Konstrukcija naprave za varjenje plastičnih držal kontaktov na statorskem paketu elektromotorja

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Konstrukcija naprave za varjenje plastičnih držal kontaktov na statorskem paketu elektromotorja

Luka Trojar

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Konstrukcija naprave za varjenje plastičnih držal kontaktov na statorskem paketu elektromotorja

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

Luka Trojar

Mentor: doc. dr. Leon Kos, univ. dipl. inž.

(4)

(5)

Zahvala

Zahvalil bi se mentorju doc. dr. Leonu Kosu, da si je vzel čas ter mi z nasveti pomagal pri izdelavi zaključne naloge. Zahvaljujem se tudi zaposlenim v podjetju Domel d.o.o., da sem lahko pri njih konstruiral, sestavil, testiral in izdelal napravo za zaključno nalogo ter za njihovo pomoč pri celotnem procesu.

Zahvalil bi se tudi svojim staršem Marti in Boštjanu, ostali družini in prijateljem, ki so me podpirali v času celotnega študija.

(6)

(7)

Izvleček

UDK 62-229.3:621.791(043.2) Tek. štev.: UN I/1610

Konstrukcija naprave za varjenje plastičnih držal kontaktov na statorskem paketu elektromotorja

Luka Trojar

Ključne besede: statorji

držala kontaktov konstruiranje toplotno varjenje temperature

Cilj zaključne naloge je bil skonstruirati pol avtomatsko napravo za toplotno varjenje. Držalo kontaktov je potrebno toplotno privariti na statorski paket elektromotorja. Potrebno je bilo izdelati univerzalno orodje za različne vrste držal. Določili smo tudi potrebne temperature ter čase varjenja in hlajenja za vsako držalo kontakta. V tem delu je predstavljena konstrukcija naprave, ki ustreza zahtevam tehnologije, ob enem pa skrbi tudi za ergonomijo in varnost upravljalca tega delovnega mesta. Napravo se je po sestavi tudi testiralo, ugotovljene pa so bile določene izboljšave.

(8)

Abstract

UDC 62-229.3:621.791(043.2) No.: UN I/1610

Design engineering of a device for welding plastic contact holders on the stator package of an electric motor

Luka Trojar

Key words stators

contact holders designing heat welding temperatures

The goal for the diploma was to design a semi-automatic heat welding device. The contact holder must be heat welded to the stator package. It was necessary to create a universal tool for the various types of the support. We determined the necessary temperatures and welding and cooling times for each contact support. This work presents the design of a device that meets the technological requirements, while taking care of the ergonomics and safety for the device operator. The device was tested after the assembly and some improvements were analyzed.

(9)

Kazalo

Kazalo slik ... xi

Kazalo preglednic ... xiii

Seznam uporabljenih simbolov ... xiv

Seznam uporabljenih okrajšav ... xv

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 2

2.1 Konstruiranje ... 2

2.1.1 Metodika konstruiranja ... 2

2.1.2 Razvojni proces ... 3

2.1.3 Prototip ... 5

2.1.4 Križni efekt ... 6

2.2 Elektronsko komutirani motorji za vrtno opremo ... 7

2.2.1 Tehnologija sestavljanja paketov ... 8

2.2.2 Tehnologija izoliranja paketov ... 10

2.2.3 Tehnologija navijanja ... 11

2.2.4 Tehnologija kontaktiranja ... 15

3 Metodologija raziskave ... 17

3.1 Postopek konstrukcije ... 17

3.1.1 Zaključna konstrukcija naprave ... 18

3.1.2 Konstrukcija ležišča za statorski paket ... 19

3.1.3 Varilno orodje ... 22

3.1.4 Ohišje naprave ... 27

3.1.5 Regulator temperature ... 28

3.1.6 Kontrolna omarica ... 29

3.1.7 Pnevmatski sklop ... 29

3.2 Skrb za upravljalca delovnega mesta ... 30

(10)

3.2.3 Opozorila za nevarnost ... 33

3.3 Seznam obrabljivih in kritičnih delov ... 34

3.4 Testiranje in prilagoditev naprave ... 35

3.5 Določanje parametrov varjenja ... 35

3.5.1 Parametri varjenja za držalo kontaktov tiskanega vezja ... 36

3.5.2 Parametri varjenja za ploščato držalo kontaktov ... 37

3.5.3 Parametri varjenja za kompaktno držalo kontaktov ... 37

4 Rezultati in diskusija ... 39

4.1 Povzetek postopka izdelave naprave... 39

4.2 Opis delovanje naprave ... 40

4.2.1 Avtomatsko in ročno delovanje stroja ... 42

4.3 Rezultati varjenja kontaktov in analiza ... 44

5 Zaključki ... 45

Literatura ... 46

(11)

Kazalo slik

Slika 2.1: Vpliv konstruiranja na stroške[1] ... 4

Slika 2.2: Porazdelitev aktivnosti glede na nivoje konstruiranja[2] ... 5

Slika 2.3: Križni efekt parametrov A in B[2] ... 6

Slika 2.4: Motor družine 725[3] ... 7

Slika 2.5: Oblike rotorskih in statorskih lamel.[4] ... 8

Slika 2.6: Statorski list. ... 9

Slika 2.7: Zgornja in spodnja deformacija lamele. ... 9

Slika 2.8: Izolacija statorskega paketa. ... 10

Slika 2.9: Navijanje s čeljustjo – metoda rotirajoče glave[4] ... 11

Slika 2.10: Navijanje s čeljustjo – metoda rotacije paketa[4] ... 12

Slika 2.11: Navijanje z iglo – stator z notranjimi utori[4] ... 13

Slika 2.12: Navijanje z iglo – stator z zunanjimi utori[4] ... 14

Slika 2.13: Kontaktiranje statorskega paketa ... 16

Slika 3.1: 3D model naprave ... 19

Slika 3.2: 3D Model ležišča statorskega paketa ... 20

Slika 3.3: 3D Model plastičnega držala kontaktov ... 21

Slika 3.4: primer različnih višin ležišč ... 21

Slika 3.5: Območje pomika cilindra ... 22

Slika 3.6: Spodnji del varilnega orodja ... 23

Slika 3.7: Pozicionirna plošča z varilnimi maticami ... 23

Slika 3.8: Varilna matica ... 24

Slika 3.9: Plošča za grelnik in grelnik ... 24

Slika 3.10: Zaščitna kletka ... 25

Slika 3.11: Zgornji del varilnega orodja ... 26

Slika 3.12: Ohišje naprave ... 27

Slika 3.13: Določanje delovne temperature grelnika ... 28

Slika 3.14: Pnevmatika ... 29

Slika 3.15: Električno dvižno delovno mesto in ergonomski stol[13] ... 30

Slika 3.16: Svetlobna zaščitna zavesa[14] ... 32

Slika 3.17: Zaščita iz pleksi stekla ... 32

Slika 3.18: Opozorila za nevarnost ... 33

Slika 3.19: Vrste plastičnih držal kontaktov ... 36

Slika 4.1: Obvestila o delovanju naprave ... 40

Slika 4.2: Postopek pritrditve ležišča ... 41

Slika 4.3: Postopek nameščanja statorja in držala kontaktov ... 41

(12)

Slika 4.7: Osnovni meni ročnega delovanja ... 44

(13)

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Tehnični podatki motorja ... 8

Preglednica 3.1: Seznam obrabljivih delov naprave ... 34

Preglednica 3.2: Seznam kritičnih delov naprave ... 34

Preglednica 3.3: Parametri za držalo kontaktov tiskanega vezja ... 37

Preglednica 3.4: Parametri za ploščato držalo kontaktov ... 37

Preglednica 3.5: Parametri za kompaktno držalo kontaktov ... 38

(14)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

L

∆L

mm mm

dolžina pomik

r mm polmer

F N sila

T °C temperatura

h mm višina

p bar tlak

Indeksi PCB PVC

tiskano vezje polivinil klorid

zg. zgornja

sp.

Š V G rpm

spodnja širina višina globina obrati na minuto

(15)

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

3D CAD

tridimenzionalen prostor

računalniško podprto oblikovanje AC izmenični tok (angl. alternating current) DC enosmerni tok (angl. direct current)

(16)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Elektromotor je stroj, ki pretvarja električno energijo v mehansko. Uporablja se za pogon različnih strojev, vlakov in naprav. Torej nas spremljajo v vsakodnevnem življenju. Njeno gibanje povzročajo magnetna polja. Elektromotorje v splošnem delimo na več načinov. V osnovi jih lahko razdelimo na enosmerne motorje in izmenične motorje. Enosmerne motorje naprej delimo na enosmerne motorje z in brez ščetk. Izmenični motorji pa se delijo na asinhronske in sinhronske motorje, ki jih delimo na motorje s permanentnimi magneti, koračne motorje in reluktančne motorje. Najpogosteje se uporabljajo asinhronski motorji.

