Agnieszka NIEDWIEDZKA Dr in. Wojciech MISKOWSKI Dr in. Krzysztof NALEPA Uniwersytet Warmi&sko-Mazurski, Wydzia+ Nauk Technicznych ANALIZA KONSTRUKCJI I MODERNIZACJA TRENINGOWEJ OBRABIARKI CNC Streszczenie: W niniejszym artykule zosta+ przedstawiony projekt modernizacji treningowej obrabiarki CNC (Computer Numerical Control uk+ady sterowania ze struktur4 komputerow4). Celem modernizacji by+a poprawa sztywno6ci konstrukcji. Pierwszy etap bada&, analiza statyczna, przedstawia wp+yw modyfikacji na rozk+ad napr7e& i przemieszcze& w obr7bie uk+adu przesuwu suportu z wrzecionem. Drugi etap bada&, analiza modalna, wykazuje cz7sto6ci drga& w+asnych obiektu konieczn4 do uwzgl7dnienia podczas opracowywania obszaru pr7dko6ci roboczych obrabiarki. CONSTRUCTION ANALYSIS AND MODERNISATION OF TRAINING CNC MACHINE Abstract: Modernization project of a training CNC (Computer Numerical Control) machine tool was shown in the present article. The structure rigidity improvement was the aim of this modernization. First stage of research, the static analysis, shows modernization influence on the stresses and displacements distribution within the slide with spindle traverse system. The second research stage, dynamic analysis, shows free vibration frequencies of the object, that are necessary to be taken into consideration during the working speed range of machine tool description. 1. WPROWADZENIE W opracowaniu przedstawiono propozycj modernizacji treningowej obrabiarki CNC (rys.1) znajduj cej si w Katedrze Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn Uniwersytetu Warmi&sko-Mazurskiego w Olsztynie. Treningowa frezarka CNC zosta,a zbudowana przez studentów Wydzia,u Nauk Technicznych pod kierunkiem pracowników KMiPKM 1 i KEiE 2. Pracom projektowym przy0wieca, cel wykonania maszyny umo1liwiaj cej studentom zapoznanie si z pe,nym cyklem produkcyjnym z wykorzystaniem systemów CAD/CAM/CAE. Obecnie trwaj badania zmierzaj ce do poprawy jako0ci pracy frezarki, co jest te1 udzia,em autorów tego artyku,u. 1 Katedra Mechaniki i Podstaw Konstrukcji Maszyn 2 Katedra Elektrotechniki i Energetyki 319
2. PRZEDMIOT I CEL BADA Rys. 1. Treningowa obrabiarka CNC (fot.) Przedmiotem bada& jest treningowa obrabiarka CNC o zakresie prdko0ci obrotowych wrzeciona od 11500 do 33000 obr./min, co odpowiada zakresowi czstotliwo0ci 190 550 Hz. Frezarka s,u1y do obróbki tworzyw sztucznych, metali kolorowych i lekkich.?ruba poci gowa pozioma Wrzeciono Rama Stó, Silnik krokowy Prowadnica pozioma?ruba poci gowa pozioma Prowadnica pionowa?ruba poci gowa dolna Prowadnica dolna Rys. 2. Model 3D obrabiarki CNC Na rys. 2 przedstawiono model obrabiarki CNC stanowi cej przedmiot analiz zamieszczony w niniejszej pracy. Do g,ównych elementów tej obrabiarki nale1 : rama, stó,, wrzeciono, trzy silniki krokowe, dwie prowadnice poziome, 0ruba poci gowa pozioma, dwie prowadnice pionowe, 0ruba poci gowa pionowa, dwie prowadnice dolne oraz 0ruba poci gowa dolna. Modernizacja obrabiarki CNC mia,a na celu popraw sztywno0ci konstrukcji. Proponowanym rozwi zaniem wy1ej wymienionego problemu konstrukcyjnego by,o zwikszenie stabilno0ci uk,adu przesuwu odpowiedzialnego za ruch wzd,u1 osi x (rys. 2). Modyfikacji uleg,y prowadnice poziome. Zwikszono ich 0rednic z 10 do 20 mm. Konsekwencj tej modyfikacji by,a wymiana,o1ysk liniowych i ich opraw, jak równie1 p,yty stabilizuj cej prowadnice 320
