Počítačem řízená frézka pro designerské účely vypracoval: Jaromír Podzemný vedoucí práce: Ing. David Paloušek Aplikovaná mechanika, Počítačová podpora konstruování 2006
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav: Ústav konstruování Akademický rok: 2005/2006
ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE pro Jaromír Podzemný který/která studuje v magisterském studijním programu M 2301 Strojní inženýrství obor: Aplikovaná mechanika - 04 Počítačová podpora konstruování Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: Frézka pro designérské účely V anglickém jazyce: Milling machine for industrial design. Stručná charakteristika problematiky úkolu a cíle diplomové práce Stručná specifikace konstrukčního, analytického nebo experimentálního úkolu s uvedením důvodu řešení Navrhněte a zkonstruujte numericky řízenou frézku pro obrábění materiálů používaných designéry na tvorbu modelů. Zařízení bude sloužit pro specifické potřeby Ústavu konstruování. Zadání základních technických parametrů řešení Rozměry pracovního prostoru 1000x600 mm. Zdvih v ose Z do 20 mm. Obráběný materiál dřevo, houževnatý polystyren, plexisklo (vše do 5 mm). Řiditelná frekvence otáček nástroje. Pohyb v ose X a Y zajištěn krokovými motory. Bližší pokyny k postupu řešení (např. druh užité výpočtové metody, software, atd.) Zjistěte řezné podmínky a stanovte rozbor sil v hlavních konstrukčních celcích. Navrhněte vhodné konstrukční řešení s ohledem na výrobní možnosti dílny Ústavu konstruování. Vyhotovte 3D digitální model a konstrukční dokumentaci k vybraným dílům. Navrhněte blokové schéma elektrotechnického rozhraní prostřednictvím portu LPT pro komunikaci s osobním počítačem typu IBM PC. Specifikace provedených experimentů, měření, kontrolních testů, výroby prototypů apod. Výroba fyzického funkčního prototypu v dílnách Ústavu konstruování. Grafická podoba diplomové práce a její struktura se řídí pokyny uveřejněnými na webové stránce Ústavu konstruování mající adresu http://uk.fme.vutbr.cz.
Rozsah grafických prací: Výkresová dokumentace, Fotografická dokumentace, 3D digitální model, Fyzický model Rozsah průvodní zprávy: Rozsah cca 30.000 znaků bez mezer základního textu. Za základní text se považuje vlastní text práce včetně poznámek, bez bibliografie, příloh, anotace a obsahu práce. Seznam odborné literatury: Breník, P - Píč, J. Obráběcí stroje - konstrukce a výpočty. 2. vyd. Praha, SNTL 1986. 573 s. Borský, V. Obráběcí stroje. 1. vyd. Brno, 1992. 216 s. ISBN 80-214-0470-1. Jedlička, P. Přehled obvodů řady TTL 7400 - 1. díl. 1. vyd. BEN. 288 s. ISBN 80-86056-08-2. Jedlička, P. Přehled obvodů řady TTL 7400 - 2. díl. 1. vyd. BEN. 304 s. ISBN 80-86056-28-7.
Vedoucí diplomové práce: Ing. Paloušek David Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2005/06. V Brně dne 19.1.2006 L.S. doc. Ing. Martin Hartl, Ph.D. ředitel Ústavu konstruování
prof. Ing. Josef Vačkář, CSc. Děkan FSI
v Brně dne 19.1.2006
Čestné prohlášení
strana 5
ČESTNÉ PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracoval samostatně, za použití uvedené literatury, pod odborným vedením pana Ing. Davida Palouška. V Brně dne ……..
…………………………
Poděkování
strana 7
PODĚKOVÁNÍ Rád bych poděkoval všem lidem, kteří mi byli při tvorbě mé diplomové práce nápomocni. Zvláště bych chtěl poděkovat vedoucímu diplomové práce Ing. Davidu Palouškovi za odborné vedení.
Anotace
strana 9
ANOTACE Cílem této diplomové práce je navrhnout a zkonstruovat numericky řízenou frézku pro obrábění materiálů používaných designéry na tvorbu modelů. Obráběné materiály jsou dřevo, houževnatý polystyren a plexisklo, a to do tloušťky 5mm. Podstatná část konstrukce je tvořena částmi z vyřazených rýsovacích prken, tomu je také podřízen zbytek konstrukce. 3D model zařízení je navržen v programu Solidworks. Součástí práce je výkresová dokumentace a funkční fyzický model stroje. Hlavní důraz je kladen nejen na funkčnost, ale také na nízkou cenu tohoto řešení.
ANNOTATION The object of the diploma work: designing and constructing numerically controlled milling machine for cutting materials used by designers for models production. Mechanided materials are wood, tough polystyrene and acrylic glass, namely till the thickness 5 millimetres. Substantial part of the construction is made of eliminated drawing board parts. The rest of the construction is conformed to this fact. Threedimensional appliance model is designed in Solidworks programme. The work includes drawing documentation and functional physical model. Main emphasis is not placed only on functionality, but also on this giveaway price solving.
Obsah
strana 11
OBSAH SEZNAM POUŽITÝCH VELIČIN A JEDNOTEK..................................................12 1 ÚVOD.................................................................................................................14 2 DOSTUPNÁ KOMERČNÍ ŘEŠENÍ .................................................................15 2.1 POŽADOVANÉ VLASTNOSTI ...............................................................15 2.2 PŘEHLED KOMERČNÍCH ŘEŠENÍ .......................................................16 3 PRVKY KONSTRUKCE...................................................................................17 3.1 OBRÁBĚCÍ VŘETENO ............................................................................17 3.2 RÁM ...........................................................................................................18 3.3 LINEÁRNÍ VEDENÍ .................................................................................19 3.3.1 Kluzné.................................................................................................19 3.3.2 Kuličkové ...........................................................................................20 3.3.3 Rolničkové..........................................................................................20 3.4 HNACÍ PRVKY .........................................................................................21 3.4.1 Ozubený řemen...................................................................................21 3.4.2 Trapézový šroub .................................................................................21 3.4.3 Kuličkový šroub .................................................................................22 3.5 KROKOVÉ MOTORY .............................................................................22 3.5.1 Složení rotačního krokového motoru .................................................23 3.5.2 Funkce krokového motoru..................................................................24 3.5.3 Metody řízení krokových motorů .......................................................24 3.5.4 Praktické zapojení ..............................................................................25 3.5.5 Lineární krokové motory ....................................................................26 3.6 KONTROLÉRY .........................................................................................27 3.7 SOFTWARE...............................................................................................28 4 VLASTNÍ KONSTRUKCE ...............................................................................30 4.1 RÁM ...........................................................................................................30 4.2 PODÉLNÉ VEDENÍ ..................................................................................32 4.3 PŘÍČNÉ VEDENÍ ......................................................................................34 4.4 SVISLÉ VEDENÍ.......................................................................................36 4.5 MOTORY...................................................................................................38 4.6 OBRÁBĚCÍ VŘETENO ............................................................................39 4.7 KONTROLÉR ............................................................................................40 4.8 SOFTWARE...............................................................................................41 4.9 KONTROLNÍ VÝPOČTY .........................................................................43 4.9.1 Výpočet sil na pohybovém šroubu ...................................................43 4.9.2 Pevnostní kontrola pohybových šroubů ...........................................46 4.9.3 Kontrola pohybových šroubů na vzpěr ..............................................49 4.9.4 Výpočet ložisek .................................................................................52 4.9.5 Kontrola závitu na otlačení ................................................................54 4.9.6 Výpočet výkonu vřetene.....................................................................55 4.9.7 Výpočet sil při obrábění .....................................................................57 4.10 MOŽNOSTI ROZŠÍŘENÍ..........................................................................57 5 ZÁVĚR...............................................................................................................58 6 LITERATURA ...................................................................................................59
strana 12
Seznam použitých veličin a jednotek
SEZNAM POUŽITÝCH VELIČIN A JEDNOTEK AS[mm2] C0r[N] Cr[N] d[mm] D1[mm] d2[mm] d3[mm] E[MPa] f [-] f´[-] FA[N] Fkr[N] Fmax[N] FO[N] FR[N] Fv[N] iz[-] Jx[mm4] k[-] km[-] kp[-] kv[-] kσ[-] l[mm] L10[ot.106] L10h[h] lm[mm] MS[Nm] nm[min-1] nv[min-1] O[mm] P[mm] p[MPa] pd[MPa] PR[N] PS[W] Pv[W] rn[m] X[-] Y[-] α[-] α[°] β[°] η[-] λ[-] λK[-] σ[MPa] σmax[MPa] σred[MPa] σT[MPa] τk[MPa] φ[°]
- průřez šroubu - statická únosnost ložiska - dynamická únosnost ložiska - velký průměr závitu šroubu - malý průměr závitu matice - střední průměr závitu - malý průměr závitu - modul pružnosti - součinitel tření - součinitel tření závislý na vrcholovém úhlu závitu - axiální síla - kritická axiální síla - maximální zatěžující síla - obvodová síla - radiální síla - výsledná zatěžující síla - převodový poměr - kvadratický moment průřezu v ohybu - koeficient bezpečnosti - koeficient dynamického momentu - bezpečnost k dovolenému tlaku v závitech - bezpečnost k mezi vzpěrné stability - bezpečnost k dovolenému napětí - zatěžovaná délka šroubu - základní trvanlivost ložiska - trvanlivost ložiska v provozních hodinách - délka matice - statický krouticí moment krokového motoru - provozní otáčky motoru - otáčky vřetene - obvod na středním průměru závitu - stoupání závitu - skutečný tlak v závitech - dovolený tlak v závitech - ekvivalentní radiální zatížení - výkon ze simulace - výkon vřetene - poloměr nástroje - koeficient radiální složky zatížení ložiska - koeficient axiální složky zatížení ložiska - koeficient daný uložením šroubu - úhel stoupání závitu na středním průměru - vrcholový úhel profilu závitu - účinnost šroubového převodu - štíhlost šroubu - kritická štíhlost šroubu - napětí od axiální síly - maximální napětí v tlaku - redukované napětí - dovolené napětí v tlaku - napětí od radiální síly - třecí úhel
strana 14
1
Úvod
1
ÚVOD
Počítačem řízené obrábění součástí se vyvinulo jako důsledek snahy o automatizaci úkonů spojených s obsluhou stroje při sériové a hromadné výrobě. Od strojů s mechanickými dorazy, které jako jednoúčelové stroje v hromadné výrobě slouží dodnes, bylo třeba pokročit dále. Hlavním aspektem byl vstup ranné výpočetní techniky z laboratoří do běžného života. Použití počítačové logiky ve spojení se zesilovači signálů a řízenými motory na jednotlivých osách stroje nastartovalo novou éru obrábění. Program chodu stroje byl zpočátku uchováván na děrných štítcích, následovaly děrné pásky, magnetické pásky a následně první počítačové diskety. V podstatě se dá říci, že tyto obráběcí stroje s určitým zpožděním kopírovaly vývoj výpočetní techniky, co se řídícího hardware týče. Pouze se s ohledem na náročnější provozní podmínky (vibrace, vlhko, prach…) používaly odolnější ekvivalenty. V oblasti softwarového vybavení se ubíraly vlastní cestou, využívajíce úzce specializovaných programů pro vlastní ovládání a automatické řízení stroje. Dnes se již pro řízení a kontrolu masivně využívá počítačových sítí. Výhodou tohoto řešení je možnost jednoduše skladovat důležitá data na bezpečném místě a částečně odpadá i použití vysoce odolných, drahých počítačových komponent a je zde možnost využít klasických. V podstatě lze dnes specifikovat CNC (Computer Numeric Control) stroje jako svazek tří základních spolupracujících jednotek, a to mechanickou část, komunikační rozhraní, programovou část. V této práci je čerpáno z poznatků, které mnohaletý vývoj těchto zařízení nabízí a zároveň je kladen důraz na navržení finálního řešení tak, aby maximálně splňovalo požadavky na něj kladené.
