Miskolci Egyetem, Gépészmérnöki és Informatikai Kar Robert Bosch Mechatronikai Tanszék
Mechatronikai rendszerekben alkalmazott előtoló, pozícionáló hajtás és szánrendszer tervezése 1. rész
Az oktatási segédletet összeállította: Dr. Jakab Endre ny. egyetemi docens Nagy Lajos tanársegéd Robert Bosch Mechatronikai Tanszék
Miskolc, 2011 1
TARTALOMJEGYZÉK Előszó………… ………………………………………………………………………3 1. Kinematikai hajtást megvalósító hajtóművek tervezése ......................................... 4 1.1 A motor és a mechanikai építőelemek kiválasztása ......................................... 4 1.1.1 A követelmények meghatározása és a hajtási típus megválasztása .......... 4 1.1.2 A mechanikai építőelemek kiválasztása ................................................... 5 1.1.3 A motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomatékok ......................... 6 1.1.4 Motor kiválasztás, és hajtásoptimálás golyósorsós mozgatásnál ........... 11 1.1.5 Üzemeltetés, Kenés................................................................................. 27 1.1.6 Rendelés, specifikáció ............................................................................ 27 1.1.7. Orsó-anya párok hézagmentesítése ........................................................ 28 1.2 További elemek, számítások, ellenőrzések .................................................... 30 1.2.1 Fogas-szíj hajtás kiválasztása ................................................................. 30 1.2.2 További építőelemek .............................................................................. 32 2.1 Vezetési megoldások ...................................................................................... 34 2.1.2 Csúszó (hidrodinamikus) vezetékek ....................................................... 34 2.1.3 Csúszóvezetékek felületi igénybevétele ................................................. 41 2.2 Gördülő vezetékek ......................................................................................... 43 2.3 Statikus erőjáték vizsgálat .............................................................................. 50 Irodalom .................................................................................................................... 52
2
Előszó Az itt közzétett tananyag elsősorban a Miskolci Egyetem Gépészmérnöki és Informatikai Karán tanuló mechatronikai mérnök szakos hallgatók képzését kívánja segíteni. A mechatronikai mérnöki BSc és MSc szakok gépészeti és gyártóeszköz mechatronika szakirányainak tárgyaiban az előtoló, pozícionáló hajtások tárgyalása különböző szinten és kifejtéssel szerepel. Reméljük, hogy ez az ismeretanyag más szakok hallgatóinak tanulmányaiban is felhasználható. Az itt bemutatott hajtások és a szánvezeték rendszerek alapjait döntően a számjegyvezérlésű szerszámgépekből vettük át, de a hagyományos szerszámgépek ismeretanyagait is felhasználtuk. Ebben jelentős szakmai anyagok és több évtizedes oktatási és tervezési tapasztalat is segített. Ugyanakkor az ilyen, vagy ehhez hasonló összetett mechatronikai tervezési feladatok sokkal szélesebb körben, különböző nagyságrendű és paraméterű alkalmazásokban, is megtalálhatók. A tananyag írásakor célunk volt az, hogy a hallgatók felkészüljenek az ilyen feladatok megoldására elvi és gyakorlati szinten. A tervezéshez adott paraméterekkel elvégzett elméleti számítások és ellenőrzések mellett tisztában legyenek a rendszerépítéshez szükséges elemek, egységek szakszerű és felelősségteljes kiválasztásával és specifikálásával, amelyre az oktatásban rendszerint nem nyílik mód. Továbbá célunk volt az is, hogy a hajtáslánc és a vezetékrendszer elemeit elektronikus katalógusokból válasszák ki, és azok CAD rajzainak felhasználásával meg is rajzolják. A tananyag írásában figyelembe vettük a szakirodalmi ismereteket és információkat. Emellett több cégtől is szakmai segítséget kaptunk. Ezúton köszönjük az Excel Csepel Szerszámgépgyártó Kft. közvetlenül is nyújtott szakmai támogatását, amelyet termelő üzemükben tett látogatásokon és konstrukciós megoldások közzétételi lehetőségében nyújtottak. Köszönjük továbbá a Szimikron Kft.-nek a golyósorsó-anya mintadarabokat, amelyek kézzelfoghatóvá tették ezen ismeretek oktatását. A tananyag oktatásához a Bosch Rexroth Kft. a tervezéshez szükséges korszerű elemek és egységek papíralapú katalógusait biztosította, amelyek elektronikus formában a világhálón is elérhetők. Gyakorlati ismereteket az előtoló hajtásokból és programozási ismeretekből a hallgatók a Robert Bosch Mechatronikai Tanszék Bosch laboratóriumaiban, különösen a robot- és hajtástechnikai laboratóriumban szerezhetnek. Itt rendelkezésre áll egy Bosch Rexroth gyártmányú egytengelyes szervohajtás, amelyen a szerkezet építés közvetlenül is tanulmányozható, továbbá különböző feladatok programozása végezhető el, pl. egy 6D-s robottal összekapcsoltan. Az anyag kidolgozásához az [1]-[20] szakirodalmakat használtuk fel. A következő, 2. rész a szánvezetékek tervezését foglalja magába, különböző térbeli elrendezéseknél és terheléseknél. Ennek csak indítása található meg ebben a fejezetben. Köszönetnyilvánítás A kutató munka a TÁMOP-4.2.1.B-10/2/KONV-2010-0001 jelű projekt részeként - az Új Magyarország Fejlesztési Terv keretében - az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.
3
1.
Kinematikai hajtást megvalósító hajtóművek tervezése
1.1
A motor és a mechanikai építőelemek kiválasztása
A kinematikai hajtást megvalósító hajtóművek, pl. előtoló hajtóművek tervezésénél az egyik legfontosabb feladat a motor kiválasztása az előír paraméterek alapján. A motor kiválasztását a mechanikus kinematikai láncban (pl. fogaskerék hajtás, csigahajtás, fogas-szíj hajtás) lévő hajtás k hajtóviszonya (i módosítása), a forgó-haladó mozgás átalakító kinematikai pár, mint pl. a golyósorsó-anya, a fogaskerék-fogasléc kinematikai lánc, valamint a mozgatott tömegek és/vagy az alkalmazott technológia határozza meg. Ezeken a kinematikai lánc elemeken keresztül történik a motornyomaték, motorfordulatszám illesztése a szükséges előtoló erő, előtoló sebesség, gyorsjárati sebesség és gyorsulások széles paraméter tartományú követelményeihez. 1.1.1 A követelmények meghatározása és a hajtási típus megválasztása A gépekkel, berendezésekkel szemben támasztott követelmények Tajnafői, J. [1] irodalma szerint a következőképpen csoportosíthatók: Funkcionális (feladathoz rendelt, változó). Általános (termelékenység, pontosság, gazdaságosság). Adott korra jellemző, amelyek az általánosakból származtatottak (rugalmas automatizálás, megbízhatóság, stb.), azaz átfedés van az általános követelményekkel. Minden gépre, berendezésre jellemző (kis súly, kedvező erőjáték, hosszú élettartam, gyártási, szerelési és karbantartási követelmények, stb.). Az előtoló hajtások fő feladata általában a munkadarab és a szerszám közötti relatív mozgások létrehozása elemi mozgásokból, amelyek egyenes vonalú haladó és forgó mozgások lehetnek. Pozícionáló hajtások fő feladata egy berendezés (egység) valamilyen pozícióba juttatása a lehető legrövidebb idő alatt. Ilyen hajtások szükségesek pl. CNC szerszámgépeknél, beültető gépeknél, szerelősorok berendezéseinél. Eközben biztosítani kell a megfelelő erőket, nyomatékokat (technológiai, gyorsító), a koordináta irányú és a pálya menti sebességeket, gyorsulásokat. Mindezek a funkcionális követelmények közé tartoznak. Az alábbiakban felsoroltak elsősorban az előtoló hajtások pontossági követelményeinek kielégítését fogalmazzák meg a kinematikai lánc, és elemei szempontjából, de pl. a felületminőség biztosítását, vagy a termelékenységet is szolgálják. A hajtáslánc nagy kinematikai pontossága, az elemek megfelelő geometriai pontossága. Hézagmentes (játékmentes), vagy kishézagú kinematikai párok. Nagy statikus és dinamikus merevség, egyidejűen megfelelő csillapítás. Az előtoló hajtás mechanikai elemeinek lineáris átviteli tulajdonságai. Kis sebességeknél is egyenletes járás (kis motorfordulatoknál csekély fordulat- és nyomatékingadozás), A vezetékeknél az akadó csúszásmentes (stick-slip) állapot biztosítása. Nagy sebesség szabályozhatóság (1:10000). Nagy nyomatékok által nagy gyorsulások létrehozási lehetősége, rövid idejű túlterhelhetőség, csekély súrlódás, kis tömeg/tehetetlenségi nyomaték a gyorsítandó oldalon.
4
A mechanikai elemek magas első rezonanciafrekvenciája. A szabályozó kör jó tulajdonságai, zavarmentessége. A mai motorok és szabályozóik jó dinamikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelynek kihasználhatóságát gyakran a mechanikai rendszer korlátozza. A mozgásokat megvalósító szerkezeteknél elemi mozgások (egyenes vonalú haladó és forgó) megvalósítására van szükség. Ui. a bonyolultabb mozgások is ezekből állíthatók elő rugalmas, vagy mereven automatizált rendszerekben. Az egyenes vonalú haladó mozgást általában a forgó mozgású kinematikai lánc végén forgó/haladó mozgás átalakítókkal hozzák létre, amelyek pl. orsó-anya, fogaskerék-fogasléc, csiga-csigaléc kinematikai párok, vagy pl. fogas-szíj hajtások egyenes ága lehetnek. Ennek célszerűsége abban rejlik, hogy a forgó mozgásokkal magas mozgásparaméterek biztosíthatók. De lehet közvetlen lineáris motoros megoldást is választani. Más esetekben valamilyen, a mozgás nagyságát megváltoztató hajtóműves, forgó/forgó mozgás átalakítók alkalmazása szükséges. Ritkábban közvetlen (direkt) forgó hajtásokat is alkalmaznak, amikor a motor forgórésze a végrehajtó szervet közvetlenül mozgatja. 1.1.2 A mechanikai építőelemek kiválasztása A kiválasztandó motort tehát a mozgatandó és gyorsítandó tömegek/tehetetlenségi nyomatékok, és a technológiai terhelés határozzák meg [2]. Emellett még számos részletre is tekintettel kell lenni, mint pl. az alkalmazandó tengelykapcsoló típusára, a vezetékvédelemre, energiavezetékek elhelyezésére, fluidmechanikai egységek alkalmazására. A mechanikai hajtáselemek kialakítása szempontjából lényeges a megengedett átviteli hiba mértéke. Tudni kell mely hiba (kinematikai, geometriai, statikus/dinamikus) gyakorolja a nagyobb hatást a technológia (pl. megmunkálás, szerelés) eredményére, mi függ az kinematikai hajtás felépítésétől, a terhelés formájától. A mechanikus kinematikai hajtási láncot a technológiai erők, gyorsító erők, a munkadarab súly figyelembe vételével úgy kell kialakítani, hogy az alakváltozások és a mechanikai rendszer sajátfrekvenciája a megengedett határon belül legyen. Pl. egy golyósorsós hajtásnál a golyósorsó átmérőjének megválasztásakor figyelembe kell venni a terheléseket, az orsó-anya pár merevségét, az orsó kihajlását és a kritikus hajlító frekvenciát. Az orsó d átmérőjének növelése négyzetesen növeli a merevséget, a tehetetlenségi nyomaték azonban a negyedik hatvánnyal nő ekkor. Azaz az átmérő növelése kedvezőtlen az előtoló hajtás gyorsulási viszonyaira. Ezért az orsóátmérő (d), és a menetemelkedés (po) megválasztása kompromisszumokat kíván meg a megfelelő merevség, és a megengedhető tehetetlenségi nyomatékok között. A rendszer kialakításánál arra ügyelni kell, hogy a lehetséges gerjesztő frekvenciák távol legyenek a rezonancia frekvenciáktól. Ehhez a következő esetek vizsgálata ajánlott. Durva ökölszabály szerint az előtoló hajtást modellező tömeg-rugó rendszer saját frekvenciája legalább kétszer akkor legyen, mint a szabályozó kör saját frekvenciája. Az előtoló orsó (ha ilyen a hajtás) hajlító frekvenciája legalább kétszer akkora legyen, mint az orsó maximális fordulatszáma legnagyobb gyorsjárati sebességnél. Optimális konstrukciónál az előtoló hajtás elemeinek minél kisebb tehetetlenségi nyomatékkal kellene rendelkeznie. Vizsgáljuk meg mindezt először egy motor/fogaskerék/golyósorsó-anya/szán felépítésű hajtási láncnál. Az 1.1. ábra a golyósorsót egyik esetben a motortól egylépcsős, másik esetben kétlépcsős fogaskerék kapcsolaton keresztül hajtjuk meg. 5
1.1.3 A motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomatékok Motor/fogaskerék/golyósorsó-anya/szán kinematikai lánc Bizonyítható, hogy az egylépcsős hajtással azonos eredő hajtóviszonyú kétlépcsős hajtás fogaskerekeinek a motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomatéka kisebb, mint az egylépcsős hajtás fogaskerekeinek a motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomatéka. Ennek oka az, hogy az egylépcsős hajtás hajtott fogaskerekének redukált tehetetlenségi nyomatéka nagy. Nagy hajtóviszonyoknál (kis módosításnál) kis tehetetlenségi nyomatékok adódnak. Ugyanakkor gyakran mégis az egylépcsős hajtást részesítik előnyben, mivel ekkor a láncban kevesebb a kinematikai és geometriai hiba lehet, kisebbek a rugalmas deformációk, a játék és a gyártási költségek. b
TG
Motor JM
J1, z1
m, s, v, a
i=1/k
Szán
J 1, z 1 Fö J3, z3
do
J 2, z 2 po
Jo
J2, z2
J4, z4
a.,
b., z1
n1
n1 I.
I. z2
n 1 z2 =n = z 2 1
i=
k n 2 z1 =n = z2 1
k= II.
II.
n2
n2
k=
n2=n1·k
1 i
c., 1.1. ábra: Golyósorsós szánmozgatás golyósorsó-anya kinematikai párral egylépcsős (a.,), illetve kétlépcsős (b.,) fogaskerekes hajtással kombinálva Haladó tömeg redukálása a golyósorsó felhasználásával az 1.1. ábra alapján: 1 mv 2 2
T Fö m po do
(sec) (N) (kg) (m) (mm)
1 Jm 2
2 o
Jm
tengelyére
m
v2 2 o
, ahol
az orsó körülfordulási idő, a szánt terhelő összes erő, a szán tömege, a golyósorsó menetemelkedése, a golyósorsó közepes átmérője,
6
az
energiaegyenlet
(1.1)
(kgm2) a golyósorsó másodrendű tehetetlenségi nyomatéka, (mm) a fogaskerék szélessége, (mm) a fogaskerekek osztókör sugara, (-) a fogaskerekek fogszáma, 2 (kg m ) a fogaskerekek másodrendű tehetetlenségi nyomatéka, (kgm2) a motor tehetetlenségi nyomatéka, (-) hajtóviszony, módosítás, (mm, mm/s, mm/s2) a szán elmozdulása, sebessége, gyorsulása.