V zaključnem delu bo naloga povezana z statorskim delom elektromotorja. Natančneje z nameščanjem plastičnih držal kontaktov na statorski paket. To bomo lahko dosegli z toplotnim varjenjem držal kontaktov na plastične pine, kateri so predhodno zaliti na statorski paket. Ta naprava je prva v sklopu linijskega procesa. Sledijo še zategovanje žic, vstavljanje rotorja, vstavljanje prirobnice, sestava motorja, lepljenje,.. Po končni kontroli pa dobimo sestavljen elektromotor primer za vrtna orodja in podobno.

1.2 Cilji

Cilj zaključnega dela naloge je skonstruirati napravo za varjenje plastičnih držal kontaktov.

Naprava mora biti primernih dimenzij, saj bo potrebno postaviti na dvižno mizo. Potrebno je poskrbeti za ergonomijo in varnost operaterja. Naprava mora biti kar se da avtomatizirana za kar se uporabi pnevmatiko in pnevmatske cilindre. Potrebno bo poskrbeti za pomik ležišča in pomik varilnega orodja do varilnega mesta. Določiti moramo tudi varilne čase, čase hlajenje varov, hitrosti pomika cilindrov in potreben hod varilnega orodja do mesta varjenja.

Glede na to da imamo opravka z visokimi temperaturami je pomemba izbira tudi vrsta materiala, ki bo obdajala varilno orodje. Še zadnji cilj pa je določitev takta in upoštevanje takta celotne proizvodnje linije.

(17)

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Konstruiranje

Konstruiranje je dejavnost, ki omogoča realizacijo znanja s področja strojništva kot sinergija vseh znanj in usposobljenost za realizacijo. V pomoč pri konstruiranju pridejo tudi znanja matematike, fizike, kemije, mehanike, raznih toplotnih in proizvodnih tehnik, gradiv in naukov iz konstruiranja. Z vidika metodike je konstruiranje proces optimizacije v okviru danih robnih pogojev, ki se s časom spreminjajo. Z vidika organiziranja je konstruiranje bistven del procesa za ustvarjanje vrednosti in plemenitenja surovin in proizvodnih sredstev.

Pri konstruiranju je potrebno sodelovanje s kupci, matematiki, tehnologi, strokovnjaki za gradiva, raziskovalci, merilci, montažerji, ...

S konstruiranjem se ukvarjajo konstrukterji ter inženirji z različnih področij. Največkrat se izraz konstruiranje nanaša na splošno strojništvo, drugače pa tudi na druga področja kot so lesarstvo ipd.

2.1.1 Metodika konstruiranja

Ob začetku konstruiranja novega izdelka se lahko pojavi več metod kako priti do končne različice izdelka. Metodika konstruiranja [1] je sklop korakov, pravil, usmeritev in tehnik za konstruiranje tehničnih sistemov, ki omogočajo sistematično generiranje rešitev za poznane probleme. Glavni namen metodike konstruiranja je odpraviti naključno generiranje rešitev za izražene zahteve. Skozi celoten postopek konstrukcije smo se trudili slediti smernicam metodike konstruiranja.

Glavne faze konstrukcijskega procesa zajemajo:

• načrtovanje izdelka in pojasnjevanje problema; rezultat je seznam specifikacij

• snovanje; rezultat je množica zasnov izdelka

• utelešenje; rezultat je arhitektura izdelka

• detajliranje; rezultat je tehnična dokumentacija

(18)

Teoretične osnove in pregled literature

Prvi korak konstrukcijskega procesa zajema načrtovanje izdelka. Načrtovanje izdelkov je proces, ki poteka v času pred formalno potrditvijo posameznega projekta razvoja izdelka.

Načrtovanje izdelkov upošteva porfelj izdelkov, ki jih posamezno podjetje namerava uvesti na trg v določenem časovnem intervalu. Temelji na poslovni strategiji podjetja. Pri načrtovanju novega izdelka je potrebno upoštevati 4 vrste razvojnih projektov:

• nove izdelčne platforme: razvoj popolnoma nove družine izdelkov, ki temeljijo na skupni platformi. Izdelki družine izdelkov so namenjeni poznanim

• izpeljanke obstoječih izdelčnih platform: izdelki temeljijo na obstoječi platformi, namen pa je prilagoditev na nove/spremenjene zahteve trga

• postopne izboljšave obstoječih izdelkov: gre za manjše izboljšave obstoječih izdelkov z namenom odpraviti napake obstoječih izdelkov

• povsem novi izdelki: izdelki, ki temeljijo na novih delovnih principih, ki lahko pomagajo vzpostaviti nov trg ali pa vstopiti na še nepoznan trg. Razvoj takšnih izdelkov je povezan z večjim tveganjem, vendar zaradi zgodnejše vzpostavitve učne krivulje lahko omogoči dolgoročen uspeh podjetja

Drugi korak je snovanje izdelka. Snovanje je aktivnost s katero generiramo zasnove oz.

koncepte. Pričnemo ga s seznamom specifikacij. Zasnova je opis delovnih principov s približno geometrijo, ki bodo zadovoljili potrebe uporabnikov. Običajno je zasnova predstavljena s skico in kratkim besedilom. Učinkovita razvojna ekipa generira množico konceptov – pomeni dobro preiskati prostor alternativnih rešitev.

Tretji korak konstrukcijskega procesa je utelešenje. To je faza med snovanjem in končnim izdelkom. V tej fazi se določi arhitekturo izdelka, oblike različnih elemenov, materiale in proizvodnje procese. Na ta način lahko izpolnimo zahtevano funkcijo izdelka. Kompleksnost faze je posledica kopice aktivnosti, ki jih je potrebno izvajati sočasno. Prav tako moramo biti pozorni na spremembe enega področja, ki imajo lahko posledice na drugem področju bodočega izdelka. Temeljna pravila utelešenje zavzemajo jasnost, enostavnost in varnost.

Jasnost funkcije olajša zanesljivost napovedi delovanja končnega izdelka in v večini primerov pomeni varčevanje s časom in stroški zahtevnih analiz. Enostavnost v splošnem omogoča finančno izvedljivost saj je izdelava manjšega števila komponent enostavnih oblik hitra. Varnost se nanaša na trdnost konstrukcije, zanesljivost obratovanja, preprečevanje nesreč in varovanje okolja. Brez upoštevanja teh pravil je izvedba dobre rešitve vprašljiva.

Zadnja faza procesa je detajliranje. V tej fazi smo pozorni na detajle izdelka in njegovih komponent. Rezultat tega je tehnična dokumentacija izdelka, skupaj z delavniškimi in sestavnimi risbami.

2.1.2 Razvojni proces

Razvoj izdelka je interdisciplinarna dejavnost, ki zahteva sodelovanje praktično vseh funkcij v podjetju. Ključne funkcije v podjetju udeležene v razvoju izdelka (marketing, proizvodnja, konstruiranje)

(19)

Marketing skrbi za interakcijo med podjetjem in strankami. V marketingu so odgovorni za identifikacijo priložnosti za nove izdelke, definicijo tržnih segmentov, identifikacijo potreb uporabnikov, določanje ciljne cene, promocijo izdelkov ipd. Proizvodnja ima nalogo načrtovanja in koordinacije aktivnosti z namenom fizične izdelave izdelka. Konstruiranje mora upoštevati celoten življenjski cikel izdelka, deležnike in njihove potrebe ter zahteve.

Merila uspešnega konstruiranje obsega strošek, kvaliteto in čas. Strošek naj bi bil čim manjši, kvaliteta čim bolšja, konstrukcija pa naj bi bila narejena v čim krajšem času. Slika 2.1 prikazuje vpliv konstruiranje na stroške. Konstruiranje kot aktivnost stane malo, a močno vpliva na stroške izdelka. V to se štejejo uporabljeni materiali, kupljeni deli in stroški izdelave delov. Tako je pred samo oddajo različnih kosov v izdelavo potrebno preveriti, če je kos ustrezen. Morebitne dodatne dodelave kosov lahko precej vplivajo na stroške še bolj pa na čas izdelave izdelka. Na področju konstrukcije željeni dobavni roki lahko močno vplivajo na izbiro ponudnika.

Slika 2.1: Vpliv konstruiranja na stroške [1]

Konstruiranje ima mnogo vrst, poznane pa so nam sledeče:

• izbiranje

• variantno konstruiranje

• parametrično konstruiranje

• konstruiranje na novo

• prilagoditveno konstruiranje

• prostorska porazdelitev

(20)

Kot prikazuje slika 2.2 je najmanj uporabljeno konstruiranje na novo, saj zahteva največ časa in energije, lahko pa povzroči tudi večje finančno breme. Večkrat se pri konstruiranju na novo uporabljajo tudi nove tehnologije, kar zahteva tudi precej večji nivo znanja kot ostali nivoji konstruiranja. Sledita mu inovativno in varianto konstruiranje. Največji delež aktivnosti v konstrukcijskem procesu predstavlja prilagoditveno konstruiranje. Pri tem načinu je največkrat manj dela kot pri ostalih. Tudi časovno je manj potratno, zato se ga uporablja pri mnogih procesih, kjer bi lahko dobili boljše rezultate, kvaliteto, takte in podobno. Tudi pri izdelavi naprave za varjenje držala kontaktov smo uporabili znanje prejšnjih generacij in tako izdelali novo napravo, ki omogoča boljše rezultate, hitrejši takt in skrbi za večjo varnost operaterja te naprave.