Dostupná komerční řešení
2
DOSTUPNÁ KOMERČNÍ ŘEŠENÍ
strana 15
2
Prvním krokem před zahájením vlastní práce je ověření, zda již neexistuje komerčně dostupné zařízení, které by požadovanou funkci zastalo. I přes značné úsilí při hledání vhodného stroje, je třeba konstatovat, že se takový nalézt nepodařilo. Hlavním důvodem byla vyšší univerzálnost a robustnost strojů schopných obrábět i kovy, spojená s (pro naše účely) neakceptovatelnou cenou. Pro názornost jsou zde shrnuty požadované vlastnosti a následně uvedeno několik strojů, které by byly schopny splnit požadované úkony.
2.1 POŽADOVANÉ VLASTNOSTI 1) 2) 3) 4) 5)
Rozměry pracovního prostoru: 1000x600x20mm Obráběný materiál: dřevo, houževnatý polystyren, plexisklo (vše do 5mm) Řiditelné otáčky nástroje Posuv zajištěn krokovými motory Stroj má pomocí stopkové frézy vyřezávat plošnou geometrii
Z této specifikace je jasně patrné jednostranné určení stroje. V podstatě se jedná o posílený plotter, místo pera osazený frézovacím vřetenem. Komerčně nabízené produkty jsou svým využitím směrovány jinam. Jde o gravírovací frézky s výrazně vyšší přesností, než je pro naše účely třeba. Tomu odpovídá cena – která začíná na cca 220 000,- bez DPH. V konečném důsledku jsou tyto stroje vhodnou inspirací pro tvorbu vlastního, patřičně zjednodušeného, řešení s použitím levnějších alternativ jednotlivých komponent. Tímto způsobem lze dosáhnout řešení, jehož cena při splnění vznesených požadavků na funkci nepřesáhne 30 000,- , tedy cca jednu sedminu ceny komerčního univerzálního výrobku.
2.1
strana 16
2.2
Dostupná komerční řešení
2.2 PŘEHLED KOMERČNÍCH ŘEŠENÍ COMAGRAV MISTRAL 900 Pracovní prostor: 685 x 990 x 130 mm
Cena: 412 000,- bez DPH
Obr. 2.1 Comagrav Mistral 1250 [3]
GRAVOGRAPH IS7000 Pracovní prostor: 815 x 610 x 80 mm
Cena: 540 000,- bez DPH
Obr. 2.2 Gravograph IS7000 [4]
Fy BARTOŇ 3D FRÉZKA PROFI Pracovní prostor: 790 x 480 x 160 mm
Cena: 217 000,- bez DPH
Obr. 2.3 Fy Bartoň 3D Frézka PROFI V [5]
Prvky konstrukce
3
strana 17
PRVKY KONSTRUKCE
3
3.1 OBRÁBĚCÍ VŘETENO
3.1
Vřeteno musí být schopno dosahovat vzhledem k obráběným materiálům a malým průměrům nástrojů poměrně vysokých otáček – až 30000 za minutu. Důležitým předpokladem je nízká hmotnost a dostatečný výkon pro zajištění optimálních řezných podmínek. Výběr je široký, s ohledem na cenu je ovšem třeba volit z dostupných variant, a to především z nabídky ručních gravírovacích frézek. Předními firmami v této oblasti jsou především firmy Dremel a Proxxon.
Obr. 3.1 Dremel [6]
Obr. 3.2 Proxon [7]
Vzhledem k plánované stavebnicové struktuře držáku vřetena nebude problém upnout ani jiná vřetena různých typů a konstrukcí.
strana 18
3.2
Prvky konstrukce
3.2 RÁM Při řešení konstrukce stroje jako takové je na výběr z mnoha variant. Je třeba v zásadě volit co největší jednoduchost a zároveň tuhost skeletu. Jako materiál se zde přímo nabízí využití vytlačovaných duralových profilů. Jejich hlavními pozitivními vlastnostmi jsou: -
tuhost nízká hmotnost vysoká tvarová a rozměrová variabilita využití stavebnicových prvků
Obr. 3.3 Duralové profily [8]
Obrovským rozsahem sortimentu vyniká především firma BOSCH REXROTH, z jejichž nabídky bylo také čerpáno.
Obr. 3.4 Příklad využití stavebnicové montáže u konstrukce desky stolu. [8]
Prvky konstrukce
strana 19
3.3 LINEÁRNÍ VEDENÍ
3.3
Lineární vedení mají mnoho variant, zde je stručný přehled. Pohyb jako takový může být realizován kterýmkoliv ze způsobů uvedených v následující kapitole 3.4 - hnací prvky. 3.3.1
Kluzné
3.3.1
Kruhové tyče:
Obr. 3.5 Lineární vedení šroub a kruhové tyče [8]
Jednoduché a levné řešení. Využívá systému několika rovnoběžných tyčí, po kterých klouže upínací segment díky vloženým plastovým či kovovým kluzným pouzdrům. Profilované tyče:
Obr. 3.6 Lineární vedení šroub a profilovaná trubka [10]
Upínací segment klouže po speciálně navrženém tvaru vodícího profilu. Použitý profil zabraňuje pohybu v jiné než požadované ose, díky tomu není třeba použít více vodicích prvků. Výhodou je menší zastavěný prostor, nevýhodou větší složitost kluzného ložiska.
strana 20
3.3.2
Prvky konstrukce
3.3.2
Kuličkové
Obr. 3.7 Lineární vedení kuličkové [11]
Jedná se v podstatě o přesnější varianty kluzných vedení, pouze kluzné pouzdra jsou nahrazeny podstatně přesnějšími a také dražšími pouzdry kuličkovými. Vyznačují se jak celkovou vyšší přesností, tak nižšími ztrátami třením.
3.3.3
3.3.3
Rolničkové
Obr. 3.8 Rolničkové vedení [9]
Tento typ vedení je oproti předchozím výrazně odlišný. Využívá systému přesně rozmístěných (speciálně tvarovaných) „rolniček“, odvalujících se obvykle po duralovém profilu osazeném kalenými vložkami, zaručujícími díky vysoké jakosti povrchu hladký pohyb. Výhodou proti kluzným a kuličkovým systémům je funkčnost bez nutnosti mazat vodicí dráhu.
Prvky konstrukce
strana 21
3.4 HNACÍ PRVKY
3.4
3.4.1
3.4.1
Ozubený řemen Výhody: - tlumí vibrace a rázy - vyšší rychlosti posuvu - nízká cena - nízké ztráty - není třeba mazat Nevýhody: - nižší vyvozená síla - nižší přesnost - nutnost použití normalizovaného rozměru řemene
Obr. 3.9 Ozubený řemen [9]
Pohlcuje vibrace a rázy, je výhodný z hlediska použití krokových motorů, které je i při použití děleného kroku (mikrokrokování) generují. Přesnost dosahovaná systémy s ozubeným řemenem se pohybuje kolem ±0,1mm. 3.4.2
3.4.2
Trapézový šroub Výhody: - velká vyvozená osová síla - vyšší přesnost - možnost přesné délky Nevýhody: - nižší osové rychlosti - vyšší ztráty - potřeba mazání
Obr. 3.10 Trapézový šroub [9]
Základní způsob převodu rotačního pohybu na přímočarý pomocí šroubu a matice v té nejjednodušší formě. Nabízí se využití na všech osách (XYZ). Výhodou je v tomto případě, díky převodu do pomala, možnost použití slabších – levnějších krokových motorů. Nevýhodou naopak nutnost použít spojky pohlcující vibrace. Přesnost dosahovaná systémy s trapézovým šroubem se pohybuje kolem ±0,1mm.
