VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta strojního inženýrství Ústav mechaniky těles, mechatroniky a biomechaniky

Diplomová práce Návrh konstrukce stavebnicového CNC zařízení pro obrábění měkkých materiálů

Design of Modular CNC Machine for Soft Material Machining

BRNO, 2006

Petr Klein

Poděkování Na tomto místě bych velice rád poděkoval všem, kteří podpořili vznik této práce, zejména školiteli.

Čestné prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto diplomovou práci vypracoval samostatně, na základě konzultací a s použitím uvedené literatury.

V Brně dne 20. května 2006

…………………. Petr Klein

Abstrakt Tato práce popisuje vývoj a konstrukci stavebnicového CNC zařízení pro obrábění měkkých materiálů určeného k hobby aplikacím. Informace v ní obsažené nepředstavují jen souhrn teoretických znalostí, ale měly by posloužit také prakticky jako komplexní vodítko pro amatérskou stavbu podobných zařízení. Specifičnost pojetí spočívá ve skutečnosti, že popisovaná konstrukce je koncipována modulárně, takže některé významné součásti jednoho stroje se dají využít i na jiném stroji, což představuje nejen finanční úsporu, ale také menší pracnost a úsporu materiálu.

Abstract This work describes the design and assembly of a modular CNC machine for the machining of soft materials intended for hobby applications. Apart from a sum of theoretical knowledge, the information contained in it should also serve in practice as a comprehensive guidance for those wishing to assemble a similar machine on an amateur basis. The approach is specific in the modularity of the assembly, as a result of which some components of a machine can be used in another, which represents not only financial savings, but also less work and economising on material.

DIPLOMOVÁ PRÁCE

OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ ...................................................................................3 SEZNAM POUŽITÝCH VELIČIN A SYMBOLŮ ...........................................5 1.

ÚVOD....................................................................................................6

2.

LITERÁRNÍ PRŮZKUM ........................................................................7

2.1.

Současné trendy v konstrukci domácích CNC strojů...............................7

2.1.1.

Konstrukce strojů ...................................................................................7

2.1.2.

Motory a elektronika ............................................................................11

2.2.

Stav v oblasti řízení krokových motorů...................................................13

2.2.1.

Konstrukce krokových motorů............................................................13

2.2.2.

Řízení krokových motorů.....................................................................16

2.3.

Software ......................................................................................................19

Software pro frézku ...........................................................................................19 2.3.1. 3.

Software pro řezačku............................................................................21

NÁVRH MECHANICKÉ KONSTRUKCE ............................................24

3.1.

Formulace problému přístupu ke konstrukci zařízení...........................24

3.2.

Požadavky na konstrukci ..........................................................................24

3.3.

Předběžný návrh konstrukce....................................................................26

3.4.

Konstrukce .................................................................................................27

3.4.1.

Materiály konstrukce............................................................................27

3.4.2.

Pevnostní výpočty..................................................................................28

3.4.3.

Výpočet kroutícího momentu pro dimenzování motorů ...................37

1

DIPLOMOVÁ PRÁCE

4. 4.1. 5.

ELEKTRONIKA PRO ŘÍZENÍ KROKOVÝCH MOTORŮ....................37 Návrh elektroniky ......................................................................................37 REALIZACE........................................................................................42

5.1.

Frézka .........................................................................................................42

5.2.

Řezačka .......................................................................................................48

5.3.

Realizace elektroniky.................................................................................52

6.

ZPROVOZNĚNÍ A LADĚNÍ ................................................................58

7.

POZNATKY Z PROVOZU...................................................................59

8.

ZÁVĚR ................................................................................................61

LITERATURA.............................................................................................62 PŘÍLOHY....................................................................................................63

2

DIPLOMOVÁ PRÁCE

SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 2-1 Konstrukce pojezdů realizovaná pomocí bronzových pouzder...............................8 Obr. 2-2 Pojezdy s lineárními ložisky na vodicích lištách ....................................................8 Obr. 2-3 Pojezdy z kopírky na vodicích železných profilech................................................9 Obr. 2-4 Velmi levná konstrukce se silonovými pouzdry .....................................................9 Obr. 2-5 Jednoduchá konstrukce s použitím demontovaných dílů......................................10 Obr. 2-6 Prostorová konstrukce ...........................................................................................10 Obr. 2-7 Profesionální stroj .................................................................................................11 Obr. 2-8 Motory Microcon SX34-6212 a SX23-2125.........................................................11 Obr. 2-9 Motory J69C05LT a Sanyo Denki CO. 103-770-4243 .........................................12 Obr. 2-10 Deska řízení motorů s obvodem L 297 a L 298 ..................................................12 Obr. 2-11 Deska řízení motorů s procesorem ......................................................................13 Obr. 2-12 princip krokového motoru...................................................................................14 Obr. 2-13 Základní schéma řízení........................................................................................16 Obr. 2-14 Ukázka grafického prostředí programu KCAM4................................................20 Obr. 2-15 Ukázka grafického prostředí programu V4LT ....................................................21 Obr. 2-16 Ukázka grafického prostředí programu GMFC-Pro............................................22 Obr. 2-17 Ukázka grafického prostředí programu GeNeCe-Pro .........................................23 Obr. 3-1 Hrubý návrh konstrukce frézky.............................................................................26 Obr. 3-2 Hrubý návrh jedné strany konstrukce řezačky ......................................................27 Obr. 3-3 Síly působící pojezd x. ..........................................................................................30 Obr. 3-4 Zobrazení posuvů vodicí tyče způsobené tíhovou silou........................................31 Obr. 3-5 Zobrazení posuvů vodicí tyče způsobených řeznou silou.....................................31 Obr. 3-6 Síly působící na pojezd y. .....................................................................................32 Obr. 3-7 Průhyb horní tyče způsobený silou Fp1. ................................................................33 Obr. 3-8 Průhyb spodní tyče způsobený silou Fp2. ..............................................................33 Obr. 3-9 Celkový posuv frézy..............................................................................................34 3

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 3-10 Síly působící na konstrukci řezačky....................................................................35 Obr. 3-11 Geometrie pojezdů řezačky .................................................................................35 Obr. 3-12 Zobrazení posuvů v ose y....................................................................................36 Obr. 4-1. Blokové schéma TA8435H/HQ ...........................................................................39 Obr. 4-2 Ukázka průběhu proudu. .......................................................................................40 Obr. 4-3 Schéma oddělovací desky. ....................................................................................41 Obr. 4-4 Schéma desky řízení motorů .................................................................................41 Obr. 5-1 Konstrukce posuvů................................................................................................43 Obr. 5-2 Konstrukce rámu z textitu. ....................................................................................44 Obr. 5-3 Konstrukce rámu ze slitiny AlMgSi0,5.................................................................45 Obr. 5-4 Upevnění kostek na ložiska...................................................................................45 Obr. 5-5 Konstrukce rámu osy y..........................................................................................46 Obr. 5-6 Pojezd osy z...........................................................................................................46 Obr. 5-7 Celkové umístění osy z na stroji. ..........................................................................47 Obr. 5-8 Celkový pohled na dokončený stroj. .....................................................................48 Obr. 5-9 Začátek stavby řezačky. ........................................................................................49 Obr. 5-10 Použití trubek ke stabilizaci řezačky...................................................................49 Obr. 5-11 Základové desky s vedením osy x.......................................................................50 Obr. 5-12 Provedení svislých pojezdů a stabilizačních ložisek...........................................50 Obr. 5-13 Napínací zařízení.................................................................................................51 Obr. 5-14 Osazená deska oddělovače a plošný spoj............................................................53 Obr. 5-15 Hotová deska řízení motorů a plošný spoj. .........................................................54 Obr. 5-16 Grafy M = f(Ω) pro motory firmy Microcon ......................................................55 Obr. 5-17 Momentová charakteristika motoru SX 16-0402LA...........................................56 Obr. 5-18 Schéma zapojení zdrojů. .....................................................................................57 Obr. 5-19 Hotový zdroj........................................................................................................58 Obr. 7-1 Výrobky zhotovené na jednotlivých strojích ........................................................60 4

DIPLOMOVÁ PRÁCE

SEZNAM POUŽITÝCH VELIČIN A SYMBOLŮ Ff

[N]

síla způsobená zatížením

Fp

[N]

síla na ložisku

FG

[N]

tíhová síla

Fp1

[N]

síla na ložisku horní tyče

Fp2

[N]

síla na ložisku dolní tyče

Fa

[N]

síla v podpěře

Fax

[N]

axiální síla vzniklá součtem sil Ff a Fp

Cf

[N/mm2]

materiálová konstanta

ap

[mm]

plocha třísky

fmin

[mm/min]

posuv za minutu

fz

[mm]

posuv na zub

N

[1/min]

otáčky vřetene

x

[1]

exponent

g

[m/s2]

tíhové zrychlení

mi

[kg]

hmotnostní příspěvky

wh

[mm]

posuv horní tyče frézky

wd

[mm]

posuv spodní tyče frézky

wc

[mm]

celkový posuv nástroje

wv

[mm]

posuv horní části svislého pojezdu řezačky

wn

[mm]

posuv pojezdu osy x frézky ve směru y

Mt

[Nm]

točivý moment

η

[1]

účinnost převodu

R

[Ω]

odpor

U

[V]

napětí

I

[A]

proud

P

[W]

příkon

5

DIPLOMOVÁ PRÁCE

1. ÚVOD V českém prostředí má bohatou tradici domácí kutilství, při němž nacházejí uplatnění i složitější technologie, nástroje a zařízení. Do značné míry se jedná o jev specifický pro Českou republiku, s nímž se v zahraničí běžně nesetkáváme. S rozvojem a vzrůstající dostupností výpočetní techniky a s možností jejího využití při ovládání strojních zařízení se rozšiřuje pole působnosti hobby aplikací. V domácí dílně lze dnes svépomocí s přijatelnými finančními náklady sestavit zařízení, jehož pořízení na trhu by pro jednotlivce bylo finančně neúnosné. Jeho parametry přitom mohou být zcela dostačující pro občasné hobby použití. Domácí využití PC k hobby aplikacím se uplatňuje v mnoha oblastech. Z výše uvedeného vyplývá, že se dnes lze i v domácí dílně setkat se strojním zařízením, k jehož řízení slouží stolní PC opatřené příslušným programovým vybavením – CNC aplikace. Jedním z příkladů využití takového zařízení může být CNC frézka a řezačka polystyrenu pro modelářské účely, které se uplatní při zpracování dílů z balsy a měkkých materiálů. CNC frézku lze využít také při gravírování, s řezačkou lze například vytvářet polystyrenové výřezy pro další použití. Cílem diplomové práce je navrhnout a realizovat stavebnicové CNC zařízení určené převážně pro hobby účely v cenových relacích, technologické náročnosti a s použitím materiálů, jež jsou dostupné amatérským stavitelům.

