Návrh a výroba kybernetického vozidla

Tags: CNC | Petr Fořt | Projekty | VOŠ a SPŠ | Vzdělávání | Žďár nad Sázavou

Spo­je­ní mo­der­ních pro­dukč­ních tech­no­lo­gií s vý­ro­bou s vy­u­ži­tím nor­ma­li­zo­va­ných sou­čás­tí a 3D tisku se stalo zá­kla­dem za­jí­ma­vé­ho pro­jek­tu, který vzni­kl na VOŠ a SPŠ ve Žďáru nad Sá­za­vou. Našim hlav­ním cílem bylo před­sta­vit stu­den­tům spo­je­ní tvor­by di­gi­tál­ní­ho ná­vr­hu pá­so­vé­ho vo­zi­dla ří­ze­né­ho mi­k­ro­pro­ce­so­ro­vých sys­té­mem, který bude ná­sled­ně vy­u­žit pro ří­ze­ní ma­lé­ho ob­rá­bě­cí­ho CNC stro­je.

Hle­da­li jsme ča­so­vě ne­ná­roč­né téma, které by apli­ko­va­lo jed­not­li­vé po­stu­py. Sou­čas­ně jsme chtě­li vy­zkou­šet ně­kte­ré ze za­jí­ma­vých 3D op­ti­ma­li­za­cí kon­struk­ce pro FDM tisk.

Konstrukční řešení jako optimalizovaný digitální prototyp pro 3D tisk

Jednoduché zadání zpracované s využitím PLM

Zá­kla­dem na­še­ho on-line pro­jek­tu byla dvou­ho­di­no­vá tý­mo­vá kon­zul­ta­ce přes Micro­soft Teams. Do­mlu­vi­li jsme se s ně­ko­li­ka stu­den­ty na ná­vr­hu a re­a­li­za­ci pá­so­vé­ho vo­zi­dla po­há­ně­né­ho kro­ko­vý­mi mo­to­ry NEMA 17 a ří­ze­né­ho mi­k­ro­po­čí­ta­čem Ar­dui­no UNO s nad­stav­bou CNC shield v3. První kon­cep­ty ná­vr­hu vy­chá­ze­ly z do­stup­nos­ti jed­not­li­vých nor­ma­li­zo­va­ných sou­čás­tí a tech­no­lo­gie 3D tisku na naší škole. Jako nej­vět­ší pro­blém se na­ko­nec uká­za­lo za­jiš­tě­ní vhod­ných pásů. Od­mě­nou za toto méně tra­dič­ní ře­še­ní vo­zi­dla je jeho za­jí­ma­vá pro­stup­nost v leh­kém te­ré­nu.

FEM analýza pro určení vhodné pozice žebrování

Hlav­ní kon­cept ky­ber­ne­tic­ké­ho vo­zi­dla byl kom­plet­ně při­pra­ven for­mou di­gi­tál­ní­ho pro­to­ty­pu, který byl ná­sled­ně ana­ly­zo­ván s vy­u­ži­tím FEM ná­stro­jů a ki­ne­ma­tic­ké stu­die. Sna­ži­li jsme se vy­ře­šit návrh vo­zi­dla s ohle­dem na fi­nanč­ní ne­ná­roč­nost a vý­ro­bu s vy­u­ži­tím 3D tisku z ma­te­ri­á­lu PLA. Tento typ plas­tu po­u­ží­vá­me pro tisk velmi často. Dává velmi přes­né vý­sled­ky s níz­ký­mi ener­ge­tic­ký­mi ná­ro­ky na zpra­co­vá­ní a je i snad­no recyklo­va­tel­ný. Jeho ne­vý­ho­dou je nižší te­pel­ná stá­lost, která má hra­ni­ci při­bliž­ně na 60 stup­ních.

