Návrh jednoúčelových automatizovaných zařízení s podporou CAD

Tags: CAD | PLM

V našem případě jsme s pomocí CAD systému Pro/ENGINEER řešili problematiku návrhu jednoúčelového fixačního zařízení pro dokončování součástek pro upínání vodičů v elektroinstalačních prvcích a v tomto článku se pokusíme o stručné přiblížení řešení, a to konkrétně jedné operace.

Operace – ohyb s fixací

Jde o potřebu vzájemné fixace dvou prvků tak, aby se výsledná součástka dala použít jako upínací prvek vodičů elektroinstalačních komponentů. Je třeba vytvořit a udržet dostatečný přítlak kontaktních částí na kovovou část vodiče, a to z důvodu zabezpečení uspokojivých podmínek průchodu elektrického proudu a zároveň i zamezení proti vypadnutí nebo povytažení vodiče (toto dosáhneme pružným zářezovým prvkem), viz obr. 1.

Obr. 1 Upínání vodičů

Po úspěšných předchozích operacích je na vstupu této operace součástka přesně napolohovaná v upínacím přípravku (viz obr. 3) na otočném pracovním stole, kde je zajištěn bezpečný přenos deformačních sil a přidržování. Na obr. 2 je znázorněn celkový pohled se znázorněním následnosti operací (pohyb pracovního stolu).

Obr. 2 Pohled na celek

V každém pracovním kroku je kontrola na přítomnost jednotlivých součástek z důvodu náhodného vypadnutí z přípravku v důsledku přilnavosti deformovaného materiálu (výstupku „V") k pracovním nástrojům.

Deformační síla na fixované součástky a nástroj, který jí působí, má být kolmá k rovině (k ploše „A"), v níž se nachází pružný zářezový prvek, aby se plasticky deformovaly výstupky „V", viz obr. 4. Takto ohnuté výstupky zajistí přidržení fixované součástky a vyvození přítlačné síly vzhledem na pružné vlastnosti tohoto zářezového prvku.

Tato operace se realizuje pomocí navrženého jednoúčelového pneumaticko-mechanického lisu. Jde o modul vykonávající výslednou deformaci výstupku kontaktního pera, na který je osazen pružný zářezový prvek. Stručný matematický popis principu je uveden v zobrazení kinematiky (viz obr. 7). Při řešení jsme kombinovali klasické výpočetní metody s řešeními s využitím CA.. systémů tak, abychom ukázali všestranné výhody využití výpočetní techniky při návrhu konstrukcí. Z tohoto důvodu v následující části uvádíme i některé výpočty.

Obr. 5 Lis – hlavní část modulu

Obr. 6 Pohled na fixační modul a nástroj v dolní úvrati

Volba lineárního pneumatického pohonu

Počítáme s tlakem pneumatického média 0,5 MPa. Zároveň volíme pneumatický lineární pohon s průměrem pístu 100 mm, a tedy stejně jako při operaci předohybu bude vyvozena síla:

Protože nastává zdvih smýkadla a s ním spojené posunutí bodu „7" do bodu „0" po kružnici „K" (viz obr. 7), je třeba uvažovat s nakloněním pohonu o úhel β. Uchycení pohonu o podpěru, která je schopna se naklánět, zajistí dodržení optimálních pracovních podmínek, aby síly působily pouze v ose pístnice tohoto pohonu. Tímto se předejde poškození lineárního pohonu.

Pro zdvih pneumatického válce (z trojúhelníku zadaného body 3,4,0) platí:

kde absolutní hodnoty z příslušných čísel představují délky udané jednotlivými čísly podle obr. 7.

Obr. 7 Kinematické řešení konstrukce

V tomto případě je možné zanedbat vliv naklonění tohoto pohonu (jak na délkové, tak i na silové hodnoty) způsobené pohybem bodu „0" (čepu v ramenech fixačního zařízení) po části kružnice „K" s poloměrem „R" a středem v bodě „3". Proto můžeme uvažovat, že vysunutí pístu je stejně velké jako vzdálenost H1.

Tedy zvolený pneumatický lineární pohon bude s výsuvem 40 mm, konkrétně typ CDQ2B100-40D (válec s prstencovým magnetem) od výrobce s dlouholetými zkušenostmi na trhu s pneumatickými komponentami – SMC.

Vychýlení osy lineárního pneumatického pohonu

Z mechanické konstrukce a náčrtu na obr. 7 je dáno, že vzdálenost |72| je vzdáleností odpovídající poloze vysunutého smýkadla (tedy dosažení dolní úvratě) a platí |72| = 258 mm.