i 0rub poci gow poziom. W nastpnym etapie, niezwykle istotnym dla procesu eksploatacji obrabiarki, okre0lono czsto0ci drga& w,asnych konieczne do uwzgldnienia podczas opracowywania obszaru prdko0ci roboczych obrabiarki. 3. METODYKA BADA Badania przeprowadzono w programie SolidWorks z dodatkiem Simulation. W analizowanej konstrukcji ze wzgldu na z,o1on struktur obiektu zosta,y pominite elementy, cz ce (0ruby i nakrtki). Rozpito0A siatki bry,owej, za pomoc której dokonano dyskretyzacji modelu obrabiarki, wynosi,a od 6,9 mm (okolice otworów) do 69 mm na obszarach o najmniej skomplikowanej strukturze (elementy ramy i 0rodkowa cz0a wrzeciona). Obiekt umocowano na czterech podporach (rys. 3). rozrzedzona struktura siatki zagszczona struktura siatki Rys. 3. Siatka modelu u1ywanego podczas bada& MES treningowej obrabiarki CNC W analizie statycznej rozpatrywano trzy przypadki obróbki skrawaniem br zu: si,a skierowana wzd,u1 osi y (34 N) zag,bianie si w materia, si,a skierowana wzd,u1 osi z (28 N) obróbka materia,u si,a sk,adaj ca si z dwóch sk,adowych wzd,u1 osi y i z (odpowiednio 22 N i 8 N) obróbka powierzchni sferycznych. Czsto0ci drga& w,asnych oraz postaci drga& zosta,y okre0lone przy pomocy analizy czstotliwo0ci typ badania dostpny w SolidWorks Simulation, histogram amplitud uzyskano poprzez przeprowadzenie analizy dynamicznej liniowej równie1 dostpnej w wy1ej wymienionym programie. 321
4. WYNIKI BADA Popraw sztywno0ci konstrukcji oceniono na podstawie zmian napr1e& i przemieszcze& w poszczególnych elementach obrabiarki. Wyniki analizy dla warto0ci maksymalnych zestawiono w tabeli 1, a ich rozk,ady zamieszczono na rys. 4-9. Tabela 1. Zestawienie maksymalnych napr1e& i przemieszcze& Naprenie [N/mm 2 ] Przemieszczenie [mm] Rodzaj obróbki Model z poziomymi prowadnicami Ø10 mm Model z poziomymi prowadnicami Ø20 mm Rónica Rónica [%] wzd,u1 osi y 13,953 6,107 7,846 56,23 wzd,u1 osi z 11,205 10,693 0,512 4,57 wzd,u1 osi y i z 6,96 2,49 4,47 64,22 wzd,u1 osi y 0,225 0,049 0,176 78,22 wzd,u1 osi z 0,170 0,029 0,141 82,94 wzd,u1 osi y i z 0,082 0,014 0,068 82,93 Miejscem koncentracji najwikszych napr1e& jest dolna prowadnica pozioma, co uzasadnia konieczno0a modyfikacji uk,adu przesuwu odpowiedzialnego za ruch wzd,u1 osi x. Analiza statyczna wykaza,a, 1e proponowana modyfikacja zmniejszy napr1enia nawet o 64,22% w przypadku obróbki powierzchni sferycznych. Maksymalne przemieszczenia wystpuj zawsze w okolicy wrzeciona, co w przypadku obróbki wzd,u1 osi y przek,ada si równie1 na przemieszczenia odpowiadaj cego jej silnika krokowego. Podczas ka1dego rozpatrywanego rodzaju obróbki przemieszczenia zostan zredukowane w granicach 78-83%. Napr1enie max [N/mm 2 ] 13,953 Napr1enie max [N/mm 2 ] 6,107 Napr1enie min [N/mm 2 ] 2,163e-009 Napr1enie min [N/mm 2 ] 1,08e-009 Rys. 4. Rozk,ad napr1e& przy obci 1eniu si, skierowan wzd,u1 osi y zag,bianie si w materia,: a) model przed modyfikacj, b) model po modyfikacji 322
Napr1enie max [N/mm 2 ] 11,205 Napr1enie max [N/mm 2 ] 10,693 Napr1enie min [N/mm 2 ] 3,986e-009 Napr1enie min [N/mm 2 ] 3,65e-009 Rys. 5. Rozk,ad napr1e& przy obci 1eniu si, skierowan wzd,u1 osi z obróbka materia,u: a) model przed modyfikacj, b) model po modyfikacji Napr1enie max [N/mm 2 ] 6,96 Napr1enie max [N/mm 2 ] 2,49 Napr1enie min [N/mm 2 ] 2,316e-009 Napr1enie min [N/mm 2 ] 3,416e-009 Rys. 6. Rozk,ad napr1e& przy obci 1eniu si,ami dzia,aj cymi wzd,u1 osi y i z obróbka powierzchni sferycznych: a) model przed modyfikacj, b) model po modyfikacji Przemieszczenie max [mm] 0,225 Przemieszczenie max [mm] 0,049 Przemieszczenie min [mm] 0 Przemieszczenie min [mm] 0 Rys. 7. Rozk,ad przemieszcze& przy obci 1eniu si, skierowan wzd,u1 osi y zag,bianie si w materia,: a) model przed modyfikacj, b) model po modyfikacji 323
Przemieszczenie max [mm] 0,170 Przemieszczenie max [mm] 0,029 Przemieszczenie min [mm] 0 Przemieszczenie min [mm] 0 Rys. 8. Rozk,ad przemieszcze& przy obci 1eniu si, skierowan wzd,u1 osi z obróbka materia,u: a) model przed modyfikacj, b) model po modyfikacji Przemieszczenie max [mm] 0,082 Przemieszczenie max [mm] 0,014 Przemieszczenie min [mm] 0 Przemieszczenie min [mm] 0 Rys. 9. Rozk,ad przemieszcze& przy obci 1eniu si,ami dzia,aj cymi wzd,u1 osi y i z obróbka powierzchni sferycznych: a) model przed modyfikacj, b) model po modyfikacji Analiza czsto0ci drga& w,asnych wykaza,a, 1e wprowadzona modyfikacja przyczyni,a si do zwikszenia liczby postaci drga& z 18 do 22, a tak1e do niewielkiego zwikszenia zakresu prdko0ci roboczych wrzeciona, w których wystpuj czsto0ci rezonansowe. Z analizy dynamiki liniowej wynika jednak1e, 1e wy1sze czstotliwo0ci rezonansowe, ze wzgldu na niewielk amplitud, mo1na traktowaa jako szumy. 324
Tabela 2. Wyniki analizy czsto0ci drga& w,asnych modelowej obrabiarki CNC Postaci drga& Analiza czsto0ci drga& w,asnych Model Model z poziomymi z poziomymi prowadnicami prowadnicami Ø10 mm Ø20 mm Czstotliwo0A (Hz) Czstotliwo0A (Hz) Postaci drga& Analiza czsto0ci drga& w,asnych Model Model z poziomymi z poziomymi prowadnicami prowadnicami Ø10 mm Ø20 mm Czstotliwo0A (Hz) Czstotliwo0A (Hz) 1 206,39 202,46 12 397,3 368,77 2 226,95 214,35 13 421,4 402,55 3 232,68 233,89 14 425,72 431,28 4 252,4 244,39 15 441,63 454,74 5 259,56 261,78 16 498,21 462,52 6 268,06 273,24 17 510,36 483,67 7 303,16 288,89 18 526,26 496,76 8 329,61 329 19 509,08 9 330,43 329,7 20 512,86 10 360,42 342,77 21 521,5 11 371,5 367,72 22 537,66 Rys. 10. Postaci drga& w,asnych obrabiarki CNC Elementem, który zosta, uwzgldniony przy wykonywaniu histogramów w analizie dynamiki liniowej, by,o wrzeciono punkt, do którego zosta,a bezpo0rednio przy,o1ona si,a. Jest to strategiczne miejsce, z którego drgania rozchodz si na ca, maszyn. Punkt uwzgldniony przy tworzeniu histogramów Rys. 11. Punkt uwzgldniony przy tworzeniu histogramów 325
Przed wprowadzeniem modyfikacji analiza modalna wskazuje jednoznacznie jedn czstotliwo0a o wysokiej amplitudzie przemieszcze& (238,65 Hz). Modyfikacja prowadnic poziomych doprowadzi,a wprawdzie do zmniejszenia tej amplitudy, jednak ujawni,a si jeszcze jedna czstotliwo0a o wysokiej amplitudzie (267,65 Hz). Rys. 12. Amplitudy przemieszcze& dla wrzeciona modelu obrabiarki: a) przed modyfikacj, b) po modyfikacji 5. UWAGI KOCOWE Przeprowadzona analiza potwierdza celowo0a wprowadzenia zamierzonej modyfikacji. Umo1liwi ona znaczne zmniejszenie przemieszcze& w obrbie wrzeciona, co prze,o1y si na zwikszenie dok,adno0ciami jako0ci obrabianych elementów. Z zakresu prdko0ci roboczych obrabiarki nale1y wyeliminowaa czstotliwo0ci zbli1one do rezonansowych. Wprowadzenie modyfikacji nie jest jedynym planem zwi zanym z treningow obrabiark CNC. W kolejnym etapie modernizacji planuje si zaprojektowanie i wykonanie dodatkowej osi obróbki umo1liwiaj cej obrót obrabianego detalu wzd,u1 osi z. LITERATURA [1] Górski E.: Poradnik frezera, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1999. [2] Piszczek K.: Drgania w budowie maszyn, PWN, Warszawa 1982. [3] Mó,towski B.:Badania dynamiki maszyn, Akademia Techniczno-Rolnicza w Bydgoszczy, Bydgoszcz 2002. [4] Samouczek Online programu SolidWorks. 326