6

DIPLOMOVÁ PRÁCE

2. LITERÁRNÍ PRŮZKUM 2.1. Současné trendy v konstrukci domácích CNC strojů 2.1.1. Konstrukce strojů S rozvojem elektroniky a používáním domácího PC se spousta lidí začala zabývat myšlenkou zhotovit si domácí obráběcí stroj řízený počítačem. V současné době je na světě spousta stavitelů různých CNC strojů, a to zejména frézek a řezaček polystyrenu. Materiály používané na stavbu jsou převážně kovy a dřevoštěpové laminované desky. V konstrukci pojezdů frézek se nejčastěji objevují následující tři řešení: lineární ložiska na vodicích lištách, lineární kuličková ložiska na vodicích tyčích a kluzná ložiska na vodicích tyčích. Co se týká pohybujících se částí, jsou stavěny stroje s posuvným stolem i s posuvným nástrojem. Výhodou posuvného stolu je konstantní tuhost stroje při polohování nástroje, nevýhodou jsou ovšem větší nároky na zástavbový prostor stroje. Při použití koncepce s pojízdným nástrojem je třeba mít na paměti měnící se tuhost při obrábění, což se ale dá využít také při obrábění tužších součástí, kde lze použít polohu stroje s vyšší tuhostí. Jako vřeteno stroje se nejvíce používají levné ruční horní frézky určené pro kutily. Jsou ale i konstrukce používající jako obráběcí vřeteno různé gravírovací frézky, které jsou ale obecně dražší, zato mají malé rozměry. Otáčky u vřeten se pohybují v regulovatelném rozsahu 0 - 30 000 ot/min. Jsou i vřetena domácí výroby, která umožňují dosažení otáček až 50 000 ot/min. Tato se často vyrábějí z modelářských elektronicky komutovaných motorů s využitím regulátorů vyráběných k těmto motorům. K posuvu pohyblivých částí se používají šrouby, a to jak s metrickým závitem, tak hlavně pohybové šrouby se závitem lichoběžníkovým. Některé konstrukce používají i posuv ozubeným řemenem. To má výhodu v možnosti vyšších pojezdových rychlostí, ale za cenu zvětšení posuvu na krok a tudíž teoreticky ve snížení celkové přesnosti. V dalším textu jsou uvedena některá konstrukční řešení frézek. Konstrukci pojezdů lze realizovat pomocí bronzových pouzder jezdících na broušených tyčích. Pohybové šrouby jsou umístěny centrálně a spojeny s konstrukcí rámu stroje, pohybuje se obráběcí vřeteno, stůl je pevný. Jako vřeteno slouží modelářská gravírovací frézka (viz Obr. 2-1), zdroj lit. [26].

7

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 2-1 Konstrukce pojezdů realizovaná pomocí bronzových pouzder

V dalším případě jsou pojezdy realizovány pomocí lineárních ložisek na vodicích lištách. Hlavní pojezdy mají pohon přes řemínky. Vřeteno sjíždí do řezu pomocí pohybového šroubu. Stůl je pevný. Jako vřeteno slouží gravírovací frézka (viz Obr. 2-2), zdroj lit. [26].

Obr. 2-2 Pojezdy s lineárními ložisky na vodicích lištách

Dalším řešením jsou lineární pojezdy na vodicích železných profilech, které jsou demontovány z kopírky a použity na frézce. Není to řešení příliš tuhé ani přesné, ale konstruktérovi zřejmě postačující. Rám stroje z dřevoštěpových desek sešroubovaných stolařskými vruty. Jako pojezdové šrouby zde slouží obyčejné metrické šrouby, na šroubu je připevněna rukojeť pro ruční najetí na stanovenou pozici. Stůl je zde pohyblivý a vřeteno pevné. Je to jedna z nejlevnějších konstrukcí. Jako vřeteno slouží modelářská gravírovací frézka (viz Obr. 2-3), zdroj lit. [26].

8

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 2-3 Pojezdy z kopírky na vodicích železných profilech

Následuje ukázka velmi levné konstrukce, kde jsou místo ložisek použita silonová pouzdra a jako vodicí tyče slouží kalibrované trubky. K pohonu pojezdů jsou opět použity obyčejné šrouby s metrickým závitem, na šroubu je připevněna rukojeť pro ruční najetí na stanovenou pozici. Stůl je pevný a pohybuje se obráběcí vřeteno. Jako vřeteno slouží modelářská gravírovací frézka (viz Obr. 2-4), zdroj lit. [25].

Obr. 2-4 Velmi levná konstrukce se silonovými pouzdry

Při konstrukci řezaček polystyrenu se používá pevný prostorový rám stroje s vedením ukotveným na dolním i spodním rámu, zhotovený nejčastěji z ocelových profilů, nebo samostatné stranové pojezdy s letmo uloženým vertikálním vedením. Tyto pojezdy lze většinou přizpůsobit pro různou šířku řezaného materiálu. K posuvu pojezdů se zde v hojné míře využívá šroubů s metrickým závitem, někteří stavitelé ale mají použity i šrouby s pohybovým závitem, méně pak ozubené řemeny. Požadavky na tuhost konstrukce řezačky jsou malé, a proto se objevuje spousta originálních řešení od pojezdů uložených na kolejnicích modelové železnice až po lineární ložiska na vodicích profilech. Rovněž tak v 9

DIPLOMOVÁ PRÁCE

konstrukci rámu se používají různé materiály od různých plastů, přes dřevo až po kovové svařované konstrukce. Z následujících obrázků jsou zřejmá konstrukční provedení řezaček. Následují některá konstrukční řešení řezaček polystyrenu. Jedním z řešení je jednoduchá konstrukce s použitím pojezdů demontovaných z kopírky, závitových tyčí s metrickým závitem a rámem vyrobeným ze dřeva (viz Obr. 2-5), zdroj lit. [25].

Obr. 2-5 Jednoduchá konstrukce s použitím demontovaných dílů

V dalším případě konstruktér použil prostorovou konstrukci s ocelovými profily horizontálních pojezdů na horní i spodní straně rámu; pojezdové šrouby jsou opět s metrickým závitem. Vedení pojezdů je lineární ložisko v ocelovém profilu (viz Obr. 2-6), zdroj lit. [26].

Obr. 2-6 Prostorová konstrukce

Následuje ukázka profesionálního stroje složeného z hliníkových profilů se šrouby s pohybovým závitem a lineárním vedením (viz Obr. 2-7), zdroj lit. [25]. 10

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 2-7 Profesionální stroj

Stroj, který by byl stavebnicového charakteru a tudíž umožňoval vzájemnou přestavbu z frézky na řezačku s použitím některých univerzálních dílů, jsem nenašel ani jeden.

2.1.2. Motory a elektronika Motory jsou v amatérských konstrukcích používány jak starší, vymontované z různých zařízení typu kopírka, tiskárna apod., tak nové vybrané na základě provozních charakteristik, přičemž v zahraničí převažuje nákup nových a u nás naopak starší motory, což je ale dáno hlavně finančními možnostmi stavitelů. Nejčastěji používané jsou krokové motory s permanentními magnety rotoru 200 kroků na otáčku. Několik nejpoužívanějších motorů je na připojených obrázcích (viz Obr. 2-8 a Obr. 2-9), zdroj lit. [17].

Obr. 2-8 Motory Microcon SX34-6212 a SX23-2125

11

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 2-9 Motory J69C05LT a Sanyo Denki CO. 103-770-4243

K ovládání krokových motorů domácí stavitelé používají speciální obvody přímo určené k řízení krokových motorů (např. Toshiba TA8435H nebo Nanotec IMT-901), nebo řešení s mikroprocesorem. Výhoda speciálních obvodů je v tom, že není potřeba programovat procesor, tudíž je toto řešení vhodné zejména pro stavitele, kteří nemají znalosti programování procesorů. Při řešení pomocí procesorů lze řídící program „odladit“ dle vlastních požadavků. Řízení rozdělujeme na unipolární a bipolární. K přenosu dat z PC do řídícího obvodu se používá paralelní i sériový port. Při využití paralelního portu jsme omezeni poměrně malou rychlostí, s jakou můžeme posílat data na port. Tento problém se vyskytuje u operačních systémů Windows 2000 a vyšších. Při použití operačních systémů DOS, Windows 95, 98 tento problém není tak výrazný.Velká výhoda paralelního portu je v tom, že na každý příkaz (step, dir) máme jeden pin, znamená to ale možnost ovládat pouze čtyři motory, protože máme omezený počet pinů. Při posílání dat přes sériový port problém s rychlostí nemáme. Nevýhoda je ale v nutnosti posílat data ve formě paketů, které musí umět řídící elektronika rozkódovat. Teoreticky není omezen počet ovládaných motorů. Na následujících obrázcích jsou dva konkrétní řídící obvody (viz Obr. 2-10 a Obr. 2-11), zdroj lit. [26].

Obr. 2-10 Deska řízení motorů s obvodem L 297 a L 298

12

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 2-11 Deska řízení motorů s procesorem

2.2. Stav v oblasti řízení krokových motorů 2.2.1. Konstrukce krokových motorů Krokové motory jsou zvláštní formou synchronních motorů. Jsou řazeny mezi servomotory. To znamená, že jsou to převážně motory menších výkonů určené k polohování. Krokový motor se pohybuje nespojitě po jednotlivých úsecích. Krok je mechanická odezva rotoru krokového motoru na jeden puls napájecího obvodu. Frekvence napájecích pulsů určuje rychlost otáčení motoru. Pulsní řízení předurčuje použití krokových motorů především v číslicově řízených technologiích. Pohony s krokovými motory umožňují nejen přesné nastavování rychlosti, ale i polohování. Mohou pracovat jako polohová, případně rychlostní serva v otevřené smyčce. Veškerá vinutí krokového motoru jsou obvykle umístěna ve statoru a motor nemá žádné kluzné kontakty. Komutace nutná pro vznik točivého magnetického pole se provádí v elektronickém obvodu, bez něhož činnost krokového motoru není možná. Elektronický obvod není součástí motoru a prodává se buď jako samostatný pro jeden motor, nebo jako jednotka pro více motorů.

Podle principu se rozlišují:

reluktanční krokové motory krokové motory s permanentními magnety rotoru hybridní krokové motory

Podle konstrukce rozlišujeme: rotační, lineární, tubulární a planární

13

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Použití krokových motorů je široké. Používají se hojně v kancelářské praxi u kopírek a tiskáren, ale rovněž v obráběcích strojích, průmyslových robotech, zvedacích zařízeních a různých polohovacích a dopravních aplikacích.

DRUHY KROKOVÝCH MOTORŮ

Krokové motory jsou vyráběny buď jako dvou-, pěti-, nebo trojfázové. Jejich statory mohou být vícedílné a segmentované. Rotory mohou být konstrukčně různé.

RELUKTANČNÍ KROKOVÉ MOTORY Jsou to motory s proměnnou reluktancí. Zákryt buzených pólů se zuby rotoru znamená minimální magnetický odpor. Při odpojení statoru od napájení nevykazují žádný přídržný moment. Základní krok obvykle závisí na počtu zubů rotoru. Stator i rotor tohoto typu kokového motoru jsou složeny z plechů. Mohou být tří- i vícefázové. Na následujícím obrázku (Obr. 2-12) je zjednodušený řez magnetickým obvodem čtyřpólového krokového motoru s proměnnou reluktancí. Na statoru je 8 vyniklých pólů s navinutými cívkami. Dvojice cívek na protilehlých pólech je spojena a tvoří vždy jednu fázi. Rotor je bez vinutí. Na povrchu rotoru i pólových nástavců jsou zuby pro dosažení jemného kroku.