Slika 2.2: Porazdelitev aktivnosti glede na nivoje konstruiranja [2]

2.1.3 Prototip

Ker gre za konstrukcijo novega stroja, kateremu po izdelavi sledi testiranje in optimizacija je naprava za varjenje držala kontaktov prototip. V grobem lahko rečemo da je prototip

“približek izdelka glede na eno ali več zahtevanih funkcij in lastnosti izdelka” Sam namen izdelave prototipa je preizkus delovanja in izvedljivost procesov. Preizkus prototipa pove ali so komponente in sestavi skladni in zagotavljajo zahtevani sistem delnih funkcij.

Pri oblikovanju in izdelavi izdelka, ki šele nastaja iz idejne zasnove, prototipiranje pomeni, da izdelek po vsakem novem testiranju prilagajamo tako funcionalno kot oblikovno. Proces prototipiranja je precej preprost: Ustvari – testiraj – izboljšaj – ponovi postopek.

Postopek izdelave se prične z abstraktnim modelom ali skico. Po skici se pripravi 2D model po katerem sledi izdelave 3D modela. Veliko naprav zahteva tudi preračune matematičnih modelov (preračun frekvenc, stabilnosti, trdnosti) in numerično simulacijo (porazdelitev sil, nihanj). Do končnega izdelka lahko napravi sledi funkcijski prototip ali pa tudi izdelava naprave v pomanjšanem merilu. Marsikdaj pri prototipih ni zahtevan pravi material, ampak

(21)

2.1.4 Križni efekt

Pri konstruiranju je mnogokrat potrebno tudi načrtovati eksperimente in postopke, s

katerimi se določa vplive parametrov. Za posamezne izdelke je potrebno naročiti kar precej vplivnih parametrov. Parametri so mnogokrat lahko odvisni drug od drugega.

Križni efekt [2] se lahko ugotovi z analizo parametrov. Pri tem efektu je upoštevan medsebojni vpliv dveh faktorjev, rezultate pa lahko vidimo v kolonah ali stolpcih. Pri križnem efektu se vedno poraja vprašanje ali sta faktorja med seboj povezana. Vedno je želja ugotoviti vpliv enega in drugega parametra na končni rezultat. Na izrisu grafa je možno ugotoviti križni efekt, kjer pride do preseka premic dveh parametrov. Presek premice A in B je viden tudi na sliki 2.3, tako da v tem primeru lahko govorimo o križnem efektu.

Slika 2.3: Križni efekt parametrov A in B [2]

Tudi pri napravi za varjenje držala kontaktov je bilo na koncu potrebno določiti parametre varjenja. Zagotovo pa sta bila ključna parametra čas in temperatura varjenja. Tako smo ugotavljali povezavo obeh parametrov. V kolikor se je povečala temperatura, smo morali zmanjšati čas varjenja in obratno. Veliko vlogo je igrala tudi pritisna sila cilindra. Tako smo z poskušanjem in testiranjem različnih parametrov prišli do optimalnih rezultatov, ki pa bodo natančneje predstavljeni v poglavju metodike raziskovanja; 3.5. določanje parametrov varjenja.

(22)

2.2 Elektronsko komutirani motorji za vrtno opremo

V zadnjih letih je večja zmogljivost litij-ionskih baterij omogočila razvoj izdelkov na baterijski pogon. To pomeni izdelke, ki prej niso bili predvideni za takšne uporabe, npr.

verižne žage in vrtne kosilnice. Podjetje Domel je razvilo dve družini motorjev za takšne uporabe, ki jih odlikujeta minimalna masa in izjemno visoka učinkovitost. Slednja je bila dosežena z izbiro brezkrtačnega enosmernega motorja in natančneje, z uporabo visokokakovostnih materialov, kot so posebna elektropločevina in visokoenergijski trajni magneti. K temu bistveno prispeva tudi učinkovito hlajenje aktivnih delov motorja z zmanjševanjem mase motorja, kar je zelo pomembno pri izdelkih z ročnim upravljanjem. Ti dve družini motorjev se razlikujeta v obliki in tudi v integraciji v delovanje; en motor je popolnoma zaprt, medtem ko je drugi odprt z zunanjim rotorjem in integriranim ventilatorjem.

Načrtuje se dodatna razširitev družine motorjev za vrtno opremo in električna orodja, še posebej za uporabo na baterijski pogon, pri čemer se posebno skrb nameni dodatni optimizaciji učinkovitosti, mase in stroškov motorjev. Primer sestavljenega motorja družine 725 je predstavljen na sliki 2.4.

Slika 2.4: Motor družine 725 [3]

Glave prednosti te vrste motorjev so:

• visok izkoristek

• visoko razmerje med močjo in maso

• robusten dizajn

• dolga življenjska doba

• opcijsko odprt ali zaprt motor

(23)

Preglednica 2.1: Tehnični podatki motorja

Nazivna moč 400 W – 1000 W

Nazivna hitrost vrtenja 3.000 rpm – 12.000 rpm Naziven moment 0,4 Nm – 1,2 Nm Nazivna DC napetost 24V / 36V / 48V

Družina motorja 725 [3] ima motor z zunanjim tekačem, vgrajenim ventilatorjem in trapezno inducirano napetostjo. Motor ima tudi možnost senzorjev pozicije.

Področja uporabe tega motorja so naslednja:

• verižne žage

• obrezovalniki

• puhalniki listja

• vrtne kosilnice

• rezalnik betona

• rezalnik kovin

• krožna žaga

2.2.1 Tehnologija sestavljanja paketov

V večini primerov so rotorska in statorska jedra sestavljena iz paketov lamelirane pločevine. Tipične izvedbe elektromotorjev in obliko njihovih rotorskih in statorskih lamel prikazuje slika 2.5. Motor družine 725 je komutirani.

Slika 2.5: Oblike rotorskih in statorskih lamel [4]

(24)

Jedra malih elektromotorjev so sestavljena iz lamel elektro pločevine, pri čemer je

uporabljena hladno valjana, neorientirana pločevina z različnimi tipi izolacijskih slojev. Z lameliranjem jedra dosežemo nižje vrtinčne izgube, poleg tega pa nam moderne tehnike izsekavanja in paketiranja omogočajo realizacijo specifičnih geometrijskih rešitev.

V večini primerov so za izdelavo elektromagnetnih jeder uporabljene pločevine debelin med 0,2 in 0,5mm. Za naš specifični primer je debelina lamele 0,35mm, prikazana na sliki 2.6. 2.62.62.62.6Debelina pločevine se s širino traku spreminja z neko toleranco, kar je potrebno upoštevati pri izsekavanju in paketiranju lamel. Prav tako je pri paketiranju potrebno upoštevati razlikovanje elektromagnetnih lastnosti v prečni in vzdolžni smeri valjanja pločevinastega traku.

Slika 2.6: Statorski list.

Pri paketiranju takega tipa lamel se uporablja princip Interlockinga [4] oz. deformacijo lamel. Pri tej metodi se na izbranih pozicijah doda lokalne deformacije materiala.

Deformacije se izvede v avtomatski stiskalnici za vsako izsekano lamelo posebej. Material deformiramo tako, da v naprej določenih točkah s pomočjo pritiska spojimo trenutno in predhodno lamelo. Na sliki 2.7 sta prikazani zgornja (A) in spodnja (B) deformacija lamele.

Slika 2.7: Zgornja in spodnja deformacija lamele.

(25)

Različne elektromagnetne lastnosti v prečni in vzdolžni smeri nam med samim postopkom paketiranja omogočajo obračanje lamele za ustrezen kot, kakršnega dopušča sama

geometrija.

2.2.2 Tehnologija izoliranja paketov

Nanos laka na žico elektromotorja v veliko primerih ne zadosti potrebam po izolaciji, zato je potrebno stične površine med paketom lamel in navitjem žice dodatno izolirati. Ena izmed lastnosti izolacije je da zmanjša prostor, ki je namenjen navitju, zato je pomembno, da je kar se da tanka, lahko namestitvena in dobro fiksirana v željeni poziciji. V primeru da izolacija na območju navitja ni enodelna je potrebno zagotoviti njeno efektivnost s prekrivanjem ali podobnimi ukrepi. Sestavljajo jo lahko plasti ali pa je samostojna. Izolacija nam more zagotavljati tudi druge prednosti, katere se realizira z brizganjem umetne mase. Izolacija se izbere glede na izolacijske in termične potrebe v ekstremnih razmerah, pri čemer je potrebno upoštevati tudi njeno odpornost in vplive okolja v katerem bo uporabljena. V primeru toplotnega varjenja držala kontaktov na statorskem paketu je izbira tipa izolacija še posebej pomembna.