strana 22
3.4.3
Prvky konstrukce
3.4.3
Kuličkový šroub Výhody: - velká vyvozená osová síla - velmi vysoká přesnost - možnost přesné délky - nízké ztráty Nevýhody: - nižší osové rychlosti - potřeba mazání - velmi vysoká cena
Obr. 3.11 Kuličkový šroub [9]
Nejpreciznější běžně používaná forma polohování u obráběcích strojů. Opět využitelná na všech osách. Šroub má šroubovici tvořenu drážkou pro odvalování kuliček, které jsou uloženy ve speciálně konstruované matici. Ta je řešena jako oběžné pouzdro, naplněné ložiskovými kuličkami. Tato varianta je ovšem vyloučena z důvodu velmi vysoké ceny a zbytečně vysoké přesnosti. Přesnost dosahovaná systémy s kuličkovým šroubem se pohybuje kolem ±0,01mm. 3.5
3.5 KROKOVÉ MOTORY [12] Pro zajištění pohonu by bylo možné použít také servomotorů s integrovaným odměřovacím systémem, použití krokových motorů je ale definováno přímo v zadání práce, tudíž se zaměřím pouze na ně. Výhody: - není potřeba zpětná vazba (pokud motor nepřetěžujeme) - velmi jednoduché ovládání Nevýhody: - poměrně velký odběr proudu i v klidovém stavu - nepříliš výhodný poměr kroutící moment/hmotnost - vyšší cena Typy dle počtu fází: [13] - 1-fázové: Nejjednodušší, nejslabší, aktivní vždy 1 cívka - 2-fázové: Nejpoužívanější v jednoduchých systémech. Mají jednoduchou kompaktní konstrukci, jsou spolehlivé a bezúdržbové. Ve dvoufázovém provedení se vyrábí pouze malé typové řady do několika Nm. Pro jejich řízení lze použít některý z integrovaných obvodů dostupných na trhu. Při řízení v celokrokovém režimu mají rozlišení 200 kroků na otáčku, úhel kroku je 1,8°. Při řízení v půlkrokovém režimu mají rozlišení 400 kroků na otáčku, úhel kroku je 0,9°. - 3-fázové: Třífázové krokové motory jsou na nejvyšším stupni ve vývoji krokových motorů. Ve srovnání s koncepčně překonanými 2-fázovými a také 5-fázovými krokovými motory dosahují o 30 až 50% vyšší účinnosti,
Prvky konstrukce
-
strana 23
zejména při vyšších otáčkách.U třífázových krokových motorů se používá sinusová komutace proudu. Součástí jejich výkonových jednotek jsou přesné regulátory proudu pro každou fázi. Tento způsob řízení zajišťuje rovnoměrný a stabilní chod v celém rozsahu otáček již od nuly. Na výkonových jednotkách lze nastavit rozlišení v rozsahu 200 až 10.000 kroků na otáčku, digitální řídicí jednotky používají až 20.000 kroků na otáčku. Inovovaná konstrukce těchto motorů je bezúdržbová a zajišťuje tichý chod bez rezonancí.Třífázové krokové motory představují kvalitativně novou řadu, která je svými parametry předurčena pro moderní regulační pohony s vysokými nároky na dynamiku a stabilitu pohybu. 4-fázové: Jiný způsob zapojení 2-fázových motorů. 5-fázové: Pětifázové krokové motory jsou vývojovým předchůdcem třífázových krokových motorů. Vyráběly se více než 20 let a jejich sériová výroba byla ukončena v roce 1994. Dnes již nejsou perspektivní. Důvodem pro větší počet fází byl vyrovnaný chod bez rezonancí. Mají přirozené rozlišení 500/1000 kroků na otáčku. V současné době na strojích postupně dožívají a je vhodné je nahradit třífázovými krokovými motory s moderním řízením.
3.5.1 Složení rotačního krokového motoru Na obrázcích je krokový motor s 200 kroky na otáčku (1.8 stupně na krok). Stator krokového motoru je tvořen sadou cívek. Pólové nástavce statoru jsou vroubkovány se stejnou roztečí jako je rozteč magnetů na rotoru. Toto je jedna z částí zvyšující přesnost motoru při stejném počtu cívek. Rotor je tvořen hřídelí usazenou na kuličkových ložiskách a prstencem permanentních magnetů.
Obr. 3.12 Celkový pohled
Obr. 3.13 Stator
Obr. 3.14 Rotor
3.5.1
strana 24
Prvky konstrukce
3.5.2
3.5.2 Funkce krokového motoru Základní princip krokového motoru je jednoduchý. Proud procházející cívkou statoru vytvoří magnetické pole, které přitáhne opačný pól magnetu rotoru. Vhodným zapojováním cívek dosáhneme vytvoření rotujícího magnetického pole, které otáčí rotorem. Podle požadovaného kroutícího momentu, přesnosti nastavení polohy a přípustného odběru volíme některou z variant řízení. Všechny možnosti jsou probrány v další části textu. Kvůli přechodovým magnetickým jevům je omezena rychlost otáčení motoru a to na několik stovek kroků za sekundu (závisí na typu motoru a zatížení). Při překročení této maximální rychlosti (nebo při příliš velké zátěži) motory začínají ztrácet kroky.
3.5.3
3.5.3
Metody řízení krokových motorů
Unipolární versus bipolární řízení:
Obr. 3.15 Schéma unipolárního řízení
Při unipolárním řízení prochází proud v jednom okamžiku právě jednou cívkou. Motor s tímto buzením má nejmenší odběr, ale také poskytuje nejmenší kroutící moment. Při bipolárním řízení prochází proud vždy dvěma protilehlými cívkami. Ty jsou zapojené tak, že mají navzájem opačně orientované magnetické pole. Motor v tomto režimu poskytuje větší kroutící moment, ovšem za cenu vyšší spotřeby.
Obr. 3.16 Schéma bipolárního řízení
Jednofázové versus dvoufázové řízení: Jednofázové řízení znamená, že magnetické pole generuje pouze jedna cívka (případně dvojice cívek při bipolárním buzení). Při dvoufázovém řízení generují shodně orientované magnetické pole vždy dvě sousední cívky. Daní za vyšší kroutící moment je dvojnásobná spotřeba oproti řízení jednofázovému.
Prvky konstrukce
strana 25
Řízení s plným versus polovičním krokem: Řízení s plným krokem znamená, že na jednu otáčku je potřeba přesně tolik kroků, kolik zubů má stator daného motoru. Dosáhneme ho použitím kterékoliv doposud uvedené metody řízení. Řízením s polovičním krokem dosáhneme dvojnásobné přesnosti. Technicky se jedná o střídání kroků s jedno- a dvoufázovým řízením. Metody řízení v praxi:
Obr. 3.17 Rozložení cívek
Následující obrázek používá číslování cívek podle tohoto schématu (pro jednoduchost uvažujeme zjednodušený motor se čtyřmi kroky na otáčku). Je-li cívka nakreslena hnědě(v tabulce označená "0"), je bez proudu. Magnetické pole modře nakreslené cívky (v tabulce označené "-") přitahuje červený konec magnetu (rotoru) a naopak - magnetické pole červeně nakreslené cívky (v tabulce označené "+") přitahuje modrý konec magnetu.
Cívka 1 0 + + Cívka 2 0 0 Cívka 3 + + 0 Cívka 4 0 + + + 0 Tab. 3.1 Bipolární řízení s polovičním krokem
+ + -
0 + 0 -
+ + -
3.5.4 Praktické zapojení Následující zapojení demonstruje základní zapojení pro řízení motoru v unipolárním dvoufázovém režimu. Jako výkonový budič je použit obvod ULN2803. Ten obsahuje jednak ochranné diody, jednak invertor před každým výkonovým stupněm. To výrazně zjednodušuje dvoufázové řízení při malém počtu řídících linek. V rámečku je přehledněji nekresleno propojení cívek motoru a budičů (včetně ochranných diod).
3.5.4
strana 26
Prvky konstrukce
Obr. 3.18 Schéma unipolárního dvoufázového řízení
Krok 1 Krok 2 Krok 3 Krok 4 Vstup 1 1 1 0 0 Vstup 2 1 0 0 1
Cívka L1 1 Cívka L2 1 Cívka L3 0 Cívka L4 0
0 1 1 0
0 0 1 1
1 0 0 1
Tab. 3.2 Řídící sekvence 3.5.5
3.5.5
Lineární krokové motory
Obr. 3.19 Lineární jednoosý krokový motor [15]
Obr. 3.20 Lineární dvouosý krokový motor [16]
Vynikajícím řešením by bylo použití lineárních krokových motorů. Jak jednoosých, tak se zde také nabízí dvouosé varianty. Obrovskou výhodou těchto motorů je fakt, že už nepotřebují žádné další vedení, ani pohybové elementy ve formě šroubů či řemenů. Nevýhodou se jeví poměrně složitá ochrana proti vnikání částic mezi kluznou plochu a pohyblivý segment (obzvlášť u dvouosé varianty) a v neposlední řadě vysoká cena a špatná dostupnost. V podstatě je možná pouze objednávka ze zahraničí.
Prvky konstrukce
strana 27
3.6 KONTROLÉRY
3.6
Kontrolér slouží jako rozhraní mezi osobním počítačem a vlastním krokovým motorem. Obsahuje obvykle řídící logiku a zesilovač signálu. Díky inteligentnímu ovládání cívek krokových motorů dokáží některé kontroléry dělit 1 krok motoru až na několik desítek mikrokroků. Uvedeni jsou zde dva výrobci kontrolérů, a to firmy GECKO DRIVE a CONRAD. Geckodrive:
Obr. 3.21 Kontrolér Geckodrive G201 [17]
Tyto kontroléry jsou v oblasti amatérsky vyráběných CNC strojů snad nejpoužívanějšími. Kromě mikrokrokování a schopnosti potlačit vibrace motoru vynikají schopností dodávat velké proudy, tedy lze jej použít i pro poměrně značně výkonné verze motorů. Nevýhodou je omezená dostupnost. Pravděpodobně jedinou cestou je přímé objednání z USA. Je nutné použít pro každou osu jeden kontrolér. Celková cena je pak v přepočtu 7970kč za trojici kontrolérů G201, nutnou k ovládání stroje,(30.1.2006) bez poplatků za přepravu. Conrad:
Obr. 3.22 Kontrolér SMC 1500 [18]
Výhodou těchto kontrolérů je integrace ovládání všech tří os na jednu desku tištěného spoje. V podstatě se jedná o PnP zařízení, které stačí připojit k PC a k motorům, zkalibrovat a vše funguje. Další věcí je dobrá dostupnost tohoto komponentu, je nabízen sítí obchodů Conrad, tedy i v české republice za cenu 5274kč s DPH (30.1.2006).
strana 28
3.7
Prvky konstrukce
3.7 SOFTWARE Předpokládáno je využití již hotového, dostupného, pokud možno volně šiřitelného software. Funkcí programu pro ovládání frézky by měl být také import různých datových formátů. Z nejdůležitějších formátů jsou předpokládány DXF, NC, PLT, GM. KELLYWARE KCam v. 4.0011: Software v shareware verzi, po uplynutí zkušební doby 60 dnů, nebo 60 spuštění, přechází v demoverzi (omezený počet řádek G-kódu na 500, zakázáno ukládání NC programů, omezení polygonů formátu IG na 100). Zvládá import všech výše zmíněných datových formátů. Podporuje rozhraní LPT .