Obr. 2-12 princip krokového motoru

Činnost krokového motoru je založena na změnách reluktance magnetického obvodu stroje při otáčení rotoru. Při zanedbání reluktance železa vůči vzduchu, rozptylu a zakřivení magnetických indukčních čar ve vzduchové mezeře je reluktance obvodu fáze statoru lineární funkcí překrytí zubů statoru a rotoru. Indukčnost cívky fáze je tedy 14

DIPLOMOVÁ PRÁCE

největší, jsou-li osy zubů rotoru a statoru proti sobě. Minimální indukčnost je v poloze posunuté o polovinu rozteče. Připojení napětí k fázové cívce B-B0 způsobí takový pohyb rotoru, při němž se snižuje reluktance obvodu, který je tvořen rotorem a těmi póly statoru, na nichž je cívka uložena. Při dosažení polohy, v níž je reluktance minimální, klesne urychlující moment na nulu. Vlivem setrvačných hmot se však rotor z této polohy vychýlí. Tím ovšem začne reluktance opět narůstat a opačně působící moment vrací rotor do stabilní polohy. Pokud po odpojení tohoto napětí přivedeme napětí na cívku C-C0, rotor se přestaví tak, aby reluktance nově vzniklého obvodu byla minimální. Motor se tak posune o jeden krok. Dalšího posuvu docílíme přivedením napětí na cívku D-D0. Při spínání cívek v opačném pořadí se bude motor otáčet na opačnou stranu.

KROKOVÉ MOTORY S PERMANENTNÍMI MAGNETY

Magnety jsou na rotoru buď nalepeny, nebo jsou zapuštěny do rotoru. Rotor se po přepnutí fází nastavuje tak, aby souhlasila polarita magnetů s tokem statoru.

HYBRIDNÍ KROKOVÉ MOTORY

Rotor motoru tvoří axiálně uspořádané permanentní magnety a dvě části z magneticky měkkého železa, přecházející na přesazené nástavce. Hybridní krokové motory mají malý základní krok, větší točivý moment a větší přídržný moment. Konvenční stroje mají na statoru symetricky rozmístěné 3-fázové vinutí, způsobující lichoběžníkové rozložení magnetické indukce ve vzduchové mezeře.

NAPÁJENÍ STATORU KROKOVÉHO MOTORU

Můžeme použít buď napájení unipolární, nebo bipolární. U unipolárního napájení má každý pól dvě vinutí, přičemž vede vždy pouze jediné vinutí. Ke spínání jsou zapotřebí pouze dva tranzistorové prvky, zdroj je předpokládán stejnosměrný. Bipolární napájení předpokládá pouze jediné vinutí fáze a čtyři spínače, tedy dvojnásobný počet spínačů. Motory s bipolárním vinutím dosahují obecně vyšších kroutících momentů

VLASTNOSTI KROKOVÝCH MOTORŮ

Vlastnosti těchto motorů jsou ovlivněny jednak jejich konstrukcí, jednak způsobem ovládání. Krokové motory s proměnnou reluktancí mají obvykle malý krok 1° až 5°, výjimečně větší. Provozní momenty dosahují jednotek mN.m až jednotek N.m. Jejich 15

DIPLOMOVÁ PRÁCE

konstrukce je jednoduchá a levná. Krokové motory s aktivním rotorem mají složitější magnetický obvod a jsou tudíž dražší. Časová konstanta vlivem zařazení permanentního magnetu je kratší a tudíž rozsah otáček je vyšší. Motory s radiálně polarizovaným magnetem mají provozní momenty od jednotek mN.m do jednotek N.m. Velikost kroku je větší než 15°, obyčejně 30°, 45°, 60°. V současné době nejrozšířenější hybridní motory se konstruují s velikostí kroku od 0,36° do 5°. Provozní momenty jsou od jednotek mN.m do desítek N.m. Tyto motory vykazují při daném objemu 2 až 2,5krát větší provozní moment než motory s proměnnou reluktancí. 2.2.2.

Řízení krokových motorů

TECHNOLOGIE OVLADAČŮ

Ovladač krokového motoru přijímá slabé signály z řadiče nebo ovládacího systému a konvertuje je na elektrické (krokové) pulsy, které uvádějí motor do chodu. Ke každému kroku hřídele motoru je zapotřebí jednoho krokového pulsu. Při plném krokovém režimu u standardního 200krokového motoru je k uskutečnění jedné otáčky zapotřebí 200 krokových pulsů. Stejně tak u mikrokrokového režimu může být zapotřebí, aby ovladač vytvořil 50 000 i více krokových pulsů na otáčku. U standardních konstrukcí ovladačů je k tomu zapotřebí použít nákladné obvody. Obvyklé uspořádání prvků v soustavě vystihuje následující schéma (viz Obr. 2-13).

Obr. 2-13 Základní schéma řízení

TYPY OVLADAČŮ KROKOVÝCH MOTORŮ

Pro průmyslové aplikace existují v zásadě tři typy technologií ovladačů. Všechny využívají „převaděče” ke konverzi krokových a směrových signálů z řadiče na elektrické pulsy do motoru. Zásadní rozdíl je ve způsobu, jakým nabudí vinutí motoru. Obvod, který plní tento úkol, se nazývá „spínací pole”.

16

DIPLOMOVÁ PRÁCE

UNIPOLÁRNÍ

Název unipolární je odvozen ze skutečnosti, že přívod proudu je omezen na jeden směr. Vzhledem k tomu je spínací pole unipolárního ovladače poměrně jednoduché a levné. Nevýhodou využití unipolárního ovladače je však jeho omezená schopnost nabudit všechna vinutí současně. V důsledku toho se počet otáček (kroutící moment) snižuje o téměř 40% oproti ostatním technologiím ovladačů. Unipolární ovladače jsou výhodné pro aplikace, které pracují s poměrně nízkými otáčkami.

R/L OMEZENÝ ODPOR

R/L (Resistance/limited) - ovladače s omezeným odporem jsou z dnešního hlediska zastaralá technologie, ale u některých aplikací (s nízkým výkonem) se dosud používají, protože jsou jednoduché a levné. Nevýhodou použití ovladačů R/L je skutečnost, že využívají srážecí odpor k tomu, aby dosáhly téměř desetinásobku hodnoty proudu v motoru nezbytného k udržení užitečného zvýšení rychlosti. Tento proces také vytváří nadměrné teplo a musí používat napájecí zdroj se stejnosměrným proudem.

BIPOLÁRNÍ MĚNIČ

Ovladače s bipolárním měničem jsou zdaleka nejužívanějšími ovladači u průmyslových aplikací. Ačkoli jsou zpravidla dražší, nabízejí vysoký výkon a účinnost. Ovladače s bipolárním měničem mají navíc sadu spínacích tranzistorů, díky nimž není zapotřebí používat dva zdroje proudu. Kromě toho využívají most se čtyřmi tranzistory, recirkulačními diodami a snímacím rezistorem, který udržuje zpětné napětí úměrné proudu v motoru. Vinutí motoru se u ovladače s bipolárním měničem nabuzují na úroveň odpovídající přívodu proudu sepnutím jedné sady spínacích tranzistorů (horní a dolní). Snímací rezistor monitoruje lineární nárůst proudu, dokud není dosaženo požadované hodnoty. V tom okamžiku se otevře horní spínač a proud v cívce motoru udržuje spodní spínač a dioda. V průběhu času dochází k úbytku proudu, dokud není dosaženo požadované polohy a proces nezačne nanovo. Tento efekt změny přívodního proudu udržuje za všech okolností správnou hodnotu proudu do motoru.

ŘADIČ

Řadič dává krokové a směrové signály do ovladače. Většina aplikací vyžaduje, aby řadič zvládal také další řídicí funkce včetně zrychlení, zpomalení, kroků za vteřinu a vzdálenosti. Řadič také může být rozhraním a řízením pro řadu dalších externích signálů. 17

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Mikroprocesorové řadiče nabízejí velkou flexibilitu v tom smyslu, že mohou fungovat buď samostatně, nebo v rozhraní na hostitelský počítač. Na následujícím obrázku jsou patrné prvky typického řadiče: Komunikace s řadičem probíhá buď přes sběrnici, nebo přes sériový port RS-232/RS422. Řadič v každém případě dokáže přijímat složené příkazy z hostitelského počítače a vytvářet nezbytné krokové a směrové pulsy pro ovladač.

SAMOSTATNÝ PROVOZ

V režimu samostatného provozu může řadič pracovat nezávisle na hostitelském počítači. Jakmile jsou programy pro pohyb zavedeny do energeticky nezávislé paměti, lze je spouštět z různých typů rozhraní obsluhy, jako je klávesnice nebo spínač, nebo prostřednictvím přídavných vstupů zapnuto/vypnuto. Ovládací systém krokového motoru pracujícího v režimu samostatného chodu je často dodáván s ovladačem a případně napájecím zdrojem a volitelnou zpětnou vazbou kódovacího zařízení pro aplikace v „uzavřené smyčce”, které vyžadují detekci zastavení a kompenzaci přesné polohy motoru.

INTEGROVANÉ OVLÁDÁNÍ

Integrované ovládání znamená, že je řadič součástí celého systému a přijímá příkazy z hostitelského počítače „on-line” během celého pohybu. Funkce komunikace, rozhraní obsluhy a zapnuto/vypnuto jsou koncipovány jako oddělené prvky systému. Ovládání a řízení pohybové sekvence uskutečňuje hostitelský počítač. V tomto případě řadič působí jako inteligentní periferní zařízení. K integrovanému ovládání jsou dobře uzpůsobeny aplikace CNC (computer numerical control), protože přísun dat je „dynamický” neboli se často mění.

VÍCEOSÉ OVLÁDÁNÍ

Mnohé aplikace pro pohyb musí ovládat více než jeden motor. V takových případech je k dispozici systém víceosého ovládání. Například na kartě ovladače krokového motoru připojené k počítačové sběrnici mohou být osazeny až čtyři řadiče a každý bude připojen k vlastnímu ovladači a motoru. V režimu sériové komunikace lze z jednoho komunikačního portu nebo kanálu zapnuto/vypnuto ovládat až 32 os. Některé aplikace vyžadují značnou synchronizaci, zejména při kruhové nebo lineární interpolaci. Zde může být nezbytné pohyb koordinovat s centrálním procesorem. Pro tyto typy provozů je na trhu řada ovladačů s jednou deskou nebo ovladačů modulárního typu. 18

DIPLOMOVÁ PRÁCE

U víceosých aplikací, které nevyžadují simultánní pohyb, kde je v jednom okamžiku v pohybu vždy pouze jeden motor, je možné krokový a směrový puls multiplikovat z jednoho řadiče do více ovladačů.

2.3. Software Pro efektivní funkci strojů je zapotřebí software, který umožňuje ovládat tato zařízení, tzn. je navržen přímo k tomuto účelu. Různé univerzální programy jsou k tomuto nepoužitelné, protože nenabízejí potřebné funkce, jako je podpora tzv. G kódu (G kód je speciální soubor příkazů vyvinutý pro ovládání NC strojů) a možnost importovat do programu formát dxf. Při výběru programů bylo nutno zohlednit požadavek na možnost tohoto programu ovládat elektroniku přes paralelní port. Dále bude stručně popsán vybraný software frézky a řezačky.

Software pro frézku Výběr softwaru pro ovládání frézky vycházel z doporučení v modelářských a stavitelských diskusních fórech. Jelikož není žádný software, který by byl jednoznačně upřednostňován, bylo nutno otestovat demo verze nejpoužívanějších programů a zkoušet, jak bude který vyhovovat požadavkům na jednoduchost a efektivnost použití. Po prostudování diskusních fór byly vybrány následující dva programy: KCAM4 verze 4.0.11 společnosti Kellyware V4LT společnosti STEP-FOUR

KCAM4

Jde o software určený pro řízení tříosých strojů. Je poskytován v demo verzi, která má časové omezení. Program lze instalovat pod operační systémy Windows 95/98, 2000 a XP. Koupit ho lze za cenu asi 3.000,- Kč. Tento program byl zkoušen jako první alternativa. Je to uživatelsky jednoduchý program, který umí základní příkazy G kódu, lze do něj importovat data v dxf formátu a jako výstupní lze zvolit paralelní port, na kterém jdou přiřadit výstupní signály různým pinům. Nelze v něm ale plně definovat dráhu nástroje a směr obrábění. První zkoušky ale byly provedeny s tímto programem. Při užívání tohoto software bylo zjištěno, že je třeba dávat pozor při startu obrábění, protože program neumí uspokojivě ošetřit polohu obráběcího nástroje a několikrát fréza zajela do podkladové desky. Po nabytých zkušenostech s tímto programem lze říct, že pro nenáročné 19

DIPLOMOVÁ PRÁCE

aplikace by postačoval. Na následujícím obrázku je ukázka grafického prostředí, které lze označit za přehledné a srozumitelné (viz Obr. 2-14).