Jo b r1-r4 z1,-z4 J1,-J4, JM k=1/i s, v, a
Az i módosítás és a k hajtóviszony magyarázata az 1.c ábrán látható. A k=1/i hajtóviszony használatát az indokolja, hogy segítségével a hajtott fordulatszám(ok) közvetlenül meghatározható(k). A v=po/T és ω=2·π/T összefüggéseket behelyettesítve kapjuk, hogy: po 2 ) T m 2 ( )2 T (
Jm
Ao (mm2)
m(
po 2 ) 2
mAo2 , ahol
(1.2)
a golyósorsó átviteli tényezője.
A motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomaték (JM,red) egylépcsős hajtásnál:
a.,
J M , red
JM
J1
k 2 (J2
Jo
Jm )
JM
J1
1 J2 i2
Jo
m(
po 2 ) 2
,
(1.3)
Pl. k=1/3 hajtóviszonyt feltételezve adódik, hogy: J M ,red
JM
J1
1 J2 9
Jo
m(
po 2 ) . 2
(1.4)
Fejezzük ki a z1 hajtó fogaskerék adataival a fogaskerék hajtás z2 kerekének a motortengelyre redukált tehetetlenségi nyomatékát.
J2
1 m2 r22 2
1 4 r22 b 2 4
2 2
r
1 b 2
4 2
r
1 b 2
d 22 (3r1 ) , ( m2 = 4 4
b
)
(1.5)
A J1 hasonlóan fejezhető ki: J1
1 m1 r12 2
1 b 2
(r1 ) 4 ,
(1.6)
ahol: ρ (kg/dm3)
a fogaskerék anyagának sűrűsége.
A fogaskerékhajtás eredő, a motortengelyre redukált tehetetlenségi nyomatéka a (1.6) egyenletnek az (1.5) egyenletbe történő helyettesítésével nyerhető:
7
J fk
J1
1 J2 9
J1
1 J 1 34 9
i4 ) i2
J1 (1
k2 ), k4
J 1 (1 9) 10 J 1 .
(1.7)
Másként kifejezve:
J fk
J1 (1
(1.8)
Ezzel a (3) egyenletet átírva kapjuk, hogy: J M ,red
b.,
JM
10 J 1
1 Jo 9
p 1 m( o ) 2 . 9 2
(1.9)
Haladó tömeg redukálása a golyósorsó tengelyére kétlépcsős hajtásnál
A hajtóviszonyok legyenek k1=1/1,5 és k2=1/2, azaz kö=k1·k2=1/3. (A módosítások ekkor: i1=1,5 és i2=2, azaz iö=i1·i2=1,5·2=3.) Nem részletezve a számításokat az (1.8) egyenlet ekkor a következőképpen alakul: J fk
J 1 (1
i14 i12
1 i12
i14 ) i12 i24
4,25 J 1 ,
(1.10)
A számított eredmények alapján az ugyanolyan hajtóviszonyú (módosítású), egylépcsős fogaskerék hajtás tehetetlenségi nyomatéka mintegy 2,5-szerese a hasonló eredő hajtóviszonyú (módosítású) kétlépcsős fogaskerekes hajtásnak. A fogaskerekes hajtások pontos szánmozgatásra csak abban az esetben használhatók, ha a fogaskerékpár kis hézagú, vagy hézagtalanított.
3 1
2
B
A
a.,
b.,
1.2. ábra: Egyenes fogazatú és ferde fogazatú fogaskerékpár kapcsolat hézagmentesítése
Ennek megoldása az, hogy az egyenes fogazatú hengeres fogaskerékpár egyikét kettéosztjuk, és egymáshoz képest elfordítjuk addig, amíg a másik fogaskerékkel hézagmentesen nem 8
kapcsolódnak, majd ebben a helyzetben erőzáró kötéssel (pl. csavarszorításokkal, vagy feszítőgyűrűs kötéssel) rögzítjük egymáshoz a két felet (1.2.a ábra). Ekkor 2b szélességű fogaskerékre van szükség, ha a fogaskereket mindkét irányban terheljük. Ferde fogazatú fogaskerekek hézagmentesítésére (1.2.b ábra) is alkalmazható az osztott 1, 2 kerék-felek egymáshoz képesti elfordítása, és az erőzáró rögzítés (A). Más megoldásban az osztott kerekek közé hézagoló tárcsát helyeznek. Ekkor is lehetséges a csavarszorításos rögzítés, de alkalmazható a kerekek közötti feszítőgyűrűs kötés is (B), amit példaként a tengely és a fogaskerék között ábrázoltunk (1.2.b ábra). Az ábra szemlélteti a két fél tengelyirányú (axiális) széthúzásának eredményét: az osztott kerék egyik felének fogazatai a kapcsolódó kerék fogárkának egyik oldalán, a másik felének fogazatai a kapcsolódó kerék fogárkának másik oldalán kapcsolódnak. c.,
Haladó tömeg redukálása közvetlen golyósorsós hajtásnál
Az iparban igen gyakori a haladó mozgás létrehozása a golyósorsó közvetlen meghajtása (1.3. ábra) révén. Ekkor elmaradnak a közvetítő elemek, azok okozta hibák, ugyanakkor számolni kell az egytengelyű (koaxiális) hajtásba épített tengelykapcsoló tulajdonságaival és a Jtk tehetetlenségi nyomatékával, valamint az egytengelyűségi hibával. m, s, v, a Szán
Jtk TG
Fö do
Motor JM po
Jo
1.3. ábra: Közvetlen golyósorsós szánmozgatás golyósorsó-anya kinematikai párral A rendszer redukált tehetetlenségi nyomatéka: J M ,red
JM
J tk
Jo
m(
po 2 ) . 2
(1.11)
Motor/fogasszíj/golyósorsó-anya/szán kinematikai lánc A tehetetlenségi nyomatékok számítása hasonló az egylépcsős fogaskerék hajtás esetéhez (a szíj tömegét elhanyagoljuk). Motor/egylépcsős fogaskerék vagy fogasszíj hajtás/fogaskerék-fogasléc (vagy csigacsigaléc)/szán kinematikai lánc A kinematikai vázlatot az 1.4 ábra szemlélteti. A fogasléccel mozgatott tömeg redukálása a fogaskerék tengelyére az (1.1) egyenletből kiindulva elvégezhető: 1 mv 2 2
D (mm)
1 Jm 2
2
Jm
m
v2 2
,
v
fogaskerék osztókör átmérő.
Behelyettesítve kapjuk, hogy: 9
d , T
2 , ahol T
(1.12)
Jm
m
v2 2
m
(d / T ) 2 (2 / T ) 2
m
d2 4
mr 2 ,
(1.13)
A motor tengelyére redukált tehetetlenségi nyomaték az 1.4. ábra adataival:
J M ,red
JM
J1
J (kg m2)
k 2 (J 2
J
Jm )
JM
J1
1 (J 2 i2
J
m
d2 ) , ahol 4
(1.14)
a léchez kapcsolódó fogaskerék tehetetlenségi nyomatéka.
.
m, s, v, a
J2, z2 J, z
d
i=1/k TG
Motor JM
J1, z1
1.4. ábra: Szánmozgatás fogaskerék-fogasléc kinematikai párral Nagyobb pontossági igénynél a fogaskerék-fogasléc kinematikai párt kis hézagúvá, vagy hézagmentessé kell tenni (a fogasszíj hajtás eleve az). Ennek többféle megoldása is lehet. A már előzőekben említett megoldások is alkalmazhatók. A kettéosztott egyenes fogazatú hengeres fogaskerék egyik felét a másikhoz képest elfordítják addig, amíg a fogasléccel a kapcsolódás hézagmentes nem lesz, majd erőzáró kötéssel a két fogaskerék felet egymáshoz rögzítik. Más megoldásban a mozgás átalakító kinematikai pár ferde fogazatú fogaskerék és fogasléc. Ekkor a fogaskerék kettéosztásával, és egymáshoz képest axiális irányú széthúzásával (beköszörült hézagoló tárcsa alkalmazásával) hozható létre kishézagú, vagy hézagmentes kapcsolat. A két fogaskerék fél nyomaték átvitelére itt is alkalmazható az erőzáró kötés. További megoldásként kínálkozik a két fogaskerekes fogasléces megoldás. Az egymástól kissé távolabb elhelyezett fogaskerekek között megfelelő kinematikai kapcsolattal és egymáshoz képesti elállítással (elfeszítéssel) kishézagú, vagy hézagmentes fogaskerékfogasléc kapcsolat hozható létre. A két fogaskerék fogait a léc fogárkainak ellentétes oldalaira kapcsolják hézagmentesen. Motor/csigahajtás/fogaskerék-fogasléc/szán kinematikai lánc Hasonló eset az előzőhöz. Kis sebességű szánmozgatásokhoz használható megoldás, amikor a csigahajtás nagy lassítására van szükség. Ekkor a csigahajtás hajtóviszonya (módosítása) és tehetetlenségi nyomatékai kerülnek a számításba a fogaskerékpár, vagy a fogasszíj hajtás helyett. A kishézagú, vagy hézagmentes csigahajtás alkalmazása itt lehetséges, amire több megoldás is kínálkozik.
10
Motor/fogas-szíj/szán kinematikai lánc A kinematikai vázlatot az 1.5. ábra szemlélteti. m, s, v, a Szán TG
Motor JM J1, z1
J1, z1
1.5. ábra: Motor/fogas-szíj/szán hajtás kinematikai lánca A fogas-szíjjal mozgatott tömeg redukálása a hajtó fogas-tárcsa (egyúttal a motor) tengelyére az (1.1) egyenletből kiindulva elvégezhető: 1 mv 2 2
1 Jm 2
2
Jm
m
v2 2
m
(r ) 2 2
mr 2 , ahol
(1.15)
a hajtó fogas-tárcsa osztókörének sugara, a hajtó fogas-tárcsa szögsebessége.
R (mm) ω (1/sec)
A motor tengelyére redukált J M ,red összes tehetetlenségi nyomaték az 1.5. ábra adataival:
J M ,red
JM
2 J1
Jm
JM
2 J1
m r2
JM
2 J1
m
d2 , 4
(1.16)
A megoldást az ipari technológiai berendezéseken (pl. célgépek, szerszámgépek fő- és mellékhajtásainál, robotokban, szállítóberendezésekben) kívül számos helyen, berendezésben alkalmazzák (pl. automata ajtómozgatás). Előnye a nagy sebességű mozgatás lehetősége kis szán tömegeknél (beültető gépek). 1.1.4
Motor kiválasztás, és hajtásoptimálás golyósorsós mozgatásnál
A kinematikai lánc: szervomotor/fogaskerék vagy fogas-szíj áttétel/golyósorsó-anya. A motor kiválasztásához az alábbi adatok szükségesek: a motort terhelő statikus nyomaték, a motort terhelő dinamikus nyomaték, a motor fordulatszáma (technológiai, gyorsmeneti maximális fordulat), a motor-orsó közötti hajtóviszony (módosítás), az orsó menetemelkedése, a redukált tehetetlenségi nyomaték nagysága. A motor túlmelegedésének elkerülésére figyelemmel kell lenni: a terhelések nagyságára, típusára (üzemmódjára),
11
a terhelés alatti motor fordulatszámra, a terhelési idejére. A motorokat alkalmazástól, üzemmódtól függően a következő terhelések szerint választják ki: statikus és dinamikus terhelő nyomatékra (pl. forgácsoló szerszámgépek szánmozgatása), csak dinamikus terhelő nyomatékra (pl. beültető gépek), mivel technológiai erő a szánt nem terheli, csak statikus terhelő nyomatékra (pl. folyamatos technológiáknál). A motort terhelő statikus nyomaték meghatározása A szervomotor kiválasztásához a kiindulási alapot a motor statikus terhelése adja. A motort terhelő M M nyomaték:
MM
M st
M din ,
(1.17)
Az M st statikus nyomatékot technológiai műveleteknél szükséges biztosítani, az M din dinamikus nyomatékot pedig gyorsjáratoknál (pl. az egyik műveletről a másik műveletre való átálláskor). Ekkor a gyorsító nyomaték mellett még a súrlódó nyomatékok terhelik a motort. Statikus terhelésnél az Fö , st eredő terhelő erő összetevői az Fö,st
Fö,st Ftech Fsúrl G
Ftech
(N) (N) (N) (N)
Fsúrl G , ahol:
(1.18)
eredő terhelő erő (statikus terhelés), technológiai erő, súrlódó erő (µG), súlyerő.
A G súlyerő vízszintes szánmozgatásnál elhagyható, ahogyan függőleges mozgatásnál is kiegyensúlyozás esetén. Statikus terhelésnél fennáll, hogy:
M M ,névl
M terh
M stat
1
kM o , ahol:
mech
MM,névl Mterh (Mstat) Mo ηmech k (1/i)
(Nm) (Nm) (Nm) (-) (-)
(1.19)
motor névleges nyomatéka, a motor tengelyét terhelő statikus nyomaték az orsót terhelő statikus nyomaték, a kinematikai lánc mechanikai hatásfoka, a hajtóviszony.
Az orsót Mo nyomatéka az orsó-anya hajtásnál megismert összefüggésből az 1.6. ábra szerint:
12
Mo
α ρ
Fö
do tg ( 2
(°) (°)
)
Fö
do tg 2
Fö
d o po 2 do
Fö
po 2
Fö Ao , ahol
(1.20)
az orsó menetemelkedési szöge, a súrlódás félkúp szöge (golyós orsónál elhanyagolható ρ~0).
α
po
doπ 1.6. ábra: Az orsó menetemelkedés kiterítve A motor szükséges maximális fordulatszámának meghatározása A motor szükséges maximális fordulatszáma a gyorsmeneti sebesség alapján: nM , max
nM , gyors
1 vgyors , ahol k po
nM,max (f/perc) nM,gyors (f/perc) vgyors (m/perc)
(1.21)
a kiválasztott motor maximális fordulatszáma, a gyorsmenethez tartozó motor fordulatszám, a szán előírt gyorsmeneti sebessége.