Slika 2.8: Izolacija statorskega paketa.

Izolacijo segmentiranih paketov lahko izvedemo tudi z brizganjem izolacijskega materiala.

S tem postopkom paket dobi zaključeno izolacijo s katero lahko izoblikujemo morebitna držala navitij, ležišča za namestitev kontaktov, pritrdišča in druga pomagala.

Brizganje izolacije se izvaja s pomočjo brizgalnega orodja. Doziranje poteka s čelne strani paketa, zato postaja debelina izolacije v aksialni smeri paketa rahlo konična. Koničnost je mogoče kompenzirati v brizgalnem stroju, pri čemer smo omejeni z višino paketa.

(26)

2.2.3 Tehnologija navijanja

Navijanje je poleg magnetnega jedra drugi aktivni del električnega stroja. Izvedeno je z lakirno okroglo bakreno žico. V redkih primerih se lahko uporabi tudi ploščato geometrijo žic. Električni strojni so naviti strojno, predvsem zaradi velikoserijske proizvodnje. Navitje se opravlja po dveh metodah. Prva je metoda navijanja z iglo, druga pa metoda navijanja s čeljustjo. Pri statorjih malih AC motorjev se lahko uporabi ločeno navitje. Najprej navitje tuljav, nato pa ročno vstavljanje v utore.

Metoda navijanja s čeljustjo je lahko izvedena na dva načina. To sta metodi rotirajoče glave in rotacije paketa [4].

Prva je metoda rotirajoče glave, vidna na sliki 2.9. Navijalno glavo Flyerja poganja jermenski pogon, glava pa je kroglično uležajena na vretenu. Dozirna šoba potuje po krožni trajektoriji okrog navijalnega pola, vsak njen obrat pa predstavlja en ovoj tuljave.

Usmerjevalne čeljusti skrbijo za ustrezno namestitev ovojev v utor, le te pa pritisnemo ob paket. Pred začetkom navijanja je potrebno začetni del tuljave fiksirati na kontakt, tako lahko žico med postopkom navijanja tudi napenjamo z napenjalom. Žico se Flyerju dozira preko osi in jo je potrebno ustrezno preusmeriti z navijalno šobo, katera napeto žico polaga na usmerjevalne čeljusti, po katerih drsi v utor. Ko je navijanje tuljave zaključeno se paket obrne za ustrezen kot in se postopek lahko ponovi na naslednji tuljavi. Tako navijanje se uporablja tudi pri našem stotorju.

Slika 2.9: Navijanje s čeljustjo – metoda rotirajoče glave [4]

(27)

Naslednja je metoda rotacije paketa, prikazana na sliki 2.10. To je alternativa rotaciji Flyerja, kjer pa se med navitjem rotira paket skupaj z navijalnimi čeljustmi. Prednosti metode rotiranja paketa je, da paket med tekom rotacije samostojno odvzema žico iz navijalne šobe, zato je ta metoda bolj ustrezna za navijanje dveh ali več paralelnih vodnikov.

Statorsko jedro je postavljeno na nastavek držalne plošče. Vsi statorski poli razen navijalnega so prekriti z pokrovom držalne plošče na katerega sta nameščeni navijalni čeljusti. Pokrivalo in čeljust se med postopkom navijanja vrtita sinhrono z pogonskim vretenom. Med postopkom navijanja navijalna šoba vodi žico na navijalne čeljusti, katere se rotirajo skupaj z paketom, žico pa umerijo v utor. Po zaključku navijanje ene izmed tuljav, se pokrivalo odmakne. Paket se nato zavrti za ustrezni kot in postopek se lahko ponovi.

Slika 2.10: Navijanje s čeljustjo – metoda rotacije paketa [4]

Precej drugačen postopek predstavlja navijanje z iglo. Ločimo postopek navijanja za pakete z notranjim utorom, prikazane na sliki 2.11 ter pakete z zunanjim utorom na sliki 2.12 . Postopek navijanja z iglo je posebej zasnovan za navijanje tuljav elektromotorjev

Navijalna šoba je med navijanjem usmerjena radialno na statorski utor. Vpeta je na nosilni tulec, kateri jo med navijanjem vodi po ustrezni trajektoriji. Šoba potuje vertikalno po zračni reži dokler ne doseže čela paketa. Na čelu paketa jo nosilni tulec obrne za ustrezen kot in jo prestavi v naslednji statorski utor. Njena pot se obrne vertikalno v nasprotno smer proti dnu paketa, kjer jo tulec z ustreznim obratom ponovno vrne v predhodni utor. Namesto obračanja šobe, je možno obračati tudi statorski paket, kar vodi do podobnih rezultatov.

(28)

Slika 2.11: Navijanje z iglo – stator z notranjimi utori [4]

Prehod med vertikalno smerjo in radialnim obračanjem igle je izveden zvezno, tako da je trajektorija igle podobna elipsi. Za optimalno porazdelitev ovojev v statorske utore med navijanjem spreminjamo globino do katere igla seže v statorski utor. Prav tako je potrebno upoštevati, da sta v enem utoru dve palici sosednjih tuljav med njim pa je potreben ustrezen prostor za pot navijalne šobe. Navijalno šobo lahko obrnemo za 90° vodoravno na navijalni tulec. S tem lahko žico vodimo okrog držal na brizgani čelni izolaciji, in jo namestimo na kontaktne terminale.

Sledi še navijanje z iglo pri paketih z zunanjim utorom. V večini primerov se taka tehnika navitja uporablja za motorje z zunanjim. Paket se namesti za vertikalno os s pomočjo katere obračamo paket med navijanjem posamezne polove tuljave. Tako se lahko paket obrne za ustrezen kot, da nato začne igla z navijanjem naslednje tuljave. Metoda je posebej uporabna za navijanje polovih zvezd segmentiranih statorjev, saj imajo večje razmake med tuljavami, kar prinaša več manevrskega prostora za pot navijalne šobe.

Podobno kot pri navijanju paketov z notranjimi utori lahko tudi v tem primeru iglo zaradi potreb kontaktiranja (na primer na komutator) obrnemo za 90° stopinj.

(29)

Slika 2.12: Navijanje z iglo – stator z zunanjimi utori [4]

Primerjava tehnik strojnega navijanja:

Navijanje z iglo:

• Edina možna rešitev za avtomatsko navijanje nesegmentiranih statorjev s polovimi čevlji

• Trajektorijo navijanja je možno programsko zelo dobro prilagoditi obliki pola

• Oddaljenost med navijalno šobo in navijano tuljavo je majhna, zato ne potrebujemo vodilnikov za usmerjanje žice

• Trajektorija gibanja je sestavljena iz več operacij, zato je hitrost navijanja omejena (ovoji /min)

• Geometrija navijalne šobe mora biti prilagojena glede na geometrijo reza lamele in presek žice

• Z vertikalno usmerjeno iglo lahko žico avtomatsko namestimo na kontaktne terminale.

• Možno je navijati segmentirane in nesegmentirane zunanje in notranje izvedbe statorjev

• Možno je navijati verigo polov

• Pri prehodu na navijanje z drugim presekom žice je potrebno menjati navijalno šob in ustrezno nastaviti navijalni stroj.

• Z uporabo navijanja z iglo se lahko izognemo segmentaciji paketa, kar pohitri proizvodnjo linijo, saj izpustimo korak sestavljanja paketov.

(30)

Navijanje s Flyerjem:

• Primerna rešitev za navijanje paketov z zunanjimi utori. Pri paketih z notranjimi utori je potrebna segmentacija

• Možnost navijanja z večjimi hitrostmi (ovoji/min)

• Za pravilno namestitev ovojev so potrebne navijalne čeljusti, katere vodijo žico v utor statorskega/rotorskega paketa

• Zračna reža med polovimi čevlji je lahko tanjša, saj ne potrebujemo prostora za navijalno šobo. Od reže je odvisen samo največji presek žice

• Šoba Flyerja je lahko neomejeno prilagodljiva preseku žice, kar je lahko prednost pri motorjih z večjim presekom žice

• Možnost kontaktiranja žice je omejena. Kontaktiranje lahko poteka naknadno ali z zareznimi kontaktnimi terminali

• Prehod na drugo višino paketa in drug presek žice vedno ne zahteva menjave šobe, temveč lahko stroj nastavimo programsko

2.2.4 Tehnologija kontaktiranja

Za uspešno izvedeno navitje je potrebno v naprej načrtovati načine kontaktiranja žice na kontaktne terminale.

