Razvoj avtomatskega vpenjala krimpnih plošč za montažo zračnih vzmeti

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Razvoj avtomatskega vpenjala krimpnih plošč za montažo zračnih vzmeti

Rok Podjed

Ljubljana, september 2021

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo – Razvojno raziskovalni program

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Razvoj avtomatskega vpenjala krimpnih plošč za montažo zračnih vzmeti

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

Rok Podjed

Mentor: doc. dr. Simon Oman

Somentor: prof. dr. Marko Nagode

(4)

(5)

Zahvala

Zahvaljujem se laboratoriju LASEM, da sem bil izbran za kandidata pri izdelavi avtomatskega vpenjala.

Iskreno se zahvaljujem tudi mentorju dr. Simonu Omanu, ki mi je podajal odlične usmeritve pri pisanju zaključne naloge.

Za moralno podporo se zahvaljujem svoji družini.

(6)

vi

(7)

Izvleček

UDK 621.888.6:681.5(043.2) Tek. štev.: UN I/1524

Razvoj avtomatskega vpenjala krimpnih plošč za montažo zračnih vzmeti

Rok Podjed

Ključne besede: vpenjalo, aktuatorji, konstruiranje, VDI – 2225, avtomatizacija, koncepti.

Zaključna nalog obravnava konstruiranje avtomatskega prijemala krimpnih plošč za montažo zračnih vzmeti. Cilj naloge je zmanjšanje časa za menjavo in fizično razbremenitev delavca. Zahteve, ki smo jih dobili od podjetja, smo pregledali in analizirali. Iskali smo koncepte vpenjala, ki zahtevajo čim manjšo predelavo stroja in krimpnih plošč. Pri konceptih smo uporabili različne načine prijemanja plošče. Prvi koncepti nam niso bili najbolj všeč, kar je vodilo v izdelavo novih konceptov, ki imajo enak princip delovanja, razlika je bila samo v različnih aktuatorjih. Izvedli smo tudi preračun potrebne sile za izvlek zatiča.

Najboljše koncepte smo vrednotili po metodi VDI – 2225. Izbran pnevmatični koncept smo nato tudi detajlno narisali in pripravili dokumentacijo za izdelavo.

(8)

viii

Abstract

UDC 621.888.6:681.5(043.2) No.: UN I/1524

Development of automatic clamping device of crimping plates for air springs assembly

Rok Podjed

Key words: clamping device, actuators,

development, VDI – 2225, automation, concept.

Final assignment deals with development of automatic clamping device of crimping plates for air spring assembly. The goal of the assignment was reducing time of crimping plate change and physical relief of worker. Company sent us requests, which we looked and analyzed. We looked for concepts, that would not need processing of machine and crimping plates. We used different ways of holding crimping plates in our concepts. We did not like the firsts concepts, so we made new ones, which in general are very similar, only difference are different actuators. Calculation was made to get the force needed to get the locking pin out of crimping plate. Best concepts were rated with VDI – 2225 method. Detailed 3D model and documentation for manufacturing was made for final concept.

(9)

Kazalo

Kazalo slik ... xi

Kazalo preglednic ... xii

Seznam uporabljenih simbolov ... xiii

Seznam uporabljenih okrajšav ... xiv

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 2

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1 Načini prijema ... 3

2.2 Linearni aktuatorji ... 3

3 Metodologija raziskave ... 7

3.1 Zahteve ... 7

3.2 Koncepti ... 7

3.3 Prvi koncepti ... 8

3.4 Ponovna izdelava konceptov ... 9

3.5 Izdelava končnih konceptov ... 10

3.6 Vrednotenje konceptov po metodi VDI - 2225 ... 13

3.7 Analiza vrednotenja konceptov ... 14

3.8 Preračuni ... 14

3.9 Popravki koncepta ... 16

3.10 Detajlni izris vpenjala in opis komponent ... 18

4 Rezultati in diskusija ... 21

5 Zaključki ... 23

(10)

x

Priloga A ... 25

(11)