Motorkiválasztás Az M terh statikus terhelő nyomatékhoz (figyelembe véve az mech mechanikai hatásfokot) és az nM,gyors fordulatszámhoz első közelítésben motort választunk. A motort terhelő dinamikus nyomaték meghatározása A következőkben a motort rövid ideig terhelő, dinamikus gyorsító nyomatékot határozzuk meg, amire a kiválasztott motort ellenőrizzük. Általában a gyorsítási periódus jelenti a motor legnagyobb igénybevételét. A szervomotorok dinamikus és statikus nyomaték értékeinek viszonya általában: 3-10/1. A cél az, hogy a gyorsító nyomaték csak rövid ideig terhelje a motort, és a motormelegedés a megengedett határon belül maradjon. A szán tömegének gyorsításakor (lassításakor) lényegesen nagyobb nyomatékok szükségesek, mint a technológiai terhelésnél. Korszerű berendezéseknél általában 10-20, de akár 40-60 m/perc gyorsjárati sebességekkel, és (0,8-4)g, vagy még nagyobb gyorsulás értékekkel számolhatunk (0,05-0,2) sec gyorsítási/fékezési idők feltételezése mellett. A gyorsítási és lassítási idők felvétele/beállítása a mozgatott tömegek nagyságától függ. A maximális sebességre való felfutás T időállandója jó közelítéssel az alábbi módon határozható meg: T
J M ,red 2 M M ,max
nm,max
,
(1.22)
A szánt terhelő erők és a motor tengelyén szükséges gyorsító nyomaték ekkor:
13
Fö
Fsúrl ,
Fgy
1
M M ,max
( M gy
(1.23)
M súrl ), M gy
mech
M M ,max
M súrl , M gy
J M ,red
M
J M ,red M . (1.24)
mech
Mgy MM,max Msúrl M M
a gyorsításhoz figyelembe vehető motornyomaték, a motor maximális nyomatéka, súrlódási nyomaték, szöggyorsulás a motor tengelyén.
(Nm) (Nm) (Nm) (1/s2)
A szán gyorsulása és a motor szöggyorsulása közti összefüggés: 1 o k
M
1 s 2 k po
, ( s a,
1 A0
2 ), p0
(1.25)
v max , ahol t gy
(1.26)
az (1.25) egyenlet behelyettesítésével s k
po M 2
k
po M gy , és s 2 J M ,red
(m/sec) a szán megengedett legnagyobb sebessége, (sec) a szán gyorsítási/lassítási idő.
vmax tgy Példa 1.
A példa alapját az 1.1. ábra szerinti kinematikai vázlat képezi, amelynél egylépcsős fogaskerékhajtást feltételezünk. Tegyük fel, hogy a golyósorsó-anya párt már kiválasztottuk. A kiindulási alapadatok a következők: m=500 (kg) a mozgatott tömeg, do=63 (mm) golyósorsó közepes átmérője, po= 10 (mm) golyósorsó menetemelkedése, Lo=2000 (mm) golyósorsó működési hossza, (k=1/2, ηmech=0,8, µg 0,05) hajtóviszony, hatásfok, gördülési tényező. Az Fö terhelőerő meghatározása. Az erő a nagyoló esztergáláskor fellépő előtoló irányú erő. Adatok: f=4 mm/ford, a=2 mm, me=0,3, κr=70°, kf1.1=3510 N/mm2, ahol f a me κr kf1.1
előtolás, fogásméret, hatványkitevő, főél elhelyezkedési szög, fajlagos forgácsoló erő.
(f/min) (mm) (-) (°) (N/mm2)
Az előtolóerő: Ff=b·h1-me ·kf1.1=
a sin
( f sin
r
)1
me
k f 1.1 18,874 kN.
r
14
A súrlódó erő és az összes terhelőerő: Fs=µ·G=0,05·500·9,81=245,25 N, Fö=Ff+Fs=18,87+0,245 19,2 kN. A motor szükséges statikus nyomatéka: M st
Fö
po 2
1
k 19,2 Nm.
mech
Motor kiválasztása katalógusból a [3] irodalom alapján. Adatok: Motor típusa:
EZG X20-2,
Névleges nyomaték:
Mn=25 Nm, ami nagyobb, mint a 19,2 Nm, még a motor
súrlódó nyomatékát (1,13 Nm) is figyelembe véve, Maximális fordulatszám:
nM,max=2000 f/min (ωM,max nmax/9,55=209,4 1/sec),
Tehetetlenségi nyomaték:
JM=0,0344 kgm2,
Maximális szöggyorsulás:
εmax=7280 rad/sec2,
Maximális áramfelvétel:
Imax=350 A,
Nyomatéktényező:
KM=0,76 Nm/A.
A motor adataiból látható, hogy a motor névleges nyomatéka nagyobb, mint a számított statikus nyomaték. A szán gyorsjárati sebessége: vgy
vgy
po k , aholT T
po k T
po 1
k
2
2 2
max
1 nM , max
po nM , max k
10
2
nM , max
2000
1 2
,
10
m . min
nM , max
Az előtolási sebesség attól függ, hogy milyen anyagot milyen szerszámmal, milyen átmérőn munkálnak meg, ezért ezt itt nem elemezzük. A legnagyobb elérhető dinamikus nyomaték állandó mágneses gerjesztésű motornál: Mdin=KM·Imax=0,76·350=266 Nm. Az összes tehetetlenségi nyomaték a motor tengelyére redukáltan:
J M , red Jo
JM
1 2 mro 2
k 2 (J2
J1 1 2
ro2
Jo
Lo ro2
Jm ) Lo I p
15
JM
J1
k 2 J2
0,0226 kgm2 ,
Jo
m(
po 2 ) , azaz 2
Jm
p m( o )2 2
10 10 3 2 500 ( ) 2
0,00127 kgm2 , továbbá
JM=0,0344 kgm2, J1=0,0004 kgm2, J2=0,0064 kgm2. JM,red=0,0344+0,0004+1/4(0,0064+0,0226+0,00127) kgm2, JM,red =0,0348+1/4(0,0303)=0,0424 kgm2. A szükséges gyorsító nyomaték, tgy=0,1 sec feltételezésével: M gy
J M , red
J M , red
max
t gy
0,0424
209 ,4 0,1
88,786 Nm , ami kisebb, mint 266 Nm.
Tehát a kiválasztott motor dinamikus gyorsításra megfelel. Példa 2. Végezzük el a motorkiválasztást a [4] irodalom alapján. A kiválasztott motor főbb adatai: Motor típusa:
MAC 112·· ·E
Névleges nyomaték:
Mn=24 Nm, ami nagyobb, mint a 19,2 Nm,
Maximális fordulatszám:
nM,max=3000 f/min (ωM,max nmax/9,55=314 1/sec),
Tehetetlenségi nyomaték:
JM=0,017 kgm2,
Névleges áram:
I=57 A,
Maximális áramfelvétel:
Imax=312 A,
Nyomatéktényező:
Km=0,47 Nm/A.
Ezekkel az adatokkal: JM,red=0,025 kgm2 , vgy=15 m/min, ε=3140 1/sec, azaz Mgy= JM,red·ε=0,025·3140=78,5 Nm, ami kisebb, mint a számítható, vagy a katalógusbeli maximális érték, azaz a motor megfelel. Rendelés, specifikáció Példaként a [4] irodalomban (39 és 123 oldalak) található, lehetséges rendelési specifikációt mutatunk be a fent kiválasztott motorra, amelynek szerkezetét az 1.7. ábra mutatja.
16
1.7. ábra: MAC AC szervomotor felépítése [4]
MAC MAC 112 C 0 LD 4 C 130 A 0 WI 520LV S000
112
C
0
LD
4
-
C
130
A
0
WI
520LV S000
AC szervomotor, motor nagysága, motor csatlakozó elhelyezkedése a motor hosszában (65 mm), motor természetes hűtése, motor tekercselés típusa (ED, vagy EG), motor végén tachogenerátor és forgó impulzusadó, vagy abszolút útmérő, tachogenerátor feszültségének beállítása a motor névleges fordulatához, tachogenerátor típusa standard, központosító perem mérete (Ø130j6), tápellátás csatlakozó „A” oldalt, külön fék nélküli kivitel, standart szerelésű forgó impulzusadó, a villamos útmérő kódja, nem a standard motorra vonatkozó egyedi kód.
1.8. ábra: Fordulatszám-nyomaték határdiagramok Az 1.8. ábra baloldala a MAC 112C…C típusú motorhoz tartozó fordulatszám-nyomaték határdiagramokat és azok sarokpontjait tünteti fel, míg a jobboldal ábrája az üzemmódokra és hűtési módokra utal. A jelölések: Mmax
a villamos forgógép maximális nyomatéka,
17
( ) S1 folytonos üzemmódnál, természetes hűtésnél, a határgörbe és kezdőpontja, ( ) S1 folyamatos üzemmódnál, külső felületen hűtött motor határgörbe és kezdőpontja, ( ) S6 folyamatos üzemmódnál, ciklikusan ismétlődő terhelésnél a határgörbe és kezdőpontja, bi%=25% bekapcsolási időnél, tc=15 min. ciklusidőnél.
MdN MdN MKB
Az [1] - [5] számú jelölések különböző feltételekre vonatkoznak. Például: a külső felületen hűtött motor bekapcsolási ideje különböző %-ban, vagy a tachogenerátor illesztés különböző módjai, mint pl. [4] - 3V/1000 ford/min., vagy [5] - 6V/1000 ford/min. A kinematikai láncokba épülő tagok paramétereinek optimálása a.,
Motor/fogaskerék, vagy fogasszíj/golyósorsó-anya kinematikai lánc
A szán maximális gyorsulásának eléréséhez a hajtási láncot a motortól kiindulva kell megtervezni. Az optimális paraméterek meghatározását különböző motoroknál (MM,max) célszerű elvégezni, azért, hogy a szán gyorsulása a maximális legyen. Az 1.1. ábra kinematikai láncának optimális hajtóviszonya és a golyósorsó menetemelkedése az alábbiak szerint határozható meg: ds dk
0 , és
ds dpo
0.
(1.27)
Az (1.27) egyenletbe behelyettesítve az egyes tényezőket kapjuk, hogy: s
k
M gy 2
p o M gy 2 J M ,red
M gy k p o 2 Jö
M gy
k po
2
JM
J1
k 2 (J 2
Jo
m(
po 2 ) ) 2
,
(1.28)
k po J hajtó k 2 J hajtott
Menetemelkedés szempontjából optimális megoldás keresése: ds dpo J hajtó
J hajtó
k 2 J hajtott k 2 2 ( J hajtó
k 2 J hajtott
1 J hajtó k2 1 J hajtó k2
2 m( J2
2 k2 po 2 ) 2
Jo
m(
m )2
(2
po po 0
k 2 J hajtott) 2 m (2
)
(J 2 po 2 ) 2
2
1 J hajtó k2
po2 Jo
m(
po 2 ) ) 2
m (2
18
)
2
po2 ,
2
m (2
)2
J2
Jo
po2 m(
J hajtott, po 2 ) , 2
J hajtó p o opt, gy
1 k2
J2
Jo
.
m
(1.29)
)2
(2
A kiszámított értékhez közeleső szabványos po,szabv menetemelkedés értéket választunk valamely gyártó katalógusából. A gyorsítás szempontjából optimális hajtóviszony érték: ds dk
k 2 J hajtott
M gy p0 J hajtó 2
( J hajtó
J hajtó
k opt, gy
k J hajtott)
JM
J hajtott
J2
k 2 kJhajtott
2
Jo
J1 p m( o ) 2 2
k2
0
2
J hajtó J hajtott
.
,
(1.30)
A kiszámított értékhez közeleső hajtóviszonyt valósítunk meg a fogszámok megválasztásával és a szabványos modul értékekkel. b.,
Motor/fogaskerék vagy fogasszíj/fogaskerék-fogasléc kinematikai lánc
A kinematikai lánc az 1.4. ábra szerinti. A szán gyorsulása az (1.22) összefüggéshez hasonlóan itt is felírható: 1 2 s 1 2 / ms 2 k d3
M
1 d k
s k
d 3 M gy , 2 J M ,red
1 J m d2 , d 2
2 s /, továbbá d3
(1.31) (1.32)
Az (1.28) egyenlethez hasonlóan most az (1.32) egyenletbe behelyettesítve az egyes tényezőket kapjuk, hogy: s
M gy k d 3 2 J M ,red
M gy
k d3 2 J hajtó k 2 J hajtott
M gy 2
k d3 JM
J1
2
k ( J2
J3
md 32 ) 4
.
(1.33)
A szán maximális gyorsulásának ismeretében az 1.3. ábra kinematikai láncának hajtóviszonya és a fogasléccel kapcsolódó fogaskerék osztókör átmérője optimálható: ds dk
ds dk
0 , és
ds dd3
0.
M gy d 3 ( J hajtó 2
(1.34)
k 2 J hajtott) ( J hajtó
2 k 2 J hajtott
k 2 J hajtott) 2
( J hajtó k 2 J hajtott) 2 k 2 J hajtott 0
J hajtó
0,
k 2 J hajtott,
(1.35)
19
kopt
J hajtó
JM
J hajtott
J2
J3
J1 d2 m 3 4
.
A kiszámított értékhez közeleső hajtóviszonyt valósítunk meg a fogszámok megválasztásával és a szabványos modul értékekkel. Hasonlóan határozható meg d3,opt értéke is:
d 3,opt
1 J hajtó J 2 k2 m 4
1 (J M k2
J3
J1 )
J2
J3
(1.36)
.
m 4
Ezek alapján a fogaskerék adatai megtervezhetők c.,
Motor/golyósorsó-anya/szán kinematikai lánc
Közvetlen hajtásnál csak a menetemelkedés optimumot kell meghatározni, ami az (1.27)(1.30) egyenletek alapján elvégezhető, azaz a leveztetés mellőzésével: po opt, gy
JM
J tk m (2
Jo
(JM
J tk
J o )(2 m
)2
2
Jf m
,
(1.37)
)2
ahol a forgó részek másodrendű tehetetlenségi nyomatéka Jf=JM+Jtk+Jo. Az (1.37) összefüggés az (1.29) összefüggésből is nyerhető a megfelelő jelölések behelyettesítésével, azaz Jhajtó=JM, J2=Jtk, Jo=Jo, és k=1.
