Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Kar Szerszámgépek Tanszéke 3515 Miskolc-Egyetemváros
DIPLOMATERV Feladat címe:
OKTATÁSI CÉLÚ MARÓGÉP TERVEZÉSE
Készítette:
VERES PÉTER Levelező, MSc szintű, gépészmérnök szakos, Szerszámgépészeti és Mechatronikai szakirányos hallgató
Tervezésvezető:
Dr. TAKÁCS GYÖRGY egyetemi docens Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke
Konzulens:
Dr. SZILÁGYI ATTILA egyetemi docens Miskolci Egyetem Szerszámgépek Tanszéke
2
Tartalomjegyzék 1 Tartalom 1.
Bevezetés......................................................................................................................................... 8
2
Gyártórendszerek ismertetése ...................................................................................................... 10
3
4
2.1
Rugalmas Gyártórendszerek .................................................................................................. 10
2.2
A gyártórendszerek fejlődései ............................................................................................... 11
2.3
A gyártórendszerek részei ..................................................................................................... 11
2.4
Számítógéppel integrált gyártórendszer: CIM....................................................................... 14
2.5
Számítógéppel segített tervezés és gyártás: CAD/CAM ........................................................ 14
CNC Maró konstrukciója ................................................................................................................ 16 3.1
Gépek elvi felépítésének vizsgálata ....................................................................................... 16
3.2
Konstrukciók elemzése .......................................................................................................... 18
CNC gép építő elemei .................................................................................................................... 21 4.1
Gépágy ................................................................................................................................... 21
13. ábra Isel alumínium zártszelvény ............................................................................................ 22
5
4.2
Vezetékek .............................................................................................................................. 22
4.3
Mozgató elemek .................................................................................................................... 23
4.4
Hajtás ..................................................................................................................................... 24
4.5
Útmérők................................................................................................................................. 25
Marógép alapstruktúrájának elemzése ......................................................................................... 27 5.1
6
7
8
Mozgások vizsgálata .............................................................................................................. 27
Követelményrendszer.................................................................................................................... 29 6.1
Tervezési követelmények: ..................................................................................................... 30
6.2
Funkcionális Követelményjegyzék ......................................................................................... 30
6.3
Gyártási követelmények: ....................................................................................................... 31
6.4
Üzemeltetési követelmények: ............................................................................................... 31
Méretezés ...................................................................................................................................... 32 7.1
Főhajtómű mértezése ........................................................................................................... 32
7.2
Palást-Homlokmarás ............................................................................................................. 34
7.3
Homlokmarás ........................................................................................................................ 36
7.4
Mellékhajtás méretezése ...................................................................................................... 38
7.5
Golyósorsó méretezése ......................................................................................................... 44
CNC Gép felépítése ........................................................................................................................ 49 3
9
8.1
Gépaszta ................................................................................................................................ 49
8.2
Tartó elem ............................................................................................................................. 50
8.3
Szánszerkezetek..................................................................................................................... 51
8.4
Rögzítő lapok ......................................................................................................................... 51
8.5
LES 6 lineáris egység .............................................................................................................. 53
8.6
LES 5 lineáris egység .............................................................................................................. 54
8.7
Munkaasztal .......................................................................................................................... 57
A CNC maró összeállítási rajza ....................................................................................................... 58
10 Összefoglalás ................................................................................................................................. 59 11 Irodalomjegyzék ............................................................................................................................ 60
4
EREDETISÉGI NYILATKOZAT
Alulírott ……………………………………………………….; Neptun-kód:………………… a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karának végzős ………………………… szakos hallgatója ezennel büntetőjogi és fegyelmi felelősségem tudatában nyilatkozom és aláírásommal igazolom, hogy ……………………………………………………………………………………………… című szakdolgozatom/diplomatervem saját, önálló munkám; az abban hivatkozott szakirodalom felhasználása a forráskezelés szabályai szerint történt. Tudomásul veszem, hogy szakdolgozat esetén plágiumnak számít: szószerinti idézet közlése idézőjel és hivatkozás megjelölése nélkül; tartalmi idézet hivatkozás megjelölése nélkül; más publikált gondolatainak saját gondolatként való feltüntetése. Alulírott kijelentem, hogy a plágium fogalmát megismertem, és tudomásul veszem, hogy -
plágium esetén szakdolgozatom visszautasításra kerül.
Miskolc,.............év ………………..hó ………..nap
…….……………………………….… Hallgató
5
6
Summary CNC machines are getting more and more important in today’s industry. Nowadays CNC technology is not exceptionally used in industrial environments but is also very popular for hobby, DIY and educational purposes. As CNC-technology is continuously spreading its education has become a necessity. The goal of my thesis was to plan a special CNC milling machine for such educational purposes, which is capable of creating smaller workpieces, engraving and machining of plasti and light alloy workpieces. During the preparation of my thesis I got to know the history of the development of manufacturing systems, their evolution and the possible structure of manufacturing systems. I got familiar with the function and detailed structure of milling machines, e.g. the controls, drives, motors and harnesses. I analysed the most common machine structures and movement relations, and after evaluating the different versions I chose the version that most suited my requirements. After the evaluation of the different movement relations and versions I was able to put down the requirements summary for the CNC milling machine for educational purposes. In the following chapters I performed the dimensioning of the components. Based on the milling performance I was able to determine the needed power output of the motor. I did this according to a specific milling test. I also determined the torque of the stepper motors that is required for the movement of the sleighs. Furthermore I checked the other pair of driving components, i.e. the ballscrew and ball nut. As the last step of the planning process I prepared the complete 3D model of the milling machine with help of an NX planning system. Based on this I also prepared the required 2D assembly drawing.
7
1. Bevezetés A különböző gépi megmunkálási technológiák szüntelen továbbfejlődésén belül a gépek szánvezérlésének megjelenése nagyon jelentős lépés.
A bonyolult NC gép beszerzési ára miatt a gép költségek általában magasak, azonban az előkészületi költség kicsi. A hagyományos, mechanikus vezérlésű automatáknál ez éppen fordítva van. Egy bizonyos darabszámnál kisebb gyártási volumenesetében a számvezérlésű gép lesz gazdaságosabb. A számvezérlésű gép felépítésénél fogva ugyanakkor még, például adaptív vezérléssel, jobban biztosítja a maximális, illetve optimális teljesítményt, amely gazdaságosságát növeli.
Az NC - technika, amely a N umerical C ontrol angol szavak kezdőbetűiből származik és a magyar fordítása "számvezérlés" – létrejöttét, fejlődését az alábbi évszámokhoz és kutatókhoz köthetjük:
- 1808. J. M. Jaoquard, francia selyemszövő és mechanikus a róla elnevezett szövőszéken lyukkártyákat alkalmazott. Ez jelentette a cserélhető adathordozó feltalálását.
- 1938. C. E. Shannon, amerikai matematikus doktori disszertációjában arra az eredményre jutott, hogy gyors számítás adatátvitel csak bináris formában, a Boole algebra felhasználásával történhet és a megvalósítás eszközei az elektronikus kapcsolók lehetnének. Shannon dolgozta ki a mai számítógépek, illetve számjegyvezérlések alapelveit.
- 1946. J. W. Mauchly és J. P. Eckert az USA-ban elkészítette az első digitális számítógépet. Ők teremtették meg az elektronikus adatfeldolgozás alapjait.
- 1949-52. J. Parsons és az M. I. T. (Massachusetts Technológiai Intézet) fejlesztett ki egy rendszert, amelyben a munkadarab megmunkálását közvetlenül egy számítógép vezérelte. Az elképzelés négy lényeges tétele, a következő volt:
1. Egy pálya elérendő pontjainak tárolása lyukkártyákon. 2. A lyukkártyák adatainak automatikus beolvasása a gépbe. 8
3. A beolvasott helyzetek folyamatos kiadása és közbenső értékek számítása annak érdekében, hogy 4. a szervomotorok a tengelyek mozgását vezérelni tudják.
Az első működő magyar NC-gép az ERS 200 szakaszvezérlésű eszterga volt, amit Csepelen gyártottak és az 1960-as BNV-n mutattak be. A szerszámgépet számok és betűk programozásával vezéreljük. A működtető program tetszőlegesen változtatható, ismételhető és megfelelő formában tárolható.
