Gépészet | Felsőoktatás » Komplex tervezés I

MISKOLCI EGYETEM GÉPÉSZMÉRNÖKI KAR Komplex tervezés I Lakatos Antal G-4-GCH Podlócz Péter 2002/2003 II. félév G-4-GCH Transzlációs szán tervezése Szerszámgépek felépítése és jellemzői. Bevezetés A szerszámgépek fejlődése nagy hatással van az iparra és ezen keresztül a gazdasági életre és így az emberek életére is. Ez a hatás nem egy irányú. A gazdasági fellendülés az ipari elvárások egyre nagyobb feladatokat adnak a szerszámgépekkel foglalkozó mérnökök számára. Minden magas szintű termék előállításában jelentős szerepet vállalnak a szerszámgépek így saját magukéban is. Egy-egy ország fejlettségi szintje mérhető az általa előállított szerszámgépek minőségével és milyenségével, mivel olyan összetett gépről van szó, melyben a technika és tudomány mindenkori vívmányai közül sok szerepel. A technikai környezet hatása döntő fontosságú a gépek fejlődésére nézve (pl. gyorsacél

számítástechnika anyagmozgatás), egy-egy új találmány átalakíthatja, megváltoztathatja egy gép eddig jól bevált megoldását. Ezek a hatások hozzák létre azokat a követelményeket és a lehetőségeket melyek olyanokká, formálták gépeinket, mint amilyenek napjainkban. A gépek lehetséges változatainak száma végtelen nagy de mindegyikben közös, hogy a munkadarab és a szerszám relatív mozgásával állítja elő a megkívánt felületeket. Továbbá mindig követelmény a termelékenység, pontosság, gazdaságosság. A relatív mozgásokat jól elkülöníthető gépegységek állítják elő fő- és mellékhajtásokon keresztül. A főmozgás általában forgó mozgás, pl főorsó marásnál, a mellékmozgás pedig valamilyen lineáris mozgás, pl. esztergaszán. A hagyományos szerszámgép struktúrák forgácsoló mozgása az alapmozgások szuperpozíciója eredményeként jön létre úgy , hogy az alapmozgást végző egységeket

egymásra építik és megfelelő vezérlőberendezésekkel ezeket együtt mozgatják. Ez az egymásra épülés azt jelenti, hogy a szerszámgépek soros kinematikájúak, tehát az egyes egységeken keletkező hibák (deformációk, geometriai, vezérlési pontatlanságok stb.) a láncon keresztül haladva összeadódnak Ezen problémák csökkentése érdekében a hagyományos szerszámgépek kialakítása robosztus, ami által a pontosság, merevség kellő szinten megőrizhető. A robosztus kialakítás viszont egyéb problémákat vet fel A nagy tömegek mozgatásához nagy hajtómű és motor szükséges. A gyorsítások lassítások nagy sebességek elérése szintén hátárokba ütközik. Ezek a határok ostromolhatók és a mai technikai színvonal lehetőséget is ad újabb eredmények elérésére. Egy-egy jól bevált konstrukció fejlesztése a fejlesztési szinttel arányosan egyre nehezebb, bonyolultabb, drágább kialakításokat eredményezhet.

Szükség van ezért újabb struktúrákat átalakító, gondolatokat ébresztő ötletek alkalmazására a szerszámgépiparban. Ilyen ötlet volt az 1960-as években párhuzamos kinematikájú robotok, majd szerszámgépek létrehozásának gondolata. Ezek a gépek nem foglalhatják el a hagyományos gépek helyét az iparban, de részterületeken előnyösebbek lehetnek így használatuk előtérbe került napjainkban. Párhuzamos kinematikájú lánccal rendelkező szerszámgépek jellemzői Az 1960-as évekig a szerszámgépeknél csak soros kinematikájú láncokat alkalmaztak. Ezeknek a gépeknek a merevsége nagy és pontossága jó. A 70-es évektől kezdődően a kutatóintézetek és gépgyártók érdeklődése a párhuzamos (zárt) kinematikai láncú mechanizmusok felé fordult. A fejlesztőmunka következtében rengeteg típusú új gép jelent meg, melyek főleg robotok voltak. A párhuzamos kinematikájú lánccal épített gépek bebizonyították, hogy

alkalmasak nem csak roboti feladatok, hanem forgácsolási, megmunkálási feladatok elvégzésére is. Ezek a hagyományos szerszámgépekkel szemben a kisebb mozgatott tömeg miatt jobb dinamikai tulajdonságokkal rendelkeznek és nagyobb megmunkálási sebességek érhetők el velük. A soros kinematikai láncú szerszámgépek merevsége nagyobb, nagyobb pontosság érhető el velük de a dinamikai tulajdonságaik rosszabbak. Megfelelő kialakítással a párhuzamos kinematikai láncú szerszámgépek is elérhetnek hasonló pontosságot. A paralel kinematikának hátrányai is vannak: bonyolultabb a vezérlése, nagyban korlátozott a munkatere, viszonylag magas a megépítési ára (építőszekrény-elv és gépcsaládok hiánya). A soros és párhuzamos szerszámgépek összehangolásával vegyes kinematikai láncú gépek építhetők, amelyek e hátrányokat kiküszöbölhetik. Gépstruktúrák kialakítása A szerszámgépek tudomány területén a morfológia

alatt a szerszámgép struktúrák tudatos módszeres feltárását értjük Tehát azt keressük, hogy: • egy adott megmunkálási feladatra hány különféle felépítésű, de azonos funkciójú gépet lehet létrehozni, és • ezen struktúrák közül melyik a legalkalmasabb egy adott megmunkálási feladatra. (pontossági, konstrukciós, termelékenységi, gazdaságossági, stb. szempontok alapján) Kódok és jellemzők: A gépek kialakításánál és kódolásánál az alábbi koordinátarendszert használtuk, melynek tengelyeit X, Y, Z –vel, ezek körüli elfordulásokat A, B C –vel jelöltük. Z C A X B Y O(v,) O(f,) A koordináta-rendszert úgy kell a gép munkateréhez rendelni, hogy a főorsóból kifelé mutató tengely iránya határozza meg a „Z” tengely irányát. Az „X” és az „Y” tengelyeket úgy kell felvenni, hogy a koordináta-rendszer jobb-sodrású legyen. A szerszámgépek bonyolultsági foka a soros kinematikájú

szerszámgépeknél „D”: az alakítási mechanizmusban lévő azon részegységek száma, melyek valamilyen elemi transzformációt (eltolást, vagy elforgatást) képesek önállóan és egyidőben megvalósítani, a szerszám és a munkadarab a közötti relatív mozgás létrehozása során. Esztergák (2D-s megmunkálás) elsőfokú struktúrái: k k 2 V= n= 2= 4 n n: azt a számot jelöli ami megadja hány eset lehetséges Az eszterga esetében ez a szám 2, azaz két különböző mozgás lehetséges, a szerszámé illetve a munkadarabé. k: A mozgások irányait meghatározó szánok számát adja. Ez esztergánál 2, mivel a megmunkálás során egy síkot kell lefedni, ami két tengely mentén történő elmozdulással megvalósítható 1. X(sz) Z(sz) Nincs mozgásmegosztás 2. X(sz) Z(m) Van mozgásmegosztás 3. X(m) Z(sz) Van mozgásmegosztás 4. X(m) Z(m) Nincs mozgásmegosztás Az 1-es eset egy SZUPERPONÁLT szerszámgép: minden mozgást a

szerszám végez A 2. és 3 eset DISZPONÁLT szerszámgép-struktúrák: a mozgásokat megosztva a szerszám és a munkadarab végzi. A 4. eset szintén egy SZUPERPONÁLT szerszámgép: minden mozgást a munkadarab végez. 3D-s megmunkáló-központ elsőfokú struktúrái A 3D-s megmunkálógépek három szán által meghatározott mozgásokat tud végrehajtani. Ilyen megmunkálógép a marógép is k k 3 V= n= 2= 8 n 1. X(sz) Y(sz) Z(sz) 2. X(sz) Y(sz) Z(m) 3. X(sz) Y(m) Z(sz) 4. X(sz) Y(m) Z(m) 5. X(m) Y(sz) Z(sz) 6. X(m) Y(sz) Z(m) 7. X(m) Y(m) Z(sz) 8. X(m) Y(m) Z(m) Továbbiakban a hagyományostól eltérő gépstruktúra kialakításokat vizsgálunk olyan szempontból, hogy a lineáris forgácsoló fő- és mellékmozgásokat milyen mechanizmusok használatával lehet kiváltani. Az elemzés a szorítkozik. transzlációs mozgás alkalmazhatóságának értékelésére A transzlációs mozgáshoz az alábbi kódolási rendszert

használjuk: B x (m,1) Rendűség 1,2 m, munkadarabot mozgat s, szerszámot mozgat x mozgást helyettesítő y mozgást helyettesítő z mozgást helyettesítő X mozgásban haladó Y mozgásban haladó Z mozgásban haladó A tengely körül forgó B tengely körül forgó C tengely körül forgó Az értékelés a következő szempontok szerint történt: X-mozgás hibája: Van, Nincs A szán számunkra előnytelen mozgást is végezhet X irányban, ha ez a hiba fennáll akkor VAN ellenkező esetben NINCS értékeléssel jelenik meg. Z-mozgás hibája: Van, Nincs A szán számunkra előnytelen mozgást is végezhet Z irányban, ha ez a hiba fennáll, akkor VAN ellenkező esetben NINCS értékeléssel jelenik meg. Merevség: értéke 1-5-ig Magas pontszámot akkor kap a struktúra, ha a többi változathoz képest a merevsége nagy. Mozgásmegosztás: Van, Nincs Az X i lletve Z irányú mozgások egymásra épülve vagy szétosztva vannak-e

megvalósítva. Mozgatott tömegek: értéke 1-10-ig Magas pontszámot akkor kap a struktúra, ha a többi változathoz képest a mozgatott tömeg nagy. Forgácseltávolítás: Jó, Lin. vezetéket védeni A forgácsolás során a pattogó forgácsok ellen védeni kell e gépet vagy nem. Munkadarab alakja: Az adott gép Rúdszerű, Tárcsaszerű, Hossz és átmérő azonos struktúrájából adódóan milyen testek forgácsolhatóak rajta. Egyéb problémák: Van, Nincs Az alapalkatrészeken kívül van e szükség egyéb kiegészítő alkatrészek beszerelésére, hogy a gép hibátlanul működhessen. Összértékelés: értéke 1-18-ig Az összes struktúrát az adott feladat szempontjából sorrendbe állítottam. 1. ábra B x (m,1) B z (m,2) /1.ábra/ B x (m,2) B z (m,1) /2.ábra/ X-mozgás hibája Van Van Z-mozgás hibája Van Van 1 1 Mozgásmegosztás Nincs Nincs Mozgatott tömegek 10 10 Forgácseltávolítás Jó Jó Munkadarab

alakja Hossz és átmérő azonos Hossz és átmérő azonos Nincs Van 17 18 Merevség Egyéb problémák Összértékelés 2. ábra 3. ábra B x (s,1) B z (s,2) /3.ábra/ B x (s,2) B z (s,1) /4.ábra/ X-mozgás hibája Van Van Z-mozgás hibája Van Van 2 2 Mozgásmegosztás Nincs Nincs Mozgatott tömegek 4 4 Forgácseltávolítás Jó Jó Munkadarab alakja Hossz és átmérő azonos Hossz és átmérő azonos Nincs Nincs 11 12 Merevség Egyéb problémák Összértékelés 4. ábra 5. ábra B x (m,1) B z (s,1) /5.ábra/ B x (s,1) B z (m,1) /6.ábra/ X-mozgás hibája Van Van Z-mozgás hibája Van Van 3 3 Mozgásmegosztás Van Van Mozgatott tömegek 2 5 Forgácseltávolítás Jó Jó Munkadarab alakja Hossz és átmérő azonos Hossz és átmérő azonos Van Nincs 2 1 Merevség Egyéb problémák Összértékelés 6. ábra 7. ábra B x (m,1) Z(m,2) /7.ábra/ B x (m,2) Z(m,1) /8.ábra/ X-mozgás hibája

Van Van Z-mozgás hibája Nincs Nincs 1 1 Mozgásmegosztás Nincs Nincs Mozgatott tömegek 10 10 Forgácseltávolítás Lin. vezetéket védeni Jó Munkadarab alakja Rúdszerű Rúdszerű Van Van 15 10 Merevség Egyéb problémák Összértékelés 8. ábra 9. ábra B x (s,1) Z(s,2) /9.ábra/ B x (s,2) Z(s,1) /10.ábra/ X-mozgás hibája Van Van Z-mozgás hibája Nincs Nincs 2 3 Mozgásmegosztás Nincs Nincs Mozgatott tömegek 4 4 Forgácseltávolítás Lin. vezetéket védeni Jó Munkadarab alakja Rúdszerű Rúdszerű Van Van 13 9 Merevség Egyéb problémák Összértékelés 10. ábra 11. ábra B x (m,1) Z(s,1) /11.ábra/ B x (s,1) Z(m,1) /12.ábra/ X-mozgás hibája Van Van Z-mozgás hibája Nincs Nincs 4 5 Mozgásmegosztás Van Van Mozgatott tömegek 1 6 Forgácseltávolítás Lin. vezetéket védeni Lin. vezetéket védeni Munkadarab alakja Rúdszerű Rúdszerű Van Van 5 3 Merevség Egyéb

problémák Összértékelés 12. ábra 13. ábra X(m,1) B z (m,2) /13.ábra/ X(m,2) B z (m,1) /14.ábra/ X-mozgás hibája Nincs Nincs Z-mozgás hibája Van Van 2 1 Mozgásmegosztás Nincs Nincs Mozgatott tömegek 8 8 Forgácseltávolítás Jó Jó Munkadarab alakja Tárcsaszerű Tárcsaszerű Van Van 8 16 Merevség Egyéb problémák Összértékelés 14. ábra 15. ábra X(s,1) B z (s,2) /15.ábra/ X(s,2) B z (s,1) /16.ábra/ X-mozgás hibája Nincs Nincs Z-mozgás hibája Van Van 3 2 Mozgásmegosztás Nincs Nincs Mozgatott tömegek 6 5 Forgácseltávolítás Jó Lin. vezetéket védeni Munkadarab alakja Tárcsaszerű Tárcsaszerű Van Van 7 14 Merevség Egyéb problémák Összértékelés 16. ábra 17. ábra X(m,1) B z (s,1) /17.ábra/ X(s,1) B z (m,1) /18.ábra/ X-mozgás hibája Nincs Nincs Z-mozgás hibája Van Van 4 3 Mozgásmegosztás Van Van Mozgatott tömegek 1 4 Forgácseltávolítás

Jó Lin. vezetéket védeni Munkadarab alakja Tárcsaszerű Tárcsaszerű Van Nincs 6 4 Merevség Egyéb problémák Összértékelés 18. ábra Transzlációs szán tervezés Az ábrákon alkalmazott jelölések: - 1–a platformok közti kapcsolatot megvalósító kar egyik szélső helyzete - 2–a platformok közti kapcsolatot megvalósító kar másik szélső helyzete - 3–golyósorsó (piros szaggatott vonallal) - 4–mozgó platform - 5–a mozgó platform egy kitüntetett pontjának pályája - 6–a golyósorsó mozgása során lefedett terület - 7–az a tengely, ami körül a golyósorsó a felfogatásnál elfordulhat Az értékelés a következő szempontok szerint történt: Orsó kilógása: értéke 110-ig Magas pontszámot akkor kap a megoldás, ha a golyósorsó minél rövidebb része lóg ki a mozgó platform két szélső helyzete által meghatározott térrészből. Orsó mozgása során lefedett terület értéke 110-ig Magas

pontszámot akkor kap a megoldás, ha a lefedett terület kicsi és nem zavar más alkatrészt a mozgása során, nincsenek ütközések. Motor elhelyezése értéke 110-ig Magas pontszámot akkor kap a megoldás, ha a motor könnyen rögzíthető, elhelyezhető úgy, hogy a mozgásokat nem zavarja és nem lóg ki a meghatározott térrészből. Erősokszorozás van / nincs Számunkra az a kedvező, ha nincs erősokszorozás, mert így kisebbek az igénybevételek. Ez szilárdságtani szempontból azt jelenti, hogy nem szükséges robosztus kialakítás ami kisebb tömegeket és ezáltal kisebb motort eredményez. Karok és orsó által bezárt szög (α) értéke 110-ig Magas pontszámot akkor kap a megoldás, ha az α szög viszonylag nagy. Nem megengedhető, hogy ez a szög 20 °-nál kisebb legyen és az sem, hogy az orsó és a kar megelőzze egymást. Mozgatott tömegek értéke 110-ig Magas pontszámot akkor kap a megoldás, ha a minimálisra csökkentjük a