Obr. 3.24 Pracovní okno KCam [19]
Prvky konstrukce
strana 29
MaJoSoft: Software přímo podporující SMC 1500, OS windows. Volná verze programu je dostupná po odeslání fotografií a popisu stroje na email autora. Software umožňuje práci s již vytvořeným programem v G-kódu. Doplňkem je jednoduchý prográmek pro převádění obrázků na prostorové reliéfy.
Obr. 3.25 Pracovní okno MaJoSoft [20]
SUPERCAM: Verze SuperCAMu pro windows XP. Podporuje LPT a USB porty, LPT ovšem pouze přes přídavné zařízení. Zvládá import souborů DXF a PLT. Starší verze pro MS-DOS podporuje port LPT přímo a kromě staršího graficého rozhraní se od novější verze prakticky neliší.
Obr. 3.26 Pracovní okno SuperCAMXP [21]
strana 30
4
Vlastní konstrukce
4
VLASTNÍ KONSTRUKCE
Jelikož byla při návrhu tohoto zařízení požadována co nejnižší cena, bylo částečně využito jako konstrukčního materiálu vyřazených rýsovacích prken. Použita byla deska, rolničkový systém podélného posuvu a duralové profily. Všechny použité díly byly pro použití částečně upravovány třískovým obráběním. Úpravy se týkaly převážně styčných ploch a otvorů pro montáž.
4.1
4.1 RÁM
Obr. 4.1 Rám s pracovní deskou
Základními prvky jsou duralové profily 30x30mm z produkce firmy Bosch-Rexroth. Rám je tvořen dvěma hlavními příčnými nosníky (919mm), jedním výztužným středovým (640mm) a dvěma podélnými (1140mm). Přesahy hlavních nosníků slouží k uchycení systému podélného vedení. Profily jsou spojeny pomocí stavebnicového systému k sobě, celek rámu je vyrovnán a následně je na něj namontována upravená deska z rýsovacího prkna o rozměrech 1200x700x18mm. Pro upevnění desky jsou použity T-matice (Obr. 4.2) a šrouby s vnitřním šestihranem se závitem M6.
Vlastní konstrukce
strana 31
Obr. 4.2 Profil 30x30 , systém spojování, T-matice [8]
Do desky jsou před montáží vyvrtány otvory se zahloubením pro hlavy šroubů a také v rastru 100x100mm otvory, do kterých jsou našroubovány mosazné závitové vložky sloužící k uchycení upínek pro zamezení pohybu obráběného materiálu. Výrobcem vložek je Koenig Verbindungstechnik GmbH a jedná se o typ TAPPEX 338M5.
Obr. 4.3 Závitová vložka [22]
V konečné fázi montáže (po úplné kompletaci stroje) jsou volné konce profilů rámu zaslepeny plastovými krytkami.
Obr. 4.4 Krytky profilu [8]
strana 32
Vlastní konstrukce
4.2
4.2 PODÉLNÉ VEDENÍ Základem podélného vedení je rolničkový systém použitý na rýsovacích prknech. Skládá se z rolničkové desky a vodícího profilu.
Obr. 4.5 Profil podélného vedení
Vodící profil délky 1200mm je k nosníkům rámu uchycen dvěma šrouby M6 na každém konci. Mezi dosedací plochy a nosníky jsou vloženy duralové distanční podložky tloušťky 12mm, pod hlavami šroubů jsou ocelové podložky tloušťky 2mm. Rolničkovou desku je třeba pro zamýšlené použití upravit odfrézováním nadbytečného materiálu.
Obr. 4.6 Deska před úpravou
Obr. 4.7 Deska po úpravě
Úpravou rolničkové desky se sníží pohyblivá hmotnost a získá se kompaktnější tvar vozíku. Jelikož u rýsovacího prkna nebyla příliš brána v potaz vertikální vůle rolničkového vedení, je třeba dořešit i tento aspekt. Vymezení vůle dosáhneme přítlačnými rolničkami umístěnými na multifunkčních bočních deskách. Boční vůle rolniček ve vedení je stavitelná pomocí excentrického uložení jednoho páru rolniček. Na deskách jsou dále osazeny mosazné trapézové matice podélných pohybových šroubů Tr 10x2, ložisko příčného šroubu a na jedné z desek také konzola krokového motoru.
Vlastní konstrukce
strana 33
Obr. 4.8 Uzel podélného vedení
Matice pohybového šroubu je fixována ve vyfrézované drážce speciální příložkou. Přítlačné rolničky vymezující vůli jsou osazeny ve svislých drážkách, aby bylo možné nastavit jejich polohu. Uložení podélných pohybových šroubů je realizováno vždy dvěma deskami tloušťky 8mm, z nichž jedna opět nese i konzolu krokového motoru. Desky jsou přišroubovány k nosníkům rámu dvěma šrouby M6 s T-maticemi. Jejich funkcí je také zakrývat otevřené konce podélných vodících profilů a tvořit doraz narážkám vozíků. Šrouby jsou uloženy v kuličkových ložiscích. Ložiska jsou na šroubech jištěna pojistnými třmenovými kroužky, v deskách jsou fixována ocelovými příložkami. Případná vůle v uložení šroubů je vymezena podložkami ložisek z tenkého plechu. Na straně motoru příčného vedení je umístěno článkové kabelové vedení, jeden konec upevněn ke konzole motoru, druhý k duralovému L-profilu 20x10x2 celkem čtyřmi šrouby s křížovou drážkou M2,5. L-profil je uchycen dvěma šrouby M4 k deskám a jeho funkcí je podpírat kabelové vedení, aby nedocházelo k jeho nadbytečnému namáhání.
strana 34
Vlastní konstrukce
Obr. 4.9 Detail uchycení kabelového vedení
Pracovní rozsah podélného posuvu je 1000mm. 4.3
4.3 PŘÍČNÉ VEDENÍ Zde duralový profil slouží již pouze jako nosník. Je upevněn k oběma podélným vozíkům pomocí čtyř šroubů M8. Pod hlavy šroubů jsou vloženy ocelové podložky tloušťky 2mm. Je tak vytvořena pevná konstrukce příčného mostu. Na tomto mostu je třinácti šrouby M3 upevněno kuličkové vedení firmy THK, a to typ SR15W.
Obr. 4 10. Kuličkové lineární vedení THK SR15W
Vlastní konstrukce
Na vozíku je pomocí čtyř šroubů M4 uchycena montážní vložka svislého vedení. K této vložce je obdobným způsobem jako u vedení podélného fixována trapézová matice. Pohybový šroub je zde pouze jeden, Tr 10x2, uložen také stejným způsobem. K příložce matice je zde přichycena dvěma šrouby M3 konzola nesoucí jeden konec článkového kabelového vedení. Konzola je z ocelového plechu tloušťky 1mm a kabelové vedení je na jednom konci k ní, na druhém k příčnému nosníku, uchyceno celkem čtyřmi šrouby s křížovou drážkou M2,5.
Obr. 4.11 Detail uchycení příčného kabelového vedení
Pracovní rozsah příčného posuvu je 655mm.
strana 35
strana 36
4.4
Vlastní konstrukce
4.4 SVISLÉ VEDENÍ Pohyb ve svislém směru je zajišťován přesným vedením se zkříženými válečky. Toto vedení bylo původně použito v pneumatickém prvku MXS16-30 firmy SMC. Jedná se o vysoce přesnou variantu těchto vedení.
Obr. 4.12 Vedení se zkříženými válečky
Výhodou tohoto řešení je velice kompaktní velikost. Duralové šasi vedení navíc díky otvorům se závity přímo slouží jako upínací deska pro držák vřetene, případně pro upnutí jiného příslušenství. K vozíku příčného vedení je přišroubována dvěma šrouby M5 střední část, která je proti zbytku 1mm vystouplá. Není tedy potřeba žádné úpravy, ani distanční podložky. Dvě postranní závitové díry jsou využity pro upnutí upravené trapézové matice pomocí úhlového držáku. Držák je k šasi připevněn dvěma šrouby M5, matice k držáku dvěma šrouby M3.
Vlastní konstrukce
strana 37
Obr. 4.13 Úhlový držák matice
Obr. 4.14 Upravená trapézová matice
Pohybový šroub svislého vedení je opět klasicky uložen ve dvojici kuličkových ložisek, která jsou umístěna v ložiskovém domku přišroubovanému třemi šrouby M4 na montážní vložku. K tomuto domku je dvěma šrouby M4 uchycena konzola motoru.