A CNC (C omputer N umerical C ontrol) olyan számvezérlésű berendezés, amely szabadon programozható mikroszámítógépet is tartalmaz. Működését alapvetően a beépített mikroszámítógép programozása határozza meg. Ezt a programot – kitörlődés ellen biztonságosan védve – a vevő készen kapja, ami a CNC – berendezés szoftvere. A szerszámgép állandóan optimálisan működtethető, mivel a CNC több részegységet vezérel, felügyel a kenésidőre, a holtjáték kivételére, a biztonsági reteszelésekre, az általános hibaállapot kijelzésére. Az iparban egyre szélesebb körben hódítanak teret a CNC gépek. Népszerűségüket a könnyű programozásnak, gyorsaságnak, pontos és termelékeny megmunkálásuknak köszönhetik. Bonyolult alakzatot, vagy nagy sorozatszámú alkatrészek gyártását teszik egyszerűbbé.
CNC technológiát már nem csak ipari körülmények között alkalmazzák, hanem egyre nagyobb teret kapott a hobby valamint barkács szintű felhasználásnál. A hobby szintű felhasználásnál nincs szükség μm-es pontosságra így jóval kisebb költségből valósítható meg. A gépek felhasználástól függően készen megkapható a piacon valamint házilag is elkészíthető megvásárolható alkatrészekből. Teljesítménytől függően szerelhető szervo motorokkal nagyteljesítmény szükséglet esetén, vagy pedig léptető motorokkal alacsonyabb terhelések esetén. Dolgozatomban a piacon készen megvehető, lehetőleg léptetőmotoros CNC maró- és gravírozógépek kerülnek majd bemutatásra, elemezve azok konstrukciós kialakítását is. [3]
9
2
Gyártórendszerek ismertetése
2.1
Rugalmas Gyártórendszerek
A modern, profitorientált termelővállalatok elsődleges célkitűzései közé tartozik a profit növelése és a termelés hatékonyságának növelése. Manapság, egy termelőüzem egyszerre több termék legyártására kaphat megbízást, melyeket hasonlóságuk miatt egyetlen gyártórendszerben is le lehet gyártani. Nagy tétel esetén a szükséges géppark kapacitását, a gyártás költségét és a szükséges időt szignifikánsan le lehet redukálni rugalmas gyártórendszerek alkalmazásával. A rugalmas gyártórendszerekben többcélú, számítógép vezérelt CNC gépek végzik a műveleteket, melyeket számítógép vezérelt anyagtovábbítórendszer köt össze. Ezek a gépek képesek egyazon szerszámkészlettel, többféle munkadarabon többféle művelet elvégzésére akár egyazon gyártási periódusban is (például egy műszakban). Ebből következve, az üzemnek kevesebb célgépet kell megvásárolnia, mivel a CNC gépek a jelenlegi és a jövőbeli termékek megmunkálásához szükséges műveletek nagy részét el tudják végezni. [1]
1. ábra Maróból, esztergából és kiszolgálórobotból álló mini gyártórendszer
10
2.2 -
A gyártórendszerek fejlődései A szerszámgép csoportok direkt numerikus vezérlése (direct numerical control DNC) a
késő hatvanas években jelentek meg először.
-
Rugalmas
gyártórendszerek
(flexible
manufacturing
system
FMS),
ahol
a
szerszámgépek automatikus szerszám- munkadarab cserélővel vannak ellátva és a rendszerek képesek voltak az on-line ütemezési feladatok bizonyos szintű ellátására (70-es évekbeli elterjedésűk ma is tart)
-
Számítógéppel integrál gyártás (computer integrated manufacturing), amely a
számítógéppel segített tervezés (CAD), folyamatvezérlés (CAPP) és gyártás (CAM) szintézisével jellemezhető.
-
2.3
Intelligens gyártórendszerek (intelligent manufacturing systems, IMS)
A gyártórendszerek részei
2. ábra Szerszámgépek
11
A forgácsoló szerszámgépek feladata alkatrészek (munkadarabok) előállítása forgácsoló alakítással. A forgácsoló alakítás elő gyártmányból indul ki, ami nagyobb a kész munkadarabnál. A megmunkálás során a szerszámgép viszonylagos mozgást hoz létre a szerszám és a munkadarab között olyan módon, hogy a szerszám forgácsoló éle által súrolt felület a nyers darab határoló felülete alatt van, tehát a szerszám behatol a munkadarabba. A forgácsoló szerszámgép lényege tehát, hogy két egysége az ezekhez rögzített szerszámmal és munkadarabbal előírt relatív mozgást valósít meg.
3. ábra Mérőgép
A kész munkadarabok méretének ellenőrzését teszik lehetővé a mérőgépek.
12
4. ábra Szállító és mozgató eszközök
Alapfunkciója a térbeli különbségek áthidalása, az anyagok, termékek helyváltoztatása meghatározott fel- és leadóhelyek között, emellett egyéb, pl. gyűjtési, elosztási, osztályozási funkciókat is elláthatnak. Pl: manipulátorok, robotok, konvejorok, stb.
4. ábra Számítógépek A folyamatok irányításáért és a gépek vezérléséért felelősek.
13
2.4
Számítógéppel integrált gyártórendszer: CIM
A számítógéppel integrált gyártás, a CIM a termeléshez kapcsolódó vállalat funkciók olyan integrált együttese, amelyben a funkciók informatikai folyamatait a számítógép támogatja és az alkalmazási modulok informatikai kapcsolatait helyi hálózat egységes adatbázis és üzenetszolgáltatások biztosítják. A CIM rendszerek integrált anyaga és adat feldolgozó rendszereknek nevezhetjük.
5. ábra Gyártórendszerek folyamatai
2.5
Számítógéppel segített tervezés és gyártás: CAD/CAM
A CAD/CAM rendszerek (Computer Aided Design and Manufacturing) különösen jelentős szerephez jutnak például az autó- és repülőgépgyártásban, az elektronikus áramkörök és a számítógépek tervezésében és gyártásában. E rendszerek elterjedése, hatékonyságuk főképpen a következőkkel magyarázható: -
a minőségi szellemi munkát jelentő tervezést mentesítik az automatizálható
rutinfeladatoktól
-
a tervek módosítása e rendszerekkel jóval kisebb ráfordítással, kevesebb hibával
elvégezhető
-
nem kell költséges prototípusokat megépíteni, a tervek szimulációval jól tesztelhetők
14
az újabb CAD rendszerek lehetővé teszik a megtervezett objektumok valósághű, foto minőségű megjelenítését is. Ez javítja a megrendelő és a tervező kommunikációját. Például egy megtervezett házat a megrendelő 3D szimulációval "bejárhat", megnézhet, az épület valós természeti környezetben is elhelyezhető. [5]
15
3
CNC Maró konstrukciója A tervezett CNC maró oktatási célra készül, így a tervezés során a következőket kell szem
előtt tartani.
3.1
•
Egyszerű felépítés
•
Gyorsaság
•
Költséghatékonyság
•
Későbbi tovább fejlesztés
•
Könnyen kivitelezhető legyen
•
Könnyen kezelhető legyen
Gépek elvi felépítésének vizsgálata
A gép alábbi főbb szerkezeti egységekből épül fel: • • • • •
gépágy gépasztal megmunkáló egységek előtoló berendezés vezérlő berendezés
A gépeket két fő csoportba lehet sorolni, mozgóportálos és konzolos gépek •
Mozgó portálos CNC felsőmarógép
Mozgó portálos kialakítás esetén az asztal a munkadarabbal áll, minden mozgást a szerszám végez, ez akkor célszerű, ha a lehető legnagyobb fajlagos munkaterület elérésére törekszünk; a munkadarab nagy kiterjedésű illetve nagy tömegű (bár ez a viszonylag kis teljesítményű, és merevségű asztali gépek esetén nem jellemző). Ilyen kialakításúak a habvágógépek és a legtöbb hobbicélú gép. Hátránya ennek a kialakításnak viszont a szerszámmozgató szánrendszert elég könnyűre kell építeni ellenben a megfelelő merevséget is biztosítani kell.