Golyósorsó kiválasztása A golyósorsók teherbírásra és élettartamra való kiválasztását szabványok (standardok) tartalmazzák, pl. DIN 69051. Az előzetesen kiválasztott orsóátmérőhöz tartozó menetemelkedést az előző fejezetekben meghatároztuk. Magyarországon golyósorsó-anya párokat a Szimikron Kft. állít elő [13]. A golyósorsó-anya párt olyan előtoló és pozícionáló hajtásoknál használják, ahol a jó hatásfok, a mozgatott elem pontos pozícionálása, az egyenletes előtolás még kis (kúszó) sebességeknél is fontos követelmény. A szerkezet előnyei: hézagtalanítható, és különböző mértékben előfeszíthető, előfeszített állapotban nagy a tengelyirányú merevsége, az orsó és az anya gördülő felületein fellépő súrlódás kicsi, ami gyakorlatilag független a fordulatszámtól, és jó hatásfokú (η=0,85-0,95), nem lép fel az akadó csúszás (stick-slip). A kiválasztott golyósorsót az alábbi szempontok alapján kell ellenőrizni, hogy megfelel-e? Teherbírás és élettartam A terhelést statikus (C0) és dinamikus (C) teherbírásra kell ellenőrizni. 20
Statikus teherbírás (C0) A statikus teherbírás a gördülő csapágyaknál, vagy a gördülő vezetékeknél ismert módon értelmezhető. Golyósorsók C0 statikus teherbírása alatt azt, az orsó tengelyvonalában, axiálisan ható igénybevételt értik, amely a golyók és a golyópályák (gördülőtestek és pályák) közötti érintkezési helyen a golyóátmérőx0,0001 mm mértékű képlékeny alakváltozást hoz létre. A technológiai terhelés legnagyobb értéke ezt a C0 értéket nem lépheti túl. Dinamikus teherbírás (C) Golyósorsók C dinamikus teherbírása alatt azt az igénybevételt értik-, elegendően nagyszámú, és azonos orsó esetén-, amelynél a névleges élettartam az 1 millió körülfordulást (L), vagy annak megfelelő üzemórát (Lh) eléri az orsók legalább 90 %-nál. A tönkremenetel határaként az anyagkifáradásnak pikkely (pitting) képződéssel járó határát tekintik. A dinamikus terhelésnek kitett orsóknál a számításokhoz az egyenértékű fordulatszámot és az egyenértékű terhelést kell figyelembe venni. A golyósorsó egyenértékű fordulatszáma (nm) és egyenértékű terhelése (Fm) A golyósorsó élettartamának számításaihoz az egyenértékű fordulatszámot és egyenértékű terhelést kell meghatározni változó orsó fordulatszámokból és terhelésekből [5]. Az nm közepes fordulatszám: nm
q1 n1 100
q2 n2 100
qn nn . 100
(1.38)
Az Fm egyenértékű terhelés változó fordulatszámoknál és terheléseknél: Fm
3
F13
n1 q1 nm 100
F23
n2 q 2 nm 100
Fn3
nn q n N nm 100
(1.39)
Az Fm egyenértékű terhelés állandó fordulatszámnál és változó terheléseknél: Fm
3
nn qn Fn
F13
q1 100
(f/min ) (%) (N)
F23
q2 100
Fn3
qn N, ahol a fentiekben 100
(1.40)
a különböző fordulatszámok, az egyes fordulatszámok részidejének aránya, terhelő erők (statikus, dinamikus).
A névleges élettartam körülfordulásban (L) golyóknál L
(
C 3 ) 10 6 Fm
C
Fm 3
L 10 6
Fm 3
C . L 10 6
(1.41)
A névleges élettartam órában (Lh) Lh
L óra. 60 nm
(1.42)
21
Az üzemidő (Lü) Lü
Lgép Lo
Lh
Lgép
óra, ahol:
Lo
(1.43)
a gép bekapcsolási ideje (100 %), a golyósorsó működtetés ideje (X %).
(%) (%)
Példa a teherbírás és élettartam meghatározására Az [5] szerint: a golyósorsó átmérő: do=63 mm, menetemelkedés: po=10 mm. Az üzemeltetési adatokat az 1. táblázat tartalmazza: F1 F2 F3 F4
50.000 N 25.000 N 8.000 N 2.000 N
n1 n2 n3 n4
10 f/min 30 f/min 100 f/min 1000 f/min
q1 q2 q3 q4
6% 22 % 47 % 25 %
1.1. táblázat: Golyósorsó üzemeltetési adatok A fenti adatokkal számított értékek az alábbiak. Közepes fordulatszám: nm
6 10 100
22 30 100
47 100 100
25 1000 100
304 f / min ,
Egyenértékű terhelés: Fm
10 3
3
50 3
10 6 304 100
25 3
30 22 304 100
83
100 47 304 100
23
1000 25 304 100
Élettartam órában: Lh
Lü
Lo Lgép
40 .000
60 100
24 .000óra ,
Élettartam körülfordulásban:
L Lh nm 60 Dinamikus teherbírás: C
Fm 3
L 10 6
24.000 304 60
8.757
3
437 .760 .000 10 6
437 .760 .000 fordulat .
66 .492 N , ami kisebb, mint 88.800 N
a [3] irodalom szerint. Körülfordulások száma:
22
8757 N
L
(
88 .800 3 ) 10 6 8.757
1.034 10 6 körülfordulás.
Névleges élettartam:
Lh
1.034 10 6 304 60
56 .688óra, ami nagyobb, mint a 24000 óra.
Az élettartam órában (Lh) történő meghatározása az nm közepes fordulatszám és az Fm/C ismeretében diagramból is lehetséges, amennyiben azt a golyósorsót gyártó cég megadja. Ellenőrzés a kritikus fordulatszámra (nkr) A kritikus fordulatszám (nkr) az a határérték, amely felett az orsó forgása közben, annak kihajlására lehet számítani. A megengedett üzemi fordulatszám: nü < 0,8·nkr. Az anya vezető, támasztó hatásától eltekintenek, mivel úgy tekintik, hogy az valamely támasztó csapágy közelében van. A kritikus fordulatszám az orsó átmérőtől (do), a hossztól (lo) és a beépítés (csapágyazás) módjától (I, II, III, IV) függ. Az orsó hosszának (lo) jó közelítéssel a csapágyazások közepének távolságát tekintik. (Egyes esetekben a csapágyazás és az anya közepének távolságát veszik figyelembe). A leggyakoribb csapágyazási megoldás a II., amelynél a golyósorsó hajtás oldali része axiális és radiális, a másik vége radiális csapágyazású, ami az orsó hőtágulásából származó axiális elmozdulást lehetővé teszi. Rövid löketeknél a IV. megoldást alkalmazzák, ahol csak az orsó hajtás oldali része csapágyazott (ax., rad.). A szánhoz kötött anya-orsó ui. csapágyazásnak tekinthető, ezért egy orsó végcsapágyazás itt túlhatározottságot jelentene. A kritikus fordulatszám meghatározásához leggyakrabban diagram szolgál, de közelítő összefüggéseket is megadnak a különböző gyártók. A kritikus fordulatszám közelítő meghatározására összefüggések is használhatók, amelyek gyártóként eltérhetnek. Pl. a [5] szerint: nkr
f n , kr
do 10 7 f / min . l02
(1.44)
A beépítés [5] szerinti lehetséges megoldásokat a 1.9.a ábra mutatja, amelyen a II. megoldás konstrukciós példája is látható. Ugyancsak itt találhatók adatok a csapágyazási módokhoz tartozó korrekciós tényezőkre. Természetesen más gyártóknál, más összefüggések és adatok lehetnek.
23
lo I. merev
merev
II. merev
szabad
szabad
szabad
III.
IV. merev
a.,
b., 1.9. ábra: Golyósorsó csapágyazási módok, példa [13]
24
Az 1.9.b ábra gyakorlati példája az I. beépítésnek megfelelő, kivitelezett megoldást mutat, amelyen az egyes szerkezeti egységek: orsó ax.+rad. csapágyazás az orsó mindkét végén, a csapágybakok felfogása, a csapágyak kenése, az orsó fogas szíjas hajtása, a fogaskerekek feszítőgyűrűs kötése a tengelyekre, a szíjfeszítés beállítása az anya felfogása a szánra. A második példa a IV. beépítés szerinti, rövid löketű X szán golyósorsós mozgatását és a Z szán csúszó és keskeny vezetését mutatja. Példa A. Az [5] irodalom szerinti példában (124. old) a golyósorsó és a csapágyazás adatai: orsóátmérő menetemelkedés: hossz: csapágyazás módja:
do=63 mm, po=10 mm, lo=2400 mm, II.
A kritikus fordulatszám meghatározása az 1.10.a diagram alapján (pl. [5], 150. oldal): nkr=1850 f/min, illetve nü=0,8·nkr=0,8·1850=1480 f/min. A nkr kritikus fordulatszám meghatározása számítással: nkr
f n , kr
do 7 10 l02
18,9
63 10 7 2 2400
2067 f / min, nü
1653 f / min . (1.45)
Az [5] irodalomban az fn,kr értékeit a 124. oldalon az 1.2. táblázat tartalmazza.
fn,kr
I. 27,4
II. 18,9
III. 12,1
IV. 4,3
1.2. táblázat: fn,kr értékei Ellenőrzés kihajlásra A kihajlásra való ellenőrzéskor az orsó megengedett tengelyirányú (axiális) terhelését (Fmeg) határozzák meg. Az axiális irányú erő az anyán keresztül lép fel. Az anyáról az orsóra a kritikus terhelés az orsó axiális megtámasztásával átellenes anya véghelyzetben adódik át. A megengedett axiális terhelés az orsó átmérőjétől (do), az orsó hosszától (lo) függ, ami egyes beépítéseknél pl. a csapágyközép és anyaközép távolsága lehet, és a beépítés módjától (I, II, III, IV) függ. Biztonsági tényezőként nb 2 értéket ajánlott felvenni.
25
Példa B. Kihajlás ellenőrzése a fenti adatokkal az 1.10.b ábra diagramjából ([5], 151. oldal): Fmeg=360 kN, Fbizt=360/2=180 kN, ami nagyobb, mint az Fü,max=50 kN nagyságú maximális üzemi terhelés. Ellenőrzés a fenti adatokkal számítással: Fkr
f F , kr
d o4 10 4 2 l0
20 ,4
63 4 10 4 2 2400
558 k N,
Fbizt=558/2=279 kN, ami nagyobb, mint az Fü,max=50 kN nagyságú maximális üzemi terhelés.
Az [5] irodalomban az fF,kr értékeit a 125. oldalon az 1.3. táblázat tartalmazza. I. 40,6
fF,kr
II. 20,4
III. 10,2
IV. 2,6
1.3. táblázat: fF,kr értékei
a.,
b.,
1.10. ábra: Golyósorsó kiválasztó, ellenőrző diagramok [5]
26
Üzemeltetés, Kenés A golyósorsó anya párt konzerválva szállítják, ennek eltávolítása nem szükséges. Ugyanakkor a kenésre vonatkozó előírásokat be kell tartanai. A kenés funkciói: a mozgó alkatrészek közötti súrlódás, ezáltal a kopás csökkentése, korrózió elleni védelem. A kenőanyag minőségére szabványokban (ISO, DIN), a gyártó szállítási dokumentációjában, katalógusokban található ajánlás az üzemi körülményeket, (terhelések, üzemi hőmérséklet) figyelembe véve. A kenőanyag lehet zsír, vagy olaj. Az ajánlások igen hasonlítanak a gördülő csapágyaknál és vezetékeknél szokásosakkal. Zsírkenés alkalmazásakor az első feltöltésnél az anya üres terének 1/2-1/3 részét javasolják feltölteni, és 500-1000 üzemóra leteltével utántölteni. A karbantartási utasítások emellett a használt zsír eltávolításának periódusát is tartalmazzák (pl. 6 hónap). Olajkenést olyan helyeken használnak, ahol az üzemeltetés nagy hőmérsékletnövekedéssel járna. Ilyen az, amikor rövid megmunkálási/szerelési idők mellett hosszú úton gyorsjárati mozgások szükségesek (pl. beültetőgépek). A hőhatás a golyósorsó hosszméret változásához, és emiatt pontatlan pozícionáláshoz vezethet. Egyes gyártók a katalógusaikban diagramokat adnak meg a kenőanyag kiválasztásához. 1.1.5 Rendelés, specifikáció Példaként az [5] irodalomban található rendelési specifikációt mutatjuk be orsó-anya párra. SEM-E-S
20-5Rx3-4
1
2
T7
R
81Z120
41Z120 1250
1
1
az anya típusa (egyes, kettős, kör- vagy négyzetes peremmel), orsó átmérő, menetemelkedés, jobbos, golyó átmérő és szám a visszavezetőben, 1(0, 1, 2, X) tömítés (0-nincs, 1-standard, 2-prec. tömítés, X-nem lehet), 2(0-6) előfeszítés (0-normál ax. játék, 1-csökkentett ax. játék, 2-5% előfeszítés egy anyás, 3- 2% előfeszítés egy anyás, standard, 4-10% előfeszítés kettős anya, stb.) T7 pontossági osztály (T5, T7, T9, /T3/), R hengerelt, precíziós orsó, 81Z120 az anya baloldali vége, 41Z120 az anya jobboldali vége (lásd baloldalit), 1250 az orsó teljes hossza, 1 protokollok (0-3), 1- menetemelkedés protokoll, 1 0-konzervált, 1- konzervált, az anya zsírzott. SEM-E-S 20-5Rx3-4
A feladattól függően különböző anyákat alkalmazhatnak ([5], 20. oldal), így: FEM-E-B: ZEV-E-S: FBZ-E-S:
miniatűr sorozat, peremes anya, becsavarozható golyósanya ECO sorozat: kis és közepes terhelésekhez, egyszerű alkalmazásokhoz, kedvező áron, tömítés, ax. játékkal, SN-R hengerelt orsóval, T7, T9 tűréssel,
27
FSZ-E-S: ECO plusz sorozat, peremes egyszerű anya, ax. játékkal, csökkentett ax. játékkal, vagy 2-3-5 % előfeszítéssel, SN-R hengerelt, T5, T7, T9 tűrésű orsóval, FEP-E-S: peremes egyszerű anya, ax. játékkal, csökkentett ax. játékkal, vagy 2 % előfeszítéssel, SN-R hengerelt, T5, T7, T9 tűrésű orsóval, 4 menetes anyával, FEM-E-C: variálható tömítéssel, ax. játékkal, csökkentett ax. játékkal, vagy 2-3-5 % előfeszítéssel, SN-R hengerelt, T5, T7, T9 tűrésű orsóval, FEM-E-S: játékmentesen beállítható anyával, variálható tömítéssel, beállítható előfeszítéssel, SN-R hengerelt T5, T7 tűrésű orsóval, SEM-E-C: standard, C peremű egyanyás kivitel, variálható tömítéssel, ax. játékkal, csökkentett ax. játékkal, vagy 2-3-5 % előfeszítéssel játékmentesen beállítható anyával, T5, T7, T9 tűrésű orsóval, SEM-E-S: standard egyanyás kivitel precíz tömítéssel, beállítható előfeszítéssel, SN-R hengerelt T5, T7 tűrésű orsóval, ZEM-E-S: hengeres anyával, ax. játékkal, csökkentett ax. játékkal, vagy 2-3-5 % előfeszítéssel, SN-R hengerelt, T5, T7, T9 tűrésű orsóval, FDM-E-C: C peremes kettős anyával, standard tömítéssel, 7%, 10%-os előfeszítéssel, SNR hengerelt T5, T7 tűrésű orsóval, FDM-E-S: standard peremes, egyanyás kivitel, variálható tömítéssel 7%, 10%-os előfeszítéssel, SN-R hengerelt T5, T7 tűrésű orsóval Az anyára külön rendelés is adható ([5], 21. oldal). 1.1.7. Orsó-anya párok hézagmentesítése Csúszó orsó-anya párok kishézagú/hézagmentes megoldásai Ehelyütt megemlítjük és röviden bemutatjuk a kishézagú/hézagmentes csúszó orsó-anya megoldásokat, ami átvezetést nyújt a golyósorsó-anya párok hézagmentesített megoldásaihoz [6]. A pontos mozgatáshoz, vagy például esztergagépek menetvágásához hozzátartozik a kishézagú, vagy hézagmentes sikló vezérorsó-anya kapcsolat. Az orsók anyaga kopásálló, nagyszilárdságú acél pl. C45, Cr80. A jó siklási tulajdonságok biztosítására az anyák anyaga lehet öntöttvas (GG-200, GG-250, GG-300), vagy Bzö12 bronzöntvény Az orsó-anya hézagmentes kapcsolatát az anya kettéosztásával és egymáshoz képesti axiális elmozdításával hozzák létre.
a.,
b.,
c.,
1.11. ábra: Kishézagú/hézagmentes menetes orsó-anya megoldások Az 1.11.a ábra szerinti, egyik közismert megoldás. A 2 rögzített anyarészhez képest az 1 mozgatható anyarész, a rögzítés feloldása után, a 3 állítható ék segítségével elmozdítható balra egészen a hézagmentes állapotig. Majd ezután az 1 anyarészt ismét rögzítik.