Obr. 2-14 Ukázka grafického prostředí programu KCAM4

V4LT

Tento software je produktem firmy STEP-FOUR. Je určen pro řízení tříosých strojů. Program lze zakoupit asi za 7.500,- Kč i s hardwarovým klíčem, který je implementován do redukce k paralelnímu portu. Program je psán pro operační systém DOS. Je to kvůli lepšímu ovládání paralelního portu, na kterém pod operačními systémy Windows dosáhneme menší rychlosti toku dat, tudíž menších rychlostí pojezdů. Tento software je velice intuitivní a uživatelsky příjemný. Umožňuje kompletní nastavení dráhy frézovacího nástroje. Má implementovány materiálové a nástrojové knihovny, do kterých je samozřejmě možno doplňovat vlastní materiály a nástroje. Přiřazení pinů portu má tento program pevně dané a je třeba se tomu přizpůsobit při výrobě ovládací elektroniky motorů. Na následujícím obrázku je ukázka grafického prostředí, které lze označit za přehledné a srozumitelné (viz Obr. 2-15. 20

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 2-15 Ukázka grafického prostředí programu V4LT

2.3.1. Software pro řezačku Při výběru softwaru pro ovládání řezačky bylo opět vycházeno z doporučení v modelářských a stavitelských diskusních fórech, kde se jako nejpoužívanější jeví následující dva programy: GMFC-Pro autorů G Mullera a F Bugneta CeNeCe-Pro autorů J Lopeze a D Saeze

GMFC-Pro

Jde o software určený pro řízení 2x2osých strojů. Jje poskytován v demo verzi, která má časové omezení. Program lze instalovat pod operační systémy Windows 95/98, 2000 a XP. Koupit ho lze za cenu asi 3.000,- Kč. Tento program byl zkoušen jako první alternativa. Je to uživatelsky přijatelný program, který umí základní příkazy, lze do něj importovat data v dxf formátu a jako výstupní lze zvolit paralelní port, na kterém jdou přiřadit výstupní signály různým pinům. Pro svůj chod vyžaduje externí časovač

21

DIPLOMOVÁ PRÁCE

k elektronice motorů. První pokusy byly provedeny s tímto programem. Na následujícím obrázku je ukázka grafického prostředí, které je přehledné a srozumitelné (viz Obr. 2-16).

Obr. 2-16 Ukázka grafického prostředí programu GMFC-Pro

CeNeCe-Pro

Jde o software určený pro řízení 2x2osých strojů. Je poskytován v demo verzi, která je omezena tím, že v ní nelze spustit vlastní soubor. V programu je knihovna projektů, které lze částečně upravit. Program lze instalovat pod operační systémy Windows 95/98, 2000 a XP. Koupit ho lze za cenu asi 8.000,- Kč. Tento program byl zkoušen jako další alternativa pro ovládání řezačky. Je to uživatelsky příjemný a srozumitelný program, který má veškeré potřebné funkce a nastavení. Jako výstupní lze zvolit paralelní port, na kterém jdou přiřadit signály různým pinům. Tento program se již zprovoznit podařilo, ale pouze s uvedeným omezením. Bylo s ním provedeno zkušební řezání a výsledky byly velice dobré. Na následujícím obrázku je ukázka grafického prostředí, které je přehledné a srozumitelné (viz Obr. 2-17). 22

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 2-17 Ukázka grafického prostředí programu GeNeCe-Pro

ZHODNOCENÍ

Po seznámení se s jednotlivými produkty byl pro řízení frézky vybrán program V4LT. K tomuto programu je dále možné dokoupit rozšíření včetně 3D upgrade. Pro ovládání řezačky lze výhledově zakoupit program CeNeCe-Pro.

23

DIPLOMOVÁ PRÁCE

3. NÁVRH MECHANICKÉ KONSTRUKCE 3.1. Formulace problému přístupu ke konstrukci zařízení Při návrhu konstrukce zadáním požadovaného stavebnicového zařízení je třeba nejdříve určit požadavky na toto zařízení a priority těchto požadavků. Z hlediska modularity je důležité, které díly budou použitelné pro oba stroje. Společné díly budou tyto: pohybové šrouby pouzdra pohybových šroubů pohybové tyče krokové motory podélných a příčných pojezdů pohybové matky desky podélných pojezdů elektronika lineární ložiska Některé z nich jsou zachyceny na obrázcích níže v textu (viz Obr. 3-1, Obr. 3-2).

3.2. Požadavky na konstrukci frézka

přesnost 0,1mm při opakovaném obrábění tuhost konstrukce dostatečná k obrábění překližky tl.5mm při řezné rychlosti Vc = 50m/min dosažení rychlosti posuvu v ose x a y 300mm/min pracovní prostor frézy 300x400x50mm levná konstrukce použití dílů z řezačky malá náročnost na strojní obrábění jednoduchá údržba doba bez údržbového provozu alespoň 10 hodin

24

DIPLOMOVÁ PRÁCE

řezačka

přesnost 0,3mm při opakovaném řezání dostatečná tuhost konstrukce dosažení rychlosti posuvu 150mm/min pracovní prostor drátu 450x450mm levná konstrukce použití dílů z frézky malá náročnost na strojní obrábění jednoduchá údržba doba bez údržbového provozu alespoň 20 hodin

Hlavní požadavek je dosažená přesnost, která je základním předpokladem konstrukce jakéhokoli zařízení. S přesností je spojena tuhost konstrukcí. Neméně důležitá je zaměnitelnost některých dílů, aby byl splněn požadavek modularity. Toto jsou nejdůležitější požadavky, další mohou být obtížně hodnotitelné.

Klíčovou otázkou při návrhu stroje je základní konstrukce zařízení. Jako nejdůležitější pro další návrh je zvolení uložení osy x a y.

V současné době jsou nejčastější tato řešení: 1. použití lineárních ložisek na vodicích lištách 2. použití lineárních kuličkových ložisek na vodicích tyčích 3. použití kluzných ložisek na vodicích tyčích

ad 1. Při použití lineárních ložisek na vodicích lištách by byl při předělávání prvků konstrukce z jednoho stroje na druhý problém s ustavením a celkovým vycentrováním strojů. Z hlediska tuhosti jde o vhodné řešení, ale nevýhodou je hlavně vysoká cena celku ložisko a vodicí lišta.

ad 2. Při použití lineárních kuličkových ložisek na vodicích tyčích nebude konstrukce tak tuhá, jak by byla při použití lineárních ložisek na vodicích lištách, ale na druhou stranu je to téměř ideální řešení z hlediska přestavby konstrukčních celků z jednoho stroje na

25

DIPLOMOVÁ PRÁCE

druhý. Při použití tohoto řešení jsou také zanedbatelné třecí síly v pojezdech, což je důležité z hlediska dimenzování výkonu použitých motorů.

ad 3. Při použití kluzných ložisek na vodicích tyčích zůstává výhoda jednoduché smontovatelnosti strojů a navíc je zde cenová úspora na lineárních kuličkových ložiscích. Podstatně ale vzrůstá třecí síla ve vedení, což je hodně nevýhodné.

3.3. Předběžný návrh konstrukce Z předchozích návrhů ad 1 až ad 3 byla vybrána konstrukce s použitím lineárních kuličkových ložisek na vodicích tyčích. Toto řešení se jeví výhodně z hlediska možnosti záměny konstrukčních celků a cena také zůstává v přijatelných mezích. Určitá nevýhoda tohoto řešení je menší tuhost konstrukce oproti použití lineárních ložisek na vodicích lištách. Celá konstrukce je podřízena snaze splnit nároky na frézku, neboť u té jsou vyšší nároky na tuhost a přesnost celého zařízení. Při splnění těchto požadavků pak řezačka vyjde pevnostně i tuhostí s velkou rezervou. Byl vytvořen předběžný návrh konstrukce frézky v programu SolidWorks (viz Obr. 3-1).

Obr. 3-1 Hrubý návrh konstrukce frézky

Z obrázku je zřejmé, jaká je zvolená koncepce a jak by mělo zařízení předběžně vypadat. Následně bylo nutno z již dané konstrukce frézky vymyslet podobu konstrukce řezačky. Zvolena byla konstrukce samostatných stranových pojezdů s letmo uloženým vertikálním vedením, která nabízí více možností při návrhu společných dílů řezačky a frézky. Na základě předběžného návrhu byla zvolena konstrukce vhodná k realizaci. Při návrhu bylo bráno v potaz především hledisko jednoduchosti a relativně rychlé přestavby 26

DIPLOMOVÁ PRÁCE

z jednoho zařízení na druhé bez nutnosti speciálních přípravků a s co nejméně nástroji. Opět byl vytvořen předběžný návrh řezačky v programu SolidWorks (viz Obr. 3-2).

Obr. 3-2 Hrubý návrh jedné strany konstrukce řezačky

3.4. Konstrukce 3.4.1. Materiály konstrukce Při návrhu materiálu pro konstrukci bylo vycházeno z požadavku nízké ceny při zachování dobré obrobitelnosti, která by vyhovovala pro konstrukci zařízení v domácích podmínkách s minimálním využitím strojové práce. Také zde byla snaha zvolit materiál, který by se dal použít nejlépe pro celou konstrukci rámů. Jako použitelné materiály byly zvoleny tyto: dřevoštěpové desky, sklolaminátový kompozit, textit, hliníkové slitiny.

DŘEVOŠTĚPOVÉ DESKY

Tento materiál je výborný z hlediska dostupnosti a ceny, již méně vhodný je pro svoji relativní křehkost a špatné mechanické vlastnosti a byl tudíž zavržen.

SKLOLAMINÁTOVÝ KOMPOZIT

Protože tento materiál byl k dostání velmi levně, byl zahrnut do výběru materiálů. Zprvu se zdálo, že tento materiál bude vhodný pro stavbu zařízení tohoto typu, ale jak později vyšlo najevo, vykazuje štěpivost ve směru vrstev kladených sklolaminátových rohoží. Z tohoto důvodu byl použit pouze okrajově, a to na úchyt frézovacího vřetena k desce osy z.

27

DIPLOMOVÁ PRÁCE

TEXTIT

Tento materiál byl zvolen na základě zjištění, že sklolaminátová deska není pro tuto konstrukci vhodná. Z hlediska ceny se stále jedná o přijatelné řešení. Textit má dobrou obrobitelnost (dělit se dá i na truhlářské okružní pile), mechanické vlastnosti jsou dobré, i když se jedná o vrstvený materiál s tendencí praskat v rovinách vrstev. S tímto materiálem byla zahájena výroba frézky. Posléze bylo ale zjištěno, že při výrobě tohoto materiálu dochází k jeho zúžení na krajích, což velmi komplikovalo výrobu. Proto bylo rozhodnuto tento materiál nechat na konstrukci řezačky a pro rám frézky zvolit jiný.