Kazalo slik

Slika 1.1: 3D model stroja za montažo zračnih vzmeti ... 1

Slika 2.1: Mehanski linearni aktuator ... 4

Slika 2.2: Hidravlični aktuator ... 4

Slika 2.3: Pnevmatični aktuator ... 5

Slika 2.4: Piezoelektrični aktuatorji ... 5

Slika 2.5: Elektromehanski aktuator ... 6

Slika 2.6: Elektromagnetni aktuatorji ... 6

Slika 3.1: Prvi koncept vpenjala ... 8

Slika 3.2: Drugi koncept prijemala ... 8

Slika 3.3: Tretji koncept prijemala ... 9

Slika 3.4: Koncept z vrtljivo ploščico ... 9

Slika 3.5: osnova novih konceptov ... 10

Slika 3.6: Prvi končni koncept ... 11

Slika 3.7: Drugi končni koncept ... 11

Slika 3.8: Graf sile v odvisnosti od pomika ... 12

Slika 3.9: Tretji končni koncept ... 12

Slika 3.10: Diagram ekonomske in tehnične vrednosti po VDI – 2225 ... 14

Slika 3.11: 3D model osnovne plošče ... 15

Slika 3.12: Podatki osnovne plošče ... 15

Slika 3.13: Skica trenja, ki se pojavlja pod osnovno ploščo ... 15

Slika 3.14: Skica trenja, ki se pojavlja pri izvleku zatiča ... 16

Slika 3.15: Kompakten koncept pnevmatičnega vpenjala ... 17

Slika 3.16: Pnevmatični cilinder podjetja Festo ... 17

Slika 3.17: Prerez kompaktnega koncepta pnevmatičnega vpenjala ... 17

Slika 3.18: Prerez detajlno narisanega koncepta vpenjala... 18

Slika 3.19: Detajlno izrisano ohišje vpenjala ... 18

Slika 3.20: Prerez zatiča ... 19

Slika 3.21: Pnevmatični cilinder Festo ADN ... 19

Slika 3.22: Predelana krimpna plošča ... 20

Slika 4.1: Vpenjalo s krimpno ploščo ... 22

(12)

xii

Kazalo preglednic

Tabela 1: Tehnični kriteriji po VDI – 2225 ... 13 Tabela 2: Ekonomski kriteriji po VDI – 2225 ... 13

(13)

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

m kg masa

F N sila

V m² volumen

g m/s² gravitacijski pospešek

ρ kg/m³ gostota

μ / koeficient trenja

Indeksi

p krimpne plošče

t trenje

N normala

tz trenje zatiča

(14)

xiv

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

3D tridimenzionalno

LASEM laboratorij za strojne elemente

M5 metrični navoj 5 mm

M10 metrični navoj 10 mm

(15)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

V podjetju, kjer proizvajajo zračne vzmeti, so se odločili, da avtomatizirajo stroj za montažo zračnih vzmeti (slika 1.1). Zaradi zelo velikega števila različnih sestavov zračnih vzmeti je namreč na stroju pogosto potrebno menjati orodje oziroma krimpne plošče, ki zagotavljajo ustrezno preoblikovanje pločevinaste plošče ob njenem spajanju z mehom zračne vzmeti.

Menjava krimpnih plošč vzame veliko časa in hkrati zaradi teže plošč obremenjuje delavca.

Z avtomatizacijo menjave krimpnih plošč bi tako močno zmanjšali potreben čas za menjavo in hkrati fizično razbremenili delavca za strojem.

Avtomatizacija stroja je bila razdeljena na več nalog. Ena izmed nalog je bila razvoj prijemala za ploščo, ki bo omogočal hitro manipulacijo plošč iz regalnega skladišča nameščenega poleg stroja. Razvoj prijemala je predstavljen v tej zaključni nalogi.

Slika 1.1: 3D model stroja za montažo zračnih vzmeti.

(16)

Uvod

2

1.2 Cilji

Namen zaključne naloge je razvoj avtonomnega vpenjala, ki bo zmanjšal fizični napor delavcev in omogočil prihranek časa. V nalogi bomo predstavili potek konstruiranja avtonomnega vpenjala. Konstruiranje obsega:

- iskanje različnih aktuatorjev po spletu, - zasnova konceptov in groba 3D oblika, - vrednotenje konceptov,

- izbira najboljšega koncepta,

- detajlno modeliranje najboljšega koncepta.

Velika ovira (vsaj od začetka) je bila zelo majhna reža, v katero je potrebno poriniti in izvleči ploščo za krimpanje, saj je reža v stroju visoka zgolj 40 mm.

Od teoretičnih raziskav pričakujemo inovativni način prijemanja plošče, medtem ko bi praktične raziskave morale prikazati, ali je način prijemanja izvedljiv za naš primer.

(17)

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Načini prijema

Naloga samega vpenjala je, da prime ploščo in jo izvleče oziroma potisne v sam stroj. Pri tem lahko deluje po različnih metodah prijemanja [2], ki so:

- prenašanje s trenjem, - prenašanje z obliko.

Prenašanje sile s trenjem je najbolj pogosta oblika prenašanja sile. Vendar pa za naš primer ni najboljša metoda prenašanje sile. Plošča za krimpanje, ki jo premikamo v stroj za montažo zračnih vzmeti drsi po stroju, nima nobenih vodil, ki bi preprečevali zatikanje plošče. Zato bi ob morebitnem zatikanju same plošče lahko prišlo do tega, da bi vpenjalo izgubilo oprijem s ploščo.

