmazásának fejlesztésével létrejöttek a DNC, CNC gyártórendszerek és megkezdődött a számítógéppel vezérelt integrált gyártórendszerek kialakítása. E gépek magas ára miatt maximális kihasználtságra kellett törekedni. Ez a gyártástervezés sok más tényezője mellett a technológiai tervezés korszerűsítését is igényelte. Felismerték, hogy a technológiai tervezésen belül a forgácsolási adatok helyes megválasztásának milyen nagymértékű gazdasági jelentősége van. A problémát az jelentette, hogy a szerszámgépek, szerszámok, szerkezeti anyagok választékának fokozatos és erőteljes bővülésével olyan nagy mennyiségű - a forgácsolási folyamat optimálásához szükséges - adat halmozódott fel, amelynek kezelését egy-egy vállalat már nem volt képes elvégezni. 1. Technológiai információs rendszerek Az iparilag fejlett országokban technológiai információs rendszereket - adatbankokat - építettek ki, amelyek gyűjtik, kezelik, rendszerezik és összefüggő adatbázissá szervezik a forgácsolási folyamat műszaki és gazdasági paramétereit, előállítják és gondozzák a technológiai folyamat tervezésére, az adatok 109
EME optimálására szolgáló számitógépes rendszereket, és az ipart ellátják megfelelő, lehetőleg optimális technológiai és gazdasági adatokkal, számítási eljárásokkal. Az adatbankok működési folyamatának főbb lépéseit az 1. ábra szemlélteti.
1. ábra Az adatbankok munkafolyamata 110
EME 2. A forgácsolási folyamat matematikai modellje Az adatbankokban az optimális adatok képzése ún. matematikai modell segítségével történik. A matematikai modell elemeit az 1. táblázat mutatja be. A matematikai modell elemei
1. táblázat Feltételrendszer
Leíróegyenletek • éltartam függvények • erő képletek • kopás függvények • érdességi összefüggések • pontossági összefüggések • hőmérséklet képletek
• szerszám • munkadarab és anyaga • szerszámgép
Célfüggvények • min. költség
• forgácsolási folyamat
• • • •
•
•
• készülék
max. termelékenység előbbiek kompromisszuma legnagyobb nyereség legkisebb főidő
•
2.1. Leíróegyenletek A forgácsolás paraméterei között a leíróegyenletek teremtenek kapcsolatot. Segítségükkel határozhatók meg a forgácsolási folyamat mechanikai, kopás- és pontossági jellemzői. A leíróegyenletek közül kiemelt fontosságú az éltartamösszefuggés, mivel ez az optimálás egyik alapösszefüggése. 2.2. Feltételrendszer és korlátfíiggvények A korlátozó tényezők határolják be az alkalmazható technológiai paraméterek tartományát. A technológiai paraméterek korlátai a korlátfuggvényekkel számszerűsíthetők. A korlátfüggvények összessége a matematikai modell feltételrendszere. A 2. táblázat egy CBN szerszámmal esztergálásra kidolgozott matematikai modell feltételrendszerét tartalmazza. 2.3. Célfüggvények és optimálás A forgácsolási folyamat olyan technológiai paraméterek mellett optimális, amelyek alkalmazásával a kitűzött cél a legjobban megközelíthető. A cél leggyakrabban a legkisebb költség vagy a legnagyobb termelékenység (legkisebb megmunkálási idő). A kitűzött célok - optimumfeltételek - megfogalmazhatók matematikai összefüggések formájában is, ezek az optimálás célfüggvényei. A feltételrendszer, az éltartamösszefuggés és az optimumkritérium alapján egy kiválasztott optimáló eljárás alkalmazásával történhet meg a technológiai adatok meghatározása. 3. Adatkezelés A matematikai modell függvényei a forgácsolási paramétereken kívül nagyszámú állandót is tartalmaznak. Az adatbank működéséhez elengedhetetlen, hogy megfelelő mennyiségű alapadat álljon rendelkezésre a további adatok származtatásához. Ezeket az alapadatokat megbízható forrásokból kell összegyűjteni. Az adatgyűjtést követi az adatellenőrzés, ami a beérkező adatok formai, tartalmi és mennyiségi hibáinak felderítéséből áll. Az ellenőrzött adatokat egységesítik, és a számítógépes adatfeldolgozás követelményeinek megfelelően átalakítják, csoportosítják. Végül az adatkezelő rendszer irányításával adatbázisban kerülnek tárolásra, illetve további felhasználásra.
111
EME Feltételrendszer CBN szerszámmal végzett esztergálásnál [2] f£MAX[b,,b2,b3]=Rl ^l-fmin.gi b 2 - *min,t>
RÍ b
v
R2
n
F
b
F+I
P
b 88
=
CRí^l .dSVB % 1000
b 99 = C
\
F
)
í ^ í . d » . wV B 1000 )
l l = a p,t; b12 = ^min
L
21
R7
- CFF - d J w . V B L
^ 6 0 - 1 0 i - t 1 - P _ R8 K ,H 21 ' a p
n
1000
M.fN^
R3
R8
•CFdJwVBl
)
T^ b
R 9
R9
a
22 • p F
, R4
b 13 = z; b 14 = x, • 1, • sin Kr
n
22
- í i w J L l •CT•dw ^ 1000
)
M.fN^ b
15 = ^-rtux
= R 7
20 " p
f
ap^MIN[b13,b14,b15] = R4
b
'c.max
F+L
a p ^ M A X [ b 1 1 , b 1 J ] = R3 b
fO
E
R6
a
b 20 =í — 1 20 uoooj
aJl A
F.fO^_Jc_
n
r m k 9
n < M I N [ b l g , b 1 9 ] = R6 big = n m a x g ; b 19 = 3 1 8 , 3
bk 8 n„A aC
b
R5
16 = "rnin.g' b 17 = 318,3 —
_
~ fmix.g'
b7 =
n£MAX[b16,b17]=R5 b
3-~ sm Kf
f £ M I N [ b 4 , b 5 , b 6 , b 7 ] = R2
b,=
2. táblázat
f
T
"^
22
a
p = R 1 0
RIO
p
R3 és R4 alapján ap rögzítendő!
Irodalom: [1] J. Kundrák, K. Gyám, GY. Vajda: Problems of mathematical modelling in data banks to be set up for superhard tools. microCAD '94, Kharkov, 1994. május 3-5. pp. 70-73. [2] GYÁNIK., KUNDRÁK J.: A forgácsoló megmunkálás matematikai modellje. Technológiai információs rendszer elméleti megalapozása határozott élű szuperkemény szerszámokkal végzett forgácsoláshoz IV/6. OTKA T4261. Témavezető: Dr. Kundrák János. Miskolc, 1993. p. 33. [3] J. KUNDRÁK, K. GYÁNI, Gy. VAJDA: Somé questions of cutting data concerning to superhard tools. Interpartner '94, Alusta, sept. 28 - okt. 2. 1994. pp. 126-131.
Vajda Gyula, doktorandusz Miskolci Egyetem, H-3515 Miskolc-Egyetemváros Gépgyártástechnológiai Tanszék Tel: 36-46-365 111/15-83; Fax: 36-46-364 941 E-mail: [email protected]
112
EME
A DFMA GYÁRTMÁNYFEJLESZTŐ PROGRAM ALKALMAZÁSÁNAK EREDMÉNYEI ZSÓK JÁNOS CSABA
1. Összefoglaló A DFMA
programcsomag rövid bemutatása. A DFMA módszerrel elért eredmények a forgácsoló
megmunkálás, a fröccsöntés,, és a présöntéssel való alkatrészek tervezésében. A DFM-Machining saját kialakított adattárának alkalmazásával elért eredmények a Kolozsvári Műszaki Egyetemen.
2. Bevezető Az amerikai BOOTHROYD
DEWHURST Inc. által kifejlesztett és forgalmazott Design for
Manufacture and Assembly (DFMA) módszertan a világ fejlett országainál, vállalatainál a sáját termékek költségcsökkentésének, a gyártás és szereléshelyességi analíziseinek és áttervezésének új módszertana, a szakértői tanácsadás egyik legkeresettebb irányzata. A tervezőrendszernek 11 főmodulja és további 6-8 kiegészítő modulja létezik. A főmodulok a következők: -DFA-Szereléshelyes terméktervezés (Desig for Assembly):
1. Termékek manuális
szerelésére alkalmas megtervezése (Design for Manual Assembly), 2. Nyomtatott áramkörök szereléshelyes tervezése (Design for PCB Assembly), 3. Automatikus szerelésre való tervezés (Design for Automatic Assembly), 4. Robotos szerelésre való tervezés (Design for Robot Assembly), 5. Alkatrészek automatikus adagolására való tervezése (Design of Parts for Automatic Handling), 6. Szerelőrendszerek gazdaságossági számítása és szimulációja (Assembly System Economics andSimulation). -DFM-Gyártáshelyes
terméktervezés
(Design
for
Manufacture),
megmunkálások korai költségbecsléses tervezése (Design for Machining),
113
1. Forgácsolási
2. Fröccsöntés tervezése
EME {Design for Injection Molding), 3. Lemezmegmunkálások tervezése {Design for Sheet Metallworking), 4. Présöntés tervezése {Design for Diecasting), 5. Porkohászati alkatrészek tervezése {Design for Powder Metál Parts).
3. A DFMA-val elért eredmények a gépgyártás különböző területein A DFMA módszerek és adattárak alkalmazásával lehetőség van a már meglévő vagy
a még
rajztáblán levő gyártmányok szerelés és gyártáshelyességét értékelni és a nemzetközileg elfogadott költségnormativa adattárának felhasználásával költség és megmunkálási idő becslést végezni a termékek valós, várható költségeiről és a megmunkálási idejéről. A szoftver lehetővé teszi a vállalatok számára a saját tervezési adattárak kialakítását.