Obr. 4.15 Detail svislého posuvu
Pracovní rozsah svislého posuvu je 30mm.
strana 38
4.5
Vlastní konstrukce
4.5 MOTORY Použité krokové motory jsou výrobkem firmy Microcon. Jedná se o dvoufázové modely z řad SX16 a SX17. Systém montáže těchto motorů je velmi jednoduchý díky sjednocené velikosti přírub NEMA17. Výstupní hřídel těchto motorů má průměr 5mm a délku 22mm. -
podélný pohon: příčný pohon: svislý pohon:
2ks SX17-0502 (0,25Nm) 1ks SX17-0804 (0,4Nm) 1ks SX16-0402N (0,21Nm)
Uvedené momenty jsou hodnoty statické. Z momentových charakteristik vyplývá, že pro rozsah 0-2 otáčky za sekundu se moment pohybuje cca na úrovni 70% statické hodnoty. Tento rozsah vyhovuje – 2ot/s při stoupání závitu 2mm zajistí rychlost posuvu 240mm/min.
Obr. 4.16 Momentová charakteristika motoru SX17-804 [23]
Všechny motory jsou uchyceny k montážním konzolám vždy čtyřmi šrouby M3. Výstupní hřídele jsou s pohybovými šrouby spojeny pružnými spojkami. Vzhledem k poměrně nízkým přenášeným kroutícím momentům, bylo přistoupeno k náhradě drahých kovových pružných spojek přířezy z pevné pryžové hadice. Tyto přířezy jsou proti protočení zajištěny vždy dvojicí šroubovacích hadicových spon. Nevývaha, zapříčiněná jednostranně umístěným utahovacím šroubem, je částečně eliminována pootočením druhé spony z páru o 180°. Ovšem vzhledem k nízkým pracovním otáčkám nemá nevývaha stejně na nic vliv.
Obr. 4.17 Hadicová spona [24]
Vlastní konstrukce
strana 39
4.6 OBRÁBĚCÍ VŘETENO Vzhledem k obráběným materiálům a zamýšlenému využití stroje, s přihlédnutím k současnému vybavení ateliéru designu, byl jako obráběcí vřeteno zvolen ruční vysokootáčkový multifunkční nástroj firmy DREMEL, a to verze MULTIPRO.
Obr. 4.18 Dremel Multipro [6]
Parametry: • • • • • • •
230 V, bez transformátoru Elektromotor 125 W Plynule stavitelné otáčky v rozsahu 10 000 - 33 000 ot/min Dvojnásobné kuličkové uložení pohonného vřetene Přesné, vycentrované upínací sklíčidlo 0,8 - 3,2 mm Aretace vřetena pro jednoduchou výměnu příslušenství Hmotnost 450g
Výhodou tohoto řešení obráběcího vřetene je fakt, že vzhledem k vybavení ateliéru designu několika kusy tohoto nástroje odpadá nutnost jeho nákupu. Standardním příslušenstvím je nejen klasické tříčelisťové sklíčidlo, ale i přesná kleštinová vložka. Je tedy možno upnout jakékoli obráběcí nástroje do průměru 3,2mm. Předpokládanými nástroji pro obrábění daných materiálů jsou dvoubřité zavrtávací stopkové frézy, případně šroubové vrtáky. Seřízení nástroje: Vzhledem k poměrně nízkému zdvihu ve svislé ose je třeba zaručit, aby volná délka nástroje nepřesáhla cca 27mm (závislé na použitém sklíčidle) a kolmá vzdálenost konce nástroje od spodní strany upínací desky nebyla větší než 54mm. Samozřejmě lze použít nástroje i mimo tato omezení. Potom je ovšem třeba dbát zvýšené opatrnosti při nastavování stroje, jelikož nastává možnost kolize nástroje s pracovní deskou (při použití delšího nástroje). Naopak pokud je použit nástroj s kratším vyložením, což je vhodné vzhledem k obrábění polotovaru podloženého distančními vložkami pro zamezení kontaktu nástroje s pracovní deskou, je třeba počítat s „bezpečnostní“ zónou, která tímto mezi nástrojem a deskou vznikne. V každém případě je třeba zajistit softwarovou korekci, pokud nebude dodržena ona vzdálenost 54mm od spodní strany upínací desky.
4.6
strana 40
4.7
Vlastní konstrukce
4.7 KONTROLÉR Použitým kontrolérem je výrobek firmy Conrad. Z nabídky typů 800, 1500 a 3000 (lišícími se pouze maximálním proudem na fázi), byl zvolen typ SMC 1500, který požadavkům použitých krokových motorů zcela vyhovuje. Napájení kontroléru a jeho prostřednictvím krokových motorů je zajištěno odpovídajícím stabilizovaným napájecím zdrojem poskytujícím maximální proud 10A při 24V.
Obr. 4.19 Kontrolér SMC 1500 [18]
Technická data: - Připojení: Centronics interface pro standardní kabel tiskárny, referenční vypínač, až do 3 referenčních vypínačů (iniciační fáze systému u samozaváděcích - boot programů). - Koncové stupně: koncový stupeň stejnosměrných měničů proudu, koncový stupeň pro plný a poloprovoz, max. proud fáze nastavitelný 20 až 1500 mA. - Krokové motory: připojení diverzních typů 2 fázových nebo 4 fázových krokových motorů-napájecí napětí 15 – 28 V (max. 30V), max. odběr proudu 10 A.
Obr. 4.20 Schéma kontroléru SMC1500
Vlastní konstrukce
strana 41
4.8 SOFTWARE
4.8
Obr. 4.21 Spouštění programu
Zvolen byl software KCam firmy KELLYWARE [19]. Dostupná verze je po uplynutí 60dnů (nebo 60 spuštění), funkčně omezena pouze délkou programu v Gkódu, a to na 500 řádek a 100 polygonů ve formátu dat Gerber Isolation. Program obsahuje editor G-kódu, zvládá načtení souborů ve formátu DXF, NC, PLT. Po zakoupení licence za 99$ jsou omezení odstraněna. Umožňuje přehledné nastavení všech potřebných parametrů jako: - rozměry pracovního prostoru - počet kroků motoru na 1mm posuvu - rychlost posuvu při obrábění, přejíždění a manuálním ovládání - maximální rychlost posuvu - zapnutí a vypnutí koncových spínačů - výchozí polohu vřetene - polohu pro výměnu nástroje
Obr. 4.22 Pracovní okno programu
strana 42
Vlastní konstrukce
V neposlední řadě je zde možnost nadefinovat jednoduchý seznam nástrojů, který obsahuje název, průměr a korekci délky každého nástroje.
Obr. 4.23 Panel kontroly
Po dokončení výroby prototypu nebude problém odzkoušet ani program MaJoSoft [20], jehož plná verze je dostupná výměnou za fotografie a popis CNC stroje.
Vlastní konstrukce
strana 43
4.9 KONTROLNÍ VÝPOČTY 4.9.1
4.9
Dáno: - součinitel tření - vrcholový úhel závitu - střední průměr závitu - stoupání závitu - koeficient momentu
4.9.1
[25]
Výpočet sil na pohybovém šroubu
f = 0,1-0,15 β = 30° d2= 9mm P = 2mm km=0,7
- zvolen: f = 0,15
4.9.1.1 Účinnost šroubového převodu pro závit Tr 10x2
4.9.1.1
Součinitel tření závislý na vrcholovém úhlu závitu: f
f′=
cos
β
(1)
2
Úhel stoupání závitu na středním průměru: P P = tg −1 O π ⋅ d2
(2)
P π ⋅ d2
(3)
α = tg −1 Účinnost šroubového převodu:
2mm tgα tgα π ⋅ 9mm η= ≈ = = = 0,313 2mm 0,15 P f tg (α + ϕ ) tgα + f ′ + + π ⋅ d 2 cos β π ⋅ 9mm cos 30° 2 2
Kde:
f´[-] f [-] η[-] β[°] φ[°] α[°] d2 [mm] P [mm] O [mm]
- součinitel tření závislý na vrcholovém úhlu závitu - součinitel tření - účinnost šroubového převodu - vrcholový úhel závitu - třecí úhel - úhel stoupání závitu na středním průměru - střední průměr závitu - stoupání závitu - obvod na středním průměru závitu
strana 44
4.9.1.2
Vlastní konstrukce
4.9.1.2 Převodový poměr iz =
(4) Kde:
4.9.1.3
iz[-] P [mm] O [mm] d2 [mm]
2mm P P = = = 0,0707 O π ⋅ d 2 π ⋅ 9mm
- převodový poměr - stoupání závitu - obvod na středním průměru závitu - střední průměr závitu
4.9.1.3 Šroub podélného vedení Dáno: - statický moment motoru
MS = 0,25Nm
Síla na středním průměru závitu: (5)
FO = 1000 ⋅
M S ⋅ km M ⋅k 0,25Nm ⋅ 0,7 = 2000 ⋅ S m = 2000 ⋅ = 38,889 =& 39 N d2 d2 9mm 2
Výsledná axiální síla: M S ⋅ km P β 2000 ⋅ M S ⋅ k m ⋅ π ⋅ cos FO d2 π ⋅ d2 2 = FA = ⋅ = ⋅η = P P f β iz P ⋅ cos + f ⋅ π ⋅ d 2 + 2 π ⋅ d2 π ⋅ d 2 cos β 2 2000 ⋅ 0,25Nm ⋅ 0,7 ⋅ π ⋅ cos15° = = 172,054 N =& 172 N 2mm ⋅ cos15° + 0,15 ⋅ π ⋅ 9mm 2000 ⋅
(6)
Celková axiální síla podélného posuvu je vzhledem k použití dvojice motorů a pohybových šroubů dvojnásobkem vypočtené hodnoty - tedy 344N.