Kontaktiranje je sestavljeno po naslednjem postopku:

• Smiselno fiksiranje žice na kontaktni element glede na vezalno shemo motorja med postopkom navijanja

• Vzpostavljanje prevodnega spoja lakirane bakrene žice in kontaktnega elementa

• Izvedba izvodov iz kontaktnih terminalov za priklop motorjev na napajalni oziroma krmilni del

Potrebno je, da se kontaktni element integrira v izolacijo. Integracija je lahko izvedena z naknadnim vstavljanjem v predhodno načrtovana mesta ali pa se element v končno pozicijo fiksira že med postopkom brizganja izolacije.

Prevoden spoj med kontaktom in lakirno žico mora biti ustrezno izveden glede na metodo navijanja, napenjanje in presek žice. Izvodi kontaktnih terminalov morajo biti izvedeni glede na zahteve motorja. Ponuja pa se tudi možnost preklopa v drugo vezavo, ki je zvezda/trikot.

Navijalne žice so izolirane z izolacijski lakom. Ker zaščitni lak ni prevoden ga je potrebno med kontaktiranjem odstraniti, kar zagotovi električno prevoden spoj.

Lak lahko odstranimo z posebno napravo, kar je lahko zamudno in neekonomično, zato se temu postopku izognemo tako, da lak odstranjujemo termično med

postopkom varjenja.

(31)

V našem primeru uporabljenega statorja kontaktiranje poteka preko držala kontaktov. Držalo ima na plastični del ali tiskano vezje pritrjen priključni kontakt. Navitje prislonimo na kontakt, kjer ga naprava pritisne na kontaktni jeziček in stisne bakreno žico. Na robu kontaktnega jezička kasneje sledi tudi obrez navitja. Kasneje sledi še zalitje navitja z lepilom, kot je vidno na sliki 2.13.

Slika 2.13: Kontaktiranje statorskega paketa

(32)

3 Metodologija raziskave

V tem poglavju bo predstavljen postopek konstruiranja celotne naprave in predstavitev podsklopov. Opisal bom kaj posamezen podsklop predstavlja in zakaj je uporaben.

Predstavil bom izbiro kritičnih komponent ter materialov.

Da bo sama naprava delovala pravilno je potrebna povezanost podsklopov. Najprej je bilo potrebno skonstruirati ležišče za statorske pakete, sledilo je varilno orodje in okoli tega ohišje. Glede na vse omejitve je bilo potrebno izbrati ustrezne pnevmatske cilindre in ostalo pnevmatiko za pravilno delovanje.

3.1 Postopek konstrukcije

Postopek konstrukcije naprave se v podjetju vedno začne z zahtevami tehnologije.

Konstrukter vedno dobi seznam tehničnih in tehnoloških zahtev (TZZ), katerim mora slediti skozi celoten postop konstrukcije naprave. V njih so zapisane gabaritne mere naprave, delovanje naprave, omejitve, postavitev, takti in podobno. Sama konstrukcija poteka v programu PTC Creo, za pomoč pa se uporabljajo tudi programi kot so AutoCad ali ZWCad predvsem za tlorisni pogled samo proizvodnje oz. delovnega okolja.

Po končani konstrukciji vedno sledi potrditev konstrukcije s strani tehnologov. Naslednji korak je izdelava delavniških in sestavnih risb, zadnji pa izdelava kosovnice za naročilo materiala.

V tehničnih in tehnoloških zahtevah smo dobili zahteve tehnologije, pogoj za delovanje samega procesa ter postopek delovanja naprave.

(33)

Metodologija raziskave

Zahteve tehnologije so bile sledeče:

• čim bolj avtomatizirana naprava

• toplotno varjenje držala kontaktov na navit stator

• možnost nastavljanja temperature

• nastavitev in spreminjanje časa varjenja

• nastavitev in spreminjanje časa ohlajanja

• nastavitev in spreminjanje tlaka v sistemu

• nastavitev dolžine hoda varjenja

• hitra menjava orodja

Naprava za pravilno delovanje more izpolnjevati naslednje pogoje:

• dosežena obratovalna temperature varjenja na grelniku

• pravilno orientiran statorski paket

• pravilno orientirano plastično držalo kontakta

3.1.1 Zaključna konstrukcija naprave

Zaključna konstrukcija naprave, katera je prikazana na sliki 3.1 upošteva vse tehnične in tehnološke zahteve, ki so bili določeni na začetku konstruiranja. Izdelana so bila 3 različna ležišča za vsako višino statorskega paketa, vsa pa so hitro zamenljiva. Samo ležišče je pritrjeno na cilinder, kateri ima 2 položaja (začetni in končni). Varilno orodje je prav tako nameščeno na cilinder, kateri ima začetni in končni položaj. Celotno orodje je zaprto v kletko, pred morebitnim posegom v orodje pa je zaščiteno z svetlobno zaveso. Na desni strani naprave imamo poličko z regulatorjem temperature grelnika, na levi pa kontrolno omaro za upravljanje naprave. Na zadnji strani naprave imamo pnevmatski otok. Gabaritne dimenzije (Š×V×G) naprave brez mize znašajo 950mm×855mm×450mm, skupaj z mizo pa 1230mm×2500mm×950mm. Masa naprave znaša 85kg.

(34)

Slika 3.1: 3D model naprave

3.1.2 Konstrukcija ležišča za statorski paket

Zahtevano je bilo pripraviti 3 različna ležišča statorskega paketa z ustreznim podporo za držala kontaktov in varovalom bakrenim žic. Vsako izmed ležišč statorskega paketa na sliki 3.2 je sestavljeno iz podložne plošče, pozicionirne plošče, podpornega obroča, podpore navitja in igel.

(35)

Slika 3.2: 3D Model ležišča statorskega paketa

Podložna plošča je temelj ležišča, povezuje ostale komponente skupaj z pomičnim sklopom orodja. Plošče ostalih ležišč se razlikujejo po višini in so prilagojene vsaka svojemu statorskemu paketu. Izdelana je iz aluminija.

Pozicionirna plošča je univerzalna in je enaka pri vseh ležiščih. Podložna in pozicionirna plošča sta med seboj povezani z dvema zatičema D4x16 in dvema vijakoma M6x16. Plošča ima na vrhu kalupa tudi dva utora, s katerima lahko zagotovimo pravilno orientacijo statorskega paketa, obenem pa služi tudi kot varovalo pred zasukom. Izdelana je iz kaljenega jekla, ker je vedno v kontaktu z novimi statorskimi paketi in se ne sme hitro obrabiti.

Na pozicionirno ploščo s pomočjo ugreznjenih vijakov namestimo podporni obroč. Ta je izdelan po obliki statorskega paketa. Obroč ima 4 krake kateri služijo kot podpora pri varjenju, tako da je stator na predelu pod pini zaščiten proti morebitnem povesu zaradi sile pritiska cilindra. Kraki so na zgornjem delu natančno brušeni, kar nam zagotavlja pravokotnost držala kontaktov na vrhu krakov podpornega obroča. Za material je bilo izbrano jeklo 1.2379. Obroč je kaljen na 52 HRc [5] in nitriran na 65 HRc.

Podpora navitja je nastavek iz jekla na robu ležišča, na katerega naslonimo žice, da ne pride do morebitnih poškodb bakrenih žic med postopkom varjenja. Na ta način žice ustrezno odmaknemo iz območja varjenja. Površina nastavka je svetleče polirana, kar zagotavlja

(36)

Zadnja stvar v sklopu ležišča so pozicionirne igle [6]. Z iglami pravilno orientiramo določeno plastično držalo kontakta. Primer pravilne namestitve igel in orientacije držala kontaktov je predstavljen na sliki 3.3. Različne višine ležišč so razvidne na sliki 3.4.

Slika 3.3: 3D Model plastičnega držala kontaktov

Slika 3.4: primer različnih višin ležišč

Ležišča so pritrjena na ploščo v katero so privijačeni pomični vozički. Vozički se pomikajo po vodilih dolžine L=230mm. Sama plošča pa se lahko premika s pomočja horizontalnega cilindra MY3B16-200 proizvajalca SMC. Območje pomika je vidno na sliki 3.5. Glede na

(37)

Slika 3.5: Območje pomika cilindra

3.1.3 Varilno orodje

Varilno orodje je najbolj kompleksen podsestav naprave. Sestavljen je iz spodnjega in zgornjega dela varilnega orodja.