Prenašanje z obliko je bolj varna oblika prenašanja sile, saj bi tudi ob morebitnem izpadu energije oprijem med ploščo in vpenjalom ostal popoln. Po analizi same plošče smo se odločili, da je najboljša in tudi najcenejša metoda, da prijemanje plošče opravljamo s premikanjem zatiča v že obstoječo uho na plošči.

2.2 Linearni aktuatorji

Za avtomatsko delovanje vpenjala bomo potrebovali linearni aktuator [1], katerega naloga bo, da bo linearno premikal zatič. Poznamo več vrst linearnih aktuatorjev, kot so:

- mehanski linearni aktuatorji, - hidravlični aktuatorji, - pnevmatski aktuatorji, - piezoelektrični aktuatorji, - elektro-mehanski aktuatorji, - elektromagnetni aktuatorji.

(18)

Teoretične osnove in pregled literature

4 Mehanski linearni aktuatorji (slika 2.1) so aktuatorji, ki pretvarjajo rotacijo v linearni premik preko navoja. Obstajajo tudi linearni aktuatorji, ki lahko prenašajo samo vlečno silo, kot sta verižni in jermenski prenos. Sam mehanski linearni aktuator za naš primer ni najbolj primeren, saj bi za delovanje potrebovali mehansko delo človeka oziroma drugega vira.

Slika 2.1: Mehanski linearni aktuator

Hidravlični aktuatorji (slika 2.2) so najpogosteje hidravlični cilindri, ki pretvarjajo hidravlični tlak. Slednji pritisne na batnico v silo. Predstavnik hidravličnega rotacijskega aktuatorja je hidro motor, ki pretvarja pretok hidravličnega olja v rotacijo gredi hidro motorja.

Slika 2.2: Hidravlični aktuator.

(19)

Pnevmatični aktuatorji (slika 2.3) so podobni kot hidravlični aktuatorji, razlika je v mediju, ki prenaša energijo. V pnevmatiki je to najpogosteje filtriran zrak. Razlika med hidravliko in pnevmatiko je v sami hitrosti delovanja, kjer je pnevmatski sistem hitrejši od hidravličnega. Sila, ki jo pri istem premeru batnice lahko dosežemo, se bistveno razlikuje, saj so tlaki pri hidravliki običajno dvajsetkrat večji kot pri pnevmatiki, zato je tudi sila toliko večja pri hidravličnemu sistemu. Ena glavnih ekonomskih razlik je tudi cena sistema, kjer je hidravlični sistem bistveno dražji od pnevmatskega sistema. Težava hidravličnega in pnevmatičnega sistema je tudi v puščanju.

Slika 2.3: Pnevmatični aktuator.

Piezoelektrični aktuatorji (slika 2.4) so zelo natančni aktuatorji, vendar so njihova slabost zelo majhni premiki, kar za našo nalogo ne pride v poštev, saj potrebujemo za premik zatiča velik premik.

Slika 2.4: Piezoelektrični aktuatorji.

Elektromehanski aktuatorji so zelo podobni mehanskim aktuatorjem. Glavna razlika je v

(20)

6 Slika 2.5: Elektromehanski aktuator.

Elektromagnetni aktuatorji so aktuatorji, ki pretvarjajo magnetno silo navitja v mehansko silo. Njihova pomanjkljivost je, da ne zagotavljajo konstantne sile v odvisnosti od pomika.

Prednost takih aktuatorjev je v dostopnosti električne energije, saj za samo oskrbo energije ne potrebujemo dodatnih sistemov kot na primer pri hidravliki in pnevmatiki, kjer potrebujemo črpalke oziroma kompresorje, filtre, ventile in podobno.

Slika 2.6: Elektromagnetni aktuatorji.

(21)

3 Metodologija raziskave

V tem poglavju bomo predstavili konstruiranje avtomatskega vpenjala. Pri konstruiranju smo sledili naslednjim postopkom: analiza zahtev, pregled literature, izdelava koncepta, izbor standardnih komponent, vrednotenje konceptov po metodi VDI – 2225 [3], izbor najboljšega koncepta, modeliranje najboljšega koncepta in izdelava dokumentacije vpenjala.

3.1 Zahteve

Zahteve, katere mora zagotavljati vpenjalo, so:

- robustnost,

- zadoščanje maksimalne sile, ki se lahko pojavi pri izvleku plošče, je 1000 N, - avtomatsko delovanje,

- 100-odstotno delovanje med razpiranjem (da ne prihaja do zatikanja), - enostavnost vpenjala.

3.2 Koncepti

Izdelave konceptov smo se lotili na način, da smo iskali standardne komponente po spletu in jih združevali v 3D modele v programskem okolju SolidWorks. Od naročnika smo prejeli tudi 3D model samega stroja za montažo zračnih vzmeti, na katerem smo opravili nekaj grobih meritev. Iz 3D modela samega stroja smo izmerili velikost plošče in njeno obliko, višino reže, v katero je potrebno vstaviti ploščo, in dolžino pomika same plošče. Sprva smo začeli izdelovati koncepte, tako da ne bi predelovali samega stroja. Našli smo nekaj konceptov, ki so predstavljeni spodaj.