HLINÍKOVÉ SLITINY

V první fázi rozvahy o materiálu na konstrukci nebyly hliníkové slitiny brány v úvahu, protože se zdály být cenově nepříznivé. Po problémech s textilem ale bylo nutno tento materiál zvolit ke konstrukci řezačky, a jak se později ukázalo, i cenu se podařilo udržet v rozumných mezích. Po prozkoumání cenové nabídky hliníkových slitin byla zvolena slitina AlMgSi0,5, která vycházela cenově nejvýhodněji a podle materiálových listů je dobře obrobitelná a svařitelná.

3.4.2. Pevnostní výpočty Před zahájením stavby bylo nutno ověřit některé základní pevnostní výpočty. Konstrukce jsou namáhány tíhovou silou, silou vznikající při frézování (frézka) a silou od napnutí odporového drátu (řezačka).

FRÉZKA

Pro návrh frézky je podstatné pro celkovou přesnost vypočítat průhyb vodicích tyčí pojezdu x a y. Nejdříve je nutno vypočítat sílu vzniklou při frézování. Protože jde o frézování stopkovou frézou do plného materiálu, vniklá síla je vždy rovnoběžná se směrem pojezdu a působí proti němu. Pro výpočet síly při frézování stopkovou frézou platí následující vzorce:

F f = C f ⋅ a p ⋅ f zx

fz =

f min 2N

(1)

(2)

28

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Kde:

Ff

[N]

celková řezná síla

Cf

[N/mm2]

konstanta pro daný materiál

ap

[mm]

plocha třísky

fmin

[mm/min]

posuv za minutu

N

[1/min]

otáčky vřetene

fz

[mm]

posuv na zub

x

[1]

exponent pro daný materiál

Vezmeme-li hraniční řezné podmínky pro které je stroj navrhován, a zjistíme hodnoty konstanty a exponentu, pak budou následující výsledky:

fz =

300 = 0,005mm 2 ⋅ 30000

F f = 38 ⋅ 10 ⋅ 0,0050,73 = 8 N

Tyto hodnoty jsou pro uvedenou konstrukci limitní.

POJEZD X

Protože je pojezd uchycen na dvou lineárních ložiskách a ta jsou po dvou na dvou vodicích tyčích, je nutno tuto sílu dělit čtyřmi.

Fp =

Kde:

Ff 4

= 2N

Fp

[N]

síla na ložisku

Ff

[N]


Další síla, která na pojezdy působí, je tíhová síla, která byla vypočtena sečtením hmotností jednotlivých částí konstrukce. Výsledná hodnota je cca 40N.

29

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Pro výpočet platí následující vzorec: FG = g ⋅ ∑ mi

(3)

FG = 9,81 ⋅ 4,26 = 41,8 N

Kde:

FG

[N]

g

[m/s2] tíhové zrychlení

mi

[kg] příspěvky od částí konstrukce

celková tíhová síla

Rozložení sil působících na konstrukci frézky je na následujícím náčrtku (viz Obr. 3-3).

Obr. 3-3 Síly působící pojezd x.

Výpočet průhybů byl proveden v programu ANSYS. Protože se jedná o symetrickou úlohu, byla namodelována pouze jedna strana konstrukce s polovičním zatížením. Model je počítán v polovině rozjezdu, kde je průhyb největší. Tyč pojezdu má průměr 16mm a délku 660mm, rozteč sil Fp je 80mm; tyto rozměry vycházejí z uložení. Výsledky jsou zachyceny na připojeném obrázku (viz Obr. 3-4).

30

DIPLOMOVÁ PRÁCE 1 NODAL SOLUTION MAY 22 2006 17:18:45

STEP=1 SUB =1 TIME=1 UX (AVG) RSYS=0 DMX =.041308 SMN =-.337E-05 SMX =.041308

Y X MN

MX

Z

-.337E-05

.009177 .004587

.018357 .013767

.027538 .022948

.036718 .032128

.041308

Obr. 3-4 Zobrazení posuvů vodicí tyče způsobené tíhovou silou

Největší posuv v ose x způsobený tíhovou silou je podle výsledků z programu ANSYS 0,041mm při zatížení silou 40N. Výsledky opět zobrazuje připojený obrázek (viz Obr. 3-5)

1 NODAL SOLUTION MAY 21 2006 17:29:41

STEP=1 SUB =1 TIME=1 UY (AVG) RSYS=0 DMX =.008237 SMN =-.674E-06 SMX =.008237

MX

Y X

Z

MN

-.674E-06

.00183 .915E-03

.003661 .002745

.005491 .004576

.007322 .006407

.008237

Obr. 3-5 Zobrazení posuvů vodicí tyče způsobených řeznou silou

31

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Největší posuv v ose y je podle výsledků z programu ANSYS 0,0081mm při zatížení silou 2N, což je (i při zahrnutí určité rezervy) dostatečně malá hodnota na to, aby byla ovlivněna plánovaná přesnost stroje.

POJEZD Y

Na vodicích tyčích pojezdu y je třeba zjistit průhyby způsobené celkovou řeznou silou podle následujícího obrázku (viz Obr. 3-6)

Obr. 3-6 Síly působící na pojezd y.

Kde:

Fp1

[N]

síla na ložisku horní tyče

Fp2

[N]

síla na ložisku dolní tyče

Ff

[N]


Výpočet průhybů byl proveden v programu ANSYS pro velikost sil Fp1 = 5,3N a Fp2 = 9,3N. Tyče pojezdu mají průměr 16mm a délku 515mm, rozteč sil Fp je 80mm. Připojené obrázky zobrazují výstupy z programu ANSYS (viz Obr. 3-7 a Obr. 3-8).

32

DIPLOMOVÁ PRÁCE 1 NODAL SOLUTION MAY 21 2006 17:45:46

STEP=1 SUB =1 TIME=1 UY (AVG) RSYS=0 DMX =.010852 SMX =.010852

MX

Y MN Z X

0

.002411 .001206

.004823 .003617

.007234 .006029

.009646 .00844

.010852

Obr. 3-7 Průhyb horní tyče způsobený silou Fp1.

1 NODAL SOLUTION MAY 21 2006 17:51:18

STEP=1 SUB =1 TIME=1 UY (AVG) RSYS=0 DMX =.019119 SMX =.019119

MX

Y MN X

Z

0

.004249 .002124

.008497 .006373

.012746 .010622

.016995 .014871

.019119

Obr. 3-8 Průhyb spodní tyče způsobený silou Fp2.

33

DIPLOMOVÁ PRÁCE

CELKOVÝ POSUV FRÉZY

Na připojeném schématu je zobrazena geometrie průhybů tyčí příčného pojezdu frézky (viz Obr. 3-9).

Obr. 3-9 Celkový posuv frézy.

wc =

Kde:

wh + wd ⋅140 = 0,07mm 60

wh

[mm] posuv horní tyče

Wd

[mm] posuv spodní tyče

wc

[mm] celkový posuv nástroje

Největší posuv je podle výsledků z programu ANSYS 0,07mm, což je z hlediska přesnosti stroje vyhovující.

ŘEZAČKA

Na řezačku působí pouze síla od napnutého odporového drátu. Největší průhyb způsobuje tato síla na pojezdu x, a to přesně v polovině dráhy. Pro tento případ byl také vytvořen model v ANSYSu. Šlo pouze o ověření správnosti úvahy, že stačí dimenzovat frézku a řezačka tímto vyhoví automaticky. U řezačky totiž průhyby minimálně ovlivňují celkovou přesnost zařízení. Rozložení sil působících na řezačku polystyrenu je zachycena na připojeném schématu (viz Obr. 3-10).

34

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 3-10 Síly působící na konstrukci řezačky

Kde:

Ff

[N]

síla od řezacího drátu

Fa

[N]

síla v podpěře

Fp

[N]

síla působící na lineární ložisko

U této úlohy bylo potřeba zjistit sílu Ff , kterou působí řezací drát na konstrukci řezačky. Byla zjištěna experimentálně po zhotovení napínacího mechanismu (viz Obr. 5-13). Pro výpočet byla použita nejvyšší naměřená hodnota 7N.

Ff = 7 N Podle navrhnuté geometrie (viz Obr. 3-11) a daného zatížení byl zpracován model v ANSYSu. Následující schéma zobrazuje geometrii řezačky Obr. 3-11).

Obr. 3-11 Geometrie pojezdů řezačky

35

DIPLOMOVÁ PRÁCE

wv [mm]

posuv horní části svislého pojezdu

wn [mm]

posuv pojezdu osy x ve směru y.

Výsledky výpočtu programu ANSYS jsou zachyceny na následujícím obrázku (viz Obr. 3-12). 1 NODAL SOLUTION MAY 23 2006 19:27:49

STEP=1 SUB =1 TIME=1 UY (AVG) RSYS=0 DMX =.025741 SMN =-.211E-05 SMX =.025741

MX

Y X Z

MN

-.211E-05

.005719 .002858

.011439 .008579

.01716 .0143

.022881 .02002

.025741

Obr. 3-12 Zobrazení posuvů v ose y

Největší posuv v ose y je podle výsledků z programu ANSYS 0,025mm. Při použití této hodnoty do výpočtu vychýlení horní části svislého pojezdu vlivem napínací síly řezacího drátku vyjde následující hodnota:

ww ≅

wn 500 0,025 500 ⋅ = ⋅ = 0,09mm 2 70 2 70

Výsledná hodnota posuvu je (i při zahrnutí určité rezervy) dostatečně malá na to, aby jí byla ovlivněna plánovaná přesnost stroje.

36

DIPLOMOVÁ PRÁCE

3.4.3.

Výpočet kroutícího momentu pro dimenzování motorů

Pro krokové motory použité k pohonu frézky a řezačky je nutno spočítat zatěžovací moment, který je dán vztahem: ⎛ S ⎞ ⎟⎟ M t = Fax ⋅ ⎜⎜ ⎝ 2 ⋅ π ⋅η ⎠ Kde:

(4)

Mt

[Nm]

točivý moment

Ff

[N]

síla od frézy

Fp

[N]

síla od odporu pojezdů

Fax

[N]

axiální síla vzniklá součtem sil Ff a Fp

η

[1]

účinnost převodu

Pro výpočet byla síla Fp zjištěna experimentálně siloměrem a její maximální hodnota byla stanovena na 10N. Účinnost šroubu byla po zjištění katalogových hodnot se zahrnutím rezervy stanovena na 60%. Pak vychází požadovaný kroutící moment motoru následovně: ⎛ 0,003 ⎞ M t = 8 + 10 ⋅ ⎜ ⎟ = 0,014 Nm ⎝ 2 ⋅ π ⋅ 0,6 ⎠

4. ELEKTRONIKA PRO ŘÍZENÍ KROKOVÝCH MOTORŮ

4.1. Návrh elektroniky Rozhodování o výběru typu elektroniky pro řízení motorů vycházelo hlavně z možností tuto elektroniku prakticky realizovat. Přistoupeno bylo k variantě obvodů řízených k tomu určeným integrovaným obvodem. Po prostudování odborné literatury bylo rozhodnuto stavět elektroniku řízenou obvodem TOSHIBA TA8435H/HQ. Zajímavá byla elektronika sestávající z jedné desky oddělovače portu s přepínači přiřazení pinů, dále pak čtyř desek řízení motorů a po jedné desce pro ovládání řezačky a frézky. Protože zakoupený software neumí spouštět motor vřetene ani zapínat žhavení drátu, bylo rozhodnuto desky pro ovládání řezačky a frézky vypustit ze sestavy a následně upravit desku oddělení portu tak, aby byla schopna korektně fungovat i bez těchto desek. Při 37

DIPLOMOVÁ PRÁCE

návrhu oddělovací desky bylo nutno vycházet z rozmístění pinů na paralelním portu, které je uvedeno v následujících řádcích.