Spodnji del varilnega orodja

Spodnji del je viden na sliki 3.6 in ga sestavljajo 4 plošče. Te so pozicionirna plošča, plošča za grelnik, izolirna plošča ter pritrditvena plošča. Na dnu imamo 5 varilnih matic ter 5 igel za pozicioniranje. Na eno izmed plošč je pritrjen tudi grelnik. Na vrhu imamo 3 povezovalne valje, 5 vzmeti in 5 nosilcev vzmeti. Glavna naloga tega dela orodja je toplotno varjenje. Ta del orodja zagotavlja tudi da bo držalo kontaktov ves čas varjenja in hlajenja ohranjalo prvotno pozicijo in ne bo prihaja do kakršnih premikov držala. Predvsem pomembmo je hlajenje, saj se po končanem postopku varjenja orodje malenkost odmakne, igle za poziciniranje pa skrbijo da do premika držala ne pride. Prenos toplote na varilne matice smo zagotovili z vstavljanjem grelnika v sredino orodja. Seveda pa je ta razdalja med tema elementoma pomenila kar nekaj toplotnih izgub.

(38)

Slika 3.6: Spodnji del varilnega orodja

Pozicionirna plošča na sliki 3.7 je narejena po obliki statorskega paketa tako, da lahko varilne matice na sliki 3.8 nasedejo na pine in jih kar se da enakomerno temperaturno varijo. V sredini plošče se je dodala izpraznitev, saj je bilo prvotno v ležišča planirano dodati še kalibracijski obroč, za katerega pa se je kasneje ugotovilo da ni potreben.

Varilnih matic je skupaj 5. Tako mora biti središče pina in varilne matice poravnano. Na plošči mora biti še 5 izvrtin skozi katere nemoteno drsijo igle, katere služijo za podporo držal kontaktov. Plošča je narejena iz materiala 1.7225 in poboljšana na 1400 N/mm²[7].

Slika 3.7: Pozicionirna plošča z varilnimi maticami

(39)

Slika 3.8: Varilna matica

Naslednja v sklopu je plošča grelnika vidna na sliki 3.9. Na plošči je utor v obliki grelnika, kateri segreva varilne matice. Grelnik ni standardni del, ampak je narejen po delavniški risbi.

Narejen je tako da pokriva in greje kar se da veliko površino. Plošča grelnika je prav tako narejena iz jekla 1.7225 [8] in je poboljšana na 50 HRc.

Slika 3.9: Plošča za grelnik in grelnik

Nad grelno ploščo se nahaja izolacijski valj, katerega naloga je zaustaviti toploto tako da ne potuje navzgor. Izdelana je iz izolacijskega materiala Z7924 [9].

Najvišje med vsemi pa je pritrditvena plošča. Nanjo se z spodnje strani privije vse ostale plošče, z zgornje strani pa pritrdimo 3 povezovalne valje in 5 nosilcev vzmeti. Valji nam delujejo kot distančniki med pritrditveno in zgornjo izolacijsko ploščo, katera je že v sklopu zgornjega dela varilnega orodja. Na nosilce vzmeti so naložene vzmeti. Te so dolžine L=60mm, imajo premer žice 0,4mm in korak 1,5mm. Vzmeti nam s svojo karakteristiko

(40)

Okoli celotnega spodnjega dela orodja je nameščena zaščitna kletka na sliki 3.10, katera s pomočjo svojih izolacijskih sposobnosti prepreči da bi toplota uhajala po celi napravi. Vse izolacijske plošče so narejene iz materiala Z7922 [9]. Proizvajalec je podjetje Strack. Plošče so med seboj povezane z vijaki M3×12, privijačene pa so v nosilno ploščo z vijaki M5×12.

Vsi standardi vijakov so DIN 912. V eno izmed izolacijskih plošč je bilo potrebno vrezati tudi navoj, da smo lahko dodali tudi kabelsko uvodnico za grelnik. Plošče so lahko in hitro snemljive, v kolikor je potrebno karkoli zamenjati oz. očistiti. Primer menjave je grelnik, ki ga menjamo približno enkrat na 10 let. Na vsake toliko časa pa je potrebno tudi polirati spodnjo površino varilnih matic, saj se lahko del plastike tudi primer na samo matico.

Slika 3.10: Zaščitna kletka Zgornji del varilnega orodja

Zgornji del varilnega orodja, ki je prikazan na sliki 3.11 pa skrbi predvsem za premikanje celotnega varilnega orodja.

Osnova tega dela je cilinder CP96SDB100-100CW proizvajalca SMC. Hod tega cilindra je 100mm. Obratuje pa na okoli 3,5-6 bar. Za lažje vodenje imamo na obeh straneh cilindra vodilna stebra Z4320 [10] dimenzij D24x280 proizvajalca Strack. Oba stebra se pomikata skozi vodilni puši Z4411-24-60-B [11]. Puši sta pritrjeni v zgornjo osnovno ploščo naprave.

Vodilna stebra sta pritrjena na nosilno ploščo, batnica cilindra pa je pritrjena v spojni kos KSG-20×1,5. Spojni kos je prav tako privit v nosilno ploščo. Na vsakem izmed vodilnih stebrov je nameščen nastavek, katerega zaznajo senzorji ko je cilinder v delovnem oz.

osnovnem položaju. Zaznavanje je torej mogoče z indukcijskim senzorjem M12 4MM BES00EF.

(41)

Na vrhu cilindra se nahaja masna plošča, katera ima utor za nastavno maso. Čisto na vrhu batnice cilindra pa se nahaja nastavna matica. Matica ima v sredini navoj, tako da se lahko z vrtenjem matice regulira višino. Nastavitev višine se uporablja pri dveh vrstah plastičnih držal kontaktov. Namreč batnica cilindra se skupaj z nastavno matico spusti, ta pa nato nasede na nastavno maso. Tako dobimo stalno določen pomik cilindra oz. višino varilnega orodja. V nasprotnem primeru bi drugače lahko nastala prevelika sila na plastično držalo in bi prišlo do poškodbe. Nastavna matica ima na vrhu narejeno tudi izvrtino za vijak M8×25, s katerim lahko privijemo matico, tako da ne pride do premika.

Zgolj pri držalu kontaktov tiskanega vezja nastavni matici ni potrebno nalegati na nastavno maso, zato jo lahko odstranimo. Nastavna masa je pripravljena za hitro odstranitev, v masi se nahaja manjši magnet kateri z magnetnimi silnicami deluje na maso in prepreči premik.

(42)

3.1.4 Ohišje naprave

Ohišje naprave, ki je prikazano na sliki 3.12 je sestavljeno iz 2 osnovnih plošč, 6 stebrov, 4 jeklenih mrež, 4 pokrovov mreže in plošče za pnevmatski otok.

Na spodnjo ploščo je pritrjen celoten sklop ležišča, skupaj z cilindrom in vodili. Plošča je dimenzij 550x380x20. Narejena je iz jekla 1.0038, površinska obdelava te plošče pa je cinkanje. Na straneh plošče so iz spodnje strani priviti stebri, kateri nosijo zgornjo ploščo.

Med stebri se nahajajo jeklene mreže, ki služijo kot zaščita pred posegom v napravo.

Na zgornjo ploščo je pritrjen cilinder CP96SDB100-100CW, vodilne puše pa so vstavljene v ploščo. Zgornja plošča je prav dimenzij 550mm×380mm×22mm, prav tako pa je iz materiala 1.0038 in cinkana. Plošča ima tudi izrez na katerega lahko namestimo prozorno pleksi steklo ACRIDITE 820. Ta omogoča operaterju boljši pogled v napravo med delovanjem. Na plošči so še navojne izvrtine za pleksi steklo. Na levi strani imamo še aluminijasti profil na katerega je pritrjena kontrolna omarica in regulator tlaka za ta cilinder.

Pod sklop ohišja spada še majhen podsklop Senzor prisotnosti kosa, kateri vsebuje nosilec senzorja in senzor LR-ZB250CP podjetja Keyence. Snop žarkov tega senzorja zazna kos, ki je lahko oddaljen maksimalno 250mm. Ko ta senzor zazna, da je statorski paket skupaj z držalom kontaktov v delovni poziciji se prične spuščati varilno orodje.

Slika 3.12: Ohišje naprave

(43)

3.1.5 Regulator temperature

Desno od naprave se je nahaja sestav iz aluminijastih profilov na katerega se je pritrdila polička v dimenzijah regulatorja temperature Z7520-1. Z regulatorjem nastavljamo željeno temperaturo grelca, ki se nahaja v spodnjem delu varilnega orodja. Na grelec je položen tudi termalni senzor Z7022, ki komunicira skupaj z regulatorjem. Tako grelec in termalni senzor smo naročili pri podjetju Strack. Regulator intervalno pošilja signal, tako da imamo vedno stalno temperaturo grelca.

Ker nam alarm javlja preseženo nastavljeno temperaturo moramo v alarmu nastavit ustrezno nižjo temperaturo. Torej je nastavljena temperatura varilne glave (SV) višja od nastavljene temperature alarma.

Za držala kontaktov tiskanega vezja je temperatura na grelcu 255°C, za ostala plastična držala pa 320°C. Seveda od grelca do varilnih matic pride do kar velikih toplotnih izgub. Pri temperaturi grelca 255°C smo lahko z termočlenom izmerili temperaturo na dnu varilnih matic. Ta je znašala 135°C, torej smo imeli skoraj polovično izgubo.