(22)

Metodologija raziskave

8

3.3 Prvi koncepti

Pri prvem konceptu (slika 3.1) je bila ideja, da bi bilo vpenjalo sestavljeno iz dveh rok, ki bi se vrteli okoli osi. Sama rotacija rok bi bila lahko izvedena preko vretena, ki bi bilo gnano preko elektro motorja. Lahko pa bi uporabili tudi kakšen drug način premikanja rok.

Slika 3.1: Prvi koncept vpenjala.

Pri drugem konceptu (slika 3.2) smo razmišljali, kako bi lahko uporabili standardna pnevmatska prijemala, saj imamo na razpolago pnevmatsko vezavo, ki je že vgrajena v istem prostoru, kjer se nahaja stroj za montažo zračnih vzmeti. Težava tega koncepta je bila v sami širini pnevmatskega prijemala, ker je bila širina večja, kot je višina same reže, v katero moramo potisniti ploščo. Zaradi tega je bilo potrebno izrisati daljše roke, ki bi bile pritrjene na samo pnevmatsko prijemalo.

Slika 3.2: Drugi koncept prijemala.

(23)

Pri tretjem konceptu (slika 3.3) smo se odločili za linearni premik rok prijemala. Zamislili smo si, da bi bile roke vpenjala montirane na vozičke, ki so montirani na linearna vodila.

Razpiranje rok bi lahko opravljali s pnevmatičnim ali hidravličnim cilindrom ali z vretenom, ki je gnano preko elektromotorja.

Slika 3.3: Tretji koncept prijemala.

3.4 Ponovna izdelava konceptov

Pri prejšnjih konceptih smo se odločili za vpenjanje plošče preko že obstoječega ušesa na krimpni plošči. Ker imamo možnost predelave same plošče, smo se odločili, da naredimo tudi koncepte, ki bodo vpeti na drugačen način kot preko že obstoječega ušesa.

Pri prvem konceptu smo si zamislili vpenjanje preko vrtljive ploščice, ki se bo v vodoravnem položaju zataknila v režo na krimpni plošči, kot je prikazano na sliki 3.4.

Za rotacijo ploščice bi potrebovali koračni elektromotor, ki bi natančno opravljal rotacijo same ploščice.

Koncept se zdi zelo enostaven, vendar pa bi bila izdelava samega koncepta zelo draga in kompleksna, saj bi morali predelati vse krimpne plošče. Potrebno bi bilo dodelati še samo ohišje, saj koračni motor ne bi kljuboval izvlečeni sili krimpne plošče. Tako bi morali izdelati gred, ki bi bila uležajena na ohišje in vstaviti sklopko med gred in koračni motor.

Izdelava vpenjala bi bila zelo draga, saj bi potrebovali predelati krimpno ploščo in kupiti drage koračne motorje.

(24)

10 Koncepte, ki zahtevajo predelavo krimpnih plošč, smo opustili, saj bi tako zelo podražili samo avtomatizacijo stroja za montažo zračnih vzmeti.

3.5 Izdelava končnih konceptov

Prejšnji koncepti nam nismo bili najbolj všeč, saj so prevelikih gabaritov in preveč kompleksni, zato smo začeli razmišljati bolj preprosto. Predpostavko o ohranjanju stroja v takšni obliki, kot je, smo opustili in se odločili za vpenjalo, ki bo čim manjše in čim bolj enostavno. Za osnovo novih konceptov smo se odločili, da bo oblika samega vpenjala v obliki črke U (slika 3.4). Iz strani bomo z linearnem aktuatorjem pomikali zatič v uho plošče in obratno.

Slika 3.5: Osnova novih konceptov.

Za premikanje zatiča smo potrebovali linearni premik. To bomo dosegli z uporabo linearnih aktuatorjev. Pri izbiri linearnih aktuatorjev smo gledali na same gabarite aktuatorjev, saj se nagibamo k temu, da dobimo čim manjše aktuatorje, da bo predelava plošče in samega stroja čim manjša. Na koncu smo se odločili za tri aktuatorje, iz katerih smo sestavili koncept, in sicer:

- hidravlični mikro cilinder, - pnevmatični mikro cilinder, - elektromagnetni aktuator.

Pri prvem končnem konceptu (slika 3.5) smo se odločili za uporabo pnevmatičnega mikro cilindra [4]. Zatič bi bil privijačen na samo batnico cilindra, saj ima konica batnice navoj M10 s korakom 1,25. Cilinder je pritrjen na ohišje vpenjala preko že obstoječega navoja na

(25)

ohišju in matice, s katero bi dobro pritrdili cilinder na ohišje. Težava tega koncepta je sama širina prijemala, saj bi bilo za montažo potrebno odstraniti del osnovne plošče.