49,6 %
alkatrész szám csökkenés
30,4 %
termék önköltség csökkenés
47,5 %
fejlesztési időráfordítás csökkenés
66,1 %
minőség és megbízhatósági javulás
A termékek DFMA-val történő áttervezése során az alkalmazó vállalatok a következő eredményeket (1. Táblázat) érték el.[l]
1 .Táblázat. A DFMA alkalmazás eredményei Az 1. ábrán látható az automata esztergagéppel forgácsolt alkatrészek megmunkálási ideje. Az első
20 15 10 5
_
A I Á I •
II | • | I
•
•
0 8
9
10
l.ábra DFMA-Machinlng alkalmazás e r e d m é n y e i
oszlop a becsült megmunkálási időt, a második oszlop a reális megmunkálási időt tükrözi. A csapágy (1-2), a csavar (3-4), a rotor (5-6),a tengely (7-8), a búvárdugattyú (9-10) megmunkálása esetében a reális megmunkálási idő és a DFMA-val kiszámolt érték közötti különbség minimális. Tehát a tervezők által kidolgozott gyártmányterv megmunkálási összideje már a tervezési fázisban könnyen becsülhető. [2]
114
EM A kazettatartók esetében, mint ahogy a 2. ábrán látható megnő a fröccsöntő szerszám(l-2) előállításának önköltsége -az első oszlop a régi, a második oszlop az újratervezés utáni DFMA-val kiszámolt értéket tartalmazza- de több mint 300 %-al csökkent a fröccsöntési idö (3-4) és 150 %-al a megmunkálás összköltsége (5-6). [2]
A présöntés esetében a DFMA-val optimizált költségek (első oszlop, 3. ábra), a csapágy (1-2), a könyököstengely (3-4), a lendkerék (5-6) gyártása előtt a tervezési fázisban, és a tényleges költség (második oszlop) közötti különbség minimális mint ahogy a 3. ábrán látható. [2]
4. A DFMA-Machining alkalmazás saját tervezési adattárral A DFM programcsomag 5 főmodulja flexibilis, bármely vállalat vagy műhely alkalmazhatja a saját feltételeihez illetve követelményeihez. Tehát kialakítható egy adattár a vállalatnál levő anyagokról és szerszámgépekről amelyet a program később felhasznál. Egy ilyen kialakított adattár bevitelével, a Kolozsvári Műszaki Egyetem laboratóriumában, az
alkatrészek tervezésében - amely esetünkben egy
változó emelkedésű speciális csavar volt - a DFM módszerrel sikerült lényeges formai optimizálást és költségcsökkentést elérni. Mint a 4. ábrán látható megnőtt a technológiai folyamatot előkészítő idő (1 oszlop-145s, 2 oszlop283s) és adagolási idő (3-620s, 4-759s), ellenben csökkent úgy a tényleges megmunkálási idő (7-553 ls,
115
EME 3714s) mint az auxiliáris idők összessége (5-816s, 6-508s) és a darab előállítási költsége 13,93 dollárról 7,80 dollárra. [3]
6000 5000
B
4000® 3000
•
2000^^1; m
1 0 0 0 ® ^ n
n
M 1
2
3
4
5
6
7
8
4.ábra. A DFMA-Machlning alkalmazás kialakított adattárral
5. Következtetés A DFMA gyártmányfejlesztő program az alkatrészek tervezésében lényeges költség és megmunkálási idő megtakarítást eredményez. A Ford Motor Company fejlesztési mérnökét idézve: "A DFMA alkalmazásával cégünk több mint egymilliárd dollár költségcsökkentést ért el ..." összefoglalja a DFMA erősségét. A program fő előnye, hogy nagyon rövid időn belül több technológiai folyamat elemezhető és összehasonlítható, amelyek közül kiválasztható a legoptimálisabb.
Irodalomjegyzék 1. * * *
DFMA a stratégiai gyártmányfejlesztés támogatására. Gépgyártástechnológia, 1-2 szám, Budapest, 1994.
2.Zsók J. Csaba
Studiul variafiei profilelor §i optimizarea tehnologiei cu DFM a §uruburilor cu pas variabil.Lucrare de disertafie,Universitatea Tehnicá Cluj Napoca, 1995.
3.Zsók J. Csaba
Analiza DFM a unui §urub cu pas variabil, A IlI-a Conferinfá Internafionalá de Ma§ini §i Tehnologii Moderne, Cugir, 1995
Zsók János Csaba, magiszter mérnök FEROFÜN kft, Szatmárnémeti, Zorilor út, 12 szám, Szatmár megye, irányítószám: 3900 Telefon: 061-736347, Telefon/Fax: 061-761650
116
EME
FOLYAMATOK ÜTEMEZÉSE
Ekárt Anikó & Péter István
Kivonat
A dolgozat célja egy olyan programcsomag (NONLIN) kifejlesztése amely lehetővé teszi adott folyamatok időbeli beosztását doméniumtól független módon. A formalizmus magját Tate nemlineáris,
hierarchikus
ütemezője [1] képezi. A program feladata egy vagy több cél elérésére szolgáló ütemezési terv létrehozása. A program a Golden Common Lisp Objektum Orientált változatában készült. A Tate irányított feltételei mellett bevezettük a nem irányított feltételeket is, amelyeket az ütemező nem próbál elérni az ütemezési terv bővítésének befejezése előtt. A NONLIN és környezetének hasznosságát néhány gyakorlati alkalmazás támasztottuk alá.
117
segítségével
EME A NONLIN RENDSZER ISMERTETÉSE
A dolgozat célja több doméniumban előforduló folyamatok időbeli ütemezése. Az ütemezést a NONLIN nevű Objektum Orientált Golden Common LISP-ben megírt program segítségével végezzük.
A NONLIN nevű program egy ütemezési tervet hoz létre egy bizonyos doméniumban adott cél (célok) elérésére. A NONLIN doméniumtól független folyamat-ütemező és nem kizárólag csak egyes doméniumokra alkalmas. A program előnye, hogy a szükséges információt a doméniumról egy hierarchikus Task Formalizmus
segítségével
specifikáljuk. A Task Formalizmus
felbontja a
doméniumot célokra, tevékenységekre, operátorokra és logikai predikátumokra. A feladat doméniumát különböző elvontsági szinteken lehet definiálni a Task Formalizmus séma-meghatározásai segítségével. A NONLIN úgy használja fel az elvontsági szinteket, hogy a tervet előbb magasabb szintű operátorokból képezi, melyeket később alacsonyabb szintű operátorokra bont fel. A legalacsonyabb szintű operátorok primitívák, ezek nem bonthatók tovább.
A NONLIN készíthet ütemezési tervet olyan feladatok számára is, ahol több egymást befolyásoló cél lineáris ütemezése nem felelne meg. Ahhoz, hogy nemlineárisán ütemezhessen, a NONLIN az ütemezési terveket egy részlegesen rendezett gráfban tárolja. Az ütemező egy olyan stratégiát alkalmaz amely elhalasztja az események rendezését mindaddig amíg ez szükségessé nem válik. Egy ilyen rendezés akkor lesz szükséges, amikor egy tevékenység ki kell értékelje egy másik tevékenység prekondicióját vagy több tevékenység eredménye egymásratevődik. (pl. amikor egy tevékenység egy másik tevékenység prekondicióját tagadja). Az ütemezés eredménye egy teljesen rendezett ütemezési terv (egyike a lehetséges terveknek).
NONLIN képes backtraking-re, ezáltal lehetővé válik más lehetséges ütemezési tervek elkészítése is, ugyanakkor képes a holtpontokból való kijutásra is. A választási pontokat egy veremben tárolja minden alkalommal amikor több változat közül választ. A választási pontok és környezetek backtracking-je depth-first módszerrel történik.
A kontroll ciklus a gráf aktuális csomópontjainak kibővítéséből és a tevékenységek közti kapcsolatok vizsgálatából áll. Ez a művelet addig folytatódik, amíg a gráf teljesen ki lesz bővítve és elkészül az ütemezési terv. Amikor az aktuális terv nem bővíthető tovább vagy egy kölcsönhatás nem javítható, az ütemező áttér egy másik, a veremben található választási pontra (ha lehetséges) és folytatja az ütemezési terv készítését.
118
EME
A TASK FORMALIZMUS
A Task Formalizmus (TF) Tate mechanizmusa [1] alapján határozza meg a doménium operátorait és tevékenységeit.
A feladat doméniumának modellezésekor használhatunk magasabb és alacsonyabb szintű operátorokat. Az ütemező a tervet úgy fejleszti ki, hogy azokat az operátorokat veszi figyelembe, amelyek megfelelnek a magasabb szintű céloknak. Ezeket a magasabb szintű operátorokat az ütemező később helyettesíti alacsonyabb szintű operátorokkal. A doménium felbontása által az ütemező hatékonyabb lesz. Az operátorok felbontását az adott feladat TF definíciói által specifikáljuk. A felbontás tetszőleges mélységig történhet.
A sémák a következő mezőkből állnak: •
típus: operátor vagy tevékenység
•
név
•
teendó': egy cél kibővítésekor NONLIN ezt a mezőt próbálja egyeztetni a céllal
•
bővítés: részlegesen rendezett lépés-lista
•
rendezések: a bővítés lépései közti rendezések
•
feltételek: meghatározzák hogy egy használható séma (amely egyeztethető az aktuális céllal) instanciálható-e
•
hatások: a tevékenységek hatásai
•
változók: a séma definíciójában használt változók listája
A séma definiálására használt szintakszist egy példával illusztráljuk:
(opschema makeclear :todo ( cleartop ?x ) :expansion ( ( pcl :goal (cleartop ?y )) ( act :action (puton ?y ?z))
) :orderings ((pcl->act)) :conditions ( (:use-when (on ?y ?x) :at act)
119
EME (:use-when (cleartop ?z) :at act) (:use-when (not ( equal ?z ?y )) :at pcl ) (:use-when (not ( equal ?x ?z)) :at pcl )
) :variables ( ?x ?y ?z)
A NONLIN bemenő adatai: •
a doménium operátorainak és tevékenységeinek task formalizmusbeli definíciója
•
axiómák listája
•
a modelált világ kezdeti helyzetét leíró tények listája
•
célok listája
A NONLIN kimenete egy ütemterv (alternatív tervek is generálhatók).
GYAKORLATI ALKALMAZÁSOK
A NONLIN programcsomagot a következő feladatok megoldására használtuk: projekt management problémák , egy ház felépítéséhez szükséges műveletek ütemezése, órarendkészítés, gyártási folyamatok ütemezése. A különböző doméniumok modellezése nagyon egyszerűnek bizonyult.
IRODALOM
[1] Austin Tate:
"Project Planning Using a Hierarchic Non-Linear Planner" , Research Report, Department of Artificial Intelligence, University of Edinburgh, 1994
[2] A. Meyer:
"Constraint Based Process Planning" Research Report, Department of Artificial Intelligence, Carnegie Mellon University, 1992
Ekárt Anikó & Péter István/ VI. éves egyetemi hallgatók Kolozsvári Műszaki Egyetem, Számítástecnika tanszék/Baritiu u. 3 Tel. 194684
120
EME
KATEGÓRIÁKBA SOROLÁS A CSŐTÁVVEZETÉKEK ÉLETTARTAM-MENEDZSELÉSÉBEN Harmati István
Az élettartam menedzselés szénhidrogénszállító csőtáwezetékek esetében azon szükséges és elégséges módszerek összegyűjtését és kidolgozását jelenti, amelyekkel a vezetékek állapotmegítélése, rehabilitációja egységes rendszerben kezelhető. Ebben a rendszerben a vezetékek kategóriákba sorolása fontos szerephez jut azáltal, hogy lehetőséget nyújt az ugrásszerűen megnövekedett információmennyiség feldolgozására, továbbá a vezetékek közötti különbségek visszatükrözésére.
Bevezetés
A szénhidrogénszállító csőtávvezetékek kategóriákba sorolását mindenek előtt a biztonságos és gazdaságos üzemeltethetőség indokolja, így a kategóriákbasorolás céljai ebből adódóan az alábbiak: 1. a vezetékek globális ill. lokális állapotának megítélése, ennek segítségével a vezeték minősítése; 2. a vezeték állapotváltozásainak legalább részleges, ugyanakkor periodikus nyomon követése; 3. a vezeték felülvizsgálati periódusának és módjának kijelölése; 4. segítségnyújtás a vezetéken történő beavatkozások módjának és jellegének meghatározásához, illetve megtervezéséhez és következményeinek megítéléséhez [1],
A British Gas-al való együttműködés eredményeképpen a magyarországi üzemeltető (MOL Rt. KFÜ) is meghonosított fejlett roncsolásmentes vizsgálati módszereket a vezetékek állapotmegítélésére. Ezek közül elsősorban az intelligens csőgörényezés az, amely igen sok információt nyújt a vezeték állapotáról.
Az üzemeltető rendelkezésére álló megnövekedett információtömeg és a csővezetékek felülvizsgálatának és karbantartásának jelenlegi gyakorlata között ma még nincs teljes összhang. Ezen ellentmondás feloldására az üzemeltető szakemberei már több műszakilag megalapozott intézkedést is tettek, azonban a probléma végleges megoldását egy átfogó információs rendszer gyakorlati bevezetése jelentené.
121
EME A kategóriákba sorolás elméleti alapjai
A magyarországi szénhidrogénszállító csőtávvezetékek kategóriákba sorolásának elméletét - elemezve más számszerűsítési törekvéseket [2], [3] - a Miskolci Egyetem Mechanikai Technológiai Tanszékén a MOL Rt. megbízásából dolgozták ki a Csővezetékek minősítésének általános rendszere témájú K+F munka keretében [1], Az alábbiakban egy rövid elméleti összefoglaló található a kategóriákba sorolásról
A csőtávvezetékek kategóriákba sorolásának szempontjai úgy vannak kialakítva, hogy messzemenően figyelembe vegyék a magyarországi üzemeltetési viszonyokat. A szempontok két fő csoportba sorolhatók attól függően, hogy a törés bekövetkezésének valószínűségére vagy a törés következményeire vonatkoznak. A szempontokon belül további összetevők képezik a kiértékelés alapját.
Az összetevők között vannak olyanok, melyek megítélése szubjektív, vagyis az adott összetevőt - ilyen pl. a mozgási lehetőségek, veszélyek - nem egy konkrét számérték alapján, hanem tapasztalati úton ítéljük meg. Ezek az összetevők azért igen jelentősek, mert a legnehezebben számszerűsíthető tudást, az üzemeltetői tapasztalatot veszik figyelembe. Az összetevők nagyobb része számszerűsíthető, így ezek kiértékelése az adott összetevőnek megfelelő határértékekkel való összehasonlítással történik. A szempontok és összetevőik csoportosítása az 1. ábrán látható [4], A számszerűsíthető összetevők jellemző mérőszámának meghatározására a következő általános összefüggés adható:
xyj = Z k B 4
ahol:
Xyj
az összetevőre jellemző mérőszám,
X
szempont főcsoport (A vagy B),
y
szempont alcsoport (a vagy b vagy c),
j
az összetevő sorszáma az alcsoporton belül (1 - 8),
n
az összetevő alkotóinak száma,
i
az összetevő alkotójának sorszáma,
1
az összetevő sorszáma (1 - 21),
kJ;
az 1 -edik összetevő i -edik alkotójának súlyozási tényezője,
Zj
az összetevő i -edik alkotójának értéke,
Z
az összetevő alkotóinak összege.
122
EME
1. ábra A kategóriákba sorolás szempontjai
Az összetevő hatása (i) kicsi, ha Xyj < hj a . (ii) közepes, ha h] a < Xyj < hjf. (iii) nagy, ha Xyj > hjf
ahol: hj a és hjf az 1 -edik összetevőnek megfelelő alsó és felső határérték. Ez alól kivételt képez a hibák összegzett hatásának megítélése a törés bekövetkezésének valószínűségére, amelyre a következő összefüggés érvényes: Ab lq - k91
ahol
H i
+ k 92
H 2q H„
+ k 93
H 3q H„
(2)
Abiq
a q -adik hibaosztály dimenzió nélküli mérőszáma,
H)q
a nagy veszélyességű hibák száma a q-adik hibaosztályban,
H2q
a közepes veszéléyességű hibák száma a q-adik hibaosztályban,
H3q
a kis veszéléyességű hibák száma a q-adik hibaosztályban,
Hq
az összes hibák száma a q-adik hibaosztályban,
k
9z
a hibák veszélyességét minősítő tényező.
123
EME A hibák hatása a q-adik hibaosztályban (i) kicsi, ha
Abiq < h9a és H lq = 0;
(ii) közepes, ha
Ab lq < h9a és H lq < 0.02 Hq vagy h 9 a < A b i q < h 9 f és H lq < 0.01 Hq;
(iii) nagy, ha
Ab,q < h9a és H lq > 0.02 Hq vagy h 9 a < Abjq < h 9 f és Hiq > 0.01 Hq vagy Ab lq > h9a
A hibák összegzett hatása (i) kicsi, ha a hatás minden hibaosztályban kicsi; (ii) közepes, ha a hatás legalább egy hibaosztályban közepes, de egyetlen hibaosztályban sem nagy; (iii) nagy, ha a hatás legalább egy hibaosztályban nagy.
A csővezetékek állapotának végső megítélésére az összetevők kiértékelése után kerülhet sor. Attól függően, hogy milyen arányban szerepelnek kis, közepes illetve nagy veszélyességű összetevők a vezetékeket öt különböző kategóriába lehet sorolni: különösen veszélyes, fokozottan veszélyes, közepesen veszélyes, kevésbé veszélyes és alig veszélyes.
Irodalomjegyzék
[1] Csővezetékek minősítésének általános rendszere, II. melléklet: Vezetékek (vezetékszakaszok) kategóriákba (osztályokba) sorolása. ME Mechanikai Technológiai Tanszék EK 5930055, 1994. Témavezető: Dr. Török Imre. [2] Code of practice for carrying out on line inspection of gas transmission systems. British Gas engineering standard BGC/ PS/OLI 1. May 1983. [3] MUHLBAUER, W. K.: A proactive approach to pipe line risk assessment. Pipe Line Industry, July 1992. p. 29-32. [4] HARMATI, I.: Categorisation of hydro-carbon transporting pipelines. MsC thesis. 1995. p. 1-90.
Harmati István doktorjelölt Miskolci Egyetem/ Miskolc Egyetemváros 3515 Tel: 46/366-111 (17-90)
124
EME
KORAI KÖLTSÉGBECSLÉS A TECHNOLÓGIAI ELŐTERVEZÉS SZAKASZÁBAN MESTERSÉGES INTELLIGENCIA MÓDSZER ALKALMAZÁSÁVAL Kovács József
A gyors és megbízható korai költségbecslések nagymértékben befolyásolják egy gyártó piaci versenyképességét. A költségbecslés bizonytalansága nagy, hiszen a részletes technológiai tervezést megelőzően kell gyártási időket, ill. költségeket becsülni, s mindezt akár igen gyorsan, szinte kiszámíthatatlanul változó külső és belső viszonyok mellett. E döntésekben igazán csak a korábbi tapasztalatokra lehet hagyatkozni, amelyekre építve durva becsléseket lehet alkalmazni. A probléma megoldására többféle módszert alaklmaznak a gyártástechnológiában, amely módszereket röviden tárgyalja a dolgozat. Ezeknek, a mérnöki gyakorlatra és tudásra épülő epizodikus jellegű ismereteknek a formalizált, számítógépes reprezentációja és felhasználása igen nehezen oldható meg, ennek következtében e tevékenység támogatására jelenleg nincsenek bevett számítógépes eszközök. Munkám ezen probléma megoldásához kíván hozzájárulni a mesterséges intelligencia eszközei, nevezetesen az eset-alapú következtetés alkalmazásával. E tudásreprezentációs és következtetési módszer lehetővé teszi a már korábban megoldott előtervezési feladatok - azok megoldásával együtt való - igen szabad formátumban történő tárolását, ill. egy új feladat esetén az ahhoz leginkább hasonló korábbi esetek előhívását. A hasonló megoldások adaptálása már a felhasználó hatáskörébe tartozik. A fentieken túl a módszer nagy előnye, hogy integrálja a feladatmegoldást és az újabb és újabb tapasztalatokból való tanulást, hiszen az esetbázis mindenkor bővíthető.