Določanje delovne temperature grelnika je opisano na sliki 3.13.Sam proces delovanja naprave se ne bo začel, dokler regulator ne posreduje kontrolni omarici znaka, da ima grelec zadostno temperaturo. To je bil tudi pogoj iz tehnologije. Da se grelec ogreje na primerno temperaturo traja okoli 4-5min.

Slika 3.13: Določanje delovne temperature grelnika

(44)

3.1.6 Kontrolna omarica

Kontrolna omarica se nahaja na levi strani naprave. Je dimenzij 300mm×300mm×120mm.

Na njej so tipke za start, ustavitev, ponovni zagon sistema ter izklop v sili. V krmilno omarico je vgrajen Siemensov HMI panel KTP 400, preko katerega se nadzoruje vse procese in parametre varjenja v napravi. Sama kontrolna je na aluminijast profil pritrjena z zglobnim setom 45×45 Bosch.

3.1.7 Pnevmatski sklop

Osnovo pnevmatskega sklopa na sliki 3.14 predstavljata 2 pnevmatska cilindra:

Cilinder CP96SDB100-100CW [12] je standardni po ISO 15552, vgradne mere so po standardu VDMA 24562. Ima enostavno montažo stikal in nastavitev končnega pnevmatskega dušenja, vezni vijaki so ograjeni v ohišju. Ima možnost kombinacije elastičnega in nastavljivega pnevmatskega končnega dušenja, čas in hrup končnega dušenja pa sta zmanjšana glede na pretekle verzije.

Cilinder MY3B16-200 [12] je brezbatnični, tesnenje pa omogoča tesnilni trak. Ta vrsta cilindrov omogoča 3 izvedba, naša MY3B zagotavlja pnevmatsko končno dušenje.

Konstrukcija z ovalno batnico omogoča manjše vgradne mere in teže. Cilinder pa ima možnost nadgradnje omejevalca hoda, izravnalnega elementa ter stranskih podpor.

Na levi strani plošče se nahaja pripravna grupa za zrak, kamor se dovede stisnjeni zrak iz omrežja. Ta je pod tlakom 6 bar. Na pripravni grupi je tudi možnost nastavljanja tlaka. Na desni strani pa je pritrjena podnožna plošča z ventiloma SY7320-5WAOU-02F-Q in SY7420-5WAOU-02F-Q. Celoten sistem je med seboj povezan z pnevmatskimi cevmi za zrak, ki imajo zunanji premer 10 oz. 8mm.

(45)

3.2 Skrb za upravljalca delovnega mesta

Glede na to da, da bo upravljalec tega delovnega mesta na njem prisoten vsakodnevno 8 ur na dan je potrebno upoštevati načela ergonomije in varnosti. Skozi samo konstrukcijo naprave smo se trudili, da bi izdelali kar se da prijazno delovno mesto. Zagotovili smo dvižno mizo in ergonomski stol. Napravo smo opremili z več varnostnimi elementi, da bi preprečili morebitne poškodbe oz. opekline.

3.2.1 Ergonomija delovnega mesta

Naprava bo postavljeno na električno dvižno delovno mesto OPL [13] vidno na sliki 3.15.

Celotna delovna površina na mizi je dimenzij 1200mm×800mm, torej ima upravljalec na mizi tudi prostor, za zaboj plastičnih držal kontaktov. Najnižja točka delovne površine znaša 593mm, najvišja pa 993mm, torej se delovno mesto lahko dvigne za 400mm. Maksimalna sila, ki je dovoljena na delovno površino ne sme presegati 2400N. Delovno mesto je opremljeno tudi z podstavkom za noge, električnimi vtičnicami in LED lučmi.

Slika 3.15: Električno dvižno delovno mesto in ergonomski stol [13]

Delovno mesto smo opremili tudi z ergonomskim stolom, ki ima možnost nastavljanja višine stola in kota naslonjala. Upravljalec naprave pa se lahko sam odloči ali bo svoje delo opravljal v sedečem ali stoječem načinu.

Zadnja skrb v sklopu ergonomije je bila postavitev tipke za zagon procesa varjenja.

Odločitev je bila, da se izdela jekleni nosilec na katerega bo vklop privit. Tipka bo nato

(46)

3.2.2 Varnostni elementi na napravi

Pri konstrukciji vsake naprave je zelo pomembno, da veliko pozornosti posvetimo na varnost in zdravje pri delu. Pri izdaji vsake naprave je potrebno napisati tehnično dokumentacijo in dokumentacijo o oceni tveganja. Ocena tveganja v grobem predstavlja podatke projekta, oceno tveganja po življenjski dobi in oceno tveganja po nevarnostih.

Tudi na tej napravi je bilo vključenih nekaj varnostnih elementov.

Kot prve je bilo na napravo potrebno vgraditi jeklene rešetke na ohišju. Te fizično preprečujejo, da bi upravljalec lahko s strani posegal v napravo. Tako lahko preprečimo zmečkanje, ureznine, udarce in podobno.

Drug varnostni element na napravi so izolacijske plošče iz materiala Z7922 okoli varilnega orodja. Te so temperaturno odporne do okoli 230°C. Tudi če bi prišlo do stika upravljalca s to ploščo, bi ga obvarovala pred morebitnimi opeklinami.

Naslednji zelo pomembni varnosti element je prikazan na sliki Slika 3.16. To sta 2 varnostni svetlobni zavesi 300MM 632081 [14] podjetja PILZ.

Varnostne svetlobne zavese so uporabne za zaščito prstov, dlani oz. rok delavca.

Preprečujejo dostop do nevarnega območja. Različni tipi zaves imajo integrirane funkcije stroja, to omogoča varne rešitve za nadzor kot so: restart, interlocking, bypass, PSDI funkcija in podobno. Poznanih je več proizvajalcev in vrst svetlobnih zaves, ki se razlikujejo po tipu zaščite. Gre se od tipa zaščite prstov, tipa zaščite dlani do zaščite delavca. Skupna točka zavesam je da takoj ob prekinitvi svetlobe zaustavijo napravo. Zavese morajo biti povezane na varnostni modul, kateri pošilja signale krmilniku, kdaj je prišlo do prekinitve.

Svetlobna zavesa preko senzorjev kontrolira varovano območje in morebiten poseg vanj.

Zavese vsebujejo dve enoti za nadzor. To sta oddajnik in sprejemnik. V obeh se nahajajo optične in električne komponente. Vmesni prostor je imenovan zaščitno polje, opredeljujeta ga višina in širina. Število optičnih komponent se razlikuje glede na ta parametra oz. tipa zaščite.

Oddajnik in sprejemnik je potrebno sprva sinhronizirati, obe enoti pa sta povezani z varnostnim modulom. Nekatere zavese je moč vezati tudi zaporedno, to pa nam prinese povečano zaščitno polje. Oddajniki so opremljeni tudi s statusnimi lučmi, te pa javljajo ali je povezava zavese v redu ali je morda prekinjena oz. deluje šibko. V kolikor pride do prekinitve samo ene optične komponente nam mora zavesa javiti prekinitev, drugače ne deluje pravilno. Oddajnik od sebe pošilja infrardeče svetlobne pulze, katere sprejemnik nato analizira. Torej če je samo en signal prekinjen se mora stroj na katerem je zavesa zaustaviti.

Takoj ko je zaščitno polje spet prosto, pa ima stroj spet možnost ponovnega zagona.

(47)

Slika 3.16: Svetlobna zaščitna zavesa [14]

Zadnji uporabljen varnostni element pa je zaščita cilindra na sliki 3.17. Cilinder ima na batnici nastavno matico. Ob pomiku cilindra bi lahko prišlo do nezgode, zato smo se odločili, da bi cilinder zaprli v posodo iz pleksi stekla. Ponovno je bil uporabljen material ACRIDITE 820. Posoda ima zadaj izrez za senzorske priključke ter pnevmatske cevi. Na vrhu je krožni odrez, da upravitelj naprave lahko dostopa do vijaka na nastavni matici. Spredaj imamo snemljiv pokrov prav tako iz pleksi stekla. Tako je možen dostop do nastavne mase, katero je pri PCB tipu plastičnega držala kontaktov potrebno sneti. Posoda in pokrov sta med seboj povezana z vijaki M6 in magnetnim stikalom Balluff. Stikalo mora biti v obeh delih povezano, drugače naprava ne dobi dovoljenja za zagon.

(48)

3.2.3 Opozorila za nevarnost

Piktogram za nevarnost je slika na etiketi, ki vključuje opozorilno oznako in posebne barve, namenjene zagotavljanju informacij o škodi, ki jo lahko določena snov ali zmes pomeni za naše zdravje ali okolje.