Slika 3.6: Prvi končni koncept.

Pri drugem končnem konceptu (slika 3.6) smo uporabili hidravlični cilinder. Prednost tega koncepta je zelo velika sila potiska (3140 N) in vleka (2010 N) pri tlaku 100 barov. Pritrditev zatiča na batnico je preko navoja, ki je v batnici. Montaža cilindra na ohišje vpenjala je izvedena preko štirih vijakov, ki so vstavljeni skozi že narejene luknje v ohišju cilindra in privijačeni na ohišje vpenjala.

Slika 3.7: Drugi končni koncept.

Pri tretjem končnem konceptu (slika 3.8) smo razmišljali bolj inovativno, zato smo se odločili, da uporabimo elektromagnet [6], ki bo potiskal zatič. Rešitev je zelo dobra z vidika dostopnosti električne energije in zelo hitrega odzivnega časa, medtem ko je slabost zelo neenakomerna sila (slika 3.7), ki jo proizvede sam elektromagnet in velikost elektromagneta.

Graf sile v odvisnosti od pomika prikazuje, kako pada sila pri različnih pomikih. Razne barve

(26)

12 Slika 3.8: Graf sile v odvisnosti od pomika.

Slika 3.9: Tretji končni koncept.

(27)

3.6 Vrednotenje konceptov po metodi VDI – 2225

Tabela 1: Tehnični kriteriji po VDI – 2225.

Tabela 2: Ekonomski kriteriji po VDI – 2225.

Kriteriji / Koncepti

Vpenjalo z

elektromagnetom

Vpenjalo s hidravličnim cilindrom

Vpenjalo s pnevmatskem cilindrom

Idealne vrednosti Število

standardnih komponent

4 4 4 5

Cena komponent

4 3 5 5

Enostavnost montaže

4 5 5 5

∑ 12 12 14 15

Rej 0,80 0,80 0,93 1

Kriteriji / Koncepti

Vpenjalo z

elektromagnetom

Vpenjalo s hidravličnim cilindrom

Vpenjalo s pnevmatskem cilindrom

Idealne vrednosti Priključitev na

energetski vir 5 3 4 5

Hitrost

prijemanja 5 3 4 5

Predelava osnovne plošče

3 4 4 5

Predelava stroja 3 4 5 5

Sila prijemala 3 5 3 5

Konstantnost sile

2 5 5 5

Robustnost prijemala

4 5 5 5

Teža aktuatorja 2 4 5 5

Dostopnost energetskega vira

5 2 4 5

∑ 32 35 39 45

Rtj 0,711 0,778 0,867 1

(28)

14 Slika 3.10: Diagram ekonomske in tehnične vrednosti po VDI – 2225.

3.7 Analiza vrednotenja konceptov

Diagram ekonomske in tehnične vrednosti po VDI – 2225 nam pove, kateri koncept je najboljši. Na ordinatno os nanašamo vrednosti ekonomske ocene, pridobljene iz tabele ekonomskih kriterijev. Na abscisno os nanašamo podatke tehnične ocene, pridobljene iz tabele tehničnih kriterijev. Črtkana črta predstavlja idealne vrednosti. Najboljši koncept je tisti, ki je najbližje črtkani črti in ima najvišjo tehnično in ekonomsko oceno.

Iz diagrama ekonomske in tehnične vrednosti po VDI – 2225 (slika 3.9) je razvidno, da je najboljši koncept s pnevmatičnim cilindrom. Prednosti pnevmatičnega koncepta so dostopnost energetskega vira, saj so v prostoru, kjer je stroj za montažo zračnih vzmeti, že pripeljani tlačni vodi. Prednost je tudi majhnost samih cilindrov, kar posledično pomeni manjšo predelavo samega stroja za montažo zračnih vzmeti.

3.8 Preračuni

Pri premikanju plošče za krimpanje se pojavlja sila trenja, ki jo z enostavnimi računi lahko ocenimo. Predpostavka teh izračunov je, da je vsaj malo maziva med ploščo in drsno podlago, medtem ko je druga predpostavka, da se sama plošča ne zatika.

Volumen plošče (na sliki 3.12 označena kot mp) smo dobili iz 3D modela same plošče, kar je razvidno s slike 3.10.

(29)

Slika 3.11: 3D model osnovne plošče.

Slika 3.12: Podatki osnovne plošče.

Slika 3.13: Skica trenja, ki se pojavlja pod osnovno ploščo.