28
Az 1.11.b megoldásban a 2 anya, azaz az orsó-anya kishézagú állapota a 3. állító anya-hüvely segítségével állítható be. A jobboldali menetes hüvely elfordulás elleni biztosítása a c., ábra szerint helyes. Az 1.11.c megoldásban a hézagmentes állapotot a 3 jelű rugó feszítése folyamatosan biztosítja, míg az a., és b., megoldásokban a kopások miatt, egy idő után az elempárokat újra állítani kell. Gördülő orsó-anya párok A golyósorsó, az anya és a golyók edzettek, keménységük 60-65 HRc, ami például GO3 és GO4 krómacélokkal biztosítható. Az orsók/anyák menetprofilja gyakran félkör alakú (1.9. ábra). A sugarak viszonya 1-hez közeli érték (r1/r2≈0,95~0,97), ezáltal az érintkező felületek közötti Hertz feszültség csökkenthető. A konstrukciót, a szerelési hézagot úgy alakítják ki, hogy az α≈45°-60° legyen. A jobboldali csúcsíves profilú 4 pont érintkezésű megoldás megfelelő golyóátmérőkkel könnyen előfeszíthető, ugyanakkor a profil köszörülése körülményes. Ez a megoldás azonban több hátránnyal is bír az eltérő golyó slipek miatt.
1.12. ábra: Golyósorsó/anya menetprofilok Az orsó-anya hézagmentesítésére és előfeszítésére különböző megoldásokat alkalmaznak egyés kétanyás kivitelben. Az 1.13. ábra a [7] irodalom szerinti megoldásokat szemlélteti. A felső kétanyás megoldásokat húzó- és nyomó feszítések jellemzik. Amennyiben a kalibráló gyűrűk az anya feleket egymástól eltávolítják, akkor a golyók hatásszögei „O” elrendezést adnak. Ha a golyósorokat összenyomják, akkor az „X” elrendezés adódik. Természetesen ezek az elvek más szerkezeti kialakítással is biztosíthatók. Az egyanyás, 2 pont érintkezésű kivitelnél a menet váltása az anya közepén van. Ez a megoldás több szempontból is kedvező, mint pl. a nagy axiális merevség, kedvező ütéspontosság, könnyű elfordulás, egyszerű kivitel. Mind a 2, mind a 4 pont érintkezésű megoldásnál a hézagmentesítést és a különböző nagyságú előfeszítést a megfelelő méretű golyók válogatásával és betöltésével érik el. Távtartó
Távtartó Anya
Anya
Anya Orsó Kettős anya „O”
Kettős anya „X”
Anya
Anya
Orsó Egyanyás 2 pont érintkezésű
Egyanyás 4 pont érintkezésű
1.13. ábra: Golyósorsó-anya párok hézagmentesítése, előfeszítése [7]
29
1.14. ábra: Golyósorsó-anya pár hézagmentesítése, előfeszítése [6] Az 1.14. ábra szerinti, korábbi megoldásban jobb-és baloldali, belső-külső fogazat kapcsolódások találhatók a szánhoz kapcsolódó peremes hüvely alaptest és az anyák között. A két oldalon lévő fogazatok fogszáma 1-el tér el [6]. Az anyák azonos irányú, fogankénti elfordításával a hézagmentesítés és előfeszítés mértéke beállítható. Például z bal=99 és zjobb=100 fogszámoknál egy osztáslépés (∆h) nagysága: ∆φ=360° (1/99-1/100)=360°/9900, azaz ∆h=h(∆φ/360°) mm=h·1,01·10-4≈0,1·h µm. Például h=5 mm-nél a ∆h=0,5 µm. Az anyák szerelésére a jobboldali hengeres hüvely szolgál, amelynek névleges furatátmérője a menetes orsó magátmérőjével egyezik meg. Az anyákat erre szerelik és töltik meg golyókkal, majd előfeszítik. Ezután a szerelő hüvelyt a menetes orsó végéhez csatlakoztatják, majd az anya-persely együttest az orsóra hajtják.
1.2
További elemek, számítások, ellenőrzések
A hajtásláncban alkalmazott különböző gépelempárok tervezése, kiválasztása az eddigi tanulmányok, alapján megtehető. Mivel fogas-szíj hajtást gyakran alkalmaznak az előtoló hajtásokban, ezért annak kiválasztási lépéseit röviden ismertetjük, amely számos gyártó katalógusában megtalálható, vagy akár a [8], [9] irodalomban is tájékozódni lehet. 1.2.1
Fogas-szíj hajtás kiválasztása
Alapfogalmak A fogasszíj-hajtás alakzáró, vonóelemes hajtás, amely egyesíti a laposszíj-hajtás és a lánchajtás előnyeit. Az alakzáró mellett erőzáró kapcsolódás is jellemzi. A fogas-szíjaknál megengedett legnagyobb sebesség 60 m/s. Fogasszíj profilok A fogas-szíjak kezdetben trapéz alakú fogakkal rendelkeztek. A magyar szabvány a trapézprofilú, zollos osztású fogasszíj-hajtásokat foglalja magába (MSZ-05 24.4901/1, 2, 3, 482). A szabványban a méretezés, kiválasztás menete is megtalálható. A különböző profilú szíjak metrikus osztásúak is lehetnek. A teljesítmény átvitel és a zaj szempontjából igen beváltak a HTD (High Torque Drive) fogas-szíj hajtások. A fogas-szíjak lehetnek egy, vagy kétoldali fogazásúak.
30
Fogosztás A MSZ-05 24.4901/1-82 szabványban a szíjak XL, L, H, XH, XXH jelölése a fogosztást jelöli, rendre: 5,080 mm (1/5”), 9,525 mm (3/8”), 12,700 mm (1/2”), 22,225 mm (7/8”), 31,750 mm (1 1/4”). A szíjakat meghatározott hosszakban és szélességekben zárt köralakra készítik, végtelenítésre nincs szükség. Fogas tárcsák A fogas-tárcsák méretei ugyancsak szabványosítottak, és kiválaszthatók. A szíjat oldalirányban vezető peremek támasztják meg, amelyeket rendszerint a kisebbik fogas-tárcsán helyeznek el. Szíjfeszítés A fogas-szíj ágak előfeszítésére két megoldás terjedt el. Fix tengelytávolságú hajtásnál a feszítést a fogas tárcsák pontos tengelytávolságra való elhelyezésével, szereléssel is biztosítható. Más megoldásban a motor tengelyére szerelt hajtó fogas tárcsát feszítik/billentik el különböző módon (egyenes vonalú állítással, billentéssel, excenteres állítással). Szíjhajtások tervezése Az egyes szíjhajtások tervezésének menetét, és példákat nem mutatunk be. A tervezés minden esetben táblázatok, diagramok segítségével végezhető el, amelyek gyártóként, szíjtípusonként eltérőek. A tervezés történhet szabványban rögzített számítások és táblázatok, vagy a szíjgyártó cég katalógusában leírt metodika alapján. Ehelyütt csak a tervezés általánosítható lépéseit írjuk le, ami különböző irodalmakban eltérő sorrendű lehet, mivel az egyes lépések nem szigorúan kötöttek, vagy a leírt metodika más, esetleg az egyes jelölések is eltérhetnek. Lépések A tervezés kiinduló adatainak felvétele: Adott a P hajtó teljesítmény, vagy a szükséges M nyomaték, az n1 hajtó és n2 hajtott tengely fordulatszáma, azaz a k hajtóviszony, és gyakran előírt a tengelytávolság is pl. konstrukciós feltételekből. A hajtó szíj típusának megválasztása A szíj kiválasztása legtöbbször a teljesítmény és fordulatszám függvényében történik. A kiválasztás esetenként történhet az f szíjfrekvencia és a kisebbik tárcsaátmérő (D1) alapján. A szíjfrekvencia számításához a tengelytávolság, a D1 és D2 szíjtárcsa átmérők és az L szíjhossz adatai szükségesek. Szíjtárcsa átmérők, szíjhossz, tengelytávolság meghatározása A szükséges k hajtóviszony és a javasolt átmérők alapján a D1 és D2 szíjtárcsa átmérőket kiválasztjuk. Kiválasztásnál a kisebbik tárcsa átmérője a kritikus. A szíj hossza, a tengelytávolság, a kis tárcsa átfogási szöge meghatározható. A tengelytávolság állításának mértéke
31
A szíj laza felszereléséhez és előfeszítéséhez figyelembe veendő állítási értékeket a szíjhossz határozza meg, az értékek táblázatból kivehetők, vagy számíthatók. Korrekciós tényezők kiválasztása Az alábbi korrekciós tényezők táblázatokból választhatók ki: c1-a körülfogási szög tényezője, c2-üzemi tényező a gép típusától, üzemmódjától, üzemórák számától függ, c3-a szíj hosszától függő tényező, c4-a hajtóviszony (módosítás) értékétől függő tényező. A szíjszélesség, az elemek, a bordák számának, a szíjtárcsák méretének meghatározása A szíj szélessége, a szíjelemek, bordák száma a korrekciós tényezőkkel számított P sz teljesítmény alapján határozható meg felfelé egész számra kerekítéssel. A szíj szélessége diszkrét értékekből választható ki, ez alapján a szíjtárcsa szélessége és végül a szíjtárcsa is megtervezhető, esetenként kiválasztható. Szíjsebesség, szíjfrekvencia meghatározása A hajtás geometriai adatai és fordulatszámai alapján kiszámítható szíjsebesség és szíjfrekvencia értékeknek kisebbnek kell lenni a megengedett értékeknél. Fokozatnélküli hajtásoknál a legnagyobb fordulatszámmal számolunk. A szíjfeszítés (tengelyhúzás) beállítása A szíjfeszítés beállítása többféleképp végezhető el. Szíjbehajlás mérésnél a feszes szíjágra adott, meghatározott nagyságú terhelőerő alatt a szíj behajlása a tengelytávolság 1,5 %-a lehet. Hossznyúlás mérésnél először a szíj-szíjtárcsa hézagmentes kapcsolatát biztosítjuk. Ezután a szíjfeszítést addig állítjuk, amíg a szíj nyúlása el nem éri a kijelölt mérési hosszon a 0,5 0,75 %-os értéket. Alakzáró, fogasszíj hajtásnál a szíjfeszítés: Fh 1,2Fk. A beállítás geometriai méretek szerinti elvégzése nem nélkülözheti a szíjfeszítés nagyságának meghatározását, amely a tengelyek tervezéséhez, a csapágyak kiválasztásához szükséges. A szíj feszességét előírt járatási idő után ellenőrizni kell. 1.2.2 További építőelemek A további építőelemek és előírások ugyancsak katalógusokból választhatók ki, mint pl.: tachogenerátor, villamos útmérő, erő és alakzáró kötések (pl. feszítőgyűrűs kötések), tengelykapcsolók (szög- és tengelyhibát kiküszöbölő, rugalmas), csapágyak, tűrések illesztések, felületminőségek, tömítések, orsó- és vezeték védelem, zsírzó, olajozó egységek, csatlakozók, villamos helyzetkapcsolók, stb.. Ismeretek a már felsorolt szakirodalmakból is vehetők. 32
2.
Szánok és vezetékek
A gépekben a forgó mozgáson kívül nagy szerepet játszanak az egyenes vonalú mozgást végző szerkezetek, egységek, mint az asztalok és szánok, illetve azok vezetékei. Példák az műszaki élet szinte minden területéről említhetők. Tárgyalásunkban elsősorban a gépipari berendezésekre fókuszáltunk, kiemelten a mechatronikai berendezések előtoló és pozícionáló lineáris szán- és vezeték rendszereire. Példák említhetők a forgácsoló és más szerszámgépek textilgépek, papírgyártó gépek, csomagológépek, élelmiszeripari gépek területéről, vagy a gyors pozícionálású szánrendszerek (pl. beültetőgépek), vagy a plotterek szánrendszerei is. A vezetékek a szánoknak meghatározott, egy szabadságfokú, valamely koordináta irányú elmozdulást biztosítanak. Forgácsoláskor pl. az egyes szánokat, rendszerint térbeli, változó irányú és nagyságú erőrendszer terheli, amely a vezetékeken keresztül esetleg másik szánra/vezetékrendszerre, végül a gép tartóelemére (ágy, állvány) jut. A vezetékrendszer bekövetkező rugalmas alakváltozása, stabilitása közvetlenül befolyásolja a megmunkált felületek alak-, méret-, és helyzetpontosságát, valamint felületi minőségét. Az egyenes vezetékeket, a geometriai kialakítás alapján, általában síkokból felépülő és hengeres vezetékekre bontják. Ezek mindegyike lehet csúszó-, vagy gördülővezeték. A vezetékeknek, csapágyazásoknak a nagy megmunkálási és geometriai pontosság, pontos helyzetben tartás, terhelés alatt a kívánt pozíció biztosítására nagy teljesítményeknél az alábbi követelményeket kell kielégíteniük: nagy statikus, dinamikus és hőmerevség, kis súrlódás, kis kopás és kopás után állítási lehetőség, az elemek nagy geometriai pontossága, játékmentes, vagy kis játékú vezetés, jó csillapítás. Követelmény továbbá, hogy mozgás közben ne lépjen fel olyan, nem kívánatos jelenség, mint beékelődés, kisiklás, akadozó csúszás stb., illetve könnyű legyen a futás, és az előírásnak megfelelő pozícionálási pontosság legyen elérhető. Törekedni kell kis gyártási, előállítási költségekre, azaz a feladathoz szükséges legkedvezőbb anyag- és előállítási költségű (nem drágább és nem olcsóbb) vezetékrendszerre és a könnyű szerelhetőségre. Az alacsony üzemi költségek érdekében fontos az üzembiztos és hosszú élettartam, megfelelő kenés és szennyeződésre érzéketlenség, vagy azzal szembeni védelem, karbantartásszegény megoldások, túlterhelhetőség biztosítása. A követelmények teljesítéséhez fontos: Az erők és nyomatékok lehető legrövidebb kinematikai láncon (karon) való elvezetése a tartóelemre (talajra). Osztott mozgások megvalósítása a kontakt deformációk által okozott hatás csökkentésére. Nagy vezetékfelületek, kis terhelések a pontosság biztosításához. Minél kisebb tömeg mozgatása. A szánmozgatás erőhatásának vonala közel legyen a vezetékek síkjához. Aerosztatikus és hidrosztatikus nagypontosságú vezetés szubmikronos gépeknél, mérőgépeknél. A fenti követelmények és feltételeket különböző vezetékmegoldásokkal lehet kielégíteni.