Tudi to napravo je bilo potrebno ustrezno opremiti. Stroj je namreč opremljen z električnimi napravami. Poseganje v električne naprave in izdelano krmilje lahko opravlja strokovno usposobljena oseba. Večjo nevarnost pa tudi predstavljajo vroči deli na napravi.

Na sliki 3.18 so vidni vsi piktogrami, ki se jih je uporabilo. Vsa opozorila so rumeno črne barve in so na vidnem mestu. Opozorilo za prisotnost električne napetosti ter označba glavnega stikala stroja za izklop se nahajata na elektro omari napravi, katera je pritrjena na delovno mizo s spodnje strani. Opozorilo za izvir toploto in možnost opeklin pa je jasno vidno iz sprednje strani.

Slika 3.18: Opozorila za nevarnost

(49)

3.3 Seznam obrabljivih in kritičnih delov

Po potrditvi konstrukcije je sledila izdelava tehničnih in sestavnih risb vseh elementov. Poleg samih risb je bilo potrebno izdelati tudi seznam obrabljivih delov vidnih v preglednici 3.1 in seznam kritičnih rezervnih delov v preglednici 3.2. Seznam obrabljivih delov vsebuje elemente naprave, katere se tekom delovanja naprave počasi obrabljajo. Seznam kritičnih elementov pa vsebuje vse dele naprave brez katerih je delovanje nemogoče. Te je bilo kasneje potrebno priložiti konstrukcijski dokumentaciji, skupaj z navodili za upravljanje stroja. Obe tabeli vsebujeta ID posameznih elementov, kodo risbe po kateri se elemente najde, kodo sestavne risbe h kateri spada, ter sam naziv kosa. Takšni so zahtevani standardi za čim boljšo preglednost.

Preglednica 3.1: Seznam obrabljivih delov naprave

Preglednica 3.2: Seznam kritičnih delov naprave ZAPOREDNA

ŠT. ID KODA RISBE NAZIV Proizvajalec

1 440112 / CILINDER CP96SDB100-

100CW SMC

2 440113 / CILINDER MY3B16-200 S SMC

3 118899 / KROGLIČNI VOZIČEK

R162219420 HYPEX

4 111666 / PUŠA VODILNA Z4411-24-

60-B STRACK

5 118857 / KROGLIČNO VODILO

R160510431 HYPEX

6 241963 / MAGNET PRITRDILNI

MP95.00001 MB-TEH

7 439359 12.552.02.014 GRELNIK 100x96,5x6,5 ETA CERKNO ZAPOREDNA

ŠT. ID KODA RISBE NAZIV SESTAVNICA

1 438976 12.552.01.104 PODPORNI OBROČ 12.552.01.100 2 439351 12.552.01.204 PODPORNI OBROČ 12.552.01.200 3 439356 12.552.01.304 PODPORNI OBROČ 12.552.01.300 4 438994 12.552.02.011 NASTAVNA MATICA

74x55x50 12.552.02.000

5 114527 / STEBER VODILNI Z4320-

24-280 12.552.02.000 6 439360 12.552.02.015 VZMET D4,5x60 12.552.02.000

(50)

3.4 Testiranje in prilagoditev naprave

Po dobavi vseh sestavnih delov je sledilo sestavljanje naprave. Tekom sestave se lahko pojavi kakšen problem ali pa ideja za izboljšavo. Tudi ta naprava ni bila izjema.

Prva manjša dodelava, ki je sledila je bila dodati tolerance za izvrtine na pozicionirni plošči varilnega orodja. Igle za pozicioniranje držal namreč morajo nemoteno potovati skozi vse plošče. Tako je bila plošči dodana toleranca H7, iglam pa g6 [15]. Po dodatni obdelavi so igle lepo potovale skozi vse plošče.

Naslednja pomemba stvar je bilo določanje globine blažilcev in pozicionirne igle na horizontalnem cilindru. Z uravnavanjem pozicionirne igle cilindra smo dobili natančno mesto, do kje se voziček lahko zapelje. Ta lega je pomembna zato, da sta pin statorskega paketa in varilna matica kar se da soosna. To pa nam potem zagotavlja lepo obliko vara.

Pri vertikalnem cilindru smo lahko z dušilkami kontrolirali hitrost spuščanja batnice. Celoten sistem proizvodnje deluje na 6 bar, s pomočjo dušilk pa je bilo možno znižati tlak za polovico nekje okoli 2 cm pred varilnim območjem. Tako poskrbimo da ne pride do udarca varilnega orodja na pin, temveč se lepo spusti in počasi temperatura stali plastičen pin.

Tekom testiranja smo opazili, da je vertikalni cilinder potencialno nevaren za uporabnika, saj bi lahko prišlo do udarca. Z namenom zaščite operaterja je bila narejena pleski zaščita cilindra.

3.5 Določanje parametrov varjenja

Eden izmed zadnjih korakov je bil določiti oz. ugotoviti optimalne parametre varjenja plastičnih držal kontaktov. Parametri zajemajo čas varjenja, čas hlajenja, silo pomika cilindra ter temperaturo grelnika oz. temperaturo varilnih matic. Začetne podatke za določitev parametrov varjenja smo črpali iz starejše naprave za varjenje držala kontaktov.

Težava je bila, da je prišlo do velikih sprememb v konstrukciji naprave, izbire materiala plošč, ključno vlogo pa je imel tudi drugačen grelec. Tako so se starejši parametri kar precej razlikovali od novo določenih. Tekom samega testiranja smo prilagajali vrednosti parametrov in s pomočjo križnega efekta prišli do končnih optimalnih vrednosti.

Upoštevane so bile še zahteve, da je zvar gladek in svetleč na pogled. Med statorskim paketom in držalom kontakta pa ne sme priti do zračnosti. Vsaka morebitna zračnost pomeni, da kos ne ustreza standardom. Zahtevana sila, ki jo morajo zvari zdržati je 10 N. Uporabljene bodo 3 višine statorskih paketov (20mm, 25mm in 35mm) in 3 različne vrste držal kontaktov.

Plastična držala kontaktov so prikazana na sliki 3.19. Primer a je držalo kontaktov tiskanega vezja (PCB), primer b je ploščato držalo kontaktov za tanjšo izolacijo in primer c je kompaktno držalo kontaktov. Višina statorskega paketa na parametre varjenja ne vpliva. Za višino je pomembno zgolj ležišče. Različna držala kontaktov pa ključno vplivajo na izbiro parametrov. Zato je bilo potrebno pripraviti 3 različne programe, da bo lahko upravljalec izbral pravilnega pred varjenjem določene serije.

(51)

Slika 3.19: Vrste plastičnih držal kontaktov

Izračunane so bile tudi teoretične sile s katerimi bi cilinder pritisnil na držalo kontaktov.

To smo lahko izračunali po enostavni enačbi za izračun sile glede na tlak in površino [16]:

𝐹 [𝑁] = 𝑝[𝑀𝑝𝑎] ∗ 𝐴[𝑚𝑚²]

Za podatek p je bilo potrebo vzeti 2 vrednosti, in sicer prvi prvem izračunu je bil p1 = 6 bar, pri drugem pa p2 = 4bar. Vrednost A pa je predstavljal premer bata.

𝐹₁ = 𝑝₁∗ 𝐴 = 0,6𝑀𝑝𝑎 ∗ 𝜋 ∗ 40²𝑚𝑚² = 3015,9𝑁 𝐹₂ = 𝑝₂∗ 𝐴 = 0,4𝑀𝑝𝑎 ∗ 𝜋 ∗ 40²𝑚𝑚² = 2010,6𝑁

3.5.1 Parametri varjenja za držalo kontaktov tiskanega vezja

Prvo izbiro parametrov je bilo potrebno pripraviti za držalo kontaktov tiskanega vezja (PCB). Ker je tu material PCB plastika se bo temperatura grelnika razlikovala od ostalih dveh držal. Ker pa v tem primeru ni nastavne matice, ki bi zadržala varilno orodje bo temperatura nižja kot na ostalih 2 držalih. PCB plastika bi sicer prenesla višjo temperaturo vendar zaradi neposrednega stika varilne matice in PCB držala nismo smeli iti previsoko. Za optimalno temperaturo se je izkazala vrednost okoli 255°C. Realna temperatura na varilnih maticah znaša 135°C. Prihaja do kar precejšnih izgub skozi plošče. Čas varjenja smo testirali najdlje od vsega. Najlepši zvar je bil viden pri 7 sekundah. Samo ohlajanje zvara v napravi pa traja 5 sekund. Tlak cilindra je bil enak tlaku omrežja in sicer 6 bar. Teoretična pritisna sila cilindra na zvare pri tlaku 6 bar pa znaša 3016 N. PCB držala se od ostalih razlikujejo še po eni stvari. Oblika tega držala je krožna in ima 5 izvrtin za 5 varov, medtem ko so ostala držala polkrožne oblike in imajo 4 izvrtine za 4 zvare.