V programu SolidWorks smo odčitali volumen plošče (slika 3.11). Maso plošče smo izračunali po enačbi (3.1). Kjer je 𝑚_𝑝 masa plošče, Vp volumen plošče (4725866,16 mm,³ kar smo pretvorili v 0,004725866 m³) in ρ gostota jekla (7850 ^𝑘𝑔

𝑚³).

𝑚_𝑝 = 𝑉_𝑝 × ρ (3.1)

(30)

16 Iz izračuna smo dobili maso same plošče. Sedaj lahko izračunamo trenje, ki se pojavi pod ploščo pri premiku. Uporabili smo enačbo 3.2, kjer je Ft sila trenja, FN normalna sila, katero izračunamo kot masa plošče pomnoženo z gravitacijskim pospeškom g in 𝜇, ki predstavlja koeficient trenja med ploščo in podlago. Koeficient trenja smo izbrali 0,15. Seveda bi bil ob predpostavki, da je med ploščo in drsno podlago mazivo, koeficient trenja manjši.

𝐹_𝑡= 𝐹_𝑁× 𝜇 → 𝐹_𝑡 = 𝑚_𝑝× 𝑔 × 𝜇 (3.2)

𝐹_𝑡= 37,1 𝑘𝑔 × 9,81𝑚

𝑠² × 0,15 𝐹_𝑡= 54,59 N

Sila trenja, ki smo jo dobili, je zelo majhna glede na silo, ki je bila podana v zahtevah. Sedaj lahko izračunamo še silo, ki se pojavlja pri izvleku zatiča iz ušesa. Pri tem smo uporabili enačbo za trenje. Skica problema je vidna na sliki 3.13. Kjer je 𝐹_𝑡𝑧 sila trenja, ki se pojavlja pri izvleku zatiča, 𝐹_𝑁 = 𝐹_𝑡 normalna sila, je v tem primeru sila trenja, ki se pojavlja pri premiku osnovne plošče. Koeficient trenja med zatičem in ušesom plošče ter prijemalom smo izbrali enak kot v zgornjem preračunu 0,15.

Slika 3.14: Skica trenja, ki se pojavlja pri izvleku zatiča

𝐹_𝑡𝑧 = 𝐹_𝑡× 𝜇 (3.3)

𝐹_𝑡𝑧 = 54,59 𝑁 × 0,15 𝐹_𝑡𝑧 = 8,19 𝑁

3.9 Popravki koncepta

Iz preračuna sile trenja, ki se pojavlja pri izvleku zatiča, vidimo, da ne potrebujemo velike sile za izvlek zatiča. Ugotovitev nam pove, da so vsi aktuatorji, ki smo jih predstavili v konceptih, dovolj močni za izvlek zatiča.

Pri tako nizki sili, ki jo potrebujemo za izvlek zatiča, smo se odločili, da poiščemo še bolj kompaktno obliko pnevmatičnega cilindra, kot jo lahko vidimo na sliki 3.14.

(31)

Slika 3.15: Kompakten koncept pnevmatičnega vpenjala.

Pri kompaktnem konceptu pnevmatičnega prijemala, kot ga vidimo na sliki 3.14, smo uporabili kompakten pnevmatični cilinder podjetja Festo [7] (slika 3.15), ki bo opravljal premike zatiča. Cilinder je pritrjen na ohišje vpenjala s štirimi vijaki M5. Cev, ki je vstavljena v ohišje prijemala, bo poskrbela za vodenje zatiča. Na ohišju vpenjala je izvrtina z navojem, preko katere je pritrjeno na pnevmatični cilinder, ki bo opravljal premike osnovnih plošč za krimpanje, vidna na sliki 3.16.

Slika 3.16: Pnevmatični cilinder podjetja Festo.

(32)

18

3.10 Detajlni izris vpenjala in opis komponent

Koncepti, ki so predstavljeni zgoraj, niso detajlno izrisani. Naša naloga je, da izrišemo detajlni koncept pnevmatičnega vpenjala. Prerez detajlno izrisanega koncepta lahko vidimo na sliki 3.17.

Slika 3.18: Prerez detajlno narisanega koncepta vpenjala.

Ohišje vpenjala, ki ga lahko vidimo na sliki 3.18, smo popravili tako, da ga lahko izdelamo s CNC strojem. Za izdelavo s CNC strojem smo morali notranje robove zaokrožiti, saj s CNC strojem ni mogoče izdelati notranjih pravokotnih robov. V detajlnem izrisu smo izrisali še navoj za pritrditev na pnevmatični cilinder, ki bo premikal plošče iz stroja za montažo zračnih vzmeti. Ker smo se odločili, da bomo ohišje vpenjala izdelali s pomočjo CNC stroja, smo se odločili, da bomo navojne palice, ki bodo držale pnevmatični cilinder, privijačili na ohišje vpenjala, kar pomeni, da potrebujemo štiri luknje z navojem M5. Gabariti ohišja so dostopni v prilogi A.