1. pin: Strobe (výstup)* 2. pin: Výstup z počítače (0. bit, tj. 1) 3. pin: Výstup z počítače (1. bit, tj. 2) 4. pin: Výstup z počítače (2. bit, tj. 4) 5. pin: Výstup z počítače (3. bit, tj. 8) 6. pin: Výstup z počítače (4. bit, tj. 16) 7. pin: Výstup z počítače (5. bit, tj. 32) 8. pin: Výstup z počítače (6. bit, tj. 64) 9. pin: Výstup z počítače (7. bit, tj. 128) 10. pin: Vstup do počítače (6. bit, tj. 64) 11. pin: Vstup do počítače (7. bit, tj. 128)** 12. pin: Vstup do počítače (5. bit, tj. 32) 13. pin: Vstup do počítače (4. bit, tj. 16) 14. pin: Autofeed (výstup) (1. bit, tj. 2)*, ** 15. pin: Vstup do počítače (3. bit, tj. 8) 16. pin: Initialize (výstup) (2. bit, tj. 4)* 17. pin: Select (výstup) (3. bit, tj. 8)*, ** 18. pin: GND - zem 19. pin: GND - zem 20. pin: GND - zem

BIPOLÁRNÍ

LINEÁRNÍ

21. pin: GND - zem 22. pin: GND - zem 23. pin: GND - zem 24. pin: GND - zem 25. pin: GND - zem

INTEGROVANÝ

OBVOD

TOSHIBA

TA8435H/HQ

BIPOLÁRNÍ OVLADAČ KROKOVÉHO MOTORU

TA8435H/HQ je sinusoidní bipolární ovladač krokového motoru s mikrokoky s vlastním PWM generátorem. Sinusoidního chodu s mikrokrokováním je dosaženo prostřednictvím signálů z čítače s využitím vestavěného hardwaru. Připojené schéma zobrazuje vnitřní uspořádání integrovaného obvodu TA8435H/HQ (viz Obr. 4-1).

38

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 4-1. Blokové schéma TA8435H/HQ

• • • • • • •

CHARAKTERISTIKA

bipolární sinusoidní ovladač krokového motoru s 1 čipem výstupní proud až 1,5 A (stabilně) a 2,5 A (špičkový) PWM generátor oboustranný chod provedení HZIP25-P vstupní rezistor s resetovacím terminálem R = 100 kΩ reset a zapnutí motoru POUŽITÍ TA8435H/HQ

TA8435H/HQ ovládá PWM tak, aby nastavil proud vinutí krokového motoru na konstantní proud. Zařízení je integrovaný obvod ovladače krokového motoru sloužící k účinnému pohonu krokového motoru s nízkými vibracemi. Tyto vibrace jsou potlačeny kvalitní aproximací sinusového průběhu proudu motorem (viz Obr. 4-2).

39

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 4-2 Ukázka průběhu proudu.

MIKROKROKOVÝ POHON TA8435H/HQ uvádí v chod krokový motor v mikrokrocích s maximálním rozlišením 1/8 ve 2fázovém krokovém úhlu. U mikrokroků je proud fáze A a fáze B nastaven v integrovaném obvodu tak, aby vektor a úhel natočení byly shodné. K otáčení krokového motoru v mikrokrocích stačí zajistit signál z čítače. Navržená oddělovací deska má rozhraní k připojení ovládání koncových spínačů. Použití koncových spínačů zatím není plánováno, avšak do budoucna není vyloučeno. Zapojení oddělovací desky je znázorněno na schématu (viz Obr. 4-3).

40

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 4-3 Schéma oddělovací desky.

Deska řízení motorů vychází z katalogového zapojení obvodu TOSHIBA TA8435H/HQ. Následuje schéma zapojení desky (viz Obr. 4-4).

Obr. 4-4 Schéma desky řízení motorů

41

DIPLOMOVÁ PRÁCE

5. REALIZACE

5.1. Frézka Při vlastní výrobě frézky byly postupně vyráběny jednotlivé konstrukční celky. Následný popis zachovává pořadí jejich pořadí při výrobě.

POHONY POJEZDŮ

Při návrhu konstrukce stavebnicového zařízení bylo rozhodnuto udělat pohony pojezdů společné jak pro frézku, tak pro řezačku. Důvody, které vedly k tomuto rozhodnutí, jsou následující: a) tento konstrukční celek bude finančně dosti nákladný b) velký poměr strojové práce na tomto celku

Pohony byly navrženy šroubové s předepnutou maticí. Šrouby mají trapézový závit o rozměru 12x3 mm, jedná se o válcovaný šroub s hlazeným povrchem. Byly pořízeny jako jeden 3m dlouhý kus a následně rozřezány. Protože nebyl k dispozici soustruh, bylo u soustružníka zadáno opracování na požadované rozměry. Šrouby jsou umístěny v „U” profilech z hliníkové slitiny AlMgSi0,5, na kterých jsou navařena čela ze stejného materiálu. Na těchto čelech bylo nutno u soustružníka nechat zhotovit díry pro ložiska, závit pro vymezovací matici a samotnou vymezovací matici. Vodicí mosazná matka pojezdu byla opět zakoupena a následně obrobena na požadované rozměry, tj. matice byla rozříznuta na poloviny a na soustruhu obrobeno osazení pro válcové pouzdro s vodicím kolíkem. Veškeré další obrábění na tomto konstrukčním celku bylo zajištěno svépomocí, za použití běžného dílenského vybavení a stojanové vrtačky. Krokový motor je uchycen na držáku z Al plechu přišroubovaném na nosných profilech. Na následující fotografii je zachycena konstrukce posuvových celků (viz Obr. 5-1).

42

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 5-1 Konstrukce posuvů.

RÁM STROJE

Pro konstrukci nosných částí stroje byl jako základní materiál zvolen textit, který byl k dispozici za výhodnou cenu. Tento materiál se dá také velice dobře obrábět v amatérských podmínkách. Rám stroje je zhotoven ze dvou čel, ve kterých jsou vyvrtány a vystruženy díry o průměru 16mm pro upevnění vodicích tyčí lineárních kuličkových ložisek pojezdu osy x. Tyto díry jsou vyvrtány ve dvou roztečích, a to z důvodu možného zmenšení stroje a tím dosažení větší tuhosti rámu a menších průhybů vodicích tyčí. Toto řešení je výhledově plánováno na obrábění kovových materiálů. Na čela jsou šroubovými spoji upevněny kostky s polovičním meridiánovým řezem, které mají zpevňovací a úchytnou funkci. Toto řešení bylo zvoleno proto, aby pojezdové tyče šly jednoduše demontovat, protože se jedná o díly, které se používají na obou strojích, jak řezačce, tak frézce. Na čela jsou přišroubovány podélné výztuhy vzájemně spojené do tvaru „L” pro zajištění dostatečné tuhosti stroje. Pro konstrukci byly zakoupeny odřezky materiálu tloušťky 11mm. Tato síla zaručovala dostatečnou tuhost stroje při zvolené konstrukci. Při výrobě rámů se ale ukázalo, že výrobní tolerance tohoto materiálu nesplňují stanovené požadavky na rovinnost a rovnoběžnost. Z počátku bylo vyvinuto úsilí nevyhovující místa kompenzovat dolepením epoxidovou pryskyřicí, ale po čase bylo kvůli rostoucímu výskytu nevyhovujících míst od dalšího použití tohoto materiálu upuštěno. Nicméně konstrukce byla rozpracována a její řešení je patrné z následujících obrázků (viz Obr. 5-2). 43

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 5-2 Konstrukce rámu z textitu.

Po opuštění textitu jako konstrukčního materiálu byla po průzkumu trhu jako základní materiál pro výrobu frézky zvolena slitina AlMgSi0,5, která vyhovovala jak mechanickými vlastnostmi, tak dostupnou cenou. Toto řešení, jak se ukázalo později, bylo mnohem lepší než původní verze z textitu. Filozofie a rozměry konstrukce zůstaly ale shodné. Slitina AlMgSi0,5 se ukázala mnohem lepší na obrábění v amatérských podmínkách, a to hlavně na pilování a vrtání. K obrábění lze použít běžných nástrojů z vybavení domácí dílny. Jako spojovací technologii byly použity šrouby, a to šrouby imbus M4 různých délek. Tímto se podařilo v co největší míře potlačit nutnost používat velké množství nářadí při montáži a pak i při předělávání konstrukčních uzlů z jednoho stroje na druhý. Dále byly zhotoveny kostky pro uchycení kompletu pohybového šroubu s jeho nosnou konstrukcí a motorem a ty připevněny k čelům rámu. Pro uchycení desky pro upnutí obráběného materiálu jsou na čelech přišroubovány kostky s dírou pro vruty, které se dají mírně vertikálně posouvat, a umožňují tak nastavit desku do požadované polohy. V jednom čele rámu je díra umožňující přesah krokového motoru přeš konstrukci. Toto řešení je zvoleno proto, aby bylo možno využít celý rozsah délky pojezdů. Všechny nosníky jsou zúhlovány a celý rám následně sešroubován imbusovými šrouby M4. Následující obrázky dostatečně znázorňují zvolené konstrukční řešení (viz Obr. 5-3).

44

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 5-3 Konstrukce rámu ze slitiny AlMgSi0,5.

RÁM OSY Y

Pro konstrukci tohoto rámu je použit stejný materiál jako na rám základní a to hliníková slitina AlMgSi0,5. Rám je zhotoven ze dvou horizontálních a dvou vertikálních nosníků spojených imbusovými šrouby M4. Ve svislých nosnících jsou vyvrtány a vystruženy díry pro vedení tyčí pojezdu. Mezi těmito děrami je vyříznut zářez, který umožňuje tyče pojezdů sevřít šroubem a tímto je zajistit proti posuvu. Ke svislým nosníkům jsou přišroubovány desky, na kterých jsou upevněna pojezdová ložiska. Tímto bylo dosaženo větší odolnosti rámu proti kroucení. Kuličková lineární ložiska pojezdů mají vnitřní průměr 16mm. Mají stírací kroužek, takže jsou chráněna proti nečistotám usazeným na pojezdových tyčích. Tato ložiska byla zakoupena i s hliníkovými pouzdry. Na pouzdra jsou pak přišroubovány kostky s dírou, které slouží k upevnění ložisek k nosným konstrukcím. Z fotografií je patrné provedení tohoto upevnění (viz Obr. 5-4).

Obr. 5-4 Upevnění kostek na ložiska.

45

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Protože konstrukce neumožňuje jemné doladění roztečí pojezdových tyčí na ose x, bylo nutno délku horizontálních nosníků uříznout o asi 1mm větší a následně dopilovat na hotovou míru podle sestaveného stroje. Na desky s ložisky jsou přimontovány kostky pro uchycení kompletu pohybového šroubu s jeho nosnou konstrukcí a motorem. Na následujících fotografiích je zachyceno konstrukční řešení uvedeného celku (viz Obr. 5-5).

Obr. 5-5 Konstrukce rámu osy y.