4.9.1.4
4.9.1.4 Šroub příčného vedení Dáno: - statický moment motoru
MS = 0,4Nm
Síla na středním průměru závitu: (7)
FO = 1000 ⋅
M S ⋅ km M ⋅k 0,4 Nm ⋅ 0,7 = 2000 ⋅ S m = 2000 ⋅ = 62,222 =& 62 N d2 d2 9mm 2
Výsledná axiální síla:
Vlastní konstrukce
strana 45
M S ⋅ km P β 2000 ⋅ M S ⋅ k m ⋅ π ⋅ cos FO d2 π ⋅ d2 2 = FA = ⋅η = ⋅ = P β P f iz P ⋅ cos + f ⋅ π ⋅ d 2 + π ⋅ d2 π ⋅ d 2 cos β 2 2 2000 ⋅ 0,4 Nm ⋅ 0,7 ⋅ π ⋅ cos15° = 275,286N =& 275,5 N = 2mm ⋅ cos15° + 0,15 ⋅ π ⋅ 9mm 2000 ⋅
4.9.1.5 Šroub svislého vedení Dáno: - statický moment motoru
(8)
4.9.1.5
MS = 0,21Nm
Síla na středním průměru závitu: FO = 1000 ⋅
M S ⋅ km M ⋅k 0,21Nm ⋅ 0,7 = 2000 ⋅ S m = 2000 ⋅ = 32,667 =& 32,5 N d2 d2 9mm 2
(9)
Výsledná axiální síla: M S ⋅ km P β 2000 ⋅ M S ⋅ k m ⋅ π ⋅ cos FO π ⋅ d2 d2 2 = FA = ⋅η = ⋅ = P P f β iz + P ⋅ cos + f ⋅ π ⋅ d 2 β π ⋅ d2 π ⋅ d2 2 cos 2 2000 ⋅ 0,21Nm ⋅ 0,7 ⋅ π ⋅ cos15° = = 144,526 N =& 144,5 N 2mm ⋅ cos15° + 0,15 ⋅ π ⋅ 9mm 2000 ⋅
Kde:
FA[N] FO[N] iz[-] η[-] MS[Nm] km[-] d2 [mm] P [mm] f [-] β[°]
- axiální síla - radiální síla - převodový poměr - účinnost šroubového převodu - statický krouticí moment krokového motoru - koeficient - střední průměr závitu - stoupání závitu - součinitel tření - vrcholový úhel závitu
(10)
strana 46
Vlastní konstrukce
4.9.2
4.9.2
[1]
Pevnostní kontrola pohybových šroubů
Materiál šroubů ocel 12 020 Dáno: - střední průměr závitu - malý průměr závitu - stoupání závitu - dovolené napětí v tahu
d2= 9mm d3= 7,5mm P = 2mm σD= 95MPa (míjivý)
Průřez šroubu: (11)
AS =
π ⎛ d 2 + d3 ⎞ ⋅⎜ 4 ⎝
2
π ⎛ 9mm + 7,5mm ⎞
⎟ = ⋅⎜ 4 ⎝ ⎠
2
2
2 ⎟ = 53,456mm ⎠
2
Napětí od obvodové síly: (12)
τk =
FO ⋅
π 16
d2 2
⋅ d 33
4.9.2.1 Šroub podélného vedení
4.9.2.1
Dáno: - axiální síla - obvodová síla
FA= 172N FO = 39N
Napětí od axiální síly:
σ=
(13)
FA FA 4 ⋅ FA = == 2 2 AS π ⎛ d 2 + d 3 ⎞ ⎛ d 2 + d3 ⎞ ⋅⎜ π ⋅⎜ ⎟ ⎟ 4 ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠
Redukované napětí: 2
(14)
σ red
⎛ ⎞ d ⎛ ⎜ ⎟ ⎜ FO ⋅ 2 ⎜ ⎟ F 4 ⋅ A 2 = σ 2 + 3 ⋅ τ k2 = ⎜ + 3⋅⎜ 2 ⎟ π ⎜ 3 ⎜ π ⋅ ⎛⎜ d 2 + d 3 ⎞⎟ ⎟ ⎜ ⋅ d3 ⎜ ⎟ ⎝ 16 ⎝ ⎝ 2 ⎠ ⎠ 2
2
⎞ ⎟ ⎟ = ⎟ ⎟ ⎠
2 ⎞ ⎛ 9mm ⎞ ⎛ ⎟ ⎜ 39 N ⋅ ⎜ ⎟ ⎟ ⎜ 4 ⋅ 172 N 2 ⎟ = 4,88MPa ⎜ + 3 ⋅ ⎜ 2 ⎟ ⎜π ⎟ ⎜ π ⋅ ⎛⎜ 9mm + 7,5mm ⎞⎟ ⎟ ⋅ 7,5 3 mm ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎝ 16 ⎠ 2 ⎠ ⎠ ⎝ ⎝
Vlastní konstrukce
strana 47
Bezpečnost k dovolenému napětí: kσ =
σD 95MPa = = 19,467 σ red 4,88MPa
(15)
Šroub podélného vedení z hlediska dovoleného napětí vyhovuje. 4.9.2.2 Šroub příčného vedení
4.9.2.2
Dáno: - axiální síla - obvodová síla
FA= 275,5N FO = 62N
Napětí od axiální síly:
σ=
4 ⋅ FA FA FA = == 2 2 AS π ⎛ d 2 + d 3 ⎞ ⎛ d 2 + d3 ⎞ π ⋅⎜ ⋅⎜ ⎟ ⎟ 4 ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠
(16)
Redukované napětí: 2
σ red
⎛ ⎞ d ⎛ ⎜ ⎟ ⎜ FO ⋅ 2 ⎜ ⎟ 4 F ⋅ 2 A = σ 2 + 3 ⋅ τ k2 = ⎜ + 3⋅⎜ 2 ⎟ π ⎜ 3 ⎜ π ⋅ ⎛⎜ d 2 + d 3 ⎞⎟ ⎟ ⎜ ⋅ d3 ⎜ ⎟ 16 ⎝ ⎝ ⎝ 2 ⎠ ⎠
2
⎞ ⎟ ⎟ = ⎟ ⎟ ⎠
(17)
2
2 ⎛ ⎞ 9mm ⎞ ⎛ ⎜ ⎟ ⎜ 62 N ⋅ ⎟ ⎟ ⎜ 4 ⋅ 275,5 N 2 ⎜ ⎟ = 7,784MPa + 3⋅ ⎜ 2 ⎟ π ⎜ ⎟ 3 ⎜ π ⋅ ⎛⎜ 9mm + 7,5mm ⎞⎟ ⎟ ⎜ ⋅ 7,5 mm ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ 16 ⎠ 2 ⎠ ⎠ ⎝ ⎝
Bezpečnost k dovolenému napětí: kσ =
σD 95MPa = = 12,205 σ red 7,784MPa
Šroub příčného vedení z hlediska dovoleného napětí vyhovuje.
(18)
strana 48
4.9.2.3
Vlastní konstrukce
4.9.2.3 Šroub svislého vedení Dáno: - axiální síla - obvodová síla
FA= 144,5N FO = 32,5N
Napětí od axiální síly:
σ=
(19)
4 ⋅ FA FA FA = == 2 2 AS π ⎛ d 2 + d 3 ⎞ ⎛ d 2 + d3 ⎞ π ⋅⎜ ⋅⎜ ⎟ ⎟ 4 ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠
Redukované napětí:
(20)
σ red
⎛ ⎜ ⎜ 4 ⋅ FA 2 2 = σ + 3 ⋅τ k = ⎜ 2 ⎜ π ⋅ ⎛⎜ d 2 + d 3 ⎞⎟ ⎜ ⎝ ⎝ 2 ⎠
2
⎞ d2 ⎛ ⎟ F ⋅ ⎜ O ⎟ 2 ⎟ + 3⋅⎜ π ⎜ 3 ⎟ ⎜ ⋅ d3 ⎟ ⎝ 16 ⎠
2
⎞ ⎟ ⎟ = ⎟ ⎟ ⎠
2
2 ⎛ ⎞ 9mm ⎞ ⎛ ⎜ ⎟ ⎜ 32,5 N ⋅ ⎟ ⎟ ⎜ 4 ⋅ 144,5 N 2 ⎟ = 4,081MPa ⎜ 3 + ⋅ ⎜ 2 ⎟ ⎟ ⎜ π ⎜ π ⋅ ⎛⎜ 9mm + 7,5mm ⎞⎟ ⎟ ⋅ 7,53 mm ⎟ ⎜ ⎜ ⎟ ⎝ 16 ⎠ 2 ⎠ ⎠ ⎝ ⎝
Bezpečnost k dovolenému napětí: (21)
kσ =
σD 95MPa = = 23,279 σ red 4,081MPa
Šroub svislého vedení z hlediska dovoleného napětí vyhovuje. Kde:
σred[MPa] σ[MPa] τk[MPa] FA[N] FO[N] d2 [mm] d3 [mm] iz[-] AS[mm2] kσ[-]
- redukované napětí - napětí od axiální síly - napětí od radiální síly - axiální síla - radiální síla - střední průměr závitu - malý průměr závitu - převodový poměr - průřez šroubu - bezpečnost k dovolenému napětí
Z výsledků je patrné, že šrouby jsou značně naddimenzovány, to je dáno především dostupnými rozměry pohybových šroubů, také ovšem potřebou vysoké tuhosti.
Vlastní konstrukce
strana 49
4.9.3 Kontrola pohybových šroubů na vzpěr [2] Vzhledem k velkým délkám a tlakovému namáhání je třeba šrouby kontrolovat na vzpěrnou pevnost. Dáno: - modul pružnosti v tahu - průřez šroubu - střední průměr závitu - malý průměr závitu - dovolené napětí v tlaku
4.9.3
E = 210000MPa AS = 53,456mm d2= 9mm d3= 7,5mm σT= 95MPa (míjivý)
Kvadratický moment průřezu v ohybu: 4
4
⎛d +d ⎞ ⎛ 9mm + 7,5mm ⎞ π ⋅⎜ 2 3 ⎟ π ⋅⎜ ⎟ 4 π ⋅d 2 ⎠ 2 ⎝ ⎝ ⎠ = 201,062mm 4 = = Jx = 64 64 64
(22)
Koeficient daný uložením šroubu: (23)
α =π ⋅ 2
4.9.3.1
4.9.3.1 Šroub podélného vedení Dáno: - axiální síla - zatěžovaná délka šroubu
FA= 162N l =1112,25mm
Štíhlost šroubu:
λ=
l 1112,25mm = = 573,503 Jx 201,062mm 4 AS 53,456mm 2
(24)
Kritická štíhlost: E
λK = α ⋅
σT
(
)
= π⋅ 2 ⋅
E
σT
(
)
= π⋅ 2 ⋅
2,1⋅105 MPa = 208,888 95MPa
(25)
Protože je λ > λK , je rozhodující mezní stav vzpěrné stability: Fkr = α 2 ⋅
(
)
(
)
5 4 2 E⋅J 2 2,1 ⋅10 MPa ⋅ 201,062mm E ⋅ Jx x 2 2 = π ⋅ ⋅ = π ⋅ ⋅ = 673,712N l2 l2 1112,252 mm
(26)
Bezpečnost k mezi vzpěrné stability: kv =
Fkr 637,712N = = 4,159 FA 162 N
Šroub podélného vedení z hlediska vzpěrné stability vyhovuje.