Slika 3.19: Detajlno izrisano ohišje vpenjala.

(33)

Pri detajlnem modelu smo popravili spoj med pnevmatičnim cilindrom in zatičem. Na pnevmatičnem cilindru smo dorisali še navoj, na katerega bo zatič privijačen. Na zatiču smo dorisali luknjo z navojem M10, ki jo lahko vidimo na sliki 3.19. Gabariti zatiča so: φ 20 mm, dolžina zatiča: 42 mm.

Slika 3.20: Prerez zatiča.

Vpenjalo vsebuje pnevmatični cilinder podjetja Festo. Oznaka cilindra je ADN, ki je viden na sliki 3.20. Cilinder je izdelan po ISO standardu 21287 [8]. Gabariti cilindra so: dolžina 90,5 mm, širina 39,5 mm in višina 39,5 mm. Cilinder zmore 295 N potisne sile in 247 N izvlečene sile pri tlaku 6 barov.

Ostale specifikacije cilindra so dostopne na viru [7].

Slika 3.21: Pnevmatični cilinder Festo ADN.

Za vodenje zatiča potrebujemo cev. Za naš primer potrebujemo cev z gabariti:

- zunanji premer 25 mm, - notranji premer 20 mm, - dolžina cevi 42,5 mm.

(34)

20 Pnevmatični cilinder bo pritrjen na ohišje preko štirih navojnih palic M5 dolžine 85 mm.

Navojne palice so narejene po standardu DIN 975 [10]. Na enem koncu bodo navojne palice privijačene v ohišje vpenjala, kjer bodo luknje z M5 navojem, na drugem koncu pa bodo štiri podložke in štiri matice M5. Podložke so narejene po standardu DIN 125 [11], matice pa po standardu DIN 934 [12].

Gabariti vpenjala so malo preveliki, kar pomeni, da bi morali odstraniti manjši del krimpne plošče, kot je prikazano na spodnji sliki 3.22. Zavedamo se, da je predelava samih krimpnih plošč draga, saj jih je veliko, vendar pa je težko narediti koncept, ki bi bil tako majhen, da predelava krimpne plošče ne bi bila potrebna. Na spodnji sliki je prikazana ena od možnosti odvzema materiala na krimpni plošči. Kontura odvzema materiala se lahko prilagodi glede na obdelovalni postopek, s katerim se bodo krimpne plošče predelovale.

Slika 3.22: Predelana krimpna plošča.

(35)

4 Rezultati in diskusija

V tem poglavju bomo predstavili rezultate zaključne naloge. V začetku iskanja konceptov vpenjala smo si zastavili nekaj zahtev, ki so nam onemogočale izdelavo preprostega koncepta, kar je razvidno iz prvih konceptov.

V nadaljevanju iskanja pravega koncepta smo se usmerili v čim bolj preprost koncept vpenjala, kjer smo imeli več možnosti izdelave preprostega koncepta. Pri iskanju mikro linearnih aktuatorjih smo ugotovili, da so možne le tri vrste aktuatorjev, in sicer hidravlični, pnevmatični in elektromagnetni. Vsakega od aktuatorjev smo uporabili v enem konceptu in tako prišli do treh konceptov, ki smo jih kasneje vrednotili po VDI – 2225.

Kriterije, ki smo jih uporabili za vrednotenje konceptov, smo zbrali na podlagi zahtev različnih tehničnih parametrov aktuatorjev in možnosti vgradnje, kjer smo dali poudarek na predelavi stroja za montažo zračnih vzmeti.

Iz analize vrednotenja konceptov vpenjala smo ugotovili, da je za naš primer najbolj primerno pnevmatično vpenjalo, kar se tudi lepo razvidno z diagrama tehnične in ekonomske vrednosti po VDI – 2225 (slika 3.9).

Pri preračunu potrebne sile, ki jo mora zagotavljati aktuator, smo spoznali, da ne potrebujemo veliko sile, kar je privedlo do tega, da smo poiskali pnevmatični cilinder, ki bo čim bolj kompakten, da bo sama predelava stroja za montažo zračnih vzmeti čim manjša.

Če bi se v praksi pokazalo, da bi potrebovali več sile, bi lahko vpenjalo nadgradili z dvema rešitvama.

1. Rešitev: povečanje pnevmatičnega tlaka. Trenutno je podatek za pnevmatični cilinder pri 6 barih, lahko pa bi izbrali tudi pnevmatični cilinder, ki deluje pri višjih tlakih, kar posledično pomeni večjo silo.

2. Rešitev: zamenjava pnevmatičnega cilindra s hidravličnim cilindrom, vendar pa bi za to rešitev potrebovali kar nekaj kapitala, saj bi morali poleg cilindra kupiti še hidravlični agregat in hidravlični ventil.