POJEZD OSY Z

Na pojezd osy z byly použity vodicí tyče o průměru 12mm, kdežto u pojezdů os x, y jsou použity tyče o průměru 16mm. Toto řešení je dostatečné z hlediska pevnosti a je při něm dosaženo podstatně menších rozměrů než při použití silnějších tyčí. Tělo pojezdu tvoří základová deska z materiálu AlMgSi0,5, na kterou jsou přišroubována čela pro uchycení vodicích tyčí, což je patrné z následujících obrázků (viz Obr. 5-6).

Obr. 5-6 Pojezd osy z.

46

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Po tyčích jezdí kuličková lineární ložiska o vnitřním průměru 12mm. Ložiska jsou celkem čtyři ve dvou pouzdrech. Na pouzdrech je připevněna deska, která slouží k připevnění držáku obráběcího vřetene a zároveň je k ní připojen pohybový šroub od krokového motoru, který s ním tvoří komplet. Jedná se o motor, kde je zabudována pohybová matice přímo v rotoru, která se otáčí, tudíž pohybový šroub stojí. Šroub má závit o průměru 5x2mm. Celek je pak připevněn na horní čelo, které je k tomuto účelu uzpůsobeno (viz Obr. 5-7).

Obr. 5-7 Celkové umístění osy z na stroji.

OBRÁBĚCÍ VŘETENO

Jako obráběcího vřetene byla použita modelářská gravírovací a vrtací frézka Minicraft MB 170 s následujícími parametry: příkon

40W

otáčky vřetene

30 000 ot/min

napájecí napětí

0 – 16V DC

maximální průměr nástroje

3,2mm

provedení s kuličkovými ložisky

Toto řešení je ovšem pouze dočasné, záměrem je zhotovení vysokootáčkového obráběcího vřetene, které bude pohánět modelářský EC motor ovládaný tzv. heli regulátorem pro zajištění konstantních otáček při zatížení.

47

DIPLOMOVÁ PRÁCE

DRŽÁK VŘETENE A DOKONČENÍ STROJE

Držák obráběcího vřetene je zhotoven z laminátové desky, která měla původně být použita na celou konstrukci stroje. Tento držák je zhotoven ze zadní desky sloužící k upevnění na pojezd z a ze dvou čel určených k upevnění obráběcího vřetene. Jako základna k uchycení obráběného materiálu byla použita dřevoštěpová laminovaná deska polepená balsou tloušťky 2mm. Tato deska slouží jako vrstva, do které zajíždí obráběcí nástroj, aby došlo k úplnému prořezu obráběného materiálu. Vrstva je po opotřebení snadno vyměnitelná. Následující fotografie zachycují smontovaný dokončený stroj a je z nich patrné celkové rozmístění konstrukčních celků včetně uchycení obráběcího vřetene (viz Obr. 5-8).

Obr. 5-8 Celkový pohled na dokončený stroj.

5.2. Řezačka Jako materiál pro konstrukci řezačky, která neklade vysoké nároky na přesnost, byl zvolen textit. V konstrukci řezačky se nevyskytují staticky přeurčené uzly. Textit má výhodu v tom, že jde řezat truhlářskou pilou a tudíž lze docílit složitějších tvarů za vynaložení menšího úsilí, což je při zvolených tvarech řezačky neopomenutelná výhoda. Použití textitu dostatečně vystihuje následující fotografie (viz Obr. 5-9).

48

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 5-9 Začátek stavby řezačky.

HORIZONTÁLNÍ POJEZDY

Na horizontální pojezdy bylo použito více druhů materiálů, a to hlavně dřevoštěpové laminované desky a textit. Základem pojezdu je deska, ke které jsou přilepeny podélné a příčné výztuhy. K těmto jsou pak přišroubovány a přilepeny vodicí kostky s dírou pro laminátové trubky vedení. Tyto trubky slouží k přesnému ustavení stroje a zabraňují překlopení jednotlivých pojezdových stran (viz Obr. 5-10).

Obr. 5-10 Použití trubek ke stabilizaci řezačky.

Na horní části základové desky jsou přišroubovány a přilepeny textitové obdélníky pro uchycení vodicích tyčí pojezdu x. K nim jsou pak přišroubovány díly držení pojezdových sestav. Vodicí tyče jsou použity z pojezdů osy x frézky a jedná se o společné díly jak pro řezačku, tak pro frézku. Na tyčích slouží jako držáky vertikálních pojezdů 49

DIPLOMOVÁ PRÁCE

boční desky demontované z pojezdu x frézky (viz Obr. 5-11). Jedná se opět o společné díly obou strojů.

Obr. 5-11 Základové desky s vedením osy x.

VERTIKÁLNÍ POJEZDY

Nosná konstrukce vertikálních pojezdů je zhotovena z textitu. Skládá se ze zadní desky, ke které jsou přišroubována čela s otvory pro upevnění vodicích pojezdových tyčí. Tyče jsou v nich zajištěny pomocí šroubů M4. K této sestavě je přišroubována boční deska, která slouží ke zpevnění konstrukce, ale hlavně plní funkci třetího opěrného bodu nutného pro vedení pojezdů. Tento bod klouže po dřevoštěpové desce a zajišťuje tak, spolu s napnutým řezacím drátem, dostatečnou stabilitu konstrukce. Na druhém boku je přišroubován hotový komplet s krokovým motorem.

Obr. 5-12 Provedení svislých pojezdů a stabilizačních ložisek.

50

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Pro vedení žhavicího drátu bylo použito jedno lineární kuličkové ložisko demontované z pojezdu z frézky (viz Obr. 5-12). Na něm je přišroubována deska s úchytkou pro drát. Na protilehlém pojezdu je namontován napínací mechanismus. Jak se později ukázalo, bylo nutné ložiska stabilizovat ložisky jedoucími po boční desce (viz Obr. 5-12).

NAPÍNACÍ MECHANISMUS

Při řezání rozdílných tvarů na každé straně pojezdu dochází ke změně rozteče mezi upínacími body řezacího drátu. Tuto změnu je třeba kompenzovat zařízením umožňujícím plynulou změnu délky při zachování konstantního napětí v drátu. Pro zajištění této funkce bylo rozhodnuto zkonstruovat jednoduchý napínací mechanismus. Toto zařízení by mělo splňovat požadavek pokud možno téměř konstantní síly na úseku vysunutí asi 100mm. Problém bylo rozhodnuto řešit tak, že zařízení bude mít kladku, na kterou se bude navíjet napínací lanko. Tím byl převeden požadavek konstantní síly na požadavek konstantního momentu. Základním prvkem celého mechanismu je spirálové pero, které splňuje požadavek téměř konstantního momentu v průběhu několika otáček. Následně byla vyrobena kladka a na ni navinut silonový vlasec sloužící jako napínací prvek. Celé zařízení bylo poté umístěno do držáku z hliníkového plechu a přišroubováno k desce na ložisku. Celé konstrukční provedení napínacího mechanismu je zřejmé z následujících fotografie (viz Obr. 5-13).

Obr. 5-13 Napínací zařízení.

51

DIPLOMOVÁ PRÁCE

SPOLEČNÉ DÍLY

Jedním z hlavních úkolů celé této práce bylo zhotovit zařízení s takovými konstrukčními celky nebo díly, které by umožňovaly použití na obou obráběcích strojích. Jsou to:

celky pojezdových šroubů s krokovými motory horizontální desky bočního vedení s lineárními ložisky lineární ložiska vodicí tyče řídicí elektronika

5.3. Realizace elektroniky

Výroba elektroniky zahrnovala výrobu několika celků.

DESKA ODDĚLENÍ LPT PORTU

Deska odděluje port LPT (paralelní) od motorové elektroniky pomocí optočlenů. Přímé propojení bez této desky je samozřejmě také možné, ale v případě poruchy desky řízení motorů hrozí průnik napájecího napětí motorů na port LPT, což by vedlo k jeho zničení a vzhledem k tomu, že ve valné většině jsou porty a jejich řadiče dnes již integrovány do základních desek, může dojít ke zničení PC. Deska je propojena plochými vodiči a konektory s deskou řízení motorů. Deska byla navržena jako univerzální pro frézu i řezačku a vzhledem k tomu, že některé ovládací programy neumějí změnit přiřazení pinů na portu, umožňuje pomocí propojek změnu signálů STEP a DIR. Do desky plošných spojů je přivedeno napájecí napětí +5V, které je z této desky rozvedeno i do desky řízení motorů. Na následujících obrázcích je hotová deska a znázornění cest plošných spojů (viz Obr. 5-14).

52

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 5-14 Osazená deska oddělovače a plošný spoj.

DESKA ŘÍZENÍ MOTORŮ

Na základě návrhu elektroniky v kapitole 4.1 byla navržena deska plošných spojů. Deska umožňuje řídit krokové motory v bipolárním zapojení se 4, 6 nebo 8 dráty z PC. Umožňuje nastavit proud motorem na 65% nebo 100%, dále nastavení kroků motoru 1/1,1/2,1/4,1/8 což u 200krokového motoru znamená 200, 400, 800 nebo 1600 kroků na otáčku. Nastavení proudu do motoru se provede výběrem výkonových odporů, zhruba 0,68-1,2Ω. Deska vychází z katalogového zapojení. Je řízena dvěma signály STEP a DIR. Směr je přes odpor 4k7 připojen na Log1(+5V); pokud chceme směr otáčení změnit, vývod uzemníme (Log0). Vstup ENABLE zapíná napětí do motoru a je opět připojen přes odpor 4k7 na +5V; pro změnu stavu stačí opět uzemnit. K napájení je zatím použito zdroje +5V, +12V, +24V sestrojeného ze dvou sériově spojených zdrojů do PC, proto na desce není žádná pojistka. Spínané zdroje se v případě zkratu odstaví samy. Hotová osazená deska je na následující fotografii (viz Obr. 5-15). Parametry desky:

napájecí napětí pro motory

max. 35V

napětí pro logiku

5V

proud

1,5A trvale, 2,5A špičkově

Pro dostatečné chlazení výkonového obvodu je do společné skříně elektroniky zabudován ventilátor.

53

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Stavy, které mohou obvod zničit, jsou následující: malá plocha chladiče, zkrat na výstupu, větší proud protékající obvodem než 2,5A a chybné zapojení cívek motoru, např. zapojení jen jedné cívky.

Obr. 5-15 Hotová deska řízení motorů a plošný spoj.

VÝBĚR MOTORŮ

Krokové motory pro hlavní pojezdy byly zakoupeny v prodejně použité kancelářské techniky, neboť nákup nových motorů by byl finančně příliš náročný. Jedná se o starší použité motory a tudíž k nim nelze sehnat žádnou dokumentaci. Výkony těchto motorů byly proto odvozeny podle podobnosti rozměrů a parametrů s motory firmy Microcon. Na následujících grafech jsou parametry točivého momentu v závislosti na počtu kroků u podobných motorů od zmíněné firmy (viz Obr. 5-16).