(27)
strana 50
4.9.3.2
Vlastní konstrukce
4.9.3.2 Šroub příčného vedení Dáno: - axiální síla - zatěžovaná délka šroubu
FA= 275,5N l =761,5mm
Štíhlost šroubu:
λ=
(28)
l = Jx AS
761,5mm 201,062mm 4 53,456mm 2
= 392,648
Kritická štíhlost:
λK = α ⋅
(29)
E
σT
(
)
= π⋅ 2 ⋅
E
σT
(
)
= π⋅ 2 ⋅
2,1⋅105 MPa = 208,888 95MPa
Protože je λ > λK , je rozhodující mezní stav vzpěrné stability: (30)
Fkr = α 2 ⋅
(
)
(
)
5 4 2 E⋅J 2 2,1 ⋅10 MPa ⋅ 201,062mm E⋅ Jx x = π ⋅ 2 ⋅ = π ⋅ 2 ⋅ = 1437,273N l2 l2 761,52 mm
Bezpečnost k mezi vzpěrné stability: (31)
kv =
Fkr 1437,273N = = 5,217 FA 275,5 N
Šroub příčného vedení z hlediska vzpěrné stability vyhovuje.
Vlastní konstrukce
strana 51
4.9.3.3 Šroub svislého vedení
4.9.3.3
Dáno: - axiální síla - zatěžovaná délka šroubu
FA= 144,5N l =42,5mm
Štíhlost šroubu:
λ=
l = Jx AS
(
)
42,5mm 201,062mm 4 53,456mm 2
= 21,914
(32)
Kritická štíhlost:
λK = α ⋅
E
σT
= π⋅ 2 ⋅
E
σT
(
)
= π⋅ 2 ⋅
2,1⋅105 MPa = 208,888 95MPa
(33)
Protože je λ < λK , je rozhodující mezní stav pružnosti:
σ max =
FA 144,5 N = = 2,703MPa AS 53,456mm
(34)
Bezpečnost k dovolenému napětí: kσ =
σT 95MPa = = 35,144 σ max 2,703MPa
Šroub svislého vedení z hlediska dovoleného napětí vyhovuje. Kde:
E[MPa] AS[mm2] d2 [mm] d3 [mm] σT[MPa] σmax[MPa] Jx[mm4] α[-] FA[N] l[mm] λ[-] λK[-] Fkr[N] kv[-] kσ[-]
- modul pružnosti - průřez šroubu - střední průměr závitu - malý průměr závitu - dovolené napětí v tlaku - maximální napětí v tlaku - kvadratický moment průřezu v ohybu - koeficient daný uložením šroubu - axiální síla - zatěžovaná délka šroubu - štíhlost šroubu - kritická štíhlost šroubu - kritická axiální síla - bezpečnost k mezi vzpěrné stability - bezpečnost k dovolenému napětí
(35)
strana 52
Vlastní konstrukce
4.9.4 Výpočet ložisek [1] Zatížení ložisek je se značnou převahou axiální, ovšem vzhledem k tomu, že síly jako takové nejsou při běžném provozu stroje příliš velké, jsou zvoleny ložiska klasická kuličková – radiální. Axiální ložiska nejsou použita z důvodu složitosti konstrukce, kdy by musela být zajištěna trvalá zatěžující síla. Ložiska s kosoúhlým stykem proto, že se v takto malých rozměrech nevyrábí. Jako hodnota použitá pro kontrolu ložisek je brána maximální možná síla vyvozená nejsilnějším z použitých motorů. Radiální složka síly by měla být teoreticky nulová, vzhledem k určitým nepřesnostem u fyzického modelu je pro výpočet zvolena radiální síla o hodnotě 20N. Provozní otáčky pohybových šroubů vycházejí z momentové charakteristiky motorů, kdy nad 120 otáček za minutu již dochází k poklesu poskytovaného momentu a stroj nebude při vyšších otáčkách obrábět. Prakticky budou používány pouze na dlouhé přejezdy.
4.9.4
4.9.4.1
4.9.4.1 Ložisko příčného vedení Dáno: - axiální síla - radiální síla - provozní otáčky - statická únosnost - dynamická únosnost
FA= 275,5N FR= 20N n= 120/min C0r= 1160N Cr= 2120N
Výpočet relativního axiálního zatížení: FA 275,5 N = = 0,238 C 0 r 1160 N
(36)
Z tohoto zlomku vyplývá z tabulky součinitelů1 X a Y číslo: e = 0,364 Po porovnání tohoto čísla s následujícím poměrem: FA 275,5 N = = 27,55 ≥ 0,364 10 N FR
(37)
Získáme ze stejné tabulky interpolací koeficienty X a Y: X=0,56 Y=1,22 Stanovení dynamického ekvivalentního zatížení ložiska: (38)
PR = X ⋅ FR + Y ⋅F A= 0,56 ⋅ 20 N + 1,22 ⋅ 275,5 N = 347,31N =& 347,5 N 1
Str. 503, tab. 4
Vlastní konstrukce
strana 53
Základní trvanlivost ložiska (106 otáček):
⎛C L10 = ⎜⎜ r ⎝ PR
p
3
(39)
⎛ ⎞ 10 6 ⎟⎟ = 31588,08h ⋅ ⎜⎜ ⎝ 60 ⋅ 120 / min ⎠
(40)
⎞ ⎛ 2120 N ⎞ ⎟⎟ = ⎜ ⎟ = 227,434ot ⋅ 10 6 ⎝ 347,5 N ⎠ ⎠
Trvanlivost ložiska v provozních hodinách: ⎛C = ⎜⎜ r ⎝ PR
L10 h Kde:
FA[N] FR[N] n[min-1] C0r[N] Cr[N] PR[N] X[-] Y[-] L10[ot.106] L10h[h]
p
⎞ ⎛ 10 6 ⎞ ⎛ 2120 N ⎞ ⎟⎟ ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎜ ⎟ ⎠ ⎝ 60 ⋅ n ⎠ ⎝ 347,5 N ⎠
3
- axiální síla - radiální síla - provozní otáčky - statická únosnost ložiska - dynamická únosnost ložiska - ekvivalentní radiální zatížení - koeficient radiální složky zatížení ložiska - koeficient axiální složky zatížení ložiska - základní trvanlivost ložiska - trvanlivost ložiska v provozních hodinách
Po konzultaci s technickým oddělením firmy ZKL-ZRL [27] bylo přistoupeno k doplňujícímu výpočtu únosnosti radiálních ložisek v axiálním směru. Únosnost radiálních ložisek v axiálním směru je dána: - materiálem ložiska a kuliček - velikostí ložiska - hloubkou oběžných drážek - vůlí v ložisku V důsledku vůle v ložisku dochází při axiálním zatěžování k natočení stykové přímky (kulička se opírá o strany drážek). Toto natočení u použitého ložiska řady 626 firmy ZKL činí cca 10°, lze tedy přibližně spočítat axiální únosnost. C a = C r ⋅ tg10° = 2120 N ⋅ tg10° = 373,813N
(41)
Protože je zde vzhledem k radiální únosnosti radiální zatížení zanedbatelné, lze je z výpočtu vypustit. p
3
⎛C ⎞ ⎛ 373,813 N ⎞ L10 = ⎜⎜ a ⎟⎟ = ⎜ ⎟ = 2,498ot ⋅ 10 6 ⎝ 275,5 N ⎠ ⎝ FA ⎠ L10 h
⎛C = ⎜⎜ r ⎝ PR
p
⎞ ⎛ 10 6 ⎞ ⎛ 373,813N ⎞ ⎟⎟ ⋅ ⎜⎜ ⎟⎟ = ⎜ ⎟ ⎠ ⎝ 60 ⋅ n ⎠ ⎝ 285 N ⎠
3
⎛ ⎞ 10 6 ⎟⎟ = 346,949h ⋅ ⎜⎜ ⎝ 60 ⋅ 120 / min ⎠
(42)
(43)
strana 54
Vlastní konstrukce
Tyto vypočtené hodnoty jsou nepřesné, ve skutečnosti bude únosnost značně vyšší. Při axiálním zatížení se síla rozloží na více valivých elementů (zde kuliček), na rozdíl od zatížení radiálního, kde je síla rozložena pouze na několik elementů pod vnitřním kroužkem. Další možností zvýšení axiální únosnosti je použití ložisek se zvětšenou radiální vůlí, kde při použití řady C3 dosáhneme zvýšení únosnosti o cca 10%, použitím řady C4 dokonce 20%. Toto je zapříčiněno zvětšením úhlu styku. Skutečná provozní životnost ložisek bude také podstatně vyšší, protože u výpočtu je počítáno s maximálním zatížením, ke kterému může dojít v podstatě pouze při významném přetížení stroje nebo při kolizi, což je mizivé procento provozního času. Při tomto zatížení začne krokový motor příčného posuvu ztrácet kroky – je to maximální síla jakou může vyvinout. Běžné provozní zatížení bude řádově nižší (13N vs. 275,5N ). 4.9.5
4.9.5 Kontrola závitu na otlačení [1] Protože je na maticích použit méně pevný materiál – bronz CuSn8, výpočet je proveden pro závit matice. Obdobně jako u kontroly ložisek je výpočet proveden pro nejvíce zatěžovanou součást – a to matici příčného posuvu.