33
2.1
Vezetési megoldások
A vezetés különböző típusai egyaránt előfordulnak egyenes vonalú haladó és forgó mozgású szerkezeteknél. A vezeték típusok az alábbiak lehetnek, amelyek közül kissé részletesebben a kiemeltekkel foglalkozunk: csúszó és hidrodinamikus, gördülő, hibrid lineáris vezetés (csúszó és gördülő kombinációja) hidrosztatikus, aerosztatikus, mágneses. A különböző szerszámgépeknél a vezetéktípusok eltérő arányban részesednek, ami a kor technikai színvonalától függően is változó. Egyes adatok szerint pl. esztergagépeknél a csúszó vezetékek aránya 30% körüli, majd kétszer ennyi a gördülő és 10 % alatti a hibrid és hidrosztatikus vezetékek aránya. Ezzel szemben fúró-maró megmunkáló gépeknél, központoknál 90 % feletti a gördülő vezetékek aránya. Köszörűgépeknél pl. a csúszó és gördülő vezetékek aránya viszonylag kicsi, pontos gépeknél hidrosztatikus vezetékek terjedtek el. Az elemi mozgásokat legtöbbször egy-szabadságfokú, zárt vezetékekkel biztosítják. A tér lehetséges 6 szabadságfoka közül ekkor 5 szabadságfokot kényszerekkel megkötnek. Léteznek nyitott, két szabadságfokú vezetékek is. Ilyen megoldásokat használnak nagytömegű (nagysúlyú) vízszintes szánok mozgatásánál, ahol a forgácsoló erők az asztalt nem képesek megemelni, pl. hosszgyalugépeknél, síkköszörű gépeknél. Az elemi mozgásokat lineáris vagy forgó szánok végzik. A szánok szolgálhatnak Szerszám, és/vagy Munkadarab mozgatására. 2.1.2 Csúszó (hidrodinamikus) vezetékek A hagyományos gépek többségénél a szánok mozgatására csúszó vezetékeket alkalmaznak [10]. A vezetékek kenése üzemi körülményektől függően lehet alkalmankénti, időszakos automatikus, vagy folyamatos. A súrlódási viszonyok változását jól jellemzik a Stribeck görbék, amelyek a súrlódó erő (nyomaték), vagy a µ súrlódási tényező alakulást mutatják az egymáshoz képest elmozduló elemek sebességének függvényében. Csúszó vezetékeknél a 2.1. ábra szerinti Stribeck-féle diagram alapján a következő szakaszok különböztethetők meg a sebesség növekedésének függvényében pl. a [2] szerint: nyugalmi állapot (súrlódási tényezője µ0), a csúszó felületek egymáshoz képest nyugalomban vannak, fémes súrlódás, amikor a csúszó felületek között még nincs kenőanyag, vegyes súrlódás (2-5 µm), amikor a csúszó felületek közötti terhelést részben a kiálló érdesség-csúcsok, részben a folyadék nyomása viseli, folyadéksúrlódás, és hidrodinamikus állapot (súrlódási tényezője µ), amikor az ellenállást csak a folyadék belső súrlódása jelenti, ami növekvő sebességnél ugyancsak nő a kenőanyag nyírófeszültségének növekedésével. A csúszó vezetékek előnye, hogy nagy a csillapítási tényezőjük, ennek következtében jól viselik a dinamikus igénybevételeket. Egyszerű kialakításúak, és korszerű technológiával viszonylag pontosan gyárthatók. Előállításuk kisebb költséggel lehetséges. 34
A csúszó vezetékek hátránya, hogy a szükséges hézagok miatt kevésbé pontosak, ami a terheléstől is függ, valamint rendszeres karbantartást, beállítást igényelnek. Továbbá kúszó kis sebességeknél (vk<10 mm/min) az akadó csúszás (stick-slip) jelenséggel kell számolni, ami lényegében a fémes és a vegyes súrlódás szakaszára esik. μ
Nyugalmi állapot
μo
Fémes súrlódás Vegyes súrlódás
Súrlódási tényező
Folyadék súrlódás
Hidrodinamikus állapot
μ
Csúszási sebesség v (m/min)
2.1. ábra: Csúszó vezetés Stribeck-féle diagramja Csúszó vezetékrendszerek alapvető építő felületei A csúszó vezetékek csoportosítása az alapvető vezetékfelületek a 2.2. ábra szerinti alakja szerint lehetséges, amelyek: sík (lapos), prizmatikus, fecskefark alakú, hengeres: 2.2.a - síkok (térben elhelyezkedő), 2.2.b - prizmatikus (azonos, vagy különböző ferde síkokból, pozitív és negatív), 2.2.c – (fél) fecskefark (különböző síkokból, pl. vízszintes és ferde síkokból), 2.2.d – hengeres. 90°
30° 90° a.,
90 ° c.,
b.,
d.,
2.2. ábra: Csúszó vezetékek alapvető építő felületei A fenti felületekből különböző vezetékrendszerek építhetők, amelyek térben is különböző helyzeteket foglalhatnak el. Vezetékrendszer képezhető például egymásra merőleges síkokból, azaz lapos felületekből, prizmatikus-lapos, prizmatikus-prizmatikus, fecskefarok, fecskefarok-lapos, lapos-hengeres, hengeres-hengeres felületekből. A vezetékeket úgy kell kialakítani, hogy annak teherviselő felületei lehetőleg a terhelésre merőlegesek legyenek. A csúszó vezeték felületek ajánlott terhelése: nagy pontosságú vezetékeknél közepes pontossági igényeknél alárendeltebb helyeken
σmeg ≤ 30 N/cm2 (mPa), σmeg ≤ 70 N/cm2 (mPa), σmeg ≤ 200 N/cm2 (mPa). 35
A 2.2.b ábrán látható, hogy a prizmatikus vezeték lehet szimmetrikus, és aszimmetrikus pozitív irányban kiemelkedő, vagy annak fordítottja, azaz negatív. Aszimmetrikus kialakításnál a kisebb szöggel hajló nagyobb felületre ható terhelések következtében a vezetékek kopása kisebb, és az ebből keletkezett elmozdulások a megmunkálások pontosságát kevésbé befolyásolják. A keletkező kopások a szerszám és munkadarab között elmozdulást tekintve lehetőleg érintőirányúak (tangenciálisak) legyenek a minél kisebb gyártási hiba érdekében. Példaként említhető az esztergakéseknek a vezetékek kopásából adódó, függőleges (illetve vízszintes) irányú helyzetváltozása és annak a megmunkálandó átmérőre gyakorolt hatására. A 2.2.c ábra szerinti fecskefark vezeték síkjai által bezárt szög általában 55°. Az egyik széles körben alkalmazott, 2.3. ábra szerinti, statikusan határozott csúszó vezetékrendszert egymásra merőleges síkfelületekből képezik, amelyeket pl. nagyterhelésű szánok vezetésére használják. A széles vezetésű kialakításból adódóan hosszú szánvezetés szükséges a befeszülések elkerülésére. A széles vezetésű megoldás helyett a befeszülés elkerülésére a keskeny vezetésű megoldásokat használják, amihez rövidebb szánvezetés és szán használható. Az ilyen vezetékrendszer alapvetően az F1 és F2 erők felvételére szolgál, ahol az F1> F2. A vezetékfelületek hézagbeállítása, illetve a vezetékek kopásának kompenzálása a kopást utánállító léccel lehetséges, ami a szánhoz kötött. Az ábra jelölései: 1-Tartóelem, 2-Szántest és felfogó felülete, 3-T hornyok, 4-Anya a szánon, 5-Orsó a tartóelemen, 6-Anya felfogó csavarok és illesztő szegek, 7-Visszafogó lécek, 8Visszafogó lécek csavarjai, 9-Hézagbeállító léc, 10-Hézagbeállító lécet állító csavarsor. Az egyes vezető felületek funkciója: 11-Teherviselő felületek, 12-Irányító felületek, 13-Visszafogó felületek. A visszafogó léc akadályozza meg a szán felemelkedését, ill. felbillenését. A hézagbeállító léc feladata az, hogy a megfelelő hézagot és vezetési pontosságot, továbbá kopás után állítást biztosítson. A hézagok egyben a kenőanyag befogadását is szolgálják, ami a működés szempontjából nélkülözhetetlen. A vízszintes síkoknál a hézagot az alsó visszafogó lécek és a vezeték alsó felülete közti hézag kimérésével és a lécek felfekvő, álló és csúszó felületeinek megmunkálásával szabályozzák be, miközben a lécet a hátsó felületére fogják fel. Megjegyzés: A 12 felületek közti kapcsolódásnak a jelentősége abban áll, hogy az itt lévő hézag és kopás jelentősen befolyásolhatja a megvalósítandó méret pontosságát, különösen tűrt méreteknél. A mai esztergáknál gyakran találni ferde ágyas kiviteleket, ahol a szán súlyából adódóan a 12 keskeny felületen való felfekvés áll elő. Ezért a tengelyirányú, z szán vezetéknél gyakran építenek hibrid vezetéket, ahol az irányító felületeknél hézagmentes és előfeszített gördülő vezetéket alkalmaznak edzett köszörült lécen történő keskeny vezetéssel. Így a munkadarab átmérő mérete igen pontosan állítható elő. A szabványos méretű és kiosztású T hornyok általában munkadarab készülékek felfogását szolgálják. A tájolást szolgáló hornyok oldala a szánmozgás irányával biztosan párhuzamos, ami annak köszönhető, hogy megmunkálásuk (ha lehetőség van rá) magán a gépen történik.
36
F1
2
3 9 11 10 12
F2
7 13 8 7
6 1 5
4
2.3. ábra: Egymásra merőleges sík felületekből kialakított csúszó vezetékrendszer széles vezetéssel A hézagbeállítás különböző lehetőségeit a 2.4. ábra szemlélteti. A párhuzamos oldalú 1 jelű hézagbeállító lécek (2.4.a ábra) oldalirányban a 2 jelű csavarokkal állíthatók, amelyeknek az elfordulás elleni biztosítását meg kell oldani. A léc vezetés irányú elmozdulását pl. kúpos csavar-fészek kapcsolattal lehet megakadályozni. Egyéb jellegzetességek a 2.3. ábra szerintiek. A helyi deformáció megakadályozására a lécet megfelelően merevre kell készíteni. Az előzőtől kedvezőbb az 1:60 - 1:100 lejtésű, ék alakú lécek (2.4.b ábra) alkalmazása, mert ezek egyenletesen fekszenek fel a terhelést átadó felületen. Az 1 jelű ékes lécet pl. a 2. csavarral lehet beállítani, amely az elfordulás ellen itt is biztosított. Ha a szánöntvény felületén nehéz az ékes felület elkészítése, egyszerűbb megoldás a kettős 13 ékes lécek (2.4.c ábra) egymáshoz viszonyított elmozdításával történő hézag beállítás, amely a 2 jelű csavarral végezhető el. A 3 lécet a 4 csavarok rögzítik a szánhoz. Ugyanakkor az elemek és a felületi kapcsolódások számának növelése az érintkezési (kontakt) gyengeséget növeli, továbbá a visszafogó léc felfogó csavarjainak távolsága a csúszó vezeték felületektől megnő. A lécek állításának más megoldásai is lehetségesek. 1 2
4 3 1
2
2
1 a.,
b.,
c.,
2.4. ábra: Hézag beállítási módok csúszó vezetékeknél
37
A keskeny szánvezetés megoldásának egy elvi vázlatát és egy gyakorlati megoldását mutatja a 2.5. ábra. A keskenyvezetésű megoldás előnye az, hogy: a megmunkált párhuzamos felületek egy felfogásban pontosan elkészíthetők, rövidebb szánok alkalmazhatók a befeszülés veszélye nélkül. A 2.5.a ábra egyes részletei a 2.3. ábra alapján megérthetők. A 2.5.b., ábra szerinti ipari megoldásban [12] az esztergagép X szánjánál a csúszó felületek között edzett köszörült acélepoxigyanta bázisú műanyag felületkapcsolódás található, ami az ékes lécre is vonatkozik. A Z szán vezetése hasonló lehet. A műanyag lehet öntött, vagy szerelt-ragasztott és megmunkált. A vezető léceket tájoló horony-léc páros hézagait a lécek beállítása után műgyantával kiöntik, természetesen a tájolás másként is megoldható, pl. megmunkált munkaléc tájoló felületekkel. A szán mozgatása orsó-anya kapcsolattal történik, a szán különböző, jobb- és baloldali véghelyzeteit helyzetkapcsolók jelzik ki.
a.,
b., 2.5. ábra: Sík felületekkel kialakított keskeny csúszó vezetékrendszer elvi és gyakorlati megoldása esztergagép X szánjánál (Excel Csepel Szerszámgépgyártó Kft.) A prizmatikus vezetékek funkció összevonással két funkciót valósítanak meg: egyrészt keskeny vezetést biztosító irányító felületek, másrészt teherviselő felületek. Kialakításuk lehet szimmetrikus vagy aszimmetrikus, és készülhetnek pozitív , vagy negatív kivitelben. A prizma ékszöge 90º, de ez az érték a vízszintes síkhoz képest különböző dőlésű síkokból is kiadódhat. Például egy vezetékrendszer prizmatikus vezetékének vízszintessel bezárt 38
oldalszögei 30° és 60°, ahol példaként említhetők az esztergagépek alapszán vezetékei, vagy 2x45° lehetnek, mint gyalugépek (pozitív), síkköszörű gépek (negatív) szánvezeték rendszereinek prizmatikus vezetékei. A prizmatikus vezetéket gyakran lapos vezetékkel kombinálják, mint amilyenek pl. az esztergagépek, köszörűgépek alapszán vezetékei. Kopás esetén ezek a prizmatikus vezetékek bizonyos mértékig automatikusan beállnak, arra merőleges irányban bekövetkező méretváltozás elhanyagolható. A 2.6. ábra egyetemes esztergagépek bevált ágy-alapszán és szegnyereg-állóbáb rendszerének kapcsolatait és kialakítását szemlélteti. Az alapszán, amelyhez a szánszekrény is csatlakozik, az ágy prizmatikus-lapos vezetékrendszerén (1) megvezetett. A prizmatikus vezetékrendszer felületei 30° és 60° szöget zárnak be a vízszintessel, azaz egymással 90°-ot. A teherviselő felületek a lapos és prizmatikus, az irányító felület a prizmatikus (keskeny vezetés elve), a visszafogó felületek laposak. Az alapszánt hosszelőtoláskor a szánszekrényből kinyúló (nem ábrázolt) fogaskerék hajtja meg, amely a tartóelemhez rögzített álló fogaslécen legördül. A hajtás ekkor a vonóorsóról levezetett. A szánszekrény az alapszánhoz csavarozással és illesztő szegekkel rögzített. Az alapszán felső része a keresztszán vezetéséhez szolgál. A szegnyereg és állóbáb vezetékrendszere ugyancsak prizmatikus-lapos, de itt a jóval kisebb felületű prizmatikus vezeték felületei a vízszintes síkkal 45°-45° szöget zárnak be. Szegnyereg Alapszán
Keresztszán vezeték
1
2
2 Szánszekrény
Fogasléc
1 - Alapszán vezetékrendszer
1
Ágy
2 - Szegnyereg és állóbáb vezetékrendszer
2.6. ábra: Egyetemes esztergagép ágy-alapszán és a szegnyereg vezetékrendszere
a.,
b.,
2.7. ábra: Prizmatikus felületekkel kialakított csúszó vezetékek A kétprizmás vezetékrendszert nagy súlyterhelésű gépeken, pl. gyalugépeknél alkalmaznak A túlhatározottság elkerülésére az egyik prizma felületeit utólag megmunkálják (2.7.a ábra), vagy az egyik prizmatikus vezetéket beállóra, és utána rögzíthetőre készítik (2.7.b ábra). A fecskefark alakú vezetékek síklapjai által bezárt szög 55°. Ezeket a vezetékeket kisterhelésű, alárendeltebb és keskenyebb szánok vezetésére használják. 39
A 2.8.a ábra szerint a 4 tartóelem és a rajta vezetett 1 szán vezetőfelületei közötti hézagot a 2 jelű ékes léccel állítják be a 3 csavarokkal (lásd a 2.4.a ábrát). A szánt az 5 orsó-anya pár mozgatja. Látható, hogy a vízszintes csúszó felületpár felső részen kapcsolódik, alul hézagnak kell lenni a túlhatározottság elkerülésére. Természetesen a felfekvés lehet alul is, de akkor felül kell hézagnak lennie, mint pl. esztergagépeknél. A 2.8.b ábra szerint a megfelelő hézagot a 2 léccel és a 3 csavarsorral állítják be. Itt a lécet a vezetés irányában meg kell fogni valamilyen módon, pl. a már említett kúpos csavar-fészek kapcsolattal. A 2.8.c ábra megoldása az előzőhöz hasonló, de a hézag beállítása után a 2 lécet az 1 szánhoz rögzítik az 5 csavarsorral. A 2.8.d megoldásban a kétoldali ékes léccel (2) történik a hézag beállítása, amelyet a 3 csavarsorral állítanak be, a léc helyzetét ezután rögzítik. A megoldások elvileg azonos, gyakorlatilag nem egyenértékűek!
a.,
1
1
1
1
2
2
2
2
3
3
3
3
4
4
5
4
5
b.,
c.,
d.,
2.8. ábra: Fecskefark vezetékek Csúszó vezetékek anyaga feladattól, gép pontosságtól függően eltérő lehet. Egyre kevesebb az öntöttvas-öntöttvas felületpárosítás és ma már igen jelentős számban találhatók edzett köszörült acél-műanyag és öntöttvas-műanyag felületpárokkal kialakított csúszó vezetékek, amelynek aránya akár a 60%-ot is elérheti. Emellett alkalmaznak még acél-acél, acélöntöttvas, acél-bronz vezetékpárokat is. A csúszó vezetékek anyaga alárendeltebb helyeken GG-150 és GG-200, nagyobb követelményeknél GG-250 és GG-300, azonos anyagpárosítással. A perlites modifikált kéregöntésű öntöttvasat indukciósan, vagy lángedzéssel 48-54 HRc értékre edzik, hogy kopásállóbb legyen. A hosszabb és edzett szánvezetéket ágyköszörűgépen munkálják meg. Az eszterga ágyat legalább olyan előfeszítés után köszörülik készre, amely hasonló deformációt hoz létre, mint a ráépülő egységek súlya. Az ágyvezetékre épülő szán vezetékfelületeit a kenés és a kenőanyag megtartása érdekében acél kaparószerszámmal hántolják. A kézi hántolással kis bemélyedéseket hoznak létre a kenőanyag befogadására és megtartására. A hántolást az egy □”-ra jutó bemélyedések számával jellemzik, például 17 (a 22 például már igen sűrű, és ezért igen nagy odafigyeléssel készíthető el). A hántolás eredményét kék festékezéssel, tusírozással ellenőrzik. A súrlódási tényező kb. µ≈0,12-0,15. Igényesebb esetben különböző keménységű acél-öntöttvas anyagpárokat alkalmaznak, az acéllécek anyaga pl. BC3, Cr5, 16MnCr5, amelyet 62-64 HRc-re edzenek és köszörülnek. A vezetékek közti súrlódási tényező értéke kb. µ≈0,1. Az öntvényből kialakított és költségesen után munkálható (felújítható) hosszú vezetékek és gépágyak helyett sokszor előnyösebbek a keményebb, kopásállóbb anyagú lécek, amelyeket az öntvény bázisfelületére szerelnek. 40
Jó siklási tulajdonságok, kisebb hézagok érdekében műanyag-öntöttvas, műanyag-acél anyagpárosítást is használnak. A súrlódási tényező értéke kb. µ≈0,05-0,15. A műanyag vezeték lehet szerelt és megmunkált, vagy öntött, hátránya a rossz hővezető képesség és a műanyag időbeli méretváltozása. Alapanyaguk epoxi műgyanta, a műanyag vezetékek ugyanúgy hántolhatók, mint az öntöttvas vezeték felületek. A műanyag vezetékek előnyös tulajdonságai: kismértékű kopás, szennyeződésekkel szembeni érzéketlenség, kenés nélkül is üzemeltethetők, kis súrlódási tényező, jó rezgéscsillapító képesség. Kedvező vezetési, illetve rezgéscsillapítási tulajdonságaik, és a gépágyak és vezetékek vízszintestől eltérő helyzete miatt a hibrid (csúszó+gördülő) vezetékek pl. esztergagépeken kaptak alkalmazást. A vezetékek gyártási pontosságra gyakorolt hatása. A gyártási pontosságot lényegesen befolyásolja a gép és a vezetékrendszer konstrukciója. Alapvető, hogy a vezetékek gyártása megfelelően pontos, kopásuk minimális legyen, továbbá a statikus terhelésre és a hőhatásokra bekövetkező alakváltozás kicsi legyen. A statikus deformációk csökkentésének érdekében merev konstrukciót, előfeszített vezetékrendszert, kis tömegeket és tömegkiegyensúlyozást kell alkalmazni, de ma már lehetőség van a deformációk vezérlésen keresztüli kompenzálására is. 2.1.3 Csúszóvezetékek felületi igénybevétele A csúszó-vezetékek élettartama akkor megfelelő, ha a vezetéklapokra ható nyomás nem lép túl egy megengedett értéket, és amelyet üzemi tapasztalatok alapján állapítottak meg. A vezetékfelületet terhelő nyomásfüggvényt ellenőrző számítással határozható meg, az alábbi feltételezések alapján: a felületi nyomás a vezetékek hossza mentén lineárisan változik, a felületi nyomás a vezetéklapok szélessége mentén állandó, a gépágy (gépállvány) vezetékének, másrészt a rajta lévő szán vezetékének merevsége lényegesen felülmúlja a vezetékfelületek kontakt merevségét, a vezetékfelületek között minimális hézag van a kenőanyag befogadására. A számítás elvi menetét a 2.9. ábra szerinti xz síkkal párhuzamos lapos vezetékrendszer fő teherviselő felületére mutatjuk be. A többi felület ellenőrzése hasonlóan történik. A szánvezetékeket terhelő koncentrált erőket és nyomatékokat korábbi számításokból feltételezzük. A vezeték lapjait terhelő közepes felületi nyomás értékek az alábbiak. Fc
Mz
My
Fc , 2 a H
(46)
M Bz , a H L
(47)
M By a H2
41
,
(48)
2.9. ábra: Csúszó vezetékek felületi igénybevétele A prizmatikus vezetéken ébredő erők kedvezőtlenebbek az ékhatás miatt, mint egymásra merőleges lapos vezetékeknél. Ft terhelőerőnél a kopásra az Fn erőhatás a mértékadó.
Ft
Fn
Ft
Fn α
Fn α Ft
Fn2
Fn
α
Fn1 Fv
β
b.,
a.,
2.10. ábra: Prizmatikus vezetékek erőjátéka A 2.10.a ábra alapján felírható, hogy: Fn
Ft 2 sin
, 2
aminek megfelelően:
42
(46)
Fs
2
Ft
Fn sin
,
(47)
2
nagyságú, az elmozdítást akadályozó súrlódó erő lép fel. Aszimmetrikus prizmatikus vezetéknél a súrlódó erő értéke levezetés nélkül:
Fs
2.2
Ft cos
sin
Ft cos
sin
,
(48)
Gördülő vezetékek
Korszerű, nagypontosságú gépeknél alkalmazzák [11]. A gördülővezetékek előnyei: kis gördülési ellenállás, aminek következtében kis előtoló erő szükséges, kis előtolási sebességeknél nem lép fel az akadozó csúszás (stick-slip), előfeszített beépítésben játékmentes vezetést és nagy pontosságot biztosít, kevés kenőanyagot igényel. Hátránya a gördülő testek visszavezetéséből adódó rezgésveszély. A gördülőtestek és a futópályák nagy gyártási pontosságot igényelnek. A maximális felületi egyenetlenség kisebb, mint 1 m/1 m, a futópálya keménysége legalább 60-64 HRc, amelyet a szennyeződéstől és forgácstól igen gondosan védeni kell. Vezetékvédelemre a merev teleszkópos burkolatok, vagy a harmonikaszerű rugalmas védelmek szolgálnak, ahogyan az előtoló orsóknál is. A gördülő vezetékeknek, mint a csúszó vezetékeknek is, két típusa lehet: nyitott, zárt. Nyitott vezetékeknél (2.11.a ábra) az egyenesbe vezetett elem, a szán csak vízszintes helyzetben építhető be. A kényszerkapcsolatot a mozgatott elem súlya hozza létre. Az ilyen szánokra csak olyan erők hathatnak, amelyek a mozgatott elemet nem billentik ki és nem emelik meg (még akkor sem, ha az F erő az L szakaszon kívül hat). A kosárba foglalt gördülő testek, amelyek golyók, vagy görgők lehetnek, vízszintes síkon, vagy prizmatikus vezeték felületeken futhatnak. Síkoknál oldalirányú megtámasztás, és vezetés is kell. Prizmatikus felületeknél a gördülőtestek szögben megdönthető kosárban foglalnak helyet. A nyitott vezetékek előnye, hogy könnyen szerelhetők. A gördülővezetékek az elmozdulási tartománytól függően lehetnek: korlátozott, vagy korlátlan elmozdulási úttal rendelkező vezetékek.. A 2.11. ábrán látható, hogy a szán a gördülőelemekről egy adott lökethossz után lefutna, tehát a vezetés véges. Ezért az asztal, ill. ágyhossznak legkevesebb fél lökethosszal nagyobban kell lennie a gördülő betét L vezetőhosszánál, ui. a gördülőtestek közepe csak feleannyit mozdul el, mint a felfekvő asztal. Mindez a gördülőtesteknek a gördülési ponthoz viszonyított eltérő sebességviszonyaiból következik, amit a 2.11.b ábra szemléltet. A teljes L vezetési hosszúságot nem kell feltétlenül görgőkkel kitölteni, kis terheléseknél elég az L hosszúság két végén egy-egy gördülőtestet elhelyezni. A vezeték zárttá a 2.11.c ábra szerint tehető.
43
L
F
B
l Szán
v v/2 G
B/2 a.,
b., l F
Szán c.,
2.11. ábra: Nyitott és zárt gördülővezetékek A 2.12. ábra két hasonló, nyitott és zárt gördülő vezetékmegoldást mutat. A lécek alámunkálásait az ábrákon nem tüntettük fel. A 2.12.a ábra szerinti prizmatikus és lapos felületeken futó hengergörgős, két-szabadságfokú megoldásban az oldalirányú elmozdulás ellen a prizma biztosít. A felső lécek csavarozhatók oldalról, de az asztal teteje felől is. A szánt a technológiai erők nem képesek megemelni. A 2.12.b ábra ugyancsak prizmatikus és lapos felületeken futó hengergörgős, itt egy szabadságfokú megoldásban a felülről visszafogó lécek hengergörgős megtámasztást biztosítanak. Ebben a megoldásban a hézag, vagy előfeszítés a visszafogó léc bemunkálásával biztosítható. A 2.12.c ábra azt szemlélteti, hogy az oldalirányú megfogás céljaira golyósor-prizma együttes is alkalmazható a prizmás-hengergörgős megvezetés helyett.