16
7. ábra Mozgóportálos CNC
•
Álló portálos CNC maró
Álló portálos szerkezetnél a gépasztal (munkadarab) egy irányban elmozdulhat (x vagy y tengely mentén), kisebb a hasznos munkatér, ellenben nagyobb merevség érhető el ugyanis a szerszámot csak két irányban kell mozgatni, ami masszívabb híd kialakítást, vagy éppen ugyanolyan merevség olcsóbban, egyszerűbben kialakítható. A piacon kapható legtöbb ilyen oktató-, illetve fogtechnikai marógép, valamint a hobbicélú gravírozó-, NYÁK marógép ilyen kialakítást követ. [13]
17
8. ábra Álló portálos CNC marógép
3.2
Konstrukciók elemzése
ISEl FB2: Az ISEL fekvőágyas CNC gépe építőkocka elv szerint készült, melynek köszönhetően a változó igényeket könnyen ki lehet elégíteni. A géppel nem csupán fa és műanyag megmunkálására van lehetőség, hanem erős léptetőmotoros hajtása miatt akár alumínium megmunkálásra is. A könnyűfém építőelemek alkalmazásával nagy pontosság érhető el kis tömegű szerkezettel.
9. ábra ISEl FB2
•
Alumínium építőelemek
•
Fekvőágyas kivitel
•
Lineáris vezetékek
•
Léptetőmotoros hajtás 18
•
Előfeszített lineáris csapágyazás
•
Golyósorsós hajtás átvitel (16 x 4 mm)
•
A golyósorsók pontossága ± 0,01 mm
S57:
10. ábra Asztali S57A
•
Tápfeszültség: 220V 50/60Hz
•
Asztal méret: X 620mm Y 920mm Munkaterület: X 500mm Y 700mm Z 130mm
•
Erőátvitel: Minden tengelyen trapézmenetes orsó, állítható kottyanás mentes anyával
•
Vezérlő: 3 tengelyes microstep vezérlő (Leadshine) E-stoppal ellátva, marómotor ki-bekapcsolása szoftverből vezérelve.
• Megmunkálási sebesség: max. 1.200 mm/perc (anyagtól és forgácsolási körülményektől függő)
19
Qualystep S55
Golyósorsóval szerelt és alumínium „T” nút asztalos.Merev vázszerkezet, nagyobb üresjárati és megmunkálási sebesség, tartós igénybevételre tervezve.
11. ábra Qualystep S55
•
Tápfeszültség: 220V 50/60Hz Munkaterület: X 500mm Y 500mm Z 130mm
•
Erőátvitel: Minden tengelyen golyósorsó, X és Y tengelyen 16x10mm, Z tengelyen 16x5mm
•
Vezérlő: 3 tengelyes microstep vezérlő (Leadshine) E-stoppal ellátva, marómotor kibekapcsolása szoftverből vezérelve.
•
Megmunkálási sebesség: max. 3.000 mm/perc (anyagtól és forgácsolási körülményektől függő
CNC-Pure: Az ISEL Hungária Kft 3 tengelyes CNC gravírozógépe portálmaró alapokon nyugszik. Egyik kiemelkedő jellemzője a csavarodás mentes alumínium öntvény portál, mely a berendezés párhuzamosságának, valamint merőlegességének fő alapköve. A fa valamint műanyag megmunkálására is alkalmas.
20
12. ábra CNC Pure
4
•
Alumínium öntvény portál
•
Léptetőmotoros motoros hajtás
•
Fekvőágyas ágyas kivitel
•
Siklócsapágyas vezeték (X, Z tengelyek)
•
Lineáris vezeték (Y tengely)
•
Zsinórmentesen orsó (10 x 3 mm; X, Z tengelyek) teng
•
Golyósorsó (16 x 4 mm; Y tengely) tengely [8]
CNC gép építőő elemei
A gép alábbi főbb bb szerkezeti egységekből egységekb épül fel:
4.1
•
gépágy
•
gépasztal
•
megmunkáló egységek
•
előtoló toló berendezés
•
vezérlő berendezés
Gépágy Az ágy, vagy az állványszerkezet a szerszámgép alapja. Ez hordozza a gép összes aktív
vagy passzív elemét, az orsókat, szánokat, asztalokat, sokszor a vezérlést is erre erősítik er fel.
21
Az állványszerkezet hegesztett acélból, öntöttvasból vagy úgynevezett kompozit betonból készül. Legfontosabb szempontok a merevség, rezgéscsillapító-képesség, hő stabilitás. A legtöbb állványszerkezet hegesztett acélból, öntöttvasból vagy ún. kompozit betonból készül. Az anyagválasztásnál a merevség, csillapítóképesség, rugalmasság és hő stabilitás egymásnak ellentmondó követelményeit kell kielégíteni.
13. ábra Isel alumínium zártszelvény
14. ábra Isel asztalprofil
4.2
Vezetékek
Az ágyakon, állványokon lévő vezetékek a szerszámgép asztalait, szánjait, hajtóműházait hordozzák. A vezetékek feladata a szánok egyenes vonalú haladó mozgásának biztosítása. A mozgó résznek az álló részhez képest csak egy szabadságfoka marad. 22
A legrégebbi és legegyszerűbb megoldás a csúszóvezeték, amely egyszerű, nagy merevségű és jó csillapító képességű. Öntöttvas állványszerkezetnél, egyszerű kivitelű szerszámgépeknél ezt magából az állvány anyagából alakítják ki. A csúszóvezeték hátránya a kopás és a hézag, valamint a csúszó kapcsolattal együtt járó akadozó csúszás, ami pontos megmunkálással, speciális vezetékanyagok és kenőanyagok alkalmazásával csökkenthető, de teljesen nem küszöbölhető ki.
A hidrodinamikus, hidrosztatikus vagy aerosztatikus vezetékeknél a felületek között vékony olaj, vagy levegőréteg van. Ennek következtében megszűnik a kopás és az akadozó csúszás, de megnő a megvalósítás költsége. A modern forgácsoló szerszámgépek döntő többségénél gördülő vezetékeket alkalmaznak. Ezek számtalan változatban, egyenes és körvezetékként kereskedelmi forgalomban kaphatók. Korábbi évtizedekben a leggyakrabban használt elemük az ún. görgős papucs volt, melynek hernyótalpszerűen körbemozgó golyó- vagy görgősora biztosítja a hézagmentes, nagy merevségű és kis ellenállású megvezetést. A görgős papucsok téglalap keresztmetszetű síneket vesznek körül. Az ilyen megoldás sok szerelési munkát igényel.
Az újabb integrált lineáris vezetékeknél a profilos sínről nem lehet levenni a gördülőpapucsot (kocsit), mivel ezek a golyósorsó-anya párhoz hasonlóan egységet képeznek. Ilyen integrált vezeték beépítési helyének megmunkálása, valamint szerelése egyszerűbb, tehát olcsóbban és megbízhatóbban elvégezhető. A vezetékeket gondosan törlik és ahol csak lehet összecsúszó lemezvédelemmel takarják. A kenést automatikus működésű kenőhálózat végzi. Gördülőbetéteket különleges zsírral is lehet kenni beszereléskor, ami a betét egész élettartamára elég.
4.3
Mozgató elemek
Minden szánt független hajtórendszer mozgat, amely szervomotorból és mozgató mechanikából áll. A mozgató mechanika a 2-3 méter alatti szánmozgásoknál leggyakrabban golyósorsó. Ezeknél az orsó és az anya közötti kapcsolatot gördülőtestek biztosítják (legtöbbször golyók, de lehetnek görgők is). A gördülő súrlódás (90 % feletti) jó hatásfoka az előfeszítés által biztosított hézagmentesség, a nagy merevség nagyon pontos mozgatást tesz lehetővé. 23
A golyósorsó beépítése olyan, hogy a szervomotor vagy nagy torziós merevségű, de kisebb egytengelyűségi és szöghibákat kiegyenlítő tengelykapcsolón keresztül hajtja a golyósorsót, vagy fogazott szíj, esetleg fogaskerék áttételen keresztül kapcsolódik hozzá. A tengelykapcsoló néha nyomatékhatároló biztonsági feladatot is ellát. A golyósorsót a tengelykapcsoló után merev csapágyazás köti az álló részhez. Ez a csapágy vagy előfeszített kétfelé ható görgős támcsapágy, amely radiális irányban csapágyazó görgősort is tartalmaz, vagy párban beépíthető ferde hatásvonalú golyóscsapágy. A golyósorsó másik vége szabadon marad, vagy hosszabb orsónál a súlyerőt felfogó támasztó csapágyazást kap. Az anya a mozgó szánon van.