4.9.5.1
4.9.5.1 Matice příčného vedení Dáno: - axiální síla - velký průměr z. šroubu - malý průměr z. matice - dovolený tlak - délka matice - stoupání závitu
FA= 275,5N d= 10mm D1= 8mm pD= 30MPa lm= 15mm P= 2mm
Tlak v závitech:
p=
(44)
(45)
p=
4 ⋅ FA ≤ pD i ⋅ π ⋅ d 2 − D12
(
)
4 ⋅ FA 4 ⋅ FA 4 ⋅ 275,5 N = = = 1,299MPa 2 2 15mm i ⋅ π ⋅ (d − D1 ) l m 2 2 2 2 ⋅ π ⋅ (10 mm − 8 mm ) ⋅ π ⋅ (d − D1 ) 2mm P
Bezpečnost k dovolenému tlaku v závitech: (46)
kp =
pD 30MPa = = 23,092 p 1,299MPa
Vlastní konstrukce
Kde:
FA[N] d[mm] D1[mm] pd[MPa] p[MPa] lm[mm] P[mm] kp[-]
strana 55
- axiální síla - velký průměr závitu šroubu - malý průměr závitu matice - dovolený tlak v závitech - skutečný tlak v závitech - délka matice - stoupání závitu - bezpečnost k dovolenému tlaku v závitech
Tlak v závitech je mnohem menší nežli dovolený, podmínka je splněna – závit vyhovuje.
4.9.6
Výpočet výkonu vřetene
4.9.6
Pro výpočet potřebného výkonu bylo použito simulace obrábění ve volně šiřitelé verzi programu FeatureCAM [26]. Postup:
Obr. 4.24 Nastavení materiálu a polotovaru
Obr. 4.25 Určení rozměrů obráběné drážky
Obr. 4.26 Výběr obráběcího nástroje
Obr. 4.27 Nastavení obráběcích podmínek
strana 56
Vlastní konstrukce
Obr. 4.28 Simulace obrábění
Simulace byla provedena pro: -
zvolený materiál plast střední dosahované otáčky navrženého obráběcího vřetene největší prakticky použitelnou hloubku záběru největší průměr nástroje nejrychlejší použitelný pracovní posuv
Výsledek simulace je ideální hodnotou (nejnižší možnou), bez zahrnutí mnoha faktorů, které ovlivňují výsledek. Některé z faktorů: - zaoblení ostří - otupení nástroje - kolísání otáček - nehomogenita materiálu - teplotní ovlivnění mechanických vlastností materiálu - nabalování materiálu na nástroj Proto bylo přistoupeno k vynásobení simulací zjištěného výkonu koeficientem bezpečnosti k=2,5 , který zajistí praktickou použitelnost výsledné hodnoty. Dáno: - výkon ze simulace PS= 16W - koef. bezpečnosti kv= 2,5 (47)
Pv = PS ⋅ k = 16W ⋅ 2,5 = 40W Kde:
Pv[W] PS[W] k[-]
- výkon vřetene - výkon ze simulace - koeficient bezpečnosti
Vlastní konstrukce
4.9.7
strana 57
4.9.7
Výpočet sil při obrábění
Při výpočtu sil vznikajících při obrábění bylo vycházeno z výkonu zjištěného simulací. Přepočtem výkonu získáme hodnotu síly zatěžující konstrukci stroje. Dáno: - výkon vřetene - otáčky vřetene - poloměr nástroje Pv =
2 ⋅ π ⋅nv ⋅Fv ⋅ rn P ⋅ 30 40W ⋅ 30 ⇒F= v = = 12,732 N =& 13N 60 π ⋅ n ⋅ r π ⋅ 20000 min −1⋅ 0,0015m Pv ⋅ 30 125W ⋅ 30 = = 39,789 N =& 40 N π ⋅ n ⋅ r π ⋅ 20000 min −1 ⋅ 0,0015m
Fmax = Kde:
Pv= 40W nv= 20000 min-1 rn= 1,5mm
Pv[W] nv[min-1] rn[m] Fv[N] Fmax[N]
(48)
(49)
- výkon vřetene - otáčky vřetene - poloměr nástroje - výsledná zatěžující síla - maximální zatěžující síla
Výsledná hodnota 13N není přesná, ale ukazuje, v jakých velikostech se bude pohybovat reálné zatížení stroje při obrábění. V závislosti na obráběném materiálu a dalších parametrech obráběcího procesu lze říct, že síly se budou pohybovat řádově v desítkách N. Maximální síla kterou vyvodí obráběcí nástroj při plném zatížení vřetene se pohybuje kolem 40N.
4.10 MOŽNOSTI ROZŠÍŘENÍ Přestože byl tento stroj navržen jako jednoúčelový, tj. určen pro frézování 2D křivek do plochých polotovarů, nabízí se několik dalších zajímavých využití. Plotter: Pokud bude do držáku nástroje upnuto přes pružnou upínací vložku pero, nebo jiná psací potřeba a na pracovní plochu umístěna rovná celistvá deska, lze využít tuto CNC frézku jako velkoformátový plotter. Je také možnost zafixovat svislý posuv v dolní poloze a pro přísun pera použít kontrolérem podporovaný elektromagnet. Gravírovací frézka: Zde jde pouze o změnu nástroje a řízení stroje. Nástrojem bývá stopková fréza s tvarovaným koncem (například kulová). Změnou řízení stroje je míněn přechod z 2,5D řízení na řízení plně 3D, tedy s pohybem ve všech třech osách zároveň. V důsledku této změny lze obrábět například různé reliéfy – samozřejmě pouze v rozsahu cca 25mm zdvihu ve svislé ose.
4.10
strana 58
5
Závěr
5
ZÁVĚR
Konstrukčním řešením CNC frézky byly splněny požadavky na: 1) velikost pracovního prostoru: - požadovaná velikost 1000x600x20mm - realizovaná velikost 1000x655x30mm 2) obráběný materiál (plasty a dřevo) do 5mm: - vřeteno s dostatečným výkonem 125W 3) řiditelné otáčky obráběcího vřetena: - plynulá regulace 10000-33000/min-1 4) pohyb v ose X a Y krokovými motory: - osa X: 2 krokové motory SX17-0502 - osa Y: 1 krokový motor SX17-0804 - osa Z: 1 krokový motor SX16-0402N
cca 0,175Nm při 120ot/s cca 0,28Nm při 120ot/s cca 0,147Nm při 120ot/s
Další body zadání: 5) zjištění řezných podmínek a stanovení rozboru sil: - řezné podmínky potřebné pro rozbor sil byly nahrazeny simulací v programu FeatureCAM, vzhledem velikosti následně vypočtených sil zatěžujících konstrukci při obrábění, bylo upuštěno od výpočtů únosnosti konstrukce. Síly jsou vzhledem k masivnosti konstrukce zanedbatelné (max. cca 40N). Pevnostní kontrola byla provedena pouze u pohybového systému, a to vzhledem k maximální motory dosažitelné axiální síle 275,5N (v ose Y). 6) výroba v dílnách Ústavu konstruování: - všechny obráběné díly byly navrženy tak, aby byly jednoduše vyrobitelné na běžně dostupných strojích. 7) 3D model a konstrukční dokumentace: - model i výkresová dokumentace byly vytvořeny v programu Solidworks. 8) Blokové schéma: - vzhledem k použití hotového kontroléru je použito hotové schéma dané konstrukcí (Obr. 4.20). 9) Výroba fyzického prototypu: - výroba prototypu probíhá v době odevzdání práce.
Literatura
6
LITERATURA
[1]LEINVEBER J.-ŘASA J.-VÁVRA P.: Strojnické tabulky: upravené a doplněné vydání. 3. doplněné vydání. Praha: Scientia,s.r.o., 2000. 985 s.. ISBN 80-7183-164-6 [2]BURŠA J.- HORNÍKOVÁ J.- JANÍČEK P.: Pružnost a pevnost: interaktivní text. 1. vydání, Brno:Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2003. ISBN: 80-7204-268-8
Elektronické zdroje informací: [3] Comagrav - výroba CNC frézek. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z:
[4] Gravograph - výroba CNC frézek. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [5] Bartoň - výroba CNC frézek. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [6] Dremel - výrobce elektrického nářadí. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [7] Proxxon - výrobce elektrického nářadí. [online] [cit. 13.5.2006] Dostupné z: [8] Bosch-Rexroth - duralové montážní systémy. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [9] T.E.A. Technik - komponenty lin. vedení. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [10] Kerk - komponenty lineárních vedení. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [11] THK - komponenty lineárních vedení. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [12] Popis stavby a funkce krokových motorů. [online] [cit. 30.1.2006] Dostupné z: [13] Berger-Lahr - pohony. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [14] Microbot NA - robotika a motory. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [15] RUCH Servomotor - lineární motor. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z:
strana 59
6
strana 60
Literatura
[16] Intellidrives - Lineární motor 2-osý. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [17] Geckodrive - Kontroléry motorů. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [18] Conrad - Elektrotechnické součástky. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [19] Kellyware - CAM software. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [20] Majosoft - hobby CNC stránky. [online] [cit. 14.5.2006] Dostupné z: [21] Super-tech - CAM software. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [22] KVT - závitové vložky. [online] [cit. 14.5.2006] Dostupné z: [23] Microcon - krokové motory. [online] [cit. 24.1.2006] Dostupné z: [24] ANOX - hadicové spony. [online] [cit. 14.5.2006] Dostupné z: [25] Vybrané kapitoly z částí strojů - šroubové spoje. [online] [cit. 26.3.2006] Dostupné z: [26] DelCAM - program FeatureCAM. [online] [cit. 5.5.2006] Dostupné z: [27] ZKL-ZRL - soukromá korespondence s technickým oddělením firmy. [online] [cit. 10.5.2006] Dostupné z:
