Začetna faza predelave klasičnega frezalnega stroja v CNC

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Začetna faza predelave klasičnega frezalnega stroja v CNC

Vid Gostiša

Ljubljana, avgust 2021

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

Začetna faza predelave klasičnega frezalnega stroja v CNC

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

Vid Gostiša

Mentor: prof. dr. Franci Pušavec

Ljubljana, avgust 2021

Zahvala

Ob zaključevanju študija na prvi stopnji se zahvaljujem mentorju dr. Franciju Pušavcu in laboratoriju LABOD za podporo in usmerjanje pri izdelavi zaključnega dela. Zahvaljujem se vsem domačim za moralno podporo pri pisanju naloge, še posebej pa se zahvaljujem svojim staršem, ki so me v času izobraževalnega procesa tako mentalno kot finančno podpirali.

vi

Izvleček

UDK 621.914.3(043.2) Tek. štev.: UN I/1516

Začetna faza predelave klasičnega frezalnega stroja v CNC

Vid Gostiša

Ključne besede: klasični frezalni stroji CNC frezalni stroji predelava

konstruiranje montaža LinuxCNC

V zaključni nalogi je predstavljen potek predelave rabljenega klasičnega frezalnega stroja na računalniško numerično krmiljenje. V prvem delu so predstavljene teoretične osnove s področja frezanja in frezalnih naprav ter glavne razlike med sestavnimi deli klasičnih in CNC strojev. Opisan je proces izbire rabljene naprave, zasnova in izdelava potrebnih elementov za predelavo, nakup standardnih kosov in postopek montaže komponent ter vezava elektronskih gradnikov s programskimi konfiguracijami. Pogonski sistem bo temeljil na hibridnih koračnih motorjih, katerih krmiljenje bo izvedeno preko programa LinuxCNC.

Predstavljene so končne karakteristike stroja, na koncu naloge sledi še izdelava testnega kosa na predelanem frezalnem stroju in stroškovna analiza projekta.

viii

Abstract

UDC 621.914.3(043.2) No.: UN I/1516

Primary phase of converting conventional milling machine into CNC

Vid Gostiša

Key words: conventional milling machines CNC milling machines

converting construction assembly LinuxCNC

In this paper, the process of converting a conventional milling machine into a device with numerical control is described. The first part consists of theoretical principles about milling and milling machines and the main differences between manual and CNC milling machine components. The main part describes the process of the used manual milling machine selection, the design and manufacture of the required parts, and the purchase of standard parts. This is followed by the assembly of the mechanical and electrical components and the programming of the software. The drive mechanism of the machine is based on hybrid stepper motors controlled by LinuxCNC. The last part includes the final specifications of the machine, the production of the calibration piece on the rebuilt machine and the financial analysis of the whole project.

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 ... 1

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 3

2.1 Frezanje ... 3

2.1.1 Vrste frezanja ... 3

2.1.2 Frezalni stroji ... 4

2.1.3 Koordinatni sistemi in bazne točke ... 6

2.1.3.1 Bazne točke pri CNC stroju ... 6

2.2 Razlike med klasičnim in CNC strojem ... 7

2.2.1 Vodila ... 7

2.2.1.1 Drsna vodila ... 7

2.2.1.2 Kotalna vodila ... 8

2.2.1.3 Hidrostatična vodila ... 9

2.2.2 Navojna vretena ... 9

2.2.3 Glavno vreteno ... 10

2.2.3.1 Glavno vreteno CNC frezalnega stroja ... 11

2.2.3.2 Vpenjanje orodja na CNC frezalnem stroju ... 12

2.2.3.3 Glavno vreteno klasičnega frezalnega stroja ... 13

3 Metode dela ... 15

3.1 Izbira, pojasnitev in predstavitev uporabljenih komponent ... 15

3.1.1 Izbira in nakup rabljenega stroja ... 15

3.1.1.1 Delavno območje ... 16

3.1.1.2 Velikost mize ... 16

3.1.1.3 Togost ... 17

3.1.1.4 Masa stroja ... 17

3.1.1.5 Natančnost ... 17

3.1.1.6 Priloženo orodje ... 17

3.1.1.7 Moč motorja ... 17

x

3.1.1.8 Vrtilna frekvenca ... 18

3.1.1.9 Končna izbira ... 18

3.1.2 Izbira ostalih komponent ... 18

3.1.2.1 Motorji ... 18

3.1.2.2 Vhodno-izhodna kartica ... 19

3.1.2.3 Izbira programske opreme ... 20

3.1.3 Konstruiranje nosilcev motorjev ... 21

3.1.4 Način prenosa moči motor – vreteno ... 22

3.2 Fizični potek predelave ... 23

3.2.1 Namestitev in pregled stroja ... 23

3.2.2 Izdelava zasnovanih nosilcev motorjev ... 24

3.2.3 Izdelava nosilcev končnih stikal ... 25

3.2.4 Montaža komponent ... 25

3.2.5 Povezovanje elektronskih komponent ... 26

3.2.6 Programski del ... 28

3.2.6.1 Namestitev LinuxCNC in povezovanje ... 28

3.2.6.2 Programska kompenzacija mrtvega hoda ... 29

4 Rezultati ... 30

4.1 Izmerjena natančnost stroja ... 30

4.2 Finančna analiza ... 31

5 Zaključki ... 32

Literatura ... 34

Kazalo slik

Slika 2.1: Obodno frezanje, protismerno (a), istosmerno (b) ... 4

Slika 2.2: Čelno frezanje, protismerno (a), istosmerno (b), simetrično (c) ... 4

Slika 2.3: Portalni frezalni stroj in konzolni frezalni stroj ... 5

Slika 2.4: Linearne in rotacijske osi ... 6

Slika 2.5: Bazne točke na stroju ... 6

Slika 2.6: Geometrijska delitev vodil ... 8

Slika 2.7: Kotalno vodilo ... 8

Slika 2.8: Hidrostatična vodila ... 9

Slika 2.9: Trapezno navojno vreteno ... 10

Slika 2.10: Kroglično vreteno ... 10

Slika 2.11: Navadni radialni in aksialni ležaj ter ramenski ležaj ... 11

Slika 2.12: Sestavni deli sodobnega glavnega vretena ... 12

Slika 2.13: Avtomatski menjalec orodji ... 13

Slika 2.14: Glavno vreteno klasičnega frezalnega stroja ... 14

Slika 3.1: Industrijski stroj FCW 300 in uvožen VRS - 20LVARIO ... 16

Slika 3.2: Hibridni koračni motor in krmilnik ... 18

Slika 3.3: Vhodno-izhodna kartica Mesa 7i96 ... 20

Slika 3.4: Grafični vmesnik LinuxCNC ... 21

Slika 3.5: Zasnova nosilca X-os ... 22

Slika 3.6: Zasnova nosilca Y-os ... 22

Slika 3.7: Zasnova nosilca Z-os ... 22

Slika 3.8: Prenos moči koračni motor- vreteno ... 23

Slika 3.9: Čiščenje in pregled stroja ... 24

Slika 3.10: Izdelava nosilca Z osi ... 24

Slika 3.11: Nosilec končnega stikala Z-os ... 25

Slika 3.12: Koračni motorji po montaži ... 26

Slika 3.13: Montaža končnih stikal ... 26

Slika 3.14: Povezava krmilnika z vhodno-izhodno kartico ... 27

Slika 3.15: Vezava induktivnih končnih stikal ... 28

Slika 3.16: Programske nastavitve LinuxCNC... 29

Slika 3.17: Izsek kompenzacijske datoteke ... 29

Slika 4.1: Izdelan testni kos in meritev radija ... 31

Slika 5.1: Končni izgled stroja ... 32

xii

Kazalo preglednic

Preglednica 3.1: Primerjava med strojema za nakup ... 16

Preglednica 3.2: Specifikacije hibridnega koračnega motorja ... 19

Preglednica 4.1: Končne specifikacije ... 30

Preglednica 4.2: Finančna analiza predelave ... 31

Seznam uporabljenih simbolov

Oznaka Enota Pomen

Vf mm/min podajalna hitrost

Vc m/min rezalna hitrost

xiv

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

CAD računalniško podprto oblikovanje (angl. Computer Aided Design) CNC računalniško numerično krmiljenje (angl. Cumputer Numerical

Control)

GND ozemljitev (angl. Ground)

LABOD Laboratorij za odrezavanje, Fakulteta za strojništvo v Ljubljani MRR stopnja odvzema materiala (angl. Material Removal Rate)

VAC napetost pri izmeničnem toku (angl. Voltage Alternating Current) VDC napetost pri enosmernem toku (angl. Voltage Direct Current)

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Človeštvo si že od nekdaj prizadeva, da bi stvari naredilo hitreje, bolje in z manjšim fizičnim naporom ter ceneje. Področje obdelave materiala ni pri tem nobena izjema. Človek se z izdelavo namenskih kosov srečuje že od kamene dobe, ko je s pomočjo primitivnih načinov obdelave prišel do izdelka, ki mu je olajšal življenje. Tehnološki napredek je na tem področju pustil močan pečat, kljub temu je končni cilj ostal enak - izdelati zastavljeno geometrijsko obliko iz željenega materiala.

Najprej so bili razviti klasični stroji, pri katerih je potek obdelave krmilil človek, z ročno nadzorovanim gibanjem orodja za obdelavo. Natančnost proizvodnega delavca je v največji meri pogojevala končno kvaliteto produkta. S hitrim razvojem družbe in dvigom življenjskega standarda se je dvignila tudi potreba po produktivnosti in kvaliteti. Z vzporednim razvojem informacijske tehnologije je kaj kmalu postalo jasno, da avtomatiziran stroj prekaša človeško bitje tako v hitrosti kot v natančnosti in ponovljivosti. Kot rezultat lahko danes spremljamo delovanje sodobnih računalniško numerično krmiljenih strojev.

Za strojnega inženirja na začetku karierne poti predstavlja celotno razumevanje delovanja CNC stroja velik zalogaj. Kljub vsemu pa se je ob spoznanju obdelovalnih zmožnosti takega stroja težko odreči domačem posedovanju tovrstne naprave. Z namenom pridobitve novega znanja s področja delovanja numerično krmiljenih strojev, mehatronike in postopkov frezanja smo se odločili za nadgradnjo klasične frezalne naprave s CNC krmiljenjem.

1.2 Cilji

Cilj naloge je nadgradnja 3-osnega klasičnega obdelovalnega stroja z motoriziranim računalniško vodenim krmiljem. Z ozirom na glavni cilj je potrebno najprej izbrati klasičen frezalni stroj in ga transportirati na pripravljeno mesto. Temu sledi pregled stroja, izbira ustreznih komponent za nadgradnjo, zasnova načina pritrditve pogonskih elementov in izvedba prenosa momenta. Cilj je ohranitev pogona glavnega vretena preko elektromotorja, ki je že del naprave, pomiki obdelovanca oziroma obdelovalne mize bodo realizirani preko dodanih motorjev na posamezni osi. Po končani prvi stopnji predelave bo izvedena testna

1. Uvod

2 obdelava in določitev odstopka od željene geometrije, pri čemer je ciljna geometrijska natančnost frezanja v tej fazi 0,15 mm.

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 Frezanje

Frezanje oziroma rezkanje je proces obdelovanja materiala, pri katerem se frezalo vrti in pri tem opravlja glavno gibanje. Za rezkalno orodje oz. rezkar je značilna osna simetrija in več enakih rezilnih robov, pri čemer jih je v kontaktu z obdelovancem vedno manj kot pol.

Podajalno gibanje je običajno premočrtno in ga skoraj vedno opravlja obdelovanec. Značilna lastnost odrezka je, da njegov presek ni konstanten, kar rezultira v spreminjajoči se obremenitvi na obdelovalni stroj. Zaradi sočasnega stika več rezilnih robov z obdelovancem, je tudi statična sila na napravo višja kot pri drugih načinih odrezavanja, kot so struženje, pehanje in skobljanje. V nadaljevanju bodo predstavljene osnove frezanja, povzete po [1] in [2].

2.1.1 Vrste frezanja

Frezanje v grobem delimo glede na način, kako se frezalo dotika obdelovanega materiala.

Kadar je orodje pretežno v interakciji z obodom oziroma čelnim delom, ločimo med obodnim in čelnim frezanjem. Najpogosteje so produkt obdelave ravne ploskve, ki jih lahko formiramo tako z obodnim kot tudi s čelnim frezanjem. Kadar je željeni produkt ukrivljena ploskev, se poslužujemo samo obodnega frezanja. Slednjega delimo še na dva tipa, in sicer protismerno in istosmerno. Pri istosmernem frezanju so generalno pričakovane boljše kvalitete površin, vendar pa taka oblika frezanja pogojuje posebno zasnovo stroja. Na Slika 2.1 spodaj je prikazano obodno protismerno (a) in istosmerno (b) frezanje.

2. Teoretične osnove in pregled literature

4 Slika 2.1: Obodno frezanje, protismerno (a), istosmerno (b) [2]

Kadar govorimo o čelni obdelavi razlikujemo med protismerno, istosmerno in simetrično obdelavo. Čelno frezanje nudi boljše rezultate pri obdelavi geometrijsko ravnih površin, vendar z njim ne moremo generirati ukrivljenih ploskev. Vrste čelnega frezanja so predstavljene na Slika 2.2.

Slika 2.2: Čelno frezanje, protismerno (a), istosmerno (b), simetrično (c) [2]

2.1.2 Frezalni stroji

Frezalne stroje lahko delimo na dve skupini glede na lego obdelovalnih osi in gibanja obdelovalne mize, ter glede na način krmiljenja.

Z ozirom na lego obdelovalnih osi poznamo konzolne in portalne oziroma posteljne stroje.

Za konzolne stroje je značilno, da imajo glavno vreteno pritrjeno na masivno konzolo v navpični ali vodoravni smeri. Tovrstni stroji so namenjeni za manjše in zmerno velike

2. Teoretične osnove in pregled literature

obdelovance. Zanje je značilna razmeroma velika masa naprave glede na velikost obdelovalne površine, prednost pa je univerzalnost oziroma široko področje uporabe.

Glavna značilnost portalnih frezalnih naprav je, da je mogoče na njih obdelovati največje in najtežje obdelovance. Konstrukcija stroja je izdelana okoli vpenjalne mize, ki je običajno nepremična oziroma se premika le v eni smeri. Preko mize je nameščen steber, pri večjih napravah most, na katerem je glavno vreteno, ki opravlja gibanje v ostalih oseh. Značilnost stroja je relativno velika obdelovalna površina glede na njegovo maso. [3], [4]

Slika 2.3: Portalni frezalni stroj in konzolni frezalni stroj [5]

Glede na način krmiljenja rezkalne stroje delimo na klasične in računalniško numerično krmiljene (CNC). V vmesnem zgodovinskem obdobju zasledimo tudi numerično krmiljene stroje (NC), ki so neposredni predhodniki CNC naprav. Za klasične stroje je značilno, da je pozicioniranje in podajalno gibanje posledica obračanja krmilnih koles na posamezni osi, ki ga vrši orodjarski delavec. Dimenzijska točnost končnega izdelka je produkt geometrijskega stanja stroja in natančnosti orodjarja. Pri klasičnem frezalnem stroju je vrtilna frekvenca glavnega vretena običajno ročno nastavljiva preko zobniškega menjalnika, ki je nameščen v konstrukciji stroja. Tovrstne naprave so pogosto opremljene z avtomatskimi pomiki, ki so preko ločenega menjalnika gnani z elektromotorjem in omogočajo konstantno podajalno gibanje v eni osi. [6], [7]

Pri sodobnih CNC strojih je podajalno gibanje in pozicioniranje izvedeno preko navojnih vreten, katerih zasuk opravljajo servomotorji. Za vsako os stroja je potreben ločen motor.

Glavno gibanje opravlja elektromotor, ki spreminja vrtilno frekvenco s frekvenčnim regulatorjem. Motorji posameznih vreten in motor glavnega vretena imajo integriran dajalnik položaja, ki posreduje povratno informacijo o položaju posameznega pogonskega elementa krmilnemu sistemu. Pri sodobnih CNC obdelovalnih centrih krmilnik nadzoruje tudi dotok mazalno-hladilnega sredstva, avtomatizirano menjavo orodij, odnašanje odrezkov in varnostni sistem, ki preprečuje poseganje v delovno območje med delovanjem stroja. Sam krmilnik izvaja vnesen program, v katerem je predhodno definirana končna oblika izdelka.

[8]

2. Teoretične osnove in pregled literature

6

2.1.3 Koordinatni sistemi in bazne točke

Osnovna naloga frezalnega stroja je odstranjevanje materiala od začetne geometrije surovca.

Za uspešno opravljanje te naloge je potrebno uvesti gibanje orodja po načrtovani poti znotraj koordinatnega sistema. Glavnina sodobnih rezkalnih strojev uporablja kartezični koordinatni sistem, pri katerem predstavljajo X, Y in Z glavne linearne osi, ki so v prostoru med seboj pravokotne. Z os je vedno usmerjena kot vektor rotacije glavnega vretena. Poznamo tudi os rotacije okoli posamezne osnovne osi, in sicer os okoli X poimenujemo A, okoli Y - B in okoli Z - C. Pozitivne smeri so predznačene po pravilu desnega vijaka, kadar vijak leži na osnovni osi, in ga sučemo v pozitivni smeri rotacijske osi, se ta prav tako giblje v pozitivni smeri isto ležeče linearne osi, kar je prikazano na Slika 2.4.

Slika 2.4: Linearne in rotacijske osi [9]

2.1.3.1 Bazne točke pri CNC stroju

Da lahko uspešno umestimo koordinatna izhodišča v prostor potrebujemo bazne točke. Te so poimenovane in vsaka služi svojemu namenu. Predstavljene so na Slika 2.5.

Slika 2.5: Bazne točke na stroju [10]

2. Teoretične osnove in pregled literature

M – Strojna ničelna točka predstavlja rob obdelovalnega prostora in je locirana ob vsakem zagonu stroja s tem, ko naprava povozi končno stikalo v vseh treh oseh. Določena je s strani proizvajalca in njena lokacija se ne spreminja.

R – Referenčna točka stroja predstavlja točko, ki se uporablja za nadzor merilnega sistema naprave. Za nadaljnje gibanje stroja je ključno poznavanje relacije med referenčno točko in strojno ničelno točko. Referenčna točka je določena s strani proizvajalca naprave in jo operater ne more sam nastaviti.

W – Ničelna točka obdelovanca predstavlja izhodišče koordinatnega sistema položaja obdelovanca in je določena po vpetju obdelovalnega kosa. Na njej temelji celotno izvrševanje programa obdelave. Po navadi se točko postavi na skrajni rob surovca, saj je tako omogočeno lociranje z robnim tipalom. Določanje lege te točke opravi operater stroja.

Povzeto po [6] in [10].

2.2 Razlike med klasičnim in CNC strojem

Zastavljen cilj naloge je nadgradnja klasičnega frezalnega stroja s sistemom za CNC krmiljenje. Za izpolnitev zadane naloge, je potrebno temeljito preučiti razlike v sestavnih delih obeh naprav, saj bo le na tak način mogoče nekatere gradnike zamenjati, posodobiti, oziroma zasnovati na tak način, da bo končen izdelek uporaben.

2.2.1 Vodila

Vodila so strojni element in sestavni del frezalnega stroja, ki omogoča približek premočrtnemu gibanju posamezne glavne osi. Njihov namen je v čim višji meri omejiti gibanje v prečni smeri vodilnega elementa in pri tem zmanjšati trenje, ki je potrebno za premik v vzdolžni smeri. Natančnost in izvedba vodil močno pogojuje geometrijsko kakovost končnega izdelka na napravi. Poznamo tri tipe vodil - drsna, kotalna in hidrostatična. Teoretične osnove o vodilih so povzete po [11] in [3]

2.2.1.1 Drsna vodila

Glavne lastnosti drsnih vodil so razmeroma visoka togost, nizka stopnja obrabe in preprosto vzdrževanje. Zgrajena so iz statičnega in dinamičnega gradnika. Statični del je fiksno pritrjen in deluje kot podstavek za dinamični del oziroma drsnik. Poznamo več tipov drsnih vodil, ki se med seboj ločijo glede na geometrijo ujema drsnika in vodilnega elementa ter so prikazana na Slika 2.6.

2. Teoretične osnove in pregled literature

8 Slika 2.6: Geometrijska delitev vodil glede na ujem [11]

Ključna slabost takega tipa vodil je tako imenovani stick-slip učinek, ki se kaže kot zatikajoče spodrsavanje drsnika predvsem pri počasnih gibih in oteži natančno pozicioniranje samega obdelovanca. V primerjavi s kotalnimi in hidrostatičnimi imajo drsna vodila tudi višji koeficient trenja. V skladu s smernicami so zasnovana kot statično določen nosilec, s premično in nepremično podporo, uveljavljena pa je tudi variacija z dvema nepremičnima podporama, ki ima za posledico prisotnost napetosti oziroma zračnosti. Ta pomanjkljivost je ponavadi rešena z nastavljivo kovinsko zagozdo. Tovrstna izvedba vodil se nahaja na frezalnem stroju, ki je predmet naloge.

2.2.1.2 Kotalna vodila

V sodobnih obdelovalnih centrih, kjer je potreba po višjih hitrostih, nižjem trenju in daljši življenjski dobi ter zanemarljivo majhnem stick-slip učinku, najdemo običajno kotalna vodila. Ta imajo znotraj dinamičnega segmenta kotalne elemente, ki objemajo kotalne letve.

Slabost takega tipa vodil je visoka cena, zahtevnejše vzdrževanje ter potreba po mazalnem sistemu. Sama zasnova je zelo občutljiva na nečistoče in kakršnekoli odrezke, ki bi lahko zašli v sistem. V primeru, da bi se lotil izdelave CNC frezalnega stroja, bi bila izbira kotalnih vodil več kot upravičena, ker bi s tem dosegel bolj natančno pozicioniranje in višje podajalne hitrosti pri enakem navoru na vretenih kot v primeru uporabe drsnih vodil.

Slika 2.7: Kotalno vodilo [12]

2. Teoretične osnove in pregled literature

2.2.1.3 Hidrostatična vodila

Izmed vseh naštetih tipov vodil imajo najboljše lastnosti prav hidrostatična vodila. Delujejo na principu tlačnih žepov v drsniku, v katere je pod pritiskom dovajano olje. Dinamični del vodil potuje po natančno izdelanem podstavku. Taka izvedba vodilnega elementa zagotavlja izjemno nizko trenje, nično obrabo, odlično blaženje vibracij, dosega veliko togost in se popolnoma izogne stick-slip učinku. Taka vodila zaradi zahtevne izdelave na trgu dosegajo zelo visoke cene.

Slika 2.8: Hidrostatična vodila [13]

2.2.2 Navojna vretena

Za transformacijo rotacije krmilnih koles pri klasičnem oziroma motorja pri CNC stroju v translatorno gibanje se uporablja navojna vretena. Poznamo več tipov navojnih vreten, ki jih ločimo po obliki navoja. V strojegradnji se najpogosteje uveljavljata dva tipa in sicer trapezno ter kroglično navojno vreteno.

Trapezna vretena se navadno uporabljajo pri klasičnih strojih in so sestavljena iz jeklene navojne palice in matice, ki je običajno iz brona. Prednost takih vreten je, da so cenovno ugodna in ne potrebujejo veliko vzdrževanja, so razmeroma natančna in samozaporna, kar pomeni da aksialna sila na matico ne ustvariti rotacije vretena. Pomanjkljivost se kaže v ohlapnosti med matico in vretenom, ki se z obrabo še povečuje. Za klasične frezalne stroje ta hiba ni tako ključna, saj izkušen orodjar ročno izničuje vpliv mrtvega hoda in tako izdela ustrezen kos. Večja težava nastopi, ko želimo nadgraditi tako napravo s CNC krmiljenjem, saj bo motor opravil željeno rotacijo, obdelovanec pa bo zaradi praznega hoda nenatančno pozicioniran. Poleg ohlapnosti je na takem strojnem elementu problematična obraba in visok koeficient trenja. Trapezno vreteno ni primerno za visoke vrtilne hitrosti in pospeške. [3]

2. Teoretične osnove in pregled literature

10 Slika 2.9: Trapezno navojno vreteno [14]

Kroglična vretena so gradnik, ki se najpogosteje uporablja v sodobnih CNC obdelovalnih centrih. Izdelana so predvsem iz jekel za poboljšanje. Poznamo dva načina izdelave in sicer hladno valjana (nižja kvaliteta) ter brušena (višja kvaliteta). Vretena imajo površinsko trdoto približno 60 HRC. Sestavljena so iz navojne palice in matice, v kateri ležijo kotalni elementi, ki predstavljajo edini stik matice z navojno palico. S pravilnim prednapetjem slednjih lahko odstranimo zračnost, kar omogoča bolj natančno pozicioniranje. Primerna so tudi za višje vrtilne hitrosti in večje pospeške, saj prenašajo intenzivnejše obremenitve z manjšimi izgubami energije. Ob ustreznem vzdrževanju in mazalnem sistemu je obraba minimalna, a je zaradi zahtevnosti izdelave takih gradnikov cena mnogo višja kot pri trapeznih vretenih.

[11]

Uporaba krogličnih vreten bi bila logična izbira v primeru, da bi v celoti zasnovali numerično krmiljen stroj. Smiselna bi bila tudi zamenjava obstoječih trapeznih vreten s krogličnimi, vendar pa se bo zaradi finančnih omejitev v začetni fazi predelave uporabilo vgrajena vretena. Mrtvi hod obstoječih vreten se bo poskušalo korigirati s programskimi nastavitvami.

Slika 2.10: Kroglično vreteno [14]

2.2.3 Glavno vreteno

Glavno vreteno je gradnik frezalnega stoja, ki povezuje elektromotor in vpenjalo za orodje.

Njegova naloga je, da s pravilnim vležajenjem omogoči veliko togost in natančnost pri rotaciji. Glavno vreteno je soočeno s statičnimi in dinamičnimi obremenitvami tako v

2. Teoretične osnove in pregled literature

radialni kot v aksialni smeri. Značilno je konstruiranje glavnega vretena na dopustno deformacijo pod obremenitvijo, zato ni nobenih pomislekov o lomu oziroma plastični deformaciji konstrukcije. Neposredna posledica kvalitete vležajenja je oplet vpenjala orodja, ki igra pomembno vlogo pri kakovosti obdelave in življenjski dobi orodja. Pomemben korak predelave klasičnega frezalnega stroja na CNC krmiljenje je razumevanje razlik med glavnim vretenom obeh strojev. [11]

2.2.3.1 Glavno vreteno CNC frezalnega stroja

Celotno vreteno temelji na togem vležajenju. Le-to je po navadi sestavljeno iz sklopa nasprotno ležečih ramenskih ležajev, ki zagotavljajo podporo tako v radialni kot v aksialni smeri. Za dodatno stabilnost so ponavadi dodani še navadni radialni ležaji, ki nosijo obremenitev le v radialni smeri. Na Slika 2.11 je prikazan prerez in zgradba omenjenega strojnega elementa.

Slika 2.11: Navadni radialni in aksialni ležaj ter ramenski ležaj [11]

Vsi ležajni elementi pri sodobnih CNC obdelovalnih centrih morajo biti zasnovani za visoke vrtilne frekvence, saj glavna vretena dosegajo maksimalne obrate od 20000 do 50000 vrtljajev na minuto. Pri takih hitrostih je konstrukcijska zahteva za termično stabilnost ležajev visoka, da ohranijo prednapetje kotalnih elementov kljub temperaturnim raztezkom v funkcionalnem področju. Pri izdelavi sodobnih ležajev se namesto jekla uporablja tudi keramične materialne, ki so lažji, imajo višjo trdoto in manjši koeficient temperaturnega raztezka. Najpogosteje uporabljeni materiali so silicijev nitrat, silicijev karbid in aluminijev oksid. Pri posebnih aplikacijah, kjer s kotalnim vležajenjem ne dosegamo željenih rezultatov, se poslužujemo tudi ležajev na stisnjen zrak, hidravličnih ležajev in magnetnih ležajev. Slednji močno podražijo samo izvedbo. Za lažjo predstavo je na Slika 2.12 prikazano vležajenje in sestava sodobnega glavnega vretena. [3], [15]

2. Teoretične osnove in pregled literature

12 Slika 2.12: Sestavni deli sodobnega glavnega vretena [15]

1. Pnevmatsko vpenjalo orodja 2. Zobata jermenica

3. Zgornje ležajno mesto 4. Vlečni drog

5. Vložek vretena 6. Ohišje vretena 7. Gred vretena

8. Spodnje ležajno mesto 9. Vpenjalna naprava

2.2.3.2 Vpenjanje orodja na CNC frezalnem stroju

Sodobni CNC obdelovalni centri imajo avtonomne menjave orodja. Za izvajanje te operacije potrebuje stroj shrambo orodja in podajalno roko, ki dostavi oziroma odstrani orodje, ter pnevmatično gnan vlečni drog, ki vpne vpenjalni trn v vpenjalno napravo. Take naprave lahko v revolverju oziroma skladišču shranijo tudi več kot 50 orodji, ki jih lahko med postopkom obdelave samostojno zamenjajo v zelo kratkem času. Tak način obdelave omogoča hitrejšo in kakovostnejšo obdelavo, saj ima stroj na voljo vedno optimalno orodje za operacijo ki jo izvaja.

2. Teoretične osnove in pregled literature

Slika 2.13: Avtomatski menjalec orodij [15]

2.2.3.3 Glavno vreteno klasičnega frezalnega stroja

Glavno vreteno klasičnega frezalnega stroja je zelo podobno vretenu CNC naprave z nekaj ključnimi razlikami. Vrtilne frekvence večine klasičnih strojev so precej nižje in pogosto ne presegajo 3000 obratov na minuto, kar rezultira v preprostejšo konstrukcijsko zasnovo.

Vležajenje mora biti še vedno izjemno togo, vendar ni takih težav s pregrevanjem in balansiranjem samega vretena. Vlečni drog ni pnevmatsko gnan, ampak ga ročno privijemo na zgornji del vpenjalnega trna, ter nato pritrdimo na vreteno. Čas menjave orodja se na ta način močno podaljša, zato celotno obdelavo običajno izvedemo z manj različnimi orodji.

Za vležajenje se uporablja sklop ramenskih krogličnih ležajev, pri starejših napravah pa zasledimo tudi uporabo navadnih radialnih ležajev, ki nasprotujejo sili v radialni smeri, in aksialnih, ki obvladujejo silo v aksialni smeri. Rotacijsko gibanje je do glavnega vretena preneseno preko več zobniških dvojic, za razliko od CNC stroja, kjer je pogon nameščen neposredno na vretenu oziroma preko jermena speljan na vreteno.[3]

Na Slika 2.14 je prikazana sestavna risba glavnega vretena predelovanega stroja. Nazorno je prikazan uporabljen tip ležajev in njihova postavitev v samem vretenu.

2. Teoretične osnove in pregled literature

14 Slika 2.14: Glavno vreteno klasičnega frezalnega stroja [16]

3 Metode dela

V poglavju bo predstavljen dejanski potek prve faze predelave stroja, ki se začne s teoretično analizo pred nakupom rabljenega klasičnega frezalnega stroja in konča s programskimi nastavitvami kompenzacije mrtvega hoda trapeznih vreten. V prvem delu bodo opisane izbrane komponente, v drugem delu pa se posvetimo dejanski predelavi, montaži in povezovanju komponent.

3.1 Izbira, pojasnitev in predstavitev uporabljenih komponent

V nadaljevanju naloge bo opisan postopek izbire stroja za nakup, nad katerim se bo vršila predelava in predstavitev ostalih sestavnih delov, ki so bili implementirani pri nadgradnji stroja.

3.1.1 Izbira in nakup rabljenega stroja

Prvi korak pri predelavi, je izbira in nakup klasičnega frezalnega stroja. Odločali smo se med rabljenim industrijskim in uvoženim hobi program strojem. Za stroj je bila cenovna omejitev 1500 €. Glavni kriteriji, ki so bili upoštevani pri nakupu so delovni hodi, togost, masa (dušenje vibracij), natančnost, vrednost priloženega orodja, moč motorja in vrtilna frekvenca glavnega vretena. V Preglednica 3.1 je izvedena primerjava med dvema strojema, ki sta bila v ožjem izboru za nakup.

3. Metode dela

16 Slika 3.1: Industrijski stroj FCW 300 in uvožen VRS - 20LVARIO [17]

Preglednica 3.1: Primerjava med strojema za nakup [17]

FCW - 300 VRS - 20L VARIO

Delovno območje (x/y/z - osi)

320/220/330 mm 480/175/380 mm

Velikost mize 700 x 300 mm 700 x 180 mm

Togost Višja Nižja

Masa 1300 kg 115 kg

Natančnost Manjša Večja

Priloženo orodje Da Ne

Moč motorja 3000 W 600 W

Vrtilna frekvenca glavnega

vretena 115 - 1600 vrt/min 50 - 2250 vrt/min

3.1.1.1 Delovno območje

Pri izbiri željene delovne površine je bilo potrebno določiti želeno velikost obdelovancev.

Pri obdelavi je pomembno, da je sam obdelovanec čvrsto pripet na mizo in da se na njem izvrši čim večji del operacij, brez prepenjanja. Pri vsakem premikanju in ponovnem pripenjanju se izgubi ničelna točka obdelovanca (W), ki je pri CNC obdelavi še posebej pomembna, saj se napake seštevajo. Frezalni stroj FCW 300 ima manjšo delovno površino, a je primernejši za širše obdelovance, ker ima daljši hod po y – osi. Po tem kriteriju sta stroja enakovredna oziroma ima uvoženi manjšo prednost.

3.1.1.2 Velikost mize

Pri vpenjanju obdelovanca je velikost mize ključnega pomena. Z večanjem površine mize se proces vpenjanja poenostavi, lažje je vpeti tudi večje obdelovance, omogoča bolj togo

3. Metode dela

pritrditev, kar izboljša obdelovalne lastnosti. Pri večji mizi lahko uporabljamo tudi večje vpenjalne priprave. Pri industrijskem stroju je miza večja, kar predstavlja veliko prednost.

3.1.1.3 Togost

Togost stroja je pomembna pri obdelavi vseh materialov in vpliva na natančnost obdelave.

Posebej je pomembna pri obdelavi trših materialov in pri višji stopnji odstranjevanja materiala (MMR). Pri tem kriteriju je stroj tipa FCW 300 boljši, ker ima stabilnejšo, masivnejšo konstrukcijo, ki daje veliko togost samemu stroju.

3.1.1.4 Masa stroja

Masa pri stroju nosi pomembno vlogo za dušenje vibracij, s čim stroju preprečuje, da bi prešel resonančno frekvenco. Ta je velik vir vibracij, kar je kasneje opazno pri kvaliteti obdelave. Uvoženi stroj nima zadostne mase, zato bi bilo potrebno izdelati namenski podstavek z dodatno maso in dušilnimi lastnostmi, ki bi preprečili, da bi stroj ob povečevanju vrtilne frekvence prešel resonančno področje. Rabljen industrijski stroj ima pri tem kriteriju prednost, saj z 1300 kilogrami in proti vibracijskimi podlogami dobro duši vibracije.

3.1.1.5 Natančnost

Natančnost stroja je rezultat več dejavnikov. Ključni med njimi so obraba drsnih delov na stroju, kot so na primer drsna vodila in navojna vretena. Veliko vlogo ima tudi togost samega stroja. Uvožena naprava je nova in ima posledično neobrabljene strojne dele. Rabljen industrijski stroj ima na tem področju pomanjkljivost, saj strojni deli niso novi. Prednost slednjega je le njegova togost. Po tem kriteriju ima boljše lastnosti nov uvožen stroj.

3.1.1.6 Priloženo orodje

Velika prednost (predvsem z vidika cene) pri rabljenem stroju je, da je možen nakup pripadajočega orodja – te možnosti pri uvoženem stroju ni. Pri slednjem bi za vpenjalna orodja (strojni primež), osnovne frezalne trne in frezala plačali še dodatno tretjino celotne cene stroja. Po tem kriteriju je nakup rabljenega industrijskega stroja več kot upravičen.

3.1.1.7 Moč motorja

Moč motorja je pri obdelovalnem stroju pomembna predvsem za obdelavo trših materialov in pri višjem MRR. Važen je tudi navor, predvsem pri nižjih vrtilnih frekvencah, če želimo obdelovati trše materiale oziroma strojno vrezovati navoje. Na tem področju ima prednost industrijska naparava, ki ima zobniški menjalnik, ki zagotavlja konstantno moč skozi vsa prestavna razmerja. Pri uvoženi napravi je regulacija vrtljajev izvedena preko

3. Metode dela

18 (nizkocenovnega) frekvenčnega regulatorja motorja, ki občutno zmanjša navor pri nižjih vrtilnih frekvencah. Po tem kriteriju je bolj primerna industrijska naprava.

3.1.1.8 Vrtilna frekvenca

Najvišja vrtilna frekvenca je pomembna, saj omogoča lepšo obdelavo površin. Hkrati omogoča tudi uporabo manjših frezal, ki zaradi majhnih premerov težko dosežejo zadostne rezalne hitrosti. Le-te so potrebne predvsem za mehkejše materiale in nekatere barvne kovine, kot na primer aluminij. Po tem kriteriju je bolj ustrezen uvožen stroj, saj dosega višje vrtljaje.

3.1.1.9 Končna izbira

Glede na predstavljene kriterije je bila izbrana rabljena industrijska naprava FCW-300, ker je glede na zgoraj našteto dobila boljšo skupno oceno. Pomemben faktor pri izbiri stroja je bila tudi prostorska razpoložljivost, saj imamo na voljo dovolj velik pritličen prostor, kjer bo stroj postavljen. V nasprotnem primeru bila ta izbira neizvedljiva.

3.1.2 Izbira ostalih komponent 3.1.2.1 Motorji

Naslednji korak pri predelavi je bila izbira motorjev, ki omogočajo gibanje posameznih osi.

Zaradi finančnega proračuna so bili izbrani ti. hibridni koračni motorji, ki prevzemajo prednosti klasičnih koračnih motorjev, ter imajo dodan rotacijski dajalnik položaja, ki preprečuje izgubo korakov na motorju. Uporabljen koračni motor in krmilnik sta prikazana na Slika 3.2.

Slika 3.2: Hibridni koračni motor in krmilnik [18]

3. Metode dela

Za oceno potrebnega navora, se je na posamezni osi za premik mize izmeril vrtilni moment z uporabo momentnega ključa. Največji navor je potreben za premik mize v Z- smeri, saj je pri tem potrebno dvigovati celotno maso delovne mize. Med motorjem in vretenom je bil predviden še jermenski prenos, ki bo še dodatno povečal navor na osi. Glede na zgornjo oceno potrebnega navora, je bil izbran hibridni koračni motor, katerega podatki so zbrani v Preglednica 3.2: Specifikacije hibridnega koračnega motorja .

Preglednica 3.2: Specifikacije hibridnega koračnega motorja [18]

Oznaka motorja 34HE59-6004D-E1000

Proizvajalec Stepperonline

Število polov 2

Zadrževalni navor 12 Nm

Največji fazni tok 6 A

Upornost faze 0,7 𝛺 ± 10%

Induktivnost 7,9 mH ± 20%(1KHz)

Prirobnica motorja 86 x 86 mm

Dolžina motorja 150,5 mm

Premer gredi 14 mm

Dolžina gredi 37 mm

3.1.2.2 Vhodno-izhodna kartica

Za krmiljenje stroja smo izbrali kartico uveljavljenega proizvajalca elektronskih krmilnih komponent Mesa. Glede na potrebe in zmožnosti smo se odločili za model 7I96, prikazan na Slika 3.3, ki je z računalnikom povezan preko UTP kabla (Slika 3.3.-6). Za delovanje potrebuje zunanje napajanje 5 V (Slika 3.3.-7). Sama glavna plošča ima 5 neodvisnih priklopov za koračne motorje (Slika 3.3.-1), kar je bilo predvideno za morebitne kasnejše nadgradnje stroja (četrta in peta os). Na priključkih lahko generira frekvence pulziranja do 10 MHz. Poleg izhodov za motorje ima 11 ločenih vhodov (Slika 3.3.-3), ki jih lahko uporabimo za branje končnih stikal, tipal za določanje ničelne točke stroja, avtomatski senzor za meritev višine orodja in 6 izhodov (Slika 3.3.-4), ki jih lahko uporabimo za vklop hladilno mazalne tekočine, zapiranje varnostnih preprek in vklop drugih stikal. Kartica ima tudi izhod za krmiljenje glavnega vretena (Slika 3.3.-2), ki v tej fazi nadgradnje ne bo uporabljen, ker bo vklop in izklop glavnega vretena ter nastavljanje vrtilne frekvence ročno.

3. Metode dela

20 Slika 3.3: Vhodno-izhodna kartica Mesa 7i96

3.1.2.3 Izbira programske opreme

Pri izbiri programske opreme smo se odločili za uporabo LinuxCNC. Njegova naloga je, da sprejme G-kodo ter po njej krmili rezkalni stroj. G-kodo lahko sestavimo ročno oziroma z uporabo CAM programske opreme. LinuxCNC je izbran, ker je program prosto dostopen, slovi po svoji robustnosti in je odprtokoden, kar omogoča popolno prilagodljivost. Sama programska oprema je zasnovana za krmiljenje različnih strojev kot so stružnice, frezalni stroji, robotske roke in plazemski rezalniki ter ima za slednje že vgrajene čarodeje, ki uporabnika vodijo skozi nastavitve programskega dela. Program je zmožen upravljati do 9- osi simultano, kar je več kot dovolj za našo aplikacijo z možnostjo kasnejše nadgradnje.

Grafični vmesnik programske opreme je prikazan na Slika 3.4.

3. Metode dela

Slika 3.4: Grafični vmesnik LinuxCNC

3.1.3 Konstruiranje nosilcev motorjev

Naslednji korak pri predelavi je bila konstrukcijska zasnova nosilcev motorjev. Njihova funkcija je, da uspešno pritrdijo motor na ustrezno mesto, ter da je mogoče motor relativno premikati glede na vreteno in s tem ustrezno napenjati jermen, ki bo služil kot prenos moči iz motorja na vreteno osi. Osnova za izdelavo nosilcev bo aluminijasta plošča debeline 15 mm. Zasnova mora biti izvedena na način, da je izdelava končnega izdelka možna z osnovnim domačim orodjem, saj ostalega ni na razpolago. Za lažjo prostorsko predstavo smo izdelali preproste CAD modele mest, na katerih bodo nameščeni nosilci in motorji. Nato se je dodalo plošče z izvrtinami za vijake, s katerimi bodo pritrjene na samo napravo. Dodali smo še preprost model koračnega motorja in distančnike, preko katerih je pritrjen na ploščo.

Možnost napenjanja jermena je izvedena preko utorov, po katerih drsijo celotne plošče z motorjem, predno so vijaki dokončno priviti. Mesta namestitve motorjev in 3D modeli so prikazani na Slika 3.5, Slika 3.6 in Slika 3.7.

3. Metode dela

22 Slika 3.5: Zasnova nosilca X-os

Slika 3.6: Zasnova nosilca Y-os

Slika 3.7: Zasnova nosilca Z-os

3.1.4 Prenos momenta motor – vreteno

Za prenos vrtilnega momenta med koračnim motorjem ter vretenom smo izbrali način pri katerem sta v rabi dve različno veliki jermenici in zobati jermen. Na trgu obstaja veliko število različnih tipov zobatih jermen, ki se ločijo predvsem po profilu zoba. V našem

3. Metode dela

primeru smo se odločili za HTD 5M jermen, ki je zaradi svoje polkrožne oblike zoba primeren za aplikacije, kjer je potrebno natančno pozicioniranje delovne mize. Izbrani jermen ob pravilnem prednapetju zagotavlja zelo majhen vpliv z naslova praznega hoda, ki je tu ključen. Poleg izbire pravilnega tipa jermena je bistvenega pomena pravilna montaža jermenic, ki je bila izvedena z moznično gredno vezjo, ki je dodatno varovana proti zdrsu v aksialni smeri z uporabo vijaka.

Slika 3.8: Prenos moči koračni motor - vreteno [19]

3.2 Potek predelave stroja

3.2.1 Namestitev in pregled stroja

Pred pričetkom dela, je bilo potrebno izvest transport stroja na željeno mesto. Ker je naprava rabljena in je prejšnjemu lastniku stala v kotu delavnice kar precej časa, je bil čas da se izvede pregled naprave, oceno ohranjenosti obrabnih delov in poskusni zagon. Sledilo je obsežno čiščenje naprave in sprotno razstavljanje. Tekom tega procesa se je tudi odstranilo mehanske segmente, ki so omogočali avtomatsko gnane pomike preko povezav z glavnim motorjem, saj jih v prihodnje ne bomo potrebovali in bi le zavirali koračne motorje. Izvedlo se je tudi temeljito naoljevanje drsnih segmentov, zamenjava nekaterih tesnil ter menjava menjalniškega olja, nato se je stroj sestavilo v izhodiščno stanje.

3. Metode dela

24 Slika 3.9: Čiščenje in pregled stroja

3.2.2 Izdelava zasnovanih nosilcev motorjev

Konstruiranju nosilcev za koračne motorje je sledila njihova izdelava. Osnovni material za izdelavo X in Y osi so bile 15mm, za Z os pa 20 mm debele aluminijaste plošče. Obdelava je bila precej zahtevna, saj je bilo na razpolago samo domače orodje. Najprej je sledil razrez plošč na osnovne pravokotne oblike, ki je bil izveden na potezni formatirani žagi na katero je bil nameščen rezalni list primeren za rezanje barvnih kovin. Vrtanje ostalih lukenj in frezanje utorov za napenjanje jermena je bilo izvedeno na frezalnem stroju, ki je predmet naloge. Izdelalo se je tudi distančne puše iz aluminijaste palice premera 20mm. Najprej se je palico razžagalo na ustrezne dolžine, nato pa izvrtalo skoznjo luknjo. Vloga puš je povezovanje plošče in samega motorja na X in Y osi. Nosilce se je dokončno sestavilo z M6 vijaki.

Slika 3.10: Izdelava nosilca Z osi

3. Metode dela

3.2.3 Izdelava nosilcev končnih stikal

Izdelati je bilo potrebno še nosilce končnih stikal, za določanje baznih točk frezalnega stroja.

Za izdelavo se je uporabilo ostanke aluminijastih plošč, ki so bile namenjene za nosilce motorjev. Te se je razžagalo na ustrezne bloke, ter nato izdelalo 8mm široke utore na frezalnem stroju. Skozi utor je bila naknadno izvrtana luknja premera 3,2 mm, ki je služila za pritrditev končnega stikala na nosilec.

Slika 3.11: Nosilec končnega stikala Z-osi

3.2.4 Montaža komponent

Po izdelavi nosilcev jih je bilo potrebno pritrditi na samo napravo. Najprej se je na osi stroja in osi motorjev namestilo zobate jermenice, nato se je nosilec z motorjem nastavilo v približen položaj in namestilo jermen. Sledilo je označevanje položaja za vijake, ki bodo pritrdili ploščo na frezalni stroj. Na označenih mestih se je izvedlo točkanje, vrtanje in na koncu vrezovanje navojev v konstrukcijo naprave, zatem se je istočasno nosilce pričvrstilo z M6 vijaki in izvedlo napenjanje zobatega jermena.

3. Metode dela

26 Slika 3.12: Koračni motorji po montaži

Sledila je montaža končnih stikal. V tem primeru je bila pomembna prilagodljivost v smeri premika osi, saj smo želeli končno stikalo postaviti čim bližje dejanskemu koncu pomika, da izkoristimo največji možen delovni volumen. Za ta namen smo uporabili utore, ki so predhodno služili za namestitev menskih končnih stikal, ki so izklapljali avtomatske pomike ob koncu delavne smeri. Na ohišje stroja smo z vijačnimi spoji togo namestili nosilec končnega stikala, posamezno os premaknili v končno lego in s premikanjem feromagnetnega bloka po utoru določili končno pozicijo po posamezni osi.

Slika 3.13: Montaža končnih stikal

3.2.5 Vezava elektronskih komponent

Po končani montaži mehanskih komponent je sledilo povezovanje motorjev s krmilniki in krmilnikov z vhodno-izhodno kartico. Povezovanje motorja, ki ima vgrajeni dajalnik položaja s krmilnikom je bilo preprosto, saj je proizvajalec namestil ustrezne konektorje, tako da jih je bilo potrebno le spojiti. Dodati je bilo potrebno le vir napajanja, ki je v tem primeru variabilni transformator z napetostjo nastavljeno na 80 V. To se je izvedlo enako za vsako os frezalnega stoja, le da se je na vhodno-izhodni kartici uporabilo druga priklopna

3. Metode dela

mesta. Krmilnik se je z glavno ploščo povezalo po priloženi shemi, oziroma kot je prikazano na Slika 3.14.

Slika 3.14: Povezava krmilnika z vhodno-izhodno kartico

Sledil je priklop končnih stikal na kartico. Induktivno končno stikalo ima tri priklopne žice in sicer modro in rjavo, ki služita za napajanje, ter črno za napetostni signal, ko je feromagnetni predmet v bližini slednjega. Napajanje za vsa tri stikala je bilo vezano vzporedno, tako da smo za ta del lahko uporabili en napajalnik, vsako črno žico pa je bilo potrebno vezati na ločeno vhodno mesto na kartici. Način vezave je prikazan na Slika 3.15.

3. Metode dela

28 Slika 3.15: Vezava induktivnih končnih stikal

3.2.6 Programski del krmiljenja

V prihodnjem segmentu naloge bo predstavljen potek namestitve programske opreme in osnovne nastavitve programa LinuxCNC. V zadnjem delu se bomo posvetili izničevanju mrtvega hoda, ki je posledica zračnosti med trapezno navojno palico in bronasto matico.

3.2.6.1 Namestitev LinuxCNC in povezovanje

Prvi korak je predstavljalo formatiranje starejšega prenosnega računalnika, na katerega je bila naložena programska oprema. Sledilo je prenašanje potrebnih datotek in namestitev novega operacijskega sistema (LinuxCNC 2.7) na prenosnik. Nato smo vzpostavili povezavo med računalnikom in vhodno-izhodno kartico preko UTP kabla. Potrebno se je bilo prebiti skozi nastavitvenega čarodeja, kjer smo nastavili uporabo vseh priključnih mest na glavni plošči, izračunali premik posamezne osi v primeru, ko se koračni motor zasuče za en korak in vnesli delavne gabaritne dimenzija stroja. S poskušanjem je bilo potrebno določiti maksimalne hitrosti premikanja posamezne osi, ki jih še dopuščajo izbrani koračni motorji, preden krmilniki javijo napako. Izbrati je bilo potrebno še pozitivne smeri pomika osi in hitrosti, pri katerih se bo stroj približeval končnim stikalom, med iskanjem bazne točke.

3. Metode dela

Slika 3.16: Programske nastavitve LinuxCNC

3.2.6.2 Programska kompenzacija mrtvega hoda

Zahtevnejša naloga je bila fina nastavitev pomika osi. Programska oprema LinuxCNC ima možnost kompenzacije praznega hoda preko celotnega vretena, saj vreteno nima enotne obrabe po celotni dolžini. Največja obraba je na sredini oziroma na področju kjer se je stroj najpogosteje uporabljal. Pri tem načinu korekcije giba, programsko okolje potrebuje kompenzacijsko datoteko, v kateri je za posamezno os navedena dejanska lega v intervalih brez uporabe kakršnekoli korekture. Naloga je bila postaviti os v nično lego z uporabo končnega stikala, uporabiti merilno uro, ter izmeriti dejansko lego, ko os potuje v pozitivni oziroma negativni smeri na posamezno točko. V našem primeru je bil interval na vsakih 5 mm prepotovane razdalje kar je pomenilo 124 meritev za X os oziroma 62 vrstic kompenzacijske datoteke. Slednji postopek je bilo potrebno ponoviti za vsako os posebej.