(36)

Rezultati in diskusija

22 Ko smo izbrali kompakten pnevmatični cilinder, smo izdelali še detajlni 3D model, kjer smo razmišljali, kako bo najlažje izdelati in sestaviti vpenjalo. Potrebno je bilo tudi razmisliti, kako se bo vpenjalo redno vzdrževalo, zato bi lahko skozi cev izvrtali luknjo, skozi katero bi potiskali mazivo v cev. Na cev bi se lahko zmontiral vijak za mazanje, kar bi zahtevalo ročno vzdrževanje ali pa bi se zmontiral nek avtomatski dozirnik maziva.

Končna oblika vpenjala, kot jo lahko vidimo na sliki 4.1, je enostavna, robustna in kompaktna, kot so bile postavljene zahteve. Predelava samega stroja za montažo zračnih vzmeti pri tem vpenjalu ni potrebna, saj je višina samega prijemala manjša, kot je višina reže v stroju. V nadaljevanju bi morali narediti še pnevmatično shemo za krmiljenje pnevmatičnega cilindra in izbrati ustrezen cilinder, na katerega bi vpeli avtomatsko vpenjalo.

Pnevmatični cilinder za premikanje krimpne plošče ne potrebuje velike sile, saj smo izračunali, da je sila pod krimpno ploščo majhna. Pri montaži zračne vzmeti pa kripno ploščo držita dva zatiča, ki držita ploščo med montažo, da se ne bi premaknila.

Slika 4.1: Vpenjalo s krimpno ploščo.

(37)

5 Zaključki

V sklopu zaključne naloge smo izvedli in ugotovili sledeče:

1) Izvedli smo analizo problema in zahtev, na katere smo pripravili različne koncepte, ki rešujejo problem avtomatskega prijemanja krimpnih plošč med njihovim menjavanjem na montažnem stroju.

2) Ugotovili smo, da prvi koncepti niso najbolje primerni za naš problem, zato smo izdelali nove in bolj enostavne.

3) S pomočjo vrednotenja konceptov po metodi VDI – 2225 smo ugotovili, da je za naš primer najbolj primeren pnevmatični koncept vpenjala.

4) Preračun potrebne sile za izvlek zatiča nam je podal okvirno potrebno silo za izvlek zatiča iz ušesa.

5) Izvedli smo detajlni izris izbranega modela, na podlagi katerega smo izdelali dokumentacijo za izdelavo pnevmatičnega vpenjala.

Doprinos avtomatskega vpenjala bo manjši fizični napor delavcev in zvišanje produktivnosti stroja za montažo zračnih vzmeti, saj bo vpenjalo bistveno zmanjšalo potrebni čas za zamenjavo orodja.

Predlogi za nadaljnje delo

Predlogi za nadaljnje delo so testiranje na delavnem stroju in odprava morebitnih napak, ki bi se pokazale pri testih. V nadaljnjem delu bi morali tudi razmisliti v smeri enostavnega vzdrževanja samega vpenjala.

(38)

24

Literatura

[1] Del-tron Precision. Dostopno na: https://www.deltron.com/Linear-Actuators.html, ogled: 2. 8. 2021.

[2] Halder. Dostopno na: https://halder.si/aktualni-zapisi/pot-do-pravega-prijemala, ogled: 2. 8. 2021.

[3] Univesidad de Oviedo – VDI 2225. Dostopno na:

https://digibuo.uniovi.es/dspace/bitstream/handle/10651/48097/TFMDavidGomezAn exoIIIRUO.pdf;jsessionid=87E93E5B9137FE28A16E1AF20AE068E6?sequence=7, ogled: 3. 8. 2021.

[4] Univer. Dostopno na: https://www.univer-group.com/en/doc/m_en_c1.pdf, ogled: 5.

8. 2021.

[5] SMC. Dostopno na: https://content2.smcetech.com/pdf/HC-A_EU.pdf, ogled: 5. 8.

2021.

[6] Geeplus. Dostopno na: https://www.actronic-

solutions.de/files/actronic/FTPROOT/Kurzhubmagnet_874.pdf, ogled: 5. 8. 2021.

[7] Festo. Dostopno na: https://www.festo.com/media/pim/745/D15000100121745.PDF, ogled: 6. 8. 2021

[8] ISO 21287:2004: Pneumatic fluid power – Compact cylinders.

[9] EN 10204:2004: Metallic Products.

[10] DIN 975:1986: Threaded rods.

[11] DIN 125:1990: Product grade A washers.

[12] DIN 934:1987: Hexagon nuts with metric coarse and fine pitch thread.

(39)

Priloga A

V prilogi se nahajajo:

- sestavna risba avtomatskega vpenjala, - delavniška risba ohišja vpenjala, - delavniška risba zatiča.

(40)