4.4
Hajtás
15. ábra Két alapvető főorsó hajtás
Főhajtóműveknél
az
egyenáramú
(DC)
motorok
korlátozott
sebességszabályozhatóságuk és a szénkefék kopása miatt egyre inkább az aszinkron váltóáramú (AC) motoroknak adják át a helyüket. Ezek egyszerűbb változatai a sebességszabályozást frekvenciaszabályozással, a nagyobb, pontosabb motorok az ún. vektorszabályozással (az armatúraáram és a rotoráram bonyolult szabályozásával) oldják meg. Az előtoló hajtások motorjainál a főmotorokhoz hasonlóan váltóáramú indukciós motorok (ún. AC szervók) kerültek előtérbe. Ezek rövid ideig a névleges nyomaték többszörösét képesek kifejteni, ezért a szánok gyorsítására jól megfelelnek. A forgácsoló szerszámgépek megmunkálási pontosságát jelentős mértékben befolyásolja a szerszámgép főorsójának pontossága, ami egyrészt azt jelenti, hogy a főorsó forgása 24
mennyire közelíti meg az ideális álló tengely körüli forgást, másrészt, hogy a főorsó csatlakozó felületeinek tengelye mennyire esik egybe a forgástengellyel. A pontosságra a főorsó, a csapágyazás, a kenés, a hűtés és a beépítés mind jelentős hatással van. A főorsók mintegy 90%-a gördülő csapágyazású. Jellegzetes főorsó gördülőcsapágy a kúpos furatú kétsoros hengergörgős csapágy, de gyakran alkalmazzák a ferdehatásvonalú golyós csapágyazást is. A gördülőcsapágyak kenése jelentősen befolyásolja a csapágyak élettartamát, kopását. Legegyszerűbb a kb. 90 ezer percenkénti fordulatig alkalmazható zsírkenés. Nagyobb fordulatszámoknál a különféle olajkenéseket (olajköd, olaj injektor, olaj átáramoltatás) használják, mert ezek bizonyos mértékig hűtik is a csapágyakat. Nagysebességű, nagypontosságú csapágyazásoknál külön hűtésről is gondoskodni kell. Ez különösen a főorsóval egybeépített közvetlen hajtásoknál fontos. A csapágyazások mintegy 10%-a hidrodinamikus, hidrosztatikus, aerosztatikus esetleg mágneses. A hidrodinamikus csapágyazás a legrégebbi megoldás. A gyakori leállással járó üzemeltetésre nem alkalmas. Legtöbb típusa csak egy forgásirányban járatható. A hidro/aerosztatikus csapágyakat a nagypontosságú (ún. ultraprecíziós) szerszámgépek főorsóinál elterjedten alkalmazzák. Újabban a mágneses lebegtetésű csapágyak a különösen nagy fordulatú főorsóknál kezdenek elterjedni.
4.5
Útmérők
A mérési eljárás szerint: abszolút, növekményes A mért értékek érzékelése szerint: analóg, digitális A mérés helye alapján: közvetlen, közvetett Abszolút mérés az a mérési eljárás, amikor a szánelmozdulásra vonatkoztatott minden méret egy kiindulási ponthoz, a mérőrendszer nullpontjához mérve abszolút értelemben jelenik meg. Növekményes mérés az, amikor a szánelmozdulás mértékét egy-egy útméretegység folyamatos megszámlálásával érzékeljük, ill. e diszkrét egységek egész számú többszörösével adjuk meg minden útszakaszra külön-külön, nem a nullponthoz, hanem a korábbi szánhelyzethez képest az útegységek összeszámlálásával. A legtöbb szerszámgépnél az útmérés fotoelektromosan történik. A mértékmegtestesítő egy igen finom vonalkás rács, amelyet különféle hordozókra (pl. üvegléc, vagy üvegtárcsa, stb.) visznek fel. A mértékmegtestesítőn lévő osztásrácsra eső fény az osztásrácson 25
elhajlik, nagy osztásperiódus esetén az elemek úgy esnek egybe, hogy a párhuzamosan megvilágított fényáteresztő rács mögött az osztás struktúrájának megfelelő "osztáskép" alakul ki. Ha a rács osztásperiódusa azonos nagyságrendű a fény hullámhosszával, akkor az elhajlott sugárelemek komplex átfedése - egy interferencia-minta - alakul ki. A durvább osztások letapogatása lényegében az ábrán bemutatott árnyékvetés elve szerint történik. A mértékmegtestesítő és egy letapogató rács egymáshoz képesti elmozdulása világos - sötét modulációt okoz, amit a fotóelemek érzékelnek.[14]
16. ábra Árnyékvetés
17. ábra Interferencia
26
5
Marógép alapstruktúrájának elemzése
Koordinátarendszerek CNC szerszámgépeken A CNC marógépeken a fő mozgás irányait a jobbkéz-szabály szerint elhelyezett derékszögű koordináta-rendszer határozza meg. Az CNC - szerszámgép vezérlése minden programozott koordinátát az ún. gépi koordinátarendszerbe számít át, és ebben a koordinátarendszerben teszi meg a mozgásokat is.[15]
18. ábra Függőleges főorsójú CNC marógépen a tengelyek elhelyezkedése
5.1
Mozgások vizsgálata
1.
X (s,1)
Y (s,2)
Z (s,3)
2.
X (s,1)
Y (s,3)
Z (s,2)
3.
X (s,2)
Y (s,1)
Z (s,3)
4.
X (s,2)
Y (s,3)
Z(s,1)
5.
X (s,3)
Y (s,1)
Z (s,2)
6.
X (s,3)
Y (s,2)
Z (s,1)
7.
X (m,1)
Y (m,2)
Z (m,3)
8.
X (m,1)
Y (m,3)
Z (m,2)
9.
X (m,2)
Y (m,1)
Z (m,3)
10.
X (m,2)
Y (m,3)
Z (m,1)
11.
X (m,3)
Y (m,1)
Z (m,2) 27
12.
X (m,3)
Y (m,2)
Z (m,1)
13.
X (s,1)
Y (s,2)
Z (m,1)
14.
X (s,2)
Y (s,1)
Z (m,1)
15.
X (s,1)
Y (m,1)
Z (s,2)
16.
X (s,2)
Y (m,1)
Z (s,1)
17.
X (m,1)
Y (s,1)
Z (s,2)
18.
X (m,1)
Y (s,2)
Z (s,1)
19.
X (s,1)
Y (m,1)
Z (m,2)
20.
X (s,1)
Y (m,2)
Z (m,1)
21.
X (m,1)
Y (s,1)
Z (m,2)
22.
X (m,2)
Y (s,1)
Z (m,1)
23.
X (m,1)
Y (m,2)
Z (s,1)
24.
X (m,2)
Y (m,1)
Z (s,1)
Az ideális változat kiválasztásánál a következőket vettem figyelembe A mozgásviszonyokat és a különböző változatokat figyelembe véve kialakult az általam oktatási célra tervezendő CNC maró szemben támasztott követelmények. A tervezett CNC maró oktatási célra készül, így a tervezés során a következőket kell szem előtt tartani. •
Egyszerű felépítés
•
Gyorsaság
•
Későbbi tovább fejlesztés
•
Könnyen kivitelezhető legyen
•
Könnyen kezelhető legyen
•
A tervezésnél törekedtem az egyszerű és költséghatékony kialakításra, lehetőleg a legkevesebb egyedi gyártású alkatrészt tartalmazza.
•
A mozgások legyenek megosztva a munkadarab és a szerszám között.
•
A szerszám két irányba mozogjon a munkadarabhoz képest.
•
A CNC marógépeken a fő mozgás irányait a jobbkéz-szabály szerint elhelyezett derékszögű koordináta-rendszer határozza meg.
28
A mozgásmegosztást figyelembe véve a számomra ideális változat: 15.
X (s,1)
Y (m,1)
Z (s,2)
19. ábra X (s,1) Y (m,1) Z (s,2)
6
Követelményrendszer A mozgásviszonyokat és a különböző változatokat figyelembe véve kialakult az általam
oktatási célra tervezendő CNC maróval szemben támasztott követelmények. •
Hegesztett gépállvány kialakítás
•
Golyósorsó-anya mozgatóegység
•
Kereskedelemben található csapágyazások
•
Asszinkron főorsó motor
•
Léptetőmotoros mellékhajtás
A tervezés első lépése a peremfeltételek feltárása, a tervvel szemben támasztott követelmények feltárása. A követelményjegyzékbe a kötelezően betartandó követelményeket, és az elvárásokat kell feltüntetni. Ez utóbbiakat nem kell feltétlenül teljesíteni, de a tervezés során végig törekedni kell az elvárások kielégítésére is. Az elvárásokat célszerű fontosság szerint rangsorolni.
A tervezés peremfeltételei:
•
Tervezési Követelményjegyzék(TKJ)
29
6.1
•
Funkcionális Követelményjegyzék (FKJ)
•
Gyártási Követelményjegyzék (GKJ)
•
Üzemeltetési Követelményjegyzék (ÜKJ)
Tervezési követelmények: 1.
A terv önálló
2.
A terv jellegének behatárolása •
Új fejlesztés
3. A terv mérföldköveinek definiálása, azok időbeni ütemezése •
A megbízás kiadása: 2013
•
A terv befejése: 2014
•
Gyártás indítása: 2014.7
4. A terv átjárhatóságának feltárása, a mérnöki eszközrendszer rögzítése: Siemens UGS NX CAD rendszer használata 5. Preferált részegység-gyártók listája •
ISEL Hungária KFt.
6. Ergonómiai elvárások •
A munkadarab könnyen behelyezhető és kivehető legyen.
•
A szerszámcsere egyszerűen megoldható legyen
•
A gép zajterhelése alacsony legyen
7. A tervezés költségei • 6.2
1 db gépre vonatkozó célköltség: 1,2 millió Ft
Funkcionális Követelményjegyzék 1.
A tervezendő gép feladata: •
Oktatás célra tervezett 3-tengelyes CNC
marógép. • 2.
Könnyűfém és műanyag megmunkálására
A gép jellemző méretei •
A berendezés fő méretei fő méretek[mm]:~900*900*900
•
Hasznos munkaterület [mm]:300*400*150 30
3.
•
A berendezés maximális súlya [kg]: ~200
•
A működés intenzitása: Szakaszos üzemű
Alapvető működési mód: •
4.
Üzembiztonság szintje •
5.
Automatikus kikapcsolás hibák esetén
A berendezés telepítésének módja •
6.3
Elektromos
Hegesztett állvány, rezgéscsillapító géplábakkal
Gyártási követelmények: 1.
A gépből gyártott darabszám •
Egyedi gyártás
Elérhető technológiák • 2.
Szerelhetőség •
6.4
Forgácsolás, lézeres vágás, hegesztés
az állvány és az alapgép külön szétszerelhető
Üzemeltetési követelmények: 1.
Az elvárt karbantarthatóság szintje •
2.
3.
4.
Alkatrész szinten karbantartható/javítható
A berendezés terhelése a környezetre •
emulzió nélküli forgácsolás, kézi hűtés/kenés
•
kis forgács termelés
•
alacsony zajterhelés
A környezet terhelése a berendezésre •
Minimális talaj/rezgés
•
klimatizált műhely
Kezelő személyzet színvonala, képzettsége •
Hallgatók felügyelet mellett
•
CNC gépkezelő [2]
• 31
7
Méretezés
7.1
Főhajtómű mértezése
A főhajtómű feladata a forgácsoló főmozgás, a forgácsoló teljesítmény biztosítása, amelyet a szerszám főmozgásával valósít meg. A CNC szerszámgépek főhajtóművével szembeni elvárás a fokozatmentes fordulatszám-szabályozás, és a fordulatszám minél nagyobb szabályozhatósága. Az egyenáramú motorok korlátozott sebességszabályozhatósága miatt egyre inkább az aszinkron váltóáramú motorokat alkalmazzák. Az általam tervezett CNC maróba két pólusú háromfázisú asszinkron motort alkalmazunk, amelynek elég széles fordulatszám tartományban szabályozható, és kézi szerszámcserélővel rendelkezik. ER16-os szerszámbefogó kialakítású tengelyvéggel rendelkezik. A motor szabályozása frekvencia váltóval történik. A kiválasztott marómotor:
iSA 750 Főorsómotor n = 22000 p=750 W
20. ábra Főorsómotór
21. ábra Technikai adatok
32
22. ábra Nyomaték görbe
A forgácsolási teljesítményből határozzuk meg a szükséges motorteljesítményt, konkrét forgácsolásokat vizsgálunk, ebben az esetben marási feladatokat. A megmunkálandó anyagra vonatkozó fajlagos forgácsolási erőt és kitevőt a következő táblázat tartalmazza.
23. ábra Nem vas alapú anyagok
33
A számításhoz használt értékek: = 410 = 0,25
7.2
Palást-Homlokmarás
A Fraisa szerszám katalógus használatával kiválasztottam a kiválasztott anyag és forgácsolási művelethez szükséges szerszámot. A itt kapott szerszámra vonatkozó forgácsolási adatokat felhasználva vizsgálom a forgácsolási teljesítmény igényeket.
Forgácsolási értékek:
-
szerszám átmérő:
d=8 mm
-
fogankénti előtolás:
f = 0,12 mm
-
szerszám eleinek száma:
z=2
-
fogásmélység:
a = 12 mm
-
fogásszélesség:
-
vágósebesség:
-
előtoló sebesség:
a = 3,6 mm v = 275
v = 2626
Fordulatszám meghatározása: =
v ∗ 1000, 275 ∗ 1000 1 = = 10942,22 π∗d π∗8 min
Az erőszámításhoz - a forgács változó keresztmetszete miatt – a közepes forgácsvastagság ismerete szükséges.
ℎ( =
360° ∗ sin K + ∗ a ∗ f 360° ∗ sin 90 ∗ 8 ∗ 0,12 = = 0,0734 mm 2 ∗ 3,6 2∗a ) π ∗ 8 ∗ arcos (1 − π ∗ d ∗ arcos (1 − ) 8 d 34
Fajlagos forgácsoló erő kc=
2( ∗ ℎ( = 410 *0,073423,
4
= 787,698
5
Forgácsolási teljesítmény: 6 =
a ∗ a ∗ v ∗ k 12 ∗ 3,6 ∗ 1626 ∗ 787,698 = = 1489,29 W 8 60 ∗ 10 60 ∗ 108
Ezzel a forgácsolási adatokkal a kiválasztott motor nem alkalmas így módosítom az ajánlott fogásmélységen. a = 4 mm 6 =
4 ∗ 3,6 ∗ 2626 ∗ 787,698 = 372,32 W 60 ∗ 108
A szükséges teljesítmény hatásfokkal számolva. 6( = 6 ∗ : = 372,32*0,95 = 353,7 W Rendelkezésre álló teljesítmény számítása maximális teljesítménnyel és fordulatszámmal számolva 10942,22 ∗ 750 = 373,03 > 6( 22000 A motor így is megfelelő
Fő forgácsoló erő és az előtoló erő számítása a szánrendszer méretezéséhez szükséges. < =
P 744,6 ∗ 60 = = 162,46 N v 275
F 162,46 = = 54,15 N 3 3
35
7.3
Homlokmarás
Előzőekben kiválasztott szerszámot használjuk, melyre az optimális paraméterek:
-
szerszám átmérő:
d=8 mm
-
fogankénti előtolás:
f = 0,085 mm
-
szerszám eleinek száma:
z=2
-
fogásmélység:
a = 4 mm
-
fogásszélesség:
-
vágósebesség:
-
előtoló sebesség:
a = 8 mm v = 225
v = 1522
A fordulatszám: =
v ∗ 1000, 225 ∗ 1000 1 = = 8952,46 π∗d π∗8 min
A közepes forgácsvastagság:
ℎ( =
180° ∗ sin K + ∗ a ∗ f 180° ∗ sin 90 ∗ 8 ∗ 0,085 = = 0,05411 mm a 8 π ∗ d ∗ arcos ( ) ) π ∗ 8 ∗ arcsin ( d 8
Fajlagos forgácsoló erő: kc =
2( ∗ ℎ( = 410 *0,0541123,
4
= 850,128
5
Forgácsolási teljesítmény 6 =
a ∗ a ∗ v ∗ k 4 ∗ 6 ∗ 1522,5 ∗ 850,128 = = 517,72 W 60 ∗ 108 60 ∗ 108
36
Ezzel a teljesítménnyel a motor rendelkezik, de a karakterisztikájából adódóan nem biztos, hogy megfelelő lenne. Így ismét módosítom az ajánlott fogásmélységet.
a = 2 mm 6 =
2 ∗ 6 ∗ 1522,5 ∗ 850,128 = 258,86 W 60 ∗ 108
A szükséges teljesítmény hatásfokkal számolva.
6( = 6 ∗ : = 258,86*0,95 = 271,80 W
Rendelkezésre álló teljesítmény 8952,46 ∗ 750 = 305,19 > 6( 22000 A motor erre a megmunkálásra is alkalmas.
Fő forgácsoló erő és az előtoló erő számítása a szán méretezéséhez szükséges. < =
P 258,86 ∗ 60 = = 69,03 N v 225
F 69,03 = = 23,01N 3 3
37
7.4
Mellékhajtás méretezése
A bonyolult síkbeli térbeli mozgáspályák megvalósítása megköveteli, hogy minden koordinátairányba történő mellékmozgás külön mellékhajtással legyen előállítva. Az egyenes vonalú előtoló mozgások meghajtására hajtómotor, közlőelem, golyósorsó, golyósanya rendszert alkalmazunk. A hajtómotor a közlőelem segítségével a golyósorsót hajtja meg, és a golyósanya mozgatja a szánokat. Az előtoló hajtások motorjait gyakran pozicionáló motoroknak is nevezzük, a gyorsjárati mozgást is ezekkel valósítják meg. Legfontosabb tulajdonságuk a nagy ugyanakkor egyenletes gyorsítás, illetve lassítóképesség. A mellékmozgást léptetőmotorokkal fogom megoldani. A motor kiválasztásánál figyelembe kell venni a mozgatandó és gyorsítandó tömegek/tehetetlenségi nyomatékokat és egyéb technológiai terhelési adatokat. Mind három szánt külön megvizsgálva határozom meg a szükséges nyomatékot, amelyet a léptető motornak biztosítani kell. A túlterhelés elkerülése érdekébe n háromszoros biztonsági tényezőt használok. BC = 3 ∗ B (
)
Alkalmazandó léptető motor adatai: MS200 HT-2
-
Nyomaték: 1.8 [Nm]
-
Fázisáram: 3 [A]
-
Feszültség: 3 [V]
-
Fázis induktivitás: 3,5 [mH]
-
Kivezetések száma: 8 [db]
-
Hossz: 76 [mm]:
-
Tengelyvég: 0,8 [mm]
-
Súly: 1 [kg]
24. ábra Léptetőmotor
38
X-Szán Statikus nyomaték meghatározása A statikus nyomaték a mozgatott egység súlyától, és a technológiai erőktől függ. -
A mozgatott egység tömege:
m = 39,5 kg
-
A golyósorsó-anya kapcsolat hatásfoka:
η = 0,8
-
Az orsó menetemelkedése:
p = 10 mm
-
Az orsó névleges átmérője:
d = 16 mm
-
A lineáris csapágyas vezeték gördülési ellenállása:
µ = 0,003
A mozgatott tömegből fakadó erő:
<( =
∗ D ∗ E =39,5*9,81*0,003=1,162 N
Előtoló erő:
< ? = 23,01 Statikus nyomaték: B =
(F G H FI ) ∗ J ∗ K∗ L
=
( , M H 8,3 ) ∗ 3,3 ∗ K∗ 3,N
= 0,048
Dinamikus nyomaték meghatározása A dinamikus nyomaték a gyorsítási szakaszokon terheli a motort, meghatározásához szükséges egy elem tehetetlenségi nyomatékára a motor tengelyére redukálva. Golyósorsó tehetetlenségi nyomatéka
O3 =
1 ∗ 2
∗ P =
1 ∗ 0,652 ∗ 0,008 = 2,0864 ∗ 1024 D 2 39
Mozgatott egység tehetetlenségi nyomatéka OQ=
T S 0,01 S V = 39,5 ∗ RS V = 1,001 ∗ 102W D 2∗ U 2∗ U
∗ RS
Motor tehetetlenségi nyomatéka (katalógusból)
O( = 4,05 ∗ 1024 D Tengelykapcsoló tehetetlenségi nyomatéka (katalógusból)
OXY = 5,03 ∗ 102M D
Rendszer redukált tehetetlenségi nyomatéka OZ?[ = O\ + O Q + O( + OXY = 1,665∗ 102W D Rendszer által biztosítandó gyorsulás: a= 4
(
Számított szöggyorsulás: ^=
_∗2∗ U 4,5 ∗ 2 ∗ U 1 = = 2827,43 T 0,01 `
A dinamikus nyomaték: B[ = a ∗ OZ?[ = 2827,43 ∗ 1,665∗ 102W = 0,470 Nm
A motort terhelő nyomaték: M = B[ + B = 0,47+0,048= 0,518 Nm 3*M=3*0,518=1,55 Nm<Mn 40
A kiválasztott motor megfelelő az X-szán mozgatására.
Y- Szán Statikus nyomaték meghatározása A statikus nyomaték a mozgatott egység súlyától, és a technológiai erőktől függ. Mozgatott egység tömege:
m = 30,5 kg
Mozgatott tömegből fakadó erő: <( =
∗ D ∗ E =30,5*9,81*0,003=0,897 N
Előtoló erő: < ? = 23,01 Statikus nyomaték:
B =
(F G H FI ) ∗ J ∗ K∗ L
=
(3,NbcH 8,3 )∗ 3,3 ∗ K∗ 3,N
= 0,047
Dinamikus nyomaték meghatározása A dinamikus nyomaték a gyorsítási szakaszokon terheli a motort, meghatározásához szükséges egy elem tehetetlenségi nyomatékára a motor tengelyére redukálva. Golyósorsó tehetetlenségi nyomatéka: O3 =
1 ∗ 2
∗ P =
1 ∗ 0,725 ∗ 0,008 = 2, ,32 ∗ 1024 D 2
A mozgatott egység tehetetlenségi nyomatéka:
41
T S 0,01 S V = 30,5 ∗ RS V = 7,725 ∗ 1024 D 2∗ U 2∗ U
∗ RS
OQ=
A rendszer redukált tehetetlenségi nyomatéka OZ?[ = O\ + O Q + O( + OXY = 1,4598*∗ 102W D
A dinamikus nyomaték B[ = a ∗ OZ?[ = 2827,43*1,459∗ 102W = 0,412 Nm A motort terhelő nyomatéka M = B[ + B = 0,412+0,047= 0,459 Nm 3*M=3*0,459=1,377 Nm<Mn A kiválasztott motor megfelelő az Y-szán mozgatására.
Z-szán
Statikus nyomaték meghatározása A statikus nyomaték a mozgatott egység súlyától, és a technológiai erőktől függ. Mozgatott egység tömege:
m = 10,68 kg
Mozgatott tömegből fakadó erő: <( =
∗ D =12,3 * 9,81=120,66 N
Függőleges Z-szánon a gravitációs erővel számolunk egyedül, mert a függőleges irányú megmunkálásnál az előtoló erő ezzel ellentétes irányú, így a hatását csökkentené. Statikus nyomaték: 42
FG ∗ J
B =
∗ K∗ L
=
3,MM ∗ 3,3 ∗ K∗ 3,N
= 0,24
Dinamikus nyomaték meghatározása: A dinamikus nyomaték a gyorsítási szakaszokon terheli a motort, meghatározásához szükséges egy elem tehetetlenségi nyomatékára a motor tengelyére redukálva. Golyósorsó tehetetlenségi nyomatéka: O3 =
1 ∗ 2
∗ P =
1 ∗ 0,495 ∗ 0,008 = 1,584 ∗ 1024 D 2
Mozgatott egység tehetetlenségi nyomatéka: OQ=
∗ dS
J
∗K
eS = 12,3 ∗ dS
3,3
∗K
eS = 3,115 ∗ 1024
D
Rendszer redukált tehetetlenségi nyomatéka: OZ?[ = O\ + O Q + O( + OXY = 9,252 ∗ 1024 D
A dinamikus nyomaték B[ = a ∗ OZ?[ = 2827,43*9,252∗ 102W = 0,2615Nm A motor terhelő nyomatéka M = B[ + B = 0,2615+0,24= 0,5015 Nm 3*M=3*0,5015=1,50 Nm < Mn
A kiválasztott motor megfelelő az Y-szán mozgatására.
43
7.5
Golyósorsó méretezése A mellékmozgást megvalósító hajtás láncok másik elempárja a golyósorsó-golyósanya.
Az orsó és az anya közötti kapcsolatot a golyók biztosítják. A súrlódás hatásfoka jó, a hézagmentesség, a nagy merevség pontos pozicionálást tesz lehetővé. A holtjátékkiküszöbölés érdekében két golyósanyát egymással szemben feszítenek elő. A kiválasztott golyósorsót szánonként ellenőrzöm, hogy megfelelő-e. X-szán Optimális menetemelkedés meghatározása A közvetlen hajtásnál az optimális menetemelkedést kell meghatározni, ehhez szükség van hajtás forgó elemeinek tehetetlenségi nyomatékára. Of = O\ + O( + OXY = 2 ,0864 ∗ 1024 + 4,05 ∗ 1024 + 5,03 ∗ 102M =6,639∗ 1024 D
i
j T\gX = 2 ∗ U ∗ h ( = 2 ∗ U ∗ h
M,M8b∗ 3kl 8b,4
= 0,0025759m=2,57 mm
Ellenőrzés statikus teherbírásra A golyósorsó m3 statikus teherbírása, az orsó tengelyvonalában, axiálisan ható igénybevételt értik, amely a golyók és a golyópályák közötti érintkezési helyen a golyóátmérő 0,0001 mm mértékű alakváltozást hoz létre. A technológiai terhelés legnagyobb értéke a m3 értéket nem lépheti túl.
m3 = 2576,65
N
o ∗
Ahol o = 2,8 a gép típusára, és üzemeltetési körülményeire vonatkozó tényező. 44
Kritikus fordulatszám meghatározása
Kritikus
fordulatszám
az
a
fordulatszám
amely
megegyezik
az
orsó
első
sajátfrekvenciájával. Nagy fordulatszámú forgásnál a golyós orsó tengelye berezonálhat; a rezonanciát okozó fordulatszámot kritikus fordulatszámnak nevezzük. A golyós orsót mindig a kritikus fordulatszám alatt kell üzemeltetni.
Felvett előtolási sebesség pf = 100
`
= 6000
q
Ebből a fordulatszám: =
v 6000 1 = = 600 10 q T
Megengedett fordulatszám:
(?r
= 0,8*
YZsX
= 0,8∗ 2,71∗ 10N ∗
tu ∗ vw x
= 0,8∗ 2,71∗ 10N ∗
3,c4M∗ 84
= 1581
M = 0,689 beépítéstől függő tényező (rögzített-elmozduló csapágyazás)
25. ábra Beépítési vázlat Isel katalógus alapján
45
(sC
Ellenőrzés kihajlásra <(?r = 40720 ∗
5u ∗ zw { x
= 40720*
3,4 ∗
W4
{
= 2066
≫
Ahol N = 0,5 a beépítéstől függő tényező. (rögzített – elmozduló csapágyazás) Az előző két számítást golyósorsó katalógus alapján végeztem, melyekre a következő diagramokból is leolvashatóak az eredmények.
26. ábra A diagram a kritikus fordulatszámot mutatja a beépítési mód, a csapágyak beépítési távolsága és az orsóátmérő függvényében.
46
27. ábra A diagram a megengedhető axiális terhelést mutatja a beépítési mód, a csapágyak beépítési távolsága és az orsó-átmérő függvényében.
Y-SZÁN Optimális menetemelkedés meghatározása Of = O\ + O( + OXY = 2, ,32 ∗ 1024 + 4,05 ∗ 1024 + 5,03 ∗ 102M =6,873∗ 1024 D i
T\gX = 2 ∗ U ∗ h (j = 2 ∗ U ∗ h
M,Nc8∗ 3kl 83,4
= 0,009427m=9,427 mm
Ellenőrzés statikus teherbírásra
= 0,8*
YZsX
= 0,8∗ 2,71∗ 10N ∗
tu ∗ vw x
47
= 0,8∗ 2,71∗ 10N ∗
3,c4M∗ W 4
= 1084 (sC
Ellenőrzés kihajlásra <(?r = 40720 ∗
5u ∗ zw { x
= 40720*
3,4 ∗
W 4
{
= 2337
≫
Z-SZÁN
Optimális menetemelkedés meghatározása Of = O\ + O( + OXY = 1,584 ∗ 1024 + 4,05 ∗ 1024 + 5,03 ∗ 102M =6,137∗ 1024 D i
T\gX = 2 ∗ U ∗ h (j = 2 ∗ U ∗ h
M, 8c∗ 3kl ,8
=0,01402m=14,02 mm
Ellenőrzés statikus teherbírásra
= 0,8*
YZsX
= 0,8∗ 2,71∗ 10N ∗
tu ∗ vw x
= 0,8∗ 2,71∗ 10N ∗
3,c4M∗
8 ,W
= 3628 (sC
Ellenőrzés kihajlásra <(?r = 40720 ∗
5u ∗ zw { x
= 40720*
3,4 ∗
8 ,W
{
= 7816
≫
A számításokból látszik, hogy a választott golyósorsó megfelel minden szempontból. A legnagyobb forgácsolási teljesítményhez tartozó terhelések is kisebbek, mint a megengedhető értékek így az igénybevételek a határon belül vannak.
48
8
CNC Gép felépítése
A CNC marót ISEl alkatrészekből tervezem felépíteni. Jelen fejezetben a gép részegységei kerülnek bemutatásra. A berendezés teljes összeállítási rajza és metszeti rajzai megtalálhatók mellékletként (SZ.G-2014-00 - SZ.G-2014-004) .
8.1
Gépaszta
A részegységeket az ISEL cég által forgalmazott gépasztalra (28.ábra) rögzítem. Nagy teherbírású asztal, a váz alumínium-profilból készült PS profil és alumínium-panelprofil PP felhasználásával. Az alkatrészek rögzítéséhez egyedileg megtervezett rögzítő síneket, és rögzítő anyákat használok. Az asztal méretei 750 x 1000 x 755 mm. Terhelhetősége 200 kg, tömege 30 kg.
28. ábra Gépasztal
49
29. ábra
8.2
Tartó elem
Az Y előtoló egység rögzítésére szintén az ISEL katalógusban megtalálható tartó elemet (30.ábra) használok, amit a gépasztalra rögzítek. A tartó elem anyaga alumínium. Méretei 221x75x446, súlya 5 kg.
30. ábra Tartó elem
31. ábra
50
Tartó elemet a gépasztalra T hornyos anyával (32.ábra) rögzítem.
32. ábra T-horony anya
8.3
Szánszerkezetek
A szánok a kereskedelemben kapható egységekből épülnek fel, melynek helyzetpontossága nagyban befolyásolja a gép pontosságát és tulajdonságait. Ezek az elemek a vezetékek, gördülő kocsijai, csapágyai, valamint a golyósorsó-anya rendszerek csapágyazása és a golyósanya.
Ezen elemek számára nagyon fontos a pontos rögzítése a gép pontossága
érdekébe. A kívánt vezető pontosság eléréséhez szükséges, a lineáris egységet egy rögzítő lap segítségével megfelelő pontossággal egymáshoz rögzíteni, amit egyedileg készítek el. Beépítési pozíció: Alapvetően a lineáris tengelyek beépítési pozíciója tetszőleges. Azt kell figyelembe venni, hogy az összes fellépő erő és nyomaték az adott tengelyre megadott maximális érték alatt legyen. Beépítésnél figyelemmel kell lenni, hogy a golyósorsó, csapágy, a vezetősín valamint a motor a portól és forgácstól védve legyen.
8.4
Rögzítő lapok
Az X szán és a főorsó rögzítésére egyedileg tervezett rögzítő lapokat (33.ábra) használok. A lapokat az asztalhoz T horony profillal (35.ábra) rögzítem. Az X szán rögzítéséhez használt lap méretei 590x325x8 mm. Súlya 3.5 kg. A főorsó rögzítő lap 60x130x8 mm. Súlya 2,8 kg.
51
33. ábra X szán rögzítő lap
34. ábra Főorsó rögzítő lap
35. ábra T horony profil
52
8.5
LES 6 lineáris egység
Az Y mozgatásához ISEL cég által forgalmazott LES 6-os lineáris előtoló egységet (36.ábra) használok, melyek léptető motoros hajtással és golyósorsóval vannak felszerelve. A hajtás oldalsó szíjhajtással van megoldva. Az előtoló egység alumínium négyszögprofilból készül. Az Y szán mozgatására 590 mm hosszú előtoló egységet használom, melyből a hasznos mozgástartomány 310 mm. A Z szán mozgatásához 290 mm hosszú előtoló egységet használok, melyből a hasznos mozgástér 10 mm. Súlya 22 kg.
Az előtoló egység jellemzői: •
Alumínium tengelytartó profil B150 x H75 mm natúr eloxált
•
A felfogó felület és a profil alsó része síkba mart
•
Négy precíziós acéltengellyel D12 h6 Anyag Cf53 keménység 60 ± 2 HRC
•
Golyósszán WS5/200 ( 200mm hosszú) játékmentesen beállítható
•
Golyósorsó hajtás 10 mm menetemelkedéssel
•
Profiltömítés kopásálló tömítőgumival
•
Alumínium végzáró lapok
•
2db végállás illetve referenciakapcsolóval, ismétlési pontosság ± 0,02mm
•
tömített ferde golyóscsapágy a hajtó acélkarimában
•
előkészítve oldalsó szíjhajtáshoz
36. ábra LES 6 lineáris előtoló egység
53
37. ábra
8.6
LES 5 lineáris egység
Az X szán és a Z szán főorsó motor mozgatásához LES 5 lineáris előtoló egységet (38.ábra) használok. A Les 6-os előtoló egységhez hasonló felépítésű. Különbség az előzőhöz képest, hogy itt direkt hajtást alkalmazunk hely takarékosság szempontjából. Az X irányú előtoló egység hossza 590 mm hosszú, melynek a mozgástere 310 mm. Súlya 27 kg A Z irányú mozgáshoz 290 mm hosszú előtoló egységet használok, melyből a hasznos mozgástér 140 mm. Súlya 15,2 kg. •
Alumínium tengelytartó profil B225 x H75 mm natúr eloxált
•
A felfogó felület és a profil alsó része síkba mart
•
Négy precíziós acéltengellyel D12 h6 Anyag Cf53 keménység 60 ± 2 HRC
•
Golyósszán 2 WS5/200 ( 200mm hosszú) játékmentesen beállítható
•
Golyósorsó hajtás 10 mm menetemelkedéssel
•
Profiltömítés kopásálló tömítőgumival
•
Alumínium végzáró lapok
•
2db végállás illetve referenciakapcsolóval, ismétlési pontosság ± 0,02mm
•
tömített ferde golyóscsapágy a hajtó acélkarimában
•
előkészítve a rögzített direkthajtó modulhoz
54
38. ábra LES 5 Lineáris egység
39. ábra
Léptető motor adatok Az előtoló egység MS200 HT-2 léptető motorral van felszerelve, melynek az adatai a következők.
•
Nyomaték: 1.8 [Nm]
•
Fázisáram: 3 [A]
•
Feszültség: 3 [V]
•
Fázis induktivitás: 3,5 [mH] 55
•
Kivezetések száma: 8 [db]
•
Hossz: 76 [mm]:
•
Tengelyvég: 0,8 [mm]
•
Súly: 1 [kg]
Golyós orsó, anyával A lineáris szánok mozgását leggyakrabban golyósorsó - anya párral oldják meg. A legelterjedtebb megoldás a hobby szintű CNC gépek esetén legtöbbször alkalmazott megoldás. Az orsó és az anya közötti kapcsolatot a golyók biztosítják. A súrlódás hatásfoka jó, a hézagmentesség, a nagy merevség pontos mozgást tesz lehetővé.
Jellemzők •
D16 mm , hengerelt , keményített és polírozott
•
Anyaga CF 53 induktív eljárással keményített (HRC 60+-2)
•
Menetemelkedés 10 mm
40. ábra Golyósorsó
56
Golyósanya
8.7
•
Anyaga 16MnCr5 köszörült
•
D16 -os golyósorsóhoz
•
Menetemelkedés 10 mm
•
Golyók az anya belsejében visszafordítottak
Munkaasztal
A megmunkáló asztal PT 25 (41.ábra) alumínium nútlapból készült, univerzális precíziós-, rögzítő- és megmunkáló felület, alumínium natúr eloxált anyagú. Vastag falú, torzulásmentes és rendkívül formatartó. Mérete 300*325 mm. Súlya 12.5 kg.
41. ábra PT 25 alumínium nútlap
45. ábra
57
9
A CNC maró összeállítási rajza
A gép adatai Méretek:
750 × 1000 × 1345 mm
Tömeg:
192 kg
Munkaasztal mérete:
300 × 325 mm
X tengely munkaútja:
310 mm
Y tengely munkaútja:
310 mm
Z tengely munkaútja:
140 mm
Léptető motorok teljesítménye:
1,8 Nm
Főorsó fordulat:
3000 – 24000 1/min
Motor teljesítménye:
750 W
46. ábra Összeállítási rajz
58
10 Összefoglalás
Az iparban egyre szélesebb körben hódítanak teret a CNC gépek. CNC technológiát már nem csak ipari körülmények között alkalmazzák, hanem egyre nagyobb teret kapott a hobby, barkács valamint oktatási célú felhasználásnál. Mivel egyre szélesebb körben elterjed az CNC technológia, így szükségessé vált az oktatására. Dolgozatomban erre alkalmas oktatási célú CNC marógép tervezését végeztem, ami képes kisméretű munkadarab elkészítésére, gravírozásra műanyag, könnyűfém munkadarabok megmunkálására. Elkészítése során megismertem a gyártó rendszerek kialakulásának történetét, fejlődését, valamint a gyártó rendszerek lehetséges felépítéseit. Megismerkedtem a maró működésével és részletes felépítésével, mint például a vezérlés, hajtások, motorok, vezetékek. Elemeztem a leginkább alkalmazott
gépstruktúrákat
és
mozgásviszonyokat,
a
változatok
értékelése
után
kiválasztottam a számomra ideális változatott. A mozgásviszonyokat és a különböző változatokat figyelembe véve kialakult az általam oktatási célra tervezendő CNC maró szemben támasztott követelményjegyzéke. A további fejezetben a részegységek méretezését végeztem el. A forgácsolási teljesítményből meghatároztam a szükséges motorteljesítményt, konkrét forgácsolási művelet alapján. Meghatároztam a mellékmozgást végző léptető motorok szánok mozgatásához szükséges nyomatékát. Valamint a hajtás elemek másik elempárját a golyósorsó-golyósanya ellenőrzését végeztem el. A tervezés utolsó lépéseként elkészítettem a marógép teljes 3D-s modelljét NX tervező rendszerben, ezek alapján pedig a szükséges 2D-s összeállítási rajzot is elkészítettem.
59
11 Irodalomjegyzék
[1] Juhász Viktor: A rugalmas gyártórendszerek művelettípuson alapuló kapacitáselemzésének egyszerűsítése [2] Dr. Takács György: Módszeres géptervezés [3] Dr. Jakab Endre: SZERSZAMGEPEK [4] NYME Informatikai Intézet: Számítógépes alkalmazások [5] Markos Sándor, Szalay Tibor: Gépgyártástechnológia [6] www.isel.hu- ISEL alkatrész katalógus 2014.04.26 [7] Dudás Illés: Gépgyártástechnológia [8] http://www.sikosign.hu/ Marógépeket forgalmazó oldal 2014.02.12 [9] http://webshop.fraisa.ch/ Szerszám katalógus 2014.01.20 [10]
http://www.sandvik.coromant.com
[11]
http://ftp.cnchungary.com 2014.02.11
[12]
Wikipedia 20141.04.10
[13]
dr. Boza Pál CNC TECHNOLÓGIA ÉS PROGRAMOZÁS
[14]
Dr. Németh István: Szerszámgépek építő elemei
[15]
Nagy Viktor: Modell Gyártó berendezés változatai
60
2014.01.15