Pak při poloze, kdy je smýkadlo s nástrojem v horní úvrati a úhel α = 41,41˚, je vzdálenost |12| = |72| – H1 = 258 – 26,5 = 231,5 mm. Z obr. 3 a trojúhelníku určeného body 0, 1, 2 je zřejmé

   a z toho

Z důvodu, že mezi délkami vzdáleností |02| a |12| je rozdíl menší než 0,5 mm, je možné uvažovat |02| = |12|. Následující obrázky znázorňují koncové stavy navrženého jednoúčelového lisu. Je možné vidět koncové stavy pohybů mechanismu, zmiňovaná vychýlení pneumatického pohonu a je zřejmá i horní a dolní úvrať. Pomocí simulace pohybu je možné vyvíjený celek rozpohybovat a tak lépe analyzovat jeho činnost. Ve fázi znázornění činnosti lze odhalit některé nedostatky a systém doladit konstrukčními úpravami a vylepšeními.

Vzájemný vztah deformační síly (tedy síly na výstupu) a vstupní síly (síla působení pneumatického pohonu) v závislosti na úhlu vychýlení ramen je popsán níže uvedeným vztahem. Praktické využití závislosti nárůstu průběhu výstupní síly F2 od zmenšení úhlu α je v plastickém přetvoření materiálu výstupku „V", aby se napětí uvolnila tak, že tento výstupek skoro vůbec neodpruží. Tímto se zajistí dostatečné deformační napětí na pružný zářezový prvek. Velikost sil je možné analyzovat při zadání okrajových podmínek – koncových poloh smýkadla fixačního modulu.

kde F1 je síla vyvolaná pneumatickým válcem a síla F2 je deformační síla na výstupu z transformačního mechanismu fixačního modulu. Úhel α je úhel vychýlení ramen v této části zařízení, závislý na poloze pístu pneumatického válce, přičemž α je maximální uvažovaný úhel vychýlení ramen fixovacího zařízení ze svislé polohy, jak již bylo dříve uvedeno, α = 41,41˚. Pro výšku pracovního záběru H2z = 2,5 mm (což je výška ještě nepředehnutého výstupku „V") bude úhel záběru

Obr. 10 Úprava polohy deformačního nástroje

a je zřejmé, že největší síla odporu deformovaného materiálu bude v rozmezí od 14,36˚ do 0˚ (odpovídající poloze v dolní úvrati), a to odpovídá úseku, kdy nástroj deformuje materiál.

Závěr

Při jakékoliv konstrukci je nutno počítat i s nepřesností při výrobě. Fixace je operace, která vyžaduje nejvíce přesnosti, protože tento modul vyvíjí velmi velkou deformační sílu a zajištěním nesprávné polohy konce nástroje (deformační plochy působící na součástku) je možné celé zařízení poškodit.

Celý modul je navržen tak, aby byla jeho konstrukce co nejjednodušší, s tím, že se přihlíží i na korekci nepřesností v každém ze směrů v rozsahu přibližně 5 mm, což je dostačující pro přesnost zařízení jako celku.

Využitím výpočetní techniky a CAD systémů se zvyšuje efektivita práce. Konstruktérovi pomůže analyzovat koncepci stroje již ve fázi jeho návrhu, a to nejen co se týče mechanických kolizí, ale také deformací, v našem případě ohýbané a fixované součástky.

Literatura

[1] Baron P., Vojtko I., Dobránsky J.: SYSCLASS 3.9 – efektívny nástroj automatizácie predvýrobných etáp, In: Výrobné inžinierstvo. – ISSN 1335-7972. – Roč. 8, č. 4 (2009), s. 49–51.

[2] Dobránsky J., Mihalčová J., Vojtko I.: Analysis of polycarbonate rheological properties – melt volume flow rate (MVR). In: ICMaS: Proceedings of the International Conference on Manufacturing Systems: Vol. 4: 5–6 November, 2009. – Bukurešť: Editura Academiei Romane, 2009. – ISSN 1842-3183. – P. 1–4.

[3] Eliašová Z., Šeminský J.: CAD systémy ako zdroj technologických podkladov pre výrobný proces. In: Strojárstvo = Strojírenství: strojárstvo extra. – 1 elektronický optický disk (CD-ROM). – ISSN 1335-2938. – Roč. 13, č. 5 (2009), s. 9/1–9/2.

[4] Fedorko G., Molnár V., Madáč K.: Základy aplikácie Pro/Engineer v technickej konštrukcii. 2, 1. vyd. – Košice: TU, 2006. – 95 s. – ISBN 80-8073-478-X.

[5] Stanová E.: Axonometrické zobrazovanie, In: Základy strojného inžinierstva. – Košice: TU, 2001. – ISBN 80-7099-661-7.