Na spodnji Slika 3.17 je predstavljen odsek kompenzacijske datoteke.

Slika 3.17: Izsek kompenzacijske datoteke

30

4 Rezultati

Končni rezultat prve faze predelave je delujoč stroj, ki omogoča simultano premikanje treh osi med obdelavo. Stroj prejme G-kodo, velikostno omejitev datoteke predstavlja le kapaciteta trdega diska v prenosniku in premika obdelovalne osi skladno z njo. Trenutna G- koda ne more vklapljati glavnega vretena, regulacije vrtljajev, izklopa/vklopa hladilno mazalnega sredstva in menjave orodja. Ostale specifikacije so predstavljene v Preglednica 4.1.

Preglednica 4.1: Končne specifikacije

Delavno območje (x/y/z – osi) 320/220/330 mm

Velikost vpenjalne mize 700 x 300 mm

Masa stroja 1300 kg

Moč glavnega vretena 3000 W

Priključna napetost 380 V

Frekvenca 50 Hz

Vrtilna frekvenca glavnega vretena 115 – 1600 vrt/min Najvišja hitrost pomikov x-os 2000 mm/min

y-os 1700 mm/s z-os 800mm/s

4.1 Izmerjena natančnost stroja

Na koncu projekta je bila izvedena izdelava testnega kosa, valja s sferično obliko na vrhu, ki je bil dimenzijsko ovrednoten v Laboratoriju za odrezavanje na Fakulteti za strojništvo.

Meritev je bila izvedena na optičnem 3D merilnem stroju, proizvajalca Alicona. Pri meritvi nas ni zanimala hrapavost površine, ampak predvsem odstopanje ciljnega radija od izmerjenega. Vrednost ciljnega radija je bila 19,50 mm, vrednost izmerjenega pa približno 19,71mm, kar predstavlja približni odstopek 0,21 mm. Izmerjena natančnost stroja je nižja, kot je bila predvidena (odstopki do 0,15 mm), a vseeno zadovoljiva ob upoštevanju obrabljenosti trapeznih vreten.

4. Rezultati

Slika 4.1: Izdelan testni kos in meritev radija

4.2 Finančna analiza

Celoten postopek predelave je potrebno ovrednotiti tudi s finančnega vidika. V Preglednica 4.2 so prikazani vsi stroški, ki so se pojavili pri predelavi. Znotraj cene nakupa rabljenega frezalnega stroja je potrebno upoštevati tudi priloženo orodje kot je nagibna miza, vpenjalne priprave in veliko frezalnega orodja, ki zagotovo predstavljajo tretjino vrednosti. Skupni seštevek ne vključuje komponent kot so prenosni računalnik, aluminijaste plošče, induktivna končna stikala in variabilni transformator, saj so slednji gradniki bili na voljo od prejšnjih nedokončanih projektov in jih ni bilo potrebno kupiti. Skupni vložek je prikazan v Preglednica 4.2.

Preglednica 4.2: Finančna analiza predelave

Komponenta Cena [€]

Rabljeni frezalni stroj z orodjem 1350 Koračni motorji in krmilniki 326,96 Vhodno-izhodna kartica Mesa 7I96 164,74 Zobata jermena in jermenice 75,04

Skupaj 1916,74

32

5 Zaključki

Projekt predelave stroja, ki smo si ga zadali v okviru zaključne naloge, nas je postavil pred mnoge izzive, tekom reševanja katerih smo pridobili veliko novih znanj. Slednje je bil glavni cilj naloge, ki je bil s tem tudi dosežen. Razumevanje postopka odrezavanja s frezanjem in delovanje frezalnega stroja je postalo bolj intuitivno, teoretično znanje, ki je bilo pridobljeno v času izdelave in študija pa je na tem področju dobilo oprijemljiv temelj za nadaljnjo gradnjo. Končni rezultat prve faze predelave je prikazan na Slika 5.1.

Slika 5.1: Končni izgled stroja

5. Zaključki

1) Izbrali smo rabljen klasični frezalni stroj, ga transportirali v domačo delavnico, ga pregledali očistili in pripravili za nadaljnjo predelavo.

2) Izbrali smo ustrezne hibridne koračne motorje s krmilniki, zasnovali nosilce motorjev, jih izdelali ter pritrdili na osnovno konstrukcijo stroja.

3) Uporabljen je bil prenos moči z uporabo HTD 5M zobatega jermena in zobatih jermenic, ki povezuje koračni motor in navojno vreteno.

4) Uspelo nam je pravilno povezati vse uporabljene elektronske komponente in jih s programsko opremo ustrezno uskladiti, da delujejo kot tri osni računalniško numerično krmiljen frezalni stroj.

Predlogi za nadaljnje delo

Kljub temu da stroj deluje, se njegova predelava še ni zaključila. V okviru finančnih zmožnosti bo na stroju izvedena menjava vseh trapeznih navojnih vreten s krogelnimi, dodan bo sistem za samodejno določanje višine vpetega orodja in njegovega premera in sistem za določanje pozicije obdelovanega kosa. Te nadgradnje bi dodatno izboljšale natančnost stroja. Za tem sledijo še dodatne izboljšave kot so dodajanje merilnih letev, ki zelo pripomorejo k točnosti pozicioniranja, izdelava četrte in pete osi frezalnega stroja in morda vgradnja dodatnega visoko hitrostnega glavnega vretena, ki bi omogočalo lažjo obdelavo predvsem mehkejših materialov.

34

Literatura

[1] I. Anžel et al.: Moderno proizvodno inženirstvo. Grafis trade, Grosuplje, 2010.

[2] M. Jež et al.: Strojnotehnološki priročnik, 3rd ed. Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 1986.

[3] H. Muren: Elementi odrezovalnih strojev, zvezek 2. Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 1991.

[4] B. Vrtek and P. Kaiba: CNC odrezovalni stroji: zgradba, delovanje in programiranje.

Pami, Železniki, 2001.

[5] Knuth machinetools. Dostopno na: https://www.knuth-machinetools.com, ogled:

2.8.2021.

[6] B. Žabkar: Zasnova, izdelava in testiranje 3-osnega CNC frezalnega stroja:

diplomska naloga. Ljubljana, 2012.

[7] Plethora. Dostopno na: https://www.plethora.com/, ogled: 2.8.2021.

[8] J. Kopač: Obdelovalni stroji -1. zvezek-. Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2001.

[9] Autodesk. Dostopno na: https://www.autodesk.com/, ogled: 2.8.2021.

[10] Instructables. Dostopno na: https://www.instructables.com/, ogled: 2.8.2021.

[11] J. Kopač: Obdelovalni stroji, orodja in naprave. Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2005.

[12] NSK. Dostopno na: https://www.nsk.com/, ogled: 2.8.2021.

[13] L. Cerče et al.: Učno gradivo za vaje pri predmetu: Odrezovalni stroji in naprave.

Fakulteta za strojništvo, Ljubljana, 2014.

[14] Tuli. Dostopno na: https://www.tuli.si/, ogled: 2.8.2021.

[15] Haas CNC. Dostopno na: https://www.haascnc.com/, ogled: 2.8.2021.

[16] Maschine Wagner Betriebs Anleitung. Navodila za uporabo frezalnega stroja, 1977.

[17] WD Tehnik katalog. Dostopno na: https://www.wd-tehnik.si/, ogled: 2.8.2021.

[18] Stepperonline. Dostop na: https://www.omc-stepperonline.com/, ogled: 2.8.2021.

[19] CNCprofi. Dostop na: https://www.cncprofi.eu/de/, ogled: 2.8.2021.