54

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 5-16 Grafy M = f(Ω) pro motory firmy Microcon

Zakoupeny byly dva druhy motorů, MAE-HY-200-AP06 a MINEBEA 23LMC004. Parametry motorů použitých k pohonu pojezdů: MAE-HY-200-AP06

MINEBEA 23LM-C004

proud na fázi

0,44A

odpor fáze

20Ω

úhel kroku

1,8°

napětí

8,8V

proud na fázi

1,2A

odpor fáze

5Ω

úhel kroku

1,8°

napětí

6V

Další motor, který bylo třeba zakoupit, byl k pohonu pojezdu osy z na frézce. Nejdříve bylo plánováno zakoupení menšího levného motoru v prodejně použité kancelářské techniky, ale pro složitost konstrukce celého pojezdu, která by tímto řešením vznikla, bylo zvoleno velice elegantní řešení, a to zakoupení motoru (lineárního aktuátoru) s otočnou matkou v rotoru a pohybovým šroubem (lit. [16]), a to typu SX 16-0402LA. Na následujícím grafu je momentová charakteristika tohoto motoru (viz Obr. 5-17). 55

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 5-17 Momentová charakteristika motoru SX 16-0402LA

Parametry lineárního aktuátoru SX 16-0402LA: statický moment

0,21Nm

proud fází

0,4A

odpor

30Ω

napětí

12V

délka posuvu na krok

0,01mm

ZDROJ PRO ELEKTRONIKU MOTORŮ

Zhotovení zdroje pro napájení elektroniky není přímou součástí diplomové práce, nicméně bez něj nelze stroje provozovat. Protože žádný vhodný zdroj nebyl k dispozici, bylo rozhodnuto tento zdroj zhotovit. Při výběru konstrukce byly zvoleny tyto požadavky: co nejlevnější co nejmenší pracnost provoz na síťové napětí výstupní napětí 24 - 30V proud 7A trvale

Do úvahy přicházely dva typy konstrukce, a to s transformátorem, nebo spínaný zdroj. Transformátorová konstrukce má výhodu ve své robustnosti, ale vychází poměrně těžká a cenově nevýhodná, protože transformátor nebyl k dispozici a bylo by jej třeba 56

DIPLOMOVÁ PRÁCE

zakoupit. Z těchto důvodů byl zvolen spínaný zdroj zhotovený ze dvou sériově spojených PC zdrojů (viz Obr. 5-18). Zdroje lze zakoupit za cenu asi 100,- Kč/ks v bazarech s PC technikou. Velká výhoda tohoto řešení je získání napětí 5, 12 a 24V velice jednoduchou úpravou. Při nákupu byla snaha zakoupit dva stejné zdroje, což se úplně nepodařilo. I když jsou od stejného výrobce a mají stejné produktové značení, jeden je technologie AT a druhý technologie ATX. Protože zdroj s technologií ATX vyžaduje ke svému provozu odběr na napěťovém výstupu 5V alespoň 0,5A, bylo nutno do tohoto okruhu zapojit rezistor 0,5A, 2,5W. Následuje výpočet rezistoru: R=

Odpor rezistoru

R=

Výkonová ztráta na rezistoru

U I

(5)

5 = 10Ω 0,5

P = R⋅I2

(6)

P = 10 ⋅ 0,52 = 2,5W

Obr. 5-18 Schéma zapojení zdrojů. Byly zakoupeny zdroje EMKO JS 200 s proudovou zatížitelností v 12V okruhu 7,5A. U jednoho zdroje bylo potřeba odizolovat mínus pól, aby nedošlo ke zkratu při mechanickém spojení konstrukcí. Spojené zdroje byly umístěny do odvětrané krabičky s vypínačem (viz Obr. 5-19). U hotového zdroje bylo změřeno napětí a otestována proudová zatížitelnost. Žádné problémy se nevyskytly a zdroje fungují dle očekávání.

57

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Obr. 5-19 Hotový zdroj.

6. ZPROVOZNĚNÍ A LADĚNÍ Po ukončení základní konstrukce obou strojů začalo ověřování jejich provozních vlastností. Jelikož ještě nebyla hotová ovládací elektronika, byly stroje zkoušeny na starší elektronice zapůjčené z laboratoře Ústavu mechaniky těles.

FRÉZKA

Po připojení frézky na elektroniku byla místo obráběcího vřetene do držáku nasazena tužka, s níž byly kresleny tvary určené pro frézování. Po ověření funkčnosti bylo přistoupeno k obrábění polystyrenu a následně k frézování balsy tloušťky 5mm. Stroj fungoval podle očekávání, a tak bylo přistoupeno k „zátěžovému testu” s pokusem obrábět překližku tloušťky 9mm. Frézka při tomto testu nevibrovala a nedošlo ani k rozměrovému zkreslení vlivem průhybu vodicích tyčí nebo ztrátou kroků motorů. Mechanika i motory pracovaly po celou dobu zkoušení bez nejmenších problémů. Jediné problémy, které se vyskytly, způsoboval ovládací software KCam4, kdy několikrát došlo k najetí do desky pro upínání obráběného materiálu. Proto byl zakoupen software V4LT firmy STEP-FOUR, který umožňuje podstatně lépe nastavit celý proces obrábění. Při zkouškách byla jako obráběcí vřeteno používána modelářská vrtací a gravírovací frézka od firmy Proxxon zapůjčená ústavem. Tato frézka neumožňovala dosažení otáček větších než 20 000 ot/min.

58

DIPLOMOVÁ PRÁCE

ŘEZAČKA

Zprovoznění řezačky zprvu probíhalo bezproblémově - po připojení na elektroniku motory pracovaly v celém rozsahu pojezdů a ani v mechanické části se nevyskytly problémy. Po prvních zkušebních řezech se ale ukázalo, že dochází k vibracím lineárního ložiska svislého pojezdu. Tento problém byl odstraněn zhotovením dvou nových desek uchycených k tomuto pojezdu. Na každou z nich bylo přichyceno po dvou ložiscích chodících po boční desce svislého pojezdu (viz Obr. 5-12). Touto úpravou byly zmíněné vibrace zcela odstraněny.

7. POZNATKY Z PROVOZU V průběhu testování se projevilo několik drobných nedostatků, které snižují jinak velice dobrý dojem z celé konstrukce. Jsou to: 1) Konstrukce spojení mezi pojezdovými matkami a držáky pojezdů není dobré, protože dochází k nadměrnému opotřebení matek vlivem svislé složky tlaku. K odstranění tohoto problému se musí kuličkový kloub vyměnit za pevné pouzdro. Budou pak sice větší nároky na přesnost ustavení pojezdů ke konstrukci frézky, ale podstatně se tím zmenší opotřebení pohybových matek. 2) Konstrukce předepnutí matek vyžaduje velice pečlivou práci při předepínání, stačí malá nepřesnost a matka pak chodí příliš volně nebo naopak příliš ztuha. Tento problém lze odstranit pouze novou konstrukcí matek s předepínací pružinou místo silikonového tmelu. Matky pak budou podstatně delší než jsou nyní a dojde k omezení dráhy některých pojezdů. Toto řešení zatím není nutné, při pečlivé práci se dá docílit uspokojivých výsledků. K dalším poznatkům lze přiřadit skutečnost, že u frézky by bylo velice dobré udělat odsávání prachu od obráběcího vřetene, aby se prach nedostával do PC a elektroniky. K řezačce stačí dodělat zdroj konstantního proudu prožhavení řezacího drátu. Po vyřešení problému s kmitáním se žádné další závady nebo nedostatky neobjevily.

59

DIPLOMOVÁ PRÁCE

Závěrem lze říci, že byly splněny všechny ověřitelné požadavky, které byly na stroje kladeny. Na následujících fotografiích jsou zachyceny zhotovené výrobky (viz Obr. 7-1).

Obr. 7-1 Výrobky zhotovené na jednotlivých strojích

60

DIPLOMOVÁ PRÁCE

8. ZÁVĚR Cílem této diplomové práce bylo navrhnout a realizovat stavebnicové CNC zařízení převážně pro hobby účely v cenových relacích, technologické náročnosti a s použitím materiálů, jež jsou dostupné amatérským stavitelům. V teoretické části se práce zabývá návrhem mechaniky s důrazem na modularitu tak, aby nejnáročnější konstrukční uzly byly společné pro obě popisovaná zařízení. Součástí návrhu jsou nejdůležitější pevnostní výpočty podstatné pro dimenzování konstrukce. Uveden je i vztah pro základní výpočet kroutícího momentu motorů pojezdů. Elektronika byla zvolena tak, aby splňovala všechny požadavky na efektivní řízení motorů a zároveň aby její výroba nevyžadovala programátorské znalosti. Následuje popis několika softwarových produktů, které lze použít k ovládání jednoho či druhého zařízení, s uvedením zkušeností získaných při jejich použití a shrnutím zjištěných předností a nedostatků. Praktická část věnovaná samotné stavbě obou zařízení se zaměřuje na materiály a postupy použité při výrobě. Rozebrána je výroba jednotlivých konstrukčních celků s použitím materiálů, které se během konstrukčního procesu nejvíce osvědčily. Technologický postup byl opět řešen tak, aby vyhovoval nárokům amatérské stavby. Z textu je patrné, že stavbu lze uskutečnit i při nedostupnosti některých výrobních prostředků - některé součásti lze za přijatelné náklady nechat vyrobit. Pokud to může být v praxi užitečné, je na příslušných místech uvedeno, jakých řešení se vyvarovat. Práce by měla sloužit jako obecný návod pro stavbu CNC zařízení, ze kterého lze vycházet při návrhu a konstrukci podobného stroje přizpůsobeného konkrétním požadavkům. Pořizovací náklady na výrobu obou popisovaných zařízení činily přibližně 17.000,Kč. V případě, že by všechny pořizované součásti byly nové, představovaly by tyto náklady asi 22.000,- Kč. Při nákupu obou strojů ze sériové výroby by cena přesáhla 100.000,- Kč. Pokud jde o doporučení úprav, úvodní fáze provozu ukázala potřebu doplnit frézku o odsávání. V dlouhodobějším výhledu by bylo vhodné nahradit stávající obráběcí vřeteno vysokootáčkovým obráběcím vřetenem. 61

DIPLOMOVÁ PRÁCE

LITERATURA [1]

Prof. Ing. Ctirad Kratochvíl, DrSc., Prof. Ing. Jaromír Slavík, CSc.: Mechanika těles - dynamika, PC - DIR, skriptum VUT Brno (1997)

[2]

Doc. Ing. Michal Valášek, DrSc. a kolektiv: Mechatronika, Vydavatelství ČVUT (1995)

[3]

Prof. Ing. Přemysl Janíček, DrSc., Prof. Ing. Emanuel Ondráček, CSc.: Řešení problémů modelováním, skriptum VUT Brno (1998)

[4]

Ing. Zdeněk Florian, CSc., Prof. Ing. Emanuel Ondráček, CSc., Doc. Ing. Karel Přikryl, CSc.: Mechanika těles - Statika, CERM, skriptum VUT Brno (2003)

[5]

D. Halliday, R. Resnick, J. Wallker: Fyzika, skriptum VUT Brno

[6]

Karel Kocman, Jaroslav Prokop: Technologie obrábění, CERM, skriptum VUT Brno

[7]

www.ams2000.com

[8]

www.cs.uiowa.edu

[9]

www.elektrorevue.cz

[10]

www.comets.cz

[11]

robotika.cz

[12]

www.euclidres.com

[13]

www.sunrom.com

[14]

www.cadopia.com

[15]

gm.cnc.free.fr

[16]

www.microcon.cz

[17]

maczaka.webz.cz

[18]

www.step-four.cz

[19]

rvsoft.wz.cz

[20]

www.dakeng.com

[21]

www.cenece.com

62

DIPLOMOVÁ PRÁCE

[22]

www.digisonic.webzdarma.cz

[23]

kellyware.com

[24]

www.thecooltool.com

[25]

www.cnczone.com

[26]

www.hobbycnc.hu

[27]

www.stepperworld.com

[28]

www.jmf.cz

[29]

www.hobbycnc.com

[30]

www.mendonet.com

[31]

www.xylotex.com

PŘÍLOHY CD které obsahuje fotografie z průběhu stavby, návrhové modely v programu Solid Works, orientační výkresy, videa z testování.

63

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Recommend Documents