mozgatott tömegeket. Ezt úgy valósíthatjuk meg, hogy minél több alkatrészt rögzítünk az álló egységhez. Szimmetrikus mozgások megvalósítása 1. Szimmetrikus 1. Szim 2. Szim Orsó kilógása 3 6 Orsó mozgása során lefedett terület 3 6 Motor elhelyezés 4 5 Nincs Nincs Anyarögzítés Konzolos Konzolos Motorrögzítés Konzolos Konzolos Karok és orsó által bezárt szög 8 8 Mozgatott tömegek 7 7 Összérték 25 32 Erősokszorozás 2. Szimmetrikus 3. szimmetrikus 3. Szim 4. Szim Orsó kilógása 7 8 Orsó mozgása során lefedett terület 7 8 Motor elhelyezés 8 8 Van Van Anyarögzítés Karon Karon Motorrögzítés Platformhoz Konzolos Karok és orsó által bezárt szög 7 8 Mozgatott tömegek 8 8 Összérték 37 40 Erősokszorozás 4. szimmetrikus 5. szimmetrikus 5. Szim 6. Szim Orsó kilógása 7 6 Orsó mozgása során lefedett terület 7 5 Motor elhelyezés 4 6 Nincs Nincs

Anyarögzítés Platformhoz Konzolos Motorrögzítés Platformhoz Konzolos Karok és orsó által bezárt szög 1 6 Mozgatott tömegek 8 7 Összérték 1 30 Erősokszorozás 6. szimmetrikus 7. szimmetrikus 7. Szim 8. Szim Orsó kilógása 6 7 Orsó mozgása során lefedett terület 6 7 Motor elhelyezés 5 5 Nincs Nincs Anyarögzítés Platformhoz Platformhoz Motorrögzítés Platformhoz Platformhoz Karok és orsó által bezárt szög 7 6 Mozgatott tömegek 7 8 Összérték 31 33 Erősokszorozás 8. szimmetrikus 9. szimmetrikus 9. Szim 10. Szim Orsó kilógása 7 10 Orsó mozgása során lefedett terület 5 3 Motor elhelyezés 3 5 Nincs Van Anyarögzítés Konzolos Karhoz Motorrögzítés Konzolos Platformhoz Karok és orsó által bezárt szög 2 8 Mozgatott tömegek 7 4 Összérték 24 30 Erősokszorozás 10. szimmetrikus Aszimmetrikus mozgások megvalósítása 1. aszimmetrikus 1. aszim 2.

aszim Orsó kilógása 9 7 Orsó mozgása során lefedett terület 9 5 Motor elhelyezés 8 4 Van Van Anyarögzítés Karhoz Karhoz Motorrögzítés Konzolhoz Konzolhoz Karok és orsó által bezárt szög 9 9 Mozgatott tömegek 8 7 Összérték 43 32 Erősokszorozás 2. aszimmetrikus 3. aszimmetrikus 3. aszim 4. aszim Orsó kilógása 7 3 Orsó mozgása során lefedett terület 6 5 Motor elhelyezés 6 9 Nincs Nincs Anyarögzítés Konzolhoz Konzolhoz Motorrögzítés Konzolhoz Konzolhoz Karok és orsó által bezárt szög 7 6 Mozgatott tömegek 7 7 Összérték 33 30 Erősokszorozás 4. aszimmetrikus 5. aszimmetrikus 5. aszim 6. aszim Orsó kilógása 7 8 Orsó mozgása során lefedett terület 7 9 Motor elhelyezés 8 8 Nincs Van Anyarögzítés Konzolhoz Konzolhoz Motorrögzítés Konzolhoz Konzolhoz Karok és orsó által bezárt szög 6 10 Mozgatott tömegek 7 7 Összérték 35 42

Erősokszorozás 6. aszimmetrikus 7. aszimmetrikus 7. aszim 8. aszim Orsó kilógása 4 10 Orsó mozgása során lefedett terület 7 8 Motor elhelyezés 4 6 Nincs Van Anyarögzítés Platformhoz Karhoz Motorrögzítés Platformhoz Platformhoz Karok és orsó által bezárt szög 7 8 Mozgatott tömegek 8 8 Összérték 30 40 Erősokszorozás 8. aszimmetrikus 9. aszimmetrikus 9. aszim 10. aszim Orsó kilógása 10 8 Orsó mozgása során lefedett terület 7 8 Motor elhelyezés 6 7 Nincs Nincs Anyarögzítés Platformhoz Platformhoz Motorrögzítés Platformhoz Platformhoz Karok és orsó által bezárt szög 2 9 Mozgatott tömegek 8 8 Összérték 33 40 Erősokszorozás 10. aszimmetrikus