a.,
b.,
c.,
2.12. ábra: Nyitott és zárt véges szánvezetékek konstrukciós megoldásai gördülő vezetékekkel Zárt vezetékek golyó- és görgősorral, vagy ezek kombinációjával is készíthetők V profilú és síkfelületű léc(ek) felhasználásával. A 2.13. ábrákon a szimmetrikus vezetékrendszernek csak az egyik fele ábrázolt. A vezetékek hézagmentesítését és/vagy előfeszítését különböző módon oldják meg, pl. ékes léccel, csavarsorokkal és lécekkel, esetleg megmunkálással. A bemutatott
44
megoldásokon kívül más változatok is képezhetők. A gördülő testek edzett és köszörült felületeken futnak. A 2.13.a ábra golyós hosszvezetést szemléltet. Először a baloldali prizma felfogása történik meg. A hézagmentesítés, előfeszítés itt az F ékes felületpáron a lapra merőleges irányban állított léccel történik, a jobboldali prizmatikus léc rögzítése pedig az állítás után. A szaggatott vonal és nyíl jelzi, hogy az ékes felület az előzőre merőlegesen is kialakítható, ekkor az ékes lés állítása felülről lefelé történik az asztal átállított helyzeteiben. Szán
Szán
Szán
F
a.,
b.,
c.,
2.13. ábra: Zárt, gördülővezeték megoldások A 2.13.b ábra zárt, görgős hosszvezetéket ábrázol. Először a jobboldali prizma felfogása történik meg. Látható, hogy az állító elem a baloldali prizmatikus léc, amelyet csavarsorral állítanak be, majd a hézagmentesítés és előfeszítés után a lécet rögzítik. Ezzel a vezetés merevsége és futáspontossága növelhető. Az ilyen megoldások nagy terhelések felvételére alkalmasak. Keresztgörgős megoldással, amikor az egymás utáni görgők egymástól 90°-ra lévő és különböző felületpárokon kapcsolódnak, igen keskeny vezetés is létrehozható. A 2.13.c ábra szerinti zárt vezetéken felül görgők, alul pedig golyók végzik a vezetést. Először az alsó prizma felfogása történik meg. Ezután a golyósort felülről támasztó prizmát és asztalt helyezik fel, majd a felső lécet a benne elhelyezett lemezbetéttel és görgősorral együtt fogják fel. A beállítás akár az edzett lemezbetét, akár az azt befogó léc beköszörülésével végezhető el. A görgősor nagyobb terhelés felvételére szolgál. A túlhatározottság elkerülésére jobboldalt alul és felül síkon gördülő vezetést alkalmaznak. Korlátlan elmozdulást biztosító, zárt gördülő vezetékrendszerek A korlátlan elmozdulás biztosításának alapfeltétele a gördülőtestek valamilyen zárt pályán való visszavezetése. Először az un. „Gördülő papucsok” alakultak ki, amelyek az egymásra merőleges síkfelületekből épített csúszóvezetékek felületeihez kapcsolódtak [9]. A 2.3. ábra szerinti metszetben hat ilyen síkfelület van, tehát legalább 2x6=12 gördülő papucsra van szükség valamilyen hosszúságú szán vezetéséhez, mivel a papucsok csak egyirányú teher felvételére alkalmasak. Ugyanakkor görgős elemekkel való kialakítás nagy teherviselést biztosított. A papucsok konstrukciója és beépítése lehetővé tette a hézagmentes és előfeszített vezetést, amit ékes elemekkel biztosítottak. Ilyen gördülő egységekkel megépített gépek ma is működnek. A széles körben ma alkalmazott, korszerű gördülő és korlátlan elmozdulást biztosító vezetékrendszereknél, a szánok megvezetéséhez alapesetben négy gördülőtest szükséges és elegendő. A feltárást pl. a [7], [14], [15], [16], [17], [18] katalógusok tanulmányozásával végeztük. Ezek a gördülő kocsik kétirányú terhelés felvételére alkalmasak, amit a 45
konstrukciós kialakítás tesz lehetővé, emellett egy-szabadságfokú elmozdulást tesznek lehetővé. Kis egységeknél akár egy ilyen gördülőtest is elegendő lehet egy vezetősínnel. Keskeny szánoknál pedig két gördülő test is elegendő egy vezető sínnel. A gördülő testek hézagmentes, esetleg előfeszített vezetése különböző módon és a terheléstől függő elrendezésben oldható meg: X elrendezést kisebb terhelésnél, O elrendezést a nagyobb terheléseknél, YY egyirányú elrendezést nagy és egyirányú, pl. súlyterhelésnél
.
A gördülő elemek a test mindkét oldalán, zárt pályán visszavezetettek. A terheléstől függően könnyű (jobb- és baloldalt egy-egy gördülősorral), közepes (jobb- és baloldalt két-két gördülősorral) és nehéz sorozatú elemek választhatók, továbbá választhatók keskeny és széles vezetésű kocsik, rövid, normál, hosszú kocsik, továbbá fogasléccel, vagy mérőelemmel integrált megoldások is. A megoldások kiválasztása függ a térbeli elrendezéstől is. A hézagmentes és előfeszített kivitel a golyók méretválogatásával és betöltésével biztosítható. A 2.14.a ábra „O” elrendezésű kialakításra példa, amelyen jól láthatók a gördülő testek (golyók) érintkezési viszonyai. Hasonló
a.,
b., 2.14. ábra: Gördülő vezetékek 7]
A 2.14.b ábra kétféle beépítési példát szemléltet. A felső megoldásán a két vezetőlécet oldalról az 1 jelű bázis felületekhez a 2. jelű szorító lécekkel, helyező erővel illesztik, majd a vezető léceket felülről rögzítik. Ezek a vezetékrendszer vonatkoztatási bázisát (referenciáját) képezi. A jobboldali gördülő kocsikat a szán a bázis felületéhez ugyancsak szorító léccel, helyező erővel illesztik, majd a kocsikat felülről, a szántesten keresztül rögzítik, szegelik. A baloldali, laza felfogású 4 jelű gördülő kocsikat járatás után rögzítik és szegelik. A 2.14.b ábra alsó megoldásában a jobboldali vezető sín helyezése, ütköztetése a 3 jelű ékes léccel történik. A jobboldali gördülő kocsikat a szán a bázis felületéhez ugyancsak szorító léccel, helyező erővel illesztik, majd felülről a szántesten keresztül rögzítik, szegelik. A baloldali sín és kocsik helyezése és rögzítése bejáratás után történik meg. A 2.15-2.17. ábrák megvalósított ipari megoldás részleteit mutatják.
46
2.15. ábra: Vízszintes gördülő szánvezeték rendszer [12] 2.15. ábra nézeti képben mutat egy vízszintes gördülő szánvezeték rendszert. A 2.16. ábra a vezetékrendszer bázisoldali beépítését szemlélteti. Az 1 tartóelemre épülő vezetéksín helyzetét a tartóelem bázis síkjai jelölik ki, tájolják, a rögzítését a szerelési előírásoknak megfelelően az 5 szorítóléc 7 csavarsora és a vezetéksínt rögzítő, itt nem számozott csavarsor váltakozó meghúzásával oldják meg. A 2 gördülő kocsik (2 db) fix helyzetét a 8 szánon ugyancsak bázisfelületek jelölik ki, azaz tájolják. A rögzítést a 17 szorítóléc csavarsorával és az asztalról felülről a 19 csavarsorokkal oldják meg a léchez hasonló technikával. Az ábrán jól látható az abszolút méret megadási mód, ami pl. a részletszerkesztést, beállításokat nagymértékben segíti.
2.16. ábra: Gördülő vezeték beépítés a bázisoldalon /180°-kal elforgatva (Excel-Csepel Szerszámgépgyártó Kft.) A görgős kocsik alatt a 13 jelű hézagoló lécek találhatók, amelyekkel az egymástól független felületek megmunkálásából származó, vagy az aszimetrikus súlyeloszlás okozta deformációkból adódó eltéréseket kompenzálják, amit beállítás és mérés után a hézagoló lécek megmunkálásával biztosítanak. Látható, hogy a szorító vasak és az imbusz csavarok oldása és le- és kivétele után az asztal kismértékű megemelésével a lemezek egyszerűen kivehetők, megköszörülhetők, majd visszaszerelhetők.
47
A 2.17. ábrán a beállítandó-beálló oldali beépítések láthatók, ami a 2.15. ábra jobboldalán is kivehető. A vezető sínt csavarsor rögzíti, a fészekben jobboldalt tájolt helyzetét műgyanta kiöntés biztosítja. A gördülő kocsik szánon lévő pozícióját a sín kijelöli, helyzetüket helyező erővel való megfogás után, a bejáratást követően csavarsorral rögzítik. A csavarsorok közvetlenül, vagy más esetekben csavar-T anya párok sorával rögzítik a tartóelemhez a síneket. A süllyesztett csavarok körüli hézagokat a sínen korábban műanyaggal öntötték ki azért, hogy szennyeződés ne kerülhessen a hézagokba, ma műanyag zárósapkával fedik le, amelyek újabb szerelésnél könnyen eltávolíthatók.
2.17. ábra: Vezeték sín beépítés a bázisoldallal ellentétes oldalon, illetve egy hozzátartozó gördülő kocsi nézeti képe (Excel-Csepel Szerszámgépgyártó Kft.) A 2.18. ábra kétsínes, gördülő vezetékrendszer lehetséges térbeli elrendezéseire mutat példákat, amelyekből a feladatnak megfelelőt kell kiválasztani.
2.18. ábra: Kétsínes, gördülő vezetékrendszer elrendezési lehetőségek [7]
48
Ehelyütt csak megemlítjük a henger, vagy hengercikk felületen történő gördülő vezetéseket, amelyeket pl. sajtológépek szerszámainak megvezetésénél, manipulátorok lineáris szánjainál alkalmaznak. A 2.19. ábra az 1. és 2. fejezetbeli szerkezetek megvalósított megoldásainak képét mutatja. A hivatkozott irodalomban a részletek megtalálhatók.
2.19. ábra: Golyósorsó-anya párral meghajtott egységek [19]
49
2.3
Statikus erőjáték vizsgálat
A gördülő vezetékek élettartam akkor megfelelő, ha üzemi terheléskor a görgők és vezetéklapok között fellépő (érintkezési) Hertz feszültség nem lép túl egy megengedett értéket. A legjobban terhelt gördülő elem és vezetéklap közt ébredő érintkezési feszültség közepes (átlagos) értékét ellenőrző számítással határozzuk meg. Az ellenőrző számítás az alábbi feltételezéseken alapul: a vonalnyomás a vezetékek hossza mentén lineárisan változik, a vonalnyomás a görgők hossza mentén állandó, a gépágy (gépállvány) vezetékének, másrészt a rajta lévő szán vezetékének merevsége jelentékenyen felülmúlja a vezetéksíkok és görgők érintkezési (kontakt) merevségét, a vezetékfelületek között nincs hézag. A vezetékek felületi igénybevételének meghatározását Az alábbi fejezetek tartalmazzák. A 2.20. ábra az egyszabadságfokú egyenes vonalú, haladó mozgást végző szán elrendezésének elvi vázlatát szemlélteti. Általános esetben a szánt F és Fd koncentrált
erőrendszer, M és M d nyomatékrendszer ( F és M pl. a forgácsolásból, Fd és M d a hajtásból származó) terheli. A vezetékfelületek igénybevételének vizsgálatakor a fentieken kívül a szán G önsúlyát is figyelembe kell venni. A továbbiakban csak egykoordinátás, egyenes vonalú mozgást végző szánok vezetékeinek kialakításával és vizsgálatával foglalkozunk. Több koordinátás rendszerek egykoordinátás szánok összeépítésével képezhetők.
2.20. ábra: A szánvezeték rendszer tervezési/kiválasztási feladat első lépéseként meg kell határozni az adott szán vezetékeire ható erőket és nyomatékokat. A ábra példaként egy esztergagép szánrendszerét terhelő eredő FA forgácsoló erőt szemlélteti. Minden általános helyzetű erő – így a forgácsoló erő is – felbontható a szánok vezetékirányaira. A jelöléseknél jobbsodrású koordináta-rendszert alkalmazva, a +Z irány a főorsó tengelyvonalába esik és abból kifelé mutat, a keresztszán vezetéke (esztergák esetén) X irányú.
50
2.21. ábra: Esztergagép szánvezeték rendszer terhelése
2.22. ábra: Esztergálás forgácsolási alapmodellje
A 2.21. ábra alapján a forgácsoló erő a következő alakban írható fel: F
Fp e x
Fc e y
Ff e z ,
(43)
Fc – főforgácsoló erő (N), Ff – előtoló erő (N), Fp – fogásvétel irányú erő, vagy passzív erő (N). A 2.22. ábra alapján a forgácsoló erő az „A” pontban hat az esztergakésre. A vezetékek síkját modellezze az „S” sík, első lépésként, ennek centrumába – a „B” pontba – kell redukálni a forgácsoló erőt. Az A-B pontokat összekötő egyenes vektora: rAB
x AB e x
y AB e y
z AB e z ,
ahol xAB – a forgácsolt munkadarab sugara
d . 2
(44)
Ismeretes, hogy az F erőt a „B” pontba redukálva, ott az F -n kívül nyomaték is megjelenik, melynek vektora merőleges az F és rAB által kifeszített síkra: MB
MB
F rAB ,
ex Fp x AB
ey
(45.1) ez
Fc
Fe
y AB
z AB
,
(45.2)
kifejtve a (45.2) egyenletet, kapjuk, hogy: M Bx
Ff y AB e x
Fc z AB e x ,
51
(45.2.1)
M By
M Bz
Fp
z AB e y
F p y AB e z
Ff
x AB e y ,
Fc x AB e z .
(45.2.2) (45.2.3)
Az Ff előtoló erő komponenst gyakran külön más helyre kell redukálni, ugyanis a vezetékek csak két irányú elmozdulását, és három tengely körüli elcsavarodását akadályozzák meg a szánnak. Vezetésirányban azonban a szán elcsúszhat, így az előtoló erő átadása a következő elemre nem mindig a szánsík közepén, ill. annak közelében történik. Így ha nagyobb az eltérés a szánsík középvonala, és az előtoló mechanizmus erőátadási helye között, az előtoló erőt az utóbbi helyre kell redukálni. A fentiek alapján következik, hogy a nagy nyomatékok elkerülése érdekében a szánsíkok közepét minél közelebb kell felvenni a forgácsoló erő támadáspontjához. Nagy excentrikus karok, nagy nyomatékokhoz vezetnek, és az ezek által létrehozott elcsavarodások a hosszú karokon visszahatva a forgácsolás helyére, nagy pontatlanságot hoznak létre.
Irodalom [1] Tajnafői, J.: Szerszámgéptervezés II. Nemzeti Tankönyvkönyvkiadó, 1993 Bp. [2] M. Weck–Ch. Brecher: Werkzeugmaschinen, Mechatronische Systeme, Vorschubantriebe, Prozessdiagnose, Springer 2006 [3] www.emtc.hu/files/pdf/EZGC3-5hun.pdf [4] http://www.boschrexroth.com/Online Katalog-Servomotoren/ [5] Rexroth: Precision Ball Screw Assemblies, R310EN 3301 (2008.07) [6] Takács, E.: Szerszámgépek III. Kézirat, Tankönyvkiadó, Budapest. 1972. J14-980 [7] THK: General Catalog, Linear Motion Systems, http://www.thk.com/uk/about_site/index.html [8] W. Tochtermann-F. Bodenstein: Gépelemek 2. Mozgó gépszerkezetek, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1986. [9] Zsáry Á: Gépelemek II., Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest, 1990. [10] Molnár L: Szerszámgépek vezetékei I. OS., Miskolc, 1988. [11] Molnár, L: Gördülőpapucs megvezetés tervezési irányelvei OS., Miskolc, 1988. [12] Excel Csepel Szerszámgépgyártó Kft., Katalógus és rajz adattár 2011. [13] http://www.szimikron.com/pros/goly_hun.pdf [14] https://tech.thk.com/en/products/pdf/en_a01_480.pdf#1 [15] IKO: Linear Motion Technology, CAT-5507, http://www.ikont.com/ [16] http://www.boschrexroth.com/Online Katalog-Lineartechnik/ [17] Profilschienenführungen: http://www.boschrexroth.com/business_units... [18] Rexroth Bosch Group: Linear Motion Technology (DVD), 2006 [19] Bosch Rexroth: Units with Ball Screw Drives, R310 EN 3304 [20] Rexroth Bosch Group: The Drive § Control Company (DVD) 2007
52