Gyártáshelyes tervezés Napjainkban a konstrukciós tervezés során egyre több hangsúly helyeződik a gazdaságos, és mindemellett termelékeny gyárthatóság figyelembevételére, tehát a konkrét konstrukció kialakításánál már szem előtt tartják azt a tényt, hogy a szerkezet részleges vagy teljes módosításával a gyártás nagymértékben egyszerűsödhet illetve az előállítási költségek csökkenhetnek [1], Ez egy nagy jelentőségű és egyben igen bonyolult feladat, hiszen a konstrukciós tervezés és a technológiai előtervezés szakaszában még nincs eldöntve, hogy milyen lesz az egyes alkatrészek végleges alakja és az alkatrészek előállításához milyen gyártási eljárásokat alkalmaznak, hanem csak a közelítő konstrukciós terv áll rendelkezésre [2],
125
EME A gyártáshelyes tervezés alapfeltétele, hogy a gyártásra vonatkozó általános információk teljes egészében a rendelkezésünkre álljanak. A konkrét gyártási környezet figyelembevételével szűkíthető az alkalmazható és összerendelhető anyagok és technológiák köre [3], Az alkatrészek részletes tervezésénél nem csak az egyedi alkatrészre kell koncentrálni, hanem figyelembe kell venni a hozzá kapcsolódó darabokat is. Ezen információkon keresztül válik a különálló alkatrész a teljes konstrukció részévé. Nem szabad eltekinteni attól a ténytől sem, hogy a különálló darabok egymáshoz erősítése nem csak utólagos szereléssel lehetséges, hanem esetleg azokat egybevonva, egy alkatrészként is lehet gyártani. Ebből következik, hogy az anyag-technológia párok kiválasztása és a gyártás részletes tervezése nem egymást követi, hanem párhuzamosan megoldandó feladatokat jelent [4]. A korai költségbecslés módszerei A technológiai tervezés során, a műveletelemtervezés szintjén alkalmazunk úgynevezett költségszámítást, de ez, mint a neve is mutatja, nem becslés, hanem ismert technológiai paraméterek, szabályok, képletek alapján a gyártás konkrét költségeinek számítása. A korai költségbecslés eltér ettől a költségszámítástól, hiszen a becslés az előtervezés szakaszában történik és ekkor még nem tudhatjuk a gyártás előbb említett jellemzőit, mert ennek a tervezési lépésnek pontosan a gyártási stratégia kidolgozása a feladata. Ezen ismeretek nélkül minimális adatokon, közelítéseken alapuló döntést, becslést kell végeznünk, amelyhez a szükséges adatok megszerzésére feltételezésekkel élünk. Ezek a feltételezések a következőek: 1. A gyártás ideális körülmények közt zajlik, és a kész darab megfelel ezeknek a feltételeknek 2. A gyártóberendezés megfelelő, a szerszámokba és a berendezésekbe történő befektetés optimális, a gyártás hatékony. Az előállítandó gyártmány, esetünkben a hajtómű gyártásának és szerelésének eljárásait az előtervezés során kell meghatározni illetve kiválasztani a lehetséges variációkból. A kiválasztás alapjául a korai költségbecslés eredménye számít. A költségbecsi esnél gyártási tapasztalatokra lehet és kell támaszkodnunk. A korai költségbecslés módszereit két csoportra oszthatjuk: 1. A durvább módszerek közé tartozik az, amelyiknél az elkészült hajtómű előállítási költségét (anyag, szerszám, gép, szerelés stb) leosztják a kész hajtómű súlyával. Eredményül egy költség/súly-egységet kapnak, amelyet a hasonló hajtóművek gyártási költségének becslésekor alkalmazhatnak. Bár durva ez a módszer, de első közelítésben alkalmazható, mint durva becslés. A költségbecslés első lépéseként ezt a módszert alkalmazzák például a budapesti központú Fogaskerékgyár Kft-nél. 2. A másik módszernél részletesebben megvizsgáljuk á gyártmányt, annak alkotórészeit, elemeit. Ennek a finomabb költségbecslésnek eddig kétféle megközelítésével találkoztam, amelyek lényegében hasonlóak. Az egyik esetben a már kész alkatrész súlya és geometriai méretei alapján kapott jellemzővel osztják a gyártási költséget. Az így kapott hányadosok alapján becsülhetik meg a hasonló alkatrészek előállítási költségét. A másik esetben a kiindulási darabból, az előgyártmányból leválasztott forgácsmennyiséghez és a forgácsolt felület nagyságához rendelnek egy arányossági számot, amely szintén a hasonló
126
EME alkatrészek esetében használható. Mindkét eljárás használatos (az első: Fogaskerékgyár Kft, a második: [5]). Eset-alapú következtetés Mint látható, mindegyik módszernél jelentős kapcsolatban van a költségbecslés a hasonlósággal. Ennek következtében a hatékony költségbecslés számítógépes segítését célszerű a hasonlóság felől megközelíteni, tehát olyan alkatrészcsaládokat kell létrehozni, amelyek a becslések széleskörű hasonlósági kritériumai szerint egy csoportba sorolhatók. Ezek után már az alkatrészcsaládokra kell kidolgozni a becslés családspecifikus módszereit. Az ilyen típusú feladatok számítógépes megoldására a mesterséges intelligencia módszerek, azokon belül is az eset-alapú következtetés módszere a legalkalmasabb Az eset-alapú következtetés nem más, mint új feladatok megoldása régi feladatok megoldásainak újrafelhasználásával [6], A korai költségbecslésnél olyan hasonló esetek keresése a cél, amelyeknél sokféle hasonlósági kritériumnak nagyjából egyszerre kell teljesülni. Az eset-alapú következtetés viszonylagos kötetlensége, rugalmassága következtében pont az ilyen jellegű feladatok megoldására alkalmas. A gyártandó alkatrészek termékcsaládokba való besorolása eset-alapú következtetésekkel történik. Ezután a költségbecslés a termékcsaládokhoz rendelt speciális becslési módszerek alapján történik, ami a becslés pontosságát és hatékonyságát nagymértékben segíti. Megfelelő hasonlósági kritériumok és becslési szabályok megalkotásával az új darabok besorolása és a becslések eredménye hatékonyan hozzájárul a gazdaságos tervezéshez és gyártáshoz. Példa korai költségbecslésre A dolgozat rövidségére való tekintettel a költségbecslés alkalmazására csak egy rövid példát említek. A hajtóművek alkatrészeinek köréből azokat a fogazott tengelyeket vizsgáljuk, amelyeknél felmerül az a kérdés, hogy az alkatrészt bontsuk szét fogaskerékre és tengelyre (l .b, ábra) vagy pedig egybe gyártsuk (1 .a, ábra) illetve, hogy mi legyen az előgyártmány.
b)
a) 1. ábra
Ennél az egyszerű példánál is összetett és bonyolult a költségbecslési feladat, amelynek eredménye alapján választunk a lehetőségek közül. A becslés alapjául a korábbi gyártás eredményeire épülő szabályok, tapasztalati értékek szolgálnak [5], A munkadarab közelítő mérete ad támpontokat a becslésekhez. Első lépésben meg kell becsülni a gépköltséget ami a gép- és rezsiköltségtől, a nagyoláshoz és a simításhoz
szükséges időtől és a mellékidőtől
127
függ. Ezen értékek megállapításához a
EME
munkadarabcsaládra jellemző tapasztalati képletek nyújtanak segítséget, amely képletek az értékeket a munkadarab súlyához, a megmunkált felület nagyságához, az eltávolítandó anyagmennyiség mértékéhez arányítják. Ennek következtében nem kell részletes konstrukciós- és gyártásterv; a becsléshez csak az emiitett munkadarabjellemzők közelítő értékeire van szükség. Az anyagköltség becslése egyszerűbb, hiszen az előgyártmány körülbelüli súlyát megszorozzuk az egységárral. Az alkatrészek anyagának kiválasztásánál figyelembe kell venni az anyag egységárát, az anyag forgácsolási ellenállását, az egységnyi forgácsolt felület előállításához szükséges forgácsolási teljesítményt. Ezeken kívül nem elhanyagolható még az a tény, hogy az eltávolítandó anyagmennyiség növekedésével nem egyenes arányban nő az egységnyi forgácsköltség. Az előgyártmány meghatározásakor dönteni kell arról, hogy egyszerű, általános darabból, például rúdanyagból indulunk ki, vagy pedig bonyolultabb előgyártmányból, amelyik jobban közelíti az alkatrész végleges alakját, például kovácsolt darabból. A második esetben az eltávolítandó anyagmennyiség jóval kisebb, így ebben az esetben a forgácsolás összköltsége csökken. A bonyolultabb előgyártmány előállítási költsége kis darabszámnál nagy, de a darabszám növekedésével csökken (pl. a kovácsszerszám költsége több darabra oszlik le). Tehát meg kell keresni azt a sorozatnagyságot, amely alatt az egyszerűbb előgyártmány választása a célszerűbb, de a fölött már a bonyolultabb előgyártmány az indokolt. A keresés és választás során nem csak az előgyártás költségét kell figyelni, hanem az alkatrész gyártásának összköltségét. Összegzés A korai költségbecsiéshez munkadarabcsaládokat kell definiálni és azokhoz a besorolási és a becslési szabályokat, tapasztalatokat kell egységes rendszerbe foglalni.Ez a feladat leghatékonyabban a mesterséges intelligencia módszerek segítségével oldható meg. A munka jelen fázisában célom egy ilyen rendszer implementálása. Irodalomjegyzék: [1] G. Boothroyd, P. Radovanovic. Estimating the Cost of Machined Components D u r i n g t h e Conceptual Design of a Product, Annals ofthe CIRP Volume 38/1/1989, 157-160
[2] Fogaskerékgyár Kft. Gyártmánykatalógus - Ipari hajtóművek, Budapest, 1995 [3] G. Boothroyd, P. Dewhurst and W. A. Knight. Research Program on the Selection of Materials and Processes
for Component Parts, The International Journal ofAdvanced Manufacturing Technology, 25 February 1991 [4] P. Dewhurst, G. Boothroyd. Early Cost Estimating in Product Design, Journal of Manufacturing Systems Volume 7 / N o . 3, 1987, 183-191 [5] G. Boothroyd, C. Reynolds. Approximate Cost Estimates for Typical Turnéd Parts, Journal of Manufacturing Systems Volume 8 / No. 3, 1987, 185-193 [6] J. Kolodner, Case-BasedReasoning, Morgan Kaufmann, 1993
Kovács József / oki. gépészmérnök doktorandusz hallgató Budapesti Műszaki Egyetem Gépgyártástechnológia Tanszék / H-1521 Budapest, Pf. 91. Tel:(36 1) 463-2515 Fax:(36 1) 463-3178 / E-mail: [email protected]
128
EME
VÁLLALATOK CÍM RENDSZEREK IRÁNTI KERESLET ÉS KÍNÁLAT SAJÁTOSSÁGAI B a j á k y Zsolt
Összefoglalás A CIM-rendszerek alkalmazására irányuló törekvések a vállalatok számára sokoldalú előnyt kínálnak, és a piaci siker fő tényezőiben történő előrelépést, és ezáltal a versenyképesség fokozását teszik lehetővé. Ugyanakkor a látványos eredmények mellet a CIM elméleti és ipari gyakorlata egy sor problémát vet fel a vállalatoknál. Dolgozatomban a CIM-rendszerek
iránti kereslet
problémáival,
a vevői
döntéseket
és vállalati
tapasztalatokat foglalaom össze.
1. Az integrált gyártórendszerek iránti kereslet és kínálat sajátosságai A számítógépes rendszerek kialakulását evolúciós folyamatnak kell tekinteni, amelyben az előrehaladás különálló alrendszerekre épülve lépésenként történik, közelítve az információáramlás integrációjának egyre magasabb szintjeihez. A számítógépre épülő vállalati funkciók teljes mértékű integrációja ma még olyan célkitűzés, amire nem minden vállalatnak kell feltétlenül törekednie. Emellett egységesített CIM-koncepciók átvételről nem lehet szó, hiszen ahogyan nincsenek uniformizált vállalatok, ugyanúgy nincs ilyen CEM sem, minden egyes vállalatnak a maga külön CIM stratégiájára van szükség. Napjaink fejlődő elektronika-, számítógép- és gépgyártó ipar ágazatokból kerülnek ki a CEM piac kínálói, ehhez kapcsolódnak a különböző kutatóintézetek, egyetemek, melyek a CEM-problémák megoldásában nagyobb szerepet játszanak. A CEM rendszerek alkalmazása a nemzetközi gyakorlatban a vállalatok többségében - eltérő jelentőséggel - de fontos versenytényezővé vált. Az életképes, napjaink fejlődőképes ágazataiban mint : a repülő- és autóiparban, a mikroelektronika területén, a fegyvergyártásban a CEM alkalmazása hatásos sikertényezőként jelenik meg. Kritikus sikertényezőként jelenik meg a CIM megvalósítás a közép- és nagysorozatgyártás, az erőgépek, a gépgyártás, a fém- és műanyagfeldolgozás, az elektronikus- és egyéb berendezés gyártásban. A CEM - rendszerek értelmesen beépíthetőek, illetve a vevőelvárások teszik szükségessé alkalmazásukat a szolgáltató iparban, az alapanyag-,az élelmiszer- és textiliparban. 2. A CIM-rendszerek iránti kereslet problémái és a vevők döntései Mint már említettem a jelenlegi kereslet elsősorban a CIM komponensei, illetve a részmegoldások révén való fokozatos integrációt jelenti. A CEM sohasem kapható készen, szabványos tennék,
129
kulcsrakész
EME megoldások az egyes ágazatokban csak elvétve találhatóak. Meg kell említeni a piac sajátosságát, hogy a CIM-rendszer felhasználói, saját alkalmazói tapasztalatuk birtokában a későbbiekben gyakran eladóként lépnek fel. Természetesen az említett kínálók igen eltérő feltételekkel, erős és gyenge pontokkal rendelkeznek [5], Ugyanakkor az új technikához a felhasználók több úton juthatnak hozzá : - teljesen saját fejlesztéssel, előállítással, - megvásárolva az alrendszereket és továbbfejlesztve azokat is integrálják, - kiépített, bevált rendszereket vásárolva az előállítótól. A saját fejlesztés révén igaz, hogy tartós versenyelőnyre tehet szert a vállalat, de a rendszer elemeinek vállalaton belüli előállítása óriási kapaci-tásokat igényel. Ezért a hazai vállalatok közül senki sem választotta ezt az utat, és a nyugati országokban is csak 20% volt a saját fejlesztés. Általában bevált rendszereket nem vásároltak a vállalatok, hanem kisebb-nagyobb mértékben a középső utat választották és saját teljesítményükkel támogatták ezek bevezetését és integrációját. A kiválasztott rendszert minden esetben az adott vállalat követelményeihez kell igazítani, ebben mind az alkalmazó mind az előállító szerepet kap, ezért együttműködésük nélkülözhetetlen. Ez az eladó-vevő együttműködés egy aktív ún. eladó és vevő közösen, alapvetően -
technikai,
interakciós
gazdasági,
és
folyamat keretében valósul meg, ahol az pszichikai,
jellegű problémák megoldására
törekednek. A
technikai
problémák közül mindenekelőtt ki kell emelni azt a tényt, hogy a CIM-rendszerek
lépésekben való kiépítéséhez szükséges kommunikációs és egyéb sztenderdek nagyon hiányosak, ami azt eredményezi, hogy a vevő mindig ugyanahhoz a rendszerkínálóhoz van kötve, mivel csak ő képes kompatibilis részelemeket szállítani. Egy másik fontos technikai probléma a gyors elavulás okozta aránytalanság. A mai rohamos technikai fejlődés következtében a már korábban megvalósított elemek elöregednek, és így gyakran nem nyújtanak megfelelő teljesítményt az új részelemek számára. Éppen ezért a kínálatnak olyannak kell lennie, hogy bármikor lehetőség nyíljon komplett vagy részrendszer telepítésére, illetve annak folyamatos korszerűsítésére. A gazdasági
jellegű problémák előterében a CIM-rendszerek bevezetésével és finanszírozásával
járó magas költségek állnak, amelyek csak hosszútávon térülnek meg. Emellett a CIM által elért előnyök a gyorsabb teljesítésben, kedvezőbb árban, vagy a vállalatról alkotott imázs növekedésében jelennek meg., amelyek nem mindig köthetőek a CIM alkalmazáshoz. A CIM-et alkalmazó vállalatnál szervezeti és terméktechnikai strukturális intézkedések válnak szükségessé, szervezetek, munkafolyamatok szűnnek meg illetve alakulnak át, megváltozik a munkaerő összetétele és szakmai színvonala, és ezek mind magas költségeket idéznek elő a vállalat számára. A pszichikai,
személyi problémák kapcsán azt a félelmet kell kiemelni, ami az új technológiák által
felállítandó magasabb követelményekkel szembeni meg nem felelés terén jelentkezik. A CIM-renszerek bevezetésével a vállalat sok területén a munka olyan tartalmi változásával lehet számolni, ami magasabb kvalifikációt, továbbtanulást, átképzést tesz szükségessé, ezért sokakban felveti a munkahelyelvesztés lehetőségét. Ugyanakkor azt is meg kell említem, hogy azok akik nagymértékben támogatták a CIM-rendszerek bevezetését, elkötelezve magukat mellettük, egy sikertelen vagy kevésbé sikeres bevezetés következtében saját szerepükre, helyükre vonatkozó kedvezőtlen következményekkel is számolniuk kell. A kellő hozzáértés hiánya különösen égető a rendszertervezés végső szakasza és a bevezetés időszakában, amit már mindenképpen külső segítséggel kell áthidalni (rendszerszállítók, külső tanácsadók). 130
EME A külső segítségnyújtás hatására bekövetkező javulása ezután már sikeresen átsegítheti a létező céget a rendszer bevezetésének további nehézségein. 3. A vállalatok CIM-rendszerek iránti igényei és tapasztalatai A C.I.M rendszerek alkalmazói nem csupán elszigetelt automatizálásra
törekszenek
az
vállalatoknál, hanem ma már a számítógépes integrálás egyre szélesebb stratégiai koncepciót fog át, és az átalakulás a vállalati funkciók és információs folyamataik egészét érintik. A számítógépes rendszerek alkalmazását elősegíti, hogy csökken a termékek korszerűségi élettartama, fel kell gyorsítani a gyártás műszaki előkészítését, ezen belül a termék és a technológia összehangolt fejlesztését. Rövidebb idő áll rendelkezésre az új, javított minőségű termékfajták piacra vitelére, a verseny hatására mind rövidebbek lesznek a szállítási határidők, ez mind indokolja a CIM rendszerek alkalmazását. A látványos eredmények mellett a CIM elméleti és ipari gyakorlata egy sor, még máig megoldhatatlan problémákat is felvetnek a vállalatoknál. Ezek a problémák között egyaránt megtalálhatók rendszertechnikai, gazdaságossági és termelésszervezési-logisztikai kérdések [6], Nagyszámú nemzetközi szakirodalomban utalás található arra, hogy egy néhány kezdetleges sikeres CIM-rendszerek implementáció után sok CIM-tervet abbahagytak,
mások viszont
csak
részeredményeket hoztak. Ezeket a részleges vagy teljes kudarcokat a szakirodalmak főként két okkal magyarázzák [6] : - a vállalatok nem értették meg az integráció stratégiai szerepét, ezért helytelen célokkal és alkalmazási körrel alkottak CIM terveket, - a vállalatok nem fordítottak elegendő figyelmet a CIM implemen-tációra, az általa geijesztett szervezési, speciális és kulturális változásokkal. A németországi szakirodalom által ismertetett felmérések szerint a vállalatok fele már nemcsak egyedi alkalmazási lépéseket, hanem az elemek összekapcsolására irányuló fejlesztéseket végez, és 80%-uk bír valamilyen irodai automatizációs technikával. A megkérdezett vállalatok több mint fele már 5 CIM komponenst alkalmaz, azaz többnyire adottak a technológiák alkalmazási feltételei [4]. Sajnos, ugyanez nem állítható a hazai vállalatokról. E témakörben végzett felmérések [1] azt igazolják, hogy számos hazai vállalat rendelkezik e technikák alapelemeivel. E technológiákkal való
barátkozás
először az irodai kommunikáció, adminisztratív munka
területén jelentkezik, viszont az új gyártási technológiák terén lényeges lemaradások vannak. Egy-egy cégnél fordul elő gépesített anyagkezelés, számítógéppel irányított anyaggazdálkodás, számítógépes termelési programtervezés. A vállalatok csupán 50-70%-ánál
jelenik meg a beszerzés
tervezésének szintjén a CAD, illetve a CAM rendszer [5], A hazai vállalatok lemaradásuknak okait a következő nehézségeknek felmerülésével, azok megoldatlanságában látják : - rossz tapasztalat az ismert új technikával és gyártójával kapcsolatosan (nem kiérlelt technika, elégtelen tanácsadás, rossz szerviz stb.), - információhiány az alkalmazási lehetőségekre vonatkozóan, - finanszírozási problémák, - nagy ráfordítási igények, szervezeti változtatások szükségessége, (átképzés, stb ), - áttekinthetetlen piaci kínálat, - a vállalati vezetés konzervatív beállítottsága, 131
EME - személyi hiányosságok (kvalifikáció, elfogadási készség hiánya), - garanciák hiánya a bevezetésre vonatkozóan, - a saját vállalat alkalmatlan az ilyen rendszer kialakítására. Megállapítható, hogy a legtöbb hazai vállalat a finanszírozási problémákat helyezi előtérbe, de fel kell hívni a figyelmet az eladók, a kínálók marketing gyengeségeire is, melyek az információhiányban, sikertelen nem meggyőző értékesítési aktivitásban nyilvánul meg. Viszont arra is szükséges felhívni a figyelmet, hogy CIM-rendszerek megvalósításával együttjáró gondok nemcsak egyszerűen a beszerzők szubjektív hibájából vezethetők le, hanem a megválasztandó rendszer komplexitásából, bonyolultságából, sokirányú hatásokból következően jelentkező korlátokból is adódnak. Alig egy évtized alatt klasszikussá és világszerte ismertté vált CIM modellek dinamikusabban változó környezet figyelembevételére elméleti szempontból is alkalmatlanok, a részsikerek mellett sok száz millió dolláros veszteségeket produkált a gyakorlati megvalósításban, és még a termelési kultúra legmagasabb szintjét képviselő iparvállalatoknál is 20-30% létszámleépítést okozott [6], Mindezek ismeretében a modem olasz telekommunikációs ipar által finanszírozott, többéves kutatás-fejlesztési projekt keretében olyan felfogás alakult ki, hogy a CIM nem vesztette el létjogosultságát, de fogalomkörének és szerepének újradefiniálása elkerülhetetlen [3], [6]. IRODALOMJEGYZÉK 1.
Bajáky Zsolt : CIM-rendszerek Gépgyártástechnológiai Tanszék, 1994.
Marketingje,
Közgazdasági
szakdolgozat,
2.
Cserhalmi Ferenc : A számítógéppel integrált gyártás irányzatai. Műszaki Információ, Ipari Automatizálás, 1992, 1. szám, p. 17-24.
3.
Gianluca Spina and Roberto Vergantí : Densingning and Implementing CIM to Support the Lean Production Paradigm. In " Realising CIM's Industrial Potential", C.Kooij, P. A. MacConaill and J.Bastos, Eds., IOS Press, 1993.
4.
Piskoti István : CIM - technológiák marketingje I. Marketing, 1991, 5-6 szám, p. 257-261.
5.
Piskoti István : CIM- technológiák marketingje IL, Marketing, 1992, 1. szám, p. 11-15.
6.
Tóth Tibor : A számítógéppel integrált gyártás (CIM) fogalomküre T4234. kutatási jelentés, ME Informatikai Intézet, 1994.
Bajáky Zsolt, egyetemi tanársegád 3515 Miskolci Egyetem, Gépgyártástechnológiai Tanszék Telefon : 00-36-46-365-111/15-84 Fax: 00-36-46-364941 E-mai : [email protected]
132
ME
és hatásterületei, OTKA
EME
NEMVEZETŐ KORRÓZIÓVÉDŐ BEVONATOK VIZSGÁLATA SZÁMÍTÓGÉPPEL TÁMOGATOTT ELEKTROKÉMIAI MÓDSZERREL Gál Sémer Sándor
Összefoglalás
A korszerű technikai fejlesztésben, energiatermelésben és környezetvédelemben a korrózió egy jelentős korlátozó tényezőt jelent, ugyanis az országok bruttó nemzeti össztermékének 3-4%-át a korrózió okozta károk emésztik fel. Az irodalmi utalásokból látszik, hogy a korrózió lassanként napi témává válik [1]. Célunk egy laboratóriumi illetve ipari körülmények között is alkalmazható műanyag bevonatok jóságának vizsgálatára alkalmas számítógéppel támogatott mérőrendszer kialakítása volt. A mérés alapja a bevonat ellenállásának mérése a bevonat felületén. A mérőrendszer egy számítógépből, mérőkártyából, elektródamozgató rendszerből és munkaelektródból
áll. A
kiépített hardvert az általunk kifejlesztett szoftver vezérli. Adatfeldolgozó szoftverünket mérési adatok alapján generált adatokon teszteltük és az elvégzett statisztikai vizsgálatok eredményei alapján állíthatjuk, hogy módszerünk alkalmas a bevonatok jóságának vizsgálatára, és a kiépített szoftver jelentős segítséget nyújt a bevonatok minőségének kiértékelésében. Fejlesztési tervek: •
Az oszlopdiagrammok térhálós ábrákkal történő helyettesítése.
•
Tizenkét bites A/D átalakító alkalmazása a mérés pontosságának növelésére.
•
A mérőrendszer alkalmazása görbült felületek vizsgálatára.
Kísérleti módszer
Tanszékünkön a korróziót elektrokémiai módszerekkel vizsgáltuk. Mivel nemvezető korrózióvédő bevonatok vizsgálatáról volt szó, nem alkalmazhattuk a vonatkozó szakirodalomban javasolt voltammetriás módszereket a hidrogén adszorpció sebességi állandójának meghatározására, vagy nem vizsgálhattuk a korróziós inhibitorok hatását a Tafel meredekségre, mivel ezen esetekben a beoldódás jelenségével kellett volna számolnunk, a mi feladatunk pedig éppen a bevonat porózusságának vizsgálata volt. Megállapítottuk, hogy a műanyag bevonatok jóságának vizsgálatára az ellenállás mérése a legalkalmasabb [2], Az erre vonatkozó szakirodalmi utalások szerint a polarizációs görbe alakját jelentősen
133
EME befolyásolja a két elektród közötti ellenállás. Ennek mérésére intézetünkben egy kísérleti berendezést fejlesztettünk ki. A mérőberendezés több fejlesztési változaton esett át: •
Az első változatnál egy referens elektród alkalmazásával, kételektródos rendszerben mérték a kialakult galvánelem polarizációs áramát, és egy vonal mentén jellemezni tudták a bevonat minőségét.
•
A második változat egy Commodore 64-es számítógépet használt fel adatgyűjtésre. A számítógépet egy AD átalakító segítségével csatolták a mérőberendezéshez. A módszer lényege a következő volt: a vizsgálandó felületre egy műanyag keretet ragasztottak, a felületet elárasztották elektrolittal, ebbe merült a klórozott ezüst elektród. Ezzel a változattal immár x-y irányban jellemezni tudták a bevonat jóságát. A módszer hátránya, hogy a lemez-elektród távolság növelésével nő az elektród hatósugara, és csökken a felbontóképesség. Adott elektród-lemez távolság esetén nem növelhető a mérési pontok száma egy adott vonal mentén, mert a mért adatok nem lesznek függetlenek egymástól.
•
E hiány pótlására fejlesztettük ki a harmadik változatot, mely még csak kísérleti fázisban van. Ennek lényege, hogy az elektrolitot egy kapillárison keresztül lőjük az elektródra, ezáltal az elektród hatássugara 1 mm körüli értékekre csökken. További előny, hogy e berendezés nemcsak vízszintes felületek vizsgálatára lesz alkalmas, hanem ha megoldjuk a felfogását, akkor függőleges falak, mennyezet vizsgálatára, sőt akár görbült felületek vizsgálatára is alkalmassá tehető. A módszer felbontóképessége jelentősen megnőtt, az elektród csökkent hatássugarának köszönhetően. A mérőrendszer fejlesztésénél ki kellett választani a géptípust, a mérőkártyát illetve a programozási
nyelvet. • Napjainkban a 16 bites, 32 bites számítógépek, elsősorban IBM PC - k, illetve az ezzel kompatibilis típusok elteijedésének lehetünk tanúi. Ugyan más típusú gépek is kaphatók, melyek néhány jellemzője jobb, mint az IBM PC-é, de mind szoftver ellátottságban, mind árban egyértelműen a PC-k az alkalmasabbak. Mérésre, vezérlésre illetve a mért adatok kiértékelésére egy IBM-AT 486-os számítógépet használtunk. •
A kémiai mérések elvégzéséhez a számítógépbe bővítő kártyát kell illeszteni [3], Sokféle bővítő kártya létezik. A leggyakrabban használt kártyák jellemző paramétereit az 1. táblázat foglalja össze: l.Táblázat: Mérőkártvák jellemző paramétereinek összehasonlítása Kártya ^ — _ tipus Jellemzők \ Frekvencia Felbontás Mérhető feszültség tartomány Analóg bemenet Analóg kimenet Digitális bemenet Digitális kimenet Hiba
PCL-711
DAS-50
DAS-40
DAS-HRES
40kHz 12 bit ±5V
1000 kHz 12 bit 0+5V, 0 +10V, ±5V 4
250 kHz 12 bit 0 +10V ±5V, ±10V 8/16 2 16 16 ±0.03%
47.6 kHz 16 bit 0+5 V, 0+10V, ±5V, 8 2 8 8 0.03% ±1 bit
8 1 16 16 0.015% ±lbit
-
-
±0.03%
134
EME Az említett kártyák ára a paramétereik függvényében változik. A méréseinkhez a PCL-711S kártyát választottuk. •
Az analitikai alkalmazásokhoz nem elegendő a számítógép, hanem megfelelő szoftverekre és interfészekre van szükség. A konkrét analitikai meghatározásokra, a méréstípusok speciális igényeinek megfelelő rendszereket kell kifejleszteni. Mivel a
Windows erősen támogatja a grafikák, a
képernyőablakok kezelését és sok más hasznos lehetőséggel is rendelkezik úgy döntöttünk, hogy a mérőrendszert Windows operációs rendszerben fog működni. Figyelembe véve a nagy adatmennyiséget a gyors, korszerű adatkiértékelés érdekében célszerű volt egy a saját céljainknak megfelelő szoftvert fejleszteni. A program segítségével vezéreljük az adatgyűjtőt és a mérés befejezése után gyors, az elemzés szempontjainak megfelelő, a vizsgált bevonat minősítését elősegítő jelentés készíttetünk. Nem zárkóztunk el a statisztikai szoftverek (pl. Systat) használatának lehetőségétől sem. A szoftver adatait a Systat, Excel vagy más szoftver is elfogadja. A kidolgozott szoftver Borland Pascal for Windows 7.0 programozói közeggel készült.
A felületelemző szoftver ismertetése Mivel a kísérleti berendezés még fejlesztés alatt van, ezért az eddigi kísérleti adatok alapján generált adatokkal dolgoztunk.
Kvázi, három dimenziós forgatható ábrák segítségével a felület térben
megjeleníthető. A jobb szemléltetés érdekében a mérési értékekhez színárnyalatokat rendeltünk hozzá. Az AD átalakító által a 0-lV-ig teijedő jelre 0-255 közötti digit értékeket kapunk. A 0-hoz zöld színt rendeltünk hozzá, a 255-höz pirosat. A kettő közötti értékeknek a nagyságuk függvényében kikevert színárnyalat felel meg (Az előző mérések Commodore 64 számítógéppel történtek, melyhez egy tizenhat csatornás 8 bites A/D átalakítón keresztül csatlakoztatták a mérőrendszert, ennek köszönhető a kis felbontás). Az elektródot x irányban egy léptetőmotor mozgatta, a sor letapogatása után egy másik léptetőmotor segítségével az elektródot y irányban elmozdítva újabb sor elemzése végezhető el. A letapogatás sűrűségét az elektród hatássugarának figyelembevételével a szoftver segítségével beállíthajuk. A felülnézeti ábra jól szemlélteti a felület hibáit. Adott sor az egér segítségével kijelölhető, és külön is ábrázolható és kiértékelhető (1. ábra).
1. Ábra: 11. y-sor metszete 135
EME Az adatok elemzése után általános jelentést készíttethetünk, mely magába fogja foglalni a lemez méreteit, a mérési átlagot, a szórást, az adatok eloszlását Xk±3S tartományban, majd mindezt megkapjuk soronkénti felbontásban is. Ebben az esetben a hibahelyeknek megfelelő értékeket kiugoijuk. Ezek után megkapjuk a hibák soronkénti százalékos eloszlását, értékét, eltérését az átlagtól, és a lemezen elfoglalt helyük koordinátáit. A jelentés rövidített változatát a 2.táblázat szemlélteti. A metszet elkészíttetésével a csúcsról külön jelentést is készíttethetünk, ugyanis a csúcs interpolálásra spline függvényt alkalmaztunk. Az eljárás a spline-ot harmadfokú polinom darabokból rakja össze, oly módon, hogy az első és másod rendű derivált folytonos, az illesztett görbe pedig a legsimább legyen. A spline-ot felhasználva a csúcs alatti terület kiintegrálható, és belőle mennyiségi következtetéseket lehet levonni a hibahely nagyságára vonatkozóan (3. táblázat). 2/TáWázat^ltaláno^eJeiüés A vizsgált védőréteg jellemzői Szélesség (x) [mm] Hosszúság (y) [mml 120 100 A teljes fe ületre vonatkoztatott (hibákat leszámítva): Szórás Átlag Eloszlás (Xk+3S)[%1 2.2834 100 13.475 Hibaszázalék (%) 4.24 Teljes felületre 18 11. sor 10 36. sor 3. Táblázat: Metszetek Spline függvénnyel számított csúcs alatti terület (digit*mm) 240 11. sor 36. sor 90 A mérési adatok függetlenségvizsgálatát [4] különféle ábrázolásmódok segítségével vizsgáltuk, korróziós hibahelyet nem tartalmazó, illetve tartalmazó adatsorok esetében Irodalom [1] TAGESZEITUING FÜR BRAUEREI, 85, 12, 1985 [2.] RÓNAY D.: A felületi áram- és potenciáleloszlás vizsgálata galvánelektródos rendszerben Magy. Kém. Lapja (40) 8, 327-332, (1985) [3 ] HÁZI J., DARUHÁZI L„ PINTÉR Ö., HAGY F.: IBM PC kompatibilis számítógépek analitikai alkalmazásának lehetőségei - Magy. Kém. Folyóirat (94) 5, 198-203, (1988) [4 ] BUJTÁS P. - LEISZTNER L.: Analitikai mérési eredmények minőségbiztosítása - Budapest, GLP Kft, 1991 Gál Sémer Sándor MISKOLCI EGYETEM, Fizikai-Kémiai Tanszék H-3515 Miskolc-Egyetemváros, Fax: 0036-46-311140, E-mail: [email protected]
136
EME
PELTIER TERMOELEKTROMOS EFFEKTUS ALKALMAZÁSA FÉLVEZETŐ TÍPUSÚ RENDSZEREKRE Balázsi Csaba
Összefoglalás
A kristálynövesztés tanulmányozásánál a szilárd-olvadék határfelület megfigyelése és időbeni jellemzése egy alapvető célkitűzés. A határfelület mozgási sebessége (R, frontsebesség) és a G/R hányadossal jellemezhető határfelület morfológiája (G, hőmérséklet gradiens) a kialakuló szövetkép meghatározó paramétere. A kristályosodó fémötvözeteknél, ellentétben az átlátszó anyagoktól amelyeknél a megfigyelésre korszerű videotechnika alkalmazható, nehezen követhető a szilárdulás közbeni határfelület változás. Az alábbiakban ismertetett, a Peltier termoelektromos effektuson alapuló markerezési technika alkalmazásával kiküszöbölhetőek a korábbi hagyományos eljárások (a termoelemes méréstechnika) bizonytalansági tényezői. Az irányítottan, a Bridgman-Stockbarker eljárással kristályosított BiSb-AlNiSb, SnBi előkísérletek- ötvözetek szilárd-olvadék határfelületén keresztül átbocsátott áramimpulzusok hatására „zavart" határfelület jelentkezik. Gondos polírozással, maratással előkészített próbadarabokon és megfelelő vizsgálótechnikával, a határfelületen kialakult, különböző időpillanatokhoz tartozó koncentráció változás okozta csíkok figyelhetők meg. így, az átlagos frontsebesség a fényképen mérhető csíktávolságokból és az áramimpulzus ismétlési idejéből pontosan meghatározható. Optimális markerezési lehetőségeket keresve kísérleteinkben a határfelület megjelölésére különböző paraméterű áramimpulzusokat és ampulla felépítéseket használtunk. A vizsgálatok során számos frontmegjelölési technikát befolyásoló tényezőt figyeltünk meg.
A határfelületi jelenség kialakulása
A határfelület megjelölése az olvadék-szilárd felületen kialakuló termoelektromos effektus eredménye, amelynek hatására, az áramirány függvényében hűlés vagy hőfejlődés következik be, ami a frontsebesség növelését vagy csökkenését okozza. Amint az 1.ábrán látható, a Peltier hűlés hatására megnövekedett sebességű határfelület mintegy „magába falazza" az egyensúlyi koncentrációnál kisebb (Cr< C0) koncentráció értékkel jellemezhető szilárduló részt.
137
EME r,
ni Cl
l«
c.
£
C.
Front
X
200 \x V
2. ábra
lábra
A lóBiSb próba markervonalai
A koncentráció különbség kialakulása
A kristályosodó próbán keresztül átbocsátott áramimpulzus hatására különböző hőeffektusok jönnek létre.[l] A próba tömegében Joule hő szabadul fel és a hőmérséklet gradiens jelenlétében Thomson hő keletkezik illetve hűlés jön létre. A Joule hő az áramerősség négyzetével arányos , a Thomson és a Peltier effektusok az áramerőséggel arányosak és így függnek az adott áramiránytól is. A próbán megjelenő koncentráció különbség okozta csíkok e három effektus együttes hatására jönnek létre. Megállapítható hogy pozitív áramiránynál hűlés jön létre és ezáltal növeli a frontsebességet míg negatív áramiránynál a front lassulása sőt nagyobb áramerősségnél a megszilárdult rész visszaolvadása következik be.
Az anyagválasztás szempontjai
Bizonyítható [1], hogy a szilárd-olvadék határfelület közelében a Peltier hűlés dominanciája hozza létre a frontsebesség növelését. így az anyag Peltier száma az alábbi összefüggéssel jellemezhető [2]:
(1)
Ahol, Se - az anyag Peltier száma, v - elektromos vezetőképesség, K - hővezetőképesség, 6 - a határfelület hőmérséklete, S - termoelektromos erő, sz,o - szilárd ill. olvadék állapot. A Peltier hűlés által elvont hőmennyiség, Q p = -Se I. így fontos szempont az anyagok kiválasztásánál a termoelektromos erő nagy különbsége szilárd és olvadék állapotban és az alacsony hővezetőképessége Ezeknek a követelményeknek elsősorban a félvezetők felelnek meg. A fémek Peltier száma 10"3 -10"' , a félvezetőké 10"2 -1 között változik. Az általunk markerezésre használt legmegfelelőbb anyag a BiSb ( k B ; = 8 W / m K és S . B i s b ~ 0 . 1 . )
138
EME Anvagelőkészítés
A 99,99 %-os tisztaságú (Sn, Bi, Sb) színfémekből kindulva, analitikai mérlegen pontos méréssel meghatározott összetételű anyagokat olvasztottunk össze. Az ellenállásfütésű kemencékben a Bi-ba Sb ill. Sn beötvözése szilikatégelyben történt. A koncentráció különbség létrejöttén alapuló jelenség akkor lehet eredményes ha az alapmátrixban (Bi) homogén a dopoló (Sb) eloszlása. Ezért a fémformába öntés előtt 350-400 C° kemence hőmérsékletnél (T0|vbí= 271 C°) 10-15 percig homogenizáltuk az anyagot
Kísérleti eszközök
'—. 2
Ö
5
"ái
> » »
»s =
i
•
i
7 P
JP
URHf
—1
8
l ~ A
3.ábra A kísérleti berendezés felépítése
Ahol, 1 -. kemenceszabályzó, 2 - kristálymarkerező, 3 - négy fűtőzónás kemence, 4 - ampullatartó, 5 huzal, 6 - mozgató mechanizmus, 7 - számítógép, 8 - adatgyűjtő, 9 - jégtartály ( 0°C )
A 3.ábrán látható berendezésnél, a különböző anyagok (BiSb, BiSn, AlNiSb) olvasztásakor a megfelelő hőmérsékletet biztosító kemencezónákat üzemeltetjük. AlNiSb esetében kvarc, BiSb-ban pedig Pyrex ampullát használtunk. Az olvadék megszilárdulása az anyag alján kezdődik és az olvadék-szilárd határfelület fokozatosan, adott leeresztési sebességgel ( R ^ m
=0.85-0.0213 mm/s) haladt végig az
ötvözeten. A kristályosító zónáinak szabályozását digitális kijelzésű PID szabályzók végezték. Minden kristályosításkor azonos pozícióban lévő Ni-CrNi termoelemek segítségével mért hőmérsékleti adatokat az ADM8 jelzésű mérésadatgyűjtő dolgozta fel. A végeleges hőmérséklet adatfájlt Turbo Pascal program állítja össze. A markerező berendezés a hozzá kapcsolt zárt áramkörön keresztül különböző időtartamú (1 |J.s250ms), erősségű (0.1-40A) áramimpulzusokat generált. Az impulzusok közötti idő ls-tól 1000 min-ig változtatható ill. minden 10. vagy 5. impulzus kihagyható.
139
EME Termohidrodinamikai vonatkozások
Az olvadékáramlások mellett, a próba kristályosodása során a csökkenő olvadékmagasság nagymértékben befolyásolja az
olvadék
termohidrodinamikai
viselkedését.
Turbulens,
oszcilláns
és
lamináris
olvadékáramlások váltakoznak ahogy előrehalad a kristályosodás. [3], A vertikális Bridgman technikával kristályosodó rendszerben, az olvadék hidrodinamikai jellemzésére gyakran használatos [4] a Rayleigh dimenzió nélküli szám ami az olvadékmagasság negyedik hatványával arányos:
Ra =
Ahol, g - gravitációs állandó, a
gaGh
(3)
t|D
- fajtérfogatváltozás tényező, G - hőmérsékletgradiens, h -
olvadékmagasság, t| - kinematikai viszkozitás, D - termikus diffúzió tényező
Kísérleteinkben bizonyítást nyert a markerezési technika alkalmazhatósága a szilárd-olvadék határfelület nyomonkövetésére és morfológiájának vizsgálatára. Pozitív áramiránynál, nagy áramsürűségnél (100-200 A/cm2), 120-200 ms impulzusszélességnél értünk el eredményeket. További kísérleteinkhez, figyelembe véve a kristályosodás során fellépő zavaró tényezőket az eddig alkalmazott ampulla felépítések előnyeit ötvöző ampulla kialakítást készítünk elő.
Irodalom
[1] L.N BRUSH, S.R CORIELL: Directional solidification ofi a planar interface in the presence of a tíme-dependent electric current - J.Crystal Growth 102 (1990) 725-742 [2] R. MOREAU: Thermoelectric magnetohydrodynamics effects on solidification of metallic alloys in the dendritic régim - Materials Science and Engineering, A173 (1993) 93-100 [3] K.M KIM : Morphological instability under constitudonal supercooling during the crystal growth of InSb from the melt under stabilizing thermal gradient - J.Crystal Growth 44 (1978) 403-413 [4] G.MÜLLER: Convectíon and Inhomogenitíes in Crystal Growth from the Melt - Instítut fur Werkstoflwissenschafiten, Universitat Erlangen - Numberg
Balázsi Csaba MISKOLCI EGYETEM, Nemfémes Anyagok Tanszék H-3515 Miskolc-Egyetemváros, Fax: 0036-46-365-924, E-mail: femsum@gol
140
EME TARTALOMJEGYZÉK
ELŐSZÓ 1. SZILÁGYI SÁNDOR, MOLDOVÁN ISTVÁN. SZILÁGYI LÁSZLÓ „ Új lehetőségek az orvostudományban az EKG jelek feldolgozása terén " 2. TORKOS CSILLA, KLF.MENTIS O l T Ó , SORIN GROZAV „Támolygó alakító prés számítógépes tervezése" 3. MÁTÉ MÁRTON „Az egyenesfogú metszőkerék szerszámkapcsolószögének 4. JANKA ZOLTÁN. MÁTÉ MÁRTON ..Szerszám az egyenesfogú evolveriskerekek
optimálása"
megmunkálására
hosszirányú
hordósítással"
5. MAGYAR ATTILA „ A 2 — D-s marás algoritmusa
6. KOLOZSVÁRI ZSOLT „A szerszámgépek moduláris 7. TÓTH GÁBOR „CAD/CAM rendszerek 8. GERGELY ISTVÁN „Korszerűszerkesztési-
SFCAM környezetben
történő CNC
programozáshoz"
tervezése"
felépítése"
és technológiatervező
rendszerek"
9. KISMIHÁLY JÁNOS ,,A robotizálás alapjai a gyártásban
és
10. DEMETER ANDREA „Szénhidrogén-szállító
meghibásodásának
csővezetékek
szerelésben"
javítási
módszerei"
11. KISMIHÁLY JÁNOS, GYENGE CSABA „Fogfelületek képzése hipoid kerekeknél" 12. JOHANYÁK EDIT .,Fázisátalakulások
és belső
feszültségek"
13. JOHANYÁK ZSOLT CSABA ..Számítógéppel segített hiba-lehetőség
és hiba-hatás elemzés "
14. KLEMENT1S OTTÓ. TISZA MIKLÓS, PÁLFALVI ATTILA „ Tudásalapú rendszer tömör térfogatalakító technológiák 15. SZŐCS GÁBOR, BENKŐ ATTILA „Szekvenciális vezérlők programozásának
tervezésére"
oktatása"
16. ÉGLY ISTVÁN „Az ultrahangos defektoszJcópia tanulmányozása. interfész tervezése "
141
Ultrahang-generátor
lapka és
adatgyűjtő
EME 17. ADORJÁN GÁBOR „Hegesztett szekrény szelvényű darufőtartó 18. BÍRÓ ZSOLT .Minőségbiztosítási
rendszerek által megoldható
19. GÁDORI ATTILA „Bonyolult felületek előállítása 20. FÜLÖP TIBOR ,,A homogenizációs
optimális
feladatok"
és megmunkálása
technika alkalmazása
az EUCLID3 CAD/CAM
porózus
21. ZSÁMBOKI SÁNDOR „Munkahenger sorozat tervezése és modellezése felhasználásával"
méretezése"
rendszerben"
anyagokra''
a parametrikus
tervezés
lehetőségeinek
22. TI IRT PÉTER „ Váltólapkák tervezése és gyártása " 23. DUDÁS LÁSZLÓ „Fogazott felületpárok kapcsolódásgeometriai és gyártásgeometriai megoldása a Surface Constructor programmal" 24. MIHÁLCZ ISTVÁN „ Automatikus szerszám- és megfogócserélő
fejlesztése
ipari
25. VIHAROS ZSOLT JÁNOS „ Megmunkált felületek minősítése neurális háló alkalmazásával 26. NÉMETH KÁROLY ,,A gyors prototípus készítő eljárásokkal megoldási lehetőségei"
kapcsolatos
27. VAJDA GYULA „ Információs rendszerek szerepe a forgácsolási 28. ZSÓK JÁNOS CSABA „A DFMA gyártmányfejlesztő
feladatainak
robotokhoz''
"
technikai problémák
adatok
program alkalmazásának
és azok
meghatározásánál"
eredményei"
29. EKÁRT ANIKÓ, PÉTER ISTVÁN „Folyamatok ütemezése" 30. HARMATI ISTVÁN „Kategóriákba sorolás a csőtávvezetékek 31. KOVÁCS JÓZSEF „Korai költségbecslés a technológiai módszer alkalmazásával" 32. BAJÁKY ZSOLT „ Vállalatok CIM-rendszerek 33. GÁL SÉMER SÁNDOR "Nemvezető korrózióvédő módszerrel" 34. BALÁZSI CSABA ' Peltier termoelektromos
élettartam-menedzselésében"
előtervezés
szakaszában
iránti kereslet és kínálat
142
intelligencia
sajátosságai"
bevonatok vizsgálata számítógéppel
effektus alkalmazása félvezető
mesterséges
támogatott
eleidro
típusú rendszerekre "
kémiai