Dostupné metody výroby a montáže

Apli­ka­ce di­gi­tál­ní­ho pro­to­ty­pu po­sky­tu­je rych­le vý­sled­ky s ohle­dem na prů­běh zpra­co­vá­ní pro­jek­tu. Dů­le­ži­tým aspek­tem ře­še­ní je ne­u­stá­lá mož­nost op­ti­ma­li­za­ce kon­struk­ce vý­rob­ku s ohle­dem na jeho ná­sled­nou vý­ro­bu. 3D tisk je be­ze­spo­ru tech­no­lo­gií, která po­sky­tu­je ve spo­je­ní s mo­der­ní­mi ná­vr­ho­vý­mi PLM sys­témy oprav­du skvě­lé mož­nos­ti. Pro­ces na­vrh­ni a ná­sled­ně au­to­ma­tic­ky vyrob je oprav­du na této úrov­ni sou­čas­ným re­ál­ným sta­vem věci.

Konzultační vizualizace z on-line výuky

Dů­le­ži­tým aspek­tem pro snad­nou vý­ro­bu je vhod­ně na­vr­že­ná kon­struk­ce se­sta­vy. V na­šich stu­dent­ských pro­jek­tech vy­tvá­ří­me pro­jek­ty jako snad­no ro­ze­bi­ra­tel­né a za­mě­ni­tel­né. Toto roz­lo­že­ní kon­struk­ce vý­rob­ku po­sky­tu­je vy­so­kou mož­nost va­ri­a­bi­li­ty ře­še­ní s pří­mou vaz­bou na snad­nou opra­vi­tel­nost. Spo­leč­ně s vy­u­ži­tím nor­ma­li­zo­va­ných dílů je tak spo­je­ní 3D tisku s běžně do­dá­va­ným ob­sa­hem skvě­lým ná­stro­jem pro snad­né a rych­lé vy­tvo­ře­ní pro­jek­tu.

Příprava technologie výroby dělených kol

Sou­čás­tí pro­jek­tu byla také jed­no­du­chá tech­nic­ká vi­zu­a­li­za­ce při­pra­ve­ná pro účely ko­mu­ni­ka­ce jed­not­li­vých fází ře­še­ní. V re­a­li­za­ci ce­lé­ho pro­jek­tu jsme se již opře­li o pro­duk­to­vou řadu Au­to­de­sk 2022, která je ak­tu­ál­ně do­stup­ný stu­den­tům i vy­u­ču­jí­cím. Vazby na 3D tisk byly ře­še­ny s vy­u­ži­tím Prusa MK3S tis­kár­ny. Při vý­ro­bě jed­not­li­vých sou­čás­tí se sna­ží­me také mi­ni­ma­li­zo­vat počet nut­ných pod­por vhod­nou kon­struk­cí. Šetří se tak nejen čas po­třeb­ný pro tisk a spo­tře­ba ma­te­ri­á­lu, ale také ná­sled­né úpra­vy mo­de­lu.

Vizualizace finální konstrukce

Experimentální kybernetické řízení

Ro­bo­tic­ký au­to­mo­bil byl řešen s cílem se­zná­me­ní s kom­bi­na­cí NEMA 17 kro­ko­vých mo­to­rů a roz­ši­řu­jí­cí­ho mo­du­lu pro Ar­dui­no UNO, který je do­stup­ný pod ná­zvem CNC Shield v3. Tato roz­ši­řu­jí­cí deska umožňuje za velmi níz­kých ná­kla­dů při­po­jit až čtyři kro­ko­vé mo­to­ry. Kom­plet­ní sys­tém na­pá­je­ní je řešen s vy­u­ži­tím LiPol, LiIon, pří­pad­ně NiMH člán­ků ve vhod­ném za­po­je­ní. Vhod­né soft­ware vy­ba­ve­ní bylo ře­še­no v zá­kla­du s vy­u­ži­tím apli­ka­ce Tin­ker­cad. Op­ti­ma­li­za­ce pro CNC schield byla upra­ve­na bez si­mu­la­ce přímo na ho­to­vém vý­rob­ku.

Prototyp po montáži náprav a NEMA 17 motorů

Rád bych po­dě­ko­val našim stu­den­tům a ko­le­go­vi Mar­ti­no­vi Ťu­po­vi za spo­lu­prá­ci na pro­jek­tu. Více in­for­ma­cí o za­jí­ma­vých pro­jek­tech na­jde­te na www.​spszr.​cz.